Qelizë e karburantit të alkoolit e bërë nga materiale skrap. Instalimet e qelizave të karburantit. Qelizë karburanti DIY në shtëpi. Qelizat e karburantit përdoren gjithashtu në sektorin civil

Përgatitni gjithçka që ju nevojitet. Për të bërë një qelizë të thjeshtë karburanti, do t'ju nevojiten 12 inç tela të veshur me platin ose platin, një shkop kokoshka, një bateri 9 volt dhe mbajtëse baterie, shirit të pastër, një gotë ujë, kripë gjelle (opsionale), një metal i hollë shufër dhe një voltmetër.

• Një bateri 9 volt dhe një mbajtëse baterie mund të blihen nga një dyqan elektronik ose pajisjesh.

Pritini dy copa 15 centimetra të gjata nga platini ose teli i veshur me platin. Teli platini përdoret për qëllime të veçanta dhe mund të blihet në një dyqan elektronik. Do të shërbejë si katalizator për reagimin.

Mbështilleni copat e telit rreth një shufre të hollë metalike për të krijuar formën e sustave. Këto do të jenë elektrodat e qelizës së karburantit. Kapeni fundin e telit dhe mbështilleni fort rreth shufrës për të krijuar një pranverë spirale. Hiqni telin e parë nga shufra dhe mbështillni pjesën e dytë të telit.

• Ju mund të përdorni një gozhdë, një varëse teli ose një sondë testuese si një shufër për mbështjelljen e telit.

Pritini telat e mbajtësit të baterisë në gjysmë. Merrni prerëset e telave, pritini të dy telat e lidhur me mbajtësen në gjysmë dhe hiqni izolimin prej tyre. Ju do t'i bashkoni këto tela të zhveshur në elektroda.

• Duke përdorur pjesën e duhur të prerësve të telit, hiqni izolimin nga skajet e telit. Hiqni izolimin nga skajet e telave që keni prerë nga mbajtësi i baterisë.
• Pritini telin nën mbikëqyrjen e të rriturve.

Lidhni skajet e telave, të zhveshur nga izolimi, në elektroda. Lidhni telat me elektroda në mënyrë që më pas të mund të lidhni një burim energjie (mbajtëse baterie) dhe një voltmetër për të përcaktuar se sa tension prodhon qeliza e karburantit.

• Përdredhni telin e kuq të mbajtësit të baterisë dhe telin e kuq të prerë rreth skajit të sipërm të njërës prej telit, duke e lënë pjesën më të madhe të lirë.
• Mbështilleni skajin e sipërm të spirales së dytë me telin e zi të mbajtësit të baterisë dhe telin e zi të prerë.

Lidhni elektrodat në një shkop kokoshka ose shufër druri. Shkopi i kokoshkave duhet të jetë më i gjatë se qafa e gotës me ujë në mënyrë që të mund të qëndrojë mbi të. Ngjitni elektrodat në mënyrë që ato të varen nga shkopi dhe të bien në ujë.

• Mund të përdorni shirit të pastër ose shirit elektrik. Gjëja kryesore është që elektrodat të jenë ngjitur mirë në shkop.

Hidhni ujë nga çezma ose kripë në një gotë. Që reaksioni të ndodhë, uji duhet të përmbajë elektrolite. Uji i distiluar nuk është i përshtatshëm për këtë, pasi nuk përmban papastërti që mund të shërbejnë si elektrolite. Që reaksioni kimik të vazhdojë normalisht, mund të shpërndani kripë ose sodë buke në ujë.

• Uji i rregullt i çezmës përmban gjithashtu papastërti minerale, kështu që mund të përdoret si elektrolit nëse nuk keni kripë në dorë.
• Shtoni kripë ose sodë buke në masën një lugë gjelle (20 gramë) për gotë ujë. Përzieni ujin derisa kripa ose soda e bukës të treten plotësisht.

Vendosni një shkop me elektroda në qafën e një gote me ujë. Në këtë rast, elektrodat në formën e burimeve teli duhet të zhyten nën ujë për pjesën më të madhe të gjatësisë së tyre, me përjashtim të kontakteve me telat e mbajtësit të baterisë. Vetëm tela e platinit duhet të jetë nën ujë.

• Nëse është e nevojshme, sigurojeni shkopin me shirit për të mbajtur elektrodat në ujë.

Lidhni telat që vijnë nga elektroda me një voltmetër ose llambë LED. Duke përdorur një voltmetër, mund të përcaktoni tensionin e prodhuar nga qeliza e aktivizuar e karburantit. Lidheni telin e kuq me terminalin pozitiv dhe telin e zi me terminalin negativ të voltmetrit.

• Në këtë fazë, voltmetri mund të tregojë një vlerë të vogël, për shembull 0,01 volt, megjithëse tensioni në të duhet të jetë zero.
• Ju gjithashtu mund të lidhni një llambë të vogël, të tillë si një elektrik dore ose LED.

Qelizat e karburantit të hidrogjenit konvertojnë energjinë kimike të karburantit në energji elektrike, duke anashkaluar proceset joefektive të djegies dhe shndërrimit të energjisë termike në energji mekanike, të cilat përfshijnë humbje të mëdha. Një qelizë karburanti hidrogjeni është elektrokimike Pajisja gjeneron drejtpërdrejt energji elektrike si rezultat i djegies shumë efikase "të ftohtë" të karburantit. Qeliza e karburantit e membranës së shkëmbimit të protoneve hidrogjen-ajër (PEMFC) është një nga teknologjitë më premtuese të qelizave të karburantit.

Tetë vjet më parë, gjashtë pompa me naftë të lëngshme u zbuluan në Evropën Perëndimore; ato duhet të jenë dyqind para fundit. Ne jemi shumë larg nga mijëra terminale të karikimit të shpejtë që po hapen kudo për të inkurajuar përhapjen e shtytjes elektrike. Dhe ja ku dhemb fërkimi. Dhe më mirë të shpallim grafen.

Bateritë nuk e kanë thënë fjalën e tyre të fundit

Ka më shumë se autonomia, prandaj kufizimi i kohës së karikimit po ngadalëson miratimin e EV. Megjithatë, ai kujtoi në një shënim këtë muaj për klientët e tij se bateritë kanë një kufizim, të kufizuar në këtë lloj sondë në tensione shumë të larta. Thomas Brachman do t'i thuhet se një rrjet shpërndarës hidrogjeni duhet ende të ndërtohet. Argumenti është se ai fshin dorën, duke kujtuar se edhe shumëzimi i terminaleve të karikimit të shpejtë kushton shumë, për shkak të prerjes së lartë të kabllove të bakrit të tensionit të lartë. "Është më e lehtë dhe më e lirë të transportohet hidrogjeni i lëngshëm me kamion nga rezervuarët e groposur pranë vendeve të prodhimit."

Një membranë polimer përçuese e protonit ndan dy elektroda, anodën dhe katodën. Çdo elektrodë është një pllakë karboni (matricë) e veshur me një katalizator. Në katalizatorin e anodës, hidrogjeni molekular shkëputet dhe lëshon elektrone. Kationet e hidrogjenit përcillen përmes membranës në katodë, por elektronet jepen në qarkun e jashtëm, pasi membrana nuk lejon që elektronet të kalojnë.

Hidrogjeni nuk është ende një vektor i pastër i energjisë elektrike

Sa i përket kostos së vetë baterisë, e cila është një informacion shumë i ndjeshëm, Thomas Brachmann nuk ka dyshim se mund të reduktohet ndjeshëm me rritjen e efikasitetit. "Platini është elementi që kushton më shumë." Fatkeqësisht, pothuajse i gjithë hidrogjeni vjen nga burimet e energjisë fosile. Për më tepër, dihidrogjeni është vetëm një vektor energjie, dhe jo një burim nga i cili konsumohet një pjesë jo e papërfillshme gjatë prodhimit të tij, lëngëzimit të tij dhe më pas shndërrimit të tij në energji elektrike.

Në katalizatorin e katodës, një molekulë oksigjeni kombinohet me një elektron (i cili furnizohet nga qarku elektrik) dhe një proton hyrës dhe formon ujin, i cili është produkti i vetëm i reaksionit (në formën e avullit dhe/ose lëngut).

Njësitë membranore-elektrodike, të cilat janë elementi kryesor gjenerues i sistemit energjetik, janë bërë nga qelizat e karburantit me hidrogjen.

Makina e së ardhmes sillet si e vërtetë

Bilanci i baterisë është afërsisht tre herë më i lartë, pavarësisht humbjeve për shkak të nxehtësisë në drejtuesit. Mjerisht, makina e mrekullisë nuk do të hyjë në rrugët tona, përveçse si pjesë e demonstratave publike. Brachmann, i cili na kujton se heshtja natyrale e një makine elektrike rrit përshtypjen e të jetuarit në një botë të zhurmshme. Pavarësisht nga të gjitha vështirësitë, pedali i drejtimit dhe i frenave sigurojnë një qëndrueshmëri natyrale.

Bateri në miniaturë, por performancë e përmirësuar

Vegëlja është e dukshme, ekrani qendror shpërndan imazhet e kamerës së vendosur në pasqyrën e djathtë sapo të aktivizohet sinjali i kthesës. Shumica e klientëve tanë amerikanë nuk kërkojnë më, dhe kjo na lejon të mbajmë çmimet poshtë - arsyeton kryeinxhinieri, i cili ofron një tarifë më të ulët se. Në fakt ia vlen të flasim për një pirg qelizash karburanti pasi janë 358 që punojnë së bashku. Rezervuari kryesor, me një kapacitet prej 117 litrash, shtypet në murin e pasmë të stolit, duke e penguar atë të paloset, dhe i dyti - 24 litra, fshihet nën sedilje.

Përparësitë e qelizave të karburantit të hidrogjenit në krahasim me zgjidhjet tradicionale:

- rritja e intensitetit të energjisë specifike (500 ÷ 1000 Wh/kg),

- diapazoni i zgjatur i temperaturës së funksionimit (-40 0 C / +40 0 C),

- mungesa e pikës së nxehtësisë, zhurmës dhe dridhjeve,

- besueshmëria në fillim të ftohtë,

- Periudha praktikisht e pakufizuar e ruajtjes së energjisë (pa vetëshkarkim),

Qeliza e parë e karburantit me dy goditje

Pavarësisht nga madhësia e saj kompakte, kjo qelizë e re e karburantit konverton dihidrogjenin në rrymë elektrike më shpejt dhe më mirë se paraardhësi i tij. Ai u jep oksigjen elementëve të grumbullit me një ritëm të konsideruar më parë të papajtueshëm me qëndrueshmërinë e tyre. Uji i tepërt që më parë kufizonte shpejtësinë e rrjedhës evakuohet më së miri. Si rezultat, fuqia për element rritet përgjysmë, dhe efikasiteti arrin 60%.

Kjo është për shkak të pranisë së një baterie litium-jon 1.7 kWh - e vendosur nën sediljet e përparme, e cila lejon që rryma shtesë të jepet me përshpejtime të forta. Ose autonomia e parashikuar është 460 km, në mënyrë ideale në përputhje me atë që pretendon prodhuesi.

- aftësia për të ndryshuar intensitetin e energjisë së sistemit duke ndryshuar numrin e fishekëve të karburantit, gjë që siguron autonomi pothuajse të pakufizuar;

Aftësia për të siguruar pothuajse çdo intensitet të arsyeshëm të energjisë të sistemit duke ndryshuar kapacitetin e ruajtjes së hidrogjenit,

- intensitet të lartë të energjisë,

- toleranca ndaj papastërtive në hidrogjen,

Por një mijë pjesë lehtësojnë rrjedhën e ajrit dhe optimizojnë ftohjen. Edhe më shumë se paraardhësi i saj, kjo makinë elektrike tregon se qeliza e karburantit është përpara dhe në qendër. Një sfidë e madhe për industrinë dhe drejtuesit tanë. Ndërkohë, është shumë i zgjuar se kush do të dijë se cila qelizë karburanti apo bateri do të mbizotërojë.

Një qelizë e karburantit është një pajisje e konvertimit të energjisë elektrokimike që mund të prodhojë energji elektrike në formën e rrymës direkte duke kombinuar një karburant dhe një oksidues në një reaksion kimik për të prodhuar një produkt mbeturinash, zakonisht një oksid karburanti.

- jetë e gjatë shërbimi,

- mirëdashësi mjedisore dhe funksionim i qetë.

Sistemet e furnizimit me energji të bazuara në qelizat e karburantit me hidrogjen për UAV-të:

Instalimi i qelizave të karburantit në mjetet pa pilot në vend të baterive tradicionale, ai shumëfishon kohëzgjatjen e fluturimit, peshën ngarkesë, ju lejon të rrisni besueshmërinë e avionit, të zgjeroni gamën e temperaturës së nisjes dhe funksionimit të UAV, duke ulur kufirin në -40 0C. Krahasuar me motorët me djegie të brendshme, sistemet e bazuara në qeliza të karburantit janë të heshtura, pa dridhje, funksionojnë në temperatura të ulëta, janë të vështira për t'u zbuluar gjatë fluturimit, nuk prodhojnë emetime të dëmshme dhe mund të kryejnë me efikasitet detyra nga vëzhgimi me video deri te dërgimi i ngarkesës.

Çdo qelizë karburanti ka dy elektroda, njëra pozitive dhe tjetra negative, dhe reaksioni që prodhon energji elektrike ndodh në elektroda në prani të një elektroliti, i cili bart grimcat e ngarkuara nga elektroda në elektrodë, ndërsa elektronet qarkullojnë në telat e jashtëm të vendosur midis elektrodave. për të krijuar energji elektrike.

Qeliza e karburantit mund të gjenerojë vazhdimisht energji elektrike për sa kohë që ruhet rrjedha e kërkuar e karburantit dhe oksiduesit. Disa qeliza karburanti prodhojnë vetëm disa vat, ndërsa të tjerat mund të prodhojnë disa qindra kilovat, ndërsa bateritë më të vogla ka të ngjarë të gjenden në laptopë dhe telefona celularë, por qelizat e karburantit janë shumë të shtrenjta për t'u bërë gjeneratorë të vegjël që përdoren për të prodhuar energji elektrike për shtëpitë dhe bizneset.

Përbërja e sistemit të furnizimit me energji elektrike për UAV-të:

Dimensionet ekonomike të qelizave të karburantit

Përdorimi i hidrogjenit si burim karburanti kërkon kosto të konsiderueshme. Për këtë arsye, hidrogjeni tani është një burim joekonomik, veçanërisht për shkak se mund të përdoren burime të tjera më pak të kushtueshme. Kostot e prodhimit të hidrogjenit mund të ndryshojnë pasi ato pasqyrojnë koston e burimeve nga të cilat ai nxirret.

Burimet e karburantit të baterisë

Qelizat e karburantit në përgjithësi klasifikohen në kategoritë e mëposhtme: qelizat e karburantit me hidrogjen, qelizat e karburantit organik, qelizat e karburantit metalikë dhe bateritë redoks. Kur hidrogjeni përdoret si burim karburanti, energjia kimike shndërrohet në energji elektrike gjatë procesit të hidrolizës së kundërt për të prodhuar vetëm ujë dhe nxehtësi si mbetje. Një qelizë karburanti hidrogjeni është shumë e ulët, por mund të jetë pak a shumë e lartë në prodhimin e hidrogjenit, veçanërisht nëse prodhohet nga lëndët djegëse fosile.

• - bateria e qelizave të karburantit,
• - Bateri buferike Li-Po për të mbuluar ngarkesat e pikut afatshkurtër,
• - elektronike sistemi I kontrollit ,
• - sistemi i karburantit i përbërë nga një cilindër me hidrogjen të ngjeshur ose një burim i ngurtë hidrogjeni.

