Qelizat e karburantit. Qelizat e karburantit: një paraqitje e shkurtër në të ardhmen

Shtetet e Bashkuara kanë miratuar disa nisma për të zhvilluar qeliza karburanti hidrogjeni, infrastrukturë dhe teknologji për t'i bërë automjetet me qeliza karburanti praktike dhe ekonomike deri në vitin 2020. Më shumë se një miliard dollarë janë ndarë për këto qëllime.

Qelizat e karburantit prodhojnë energji elektrike në heshtje dhe me efikasitet pa ndotur mjedisin. Ndryshe nga burimet e energjisë që përdorin lëndë djegëse fosile, nënproduktet e qelizave të karburantit janë nxehtësia dhe uji. Si punon?

Në këtë artikull, ne do të rishikojmë shkurtimisht secilën nga teknologjitë ekzistuese të karburantit sot, si dhe do të flasim për projektimin dhe funksionimin e qelizave të karburantit dhe do t'i krahasojmë ato me format e tjera të prodhimit të energjisë. Ne gjithashtu do të diskutojmë disa nga pengesat me të cilat përballen studiuesit për t'i bërë qelizat e karburantit praktike dhe të përballueshme për konsumatorët.

Qelizat e karburantit janë pajisjet elektrokimike të konvertimit të energjisë... Një qelizë karburanti konverton kimikatet, hidrogjenin dhe oksigjenin në ujë, në procesin e prodhimit të energjisë elektrike.

Një pajisje tjetër elektrokimike që ne të gjithë e njohim është bateria. Bateria ka të gjithë elementët e nevojshëm kimikë brenda saj dhe i konverton këto substanca në energji elektrike. Kjo do të thotë që bateria përfundimisht "vdes" dhe ju ose e hidhni ose e rimbushni.

Në një qelizë karburanti, kimikatet po rrjedhin vazhdimisht në të në mënyrë që të mos "vdes" kurrë. Energjia elektrike do të gjenerohet për aq kohë sa ka një rrjedhje të kimikateve në element. Shumica e qelizave të karburantit që përdoren sot përdorin hidrogjen dhe oksigjen.

Hidrogjeni është elementi më i bollshëm në galaktikën tonë. Sidoqoftë, hidrogjeni praktikisht nuk ekziston në Tokë në formën e tij elementare. Inxhinierët dhe shkencëtarët duhet të nxjerrin hidrogjen të pastër nga përbërjet e hidrogjenit, përfshirë lëndët djegëse fosile ose ujin. Për të nxjerrë hidrogjen nga këto komponime, duhet të shpenzoni energji në formën e nxehtësisë ose energjisë elektrike.

Shpikja e qelizave të karburantit

Sir William Grove shpiku qelizën e parë të karburantit në 1839. Grove e dinte që uji mund të ndahet në hidrogjen dhe oksigjen duke kaluar një rrymë elektrike përmes tij (një proces i quajtur elektrolizë) Ai sugjeroi që në renditje të kundërt, energjia elektrike dhe uji mund të merren. Ai krijoi një qelizë primitive të karburantit dhe e quajti atë bateri galvanike me gaz... Duke eksperimentuar me shpikjen e tij të re, Grove vërtetoi hipotezën e tij. Pesëdhjetë vjet më vonë, shkencëtarët Ludwig Mond dhe Charles Langer shpikën termin qelizat e karburantit kur përpiqemi të ndërtojmë një model praktik për prodhimin e energjisë elektrike.

Qeliza e karburantit do të konkurrojë me shumë pajisje të tjera të konvertimit të energjisë, duke përfshirë turbinat e gazit në termocentralet urbane, motorët me djegie të brendshme në makina dhe të gjitha llojet e baterive. Motorët me djegie të brendshme, si turbinat me gaz, djegin një sërë karburantesh dhe përdorin presionin e krijuar nga zgjerimi i gazrave për të kryer punë mekanike. Bateritë konvertojnë energjinë kimike në energji elektrike kur është e nevojshme. Qelizat e karburantit duhet t'i kryejnë këto detyra në mënyrë më efikase.

Qeliza e karburantit siguron tension DC (rrymë direkte) që mund të përdoret për të fuqizuar motorët elektrikë, ndriçimin dhe pajisjet e tjera elektrike.

Ekzistojnë disa lloje të ndryshme të qelizave të karburantit, secila prej të cilave përdor një proces të ndryshëm kimik. Qelizat e karburantit zakonisht klasifikohen sipas tyre temperatura e funksionimit dhe llojielektrolit, të cilat ata po i përdorin. Disa lloje të qelizave të karburantit janë të përshtatshme për përdorim në termocentralet stacionare. Të tjerët mund të jenë të dobishëm për pajisjet e vogla të dorës ose për furnizimin me energji të makinave. Llojet kryesore të qelizave të karburantit përfshijnë:

Qeliza e karburantit të membranës së shkëmbimit polimer (PEMFC)

PEMFC konsiderohet si kandidati më i mundshëm për aplikimet e transportit. PEMFC ka fuqi të lartë dhe temperaturë relativisht të ulët të funksionimit (duke filluar nga 60 në 80 gradë Celsius). Një temperaturë e ulët e funksionimit do të thotë që qelizat e karburantit mund të nxehen shpejt për të filluar prodhimin e energjisë elektrike.

Qeliza e karburantit me oksid të ngurtë (SOFC)

Këto qeliza karburanti janë më të përshtatshme për gjeneratorë të mëdhenj të energjisë të palëvizshëm që mund të furnizojnë me energji një fabrikë ose qytet. Ky lloj qelize karburanti funksionon në temperatura shumë të larta (700 deri në 1000 gradë Celsius). Temperatura e lartë është një problem besueshmërie sepse disa nga qelizat e karburantit mund të dështojnë pas disa cikleve të ndezjes dhe fikjes. Sidoqoftë, qelizat e karburantit me oksid të ngurtë janë shumë të qëndrueshëm në funksionim të vazhdueshëm. Në të vërtetë, SOFC -të kanë treguar jetëgjatësinë më të gjatë të çdo qelize karburanti në kushte të caktuara. Temperatura e lartë gjithashtu ka një avantazh: avulli i gjeneruar nga qelizat e karburantit mund të drejtohet në turbinat dhe të prodhojë më shumë energji elektrike. Ky proces quhet bashkëprodhimi i nxehtësisë dhe energjisë elektrike dhe përmirëson efikasitetin e përgjithshëm të sistemit.

Qeliza e karburantit alkaline (AFC)

Shtë një nga modelet më të vjetra të qelizave të karburantit në përdorim që nga vitet 1960. AFC -të janë shumë të ndjeshëm ndaj ndotjes pasi 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 vihet në prodhim masiv.

Qeliza e karburantit të shkrirë (MCFC)

Ashtu si SOFC -të, këto qeliza karburanti janë gjithashtu më të përshtatshmet për termocentralet dhe gjeneratorët e mëdhenj të palëvizshëm. Ata veprojnë në 600 gradë Celsius, kështu që ata mund të gjenerojnë avull, i cili nga ana e tij mund të përdoret për të gjeneruar edhe më shumë energji. Ata kanë një temperaturë më të ulët të funksionimit sesa qelizat e karburantit me oksid të ngurtë, që do të thotë se ata nuk kanë nevojë për materiale të tilla rezistente ndaj nxehtësisë. Kjo i bën ato pak më të lira.

Qeliza e karburantit me acid fosforik (PAFC)

Qelizë karburanti e acidit fosforik ka potencialin për t'u përdorur në sistemet e vogla të energjisë të palëvizshme. Ajo funksionon në një temperaturë më të lartë se një qelizë karburanti e membranës së shkëmbimit polimer, kështu që kërkon më shumë kohë për t'u ngrohur, duke e bërë atë të papërshtatshëm për përdorim në automobila.

Qeliza e drejtpërdrejtë e karburantit metanol (DMFC)

Qelizat e karburantit metanol janë të krahasueshme me PEMFC për sa i përket temperaturës së funksionimit, por jo aq efikase. Për më tepër, DMFC -të kërkojnë mjaft platin për të vepruar si katalizator, gjë që i bën këto qeliza karburanti të shtrenjta.

Qeliza e karburantit me membranë shkëmbimi polimer

Qeliza e karburantit të shkëmbimit të membranës polimer (PEMFC) është një nga teknologjitë më premtuese të qelizave të karburantit. PEMFC përdor një nga reagimet më të thjeshta të çdo qelize karburanti. Konsideroni nga se përbëhet.

1. A nyje - terminal negativ i qelizës së karburantit. Ai përçon elektrone, të cilat lirohen nga molekulat e hidrogjenit, pas së cilës ato mund të përdoren në qarkun e jashtëm. Ka kanale të gdhendura përmes të cilave gazi i hidrogjenit shpërndahet në mënyrë të barabartë mbi sipërfaqen e katalizatorit.

2.P TOR atode - terminali pozitiv i qelizës së karburantit gjithashtu ka kanale për shpërndarjen e oksigjenit mbi sipërfaqen e katalizatorit. Ai gjithashtu përcjell elektronet nga zinxhiri i jashtëm katalizator, ku mund të kombinohen me jonet e hidrogjenit dhe oksigjenit për të formuar ujë.

3.Membrana e shkëmbimit elektrolit-proton... Shtë një material i përpunuar posaçërisht që përcjell vetëm jone të ngarkuar pozitivisht dhe bllokon elektronet. Me PEMFC, membrana duhet të jetë e lagur në mënyrë që të funksionojë siç duhet dhe të mbetet e qëndrueshme.

4. Katalizator Materialshtë një material i veçantë që nxit reagimin e oksigjenit dhe hidrogjenit. Zakonisht është bërë nga nanoprimca platini të aplikuara shumë hollë në letër ose pëlhurë karboni. Katalizatori ka një strukturë sipërfaqësore të tillë që sipërfaqja maksimale e platinës mund të ekspozohet ndaj hidrogjenit ose oksigjenit.

Figura tregon gazin hidrogjen (H2) nën presion në qelizën e karburantit nga ana e anodës. Kur një molekulë H2 bie në kontakt me platinin në katalizator, ajo ndahet në dy jone H + dhe dy elektrone. Elektronet kalojnë nëpër anodë, ku ato përdoren në një qark të jashtëm (duke bërë punë të dobishme, të tilla si rrotullimi i një motori) dhe përsëri në anën katodike të qelizës së karburantit.

