2. Discuta las ventajas y las desventajas de celdas de combustible




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CAPÍTULO 41

Échele Combustible A las Celdas y las Tecnologías Adelantadas

Los objetivos

Después de estudiar Capítulo 41, el lector podrá:

1. Explique cómo genera una celda de combustible electricidad.

2. Discuta las ventajas y las desventajas de celdas de combustible.

3. Liste los tipos de celdas de combustible.

4. Explique cómo surten efecto los ultracondensadores.

5. Discuta fuentes alternativas de energía.

Teclee Términos

La tecnología del Estrato doble (p. 742)

La electrólisis (p. 736)

El electrólito (p. 737)

El trasportador de energía (p. 736)

La densidad de energía (p. 739)

Los faradios (p. 742)

La celda de combustible (p. 737)

El vehículo de la Celda de combustible (FCV) (p. 737)

El combustible el Vehículo de la Celda Hybrid (FCHV) (p. 737)

La pila de la célula en combustible (p. 738)

El encendido por compresión homogéneo (HCCI) de Cargo (p. 747)

La asistencia de fuerza hidráulica (HPA) (p. 746)

El invertidor (p. 744)

El calor de baja calidad (p. 740)

La asamblea del Electrodo de la membrana (MEA) (p. 738)

NEDRA (p. 749)

El vehículo Eléctrico Híbrido con enchufe (PHEV) (p. 747)

La celda de Combustible de Electrólito de polímero (PEFC) (p. 738)

La membrana de Cambio del protón (PEM) (p. 737)

Alinee (p. 748)

La energía específica (p. 736)

La eficiencia de to-Wheel de tanque (p. 736)

Ultracapacitor (p. 741)

La eficiencia de to-Tank sano (p. 737)

La eficiencia de to-Wheel sano (p. 736)

Los motores de la rueda (p. 743)

Los parques eólicos (p. 750)

La Tecnología de la Célula En Combustible

¿Qué Es Un Combustible de la Célula?

Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico en el cual la energía química de hidrógeno y oxígeno es convertida en la energía eléctrica. El principio de la celda de combustible fue primero descubierto en 1839 por Sir William Grove, un médico galés. En los 1950s, la NASA puso a trabajar este principio en construir dispositivos para energizar vehículos de exploración del espacio. En el día presente, las celdas de combustible están siendo desarrolladas para energizar casas y vehículos al producir punto bajo o emisiones de cero. Vea 41-1 de la Figura.

La reacción química en una celda de combustible es lo contrario de electrólisis. La electrólisis es el proceso en el cual la corriente eléctrica es hecha pasar pora agua para separarlo en sus partes, hidrógeno y oxígeno. Mientras la energía está obligada a causar electrólisis, esta misma energía puede ser recuperada dejando hidrógeno y oxígeno reunirse en una celda de combustible. Es importante para reparar en que mientras el hidrógeno puede ser utilizado como un combustible, no es una fuente de energía. En lugar de eso, el hidrógeno es sólo un trasportador de energía, como la energía debe ser expendida para generar el hidrógeno y almacenarla así es que puede ser utilizada como un combustible.

En los términos simples, una celda de combustible es una batería energizada en hidrógeno. El hidrógeno es un combustible excelente porque tiene una energía específica muy alta cuándo comparado para una cantidad equivalente de combustible del fósil. Un kilogramo (kg) de hidrógeno tiene tres veces la energía contenta como un kilogramo de gasolina. El hidrógeno es el elemento más abundante en tierra, pero no existe por sí mismo en naturaleza. Esto es porque su tendencia natural es reaccionar con oxígeno en la atmósfera formar agua (H2O). El hidrógeno es también encontrado en muchos otros compuestos, más notablemente hidrocarburos, como gas natural o petróleo crudo. Para almacenar hidrógeno para el uso como un combustible, los procesos deben ser emprendidos para separarlo de estos materiales. Vea 41-2 de la Figura.

Los beneficios de una Celda de Combustible

Una celda de combustible puede usarse para mover un vehículo generando electricidad para energizar motores eléctricos de paseo en coche, así como también energizando el resto de la instalación eléctrica del vehículo. Desde que están accionados por hidrógeno y oxígeno, las celdas de combustible por ellos mismos no generan emisiones de carbón como CO2. En lugar de eso, sus únicas emisiones son vapor de agua y se calientan, y esto le hace al combustible de la célula un candidato de ideal para un ZEV (el Vehículo de la Emisión de Cero).

Una celda de combustible es también bastante más eficiente en la energía que un motor de explosión típico. Mientras un vehículo accionado por un motor de explosión (el HIELO) está en todo lugar de 15 % para 20 % eficiente, un vehículo de la célula en combustible puede lograr eficiencias arriba de 40 %. Otro beneficio principal de celdas de combustible es que tienen muy pocas partes en movimiento y tienen el potencial para ser muy fidedignos. Un número de OEMs ha gastado muchos años y millones de dólares para desarrollar un pacto barato, durable, y celda de combustible que operará satisfactoriamente bajo todas las condiciones de conducción. Vea 41-3 de la Figura.