Sistemi i karburantit përdor cilindra dhe reduktues të lehtë me forcë të lartë për të siguruar furnizimin maksimal të hidrogjenit të kompresuar në bord. Lejohet përdorimi i cilindrave të madhësive të ndryshme (nga 0,5 në 25 litra) me reduktues që sigurojnë konsumin e kërkuar të hidrogjenit.

Bateritë e hidrogjenit ndahen në dy kategori: bateri me temperaturë të ulët dhe bateri me temperaturë të lartë, ku bateritë me temperaturë të lartë mund të përdorin gjithashtu lëndë djegëse fosile drejtpërdrejt. Këto të fundit përbëhen nga hidrokarbure si nafta ose benzina, alkooli ose biomasa.

Burime të tjera të karburantit në bateri përfshijnë, por pa u kufizuar në, alkoolet, zinkun, aluminin, magnezin, solucionet jonike dhe shumë hidrokarbure. Agjentë të tjerë oksidues përfshijnë, por pa u kufizuar në, ajrin, klorin dhe dioksidin e klorit. Aktualisht, ekzistojnë disa lloje të qelizave të karburantit.

Karakteristikat e sistemit të furnizimit me energji elektrike për UAV-të:

Ngarkues portativë të bazuar në qelizat e karburantit me hidrogjen:

Ngarkuesit portativë të bazuar në qelizat e karburantit me hidrogjen janë pajisje kompakte, të krahasueshme në peshë dhe dimensione me karikuesit ekzistues të baterive që përdoren në mënyrë aktive në botë.

Teknologjia portative e kudogjendur në botën moderne duhet të rimbushet rregullisht. Sistemet portative tradicionale janë praktikisht të padobishme në temperatura të ulëta dhe pasi kryejnë funksionin e tyre kërkojnë edhe rimbushje duke përdorur (rrjetet elektrike), gjë që redukton gjithashtu efikasitetin e tyre dhe autonominë e pajisjes.

Çdo molekulë dihidrogjeni fiton 2 elektrone. Joni H lëviz nga anoda në katodë dhe shkakton një rrymë elektrike duke transferuar një elektron. Si mund të duken qelizat e karburantit për aeroplanët? Sot, testet po kryhen në avionë për t'i fluturuar ato duke përdorur një bateri hibride litium-jon me qeliza karburanti. Përfitimi i vërtetë i qelizës së karburantit qëndron në integritetin e saj me peshë të ulët: është më i lehtë, gjë që ndihmon në uljen e peshës së avionit dhe rrjedhimisht të konsumit të karburantit.

Por tani për tani, fluturimi i një avioni me qeliza karburanti nuk është i mundur, sepse ai ka ende shumë të meta. Imazhi i një qelize karburanti. Cilat janë disavantazhet e një qelize karburanti? Para së gjithash, nëse hidrogjeni do të ishte i zakonshëm, përdorimi i tij në sasi të mëdha do të ishte problematik. Në të vërtetë, ajo është e disponueshme jo vetëm në Tokë. Gjendet në ujin që përmban oksigjen dhe amoniak. Prandaj, është e nevojshme të elektrolizohet uji për ta marrë atë dhe kjo nuk është ende një metodë e përhapur.

Sistemet e qelizave të karburantit të hidrogjenit kërkojnë vetëm zëvendësimin e një fisheku kompakt të karburantit, pas së cilës pajisja është menjëherë gati për përdorim.

Karakteristikat e karikuesve portativë:

Furnizimet me energji të pandërprerë të bazuara në qelizat e karburantit me hidrogjen:

Sistemet e garantuara të furnizimit me energji të bazuara në qelizat e karburantit me hidrogjen janë të dizajnuara për të organizuar furnizimin me energji rezervë dhe furnizim të përkohshëm me energji elektrike. Sistemet e garantuara të furnizimit me energji të bazuara në qelizat e karburantit me hidrogjen ofrojnë avantazhe të konsiderueshme ndaj zgjidhjeve tradicionale për organizimin e furnizimit me energji të përkohshme dhe rezervë, duke përdorur bateri dhe gjeneratorë me naftë.

Hidrogjeni është një gaz, duke e bërë të vështirë mbajtjen dhe transportin. Një tjetër rrezik që lidhet me përdorimin e hidrogjenit është rreziku i shpërthimit, pasi ai është një gaz i ndezshëm. ajo që furnizon baterinë për prodhimin e saj në një shkallë të gjerë kërkon një burim tjetër energjie, qoftë naftë, gaz apo qymyr, apo energji bërthamore, gjë që e bën ekuilibrin e saj mjedisor dukshëm më keq se vajguri dhe bën grumbull, platin, një metal që është edhe më i rrallë. dhe më e shtrenjtë se ari.

Qeliza e karburantit siguron energji duke oksiduar karburantin në anodë dhe duke reduktuar oksiduesin në katodë. Zbulimi i parimit të qelizës së karburantit dhe zbatimet e para në laborator duke përdorur acidin sulfurik si elektrolit i besohet kimistit William Grove.

Karakteristikat e sistemit të furnizimit me energji të pandërprerë:

Vëndi i karburantitështë një pajisje elektrokimike e ngjashme me një qelizë galvanike, por ndryshon nga ajo në atë që substancat për reaksionin elektrokimik i furnizohen nga jashtë - në ndryshim nga sasia e kufizuar e energjisë së ruajtur në një qelizë galvanike ose bateri.

Në të vërtetë, qelizat e karburantit kanë disa avantazhe: ato që përdorin dihidrogjen dhe dioksid lëshojnë vetëm avuj uji: prandaj është një teknologji e pastër. Ekzistojnë disa lloje të qelizave të karburantit, në varësi të natyrës së elektrolitit, natyrës së karburantit, oksidimit të drejtpërdrejtë ose të tërthortë dhe temperaturës së funksionimit.

Tabela e mëposhtme përmbledh karakteristikat kryesore të këtyre pajisjeve të ndryshme. Disa programe evropiane po shikojnë polimerë të tjerë, si derivatet e polibenzimidazolit, të cilët janë më të qëndrueshëm dhe më të lirë. Kompaktësia e baterisë është gjithashtu një sfidë e vazhdueshme me membranat e rendit 15-50 mikron, anoda karboni poroze dhe pllaka bipolare çeliku inox. Jetëgjatësia gjithashtu mund të përmirësohet pasi, nga njëra anë, gjurmët e monoksidit të karbonit në rendin e disa ppm në hidrogjen janë helme të vërteta për katalizatorin, dhe nga ana tjetër, kontrolli i ujit në polimer është i detyrueshëm.

Oriz. 1. Disa qeliza karburanti

Qelizat e karburantit konvertojnë energjinë kimike të karburantit në energji elektrike, duke anashkaluar proceset joefektive të djegies që ndodhin me humbje të mëdha. Ata shndërrojnë hidrogjenin dhe oksigjenin në energji elektrike përmes një reaksioni kimik. Si rezultat i këtij procesi, formohet uji dhe lirohet një sasi e madhe nxehtësie. Një qelizë e karburantit është shumë e ngjashme me një bateri që mund të karikohet dhe më pas të përdorë energjinë elektrike të ruajtur. Shpikësi i qelizës së karburantit konsiderohet të jetë William R. Grove, i cili e shpiku atë në 1839. Kjo qelizë e karburantit përdori një tretësirë ​​të acidit sulfurik si elektrolit dhe hidrogjen si lëndë djegëse, i cili u kombinua me oksigjenin në një agjent oksidues. Deri vonë, qelizat e karburantit përdoreshin vetëm në laboratorë dhe në anije kozmike.

Ndryshe nga gjeneratorët e tjerë të energjisë, si motorët me djegie të brendshme ose turbinat e fuqizuara nga gazi, qymyri, nafta, etj., qelizat e karburantit nuk djegin karburant. Kjo do të thotë pa rotorë të zhurmshëm me presion të lartë, pa zhurmë të lartë të shkarkimit, pa dridhje. Qelizat e karburantit prodhojnë energji elektrike përmes një reaksioni elektrokimik të heshtur. Një veçori tjetër e qelizave të karburantit është se ato konvertojnë energjinë kimike të karburantit drejtpërdrejt në energji elektrike, nxehtësi dhe ujë.

Qelizat e karburantit janë shumë efikase dhe nuk prodhojnë sasi të mëdha të gazeve serrë si dioksidi i karbonit, metani dhe oksidi i azotit. Emetimet e vetme nga qelizat e karburantit janë uji në formë avulli dhe një sasi e vogël dioksidi i karbonit, i cili nuk çlirohet fare nëse përdoret hidrogjeni i pastër si lëndë djegëse. Qelizat e karburantit grumbullohen në montime dhe më pas në module funksionale individuale.

Qelizat e karburantit nuk kanë pjesë lëvizëse (të paktën jo brenda vetë qelizës) dhe për këtë arsye nuk i binden ligjit të Carnot. Kjo do të thotë, ata do të kenë efikasitet më të madh se 50% dhe janë veçanërisht efektivë në ngarkesa të ulëta. Kështu, automjetet me qeliza karburanti mund të bëhen (dhe tashmë janë dëshmuar të jenë) më efikase ndaj karburantit sesa automjetet konvencionale në kushtet reale të drejtimit.

Qeliza e karburantit prodhon rrymë elektrike Tensioni DC, i cili mund të përdoret për të drejtuar një motor elektrik, ndriçim dhe sisteme të tjera elektrike në një automjet.

Ekzistojnë disa lloje të qelizave të karburantit, të cilat 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 lëvizjen e termocentraleve, ndërsa të tjerat janë premtuese për pajisje portative ose për të drejtuar makina.

1. Qelizat alkaline të karburantit (ALFC)

Qeliza alkaline e karburantit- Ky është një nga elementët e parë të zhvilluar. Qelizat alkaline të karburantit (AFC) janë një nga teknologjitë më të studiuara, e përdorur që nga mesi i viteve '60 të shekullit të njëzetë nga NASA në programet Apollo dhe Space Shuttle. Në bordin e këtyre anijeve kozmike, qelizat e karburantit prodhojnë energji elektrike dhe ujë të pijshëm.

Qelizat alkaline të karburantit janë një nga qelizat më efikase të përdorura për të prodhuar energji elektrike, me efikasitet të prodhimit të energjisë që arrin deri në 70%.

Qelizat alkaline të karburantit përdorin një elektrolit, një zgjidhje ujore e hidroksidit të kaliumit, e përfshirë në një matricë poroze dhe 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 deri në 220°C. Bartësi i ngarkesës në SHTE është joni hidroksil (OH-), duke lëvizur nga katoda në anodë, ku reagon me hidrogjenin, duke prodhuar ujë dhe elektrone. Uji i prodhuar në anodë kthehet përsëri në katodë, duke gjeneruar përsëri jone hidroksil atje. Si rezultat i kësaj serie reaksionesh që ndodhin në qelizën e karburantit, prodhohet energjia elektrike dhe, si nënprodukt, nxehtësia:

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

Reaksioni në katodë: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

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

Avantazhi i SHTE është se këto qeliza karburanti janë më të lirat për t'u prodhuar, pasi katalizatori i nevojshëm në elektroda mund të jetë ndonjë nga substancat që janë më të lira se ato që përdoren si katalizator për qelizat e tjera të karburantit. Përveç kësaj, SHTE-të funksionojnë në temperatura relativisht të ulëta dhe janë ndër më efikaset.

Një nga karakteristikat karakteristike të SHTE është ndjeshmëria e lartë ndaj CO2, i cili mund të përmbahet në karburant ose ajër. CO2 reagon me elektrolitin, e helmon shpejt atë dhe ul ndjeshëm efikasitetin e qelizës së karburantit. Prandaj, përdorimi i SHTE është i kufizuar në hapësirat e mbyllura, të tilla si automjetet hapësinore dhe nënujore; ato funksionojnë me hidrogjen dhe oksigjen të pastër.

2. Qelizat e karburantit me karbonat të shkrirë (MCFC)

Qelizat e karburantit me elektrolit karbonat të shkrirë janë qelizat e karburantit me temperaturë të lartë. Temperatura e lartë e funksionimit lejon përdorimin e drejtpërdrejtë të gazit natyror pa përpunues karburanti dhe gaz me vlerë të ulët kalorifike nga proceset industriale dhe burime të tjera. Ky proces u zhvillua në mesin e viteve 60 të shekullit të njëzetë. Që atëherë, teknologjia e prodhimit, performanca dhe besueshmëria janë përmirësuar.

Funksionimi i RCFC ndryshon nga qelizat e tjera të karburantit. Këto qeliza përdorin një elektrolit të bërë nga një përzierje e kripërave karbonate të shkrirë. Aktualisht përdoren dy lloje përzierjesh: karbonat litium dhe karbonat kaliumi ose karbonat litium dhe karbonat natriumi. Për të shkrirë kripërat karbonate 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 varion midis 60-80%.

Kur nxehen në një temperaturë prej 650°C, kripërat bëhen një përcjellës për jonet karbonate (CO32-). Këto jone kalojnë nga katoda në anodë, ku bashkohen me hidrogjenin për të formuar ujë, dioksid karboni dhe elektrone të lira. Këto elektrone dërgohen përmes një qarku elektrik të jashtëm përsëri në katodë, duke gjeneruar rrymë elektrike dhe nxehtësi si nënprodukt.

Reaksioni në anodë: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reaksioni në katodë: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Reaksioni 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 elektrolitit të shkrirë të karbonatit kanë disa avantazhe. Avantazhi është aftësia për të përdorur materiale standarde (fletë çeliku inox dhe katalizator nikeli në elektroda). Nxehtësia e mbetur mund të përdoret për të prodhuar avull me presion të lartë. Temperaturat e larta të reagimit në elektrolit kanë gjithashtu avantazhet e tyre. Përdorimi i temperaturave të larta kërkon një kohë të gjatë për të arritur kushte optimale të funksionimit dhe sistemi reagon më ngadalë ndaj ndryshimeve në konsumin e energjisë. Këto karakteristika lejojnë përdorimin e instalimeve të qelizave të karburantit me elektrolit karbonat të shkrirë në kushte konstante të fuqisë. Temperaturat e larta parandalojnë dëmtimin e qelizës së karburantit nga monoksidi i karbonit, "helmimi", etj.

Qelizat e karburantit me elektrolit karbonat të shkrirë janë të përshtatshme për përdorim në instalime të mëdha të palëvizshme. Termocentralet me fuqi elektrike dalëse prej 2.8 MW prodhohen komercialisht. Po zhvillohen instalime me fuqi dalëse deri në 100 MW.

3. Qelizat e karburantit të acidit fosforik (PAFC)

Qelizat e karburantit të bazuara në acidin fosforik (ortofosforik). u bënë qelizat e para të karburantit për përdorim komercial. Ky proces u zhvillua në mesin e viteve '60 të shekullit të njëzetë, testet janë kryer që nga vitet '70 të shekullit të njëzetë. Rezultati ishte rritja e stabilitetit dhe performancës dhe reduktimi i kostos.

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

Bartësi i ngarkesës në qelizat e karburantit të këtij lloji është hidrogjeni (H+, proton). Një proces i ngjashëm ndodh në qelizat e karburantit të membranës së shkëmbimit të protoneve (PEMFCs), në të cilat hidrogjeni i furnizuar në anodë ndahet në protone dhe elektrone. Protonet udhëtojnë nëpër elektrolit dhe kombinohen me oksigjenin nga ajri në katodë për të formuar ujë. Elektronet dërgohen përmes një qarku elektrik të jashtëm, duke gjeneruar kështu një rrymë elektrike. Më poshtë janë reaksionet që gjenerojnë rrymë elektrike dhe nxehtësi.

