Çfarë është një qelizë karburanti. Qelizat e karburantit: një vit shprese

Elementi i karburantit
një gjenerator elektrokimik, një pajisje që konverton drejtpërdrejt energjinë kimike në energji elektrike. Ndërsa e njëjta gjë ndodh në bateritë elektrike, qelizat e karburantit kanë dy dallime të rëndësishme: 1) ato funksionojnë për aq kohë sa karburanti dhe oksiduesi furnizohen nga një burim i jashtëm; 2) përbërja kimike e elektrolitit nuk ndryshon gjatë funksionimit, d.m.th. qeliza e karburantit nuk ka nevojë të rimbushet.
Shiko gjithashtu BATERIA E FURNIZIMIT TOW FUQIS.
Parimi i funksionimit. Qeliza e karburantit (Fig. 1) përbëhet nga dy elektroda të ndara nga një elektrolit, dhe sisteme për furnizimin e karburantit në njërën elektrodë dhe oksidues në tjetrën, si dhe një sistem për heqjen e produkteve të reagimit. Në shumicën e rasteve, katalizatorët përdoren për të përshpejtuar një reaksion kimik. Një qark i jashtëm elektrik lidh qelizën e karburantit me një ngarkesë që konsumon energji elektrike.

Në foton e treguar në Fig. Në një qelizë karburanti acid, hidrogjeni ushqehet përmes anodës së zbrazët dhe në elektrolit përmes poreve shumë të imëta në materialin e elektrodës. Në këtë rast, ndodh dekompozimi i molekulave të hidrogjenit në atome, të cilat, si rezultat i kimiorzibrimit, duke dhuruar nga një elektron secila, kthehen në jone me ngarkesë pozitive. Ky proces mund të përshkruhet me ekuacionet e mëposhtme:

Jonet e hidrogjenit shpërndahen përmes elektrolitit në anën pozitive të qelizës. Oksigjeni i furnizuar në katodë kalon në elektrolit dhe gjithashtu reagon në sipërfaqen e elektrodës me pjesëmarrjen e një katalizatori. Kur kombinohet me jonet e hidrogjenit dhe elektronet që vijnë nga qarku i jashtëm, uji formohet:

Në qelizat e karburantit me një elektrolit alkalik (zakonisht hidroksidet e natriumit ose kaliumit të koncentruar), ndodhin reaksione të ngjashme kimike. Hidrogjeni kalon nëpër anodë dhe reagon në prani të një katalizatori me jonet hidroksil (OH-) të pranishëm në elektrolit për të formuar ujë dhe një elektron:

Në katodë, oksigjeni reagon me ujin në elektrolit dhe elektronet nga qarku i jashtëm. Në fazat e njëpasnjëshme të reaksioneve, formohen jonet hidroksil (dhe gjithashtu perhidroksil O2H-). Reagimi që rezulton në katodë mund të shkruhet si:

Rrjedha e elektroneve dhe joneve ruan ekuilibrin e ngarkesës dhe substancës në elektrolit. Uji që rezulton hollon pjesërisht elektrolitin. Në çdo qelizë karburanti, një pjesë e energjisë së një reaksioni kimik shndërrohet në nxehtësi. Rrjedha e elektroneve në qarkun e jashtëm është një rrymë e drejtpërdrejtë që përdoret për të bërë punë. Shumica e reagimeve në qelizat e karburantit sigurojnë një EMF prej rreth 1 V. Hapja e qarkut ose ndalimi i lëvizjes së joneve ndalon funksionimin e qelizës së karburantit. Procesi që ndodh në një qelizë karburanti hidrogjen-oksigjen është në thelb e kundërta e procesit të mirënjohur të elektrolizës, në të cilin uji shkëputet ndërsa një rrymë elektrike kalon nëpër elektrolit. Në të vërtetë, në disa lloje të qelizave të karburantit, procesi mund të përmbyset - duke aplikuar tension në elektroda, uji mund të zbërthehet në hidrogjen dhe oksigjen, të cilat mund të mblidhen në elektroda. Nëse ndaloni ngarkimin e qelizës dhe lidhni një ngarkesë me të, një qelizë e tillë rigjeneruese e karburantit menjëherë do të fillojë të funksionojë në mënyrën e saj normale. Në teori, dimensionet e qelizës së karburantit mund të jenë aq të mëdha sa dëshironi. Në praktikë, megjithatë, disa qeliza kombinohen në module të vogla ose bateri që lidhen ose në seri ose paralelisht.
Llojet e qelizave të karburantit. Ekzistojnë lloje të ndryshme të qelizave të karburantit. Ato mund të klasifikohen, për shembull, sipas karburantit të përdorur, presionit të funksionimit dhe temperaturës, sipas natyrës së aplikimit.
Qelizat e karburantit të hidrogjenit. Në këtë qelizë tipike të përshkruar më sipër, hidrogjeni dhe oksigjeni transferohen në elektrolit përmes elektrodave të karbonit mikroporoz ose metalik. Dendësia e lartë e rrymës arrihet në qelizat që veprojnë në temperatura të ngritura (rreth 250 ° C) dhe presione të larta. Qelizat që përdorin karburant hidrogjeni të marrë nga përpunimi i karburanteve hidrokarbure, të tilla si gazi natyror ose produktet e naftës, ka të ngjarë të gjejnë aplikimet më të përhapura komerciale. Duke kombinuar një numër të madh elementësh, mund të krijoni instalime të fuqishme energjetike. Në këto instalime, rryma e drejtpërdrejtë e krijuar nga elementët shndërrohet në rrymë alternative me parametra standardë. Një lloj i ri i elementeve të aftë për të vepruar në hidrogjen dhe oksigjen në temperaturë dhe presion normal janë elementë me membrana të shkëmbimit të joneve (Fig. 2). Në këto qeliza, në vend të një elektroliti të lëngshëm, një membranë polimer është e vendosur midis elektrodave, nëpër të cilat jonet kalojnë lirshëm. Në elementë të tillë, ajri mund të përdoret së bashku me oksigjenin. Uji i formuar gjatë funksionimit të qelizës nuk e tret elektrolitin e ngurtë dhe mund të hiqet lehtë.

Enciklopedia e Collier -it. - Shoqëria e hapur. 2000 .

Shihni se çfarë është "FUEL ELEMENT" në fjalorë të tjerë:

Qeliza e karburantit, elementi elektrokimik për shndërrimin e drejtpërdrejtë të energjisë së oksidimit të karburantit në energji elektrike. Elektrodat e dizajnuara në mënyrë të përshtatshme zhyten në ELECTROLYTE dhe karburanti (p.sh. hidrogjeni) furnizohet me një ... Fjalor enciklopedik shkencor dhe teknik

Një qelizë galvanike në të cilën reagimi redoks mbështetet nga një furnizim i vazhdueshëm i reagentëve (lëndë djegëse, p.sh. hidrogjen, dhe një oksidues, p.sh. oksigjen) nga tanke speciale. Komponenti më i rëndësishëm ... ... Fjalor i madh enciklopedik

vëndi i karburantit- Një qelizë parësore në të cilën energjia elektrike gjenerohet nga reaksionet elektrokimike midis substancave aktive që furnizohen vazhdimisht me elektroda nga jashtë. [GOST 15596 82] EN Qeliza e karburantit që mund të ndryshojë energjinë kimike nga …… Udhëzues i përkthyesit teknik

Qeliza e drejtpërdrejtë e karburantit metanol Qeliza e karburantit është një pajisje elektrokimike e ngjashme, por e ndryshme nga një qelizë galvanike ... Wikipedia

Qelizat e karburantit (gjeneratorët elektrokimikë) përfaqësojnë një metodë shumë efikase, të qëndrueshme, të besueshme dhe miqësore me mjedisin për gjenerimin e energjisë. Fillimisht, ato u përdorën vetëm në industrinë e hapësirës, ​​por sot gjeneratorët elektrokimikë përdoren gjithnjë e më shumë në fusha të ndryshme: këto janë furnizime me energji elektrike për celularët dhe laptopët, motorët e automjeteve, furnizimet autonome të energjisë për ndërtesat, termocentralet stacionare. Disa nga këto pajisje funksionojnë si prototipe laboratorike, disa përdoren për qëllime demonstrimi ose po kalojnë teste para-prodhimi. Sidoqoftë, shumë modele tashmë janë përdorur në projekte komerciale dhe janë prodhuar në masë.

Pajisje

Qelizat e karburantit janë pajisje elektrokimike të afta për të siguruar një shkallë të lartë konvertimi të energjisë kimike ekzistuese në energji elektrike.

Pajisja e qelizave të karburantit përbëhet nga tre pjesë kryesore:

1. Seksioni i Gjenerimit të Energjisë;
2. CPU;
3. Transformatori i tensionit.

Pjesa kryesore e qelizës së karburantit është seksioni i prodhimit të energjisë, i cili është një pirg i përbërë nga qeliza karburanti individuale. Një katalizator platini përfshihet në strukturën e elektrodave të qelizave të karburantit. Me ndihmën e këtyre qelizave, krijohet një rrymë elektrike konstante.

