Pajisjet elektronike celulare po bëhen më të aksesueshme dhe më të përhapura çdo vit, nëse jo muaj. Këtu do të gjeni laptopë, PDA, kamera dixhitale, telefona celularë dhe një mori pajisjesh të tjera të dobishme dhe jo aq të dobishme. Dhe të gjitha këto pajisje po marrin vazhdimisht veçori të reja, procesorë më të fuqishëm, ekrane më të mëdhenj me ngjyra, komunikime pa tel, ndërsa në të njëjtën kohë zvogëlohen në madhësi. Por, ndryshe nga teknologjitë gjysmëpërçuese, teknologjitë e energjisë për të gjithë këtë menagjeri celulare nuk po përparojnë me hapa të mëdhenj.

Bateritë konvencionale dhe bateritë e rikarikueshme po bëhen qartësisht të pamjaftueshme për të fuqizuar përparimet më të fundit në industrinë elektronike për çdo periudhë të rëndësishme kohore. Dhe pa bateri të besueshme dhe me kapacitet, e gjithë pika e lëvizshmërisë dhe pa tel është e humbur. Pra, industria e kompjuterave po punon gjithnjë e më aktivisht për këtë problem burimet alternative të energjisë. Dhe drejtimi më premtues këtu sot është qelizat e karburantit.

Parimi bazë i funksionimit të qelizave të karburantit u zbulua nga shkencëtari britanik Sir William Grove në 1839. Ai njihet si babai i “qelizës së karburantit”. William Grove gjeneroi energji elektrike duke ndryshuar për të nxjerrë hidrogjen dhe oksigjen. Pasi shkëputi baterinë nga qeliza elektrolitike, Grove u befasua kur zbuloi se elektrodat filluan të thithin gazin e lëshuar dhe të gjenerojnë rrymë. Hapja e një procesi djegia elektrokimike "e ftohtë" e hidrogjenit u bë një ngjarje e rëndësishme në industrinë e energjisë, dhe më pas elektrokimistë të tillë të famshëm si Ostwald dhe Nernst luajtën një rol të madh në zhvillimin e themeleve teorike dhe zbatimin praktik të qelizave të karburantit dhe parashikuan një të ardhme të madhe për ta.

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

Gjatë djegies normale në oksigjen, ndodh oksidimi i karburantit organik dhe energjia kimike e karburantit shndërrohet në mënyrë joefikase në energji termike. Por doli të ishte e mundur të kryhej reaksioni i oksidimit, për shembull, i hidrogjenit me oksigjen, në një mjedis elektrolitik dhe, në prani të elektrodave, për të marrë një rrymë elektrike. Për shembull, duke furnizuar hidrogjen në një elektrodë të vendosur në një mjedis alkalik, marrim elektrone:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

të cilat, duke kaluar nëpër qarkun e jashtëm, arrijnë në elektrodën e kundërt, në të cilën rrjedh oksigjeni dhe ku zhvillohet reaksioni: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Mund të shihet se reagimi që rezulton 2H2 + O2 → H2O është i njëjtë si gjatë djegies konvencionale, por në një qelizë karburanti, ose ndryshe - në gjenerator elektrokimik, rezultati është rrymë elektrike me efikasitet të madh dhe pjesërisht nxehtësi. 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.

Zhvillimi i qelizave të karburantit vazhdoi fuqishëm si jashtë ashtu edhe në Rusi, dhe më pas në BRSS. Ndër shkencëtarët që dhanë një kontribut të madh në studimin e qelizave të karburantit, vëmë re V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordesh. Në mesin e shekullit të kaluar, filloi një sulm i ri mbi problemet e qelizave të karburantit. Kjo është pjesërisht për shkak të shfaqjes së ideve, materialeve dhe teknologjive të reja si rezultat i kërkimit të mbrojtjes.

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

Ishte qeliza e parë e karburantit me elektrolit të ngurtë. Kishte efikasitet të lartë, por me kalimin e kohës elektroliti u bë i papërdorshëm dhe duhej ndryshuar. Më pas, Davtyan, në fund të viteve pesëdhjetë, krijoi një instalim të fuqishëm që drejton traktorin. Në të njëjtat vite, inxhinieri anglez T. Bacon projektoi dhe ndërtoi një bateri të qelizave të karburantit me një fuqi totale prej 6 kW dhe një efikasitet prej 80%, duke punuar me hidrogjen dhe oksigjen të pastër, por raporti fuqi-peshë i bateria doli të ishte shumë e vogël - elementë të tillë ishin të papërshtatshëm për përdorim praktik dhe shumë të shtrenjtë.

Në vitet në vijim, koha për të vetmuarit kaloi. Krijuesit e anijeve kozmike u interesuan për qelizat e karburantit. Që nga mesi i viteve '60, miliona dollarë janë investuar në kërkimin e qelizave të karburantit. Puna e mijëra shkencëtarëve dhe inxhinierëve 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 nën programin Shuttle.

Në BRSS, qelizat e karburantit u zhvilluan në NPO Kvant, gjithashtu për përdorim në hapësirë. Në ato vite, materialet e reja ishin shfaqur tashmë - elektrolite polimer të ngurtë të bazuar në membranat e shkëmbimit të joneve, lloje te reja katalizatoresh, elektroda. Megjithatë, densiteti i rrymës së funksionimit ishte i vogël - në intervalin 100-200 mA / cm2, dhe përmbajtja e platinit në elektroda ishte disa g / cm2. Kishte shumë probleme në lidhje me qëndrueshmërinë, stabilitetin dhe sigurinë.

Faza tjetër e zhvillimit të shpejtë të qelizave të karburantit filloi në vitet '90. shekullit të kaluar dhe vazhdon edhe sot e kësaj dite. Shkaktohet nga nevoja për burime të reja efikase të energjisë në lidhje, nga njëra anë, me problemin global mjedisor të rritjes së emetimeve të gazeve serrë nga djegia e lëndëve djegëse fosile dhe, nga ana tjetër, me shterimin e rezervave të këtij karburanti. . Meqenëse në një qelizë karburanti produkti përfundimtar i djegies së hidrogjenit është uji, ato konsiderohen më të pastra për sa i përket ndikimit mjedisor. Problemi kryesor është vetëm gjetja e një mënyre efektive dhe të lirë për të prodhuar hidrogjen.

Miliarda dollarë investime financiare në zhvillimin e qelizave të karburantit dhe gjeneratorëve të hidrogjenit duhet të çojnë në një përparim teknologjik dhe ta bëjnë realitet përdorimin e tyre në jetën e përditshme: në qeliza për telefonat celularë, në makina, në termocentrale. Tashmë, gjigantë të tillë automobilistikë si Ballard, Honda, Daimler Chrysler dhe General Motors po demonstrojnë makina dhe autobusë të mundësuar nga qelizat e karburantit me fuqi 50 kW. Janë zhvilluar një sërë kompanish termocentrale demonstruese që përdorin qeliza karburanti me elektrolit të ngurtë oksidi me fuqi deri në 500 kW. Por, pavarësisht nga një përparim i rëndësishëm në përmirësimin e karakteristikave të qelizave të karburantit, shumë probleme që lidhen me koston, besueshmërinë dhe sigurinë e tyre ende duhet të zgjidhen.