Reaksioni në anodë: 2H2 => 4H+ + 4e

Reaksioni në katodë: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

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

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

Performanca e lartë e termocentraleve që përdorin qelizat e karburantit me bazë acidin fosforik (ortofosforik) në prodhimin e kombinuar të energjisë termike dhe elektrike është një nga avantazhet e këtij lloji të qelizave të karburantit. Njësitë përdorin monoksid karboni me një përqendrim prej rreth 1.5%, gjë që zgjeron ndjeshëm zgjedhjen e karburantit. Dizajni i thjeshtë, shkalla e ulët e paqëndrueshmërisë së elektrolitit dhe rritja e stabilitetit janë gjithashtu avantazhet e qelizave të tilla të karburantit.

Termocentralet me fuqi elektrike dalëse deri në 400 kW prodhohen komercialisht. Instalimet me kapacitet 11 MW kanë kaluar testet përkatëse. Po zhvillohen instalime me fuqi dalëse deri në 100 MW.

4. Qelizat e karburantit të membranës së shkëmbimit të protonit (PEMFC)

Qelizat e karburantit të membranës së shkëmbimit të protoneve konsiderohen si lloji më i mirë i qelizave të karburantit për gjenerimin e energjisë për automjetet, të cilat mund të zëvendësojnë motorët me djegie të brendshme me benzinë ​​dhe naftë. Këto qeliza karburanti u përdorën për herë të parë nga NASA për programin Gemini. Janë zhvilluar dhe demonstruar instalime të bazuara në MOPFC me fuqi nga 1 W deri në 2 kW.

Elektroliti në këto qeliza karburanti është një membranë e fortë polimer (një film i hollë plastike). Kur është i ngopur me ujë, ky polimer lejon që protonet të kalojnë, por nuk përcjell elektrone.

Karburanti është hidrogjeni, dhe transportuesi i ngarkesës është një jon hidrogjeni (proton). Në anodë, molekula e hidrogjenit ndahet në një jon hidrogjeni (proton) dhe elektrone. Jonet e hidrogjenit kalojnë përmes elektrolitit në katodë, dhe elektronet lëvizin rreth rrethit të jashtëm dhe prodhojnë energji elektrike. Oksigjeni, i cili merret nga ajri, furnizohet në katodë dhe kombinohet me elektronet dhe jonet e hidrogjenit për të formuar ujë. Në elektroda ndodhin reaksionet e mëposhtme: Reaksioni në anodë: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eReaksioni në katodë: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Reaksioni i përgjithshëm i qelizave: 2H2 + O2 => 2H2O Krahasuar me llojet e tjera të qelizat e karburantit, qelizat e karburantit me një membranë shkëmbimi të protonit prodhojnë më shumë energji për një vëllim ose peshë të caktuar të qelizës së karburantit. Kjo veçori u lejon atyre të jenë kompakte dhe të lehta. Përveç kësaj, temperatura e funksionimit është më pak se 100°C, gjë që ju lejon të filloni shpejt funksionimin. Këto karakteristika, si dhe aftësia për të ndryshuar shpejt prodhimin e energjisë, janë vetëm disa që i bëjnë këto qeliza karburanti një kandidat kryesor për përdorim në automjete.

Një avantazh tjetër është se elektroliti është i ngurtë dhe jo i lëngët. Është më e lehtë të mbash gazrat në katodë dhe anodë duke përdorur një elektrolit të ngurtë, kështu që qelizat e tilla të karburantit janë më të lira për t'u prodhuar. Me një elektrolit të ngurtë, nuk ka probleme orientimi dhe më pak probleme korrozioni, duke rritur jetëgjatësinë e qelizës dhe përbërësve të saj.

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

Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë janë qelizat e karburantit me temperaturë më të lartë të funksionimit. Temperatura e funksionimit mund të ndryshojë nga 600°C në 1000°C, duke lejuar përdorimin e llojeve të ndryshme të karburantit pa para-trajtim të veçantë. Për të trajtuar temperatura të tilla të larta, elektroliti i përdorur është një oksid i hollë metalik i ngurtë në një bazë qeramike, shpesh një aliazh i itrit dhe zirkonit, i cili është një përcjellës i joneve të oksigjenit (O2-). Teknologjia e përdorimit të qelizave të karburantit të oksidit të ngurtë është zhvilluar që nga fundi i viteve 50 të shekullit të njëzetë dhe ka dy konfigurime: planare dhe tubulare.

Elektroliti i ngurtë siguron një kalim të mbyllur të gazit nga një elektrodë në tjetrën, ndërsa elektrolitet e lëngëta janë të vendosura në një substrat poroz. Bartësi i ngarkesës në qelizat e karburantit të këtij lloji është joni i oksigjenit (O2-). Në katodë, molekulat e oksigjenit nga ajri ndahen në një jon oksigjeni dhe katër elektrone. Jonet e oksigjenit kalojnë nëpër elektrolit dhe bashkohen me hidrogjenin, duke krijuar katër elektrone të lira. Elektronet dërgohen përmes një qarku elektrik të jashtëm, duke gjeneruar rrymë elektrike dhe nxehtësi të humbur.

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

Reaksioni në katodë: O2 + 4e- => 2O2-

Reaksioni 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%. Përveç kësaj, temperaturat e larta të funksionimit lejojnë prodhimin e kombinuar të energjisë termike dhe elektrike 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 hibride për të rritur efikasitetin e gjenerimit të energjisë elektrike deri në 70%.

Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë funksionojnë në temperatura shumë të larta (600°C-1000°C), duke rezultuar në kohë të konsiderueshme të nevojshme për të arritur kushtet optimale të funksionimit dhe një përgjigje më të ngadaltë të sistemit ndaj ndryshimeve në konsumin e energjisë. Në temperatura të tilla të larta operimi, asnjë konvertues nuk kërkohet për të rikuperuar hidrogjenin nga karburanti, duke lejuar që termocentrali të funksionojë me lëndë djegëse relativisht të papastra që vijnë nga gazifikimi i qymyrit ose gazrave të mbeturinave, etj. Qeliza e karburantit është gjithashtu e shkëlqyer për aplikime me fuqi të lartë, duke përfshirë termocentrale industriale dhe të mëdha qendrore. Modulet me fuqi elektrike dalëse prej 100 kW prodhohen komercialisht.

6. Qelizat e karburantit me oksidim të drejtpërdrejtë të metanolit (DOMFC)

Qelizat e karburantit të oksidimit të drejtpërdrejtë të metanolit Ato përdoren me sukses në fushën e fuqizimit të telefonave celularë, laptopëve, si dhe në krijimin e burimeve portative të energjisë, gjë që synohet përdorimi i elementeve të tillë në të ardhmen.

Dizajni i qelizave të karburantit me oksidim të drejtpërdrejtë të metanolit është i ngjashëm me dizajnin e qelizave të karburantit me një membranë shkëmbimi protonike (MEPFC), d.m.th. Një polimer përdoret si elektrolit, dhe një jon hidrogjeni (proton) përdoret si bartës i ngarkesës. Por metanoli i lëngshëm (CH3OH) oksidohet në prani të ujit në anodë, duke lëshuar CO2, jone hidrogjeni dhe elektrone, të cilat dërgohen përmes një qarku elektrik të jashtëm, duke gjeneruar kështu një rrymë elektrike. Jonet e hidrogjenit kalojnë nëpër elektrolit dhe reagojnë me oksigjenin nga ajri dhe elektronet nga qarku i jashtëm për të formuar ujë në anodë.

Reaksioni në anodë: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eReaksioni në katodë: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Reaksioni i përgjithshëm i elementit: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Zhvillimi i qelizat e karburantit janë prodhuar që nga fillimi i viteve '90 të shekullit të njëzetë dhe fuqia dhe efikasiteti i tyre specifik u rrit në 40%.

Këta elementë u testuan në intervalin e temperaturës 50-120°C. Për shkak të temperaturave të tyre të ulëta të funksionimit dhe mungesës së nevojës për një konvertues, qelizat e tilla të karburantit janë një kandidat kryesor për përdorim në telefonat celularë dhe produkte të tjera të konsumit, si dhe në motorët e makinave. Avantazhi i tyre është gjithashtu madhësia e tyre e vogël.

7. Qelizat e karburantit të elektrolitit polimer (PEFC)

Në rastin e qelizave të karburantit të elektrolitit polimer, membrana polimer përbëhet nga fibra polimer me zona ujore në të cilat jonet e ujit përçues H2O+ (proton, i kuq) ngjiten në një molekulë uji. Molekulat e ujit paraqesin 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 (SFC)

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 kuqe) të lëvizin siç tregohet në figurë. Në mënyrë tipike, një qelizë karburanti me acid të ngurtë është një sanduiç në të cilin një shtresë shumë e hollë e përbërjes së ngurtë të acidit vendoset midis dy elektrodave që janë të shtypura fort së bashku për të siguruar kontakt të mirë. Kur nxehet, përbërësi organik avullon, duke dalë përmes poreve në elektroda, duke ruajtur aftësinë e kontakteve të shumta midis karburantit (ose oksigjenit në skajin tjetër të elementit), elektrolitit dhe elektrodave.

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

Karakteristikat e qelizave të karburantit

Lloji i qelizave të karburantit	Temperatura e funksionimit	Efikasiteti i prodhimit të energjisë	Lloji i karburantit	Fusha e zbatimit
				Instalime të mesme dhe të mëdha
			Hidrogjen i pastër	instalimet
			Hidrogjen i pastër	Instalime të vogla
			Shumica e karburanteve hidrokarbure	Instalime të vogla, të mesme dhe të mëdha
				Portativ instalimet
			Hidrogjen i pastër	Hapësirë hulumtuar
			Hidrogjen i pastër	Instalime të vogla

10. Përdorimi i qelizave të karburantit në makina

Ekologjia e dijes. Shkenca dhe teknologjia: Elektronika celulare po përmirësohet çdo vit, duke u bërë më e përhapur dhe më e aksesueshme: PDA, laptopë, pajisje celulare dhe dixhitale, korniza fotografish, etj. Të gjitha ato rimbushen gjatë gjithë kohës

Qelizë karburanti DIY në shtëpi

Elektronika e lëvizshme po përmirësohet çdo vit, duke u bërë më e përhapur dhe më e aksesueshme: PDA, laptopë, pajisje celulare dhe dixhitale, korniza fotografish, etj. Të gjitha ato përditësohen vazhdimisht me funksione të reja, monitorë më të mëdhenj, komunikime me valë, procesorë më të fortë, duke u zvogëluar në madhësi. . Teknologjitë e energjisë, ndryshe nga teknologjia gjysmëpërçuese, nuk po përparojnë me hapa të mëdhenj.

Bateritë dhe akumulatorët ekzistues për të fuqizuar arritjet e industrisë po bëhen të pamjaftueshme, kështu që çështja e burimeve alternative është shumë e mprehtë. Qelizat e karburantit janë deri tani zona më premtuese. Parimi i funksionimit të tyre u zbulua në vitin 1839 nga William Grove, i cili gjeneroi energji elektrike duke ndryshuar elektrolizën e ujit.

Çfarë janë qelizat e karburantit?

Video: Dokumentar, qelizat e karburantit për transport: e kaluara, e tashmja, e ardhmja

Qelizat e karburantit janë me interes për prodhuesit e makinave, dhe projektuesit e anijeve kozmike janë gjithashtu të interesuar për to. Në vitin 1965, ata madje u testuan nga Amerika në anijen kozmike Gemini 5 të lëshuar në hapësirë, dhe më vonë në Apollo. Miliona dollarë po derdhen në kërkimin e qelizave të karburantit sot, ndërsa problemet e ndotjes vazhdojnë. mjedisi, rritja e emetimeve të gazeve serrë të krijuara gjatë djegies së karburantit organik, rezervat e të cilave gjithashtu nuk janë të pafundme.

Një qelizë karburanti, e quajtur shpesh një gjenerator elektrokimik, funksionon në mënyrën e përshkruar më poshtë.

Duke qenë, si akumulatorët dhe bateritë, një element galvanik, por me ndryshimin se substancat aktive ruhen në të veçmas. Ato furnizohen me elektroda ndërsa përdoren. Karburanti natyror ose çdo substancë e përftuar prej tij digjet në elektrodën negative, e cila mund të jetë e gaztë (hidrogjen, për shembull, dhe monoksidi i karbonit) ose të lëngshme, si alkoolet. Oksigjeni zakonisht reagon në elektrodën pozitive.

Por parimi në dukje i thjeshtë i funksionimit nuk është i lehtë për t'u përkthyer në realitet.

Qelizë karburanti DIY

Fatkeqësisht, ne nuk kemi fotografi se si duhet të duket ky element karburanti, ne mbështetemi në imagjinatën tuaj.

Ju mund të bëni një qelizë karburanti me fuqi të ulët me duart tuaja edhe në një laborator shkollor. Ju duhet të rezervoni një maskë të vjetër gazi, disa copa pleksiglas, alkali dhe një zgjidhje ujore të alkoolit etilik (më thjesht vodka), e cila do të shërbejë si "karburant" për qelizën e karburantit.

Para së gjithash, keni nevojë për një strehë për qelizën e karburantit, e cila është bërë më së miri nga pleksiglas, të paktën pesë milimetra të trashë. Ndarjet e brendshme (ka pesë ndarje brenda) mund të bëhen pak më të holla - 3 cm Për të ngjitur pleksiglas, përdorni ngjitësin e përbërjes së mëposhtme: gjashtë gramë ashkël pleksiglasi treten në njëqind gramë kloroform ose dikloroetan (puna është bërë nën kapuç).

Tani ju duhet të shponi një vrimë në murin e jashtëm, në të cilin duhet të futni një tub qelqi kullimi me një diametër prej 5-6 centimetra përmes një tape gome.

Të gjithë e dinë se në tabelën periodike metalet më aktive janë në këndin e poshtëm të majtë, dhe metaloidet shumë aktive janë në këndin e sipërm të djathtë të tabelës, d.m.th. aftësia për të dhuruar elektrone rritet nga lart poshtë dhe nga e djathta në të majtë. Elementet që, në kushte të caktuara, mund të shfaqen si metale ose metaloidë janë në qendër të tabelës.

Tani derdhim maskën e gazit në ndarjen e dytë dhe të katërt Karboni i aktivizuar(ndërmjet ndarjes së parë dhe të dytës, si dhe të tretës dhe të katërt), të cilat do të veprojnë si elektroda. Për të parandaluar derdhjen e qymyrit nëpër vrima, mund ta vendosni në pëlhurë najloni (çorapët najloni të grave janë të përshtatshme).

Karburanti do të qarkullojë në dhomën e parë, dhe në të pestën duhet të ketë një furnizues oksigjeni - ajri. Midis elektrodave do të ketë një elektrolit, dhe për të parandaluar rrjedhjen e tij në dhomën e ajrit, përpara se të derdhni qymyr në dhomën e katërt për elektrolitin e ajrit, duhet ta njomni me një zgjidhje parafine në benzinë ​​(raporti 2 gram parafinë në gjysmë gote benzinë). Në shtresën e qymyrit duhet të vendosni (duke shtypur pak) pllaka bakri në të cilat janë ngjitur telat. Nëpërmjet tyre, rryma do të devijohet nga elektrodat.

