Ekspertët e energjisë vërejnë se në shumicën e vendeve të zhvilluara ka një interes në rritje të shpejtë për burimet e shpërndara të energjisë me kapacitet relativisht të vogël. Përparësitë kryesore të këtyre termocentraleve autonome janë kostot e moderuara kapitale gjatë ndërtimit, vënia në punë e shpejtë, mirëmbajtja relativisht e thjeshtë dhe performanca e mirë mjedisore. Me një sistem autonom të furnizimit me energji elektrike, nuk kërkohen investime në linjat e energjisë elektrike dhe nënstacionet. Vendndodhja e burimeve autonome të energjisë direkt në pikat e konsumit jo vetëm që eliminon humbjet në rrjete, por gjithashtu rrit besueshmërinë e furnizimit me energji elektrike.

Burimet e pavarura të energjisë si turbinat e vogla me gaz (turbinat me gaz), motorët me djegie të brendshme, turbinat me erë dhe panelet diellore gjysmëpërçuese janë të njohura.

Ndryshe nga motorët me djegie të brendshme ose turbinat me qymyr/gaz, qelizat e karburantit nuk djegin karburant. Ata shndërrojnë energjinë kimike të karburantit në energji elektrike përmes një reaksioni kimik. Prandaj, qelizat e karburantit nuk prodhojnë sasi të mëdha të gazeve serrë të çliruara gjatë djegies së karburantit, si dioksidi i karbonit (CO2), metani (CH4) dhe oksidi i azotit (NOx). Emetimet e qelizave të karburantit janë uji në formën e avullit dhe nivele të ulëta të dioksidit të karbonit (ose pa emetim CO2) kur hidrogjeni përdoret si lëndë djegëse për qelizat. Përveç kësaj, qelizat e karburantit funksionojnë në heshtje, sepse ato nuk përfshijnë rotorë të zhurmshëm me presion të lartë dhe nuk ka zhurmë shkarkimi ose dridhje gjatë funksionimit.

Qeliza e karburantit konverton energjinë kimike të karburantit në energji elektrike nga një reaksion kimik me oksigjen ose një agjent tjetër oksidues. Qelizat e karburantit përbëhen nga një anodë (ana negative), një katodë (ana pozitive) dhe një elektrolit që lejon ngarkesat të lëvizin midis dy anëve të qelizës së karburantit (Figura: Diagrami skematik i qelizës së karburantit).

Elektronet lëvizin nga anoda në katodë përmes qarkut të jashtëm, duke krijuar elektricitet DC. Për shkak të faktit se ndryshimi kryesor midis llojeve të ndryshme të qelizave të karburantit është elektroliti, qelizat e karburantit ndahen sipas llojit të elektrolitit të përdorur, d.m.th. qelizat e karburantit me temperaturë të lartë dhe me temperaturë të ulët (TEPM, PMTE). Hidrogjeni është karburanti më i zakonshëm, por ndonjëherë mund të përdoren edhe hidrokarbure si gazi natyror dhe alkoolet (d.m.th. metanoli). Qelizat e karburantit ndryshojnë nga bateritë në atë që kërkojnë një burim të vazhdueshëm karburanti dhe oksigjeni/ajri për të vazhduar reaksionin kimik dhe ato prodhojnë energji elektrike për sa kohë që furnizohen.

Qelizat e karburantit kanë përparësitë e mëposhtme ndaj burimeve konvencionale të energjisë si motorët me djegie të brendshme ose bateritë:

• Qelizat e karburantit janë më efikase se motorët me naftë ose me gaz.
• Shumica e qelizave të karburantit janë të heshtura kur krahasohen me motorët me djegie të brendshme. Prandaj, ato janë të përshtatshme për ndërtesa me kërkesa të veçanta, siç janë spitalet.
• Qelizat e karburantit nuk çojnë në ndotjen e shkaktuar nga djegia e lëndëve djegëse fosile; për shembull, i vetmi nënprodukt i qelizave të karburantit me hidrogjen është uji.
• Nëse hidrogjeni merret nga elektroliza e ujit të siguruar nga një burim energjie të rinovueshme, atëherë kur përdoren qelizat e karburantit, nuk lëshohet gaz serrë gjatë gjithë ciklit.
• Qelizat e karburantit nuk kërkojnë lëndë djegëse konvencionale si nafta ose gazi, kështu që varësia ekonomike nga vendet prodhuese të naftës mund të hiqet dhe të arrihet një siguri më e madhe energjetike.
• Qelizat e karburantit nuk varen nga rrjetet e energjisë, pasi hidrogjeni mund të prodhohet kudo që uji dhe energjia elektrike janë të disponueshme, dhe karburanti i prodhuar mund të shpërndahet.
• Kur përdoren qelizat e palëvizshme të karburantit për të prodhuar energji në pikën e konsumit, mund të përdoren rrjete të decentralizuara të energjisë, të cilat janë potencialisht më të qëndrueshme.
• Qelizat e karburantit me temperaturë të ulët (LEPM, PMFC) kanë një nivel të ulët të transferimit të nxehtësisë, duke i bërë ato ideale për një sërë aplikimesh.
• Qelizat e karburantit me temperaturë më të lartë prodhojnë nxehtësi të procesit me cilësi të lartë së bashku me energjinë elektrike, dhe ato janë të përshtatshme për bashkëgjenerim (si p.sh. bashkëprodhimi për ndërtesat e banimit).
• Koha e funksionimit është shumë më e gjatë se koha e funksionimit të baterive, pasi nevojitet vetëm më shumë karburant për të rritur kohën e funksionimit dhe nuk kërkohet rritje në produktivitetin e impiantit.
• Ndryshe nga bateritë, qelizat e karburantit kanë një "efekt memorie" kur mbushen me karburant.
• Mirëmbajtja e qelizave të karburantit është e thjeshtë pasi ato nuk kanë pjesë të mëdha lëvizëse.

Lënda djegëse më e zakonshme për qelizat e karburantit është hidrogjeni, pasi nuk lëshon ndotës të dëmshëm. Megjithatë, mund të përdoren lëndë djegëse të tjera dhe qelizat e karburantit të gazit natyror konsiderohen një alternativë efikase kur gazi natyror është i disponueshëm me çmime konkurruese. Në qelizat e karburantit, rrjedha e karburantit dhe oksidantëve kalon përmes elektrodave që ndahen nga një elektrolit. Kjo shkakton një reaksion kimik që prodhon energji elektrike; nuk ka nevojë të digjet karburant apo të shtohet energji termike, gjë që zakonisht ndodh me metodat tradicionale të prodhimit të energjisë elektrike. Kur përdoret hidrogjeni natyral i pastër si lëndë djegëse, dhe oksigjeni si agjent oksidues, si rezultat i reaksionit që ndodh në qelizën e karburantit, prodhohet uji, energjia termike dhe energjia elektrike. Kur përdoren me lëndë djegëse të tjera, qelizat e karburantit lëshojnë emetime shumë të ulëta të ndotësve dhe prodhojnë energji elektrike me cilësi të lartë dhe të besueshme.