Ndërkohë, në anën katodike të qelizës së karburantit, oksigjeni (O2) nga ajri kalon përmes katalizatorit ku formon dy atome oksigjeni. Secili prej këtyre atomeve ka një ngarkesë të fortë negative. Kjo ngarkesë negative tërheq dy jone H + nëpër membranë, ku ato kombinohen me një atom oksigjeni dhe dy elektrone që vijnë nga një qark i jashtëm për të formuar një molekulë uji (H2O).

Ky reagim në një qelizë të vetme të karburantit prodhon vetëm rreth 0.7 volt. Për të ngritur tensionin në një nivel të arsyeshëm, shumë qeliza karburanti individuale duhet të kombinohen për të formuar një pirg të qelizave të karburantit. Pllakat bipolare përdoren për të lidhur një qelizë karburanti me një tjetër dhe pësojnë oksidim de-potencial. Një problem i madh me pllakat bipolare është qëndrueshmëria e tyre. Pllakat bipolare metalike mund të gërryhen dhe nënproduktet (jonet e hekurit dhe kromit) zvogëlojnë efikasitetin e membranave dhe elektrodave të qelizave të karburantit. Prandaj, qelizat e karburantit me temperaturë të ulët përdorin metale të lehta, grafit dhe komponime të përbëra të karbonit dhe materialit termosetues (materiali termosetues është një lloj plastike që mbetet e fortë edhe kur ekspozohet ndaj temperaturave të larta) në formën e një materiali fletë bipolare.

Efikasiteti i qelizave të karburantit

Reduktimi i ndotjes është një nga qëllimet kryesore të një qelize karburanti. Duke krahasuar një makinë të mundësuar nga një qelizë karburanti me një makinë të mundësuar nga një motor benzine dhe një makinë të mundësuar nga një bateri, do të shihni se si qelizat e karburantit mund të përmirësojnë efikasitetin e makinave.

Meqenëse të tre llojet e makinave kanë shumë përbërës të njëjtë, ne do ta injorojmë këtë pjesë të makinës dhe do të krahasojmë efikasitetet deri në pikën ku prodhohet energjia mekanike. Le të fillojmë me një makinë me qeliza karburanti.

Nëse një qelizë karburanti mundësohet nga hidrogjeni i pastër, efikasiteti i tij mund të jetë deri në 80 përqind. Kështu, ajo konverton 80 për qind të përmbajtjes së energjisë së hidrogjenit në energji elektrike. Sidoqoftë, ne ende duhet të konvertojmë energjinë elektrike në punë mekanike. Kjo arrihet nga një motor elektrik dhe një inverter. Efikasiteti i motorit + inverter është gjithashtu afërsisht 80 përqind. Kjo jep një efikasitet total prej afërsisht 80 * 80/100 = 64 përqind. Koncepti i automjetit FCX të Honda thuhet se ka 60 për qind efikasitet energjie.

Nëse burimi i karburantit nuk është hidrogjen i pastër, atëherë automjeti gjithashtu do të ketë nevojë për një reformator. Reformatorët konvertojnë karburantet hidrokarbure ose alkooli në hidrogjen. Ato prodhojnë nxehtësi dhe prodhojnë CO dhe CO2 përveç hidrogjenit. Ata përdorin pajisje të ndryshme për të pastruar hidrogjenin e prodhuar, por ky pastrim është i pamjaftueshëm dhe ul efikasitetin e qelizës së karburantit. Prandaj, studiuesit vendosën të përqëndrohen në qelizat e karburantit për automjetet e mundësuar nga hidrogjeni i pastër, pavarësisht problemeve që lidhen me prodhimin dhe ruajtjen e hidrogjenit.

Efikasiteti i një motori benzine dhe një makine në bateri elektrike

Efikasiteti i një makine me benzinë ​​është çuditërisht i ulët. E gjithë nxehtësia që del në shkarkim ose absorbohet nga radiatori është energji e humbur. Motori gjithashtu përdor shumë energji për të kthyer pompat, tifozët dhe gjeneratorët e ndryshëm që e mbajnë atë në punë. Kështu, efikasiteti i përgjithshëm i një motori benzine automobilistik është afërsisht 20 përqind. Kështu, vetëm rreth 20 përqind e përmbajtjes së energjisë termike të benzinës shndërrohet në punë mekanike.

Një automjet elektrik me bateri ka një efikasitet mjaft të lartë. Bateria ka një efikasitet prej rreth 90 përqind (shumica e baterive prodhojnë nxehtësi ose duhet të nxehen), dhe një motor elektrik + inverter me një efikasitet prej rreth 80 përqind. Kjo jep një efikasitet të përgjithshëm prej afërsisht 72 përqind.

Por kjo nuk është e tëra. Në mënyrë që një makinë elektrike të lëvizë, energjia elektrike së pari duhet të gjenerohet diku. Nëse do të ishte një termocentral që përdorte djegie të lëndëve djegëse fosile (në vend të energjisë bërthamore, hidroelektrike, diellore ose të erës), atëherë vetëm rreth 40 përqind e karburantit të termocentralit u shndërrua në energji elektrike. Plus, procesi i karikimit të makinës kërkon konvertimin e energjisë AC në atë DC. Ky proces ka një efikasitet prej afro 90 përqind.

Tani, nëse shikojmë të gjithë ciklin, efikasiteti i një automjeti elektrik është 72 përqind për veturën, 40 përqind për një termocentral dhe 90 përqind për karikimin e makinës. Kjo jep një efikasitet të përgjithshëm prej 26 përqind. Efikasiteti i përgjithshëm ndryshon shumë në varësi të stacionit të energjisë që përdoret për të ngarkuar baterinë. Nëse energjia elektrike për makinën prodhohet, për shembull, nga një hidrocentral, atëherë efikasiteti i makinës elektrike do të jetë afërsisht 65 përqind.

Shkencëtarët po hulumtojnë dhe përmirësojnë modelet për të vazhduar të përmirësojnë efikasitetin e qelizës së karburantit. Një qasje e re është integrimi i automjeteve me qeliza karburanti dhe bateri. Një automjet koncept i mundësuar nga një motor hibrid me qeliza karburanti është duke u zhvilluar. Ai përdor një bateri litiumi për të fuqizuar automjetin ndërsa qeliza e karburantit rimbush baterinë.

Automjetet me qeliza karburanti janë potencialisht po aq efikase sa një makinë me bateri që po ngarkohet nga një termocentral që nuk përdor lëndë djegëse fosile. Por arritja e këtij potenciali në një mënyrë praktike dhe të përballueshme mund të jetë e vështirë.

Pse të përdorni qeliza karburanti?

Arsyeja kryesore është gjithçka që lidhet me naftën. Amerika duhet të importojë gati 60 përqind të naftës së saj. Deri në vitin 2025, importet pritet të rriten në 68%. Amerikanët përdorin dy të tretat e naftës së tyre çdo ditë për transport. Edhe nëse çdo makinë në rrugë do të ishte një makinë hibride, deri në vitin 2025 SHBA do të vazhdonte të përdorte të njëjtën sasi vaji që konsumuan amerikanët në vitin 2000. Në të vërtetë, Amerika konsumon një të katërtën e naftës në botë, edhe pse vetëm 4.6% e popullsisë së botës jeton këtu.

Ekspertët presin që çmimet e naftës të vazhdojnë të rriten gjatë disa dekadave të ardhshme pasi burimet më të lira janë shterur. Kompanitë e naftës duhet të zhvillojnë fushat e naftës në një mjedis gjithnjë e më të vështirë, i cili do të rrisë çmimet e naftës.

Frika shtrihet përtej sigurisë ekonomike. Shumë fonde të marra nga shitja e naftës shpenzohen për mirëmbajtjen e terrorizmit ndërkombëtar, partitë radikale politike dhe një situatë të paqëndrueshme në rajonet prodhuese të naftës.

Përdorimi i naftës dhe karburanteve të tjera fosile për energji prodhon ndotje. Everyoneshtë më e përshtatshme për të gjithë që të gjejnë një alternativë - djegia e lëndëve djegëse fosile për energji.

Qelizat e karburantit janë një alternativë tërheqëse ndaj varësisë nga nafta. Në vend të ndotjes, qelizat e karburantit prodhojnë ujë të pastër si një nënprodukt. Ndërsa inxhinierët janë përqendruar përkohësisht në prodhimin e hidrogjenit nga burime të ndryshme fosile si benzina ose gazi natyror, mënyra të rinovueshme, miqësore me mjedisin për të prodhuar hidrogjen, janë duke u eksploruar në të ardhmen. Më premtuesi, natyrisht, do të jetë procesi i prodhimit të hidrogjenit nga uji.

Varësia nga nafta dhe ngrohja globale janë një problem ndërkombëtar. Disa vende janë përfshirë së bashku në zhvillimin e kërkimit dhe zhvillimit të teknologjisë së qelizave të karburantit.

Natyrisht, shkencëtarët dhe prodhuesit duhet të punojnë shumë para se qelizat e karburantit të bëhen një alternativë ndaj metodave moderne të prodhimit të energjisë. Megjithatë, me mbështetjen mbarëbotërore dhe bashkëpunimin global, një sistem energjie i qëndrueshëm i qelizave të karburantit mund të jetë realitet në vetëm disa dekada.

Ngjashëm me ekzistencën e llojeve të ndryshme të motorëve me djegie të brendshme, ekzistojnë lloje të ndryshme të qelizave të karburantit - zgjedhja e llojit të duhur të qelizës së karburantit varet nga aplikimi.

Qelizat e karburantit ndahen në temperaturë të lartë dhe temperaturë të ulët. Qelizat e karburantit me temperaturë të ulët kërkojnë hidrogjen relativisht të pastër si lëndë djegëse. Kjo shpesh nënkupton që përpunimi i karburantit kërkohet për të konvertuar karburantin parësor (siç është gazi natyror) në hidrogjen të pastër. Ky proces konsumon energji shtesë dhe kërkon pajisje speciale. Qelizat e karburantit me temperaturë të lartë nuk kanë nevojë për këtë procedurë shtesë, pasi ato mund të kryejnë një "konvertim të brendshëm" të karburantit në temperatura të larta, që do të thotë se nuk ka nevojë të investohet në infrastrukturën e hidrogjenit.

Qelizat e karburantit të bazuara në karbonat të shkrirë (RKTE)

Qelizat e karburantit të shkrirë të elektroliteve janë qeliza të karburantit me temperaturë të lartë. Temperatura e lartë e funksionimit lejon që gazi natyror të përdoret drejtpërdrejt pa një karburant procesori dhe gaz karburanti me vlerë të ulët kalorifike për proceset industriale dhe burime të tjera. Ky proces u zhvillua në mesin e viteve 1960. Që atëherë, teknologjia e prodhimit, performanca dhe besueshmëria janë përmirësuar.