Njëra prej këtyre pajisjeve ka karakteristikat e mëposhtme: në një tension prej 155 volt, dalin 1400 amper. Madhësia e baterisë është 0.9 m në gjerësi dhe lartësi dhe 2.9 m në gjatësi. Procesi elektrokimik në të kryhet në një temperaturë prej 177 ° C, e cila kërkon ngrohjen e baterisë në kohën e fillimit, si dhe heqjen e nxehtësisë gjatë funksionimit të saj. Për këtë qëllim, një qark i veçantë uji përfshihet në qelizën e karburantit, duke përfshirë baterinë e pajisur me pllaka speciale ftohëse.

Procesi i karburantit konverton gazin natyror në hidrogjen, i cili kërkohet për një reaksion elektrokimik. Elementi kryesor i procesorit të karburantit është reformatori. Në të, gazi natyror (ose karburant tjetër që përmban hidrogjen) ndërvepron në presion të lartë dhe temperaturë të lartë (rreth 900 ° C) me avujt e ujit nën veprimin e një katalizatori - nikeli.

Ekziston një djegës për të ruajtur temperaturën e kërkuar të reformatorit. Avulli i kërkuar për reformimin gjenerohet nga kondensata. Një rrymë direkte e paqëndrueshme gjenerohet në pirgun e qelizave të karburantit, dhe një konvertues i tensionit përdoret për ta kthyer atë.

Gjithashtu në bllokun e konvertuesit të tensionit ka:

• Pajisjet e kontrollit.
• Qarqet e bllokimit të sigurisë që mbyllin qelizën e karburantit në defekte të ndryshme.

Parimi i funksionimit

Elementi më i thjeshtë me një membranë të shkëmbimit të protoneve përbëhet nga një membranë polimer që ndodhet midis anodës dhe katodës, si dhe katalizatorëve katodë dhe anodë. Membrana polimer përdoret si elektrolit.

• Membrana e shkëmbimit të protoneve duket si një përbërje e hollë organike e trashë me trashësi të vogël. Kjo membranë funksionon si një elektrolit; në prani të ujit, ajo e ndan substancën në jone të ngarkuar negativisht dhe pozitivisht.
• Oksidimi fillon në anodë, dhe zvogëlimi ndodh në katodë. Katoda dhe anoda në qelizën PEM janë bërë nga një material poroz, është një përzierje e grimcave të platinës dhe karbonit. Platini vepron si një katalizator, i cili lehtëson reagimin e shkëputjes. Katoda dhe anoda bëhen poroze në mënyrë që oksigjeni dhe hidrogjeni të kalojnë lirshëm nëpër to.
• Anoda dhe katoda ndodhen midis dy pllakave metalike, ato furnizojnë oksigjen dhe hidrogjen në katodë dhe anodë, dhe largojnë energjinë elektrike, nxehtësinë dhe ujin.
• Molekulat e hidrogjenit kalojnë nëpër kanalet në pllakë në anodë, ku molekulat zbërthehen në atome.
• Si rezultat i kimiorzimit, kur ekspozohen ndaj një katalizatori, atomet e hidrogjenit shndërrohen në jone hidrogjeni të ngarkuar pozitivisht H +, domethënë protone.
• Protonet shpërndahen në katodë përmes membranës, dhe rrjedha e elektroneve shkon në katodë përmes një qarku të veçantë elektrik të jashtëm. Një ngarkesë është e lidhur me të, domethënë një konsumator i energjisë elektrike.
• Oksigjeni i furnizuar në katodë, kur ekspozohet, hyn në një reaksion kimik me elektronet nga qarku i jashtëm elektrik dhe jonet e hidrogjenit nga membrana e shkëmbimit të protoneve. Ky reaksion kimik prodhon ujë.

Reagimi kimik që ndodh në llojet e tjera të qelizave të karburantit (për shembull, me një elektrolit acid në formën e acidit fosforik H3PO4) është plotësisht identik me reagimin e një pajisjeje me një membranë shkëmbimi protoni.

Pamjet

Aktualisht, njihen disa lloje të qelizave të karburantit, të cilat ndryshojnë në përbërjen e elektrolitit të përdorur:

• Qelizat e karburantit të bazuara në acid fosforik ose fosforik (PAFC, qeliza karburanti të acidit fosforik).
• Pajisjet me një membranë të shkëmbimit të protoneve (PEMFC, Qelizat e karburantit të membranës së shkëmbimit të protoneve).
• Qelizat e karburantit të oksidit të ngurtë (SOFC, Qelizat e karburantit të oksidit të ngurtë).
• Gjeneratorë elektrokimikë të bazuar në karbonat të shkrirë (MCFC, Qeliza karburanti të shkrirë të Karbonatit).

Për momentin, gjeneratorët elektrokimikë që përdorin teknologjinë PAFC janë bërë më të përhapura.

Aplikacion

Sot, qelizat e karburantit përdoren në anijen kozmike, të ripërdorshme. Ata përdorin instalime me fuqi 12 vat. Ata prodhojnë të gjithë energjinë elektrike në anijen kozmike. Uji i gjeneruar nga reaksioni elektrokimik përdoret për të pirë, përfshirë për pajisjet e ftohjes.

Gjeneratorë elektrokimikë u përdorën gjithashtu për të fuqizuar Buranin Sovjetik, një anije e ripërdorshme.

Qelizat e karburantit përdoren gjithashtu në sektorin civil.

• Instalime stacionare me një kapacitet 5–250 kW dhe më lart. Ato përdoren si burime autonome për ngrohje dhe furnizim me energji të ndërtesave industriale, publike dhe të banimit, furnizim me energji emergjente dhe rezervë, furnizim të pandërprerë të energjisë.
• Njësitë portative me një kapacitet 1–50 kW. Ato përdoren për satelitë dhe anije hapësinore. Po krijohen kopje për karroca golfi, karrige me rrota, frigoriferë hekurudhor dhe ngarkesash, shenja rrugore.
• Njësitë e lëvizshme me një kapacitet 25-150 kW. Ato kanë filluar të përdoren në luftanije dhe nëndetëse, përfshirë makina dhe automjete të tjera. Prototipet tashmë janë krijuar nga gjigantë të tillë automobilistikë si Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford dhe të tjerë.
• Mikro pajisjet me fuqi 1–500 vat. Ato përdoren në kompjuterë xhepi të avancuar, laptopë, pajisje elektronike shtëpiake, telefona celularë dhe pajisje ushtarake moderne.

Veçoritë

• Një pjesë e energjisë së reaksionit kimik në secilën qelizë karburanti lëshohet si nxehtësi. Kërkohet ftohje. Në qarkun e jashtëm, rrjedha e elektroneve krijon një rrymë konstante që përdoret për të kryer punën. Ndërprerja e lëvizjes së joneve të hidrogjenit ose hapja e qarkut të jashtëm çon në përfundimin e reaksionit kimik.
• Sasia e energjisë elektrike të prodhuar nga qelizat e karburantit përcaktohet nga presioni i gazit, temperatura, dimensionet gjeometrike dhe lloji i qelizës së karburantit. Për të rritur sasinë e energjisë elektrike të gjeneruar nga reagimi, madhësia e qelizave të karburantit mund të bëhet më e madhe, por në praktikë, përdoren disa qeliza, të cilat kombinohen në bateri.
• Procesi kimik në disa lloje të qelizave të karburantit mund të përmbyset. Kjo do të thotë, kur një ndryshim potencial aplikohet në elektroda, uji mund të zbërthehet në oksigjen dhe hidrogjen, të cilat do të mblidhen në elektrodat poroze. Kur ngarkesa ndizet, një qelizë e tillë karburanti do të prodhojë energji elektrike.

Perspektivat

Për momentin, gjeneratorët elektrokimikë për t'u përdorur si burimi kryesor i energjisë kërkojnë kosto të larta fillestare. Me futjen e membranave më të qëndrueshme me përçueshmëri të lartë, katalizatorë efikas dhe të lirë dhe burime alternative të hidrogjenit, qelizat e karburantit do të bëhen shumë tërheqëse ekonomikisht dhe do të futen kudo.

• Makinat do të funksionojnë me qeliza karburanti, nuk do të ketë fare motor me djegie të brendshme në to. Uji ose hidrogjeni në gjendje të ngurtë do të përdoret si burim energjie. Karburanti do të jetë i thjeshtë dhe i sigurt, dhe ngasja është miqësore me mjedisin - vetëm avujt e ujit do të gjenerohen.
• Të gjitha ndërtesat do të kenë gjeneratorët e tyre portativë të energjisë së qelizave të karburantit.
• Gjeneratorët elektrokimikë do të zëvendësojnë të gjitha bateritë dhe do të gjenden në çdo pajisje elektronike dhe shtëpiake.

Avantazhet dhe disavantazhet

Çdo lloj qelize karburanti ka avantazhet dhe disavantazhet e veta. Disa kërkojnë karburant me cilësi të lartë, të tjerët kanë një dizajn kompleks dhe kërkojnë një temperaturë të lartë të funksionimit.

Në përgjithësi, përparësitë e mëposhtme të qelizave të karburantit mund të tregohen:

• siguri për mjedisin;
• gjeneratorët elektrokimikë nuk kanë nevojë të rimbushen;
• gjeneratorët elektrokimikë mund të krijojnë energji vazhdimisht, ata nuk kujdesen për kushtet e jashtme;
• fleksibilitet përsa i përket shkallës dhe transportueshmërisë.