Përparësitë e qelizave të karburantit të gazit natyror janë si më poshtë:

• Përfitimet për mjedisin- Qelizat e karburantit janë një metodë e pastër e gjenerimit të energjisë elektrike nga lëndët djegëse fosile. Ndërsa qelizat e karburantit që funksionojnë me hidrogjen dhe oksigjen të pastër prodhojnë vetëm ujë, energji elektrike dhe nxehtësi; llojet e tjera të qelizave të karburantit lëshojnë sasi të papërfillshme të përbërjeve të squfurit dhe nivele shumë të ulëta të dioksidit të karbonit. Megjithatë, dioksidi i karbonit i emetuar nga qelizat e karburantit është i përqendruar dhe mund të mbahet lehtësisht në vend që të lëshohet në atmosferë.
• Efikasiteti- Qelizat e karburantit konvertojnë energjinë e disponueshme në lëndët djegëse fosile në energji elektrike në mënyrë shumë më efikase sesa metodat konvencionale të prodhimit të energjisë elektrike me djegie të karburantit. Kjo do të thotë se nevojitet më pak karburant për të prodhuar të njëjtën sasi energjie elektrike. Sipas Laboratorit Kombëtar të Teknologjisë së Energjisë 58, mund të prodhohen qeliza karburanti (në kombinim me turbinat e gazit natyror) që do të funksionojnë në intervalin e fuqisë nga 1 deri në 20 MWe me një efikasitet prej 70%. Ky efikasitet është shumë më i lartë se efikasiteti që mund të arrihet me metodat tradicionale të prodhimit të energjisë në intervalin e caktuar të fuqisë.
• Prodhimi me shpërndarje- Qelizat e karburantit mund të prodhohen në përmasa shumë të vogla; kjo lejon që ato të vendosen në vende ku kërkohet energji elektrike. Kjo vlen për instalimet rezidenciale, komerciale, industriale dhe madje edhe të automjeteve.
• Besueshmëria- Qelizat e karburantit janë pajisje plotësisht të mbyllura pa pjesë lëvizëse ose makineri komplekse. Kjo i bën ato burime të besueshme të energjisë elektrike, të afta të funksionojnë për shumë orë. Përveç kësaj, ato janë pothuajse burime të heshtura dhe të sigurta të energjisë elektrike. Gjithashtu në qelizat e karburantit nuk ka rritje të energjisë elektrike; kjo do të thotë se ato mund të përdoren në rastet kur nevojitet një burim i besueshëm i energjisë elektrike vazhdimisht në punë.

Deri vonë, më pak të njohura ishin qelizat e karburantit (FC), të cilat janë gjeneratorë elektrokimikë të aftë për të shndërruar energjinë kimike në energji elektrike, duke anashkaluar proceset e djegies, duke e kthyer energjinë termike në energji mekanike dhe këtë të fundit në energji elektrike. Energjia elektrike gjenerohet në qelizat e karburantit për shkak të reaksionit kimik midis agjentit reduktues dhe agjentit oksidues, të cilët furnizohen vazhdimisht në elektroda. Agjenti reduktues është më shpesh hidrogjeni, agjenti oksidues është oksigjeni ose ajri. Kombinimi i një grumbulli të qelizave të karburantit dhe pajisjeve për furnizimin e reagentëve, heqjen e produkteve të reaksionit dhe nxehtësinë (që mund të përdoret) është një gjenerator elektrokimik.
Në dekadën e fundit të shekullit të 20-të, kur besueshmëria e furnizimit me energji elektrike dhe çështjet mjedisore kishin një rëndësi të veçantë, shumë firma në Evropë, Japoni dhe Shtetet e Bashkuara filluan të zhvillonin dhe prodhonin disa variante të qelizave të karburantit.
Më të thjeshtat janë qelizat alkaline të karburantit, nga të cilat filloi zhvillimi i këtij lloji të burimeve autonome të energjisë. Temperatura e funksionimit në këto qeliza karburanti është 80-95°C, elektroliti është një zgjidhje 30% e kaliumit kaustik. Qelizat alkaline të karburantit funksionojnë me hidrogjen të pastër.
Kohët e fundit, qeliza e karburantit PEM me membranat e shkëmbimit të protoneve (me elektrolit polimer) është bërë e përhapur. Temperatura e funksionimit në këtë proces është gjithashtu 80-95°C, por si elektrolit përdoret një membranë e ngurtë shkëmbyese jonesh me acid perfluorosulfonik.
Pa dyshim, më tërheqësja komerciale është qeliza e karburantit e acidit fosforik PAFC, e cila arrin një efikasitet prej 40% vetëm në prodhimin e energjisë elektrike dhe -85% në përdorimin e nxehtësisë së krijuar. Temperatura e funksionimit të kësaj qelize të karburantit është 175-200°C, elektroliti është karabit silikoni i ngopjes me acid fosforik të lëngshëm i lidhur me Teflon.

Paketa e qelizave është e pajisur me dy elektroda grafiti poroze dhe acid orto-fosforik si elektrolit. Elektrodat janë të veshura me një katalizator platini. Në reformator, gazi natyror, kur ndërvepron me avullin, kalon në hidrogjen dhe CO, i cili gjithashtu oksidohet në CO2 në konvertues. Më tej, nën ndikimin e katalizatorit, molekulat e hidrogjenit shpërndahen në jone H në anodë. Elektronet e çliruara në këtë reaksion drejtohen përmes ngarkesës në katodë. Në katodë, ato reagojnë me jonet e hidrogjenit që shpërndahen përmes elektrolitit dhe me jonet e oksigjenit që formohen si rezultat i oksidimit katalitik të oksigjenit të ajrit në katodë, duke formuar përfundimisht ujë.
Qelizat e karburantit me karbonat të shkrirë të llojit MCFC gjithashtu i përkasin llojeve premtuese të qelizave të karburantit. Kjo qelizë karburanti, kur funksionon me metan, ka një efikasitet prej 50-57% për energjinë elektrike. Temperatura e funksionimit 540-650°C, elektrolit - karbonat i shkrirë i kaliumit dhe alkalit të natriumit në një guaskë - një matricë e oksidit të litium-aluminit LiA102.
Dhe, së fundi, elementi më premtues i karburantit është SOFC. Është një qelizë karburanti me oksid të ngurtë që përdor çdo lëndë djegëse të gaztë dhe është më e përshtatshme për instalime relativisht të mëdha. Efikasiteti i tij energjetik është 50-55%, dhe kur përdoret në impiante me cikël të kombinuar, deri në 65%. Temperatura e funksionimit 980-1000°C, elektrolit - zirkon i ngurtë, i stabilizuar me ittrium.

Në fig. 2 tregon një bateri SOFC me 24 qeliza të zhvilluar nga Siemens Westinghouse Power Corporation (SWP - Gjermani). Kjo bateri është baza e një gjeneratori elektrokimik të mundësuar nga gazi natyror. Provat e para demonstruese të një termocentrali të këtij lloji me fuqi 400 W u kryen që në vitin 1986. Në vitet në vijim, dizajni i qelizave të karburantit me oksid të ngurtë u përmirësua dhe fuqia e tyre u rrit.

Testet demonstruese të njësisë 100 kW të vënë në punë në 1999 ishin më të suksesshmet. Kështu, u vërtetua mundësia e funksionimit të termocentralit për të paktën 40 mijë orë me një rënie të pranueshme të fuqisë së tij.