Në një qelizë karburanti, ndryshe nga bateritë dhe akumulatorët, karburanti dhe oksiduesi furnizohen me të nga jashtë. Qeliza e karburantit thjesht ndërmjetëson reagimin dhe, në kushte ideale, mund të funksionojë praktikisht përgjithmonë. E bukura e kësaj teknologjie është se qeliza djeg karburantin dhe drejtpërdrejt e shndërron energjinë e lëshuar në energji elektrike. Kur karburanti digjet drejtpërdrejt, ai oksidohet nga oksigjeni dhe nxehtësia e lëshuar përdoret për të kryer punë të dobishme.

Në një qelizë karburanti, si në bateri, reagimet e oksidimit të karburantit dhe reduktimit të oksigjenit janë të ndara në hapësirë, dhe procesi i "djegisë" ndodh vetëm nëse qeliza furnizon me rrymë ngarkesën. Është njësoj si gjenerator elektrik me nafte, vetem pa nafte dhe gjenerator. Dhe gjithashtu pa tym, zhurmë, mbinxehje dhe me efikasitet shumë më të lartë. Kjo e fundit shpjegohet me faktin se, së pari, nuk ka pajisje mekanike të ndërmjetme dhe, së dyti, qeliza e karburantit nuk është një motor nxehtësie dhe, si rezultat, nuk i bindet ligjit të Carnot (d.m.th., efikasiteti i tij nuk përcaktohet nga ndryshimi i temperaturës).

Oksigjeni përdoret si një agjent oksidues në qelizat e karburantit. Për më tepër, meqenëse ka oksigjen të mjaftueshëm në ajër, nuk ka nevojë të shqetësoheni për furnizimin e një agjenti oksidues. Sa i përket karburantit, ai është hidrogjen. Pra, reagimi zhvillohet në qelizën e karburantit:

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

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

Për të krijuar fuqi të lartë, një qelizë karburanti është mbledhur nga shumë qeliza. Nëse lidhni një element me një ngarkesë, elektronet do të rrjedhin përmes tij në katodë, duke krijuar një rrymë dhe duke përfunduar procesin e oksidimit të hidrogjenit me oksigjen. Mikrogrimcat e platinit të depozituara në fibër karboni zakonisht përdoren si katalizator në qelizat e tilla të karburantit. Për shkak të strukturës së tij, një katalizator i tillë lejon që gazi dhe energjia elektrike të kalojnë mirë. Membrana zakonisht bëhet nga polimeri Nafion që përmban squfur. Trashësia e membranës është të dhjetat e milimetrit. Gjatë reaksionit, natyrisht, lirohet edhe nxehtësia, por jo aq shumë, kështu që temperatura e funksionimit mbahet në rajonin 40-80°C.

Fig.1. Parimi i funksionimit të një qelize karburanti

Ekzistojnë lloje të tjera të qelizave të karburantit, kryesisht të ndryshme në llojin e elektrolitit të përdorur. Pothuajse të gjithë kërkojnë hidrogjen si lëndë djegëse, kështu që lind pyetja logjike: ku ta merrni atë. Sigurisht, do të ishte e mundur të përdoret hidrogjeni i ngjeshur nga cilindrat, por menjëherë lindin probleme që lidhen me transportin dhe ruajtjen e këtij gazi shumë të ndezshëm nën presion të lartë. Natyrisht, hidrogjeni mund të përdoret në formë të lidhur, si në bateritë hidride metalike. Por detyra e nxjerrjes dhe transportimit të tij mbetet ende, sepse infrastruktura për furnizim me hidrogjen nuk ekziston.

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 të veçantë shtesë - një konvertues karburanti, i cili në temperatura të larta (për metanolin do të jetë rreth 240 ° C) i shndërron alkoolet në një përzierje të H2 dhe CO2 të gaztë. Por në këtë rast, tashmë është më e vështirë të mendosh për transportueshmëri - pajisje të tilla janë të mira për t'u përdorur si të palëvizshme ose, por për pajisje kompakte celulare ju duhet diçka më pak e rëndë.

Dhe këtu kemi ardhur pikërisht te pajisja që pothuajse të gjithë prodhuesit më të mëdhenj të elektronikës po zhvillojnë me forcë të tmerrshme - qeliza e karburantit metanol(Figura 2).

Fig.2. Parimi i funksionimit të një qelize karburanti metanol

Dallimi thelbësor midis qelizave të karburantit të hidrogjenit dhe metanolit është katalizatori i përdorur. Katalizatori në një qelizë të karburantit metanol lejon që protonet të hiqen drejtpërdrejt nga molekula e alkoolit. Kështu, çështja me karburantin zgjidhet - alkooli metil prodhohet në masë për industrinë kimike, është i lehtë për t'u ruajtur dhe transportuar, dhe për të ngarkuar një qelizë të karburantit metanol mjafton thjesht të zëvendësoni fishekun e karburantit. Vërtetë, ekziston një disavantazh i rëndësishëm - metanoli është toksik. Për më tepër, efikasiteti i një qelize karburanti metanol është dukshëm më i ulët se ai i një hidrogjeni.

Oriz. 3. Qelizë e karburantit metanol

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

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

1. Elektrolit hidrogjen-oksigjen polimer i ngurtë.

2. Qelizat e karburantit me metanol polimer të ngurtë.

3. Qelizat e elektroliteve alkaline.

4. Qelizat e karburantit të acidit fosforik.

5. Elementet e karburantit me bazë karbonate të shkrirë.

6. Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë.

Në mënyrë ideale, efikasiteti i qelizave të karburantit është shumë i lartë, por në kushte reale ka humbje të shoqëruara me procese joekuilibri, si: humbjet omike për shkak të përçueshmërisë specifike të elektrolitit dhe elektrodave, polarizimi i aktivizimit dhe përqendrimit dhe humbjet e difuzionit. Si rezultat, një pjesë e energjisë së gjeneruar në qelizat e karburantit shndërrohet në nxehtësi. Përpjekjet e specialistëve synojnë të reduktojnë këto humbje.

Burimi kryesor i humbjeve omike, si dhe arsyeja e çmimit të lartë të qelizave të karburantit, janë membranat e shkëmbimit të kationeve sulfonike të perfluorizuara. Kërkimi tani është duke u zhvilluar për polimere alternative, më të lira që përcjellin proton. Meqenëse përçueshmëria e këtyre membranave (elektrolitëve të ngurtë) arrin një vlerë të pranueshme (10 Ohm/cm) vetëm në prani të ujit, gazrat e furnizuar në qelizën e karburantit duhet të lagështohen shtesë në një pajisje të veçantë, gjë që gjithashtu rrit koston e sistemi. Elektrodat e difuzionit të gazit katalitik përdorin kryesisht platinin dhe disa metale të tjera fisnike dhe deri më tani nuk është gjetur asnjë zëvendësim për to. Megjithëse përmbajtja e platinit në qelizat e karburantit është disa mg/cm2, për bateritë e mëdha sasia e tij arrin dhjetëra gram.

Gjatë projektimit të qelizave të karburantit, shumë vëmendje i kushtohet sistemit të heqjes së nxehtësisë, pasi në densitet të lartë të rrymës (deri në 1A/cm2) sistemi vetë-nxehet. Për ftohje, uji përdoret duke qarkulluar në qelizën e karburantit përmes kanaleve speciale, dhe me fuqi të ulët - fryrje ajri.