Gjithçka që mbetet është të ngarkoni elementin. Për këtë ju nevojitet vodka, e cila duhet të hollohet me ujë 1:1. Pastaj shtoni me kujdes treqind deri në treqind e pesëdhjetë gram kalium kaustik. Për elektrolitin, 70 gram hidroksid kaliumi treten në 200 gram ujë.

Qeliza e karburantit është gati për testim. Tani ju duhet të derdhni njëkohësisht karburantin në dhomën e parë dhe elektrolitin në të tretën. Një voltmetër i lidhur me elektroda duhet të tregojë nga 07 volt në 0.9. Për të siguruar funksionimin e vazhdueshëm të elementit, është e nevojshme të hiqni karburantin e shpenzuar (kulloni në një gotë) dhe të shtoni karburant të ri (përmes një tubi gome). Shpejtësia e ushqimit rregullohet duke shtrydhur tubin. Kështu duket funksionimi i një qelize karburanti në kushte laboratorike, fuqia e së cilës është e kuptueshme e ulët.

Për të siguruar fuqi më të madhe, shkencëtarët kanë punuar për këtë problem për një kohë të gjatë. Çeliku aktiv në zhvillim strehon qelizat e karburantit metanol dhe etanol. Por, për fat të keq, ato ende nuk janë vënë në praktikë.

Pse qeliza e karburantit zgjidhet si një burim alternativ energjie

Një qelizë karburanti u zgjodh si një burim alternativ i energjisë, pasi produkti përfundimtar i djegies së hidrogjenit në të është uji. Problemi i vetëm është gjetja e një mënyre të lirë dhe efikase për të prodhuar hidrogjen. Fondet e mëdha të investuara në zhvillimin e gjeneratorëve të hidrogjenit dhe qelizave të karburantit nuk mund të mos japin fryte, kështu që një përparim teknologjik dhe përdorimi i tyre real në jetën e përditshme është vetëm çështje kohe.

Tashmë sot, përbindëshat e industrisë së automobilave: General Motors, Honda, Draimler Coyler, Ballard, po demonstrojnë autobusë dhe makina që punojnë me qeliza karburanti, fuqia e të cilave arrin 50 kW. Por problemet që lidhen me sigurinë, besueshmërinë dhe koston e tyre nuk janë zgjidhur ende. Siç është përmendur tashmë, ndryshe nga burimet tradicionale të energjisë - bateritë dhe akumulatorët, në këtë rast oksiduesi dhe karburanti furnizohen nga jashtë, dhe qeliza e karburantit është vetëm një ndërmjetës në reagimin e vazhdueshëm të djegies së karburantit dhe shndërrimit të energjisë së çliruar në energji elektrike. "Djegia" ndodh vetëm nëse elementi furnizon rrymë në ngarkesë, si një gjenerator elektrik me naftë, por pa një gjenerator dhe një motor nafte, dhe gjithashtu pa zhurmë, tym dhe mbinxehje. Në të njëjtën kohë, efikasiteti është shumë më i lartë, pasi nuk ka mekanizma të ndërmjetëm.

Shpresa të mëdha vendosen në përdorimin e nanoteknologjisë dhe nanomaterialeve, të cilat do të ndihmojnë në miniaturën e qelizave të karburantit duke rritur fuqinë e tyre. Ka pasur raporte se janë krijuar katalizatorë ultra-efikas, si dhe dizajne për qelizat e karburantit që nuk kanë membrana. Në to, karburanti (metani, për shembull) i furnizohet elementit së bashku me oksiduesin. Zgjidhjet interesante përdorin oksigjenin e tretur në ajër si oksidues dhe papastërtitë organike që grumbullohen në ujërat e ndotura përdoren si lëndë djegëse. Këto janë të ashtuquajturat elementë të biokarburanteve.

Qelizat e karburantit, sipas ekspertëve, mund të hyjnë në tregun masiv në vitet e ardhshme. botuar

Bashkohuni me ne

Do të doja t'ju paralajmëroja menjëherë se kjo temë nuk është tërësisht në temën e Habrit, por në komentet e postimit në lidhje me elementin e zhvilluar në MIT, ideja dukej se u mbështet, kështu që më poshtë do të përshkruaj disa mendime rreth biokarburanteve. elementet.
Puna për të cilën është shkruar kjo temë është bërë nga unë në klasën e 11-të dhe zuri vendin e dytë në konferencën ndërkombëtare INTEL ISEF.

Një qelizë karburanti është një burim i rrymës kimike në të cilin energjia kimike e një agjenti reduktues (karburant) dhe një agjenti oksidues, të furnizuar vazhdimisht dhe veçmas në elektroda, shndërrohet drejtpërdrejt në energji elektrike.
energji. Diagrami skematik i një qelize karburanti (FC) është paraqitur më poshtë:

Qeliza e karburantit përbëhet nga një dhomë anode, katodë, përcjellës jonik, anodë dhe katodë. Për momentin, fuqia e qelizave të biokarburantit nuk është e mjaftueshme për përdorim në shkallë industriale, por BFC-të me fuqi të ulët mund të përdoren për qëllime mjekësore si sensorë të ndjeshëm pasi forca aktuale në to është proporcionale me sasinë e karburantit që përpunohet.
Deri më sot, janë propozuar një numër i madh i llojeve të projektimit të qelizave të karburantit. Në secilin rast specifik, dizajni i qelizës së karburantit varet nga qëllimi i qelizës së karburantit, lloji i reagentit dhe përçuesi jonik. Një grup i veçantë përfshin qelizat e biokarburanteve që përdorin katalizatorë biologjikë. Një tipar i rëndësishëm dallues i sistemeve biologjike është aftësia e tyre për të oksiduar në mënyrë selektive lëndë djegëse të ndryshme në temperatura të ulëta.
Në shumicën e rasteve, enzimat e imobilizuara përdoren në bioelektrokatalizë, d.m.th. enzima të izoluara nga organizmat e gjallë dhe të fiksuara në një bartës, por që ruajnë aktivitetin katalitik (pjesërisht ose plotësisht), gjë që lejon ripërdorimin e tyre. Le të shqyrtojmë shembullin e një qelize biokarburantesh në të cilën një reaksion enzimatik shoqërohet me një reaksion elektrodë duke përdorur një ndërmjetës. Skema e një qelize biokarburantesh bazuar në oksidazën e glukozës:

Një qelizë biokarburantesh përbëhet nga dy elektroda inerte të bëra prej ari, platini ose karboni, të zhytura në një zgjidhje tampon. Elektrodat ndahen nga një membranë shkëmbimi jonesh: ndarja e anodës pastrohet me ajër, ndarja e katodës me azot. Membrana lejon ndarjen hapësinore të reaksioneve që ndodhin në ndarjet e elektrodës së qelizës, dhe në të njëjtën kohë siguron shkëmbimin e protoneve midis tyre. Membrana të përshtatshme për biosensorë tipe te ndryshme prodhohen në MB nga shumë kompani (VDN, VIROKT).
Futja e glukozës në një qelizë biokarburantesh që përmban glukozë oksidazë dhe një ndërmjetës të tretshëm në 20 °C rezulton në një rrjedhje të elektroneve nga enzima në anodë përmes ndërmjetësit. Elektronet udhëtojnë përmes qarkut të jashtëm në katodë, ku, në kushte ideale, uji formohet në prani të protoneve dhe oksigjenit. Rryma që rezulton (në mungesë të ngopjes) është në përpjesëtim me shtimin e komponentit përcaktues të shpejtësisë (glukozës). Duke matur rrymat e palëvizshme, mund të përcaktoni shpejt (5 s) edhe përqendrime të ulëta të glukozës - deri në 0,1 mM. Si një sensor, qeliza e përshkruar e biokarburantit ka kufizime të caktuara që lidhen me praninë e një ndërmjetësi dhe kërkesa të caktuara për katodën dhe membranën e oksigjenit. Ky i fundit duhet të mbajë enzimën dhe në të njëjtën kohë të lejojë që përbërësit me peshë të ulët molekulare të kalojnë përmes: gazit, ndërmjetësit, substratit. Membranat e shkëmbimit të joneve në përgjithësi i plotësojnë këto kërkesa, megjithëse vetitë e tyre të difuzionit varen nga pH e tretësirës tampon. Difuzioni i përbërësve përmes membranës çon në një ulje të efikasitetit të transferimit të elektroneve për shkak të reaksioneve anësore.
Sot ekzistojnë modele laboratorike të qelizave të karburantit me katalizatorë enzimë, karakteristikat e të cilave nuk plotësojnë kërkesat e zbatimit të tyre praktik. Përpjekjet kryesore në vitet e ardhshme do të synojnë në rafinimin e qelizave të biokarburantit dhe aplikimet e mëtejshme të qelizës së biokarburantit do të lidhen më shumë me mjekësinë, për shembull: një qelizë biokarburantesh të implantueshme duke përdorur oksigjen dhe glukozë.
Kur përdoren enzimat në elektrokatalizë, problemi kryesor që duhet zgjidhur është problemi i bashkimit të reaksionit enzimatik me atë elektrokimik, pra sigurimi i transportit efektiv të elektroneve nga qendra aktive e enzimës në elektrodë, gjë që mund të arrihet në mënyrat e mëposhtme:
1. Transferimi i elektroneve nga qendra aktive e enzimës në elektrodë duke përdorur një bartës të ulët molekular - ndërmjetës (bioelektrocatalysis ndërmjetësues).
2. Oksidimi i drejtpërdrejtë, i drejtpërdrejtë dhe reduktimi i vendeve aktive të enzimës në elektrodë (bioelektrokataliza direkte).
Në këtë rast, bashkimi ndërmjetës i reaksioneve enzimatike dhe elektrokimike, nga ana tjetër, mund të kryhet në katër mënyra:
1) enzima dhe ndërmjetësi janë në pjesën më të madhe të tretësirës dhe ndërmjetësi shpërndahet në sipërfaqen e elektrodës;
2) enzima është në sipërfaqen e elektrodës, dhe ndërmjetësi është në vëllimin e tretësirës;
3) enzima dhe ndërmjetësi janë të imobilizuara në sipërfaqen e elektrodës;
4) ndërmjetësi është i qepur në sipërfaqen e elektrodës, dhe enzima është në tretësirë.

Në këtë punë, lakkaza shërbeu si një katalizator për reaksionin katodik të reduktimit të oksigjenit, dhe oksidaza e glukozës (GOD) shërbeu si një katalizator për reaksionin anodik të oksidimit të glukozës. Si pjesë e materialeve të përbëra u përdorën enzimat, krijimi i të cilave është një nga fazat më të rëndësishme në krijimin e qelizave të biokarburanteve që shërbejnë njëkohësisht si sensor analitik. Në këtë rast, materialet biokompozite duhet të sigurojnë selektivitet dhe ndjeshmëri për përcaktimin e substratit dhe në të njëjtën kohë të kenë aktivitet të lartë bioelektrokatalitik, duke iu afruar aktivitetit enzimatik.
Lakaza është një oksidoreduktazë me përmbajtje Cu, funksioni kryesor i së cilës në kushte vendase është oksidimi i substrateve organike (fenolet dhe derivatet e tyre) me oksigjen, i cili reduktohet në ujë. Pesha molekulare e enzimës është 40,000 g/mol.

Deri më sot, është treguar se lakkaza është elektrokatalizatori më aktiv për reduktimin e oksigjenit. Në praninë e tij në elektrodë në një atmosferë oksigjeni, krijohet një potencial afër potencialit të ekuilibrit të oksigjenit dhe reduktimi i oksigjenit ndodh drejtpërdrejt në ujë.
Si katalizator për reaksionin katodik (reduktimi i oksigjenit) u përdor një material i përbërë me bazë lakaza, acetilen i zi AD-100 dhe Nafion. Një tipar i veçantë i kompozitit është struktura e tij, e cila siguron orientimin e molekulës së enzimës në lidhje me matricën përçuese të elektroneve, e nevojshme për transferimin e drejtpërdrejtë të elektroneve. Aktiviteti specifik bioelektrokatalitik i lakazës në qasjet e përbëra që vërehen në katalizën enzimatike. Metoda e bashkimit të reaksioneve enzimatike dhe elektrokimike në rastin e lakazës, d.m.th. një metodë e transferimit të një elektroni nga një substrat përmes qendrës aktive të enzimës së lakkazës në një elektrodë - bielektrokataliza e drejtpërdrejtë.

Glukozoksidaza (GOD) është një enzimë e klasës së oksidoreduktazës, ka dy nënnjësi, secila prej të cilave ka qendrën e saj aktive - (dinukleotidi flavin adenine) FAD. ZOTI është një enzimë selektive për dhuruesin e elektroneve, glukozën, dhe mund të përdorë shumë substrate si pranues të elektroneve. Pesha molekulare e enzimës është 180,000 g/mol.

Në këtë punë, ne përdorëm një material të përbërë bazuar në GOD dhe ferrocene (FC) për oksidimin anodik të glukozës nëpërmjet një mekanizmi ndërmjetësues. Materiali i përbërë përfshin GOD, grafit koloidal shumë të shpërndarë (HCG), Fc dhe Nafion, të cilat bënë të mundur marrjen e një matrice përçuese të elektroneve me një sipërfaqe shumë të zhvilluar, sigurimin e transportit efikas të reagentëve në zonën e reagimit dhe karakteristikat e qëndrueshme të përbërjes. material. Një metodë e bashkimit të reaksioneve enzimatike dhe elektrokimike, d.m.th. sigurimi i transportit efikas të elektroneve nga qendra aktive e ZOTIT në elektrodën e ndërmjetësit, ndërsa enzima dhe ndërmjetësi ishin të imobilizuara në sipërfaqen e elektrodës. Ferroceni u përdor si ndërmjetës - pranues elektronesh. Kur një substrat organik, glukoza, oksidohet, ferroceni reduktohet dhe më pas oksidohet në elektrodë.

Nëse dikush është i interesuar, mund të përshkruaj në detaje procesin e marrjes së veshjes së elektrodës, por për këtë është më mirë të shkruani në një mesazh personal. Dhe në temë thjesht do të përshkruaj strukturën që rezulton.

1. AD-100.
2. lakazë.
3. substrat poroz hidrofobik.
4. Nafion.

Pasi u pranuan elektorët, kaluam drejtpërdrejt në pjesën eksperimentale. Kështu dukej qeliza jonë e punës:

1. Elektroda referuese Ag/AgCl;
2. elektrodë pune;
3. elektrodë ndihmëse - Рt.
Në eksperimentin me oksidazën e glukozës - pastrimi me argon, me lakkazën - me oksigjen.

Reduktimi i oksigjenit në blozë në mungesë të lakkazës ndodh në potencialet nën zero dhe ndodh në dy faza: përmes formimit të ndërmjetëm të peroksidit të hidrogjenit. Figura tregon lakoren e polarizimit të elektroreduktimit të oksigjenit nga lakaza e imobilizuar në AD-100, e marrë në një atmosferë oksigjeni në një tretësirë ​​me pH 4.5. Në këto kushte, krijohet një potencial i palëvizshëm afër potencialit të ekuilibrit të oksigjenit (0,76 V). Në potencialet katodike prej 0,76 V, vërehet reduktim katalitik i oksigjenit në elektrodën e enzimës, e cila kalon përmes mekanizmit të bioelektrokatalizimit të drejtpërdrejtë direkt në ujë. Në rajonin potencial nën katodën 0,55 V, vërehet një pllajë në kurbë, e cila korrespondon me rrymën kinetike kufizuese të reduktimit të oksigjenit. Vlera e rrymës kufizuese ishte rreth 630 μA/cm2.