Në vitin 2001, u zhvillua një termocentral i ri i bazuar në elementë të ngurtë oksid, që funksiononte në presion atmosferik. Bateria (gjenerator elektrokimik) me kapacitet të termocentralit 250 kW me gjenerim të kombinuar të energjisë elektrike dhe nxehtësisë përfshinte 2304 elementë tubarë oksid të ngurtë. Përveç kësaj, impianti përfshinte një inverter, një rigjenerues, një ngrohës me karburant (gaz natyror), një dhomë djegieje për ngrohjen e ajrit, një shkëmbyes nxehtësie për ngrohjen e ujit duke përdorur nxehtësinë e gazrave të gripit dhe pajisje të tjera ndihmëse. Në të njëjtën kohë, dimensionet e përgjithshme të instalimit ishin mjaft të moderuara: 2.6x3.0x10.8 m.
Disa përparime në zhvillimin e qelizave të mëdha të karburantit janë arritur nga specialistë japonezë. Puna kërkimore filloi në Japoni që në vitin 1972, por përparim i rëndësishëm u bë vetëm në mesin e viteve 1990. Modulet eksperimentale të qelizave të karburantit kishin një fuqi prej 50 deri në 1000 kW, ku 2/3 e tyre punonin me gaz natyror.
Në vitin 1994, në Japoni u ndërtua një impiant qelizash karburanti 1 MW. Me një faktor rendimenti total (me prodhimin e avullit dhe ujit të nxehtë) të barabartë me 71%, instalimi kishte një faktor efikasiteti për furnizimin me energji elektrike të paktën 36%. Që nga viti 1995, sipas raporteve të shtypit, një termocentral i qelizave të karburantit të acidit fosforik 11 MW ka funksionuar në Tokio, dhe deri në vitin 2000 prodhimi total i qelizave të karburantit ka arritur në 40 MW.

Të gjitha instalimet e listuara më sipër i përkasin klasës industriale. Zhvilluesit e tyre po përpiqen vazhdimisht të rrisin fuqinë e njësive në mënyrë që të përmirësojnë karakteristikat e kostos (kostot specifike për kW të kapacitetit të instaluar dhe koston e energjisë elektrike të prodhuar). Por ka disa kompani që vendosin një qëllim tjetër: të zhvillojnë instalimet më të thjeshta për konsum të brendshëm, duke përfshirë furnizimet individuale me energji elektrike. Dhe në këtë fushë ka arritje të rëndësishme:

• Plug Power LLC zhvilloi një njësi qelize karburanti 7 kW për të fuqizuar një shtëpi;
• H Power Corporation prodhon karikues baterish 50-100 W që përdoren në transport;
• Kompani praktikante. Fuel Cells LLC prodhon automjete 50-300W dhe furnizime personale me energji elektrike;
• Analytic Power Inc. ka zhvilluar furnizime me energji personale 150 W për Ushtrinë e SHBA, si dhe furnizime me energji elektrike me qeliza karburanti nga 3kW deri në 10kW.

Cilat janë avantazhet e qelizave të karburantit që inkurajojnë kompani të shumta të investojnë shumë në zhvillimin e tyre?
Përveç besueshmërisë së lartë, gjeneratorët elektrokimikë kanë një faktor të lartë efikasiteti, i cili i dallon ata në mënyrë të favorshme nga impiantet e turbinave me avull dhe madje edhe nga impiantet me turbina me cikli të thjeshtë me gaz. Një avantazh i rëndësishëm i qelizave të karburantit është lehtësia e përdorimit të tyre si burime të shpërndara të energjisë: dizajni modular ju lejon të lidhni në seri çdo numër qelizash individuale për të formuar një bateri - një cilësi ideale për rritjen e fuqisë.

Por argumenti më i rëndësishëm në favor të qelizave të karburantit është performanca e tyre mjedisore. Emetimet e NOX dhe CO nga këto instalime janë aq të vogla sa, për shembull, autoritetet e qarkut të cilësisë së ajrit në rajone (ku rregulloret e kontrollit mjedisor janë më të rrepta në SHBA) as nuk e përmendin këtë pajisje në të gjitha kërkesat në lidhje me mbrojtjen. të atmosferës.

Përparësitë e shumta të qelizave të karburantit, për fat të keq, aktualisht nuk mund të tejkalojnë pengesën e tyre të vetme - koston e lartë.Për shembull, në SHBA, kostot specifike kapitale për ndërtimin e një termocentrali, edhe me qelizat e karburantit më konkurrues, janë afërsisht 3500 $/kW. . Megjithëse qeveria po jep një subvencion prej 1000 dollarësh/kWh për të stimuluar kërkesën për këtë teknologji, kostoja e ndërtimit të objekteve të tilla mbetet mjaft e lartë. Sidomos kur krahasohet me kostot kapitale për ndërtimin e një mini-CHP me turbina me gaz ose me motorë me djegie të brendshme të diapazonit të fuqisë megavat, të cilat janë afërsisht 500 dollarë/kW.

Vitet e fundit, ka pasur disa përparime në uljen e kostove të instalimeve të FC. Ndërtimi i termocentraleve me qeliza karburanti me bazë acidi fosforik me kapacitet 0,2-1,0 MW, që u përmend më lart, kushtoi 1700 dollarë/kW. Kostoja e prodhimit të energjisë në instalime të tilla në Gjermani, kur përdoret për 6000 orë në vit, llogaritet të jetë 7,5-10 cent / kWh. Impianti 200 kW PC25 i operuar nga Hessische EAG (Darmstadt) gjithashtu ka performancë të mirë ekonomike: kostoja e energjisë elektrike, duke përfshirë amortizimin, karburantin dhe kostot e mirëmbajtjes së impiantit, arriti në 15 cent/kWh. I njëjti tregues për TEC-et me qymyr kafe ishte 5.6 cent / kWh në ndërmarrjen e energjisë, për qymyrin - 4.7 cent / kWh, për termocentralet me cikël të kombinuar - 4.7 cent / kWh dhe për termocentralet me naftë - 10.3 cent / kWh.

Ndërtimi i një impianti më të madh të qelizave të karburantit (N=1564 kW), që funksiononte që nga viti 1997 në Këln, kërkonte kosto kapitale specifike prej 1500-1750 USD/kW, por kostoja e qelizave aktuale të karburantit ishte vetëm 400 USD/kW.

Të gjitha sa më sipër tregojnë se qelizat e karburantit janë një lloj pajisjesh premtuese për prodhimin e energjisë si për industrinë ashtu edhe për instalimet autonome në sektorin e brendshëm. Efikasiteti i lartë i përdorimit të gazit dhe karakteristikat e shkëlqyera mjedisore japin arsye për të besuar se pas zgjidhjes së detyrës më të rëndësishme - uljen e kostos - ky lloj i pajisjeve të energjisë do të jetë i kërkuar në tregun e sistemeve autonome të furnizimit me ngrohje dhe energji elektrike.

Qelizat e karburantit (gjeneratorët elektrokimikë) janë një metodë shumë efikase, e qëndrueshme, e besueshme dhe miqësore me mjedisin e gjenerimit të energjisë. Fillimisht, ato u përdorën vetëm në industrinë hapësinore, por sot gjeneratorët elektrokimikë përdoren gjithnjë e më shumë në fusha të ndryshme: këto janë furnizime me energji elektrike për telefona celularë dhe laptopë, motorë automjetesh, furnizime autonome me energji elektrike për ndërtesa dhe termocentrale stacionare. Disa nga këto pajisje funksionojnë si prototipe laboratorike, disa përdoren për qëllime demonstruese ose po i nënshtrohen testeve para serisë. Megjithatë, shumë modele përdoren tashmë në projekte komerciale dhe prodhohen në masë.

Pajisja

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

Pajisja e qelizave të karburantit përfshin tre pjesë kryesore:

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

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

Një nga këto pajisje ka këto karakteristika: në një tension prej 155 volt, prodhohen 1400 amper. Dimensionet e baterisë janë 0.9 m në gjerësi dhe lartësi, si dhe 2.9 m në gjatësi. Procesi elektrokimik në të kryhet në një temperaturë prej 177 ° C, gjë që kërkon ngrohjen e baterisë në momentin e fillimit, si dhe heqjen e nxehtësisë gjatë funksionimit të saj. Për këtë qëllim, një qark i veçantë uji përfshihet në përbërjen e qelizës së karburantit, duke përfshirë baterinë e pajisur me pllaka speciale ftohëse.

