Öntsük metanol telefon technológia „egyebeket”
# 132; Nem volt szokásos jelenség tenger ragyogás. Monster, pop-in felszíni víz rétegek pihent néhány toise tengerszinten, és ebből jött egy világos, könnyű megmagyarázhatatlan erő, amely szerepelt a jelentésekben sok kapitányok # 133;.
- Igen, ez csak egy fürt foszforeszkáló szervezetek! - mondta az egyik tiszt.
- Téved, uram, - mondtam határozottan. - Soha Foladi vagy salpa nem bocsát ki ilyen fényes anyag. Ez az elektromos fény eredetét # 133; # 147;
Ábra. Előállítása 1. villamos hőerőmű
Kik az olvasók a gyermek nem süllyednek a mély óceán # 132; Nautilus # 147;? Elektromosság az ő Nemo kapitány által kapott közvetlen átalakulása kémiai energiát villamos nátrium-amalgám akkumulátort. Most a nagy részét a villamos energia által kibocsátott kémiai energia átalakításával keresztül redox reakciókat. Az oxidálószer oxigén, levegő, és a redukálószer (tüzelőanyag) - .. szén, földgáz, olaj, stb A különbség a kiindulási termékek és az energia anyagok hővé alakul, majd mechanikai mozgás, és ez - a villamos energia. Ennek a végrehajtására áramkör szükséges átalakítások bonyolult, terjedelmes és költséges intézkedések - kazánok, turbinák, generátorok, valamint során ezek az átalakulások nagyobb energia szabadul fele elveszett.
Figyelembe véve a redox reakció (az első láncszem a transzformációk) azt sugallja, hogy az elektron elcsábítani menjen oxidáns molekulák a tüzelőanyag-molekulák át a vezeték, és így közvetlenül alakítjuk villamos energiáját reakció nem? Ez az első alkalom, hogy eljött az főbíró és az angol amatőr tudós, Sir William Grove 165 évvel ezelőtt. A készülék által képviselt elektrokémiai cella, az anód oxidáljuk hidrogén, a katódon, hogy csökkentsék az oxigén, és egy vezeték csatlakozik az anód a katód, a jelenlegi ment. Sir Grove nevű készüléke # 132; a gáz akkumulátor # 147;, és a név # 132, # 147 tüzelőanyag-cella; ez a készülék megkapta az ötven évvel később, a könnyű kézzel Ludwig Mond (szintén egy amatőr kémikus, a fő ugyanazt a szakmát - üzletember, az egyik alapítója a hatalmas # 132; Imperial Chemical Industries # 147;).
Ábra. 2. közvetlen átalakítása kémiai energia elektromos erőtér energiáját a redox reakcióban
A működés során a tüzelőanyag-elem szinte nem melegítjük - szabadul fel a reakció során energia alakul közvetlenül villamos. Mivel nem fűtőelem átalakítja megállapított közbenső vegyi energia hővé, ezért hatékonysága nem korlátozódik a Carnot szabályt, és attól függően, hogy az adott reakció, és 100% lehet, és még több! Persze, # 132; energia termelésének semmiből # 147; Ez nem fordul elő, de bizonyos esetekben változása miatt a reakció nem csak energiát, hanem az entrópia a reagensek energia paramétereinek az elektromos mező és halad néhány hőenergiáját a környezetet. Ma berendezés Grove - vékony (1-3 mm-es) téglalap alakú doboz, amely tartalmaz két elektróda és bepároljuk lúg - elektrolit.
Az anód és a katód - az oldalfal, és ezek rendre táplálják oxigén és hidrogén. Az elektródák olyan érintkező gáz és az elektrolit, azok elrendezése látható a jobb oldalon. Charge transzfer történik határán a három fázis - az elektród, a gáz és elektrolit: az elektron átmegy a hidrogénatom a szén részecske és egy hidrogén molekulát hasad protonok, amelyek reagálnak a hidroxil-molekulák:-
2H2 + 4ON - → 4H2O + 4e -.
-
Az O2 + 2H2 O + 4 e - → 4ON -.
Ábra. 3. Az oxigén-hidrogén-üzemanyagcellás lúgos elektrolitot, gázdiffúziós elektród számára
Ez a fő probléma: az oxidációs reakciót (égés) üzemanyag van szobahőmérsékleten nagyon lassan - reagál számottevő részét a molekulák keveréke szükséges több száz éve. A fűtőelem van csomagolva nagyon alacsony energiasűrűség, és kell egy hatalmas méretű.
