Si funksionon qeliza e karburantit të hidrogjenit. Elementet e karburantit: Viti i shpresës

Shtetet e Bashkuara miratuan disa iniciativa që synonin zhvillimin e qelizave të karburantit të hidrogjenit, infrastrukturës dhe teknologjive për të bërë makina në qelizat e karburantit praktik dhe ekonomik deri në vitin 2020. Këto qëllime ndahen më shumë se një miliardë dollarë.

Qelizat e karburantit prodhojnë energji elektrike në heshtje dhe efikase, pa ndotje mjedisore. Ndryshe nga burimet e energjisë duke përdorur lëndë djegëse fosile, nënproduktet nga operimi i qelizave të karburantit janë ngrohje dhe ujë. Si punon?

Në këtë artikull, ne do të shqyrtojmë shkurtimisht secilën nga teknologjitë ekzistuese të karburantit sot, si dhe do të themi për pajisjen dhe funksionimin e qelizave të karburantit, krahasojmë ato me forma të tjera të energjisë. Ne gjithashtu do të diskutojmë disa nga pengesat që përballen me hulumtuesit për të bërë elemente të karburantit praktik dhe të arritshme për konsumatorët.

Qelizat e karburantit janë pajisjet e konvertimit të energjisë elektrokimike. Qeliza e karburantit transformon kimikatet, hidrogjenin dhe oksigjenin në ujë, në procesin e të cilit prodhon energji elektrike.

Një tjetër pajisje elektrokimike me të cilën ne të gjithë jemi të njohur - bateri. Bateria ka të gjitha elementet kimike të nevojshme brenda vetes dhe i kthen këto substanca në energji elektrike. Kjo do të thotë që bateria, në fund, "vdes" dhe ju ose ju largoni, ose e rikuperoni atë përsëri.

Në qelizën e karburantit, kimikatet vazhdimisht po hyjnë në mënyrë që të mos "vdiq". Energjia elektrike do të prodhohet për sa kohë që kimikatet do të ndodhin në element. Shumica e qelizave të karburantit të përdorura sot përdorin hidrogjen dhe oksigjenin.

Hidrogjeni është elementi më i zakonshëm në galaktikën tonë. Megjithatë, hidrogjeni praktikisht nuk ekziston në tokë në formën e tij elementare. Inxhinierët dhe shkencëtarët duhet të nxjerrin hidrogjen të pastër nga komponimet e hidrogjenit, duke përfshirë lëndë djegëse fosile ose ujë. Për të marrë hidrogjen nga këto komponime, ju duhet të shpenzoni energji në formën e një temperaturë të lartë ose energji elektrike.

Shpikja e qelizave të karburantit

Sir William Grove shpiku qelizën e parë të karburantit në 1839. Grove e dinte se uji mund të ndahet në hidrogjen dhe oksigjen duke kaluar një rrymë elektrike nëpërmjet saj (procesi i quajtur elektrolizë). Ai sugjeroi që në mënyrë të kundërt mund të merret energji elektrike dhe ujë. Ai krijoi një qelizë të karburantit primitiv dhe e quajti atë bateri galvanike e gazit. Duke eksperimentuar me shpikjen e tyre të re, Grove provoi hipotezën e tij. Pesëdhjetë vjet më vonë, shkencëtarët Ludwig Mond dhe Charles Langer dolën me termin elementet e karburantit Kur përpiqesh të ndërtojmë një model praktik për prodhimin e energjisë elektrike.

Qeliza e karburantit do të konkurrojë me shumë pajisje të tjera për konvertimin e energjisë, duke përfshirë turbinat me gaz në termocentralet urbane, motorët me djegie të brendshme në makina, si dhe të gjitha llojet e baterive. Motorët me djegie të brendshme, si dhe turbinat me gaz, djegin lloje të ndryshme të karburantit dhe përdorin presionin e gjeneruar nga zgjerimi i gazrave për të kryer operacionin mekanik. Bateritë konvertojnë energji kimike në energji elektrike kur është e nevojshme. Elementet e karburantit duhet të kryejnë këto detyra në mënyrë më efikase.

Qeliza e karburantit siguron një tension DC (aktuale direkte), e cila mund të përdoret për të pushtuar motorët elektrikë, ndriçimin dhe pajisjet e tjera elektrike.

Ka disa lloje të ndryshme të qelizave të karburantit, secila prej të cilave përdor procese të ndryshme kimike. Qelizat e karburantit zakonisht klasifikohen nga e tyre temperatura e punës dhe tipelectrolyte,të cilat ata përdorin. Disa lloje të qelizave të karburantit janë të përshtatshme për përdorim në termocentralet stacionare. Të tjerët mund të jenë të dobishëm për pajisje të vogla portative ose për makinat që mundësojnë. Llojet kryesore të qelizave të karburantit përfshijnë:

Elementi i karburantit me qelizën e karburantit të shkëmbimit të membranës së polimerit (PEMFC)

PEMFC konsiderohet si kandidati më i mundshëm për transport. PEMFC ka fuqi të lartë dhe temperaturë relativisht të ulët operative (duke filluar nga 60 në 80 gradë Celsius). Temperatura e ulët e operimit do të thotë qelizat e karburantit do të jenë në gjendje të ngrohin për të filluar gjenerimin e energjisë elektrike.

Elementet e karburantit të oksidit të ngurta qeliza të ngurta të oksidit (sofc)

Këto qeliza të karburantit janë më të përshtatshëm për gjeneratorë të mëdhenj të energjisë stacionare që mund të sigurojnë energji elektrike në fabrikë ose qytet. Ky lloj i qelizave të karburantit vepron në temperatura shumë të larta (nga 700 në 1000 gradë Celsius). Temperatura e lartë është problemi i besueshmërisë, sepse një pjesë e qelizave të karburantit mund të dështojë pas disa cikleve të kalimit dhe jashtë. Megjithatë, qelizat e ngurta të oksidit të oksidit janë shumë të qëndrueshme me operacion të vazhdueshëm. Në fakt, SOFC ka demonstruar jetën më të gjatë të çdo qelize të karburantit nën kushte të caktuara. Temperatura e lartë gjithashtu ka një avantazh: avulli i gjeneruar nga qelizat e karburantit mund të drejtohet në turbinë dhe të gjenerojë më shumë energji elektrike. Ky proces është quajtur cenogjenerimi i nxehtësisë dhe energjisë elektrike dhe rrit efikasitetin e përgjithshëm të sistemit.

Elementi i karburantit alkaline qeliza e karburantit alkaline (AFC)

Kjo është një nga mostrat më të vjetra për qelizat e karburantit që përdoren që nga vitet 1960. AFC janë shumë të ndjeshëm ndaj ndotjes, pasi ata kërkojnë hidrogjen dhe oksigjen të pastër. Përveç kësaj, ato janë shumë të shtrenjta, kështu që ky lloj i qelizave të karburantit nuk ka gjasa të lansohet në prodhim serial.

Celulari i karburantit me qelizë karbonale të karbonave të shkrirë (MCFC)

Si sofc, këto qeliza të karburantit janë gjithashtu të përshtatshme për termocentrale të mëdha stacionare dhe gjeneratorë. Ata punojnë në 600 gradë Celsius, kështu që mund të gjenerojë avull, e cila, nga ana tjetër, mund të përdoret për të gjeneruar edhe më shumë energji. Ata kanë një temperaturë operative më të ulët se qelizat e karburantit të oksidit të ngurta, që do të thotë se ata nuk kanë nevojë për materiale të tilla rezistente ndaj nxehtësisë. Kjo i bën ata pak më të lirë.

Qeliza e karburantit në qelizën fosforike fosforike-acid qelizë (PAFC)

Qeliza e karburantit në acid fosforikka potencial për përdorim në sistemet e vogla të energjisë inpatiente. Vepron në një temperaturë më të lartë se qeliza e karburantit me një shkëmbim të membranës polimer, kështu që ngroh më gjatë, gjë që e bën të papërshtatshme për përdorim në makina.

Elementët e karburantit të karburantit të karburantit të karburantit të karburantit të metanolit (DMFC)

Elementet e karburantit të metanolit janë të krahasueshme me PEMFC për temperaturën e punës, por jo aq efektive. Përveç kësaj, DMFC kërkon një sasi mjaft të madhe të platinumit, duke shërbyer si një katalizator që i bën këto elemente të karburantit të shtrenjta.

Elementi i karburantit me shkëmbimin e membranës së polimerit

Qeliza e karburantit me një shkëmbim të membranës polimer (PEMFC) është një nga teknologjitë më premtuese të qelizave të karburantit. Pemfc përdor një nga reagimet më të thjeshta midis çdo qelize të karburantit. Konsideroni se çfarë përbëhet.

1. Por nyjë - Terminali negativ i qelizës së karburantit. Ai kryen elektronet që lëshohen nga molekulat e hidrogjenit, pas së cilës ato mund të përdoren në zinxhirin e jashtëm. Kanalet janë të gdhendura në të, sipas të cilave hidrogjeni është shpërndarë në mënyrë të barabartë në sipërfaqen e katalizatorit.

2. Për të atodi - Një terminal pozitiv i qelizës së karburantit, gjithashtu ka kanale për shpërndarjen e oksigjenit mbi sipërfaqen e katalizatorit. Gjithashtu kryen elektronet nga zinxhiri i jashtëm i katalizatorit, ku ata mund të lidhen me hidrogjen dhe jonet e oksigjenit për të formuar ujë.

3. Membrane e shkëmbimit të protonit të elektrolit. Ky është një material i përpunuar posaçërisht që kryen vetëm jonet e ngarkuara pozitivisht dhe bllokon elektronet. PEMFC, membrana duhet të lahet të funksionojë normalisht dhe të mbetet e qëndrueshme.

4. Katalizator - Ky është një material i veçantë që kontribuon në reagimin e oksigjenit dhe hidrogjenit. Zakonisht është bërë nga nanoparticles platinum, aplikuar shumë të hollë për të kopjuar letër ose inde. Katalizatori ka një strukturë të tillë sipërfaqësore që sipërfaqja maksimale e platinës mund të ekspozohet ndaj hidrogjenit ose oksigjenit.

Shifra tregon gazin e hidrogjenit (H2), i cili është pjesë e presionit në qelinë e karburantit në anën e anodës. Kur molekula H2 vjen në kontakt me platinën në katalizator, është i ndarë në dy h + joneve dhe dy elektroneve. Elektronet kalojnë nëpër anodë, ku ato përdoren në skemën e jashtme (ekzekutimi i punës së dobishme, për shembull, rotacioni i motorit) dhe kthehen në anën e katodës së qelizës së karburantit.

Ndërkohë, në anën e katodës së qelizës së karburantit, oksigjeni (O2) nga ajri kalon përmes katalizatorit, ku dy atome të oksigjenit formojnë. Secila nga këto atome ka një pagesë të fortë negative. Ky ngarkesë negative tërheq dy jonet H + përmes membranës, ku ata janë të kombinuar me një atom oksigjeni dhe dy elektronet që erdhën nga qarku i jashtëm për të formuar një molekulë të ujit (H2O).

Ky reagim në një qelizë të vetme të karburantit prodhon vetëm rreth 0.7 volt. Për të rritur tensionin në një nivel të arsyeshëm, shumë elementë të veçantë të karburantit duhet të kombinohen për të formuar një pirg qelizash të karburantit. Pllakat bipolare përdoren për të lidhur një element të karburantit me një tjetër dhe i nënshtrohen oksidimit me një rënie të potencialit. Problemi i madh i pllakave bipolare është stabiliteti i tyre. Pllakat bipolare metalike mund të jenë gërryes, dhe nënproduktet (hekuri dhe jonet e kromit) të zvogëlojnë efektivitetin e membranës së membranës së karburantit dhe elektrodave. Prandaj, qelizat e karburantit të temperaturës së ulët përdorin metale të lehta, komponimet e karbonit dhe përbërjen e karbonit dhe materiale termoike (materiale termoikoze - një lloj plastike, e cila mbetet e fortë, edhe kur ajo është e ekspozuar ndaj temperaturave të larta) si një material fletë bipolar.

Efikasitetin e qelizës së karburantit

Reduktimi i kontaminimit është një nga objektivat kryesore të qelizës së karburantit. Duke e krahasuar makinën që operohet nga qeliza e karburantit me një motor benzine dhe një makinë bateri, do të shihni se si qelizat e karburantit mund të rrisin efikasitetin e makinave.

Meqenëse të tre llojet e makinave kanë shumë përbërës të njëjtë, ne e injorojmë këtë pjesë të makinës dhe krahasojmë veprimet e dobishme për artikullin ku prodhohet energjia mekanike. Le të fillojmë me një makinë në qelizat e karburantit.

Nëse qeliza e karburantit mundësohet me hidrogjen të pastër, efikasiteti i tij mund të jetë deri në 80 për qind. Kështu, ai konverton 80 për qind të përmbajtjes së energjisë të hidrogjenit në energji elektrike. Megjithatë, ne ende duhet të transformojmë energji elektrike në punën mekanike. Kjo arrihet nga motor elektrik dhe inverter. Efikasiteti i motorit + inverter gjithashtu përbën rreth 80 për qind. Kjo jep efikasitet të plotë prej përafërsisht 80 * 80/100 \u003d 64 për qind. Automjeti konceptual i raporteve Honda FCX ka 60 për qind efikasitet të energjisë.

Nëse burimi i karburantit nuk është në formën e hidrogjenit të pastër, automjeti gjithashtu do të ketë nevojë për një ribotësi. Riforizuesit konvertojnë karburantet e hidrokarbureve ose alkoolit në hidrogjen. Ata prodhojnë ngrohje dhe prodhojnë bashkë dhe CO2 përveç hidrogjenit. Për të pastruar hidrogjenin që rezulton, përdoren pajisje të ndryshme në to, por kjo pastrim është e pamjaftueshme dhe ul efikasitetin e qelizës së karburantit. Prandaj, studiuesit vendosën të përqëndroheshin në qelizat e karburantit për automjetet që veprojnë në hidrogjen të pastër, pavarësisht nga problemet që lidhen me prodhimin dhe ruajtjen e hidrogjenit.