Ndër disavantazhet janë:

• vështirësi teknike me ruajtjen dhe transportimin e karburantit;
• elementë të papërsosur të pajisjes: katalizatorë, membrana etj.

Vëndi i karburantit- cfare eshte? Kur dhe si u shfaq? Pse është e nevojshme dhe pse flitet aq shpesh në kohën tonë? Cilat janë qëllimi, karakteristikat dhe vetitë e tij? Përparimi i pandalshëm kërkon përgjigje për të gjitha këto pyetje!

Çfarë është një qelizë karburanti?

Vëndi i karburantitështë një burim kimik i rrymës ose një gjenerator elektrokimik, një pajisje për shndërrimin e energjisë kimike në energji elektrike. Në jetën moderne, burimet aktuale kimike përdoren kudo dhe janë bateri për telefonat celularë, laptopë, PDA, si dhe bateri të rimbushshme në makina, furnizime të pandërprera me energji, etj. Faza tjetër në zhvillimin e kësaj zone do të jetë kudo në qelizat e karburantit dhe ky është tashmë një fakt i pakundërshtueshëm.

Historia e qelizave të karburantit

Historia e qelizave të karburantit është një histori tjetër se si vetitë e materies, të zbuluara dikur në Tokë, gjetën aplikim të gjerë larg në hapësirë, dhe në kthesën e mijëvjeçarit u kthyen nga parajsa në Tokë.

E gjitha filloi në 1839 kur kimisti gjerman Christian Schönbein publikoi parimet e qelizës së karburantit në Gazetën Filozofike. Në të njëjtin vit, një anglez, i diplomuar në Oksford, William Robert Grove projektoi një qelizë galvanike, e quajtur më vonë qeliza galvanike e Grove, ajo gjithashtu njihet si qeliza e parë e karburantit. Vetë emri "qeliza e karburantit" iu dha shpikjes në vitin e përvjetorit të saj - në 1889. Ludwig Mond dhe Karl Langer janë autorët e termit.

Pak më parë, në 1874, Jules Verne parashikoi situatën aktuale të energjisë në romanin e tij "Ishulli Misterioz", duke shkruar se "Uji një ditë do të përdoret si lëndë djegëse, hidrogjeni dhe oksigjeni, nga i cili përbëhet".

Ndërkohë, teknologjia e re e furnizimit me energji u përmirësua gradualisht, dhe që nga vitet 50 të shekullit XX, nuk ka kaluar një vit pa njoftimet për shpikjet e fundit në këtë fushë. Në 1958, traktori i parë i qelizave të karburantit u shfaq në Shtetet e Bashkuara, në 1959. u lëshua një furnizim me energji 5kW për një makinë saldimi, etj. Në vitet 70, teknologjia e hidrogjenit u ngrit në hapësirë: u shfaqën aeroplanë dhe motorë raketash hidrogjeni. Në vitet '60, RSC Energia zhvilloi qeliza karburanti për programin hënor sovjetik. Programi Buran gjithashtu nuk bëri pa to: u krijuan qeliza karburanti alkaline 10 kW. Dhe në fund të shekullit, qelizat e karburantit kaluan lartësinë zero mbi nivelin e detit - në bazë të tyre, furnizimi me energji elektrike Nëndetëse gjermane. Duke u kthyer në Tokë, lokomotiva e parë u vu në punë në Shtetet e Bashkuara në 2009. Natyrisht, në qelizat e karburantit.

Ajo që është interesante në historinë e bukur të qelizave të karburantit është se rrota është ende një shpikje e pashembullt e njerëzimit në natyrë. Fakti është se për sa i përket strukturës dhe parimit të funksionimit të tyre, qelizat e karburantit janë të ngjashme me një qelizë biologjike, e cila, në fakt, është një qelizë miniaturë e karburantit hidrogjen-oksigjen. Si rezultat, njeriu ka shpikur edhe një herë atë që natyra ka përdorur për miliona vjet.

Si funksionojnë qelizat e karburantit

Parimi i funksionimit të qelizave të karburantit është i dukshëm edhe nga kurrikula e kimisë shkollore dhe ishte ai që u përcaktua në eksperimentet e William Grove në 1839. Gjë është se procesi i elektrolizës së ujit (shkëputja e ujit) është i kthyeshëm. Ashtu siç është e vërtetë se kur një rrymë elektrike kalon nëpër ujë, kjo e fundit ndahet në hidrogjen dhe oksigjen, kështu që e kundërta është gjithashtu e vërtetë: hidrogjeni dhe oksigjeni mund të kombinohen për të prodhuar ujë dhe energji elektrike. Në eksperimentin e Grove, dy elektroda u vendosën në një dhomë në të cilën pjesë të kufizuara të hidrogjenit të pastër dhe oksigjenit furnizoheshin nën presion. Për shkak të vëllimeve të vogla të gazit, si dhe për shkak të vetive kimike të elektrodave të karbonit, një reagim i ngadalshëm u zhvillua në dhomë me lëshimin e nxehtësisë, ujit dhe, më e rëndësishmja, me formimin e një ndryshimi të mundshëm midis elektrodave Me

Qeliza më e thjeshtë e karburantit përbëhet nga një membranë e veçantë e përdorur si elektrolit, në të dy anët e së cilës aplikohen elektroda pluhur. Hidrogjeni rrjedh në njërën anë (anodë) dhe oksigjeni (ajër) në anën tjetër (katodë). Reaksione të ndryshme kimike ndodhin në secilën elektrodë. Në anodë, hidrogjeni zbërthehet në një përzierje të protoneve dhe elektroneve. Në disa qeliza karburanti, elektrodat janë të rrethuara nga një katalizator, zakonisht i bërë nga platini ose metale të tjera fisnike që lehtësojnë reagimin e shkëputjes:

2H 2 → 4H + + 4e -

ku H2 është një molekulë diatomike e hidrogjenit (forma në të cilën hidrogjeni është i pranishëm në formën e një gazi); H + - hidrogjen i jonizuar (proton); e - - elektron.

Në anën katodike të qelizës së karburantit, protonet (të kaluara përmes elektrolitit) dhe elektronet (të cilat kaluan përmes një ngarkese të jashtme) ribashkohen dhe reagojnë me oksigjenin e furnizuar në katodë për të formuar ujë:

4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O

Reagim total në një qelizë karburanti shkruhet kështu:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

Funksionimi i një qelize karburanti bazohet në faktin se elektroliti kalon protonet përmes vetes (drejt katodës), por elektronet jo. Elektronet lëvizin në katodë përgjatë një qarku të jashtëm përcjellës. Kjo lëvizje e elektroneve është një rrymë elektrike që mund të përdoret për të drejtuar një pajisje të jashtme të lidhur me një qelizë karburanti (ngarkesa, për shembull, një llambë):

Qelizat e karburantit përdorin karburant hidrogjeni dhe oksigjen në punën e tyre. Mënyra më e lehtë është me oksigjen - merret nga ajri. Hidrogjeni mund të furnizohet direkt nga një enë ose duke e ndarë atë nga një burim i jashtëm i karburantit (gaz natyror, benzinë ​​ose alkool metil - metanol). Në rastin e një burimi të jashtëm, ai duhet të transformohet kimikisht për të nxjerrë hidrogjen. Aktualisht, shumica e teknologjive të qelizave të karburantit të zhvilluara për pajisjet portative përdorin metanol.

Karakteristikat e qelizave të karburantit

Qelizat e karburantit janë analoge me bateritë ekzistuese në kuptimin që në të dy rastet, energjia elektrike merret nga energjia kimike. Por ka edhe dallime thelbësore:

• ato punojnë vetëm për aq kohë sa karburanti dhe oksiduesi vijnë nga një burim i jashtëm (dmth. ata nuk mund të ruajnë energji elektrike),

  përbërja kimike e elektrolitit nuk ndryshon gjatë funksionimit (qeliza e karburantit nuk ka nevojë të rimbushet),

  ato janë plotësisht të pavarura nga energjia elektrike (ndërsa bateritë konvencionale ruajnë energjinë nga rrjeti elektrik).

Çdo qelizë karburanti krijon tension në 1V... Tensioni më i lartë arrihet duke i lidhur ato në seri. Rritja e fuqisë (rrymës) realizohet përmes lidhjes paralele të kaskadave të qelizave të karburantit të lidhura në seri.

Qelizat e karburantit nuk ka kufi të fortë në efikasitet si në motorët e nxehtësisë (efikasiteti i ciklit Carnot është efikasiteti maksimal i mundshëm midis të gjithë motorëve të nxehtësisë me të njëjtat temperatura minimale dhe maksimale).