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

Ekziston një djegës për të ruajtur temperaturën e kërkuar të reformatorit. Avulli i nevojshëm për reformim gjenerohet nga kondensata. Një rrymë e paqëndrueshme e drejtpërdrejtë krijohet në grumbullin e qelizave të karburantit dhe një konvertues i tensionit përdoret për ta kthyer atë.

Gjithashtu në njësinë e konvertuesit të tensionit ka:

• pajisjet e kontrollit.
• Qarqet e ndërlidhjes së sigurisë që mbyllin qelizën e karburantit në defekte të ndryshme.

Parimi i funksionimit

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

• Membrana e shkëmbimit të protonit duket si një përbërje e hollë organike e ngurtë me trashësi të vogël. Kjo membranë funksionon si një elektrolit, në prani të ujit e ndan substancën në jone të ngarkuar negativisht dhe pozitivisht.
• Oksidimi fillon në anodë dhe reduktimi ndodh në katodë. Katoda dhe anoda në qelizën PEM janë bërë nga një material poroz; është një përzierje e grimcave të platinit dhe karbonit. Platini vepron si një katalizator, i cili nxit reaksionin e disociimit. Katoda dhe anoda bëhen poroze në mënyrë që oksigjeni dhe hidrogjeni të kalojnë lirisht nëpër to.
• Anoda dhe katoda janë të vendosura midis dy pllakave metalike, ato furnizojnë oksigjen dhe hidrogjen në katodë dhe anodë, dhe largojnë energjinë elektrike, nxehtësinë dhe ujin.
• Nëpërmjet kanaleve në pllakë, molekulat e hidrogjenit hyjnë në anodë, ku molekulat zbërthehen në atome.
• Si rezultat i kimisorbimit, kur ekspozohen ndaj një katalizatori, atomet e hidrogjenit shndërrohen në jone hidrogjeni të ngarkuar pozitivisht H +, domethënë protone.
• Protonet shpërndahen në katodë përmes membranës, dhe rrjedha e elektroneve shkon në katodë përmes një qarku elektrik të jashtëm të veçantë. Një ngarkesë është e lidhur me të, domethënë një konsumator i energjisë elektrike.
• Oksigjeni, i cili furnizohet në katodë, kur ekspozohet, hyn në një reaksion kimik me elektrone nga qarku elektrik i jashtëm dhe jonet e hidrogjenit nga membrana e shkëmbimit të protoneve. Rezultati i këtij reaksioni kimik është uji.

Reaksioni kimik që ndodh në qelizat e karburantit të llojeve të tjera (për shembull, me një elektrolit acid në formën e acidit ortofosforik H3PO4) është plotësisht identik me reagimin e një pajisjeje me një membranë shkëmbimi të protonit.

Llojet

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

• Qelizat e karburantit të bazuara në acid ortofosforik ose fosforik (PAFC, Fosforic Acid Fuel Cells).
• Pajisjet me një membranë të shkëmbimit të protoneve (PEMFC, qelizat e karburantit të membranës së shkëmbimit të protoneve).
• Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë (SOFC, Solid Oxide Fuel Cells).
• Gjeneratorë elektrokimikë të bazuar në karbonat të shkrirë (MCFC, Cells Karbonate të Shkrirë).

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

Aplikacion

Sot, qelizat e karburantit përdoren në Space Shuttle, automjete hapësinore të ripërdorshme. Ata përdorin njësi 12 W. Ata gjenerojnë të gjithë energjinë elektrike në anijen kozmike. Uji, i cili formohet gjatë reaksionit elektrokimik, përdoret për pije, duke përfshirë pajisjet ftohëse.

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

Qelizat e karburantit përdoren gjithashtu në sektorin civil.

• Instalime stacionare me kapacitet 5–250 kW e lart. Ato përdoren si burime autonome për furnizimin me ngrohje dhe energji elektrike të ndërtesave industriale, publike dhe rezidenciale, furnizime me energji emergjente dhe rezervë, furnizime me energji të pandërprerë.
• Njësi portative me fuqi 1–50 kW. Ato përdoren për satelitët dhe anijet hapësinore. Janë krijuar shembuj për karrocat e golfit, karriget me rrota, frigoriferët hekurudhor dhe mallrash, tabelat rrugore.
• Njësi të lëvizshme me kapacitet 25–150 kW. Ato kanë filluar të përdoren në anije luftarake dhe nëndetëse, duke përfshirë makina dhe automjete të tjera. Prototipet janë krijuar tashmë nga gjigantë të tillë të automobilave si Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford dhe të tjerë.
• Mikropajisje me fuqi 1–500 W. Ato gjejnë aplikim në kompjuterë të avancuar dore, laptopë, pajisje elektronike të konsumit, telefona celularë, pajisje moderne ushtarake.

Veçoritë

• Një pjesë e energjisë së reaksionit kimik në secilën qelizë të karburantit çlirohet si nxehtësi. Kërkohet ftohje. Në një qark të jashtëm, rrjedha e elektroneve krijon një rrymë të drejtpërdrejtë që përdoret për të kryer punë. Ndërprerja e lëvizjes së joneve të hidrogjenit ose hapja e qarkut të jashtëm çon në përfundimin e reaksionit kimik.
• Sasia e energjisë elektrike që krijojnë qelizat e karburantit përcaktohet nga presioni i gazit, temperatura, dimensionet gjeometrike dhe lloji i qelizës së karburantit. Për të rritur sasinë e energjisë elektrike të prodhuar nga reaksioni, është e mundur që madhësia e qelizave të karburantit të bëhet më e madhe, por në praktikë përdoren disa elementë, të cilët kombinohen në bateri.
• Procesi kimik në disa lloje të qelizave të karburantit mund të ndryshohet. Kjo do të thotë, kur një ndryshim potencial aplikohet në elektroda, uji mund të dekompozohet në oksigjen dhe hidrogjen, të cilët do të mblidhen në elektroda poroze. Me përfshirjen e ngarkesës, një qelizë e tillë karburanti do të gjenerojë energji elektrike.

perspektivat

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

• Makinat do të punojnë me qeliza karburanti, nuk do të kenë fare motorë me djegie të brendshme. Uji ose hidrogjeni në gjendje të ngurtë do të përdoret si burim energjie. Furnizimi me karburant do të jetë i lehtë dhe i sigurt, dhe ngasja do të jetë miqësore me mjedisin - do të krijohen vetëm avujt e ujit.
• Të gjitha ndërtesat do të kenë gjeneratorët e tyre portativë të energjisë me qeliza karburanti.
• Gjeneratorët elektrokimikë do të zëvendësojnë të gjitha bateritë dhe do të jenë në çdo elektronikë dhe pajisje shtëpiake.

Avantazhet dhe disavantazhet

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

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

• siguria për mjedisin;
• gjeneratorët elektrokimikë nuk kanë nevojë të rimbushen;
• gjeneratorët elektrokimikë mund të krijojnë vazhdimisht energji, ata nuk kujdesen për kushtet e jashtme;
• fleksibilitet në aspektin e shkallës dhe transportueshmërisë.

Ndër disavantazhet janë:

• vështirësi teknike me ruajtjen dhe transportin e karburantit;
• elementet e papërsosur të pajisjes: katalizatorët, membranat, etj.

Gjatë dy viteve të ardhshme, një numër i madh modelesh të prodhuara në masë të pajisura me burime energjie me qeliza kimike të karburantit pritet të shfaqen në treg për kompjuterë celularë dhe pajisje elektronike portative.