La Eficiencia de To-Wheel Sano. La mayoría de consumidores están familiarizados con el concepto de tanque para rotar eficiencia, lo cual es una medida de qué tan eficazmente un vehículo usa el combustible que está en su tanque. En las mentes de la mayoría de la gente, esto está medido en términos de millas por galón (mpg) o los litros por 100 kilómetros (L/100 Km). Sin embargo, es más descriptivo considerar la eficiencia global de un vehículo, lo cual está también conocido como bien para rotar eficiencia. Esto mide que el ciclo entero del combustible de cuándo es extraído o producido hasta que sea gastado en el vehículo, y dé una mejor indicación de impacto medioambiental verdadero del vehículo.

Bien para rotar eficiencia se calcula multiplicando el pozo de un vehículo para guardar en un tanque eficiencia por su tanque para rotar eficiencia. Los resultados pueden ser sorprendentes, porque mientras los vehículos de la célula en combustible son muy eficientes en términos de su tanque para rotar medida, anotan punto bajo en el pozo para guardar en un tanque valuación por los niveles altos de energía requerida para producir hidrógeno de gas natural. Vea la gráfica arriba.

Mientras los vehículos de la célula en combustible son bastante más eficiente (el tanque a la rueda) que esos con trenes convencionales de paseo en coche, esto puede ser mejorado significativamente (de * de 38 % para * de 50 %) cambiando su configuración para eso de un vehículo eléctrico híbrido.

Un vehículo de la célula en combustible (FCV) usa la celda de combustible como su única fuente de poder, mientras que un vehículo híbrido de la célula en combustible (FCHV) también tendría un dispositivo eléctrico de almacenamiento que puede usarse para energizar el vehículo. La mayoría de diseños nuevos de vehículos de la célula en combustible se basan ahora en una configuración híbrida debido al incremento significativo en la eficiencia y driveability que se logró con este acercamiento. Vea 41-4 de la Figura.

Los Retos de la Célula En Combustible

Mientras los fabricantes principales del automóvil continúan construyendo vehículos de comprobación y dedicándose a mejorar sistema de la célula en combustible diseño, ningún vehículo accionado por uno de la célula en combustible ha sido colocado dentro de producción en masa. Hay un número de razones para esto, incluyendo:

Ï el alto precio

Ï la falta de ponerle combustible a infraestructura

Ï la percepción de seguridad

Ï el rango insuficiente del vehículo

Ï la falta de durabilidad

Ï el congelamiento iniciando problemas

Ï la densidad insuficiente de poder

Todo estos problemas son activamente tratados según investigadores, y las mejoras significativas se hacen. Una vez que el costo y el concurso de niveles de función que de vehículos actuales, celdas de combustible será adoptado como una tecnología representativa de la mayoría.

Los Tipos de Celdas de Combustible

Hay un número de tipos diferentes de celdas de combustible, y estos están diferenciados por el tipo de electrólito que es usado en su diseño. Algunos electrólitos funcionan mejor en la temperatura del cuarto, mientras que a los otros se les obliga a funcionar en hasta 1,800 F. See la gráfica acompañante mostrando los tipos de la célula en combustible diversos y las aplicaciones.

El diseño de la célula en combustible que es más conveniente satisfacido para aplicaciones automotoras es la Membrana de Cambio del Protón (PEM). Una célula de combustible PEM debe tener hidrógeno para ella para funcionar, y esto puede guardarse en el vehículo o generado según se necesite de otro tipo de combustible.

Las Celdas de Combustible del Pem

La Descripción y la Operación

La celda de combustible de la Membrana de Cambio del Protón está también conocido como una Celda de Combustible de Electrólito de Polímero (PEFC). La celda de combustible PEM es conocida para su diseño ligero y compacto, así como también su habilidad para dirigir en las temperaturas ambientales. Esto quiere decir que una celda de combustible PEM puede empezar rápidamente y puede producir poder completo sin un período extensivo de ejercicios de calentamiento. El PEM es un diseño simple basado en una membrana que está revestida por ambos lados con un catalizador como platino o palladium. Hay dos electrodos, uno localizado en cada uno lateral de la membrana. Estos son responsables de distribuir hidrógeno y oxígeno sobre la superficie de la membrana, quitando calor desperdiciado, y proveyendo un camino para el flujo actual eléctrico. La parte de la celda de combustible PEM que contiene la membrana, los recubrimientos de catalizador, y los electrodos son conocidos como la Asamblea del Electrodo de la Membrana (MEA).