Efektiviteti i motorit të benzinës dhe makinës në bateritë elektrike

Efektiviteti i makinës mundësuar nga benzina është çuditërisht e ulët. E gjithë temperatura e lartë që shtrihet në formën e një shkarkimi ose absorbohet nga radiatori është energjia befasuese. Motori gjithashtu përdor shumë energji të rradhës pompave të ndryshme, tifozëve dhe gjeneratorëve që mbështesin operacionin e saj. Kështu, efikasiteti i plotë i motorit të benzinës së automobilave është rreth 20 për qind. Kështu, vetëm rreth 20 për qind e nxehtësisë së energjisë termike të benzinës konvertohen në punë mekanike.

Automjeti elektrik që vepron nga bateria ka efikasitet mjaft të lartë. Bateria ka një efikasitet, rreth 90 për qind (shumica e baterive prodhojnë disa nxehtësi ose kërkojnë ngrohje), dhe motor elektrik + inverter me efikasitet, rreth 80 për qind. Kjo jep efikasitet të plotë, rreth 72 për qind.

Por kjo nuk është e gjitha. Në mënyrë që automjeti elektrik të lëvizë, energjia elektrike duhet të kryhet në fillim diku. Nëse ishte një stacion elektrik që përdorte procesin e djegies së lëndëve djegëse fosile (jo energji bërthamore, hidroelektrike, diellore ose të erës), atëherë vetëm rreth 40 përqind e karburantit të konsumuar nga termocentrali u transformuan në energji elektrike. Plus, procesi i ngarkimit të makinave kërkon transformimin e fuqisë AC (AC) në Fuqinë DC (DC). Ky proces efikasiteti ka rreth 90 për qind.

Tani, nëse shohim një cikël të tërë, efikasiteti i automjetit elektrik është 72 për qind për vetë makinën, 40 për qind për termocentralin dhe 90 për qind për të akuzuar makinën. Kjo jep efikasitet të plotë prej 26 për qind. Efikasiteti i plotë ndryshon ndjeshëm në varësi të të cilit stacioni i energjisë është përdorur për të ngarkuar baterinë. Nëse energjia elektrike për makinën prodhohet, për shembull, nga një stacion elektrik hidroelektrik, atëherë efikasiteti i automjetit elektrik do të jetë rreth 65 për qind.

Shkencëtarët eksplorojnë dhe përmirësojnë projektet për të vazhduar të rrisin efikasitetin e qelizës së karburantit. Një nga qasjet e reja duhet të kombinojë qelizën e karburantit dhe automjetet që rrjedhin nga bateria. Një automjet koncept po zhvillohet, aktivizohet nga një transmetim hibrid me një qelizë të karburantit të qelizave të karburantit. Ai përdor një bateri litium të shtyrë nga një makinë në veprim, ndërsa qeliza e karburantit rimbush baterinë.

Automjetet në qelizat e karburantit janë potencialisht aq efektive sa një makinë që po funksionon nga bateria, e cila është e ngarkuar nga një termocentral që nuk përdor lëndë djegëse fosile. Por arritja e një mënyre të tillë potenciale praktike dhe të përballueshme mund të jetë e vështirë.

Pse duhet të përdorni qelizat e karburantit?

Arsyeja kryesore është e gjitha që është e lidhur me vaj. Amerika duhet të importojë pothuajse 60 për qind të vajit të saj. Deri në vitin 2025, importet pritet të rriten në 68%. Dy të tretat e naftës amerikanë përdoren çdo ditë për transport. Edhe nëse çdo makinë në rrugë do të ishte një makinë hibride, deri në vitin 2025 në Shtetet e Bashkuara do të duhet të përdorë të njëjtën sasi të naftës që u konsumua nga amerikanët në vitin 2000. Në fakt, Amerika konsumon një të katërtën e të gjithë naftës së prodhuar në botë, edhe pse vetëm 4.6% e popullsisë së botës jeton këtu.

Ekspertët presin që çmimet e naftës të vazhdojnë të rriten gjatë dekadave të ardhshme, pasi burimet më të lira janë të varfëruara. Kompanitë e naftës duhet të zhvillojnë fusha të naftës në kushte gjithnjë e më të vështira, të cilat do të bëjnë të mundur rritjen e çmimeve të naftës.

Shqetësimet shtrihen përtej sigurisë ekonomike. Shumë fonde që vijnë nga shitja e naftës shpenzohen për mbajtjen e terrorizmit ndërkombëtar, partitë radikale politike, një situatë të paqëndrueshme në rajonet prodhuese të naftës.

Përdorimi i naftës dhe llojeve të tjera të lëndëve djegëse fosile për energji është i ndotur. Është më e përshtatshme për të gjithë për të gjetur alternativën për djegien e lëndëve djegëse fosile për energji.

Qelizat e karburantit janë një alternativë tërheqëse për varësinë e naftës. Elementet e karburantit në vend të kontaminimit prodhojnë ujë të pastër si një nënprodukt. Megjithëse inxhinierët u përqëndruan përkohësisht në prodhimin e hidrogjenit nga burime të ndryshme fosile, të tilla si benzina ose gazi natyror, studiohen metoda të rinovueshme dhe miqësore me mjedisin për prodhimin e hidrogjenit në të ardhmen. Më premtuese, natyrisht, do të jetë procesi i prodhimit të hidrogjenit nga uji

Varësia nga nafta dhe ngrohja globale është një problem ndërkombëtar. Disa vende janë të përfshira së bashku në zhvillimin e kërkimit dhe zhvillimit për teknologjinë e qelizave të karburantit.

Natyrisht, shkencëtarët dhe prodhuesit duhet të punojnë shumë mirë para se qelizat e karburantit të bëhen një alternativë ndaj metodave moderne të prodhimit të energjisë. E megjithatë, me mbështetjen e të gjithë botës dhe bashkëpunimit global, sistemi i qëndrueshëm energjetik në bazë të qelizave të karburantit mund të bëhet realitet pas disa dekadave.

Element i karburantit
Gjenerator elektrokimik, pajisje që siguron transformimin e drejtpërdrejtë të energjisë kimike në elektrike. Megjithëse e njëjta gjë ndodh në bateritë elektrike, qelizat e karburantit kanë dy dallime të rëndësishme: 1) ata funksionojnë derisa karburanti dhe oksiduesi të vijnë nga një burim i jashtëm; 2) Përbërja kimike e elektrolitit në proces nuk ndryshon, dmth. Qeliza e karburantit nuk ka nevojë për rimbushje.
Shiko gjithashtu Bateria e energjisë.
Parimi i veprimit. Qeliza e karburantit (Fig. 1) përbëhet nga dy elektroda të ndara nga elektrolit, dhe sistemet e furnizimit me karburant për një elektrodë dhe oksidues në një tjetër, si dhe sistemet për të hequr produktet e reagimit. Në shumicën e rasteve, katalizatorët përdoren për të përshpejtuar reagimin kimik. Qeliza e jashtme e jashtme e zinxhirit elektrik është e lidhur me ngarkesën që konsumon energji elektrike.

Në figurën e treguar në Fig. 1 qelizë e karburantit me një hidrogjen elektrolit acid është ushqyer përmes anodës së uritur dhe hyn në elektrolit përmes poret shumë të vogla në materialin e elektrodës. Në të njëjtën kohë, dekompozimi i molekulave të hidrogjenit në atomet, të cilat, si rezultat i chemisorption, duke i dhënë secilit nga një elektron, transformohen në jonet e ngarkuara pozitivisht. Ky proces mund të përshkruhet nga ekuacionet e mëposhtme:

Jonet e hidrogjenit shpërndahen përmes elektrolitit në anën pozitive të elementit. Oksigjeni i furnizuar në katodë kalon në elektrolit dhe reagon gjithashtu në sipërfaqen e elektrodës me pjesëmarrjen e katalizatorit. Kur lidhni atë me jonet e hidrogjenit dhe elektronet, të cilat vijnë nga një zinxhir i jashtëm, uji është formuar:

Në qelizat e karburantit me një elektrolit alkaline (zakonisht të koncentruar të natriumit ose hidroksidit të kaliumit) rrjedhin reaksione kimike. Hidrogjeni kalon nëpër anodë dhe reagon në praninë e një katalizatori me jonet hidroksil (oh-) në dispozicion në elektrolit me formimin e ujit dhe elektroneve:

Në katodë, oksigjeni arrin në ujë të përmbajtur në elektrolit, dhe elektronet nga zinxhiri i jashtëm. Në fazat e njëpasnjëshme të reagimeve, janë formuar hydroxyl jonet (si dhe perhydroxyl o2H-). Reagimi që rezulton në katodë mund të shkruhet si:

Rrjedha e elektroneve dhe e joneve mbështet bilancin e ngarkesës dhe substancat në elektrolit. Uji i formuar nga reagimi pjesërisht hollon elektrolitin. Në çdo qelizë të karburantit, një pjesë e energjisë së reagimit kimik kthehet në nxehtësi. Rrjedha e elektroneve në qarkun e jashtëm është një rrymë konstante, e cila përdoret për të kryer punë. Shumica e reagimeve në qelizat e karburantit ofrojnë EMF rreth 1 V. me pamje nga zinxhiri ose ndalimi i lëvizjes së joneve ndalon funksionimin e qelizës së karburantit. Procesi që ndodh në një qelizë të karburantit me oksigjen të hidrogjen-oksigjen është nga natyra e saj një proces i ndryshueshëm i electrolysis, në të cilin shkëputjet e ujit ndodh kur kalon rryma elektrike. Në të vërtetë, në disa lloje të elementeve të karburantit, procesi mund të adresohet - duke aplikuar tensionin në elektroda, ju mund të dekompozoni ujin në hidrogjen dhe oksigjenin që mund të mblidhen në elektroda. Nëse ndaloni të ngarkoni elementin dhe lidhni ngarkesën me të, ky qelizë e karburantit rigjenerues do të fillojë menjëherë të punojë në mënyrën normale. Teorikisht, madhësia e qelizës së karburantit mund të jetë e madhe. Megjithatë, në praktikë, disa elemente janë të kombinuara në module të vogla ose bateri që janë të lidhura ose në mënyrë të vazhdueshme ose paralelisht.
Llojet e qelizave të karburantit. Ka lloje të ndryshme të qelizave të karburantit. Ato mund të klasifikohen, për shembull, sipas karburantit të përdorur, presionin e punës dhe temperaturën, me natyrën e aplikimit.
Elemente në karburantin e hidrogjenit. Në këtë element tipik të përshkruar më sipër, hidrogjeni dhe oksigjen shkojnë në elektrolit përmes karbonit mikroporozë ose elektrodave metalike. Dendësia e lartë aktuale arrihet në elemente që veprojnë në temperatura të larta (rreth 250 ° C) dhe presion të lartë. Elementet që përdorin karburantin e hidrogjenit të marrë në përpunimin e karburantit të hidrokarbureve, të tilla si gazi natyror ose produktet e naftës, me sa duket do të gjejnë përdorimin më të gjerë komercial. Duke kombinuar një numër të madh të artikujve, mund të krijoni instalime të fuqishme të energjisë. Në këto instalime, një rrymë e drejtpërdrejtë e gjeneruar nga elementë konvertohet në një ndryshore me parametrat standarde. Lloji i ri i elementeve të aftë për të vepruar në hidrogjen dhe oksigjen në temperaturë dhe presion normal janë elemente me membranat e shkëmbimit të joneve (Fig. 2). Në këto elemente, në vend të një elektroliti të lëngët, një membranë polimere ndodhet në mes të elektrodave, përmes të cilave janë lirisht jonet. Në elemente të tilla, ajri mund të përdoret së bashku me oksigjenin. Uji i gjeneruar gjatë operacionit nuk shpërndaj elektrolit solid dhe mund të hiqet lehtë.

Enciklopedia e Kolley. - Shoqëria e Hapur. 2000 .

Shikoni se çfarë është "qeliza e karburantit" në fjalorët e tjerë:

Qeliza e karburantit, element elektrokimik për konvertimin e drejtpërdrejtë të energjisë së oksidimit të karburantit në energji elektrike. Prandaj, elektrodat e projektuara janë zhytur në elektrolit, dhe karburantit (për shembull, hidrogjen) është furnizuar për një ... Fjalor Enciklopedik shkencor dhe teknik

Elementi galvanik në të cilin reagimi oksidues rigjenerues mbahet nga furnizimi i vazhdueshëm i reagentëve (karburantit, për shembull hidrogjeni dhe agjent oksidues, për shembull. Oksigjen) nga tanke të veçanta. Komponenti më i rëndësishëm ... ... ... Fjalor i madh enciklopedik

element i karburantit - Elementi kryesor në të cilin prodhohet energjia elektrike për shkak të reagimeve elektrokimike midis substancave aktive që vazhdojnë vazhdimisht elektrodat nga jashtë. [GOST 15596 82] EN qelizë qelizore që Chan ndryshojnë energji kimike nga ... ... Lista teknike e përkthyesve

Element i drejtpërdrejtë i karburantit të karburantit Element Element Element elektrokimik i ngjashëm me një element galvanik, por ndryshe nga ajo ... Wikipedia

Elektronikë celularë çdo vit, nëse jo një muaj, po bëhet gjithnjë e më e arritshme dhe e përhapur. Atje ju keni laptopë, dhe PDAs, dhe kamera digjitale, dhe telefona celularë, dhe shumë pajisje të dobishme dhe jo shumë. Dhe të gjitha këto pajisje vazhdimisht gëzojnë karakteristika të reja, procesorë më të fuqishëm, ekranet me ngjyra të mëdha, komunikimet pa tel, duke ulur në të njëjtën kohë në madhësi. Por, në kontrast me teknologjitë gjysmëpërçuese, teknologjia e të ushqyerit të të gjithë kësaj kafshe të lëvizshme nuk është në të gjitha shtatë hapat.

Bateritë konvencionale dhe bateritë bëhen të mjaftueshme për të ushqyer përparimet e fundit në industrinë elektronike për çdo kohë të konsiderueshme. Dhe pa bateri të besueshme dhe të kapshme, të gjithë kuptimin e lëvizshmërisë dhe pa tel është i humbur. Pra, industria kompjuterike është gjithnjë e më aktive në problemin burime alternative të energjisë. Dhe më premtuese, sot, drejtimi këtu është elementet e karburantit.