Efikasitet i lartë arrihet përmes shndërrimit të drejtpërdrejtë të energjisë së karburantit në energji elektrike. Nëse karburanti digjet së pari në një grup gjeneratorësh me naftë, avulli ose gazi që rezulton drejton një turbinë ose boshtin e një motori me djegie të brendshme, e cila nga ana tjetër drejton një gjenerator elektrik. Rezultati është një efikasitet maksimal prej 42%, më shpesh është rreth 35-38%. Për më tepër, për shkak të numrit të madh të lidhjeve, si dhe për shkak të kufizimeve termodinamike në efikasitetin maksimal të motorëve të nxehtësisë, efikasiteti ekzistues nuk ka gjasa të ngrihet më lart. Qelizat e karburantit ekzistuese Efikasiteti është 60-80%,

Efikasiteti pothuajse nuk varet nga faktori i ngarkesës,

Kapaciteti është disa herë më i lartë sesa në bateritë ekzistuese,

E plotë pa emetime të dëmshme për mjedisin... Lëshohen vetëm avujt e ujit të pastër dhe energjia termike (në kontrast me gjeneratorët me naftë, të cilët kanë emetime ndotëse të shkarkimit dhe kërkojnë heqjen e tyre).

Llojet e qelizave të karburantit

Qelizat e karburantit e klasifikuar mbi bazat e mëposhtme:

nga karburanti i përdorur,

nga presioni dhe temperatura e punës,

nga natyra e aplikimit.

Në përgjithësi, dallohen sa vijon llojet e qelizave të karburantit:

Qelizë karburanti me oksid të ngurtë (SOFC);

Qeliza e karburantit të membranës së shkëmbimit të protoneve (PEMFC);

Qeliza e karburantit e kthyeshme (RFC)

Qeliza e karburantit me metanol direkt (DMFC);

Qelizat e karburantit të shkrirë-karbonat (MCFC);

Qelizat e karburantit me acid fosforik (PAFC);

Qelizat e karburantit alkaline (AFC).

Një nga llojet e qelizave të karburantit që veprojnë në temperatura dhe presione normale duke përdorur hidrogjen dhe oksigjen janë qelizat membranore të shkëmbimit jonik. Uji që rezulton nuk tret elektrolitin e ngurtë, rrjedh poshtë dhe shkarkohet lehtë.

Problemet e qelizave të karburantit

Problemi kryesor me qelizat e karburantit shoqërohet me nevojën për hidrogjen të "mbushur", i cili mund të blihet lirshëm. Natyrisht, problemi duhet të zgjidhet me kalimin e kohës, por deri më tani situata shkakton një buzëqeshje të lehtë: cila vjen e para - pula apo veza? Qelizat e karburantit nuk janë ende aq të avancuara sa të ndërtojnë impiante hidrogjeni, por përparimi i tyre është i paimagjinueshëm pa këto bimë. Këtu vërejmë problemin e burimit të hidrogjenit. Aktualisht, hidrogjeni merret nga gazi natyror, por rritja e kostos së transportuesve të energjisë do të rrisë edhe çmimin e hidrogjenit. Në këtë rast, prania e CO dhe H 2 S (sulfid hidrogjeni) në hidrogjen nga gazi natyror është e pashmangshme, të cilat helmojnë katalizatorin.

Katalizatorët e zakonshëm të platinit përdorin një metal shumë të shtrenjtë dhe natyrisht të pazëvendësueshëm - platin. Sidoqoftë, është planifikuar të zgjidhet ky problem duke përdorur katalizatorë të bazuar në enzima, të cilat janë substanca të lira dhe të prodhuara lehtësisht.

Nxehtësia e krijuar është gjithashtu një problem. Efikasiteti do të rritet ndjeshëm nëse nxehtësia e gjeneruar drejtohet në një kanal të dobishëm - për të prodhuar energji të nxehtësisë për sistemin e furnizimit me nxehtësi, përdorni atë si nxehtësi e mbetur në thithje makina ftohëse etj

Qelizat e karburantit të metanolit (DMFC): Aplikime të vërteta

Qelizat e drejtpërdrejta të karburantit metanol (DMFC) janë me interesin më të lartë praktik sot. Një laptop Portege M100 i mundësuar nga një qelizë karburanti DMFC duket kështu:

Një qark tipik i një elementi DMFC përmban, përveç anodës, katodës dhe membranës, disa përbërës shtesë: një fishek karburanti, një sensor metanoli, një pompë qarkullimi të karburantit, një pompë ajri, një shkëmbyes nxehtësie, etj.

Koha e funksionimit, për shembull, e një laptopi në krahasim me bateritë është planifikuar të rritet me 4 herë (deri në 20 orë), një celular - deri në 100 orë në modalitetin aktiv dhe deri në gjashtë muaj në modalitetin e gatishmërisë. Rimbushja do të kryhet duke shtuar një pjesë të metanolit të lëngshëm.

Detyra kryesore është gjetja e opsioneve për përdorimin e zgjidhjes metanol me përqendrimin e tij më të lartë. Problemi është se metanoli është një helm mjaft i fortë, vdekjeprurës në doza prej disa dhjetëra gramësh. Por përqendrimi i metanolit ndikon drejtpërdrejt në kohëzgjatjen e punës. Nëse më parë ishte përdorur një zgjidhje metanol 3-10%, atëherë celularët dhe PDA-të që përdorin një zgjidhje 50% tashmë janë shfaqur, dhe në vitin 2008, në kushte laboratorike, MTI MicroFuel Cells dhe, pak më vonë, specialistët e Toshiba morën qeliza karburanti që veprojnë në metanol i pastër.

Qelizat e karburantit janë e ardhmja!

Së fundi, dëshmia e së ardhmes së madhe të qelizave të karburantit dëshmohet nga fakti se organizata ndërkombëtare IEC (International Electrotechnical Commission), e cila përcakton standardet industriale për pajisjet elektronike, ka njoftuar tashmë krijimin e një grupi pune për të zhvilluar një standard ndërkombëtar për qeliza karburanti në miniaturë.

Ju nuk do të surprizoni askënd as me panele diellore as me turbina me erë, të cilat prodhojnë energji elektrike në të gjitha rajonet e botës. Por prodhimi nga këto pajisje nuk është konstant dhe ju duhet të instaloni burime rezervë të energjisë, ose të lidheni me rrjetin për të marrë energji elektrike gjatë periudhës kur objektet e BRE nuk prodhojnë energji elektrike. Sidoqoftë, ka instalime të zhvilluara në shekullin XIX që përdorin lëndë djegëse "alternative" për të gjeneruar energji elektrike, domethënë ato nuk djegin gaz ose produkte nafte. Qelizat e karburantit janë instalime të tilla.

HISTORIA E KRIJIMIT

Qelizat e karburantit (FC) ose qelizat e karburantit u zbuluan në 1838-1839 nga William Grove (Grove, Grove), kur ai po studionte elektrolizën e ujit.

Referenca: Elektroliza e ujit është procesi i dekompozimit të ujit nën veprimin e një rryme elektrike në molekulat e hidrogjenit dhe oksigjenit

Duke e shkëputur baterinë nga qeliza elektrolitike, ai u befasua kur zbuloi se elektrodat filluan të thithin gazin e evoluar dhe të gjenerojnë rrymë. Zbulimi i procesit të djegies elektrokimike "të ftohtë" të hidrogjenit është bërë një ngjarje e rëndësishme në industrinë e energjisë. Më vonë ai krijoi baterinë Grove. Kjo pajisje kishte një elektrodë platini të zhytur në acid nitrik dhe një elektrodë zinku në sulfat zinku. Ajo krijoi një rrymë prej 12 amper dhe një tension prej 8 volt. Grow vetë e quajti këtë ndërtim "Bateri e lagur"... Ai pastaj krijoi një bateri duke përdorur dy elektroda platini. Një skaj i secilës elektrodë ishte në acid sulfurik, dhe skajet e tjera u mbyllën në enë me hidrogjen dhe oksigjen. Kishte një rrymë të qëndrueshme midis elektrodave dhe sasia e ujit brenda kontejnerëve u rrit. Grow ishte në gjendje të dekompozonte dhe përmirësonte ujin në këtë pajisje.

"Bateria rritet"

(burimi: Shoqëria Mbretërore e Muzeut Kombëtar të Historisë Natyrore)

Termi "qeliza karburanti" (ang. "Fuel Cell") u shfaq vetëm në 1889 nga L. Mond dhe
C. Langer, i cili u përpoq të krijojë një pajisje për gjenerimin e energjisë elektrike nga ajri dhe gazi i qymyrit.

SI PUNON?

Qeliza e karburantit është një pajisje relativisht e thjeshtë... Ajo ka dy elektroda: anodën (elektrodën negative) dhe katodën (elektrodën pozitive). Një reaksion kimik zhvillohet në elektroda. Për ta shpejtuar atë, sipërfaqja e elektrodave është e veshur me një katalizator. TE janë të pajisura me një element më shumë - një membranë. Transformimi i energjisë kimike të karburantit drejtpërdrejt në energji elektrike është për shkak të punës së membranës. Ai ndan dy dhomat e qelizës, të cilat ushqehen me karburant dhe oksidues. Membrana lejon që vetëm protonet, të cilat merren si rezultat i ndarjes së karburantit, të kalojnë nga një dhomë në tjetrën, në një elektrodë të mbuluar me një katalizator (elektronet në këtë rast kalojnë nëpër qarkun e jashtëm). Në dhomën e dytë, protonet ribashkohen me elektronet (dhe atomet e oksigjenit) për të formuar ujë.