Funksionimi i RKTE është i ndryshëm nga qelizat e tjera të karburantit. Këto qeliza përdorin një elektrolit nga një përzierje e kripërave të karbonatit të shkrirë. Aktualisht, ekzistojnë dy lloje të përzierjeve në përdorim: karbonat litiumi dhe karbonat kaliumi ose karbonat litiumi dhe karbonat natriumi. Për të shkrirë kripërat karbonatike dhe për të arritur një shkallë të lartë të lëvizshmërisë së joneve në elektrolit, qelizat e karburantit me elektrolit karbonat të shkrirë funksionojnë në temperatura të larta (650 ° C). Efikasiteti ndryshon midis 60-80%.

Kur nxehen në 650 ° C, kripërat bëhen përcjellëse për jonet karbonatike (CO 3 2-). Këta jone kalojnë nga katoda në anodë, ku kombinohen me hidrogjenin për të formuar ujë, dioksid karboni dhe elektrone të lira. Këto elektrone kanalizohen përsëri në katodë përmes një qarku të jashtëm elektrik, duke gjeneruar rrymë elektrike dhe nxehtësi si një nënprodukt.

Reagimi në anodë: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reagimi në katodë: CO 2 + 1/2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Reagimi i përgjithshëm i elementit: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (katodë) => H 2 O (g) + CO 2 (anodë)

Temperaturat e larta të funksionimit të qelizave të karburantit të shkrirë të elektrolitit kanë avantazhe të caktuara. Në temperatura të larta, gazi natyror reformohet brenda, duke eleminuar nevojën për një procesor karburanti. Për më tepër, përfitimet përfshijnë aftësinë për të përdorur materiale standarde të ndërtimit, të tilla si fletë çeliku inox dhe një katalizator nikeli në elektroda. Nxehtësia e mbeturinave mund të përdoret për të gjeneruar avull me presion të lartë për një sërë qëllimesh industriale dhe tregtare.

Temperaturat e larta të reagimit në elektrolit gjithashtu kanë përparësi. Përdorimi i temperaturave të larta kërkon shumë kohë për të arritur kushtet optimale të funksionimit dhe sistemi i përgjigjet më ngadalë ndryshimeve në konsumin e energjisë. Këto karakteristika lejojnë përdorimin e instalimeve të qelizave të karburantit me elektrolit karbonat të shkrirë në kushte të fuqisë konstante. Temperaturat e larta parandalojnë dëmtimin e monoksidit të karbonit në qelizën e karburantit, "helmimin", etj.

Qelizat e karburantit të shkrirë të elektrolitit të shkrirë janë të përshtatshme për përdorim në instalime të mëdha të palëvizshme. Termocentralet me fuqi elektrike prej 2.8 MW prodhohen në mënyrë industriale. Instalimet me fuqi dalëse deri në 100 MW janë duke u zhvilluar.

Qelizat e karburantit të acidit fosforik (FCTE)

Qelizat e karburantit me acid fosforik (ortofosforik) ishin qelizat e para të karburantit për përdorim komercial. Ky proces u zhvillua në mesin e viteve 1960 dhe është testuar që nga vitet 1970. Që atëherë, stabiliteti është rritur, performanca është zvogëluar dhe kostoja është zvogëluar.

Qelizat e karburantit të bazuara në acid fosforik (ortofosforik) përdorin një elektrolit të bazuar në acid fosforik (H 3 PO 4) me një përqendrim deri në 100%. Përçueshmëria jonike e acidit fosforik është e ulët në temperatura të ulëta, kjo është arsyeja pse këto qeliza karburanti përdoren në temperatura deri në 150–220 ° C.

Mbartësi i ngarkesës në këtë lloj qelize karburanti është hidrogjeni (H +, proton). Një proces i ngjashëm ndodh në qelizat e karburantit me një membranë të shkëmbimit të protoneve (MOPTE), në të cilën hidrogjeni i furnizuar në anodë ndahet në protone dhe elektrone. Protonet udhëtojnë përmes elektrolitit dhe kombinohen me oksigjenin nga ajri në katodë për të formuar ujë. Elektronet kanalizohen përmes një qarku të jashtëm elektrik, duke gjeneruar një rrymë elektrike. Më poshtë janë reagimet që prodhojnë energji elektrike dhe nxehtësi.

Reagimi në anodë: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reagimi në katodë: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2H 2 O
Reagimi i përgjithshëm i elementit: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Efikasiteti i qelizave të karburantit bazuar në acidin fosforik (ortofosforik) është më shumë se 40% kur gjeneron energji elektrike. Me prodhimin e kombinuar të nxehtësisë dhe energjisë, efikasiteti i përgjithshëm është rreth 85%. Përveç kësaj, duke pasur parasysh temperaturat e funksionimit, nxehtësia e mbeturinave mund të përdoret për të ngrohur ujin dhe për të gjeneruar avull në presionin atmosferik.

Performanca e lartë e termocentraleve në qelizat e karburantit të bazuara në acid fosforik (ortofosforik) në prodhimin e kombinuar të nxehtësisë dhe energjisë elektrike është një nga avantazhet e këtij lloji të qelizave të karburantit. Bimët përdorin monoksid karboni me një përqendrim prej rreth 1.5%, i cili zgjeron ndjeshëm zgjedhjen e karburantit. Për më tepër, CO 2 nuk ndikon në elektrolitin dhe funksionimin e qelizës së karburantit; ky lloj qelize punon me lëndë djegëse natyrore të reformuar. Dizajni i thjeshtë, paqëndrueshmëria e ulët e elektroliteve dhe rritja e qëndrueshmërisë janë gjithashtu përparësi të këtij lloji të qelizave të karburantit.

Termocentralet me fuqi elektrike deri në 400 kW prodhohen në mënyrë industriale. Njësitë 11 MW janë testuar në përputhje me rrethanat. Instalimet me fuqi dalëse deri në 100 MW janë duke u zhvilluar.

Qelizat e karburantit të shkëmbimit të protonit të membranës (MOPTE)

Qelizat e karburantit të membranës konsiderohen lloji më i mirë i qelizave të karburantit për gjenerimin e fuqisë së automjeteve, të cilat mund të zëvendësojnë motorët me djegie të brendshme të benzinës dhe naftës. Këto qeliza karburanti u përdorën për herë të parë nga NASA për programin Binjakët. Sot, njësitë MOPTE me një kapacitet nga 1W në 2 kW po zhvillohen dhe demonstrohen.

Këto qeliza karburanti përdorin një membranë polimer të ngurtë (film plastik i hollë) si elektrolit. Kur ngopet me ujë, ky polimer lejon që protonet të kalojnë, por nuk përçon elektrone.

Karburanti është hidrogjen, dhe bartësi i ngarkesës është një jon hidrogjeni (proton). Në anodë, një molekulë hidrogjeni ndahet në një jon hidrogjeni (proton) dhe elektrone. Jonet e hidrogjenit kalojnë përmes elektrolitit në katodë, ndërsa elektronet lëvizin rreth rrethit të jashtëm dhe prodhojnë energji elektrike. Oksigjeni, i cili merret nga ajri, ushqehet në katodë dhe kombinohet me elektronet dhe jonet e hidrogjenit për të formuar ujë. Reagimet e mëposhtme ndodhin në elektroda:

Reagimi në anodë: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reagimi në katodë: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
Reagimi i përgjithshëm i elementit: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Krahasuar me llojet e tjera të qelizave të karburantit, qelizat e karburantit të membranës së shkëmbimit proton prodhojnë më shumë energji për një vëllim ose peshë të caktuar të qelizës së karburantit. Kjo veçori i lejon ata të jenë kompakt dhe të lehtë. Për më tepër, temperatura e funksionimit është më pak se 100 ° C, gjë që lejon fillimin e shpejtë. Këto karakteristika, si dhe aftësia për të ndryshuar shpejt prodhimin e energjisë, janë vetëm disa nga karakteristikat që i bëjnë këto qeliza karburanti një kandidat kryesor për përdorimin e automjeteve.

Një avantazh tjetër është se elektroliti është një substancë e ngurtë, jo e lëngshme. Mbajtja e gazrave në katodë dhe anodë është më e lehtë me një elektrolit të fortë, dhe për këtë arsye qeliza të tilla karburanti janë më të lira për t'u prodhuar. Krahasuar me elektrolitet e tjerë, kur përdorni një elektrolit të ngurtë, nuk ka vështirësi të tilla si orientimi, ka më pak probleme për shkak të shfaqjes së korrozionit, gjë që çon në një jetë më të gjatë të qelizës dhe përbërësve të saj.

Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë (SOFC)

Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë janë qelizat e karburantit me temperaturën më të lartë të funksionimit. Temperatura e funksionimit mund të ndryshojë nga 600 ° C në 1000 ° C, gjë që lejon që lloje të ndryshme të karburantit të përdoren pa para-trajtim të veçantë. Për të trajtuar temperatura të tilla të larta, elektroliti i përdorur është një oksid metalik i ngurtë, i bazuar në qeramikë, shpesh një aliazh i yttrium dhe zirkonium, i cili është një përcjellës i joneve të oksigjenit (O 2 -). Teknologjia e përdorimit të qelizave të karburantit me oksid të ngurtë është zhvilluar që nga fundi i viteve 1950. dhe ka dy konfigurime: planare dhe tubulare.

Elektroliti i ngurtë siguron një kalim hermetikisht të mbyllur të gazit nga një elektrodë në tjetrën, ndërsa elektrolitet e lëngët janë të vendosura në një substrat poroz. Mbartësi i ngarkesës në këtë lloj qelize karburanti është një jon oksigjeni (O 2 -). Në katodë, molekulat e oksigjenit nga ajri ndahen në një jon oksigjeni dhe katër elektrone. Jonet e oksigjenit kalojnë përmes elektrolitit dhe kombinohen me hidrogjenin për të formuar katër elektrone të lira. Elektronet kanalizohen përmes një qarku të jashtëm elektrik, duke gjeneruar rrymë elektrike dhe nxehtësi të humbur.

Reagimi në anodë: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Reagimi në katodë: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Reagimi i përgjithshëm i elementit: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Efikasiteti i energjisë elektrike të gjeneruar është më i larti nga të gjitha qelizat e karburantit - rreth 60%. Për më tepër, temperaturat e larta të funksionimit mundësojnë gjenerimin e kombinuar të nxehtësisë dhe energjisë për të gjeneruar avull me presion të lartë. Kombinimi i një qelize karburanti me temperaturë të lartë me një turbinë bën të mundur krijimin e një qelize karburanti hibrid për të rritur efikasitetin e prodhimit të energjisë elektrike deri në 70%.

Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë funksionojnë në temperatura shumë të larta (600 ° C - 1000 ° C), gjë që kërkon shumë kohë për të arritur kushtet optimale të funksionimit, dhe sistemi i përgjigjet më ngadalë ndryshimeve në konsumin e energjisë. Në temperatura të tilla të larta të funksionimit, një konvertues nuk kërkohet të nxjerrë hidrogjenin nga karburanti, gjë që lejon që termocentrali të funksionojë me lëndë djegëse relativisht të papastra që rezultojnë nga gazifikimi i qymyrit ose gazrave të mbeturinave dhe të ngjashme. Gjithashtu, kjo qelizë karburanti është e shkëlqyeshme për funksionimin e fuqisë së lartë, duke përfshirë termocentralet industriale dhe të mëdha qendrore. Modulet me fuqi elektrike dalëse prej 100 kW prodhohen në treg.

Qelizat e karburantit të oksidimit të drejtpërdrejtë të metanolit (POMTE)

Teknologjia e përdorimit të qelizave të karburantit me oksidim të drejtpërdrejtë të metanolit po kalon një periudhë të zhvillimit aktiv. Ajo është vendosur me sukses në fushën e fuqizimit të celularëve, laptopëve, si dhe për krijimin e burimeve portative të energjisë. drejt së cilës synohet përdorimi i këtyre elementeve në të ardhmen.

Dizajni i qelizave të karburantit me oksidim të drejtpërdrejtë të metanolit është i ngjashëm me qelizat e karburantit me një membranë të shkëmbimit të protoneve (MOPTE), d.m.th. një polimer përdoret si elektrolit, dhe një jon hidrogjeni (proton) përdoret si një bartës i ngarkesës. Sidoqoftë, metanoli i lëngshëm (CH 3 OH) oksidohet në prani të ujit në anodë me lëshimin e CO 2, joneve të hidrogjenit dhe elektroneve, të cilët kanalizohen përmes një qarku të jashtëm elektrik, duke gjeneruar kështu një rrymë elektrike. Jonet e hidrogjenit kalojnë nëpër elektrolit dhe reagon me oksigjenin nga ajri dhe elektronet nga qarku i jashtëm për të formuar ujë në anodë.

Reagimi në anodë: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reagimi në katodë: 3/2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Reagimi i përgjithshëm i elementit: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Zhvillimi i këtyre qelizave të karburantit filloi në fillim të viteve 1990. Me zhvillimin e katalizatorëve të përmirësuar dhe inovacioneve të tjera të fundit, dendësia dhe efikasiteti i fuqisë janë rritur në 40%.

Këta elementë u testuan në një gamë të temperaturës prej 50-120 ° C. Me temperaturat e tyre të ulëta të funksionimit dhe pa nevojën e një konvertuesi, qelizat e drejtpërdrejta të karburantit metanol janë kandidati më i mirë për aplikime si në telefonat celularë ashtu edhe në produktet e tjera të konsumit dhe motorët e automobilave. Avantazhi i këtij lloji të qelizave të karburantit është madhësia e tij e vogël, për shkak të përdorimit të karburantit të lëngshëm dhe mungesës së nevojës për një konvertues.

Qelizat e karburantit alkaline (SHFC)

Qelizat e karburantit alkaline (ALFC) janë një nga teknologjitë më të studiuara, të përdorura që nga mesi i viteve 1960. nga NASA në programet Apollo dhe Space Shuttle. Në këto anije kozmike, qelizat e karburantit prodhojnë energji elektrike dhe ujë të pijshëm. Qelizat alkaline të karburantit janë një nga elementët më efikas të përdorur për të gjeneruar energji elektrike, me efikasitet të prodhimit të energjisë që arrin deri në 70%.

Qelizat alkaline të karburantit përdorin një elektrolit, domethënë një zgjidhje ujore të hidroksidit të kaliumit të përmbajtur në një matricë poroze të stabilizuar. Përqendrimi i hidroksidit të kaliumit mund të ndryshojë në varësi të temperaturës së funksionimit të qelizës së karburantit, e cila varion nga 65 ° C në 220 ° C. Mbartësi i ngarkesës në SHFC është një jon hidroksil (OH -), i cili lëviz nga katoda në anodë, ku reagon me hidrogjenin, duke prodhuar ujë dhe elektrone. Uji i prodhuar në anodë lëviz përsëri në katodë, duke gjeneruar përsëri jone hidroksil atje. Kjo seri reagimesh në qelizën e karburantit prodhon energji elektrike dhe, si një nënprodukt, nxehtësi:

Reagimi në anodë: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reagimi në katodë: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
Reagimi i përgjithshëm i sistemit: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Avantazhi i SHFC -ve është se këto qeliza karburanti janë më të lira për t'u prodhuar, pasi katalizatori që nevojitet në elektroda mund të jetë ndonjë prej substancave më të lira se ato të përdorura si katalizatorë për qelizat e tjera të karburantit. Për më tepër, SCFC -të veprojnë në një temperaturë relativisht të ulët dhe janë një nga qelizat e karburantit më efikase - karakteristika të tilla mund të kontribuojnë në përshpejtimin e prodhimit të energjisë dhe efikasitet të lartë të karburantit.

Një nga karakteristikat karakteristike të SHFC është ndjeshmëria e tij e lartë ndaj CO 2, e cila mund të përmbahet në karburant ose ajër. CO 2 reagon me elektrolitin, e helmon shpejt atë dhe zvogëlon shumë efikasitetin e qelizës së karburantit. Prandaj, përdorimi i SHTE është i kufizuar në hapësira të mbyllura, siç janë automjetet hapësinore dhe nënujore, ato duhet të veprojnë me hidrogjen dhe oksigjen të pastër. Për më tepër, molekulat si CO, H 2 O dhe CH 4, të cilat janë të sigurta për qelizat e tjera të karburantit, madje edhe karburant për disa prej tyre, janë të dëmshme për SHFC.

Qelizat e karburantit polimer elektrolit (PETE)

Në rastin e qelizave të karburantit të elektrolitit polimer, membrana polimer përbëhet nga fibra polimer me rajone uji në të cilat përçueshmëria e joneve të ujit H 2 O + (proton, e kuqe) është ngjitur në molekulën e ujit. Molekulat e ujit përbëjnë një problem për shkak të shkëmbimit të ngadaltë të joneve. Prandaj, kërkohet një përqendrim i lartë i ujit si në karburant ashtu edhe në elektrodat e daljes, gjë që kufizon temperaturën e funksionimit në 100 ° C.

Qelizat e karburantit të acidit të ngurtë (TKTE)

Në qelizat e ngurta të karburantit me acid të ngurtë, elektroliti (C s HSO 4) nuk përmban ujë. Prandaj, temperatura e funksionimit është 100-300 ° C. Rrotullimi i anioneve oksi SO 4 2- lejon që protonet (e kuqja) të lëvizin siç tregohet në figurë. Në mënyrë tipike, një qelizë lëndë djegëse e acidit të ngurtë është një sanduiç në të cilin një shtresë shumë e hollë e një përbërësi të acidit të ngurtë vendoset midis dy elektrodave të ngjeshura fort për të siguruar kontakt të mirë. Kur nxehet, përbërësi organik avullon, duke lënë poret në elektroda, duke ruajtur aftësinë e kontakteve të shumta midis karburantit (ose oksigjenit në skajin tjetër të qelizave), elektrolitit dhe elektrodave.

Motori tradicional me djegie të brendshme (ICE) ka një numër të metash të rëndësishme, gjë që i bën shkencëtarët të kërkojnë një zëvendësim të denjë për të. Opsioni më i popullarizuar për një alternativë të tillë është motori elektrik, por nuk është i vetmi që mund të konkurrojë me motorin me djegie të brendshme. Ky artikull do të përqëndrohet në motorin e hidrogjenit, i cili konsiderohet me të drejtë e ardhmja e industrisë së automobilave dhe mund të zgjidhë problemin e emetimeve të dëmshme dhe koston e lartë të karburantit.

Histori e shkurtër

Përkundër faktit se ruajtja e mjedisit është bërë tani një problem masiv, shkencëtarët kanë menduar më parë për ndryshimin e motorit standard të djegies së brendshme. Kështu, një motor me hidrogjen "pa botën" në 1806, i cili u lehtësua nga shpikësi francez François Isaac de Rivaz (ai prodhoi hidrogjen nga elektroliza e ujit).

Kaluan disa dekada, dhe patenta e parë për një motor hidrogjeni u lëshua në Angli (1841), dhe në 1852 shkencëtarët gjermanë projektuan një motor me djegie të brendshme që mund të funksiononte në një përzierje ajër-hidrogjen.

Pak më vonë, gjatë rrethimit të Leningradit, kur benzina ishte në mungesë dhe hidrogjeni ishte i disponueshëm në sasi të mëdha, tekniku Boris Shelishch sugjeroi përdorimin e një përzierje ajër-hidrogjen për funksionimin e balonave breshëri. Pas kësaj, të gjitha ICE-të e çikrikëve të aerostatit u kaluan në energji hidrogjeni, dhe numri i përgjithshëm i makinave me hidrogjen arriti në 600 njësi.

Në gjysmën e parë të shekullit XX, interesi publik për motorët me hidrogjen ishte i ulët, por me ardhjen e krizës së karburantit dhe energjisë të viteve 70, situata ndryshoi në mënyrë dramatike. Në veçanti, në 1879, BMW prodhoi makinën e parë që ishte mjaft e suksesshme në hidrogjen (pa shpërthime dhe avuj uji që dilnin nga tubi i shkarkimit).

Pas BMW, prodhuesit e tjerë të mëdhenj të automjeteve filluan të punojnë në këtë drejtim, dhe deri në fund të shekullit të kaluar, pothuajse çdo kompani automobilistike që respektonte vetveten tashmë kishte konceptin e zhvillimit të një makine me karburant hidrogjeni. Sidoqoftë, me përfundimin e krizës së naftës, interesi publik për burimet alternative të karburantit është zhdukur, megjithëse në ditët e sotme po fillon të zgjohet përsëri, i ushqyer nga ambientalistët që luftojnë për të zvogëluar toksicitetin e gazrave të shkarkimit të makinave.

Për më tepër, çmimet e energjisë dhe dëshira për të fituar pavarësinë e karburantit kontribuojnë vetëm në kryerjen e kërkimit teorik dhe praktik nga shkencëtarët nga shumë vende të botës. Më aktivët janë BMW, General Motors, Honda Motor, Ford Motor.