Parimi kryesor i funksionimit të qelizave të karburantit u hap nga shkencëtari britanik Sir William në rritje në 1839. Dihet si babai i qelizës së karburantit. William Grove krijoi energji elektrike nga ndryshimi për të nxjerrë hidrogjen dhe oksigjenin. Duke e fikur baterinë nga qeliza elektrolitike, Grove ishte i befasuar për të gjetur se elektrodat filluan të thithin gazin e lëshuar dhe të prodhonin aktuale. Hapja e një procesi electrochemical "Ftohtë" Djegia e hidrogjenit Ka pasur një ngjarje të rëndësishme në sektorin e energjisë, dhe në të ardhmen, elektrokimistë të tillë të njohur, si Ostelald dhe Nernst, luajtën një rol të madh në zhvillimin e themeleve teorike dhe zbatimin praktik të qelizave të karburantit dhe parashikonin atyre një të ardhme të madhe.

Vetë termi "Element i karburantit" (qeliza e karburantit) Ajo u shfaq më vonë - ai u propozua në 1889 nga Ludwig Monda dhe Charles Langer, duke u përpjekur për të krijuar një pajisje për gjenerimin e energjisë elektrike nga ajri dhe gazi i qymyrit.

Me djegie të zakonshme në oksigjen, oksidimi i flukseve organike të karburantit, dhe energjia kimike e karburantit është joefikase transformohet në energji termike. Por doli të ishte një reagim i mundshëm i oksidimit, për shembull hidrogjeni me oksigjen, të kryer në një mjedis elektrolit dhe në prani të elektrodave për të marrë një rrymë elektrike. Për shembull, ushqimi i hidrogjenit në një elektrodë të vendosur në një mjedis alkalik, marrim elektronet:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4E-

e cila, duke kaluar përgjatë zinxhirit të jashtëm, futni elektrodën e kundërt në të cilën vjen oksigjeni dhe ku kalon reagimi: 4e- + o2 + 2h2o → 4oh-

Mund të shihet se reagimi i rezultatit 2H2 + O2 → është i njëjtë si në djegien konvencionale, por në qelizën e karburantit, ose ndryshe - në gjenerator elektrokimikRezulton një rrymë elektrike me efikasitet të madh dhe pjesërisht të nxehtit. Vini re se në qelizat e karburantit, qymyr, monoksid karboni, alkoolet, hidrazinën dhe substancat e tjera organike mund të përdoren gjithashtu si lëndë djegëse, dhe si agjentë oksidues - ajër, peroksid hidrogjeni, klor, bromin, acid nitrik etj.

Zhvillimi i qelizave të karburantit vazhdoi energjikisht jashtë vendit dhe në Rusi, dhe pastaj në BRSS. Ndër shkencëtarët që kanë dhënë një kontribut të madh për studimin e qelizave të karburantit, ne do të vini re V. Jaco, P. Kodkokova, F. Bekon, E. Bauer, E. Drejtësisë, K. Kordesh. Në mes të shekullit të kaluar, filloi një sulm i ri mbi problemet e qelizës së karburantit. Kjo është pjesërisht për shkak të shfaqjes së ideve, materialeve dhe teknologjive të reja si rezultat i studimeve të mbrojtjes.

Një nga shkencëtarët që bëri një hap të madh në zhvillimin e qelizave të karburantit ishte P. M. Spiridonov. Elemente hidrogjeni-oksigjen të Spiridonov Dendësia aktuale është 30 MA / CM2, e cila është konsideruar një arritje e madhe për atë kohë. Në të dyzetat, O. Davyan krijoi një instalim për djegien elektrokimike të gazit gjenerator të marrë nga gazifikimi i qymyrit. Nga çdo metër kub, vëllimi i elementit të shtypit mori 5 kW të pushtetit.

Kjo ishte qeliza e parë e karburantit në elektrolit të ngurta. Ai kishte një efikasitet të lartë, por me kalimin e kohës elektroliti erdhi në gjendje të keqe dhe duhej të ndryshohej. Më pas, Davyan në fund të pesëdhjetave krijoi një instalim të fuqishëm, duke çuar në lëvizjen e traktorëve. Në të njëjtat vite, inxhinieri anglez T. Bacon e ndërtuar dhe ndërtoi baterinë e qelizave të karburantit me një kapacitet total prej 6 kW dhe një efikasitet prej 80%, që vepron në hidrogjen dhe oksigjen të pastër, por raporti i energjisë në peshën e baterisë doli të jetë shumë i vogël - elemente të tilla ishin të papërshtatshme për përdorim praktik dhe shumë të dashur.

Në vitet e mëvonshme, kaloi i vetmuar. Elementet e karburantit ishin të interesuar për krijuesit e anijes. Nga mesi i viteve '60, dollarë u investuan në studimin e qelizave të karburantit. Puna e mijëra shkencëtarëve dhe inxhinierëve lejohet të arrijë një nivel të ri, dhe në vitin 1965. Qelizat e karburantit u testuan në SHBA në anije kozmike "Gemini-5", dhe më vonë në anijet "Apollo" për fluturimet në hënë dhe në programin "Shtall".

Në BRSS, qelizat e karburantit u zhvilluan në OJQ "Kvant", gjithashtu për përdorim në hapësirë. Në ato vite, materialet e reja tashmë janë shfaqur - elektrolit të ngurta polimer bazuar në membranat e shkëmbimit të joneve, lloje të reja të katalizatorëve, elektrodave. Megjithatë, densiteti i punës i rrymës ishte i vogël - në rangun e 100-200 MA / CM2, dhe përmbajtja e platinës në elektroda - disa g / cm2. Kishte shumë probleme që lidhen me qëndrueshmërinë, stabilitetin, sigurinë.

Faza tjetër e zhvillimit të shpejtë të elementeve të karburantit filloi në vitet '90. shekullin e kaluar dhe vazhdon tani. Kjo është shkaktuar nga nevoja për burime të reja efikase të energjisë për shkak të, nga njëra anë, me problemin global mjedisor të përforcimit të emetimeve të gazrave serrë gjatë djegies së karburantit organik dhe, nga ana tjetër, me shterimin e rezervave të këtyre karburantit. Që nga qeliza e karburantit, produkti përfundimtar i djegies së hidrogjenit është uji, ato konsiderohen më të pastra në aspektin e ndikimit në mjedis. Problemi kryesor është vetëm në gjetjen e një metode efektive dhe të lirë për prodhimin e hidrogjenit.

Miliardra Investimet financiare për zhvillimin e qelizave të karburantit dhe gjeneratorëve të hidrogjenit duhet të çojnë në një përparim teknologjik dhe të përdorin në jetën e përditshme: në elemente për telefonat celularë, në makina, në termocentralet. Tashmë, por gjigantët e tillë të automobilave si "Ballard", "Honda", "Daimler Chrysler", "General Motors" tregojnë makina të pasagjerëve dhe autobusë që veprojnë në qelizat e karburantit me një fuqi prej 50 kW. Kompanitë e afërta janë zhvilluar bimët e demonstrimit në qelizat e karburantit me një elektrolit të ngurtë oksid me një kapacitet deri në 500 kW. Por, pavarësisht një përparimi të konsiderueshëm në përmirësimin e karakteristikave të elementeve të karburantit, ju duhet të zgjidhni shumë probleme të lidhura me koston, besueshmërinë, sigurinë e tyre.

Në qelizën e karburantit, në kontrast me bateritë dhe bateritë - dhe karburant, dhe oksiduesi është shërbyer nga jashtë. Qeliza e karburantit është vetëm një ndërmjetës në reagim dhe në kushte ideale mund të punojnë pothuajse përgjithmonë. Bukuria e kësaj teknologjie është se në fakt në elementin ka djegie të karburantit dhe konvertimin e menjëhershëm të energjisë së lëshuar në energji elektrike. Me djegie të drejtpërdrejtë të karburantit, ajo oksidohet nga oksigjeni, dhe nxehtësia e lëshuar në kohën e punës së dobishme.

Në qelizën e karburantit, si në bateri, reagimi i oksidimit të karburantit dhe reduktimi i oksigjenit është i ndarë në mënyrë hapësinore dhe procesi "djegie" vazhdon vetëm nëse elementi i jep ngarkesës aktuale. Është kështu diesel gjenerator elektrik, vetëm pa një motor diesel dhe gjenerator. Dhe gjithashtu pa tym, zhurmë, mbinxehje dhe efikasitet shumë më të lartë. Ky i fundit shpjegohet me faktin se, së pari, nuk ka pajisje të ndërmjetme mekanike dhe, së dyti, qeliza e karburantit nuk është një makinë ngrohëse dhe si rezultat, nuk i bindet ligjit të Carno (dmth. Efektiviteti i tij nuk është të përcaktuara nga diferenca midis temperaturave).

Oksigjeni përdoret si një agjent oksidues në qelizat e karburantit. Për më tepër, meqenëse oksigjeni është e mjaftueshme në ajër, nuk është e nevojshme të shqetësohen për furnizimin e oksiduesit. Sa për karburant, është hidrogjen. Pra, qeliza e karburantit vazhdon:

2h2 + o2 → 2h2o + energji elektrike + ngrohje.

Si rezultat, rezulton energjia e dobishme dhe avujt e ujit. Më e lehtë në pajisjen e saj është qeliza e karburantit me membranën e shkëmbimit të protonit (Shih figurën 1). Punon si më poshtë: hidrogjeni që bie në elementin decomposes nën veprimin e katalizatorit në elektronet e elektroneve dhe të akuzuar pozitivisht jonet hidrogjen H +. Pastaj membrana speciale vjen në veprim, duke kryer rolin e elektrolit në baterinë e zakonshme. Në sajë të përbërjes kimike të saj, ajo kalon nëpër vetë protonet, por vonon elektronet. Kështu, elektronet e akumuluara në anodë krijojnë një pagesë të tepërt negative, dhe jonet e hidrogjenit krijojnë një pagesë pozitive në katodë (tensioni në element është rreth 1b).

Për të krijuar fuqi të lartë, qeliza e karburantit mblidhet nga një sërë qelizash. Nëse e aktivizoni elementin në ngarkesë, elektronet do të rrjedhin nëpër atë në katodë, duke krijuar një rrymë dhe duke plotësuar procesin e oksidimit të hidrogjenit me oksigjen. Si një katalizator në qeliza të tilla të karburantit, si rregull, përdoren mikropartikulat e platinumit të aplikuara për fibra të karbonit. Për shkak të strukturës së saj, një katalizator i tillë është gaz dhe energji elektrike e transmetuar mirë. Membrana zakonisht bëhet nga polimeri që përmbajnë squfur të nafionit. Trashësia e membranës është e barabartë me milimetër të dhjetë. Me reagimin, natyrisht, është theksuar gjithashtu, por nuk është aq shumë, kështu që temperatura e operimit mbahet në rajonin e 40-80 ° C.

Fig.1. Parimi i elementit të karburantit

Ka lloje të tjera të qelizave të karburantit, të cilat kryesisht karakterizohen nga lloji i elektrolitit të përdorur. Pothuajse të gjithë kërkojnë hidrogjen si karburant, kështu që lind pyetja logjike: ku ta marrë atë. Natyrisht, do të ishte e mundur të përdoret hidrogjeni i ngjeshur nga cilindra, por ka menjëherë problemet që lidhen me transportin dhe ruajtjen e këtij gazi shumë të ndezshëm nën presion të madh. Natyrisht, ju mund të përdorni hidrogjen në formën e lidhur si në bateritë metalike hidride. Por ende detyra e pre e saj dhe e transportit mbetet, sepse infrastruktura e stacioneve të gazit të hidrogjenit nuk ekziston.

Megjithatë, këtu ekziston edhe një zgjidhje - lëndë djegëse e lëngshme e hidrokarbureve mund të përdoret si një burim hidrogjeni. Për shembull, alkooli etilik ose metil. Vërtetë, një pajisje e veçantë shtesë është e nevojshme - një konvertues i karburantit, në një temperaturë të lartë (për metanol do të jetë diku 240 ° C) konvertimin e alkooleve në një përzierje të H2 dhe CO2 të gaztë. Por në këtë rast tashmë është më e vështirë të mendoni për transportueshmërinë - pajisjet e tilla janë përdorur mirë si të palëvizshme ose, por për teknikat celulare kompakt keni nevojë për diçka më pak të rëndë.

Dhe këtu kemi ardhur pikërisht në atë pajisje, zhvillimi i të cilit me forcë të tmerrshme është e angazhuar në pothuajse të gjithë prodhuesit më të mëdhenj elektronikë - elementi i karburantit metanol (Figura 2).

Fig.2. Parimi i elementit të karburantit në metanol

Dallimi themelor midis hidrogjenit dhe elementeve të strehimit të metanolit është katalizatori i përdorur. Katalizatori në qelizën e karburantit të metanolit lejon protonët direkt nga molekula e alkoolit. Kështu, çështja e karburantit është zgjidhur - Alkooli metil është prodhuar masivisht për industrinë kimike, është e lehtë për të ruajtur dhe transportuar, dhe për të ngarkuar elementin e karburantit metanol vetëm për të zëvendësuar fishekun me karburant. Vërtetë, ka një minus të rëndësishëm - metanol toksike. Përveç kësaj, efikasiteti i qelizës së karburantit të metanolit është dukshëm më i ulët se sa në hidrogjen.

Fik. 3. Metanol qeliza e karburantit

Opsioni më joshës është përdorimi i alkoolit etilik si lëndë djegëse, përfitimi i prodhimit dhe shpërndarjes së pijeve alkoolike të çdo përbërjeje dhe kala është e vendosur mirë në të gjithë globin. Megjithatë, efektiviteti i qelizave të karburantit etanol, për fat të keq, është edhe më i ulët se ai i metanolit.

Siç është përmendur për shumë vite zhvillimesh në fushën e qelizave të karburantit, janë ndërtuar lloje të ndryshme të qelizave të karburantit. Qelizat e karburantit klasifikohen nga elektrolit dhe lloji i karburantit.