Sjellja elektrokimike e materialit kompozit të bazuar në GOD Nafion, ferrocene dhe VKG u studiua me voltammetri ciklike (CV). Gjendja e materialit të përbërë në mungesë të glukozës në një zgjidhje tampon fosfati u monitorua duke përdorur kthesat e karikimit. Në lakoren e karikimit në një potencial prej (–0,40) V, vërehen maksimumet në lidhje me transformimet redoks të qendrës aktive të ZOTIT - (FAD), dhe në 0,20-0,25 V ka maksimum të oksidimit dhe reduktimit të ferrocenit.

Nga rezultatet e marra rezulton se bazuar në një katodë me lakkazë si katalizator për reaksionin e oksigjenit, dhe një anodë të bazuar në oksidazën e glukozës për oksidimin e glukozës, ekziston një mundësi themelore e krijimit të një qelize biokarburantesh. Vërtetë, ka shumë pengesa në këtë rrugë, për shembull, majat e aktivitetit të enzimës vërehen në nivele të ndryshme pH. Kjo çoi në nevojën për të shtuar një membranë shkëmbyese jonike në BFC.Membrana lejon ndarjen hapësinore të reaksioneve që ndodhin në ndarjet e elektrodave të qelizës dhe në të njëjtën kohë siguron shkëmbimin e protoneve midis tyre. Ajri hyn në ndarjen e anodës.
Futja e glukozës në një qelizë biokarburantesh që përmban glukozë oksidazë dhe një ndërmjetës rezulton në një rrjedhje të elektroneve nga enzima në anodë përmes ndërmjetësit. Elektronet udhëtojnë përmes qarkut të jashtëm në katodë, ku, në kushte ideale, uji formohet në prani të protoneve dhe oksigjenit. Rryma që rezulton (në mungesë të ngopjes) është proporcionale me shtimin e përbërësit përcaktues të shpejtësisë, glukozës. Duke matur rrymat e palëvizshme, mund të përcaktoni shpejt (5 s) edhe përqendrime të ulëta të glukozës - deri në 0,1 mM.

Fatkeqësisht, nuk munda ta çoja idenë e këtij BFC në zbatim praktik, sepse Menjëherë pas klasës së 11-të shkova të studioja për t'u bërë programues, gjë që e bëj me zell edhe sot. Faleminderit të gjithëve që e përfunduan.

Nuk do të befasoni më askënd as me panele diellore dhe as me turbina me erë, të cilat prodhojnë energji elektrike në të gjitha rajonet e botës. Por prodhimi nga këto pajisje nuk është konstant dhe është e nevojshme të instalohen burime rezervë të energjisë ose të lidheni me rrjetin për të marrë energji elektrike gjatë periudhës kur burimet e rinovueshme të energjisë nuk prodhojnë energji elektrike. Megjithatë, ka impiante të zhvilluara në shekullin e 19-të që përdorin lëndë djegëse "alternative" për të prodhuar energji elektrike, d.m.th. nuk djegin gaz ose produkte të naftës. Instalime të tilla janë qelizat e karburantit.

HISTORIA E KRIJIMIT

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

Ndihmë: Elektroliza e ujit është procesi i dekompozimit të ujit nën ndikimin e rrymës elektrike në molekula hidrogjeni dhe oksigjeni

Pasi shkëputi baterinë nga qeliza elektrolitike, ai u befasua kur zbuloi se elektrodat filluan të thithin gazin e lëshuar dhe të gjenerojnë rrymë. Zbulimi i procesit të djegies elektrokimike "të ftohtë" të hidrogjenit ishte një ngjarje e rëndësishme në industrinë e energjisë. Ai më vonë krijoi baterinë Grove. Kjo pajisje kishte një elektrodë platini të zhytur në acid nitrik dhe një elektrodë zinku në sulfat zinku. Ai gjeneroi një rrymë prej 12 amperësh dhe një tension prej 8 volt. Vetë Grow e quajti këtë dizajn "bateri e lagur". Ai më pas krijoi një bateri duke përdorur dy elektroda platini. Një skaj i secilës elektrodë ishte në acid sulfurik, dhe skajet e tjera ishin të mbyllura në kontejnerë me hidrogjen dhe oksigjen. Kishte një rrymë të qëndrueshme midis elektrodave dhe sasia e ujit brenda kontejnerëve u rrit. Grow ishte në gjendje të dekompozonte dhe përmirësonte ujin në këtë pajisje.

"Rritja e baterisë"

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

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

SI PUNON?

Një qelizë e karburantit është një pajisje relativisht e thjeshtë. Ka dy elektroda: anodë (elektrodë negative) dhe katodë (elektrodë pozitive). Një reaksion kimik ndodh në elektroda. Për ta përshpejtuar atë, sipërfaqja e elektrodave është e veshur me një katalizator. KF-të janë të pajisura me një element më shumë - cipë. Shndërrimi i energjisë kimike të karburantit direkt në energji elektrike ndodh falë punës së membranës. Ai ndan dy dhomat e elementit në të cilin furnizohet karburanti dhe oksiduesi. Membrana lejon që vetëm protonet, të cilat prodhohen si rezultat i ndarjes së karburantit, të kalojnë nga një dhomë në tjetrën në një elektrodë të veshur me një katalizator (elektronet më pas udhëtojnë nëpër një qark të jashtëm). Në dhomën e dytë, protonet bashkohen me elektronet (dhe atomet e oksigjenit) për të formuar ujë.

Parimi i funksionimit të një qelize karburanti me hidrogjen

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

Gjatë djegies normale në oksigjen, ndodh oksidimi i karburantit organik dhe energjia kimike e karburantit shndërrohet në energji termike. Le të shohim se çfarë ndodh gjatë oksidimit të hidrogjenit me oksigjen në një mjedis elektrolitik dhe në prani të elektrodave.

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

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

Siç mund ta shihni, marrim elektrone që, duke kaluar nëpër qarkun e jashtëm, arrijnë në elektrodën e kundërt, në të cilën rrjedh oksigjeni dhe ku zhvillohet reaksioni:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Mund të shihet se reaksioni që rezulton 2H 2 + O 2 → H 2 O është i njëjtë si gjatë djegies normale, por Qeliza e karburantit prodhon rrymë elektrike dhe pak nxehtësi.

LLOJET E QELIZAVE KARBURANTE

Është e zakonshme të klasifikohen qelizat e karburantit sipas llojit të elektrolitit të përdorur për reagimin:

Vini re se qelizat e karburantit mund të përdorin gjithashtu qymyr, monoksid karboni, alkoole, hidrazinë dhe substanca të tjera organike si lëndë djegëse, dhe ajrin, peroksid hidrogjeni, klorin, bromin, acidin nitrik, etj. si agjentë oksidues.

EFIÇENCA E QELIZAVE KARBURANTE

Një tipar i qelizave të karburantit është nuk ka kufizim të rreptë në efikasitet, si motorët e nxehtësisë.

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

Prandaj, efikasiteti i qelizave të karburantit në teori mund të jetë më i lartë se 100%. Shumë buzëqeshën dhe menduan: "Makina e lëvizjes së përhershme është shpikur". Jo, këtu duhet të kthehemi te kursi i kimisë në shkollë. Qeliza e karburantit bazohet në shndërrimin e energjisë kimike në energji elektrike. Këtu ndodhin mrekullitë. Disa reaksione kimike siç ndodhin mund të thithin nxehtësinë nga mjedisi.

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

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

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

Plus, ka humbje të lidhura me proceset jo ekuilibër. Të tilla si: humbjet omike për shkak të përcjellshmërisë specifike të elektrolitit dhe elektrodave, polarizimi i aktivizimit dhe përqendrimit, humbjet e difuzionit. Si rezultat, një pjesë e energjisë së gjeneruar në qelizat e karburantit shndërrohet në nxehtësi. Prandaj, qelizat e karburantit nuk janë makina me lëvizje të përhershme dhe efikasiteti i tyre është më pak se 100%. Por efikasiteti i tyre është më i madh se ai i makinerive të tjera. Sot Efikasiteti i qelizave të karburantit arrin 80%.

Referenca: Në vitet dyzet, inxhinieri anglez T. Bacon projektoi dhe ndërtoi një bateri me qeliza karburanti me një fuqi totale prej 6 kW dhe një efikasitet prej 80%, duke punuar me hidrogjen dhe oksigjen të pastër, por me raportin fuqi-peshë të baterisë. doli të ishte shumë i vogël - elementë të tillë ishin të papërshtatshëm për përdorim praktik dhe shumë të shtrenjtë (burimi: http://www.powerinfo.ru/).

PROBLEME TË QELIZËS SË KARBURANTIT

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

Duket se si rezultat i elektrolizës është zbuluar një qelizë karburanti, ndaj është e mundur të përdoret hidrogjeni i çliruar si rezultat i elektrolizës. Por le ta shohim këtë proces në më shumë detaje.

Sipas ligjit të Faradeit: sasia e një lënde që oksidohet në anodë ose reduktohet në katodë është proporcionale me sasinë e energjisë elektrike që kalon nëpër elektrolit. Kjo do të thotë që për të marrë më shumë hidrogjen, duhet të shpenzoni më shumë energji elektrike. Metodat ekzistuese të elektrolizës së ujit funksionojnë me një efikasitet më të vogël se një. Pastaj ne përdorim hidrogjenin që rezulton në qelizat e karburantit, ku efikasiteti është gjithashtu më pak se uniteti. Prandaj, ne do të shpenzojmë më shumë energji sesa mund të prodhojmë.

Sigurisht, ju mund të përdorni hidrogjenin e prodhuar nga gazi natyror. Kjo metodë e prodhimit të hidrogjenit mbetet më e lira dhe më e popullarizuara. Aktualisht, rreth 50% e hidrogjenit të prodhuar në mbarë botën vjen nga gazi natyror. Por ka një problem me ruajtjen dhe transportimin e hidrogjenit. Hidrogjeni ka një densitet të ulët ( një litër hidrogjen peshon 0,0846 g), pra për ta transportuar atë në distanca të gjata duhet të kompresohet. Dhe këto janë kosto shtesë të energjisë dhe monetare. Gjithashtu, mos harroni për sigurinë.

Sidoqoftë, ekziston edhe një zgjidhje këtu - karburanti i lëngshëm hidrokarbur mund të përdoret si burim hidrogjeni. Për shembull, alkool etilik ose metil. Vërtetë, kjo kërkon një pajisje shtesë të veçantë - një konvertues karburanti, kur temperaturë të lartë(për metanolin kjo do të jetë diku rreth 240°C) duke shndërruar alkoolet në një përzierje të H 2 të gaztë dhe CO 2. Por në këtë rast, tashmë është më e vështirë të mendosh për transportueshmëri - pajisje të tilla janë të mira për t'u përdorur si gjeneratorë të palëvizshëm ose të makinave, por për pajisjet kompakte celulare ju nevojitet diçka më pak e rëndë.

Katalizator

Për të përmirësuar reagimin në qelizën e karburantit, sipërfaqja e anodës zakonisht trajtohet me një katalizator. Deri vonë, platini përdorej si katalizator. Prandaj, kostoja e qelizës së karburantit ishte e lartë. Së dyti, platini është një metal relativisht i rrallë. Sipas ekspertëve, me prodhimin industrial të qelizave të karburantit, rezervat e vërtetuara të platinit do të mbarojnë në 15-20 vjet. Por shkencëtarët në mbarë botën po përpiqen të zëvendësojnë platinin me materiale të tjera. Nga rruga, disa prej tyre arritën rezultate të mira. Kështu, shkencëtarët kinezë zëvendësuan platinin me oksid kalciumi (burimi: www.cheburek.net).

PËRDORIMI I QELIZAVE KARBURANTE

Qeliza e parë e karburantit në teknologjinë e automobilave u testua në vitin 1959. Traktori Alice-Chambers përdori 1008 bateri për të funksionuar. Karburanti ishte një përzierje gazesh, kryesisht propan dhe oksigjen.

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

Që nga mesi i viteve '60, në kulmin e "garës së hapësirës", krijuesit e anijeve kozmike u interesuan për qelizat e karburantit. Puna e mijëra shkencëtarëve dhe inxhinierëve na lejoi të arrijmë një nivel të ri, dhe në 1965. qelizat e karburantit u testuan në Shtetet e Bashkuara në anijen kozmike Gemini 5, dhe më vonë në anijen kozmike Apollo për fluturime në Hënë dhe programin Shuttle. Në BRSS, qelizat e karburantit u zhvilluan në NPO Kvant, gjithashtu për përdorim në hapësirë ​​(burimi: http://www.powerinfo.ru/).

Meqenëse në një qelizë karburanti produkti përfundimtar i djegies së hidrogjenit është uji, ato konsiderohen më të pastra për sa i përket ndikimit mjedisor. Prandaj, qelizat e karburantit filluan të fitojnë popullaritet në sfondin e interesit të përgjithshëm për mjedisin.

Tashmë, prodhuesit e makinave si Honda, Ford, Nissan dhe Mercedes-Benz kanë krijuar makina të fuqizuara nga qelizat e karburantit me hidrogjen.

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

Kur përdorni makina me hidrogjen, problemi me ruajtjen e hidrogjenit zgjidhet. Ndërtimi i pikave të karburantit me hidrogjen do të bëjë të mundur furnizimin me karburant kudo. Për më tepër, karburanti i një makine me hidrogjen është më i shpejtë sesa karikimi i një makine elektrike në një pikë karburanti. Por gjatë zbatimit të projekteve të tilla kemi hasur në një problem të ngjashëm me atë të automjeteve elektrike. Njerëzit janë gati të kalojnë në një makinë hidrogjeni nëse ka infrastrukturë për ta. Dhe ndërtimi i pikave të karburantit do të fillojë nëse do të ketë një numër të mjaftueshëm të konsumatorëve. Prandaj, erdhëm sërish në dilemën e vezës dhe pulës.

Qelizat e karburantit përdoren gjerësisht në telefonat celularë dhe laptopët. Tashmë ka kaluar koha kur telefoni karikohej një herë në javë. Tani telefoni karikohet pothuajse çdo ditë, dhe laptopi punon për 3-4 orë pa rrjet. Prandaj, prodhuesit e teknologjisë celulare vendosën të sintetizojnë një qelizë karburanti me telefona dhe laptopë për karikim dhe funksionim. Për shembull, kompania Toshiba në 2003. demonstroi një prototip të përfunduar të një qelize karburanti metanol. Ajo prodhon një fuqi prej rreth 100 mW. Një mbushje prej 2 kubesh metanol të koncentruar (99,5%) mjafton për 20 orë funksionim të MP3 player-it. Përsëri, e njëjta Toshiba demonstroi një qelizë për fuqizimin e laptopëve me përmasa 275x75x40 mm, duke lejuar që kompjuteri të funksionojë për 5 orë me një karikim të vetëm.

Por disa prodhues kanë shkuar më tej. Kompania PowerTrekk ka lëshuar një karikues me të njëjtin emër. PowerTrekk është karikuesi i parë i ujit në botë. Është shumë e lehtë për t'u përdorur. PowerTrekk kërkon shtimin e ujit për të siguruar energji elektrike të menjëhershme përmes kordonit USB. Kjo qelizë karburanti përmban pluhur silikoni dhe silicid natriumi (NaSi) kur përzihet me ujë, kombinimi gjeneron hidrogjen. Hidrogjeni përzihet me ajrin në vetë qelizën e karburantit dhe e shndërron hidrogjenin në energji elektrike përmes shkëmbimit të tij membranë-proton, pa ventilatorë ose pompa. Mund të blini një karikues të tillë portativ për 149 € (

Qelizat e karburantit (gjeneratorët elektrokimikë) përfaqësojnë një metodë shumë efikase, të qëndrueshme, të 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: furnizimet me energji për telefonat celularë dhe laptopët, motorët e automjeteve, burimet autonome të energjisë për ndërtesat dhe termocentralet stacionare. Disa nga këto pajisje funksionojnë si prototipe laboratorike, ndërsa të tjerat përdoren për qëllime demonstrimi ose janë duke u testuar para prodhimit. 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. Duke përdorur këto qeliza, krijohet një rrymë elektrike konstante.