Szükséges, hogy felgyorsítsa a katódos és anódos reakció, amelyet akár használni egy katalizátort vagy emelje fel a cella hőmérséklete. Abban az esetben, az oxigén-hidrogén-sejt lúgos elektrolitot, egy jó választás a katalizátor bizonyult lehetséges; legjobb katalizátor mindkét elektróda - platina vékony réteg, amely kiterjed az elektródák. Ezek az elemek a tüzelőanyag voltak olyan sikeresek, hogy használták a 60-es a múlt század energiaellátást az expedíciók a Hold (a fejlesztő üzemanyagcellák Hold expedíció Sir Francis T. Bacon, közvetlen leszármazottja a híres filozófus és államférfi Francis Bacon).
Ábra. 4. Az áramkör hidrogén-oxigén üzemanyagcellás egy TEM (akkumulátor)
Most, # 132, # 147 az elektrolit; filmet használunk - a polimer elektrolit membrános (PEM). Ez áll a hatalmas többértékű sav molekulák, amelyekben az oldalláncban szénváz a maradékhoz savas csoportok kapcsolódnak [-SO3]. és protonok szabadon mozogjanak a polimer. A leggyakoribb TEM # 151; film poli [tetrafluor-etilén] -perftorsulfonovoy polisavak ismert kereskedelmi név alatt # 132; Nafion # 147;. Modern tüzelőanyagcella áll egy vékony (50 mikron és 250 mikron) film # 132; Nafion # 147;, két katalizátorral bevont oldala (anód és a katód); hogy a rétegeket nyomódnak a katalizátor lemezek - az áramkollektor készülhet bármilyen (lehetnek különbségek a legjobb lehetőségek) a porózus gázáteresztő anyagból, vezető áram is. Ahhoz, hogy a lemezeket, viszont préselt tálcákat csatornák, amelyeken keresztül a katód és az anód, és a hidrogén oxigént táplálunk. Jellemzően maximális kimenő teljesítmény cellafeszültség 0,5-0,6.
Legyőzése után technikai akadályt fejlesztők rózsa gazdasági: oxigén-hidrogén bizonyult nagyon drága eleme a termelés és a műveletet (küldetések a Hold ezt figyelmen kívül hagyható). Magas költségek a tüzelőanyag-elem hatására a platina alkalmazása, és a polimer elektrolit, az is drága, és összetettsége gyártási technikák.
Ábra. 5. Az akkumulátor 500 W az elemek
Természetesen kétféle módon csökkenti a működési költségeket: a csere a hidrogén üzemanyag és egy szokásos (.. Metil-alkohol, gázolaj, stb), vagy redukáló gáz, hogy a tisztasági követelményeket. Hogy oldja az utóbbi (látszólagos világosabb) feladatok fejlesztők használják, mint az elektrolit 100% foszforsavat és a hőmérsékletet emeljük elem 150-200 ° C, ami a viszonylagos sikere - lehetővé vált, hogy alkalmazzák a műszaki hidrogént tartalmazó 12% szén-monoxid . Jelenleg a munka, néhány sejtből tapasztalt ilyen design, teljesítmény 5 kW és 200 kW. Foszfát cella alkáli üzemanyag olcsóbb, de nem olyan hatékony, (hatékonyság 40-50%), és még mindig túl drága (kb 500 $ / KW). Működés magasabb hőmérsékleten alkalmatlanná teszi meghajtására hordozható elektronikai és a fűtési szükségletet megkezdése előtt az alkalmazás korlátait szállítás (ez vonatkozik minden, a következő elemek elemzi melegítés).
Egy még további, magas hőmérsékleten (800-1000 ° C) működő a tüzelőanyag-cella egy szilárd oxid elektrolit. Nincsen katalizátor elem tartalmaz egy vékony keveréke ittrium és cirkónium-oxid-réteg - a szilárd oxid elektrolit nagy mobilitása megüresedett oxigén ionok; mindkét oldalán az elektrolit olyan rács - áramkollektor. Az anód-oldali üzemanyag reagál ionok O 2- rács, amely az elektronok a külső áramkör és alkotó reakciótermékek; Alkotó oxigén megüresedett mozgassa a katód réteget az elektrolit, míg az elektronok -, hogy a katód egy külső körön keresztül, amely a szükséges villamos áram. A katódon oxigén tulajdonít elektronok és ionok O 2- töltési jön, hogy a katód oxigén megüresedett. Egy ilyen elemnek van egy üzemanyag-hatékonyság több mint 50% nem tartalmaz platinát, és az üzemanyag nem csak arra szolgálnak, hogy ez a hidrogén és a földgáz, de még a dízel üzemanyag. A probléma az, jelenlétében magas hőmérsékletű zóna, amely szükségessé teszi a költséges szerkezeti anyagok és segédanyagok egységek; Az élettartam az üzemanyagcellák nem elég nagy még. Mint a fűtőelemek az olvasztott karbonátos tüzelőanyag-elemeket egy szilárd elektrolit-oxid lesznek leginkább alkalmas nagy helyhez kötött létesítmények.