Pra, një sistem modern i gjeneratorit elektrokimik, përveç vetë baterisë së qelizave të karburantit, është i "mbushur" me shumë pajisje ndihmëse, siç janë: pompat, një kompresor për furnizimin me ajër, për injektimin e hidrogjenit, një lagështues gazi, një njësi ftohëse, një gaz. Sistemi i monitorimit të rrjedhjeve, një konvertues DC-AC, një procesor kontrolli etj. E gjithë kjo çon në faktin se kostoja e një sistemi të qelizave të karburantit në 2004-2005 ishte 2-3 mijë $/kW. Sipas ekspertëve, qelizat e karburantit do të bëhen të disponueshme për përdorim në transport dhe termocentrale stacionare me një çmim prej 50-100 dollarë/kW.

Për të futur qelizat e karburantit në jetën e përditshme, së bashku me komponentët më të lirë, duhet të presim ide dhe qasje të reja origjinale. Në veçanti, shpresat e mëdha janë mbështetur në përdorimin e nanomaterialeve dhe nanoteknologjive. Për shembull, disa kompani kanë njoftuar kohët e fundit krijimin e katalizatorëve ultra-efikas, veçanërisht për elektrodat e oksigjenit, bazuar në grupimet e nanogrimcave nga metale të ndryshme. Përveç kësaj, ka pasur raporte për modele të qelizave të karburantit pa membranë në të cilat karburanti i lëngshëm (siç është metanoli) futet në qelizën e karburantit së bashku me një oksidues. Gjithashtu interesant është koncepti i zhvillimit të qelizave të biokarburanteve që veprojnë në ujërat e ndotura dhe konsumojnë oksigjenin e tretur të ajrit si oksidues dhe papastërtitë organike si lëndë djegëse.

Sipas ekspertëve, qelizat e karburantit do të hyjnë në tregun masiv në vitet e ardhshme. Në të vërtetë, njëra pas tjetrës, zhvilluesit kapërcejnë problemet teknike, raportojnë suksese dhe paraqesin prototipe të qelizave të karburantit. Për shembull, Toshiba demonstroi një prototip të përfunduar të një qelize karburanti metanol. Ka një madhësi prej 22x56x4.5mm dhe prodhon një fuqi prej rreth 100mW. Një mbushje prej 2 kubesh metanol të koncentruar (99,5%) mjafton për 20 orë funksionim të MP3 player-it. Toshiba ka lëshuar një qelizë karburanti komercial për të fuqizuar telefonat celularë. 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.

Një tjetër kompani japoneze, Fujitsu, nuk është shumë prapa Toshiba. Në vitin 2004, ajo prezantoi gjithashtu një element që vepron në një tretësirë ​​ujore 30% të metanolit. Kjo qelizë karburanti funksionoi me një karikim 300 ml për 10 orë dhe prodhoi një fuqi prej 15 W.

Casio po zhvillon një qelizë karburanti në të cilën metanoli fillimisht shndërrohet në një përzierje gazesh H2 dhe CO2 në një konvertues miniaturë të karburantit, dhe më pas futet në qelizën e karburantit. Gjatë demonstrimit, prototipi Casio mundësoi një laptop për 20 orë.

Samsung gjithashtu la shenjën e saj në fushën e qelizave të karburantit - në vitin 2004, ajo demonstroi prototipin e saj 12 W të krijuar për të fuqizuar një laptop. Në përgjithësi, Samsung planifikon të përdorë qelizat e karburantit kryesisht në telefonat inteligjentë të gjeneratës së katërt.

Duhet thënë se kompanitë japoneze në përgjithësi morën një qasje shumë të plotë për zhvillimin e qelizave të karburantit. Në vitin 2003, kompani të tilla si Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony dhe Toshiba bashkuan forcat për të zhvilluar një standard të vetëm të qelizave të karburantit për laptopë, telefona celularë, PDA dhe pajisje të tjera elektronike. Kompanitë amerikane, nga të cilat ka edhe shumë në këtë treg, kryesisht punojnë me kontrata me ushtrinë dhe zhvillojnë qelizat e karburantit për elektrifikimin e ushtarëve amerikanë.

Gjermanët nuk janë shumë prapa - kompania Smart Fuel Cell shet qelizat e karburantit për të fuqizuar një zyrë të lëvizshme. Pajisja quhet Smart Fuel Cell C25, ka përmasa 150x112x65mm dhe mund të japë deri në 140 vat-orë për mbushje. Kjo është e mjaftueshme për të fuqizuar laptopin për rreth 7 orë. Pastaj fisheku mund të zëvendësohet dhe ju mund të vazhdoni të punoni. Madhësia e fishekut të metanolit është 99x63x27 mm dhe peshon 150 g. Vetë sistemi peshon 1.1 kg, kështu që nuk mund të quhet plotësisht i lëvizshëm, por është ende një pajisje plotësisht e plotë dhe e përshtatshme. Kompania po zhvillon gjithashtu një modul karburanti për të fuqizuar videokamerat profesionale.

Në përgjithësi, qelizat e karburantit pothuajse kanë hyrë në tregun e elektronikës celulare. Prodhuesit ende duhet të zgjidhin problemet e fundit teknike përpara se të fillojnë prodhimin masiv.

Së pari, është e nevojshme të zgjidhet çështja e miniaturizimit të qelizave të karburantit. Në fund të fundit, sa më e vogël të jetë qeliza e karburantit, aq më pak energji mund të prodhojë - kështu që vazhdimisht zhvillohen katalizatorë dhe elektroda të reja që bëjnë të mundur maksimizimin e sipërfaqes së punës me madhësi të vogla. Këtu janë shumë të dobishme zhvillimet më të fundit në fushën e nanoteknologjisë dhe nanomaterialeve (për shembull, nanotubat). Përsëri, për të miniaturizuar tubacionet e elementeve (pompat e karburantit dhe ujit, sistemet e ftohjes dhe konvertimit të karburantit), arritjet e mikroelektromekanikës po përdoren gjithnjë e më shumë.

Problemi i dytë i rëndësishëm që duhet trajtuar është çmimi. Në fund të fundit, platini shumë i shtrenjtë përdoret si katalizator në shumicën e qelizave të karburantit. Përsëri, disa nga prodhuesit po përpiqen të përfitojnë sa më shumë nga teknologjitë e silikonit tashmë të mirëpërcaktuara.

Sa i përket fushave të tjera të përdorimit të qelizave të karburantit, qelizat e karburantit tashmë janë vendosur mjaft fort atje, megjithëse ato nuk janë bërë ende kryesore as në sektorin e energjisë dhe as në transport. Tashmë, shumë prodhues të makinave kanë prezantuar makinat e tyre konceptuale të fuqizuara nga qelizat e karburantit. Autobusët me qeliza karburanti qarkullojnë në disa qytete në mbarë botën. Canadian Ballard Power Systems prodhon një sërë gjeneratorësh të palëvizshëm me një kapacitet nga 1 deri në 250 kW. Në të njëjtën kohë, gjeneratorët kilovat janë krijuar për të furnizuar menjëherë një apartament me energji elektrike, ngrohje dhe ujë të nxehtë.