Ekskursion në histori

Eksperimentet e para për krijimin e qelizave të karburantit u kryen në shekullin e 19-të. Në vitin 1839, fizikani anglez Grove, gjatë kryerjes së elektrolizës së ujit, zbuloi se pas fikjes së burimit të rrymës së jashtme, lind një rrymë e drejtpërdrejtë midis elektrodave. Megjithatë, zbulimet në këtë fushë, të bëra nga një sërë shkencëtarësh të shquar të shekullit të 19-të, nuk gjetën zbatim praktik, duke u bërë pronë vetëm e shkencës akademike.

Shkencëtarët iu kthyen krijimit të qelizave të karburantit për përdorim të aplikuar vetëm në fillim të viteve 1950. Gjatë kësaj periudhe, mundësitë e aplikimit praktik të reaktorëve kimikë për prodhimin e energjisë elektrike filluan të studiohen në mënyrë aktive nga ekipet kërkimore në SHBA, Japoni, BRSS dhe një sërë vendesh të Evropës Perëndimore.

Fusha e parë e aplikimit praktik të qelizave të karburantit ishte astronautika. Qelizat e karburantit të modeleve të ndryshme u përdorën në anijen amerikane Gemini, Apollo dhe Shuttle, si dhe në anijen hapësinore të ripërdorshme Buran të krijuar në BRSS.

Vala tjetër e interesit për qelizat e karburantit kimik u shkaktua nga kriza energjetike e viteve '70. Gjatë asaj periudhe, shumë kompani u angazhuan në kërkime për përdorimin e burimeve alternative të energjisë për transport, si dhe për aplikime shtëpiake dhe industriale. Meqë ra fjala, pikërisht në këtë fushë filloi aktivitetin edhe kompania tashmë e njohur ARS.

Aktualisht, ekzistojnë katër fusha kryesore të aplikimit për termocentralet me qeliza karburanti: termocentrale për automjete të ndryshme (nga skuterët në autobusë), zgjidhje stacionare në shkallë të madhe dhe të vogël dhe furnizime me energji elektrike për pajisjet mobile. Në këtë artikull, ne do të fokusohemi kryesisht në zgjidhjet për pajisjet portative.

Çfarë janë qelizat e karburantit

Para së gjithash, është e nevojshme të sqarohet se çfarë do të diskutohet. Qelizat e karburantit janë reaktorë kimikë të specializuar të krijuar për të shndërruar drejtpërdrejt energjinë e çliruar gjatë reaksionit të oksidimit të karburantit në energji elektrike.

Duhet të theksohet se qelizat e karburantit kanë të paktën dy dallime thelbësore nga bateritë galvanike, të lidhura gjithashtu me pajisjet që konvertojnë energjinë e reaksioneve kimike që ndodhin në to në energji elektrike. Së pari, qelizat e karburantit përdorin elektroda që nuk konsumohen gjatë funksionimit, dhe së dyti, substancat e nevojshme për reaksionin furnizohen nga jashtë dhe fillimisht nuk vendosen brenda qelizës (siç është rasti me bateritë konvencionale).

Përdorimi i elektrodave jo të konsumueshme mund të rrisë ndjeshëm jetën e shërbimit të qelizave të karburantit në krahasim me bateritë galvanike. Për më tepër, për shkak të përdorimit të një sistemi të jashtëm të furnizimit me karburant, procedura për rivendosjen e efikasitetit të qelizave të karburantit është thjeshtuar shumë dhe më e lirë.

Puna e qelizave kimike të karburantit mbështetet nga furnizimi i dy komponentëve të përdorur për të mbështetur reagimin - karburanti dhe oksiduesi. Në varësi të llojit të qelizës së karburantit, gazi hidrogjen, gazi natyror (metani) si dhe karburanti i lëngët hidrokarbur (p.sh. metanoli) mund të përdoret si lëndë djegëse. Agjenti oksidues është zakonisht oksigjeni në ajër, dhe disa lloje të qelizave të karburantit mund të punojnë vetëm me oksigjen të pastër.

Dizajni i çdo qelize të karburantit kimik përbëhet nga dy elektroda (katodë dhe anodë) dhe një shtresë elektrolite e vendosur midis tyre - një medium që siguron lëvizjen e joneve nga një elektrodë në tjetrën dhe bllokon lëvizjen e elektroneve. Në mënyrë që reaksioni të vazhdojë me një shpejtësi më të shpejtë, katalizatorët shpesh përdoren në elektroda. Në varësi të karakteristikave kimike dhe fizike të elektrolitit të përdorur, qelizat e karburantit ndahen në disa lloje të ndryshme (për më shumë detaje, shihni shiritin anësor "Llojet e qelizave të karburantit kimik").

Përparësitë e qelizave të karburantit

Krahasuar me burimet autonome të energjisë aktualisht të përdorura gjerësisht të përdorura në PC-të e lëvizshëm dhe pajisjet portative, qelizat e karburantit kimik kanë një sërë avantazhesh të rëndësishme.

Para së gjithash, vlen të përmendet efikasiteti i lartë i qelizave të karburantit, i cili, në varësi të llojit, është nga 40 në 60%. Efikasiteti i lartë bën të mundur prodhimin e furnizimeve me energji me një intensitet specifik energjie më të lartë, gjë që rezulton në një reduktim të peshës dhe madhësisë së tyre duke ruajtur energjinë dhe jetëgjatësinë e baterisë. Përveç kësaj, më shumë furnizime me energji të etur për energji mund të zgjasin ndjeshëm jetëgjatësinë e baterisë së pajisjeve ekzistuese pa rritur madhësinë dhe peshën e tyre.

Një avantazh tjetër i rëndësishëm i qelizave të karburantit kimik është mundësia e rinovimit pothuajse të menjëhershëm të burimit të tyre të energjisë edhe në mungesë të burimeve të jashtme të energjisë - për këtë mjafton të instaloni një enë të re (fishekë) me karburantin e përdorur. Përdorimi i elektrodave që nuk konsumohen gjatë reaksionit bën të mundur krijimin e qelizave të karburantit me një jetëgjatësi shumë të gjatë shërbimi dhe një kosto totale të ulët pronësie.

Duhet gjithashtu të theksohet se qelizat e karburantit kimik janë shumë më miqësore me mjedisin sesa bateritë galvanike. Materialet harxhuese për qelizat e karburantit janë vetëm kontejnerë me karburant, dhe produkti kryesor i reagimit është uji i zakonshëm. Zëvendësimi i baterive dhe akumulatorëve të përdorur aktualisht me qeliza karburanti do të zvogëlojë ndjeshëm vëllimin e mbetjeve që përmbajnë substanca toksike dhe të dëmshme për mjedisin për t'u ricikluar.

Problemi me platinin

Pavarësisht nga avantazhet e dukshme të qelizave kimike të karburantit ndaj shumë prej burimeve aktuale të energjisë për kompjuterët portativë dhe pajisjet elektronike, ekzistojnë disa pengesa për adoptimin masiv të teknologjisë së re.

Qelizat e karburantit me temperaturë të ulët funksionimi si PEM dhe DMCF janë më të përshtatshmet për aplikacione portative relativisht të vogla. Megjithatë, për të siguruar një shkallë të pranueshme të reaksioneve kimike në elementë të tillë, është e nevojshme të përdoren katalizatorë. Aktualisht, qelizat PEM dhe DMCF përdorin katalizatorë të bërë nga platini dhe lidhjet e tij. Duke marrë parasysh rezervat natyrore relativisht të vogla të kësaj substance, si dhe koston e saj të lartë, një nga detyrat kryesore për zhvilluesit e burimeve të energjisë bazuar në qelizat e karburantit është kërkimi dhe krijimi i katalizatorëve të rinj. Një zgjidhje tjetër e mundshme për problemin është përdorimi i qelizave të karburantit me temperaturë të lartë, megjithatë, për një numër arsyesh, burime të tilla të energjisë aktualisht janë praktikisht të papërshtatshme për t'u përdorur në pajisjet portative.