Si funksionon një qelizë karburanti hidrogjeni

Në nivelin kimik, procesi i shndërrimit të energjisë së karburantit në energji elektrike është i ngjashëm me procesin e zakonshëm të djegies (oksidimit).

Në djegien normale në oksigjen, karburanti organik oksidohet dhe energjia kimike e karburantit shndërrohet në energji termike. Le të shohim se çfarë ndodh kur hidrogjeni oksidohet nga oksigjeni në një mjedis elektrolit dhe në prani të elektrodave.

Duke furnizuar hidrogjen në një elektrodë në një mjedis alkalik, ndodh një reaksion kimik:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

Siç mund ta shihni, ne marrim elektrone, të cilat, duke kaluar nëpër qarkun e jashtëm, futen në elektrodën e kundërt, në të cilën hyn oksigjeni dhe ku zhvillohet reagimi:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Mund të shihet se reagimi që rezulton 2H 2 + O 2 → H 2 O është i njëjtë si në djegien konvencionale, por një rrymë elektrike dhe pjesërisht nxehtësia prodhohet në një qelizë karburanti.

LLOJET E QELIZAVE T F karburantit

Qelizat e karburantit klasifikohen sipas llojit të elektrolitit të përdorur për reagimin:

Vini re se qymyri, monoksidi i karbonit, alkoolet, hidrazina dhe substanca të tjera organike mund të përdoren gjithashtu si lëndë djegëse në qelizat e karburantit, dhe ajri, peroksidi i hidrogjenit, klori, bromi, acidi nitrik, etj. Mund të përdoren si oksidues.

Efikasiteti i qelizës së karburantit

Një tipar i qelizave të karburantit është nuk ka kufi të fortë në efikasitet si motorët e nxehtësisë.

Ndihmë: efikasitetCikli Carnot është efikasiteti më i lartë i mundshëm midis të gjithë motorëve të nxehtësisë me të njëjtat temperatura minimale dhe maksimale.

Prandaj, efikasiteti i qelizave të karburantit në teori mund të jetë më i lartë se 100%. Shumë buzëqeshën dhe menduan: "Makina e përhershme e lëvizjes shpiku mjete". Jo, këtu ia vlen të ktheheni në kursin e kimisë shkollore. Një qelizë karburanti bazohet në shndërrimin e energjisë kimike në energji elektrike. Këtu hyjnë mrekullitë. Disa reaksione kimike gjatë rrjedhës mund të thithin nxehtësinë nga mjedisi.

Referenca: Reaksionet endotermike janë reaksione kimike të shoqëruara me thithjen e nxehtësisë. Për reagimet endotermike, ndryshimi në entalpinë dhe energjinë e brendshme kanë vlera pozitive (Δ H >0, Δ U > 0), kështu, produktet e reagimit përmbajnë më shumë energji sesa përbërësit fillestarë.

Një shembull i një reagimi të tillë është oksidimi i hidrogjenit, i cili përdoret në shumicën e qelizave të karburantit. Prandaj, teorikisht, efikasiteti mund të jetë më shumë se 100%. Por sot, qelizat e karburantit nxehen gjatë funksionimit dhe nuk mund të thithin nxehtësinë nga mjedisi.

Referenca: Ky kufizim imponohet nga ligji i dytë i termodinamikës. Procesi i transferimit të nxehtësisë nga një trup "i ftohtë" në një "të nxehtë" nuk është i mundur.

Plus, ka humbje që lidhen me proceset jo të ekuilibrit. Të tilla si: humbjet ohmike për shkak të përçueshmërisë specifike të elektrolitit dhe elektrodave, aktivizimit dhe polarizimit të përqendrimit, humbjeve të difuzionit. Si rezultat, një pjesë e energjisë së gjeneruar në qelizat e karburantit shndërrohet në nxehtësi. Prandaj, qelizat e karburantit nuk janë makina lëvizëse të përhershme dhe efikasiteti i tyre është më pak se 100%. Por efikasiteti i tyre është më i lartë se ai i makinave të tjera. Sot efikasiteti i qelizave të karburantit arrin 80%.

Referenca: Në të dyzetat, inxhinieri anglez T. Bacon projektoi dhe ndërtoi një bateri të qelizave të karburantit me një kapacitet total prej 6 kW dhe një efikasitet prej 80%, duke punuar në hidrogjen dhe oksigjen të pastër, por raporti i fuqisë dhe peshës së baterisë doli të ishte shumë e ulët - qeliza të tilla ishin të papërshtatshme për përdorim praktik dhe shumë të shtrenjta (burimi: http://www.powerinfo.ru/).

PROBLEMET E QELIS DUSHIR

Pothuajse të gjitha qelizat e karburantit përdorin hidrogjenin si lëndë djegëse, kështu që lind një pyetje logjike: "Ku mund ta marr?"

Duket se qeliza e karburantit u zbulua si rezultat i elektrolizës, kështu që ju mund të përdorni hidrogjenin e lëshuar si rezultat i elektrolizës. Por le të hedhim një vështrim më të afërt në këtë proces.

Sipas ligjit të Faraday: sasia e një substance që oksidohet në anodë ose zvogëlohet në katodë është proporcionale me sasinë e energjisë elektrike të kaluar nëpër elektrolit. Kjo do të thotë që për të marrë më shumë hidrogjen, duhet të shpenzoni më shumë energji elektrike. Metodat ekzistuese të elektrolizës së ujit kanë një efikasitet më të vogël se uniteti. Pastaj ne përdorim hidrogjenin e marrë në qelizat e karburantit, ku efikasiteti është gjithashtu më i vogël se uniteti. Prandaj, ne do të shpenzojmë më shumë energji sesa mund të gjenerojmë.

Sigurisht, hidrogjeni i marrë nga gazi natyror mund të përdoret. Kjo metodë e prodhimit të hidrogjenit mbetet më e lirë dhe më e popullarizuar. Aktualisht, rreth 50% e hidrogjenit të prodhuar në të gjithë botën merret nga gazi natyror. Por ka një problem me ruajtjen dhe transportimin e hidrogjenit. Hidrogjeni ka një densitet të ulët ( një litër hidrogjen peshon 0.0846 g), prandaj, për ta transportuar atë në distanca të gjata, duhet të ngjeshet. Dhe kjo është kosto shtesë e energjisë dhe monetare. Gjithashtu, mos harroni për sigurinë.

Sidoqoftë, ekziston edhe një zgjidhje - karburanti i lëngshëm hidrokarbure mund të përdoret si burim hidrogjeni. Për shembull, alkooli etilik ose metil. Vërtetë, një pajisje speciale shtesë tashmë kërkohet këtu - një konvertues karburanti, i cili konverton alkoolet në një përzierje të gaztë H 2 dhe CO 2 në një temperaturë të lartë (për metanolin do të jetë diku rreth 240 ° C). Por në këtë rast, tashmë është më e vështirë të mendosh për transportueshmëri - pajisje të tilla janë të mira për t'u përdorur si gjeneratorë të palëvizshëm ose të makinave, por për pajisjet kompakte të lëvizshme keni nevojë për diçka më pak të rëndë.

Katalizator

Për të rritur përparimin e reagimit në FC, sipërfaqja e anodës është zakonisht një katalizator. Deri kohët e fundit, platini përdorej si katalizator. Prandaj, kostoja e qelizës së karburantit ishte e lartë. Së dyti, platini është një metal relativisht i rrallë. Sipas ekspertëve, në prodhimin industrial të qelizave të karburantit, rezervat e eksploruara të platinës do të mbarojnë në 15-20 vjet. Por shkencëtarët në të gjithë botën po përpiqen të zëvendësojnë platinin me materiale të tjera. Nga rruga, disa prej tyre kanë arritur rezultate të mira. Pra, shkencëtarët kinezë zëvendësuan platinin me oksid kalciumi (burimi: www.cheburek.net).

P USRDORIMI I QELIZAVE T F karburantit

Për herë të parë, një qelizë karburanti u testua në automjetet motorike në 1959. Traktori Alice-Chambers përdori 1008 bateri për funksionim. Karburanti ishte një përzierje e gazeve, kryesisht propan dhe oksigjen.

Burimi: http://www.planetseed.com/

Që nga mesi i viteve '60, në kulmin e "garës hapësinore", krijuesit e anijeve kozmike janë interesuar për qelizat e karburantit. Puna e mijëra shkencëtarëve dhe inxhinierëve bëri të mundur arritjen e një niveli të ri, dhe në 1965. Qelizat e karburantit u testuan në SHBA në anijen Gemini-5, dhe më vonë në anijen Apollo për fluturime në Hënë dhe nën programin Shuttle. Në BRSS, qelizat e karburantit u zhvilluan në NPO Kvant, gjithashtu për përdorim në hapësirë ​​(burimi: http://www.powerinfo.ru/).

Meqenëse produkti përfundimtar i djegies së hidrogjenit në një qelizë karburanti është uji, ato konsiderohen më të pastrat për sa i përket ndikimit në mjedis. Prandaj, qelizat e karburantit filluan të fitojnë popullaritetin e tyre në sfondin e një interesi të përgjithshëm në ekologji.

Tashmë, prodhuesit e makinave si Honda, Ford, Nissan dhe Mercedes-Benz kanë krijuar automjete me qeliza karburanti hidrogjeni.