1. Elektrolitik hidrogjen-hydsogjeni-oksigjen.

2. Qelizat e karburantit me metanol të ngurta.

3. Elemente në elektrolit alkaline.

4. Qelizat fosforike dhe të karburantit acid.

5. Elementet e karburantit në karbonatet e shkrirë.

6. Qelizat e karburantit të tolloksidit.

Në mënyrë ideale, efikasiteti i qelizave të karburantit është shumë i lartë, por në kushte reale ka humbje të lidhura me proceset jo të ekuilibrit, si: Humbjet Ohmike për shkak të përçueshmërisë specifike të elektrolit dhe elektrodave, aktivizimit dhe polarizimit të përqendrimit, humbjeve të difuzionit. Si rezultat, një pjesë e energjisë së gjeneruar në qelizat e karburantit kthehet në termike. Përpjekjet e specialistëve kanë për qëllim reduktimin e këtyre humbjeve.

Burimi kryesor i humbjeve Ohmike, si dhe shkaku i çmimit të lartë të qelizave të karburantit është perfluorinated ion sulfocathionation ion Membranes. Tani kërkimet për polimere alternative, më të lira proton-përçuese po kontrollohen. Që nga përçueshmëria e këtyre membranave (elektroliteve të ngurta) arrin një vlerë të pranueshme (10 ohm / cm) vetëm në praninë e ujit, gazrat e furnizuara në qelinë e karburantit duhet të lahen në një pajisje të veçantë, e cila gjithashtu shkakton koston e sistem. Në elektrodat katalitike të difuzionit të gazit, ka kryesisht platin dhe disa metale të tjera fisnike, dhe deri më tani, ata nuk janë zëvendësuar. Megjithëse përmbajtja e platinës në qelizat e karburantit është disa mg / cm2, për bateritë e mëdha, numri i saj arrin dhjetëra gram.

Gjatë ndërtimit të qelizave të karburantit, shumë vëmendje i kushtohet sistemit të lavamanit të nxehtësisë, pasi në dendësi të lartë aktuale (deri në 1a / cm2), ndodh vetë-deseproofing sistemit. Për ftohje, përdoret uji që qarkullon në qelizën e karburantit në të gjithë kanalet e veçanta të ujit, dhe me kapacitete të vogla - ajër që fryn.

Pra, sistemi modern i një gjeneratori elektrokimik përveç vetë baterisë, elementët e karburantit "infekton" nga një shumëllojshmëri e pajisjeve ndihmëse, të tilla si: pompat, kompresor i furnizimit me ajër, marrja e hidrogjenit, humidifieri i gazrave, njësia e ftohjes, kontrolli i rrjedhjes së gazeve Sistemi, Converter DC në variabël, procesori i kontrollit et al. E gjithë kjo çon në faktin se kostoja e sistemit të qelizave të karburantit në 2004-2005 ishte $ 2-3000 / kW. Sipas ekspertëve, qelizat e karburantit do të jenë në dispozicion për përdorim në transport dhe në termocentralet stacionare në $ 50-100 / kW.

Për futjen e qelizave të karburantit në jetën e përditshme, së bashku me zvogëlimin e komponentëve, duhet të prisni idetë dhe qasjet e reja origjinale. Në veçanti, shpresat e larta lidhen me përdorimin e nanomaterialeve dhe nanoteknologjisë. Për shembull, kohët e fundit disa kompani deklaruan krijimin e katalizatorëve mbi-efikas, në veçanti, për një elektrodë oksigjeni bazuar në grupe të nanopartikaleve nga metale të ndryshme. Përveç kësaj, ka pasur raporte për hartimin e qelizave të karburantit pa membranat, në të cilat lëndë djegëse të lëngshme (për shembull, metanol) është furnizuar me qelizën e karburantit së bashku me agjentin oksidues. Interesante është gjithashtu koncepti i zhvilluar i elementëve të biokarburanteve që veprojnë në ujërat e ndotura dhe konsumojnë oksigjenin e ajrit të tretur si një agjent oksidues dhe papastërti organik si lëndë djegëse.

Sipas ekspertëve, qelizat e karburantit do të hyjnë në tregun masiv në vitet e ardhshme. Dhe në të vërtetë, zhvilluesit fitojnë njëri-tjetrin për të fituar probleme teknike, raportojnë për sukseset dhe për të përfaqësuar prototipat e qelizave të karburantit. Për shembull, Toshiba ka demonstruar prototipin e përfunduar të qelizës së karburantit metanol. Ajo ka një madhësi 22x56x4.5mm dhe jep fuqinë e rreth 100 MW. Një karburant në 2 kube të koncentruar (99.5%) metanol është e mjaftueshme për 20 orë lojtar MPZ. Toshiba ka lëshuar një qelizë të karburantit komercial për të ushqyer telefonat celularë. Përsëri, i njëjti Toshiba demonstroi një element për të ushqyerit e laptopëve me një madhësi prej 275x75x40mm, e cila mundëson që kompjuteri të punojë për 5 orë nga një karburant.

Nuk mbetet prapa Toshiba dhe një kompani tjetër japoneze - Fujitsu. Në vitin 2004, ajo gjithashtu paraqiti një element që vepronte në një zgjidhje ujore prej 30% të metanolit. Kjo qelizë e karburantit ka punuar në një karburant në 300ml për 10 orë dhe në të njëjtën kohë lëshoi \u200b\u200bnjë fuqi prej 15 W.

Casio po zhvillon një qelizë të karburantit në të cilin metanoli është përpunuar së pari në një përzierje të H2 dhe CO2 të gaztë në një konvertues të karburantit miniaturë dhe pastaj ushqehet në qelizën e karburantit. Gjatë demonstratës, Casio Prototype siguroi energjinë e laptopit për 20 orë.

Samsung gjithashtu vuri në dukje në fushën e qelizave të karburantit - në vitin 2004, ajo tregoi prototipin e saj me një kapacitet prej 12 W, për qëllim të pushtimit të laptopit. Në përgjithësi, Samsung sugjeron përdorimin e qelizave të karburantit, para së gjithash, në smartfonët e gjeneratës së katërt.

Duhet të thuhet se kompanitë japoneze në përgjithësi iu afruan zhvillimit të qelizave të karburantit. Kthehu në 2003, kompani të tilla si Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony dhe Toshiba kombinuan përpjekjet për të zhvilluar një standard të vetëm të qelizave të karburantit për laptopë, telefona celularë, PDA dhe pajisje të tjera elektronike. Kompanitë amerikane që janë gjithashtu shumë në këtë treg, për pjesën më të madhe të punës sipas kontratave me ushtrinë dhe të zhvillojnë elementë të karburantit për ushtarë elektrizues amerikanë.

Gjermanët nuk mbesin prapa - qeliza e karburantit të zgjuar shet qelizat e karburantit për të fuqizuar një zyrë të lëvizshme. Pajisja quhet qeliza e karburantit të zgjuar C25, ka dimensione të 150x112x65mm dhe mund të prodhojë deri në 140 orë në një karburant. Kjo është e mjaftueshme për të pushtuar laptop për rreth 7 orë. Pastaj fishek mund të zëvendësohet dhe ju mund të punoni më tej. Madhësia e fishekut me metanol 99x63x27 mm, dhe peshon 150g. Sistemi vetë peshon 1.1 kg, kështu që ju nuk do ta quani në të gjitha portative, por ende kjo është një pajisje plotësisht e plotë dhe e përshtatshme. Gjithashtu, kompania po zhvillon një modul të karburantit për të ushqyerit e kamerave video profesionale.

Në përgjithësi, qelizat e karburantit tashmë kanë hyrë praktikisht në tregun e elektronikës celulare. Prodhuesit mbetën për të zgjidhur detyrat më të fundit teknike para se të fillonin një lëshim masiv.

Së pari, është e nevojshme për të zgjidhur çështjen me miniaturizimin e qelizave të karburantit. Në fund të fundit, aq më e vogël është qeliza e karburantit, fuqia më e vogël që mund të prodhojë - kështu që katalizatorët dhe elektrodat e reja vazhdimisht po zhvillohen, duke lejuar sipërfaqen e punës në madhësi të ulët sa më shumë që të jetë e mundur. Këtu, vetëm nga rruga, zhvillimet më të fundit në fushën e nanoteknologjisë dhe nanomaterials po vijnë (për shembull, nanotubes). Përsëri, për miniaturizimin e rripit të elementeve (pompat e karburantit dhe të ujit, sistemet e konvertimit të ftohjes dhe karburantit), mikroelektromekanikët po bëhen gjithnjë e më të filluar.

Problemi i dytë i rëndësishëm që kërkon zgjidhjen është çmimi. Në të vërtetë, platini shumë i shtrenjtë përdoret si një katalizator në shumicën e qelizave të karburantit. Përsëri, disa nga prodhuesit po përpiqen të maksimizojnë përdorimin e teknologjisë silic të punuar tashmë të mirë.

Sa për fushat e tjera të përdorimit të qelizave të karburantit, elementët e karburantit tashmë janë vendosur mjaftueshëm, megjithëse ende nuk janë bërë rrjedhë në energji ose në transport. Tashmë shumë prodhues të makinave paraqitën konceptet e tyre me ushqim nga qelizat e karburantit. Në disa qytete të botës, autobusët në qelizat e karburantit. Sistemet e energjisë Baldrart kanadeze lëshojnë një sërë gjeneratorësh të palëvizshëm me kapacitet prej 1 deri në 250 kW. Në të njëjtën kohë, gjeneratorët kilowatt janë të dizajnuara për të ofruar menjëherë një apartament me energji elektrike, ujë të ngrohtë dhe të nxehtë.

Kohët e fundit, tema e qelizave të karburantit në të gjitha në buzët. Dhe nuk është për t'u habitur, me ardhjen e kësaj teknologjie në botën e elektronikës, ajo fitoi një lindje të re. Udhëheqësit botërorë në fushën e mikroelektronikës janë simpatik përfaqësojnë prototipet e produkteve të tyre të ardhshme në të cilat do të integrohen termocentralet e tyre mini. Kjo duhet në njërën anë të dobësojë lidhjen e pajisjeve të lëvizshme në "fole", dhe nga ana tjetër, zgjat jetën e punës së tyre autonome.

Përveç kësaj, një pjesë e tyre është e bazuar në etanol, kështu që zhvillimi i këtyre teknologjive është përdorimi i drejtpërdrejtë i pijeve alkoolike - përmes së cilës një duzinë vite, rradhët nga "iytiishnikov" në këmbë në "dozën" e ardhshme për laptopin e tyre do të ndërtohen.

Ne nuk mund të qëndrojmë larg nga "ethet" e qelizave të karburantit që mbulonin industrinë hi-tech, dhe le të përpiqemi të kuptojmë atë që bisha është kjo teknologji, me të cilën është për të ngrënë kur ia vlen të presësh të mbërrin në "urchopits ". Në këtë material, ne do të shikojmë në rrugën e kaluar nga qelizat e karburantit që nga hapja e kësaj teknologjie deri më sot. Si dhe të përpiqet të vlerësojë perspektivat për zbatimin dhe zhvillimin e tyre në të ardhmen.

Si ishte

Për herë të parë, parimi i pajisjes qelizore të karburantit i përshkruar në 1838, Christian Schonbein (Christian Friedrich Schonbein), dhe tashmë një vit më vonë, "Ditari Filozofik" publikoi artikullin e tij mbi këtë temë. Megjithatë, këto ishin vetëm sondazhet teorike. Qeliza e parë e karburantit e parë e pa dritën në 1843 në laboratorin e shkencëtarit të origjinës Vali të Sir William Grove (William Robert Grove). Kur është krijuar, shpikësi ka përdorur materiale të ngjashme me ato të përdorura në bateritë e acidit fosforik modern. Më pas, elementi i karburantit i Sir Grov u përmirësua nga Thomas Grubb (W. Thomas Grub). Në vitin 1955, ky kimist i cili ka punuar në kompaninë legjendare të përgjithshme elektrike u përdor si një elektrolit në membranën e shkëmbimit të qelizave të karburantit nga polistiren sulfektik. Vetëm tre vjet më vonë, kolegu i tij në punën e Leonard Nidrach (Leonard Niedrach) propozoi teknologjinë e vendosjes në membranën e platinës, duke folur si një katalizator në procesin e oksidimit të hidrogjenit dhe absorbimit të oksigjenit.

Elementet e karburantit "Atë" Christian Schonbayn

Këto parime formuan bazën e gjeneratës së re të qelizave të karburantit, të quajtur pas krijuesve të tyre, elemente të "nisidarëve të vrazhdë". General Electric vazhdoi të zhvillohej në këtë drejtim në të cilin, me ndihmën e NASA-s dhe Giant të Aviacionit të Aviacionit McDonnell, u krijua qeliza e parë e karburantit komercial. Teknologjia e re u tërhoq nga oqeani. Dhe tashmë në vitin 1959, Briton Francis Bacon (Francis Thomas Bacon) paraqiti një element të stacionare 5 kW karburantit. Zhvillimet e saj të pronësisë u licencuan më pas nga amerikanët dhe u përdorën në anijen e NASA-s në sistemet e të ushqyerit dhe në ujë të pijshëm. Në të njëjtin vit, American Ihrig American (Harry Ihrig) ndërtoi traktorin e parë në qelizat e karburantit (fuqi totale prej 15 kW). Hidroksid kaliumi është përdorur si elektrolit në bateri, dhe hidrogjen e ngjeshur dhe oksigjen janë përdorur si reagents.

Për herë të parë "në lumë", çështja e qelizave të karburantit stacionare për qëllime komerciale është dorëzuar nga Fuqia UTC, duke ofruar sisteme të furnizimit me energji elektrike për spitalet, universitetet dhe qendrat e biznesit. Kjo kompani, e cila është udhëheqës botëror në këtë fushë, ende prodhon zgjidhje të tilla me një kapacitet deri në 200 kW. Është furnizuesi kryesor i qelizave të karburantit për NASA. Produktet e saj ishin përdorur gjerësisht gjatë programit hapësinor Apollo dhe ende në kërkesë si pjesë e programit të anijes hapësinore. Fuqia UTC gjithashtu ofron elemente të karburantit "të gjerë të konsumit" që përdoren gjerësisht në automjete. Për herë të parë, u krijua një qelizë e karburantit, e cila lejon të marrë një rrymë në temperatura negative për shkak të përdorimit të membranës së shkëmbimit të protonit.

