¿Cuál es el principio de funcionamiento de las pilas de combustible y los vehículos de energía de hidrógeno?

La denominada fuente de energía de hidrógeno no significa que haya una gran cantidad de hidrógeno en la tierra, que se pueda "explotar" para su uso como fuente de energía. En cambio, la luz puede descomponer el agua para producir hidrógeno en lugar de petróleo y electricidad.

El hidrógeno tiene muchas ventajas como fuente de energía. El hidrógeno se puede producir por fotólisis y las reservas de agua son grandes y relativamente bajas. El combustible de hidrógeno se produce después de la combustión, que es una fuente de energía inofensiva y muy limpia. El hidrógeno es menor que la pérdida de potencia en almacenamiento y transporte, y el calor de combustión del hidrógeno es alto. El calor generado al quemar 1 kilogramo de hidrógeno equivale al poder calorífico de 3 kilogramos de gasolina o 4,5 kilogramos de coque. Sin embargo, en las aplicaciones, el almacenamiento y transporte de hidrógeno y el uso de energía solar para descomponer el agua y producir hidrógeno han sido el cuello de botella que restringe el desarrollo de la energía del hidrógeno.

Hablemos de pilas de combustible. Es un dispositivo de conversión de energía que convierte directamente la energía química del combustible en energía eléctrica. Desde el exterior, hay electrodos y electrolitos positivos y negativos, como una batería, pero en esencia no puede "almacenar electricidad", sino una pequeña "planta de energía". Hay muchos tipos de pilas de combustible. Después de años de exploración, la más prometedora para los automóviles es la celda de combustible con membrana de intercambio de protones. Su principio de funcionamiento es: enviando hidrógeno al electrodo negativo, mediante la acción del catalizador (platino), se separan dos electrones en el átomo de hidrógeno. Estos dos electrones generan corriente a través de un circuito externo bajo la atracción del electrodo positivo. Los iones de hidrógeno (protones) que pierden electrones pueden pasar a través de la membrana de intercambio de protones (el electrolito sólido), recombinándose con los átomos de oxígeno y los electrones en agua en el electrodo positivo. Dado que se puede obtener oxígeno del aire, siempre que se suministre hidrógeno de forma continua al electrodo negativo y se extraiga agua (vapor) a tiempo, la pila de combustible puede suministrar energía eléctrica de forma continua.

En la actualidad, el uso de la energía del hidrógeno es principalmente pilas de combustible de hidrógeno. La característica distintiva del automóvil eléctrico es que no tiene una carga de batería voluminosa y que el kilometraje no tiene la potencia para conducir el automóvil. Por tanto, se puede decir que las pilas de combustible de hidrógeno son una excelente fuerza motriz. Un automóvil propulsado por este tipo de energía se denomina automóvil propulsado por hidrógeno de contaminación cero.

La pila de combustible es un dispositivo de generación de energía que convierte directamente la energía química del combustible y el electrolito en energía eléctrica. También es el cuarto dispositivo de generación de energía después de la energía térmica, la energía hidroeléctrica y la energía nuclear. Es un campo de desarrollo de alta tecnología que es muy valorado por los países desarrollados en la actualidad.

La pila de combustible de hidrógeno-oxígeno utiliza hidrógeno como combustible como agente reductor y oxígeno como oxidante

Pila de combustible de hidrógeno y oxígeno

La batería que convierte la energía química en energía eléctrica a través de la reacción de combustión del combustible funciona de la misma manera que la batería primaria.

Cuando funciona la pila de combustible de oxihidrógeno, se suministra hidrógeno al electrodo de hidrógeno mientras que se suministra oxígeno al electrodo de oxígeno. El hidrógeno y el oxígeno forman agua a través del electrolito bajo la acción de un catalizador sobre el electrodo. En este momento, hay un exceso de electrones en el electrodo de hidrógeno y está cargado negativamente, y el electrodo de oxígeno está cargado positivamente debido a la falta de electrones. Este proceso similar a la combustión se puede llevar a cabo de forma continua después de que se enciende el circuito.

Durante el funcionamiento, se suministra combustible (hidrógeno) al electrodo negativo y se suministra oxidante (oxígeno) al electrodo positivo. El hidrógeno se descompone en iones positivos H + y electrones e- por la acción de un catalizador sobre el electrodo negativo. Los iones de hidrógeno ingresan al electrolito y los electrones se mueven a lo largo del circuito externo hasta el electrodo positivo. La carga eléctrica está conectada a un circuito externo. En el electrodo positivo, el oxígeno y los iones de hidrógeno del electrolito absorben los electrones que llegan al electrodo positivo para formar agua. Esta es la inversa de la reacción electrolítica del agua.

Una celda de combustible de oxihidrógeno no requiere un dispositivo que almacene todo el agente reductor y oxidante en la batería.

Los reactivos de la pila de combustible de oxihidrógeno están todos fuera de la batería. Es solo un recipiente para proporcionar una reacción.