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, 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 ndezjes, si dhe heqjen e nxehtësisë gjatë funksionimit të saj. Për këtë qëllim, një qark i veçantë uji përfshihet në qelizën e karburantit, dhe bateria është 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.

Për të ruajtur temperaturën e kërkuar të reformatorit ekziston një djegës. Avulli i nevojshëm për reformim krijohet nga kondensata. Një rrymë direkte e paqëndrueshme gjenerohet në baterinë e qelizave të karburantit dhe një konvertues tensioni përdoret për ta kthyer atë.

Gjithashtu në bllokun e konvertuesit të tensionit ka:

• Pajisjet e kontrollit.
• Qarqet e ndërlidhjes së sigurisë që mbyllin qelizën e karburantit gjatë defekteve të ndryshme.

Parimi i funksionimit

Qeliza më e thjeshtë e membranës së shkëmbimit të protoneve përbëhet nga një membranë polimere që ndodhet midis anodës dhe katodës, si dhe katalizatorët e katodës dhe anodës. 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, ndan substancën në jone të ngarkuar negativisht dhe pozitivisht.
• Oksidimi fillon në anodë dhe reduktimi ndodh në katodë. Katoda dhe anoda në një qelizë PEM janë bërë nga 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 nën ndikimin e një katalizatori, atomet e hidrogjenit shndërrohen në jone hidrogjeni të ngarkuar pozitivisht H+, domethënë protone.
• Protonet shpërndahen në katodë përmes membranës, dhe një rrjedhë elektronesh 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, pas ekspozimit, hyn në një reaksion kimik me elektrone nga qarku elektrik i jashtëm dhe jonet e hidrogjenit nga membrana e shkëmbimit të protoneve. Si rezultat i këtij reaksioni kimik, shfaqet uji.

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

Llojet

Aktualisht, 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, Fosforik Acid Fuel Cells).
• Pajisjet me membranë shkëmbyese protonike (PEMFC, Cells Karburante me Membrane të Shkëmbimit të Protonit).
• 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).

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

Aplikacion

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

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

Qelizat e karburantit përdoren gjithashtu në sektorin civil.

• Instalime stacionare me fuqi 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, si dhe 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 e hekurudhave dhe mallrave, si dhe shenjat rrugore.
• Instalime celulare me fuqi 25–150 kW. Ata kanë filluar të përdoren në anijet dhe nëndetëset ushtarake, 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. Ata gjejnë aplikim në kompjuterë të avancuar të dorës, laptopë, pajisje elektronike të konsumit, telefona celularë dhe pajisje moderne ushtarake.

Veçoritë

• Një pjesë e energjisë nga reaksioni 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. Ndalimi i lëvizjes së joneve të hidrogjenit ose hapja e qarkut të jashtëm çon në ndalimin 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, qelizat e karburantit mund të bëhen më të mëdha, por në praktikë përdoren disa qeliza, të cilat 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 elektrodat poroze. Kur ngarkesa është e ndezur, një qelizë e tillë karburanti do të gjenerojë energji elektrike.

Perspektivat

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

• Makinat do të funksionojnë me qeliza karburanti; nuk do të ketë 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 thjeshtë dhe i sigurt, dhe ngasja do të jetë miqësore me mjedisin - do të prodhohet 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 instalohen në çdo elektronikë dhe pajisje shtëpiake.

Avantazhet dhe disavantazhet

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

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

• siguria mjedisore;
• gjeneratorët elektrokimikë nuk kanë nevojë të rimbushen;
• gjeneratorët elektrokimikë mund të krijojnë vazhdimisht energji, ata nuk kujdesen për kushtet e jashtme;
• fleksibilitet në shkallë dhe transportueshmëri.

Ndër disavantazhet janë:

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

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 që të ndodhë reaksioni elektrokimik. Hidrogjeni dhe oksigjeni furnizohen në qelizat e karburantit, dhe prodhimi është energjia elektrike, uji dhe nxehtësia. Përparësitë e tyre përfshijnë mirëdashësinë 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 furnizohet me karburant. Ata nuk duhet të karikohen për orë të tëra derisa të karikohen plotësisht. Për më tepër, vetë qelizat mund të ngarkojnë baterinë ndërsa makina është e parkuar me motorin e fikur.

Qelizat e karburantit më të përdorura në automjetet me hidrogjen janë qelizat e karburantit me membranë protonike (PEMFCs) dhe qelizat e karburantit me oksid të ngurtë (SOFCs).

Një qelizë e karburantit e membranës së shkëmbimit të protoneve funksionon si më poshtë. Midis anodës dhe katodës ekziston një membranë e veçantë dhe një katalizator i veshur me platin. Hidrogjeni furnizohet në anodë, dhe oksigjeni (për shembull, nga ajri) furnizohet në katodë. Në anodë, hidrogjeni zbërthehet në protone dhe elektrone me ndihmën e një katalizatori. Protonet e hidrogjenit kalojnë nëpër membranë dhe arrijnë në katodë, dhe elektronet transferohen në qarkun e jashtëm (membrana nuk i lejon ata të kalojnë). Diferenca potenciale e fituar në këtë mënyrë çon në gjenerimin e rrymës elektrike. Në anën e katodës, protonet e hidrogjenit oksidohen nga oksigjeni. Si rezultat, shfaqet avulli i ujit, i cili është elementi kryesor i gazrave të shkarkimit të makinave. Duke pasur efikasitet të lartë, qelizat PEM kanë një pengesë të rëndësishme - funksionimi i tyre kërkon hidrogjen të pastër, ruajtja e të cilit është një problem mjaft serioz.

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

Qelizat e oksidit të ngurtë

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), qeliza të tilla mund të konsumojnë benzinë ​​të rregullt 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, gjithashtu nën ndikimin e temperaturës dhe duke përdorur SOFC drejtpërdrejt (i përbërë nga një material qeramik poroz i bazuar në oksid zirkoniumi), hidrogjeni oksidohet nga oksigjeni në ajër. Pas marrjes së hidrogjenit nga benzina, procesi vazhdon 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 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. Por nxehtësia e tepërt nuk është problem, pasi hiqet plotësisht nga ajri i mbetur dhe gazrat e shkarkimit të prodhuara nga reformatori dhe vetë qeliza e karburantit. Kjo lejon që sistemi SOFC të integrohet në një automjet si një pajisje e veçantë 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 zbatimit të pajisjeve të tilla, SOFC nuk përmban elektroda shumë të shtrenjta me bazë platini. 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 llojet e mëposhtme të qelizave të karburantit:

• A.F.C.– Qeliza Alkaline e Karburantit (celula alkaline e karburantit);
• PAFC– Qeliza e karburantit të acidit fosforik (qeliza e karburantit të acidit fosforik);
• PEMFC– Qeliza Karburante e Membranës së Shkëmbimit të Protonit (qeliza e karburantit me një membranë shkëmbyese protonike);
• DMFC– Qeliza Karburante e Metanolit Direkt (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 e karburantit me oksid të ngurtë).

Përparësitë e qelizave/celulave të karburantit

Një qelizë/qelizë karburanti është një pajisje që prodhon në mënyrë efikase rrymë direkte dhe nxehtësi nga karburanti i pasur me hidrogjen përmes një reaksioni elektrokimik.

Një qelizë e karburantit është e ngjashme me një bateri në atë që prodhon rrymë direkte përmes një reaksioni kimik. Qeliza e karburantit përfshin një anodë, një katodë dhe një elektrolit. Megjithatë, ndryshe nga bateritë, qelizat e karburantit nuk mund të ruajnë energji elektrike dhe nuk shkarkojnë ose kërkojnë energji elektrike për t'u rimbushur. Qelizat/qelizat e karburantit mund të prodhojnë vazhdimisht energji elektrike për sa kohë që kanë furnizim me karburant dhe ajër.

Ndryshe nga gjeneratorët e tjerë të energjisë, si motorët me djegie të brendshme ose turbinat e fuqizuara nga gazi, qymyri, nafta, etj., qelizat/qelizat e karburantit nuk djegin karburant. Kjo do të thotë pa rotorë të zhurmshëm me presion të lartë, pa zhurmë të lartë të shkarkimit, pa dridhje. Qelizat/qelizat e karburantit prodhojnë energji elektrike përmes një reaksioni elektrokimik të heshtur. Një veçori tjetër e qelizave/celulave të karburantit është se ato konvertojnë energjinë kimike të karburantit drejtpërdrejt në energji elektrike, nxehtësi dhe ujë.

Qelizat e karburantit janë shumë efikase dhe nuk prodhojnë sasi të mëdha të gazeve serrë si dioksidi i karbonit, metani dhe oksidi i azotit. Produktet e vetme të shkarkimit gjatë funksionimit janë uji në formë avulli dhe një sasi e vogël dioksidi i karbonit, i cili nuk çlirohet fare nëse përdoret hidrogjeni i pastër si lëndë djegëse. Elementet/qelizat e karburantit montohen në montime dhe më pas në module funksionale individuale.

Historia e zhvillimit të qelizave/celulave të karburantit

Në vitet 1950 dhe 1960, një nga sfidat më të ngutshme për qelizat e karburantit lindi nga nevoja e Administratës Kombëtare të Aeronautikës dhe Hapësirës (NASA) për burime energjie për misionet hapësinore afatgjatë. Qeliza alkaline e karburantit e NASA-s përdor hidrogjen dhe oksigjen si lëndë djegëse duke kombinuar dy elementët kimikë në një reaksion elektrokimik. Rezultati është tre nënprodukte të dobishme të reagimit në fluturimin në hapësirë ​​- energjia elektrike për të fuqizuar anijen kozmike, uji për sistemet e pijes dhe ftohjes dhe nxehtësia për të ngrohur astronautët.

Zbulimi i qelizave të karburantit daton në fillim të shekullit të 19-të. Dëshmia e parë e efektit të qelizave të karburantit u mor në 1838.

Në fund të viteve 1930, filloi puna në qelizat e karburantit me një elektrolit alkalik dhe deri në vitin 1939 u ndërtua një qelizë që përdor elektroda të veshura me nikel me presion të lartë. Gjatë Luftës së Dytë Botërore, qelizat/qelizat e karburantit u zhvilluan për nëndetëset e Marinës Britanike dhe në vitin 1958 u prezantua një grup karburanti i përbërë nga qeliza/celula alkaline të karburantit me një diametër prej pak më shumë se 25 cm.

Interesi u rrit në vitet 1950 dhe 1960, dhe gjithashtu në vitet 1980, kur bota industriale përjetoi një mungesë të karburanteve të naftës. Gjatë së njëjtës periudhë, vendet e botës gjithashtu u shqetësuan për problemin e ndotjes së ajrit dhe morën parasysh mënyrat për të prodhuar energji elektrike në një mënyrë miqësore me mjedisin. Teknologjia e qelizave të karburantit aktualisht po kalon një zhvillim të shpejtë.

Parimi i funksionimit të qelizave/celulave të karburantit

Qelizat/qelizat e karburantit prodhojnë energji elektrike dhe nxehtësi për shkak të një reaksioni elektrokimik që zhvillohet duke përdorur një elektrolit, një katodë dhe një anodë.

Anoda dhe katoda ndahen nga një elektrolit që përcjell protonet. Pasi hidrogjeni derdhet në anodë dhe oksigjeni në katodë, fillon një reaksion kimik, si rezultat i të cilit gjenerohet rryma elektrike, nxehtësia dhe uji.

Në katalizatorin e anodës, hidrogjeni molekular shpërndahet dhe humbet elektronet. Jonet e hidrogjenit (protonet) përçohen përmes elektrolitit në katodë, ndërsa elektronet kalojnë nëpër elektrolit dhe udhëtojnë përmes një qarku elektrik të jashtëm, duke krijuar një rrymë të drejtpërdrejtë që mund të përdoret për të fuqizuar pajisjet. Në katalizatorin e katodës, një molekulë oksigjeni kombinohet me një elektron (i cili furnizohet nga komunikimet e jashtme) dhe një proton hyrës dhe formon ujin, i cili është i vetmi produkt i reagimit (në formën e avullit dhe/ose lëngut).

Më poshtë është reagimi përkatës:

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

Llojet dhe shumëllojshmëria e elementeve/celulave të karburantit

Ashtu si ka lloje të ndryshme motorësh me djegie të brendshme, ka lloje të ndryshme të qelizave të karburantit - zgjedhja e llojit të duhur të qelizës së karburantit varet nga aplikimi i saj.

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 do të thotë që përpunimi i karburantit kërkohet për të kthyer karburantin parësor (si 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 "konvertojnë brenda" karburantin në temperatura të larta, që do të thotë se nuk ka nevojë të investohet në infrastrukturën e hidrogjenit.

Qelizat/qelizat e karburantit me karbonat të shkrirë (MCFC)

Qelizat e karburantit të elektrolitit të karbonatit të shkrirë janë qeliza karburanti me temperaturë të lartë. Temperatura e lartë e funksionimit lejon përdorimin e drejtpërdrejtë të gazit natyror pa përpunues karburanti dhe gaz me vlerë të ulët kalorifike nga proceset industriale dhe burime të tjera.

Funksionimi i RCFC ndryshon nga qelizat e tjera të karburantit. Këto qeliza përdorin një elektrolit të bërë nga një përzierje e kripërave karbonate të shkrirë. Aktualisht përdoren dy lloje përzierjesh: karbonat litium dhe karbonat kaliumi ose karbonat litium dhe karbonat natriumi. Për të shkrirë kripërat karbonate 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 varion midis 60-80%.

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

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

Temperaturat e larta të funksionimit të qelizave të karburantit të elektrolitit të shkrirë të karbonatit kanë disa avantazhe. Në temperatura të larta, gazi natyror reformohet nga brenda, duke eliminuar nevojën për një procesor karburanti. Për më tepër, avantazhet përfshijnë aftësinë për të përdorur materiale ndërtimi standarde si fletët e çelikut të pandryshkshëm dhe katalizatorin e nikelit 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 kanë gjithashtu avantazhet e tyre. Përdorimi i temperaturave të larta kërkon kohë të konsiderueshme për të arritur kushte optimale të funksionimit dhe sistemi reagon më ngadalë ndaj ndryshimeve në konsumin e energjisë. Këto karakteristika lejojnë përdorimin e instalimeve të qelizave të karburantit me elektrolit karbonat të shkrirë në kushte konstante të fuqisë. Temperaturat e larta parandalojnë që monoksidi i karbonit të dëmtojë qelizën e karburantit.

Qelizat e karburantit me elektrolit karbonat të shkrirë janë të përshtatshme për përdorim në instalime të mëdha të palëvizshme. Termocentralet me fuqi elektrike dalëse prej 3.0 MW prodhohen komercialisht. Po zhvillohen instalime me fuqi dalëse deri në 110 MW.

Qelizat/qelizat e karburantit të acidit fosforik (PAFC)

Qelizat e karburantit me acid fosforik (ortofosforik) ishin qelizat e para të karburantit për përdorim komercial.