Mercedes-Benz-Ener-G-Force i mundësuar nga hidrogjeni

Kur përdorni makina hidrogjeni, problemi i ruajtjes së hidrogjenit zgjidhet. Ndërtimi i stacioneve të mbushjes me hidrogjen do të bëjë të mundur mbushjen kudo. Për më tepër, karburanti i një makine me hidrogjen është më i shpejtë sesa ngarkimi i një makine elektrike në një pikë karburanti. Por gjatë zbatimit të projekteve të tilla, ne u përballëm me një problem si ai i automjeteve elektrike. Njerëzit janë gati të "kalojnë" në një makinë të mundësuar nga hidrogjeni, nëse ka një infrastrukturë për ta. Dhe ndërtimi i stacioneve të benzinës do të fillojë nëse ka një numër të mjaftueshëm konsumatorësh. Prandaj, ne përsëri erdhëm në dilemën e vezëve dhe pulës.

Qelizat e karburantit përdoren gjerësisht në telefonat celularë dhe laptopët. Koha tashmë ka kaluar kur telefoni u karikua një herë në javë. Tani telefoni po ngarkohet pothuajse çdo ditë, dhe laptopi punon pa rrjet për 3-4 orë. Prandaj, prodhuesit e teknologjisë celulare vendosën të sintetizojnë një qelizë karburanti me telefona dhe laptopë për karikim dhe punë. Për shembull, kompania Toshiba në 2003. demonstroi një prototip të përfunduar të një qelize karburanti metanol. Ai jep një fuqi prej rreth 100mW. Një mbushje në 2 kube metanol të koncentruar (99.5%) është e mjaftueshme për 20 orë funksionim të MP3 player. Përsëri, e njëjta "Toshiba" demonstroi një bateri për fletoret me përmasa 275x75x40mm, e cila lejon kompjuterin të punojë për 5 orë nga një karburant.

Por disa prodhues kanë shkuar më tej. Kompania PowerTrekk ka lëshuar një karikues me të njëjtin emër. PowerTrekk është ngarkuesi i parë i ujit në botë. Veryshtë shumë e lehtë për t'u përdorur. Uji duhet shtuar në PowerTrekk për të siguruar energji të menjëhershme përmes kabllit USB. Kjo qelizë karburanti përmban pluhur silikoni dhe silicid natriumi (NaSi) kur përzihet me ujë, ky kombinim gjeneron hidrogjen. Hidrogjeni përzihet me ajrin në qelizën e karburantit, dhe e konverton hidrogjenin në energji elektrike përmes shkëmbimit të tij membranë-proton, pa tifozë ose pompa. Ju mund të blini një ngarkues të tillë portativ për 149 € (

Elektronika celulare çdo vit, nëse jo muaj, bëhet më e arritshme dhe më e përhapur. Këtu keni laptopë, PDA, kamera dixhitale, telefona celularë dhe shumë pajisje të tjera të dobishme dhe jo aq të dobishme. Dhe të gjitha këto pajisje po fitojnë vazhdimisht veçori të reja, procesorë më të fuqishëm, ekrane më të mëdhenj me ngjyra, lidhje wireless, ndërsa zvogëlohen në madhësi. Por, ndryshe nga teknologjitë gjysmëpërçuese, teknologjitë e energjisë të gjithë kësaj menaxherie të lëvizshme nuk janë aspak me hapa të mëdhenj.

Bateritë dhe bateritë konvencionale të rimbushshme nuk janë qartë të mjaftueshme për të fuqizuar përparimet e fundit në industrinë e elektronikës për ndonjë kohë të rëndësishme. Dhe pa bateri të besueshme, me kapacitet të lartë, e gjithë pika e lëvizshmërisë dhe pa telisë humbet. Pra, industria e kompjuterëve po punon gjithnjë e më shumë në mënyrë aktive mbi problemin furnizimet alternative të energjisë... Dhe drejtimi më premtues këtu sot është qelizat e karburantit.

Parimi bazë i qelizave të karburantit u zbulua nga shkencëtari britanik Sir William Grove në 1839. Ai njihet si babai i "qelizës së karburantit". William Grove prodhoi energji elektrike duke ndryshuar për të nxjerrë hidrogjen dhe oksigjen. Duke shkëputur baterinë nga qeliza elektrolitike, Grove u befasua kur zbuloi se elektrodat filluan të thithin gazin e evoluar dhe të gjenerojnë rrymë. Hapja e një procesi djegia elektrokimike "e ftohtë" e hidrogjenit u bë një ngjarje e rëndësishme në sektorin e energjisë, dhe më vonë elektrokimistë të tillë të njohur si Ostwald dhe Nernst luajtën një rol të rëndësishëm në zhvillimin e themeleve teorike dhe zbatimin praktik të qelizave të karburantit dhe parashikuan një të ardhme të madhe për ta.

Veten time termi "qeliza e karburantit" u shfaq më vonë - u propozua në 1889 nga Ludwig Mond dhe Charles Langer, të cilët po përpiqeshin të krijonin një pajisje për gjenerimin e energjisë elektrike nga ajri dhe gazi i qymyrit.

Në djegien normale në oksigjen, karburanti organik oksidohet dhe energjia kimike e karburantit shndërrohet në mënyrë joefikase në energji termike. Por doli se ishte e mundur që reagimi i oksidimit, për shembull, i hidrogjenit me oksigjenin, të kryhej në një mjedis elektrolit dhe, në prani të elektrodave, të merrte një rrymë elektrike. Për shembull, duke furnizuar hidrogjen në një elektrodë në një mjedis alkalik, marrim elektrone:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

të cilat, duke kaluar nëpër qarkun e jashtëm, futen në elektrodën e kundërt, në të cilën hyn oksigjeni dhe ku ndodh reagimi: 4e- + O2 + 2H2O 4OH-

Mund të shihet se reagimi që rezulton 2H2 + O2 → H2O është i njëjtë si në djegien konvencionale, por në një qelizë karburanti, ose ndryshe - në gjenerator elektrokimik, merret një rrymë elektrike me efikasitet të madh dhe pjesërisht nxehtësi. Vini re se qymyri, monoksidi i karbonit, alkoolet, hidrazina dhe substanca të tjera organike mund të përdoren gjithashtu si lëndë djegëse në qelizat e karburantit, dhe ajri, peroksidi i hidrogjenit, klori, bromi, acidi nitrik, etj. Mund të përdoren si oksidues.

Zhvillimi i qelizave të karburantit vazhdoi fuqishëm si jashtë vendit ashtu edhe në Rusi, dhe më pas në BRSS. Ndër shkencëtarët që dhanë një kontribut të madh në studimin e qelizave të karburantit, vërejmë V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Yusti, K. Kordesh. Në mesin e shekullit të kaluar, filloi një stuhi e re e problemeve të qelizave të karburantit. Kjo është pjesërisht për shkak të shfaqjes së ideve, materialeve dhe teknologjive të reja si rezultat i kërkimeve të mbrojtjes.

Një nga shkencëtarët që bëri një hap të madh në zhvillimin e qelizave të karburantit ishte P.M.Spiridonov. Elementet hidrogjen-oksigjen të Spiridonovit dha një densitet aktual prej 30 mA / cm2, e cila për atë kohë u konsiderua një arritje e madhe. Në të dyzetat O. Davtyan krijoi një instalim për djegien elektrokimike të gazit gjenerator të marrë nga gazifikimi i qymyrit. Për çdo metër kub të vëllimit të elementit, Davtyan mori 5 kW fuqi.

Ishte qeliza e parë e karburantit elektrolit të ngurtë... Kishte një efikasitet të lartë, por me kalimin e kohës elektroliti u përkeqësua dhe duhej të ndryshohej. Më pas, Davtyan në fund të viteve pesëdhjetë krijoi një instalim të fuqishëm që vë traktorin në lëvizje. Në të njëjtat vite, inxhinieri anglez T. Bacon projektoi dhe ndërtoi një bateri të qelizave të karburantit me një kapacitet total prej 6 kW dhe një efikasitet prej 80%, që veprojnë në hidrogjen dhe oksigjen të pastër, por raporti fuqi-peshë i bateria doli të ishte shumë e vogël - qeliza të tilla ishin të papërshtatshme për përdorim praktik dhe shumë të shtrenjta.

Në vitet që pasuan, koha e të vetmuarve kaloi. Krijuesit e anijeve kozmike u interesuan për qelizat e karburantit. Që nga mesi i viteve '60, miliona dollarë janë investuar në kërkimin e qelizave të karburantit. Puna e mijëra shkencëtarëve dhe inxhinierëve bëri të mundur arritjen e një niveli të ri, dhe në 1965. Qelizat e karburantit u testuan në SHBA në anijen Gemini-5, dhe më vonë në anijen Apollo për fluturime në Hënë dhe nën programin Shuttle.

Në BRSS, qelizat e karburantit u zhvilluan në NPO Kvant, gjithashtu për përdorim në hapësirë. Në ato vite, tashmë u shfaqën materiale të reja - elektrolite polimer të ngurtë bazuar në membranat e shkëmbimit të joneve, lloje të reja katalizatorësh, elektroda. Sidoqoftë, dendësia e rrymës së punës ishte e vogël - brenda 100-200 mA / cm2, dhe përmbajtja e platinës në elektroda ishte disa g / cm2. Kishte shumë probleme që lidheshin me qëndrueshmërinë, qëndrueshmërinë, sigurinë.