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 shkëmbimi proton);
• 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 karburanti me oksid të ngurtë).

Një qelizë e karburantit është një pajisje që prodhon në mënyrë efikase nxehtësi dhe rrymë direkte përmes një reaksioni elektrokimik dhe përdor një lëndë djegëse të pasur me hidrogjen. Parimi i tij i funksionimit është i ngjashëm me atë të një baterie. Strukturisht, qeliza e karburantit përfaqësohet nga një elektrolit. Çfarë ka kaq të veçantë për të? Ndryshe nga bateritë, qelizat e karburantit të hidrogjenit nuk ruajnë energji elektrike, nuk kërkojnë energji elektrike për t'u rimbushur dhe nuk shkarkohen. Qelizat vazhdojnë të prodhojnë energji elektrike për aq kohë sa kanë furnizim me ajër dhe lëndë djegëse.

Veçoritë

Dallimi midis qelizave të karburantit dhe gjeneratorëve të tjerë të energjisë elektrike është se ato nuk djegin karburant gjatë funksionimit. Për shkak të kësaj veçorie, ata nuk kërkojnë rotorë me presion të lartë dhe nuk lëshojnë zhurmë të lartë ose dridhje. Energjia elektrike në qelizat e karburantit gjenerohet përmes një reaksioni elektrokimik të heshtur. Energjia kimike e karburantit në pajisje të tilla konvertohet drejtpërdrejt në ujë, nxehtësi dhe energji elektrike.

Qelizat e karburantit janë shumë efikase dhe nuk prodhojnë sasi të mëdha të gazeve serrë. Produkti i emetimit gjatë funksionimit të qelizës është një sasi e vogël uji në formën e avullit dhe dioksidit të karbonit, i cili nuk çlirohet nëse përdoret hidrogjeni i pastër si lëndë djegëse.

Historia e paraqitjes

Në vitet 1950 dhe 1960, nevoja e shfaqur e NASA-s për burime energjie për misionet hapësinore afatgjata provokoi një nga sfidat më kritike për qelizat e karburantit që ekzistonte në atë kohë. Qelizat alkaline përdorin oksigjen dhe hidrogjen si lëndë djegëse, të cilat shndërrohen përmes një reaksioni elektrokimik në nënprodukte të dobishme gjatë fluturimit në hapësirë ​​- energji elektrike, ujë dhe nxehtësi.

Qelizat e karburantit u zbuluan për herë të parë në fillim të shekullit të 19-të - në 1838. Në të njëjtën kohë, u shfaqën informacionet e para për efektivitetin e tyre.

Puna në qelizat e karburantit duke përdorur elektrolite alkaline filloi në fund të viteve 1930. Qelizat me elektroda të nikeluara nën presion të lartë nuk u shpikën deri në vitin 1939. Gjatë Luftës së Dytë Botërore, qelizat e karburantit të përbëra nga qeliza alkaline me një diametër prej rreth 25 centimetra u zhvilluan për nëndetëset britanike.

Interesi për to u rrit në vitet 1950-80, të karakterizuar nga mungesa e karburantit të naftës. Vendet në mbarë botën kanë filluar të trajtojnë çështjet e ndotjes së ajrit dhe mjedisit në një përpjekje për të zhvilluar teknologjinë e prodhimit të qelizave të karburantit miqësore me mjedisin, aktualisht po kalon një zhvillim aktiv.

Parimi i funksionimit

Nxehtësia dhe energjia elektrike gjenerohen nga qelizat e karburantit si rezultat i një reaksioni elektrokimik që përfshin një katodë, anodë dhe një elektrolit.

Katoda dhe anoda ndahen nga një elektrolit që përcjell proton. Pasi oksigjeni hyn në katodë dhe hidrogjeni hyn në anodë, fillon një reaksion kimik, duke rezultuar në nxehtësi, rrymë dhe ujë.

Disociohet në katalizatorin e anodës, gjë që çon në humbjen e elektroneve. Jonet e hidrogjenit hyjnë në katodë përmes elektrolitit, ndërsa elektronet kalojnë përmes një rrjeti elektrik të jashtëm dhe krijojnë një rrymë të drejtpërdrejtë, e cila përdoret për të fuqizuar pajisjet. Një molekulë oksigjeni në katalizatorin katodë kombinohet me një elektron dhe një proton hyrës, duke formuar përfundimisht ujë, i cili është produkti i vetëm i reaksionit.

Llojet

Zgjedhja e një lloji specifik të qelizave të karburantit varet nga aplikimi i tij. Të gjitha qelizat e karburantit ndahen në dy kategori kryesore - temperaturë të lartë dhe temperaturë të ulët. Këto të fundit përdorin hidrogjen të pastër si lëndë djegëse. Pajisjet e tilla zakonisht kërkojnë përpunimin e karburantit primar në hidrogjen të pastër. Procesi kryhet duke përdorur pajisje speciale.

Qelizat e karburantit me temperaturë të lartë nuk kanë nevojë për këtë sepse ato konvertojnë karburantin në temperatura të larta, duke eliminuar nevojën për infrastrukturën e hidrogjenit.

Parimi i funksionimit të qelizave të karburantit të hidrogjenit bazohet në shndërrimin e energjisë kimike në energji elektrike pa procese joefektive të djegies dhe shndërrimin e energjisë termike në energji mekanike.

Koncepte të përgjithshme

Qelizat e karburantit të hidrogjenit janë pajisje elektrokimike që prodhojnë energji elektrike përmes djegies shumë efikase "të ftohtë" të karburantit. Ekzistojnë disa lloje të pajisjeve të tilla. Teknologjia më premtuese konsiderohet të jetë qelizat e karburantit hidrogjen-ajër të pajisura me një membranë shkëmbimi protonike PEMFC.

Membrana polimer përçuese e protonit është projektuar për të ndarë dy elektroda - katodën dhe anodën. Secila prej tyre përfaqësohet nga një matricë karboni me një katalizator të depozituar mbi të. shkëputet në katalizatorin e anodës, duke dhuruar elektrone. Kationet përçohen në katodë përmes membranës, por elektronet transferohen në qarkun e jashtëm sepse membrana nuk është projektuar për të transferuar elektrone.

Një molekulë oksigjeni në katalizatorin e katodës kombinohet me një elektron nga qarku elektrik dhe një proton hyrës, duke formuar përfundimisht ujë, i cili është produkti i vetëm i reaksionit.

Qelizat e karburantit të hidrogjenit përdoren për prodhimin e njësive membranore-elektrodike, të cilat veprojnë si elementët kryesorë gjenerues të sistemit të energjisë.

Përparësitë e qelizave të karburantit me hidrogjen

Ndër to janë:

• Rritja e kapacitetit specifik të nxehtësisë.
• Gama e gjerë e temperaturës së funksionimit.
• Nuk ka dridhje, zhurmë ose njollë nxehtësie.
• Besueshmëria e fillimit të ftohtë.
• Pa vetëshkarkim, gjë që siguron ruajtje afatgjatë të energjisë.
• Autonomi e pakufizuar falë aftësisë për të rregulluar intensitetin e energjisë duke ndryshuar numrin e fishekëve të karburantit.
• Sigurimi praktikisht i çdo intensiteti të energjisë duke ndryshuar kapacitetin e ruajtjes së hidrogjenit.
• Jetë e gjatë shërbimi.
• Funksionim i qetë dhe miqësor ndaj mjedisit.
• Niveli i lartë i intensitetit të energjisë.
• Toleranca ndaj papastërtive të huaja në hidrogjen.

