Ashtu si ekzistenca e llojeve të ndryshme të motorëve djegia e brendshme, ka lloje të ndryshme të qelizave të karburantit - zgjedhja lloj i përshtatshëm qeliza e karburantit varet nga aplikimi i saj.
qelizat e karburantit ndahet 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 primar (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 mund të "konvertojnë brenda" karburantin në temperatura të larta, që do të thotë se nuk ka nevojë të investohet në infrastrukturën e hidrogjenit.
Qelizat e karburantit në 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 një procesor karburanti dhe gaz karburanti me vlerë të ulët kalorifike proceset e prodhimit dhe nga burime të tjera. Ky proces u zhvillua në mesin e viteve 1960. Që nga ajo kohë, teknologjia e prodhimit, performanca dhe besueshmëria janë përmirësuar.
Funksionimi i RCFC është i ndryshëm nga qelizat e tjera të karburantit. Këto qeliza përdorin një elektrolit 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 shkallë të lartë lëvizshmëria e 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 përçues 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 i anodës: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reaksioni në katodë: CO 2 + 1 / 2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Reaksioni i elementit të përgjithshëm: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (katodë) => H 2 O (g) + CO 2 (anodë)
Temperaturat e larta të funksionimit të qelizave të karburantit të elektrolitit të shkrirë të karbonatit kanë disa avantazhe. Në temperatura të larta, gazi natyror reformohet nga brenda, duke eliminuar nevojën për një procesor karburanti. Përveç kësaj, avantazhet përfshijnë aftësinë për të përdorur materiale standarde të ndërtimit, të tilla si fletë çeliku inox dhe katalizator nikel në elektroda. Nxehtësia e mbeturinave mund të përdoret për të gjeneruar avull me presion të lartë për qëllime të ndryshme industriale dhe tregtare.
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 sistemeve të qelizave të karburantit me elektrolit karbonat të shkrirë në kushte konstante të fuqisë. Temperaturat e larta parandalojnë dëmtimin e qelizave të karburantit nga monoksidi i karbonit, "helmimet" etj.
Qelizat e karburantit të karbonatit të shkrirë janë të përshtatshme për përdorim në instalime të mëdha të palëvizshme. Termocentralet me fuqi elektrike dalëse 2.8 MW prodhohen në mënyrë industriale. Impiante me fuqi dalëse deri në 100 MW janë duke u zhvilluar.
Qelizat e karburantit të acidit fosforik (PFC)
Qelizat e karburantit të bazuara në acidin fosforik (ortofosforik) ishin qelizat e para të karburantit për përdorim komercial. Ky proces u zhvillua në mesin e viteve 1960 dhe është testuar që nga vitet 1970. Që atëherë, stabiliteti, performanca dhe kostoja janë rritur.
Qelizat e karburantit të bazuara në acidin 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 të membranës së shkëmbimit të protoneve (MEFCs), në të cilat hidrogjeni i furnizuar në anodë ndahet në protone dhe elektrone. Protonet kalojnë nëpër elektrolit dhe bashkohen me oksigjenin nga ajri në katodë për të formuar ujë. Elektronet drejtohen përgjatë një qarku elektrik të jashtëm dhe krijohet një rrymë elektrike. Më poshtë janë reaksionet që gjenerojnë energji elektrike dhe nxehtësi.
Reagimi në anodë: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reagimi në katodë: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2H 2 O
Reaksioni i elementit të përgjithshëm: 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. Në 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 në presionin atmosferik.
Performanca e lartë e termocentraleve në qelizat e karburantit me bazë acidin fosforik (ortofosforik) në prodhimin e kombinuar të nxehtësisë dhe energjisë elektrike është një nga avantazhet e këtij lloji të qelizave të karburantit. Impiantet përdorin monoksid karboni në një përqendrim prej rreth 1.5%, gjë që zgjeron shumë zgjedhjen e karburantit. Përveç kësaj, CO 2 nuk ndikon në elektrolitin dhe funksionimin e qelizës së karburantit, kjo lloj qelize funksionon me karburant natyror të reformuar. Dizajn i thjeshtë, paqëndrueshmëria e ulët e elektroliteve dhe rritja e stabilitetit janë gjithashtu avantazhet e këtij lloji të qelizave të karburantit.