Fakt interesant! Hidrogjeni është elementi më i bollshëm në Univers, por do të jetë shumë e vështirë për ta gjetur atë në formën e tij të pastër në planetin tonë.

Parimi i funksionimit dhe llojet e një motori hidrogjeni

Dallimi kryesor midis një fabrike hidrogjeni dhe motorëve tradicionalë është metoda e furnizimit të një lëngu karburanti dhe ndezja e mëvonshme e përzierjes së punës. Në të njëjtën kohë, parimi i transformimit të lëvizjeve reciproke të mekanizmit të fiksimit në punë të dobishme mbetet i pandryshuar. Duke marrë parasysh që djegia e mazutit ndodh ngadalë, përzierja karburant-ajër mbush dhomën e djegies para se pistoni të marrë pozicionin e tij më të lartë (e ashtuquajtura qendra e lartë e vdekur).

Reagimi i shpejtë i hidrogjenit bën të mundur zhvendosjen e kohës së injektimit më afër momentit kur pistoni fillon të kthehet në qendrën e vdekur të poshtme. Duhet të theksohet se presioni në sistemin e karburantit nuk do të jetë domosdoshmërisht i lartë.

Nëse krijohen kushte ideale të funksionimit për një motor hidrogjeni, atëherë ai mund të ketë një sistem të furnizimit me karburant të tipit të mbyllur, kur procesi i formimit të përzierjes zhvillohet pa pjesëmarrjen e rrymave të ajrit atmosferik. Në këtë rast, pas goditjes së ngjeshjes, avulli i ujit mbetet në dhomën e djegies, i cili, duke kaluar nëpër radiator, kondensohet dhe përsëri kthehet në ujë të zakonshëm.

Sidoqoftë, përdorimi i këtij lloji të pajisjes është i mundur vetëm kur automjeti ka një elektrolizues që ndan hidrogjenin nga uji për reaksionin e tij të ri me oksigjenin. Për momentin, është jashtëzakonisht e vështirë të arrihen rezultate të tilla. Përdoret për funksionimin e qëndrueshëm të motorit, dhe avujt e tij janë pjesë e gazrave të shkarkimit.

Prandaj, fillimi pa probleme i termocentralit dhe funksionimi i tij i qëndrueshëm në gazin oksidrogjen pa përdorimin e ajrit atmosferik është deri tani një detyrë e pamundur. Ekzistojnë dy variante të impianteve të hidrogjenit automobilistik:njësitë që veprojnë në bazë të qelizave të karburantit të hidrogjenit dhe motorëve me djegie të brendshme të hidrogjenit.

Termocentralet bazuar në qelizat e karburantit të hidrogjenit

Parimi i funksionimit të qelizave të karburantit bazohet në reaksionet fizike dhe kimike. Në fakt, këto janë të njëjtat bateri për ruajtjen e plumbit, por efikasiteti i qelizës së karburantit është pak më i lartë se bateria, dhe është rreth 45% (ndonjëherë më shumë).

Një membranë është vendosur në trupin e qelizës së karburantit hidrogjen-oksigjen (ajo përçon vetëm protonet), e cila ndan dhomën me anodën dhe dhomën me katodën. Hidrogjeni hyn në dhomën me anodën, dhe oksigjeni hyn në dhomën e katodës. Çdo elektrodë është e mbuluar paraprakisht me një shtresë katalizatori, e cila shpesh luhet nga platini. Kur ekspozohet ndaj tij, hidrogjeni molekular fillon të humbasë elektronet.

Në të njëjtën kohë, protonet kalojnë përmes membranës në katodë dhe, nën ndikimin e të njëjtit katalizator, kombinohen me elektronet që vijnë nga jashtë. Si rezultat i reagimit, uji formohet dhe elektronet nga dhoma e anodës lëvizin në një qark elektrik të lidhur me motorin. Ta themi thjesht, ne marrim një rrymë elektrike që fuqizon motorin.

Motorët e hidrogjenit të bazuar në qelizat e karburantit tani përdoren në automjetet Niva të pajisura me një termocentral Antel-1 dhe automjetet Lada 111 me një njësi Antel-2, të cilat u zhvilluan nga inxhinierët Ural. Në rastin e parë, një ngarkesë është e mjaftueshme për 200 km, dhe në të dytën - për 350 km.

Duhet të theksohet se për shkak të kostos së lartë të metaleve (paladium dhe platin) të përfshirë në hartimin e motorëve të tillë të hidrogjenit, instalime të tilla kanë një kosto shumë të lartë, gjë që rrit ndjeshëm çmimin e automjetit në të cilin janë instaluar.

A e dini?Toyota filloi të punojë me teknologjinë e qelizave të karburantit 20 vjet më parë. Projekti hibrid Prius filloi në atë kohë.

Motorët me djegie të brendshme me hidrogjen

Ky lloj termocentrali është shumë i ngjashëm me motorët e propanit të zakonshëm sot, prandaj, për të kaluar nga propani në karburant hidrogjeni, mjafton thjesht të rikonfiguroni motorin. Tashmë ka shumë shembuj të një tranzicioni të tillë, por duhet thënë se në këtë rast efikasiteti do të jetë pak më i ulët sesa kur përdorni qelizat e karburantit. Në të njëjtën kohë, për të marrë 1 kW energji hidrogjeni, kërkohet më pak, gjë që kompenson plotësisht këtë disavantazh.

Përdorimi i kësaj substance në një motor konvencional me djegie do të shkaktojë një numër problemesh. Ne fillim, temperatura e lartë e ngjeshjes do të "detyrojë" hidrogjenin të reagojë me pjesët metalike të motorit apo edhe vajin e motorit. Së dyti, edhe një rrjedhje e vogël në kontakt me një kolektor të nxehtë të shkarkimit patjetër do të shkaktojë një zjarr.

Për këtë arsye, vetëm njësitë e energjisë të tipit rrotullues përdoren për të krijuar struktura hidrogjeni, pasi dizajni i tyre zvogëlon rrezikun e zjarrit për shkak të distancës midis shumëfishave të marrjes dhe shkarkimit. Në çdo rast, të gjitha problemet deri më tani janë shmangur, gjë që bën të mundur që hidrogjeni të konsiderohet si një karburant mjaft premtues.

Një shembull i mirë i një automjeti me hidrogjen është sedan eksperimental BMW 750hL, koncepti i të cilit u prezantua në fillim të viteve 2000. Makina është e pajisur me një motor me raketa me dymbëdhjetë cilindra që lejon që makina të përshpejtojë në 140 km / orë. Hidrogjeni në formë të lëngshme ruhet në një rezervuar të veçantë, dhe një nga rezervat e tij është e mjaftueshme për 300 kilometra. Nëse konsumohet plotësisht, sistemi kalon automatikisht në fuqinë e benzinës.

Motori i hidrogjenit në treg sot

Hulumtimet e fundit nga shkencëtarët në fushën e funksionimit të motorëve të hidrogjenit kanë treguar se ato jo vetëm që janë shumë miqësore me mjedisin (si motorët elektrikë), por mund të jenë shumë efikase për sa i përket performancës. Për më tepër, për sa i përket treguesve teknikë, termocentralet hidrogjen anashkalojnë homologët e tyre elektrikë, gjë që tashmë është provuar (për shembull, Honda Clarity).

Gjithashtu Duhet të theksohet se, ndryshe nga sistemet Tesla Powerwall, analogët e hidrogjenit kanë një pengesë të rëndësishme: Nuk do të jetë më e mundur të ngarkoni baterinë me ndihmën e energjisë diellore, por përkundrazi do të duhet të kërkoni një stacion të veçantë mbushjeje, nga të cilët sot, edhe në shkallë globale, nuk ka aq shumë.

Tani Honda Clarity është lëshuar në një seri mjaft të kufizuar, dhe ju mund të blini një makinë vetëm në Tokën e Diellit në Lindje, pasi automjeti do të shfaqet në Evropë dhe Amerikë vetëm në fund të vitit 2016.

Interesante të dihet!Alternatori Power Exporter 9000 (opsional me Honda Clarity) është i aftë të furnizojë me energji të gjitha pajisjet shtëpiake për gati një javë.

Gjithashtu në kohën tonë, prodhohen automjete të tjera që përdorin karburant hidrogjeni. Këto përfshijnë hidrogjenin Mazda RX-8 dhe BMW Hydrogen 7 (hibride që punojnë me hidrogjen të lëngshëm dhe benzinë), si dhe Ford E-450 dhe MAN Lion City Bus.

Ndër makinat e pasagjerëve, përfaqësuesit më të shquar të automjeteve me hidrogjen sot janë automobila. Mercedes-Benz GLC F-Cell(ekziston mundësia e rimbushjes nga një rrjet i rregullt shtëpiak, dhe rezerva totale e energjisë është rreth 500 km), Toyota Mirai(funksionon vetëm me hidrogjen, dhe një karburant duhet të jetë i mjaftueshëm për 650 km) dhe Honda fcx qartësi(diapazoni i deklaruar i lundrimit arrin 700 km). Por kjo nuk është e gjitha, sepse automjetet me karburant hidrogjeni prodhohen edhe nga kompani të tjera, për shembull, Hyundai (Tucson FCEV).

Pro dhe disavantazhet kryesore të motorëve me hidrogjen

Me të gjitha avantazhet e tij, nuk mund të thuhet se transporti i hidrogjenit nuk ka disavantazhe të caktuara. Në veçanti, duhet të kuptohet se forma e djegshme e hidrogjenit në temperaturën e dhomës dhe presionin normal është në formën e një gazi, i cili shkakton vështirësi të caktuara në ruajtjen dhe transportimin e një karburanti të tillë. Kjo do të thotë, ekziston një problem serioz në hartimin e rezervuarëve të sigurt për hidrogjenin që përdoren si lëndë djegëse për makinat.

Për më tepër, cilindrat me këtë substancë kërkojnë inspektim dhe certifikim periodik, të cilat mund të kryhen vetëm nga personel i kualifikuar dhe i licencuar. Vlen gjithashtu t'u shtohet këtyre problemeve kostoja e lartë e mirëmbajtjes së një motori hidrogjeni, për të mos përmendur një numër shumë të kufizuar të stacioneve të mbushjes (të paktën në vendin tonë).

Mos harroni se instalimi i hidrogjenit rrit peshën e makinës, kjo është arsyeja pse mund të mos jetë aq e manovrueshme sa do të donit të ishte. Prandaj, duke marrë parasysh të gjitha sa më sipër, mendoni me kujdes: a ia vlen të blini një automjet hidrogjeni, ose është më mirë ta shtyni atë tani.