Zona e aplikimit

Për shkak të efikasitetit të tyre të lartë, qelizat e karburantit të hidrogjenit përdoren në fusha të ndryshme:

• Ngarkues portativ.
• Sistemet e furnizimit me energji elektrike për UAV-të.
• Furnizimet me energji të pandërprerë.
• Pajisje dhe pajisje të tjera.

Perspektivat për energjinë e hidrogjenit

Përdorimi i gjerë i qelizave të karburantit të peroksidit të hidrogjenit do të jetë i mundur vetëm pas krijimit të një metode efektive për prodhimin e hidrogjenit. Kërkohen ide të reja për të sjellë teknologjinë në përdorim aktiv, me shpresa të mëdha të vendosura në konceptin e qelizave të biokarburanteve dhe nanoteknologjisë. Disa kompani kanë lëshuar relativisht kohët e fundit katalizatorë efektivë të bazuar në metale të ndryshme, në të njëjtën kohë janë shfaqur informacione për krijimin e qelizave të karburantit pa membrana, gjë që ka bërë të mundur uljen e ndjeshme të kostos së prodhimit dhe thjeshtimin e dizajnit të pajisjeve të tilla. Përparësitë dhe karakteristikat e qelizave të karburantit të hidrogjenit nuk peshojnë më shumë se disavantazhi i tyre kryesor - kostoja e lartë, veçanërisht në krahasim me pajisjet hidrokarbure. Krijimi i një termocentrali hidrogjenor kërkon minimumi 500 mijë dollarë.

Si të montoni një qelizë karburanti me hidrogjen?

Ju mund të krijoni vetë një qelizë karburanti me fuqi të ulët në një laborator të zakonshëm shtëpie ose shkolle. Materialet e përdorura janë një maskë e vjetër gazi, copa pleksiglas, një zgjidhje ujore e alkoolit etilik dhe alkalit.

Trupi i një qelize karburanti hidrogjeni është krijuar me duart tuaja nga pleksiglas me një trashësi prej të paktën pesë milimetra. Ndarjet midis ndarjeve mund të jenë më të holla - rreth 3 milimetra. Plexiglas është ngjitur së bashku me një ngjitës të veçantë të bërë nga kloroform ose dikloroetani dhe ashkël pleksiglas. E gjithë puna kryhet vetëm me kapuçin në punë.

Një vrimë me një diametër 5-6 centimetra është shpuar në murin e jashtëm të strehës, në të cilën futet një tapë gome dhe një tub qelqi kullimi. Karboni i aktivizuar nga maska ​​e gazit derdhet në ndarjen e dytë dhe të katërt të strehës së qelizës së karburantit - do të përdoret si elektrodë.

Karburanti do të qarkullojë në dhomën e parë, ndërsa e pesta është e mbushur me ajër, nga e cila do të furnizohet oksigjeni. Elektroliti, i derdhur midis elektrodave, është i ngopur me një zgjidhje të parafinës dhe benzinës për të parandaluar hyrjen e tij në dhomën e ajrit. Në shtresën e qymyrit vendosen pllaka bakri me tela të ngjitura në to, përmes së cilës do të kullohet rryma.

Qeliza e karburantit e montuar e hidrogjenit ngarkohet me vodka të holluar me ujë në një raport 1:1. Kaliumi kaustik shtohet me kujdes në përzierjen që rezulton: 70 gramë kalium shpërndahen në 200 gramë ujë.

Para testimit të një qelize karburanti hidrogjeni, karburanti derdhet në dhomën e parë dhe elektroliti në të tretën. Leximi i një voltmetri të lidhur me elektrodat duhet të ndryshojë nga 0,7 në 0,9 volt. Për të siguruar funksionimin e vazhdueshëm të elementit, karburanti i shpenzuar duhet të hiqet dhe karburanti i ri duhet të derdhet përmes një tubi gome. Duke shtrydhur tubin, shkalla e furnizimit me karburant rregullohet. Qelizat e tilla të karburantit të hidrogjenit, të mbledhura në shtëpi, kanë pak fuqi.

Nga pikëpamja e energjisë "të gjelbër", qelizat e karburantit me hidrogjen kanë një efikasitet jashtëzakonisht të lartë prej 60%. Për krahasim: efikasiteti i motorëve më të mirë me djegie të brendshme është 35-40%. Për termocentralet diellore, koeficienti është vetëm 15-20%, por varet shumë nga kushtet e motit. Efikasiteti i fermave më të mira të erës me shtytës arrin 40%, që është i krahasueshëm me gjeneratorët e avullit, por turbinat e erës kërkojnë gjithashtu kushte të përshtatshme moti dhe mirëmbajtje të shtrenjtë.

Siç mund ta shohim, për sa i përket këtij parametri, energjia e hidrogjenit është burimi më tërheqës i energjisë, por ka ende një sërë problemesh që pengojnë përdorimin masiv të saj. Më i rëndësishmi prej tyre është procesi i prodhimit të hidrogjenit.

Problemet e minierave

Energjia e hidrogjenit është miqësore me mjedisin, por jo autonome. Për të funksionuar, një qelizë karburanti kërkon hidrogjen, i cili nuk gjendet në Tokë në formën e tij të pastër. Hidrogjeni duhet të prodhohet, por të gjitha metodat ekzistuese aktualisht janë ose shumë të shtrenjta ose joefektive.

Metoda më efektive për sa i përket vëllimit të hidrogjenit të prodhuar për njësi të energjisë së shpenzuar konsiderohet të jetë metoda e reformimit me avull të gazit natyror. Metani kombinohet me avujt e ujit në një presion prej 2 MPa (rreth 19 atmosfera, d.m.th. presion në një thellësi prej rreth 190 m) dhe një temperaturë prej rreth 800 gradë, duke rezultuar në një gaz të konvertuar me një përmbajtje hidrogjeni prej 55-75%. Reformimi me avull kërkon instalime të mëdha që mund të përdoren vetëm në prodhim.

Një furrë me tuba për reformimin e metanit me avull nuk është mënyra më ergonomike për të prodhuar hidrogjen. Burimi: CTK-Euro

Një metodë më e përshtatshme dhe më e thjeshtë është elektroliza e ujit. Kur një rrymë elektrike kalon nëpër ujin e trajtuar, ndodhin një sërë reaksionesh elektrokimike, duke rezultuar në formimin e hidrogjenit. Një disavantazh i rëndësishëm i kësaj metode është konsumi i lartë i energjisë që kërkohet për të kryer reaksionin. Domethënë, krijohet një situatë disi e çuditshme: për të marrë energji hidrogjeni ju nevojitet... energji. Për të shmangur kostot e panevojshme gjatë elektrolizës dhe për të ruajtur burime të vlefshme, disa kompani po përpiqen të zhvillojnë sisteme të ciklit të plotë "energji elektrike - hidrogjen - energji elektrike", në të cilat prodhimi i energjisë bëhet i mundur pa rimbushje të jashtme. Një shembull i një sistemi të tillë është zhvillimi i Toshiba H2One.

