¿Cuál fue la primera tecnología de generación de energía con pilas de combustible que aterrizó en la Luna?
La llamada "pila de combustible" es básicamente el mismo que una batería química tradicional: también convierte la energía química de las sustancias en energía eléctrica mediante reacciones electroquímicas. La diferencia es que las sustancias internas de las baterías tradicionales están precargadas y ya no pueden proporcionar energía después de la reacción química. Las sustancias utilizadas en las reacciones químicas de las pilas de combustible se llenan constantemente desde el exterior, por lo que pueden seguir generando; electricidad. Ésta es la característica más importante de las pilas de combustible.
El principio de funcionamiento de las pilas de combustible es utilizar combustibles crudos como reactivos, como gas natural, petróleo, metanol, etc. , el hidrógeno es separado por el "dispositivo de reformado de combustible" y luego ingresa al cuerpo de la batería. El oxígeno en el aire en el otro extremo también ingresa al cuerpo de la batería y se suministra a los electrodos de la batería respectivamente, de modo que el hidrógeno y el oxígeno se someten. reacciones electroquímicas a través del electrolito, generando una diferencia de potencial y formando una salida de CC de baja presión.
Debido a que la pila de combustible convierte directamente la energía química de las sustancias en energía eléctrica, la eficiencia es relativamente alta y puede alcanzar el 90% según cálculos teóricos. Pero, de hecho, la reacción química de la pila de combustible todavía tiene pérdidas de "consumo de energía", por lo que la pérdida máxima sólo puede alcanzar 60 ~ 70.
Las pilas de combustible están compuestas principalmente por combustible, oxidante, electrodos y electrolitos. Utiliza una amplia gama de combustibles, como gas natural, petróleo, metanol, amoniaco líquido, hidracina, hidrocarburos, hidrógeno, etc. Este tipo de batería se puede diseñar con diferentes capacidades según sea necesario, dependiendo principalmente del número de "monoceldas". La celda única consta de un electrodo positivo (conectado a la placa del electrodo de aire), un electrodo negativo (conectado a la placa del electrodo de combustible), un contenedor de electrolito y separadores aislantes superior e inferior. Según sea necesario, el voltaje y la potencia requeridos se pueden obtener conectando celdas individuales en serie.
El proceso de reacción química de este tipo de batería es simplemente el siguiente: en el lado del electrodo negativo (electrodo de hidrógeno), el hidrógeno (H2) es ionizado por el catalizador (electrodo de platino) y se convierte en un fácilmente reactivo ( H) estado. Estos iones de hidrógeno separados se transportan al electrodo positivo (electrodo de oxígeno o electrodo de aire) a través de un electrolito, como el potasio cáustico (KOH), y los electrones separados también se mueven al electrodo positivo a través de un circuito externo.
Los electrodos negativo y positivo reciben continuamente hidrógeno (combustible) y oxígeno (aire) desde el exterior. Esta reacción continúa y los electrones continúan fluyendo en el circuito externo. Esta es la corriente que necesitamos.
Como aplicación de una nueva tecnología de generación de energía que convierte directamente la energía química en energía eléctrica, las pilas de combustible tienen muchas ventajas únicas:
En primer lugar, una pequeña pérdida de calor y una alta eficiencia de generación de energía, en general. alcanzando 40 ~ 50, y se espera que alcance un máximo de 60 ~ 70, y no se ve afectado por los cambios de carga. En la actualidad, la eficiencia de las centrales térmicas en el mundo es inferior a 40, mientras que la eficiencia de las centrales eléctricas de carbón en mi país es sólo de 27 a 28.
El segundo es la baja contaminación. En el proceso de generación de energía, las pilas de combustible no requieren equipos de combustión como calderas y quemadores, ni equipos giratorios de alta velocidad como turbinas de vapor. Por lo tanto, no se emiten sustancias de efecto invernadero ni sustancias tóxicas y no se producen interferencias de ruido.
En tercer lugar, las materias primas y los combustibles son muy adaptables. Las pilas de combustible pueden utilizar una variedad de combustibles que pueden ser "digeridos", como el carbón, el petróleo y el gas.