Si punon

Studiuesit eksperimentuan me substanca të ndryshme si reagente. Megjithatë, parimet themelore të funksionimit të qelizave të karburantit, pavarësisht nga karakteristikat e performancës në mënyrë të konsiderueshme, mbeten të pandryshuara. Çdo qelizë e karburantit është një pajisje elektrokimike e konvertimit të energjisë. Ajo prodhon energji elektrike nga një sasi e caktuar e karburantit (nga ane anode) dhe agjenti oksidues (nga ana e katodës). Reagimi vazhdon në prani të një elektrolite (një substancë që përmban jonet e lira dhe duke e udhëhequr veten si një medium elektrik përçues). Në parim, në çdo pajisje të tillë, ka reagente të caktuara që hyjnë në të dhe produktet e reagimit të tyre rrjedhin pas zbatimit të një reagimi elektrokimik. Elektrolit në këtë rast shërben vetëm për ndërveprimin e reagentëve dhe nuk ndryshon në qelizën e karburantit. Bazuar në këtë skemë, qeliza e përsosur e karburantit duhet të punojë për kaq shumë kohë derisa të ketë një paraqitje të kërkuar për reagimin e substancave.

Këtu ju nuk mund të ngatërroni elementet e karburantit me bateri konvencionale. Në rastin e parë, një "karburant" i caktuar është konsumuar për prodhimin e energjisë elektrike, e cila më vonë duhet të plotësohet përsëri. Në rastin e elementeve electroplating, energjia elektrike ruhet në një sistem kimik të mbyllur. Në rastin e baterive, furnizimi aktual lejon reagimin e kundërt elektrokimik dhe të kthejë reagentët në shtetin fillestar (I.E. ngarkoni atë). Kombinimet e ndryshme të karburantit dhe oksiduesit janë të mundshme. Për shembull, hidrogjeni dhe oksigjeni (agjenti oksidues) përdoren në qelizën e karburantit të hidrogjenit në qelizën e karburantit të hidrogjenit. Shpesh, bikarbonet dhe alkoolet përdoren si lëndë djegëse, dhe ajri, klori dhe dioksidi i klorit përdoren si oksidanë.

Reagimi i katalizës, duke kaluar në qelizën e karburantit, godet elektronet dhe protonet nga karburantet, dhe elektronet e lëvizjes formojnë një rrymë elektrike. Roli i një katalizatori që përshpejton reagimin në qelizat e karburantit zakonisht përdoret platini ose lidhjet e saj. Një tjetër proces katalitik kthehet elektronet, duke i kombinuar ato me protonet dhe agjentin oksidues, duke rezultuar në produktet e reagimit (emetimet). Si rregull, këto emetime janë substanca të thjeshta: uji dhe dioksidi i karbonit.

Në qelizën tradicionale të karburantit me një membranë proton-shkëmbimi (PEMFC), polimer proton-kryerjen e membranës ndan anën e anodës dhe katodës. Nga ana e katodës, hidrogjeni shpërndan në një katalizator anode, ku elektronet dhe protonet janë lëshuar prej saj. Protons pastaj kalojnë nëpër membranën në katodë, dhe elektronet që nuk mund të ndjekin protonet (membrana është e izoluar elektrike), janë dërguar përgjatë qarkut të jashtëm të ngarkesës (sistemi i furnizimit me energji elektrike). Në anën e katalizatorit katodë, oksigjeni arrin protonet e kaluara përmes membranës dhe elektroneve që hyjnë në qarkun e ngarkesës së jashtme. Si rezultat i kësaj reagimi, merret uji (si një çift ose lëng). Për shembull, produktet e reagimit në qelizat e karburantit që përdorin lëndë djegëse hidrokarbure (metanol, naftë) janë uji dhe dioksidi i karbonit.

Qelizat e karburantit të pothuajse të gjitha llojeve vuajnë nga humbjet elektrike të shkaktuara nga rezistenca natyrore e kontakteve dhe elementeve të qelizës së karburantit dhe mbivlerësimin elektrik (energjia shtesë e kërkuar për reagimin fillestar). Në disa raste, nuk është e mundur që të shmangen plotësisht këto humbje dhe nganjëherë "sheepnika nuk ia vlen", por më shpesh ato mund të reduktohen në minimumin e lejuar. Një opsion për zgjidhjen e këtij problemi është përdorimi i kits nga këto pajisje në të cilat qelizat e karburantit, në varësi të kërkesave për sistemin e furnizimit me energji elektrike, mund të lidhen paralelisht (rrymë më të mëdha) ose në mënyrë të vazhdueshme (më shumë tension).

Llojet e qelizave të karburantit

Llojet e qelizave të karburantit janë një grup i madh, megjithatë, ne do të përpiqemi për të qëndruar shkurtimisht më së shumti të tyre.

Elementet e karburantit alkaline (AFC)

Alkaline ose qelizat e karburantit alkaline, të quajtur edhe elementë mbështetës në nder të babait të tyre britanik, janë një nga teknologjitë e qelizave të karburantit më të zhvilluar. Ishte këto pajisje që ndihmuan një person që të hapte hënën. Në përgjithësi, NASA përdor qelizat e karburantit të këtij lloji nga mesi i viteve 60 të shekullit të kaluar. AFC konsumojnë hidrogjen dhe oksigjen të pastër, duke prodhuar ujë të pijshëm, ngrohje dhe energji elektrike. Në shumë mënyra, për shkak të faktit se kjo teknologji është e përpunuar në mënyrë të përkryer, ajo ka një nga treguesit më të lartë të performancës midis sistemeve të tilla (rreth 70% potencial).

Megjithatë, kjo teknologji ka të metat e saj. Për shkak të specifikave të përdorimit si një elektrolit i një substance alkaline të lëngshme, e cila nuk bllokon dioksidin e karbonit, është e mundur të bashkohet me hidroksidin e kaliumit (një nga variantet e elektrolit të përdorur) me këtë komponent të ajrit të zakonshëm. Si rezultat, mund të merret një lidhje helmuese e karbonit të kaliumit. Për të shmangur këtë, është e nevojshme të përdorni oksigjenin e pastër ose të prodhoni pastrim të ajrit nga dioksidi i karbonit. Natyrisht, ndikon në koston e pajisjeve të tilla. Megjithatë, pavarësisht kësaj, AFC është elementët më të lirë të karburantit në dispozicion sot.

Elementet e karburantit të drejtë borohydrid (DBFC)

Kjo nëntipë e qelizave të karburantit alkaline përdor borohdridin e natriumit si karburant. Megjithatë, për dallim nga AFC e zakonshme në hidrogjen, kjo teknologji ka një avantazh të rëndësishëm - mungesa e rrezikut të marrjes së komponimeve helmuese pas kontaktit me dioksidin e karbonit. Megjithatë, produkti i reagimit të saj është një substancë gruri, e përdorur gjerësisht në detergjentë dhe sapun. Bora është relativisht toksike.

DBFC mund të bëhet edhe më e lirë se qelizat tradicionale të karburantit, pasi ato nuk kërkojnë katalizatorë të shtrenjtë të platinës. Përveç kësaj, ata posedojnë dendësi më të madhe të energjisë. Është vlerësuar se prodhimi i një kilogram të borohidrit të natriumit kushton 50 $, por nëse organizoni prodhimin e saj në masë dhe vendosni riciklimin e boraksit, atëherë kjo bar mund të reduktohet me 50 herë.

Qelizat e karburantit në hidrat metalike (MHFC)

Kjo nënklasë e elementeve të karburantit alkaline është studiuar në mënyrë aktive. Një tipar i këtyre pajisjeve është aftësia për të ruajtur kimikisht hidrogjenin brenda qelizës së karburantit. Qeliza e karburantit të drejtë Borohidride gjithashtu ka të njëjtën aftësi, por në kontrast me të, MHFC është e mbushur me hidrogjen të pastër.

Ndër karakteristikat dalluese të këtyre qelizave të karburantit, mund të dallohen:

• aftësia për të rimbushur nga energjia elektrike;
• punojnë në temperatura të ulëta - deri në -20 ° C;
• jeta e gjatë e raftit;
• fillimi i shpejtë "i ftohtë";
• aftësia për të punuar për disa kohë pa një burim hidrogjeni të jashtëm (në kohën e zëvendësimit të karburantit).

Pavarësisht nga fakti se shumë kompani punojnë në krijimin e MSHFC-së në masë, ndërsa efikasiteti i prototipeve nuk është i lartë në krahasim me teknologjitë konkurruese. Një nga treguesit më të mirë të densitetit aktual për këto qeliza të karburantit është 250 milliagper për centimetër katror, \u200b\u200bndërsa elementet konvencionale të karburantit të PEMFC-së sigurojnë një densitet aktual prej 1 ampere për centimetër katror.

Electro-Electroplating qelizat e karburantit (EGFC)

Reagimi kimik në EGFC kalon me pjesëmarrjen e hidroksidit të kaliumit dhe oksigjenit. Kjo krijon një rrymë elektrike midis anodës së plumbit dhe katodës së artë. Tensioni i lëshuar nga qeliza e karburantit elektro-galvanik është drejtpërsëdrejti proporcional me sasinë e oksigjenit. Kjo veçori lejoi EGFC-në të gjejë përdorim të gjerë si pajisje për të kontrolluar përqendrimet e oksigjenit në skuba dhe pajisje mjekësore. Por kjo është për shkak të kësaj varësie në qelizat e karburantit në hidroksid kaliumi, një periudhë shumë e kufizuar e funksionimit efikas (ndërsa përqendrimi i oksigjenit është i madh).

Përqendrimet e para të certifikuara të oksigjenit në EGFC janë masivisht të disponueshme në vitin 2005, por pastaj ata nuk arritën shumë popullaritet. Dy vjet më vonë, një model i modifikuar në mënyrë të konsiderueshme ishte shumë më i suksesshëm dhe madje mori një çmim për "inovacionin" në një ekspozitë të specializuar në Florida. Aktualisht, ato përdoren nga organizata të tilla si NOAA (administrata kombëtare oqeanike dhe atmosferike) dhe DDRC.

Qelizat e karburantit të drejtpërdrejtë në acid formik (DFAFC)

Këto qeliza të karburantit janë një nëntipë e pajisjeve PEMFC me një ushqim të drejtpërdrejtë me acid formik. Falë karakteristikave të saj specifike, këto qeliza të karburantit kanë shanse të mëdha në të ardhmen për t'u bërë mjeti kryesor i të ushqyerit të elektronikës të tillë portativ, si laptopë, telefonat celularë etj.

Ashtu si metanol, acid formik futet direkt në qelizën e karburantit pa një fazë të veçantë të pastrimit. Dyqani Kjo substancë është gjithashtu shumë më e sigurt se, për shembull, hidrogjen, përveç kësaj, nuk është e nevojshme të sigurohet kushte specifike për ruajtje: acid formik është një lëng në temperaturë normale. Për më tepër, kjo teknologji ka dy avantazhe të pamohueshme mbi qelizat e karburantit të drejtë metanol. Së pari, në kontrast me metanol, acid formik nuk e depërton përmes membranës. Prandaj, efektiviteti i DFAFC sipas përkufizimit duhet të jetë më i lartë. Së dyti, në rast të depresurizimit, acidi formik nuk është aq i rrezikshëm (metanoli mund të shkaktojë verbëri, dhe me një dozë dhe vdekje të fortë).

Ajo që është interesante, deri kohët e fundit, shumë shkencëtarë nuk e kanë konsideruar këtë teknologji si një të ardhme praktike. Arsyeja që nxiti hulumtuesit për shumë vite për të "vënë një kryq" në acid formik ishte një mbivoltim i lartë elektrokimik, i cili solli në humbje të konsiderueshme elektrike. Por rezultatet e eksperimenteve të fundit kanë treguar se arsyeja për një joefikasitet të tillë ishte në përdorimin e Platinumit si një katalizator, i cili tradicionalisht përdoret gjerësisht për këto qëllime në qelizat e karburantit. Pasi shkencëtarët nga Universiteti i Illinois kryen një numër eksperimentesh me materiale të tjera, doli se në rastin e përdorimit të Palladiumit si katalizator, produktiviteti i DFAFC është më i lartë se ai i qelizave të karburantit të drejtpërdrejtë të metanolit ekuivalent. Aktualisht, kompania amerikane Teqion ka të drejta për këtë teknologji, e cila ofron një linjë të produkteve të saj Formata Power Pack për pajisjet e mikroelektronikës. Ky sistem është një "dupleks" i përbërë nga një bateri dhe qeliza aktuale e karburantit. Pasi reagenti reagent është në fishek, bateria është tharë, përdoruesi thjesht e ndryshon atë në një të re. Kështu, bëhet plotësisht e pavarur nga "fole". Sipas premtimeve të prodhuesit, koha midis akuzave do të dyfishohet kur teknologjia do të kushtojë vetëm 10-15% bateri më të shtrenjta. E vetmja pengesë serioze në rrugën e kësaj teknologjie mund të jetë fakti se ai mbështet kompaninë e dorës mesatare dhe është thjesht "për të plotësuar" konkurrentët e një shkalle më të madhe, duke përfaqësuar teknologjitë e tyre që mund të heqin dorë nga DFAFC për një numër e parametrave.

Elementet e karburantit të drejtpërdrejtë të metanolit (DMFC)

Këto qeliza të karburantit janë një subspecies e pajisjeve me një membranë të shkëmbimit të protonit. Ata përdorin metanolin e rimbushur në qelizën e karburantit pa pastrim të mëtejshëm. Në të njëjtën kohë, alkooli metil është shumë më i lehtë për të ruajtur dhe nuk shpërthen (edhe pse është karburant dhe mund të shkaktojë verbëri). Në të njëjtën kohë, metanol, enë energjie është dukshëm më e lartë se ajo e hidrogjenit të ngjeshur.

Megjithatë, për shkak të faktit se metanoli është në gjendje të rrjedhë përmes membranës, efektiviteti i DMFC për vëllime të mëdha të karburantit është i vogël. Dhe megjithëse për këtë arsye ata nuk janë të përshtatshëm për transport dhe instalime të mëdha, këto pajisje janë perfekte për rolin e baterive zëvendësuese në pajisjet mobile.

Qelizat e karburantit në metanol të trajtuar (RMFC)

Qelizat e karburantit në metanol të trajtuar ndryshojnë nga DMFC vetëm nga fakti se ata janë konvertuar në hidrogjen dhe dioksid karboni në to në fazën e prodhimit të energjisë elektrike të mëparshme. Kjo ndodh në një pajisje të veçantë që do të quhet procesor i karburantit. Pas këtij hapi paraprak (reagimi kryhet në temperatura mbi 250 ° C), hapat e hidrogjenit në reagimin e oksidimit, si rezultat i të cilit është formuar uji dhe prodhohet energjia elektrike.