Tehát annak ellenére, hogy jelentős előrelépés terén üzemanyagcellák az idő az expedíció a Holdra, az energia marad még túl drága elterjedt használata - ha az ügy jut lakáskínálat, a vállalkozások és a járműveket. Itt egy egyszerű példa: a költsége a legtöbb kész használható kereskedelmi foszfát üzemanyagcella, figyelembe véve az amortizációs idő, ez növeli a költsége 1 kilowattóra energia mintegy 10 rubel. A költséghatékonyság hidrogén körülbelül 50% az elem adja az energiát költsége nem alacsonyabb, mint 30 rubelt kilowattóránként, és ez a figyelembe vétele nélkül az összes lehetséges általános költségek. A kiskereskedelmi ár # 132, # 147 normál; villamosenergia-Amerikában kevesebb, mint 20 cent, azaz mintegy öt rubel kilowattóránként.
Ábra. 6. A relatív energiasűrűsége különböző forrásokból kémiai teljesítmény
Ahhoz, hogy a hidrogén üzemanyagcellás vált versenytársa hő- és atomerőművek, a szükséges energia csökken az ár legalább egyszer, mint nyolc, olcsóbb szeretnék elem maga, mi mást is várhatnánk, és hidrogén - amelyekre nincs nyilvánvaló oka.
Ábra. 6. azt mutatja, hogy az üzemanyagcellák használata hordozható elektronikai forradalom ígéretek - növekvő időszak folyamatos működése önálló elektronikus eszközök 10-20. Továbbá, minden típusú tüzelőanyag-cellák a legjobb jelölt cella csak TEM: mások magas hőmérsékletet igényel a munka-és kiegészítő eszközök (például szivattyúk.). Nehéz elképzelni, hogy sikerül elhelyezésére egy hordozható áramforrást a fűtött 200 ° C-foszforsavval és szivattyút a levegő, pumpa. És ki akarja megvenni?
Ábra. 7. Sűrűség energiája hidrogéngáz, folyékony hidrogén, lítium-ion akkumulátorok és metanol
Miért az összes hordozható elektronikai mindig futnak az elemek és akkumulátorok, nem az üzemanyag cella PEM? Az ok egyszerű: - amelyben a gázalakú hidrogént alkalmazunk, amely nagy energiájú kapacitású egységnyi tömegére, de nagyon alacsony - egységnyi térfogatú, mivel ez egy gáz. Amint az ábrából látható. 7 elérni ugyanazt a térfogati energia sűrűsége, mint a lítium akkumulátor, meg kell tömöríteni a hidrogén a 72 atm, és figyelembe véve a hangerőt a ballon tag és - legfeljebb 100 atm.
Ez nem meglepő, hogy az áramforrások hordozható elektronikai fogyasztanak hidrogén, nem voltak nagyon vonzó a vásárlók számára (például egy ilyen forrás ábrán látható. 8).
módszer # 132; megvastagodása # 147; Válhat cseppfolyósításából hidrogén szükséges, de ez teszi a hőmérséklet módszer nem alkalmazható a hordozható eszközök. alternatív # 132; megvastagodása # 147; hidrogén - a használata a tüzelőanyag. Meg kell egy nagy energiasűrűségű, hogy olcsó és biztonságos (ártalmatlan. Nem túl mérgező, nem robbanásveszélyes, nem gyúlékony érintkezve a levegő vagy a víz és hasonlók. D.). Mivel a tüzelőanyag-elem - elektrokémiai rendszer, kívánatos, hogy több üzemanyagot és jól vízben oldjuk. Jobb, hogy minden követelményének metanol - olcsó, vízzel keverik bármilyen arányú, könnyen bomlanak a vízkezelés és egy két-szer nagyobb térfogati energiasűrűséget, mint akár a folyékony hidrogén.
Ábra. 8. A fűtőanyagcellák 50W POE tápegység elektronikus hordozható eszközök
Látható, hogy a katód az elemek mind az azonos, és a teljes design is hasonló. A különbség abban rejlik, hogy a anódkamrájában egy cella szállított hidrogén gáz és a reakció végbemegy,-
H2 → 2H + + 2e -,
-
CH 3 OH + H2 O → CO2 + 6H + + 6e -.