Sidoqoftë, duhet thënë se ka shumë përparësi në një zgjidhje të tillë. Ne fillim makina juaj nuk do të ndotë mjedisin me gazra toksike të shkarkimit, Së dyti, prodhimi masiv i hidrogjenit mund të ndihmojë në zgjidhjen e problemit të ndryshimit të shpejtë të çmimeve të karburantit dhe ndërprerjeve në furnizimin me lëngje konvencionale të karburantit.

Për më tepër, tubacionet e metanit janë ndërtuar tashmë në shumë vende, dhe ato mund të përshtaten lehtësisht për pompimin e hidrogjenit me shpërndarjen e mëvonshme në stacionet e gazit. Hidrogjeni mund të prodhohet si në një shkallë të vogël, domethënë në nivelin lokal, ashtu edhe në sasi të mëdha, në ndërmarrjet e mëdha të centralizuara. Rritja e prodhimit të hidrogjenit do të shërbejë si një nxitje shtesë për një rritje të furnizimit të kësaj substance për qëllime shtëpiake (për shembull, për ngrohjen e shtëpive dhe zyrave).

Regjistrohuni në burimet tona në

Vëndi i karburantit Anshtë një pajisje elektrokimike e ngjashme me një qelizë galvanike, por e ndryshme nga ajo në atë që substancat për një reaksion elektrokimik i furnizohen asaj nga jashtë - në kontrast me sasinë e kufizuar të energjisë të ruajtur në një qelizë ose bateri galvanike.

Oriz. 1 Disa qeliza karburanti

Qelizat e karburantit konvertojnë energjinë kimike të karburantit në energji elektrike, duke anashkaluar proceset e djegies joefektive që shkojnë me humbje të mëdha. Ata konvertojnë hidrogjenin dhe oksigjenin në energji elektrike si rezultat i një reaksioni kimik. Si rezultat i këtij procesi, uji formohet dhe një sasi e madhe e nxehtësisë lëshohet. Një qelizë karburanti është shumë e ngjashme me një bateri, e cila mund të ngarkohet dhe më pas të konsumohet me energji elektrike të ruajtur. Shpikësi i qelizës së karburantit besohet të jetë William R. Grove, i cili e shpiku atë në 1839. Në këtë qelizë karburanti, një zgjidhje e acidit sulfurik u përdor si një elektrolit, dhe hidrogjeni u përdor si një lëndë djegëse, e cila u kombinua me oksigjenin në një mjedis oksidues. Deri kohët e fundit, qelizat e karburantit përdoren vetëm në laboratorë dhe në anije kozmike.

Oriz. 2

Ndryshe nga gjeneruesit e tjerë të energjisë elektrike, siç janë motorët me djegie të brendshme ose turbinat që punojnë me gaz, qymyr, mazut, etj., Qelizat e karburantit nuk djegin karburant. Kjo do të thotë që nuk ka rrotullues të zhurmshëm të presionit të lartë, pa zhurmë të madhe të shkarkimit, pa dridhje. Qelizat e karburantit prodhojnë energji elektrike përmes një reaksioni elektrokimik të heshtur. Një tipar tjetër i qelizave të karburantit është se ata e shndërrojnë energjinë kimike të karburantit drejtpërdrejt në energji elektrike, nxehtësi dhe ujë.

Qelizat e karburantit janë shumë efikase dhe nuk prodhojnë sasi të mëdha të gazrave serë si dioksidi i karbonit, metani dhe oksidi nitrik. Emetimet e vetme të prodhuara nga qelizat e karburantit janë uji në formën e avullit dhe një sasi e vogël e dioksidit të karbonit, i cili nuk emetohet fare nëse hidrogjeni i pastër përdoret si lëndë djegëse. Qelizat e karburantit mblidhen në kuvende dhe më pas në module të veçanta funksionale.

Qelizat e karburantit nuk kanë pjesë lëvizëse (të paktën brenda vetë qelizës) dhe për këtë arsye nuk i binden ligjit të Carnot. Kjo do të thotë, ata do të kenë më shumë se 50% efikasitet dhe janë veçanërisht efektive në ngarkesa të ulëta. Kështu, automjetet me qeliza karburanti mund (dhe tashmë janë vërtetuar) më ekonomike se automjetet konvencionale në kushtet e drejtimit të botës reale.

Qeliza e karburantit gjeneron një rrymë elektrike të tensionit konstant që mund të përdoret për të drejtuar një motor elektrik, pajisje ndriçimi dhe sisteme të tjera elektrike në një automjet.

Ekzistojnë disa lloje të qelizave të karburantit që ndryshojnë në proceset kimike të përdorura. Qelizat e karburantit zakonisht klasifikohen sipas llojit të elektrolitit që përdorin.

Disa lloje të qelizave të karburantit janë premtuese për përdorim si termocentrale për termocentralet, ndërsa të tjerat për pajisje portative ose për drejtimin e makinave.

1. Qelizat alkaline të karburantit (SHFC)

Qeliza e karburantit alkaline- ky është një nga elementët e parë të zhvilluar. Qelizat e karburantit alkaline (ALFC) janë një nga teknologjitë më të studiuara të përdorura nga NASA në programet Apollo dhe Space Shuttle që nga mesi i viteve 1960. Në këto anije kozmike, qelizat e karburantit prodhojnë energji elektrike dhe ujë të pijshëm.

Oriz. 3

Qelizat alkaline të karburantit janë një nga elementët më efikas të përdorur për të gjeneruar energji elektrike, me efikasitet të prodhimit të energjisë që arrin deri në 70%.

Qelizat alkaline të karburantit përdorin një elektrolit, domethënë një zgjidhje ujore të hidroksidit të kaliumit të përmbajtur në një matricë poroze të stabilizuar. Përqendrimi i hidroksidit të kaliumit mund të ndryshojë në varësi të temperaturës së funksionimit të qelizës së karburantit, e cila varion nga 65 ° C në 220 ° C. Mbartësi i ngarkesës në SHFC është një jon hidroksil (OH-), i cili lëviz nga katoda në anodë, ku reagon me hidrogjenin, duke prodhuar ujë dhe elektrone. Uji i prodhuar në anodë lëviz përsëri në katodë, duke gjeneruar përsëri jone hidroksil atje. Kjo seri reagimesh në qelizën e karburantit prodhon energji elektrike dhe, si një nënprodukt, nxehtësi:

Reagimi në anodë: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Reagimi katodik: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Përgjigja e përgjithshme e sistemit: 2H2 + O2 => 2H2O

Avantazhi i SHFC -ve është se këto qeliza karburanti janë më të lira në prodhim, pasi katalizatori që nevojitet në elektroda mund të jetë ndonjë prej substancave më të lira se ato të përdorura si katalizatorë për qelizat e tjera të karburantit. Përveç kësaj, SCHE funksionon në një temperaturë relativisht të ulët dhe janë ndër më efikaset.

Një nga karakteristikat karakteristike të SHFC është ndjeshmëria e tij e lartë ndaj CO2, e cila mund të përmbahet në karburant ose ajër. CO2 reagon me elektrolitin, e helmon shpejt atë dhe zvogëlon shumë efikasitetin e qelizës së karburantit. Prandaj, përdorimi i SHTE është i kufizuar në hapësira të mbyllura, të tilla si hapësira dhe automjetet nënujore, ato veprojnë në hidrogjen dhe oksigjen të pastër.

2. Qelizat e karburantit të bazuara në karbonat të shkrirë (RKTE)

Qelizat e karburantit të karbonatit të shkrirë të karburantit janë qeliza karburanti me temperaturë të lartë. Temperatura e lartë e funksionimit lejon që gazi natyror të përdoret drejtpërdrejt pa një karburant procesori dhe gaz karburanti me vlerë të ulët kalorifike për proceset industriale dhe burime të tjera. Ky proces u zhvillua në mesin e viteve '60 të shekullit XX. Që atëherë, teknologjia e prodhimit, performanca dhe besueshmëria janë përmirësuar.

Oriz. 4

Funksionimi i RKTE është i ndryshëm nga qelizat e tjera të karburantit. Këto qeliza përdorin një elektrolit nga një përzierje e kripërave të karbonatit të shkrirë. Aktualisht, ekzistojnë dy lloje të përzierjeve në përdorim: karbonat litiumi dhe karbonat kaliumi ose karbonat litiumi dhe karbonat natriumi. Për të shkrirë kripërat karbonatike dhe për të arritur një shkallë të lartë të lëvizshmërisë së joneve në elektrolit, qelizat e karburantit me elektrolit karbonat të shkrirë funksionojnë në temperatura të larta (650 ° C). Efikasiteti ndryshon midis 60-80%.

Kur nxehen në 650 ° C, kripërat bëhen përcjellëse për jonet karbonatike (CO32-). Këta jone udhëtojnë nga katoda në anodë, ku kombinohen me hidrogjenin për të formuar ujë, dioksid karboni dhe elektrone të lira. Këto elektrone kanalizohen përsëri në katodë përmes një qarku të jashtëm elektrik, duke gjeneruar rrymë elektrike dhe nxehtësi si një nënprodukt.

Reagimi i anodës: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reagimi katodik: CO2 + 1 / 2O2 + 2e- => CO32-

Reagimi i përgjithshëm i elementit: H2 (g) + 1 / 2O2 (g) + CO2 (katodë) => H2O (g) + CO2 (anodë)

Temperaturat e larta të funksionimit të qelizave të karburantit të shkrirë të elektrolitit kanë avantazhe të caktuara. Avantazhi është aftësia për të përdorur materiale standarde (fletë çeliku inox dhe katalizator nikeli në elektroda). Nxehtësia e mbeturinave mund të përdoret për të gjeneruar avull me presion të lartë. Temperaturat e larta të reagimit në elektrolit gjithashtu kanë përparësi. Përdorimi i temperaturave të larta kërkon shumë kohë për të arritur kushtet optimale të funksionimit dhe sistemi i përgjigjet më ngadalë ndryshimeve në konsumin e energjisë. Këto karakteristika lejojnë përdorimin e instalimeve të qelizave të karburantit me elektrolit karbonat të shkrirë në kushte të fuqisë konstante. Temperaturat e larta parandalojnë dëmtimin e monoksidit të karbonit në qelizën e karburantit, helmimin, etj.