Përdorimi i metanol në RMFC është për shkak të faktit se është një bartës i natyrshëm i hidrogjenit dhe në një temperaturë mjaft të ulët (krahasuar me substancat e tjera) mund të dekompozohen në hidrogjen dhe dioksid karboni. Prandaj, kjo teknologji është më e realizuar se DMFC. Qelizat e karburantit në metanol të trajtuar lejojnë të arrijnë efikasitet më të madh, kompaktësinë dhe operimin e tyre në temperatura nën zero.

Qelizat e karburantit të drejtpërdrejtë (defc)

Një përfaqësues tjetër i klasës së karburantit me një grilë të shkëmbimit të protonit. Ndërsa vijon nga emri, etanoli hyn në qelinë e karburantit duke kaluar fazën e pastrimit ose dekompozimit shtesë në substanca më të thjeshta. Plus i parë i këtyre pajisjeve është përdorimi i alkoolit etilik në vend të metanol toksik. Kjo do të thotë që ju nuk keni nevojë të investoni një sasi të madhe parash në krijimin e kësaj karburanti.

Dendësia e energjisë e alkoolit është rreth 30% më e lartë se ajo e metanolit. Përveç kësaj, mund të merret në sasi të mëdha të biomasës. Për të zvogëluar koston e elementeve të karburantit në etanol, kërkimi për material alternativ katalizator po zhvillohet në mënyrë aktive. Platinum, i përdorur tradicionalisht në qelizat e karburantit për këto qëllime, është shumë rrugë dhe është një pengesë e rëndësishme për futjen masive të këtyre teknologjive. Zgjidhja e këtij problemi mund të jetë katalizatorët nga një përzierje e hekurit, bakrit dhe nikelit, duke demonstruar rezultate mbresëlënëse në sistemet eksperimentale.

Elementet e karburantit të ajrit të zinkut (ZAFC)

ZAFC për prodhimin e energjisë elektrike përdor oksidimin e zinkut me oksigjen nga ajri. Këto elemente të karburantit janë të lira në prodhim dhe ofrojnë një densitet mjaft të lartë të energjisë. Aktualisht, ato përdoren në aparatet e dëgjimit dhe makinat elektrike eksperimentale.

Anode është një përzierje e grimcave të zinkut me një elektrolit, dhe nga uji i katodës dhe oksigjenit nga ajri, të cilat reagojnë me njëri-tjetrin dhe formojnë hidroksil (molekula e saj është një atom oksigjeni dhe një atom hidrogjeni, midis të cilit ka një kovalent bond). Si rezultat i reagimit hidroksil me përzierjen e zinkut, elektronet që shkojnë në katodë janë lëshuar. Voltazhi maksimal që lëshohet nga qelizat e tilla të karburantit është 1.65 v, por, si rregull, është reduktuar artificialisht në 1.4-1.35 v, duke kufizuar qasjen e ajrit në sistem. Produktet e fundme të kësaj reagimi elektrokimik janë oksidi i zinkut dhe uji.

Është e mundur të përdoret kjo teknologji, si në bateri (pa rimbushje) dhe në qelizat e karburantit. Në rastin e fundit, kamera nga ana e anodës pastrohet dhe është e mbushur me një paste të sapo zinkut. Në përgjithësi, teknologjia ZAFC ka provuar veten si bateri të thjeshta dhe të besueshme. Plus i tyre i padiskutueshëm është aftësia për të kontrolluar reagimin vetëm duke rregulluar furnizimin me ajër në qelizën e karburantit. Shumë studiues e shohin qelizat e karburantit të ajrit të zinkut si e ardhmja e burimit kryesor të energjisë elektrike të automjeteve elektrike.

Elementet e karburantit mikrobik (MFC)

Ideja e përdorimit të baktereve për të mirën e njerëzimit nuk është NOVA, edhe pse para zbatimit të këtyre ideve në jetë kohët e fundit kohët e fundit. Aktualisht, çështja e përdorimit komercial të bioteknologjive për prodhimin e produkteve të ndryshme (për shembull, prodhimi i hidrogjenit nga biomasa), neutralizimi i substancave të dëmshme dhe prodhimi i energjisë elektrike është studiuar në mënyrë aktive. Qelizat mikrobike të karburantit, ende të referuara si biologjike, janë një sistem biologjik elektrokimik që gjeneron një rrymë elektrike për shkak të përdorimit të baktereve. Kjo teknologji bazohet në katabolizëm (dekompozimi i një molekule komplekse në një energji të thjeshtë) të substancave të tilla të tilla si glukoza, acetat (kripë acetike), butoni (kripë e acidit të naftës) ose ujërave të zeza. Për shkak të oksidimit të tyre, elektronet janë lëshuar, të cilat transmetohen në anodë, pas së cilës rryma elektrike e kryer hyn në katodë.

Në elementë të tillë të karburantit, zakonisht përdoren ndërmjetësit që përmirësojnë kalueshmërinë e elektroneve. Problemi është se substancat që luajnë rolet e ndërmjetësve, rrugëve dhe toksike. Megjithatë, në rastin e përdorimit të baktereve elektrokemikisht aktive, nevoja për ndërmjetësuesit zhduken. I tillë "pa ndërmjetës" qelizat e karburantit mikrobik filluan të krijojnë mjaft kohët e fundit dhe për këtë arsye, jo të gjitha pronat e tyre janë studiuar mirë.

Përkundër pengesave që MFC ende duhet të kapërcejë, kjo teknologji ka potencial të jashtëzakonshëm. Së pari, "karburanti" nuk gjejnë asnjë punë të veçantë. Dhe për më tepër, sot çështja e trajtimit të ujërave të zeza dhe shfrytëzimi i shumë mbeturinave është shumë akut. Përdorimi i kësaj teknologjie mund të zgjidhë të dyja këto probleme. Së dyti, teorikisht, efektiviteti i saj mund të jetë shumë i lartë. Problemi kryesor për inxhinierët e qelizave të karburantit mikrobik është, dhe elementi më i rëndësishëm i kësaj pajisjeje, mikrobet. Dhe deri më tani mikrobiologët që marrin grante të shumta për hulumtime, hanë, shkrimtarët e shkencës fantazionin gjithashtu fshijnë duart, duke parashikuar suksesin e librave të përkushtuar ndaj pasojave të "daljes në dritën" të mikroorganizmave të pasakta. Natyrisht, rreziku për të nxjerrë diçka që "tretur" jo vetëm që nuk kishte mbeturina të nevojshme, por diçka e vlefshme, ka. Prandaj, në parim, si në rastin e ndonjë bioteknologjie të re, njerëzit lidhen me idenë e mbajtjes së një kuti në xhepin e tij, të njëanshëm nga bakteret, me kujdes.

Aplikacion

Familjet e palëvizshme dhe termocentralet industriale

Qelizat e karburantit përdoren gjerësisht si burime të energjisë në të gjitha llojet e sistemeve autonome, të tilla si anijet hapësinore, stacionet e largëta të motit, objektet ushtarake etj. Avantazhi kryesor i një sistemi të tillë të furnizimit me energji është jashtëzakonisht i lartë në krahasim me besueshmërinë e teknologjive të tjera. Për shkak të mungesës së pjesëve të lëvizshme dhe çdo mekanizmi në qelizat e karburantit, besueshmëria e sistemeve të furnizimit me energji mund të arrijë 99.99%. Përveç kësaj, në rastin e përdorimit të hidrogjenit, një peshë shumë e vogël mund të arrihet si reagent, i cili në rastin e pajisjeve hapësinore, është një nga kriteret më të rëndësishme.

Kohët e fundit, instalimet e kombinuara të ngrohjes-elektrike janë shpërndarë gjithnjë e më shumë, të përdorura gjerësisht në ndërtesat dhe zyrat e banimit. Veçori e këtyre sistemeve është se ata vazhdimisht prodhojnë energji elektrike, të cilat nëse nuk konsumohen menjëherë, përdoret për të ngrohur ujin dhe ajrin. Përkundër faktit se efikasiteti elektrik i instalimeve të tilla është vetëm 15-20%, ky pengesë kompensohet nga fakti që energjia e papërdorur shkon në prodhimin e ngrohjes. Në përgjithësi, efikasiteti i energjisë i sistemeve të tilla të kombinuara është rreth 80%. Një nga reagentët më të mirë për qelizat e tilla të karburantit është acid fosfat. Këto instalime ofrojnë efikasitet energjetik në 90% (35-50% energji elektrike dhe pjesa tjetër e energjisë së ngrohjes).

Transportim

Sistemet e energjisë në bazë të qelizave të karburantit përdoren gjerësisht në transport. Me anë të fjalës, gjermanët ishin një nga të parët që instalonin qelizat e karburantit në automjete. Pra, anija e parë tregtare në botë, e pajisur me një mjedis të tillë, debutoi tetë vjet më parë. Kjo anije e vogël është shkatërruar "Hydra" dhe është projektuar për të transportuar deri në 22 pasagjerë për t'u ulur pranë kryeqytetit të Gjermanisë në qershor të vitit 2000. Hidrogjeni shfaqet si reagent i energjisë (qeliza e karburantit alkaline). Nëpërmjet përdorimit të qelizave të karburantit alkaine (alkaline), instalimi është i aftë të prodhojë rrymën në temperatura deri në -10 ° C dhe jo "të frikësuar nga" ujë të kripur. Varkë "Hydra", e shtyrë nga një motor elektrik me një kapacitet prej 5 kW, është në gjendje të zhvillojë shpejtësi deri në 6 nyje (rreth 12 km / h).

Boat "Hydra"

Një shpërndarje shumë më e madhe është marrë qelizat e karburantit (në veçanti në hidrogjen) në transportin tokësor. Në përgjithësi, hidrogjeni tashmë është përdorur për një kohë të gjatë si karburant për motorët e automobilave, dhe në parim, motori i zakonshëm i djegies së brendshme është konvertuar mjaft lehtë për të përdorur këtë lloj alternative të karburantit. Megjithatë, djegia tradicionale e hidrogjenit është më pak efikase se prodhimi i energjisë elektrike duke kryer një reaksion kimik midis hidrogjenit dhe oksigjenit. Dhe në mënyrë ideale, hidrogjeni në rast se do të përdoret në qelizat e karburantit, do të jetë absolutisht e sigurt për natyrën ose siç thonë "miqësore ndaj mjedisit", pasi në procesin e reagimit kimik, dioksidit të karbonit ose substancave të tjera që vdesin "efekt serë" nuk dallohen.

Vërtetë këtu, siç pritej, ka disa të mëdha "por". Fakti është se shumë teknologji të prodhimit të hidrogjenit nga burimet jo të rinovueshme (gaz natyror, qymyr, produktet e naftës) nuk janë aq të padëmshme për mjedisin, pasi një sasi e madhe e dioksidit të karbonit dallon në procesin e tyre. Teorikisht, nëse përdorni burime të rinovueshme për ta marrë atë, atëherë emetimet e dëmshme nuk do të jenë fare. Megjithatë, në këtë rast, kostoja është në mënyrë të konsiderueshme në rritje. Sipas shumë ekspertëve, për këto arsye, potenciali i hidrogjenit, si zëvendësim për benzinë \u200b\u200bose gaz natyror është shumë i kufizuar. Tashmë, ka alternativa më pak të shtrenjta dhe, ka shumë të ngjarë, qelizat e karburantit në elementin e parë të tabelës periodike nuk janë të mundshme për t'u bërë një fenomen masiv në automjete.

Prodhuesit e makinave janë mjaft eksperimentojnë me hidrogjen si një burim energjie. Dhe arsyeja kryesore për këtë është pozita mjaft e ngurtë e BE-së kundër emetimeve të dëmshme në atmosferë. Kufizimet gjithnjë e më të rrepta të personalizuara të futura në Evropë, Daimler AG, FIAT dhe Ford Motor Company paraqiti vizionin e tyre të qelizave të karburantit të ardhshëm në një makinë ndërtimi, duke pajisur modelet e tyre bazë me termocentralet e tilla. Një tjetër gjigant auto evropian Volkswagen është duke përgatitur makinën e saj në qelizat e karburantit. Firmat japoneze dhe të Koresë së Jugut nuk mbesin prapa tyre. Megjithatë, jo të gjithë të vënë në këtë teknologji. Shumë preferojnë të modifikojnë motorët me djegie të brendshme ose t'i kombinojnë ato me motorët elektrikë që punojnë nga bateritë. Në këtë rrugë, Toyota, Mazda dhe BMW shkuan. Sa për kompanitë amerikane, përveç Ford me modelin e saj të fokusit, disa makina në elementet e karburantit paraqiten dhe motorët e përgjithshëm. Të gjitha këto ndërmarrje janë inkurajuese në mënyrë aktive nga shumë shtete. Për shembull, në Shtetet e Bashkuara ekziston një ligj, sipas të cilit makina e re hibride e përjashtoi nga taksat, të cilat mund të jenë mjaft të mira, sepse makina të tilla janë më të shtrenjta se sa gratë e tyre me motorët tradicionalë të djegies së brendshme. Kështu, hibridet si një blerje bëhet edhe më tërheqëse. Vërtetë, ndërsa ky ligj ka të bëjë vetëm me modelet që shkojnë në treg derisa të arrihet niveli i shitjeve në 60,000 makina, pas së cilës përfitimet anulohen automatikisht.

Elektronikë

Jo shumë kohë më parë, elementët e karburantit filluan të gjejnë gjithnjë e më shumë përdorim në laptopë, telefona celularë dhe pajisje të tjera elektronike të lëvizshme. Arsyeja për këtë ishte vishnja e shpejtë në rritje e dedikuar për punë autonome afatgjatë të pajisjeve. Si rezultat i përdorimit të telefonave me prekje të mëdha, audio të fuqishme dhe zbatimin e mbështetjes Wi-Fi, Bluetooth dhe protokollet e tjera të komunikimit me frekuencë të lartë, kapaciteti i baterisë ka ndryshuar. Dhe, megjithëse akumulatorët nga kohët e telefonave të parë të celularëve u larguan shumë përpara, nga këndvështrimi i kapacitetit dhe kompaktësisë (ndryshe, tifozët nuk do të lejohen të stadiume me këtë armë me funksionin e komunikimit), ata ende nuk e bëjnë Kujdesi për miniaturizimin e qarqeve elektronike, as për prodhuesit e dëshirës të futen më shumë funksione në produktet e tyre. Një tjetër disavantazh i rëndësishëm i baterive të tanishme është koha e tyre e gjatë e ngarkimit. Çdo gjë çon në faktin se sa më i madh aftësitë ose një lojtar multimedial xhepi, i projektuar për të rritur autonominë e pronarit të saj (internet wireless, sistemet e navigimit, etj.), Veçanërisht të varur nga "fole" për t'u bërë kjo pajisje.