Ábra. 9. összehasonlítása a működési elve a metanol és a hidrogén üzemanyagcellák polimer elektrolit: egy felső kar áramkör metanol TEM elem, az alsó # 132; hüvely # 147; - hidrogén-TEM elem
De ha a katalizátor (platina) választottuk az első reakció. ami lehetővé teszi, hogy gyorsítsa és átveheti elem teljesítmény sűrűsége körülbelül 0,5-0,7 watt / cm 2 a keresés a második reakcióban, a katalizátor sokkal nehezebb - metanollal, amíg jó teljesítmény TEM sejtsűrűség minták 0,02-0,03 W / cm 2. Ezek az értékek az alacsony tápfeszültség vezet az a tény, hogy az energiafogyasztás szolgáló tipikus hordozható eszköz (10-30 W), a tüzelőanyag-cella elektród kell túlságosan nagy. Így például, hogy az üzemanyag-elem, etetés hordozható számítógépnek jelenleg elektródák területe mintegy 500 cm2, és a tüzelőanyag-cella nagyobb lesz, mint a számítógép. A költség és semmit sem mondani - csak egy darab olyan katalizátorral bevont polimer elektrolit filmet mérete 600 cm 2 többe kerül, mint $ 100 - $ 1,000 már kb ..
A probléma abból ered, a katalizátort többlépéses elektrontranszfer mechanizmus az oxidáció során még az ilyen egyszerű szerves molekulákat, mint a metanol.
Ábra. A 10. ábra mutatja, hogy a metanol adszorbeált molekula az első elektród, majd, az oxidáció során, az egyik a másik után veszít protonok, és alakítjuk erősen adszorbeált-karbonil-csoport, amely nem kíván semmilyen deszorbeált vagy oxidált további.
Ábra. 10. lépésenkénti elektrontranszfer mechanizmus során elektrooxidációja metanolban platina
Ennek eredményeként mindössze két perc kezdete után oxidációs a platina elektród mérgezett szilárdan adszorbeált és karbonil-csoportokat nem katalizálják az oxidációs metanol.
Kísérletek találni olyan katalizátorral, amely központok aktív oxidált például a metanol és a szén-monoxid, mint például a vezetne a probléma megoldásának - volt egy katalizátor Pt / Ru-ötvözet. Ruténium-karbonil-csoportok oxidálja jó, de ez - gyenge oxidáló katalizátort metanol, platina oxidálja metanolt, de mérgezett a szén-monoxid. Pt / Ru-ötvözet - szilárd oldat, amelynek a felülete áll platina és a ruténium atomok. Kialakítva a karbonilcsoport platina atomok vándorolnak a szomszédos atomhoz ruténium, ahol oxidálódik.
De előállítására katalizátor mikro szinten nincs tökéletes keverése atomok platina és a ruténium atomok minden elem vonzza az atomok a maga nemében, összegyűltek klaszterek, és a mechanizmus csak akkor működik belüli migrációra ezen klaszterek. Szükséges, hogy vagy egy olyan új katalizátor az oxidációs metanol szénmonoxid érzéketlen, javítja a keverés hatékonyságát, vagy a platina és a ruténium atomok a Pt / Ru-katalizátort (közelmúltban ünnepelte 30. évfordulóját találmányát). Összehasonlítás szabadalmaztatott előállítási eljárásoknál Pt / Ru-katalizátort és a szabadalmak szentelt más katalizátorok metanol PEM üzemanyagcella, ez azt jelzi, egy ötlet, hogy a javulás Pt / Ru-katalizátor népszerűbb. Az alapvető elképzelések ezen a területen -, mint ami lehetővé kisebb Pt / Ru-ötvözet klaszterek aljzatokra szén anyagok óriási felülete; Már kapott biztató eredményeket a szén nanocsövek. De miközben a szén-nanoanyagok drága platina és a ruténium.
Próbáljuk értékelni vozeystvuet mint a megjelenése egy új termék a civilizáció fejlődését. Először is a hatalom forrása elektronika serkenti további betekintést a mindennapi életben. Képes dolgozni a számítógépen bárhol, anélkül, hogy aggódnia jelenlétében közeli konnektorba, hatására az értékesítés növekedése a hordozható számítógépek és asztali eladások csökkenését. Lesz a hírt körben könyveket - speciális mini-számítógépek célja az olvasás szöveget. Ez vezet az átmenet a nagy kiadók, hogy készítsen könyveket CD- és DVD-média; bővíteni piaci hordozható TV-vel és síkképernyős TV-DVD-lejátszók és így tovább. d.
Cikkek legközelebb tárgya:
Áttörés a hidrogén jövőben. E. Glebov.
Lépéseket ultrakönnyű teljesítmény. SM Komarov.
Palladium. VV Blagutin.
Szilárd polimer elektrolitokat. AM Timonov.
Szilárd oxid elektrolitok. A. Demin.
Öt történeteket nanocarbon. Kornilov M. Yu.
Gondolatok az egyes energetikai kérdésekben. AE Sheyndlin.
Lesz forradalom az energiaszektorban? Nikolaev.
Szintetikus lótusz levél. A. Hachoyan.