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

Bartësi i ngarkesës në qelizat e karburantit të këtij lloji është hidrogjeni (H+, proton). Një proces i ngjashëm ndodh në qelizat e karburantit me një membranë të shkëmbimit të protoneve, në të cilën hidrogjeni i furnizuar në anodë ndahet në protone dhe elektrone. Protonet udhëtojnë nëpër elektrolit dhe kombinohen me oksigjenin nga ajri në katodë për të formuar ujë. Elektronet dërgohen përmes një qarku elektrik të jashtëm, duke gjeneruar kështu një rrymë elektrike. Më poshtë janë reaksionet që gjenerojnë rrymë elektrike dhe nxehtësi.

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

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

Performanca e lartë e termocentraleve që përdorin qelizat e karburantit me bazë acidin fosforik (ortofosforik) në prodhimin e kombinuar të energjisë termike dhe elektrike është një nga avantazhet e këtij lloji të qelizave të karburantit. Njësitë përdorin monoksid karboni me një përqendrim prej rreth 1.5%, gjë që zgjeron ndjeshëm zgjedhjen e karburantit. Përveç kësaj, CO 2 nuk ndikon në elektrolitin dhe funksionimin e qelizës së karburantit; kjo lloj qelize funksionon me karburant natyral të reformuar. Dizajni i thjeshtë, shkalla e ulët e paqëndrueshmërisë së elektrolitit dhe rritja e stabilitetit janë gjithashtu avantazhet e këtij lloji të qelizave të karburantit.

Termocentralet me fuqi elektrike dalëse deri në 500 kW prodhohen komercialisht. Instalimet 11 MW kanë kaluar testet e duhura. Po zhvillohen instalime me fuqi dalëse deri në 100 MW.

Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë (SOFC)

Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë janë qelizat e karburantit me temperaturë më të lartë të funksionimit. Temperatura e funksionimit mund të ndryshojë nga 600°C në 1000°C, duke lejuar përdorimin e llojeve të ndryshme të karburantit pa para-trajtim të veçantë. Për të trajtuar temperatura të tilla të larta, elektroliti i përdorur është një oksid i hollë metalik i ngurtë në një bazë qeramike, shpesh një aliazh i itrit dhe zirkonit, i cili është një përcjellës i joneve të oksigjenit (O2-).

Elektroliti i ngurtë siguron një kalim të mbyllur të gazit nga një elektrodë në tjetrën, ndërsa elektrolitet e lëngëta janë të vendosura në një substrat poroz. Bartësi i ngarkesës në qelizat e karburantit të këtij lloji është joni i oksigjenit (O 2-). Në katodë, molekulat e oksigjenit nga ajri ndahen në një jon oksigjeni dhe katër elektrone. Jonet e oksigjenit kalojnë nëpër elektrolit dhe bashkohen me hidrogjenin, duke krijuar katër elektrone të lira. Elektronet dërgohen përmes një qarku elektrik të jashtëm, duke gjeneruar rrymë elektrike dhe nxehtësi të humbur.

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

Efikasiteti i energjisë elektrike të prodhuar është më i larti nga të gjitha qelizat e karburantit - rreth 60-70%. Temperaturat e larta të funksionimit lejojnë prodhimin e kombinuar të energjisë termike dhe elektrike 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 hibride për të rritur efikasitetin e gjenerimit të energjisë elektrike deri në 75%.

Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë funksionojnë në temperatura shumë të larta (600°C–1000°C), duke rezultuar në një kohë të konsiderueshme për të arritur kushtet optimale të funksionimit dhe një përgjigje më të ngadaltë të sistemit ndaj ndryshimeve në konsumin e energjisë. Në temperatura të tilla të larta operimi, asnjë konvertues nuk kërkohet për të rikuperuar hidrogjenin nga karburanti, duke lejuar që termocentrali të funksionojë me lëndë djegëse relativisht të papastra që vijnë nga gazifikimi i qymyrit ose gazrave të mbeturinave, etj. Qeliza e karburantit është gjithashtu e shkëlqyer për aplikime me fuqi të lartë, duke përfshirë termocentrale industriale dhe të mëdha qendrore. Modulet me fuqi elektrike dalëse prej 100 kW prodhohen komercialisht.

Qelizat/qelizat e karburantit me oksidim të drejtpërdrejtë të metanolit (DOMFC)

Teknologjia e përdorimit të qelizave të karburantit me oksidim të drejtpërdrejtë të metanolit po kalon një periudhë zhvillimi aktiv. Ajo e ka provuar veten me sukses në fushën e fuqizimit të telefonave celularë, laptopëve, si dhe në krijimin e burimeve portative të energjisë. Kjo është ajo që synohet përdorimi i ardhshëm i këtyre elementeve.

Dizajni i qelizave të karburantit me oksidim të drejtpërdrejtë të metanolit është i ngjashëm me qelizat e karburantit me një membranë shkëmbimi të protonit (MEPFC), d.m.th. Një polimer përdoret si elektrolit, dhe një jon hidrogjeni (proton) përdoret si bartës i ngarkesës. Megjithatë, metanoli i lëngshëm (CH 3 OH) oksidohet në prani të ujit në anodë, duke lëshuar CO 2, jone hidrogjeni dhe elektrone, të cilat dërgohen përmes një qarku elektrik të jashtëm, duke gjeneruar kështu një rrymë elektrike. Jonet e hidrogjenit kalojnë nëpër elektrolit dhe reagojnë me oksigjenin nga ajri dhe elektronet nga qarku i jashtëm për të formuar ujë në anodë.

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

Avantazhi i këtij lloji të qelizave të karburantit është madhësia e tyre e vogël, për shkak të përdorimit të karburantit të lëngshëm dhe mungesës së nevojës për të përdorur një konvertues.

Qelizat/qelizat alkaline të karburantit (ALFC)

Qelizat alkaline të karburantit janë një nga qelizat më efikase të përdorura për të prodhuar energji elektrike, me efikasitet të prodhimit të energjisë që arrin deri në 70%.

Qelizat alkaline të karburantit përdorin një elektrolit, një zgjidhje ujore e hidroksidit të kaliumit, e përfshirë në një matricë poroze dhe 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 deri në 220°C. Bartësi i ngarkesës në SHTE është joni hidroksil (OH -), duke lëvizur nga katoda në anodë, ku reagon me hidrogjenin, duke prodhuar ujë dhe elektrone. Uji i prodhuar në anodë kthehet përsëri në katodë, duke gjeneruar përsëri jone hidroksil atje. Si rezultat i kësaj serie reaksionesh që ndodhin në qelizën e karburantit, prodhohet energjia elektrike dhe, si nënprodukt, nxehtësia:

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

Avantazhi i SHTE është se këto qeliza karburanti janë më të lirat për t'u prodhuar, pasi katalizatori i kërkuar në elektroda mund të jetë ndonjë nga substancat që janë më të lira se ato që përdoren si katalizatorë për qelizat e tjera të karburantit. SFC-të funksionojnë në temperatura relativisht të ulëta dhe janë ndër qelizat e karburantit më efikas - karakteristika të tilla mund të kontribuojnë për rrjedhojë në gjenerimin më të shpejtë të energjisë dhe efikasitetin e lartë të karburantit.

Një nga karakteristikat karakteristike të SHTE është ndjeshmëria e lartë ndaj CO 2, e cila mund të përmbahet në karburant ose ajër. CO 2 reagon me elektrolitin, e helmon shpejt atë dhe ul ndjeshëm efikasitetin e qelizës së karburantit. Prandaj, përdorimi i SHTE është i kufizuar në hapësirat e mbyllura, të tilla si automjetet hapësinore dhe nënujore, ato duhet të funksionojnë me hidrogjen dhe oksigjen të pastër. Për më tepër, molekulat si CO, H 2 O dhe CH4, të cilat janë të sigurta për qelizat e tjera të karburantit dhe madje veprojnë si lëndë djegëse për disa prej tyre, janë të dëmshme për SHFC.

Qelizat e karburantit me elektrolit polimer (PEFC)

Në rastin e qelizave të karburantit të elektrolitit polimer, membrana polimer përbëhet nga fibra polimer me rajone ujore në të cilat ka përcjellje të joneve të ujit H2O+ (proton, i kuq) ngjitet në një molekulë uji). Molekulat e ujit paraqesin 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, duke kufizuar temperaturën e funksionimit në 100°C.

Qelizat/qelizat e karburantit me acid të ngurtë (SFC)

Në qelizat e karburantit me acid të ngurtë, elektroliti (CsHSO 4) nuk përmban ujë. Prandaj, temperatura e funksionimit është 100-300°C. Rrotullimi i anioneve të oksigjenit SO 4 2- lejon që protonet (e kuqe) të lëvizin siç tregohet në figurë. Në mënyrë tipike, një qelizë karburanti me acid të ngurtë është një sanduiç në të cilin një shtresë shumë e hollë e përbërjes së ngurtë të acidit vendoset midis dy elektrodave që janë të shtypura fort së bashku për të siguruar kontakt të mirë. Kur nxehet, përbërësi organik avullon, duke dalë përmes poreve në elektroda, duke ruajtur aftësinë e kontakteve të shumta midis karburantit (ose oksigjenit në skajin tjetër të elementit), elektrolitit dhe elektrodave.

Module të ndryshme të qelizave të karburantit. Bateria e qelizave të karburantit

1. Bateria e qelizave të karburantit
2. Pajisje të tjera që funksionojnë në temperatura të larta (gjenerator i integruar i avullit, dhoma e djegies, ndërruesi i balancës së nxehtësisë)
3. Izolim rezistent ndaj nxehtësisë

Moduli i qelizave të karburantit

Analizë krahasuese e llojeve dhe llojeve të qelizave të karburantit

Termocentralet inovative të ngrohjes dhe energjetikës komunale me efikasitet energjetik ndërtohen në mënyrë tipike mbi qelizat e karburantit me oksid të ngurtë (SOFC), qelizat e karburantit me elektrolit polimer (PEFC), qelizat e karburantit të acidit fosforik (PAFC), qelizat e karburantit të membranës së shkëmbimit të protonit (PEMFC) dhe qelizat alkaline të karburantit ( ALFC). . Zakonisht kanë karakteristikat e mëposhtme:

Më të përshtatshmet duhet të konsiderohen qelizat e karburantit me oksid të ngurtë (SOFC), të cilat:

• funksionojnë në temperatura më të larta, duke reduktuar nevojën për metale të çmuara të shtrenjta (si platini)
• mund të punojë për lloje të ndryshme lëndë djegëse hidrokarbure, kryesisht gaz natyror
• kanë një kohë më të gjatë fillimi dhe për këtë arsye janë më të përshtatshme për veprim afatgjatë
• demonstrojnë efikasitet të lartë të prodhimit të energjisë (deri në 70%)
• Për shkak të temperaturave të larta të funksionimit, njësitë mund të kombinohen me sistemet e transferimit të nxehtësisë, duke e çuar efikasitetin e përgjithshëm të sistemit në 85%
• kanë pothuajse zero emisione, funksionojnë në heshtje dhe kanë kërkesa të ulëta operimi në krahasim me teknologjitë ekzistuese të prodhimit të energjisë

Lloji i qelizave të karburantit	Temperatura e punës	Efikasiteti i prodhimit të energjisë	Lloji i karburantit	Zona e aplikimit
RKTE	550–700°C	50-70%		Instalime të mesme dhe të mëdha
FCTE	100–220°C	35-40%	Hidrogjen i pastër	Instalime të mëdha
MOPTE	30-100°C	35-50%	Hidrogjen i pastër	Instalime të vogla
SOFC	450–1000°C	45-70%	Shumica e karburanteve hidrokarbure	Instalime të vogla, të mesme dhe të mëdha
PEMFC	20-90°C	20-30%	Metanol	Portativ
SHTE	50–200°C	40-70%	Hidrogjen i pastër	Hulumtimi i hapësirës
PETE	30-100°C	35-50%	Hidrogjen i pastër	Instalime të vogla

Meqenëse termocentralet e vogla mund të lidhen me një rrjet konvencional të furnizimit me gaz, qelizat e karburantit nuk kërkojnë një sistem të veçantë furnizimi me hidrogjen. Kur përdoren termocentrale të vegjël të bazuar në qelizat e karburantit me oksid të ngurtë, nxehtësia e gjeneruar mund të integrohet në shkëmbyesit e nxehtësisë për të ngrohur ujin dhe ajrin e ventilimit, duke rritur efikasitetin e përgjithshëm të sistemit. Kjo teknologji inovative është më e përshtatshme për të gjeneruar me efikasitet energji elektrike pa pasur nevojë për infrastrukturë të shtrenjtë dhe integrim të instrumenteve komplekse.

Aplikimi i qelizave/celulave të karburantit

Aplikimi i qelizave/qelizave të karburantit në sistemet e telekomunikacionit

Për shkak të përhapjes së shpejtë të sistemeve të komunikimit me valë në të gjithë botën, si dhe përfitimeve socio-ekonomike në rritje të teknologjisë së telefonisë celulare, nevoja për rezervë të besueshme dhe me kosto efektive është bërë kritike. Humbjet e rrjetit të energjisë elektrike gjatë gjithë vitit për shkak të kushteve të këqija të motit, fatkeqësive natyrore ose kapacitetit të kufizuar të rrjetit përbëjnë një sfidë të vazhdueshme për operatorët e rrjetit.

Zgjidhjet tradicionale të rezervës së energjisë së telekomit përfshijnë bateritë (celula e baterisë me acid plumbi të rregulluar me valvula) për energji rezervë afatshkurtër dhe gjeneratorë me naftë dhe propan për fuqi rezervë afatgjatë. Bateritë janë një burim relativisht i lirë i energjisë rezervë për 1-2 orë. Megjithatë, bateritë nuk janë të përshtatshme për energji rezervë afatgjatë, sepse ato janë të shtrenjta për t'u mirëmbajtur, bëhen të pabesueshme pas periudhave të gjata përdorimi, janë të ndjeshme ndaj temperaturave dhe janë të rrezikshme për mjedisin pas asgjësimit. Gjeneratorët me naftë dhe propan mund të ofrojnë rezervë afatgjatë të energjisë. Megjithatë, gjeneratorët mund të jenë jo të besueshëm, të kërkojnë mirëmbajtje intensive të punës dhe të lëshojnë nivele të larta të ndotësve dhe gazeve serrë.

Për të kapërcyer kufizimet e zgjidhjeve tradicionale rezervë të energjisë, është zhvilluar teknologji inovative e qelizave të karburantit të gjelbër. Qelizat e karburantit janë të besueshme, të qeta, përmbajnë më pak pjesë lëvizëse se një gjenerator, kanë një gamë më të gjerë të temperaturës së funksionimit se një bateri: nga -40°C në +50°C dhe, si rezultat, ofrojnë nivele jashtëzakonisht të larta të kursimit të energjisë. Për më tepër, kostot e jetës së një instalimi të tillë janë më të ulëta se ato të një gjeneratori. Kostot më të ulëta të qelizave të karburantit vijnë nga vetëm një vizitë mirëmbajtjeje në vit dhe produktiviteti dukshëm më i lartë i impiantit. Në fund të fundit, qeliza e karburantit është një zgjidhje e teknologjisë së gjelbër me ndikim minimal mjedisor.