Rreth laptopëve, shumë më pak të kufizuar në madhësi maksimale, dhe nuk ka asgjë për të thënë. Tashmë shumë kohë më parë u formua një vend i laptopëve super-prodhues, në përgjithësi nuk ishte menduar për punë autonome, nëse nuk konsiderohej një transferim i tillë nga një zyrë në tjetrën. Dhe madje edhe përfaqësuesit më ekonomikë të botës laptopë me vështirësi mund të ofrojnë biznes me orar të plotë të punës autonome. Prandaj, çështja për të gjetur një alternativë për bateritë tradicionale të rimbushshme, të cilat nuk do të ishin më të shtrenjta, por shumë më efikase, është shumë akute. Dhe vendimi i këtij problemi është angazhuar kohët e fundit në përfaqësuesit kryesorë të industrisë. Jo shumë kohë më parë, u prezantuan qelizat e karburantit komercial në metanol, furnizimet masive të të cilëve mund të fillojnë vitin e ardhshëm.

Zgjedhja e studiuesve ra mbi metanol, dhe jo të hidrogjen, për ndonjë arsye. Metanol dyqan është shumë më i thjeshtë, sepse për këtë ju nuk keni nevojë të krijoni presion të lartë ose të ofroni regjim të veçantë të temperaturës. Alkooli metil është një lëng në temperatura nga -97.0 ° C në 64.7 ° C. Në këtë rast, energjia specifike e përfshirë në vëllimin N-Om të metanolit është një rend i madhësisë më i madh se sa në të njëjtin vëllim të hidrogjenit nën presion të lartë. Teknologjia e qelizës së karburantit të drejtpërdrejtë të metanolit, e përdorur gjerësisht në pajisjet elektronike të lëvizshme, nënkupton përdorimin e alkoolit metil pas mbushjes së thjeshtë të kapacitetit të qelizave të karburantit duke anashkaluar procedurën e konvertimit katalitik (prandaj emri "Metanol i drejtpërdrejtë"). Është gjithashtu një avantazh serioz i kësaj teknologjie.

Megjithatë, siç ishte e vlefshme për të pritur, dhe të gjitha këto avantazhe u gjetën minuset e tyre, të cilat në mënyrë të konsiderueshme e kufizuan fushëveprimin e përdorimit të saj. Për shkak të faktit se të gjithë të njëjtën teknologji ende nuk është përpunuar plotësisht, problemi i efikasitetit të ulët të qelizave të tilla të karburanteve të shkaktuara nga "kullimi" i metanolit përmes materialit të membranës nuk mbetet zgjidhur. Përveç kësaj, ata nuk kanë karakteristika mbresëlënëse dinamike. Është e vështirë për të zgjidhur dhe çfarë të bëjë me dioksidin e karbonit të prodhuar nga anode. Pajisjet moderne DMFC nuk janë në gjendje të prodhojnë energji më të madhe, por kanë një kapacitet të lartë të energjisë për një vëllim të vogël të substancës. Kjo do të thotë se edhe pse ka shumë energji, elementët e karburantit të drejtpërdrejtë të metanolit mund ta prodhojnë atë për një kohë të gjatë. Kjo nuk i lejon ata për shkak të fuqisë së ulët për të gjetur përdorim të drejtpërdrejtë në automjete, por i bën ata një zgjidhje pothuajse ideale për pajisjet mobile, për të cilat jeta e baterisë është kritike.

Trendet e fundit

Megjithëse qelizat e karburantit për automjetet e prodhuara për një kohë të gjatë, deri më tani këto zgjidhje nuk janë bërë masive. Ka shumë arsye për këtë. Dhe ato kryesore janë papërshtatshmëria ekonomike dhe thjeshtësia e prodhuesve për të ofruar lirimin e një karburanti të pranueshëm në lumë. Përpjekjet për të detyruar procesin natyror të tranzicionit në burimet e ripërtëritshme të energjisë, siç duhej të pritej, nuk çuan në ndonjë gjë të mirë. Natyrisht, arsyeja për rritjen e mprehtë të çmimeve për prodhimet bujqësore nuk është në faktin se masivisht filloi të kthehet në biokarburantet, por në faktin se shumë vende në Afrikë dhe Azi nuk janë në gjendje të prodhojnë produkte të mjaftueshme për t'u takuar Kërkesa e brendshme për produktet.

Natyrisht, refuzimi për të përdorur biokarburantet nuk do të çojë në një përmirësim të ndjeshëm në situatën në tregun global të ushqimit dhe anasjelltas - mund të godasë fermerët evropianë dhe amerikanë, për herë të parë në shumë vite kanë marrë mundësinë për të fituar mirë. Por është e pamundur të shkruash nga faturat dhe aspekti etik i kësaj çështjeje është i shëmtuar "bukë" në tanke kur miliona njerëz janë të uritur. Prandaj, në veçanti, politikanët evropianë tani do të jenë më të ftohtë në lidhje me bioteknologjinë, e cila tashmë është konfirmuar nga rishikimi i strategjisë për kalimin e burimeve të ripërtëritshme të energjisë.

Në këtë situatë, mikroelektronika duhet të jetë fushëveprimi më premtues për qelizat e karburantit. Është këtu që elementët e karburantit kanë shanset më të mëdha për të fituar. Së pari, njerëzit që fitojnë telefonat celularë janë më të përgatitur për eksperimente sesa, le të themi, blerësit e makinave. Dhe së dyti, ata janë të gatshëm të shpenzojnë para dhe zakonisht nuk kanë mend "përveç botës". Konfirmimi i kësaj mund të shërbejë suksesin e stalking të "bono" -vers të lojtarit iPod Nano, një pjesë e parave nga e cila erdhi llogaritë e Kryqit të Kuq.

"Bono" -Bevert Apple iPod Nano

Ndër shikimin e tyre për të karburantit qelizat për elektronikë portative si firma, të specializuara më parë në krijimin e qelizave të karburantit, dhe tani thjesht hapi një fushë të re të përdorimit të tyre dhe prodhuesit kryesorë të mikroelektronikës. Për shembull, kohët e fundit, MTI mikro, riblerësoi biznesin e saj për prodhimin e qelizave të karburantit metanol për pajisjet elektronike të lëvizshme, njoftoi se në vitin 2009 do të fillojë prodhimi i tyre në masë. Ajo gjithashtu paraqiti pajisjen e parë GPS në elementet e karburantit metanol. Sipas përfaqësuesve të kësaj kompanie, në të ardhmen e afërt produktet e saj do të zëvendësojnë plotësisht bateritë tradicionale jon-litium. Vërtetë, në fillim ata do të jenë heshtje, por ky problem shoqëron çdo teknologji të re.

Për kompaninë, si Sony, kohët e fundit demonstroi versionin e saj të pajisjes DMFC të pajisjes së sistemit multimedial, këto teknologji janë në një risi, por ata synojnë seriozisht të mos humbasin në tregun e ri premtues. Nga ana tjetër, Sharp shkoi edhe më tej dhe me ndihmën e prototipit të saj të qelizës së karburantit kohët e fundit ka instaluar rekordin global të rezervuarit të veçantë të energjisë për një centimetër kub të alkoolit metil në 0.3 W. Prodhuesit e këtyre elementeve të karburantit shkuan për të përmbushur edhe qeveritë e shumë vendeve. Pra, aeroportet në SHBA, Kanada, Britani të Madhe, Japoni dhe Kinë, pavarësisht nga toksiciteti dhe djegia e metanolit, anuluan kufizimet e kryera më parë në transportin e saj në kabinën e avionëve. Natyrisht, kjo është e lejueshme vetëm për qelizat e certifikuara të karburantit me një kapacitet prej jo më shumë se 200 ml. Megjithatë, kjo përsëri konfirmon interesin në këto zhvillime nga jo vetëm entuziastë, por edhe shtetet.

Vërtetë, prodhuesit ende përpiqen të riinstalojnë dhe ofrojnë qeliza të karburantit kryesisht si një sistem të energjisë rezervë. Një nga këto zgjidhje është kombinimi i qelizës së karburantit dhe baterisë: Ndërsa ka një lëndë djegëse, ajo vazhdimisht akuzon baterinë dhe pamjen se si përfundon, përdoruesi thjesht zëvendëson fishekun e zbrazët në një enë të re me metanol. Një destinacion tjetër popullor është krijimi i ngarkuesve në qelizat e karburantit. Ato mund të përdoren në rrugë. Në të njëjtën kohë, ata mund të ngarkojnë shumë shpejt bateritë. Me fjalë të tjera, në të ardhmen, të gjithë mund të vishen një "fole" të tillë në xhepin e tij. Kjo qasje mund të jetë veçanërisht e rëndësishme në rastin e telefonave celularë. Nga ana tjetër, laptopët mund të jenë në të ardhmen e parashikueshme për të blerë qelizat e karburantit të integruar, të cilat, dhe nëse nuk zëvendësojnë plotësisht ngarkimin nga "socket", atëherë të paktën do të bëhet një alternativë serioze për të.

Pra, sipas parashikimit të kompanisë më të madhe kimike të Gjermanisë BASHF, njoftoi kohët e fundit fillimin e ndërtimit në Japoni, qendra e zhvillimit të elementeve të karburantit, deri në vitin 2010 tregu i këtyre pajisjeve do të jetë 1 miliard dollarë. Në të njëjtën kohë, analistët e saj parashikojnë rritjen e tregut të elementeve të karburantit në 20 miliardë dollarë për vitin 2020. Nga rruga, në këtë qendër, BASF planifikon të zhvillojë qelizat e karburantit për elektronikë portative (në laptopë të veçantë) dhe sistemeve të energjisë stacionare. Vendi për këtë ndërmarrje nuk zgjidhet rastësisht që kompania gjermane sheh blerësit kryesorë të këtyre teknologjive.

Në vend të burgimit

Natyrisht, pritni nga qelizat e karburantit që ata do të zëvendësohen nga një sistem ekzistues i furnizimit me energji, nuk ia vlen. Në çdo rast, në të ardhmen e parashikueshme. Kjo është një shkop rreth dy skajet: termocentralet portative janë natyrisht më efikase, për shkak të mungesës së humbjeve që lidhen me shpërndarjen e energjisë elektrike tek konsumatori, por ia vlen të konsiderohet se do të jetë në gjendje të bëhet një konkurrent serioz në Sistemi i centralizuar i furnizimit me energji vetëm nëse krijohet një sistem i centralizuar i furnizimit me karburant për këto cilësime. Kjo është, "fole" në fund të fundit duhet të zëvendësojë një tub të caktuar që furnizon reagentët e nevojshëm për çdo shtëpi dhe çdo nxjerrje. Dhe kjo nuk është pikërisht liria dhe pavarësia nga burimet e jashtme të rrymës, të cilat thonë prodhuesit e qelizave të karburantit.

Këto pajisje kanë një avantazh të padiskutueshëm në formën e shpejtësisë së ngarkimit - thjesht ndryshuan fishekun me metanol (si një mjet i fundit, trofeu jack Daniel "s) në kamera, dhe përsëri, duke hequr në shkallët e Louvrit. Nga ana tjetër, Nëse, thonë, telefoni i zakonshëm do të ngarkohet. Mbi dy orë dhe do të kërkojë rimbushje çdo 2-3 ditë, nuk ka gjasa që alternativa në formën e një ndryshimi të fishekëve të shitur vetëm në dyqane të specializuara, madje edhe një herë në dy javë Jini kështu në kërkesë nga një përdorues masiv. Dhe, natyrisht, ndërsa këto janë të fshehura në enë të sigurt të seancës, disa qindra mililitra të karburantit do të arrijnë përdoruesin përfundimtar, çmimi i saj do të jetë në gjendje të rritet tërësisht. Me këtë rritje, do të jetë Mund të jetë e mundur për të luftuar vetëm shkallën e prodhimit, ¬ do të jetë kjo shkallë në kërkesë në treg? Dhe derisa të zgjidhet lloji optimal i karburantit, do të jetë problematike shumë e lartë.

Nga ana tjetër, kombinimi i ngarkimit tradicional nga "fole", qelizat e karburantit dhe sisteme të tjera alternative të furnizimit me energji (për shembull, panelet diellore) mund të jenë zgjidhja për problemin e diversifikimit të burimeve të energjisë dhe tranzicionit në llojet mjedisore. Megjithatë, në një grup të veçantë të produkteve elektronike, qelizat e karburantit mund të jenë të përhapura. Kjo është konfirmuar nga fakti se Canon kohët e fundit patenton qelizat e veta të karburantit për kamerat digjitale dhe shprehu strategjinë për futjen e këtyre teknologjive në vendimet e tyre. Sa për laptopë, atëherë, nëse ata janë në të ardhmen e afërt dhe do të arrijnë qelizat e karburantit, ka të ngjarë të jetë vetëm si një sistem rezervë. Tani, për shembull, ne jemi kryesisht vetëm për modulet e ngarkimit të jashtëm që janë të lidhura edhe me laptopë.

Por këto teknologji kanë perspektiva të mëdha zhvillimi në afat të gjatë. Në veçanti, në dritën e kërcënimit të urisë të naftës, e cila mund të ndodhë në dekadat e ardhshme. Në këto kushte, është edhe më e rëndësishme, madje as sa e lirë do të jetë prodhimi i qelizave të karburantit dhe sa prodhimi i karburantit për ta do të jetë i pavarur nga industria petrokimike dhe mund të mbulojë nevojën për të.