En cuarto lugar, tiene una amplia gama de usos y puede usarse para suministro de energía aeroespacial, de aviación y terrestre. Es adecuado para distribución en áreas urbanas y rurales, islas, áreas residenciales y energía térmica interna. áreas de carga de las empresas.
En la actualidad, además de utilizar pilas de combustible solas para generar electricidad, también se utilizan pilas de combustible, turbinas de gas y generadores de turbinas para operar juntas para formar una central eléctrica de pilas de combustible tres en uno, con lo que mejorando la economía y la confiabilidad. La llamada operación conjunta significa que el combustible crudo utilizado para la generación de energía pasa a través del dispositivo de caldera de la celda de combustible, la turbina de gas y el generador de turbina de vapor sucesivamente para lograr la conversión en serie de la energía del combustible, y los tres dispositivos de generación de energía generan electricidad a al mismo tiempo. Cuando la tasa de utilización de combustible de la pila de combustible es 55, las relaciones de producción de potencia óptimas de los tres dispositivos de generación de energía son 35, 47 y 17.
Esta forma de transporte combinado es una tendencia importante en la aplicación de pilas de combustible en varios países.
Además, debido a que la pila de combustible también generará una gran cantidad de agua caliente y vapor caliente durante el funcionamiento, para aprovechar al máximo esta energía térmica, actualmente se utiliza "calor y energía combinados". lo que mejora en gran medida la tasa de utilización de energía. La mejor eficiencia general puede llegar a 87.
Si analizamos retrospectivamente el desarrollo de las pilas de combustible, vemos que es a la vez viejo y joven, lleno de baches y rápido. El principio de esta avanzada tecnología de generación de energía fue inventado por el científico británico Glaub ya en la primera mitad del siglo XIX. Sin embargo, por razones técnicas y económicas, hace mucho tiempo que no se aplica en la práctica. En la década de 1960, con el desarrollo de la tecnología aeroespacial, esta tecnología de generación de energía fue desarrollada y aplicada para resolver su problema de suministro de energía. Fue desarrollada con éxito por una empresa estadounidense y posteriormente aterrizó en la luna por primera vez con el Apolo. Al mismo tiempo, en 1967, la American Gas Company también hizo planes para el uso civil de pilas de combustible y comenzó la investigación y el desarrollo. Posteriormente, Japón y algunos países europeos también participaron en este trabajo de investigación de alta tecnología.
En los últimos 20 años, Estados Unidos y Japón han otorgado gran importancia al desarrollo de las pilas de combustible. La inversión en I+D es grande y los resultados rápidos y eficaces.
Estados Unidos es el país con mayor desarrollo de pilas de combustible. En 1990, había 23 unidades de pila de combustible en funcionamiento, con una capacidad instalada total de 110.000 kilovatios. El enfoque técnico del desarrollo de celdas de combustible en los Estados Unidos es mejorar la utilización del combustible, reducir los costos de producción de celdas de combustible y los costos de generación de energía, y centrarse en el desarrollo de tecnología multicanal.
A principios de 1990, Bell Labs desarrolló con éxito una pila de combustible con microchip que puede convertir directamente la mezcla de gas (gas) utilizada como combustible en energía eléctrica. Cada kilogramo de gas puede generar 1 kW. La pila de combustible está formada por una película respirable de óxido de aluminio de menos de 500 milmillonésimas de metro de espesor, intercalada entre dos finas láminas de platino. Sus ventajas son el peso ligero, el bajo costo, la carga conveniente y solo es necesario reemplazar la bolsa de aire. Puede sustituir las baterías y los generadores portátiles actualmente en uso. Westinghouse ha construido una central eléctrica de pila de combustible de ácido fosfórico de 1.500 kW y ahora está construyendo una nueva central eléctrica de 7.500 kW. Estados Unidos también ha desarrollado con éxito una pila de combustible sólido de 3 kW y está desarrollando una batería sólida de 25 kW.