Termocentrali celular Toshiba H2One

Ne kemi zhvilluar mini-stacionin celular H2One, i cili konverton ujin në hidrogjen dhe hidrogjenin në energji. Për të ruajtur elektrolizën, ai përdor panele diellore dhe energjia e tepërt ruhet në bateri dhe siguron funksionimin e sistemit në mungesë të dritës së diellit. Hidrogjeni që rezulton ose furnizohet drejtpërdrejt në qelizat e karburantit ose dërgohet për ruajtje në një rezervuar të integruar. Në një orë, elektrolizatori H2One gjeneron deri në 2 m 3 hidrogjen, dhe në dalje siguron fuqi deri në 55 kW. Për të prodhuar 1 m 3 hidrogjen, stacioni kërkon deri në 2,5 m 3 ujë.

Ndërsa stacioni H2One nuk është në gjendje të sigurojë energji elektrike për një ndërmarrje të madhe ose një qytet të tërë, energjia e tij do të jetë mjaft e mjaftueshme për funksionimin e zonave ose organizatave të vogla. Falë transportueshmërisë së tij, ai mund të përdoret gjithashtu si një zgjidhje e përkohshme gjatë fatkeqësive natyrore ose ndërprerjeve emergjente të energjisë elektrike. Përveç kësaj, ndryshe nga një gjenerator me naftë, i cili kërkon karburant për të funksionuar siç duhet, një termocentral me hidrogjen kërkon vetëm ujë.

Aktualisht, Toshiba H2One përdoret vetëm në disa qytete në Japoni - për shembull, ai furnizon me energji elektrike dhe ujë të nxehtë stacionin hekurudhor në qytetin e Kawasaki.

Instalimi i sistemit H2One në Kawasaki

E ardhmja e hidrogjenit

Në ditët e sotme, qelizat e karburantit me hidrogjen sigurojnë energji për bankat portative të energjisë, autobusët e qytetit me makina dhe transportin hekurudhor. (Ne do të flasim më shumë për përdorimin e hidrogjenit në industrinë e automobilave në postimin tonë të ardhshëm). Qelizat e karburantit të hidrogjenit rezultuan papritur të jenë një zgjidhje e shkëlqyeshme për kuadrotët - me një masë të ngjashme me baterinë, furnizimi me hidrogjen siguron deri në pesë herë më shumë kohë fluturimi. Megjithatë, ngrica nuk ndikon në efikasitet në asnjë mënyrë. Dronët eksperimentalë të qelizave të karburantit të prodhuar nga kompania ruse AT Energy u përdorën për xhirimet në Lojërat Olimpike të Soçit.

Është bërë e ditur se në Lojërat Olimpike të ardhshme në Tokio, hidrogjeni do të përdoret në makina, në prodhimin e energjisë elektrike dhe ngrohjes, si dhe do të bëhet burimi kryesor i energjisë për fshatin Olimpik. Për këtë qëllim, me urdhër të Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. Një nga stacionet më të mëdha të prodhimit të hidrogjenit në botë po ndërtohet në qytetin japonez Namie. Stacioni do të konsumojë deri në 10 MW energji të marrë nga burime “të gjelbra”, duke gjeneruar deri në 900 tonë hidrogjen në vit përmes elektrolizës.

Energjia e hidrogjenit është "rezerva jonë për të ardhmen", kur karburantet fosile do të duhet të braktisen plotësisht dhe burimet e rinovueshme të energjisë nuk do të jenë në gjendje të plotësojnë nevojat e njerëzimit. Sipas parashikimit të Markets&Markets, vëllimi i prodhimit global të hidrogjenit, i cili aktualisht qëndron në 115 miliardë dollarë, do të rritet në 154 miliardë dollarë deri në vitin 2022. Por zbatimi masiv i teknologjisë nuk ka gjasa të ndodhë në të ardhmen e afërt prodhimi dhe funksionimi i termocentraleve speciale duhet ende të zgjidhet dhe kostoja e tyre të ulet. Sapo të kapërcehen barrierat teknologjike, energjia e hidrogjenit do të arrijë një nivel të ri dhe mund të jetë po aq e përhapur sa energjia tradicionale ose hidroenergjia sot.

Ata operojnë anijen kozmike të Administratës Kombëtare të Aeronautikës dhe Hapësirës së SHBA (NASA). Ato sigurojnë energji për kompjuterët e Bankës së Parë Kombëtare në Omaha. Ato përdoren në disa autobusë të qytetit publik në Çikago.

Këto janë të gjitha qelizat e karburantit. Qelizat e karburantit janë pajisje elektrokimike që prodhojnë energji elektrike pa djegie - kimikisht, në të njëjtën mënyrë si bateritë. I vetmi ndryshim është se ata përdorin kimikate të ndryshme, hidrogjen dhe oksigjen, dhe produkti i reaksionit kimik është uji. Mund të përdoret edhe gazi natyror, por kur përdoren lëndë djegëse hidrokarbure, sigurisht që një nivel i caktuar i emetimeve të dioksidit të karbonit është i pashmangshëm.

Për shkak se qelizat e karburantit mund të funksionojnë me efikasitet të lartë dhe pa emetime të dëmshme, ato premtojnë shumë si një burim i qëndrueshëm energjie që do të ndihmojë në reduktimin e emetimeve të gazeve serrë dhe ndotësve të tjerë. Pengesa kryesore për përdorimin e gjerë të qelizave të karburantit është kostoja e tyre e lartë në krahasim me pajisjet e tjera që prodhojnë energji elektrike ose lëvizin automjetet.

Historia e zhvillimit

Qelizat e para të karburantit u demonstruan nga Sir William Groves në 1839. Groves tregoi se procesi i elektrolizës - ndarja e ujit në hidrogjen dhe oksigjen nën ndikimin e një rryme elektrike - është i kthyeshëm. Kjo do të thotë, hidrogjeni dhe oksigjeni mund të kombinohen kimikisht për të formuar energji elektrike.

Pasi u demonstrua kjo, shumë shkencëtarë nxituan të studionin qelizat e karburantit me zell, por shpikja e motorit me djegie të brendshme dhe zhvillimi i infrastrukturës së rezervës së naftës në gjysmën e dytë të shekullit të nëntëmbëdhjetë e lanë shumë prapa zhvillimin e qelizave të karburantit. Zhvillimi i qelizave të karburantit u pengua më tej nga kostoja e tyre e lartë.

Një rritje në zhvillimin e qelizave të karburantit ndodhi në vitet '50, kur NASA iu drejtua atyre në lidhje me nevojën për një gjenerator elektrik kompakt për fluturimet në hapësirë. Investimi u krye dhe fluturimet Apollo dhe Gemini u mundësuan nga qelizat e karburantit. Anija kozmike funksionon gjithashtu me qeliza karburanti.

Qelizat e karburantit janë ende kryesisht një teknologji eksperimentale, por disa kompani tashmë po i shesin ato në tregun komercial. Vetëm në gati dhjetë vitet e fundit, janë bërë përparime të rëndësishme në teknologjinë komerciale të qelizave të karburantit.

Si funksionon një qelizë karburanti?