Moving Forward: Prototyping

Pavarësisht pranisë së një sërë problemesh, gjatë dy viteve të fundit, aktiviteti i ekipeve të zhvillimit të përfshirë në krijimin e qelizave të karburantit për PC portativë dhe pajisje elektronike është rritur ndjeshëm. Përveç kësaj, është rritur edhe numri i kompanive që kryejnë punë të tilla.

Nëse flasim për teknologjitë e përdorura, atëherë zgjidhjet më të njohura në këtë segment janë qelizat e karburantit PEM dhe DMFC. Nga kompanitë celulare të qelizave të karburantit, rreth 45% kanë zgjedhur teknologjinë PEM, rreth 40% për DMFC dhe më pak se 10% për SOFC. Komoditeti dhe lehtësia e përdorimit të karburanteve të lëngëta është një avantazh i rëndësishëm i DMFC ndaj PEM, dhe në vitin e kaluar u bë e qartë se shumica e projekteve në prag të komercializimit bazohen në teknologjinë DMFC.

Një prototip PDA me një qelizë karburanti të integruar të krijuar nga zhvilluesit e Hitachi

Në fillim të vitit të kaluar, Hitachi demonstroi një prototip PDA me një qelizë karburanti të integruar dhe njoftoi synimin e saj për të filluar shitjen e një grupi provë të pajisjeve të tilla në 2005. Qeliza e karburantit rimbushet duke përdorur një fishek cilindrik (1 cm në diametër dhe 5 cm të lartë) që përmban një zgjidhje ujore metanoli 20%. Sipas zhvilluesve, karburanti i përfshirë në fishek është i mjaftueshëm për të siguruar punë aktive me PDA për 6-8 orë.

Qershorin e kaluar, Toshiba zbuloi një prototip qelizë kompakte DMFC të krijuar për të fuqizuar lojtarët e mediave dixhitale dhe telefonat celularë. Dimensionet e këtij blloku janë 22X56X4,5 mm, pesha - 8,5 g, si lëndë djegëse përdor metanol të koncentruar (99,5%). Një mbushje karburanti (2 cm3) është e mjaftueshme për të fuqizuar një ngarkesë 100 mW (p.sh. një MP3 player portativ) për 20 orë. Gjatë zhvillimit të këtij prototipi, u aplikuan disa zgjidhje të reja, në veçanti, struktura e elektrodave dhe membrana polimer u optimizua, gjë që bën të mundur përdorimin e metanolit të koncentruar si lëndë djegëse.

Dihet se një nga prodhuesit e telefonave celularë - kompania KDDI - është duke parë nga afër zhvillimet e Toshiba dhe Hitachi në fushën e qelizave të karburantit me përmasa të vogla. KDDI planifikon të sjellë në treg telefona celularë me energji qelizash karburanti brenda dy viteve të ardhshme.

Disa kompani kanë demonstruar tashmë zgjidhje prototip laptop. Në veçanti, Casio prezantoi një prototip laptop të pajisur me një furnizim me energji elektrike që përmban një element PEM dhe një konvertues metanoli. Në fillim të vitit të kaluar, Samsung prezantoi një prototip laptop të bazuar në platformën celulare Centrino, të pajisur me një qelizë karburanti që i siguron pajisjes 10 orë funksionim.

Në nëntor 2004, stafi i Institutit të Tokios për Kërkime në Materiale dhe Energji (Instituti i Kërkimeve të Materialeve dhe Energjisë Tokio, MERIT) publikoi informacione në lidhje me punën për krijimin e një qelize karburanti të dizajnit të vet, e cila do të jetë më e lirë dhe më kompakte se DMFC. Ai do të përdor borohidrid natriumi si lëndë djegëse. Sipas zhvilluesve, falë kësaj, koha e funksionimit të qelizës së karburantit do të rritet katër herë në krahasim me një qelizë DMFC të mbushur me të njëjtin vëllim metanol.

Prototipi i qelizave të karburantit i prezantuar nga punonjësit e MERIT është bërë në një paketë me përmasa 80X84.6X3 mm dhe mund të funksionojë me një ngarkesë deri në 20 W. Për të fuqizuar pajisje më të fuqishme, mund të përdorni bateri që përbëhen nga disa qeliza. Sipas planeve ekzistuese, vendosja e prodhimit masiv të elementëve të tillë është planifikuar për në fillim të vitit 2006.

Akulli është thyer...

Në mesin e dhjetorit, Intermec Technologies filloi të shesë një lexues portativ RFID, pajisja e parë e prodhuar në masë e pajisur me një element DMFC me përmasa të vogla. Qeliza e karburantit Mobion e përdorur në pajisje u zhvillua nga MTI MicroFuel Cells, e cila planifikon të nisë prodhimin e furnizimeve të tilla me energji elektrike për PDA, smartfonë dhe pajisje të tjera portative. Siç është vërejtur nga zhvilluesit e MTI MicroFuel Cells, elementi Mobion lejon disa herë të rrisë kohën e funksionimit të pajisjeve pa rimbushje në krahasim me bateritë litium-jon me të njëjtën madhësi.

Sipas shumë ekspertëve, një numër i pajisjeve portative të prodhuara në masë të pajisura me qeliza karburanti duhet të priten në vitin e ardhshëm. Dhe e ardhmja e tregut të furnizimit me energji portative do të varet kryesisht nga sa i suksesshëm do të jetë debutimi i tyre.

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

Çfarë është një qelizë karburanti?

vëndi i karburantit- ky është një burim i rrymës kimike ose një gjenerator elektrokimik, kjo është një pajisje për shndërrimin e energjisë kimike në energji elektrike. Në jetën moderne, burimet e rrymës kimike përdoren kudo dhe janë bateritë për celularët, laptopët, PDA-të, si dhe bateritë në makina, furnizimet me energji të pandërprerë, etj. Faza tjetër në zhvillimin e kësaj zone do të jetë shpërndarja e gjerë e qelizave të karburantit dhe ky është një fakt i pamohueshëm.

Historia e qelizave të karburantit

Historia e qelizave të karburantit është një tjetër histori se si vetitë e materies, të zbuluara dikur në Tokë, u përdorën gjerësisht në hapësirë, dhe në fund të mijëvjeçarit ata u kthyen nga parajsa në Tokë.

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

Pak më parë, në vitin 1874, Zhyl Verni, në "Ishulli misterioz", parashikoi situatën aktuale të energjisë, duke shkruar se "Uji një ditë do të përdoret si lëndë djegëse, hidrogjeni dhe oksigjeni, nga i cili përbëhet, do të përdoren".

Ndërkohë teknologjia e re e furnizimit me energji elektrike u përmirësua gradualisht dhe duke filluar nga vitet 50 të shekullit XX nuk kaloi asnjë vit pa shpallur shpikjet më të fundit në këtë fushë. Në vitin 1958, traktori i parë i fuqizuar nga qelizat e karburantit u shfaq në Shtetet e Bashkuara, në 1959. U lirua furnizimi me energji 5 KW për makinën e saldimit, etj. Në vitet '70, teknologjia e hidrogjenit u ngrit në hapësirë: motorët e avionëve dhe raketave u shfaqën në hidrogjen. Në vitet 1960, RSC Energia zhvilloi qelizat e karburantit për programin hënor Sovjetik. Programi Buran gjithashtu nuk bëri pa to: u zhvilluan qeliza alkaline të karburantit 10 kW. Dhe nga fundi i shekullit, qelizat e karburantit kaluan zero lartësi mbi nivelin e detit - bazuar në to, u zhvilluan furnizimi me energji elektrike Nëndetëse gjermane. Duke u kthyer në Tokë, në vitin 2009 lokomotiva e parë u vu në punë në SHBA. Natyrisht, në qelizat e karburantit.