Qelizat e karburantit të shkrirë të elektrolitit të shkrirë janë të përshtatshme për përdorim në instalime të mëdha të palëvizshme. Termocentralet me fuqi elektrike prej 2.8 MW prodhohen në mënyrë industriale. Instalimet me fuqi dalëse deri në 100 MW janë duke u zhvilluar.

3. Qelizat e karburantit të bazuara në acid fosforik (FCTE)

Qelizat e karburantit të bazuara në acid fosforik (ortofosforik) u bënë qelizat e para të karburantit për përdorim komercial. Ky proces u zhvillua në mesin e viteve 60 të shekullit XX, testet janë kryer që nga vitet 70 të shekullit XX. Si rezultat, stabiliteti dhe performanca janë rritur dhe kostoja është zvogëluar.

Oriz. 5

Qelizat e karburantit të bazuara në acid fosforik (ortofosforik) përdorin një elektrolit të bazuar në acid fosforik (H3PO4) me një përqendrim deri në 100%. Përçueshmëria jonike e acidit fosforik është e ulët në temperatura të ulëta, prandaj këto qeliza karburanti përdoren në temperatura deri në 150-220 ° C.

Mbartësi i ngarkesës në këtë lloj qelize karburanti është hidrogjeni (H +, proton). Një proces i ngjashëm ndodh në qelizat e karburantit me një membranë të shkëmbimit të protoneve (MOPTE), në të cilën hidrogjeni i furnizuar në anodë ndahet në protone dhe elektrone. Protonet udhëtojnë përmes elektrolitit dhe kombinohen me oksigjenin nga ajri në katodë për të formuar ujë. Elektronet kanalizohen përmes një qarku të jashtëm elektrik, duke gjeneruar një rrymë elektrike. Më poshtë janë reagimet që prodhojnë energji elektrike dhe nxehtësi.

Reagimi në anodë: 2H2 => 4H + + 4e

Reagimi katodik: O2 (g) + 4H + + 4e- => 2H2O

Reagimi i përgjithshëm i elementit: 2H2 + O2 => 2H2O

Efikasiteti i qelizave të karburantit bazuar në acidin fosforik (ortofosforik) është më shumë se 40% kur gjeneron energji elektrike. Me prodhimin e kombinuar të nxehtësisë dhe energjisë, efikasiteti i përgjithshëm është rreth 85%. Përveç kësaj, duke pasur parasysh temperaturat e funksionimit, nxehtësia e mbeturinave mund të përdoret për të ngrohur ujin dhe për të gjeneruar avull në presionin atmosferik.

Performanca e lartë e termocentraleve në qelizat e karburantit të bazuara në acid fosforik (ortofosforik) në prodhimin e kombinuar të nxehtësisë dhe energjisë elektrike është një nga avantazhet e këtij lloji të qelizave të karburantit. Bimët përdorin monoksid karboni me një përqendrim prej rreth 1.5%, i cili zgjeron ndjeshëm zgjedhjen e karburantit. Dizajni i thjeshtë, paqëndrueshmëria e ulët e elektroliteve dhe qëndrueshmëria e shtuar janë gjithashtu përparësi të qelizave të tilla të karburantit.

Termocentralet me fuqi elektrike deri në 400 kW prodhohen në mënyrë industriale. Instalimet me kapacitet 11 MW janë testuar në përputhje me rrethanat. Instalimet me fuqi dalëse deri në 100 MW janë duke u zhvilluar.

4. Qelizat e karburantit me një membranë të shkëmbimit të protoneve (MOPTE)

Qelizat e karburantit me membranën e shkëmbimit të protoneve konsiderohen lloji më i mirë i qelizave të karburantit për prodhimin e energjisë për automjetet, të cilat mund të zëvendësojnë motorët me djegie të brendshme të benzinës dhe naftës. Këto qeliza karburanti u përdorën për herë të parë nga NASA për programin Binjakët. Instalimet në MOPTE janë zhvilluar dhe treguar me një kapacitet prej 1 W deri në 2 kW.

Oriz. 6

Elektroliti në këto qeliza karburanti është një membranë e ngurtë polimer (film i hollë plastik). Kur ngopet me ujë, ky polimer lejon që protonet të kalojnë, por nuk përçon elektrone.

Karburanti është hidrogjen, dhe bartësi i ngarkesës është një jon hidrogjeni (proton). Në anodë, një molekulë hidrogjeni ndahet në një jon hidrogjeni (proton) dhe elektrone. Jonet e hidrogjenit kalojnë përmes elektrolitit në katodë, ndërsa elektronet lëvizin rreth rrethit të jashtëm dhe prodhojnë energji elektrike. Oksigjeni, i cili merret nga ajri, ushqehet në katodë dhe kombinohet me elektronet dhe jonet e hidrogjenit për të formuar ujë. Reagimet e mëposhtme ndodhin në elektroda: Reagimi në anodë: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e Reagimi në katodë: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Reaksion i përgjithshëm qelizor: 2H2 + O2 => 2H2O Krahasuar me të tjerat llojet e qelizave të karburantit, qelizat e karburantit një membranë e shkëmbimit të protoneve prodhon më shumë energji për një vëllim ose peshë të caktuar të një qelize karburanti. Kjo veçori i lejon ata të jenë kompakt dhe të lehtë. Për më tepër, temperatura e funksionimit është më pak se 100 ° C, gjë që lejon fillimin e shpejtë të funksionimit. Këto karakteristika, si dhe aftësia për të ndryshuar shpejt prodhimin e energjisë, janë vetëm disa nga ato që i bëjnë këto qeliza karburanti një kandidat kryesor për përdorimin e automjeteve.

Një avantazh tjetër është se elektroliti është i ngurtë dhe jo i lëngshëm. Isshtë më e lehtë të mbash gazra në katodë dhe anodë me një elektrolit të ngurtë, kështu që qeliza të tilla karburanti janë më të lira për t'u prodhuar. Kur përdorni një elektrolit të fortë, nuk ka vështirësi të tilla si orientimi dhe më pak probleme për shkak të shfaqjes së korrozionit, i cili rrit jetën e qelizës dhe përbërësve të saj.

Oriz. 7

5. Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë (SOFC)

Qelizat e karburantit të oksidit të ngurtë janë qelizat e karburantit me temperaturën më të lartë të funksionimit. Temperatura e funksionimit mund të ndryshojë nga 600 ° C në 1000 ° C, gjë që lejon që lloje të ndryshme të karburantit të përdoren pa para-trajtim të veçantë. Për të trajtuar këto temperatura të larta, elektroliti i përdorur është një oksid metalik i hollë me bazë qeramike, shpesh një aliazh i yttrium dhe zirkonium, i cili është një përcjellës i joneve të oksigjenit (O2-). Teknologjia e përdorimit të qelizave të karburantit me oksid të ngurtë është zhvilluar që nga fundi i viteve 1950 dhe ka dy konfigurime: planare dhe tubulare.

Elektroliti i ngurtë siguron një kalim hermetikisht të mbyllur të gazit nga një elektrodë në tjetrën, ndërsa elektrolitet e lëngët janë të vendosura në një substrat poroz. Mbartësi i ngarkesës në këtë lloj qelize karburanti është një jon oksigjeni (O2-). Në katodë, molekulat e oksigjenit nga ajri ndahen në një jon oksigjeni dhe katër elektrone. Jonet e oksigjenit kalojnë përmes elektrolitit dhe kombinohen me hidrogjenin për të formuar katër elektrone të lira. Elektronet kanalizohen përmes një qarku të jashtëm elektrik, duke gjeneruar rrymë elektrike dhe nxehtësi të humbur.

Oriz. tetë.

Reagimi në anodë: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Reagimi katodik: O2 + 4e- => 2O2-

Reagimi i përgjithshëm i elementit: 2H2 + O2 => 2H2O

Efikasiteti i prodhimit të energjisë elektrike është më i larti nga të gjitha qelizat e karburantit - rreth 60%. Për më tepër, temperaturat e larta të funksionimit mundësojnë gjenerimin e kombinuar të nxehtësisë dhe energjisë për të gjeneruar avull me presion të lartë. Kombinimi i një qelize karburanti me temperaturë të lartë me një turbinë bën të mundur krijimin e një qelize karburanti hibrid për të rritur efikasitetin e prodhimit të energjisë elektrike deri në 70%.

Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë funksionojnë në temperatura shumë të larta (600 ° C-1000 ° C), gjë që kërkon shumë kohë për të arritur kushtet optimale të funksionimit, dhe sistemi i përgjigjet më ngadalë ndryshimeve në konsumin e energjisë. Në temperatura të tilla të larta të funksionimit, një konvertues nuk kërkohet të nxjerrë hidrogjenin nga karburanti, gjë që lejon që termocentrali të funksionojë me lëndë djegëse relativisht të papastra që rezultojnë nga gazifikimi i qymyrit ose gazrave të mbeturinave dhe të ngjashme. Gjithashtu, kjo qelizë karburanti është e shkëlqyeshme për funksionimin e fuqisë së lartë, duke përfshirë termocentralet industriale dhe të mëdha qendrore. Modulet me fuqi elektrike dalëse prej 100 kW prodhohen në treg.

6. Qelizat e karburantit me oksidim direkt të metanolit (POMTE)

Qelizat e karburantit me oksidim të drejtpërdrejtë të metanolit Ato përdoren me sukses në fushën e furnizimit me energji të celularëve, laptopëve, si dhe për krijimin e burimeve portative të energjisë, gjë që synon përdorimin e ardhshëm të elementeve të tillë.

Dizajni i qelizave të karburantit me oksidim të drejtpërdrejtë të metanolit është i ngjashëm me modelin e qelizave të karburantit me një membranë të shkëmbimit të protoneve (MOPTE), d.m.th. një polimer përdoret si elektrolit, dhe një jon hidrogjeni (proton) përdoret si një bartës i ngarkesës. Por metanoli i lëngshëm (CH3OH) oksidohet në prani të ujit në anodë me lëshimin e CO2, joneve të hidrogjenit dhe elektroneve, të cilët drejtohen përgjatë një qarku të jashtëm elektrik, ndërsa gjenerohet një rrymë elektrike. Jonet e hidrogjenit kalojnë nëpër elektrolit dhe reagon me oksigjenin nga ajri dhe elektronet nga qarku i jashtëm për të formuar ujë në anodë.

Reagimi në anodë: CH3OH + H2O => CO2 + 6H + + 6e Reagimi në katodë: 3 / 2O2 + 6H + + 6e- => 3H2O Reaksion i përgjithshëm i elementit: CH3OH + 3 / 2O2 => CO2 + 2H2O The Zhvillimi i qelizave të tilla të karburantit u krye që nga fillimi90- vitet e shekullit XX, dhe dendësia dhe efikasiteti i fuqisë së tyre u rrit në 40%.