Qelizat e karburantit janë të ngjashme me bateritë - ato prodhojnë energji elektrike përmes një reaksioni kimik. Në të kundërt, motorët me djegie të brendshme djegin karburant dhe kështu prodhojnë nxehtësi, e cila më pas shndërrohet në energji mekanike. Nëse nxehtësia nga gazrat e shkarkimit nuk përdoret në ndonjë mënyrë (për shembull, për ngrohje ose ajër të kondicionuar), atëherë efikasiteti i motorit me djegie të brendshme mund të thuhet se është mjaft i ulët. Për shembull, efikasiteti i qelizave të karburantit kur përdoret në një automjet, një projekt aktualisht në zhvillim, pritet të jetë më shumë se dyfishi i efikasitetit të motorëve tipikë të benzinës së sotme të përdorur në automobila.

Edhe pse bateritë dhe qelizat e karburantit prodhojnë energji elektrike kimikisht, ato kryejnë dy funksione shumë të ndryshme. Bateritë janë pajisje energjie të ruajtura: energjia elektrike që ato prodhojnë është rezultat i një reaksioni kimik të një lënde që ndodhet tashmë brenda tyre. Qelizat e karburantit nuk ruajnë energji, por konvertojnë një pjesë të energjisë nga karburanti i furnizuar nga jashtë në energji elektrike. Në këtë drejtim, një qelizë e karburantit është më shumë si një termocentral konvencional.

Ekzistojnë disa lloje të ndryshme të qelizave të karburantit. Qeliza më e thjeshtë e karburantit përbëhet nga një membranë e veçantë e njohur si elektrolit. Elektrodat me pluhur aplikohen në të dy anët e membranës. Ky dizajn - një elektrolit i rrethuar nga dy elektroda - është një element i veçantë. Hidrogjeni shkon në njërën anë (anodë), dhe oksigjeni (ajri) në anën tjetër (katoda). Në secilën elektrodë ndodhin reaksione të ndryshme kimike.

Në anodë, hidrogjeni shpërbëhet në një përzierje të protoneve dhe elektroneve. Në disa qeliza karburanti, elektrodat janë të rrethuara nga një katalizator, zakonisht i bërë nga platini ose metale të tjera fisnike, i cili nxit reaksionin e disociimit:

2H2 ==> 4H+ + 4e-.

H2 = molekula diatomike e hidrogjenit, forma, in

në të cilin hidrogjeni është i pranishëm në formën e një gazi;

H+ = hidrogjen i jonizuar, d.m.th. proton;

e- = elektron.

Funksionimi i një qelize karburanti bazohet në faktin se elektroliti lejon që protonet të kalojnë nëpër të (drejt katodës), por elektronet jo. Elektronet lëvizin në katodë përgjatë një qarku të jashtëm përçues. Kjo lëvizje e elektroneve është një rrymë elektrike që mund të përdoret për të drejtuar një pajisje të jashtme të lidhur me qelizën e karburantit, të tilla si një motor elektrik ose llambë. Kjo pajisje zakonisht quhet "ngarkesë".

Në anën e katodës së qelizës së karburantit, protonet (që kanë kaluar përmes elektrolitit) dhe elektronet (që kanë kaluar përmes ngarkesës së jashtme) "rikombinohen" dhe reagojnë me oksigjenin e furnizuar në katodë për të formuar ujin, H2O:

4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O.

Reagimi total në një qelizë karburanti shkruhet si më poshtë:

2H2 + O2 ==> 2H2O.

Në punën e tyre, qelizat e karburantit përdorin karburant hidrogjeni dhe oksigjen nga ajri. Hidrogjeni mund të furnizohet drejtpërdrejt ose duke e ndarë atë nga një burim i jashtëm i karburantit si gazi natyror, benzina ose metanoli. Në rastin e një burimi të jashtëm, ai duhet të konvertohet kimikisht për të nxjerrë hidrogjenin. Ky proces quhet "reformim". Hidrogjeni mund të prodhohet gjithashtu nga amoniaku, burime alternative si gazi nga deponitë e qytetit dhe impiantet e trajtimit të ujërave të zeza, dhe nëpërmjet elektrolizës së ujit, e cila përdor energjinë elektrike për të thyer ujin në hidrogjen dhe oksigjen. Aktualisht, shumica e teknologjive të qelizave të karburantit të përdorura në transport përdorin metanol.

Janë zhvilluar mjete të ndryshme për të reformuar karburantet për të prodhuar hidrogjen për qelizat e karburantit. Departamenti Amerikan i Energjisë ka zhvilluar një njësi karburanti brenda një reformatori benzine për të furnizuar me hidrogjen një qelizë karburanti të pavarur. Studiuesit nga Laboratori Kombëtar i Paqësorit Veriperëndimor në SHBA kanë demonstruar një reformues kompakt të karburantit një të dhjetën e madhësisë së një furnizimi me energji elektrike. Ndërmarrja amerikane Northwest Power Systems dhe Sandia National Laboratories kanë demonstruar një reformues karburanti që konverton karburantin dizel në hidrogjen për qelizat e karburantit.

Individualisht, qelizat e karburantit prodhojnë rreth 0.7-1.0 V secila. Për të rritur tensionin, elementët janë mbledhur në një "kaskadë", d.m.th. lidhje serike. Për të krijuar më shumë rrymë, grupet e elementeve të kaskadës lidhen paralelisht. Nëse kombinoni kaskadat e qelizave të karburantit me një sistem karburanti, një sistem furnizimi me ajër dhe ftohje dhe një sistem kontrolli, ju merrni një motor me qeliza karburanti. Ky motor mund të fuqizojë një automjet, një termocentral të palëvizshëm ose një gjenerator elektrik portativ6. Motorët e qelizave të karburantit vijnë në madhësi të ndryshme në varësi të aplikimit, llojit të qelizës së karburantit dhe karburantit të përdorur. Për shembull, secili nga katër termocentralet stacionare të veçanta 200 kW të instaluara në një bankë në Omaha është afërsisht sa madhësia e një rimorkio kamioni.

Aplikacionet

Qelizat e karburantit mund të përdoren si në pajisjet e palëvizshme ashtu edhe në ato të lëvizshme. Në përgjigje të rregullave shtrënguese të emetimeve në Shtetet e Bashkuara, prodhuesit e automjeteve duke përfshirë DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda dhe Nissan kanë filluar eksperimentimin dhe demonstrimin e automjeteve me qeliza karburanti. Automjetet e para komerciale me qeliza karburanti pritet të dalin në rrugë në 2004 ose 2005.

Një moment historik i madh në zhvillimin e teknologjisë së qelizave të karburantit ishte demonstrimi i qershorit 1993 i autobusit eksperimental të qytetit 32 këmbë të Ballard Power System i mundësuar nga një motor me qeliza karburanti hidrogjeni 90 kilovat. Që atëherë, shumë lloje të ndryshme dhe gjenerata të ndryshme të automjeteve të pasagjerëve me qeliza karburanti janë zhvilluar dhe vënë në shërbim, që funksionojnë me lloje të ndryshme karburanti. Që nga fundi i vitit 1996, tre karroca golfi me qeliza karburanti hidrogjeni janë përdorur në Palm Desert, Kaliforni. Në rrugët e Çikagos, Illinois; Vankuver, Kolumbia Britanike; dhe Oslo, Norvegji, janë duke u testuar autobusët e qytetit të fuqizuar nga qelizat e karburantit. Taksitë e fuqizuara nga qelizat alkaline të karburantit po testohen në rrugët e Londrës.