Faza tjetër në zhvillimin e shpejtë të qelizave të karburantit filloi në vitet '90. shekullin e kaluar dhe vazhdon tani. Ajo është shkaktuar nga nevoja për burime të reja efikase të energjisë në lidhje, nga njëra anë, me problemin global mjedisor të rritjes së emetimit të gazrave serë nga djegia e karburanteve fosile dhe, nga ana tjetër, me shterimin e një karburanti të tillë rezervat. Meqenëse produkti përfundimtar i djegies së hidrogjenit në një qelizë karburanti është uji, ato konsiderohen më të pastrat për sa i përket ndikimit në mjedis. Problemi kryesor qëndron vetëm në gjetjen e një metode efikase dhe të lirë për prodhimin e hidrogjenit.

Miliarda investime financiare në zhvillimin e qelizave të karburantit dhe gjeneratorëve të hidrogjenit duhet të çojnë në një përparim teknologjik dhe t'i bëjnë ato një realitet në jetën e përditshme: në qelizat për telefonat celularë, në makina, në termocentrale. Tashmë, gjigantë të tillë automobilistikë si Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors po demonstrojnë makina dhe autobusë që funksionojnë me qeliza karburanti 50 kW. Një numër kompanish janë zhvilluar termocentralet demonstruese në qelizat e karburantit me elektrolit oksid të ngurtë me një kapacitet deri në 500 kW... Por, përkundër një përparimi të rëndësishëm në përmirësimin e karakteristikave të qelizave të karburantit, ka ende shumë probleme për t'u zgjidhur në lidhje me koston, besueshmërinë dhe sigurinë e tyre.

Në një qelizë karburanti, ndryshe nga bateritë dhe akumulatorët, karburanti dhe oksiduesi i furnizohen atij nga jashtë. Qeliza e karburantit është vetëm një ndërmjetës në reagim dhe, në kushte ideale, mund të funksionojë pothuajse përgjithmonë. Bukuria e kësaj teknologjie është se, në fakt, elementi djeg karburant dhe konverton drejtpërdrejt energjinë e lëshuar në energji elektrike. Me djegie të drejtpërdrejtë të karburantit, oksidohet nga oksigjeni, dhe nxehtësia e lëshuar gjatë kësaj përdoret për të kryer punë të dobishme.

Në një qelizë karburanti, si në bateritë, reagimet e oksidimit të karburantit dhe zvogëlimit të oksigjenit janë të ndara në hapësirë, dhe procesi i "djegies" ndodh vetëm nëse qeliza i jep rrymë ngarkesës. Eshte si gjenerator elektrik me naftë, vetëm pa naftë dhe gjenerator... Dhe gjithashtu pa tym, zhurmë, mbinxehje dhe me një efikasitet shumë më të lartë. Kjo e fundit shpjegohet me faktin se, së pari, nuk ka pajisje mekanike të ndërmjetme dhe, së dyti, qeliza e karburantit nuk është një motor nxehtësie dhe, si rezultat, nuk i bindet ligjit të Carnot (domethënë, efikasiteti i tij nuk përcaktohet nga diferenca e temperaturës).

Oksigjeni përdoret si agjent oksidues në qelizat e karburantit. Për më tepër, meqë ka oksigjen të mjaftueshëm në ajër, nuk ka nevojë të shqetësoheni për furnizimin e oksiduesit. Karburanti është hidrogjen. Pra, një reagim zhvillohet në qelizën e karburantit:

2H2 + O2 → 2H2O + energji elektrike + nxehtësi.

Rezultati është energji e dobishme dhe avujt e ujit. Më e thjeshta në strukturën e saj është qeliza e karburantit të membranës së shkëmbimit të protoneve(shiko figurën 1). Punon si më poshtë: hidrogjeni që hyn në element dekompozohet nën veprimin e katalizatorit në elektrone dhe jone hidrogjeni të ngarkuar pozitivisht H +. Pastaj hyn në lojë një membranë e veçantë, e cila luan rolin e një elektroliti në një bateri konvencionale. Për shkak të përbërjes së tij kimike, lejon që protonet të kalojnë nëpër vetvete, por ruan elektronet. Kështu, elektronet e grumbulluara në anodë krijojnë një ngarkesë negative të tepërt, dhe jonet e hidrogjenit krijojnë një ngarkesë pozitive në katodë (tensioni në qelizë është rreth 1V).

Për të krijuar fuqi të lartë, një qelizë karburanti mblidhet nga një mori qelizash. Nëse elementi përfshihet në ngarkesë, atëherë elektronet do të rrjedhin përmes tij në katodë, duke krijuar një rrymë dhe duke përfunduar procesin e oksidimit të hidrogjenit me oksigjen. Si katalizator në qeliza të tilla karburanti, si rregull, përdoren mikropartikuj platini të mbështetur në fibra karboni. Për shkak të strukturës së tij, një katalizator i tillë është shumë i përshkueshëm nga gazi dhe energjia elektrike. Membrana është bërë zakonisht nga polimeri që përmban squfur, Nafion. Trashësia e membranës është e barabartë me të dhjetat e një milimetri. Gjatë reagimit, natyrisht, nxehtësia gjithashtu lëshohet, por nuk ka aq shumë prej saj, kështu që temperatura e funksionimit ruhet në intervalin 40-80 ° C.

Fig. 1 Si funksionon qeliza e karburantit

Ekzistojnë lloje të tjera të qelizave të karburantit, kryesisht të ndryshme në llojin e elektrolitit të përdorur. Pothuajse të gjithë ata kërkojnë hidrogjen si lëndë djegëse, kështu që lind një pyetje logjike: ku ta merrni. Sigurisht, do të ishte e mundur të përdoret hidrogjeni i ngjeshur nga cilindrat, por më pas lindin menjëherë probleme që lidhen me transportimin dhe ruajtjen e këtij gazi shumë të ndezshëm nën presion të lartë. Sigurisht, hidrogjeni mund të përdoret në një formë të lidhur si në bateritë e hidridit metalik. Por akoma, problemi i prodhimit dhe transportit të tij mbetet, sepse infrastruktura e karburantit me hidrogjen nuk ekziston.

Sidoqoftë, ekziston edhe një zgjidhje - karburanti i lëngshëm hidrokarbure mund të përdoret si burim hidrogjeni. Për shembull, alkooli etilik ose metil. Vërtetë, një pajisje shtesë e veçantë kërkohet tashmë këtu - një konvertues karburanti, i cili konverton alkoolet në një përzierje të gaztë H2 dhe CO2 në një temperaturë të lartë (për metanolin do të jetë diku rreth 240 ° C). Por në këtë rast, tashmë është më e vështirë të mendosh për transportueshmëri - pajisje të tilla janë të mira për t'u përdorur si të palëvizshme ose, por për pajisjet kompakte të lëvizshme keni nevojë për diçka më pak të rëndë.

Dhe këtu kemi ardhur pikërisht në pajisjen, zhvillimi i së cilës po bëhet me forcë të tmerrshme nga pothuajse të gjithë prodhuesit më të mëdhenj të elektronikës - qeliza e karburantit metanol(Figura 2).

Fig. 2 Si funksionon një qelizë karburanti metanol

Dallimi themelor midis qelizave të karburantit të hidrogjenit dhe metanolit qëndron në katalizatorin e përdorur. Një katalizator në një qelizë karburanti metanol lejon që protonet të hiqen drejtpërdrejt nga molekula e alkoolit. Kështu, çështja e karburantit zgjidhet - alkooli metil prodhohet masivisht për industrinë kimike, është i lehtë për tu ruajtur dhe transportuar, dhe për të ngarkuar një qelizë karburanti metanol, mjafton thjesht të zëvendësoni fishekun e karburantit. Vërtetë, ekziston një pengesë e rëndësishme - metanoli është toksik. Për më tepër, efikasiteti i një qelize karburanti metanol është dukshëm më i ulët se ai i një qelize karburanti hidrogjeni.

Oriz. 3. Qeliza e karburantit metanol

Opsioni më joshës është përdorimi i alkoolit etilik si lëndë djegëse, pasi prodhimi dhe shpërndarja e pijeve alkoolike të çdo përbërjeje dhe fuqie është vendosur mirë në të gjithë globin. Sidoqoftë, efikasiteti i qelizave të karburantit etanol është për fat të keq edhe më i ulët se ai i qelizave të karburantit metanol.

Siç është vërejtur në shumë vite zhvillimi në fushën e qelizave të karburantit, lloje të ndryshme të qelizave të karburantit janë ndërtuar. Qelizat e karburantit klasifikohen sipas elektrolitit dhe llojit të karburantit.

1. Elektrolit polimer i ngurtë hidrogjen-oksigjen.

2. Qelizat e karburantit metanol polimer të ngurtë.

3. Qelizat në elektrolit alkalik.

4. Qelizat e karburantit të acidit fosforik.

5. Qelizat e karburantit të bazuara në karbonatet e shkrira.

6. Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë.