Në të gjithë historinë e bukur të qelizave të karburantit, ajo që është interesante është se rrota është ende shpikja e pashembullt e njerëzimit në natyrë. Fakti është se në hartimin dhe parimin e tyre të funksionimit, qelizat e karburantit janë të ngjashme me një qelizë biologjike, e cila, në fakt, është një qelizë karburanti miniaturë hidrogjen-oksigjen. Si rezultat, njeriu shpiku edhe një herë atë që natyra ka përdorur për miliona vjet.

Parimi i funksionimit të qelizave të karburantit

Parimi i funksionimit të qelizave të karburantit është i dukshëm edhe nga kurrikula e shkollës në kimi, dhe ishte ai që u parashtrua në eksperimentet e William Grove në 1839. Puna është se procesi i elektrolizës së ujit (shpërbërja e ujit) është i kthyeshëm. Ashtu siç është e vërtetë që kur një rrymë elektrike kalon nëpër ujë, ky i fundit ndahet në hidrogjen dhe oksigjen, po ashtu është e vërtetë e kundërta: hidrogjeni dhe oksigjeni mund të kombinohen për të prodhuar ujë dhe energji elektrike. Në eksperimentin e Grove, dy elektroda u vendosën në një dhomë në të cilën pjesë të kufizuara të hidrogjenit dhe oksigjenit të pastër furnizoheshin nën presion. Për shkak të vëllimeve të vogla të gazit, si dhe për shkak të vetive kimike të elektrodave të karbonit, në dhomë ndodhi një reagim i ngadaltë me lëshimin e nxehtësisë, ujit dhe, më e rëndësishmja, me formimin e një ndryshimi potencial midis elektrodat.

Qeliza më e thjeshtë e karburantit përbëhet nga një membranë e veçantë që përdoret si elektrolit, në të dy anët e së cilës aplikohen elektroda pluhur. Hidrogjeni hyn në njërën anë (anodë) dhe oksigjeni (ajri) në anën tjetër (katodë). Çdo elektrodë ka një reaksion kimik të ndryshëm. Në anodë, hidrogjeni shpërbëhet në një përzierje të protoneve dhe elektroneve. Në disa qeliza të karburantit, elektrodat rrethohen nga një katalizator, zakonisht i bërë nga platini ose metale të tjera fisnike, për të ndihmuar në reaksionin e disociimit:

2H 2 → 4H + + 4e -

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

Në anën e katodës së qelizës së karburantit, protonet (që kaluan përmes elektrolitit) dhe elektronet (të cilat kaluan përmes ngarkesës së jashtme) rikombinohen dhe reagojnë me oksigjenin e furnizuar në katodë për të formuar ujë:

4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O

Reagimi i përgjithshëm në qelizën e karburantit shkruhet si më poshtë:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

Funksionimi i një qelize karburanti bazohet në faktin se elektroliti kalon protonet përmes vetes (drejt katodës), por elektronet jo. Elektronet lëvizin drejt katodës përgjatë qarkut të jashtëm përcjellës. Kjo lëvizje e elektroneve është rryma elektrike që mund të përdoret për të fuqizuar një pajisje të jashtme të lidhur me qelizën e karburantit (një ngarkesë siç është një llambë):

Në punën e tyre, qelizat e karburantit përdorin karburant hidrogjeni dhe oksigjen. Mënyra më e lehtë është me oksigjen - merret nga ajri. Hidrogjeni mund të furnizohet drejtpërdrejt nga një enë e caktuar ose duke e ndarë atë nga një burim i jashtëm karburanti (gaz natyror, benzinë ​​ose alkool metil - metanol). Në rastin e një burimi të jashtëm, ai duhet të konvertohet kimikisht për të nxjerrë hidrogjenin. Aktualisht, shumica e teknologjive të qelizave të karburantit që po zhvillohen për pajisjet portative përdorin metanol.

Karakteristikat e qelizave të karburantit

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

• ato funksionojnë vetëm për sa kohë që karburanti dhe oksiduesi furnizohen nga një burim i jashtëm (d.m.th. nuk mund të ruajnë energji elektrike),

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

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

Çdo qelizë e karburantit krijon tension në 1V. Më shumë tension arrihet duke i lidhur ato në seri. Rritja e fuqisë (rrymës) realizohet nëpërmjet një lidhjeje paralele të kaskadave të qelizave të karburantit të lidhura në seri.

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

Efikasitet i lartë arrihet nëpërmjet shndërrimit të drejtpërdrejtë të energjisë së karburantit në energji elektrike. Nëse karburanti digjet fillimisht në grupet e gjeneratorëve me naftë, avulli ose gazi që rezulton kthen një turbinë ose bosht motori me djegie të brendshme, i cili nga ana tjetër kthen një gjenerator elektrik. Rezultati është një efikasitet prej maksimumi 42%, më shpesh është rreth 35-38%. Për më tepër, për shkak të lidhjeve të shumta, si dhe për shkak të kufizimeve termodinamike në efikasitetin maksimal të motorëve me nxehtësi, efikasiteti ekzistues nuk ka gjasa të rritet më lart. Për qelizat ekzistuese të karburantit Efikasiteti është 60-80%,

Efikasiteti pothuajse nuk varet nga faktori i ngarkesës,

Kapaciteti është disa herë më i lartë sesa bateritë ekzistuese

Kompletuar nuk ka emetime të dëmshme për mjedisin. Emetohen vetëm avujt e ujit të pastër dhe energjia termike (ndryshe nga gjeneratorët me naftë, të cilët kanë emetime ndotëse dhe kërkojnë heqjen e tyre).

Llojet e qelizave të karburantit

qelizat e karburantit e klasifikuar mbi bazat e mëposhtme:

nga karburanti i përdorur

presioni dhe temperatura e punës,

sipas natyrës së aplikimit.

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

Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë (SOFC);

Qelizë karburanti me membranë shkëmbyese protonike (Qeliza e karburantit e membranës së shkëmbimit të protoneve - PEMFC);

Celula e kthyeshme e karburantit (RFC);

Qelizë e karburantit me metanol të drejtpërdrejtë (Qeliza e karburantit direkt metanol - DMFC);

Qeliza e karburantit me karbonat të shkrirë (Qelizat e karburantit me karbonat të shkrirë - MCFC);

Qelizat e karburantit të acidit fosforik (PAFC);

Qelizat alkaline të karburantit (AFC).

Një nga llojet e qelizave të karburantit që funksionojnë në temperatura dhe presione normale duke përdorur hidrogjen dhe oksigjen janë elementë me një membranë shkëmbimi jonesh. Uji që rezulton nuk e tret elektrolitin e ngurtë, rrjedh poshtë dhe hiqet lehtësisht.

Problemet e qelizave të karburantit

Problemi kryesor i qelizave të karburantit lidhet me nevojën për hidrogjen "të paketuar", i cili mund të blihej lirisht. Natyrisht, problemi duhet të zgjidhet me kalimin e kohës, por deri tani situata shkakton një buzëqeshje të lehtë: çfarë vjen e para - pula apo veza? Qelizat e karburantit nuk janë ende mjaft të avancuara për të ndërtuar impiante hidrogjeni, por përparimi i tyre është i paimagjinueshëm pa këto impiante. Këtu vërejmë edhe problemin e burimit të hidrogjenit. Hidrogjeni aktualisht prodhohet nga gazi natyror, por rritja e kostove të energjisë do të rrisë edhe çmimin e hidrogjenit. Në të njëjtën kohë, prania e CO dhe H 2 S (sulfidi i hidrogjenit) është e pashmangshme në hidrogjenin nga gazi natyror, të cilët helmojnë katalizatorin.