Instalimet e palëvizshme që përdorin teknologjinë e qelizave të karburantit po demonstrohen gjithashtu, por ato ende nuk janë përdorur gjerësisht në treg. Banka e Parë Kombëtare e Omaha-s në Nebraska përdor një sistem qelizash karburanti për të fuqizuar kompjuterët e saj, sepse sistemi është më i besueshëm se sistemi i vjetër, i cili u shkëput nga rrjeti kryesor me bateri rezervë. Sistemi më i madh komercial në botë i qelizave të karburantit, i vlerësuar me 1.2 MW, së shpejti do të instalohet në një qendër përpunimi të postës në Alaskë. Kompjuterët portativë portativë me energji me qeliza karburanti, sistemet e kontrollit të përdorura në impiantet e trajtimit të ujërave të zeza dhe makinat shitëse janë gjithashtu duke u testuar dhe demonstruar.

"Pro dhe kundra"

Qelizat e karburantit kanë një sërë përparësish. Ndërsa motorët modernë me djegie të brendshme janë vetëm 12-15% efikas, qelizat e karburantit janë 50% efikas. Efikasiteti i qelizave të karburantit mund të mbetet mjaft i lartë edhe kur ato nuk përdoren me fuqi të plotë të vlerësuar, gjë që është një avantazh serioz në krahasim me motorët me benzinë.

Dizajni modular i qelizave të karburantit do të thotë që fuqia e një termocentrali me qeliza karburanti mund të rritet thjesht duke shtuar më shumë faza. Kjo siguron që nënshfrytëzimi i kapaciteteve të minimizohet, duke lejuar përputhjen më të mirë të ofertës dhe kërkesës. Meqenëse efikasiteti i një grumbulli qelizash karburanti përcaktohet nga performanca e qelizave individuale, termocentralet e vogla me qeliza karburanti funksionojnë po aq me efikasitet sa edhe ato të mëdha. Për më tepër, nxehtësia e mbetur nga sistemet stacionare të qelizave të karburantit mund të përdoret për ngrohjen e ujit dhe hapësirës, ​​duke rritur më tej efikasitetin e energjisë.

Praktikisht nuk ka emetime të dëmshme gjatë përdorimit të qelizave të karburantit. Kur një motor punon me hidrogjen të pastër, vetëm nxehtësia dhe avujt e pastër të ujit prodhohen si nënprodukte. Pra, në anijet kozmike, astronautët pinë ujë, i cili formohet si rezultat i funksionimit të qelizave të karburantit në bord. Përbërja e emetimeve varet nga natyra e burimit të hidrogjenit. Metanoli prodhon zero emetime të oksidit të azotit dhe monoksidit të karbonit dhe vetëm emetime të vogla hidrokarbure. Emetimet rriten ndërsa kaloni nga hidrogjeni në metanol dhe benzinë, megjithëse edhe me benzinë, emetimet do të mbeten mjaft të ulëta. Në çdo rast, zëvendësimi i motorëve tradicionalë të sotëm me djegie të brendshme me qeliza karburanti do të çonte në një reduktim të përgjithshëm të emetimeve të CO2 dhe oksidit të azotit.

Përdorimi i qelizave të karburantit siguron fleksibilitet në infrastrukturën energjetike, duke krijuar mundësi shtesë për prodhimin e decentralizuar të energjisë elektrike. Shumëllojshmëria e burimeve të decentralizuara të energjisë bën të mundur reduktimin e humbjeve gjatë transmetimit të energjisë elektrike dhe zhvillimin e tregjeve të energjisë (gjë që është veçanërisht e rëndësishme për zonat e largëta dhe rurale pa akses në linjat e energjisë elektrike). Me ndihmën e qelizave të karburantit, banorët individualë ose lagjet mund të sigurojnë pjesën më të madhe të energjisë elektrike të tyre dhe kështu të rrisin ndjeshëm efikasitetin e energjisë.

Qelizat e karburantit ofrojnë energji me cilësi të lartë dhe besueshmëri të shtuar. Ato janë të qëndrueshme, nuk kanë pjesë lëvizëse dhe prodhojnë një sasi konstante energjie.

Megjithatë, teknologjia e qelizave të karburantit duhet të përmirësohet më tej për të përmirësuar performancën, për të ulur kostot dhe për t'i bërë qelizat e karburantit konkurruese me teknologjitë e tjera të energjisë. Duhet të theksohet se kur merren parasysh karakteristikat e kostos së teknologjive energjetike, krahasimet duhet të bëhen bazuar në të gjitha karakteristikat e teknologjisë së komponentit, duke përfshirë kostot e operimit kapital, emetimet e ndotësve, cilësinë e energjisë, qëndrueshmërinë, çmontimin dhe fleksibilitetin.

Megjithëse gazi hidrogjen është karburanti më i mirë, ende nuk ekziston infrastruktura apo baza e transportit për të. Në të ardhmen e afërt, sistemet ekzistuese të furnizimit me lëndë djegëse fosile (stacionet e karburantit, etj.) mund të përdoren për t'i siguruar termocentraleve burime hidrogjeni në formën e benzinës, metanolit ose gazit natyror. Kjo do të eliminonte nevojën për stacione të dedikuara për mbushje hidrogjeni, por do të kërkonte që çdo automjet të ketë të instaluar një konvertues të karburantit fosil në hidrogjen ("reformator"). Disavantazhi i kësaj qasjeje është se ajo përdor lëndë djegëse fosile dhe kështu rezulton në emetimet e dioksidit të karbonit. Metanoli, kandidati kryesor aktual, prodhon më pak emetime se benzina, por do të kërkonte një enë më të madhe në automjet, sepse zë dyfishin e hapësirës për të njëjtën përmbajtje energjie.

Ndryshe nga sistemet e furnizimit me lëndë djegëse fosile, sistemet diellore dhe të erës (duke përdorur energjinë elektrike për të krijuar hidrogjen dhe oksigjen nga uji) dhe sistemet e fotokonvertimit të drejtpërdrejtë (duke përdorur materiale gjysmëpërçuese ose enzima për të prodhuar hidrogjen) mund të sigurojnë furnizim me hidrogjen pa një hap reformues, dhe kështu, emetimet e mund të shmangen substancat e dëmshme që vërehen gjatë përdorimit të qelizave të karburantit me metanol ose benzinë. Hidrogjeni mund të ruhet dhe të shndërrohet në energji elektrike në qelizën e karburantit sipas nevojës. Duke parë përpara, çiftimi i qelizave të karburantit me këto lloje të burimeve të rinovueshme të energjisë ka të ngjarë të jetë një strategji efektive për ofrimin e një burimi produktiv, të zgjuar për mjedisin dhe të gjithanshëm të energjisë.

Rekomandimet e IEER janë që qeveritë lokale, federale dhe shtetërore t'i kushtojnë një pjesë të buxheteve të tyre të prokurimit të transportit automjeteve me qeliza karburanti, si dhe sistemeve stacionare të qelizave të karburantit, për të siguruar ngrohje dhe energji për disa nga ndërtesat e tyre të rëndësishme ose të reja. Kjo do të nxisë zhvillimin e teknologjisë jetike dhe do të reduktojë emetimet e gazrave serrë.