Në mënyrë ideale, efikasiteti i qelizave të karburantit është shumë i lartë, por në kushte reale ka humbje të lidhura me procese jo të ekuilibrit, të tilla si: humbjet ohmike për shkak të përçueshmërisë specifike të elektrolitit dhe elektrodave, aktivizimit dhe polarizimit të përqendrimit, humbjeve të difuzionit. Si rezultat, një pjesë e energjisë së gjeneruar në qelizat e karburantit shndërrohet në nxehtësi. Përpjekjet e specialistëve kanë për qëllim zvogëlimin e këtyre humbjeve.

Burimi kryesor i humbjeve ohmike, si dhe arsyeja për koston e lartë të qelizave të karburantit, janë membranat e shkëmbimit të kationit sulfonik të perfluorizuar. Kërkimi tani është duke u zhvilluar për polimere alternative, më të lirë të përcjelljes së protonit. Meqenëse përçueshmëria e këtyre membranave (elektrolite të ngurta) arrin një vlerë të pranueshme (10 Ohm / cm) vetëm në prani të ujit, gazrat e furnizuar në qelizën e karburantit duhet të lagështohen shtesë në një pajisje të veçantë, e cila gjithashtu rrit koston e sistem. Në elektrodat difuzive të gazit katalitik, kryesisht përdoren platini dhe disa metale të tjera fisnike, dhe deri më tani nuk është gjetur zëvendësim për to. Edhe pse përmbajtja e platinës në qelizat e karburantit është disa mg / cm2, për bateri të mëdha sasia e saj arrin dhjetëra gram.

Gjatë hartimit të qelizave të karburantit, shumë vëmendje i kushtohet sistemit të heqjes së nxehtësisë, pasi në dendësitë e larta të rrymës (deri në 1A / cm2), ndodh vetë-ngrohja e sistemit. Për ftohje, përdoret uji që qarkullon në qelizën e karburantit përmes kanaleve speciale, dhe me fuqi të ulët, ajri fryhet.

Pra, sistemi modern i gjeneratorit elektrokimik, përveç vetë qelizës së karburantit, është "i rritur" me shumë pajisje ndihmëse, të tilla si: pompa, një kompresor për furnizimin me ajër, futje hidrogjeni, një lagështues gazi, një njësi ftohëse, një rrjedhje gazi sistemi i kontrollit, një konvertues DC-në-AC, një procesor kontrolli dhe të tjerët. E gjithë kjo çon në faktin se kostoja e sistemit të qelizave të karburantit në 2004-2005 ishte 2-3 mijë dollarë / kW. Sipas ekspertëve, qelizat e karburantit do të bëhen të disponueshme për përdorim në termocentralet e transportit dhe stacionare me një çmim prej 50-100 dollarë / kW.

Për futjen e qelizave të karburantit në jetën e përditshme, së bashku me uljen e kostos së përbërësve, duhet pritur ide dhe qasje të reja origjinale. Në veçanti, shpresa të mëdha lidhen me përdorimin e nanomaterialeve dhe nanoteknologjisë. Për shembull, disa kompani kohët e fundit njoftuan krijimin e katalizatorëve ultra-efikasë, në veçanti, për një elektrodë oksigjeni të bazuar në grupimet e nanoprimcave të metaleve të ndryshme. Përveç kësaj, ka pasur raporte për modele të qelizave të karburantit pa membranë në të cilat karburanti i lëngshëm (siç është metanoli) futet në qelizën e karburantit së bashku me një oksidues. Koncepti i zhvilluar i qelizave të biokarburanteve që veprojnë në ujërat e ndotura dhe që konsumojnë oksigjenin e tretur atmosferik si oksidues dhe papastërtitë organike si lëndë djegëse është gjithashtu interesant.

Sipas ekspertëve, qelizat e karburantit do të hyjnë në tregun masiv në vitet e ardhshme. Në të vërtetë, zhvilluesit njëri pas tjetrit pushtojnë problemet teknike, raportojnë sukseset dhe paraqesin prototipe të qelizave të karburantit. Për shembull, Toshiba ka demonstruar një prototip të përfunduar të një qelize karburanti metanol. Ka një madhësi prej 22x56x4.5mm dhe jep një fuqi prej rreth 100mW. Një mbushje në 2 kube metanol të koncentruar (99.5%) është e mjaftueshme për 20 orë funksionim të MP3 player. Toshiba ka lansuar një qelizë komerciale të karburantit për furnizimin me energji të celularëve. Përsëri, e njëjta Toshiba demonstroi një bateri për fletoret me përmasa 275x75x40mm, e cila lejon kompjuterin të punojë për 5 orë nga një karburant.

Një kompani tjetër japoneze, Fujitsu, nuk mbetet prapa Toshiba. Në 2004, ajo gjithashtu prezantoi një element që vepron në një zgjidhje ujore 30% të metanolit. Kjo qelizë karburanti funksiononte me një mbushje 300ml për 10 orë dhe në të njëjtën kohë jepte fuqi 15 vat.

Casio po zhvillon një qelizë karburanti në të cilën metanoli së pari shndërrohet në një përzierje të gazrave H2 dhe CO2 në një konvertues të karburantit në miniaturë dhe më pas futet në qelizën e karburantit. Gjatë demonstratës, prototipi Casio mundësoi laptopin për 20 orë.

Samsung gjithashtu bëri emër në fushën e qelizave të karburantit - në 2004, ai demonstroi prototipin e tij 12W të krijuar për të fuqizuar një laptop. Në përgjithësi, Samsung synon të përdorë qelizat e karburantit, para së gjithash, në telefonat inteligjentë të gjeneratës së katërt.

Duhet të them që kompanitë japoneze në përgjithësi i janë qasur shumë tërësisht zhvillimit të qelizave të karburantit. Në vitin 2003, kompani të tilla si Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony dhe Toshiba bashkuan forcat për të zhvilluar një standard të vetëm të qelizave të karburantit për laptopë, celularë, PDA dhe pajisje të tjera elektronike. Kompanitë amerikane, të cilat janë gjithashtu të shumta në këtë treg, kryesisht punojnë nën kontrata me ushtrinë dhe zhvillojnë qeliza karburanti për elektrifikimin e ushtarëve amerikanë.

Gjermanët nuk janë shumë prapa - Smart Fuel Cell shet qeliza karburanti për të fuqizuar një zyrë të lëvizshme. Pajisja quhet Smart Fuel Cell C25, ka dimensione 150x112x65mm dhe mund të japë deri në 140 vat-orë me një karburant të vetëm. Kjo është e mjaftueshme për të fuqizuar laptopin për rreth 7 orë. Pastaj fishek mund të zëvendësohet dhe ju mund të vazhdoni të punoni. Madhësia e fishekut metanol është 99x63x27 mm, dhe peshon 150g. Vetë sistemi peshon 1.1 kg, kështu që nuk mund ta quani plotësisht të lëvizshëm, por prapëseprapë është një pajisje plotësisht e përfunduar dhe e përshtatshme. Kompania po zhvillon gjithashtu një modul karburanti për fuqizimin e videokamerave profesionale.

Në përgjithësi, qelizat e karburantit tashmë kanë hyrë në tregun e elektronikës mobile. Mbetet që prodhuesit të zgjidhin problemet e fundit teknike para fillimit të prodhimit në masë.

Së pari, është e nevojshme të zgjidhet çështja e miniaturizimit të qelizave të karburantit. Në fund të fundit, sa më e vogël qeliza e karburantit, aq më pak energji do të jetë në gjendje të japë - kështu që katalizatorë dhe elektroda të reja po zhvillohen vazhdimisht për të maksimizuar sipërfaqen e punës me dimensione të vogla. Këtu, zhvillimet më të fundit në fushën e nanoteknologjisë dhe nanomaterialeve (për shembull, nanotubat) vijnë shumë në ndihmë. Përsëri, arritjet e mikroelektromekanikës po përdoren gjithnjë e më shumë për të miniaturizuar tubacionet e elementeve (pompat e karburantit dhe ujit, sistemet e ftohjes dhe shndërrimi i karburantit).

Çështja e dytë kryesore që duhet trajtuar është kostoja. Në të vërtetë, platini shumë i shtrenjtë përdoret si katalizator në shumicën e qelizave të karburantit. Përsëri, disa nga prodhuesit po përpiqen të shfrytëzojnë sa më shumë teknologjitë tashmë të vendosura mirë të silikonit.

Sa i përket fushave të tjera të përdorimit të qelizave të karburantit, qelizat e karburantit tashmë janë vendosur fort atje, megjithëse nuk janë bërë ende të zakonshme as në sektorin e energjisë, as në transport. Tashmë një numër i madh i prodhuesve të makinave kanë paraqitur konceptin e tyre të makinave të mundësuar nga qeliza karburanti. Ka autobusë me qeliza karburanti në disa qytete të botës. Canadian Ballard Power Systems prodhon një sërë gjeneratorësh të palëvizshëm që variojnë nga 1 në 250 kW. Në të njëjtën kohë, gjeneratorët kilovat janë krijuar për të furnizuar menjëherë një apartament me energji elektrike, ngrohje dhe ujë të nxehtë.