El Departamento de Energía de EE. UU. desarrolló recientemente una celda de combustible cerámica que coloca combustible líquido o gaseoso en dos láminas cerámicas corrugadas, lo que permite que el combustible reaccione directamente con el oxidante para obtener energía eléctrica, eliminando así la necesidad de energía eléctrica general. Pilas de combustible. Tanque de combustible requerido. En comparación con otras pilas de combustible, libera el doble de energía y la eficiencia de generación de energía alcanza 55~60.
El desarrollo de las pilas de combustible en Japón también fue relativamente temprano. A partir de 1961, la Fuji Electric Company de Japón comenzó a desarrollarla. En 1972, fabricó una batería alcalina de 10 kilovatios. En 1973, pasó al desarrollo de baterías de ácido fosfórico, que también se desarrollaron rápidamente. A principios de la década de 1980, Japón incluyó el desarrollo de pilas de combustible en el "Plan Moonlight". A partir de 1986, se promovió la generación de energía con pilas de combustible en algunas zonas. El 12 de mayo de 1991, la Compañía de Energía Eléctrica de Tokio de Japón construyó con éxito el dispositivo de generación de energía con pila de combustible de ácido fosfórico más grande del mundo, con una potencia de salida de 11.000 kilovatios. La eficiencia de generación de energía es 41. La pila de combustible está refrigerada por agua con ácido fosfórico y es un producto de primera generación. Se estima que una vez que esta pila de combustible entre en la etapa práctica, podrá satisfacer las necesidades de energía de al menos 5.000 hogares residenciales. Por tanto, algunas personas lo consideran el primer paso en la comercialización de pilas de combustible y tiene un alto valor de desarrollo.
En 1989 se construyó en Japón una central eléctrica de este tipo de 200 kilovatios y actualmente se está construyendo otra de 4.500 kilovatios.
La pila de combustible de segunda generación es una pila de combustible de carbonato fundido, que también ha entrado en fase de prueba industrial. Japón ha tenido éxito en el nivel de 30 kW. La pila de combustible de tercera generación es una pila de combustible de electrolito sólido que se ha probado con éxito en Japón al nivel de 1 kW. A finales de 1991, Nippon Electric Power Company y City Gas Company formaron una cooperativa de investigación de tecnología de generación de energía con pilas de combustible de ácido fosfórico en Osaka. Está previsto construir nuevas pilas de combustible de 5.000 kW y 1.000 kW a finales de 2019. En 1992, Japón y Estados Unidos decidieron desarrollarlo conjuntamente.
El gobierno japonés ha estado implementando un plan a largo plazo para promover las celdas de combustible, que se utilizarán ampliamente en distritos comerciales, hospitales, instalaciones deportivas y otros departamentos a principios de los años 1990; A finales de la década de 1990, se promoverá en las empresas industriales; a principios del siglo XX, las pilas de combustible, que alcanzarán el 13% de la generación total de energía del país, se convertirán en una nueva e importante fuente de energía. Actualmente se está construyendo una central eléctrica de pila de combustible de 5.000 kilovatios, que puede funcionar de forma continua durante 8.000 horas, con una eficiencia energética de 40 y una eficiencia térmica híbrida de 80. Se espera que en 2005 el Japón disponga de 654,38 millones de kilovatios de pilas de combustible ampliamente utilizadas en diversos campos.
A principios de la década de 1990, Japón también comenzó a desarrollar "pilas de biocombustible" ultraminiaturas. Su principio es el mismo que el de una batería alimentada por hidrógeno, pero utiliza glucosa de la sangre humana como combustible principal. Su objetivo principal es alimentar un órgano pancreático artificial y enterrarlo dentro del cuerpo del paciente. Se estima que el voltaje máximo que puede producir es de 1,1 voltios, con un amperaje de 0,1 amperios.
Los expertos predicen que, con nuevos avances en la tecnología de generación de energía con pilas de combustible, como nuevo sistema de suministro de energía, a mediados del siglo XXI, podrá reemplazar la generación de energía térmica para formar una potente red de generación de energía con pilas de combustible. y convertirse en un importante sistema de suministro de energía secundario.