Këta elementë u testuan në një gamë të temperaturës prej 50-120 ° C. Për shkak të temperaturave të ulëta të funksionimit dhe mungesës së nevojës për një konvertues, qeliza të tilla karburanti janë kandidatët më të mirë për aplikime në telefonat celularë dhe mallra të tjerë të konsumit, si dhe në motorët e automobilave. Avantazhi i tyre është gjithashtu madhësia e vogël.

7. Qelizat e karburantit polimer elektrolit (PETE)

Në rastin e qelizave të karburantit të elektrolitit polimer, membrana polimer përbëhet nga fibra polimer me rajone uji në të cilat përçueshmëria e joneve të ujit H2O + (proton, e kuqe) është ngjitur në molekulën e ujit. Molekulat e ujit paraqesin një problem për shkak të shkëmbimit të ngadaltë të joneve. Prandaj, kërkohet një përqendrim i lartë i ujit si në karburant ashtu edhe në elektrodat e daljes, gjë që kufizon temperaturën e funksionimit në 100 ° C.

8. Qelizat e karburantit me acid të ngurtë (TKTE)

Në qelizat e karburantit me acid të ngurtë, elektroliti (CsHSO4) nuk përmban ujë. Prandaj, temperatura e funksionimit është 100-300 ° C. Rrotullimi i oksianioneve SO42-lejon që protonet (e kuqja) të lëvizin siç tregohet në figurë. Në mënyrë tipike, një qelizë lëndë djegëse e acidit të ngurtë është një sanduiç në të cilin një shtresë shumë e hollë e një përbërësi të acidit të ngurtë vendoset midis dy elektrodave të ngjeshura fort për të siguruar kontakt të mirë. Kur nxehet, përbërësi organik avullon, duke lënë poret në elektroda, duke ruajtur aftësinë e kontakteve të shumta midis karburantit (ose oksigjenit në skajin tjetër të qelizave), elektrolitit dhe elektrodave.

Oriz. nëntë

9. Krahasimi i karakteristikave më të rëndësishme të qelizave të karburantit

Oriz. dhjetë

10. Përdorimi i qelizave të karburantit në vetura

Oriz. njëmbëdhjetë

Oriz. 12

Sir William Grove dinte shumë për elektrolizën, kështu që ai hipotezoi se me anë të një procesi (i cili ndan ujin në hidrogjenin dhe oksigjenin përbërës të tij duke kaluar energjinë elektrike përmes tij), ai mund të prodhojë nëse bëhet në mënyrë të kundërt. Pas llogaritjes në letër, ai shkoi në fazën eksperimentale dhe ishte në gjendje të provonte idetë e tij. Hipoteza e provuar u zhvillua nga shkencëtarët Ludwig Mond dhe ndihmësi i tij Charles Langre, përmirësoi teknologjinë dhe përsëri në 1889 i dha asaj një emër, i cili përfshinte dy fjalë - "qeliza e karburantit".

Tani kjo frazë ka hyrë fort në jetën e përditshme të shoferëve. Ju me siguri e keni dëgjuar këtë term "qeliza karburanti" më shumë se një herë. Në lajmet në internet, në TV, fjalët e reja të ndezura po ndizen gjithnjë e më shumë. Ato zakonisht i referohen tregimeve për automjetet më të reja hibride ose programet e zhvillimit për këto automjete hibride.

Për shembull, 11 vjet më parë programi "The Hydrogen Fuel Initiative" filloi në SHBA. Programi kishte për qëllim zhvillimin e qelizave të karburantit të hidrogjenit dhe teknologjitë e infrastrukturës të nevojshme për t'i bërë automjetet e qelizave të karburantit praktike dhe ekonomikisht të qëndrueshme deri në vitin 2020. Nga rruga, gjatë kësaj kohe, më shumë se 1 miliard dollarë u ndanë për programin, gjë që tregon një interes serioz që autoritetet amerikane kanë bërë.

Në anën tjetër të oqeanit, prodhuesit e makinave ishin gjithashtu në gatishmëri, duke filluar ose vazhduar të ndiqnin kërkimet e tyre mbi makinat me qeliza karburanti. , dhe madje vazhdoi të punojë në teknologji të besueshme të qelizave të karburantit.

Suksesi më i madh në këtë fushë në mesin e të gjithë prodhuesve globalë të automobilave është arritur nga dy prodhues automobilistikë japonezë, dhe. Modelet e tyre të qelizave të karburantit tashmë kanë hyrë në prodhimin serik, ndërsa konkurrentët e tyre po ndjekin menjëherë pas tyre.

Prandaj, qelizat e karburantit në industrinë e automobilave janë afatgjata. Le të shqyrtojmë parimet e teknologjisë dhe zbatimin e saj në makinat moderne.

Si funksionon qeliza e karburantit

Në fakt, . Nga pikëpamja teknike, një qelizë karburanti mund të përcaktohet si një pajisje elektrokimike për konvertimin e energjisë. Ai konverton grimcat e hidrogjenit dhe oksigjenit në ujë, duke prodhuar njëkohësisht energji elektrike, rrymë direkte.

Ka shumë lloje të qelizave të karburantit, disa prej të cilave janë tashmë në përdorim në makina, të tjerët po i nënshtrohen testeve kërkimore. Shumica e tyre përdorin hidrogjen dhe oksigjen si elementët kryesorë kimikë të kërkuar për transformim.

Një procedurë e ngjashme zhvillohet në një bateri konvencionale, ndryshimi i vetëm është se ajo tashmë ka të gjitha kimikatet e nevojshme të nevojshme për konvertim "në bord", ndërsa qeliza e karburantit mund të "ngarkohet" nga një burim i jashtëm, për shkak të të cilit procesi i "gjenerimi" i energjisë elektrike mund të vazhdohet. Përveç avullit të ujit dhe energjisë elektrike, nxehtësia gjenerohet si një nënprodukt tjetër i procedurës.

Një qelizë karburanti hidrogjen-oksigjen me një membranë shkëmbimi protoni përmban një membranë polimer përcjellëse protoni që ndan dy elektroda-anodën dhe katodën. Çdo elektrodë është zakonisht një pllakë karboni (matricë) me një katalizator të mbështetur - platin ose një aliazh platinoidësh dhe kompozime të tjera.

Në katalizatorin anodë, hidrogjeni molekular shkëputet dhe humbet elektronet. Kationet e hidrogjenit barten përmes membranës në katodë, por elektronet i dhurohen qarkut të jashtëm, pasi membrana nuk lejon që elektronet të kalojnë.

Në katalizatorin katodik, një molekulë oksigjeni kombinohet me një elektron (i cili furnizohet nga komunikimet e jashtme) dhe një proton të ardhur dhe formon ujë, i cili është produkti i vetëm i reagimit (në formën e avullit dhe / ose të lëngshëm).

wikipedia.org

Aplikimi në makina

Nga të gjitha llojet e qelizave të karburantit, duket se kandidati më i mirë për aplikimet e automjeteve janë qelizat e karburantit të membranës së shkëmbimit të protoneve, ose siç quhen në perëndim, Qeliza e karburantit të membranës së shkëmbimit të polimerit (PEMFC). Arsyet kryesore për këtë janë dendësia e lartë e fuqisë dhe temperatura relativisht e ulët e funksionimit, që nga ana tjetër do të thotë se nuk do të marrë shumë kohë për të vënë në funksion qelizat e karburantit. Ata shpejt do të ngrohen dhe do të fillojnë të prodhojnë sasinë e kërkuar të energjisë elektrike. Përdor gjithashtu një nga reagimet më të thjeshta të të gjitha llojeve të qelizave të karburantit.

Automjeti i parë me këtë teknologji u prodhua në 1994 kur Mercedes-Benz prezantoi MB100 bazuar në NECAR1 (New Electric Car 1). Përveç prodhimit të ulët të energjisë (vetëm 50 kilovat), pengesa më e madhe e këtij koncepti ishte se qeliza e karburantit zinte të gjithë vëllimin e ndarjes së ngarkesave të furgonit.

Gjithashtu, nga pikëpamja e sigurisë pasive, ishte një ide e tmerrshme për prodhimin masiv, duke pasur parasysh nevojën për një rezervuar masiv të mbushur me hidrogjen të ndezshëm nën presion në bord.

Gjatë dekadës së ardhshme, teknologjia evoluoi dhe një nga konceptet e qelizave të karburantit nga Mercedes kishte një fuqi prej 115 kf. (85 kW) dhe një rreze prej rreth 400 kilometrash para karburantit. Sigurisht, gjermanët nuk ishin pionierët e vetëm në zhvillimin e qelizave të karburantit të së ardhmes. Mos harroni për dy japonezët, Toyota dhe. Një nga lojtarët më të mëdhenj të makinave ishte Honda, e cila prezantoi një makinë prodhimi me një termocentral me hidrogjen. Shitjet me qira të FCX Clarity në Shtetet e Bashkuara filluan në verën e vitit 2008, pak më vonë, makina u shit në Japoni.

Toyota shkoi edhe më tej me Mirai, sistemi i avancuar i qelizave të karburantit me hidrogjen, me sa duket është i aftë t'i japë makinës futuristike një distancë prej 520 km në një rezervuar të vetëm, i cili mund të furnizohet me karburant në më pak se pesë minuta, ashtu si një makinë normale. Shifrat e konsumit të karburantit do të mahnitin çdo skeptik, ato janë të pabesueshme, madje edhe për një makinë me një termocentral klasik, ai konsumon 3.5 litra pavarësisht nga kushtet në të cilat përdoret makina, në qytet, në autostradë ose në ciklin e kombinuar.

Kanë kaluar tetë vjet. Honda e shfrytëzoi mirë këtë kohë. Brezi i dytë i Honda FCX Clarity tani është në shitje. Grumbujt e tij të qelizave të karburantit janë 33% më kompakte se modeli i parë, dhe densiteti i fuqisë u rrit me 60%. Honda thotë se qeliza e karburantit dhe fuqia e integruar në Clarity Fuel Cell janë të krahasueshme në madhësi me një motor V6, duke lënë vend për pesë pasagjerë dhe bagazhin e tyre.

Gama e vlerësuar është 500 km, dhe çmimi fillestar i artikujve të rinj duhet të fiksohet në 60,000 dollarë. Shtrenjtë? Përkundrazi, është shumë e lirë. Në fillim të vitit 2000, makinat me teknologji të ngjashme kushtonin 100,000 dollarë.