El electrodo negativo (el ánodo) le tiene gas de hidrógeno dirigido a, mientras el oxígeno es enviado al electrodo positivo (el cátodo). El hidrógeno es enviado al electrodo negativo como moléculas H2, cuál se quiebra aparte en iones H + (los protones) en presencia del catalizador. Los electrones (e ) de los átomos de hidrógeno son enviados por el circuito externo, generando electricidad que puede ser utilizada para realizar trabajo. Estos mismos electrones son luego enviados al electrodo positivo donde se reincorporan a los iones H + que han atravesado la membrana y han reaccionado con oxígeno en presencia del catalizador. Esto crea a H2O y calor desperdiciado, cuál son las únicas emisiones de un PEM la celda de combustible. Vea 41-5 de la Figura.

Nota: Es importante para recordar que una celda de combustible genera electricidad directa de la corriente (la CD) como los electrones sólo fluyan en una dirección (del ánodo para el cátodo).

Las Pilas de la Célula En Combustible

Una celda de combustible sola sola no es en particular útil, como generará menos de 1 voltio de potencial eléctrico. Es más común para centenares de celdas de para combustible forjarse juntos en una pila de la célula en combustible. En este acomodamiento, las celdas de combustible están conectadas en la serie a fin de que el voltaje total de la pila sea la suma de los voltajes de la célula individuales. Las celdas de combustible son colocadas unidas por los extremos en la pila, mucha rebanadas análogas en una barra de pan. Las pilas de la célula en combustible automotoras contienen arriba de 400 celdas en su construcción. Vea 41-6 de la Figura.

El voltaje total de la pila de la célula en combustible es determinados por el número de celdas individuales incorporado en la asamblea. La habilidad que produce corriente de la pila, sin embargo, está bajo la dependencia del área de la superficie de los electrodos. Desde que la salida de la pila de la celda de combustible está relacionada con ambos voltaje y corriente (= el poder de la × corriente de voltaje), aumentar el número de celdas o aumentar el área de la superficie de las celdas aumentará salida de poder. Algunos vehículos de la célula en combustible usarán más que una pila, a merced de los requisitos de salida de poder y las limitaciones del espacio.

Dirija Células de Combustible del Methanol

Los cilindros de presiones altas son un método de almacenar onboard de hidrógeno un vehículo para el uso en una celda de combustible. Éste es un método simple y ligero de almacenamiento, pero a menudo no provee suficiente vehículo conduciendo rango. Otro acercamiento ha sido echarle combustible a una celda modificada de combustible PEM con methanol líquido en lugar de gas de hidrógeno. Vea 41-7 de la Figura.

Methanol está más a menudo producido de gas natural y tiene un símbolo químico de CH3OH. Tiene una densidad superior de energía que hidrógeno gaseoso porque existe en un estado líquido en las temperaturas normales, y es más fácil de maniobrar desde entonces ninguno de los compresores u otro equipo de presión alta es necesario. Esto quiere decir que un vehículo de la célula en combustible puede ser al que se puso combustible con un líquido en lugar de gas de presión alta, lo cual hace el proceso que le pone combustible a más simple y produce un mayor vehículo conduciendo rango. Vea 41-8 de la Figura.

Desafortunadamente, las celdas directas de combustible del methanol padecen de un número de problemas, no lo mínimo del cual es la naturaleza corrosiva de methanol mismo. Esto quiere decir que el methanol no puede guardarse en tanques existentes y así requiere una infraestructura separada para manipular y el almacenamiento. Otro problema es “ pasadizo de combustible, ” en cuál methanol se abre paso a través de la asamblea de la membrana y disminuye función de la celda. Las celdas directas de combustible del methanol también requieren mucha mayores cantidades de catalizador en su construcción, lo cual conduzca a los costos superiores. Estos retos son investigadores delanteros para buscar materiales alternativos de electrólito y catalizadores para aminorar costo y mejorar función de la célula.

Nota: Las celdas directas de combustible del methanol no tienen probabilidad de ver servicio en aplicaciones automotoras. Sin embargo, están bien satisfacidas para aplicaciones de poder bajo, como la célula llama por teléfono u ordenadores de maleta.

Los Sistemas del Vehículo de la Célula En Combustible

Los humectadores

La gerencia de agua dentro de una celda de combustible PEM es crítica. Demasiado llora puede impedir oxígeno de conectarse con el electrodo positivo; Muy poco de agua puede dejar el electrólito desecarse fuera y aminorar su conductividad. La cantidad de agua y dónde eso residen en la celda de combustible es también crítica en determinar en qué tan bajo una temperatura que la celda de combustible iniciará, porque el agua congelándose en la celda de combustible lo puede impedir de empezar. El papel del humectador es lograr un balance donde le provee suficiente humedad a la celda de combustible reciclando agua que se evapora en el cátodo. El humectador está ubicado en la línea recta conduciendo al cátodo de la pila de la célula en combustible. Vea 41-9 de la Figura.

Algunos diseños más nuevos PEM operan el agua en las celdas de tal manera que no hay necesidad para prehumedecer los gases entrantes de reactante. Esto elimina la necesidad para la asamblea de humectador y hace el sistema más simple mono.
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