Tanto el hidrógeno como el oxígeno se pueden suministrar desde el exterior de la batería.

Una pila de combustible es una batería química que utiliza la energía liberada por una reacción química de una sustancia para convertirla directamente en energía eléctrica. Desde este punto de vista, es similar a otras baterías químicas como las baterías secas de zinc-manganeso, las baterías de plomo y similares. Sin embargo, requiere un suministro continuo de materiales reactivos (combustible y oxidante) que no es lo mismo que otras baterías químicas comunes. Dado que convierte la energía liberada por la reacción química en energía eléctrica, se denomina pila de combustible.

Específicamente, una celda de combustible es un "generador" que utiliza la reacción inversa de la electrólisis del agua. Consiste en un electrodo positivo, un electrodo negativo y una placa de electrolito intercalada entre los electrodos positivo y negativo. Inicialmente, las placas de electrolitos se formaron mediante la infiltración de electrolitos en placas porosas y, en 2013, se desarrollaron para utilizar electrolitos sólidos directamente.

Durante el funcionamiento, se suministra combustible (hidrógeno) al electrodo negativo y se suministra un oxidante (aire, que actúa como oxígeno) al electrodo positivo. El hidrógeno se descompone en el electrodo negativo en iones positivos H + y electrones e-. Cuando los iones de hidrógeno ingresan al electrolito, los electrones se mueven a lo largo del circuito externo hasta el electrodo positivo. La carga eléctrica está conectada a un circuito externo. En el electrodo positivo, el oxígeno del aire y los iones de hidrógeno del electrolito absorben los electrones que llegan al electrodo positivo para formar agua. Esta es la inversa de la reacción electrolítica del agua. En este proceso, el agua se puede reutilizar y el principio de generación de energía es similar al de las células solares que se pueden usar por la noche.

El material del electrodo de la pila de combustible es generalmente un electrodo inerte y tiene una fuerte actividad catalítica, tal como un electrodo de platino, un electrodo de carbón activado y similares.

Con este principio, la pila de combustible puede transmitir electricidad de forma continua al exterior durante su funcionamiento, por lo que también puede denominarse "generador".

En general, escribir la ecuación de reacción química de una pila de combustible requiere un alto grado de atención a la acidez y alcalinidad del electrolito. La reacción del electrodo que se produce en los electrodos positivo y negativo no está aislada y, a menudo, está estrechamente relacionada con la solución de electrolito. Por ejemplo, las pilas de combustible de hidrógeno-oxígeno están disponibles tanto en forma ácida como básica:

Si la solución de electrolitos es una solución alcalina o salina

Un tipo de pila de combustible utiliza hidrógeno como combustible y oxígeno como oxidante. El hidrógeno y el oxígeno se suministran externamente a la batería a través de una tubería para la reacción electroquímica y la salida de energía eléctrica. La energía específica teórica de una pila de combustible de oxihidrógeno es de 3.600 vatios-hora / kg. El voltaje de funcionamiento de la celda única es generalmente de 0,8 a 0,97 voltios. Para cumplir con el voltaje de funcionamiento requerido para la carga, a menudo se conectan en serie docenas de celdas individuales para formar un paquete de baterías.

Para mantener el funcionamiento normal de la batería, se deben suministrar continuamente hidrógeno y oxígeno, y el producto de reacción (agua) y el calor residual deben eliminarse a tiempo. El paquete de baterías consta de las siguientes partes: 1 Subsistema de suministro de hidrógeno y oxígeno: el hidrógeno y el oxígeno transportados por la nave espacial se almacenan en un líquido supercrítico, que puede reducir el volumen del tanque y resolver el problema de separación de gas y líquido en condiciones de ingravidez , pero requiere que el tanque esté aislado. Buen rendimiento, resistencia a baja temperatura, resistencia a alta presión (6MPa para tanque de oxígeno y 3 a 3.5MPa para tanque de hidrógeno). 2 Subsistema de drenaje: Hay dos modos principales: drenaje dinámico y drenaje estático. El primero hace circular hidrógeno con vapor de agua a un dispositivo de enfriamiento para condensar el vapor de agua en agua para su separación; este último se basa en un material tejido de fibra porosa (como una mecha) para adsorber el agua condensada, que también se denomina drenaje de la mecha. El agua descargada del paquete de baterías se purifica para que la usen los astronautas o como refrigerante. Sistema de separación de calor de 3 filas: el paquete de baterías circula a través de un refrigerante (como una solución acuosa de glicol) para descargar el agua residual al radiador y mantener el rango de temperatura en el que el paquete de baterías funciona normalmente. 4 Subsistema de control automático: incluye la presión de funcionamiento del paquete de baterías, temperatura, drenaje y escape, voltaje, seguridad y control y regulación de la circulación del refrigerante. Los parámetros medidos se transmiten a la pantalla de la cabina del astronauta o se envían de vuelta al suelo por el dispositivo de telemetría. Cuando el paquete de batería falla, cambia automáticamente al paquete de batería de respaldo.

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