Katalizatorët e zakonshëm të platinit përdorin një metal shumë të shtrenjtë dhe të pazëvendësueshëm në natyrë - platinin. Megjithatë, ky problem është planifikuar të zgjidhet duke përdorur katalizatorë të bazuar në enzima, të cilat janë një substancë e lirë dhe e prodhuar lehtësisht.

Nxehtësia është gjithashtu një problem. Efikasiteti do të rritet ndjeshëm nëse nxehtësia e gjeneruar drejtohet në një kanal të dobishëm - për të prodhuar energji termike për sistemin e furnizimit me ngrohje, për ta përdorur atë si nxehtësi e mbetur në përthithje. makina frigoriferike etj.

Qelizat e karburantit metanol (DMFC): Aplikim i vërtetë

Qelizat e karburantit me metanol të drejtpërdrejtë (DMFC) janë me interesin më të lartë praktik sot. Një laptop Portege M100 që funksionon në një qelizë karburanti DMFC duket kështu:

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

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

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

Qelizat e karburantit janë e ardhmja!

Së fundi, fakti që organizata ndërkombëtare IEC (International Electrotechnical Commission), e cila përcakton standardet industriale për pajisjet elektronike, ka njoftuar tashmë krijimin e një grupi pune për zhvillimin e një standardi ndërkombëtar për qelizat e karburantit në miniaturë, flet për të ardhmen e dukshme të madhe të karburantit. qelizat.

vëndi i karburantit ( vëndi i karburantit) është një pajisje që shndërron energjinë kimike në energji elektrike. Është e ngjashme në parim me një bateri konvencionale, por ndryshon në atë që funksionimi i saj kërkon një furnizim të vazhdueshëm të substancave nga jashtë për të ndodhur një reaksion elektrokimik. Hidrogjeni dhe oksigjeni furnizohen në qelizat e karburantit, dhe prodhimi është energjia elektrike, uji dhe nxehtësia. Përparësitë e tyre përfshijnë mirëdashjen mjedisore, besueshmërinë, qëndrueshmërinë dhe lehtësinë e funksionimit. Ndryshe nga bateritë konvencionale, konvertuesit elektrokimikë mund të funksionojnë praktikisht për një kohë të pacaktuar për sa kohë që karburanti është i disponueshëm. Ata nuk kanë nevojë të karikohen për orë të tëra derisa të karikohen plotësisht. Për më tepër, vetë qelizat mund të karikojnë baterinë ndërsa makina është e parkuar me motorin e fikur.

Qelizat e karburantit të membranës protonike (PEMFC) dhe qelizat e karburantit me oksid të ngurtë (SOFC) janë më të përdorurat në automjetet me hidrogjen.

Një qelizë karburanti me një membranë të shkëmbimit të protonit funksionon si më poshtë. Midis anodës dhe katodës janë një membranë e veçantë dhe një katalizator i veshur me platin. Hidrogjeni hyn në anodë, dhe oksigjeni hyn në katodë (për shembull, nga ajri). Në anodë, hidrogjeni zbërthehet në protone dhe elektrone me ndihmën e një katalizatori. Protonet e hidrogjenit kalojnë nëpër membranë dhe hyjnë në katodë, ndërsa elektronet lëshohen në qarkun e jashtëm (membrana nuk i lë të kalojnë). Diferenca potenciale e fituar në këtë mënyrë çon në shfaqjen e një rryme elektrike. Në anën e katodës, protonet e hidrogjenit oksidohen nga oksigjeni. Si rezultat, prodhohet avulli i ujit, i cili është elementi kryesor i gazrave të shkarkimit të makinave. Duke pasur një efikasitet të lartë, qelizat PEM kanë një pengesë të rëndësishme - ato kërkojnë hidrogjen të pastër për funksionimin e tyre, ruajtja e të cilit është një problem mjaft serioz.

Nëse gjendet një katalizator i tillë që do të zëvendësojë platinin e shtrenjtë në këto qeliza, atëherë menjëherë do të krijohet një qelizë e lirë karburanti për të prodhuar energji elektrike, që do të thotë se bota do të shpëtojë nga varësia nga nafta.

Qeliza të ngurta të oksidit

Qelizat SOFC të oksidit të ngurtë janë shumë më pak kërkuese për pastërtinë e karburantit. Përveç kësaj, falë përdorimit të një reformatori POX (Oksidimi i pjesshëm - oksidimi i pjesshëm), qeliza të tilla mund të konsumojnë benzinë ​​të zakonshme si lëndë djegëse. Procesi i shndërrimit të benzinës direkt në energji elektrike është si më poshtë. Në një pajisje të veçantë - një reformator, në një temperaturë prej rreth 800 ° C, benzina avullohet dhe dekompozohet në elementët e saj përbërës.

Kjo lëshon hidrogjen dhe dioksid karboni. Më tej, edhe nën ndikimin e temperaturës dhe me ndihmën e vetë SOFC (i përbërë nga një material qeramik poroz me bazë oksid zirkoniumi), hidrogjeni oksidohet nga oksigjeni në ajër. Pas marrjes së hidrogjenit nga benzina, procesi vazhdon më tej sipas skenarit të përshkruar më sipër, me vetëm një ndryshim: qeliza e karburantit SOFC, ndryshe nga pajisjet që punojnë me hidrogjen, është më pak e ndjeshme ndaj papastërtive të huaja në karburantin origjinal. Pra, cilësia e benzinës nuk duhet të ndikojë në performancën e qelizës së karburantit.

Temperatura e lartë e funksionimit të SOFC (650-800 gradë) është një pengesë e rëndësishme, procesi i ngrohjes zgjat rreth 20 minuta. Sidoqoftë, nxehtësia e tepërt nuk është problem, pasi ajo hiqet plotësisht nga ajri i mbetur dhe gazrat e shkarkimit të prodhuar nga reformatori dhe vetë qeliza e karburantit. Kjo lejon që sistemi SOFC të integrohet në automjet si një pajisje e pavarur në një strehim të izoluar termikisht.

Struktura modulare ju lejon të arrini tensionin e kërkuar duke lidhur një grup qelizash standarde në seri. Dhe, ndoshta më e rëndësishmja, nga pikëpamja e prezantimit të pajisjeve të tilla, nuk ka elektroda shumë të shtrenjta me bazë platini në SOFC. Është kostoja e lartë e këtyre elementeve që është një nga pengesat në zhvillimin dhe përhapjen e teknologjisë PEMFC.

Llojet e qelizave të karburantit

Aktualisht, ekzistojnë lloje të tilla të qelizave të karburantit:

• A.F.C.– Qeliza Alkaline e Karburantit (celula alkaline e karburantit);
• PAFC– Qeliza e karburantit të acidit fosforik (qeliza djegëse e acidit fosforik);
• PEMFC– Qeliza e Karburantit të Membranës së Shkëmbimit të Protonit (qeliza e karburantit me një membranë shkëmbyese protonike);
• DMFC– Qelizë djegëse direkte metanol (qelizë karburanti me zbërthim të drejtpërdrejtë të metanolit);
• MCFC– Qelizë e Karbonatit të Shkrirë (Foel cell of Solten Carbonate);
• SOFC– Qelizë e karburantit me oksid të ngurtë (celula karburanti me oksid të ngurtë).