Askush nuk do të jetë i befasuar me panelet diellore ose mullinjtë e erës, të cilat në të gjitha rajonet e botës prodhojnë energji elektrike. Por zhvillimi i këtyre pajisjeve nuk është konstante dhe ju duhet të instaloni burime të fuqisë rezervë, ose të lidheni me rrjetin për të marrë energji elektrike gjatë periudhës kur obligrat nuk prodhohen nga energjia elektrike. Megjithatë, ka mjedise të zhvilluara në shekullin e 19-të, të cilat përdorin karburantin "alternativ" për të prodhuar energji elektrike, dmth., Nuk do të digjen produkte të gazit ose naftës. Instalime të tilla janë qelizat e karburantit.

Historia e krijimit

Qelizat e karburantit (TE) ose qelizat e karburantit ishin të hapura në 1838-1839 nga William Rritja (rritet, Grove), kur ai studioi elektrolizën e ujit.

Ndihmë: Elektroliza e ujit - Procesi i dekompozimit të ujit nën veprimin e rrymës elektrike në molekulat e hidrogjenit dhe oksigjenit

Duke e fikur baterinë nga qeliza elektrolitike, ai ishte i befasuar për të gjetur se elektrodat filluan të thithin gazin e ndarë dhe të prodhonin aktuale. Hapja e procesit të djegies "të ftohtë" elektrokimike të hidrogjenit u bë një ngjarje e rëndësishme në sektorin e energjisë. Në të ardhmen, ai krijoi baterinë e rritur. Në këtë pajisje kishte një elektrodë platini, të zhytur në acid nitrik dhe elektrodën e zinkut në sulfat zink. Ai krijoi një rrymë prej 12 amps dhe një tension prej 8 voltash. Ai vetë e quajti këtë dizajn "Bateria e lagur". Pastaj ai krijoi një bateri duke përdorur dy elektroda të platinës. Një fund i çdo elektrode ishte në acid sulfurik, dhe skajet e tjera janë vulosur në kontejnerë me hidrogjen dhe oksigjen. Kishte një rrymë të qëndrueshme midis elektrodave, sasia e ujit u rrit brenda kontejnerëve. Groor ishte në gjendje të dekompozojë dhe të përmirësonte ujin në këtë pajisje.

"Bateria e baterisë"

(Burimi: Komuniteti Royal Muzeu Kombëtar i Historisë Natyrore)

Termi "qelizë e karburantit" (Eng. Qeliza e karburantit) u shfaq vetëm në 1889 nga L. Monda dhe
C. Langerom, duke u përpjekur për të krijuar një pajisje për gjenerimin e energjisë elektrike nga ajri dhe gazi i qymyrit.

SI PUNON?

Qeliza e karburantit - pajisje relativisht e thjeshtë. Ka dy elektroda: anode (elektrodë negative) dhe një katodë (elektrodë pozitive). Në elektroda ka një reaksion kimik. Për ta shpejtuar atë, sipërfaqja e elektrodave është e mbuluar me një katalizator. Të pajisur me një element tjetër - membrana.Transformimi i energjisë kimike të karburantit direkt në energji elektrike, për shkak të punës së membranës. Ai ndan dy dhomat e elementit në të cilin agjenti i karburantit dhe oksidimit. Membrana ju lejon të kaloni nga një dhomë në një tjetër vetëm protonet, të cilat merren duke ndarë karburantin, në elektrodë, të mbuluar me një katalizator (elektronet e drejtuar përmes zinxhirit të jashtëm). Në dhomën e dytë, protonet ribashkohen me elektronet (dhe atomet e oksigjenit), duke formuar ujë.

Parimi i funksionimit të qelizës së karburantit të hidrogjenit

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

Me djegie të zakonshme në oksigjen, oksidimi i flukseve të karburantit organik, dhe energjia kimike e karburantit shkon në energji termike. Le të shohim se çfarë ndodh kur oksidimi i hidrogjenit me oksigjen në mjedisin e elektrolit dhe në prani të elektrodave.

Ushqimi hidrogjen në një elektrodë në një medium alkaline të ardhura nga një reaksion kimik:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4E -

Siç mund ta shihni elektronet, të cilat, duke kaluar përgjatë zinxhirit të jashtëm, hyni në elektrodën e kundërt në të cilën vjen oksigjeni dhe ku kalon reagimi:

4e- + o 2 + 2h 2 o → 4oh -

Mund të shihet se reagimi rezultues 2h 2 + o 2 → h 2 o është i njëjtë si në djegien konvencionale, por qeliza e karburantit rezulton një ngrohje elektrike dhe pjesërisht.

Llojet e qelizave të karburantit

Klasifikimi PE i miratuar nga lloji i elektrolit përdoret për rrjedhën e reagimit:

Vini re se në qelizat e karburantit, qymyr, monoksid karboni, alkoolet, hidrazinën dhe substancat e tjera organike mund të përdoren gjithashtu si lëndë djegëse, dhe si agjentë oksidues - ajër, peroksid hidrogjeni, klor, bromin, acid nitrik etj.

Efikasitetin e qelizës së karburantit

Tipar i karburantit të qelizave të karburantit është mungesa e kufirit të vështirë në efikasitetsi makina termike.

Ndihmë: KPD.cikli Croan Është efikasiteti maksimal i mundshëm midis të gjitha makinave termike me të njëjtat temperatura minimale dhe maksimale.

Prandaj, efikasiteti i qelizave të karburantit në teori mund të jetë mbi 100%. Shumë buzëqeshën dhe mendonin se "mjeti i shpikur i motorit të përjetshëm". Jo, ia vlen të kthehet në kiminë e shkollës. Qeliza e karburantit bazohet në transformimin e energjisë kimike në elektrike. Këtu dhe dalin mrekulli. Disa reagime kimike në rrjedhën e rrjedhës mund të thithin nxehtësinë nga mjedisi.

Ndihmë: Reagimet endotermale - Reaksionet kimike të shoqëruara me thithjen e nxehtësisë. Për reaksionet endotermike, ndryshimi në entalpy dhe energji të brendshme ka vlera pozitive (δH. >0, Δ U. \u003e 0), pra, produktet e reagimit përmbajnë më shumë energji sesa përbërësit burimorë.

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

Ndihmë: Ky kufizim imponon ligjin e dytë të termodinamikës. Nuk është e mundur të transferohen nxehtësinë nga trupi "i ftohtë" për të "nxehtë".

Plus, ka humbje të lidhura me proceset jo të ekuilibrit. Të tilla si: Humbjet Ohmike për shkak të përçueshmërisë specifike të elektrolit dhe elektrodave, aktivizimit dhe polarizimit të përqendrimit, humbjeve të difuzionit. Si rezultat, një pjesë e energjisë së gjeneruar në qelizat e karburantit kthehet në termike. Prandaj, elementët e karburantit nuk janë motorë të përjetshëm dhe efikasitet të tyre më pak se 100%. Por efikasiteti i tyre është më shumë se pjesa tjetër e makinave. Sot efikasiteti i qelizës së karburantit arrin 80%.

Referenca: Në të dyzetat, inxhinieri anglez T. Bacon u ndërtua dhe ndërtoi baterinë e qelizave të karburantit me një kapacitet total prej 6 kW dhe efikasiteti prej 80%, që vepron në hidrogjen dhe oksigjen të pastër, por raporti i energjisë në peshën e baterisë doli Të jesh shumë i vogël - elemente të tilla ishin të papërshtatshme për përdorim praktik dhe shumë të shtrenjtë (Burimi: http://www.powerinfo.ru/).

Problemet e qelizave të karburantit

Pothuajse të gjitha qelizat e karburantit përdoren si karburant duke përdorur hidrogjen, kështu që lind një pyetje logjike: "Ku ta marrësh?"

Duket se qeliza e karburantit u hap si rezultat i elektrolizës, kështu që ju mund të përdorni hidrogjen të ndarë nga elektroliza. Por le ta analizojmë më shumë këtë proces.

Sipas ligjit Faraday: sasia e substancës që oksidohet në anodë ose është restauruar në katodë, në proporcion me numrin e energjisë elektrike të kaluar nëpër elektrolit. Kjo do të thotë të marrësh më shumë hidrogjen duhet të shpenzojnë më shumë energji elektrike. Metodat ekzistuese të elektrolizës së ujit kalojnë nga efikasiteti më i vogël se një. Pastaj, ne përdorim hidrogjenin e marrë në te, ku efikasiteti është gjithashtu më pak se një. Rrjedhimisht, ne do të konsumojmë energji më shumë sesa mund të punojmë.

Natyrisht, 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 është marrë nga gaz natyror. Por ka një problem me ruajtjen dhe transportin e hidrogjenit. Hidrogjeni ka një densitet të vogël ( një litër hidrogjeni peshon 0,0846 grPrandaj, për ta transportuar atë në distanca të gjata duhet të jetë e ngjeshur. Dhe këto janë kosto shtesë të energjisë dhe të parave të gatshme. Gjithashtu mos harroni për sigurinë.

Megjithatë, këtu ekziston edhe një zgjidhje - lëndë djegëse e lëngshme e hidrokarbureve mund të përdoret si një burim hidrogjeni. Për shembull, alkooli etilik ose metil. Vërtetë, një pajisje e veçantë shtesë është e nevojshme - një transducer karburantit, në një temperaturë të lartë (për metanol do të jetë diku 240 ° C) konvertimin e alkooleve në një përzierje të Gaseous H 2 dhe CO 2. Por në këtë rast tashmë është më e vështirë të mendoni për transportueshmërinë - pajisje të tilla përdoren mirë si gjeneratorë të palëvizshëm ose të automobilave, por për teknikat e lëvizshme kompakte ju duhet diçka më pak të rëndë.

Katalizator

Për të rritur reagimin në te, sipërfaqja e anodës zakonisht është një katalizator. Para se të mos ketë kohë, platini u përdor si katalizator. Prandaj, kostoja e qelizës së karburantit ishte e lartë. Së dyti, platini është metal relativisht i rrallë. Sipas ekspertëve, me prodhimin industrial të qelizave të karburantit, rezervat e eksploruara të platinës do të përfundojnë pas 15-20 vjetësh. Por shkencëtarët e të gjithë botës po përpiqen të zëvendësojnë platinën në materiale të tjera. Nga rruga, disa prej tyre arritën rezultate të mira. Pra, shkencëtarët kinezë zëvendësuan platinën në oksid kalciumi (Burimi: www.cheburek.net).

Përdorimi i qelizave të karburantit

Për herë të parë, elementi i karburantit në automjetet u testua në vitin 1959. Traktor Alice-Kgjegjshëm përdoret për të punuar 1008 bateri. Karburanti ishte një përzierje e gazrave, kryesisht propan dhe oksigjen.

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

Nga mesi i viteve '60, krijuesit e anijeve ishin të interesuara në mes të "racës kozmike" nga qelizat e karburantit. Puna e mijëra shkencëtarëve dhe inxhinierëve lejohet të arrijë një nivel të ri, dhe në vitin 1965. Qelizat e karburantit u testuan në Shtetet e Bashkuara në anije kozmike "Gemini-5", dhe më vonë në anijet "Apollo" për fluturimet në hënë dhe programin "Shtatle". Në BRSS, elementët e karburantit u zhvilluan në OJQ "Kvant", gjithashtu për përdorim në hapësirë \u200b\u200b(Burimi: http://www.powerinfo.ru/).

Që nga qeliza e karburantit, produkti përfundimtar i djegies së hidrogjenit është uji, ato konsiderohen më të pastra në aspektin e ndikimit në mjedis. Prandaj, popullariteti i TE filloi të fitojë kundër sfondit të interesit universal në ekologji.

Aktualisht, prodhuesit e makinave, të tilla si Honda, Ford, Nissan dhe Mercedes-Benz, kanë krijuar makina që veprojnë në qelizat e karburantit të hidrogjenit.

Mercedes-Benz - Ener-G-force, hidrogjen

Kur përdorni automjetet në hidrogjen, zgjidhet një problem me ruajtjen e hidrogjenit. Ndërtimi i stacioneve të gazit me hidrogjen do t'ju lejojë të merrni karburant kudo. Veçanërisht e mbushni makinën me hidrogjen më shpejt sesa të ngarkoni një automjet elektrik në karburantim. Por gjatë zbatimit të projekteve të tilla, ata hasën një problem si automjetet elektrike. Njerëzit janë të gatshëm të "transferojnë" në makinë në hidrogjen, nëse ka një infrastrukturë për ta. Dhe ndërtimi i stacioneve të benzinës do të fillojë nëse ka një numër të mjaftueshëm të konsumatorëve. Prandaj, ata erdhën përsëri në dilemën e vezëve dhe pulave.

Përdorimi i gjerë i qelizave të karburantit që gjenden në telefonat mobil dhe laptopë. Kishte një kohë kur telefoni u akuzua një herë në javë. Tani telefoni po akuzon, pothuajse çdo ditë, dhe një kompjuter portativ pa një rrjet punon 3-4 orë. Prandaj, prodhuesit celularë kanë vendosur të sintetizojnë qelizën e karburantit me telefona dhe laptopë për ngarkim dhe punë. Për shembull, kompania Toshiba në vitin 2003. Tregoi prototipin e përfunduar të qelizës së karburantit metanol. Ai jep fuqinë e rreth 100 MW. Një karburant në 2 kube të koncentruar (99.5%) metanol është e mjaftueshme për 20 orë lojtar MPZ. Përsëri, e njëjta "Toshiba" demonstroi një element për të pushtuar madhësinë e laptopit të 275x75x40mm, e cila mundëson që kompjuteri të punojë për 5 orë nga një karburant.

Por disa prodhues shkuan më tej. PowerTrekk ka lëshuar një ngarkues me emrin e të njëjtit emër. PowerTrekk është pajisja e parë e ngarkimit të ujit në botë. Përdoreni është shumë e lehtë. Në PowerTrekk, është e nevojshme për të shtuar ujë për të siguruar energji elektrike të menjëhershme përmes kordonit USB. Kjo qelizë e karburantit përmban pluhur silikoni dhe silicid natriumi (NASI) kur përzihet me ujë, ky kombinim gjeneron hidrogjen. Hidrogjeni është i përzier me ajër në vetë qelizën e karburantit dhe konverton hidrogjenin në energji elektrike nëpërmjet shkëmbimit të protonit të saj, pa tifozë ose pompa. Ju mund të blini një ngarkues të tillë portativ për 149 € (