Instalimet e qelizave të karburantit ofrojnë fuqi rezervë për infrastrukturat kritike të rrjetit të komunikimit për komunikimet pa tel, të përhershme dhe me brez të gjerë në sistemin e telekomunikacionit, duke filluar nga 250 W deri në 15 kW, ato ofrojnë shumë karakteristika inovative të pakrahasueshme:

• BESUESHMËRIA– pak pjesë lëvizëse dhe pa shkarkim në modalitetin e gatishmërisë
• KURSIM ENERGJIE
• HESHTJE- Niveli i ulët i zhurmës
• QËNDRUESHMËRIA– diapazoni i funksionimit nga -40°C deri në +50°C
• PËRSHTATSHMËRIA– instalimi jashtë dhe brenda (enë/enë mbrojtëse)
• FUQI E LARTË- deri në 15 kW
• KËRKESË E ULËT PËR MIRËMBAJTJE– mirëmbajtje minimale vjetore
• EKONOMIKE- kosto totale tërheqëse e pronësisë
• ENERGJIA E GJELBËR– emisione të ulëta me ndikim minimal në mjedis

Sistemi ndjen tensionin e autobusit DC në çdo kohë dhe pranon pa probleme ngarkesat kritike nëse voltazhi i autobusit DC bie nën një pikë të caktuar të përcaktuar nga përdoruesi. Sistemi funksionon me hidrogjen, i cili furnizohet në grupin e qelizave të karburantit në një nga dy mënyrat - ose nga një burim hidrogjeni industrial ose nga një lëndë djegëse e lëngshme metanoli dhe uji, duke përdorur një sistem të integruar reformues.

Energjia elektrike prodhohet nga grumbulli i qelizave të karburantit në formën e rrymës direkte. Fuqia DC transferohet në një konvertues, i cili konverton fuqinë DC të parregulluar që vjen nga grumbulli i qelizave të karburantit në fuqi DC të rregulluar me cilësi të lartë për ngarkesat e kërkuara. Instalimet e qelizave të karburantit mund të ofrojnë energji rezervë për shumë ditë pasi kohëzgjatja është e kufizuar vetëm nga sasia e karburantit të disponueshëm të hidrogjenit ose metanolit/ujës.

Qelizat e karburantit ofrojnë kursime superiore të energjisë, besueshmëri të përmirësuar të sistemit, performancë më të parashikueshme në një gamë të gjerë klimash dhe qëndrueshmëri të besueshme operacionale në krahasim me paketat standarde të baterive me acid plumbi të rregulluara me valvula të industrisë. Kostot e jetës janë gjithashtu më të ulëta për shkak të kërkesave dukshëm më të ulëta për mirëmbajtje dhe zëvendësim. Qelizat e karburantit ofrojnë përfitime mjedisore për përdoruesin përfundimtar pasi kostot e asgjësimit dhe rreziqet e përgjegjësisë që lidhen me qelizat e acidit plumb janë një shqetësim në rritje.

Performanca e baterive elektrike mund të ndikohet negativisht nga një gamë e gjerë faktorësh si niveli i karikimit, temperatura, çiklizmi, jetëgjatësia dhe variabla të tjerë. Energjia e ofruar do të ndryshojë në varësi të këtyre faktorëve dhe nuk është e lehtë të parashikohet. Performanca e një qelize karburanti të membranës së shkëmbimit të protonit (PEMFC) është relativisht e pandikuar nga këta faktorë dhe mund të sigurojë fuqi kritike për sa kohë që karburanti është i disponueshëm. Rritja e parashikueshmërisë është një përfitim i rëndësishëm kur kaloni në qelizat e karburantit për aplikime të energjisë rezervë kritike për misionin.

Qelizat e karburantit gjenerojnë energji vetëm kur furnizohet me karburant, ngjashëm me një gjenerator të turbinës me gaz, por nuk kanë pjesë lëvizëse në zonën e prodhimit. Prandaj, ndryshe nga një gjenerator, ata nuk i nënshtrohen konsumit të shpejtë dhe nuk kërkojnë mirëmbajtje dhe lubrifikimi të vazhdueshëm.

Karburanti i përdorur për të drejtuar konvertuesin e karburantit me kohëzgjatje të zgjatur është një përzierje karburanti metanol dhe ujë. Metanoli është një lëndë djegëse e prodhuar në mënyrë komerciale e disponueshme gjerësisht, e cila aktualisht ka shumë përdorime, duke përfshirë larësin e xhamit, shishe plastike, aditivë motori, bojëra emulsioni. Metanoli transportohet lehtësisht, mund të përzihet me ujë, ka biodegradueshmëri të mirë dhe nuk përmban squfur. Ka një pikë të ulët ngrirjeje (-71°C) dhe nuk dekompozohet gjatë ruajtjes afatgjatë.

Aplikimi i qelizave/celulave të karburantit në rrjetet e komunikimit

Rrjetet e sigurta të komunikimit kërkojnë zgjidhje të besueshme të energjisë rezervë që mund të funksionojnë për orë ose ditë në situata emergjente nëse rrjeti elektrik nuk është më i disponueshëm.

Me pak pjesë lëvizëse dhe pa humbje të energjisë në gatishmëri, teknologjia inovative e qelizave të karburantit ofron një zgjidhje tërheqëse për sistemet aktuale të energjisë rezervë.

Argumenti më bindës për përdorimin e teknologjisë së qelizave të karburantit në rrjetet e komunikimit është rritja e besueshmërisë dhe sigurisë së përgjithshme. Gjatë ngjarjeve të tilla si ndërprerjet e energjisë elektrike, tërmetet, stuhitë dhe uraganet, është e rëndësishme që sistemet të vazhdojnë të funksionojnë dhe të pajisen me energji rezervë të besueshme për një periudhë të gjatë kohore, pavarësisht nga temperatura ose mosha e sistemit të energjisë rezervë.

Linja e pajisjeve të energjisë me bazë qelizat e karburantit është ideale për mbështetjen e rrjeteve të klasifikuara të komunikimit. Falë parimeve të tyre të projektimit të kursimit të energjisë, ato ofrojnë energji rezervë miqësore me mjedisin, të besueshme me kohëzgjatje të zgjatur (deri në disa ditë) për përdorim në diapazonin e fuqisë nga 250 W deri në 15 kW.

Aplikimi i qelizave/qelizave të karburantit në rrjetet e të dhënave

Furnizimi i besueshëm me energji elektrike për rrjetet e të dhënave, të tilla si rrjetet e të dhënave me shpejtësi të lartë dhe shtyllat kurrizore me fibra optike, është me rëndësi kyçe në të gjithë botën. Informacioni i transmetuar përmes rrjeteve të tilla përmban të dhëna kritike për institucione të tilla si bankat, linjat ajrore ose qendrat mjekësore. Ndërprerja e energjisë në rrjete të tilla jo vetëm që paraqet rrezik për informacionin e transmetuar, por gjithashtu, si rregull, çon në humbje të konsiderueshme financiare. Instalimet e besueshme dhe inovative të qelizave të karburantit që ofrojnë furnizim rezervë me energji sigurojnë besueshmërinë e nevojshme për të siguruar furnizim të pandërprerë me energji elektrike.

Njësitë e qelizave të karburantit, të mundësuara nga një përzierje e karburantit të lëngshëm të metanolit dhe ujit, ofrojnë fuqi rezervë të besueshme me kohëzgjatje të zgjatur, deri në disa ditë. Përveç kësaj, këto njësi kanë reduktuar ndjeshëm kërkesat e mirëmbajtjes në krahasim me gjeneratorët dhe bateritë, duke kërkuar vetëm një vizitë mirëmbajtjeje në vit.

Karakteristikat tipike të vendit të aplikimit për përdorimin e instalimeve të qelizave të karburantit në rrjetet e të dhënave:

• Aplikime me sasi të konsumit të energjisë nga 100 W deri në 15 kW
• Aplikacionet me kërkesa për jetëgjatësi të baterisë > 4 orë
• Përsëritësit në sistemet me fibra optike (hierarkia e sistemeve dixhitale sinkrone, interneti me shpejtësi të lartë, zë mbi IP...)
• Nyjet e rrjetit për transmetimin e të dhënave me shpejtësi të lartë
• Nyjet e transmetimit WiMAX

Instalimet rezervë të energjisë së qelizave të karburantit ofrojnë përfitime të shumta për infrastrukturat e rrjetit të të dhënave kritike për misionin në krahasim me gjeneratorët tradicionalë të baterive ose me naftë, duke lejuar rritjen e opsioneve të vendosjes në vend:

1. Teknologjia e karburantit të lëngshëm zgjidh problemin e vendosjes së hidrogjenit dhe siguron fuqi rezervë praktikisht të pakufizuar.
2. Falë funksionimit të tyre të qetë, peshës së ulët, rezistencës ndaj ndryshimeve të temperaturës dhe funksionimit praktikisht pa dridhje, qelizat e karburantit mund të instalohen jashtë ndërtesave, në ndërtesa industriale/kontejnerë ose në çati.
3. Përgatitjet për përdorimin e sistemit në vend janë të shpejta dhe ekonomike dhe kostot e funksionimit janë të ulëta.
4. Karburanti është i biodegradueshëm dhe ofron një zgjidhje miqësore me mjedisin për mjediset urbane.

Aplikimi i qelizave/celulave të karburantit në sistemet e sigurisë

Sistemet e sigurisë dhe komunikimit të ndërtesave të dizajnuara më me kujdes janë po aq të besueshme sa furnizimi me energji elektrike që i mbështet ato. Ndërsa shumica e sistemeve përfshijnë një lloj sistemi rezervë të pandërprerë të energjisë për humbjet afatshkurtra të energjisë, ato nuk akomodojnë ndërprerjet afatgjata të energjisë që mund të ndodhin pas fatkeqësive natyrore ose sulmeve terroriste. Kjo mund të jetë një çështje kritike për shumë korporata dhe agjenci qeveritare.

Sistemet jetike të tilla si sistemet e monitorimit dhe kontrollit të aksesit CCTV (lexuesit e kartave të identitetit, pajisjet e bllokimit të dyerve, teknologjia e identifikimit biometrik, etj.), Sistemet automatike të alarmit të zjarrit dhe fikjes së zjarrit, sistemet e kontrollit të ashensorit dhe rrjetet e telekomunikacionit, janë në rrezik në mungesë të një furnizim alternativ i besueshëm dhe afatgjatë.

Gjeneratorët me naftë bëjnë shumë zhurmë, janë të vështirë për t'u gjetur dhe kanë probleme të njohura të besueshmërisë dhe mirëmbajtjes. Në të kundërt, një instalim i qelizave të karburantit që ofron energji rezervë është i qetë, i besueshëm, prodhon emetime zero ose shumë të ulëta dhe mund të instalohet lehtësisht në një çati ose jashtë një ndërtese. Nuk shkarkohet ose humbet fuqinë në modalitetin e gatishmërisë. Ai siguron funksionimin e vazhdueshëm të sistemeve kritike, edhe pasi objekti pushon së funksionuari dhe ndërtesa është liruar.

Instalimet inovative të qelizave të karburantit mbrojnë investimet e shtrenjta në aplikacione kritike. Ato ofrojnë energji rezervë miqësore me mjedisin, të besueshme me kohëzgjatje të zgjatur (deri në shumë ditë) për përdorim në diapazonin e fuqisë nga 250 W në 15 kW, e kombinuar me karakteristika të shumta të pakrahasueshme dhe, veçanërisht, nivele të larta të kursimit të energjisë.

Instalimet rezervë të energjisë së qelizave të karburantit ofrojnë përparësi të shumta për përdorim në aplikacione kritike për misionin, si siguria dhe sistemet e kontrollit të ndërtesave, mbi aplikacionet tradicionale me bateri ose gjeneratorë me naftë. Teknologjia e karburantit të lëngshëm zgjidh problemin e vendosjes së hidrogjenit dhe siguron fuqi rezervë praktikisht të pakufizuar.

Aplikimi i qelizave/qelizave të karburantit në ngrohjen komunale dhe prodhimin e energjisë elektrike

Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë (SOFCs) sigurojnë termocentrale të besueshme, me efikasitet energjetik dhe pa emisione për të gjeneruar energji elektrike dhe nxehtësi nga gazi natyror dhe burimet e rinovueshme të karburantit të disponueshëm gjerësisht. Këto instalime inovative përdoren në një sërë tregjesh, nga prodhimi i energjisë elektrike në shtëpi deri te furnizimi me energji elektrike në distancë, si dhe furnizimet me energji elektrike ndihmëse.

Aplikimi i qelizave/qelizave të karburantit në rrjetet e shpërndarjes

Termocentralet e vogla janë projektuar për të operuar në një rrjet të shpërndarë të prodhimit të energjisë që përbëhet nga një numër i madh grupesh të vogla gjeneratorësh në vend të një termocentrali të centralizuar.

Figura më poshtë tregon humbjen e efikasitetit të prodhimit të energjisë elektrike kur ajo prodhohet në një termocentral dhe transmetohet në shtëpi nëpërmjet rrjeteve tradicionale të transmetimit të energjisë aktualisht në përdorim. Humbjet e efikasitetit në prodhimin e centralizuar përfshijnë humbjet nga termocentrali, transmetimin e tensionit të ulët dhe të lartë dhe humbjet në shpërndarje.

Figura tregon rezultatet e integrimit të termocentraleve të vegjël: energjia elektrike prodhohet me efikasitet gjenerimi deri në 60% në pikën e përdorimit. Përveç kësaj, një familje mund të përdorë nxehtësinë e gjeneruar nga qelizat e karburantit për të ngrohur ujin dhe hapësirën, gjë që rrit efikasitetin e përgjithshëm të përpunimit të energjisë së karburantit dhe rrit kursimin e energjisë.

Përdorimi i qelizave të karburantit për të mbrojtur mjedisin - shfrytëzimi i gazit shoqërues të naftës

Një nga detyrat më të rëndësishme në industrinë e naftës është përdorimi i gazit shoqërues të naftës. Metodat ekzistuese të përdorimit të gazit shoqërues të naftës kanë shumë disavantazhe, kryesorja është se ato nuk janë ekonomikisht të qëndrueshme. Gazi i lidhur me naftë digjet, i cili shkakton dëme të mëdha në mjedis dhe shëndetin e njeriut.

Termocentralet inovative që përdorin qelizat e karburantit duke përdorur gazin shoqërues të naftës si lëndë djegëse hapin rrugën drejt një zgjidhjeje radikale dhe me kosto efektive për problemet e përdorimit të gazit të naftës shoqëruese.

1. Një nga avantazhet kryesore të instalimeve të qelizave të karburantit është se ato mund të funksionojnë në mënyrë të besueshme dhe të qëndrueshme në gazin shoqërues të naftës me përbërje të ndryshueshme. Për shkak të reaksionit kimik pa flakë që qëndron në themel të funksionimit të qelizës së karburantit, një rënie në përqindjen e, për shembull, metanit shkakton vetëm një ulje përkatëse të prodhimit të energjisë.
2. Fleksibilitet në lidhje me ngarkesën elektrike të konsumatorëve, rënie, rritje e ngarkesës.
3. Për instalimin dhe lidhjen e termocentraleve në qelizat e karburantit, zbatimi i tyre nuk kërkon kosto kapitale, sepse Njësitë mund të instalohen lehtësisht në vende të papërgatitura pranë fushave, janë të lehta për t'u përdorur, të besueshme dhe efikase.
4. Automatizimi i lartë dhe telekomanda moderne nuk kërkojnë prani të përhershme të personelit në instalim.
5. Thjeshtësia dhe përsosja teknike e dizajnit: mungesa e pjesëve lëvizëse, fërkimit dhe sistemeve të lubrifikimit ofron përfitime të konsiderueshme ekonomike nga funksionimi i instalimeve të qelizave të karburantit.
6. Konsumi i ujit: asnjë në temperaturat e ambientit deri në +30 °C dhe i papërfillshëm në temperatura më të larta.
7. Dalja e ujit: asnjë.
8. Për më tepër, termocentralet që përdorin qelizat e karburantit nuk bëjnë zhurmë, nuk dridhen, nuk prodhojnë emetime të dëmshme në atmosferë