Termocentralet me fuqi elektrike dalëse deri në 400 kW prodhohen në mënyrë industriale. Instalimet për 11 MW kanë kaluar testet përkatëse. Impiante me fuqi dalëse deri në 100 MW janë duke u zhvilluar.
Qelizat e karburantit me membranë shkëmbimi të protonit (PME)
Qelizat e karburantit të membranës së shkëmbimit të protonit konsiderohen si lloji më i mirë i qelizave të karburantit për prodhimin e energjisë së automjeteve, 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. Sot, instalimet në MOPFC me fuqi 1 W deri në 2 kW janë duke u zhvilluar dhe demonstruar.
Këto qeliza karburanti përdorin një membranë polimer të ngurtë (film i hollë plastik) si elektrolit. Kur ngopet me ujë, ky polimer kalon protone, 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 udhëtojnë rreth rrethit të jashtëm dhe prodhojnë energji elektrike. Oksigjeni, i cili merret nga ajri, futet në katodë dhe kombinohet me elektrone dhe jone hidrogjeni për të formuar ujë. Reaksionet e mëposhtme ndodhin në elektroda:
Reaksioni në anodë: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reagimi në katodë: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Reaksioni i elementit të përgjithshëm: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Krahasuar me llojet e tjera të qelizave të karburantit, qelizat e karburantit të membranës së shkëmbimit 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 nga veçoritë që i bëjnë këto qeliza karburanti një kandidat kryesor për përdorim në automjete.
Një avantazh tjetër është se elektroliti është një substancë e ngurtë dhe jo e lëngshme. Mbajtja e gazeve në katodë dhe anodë është më e lehtë me një elektrolit të ngurtë dhe për këtë arsye qelizat e tilla të karburantit janë më të lira për t'u prodhuar. Krahasuar me elektrolitët e tjerë, përdorimi i elektrolitit të ngurtë nuk shkakton probleme si orientimi, ka më pak probleme për shkak të shfaqjes së korrozionit, gjë që çon në një qëndrueshmëri më të gjatë të qelizës dhe përbërësve të saj.
Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë (SOFC)
Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë janë qelizat e karburantit me temperaturën më të lartë të funksionimit. Temperatura e funksionimit mund të ndryshojë nga 600°C në 1000°C, gjë që lejon përdorimin e llojeve të ndryshme të karburantit pa para-trajtim të veçantë. Për të përballuar këto temperatura të larta, elektroliti i përdorur është një oksid i hollë metalik i ngurtë me bazë qeramike, shpesh një aliazh i itrit dhe zirkonit, i cili është një përcjellës i joneve të oksigjenit (O 2 -). Teknologjia e përdorimit të qelizave të karburantit me oksid të ngurtë është zhvilluar që nga fundi i viteve 1950. dhe ka dy konfigurime: planare dhe tubulare.
Një elektrolit i ngurtë siguron një kalim hermetik të gazit nga një elektrodë në tjetrën, ndërsa elektrolitet e lëngëta ndodhen 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 ndahen nga ajri në një jon oksigjeni dhe katër elektrone. Jonet e oksigjenit kalojnë nëpër elektrolit dhe bashkohen me hidrogjenin për të formuar katër elektrone të lira. Elektronet drejtohen 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 -
Reagimi në katodë: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Reaksioni i elementit të përgjithshëm: 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%. Përveç kësaj, temperaturat e larta të funksionimit lejojnë gjenerimin e kombinuar të nxehtësisë dhe energjisë për të gjeneruar avull me presion të lartë. Kombinimi i një qelize karburanti me temperaturë të lartë me një turbinë krijon një qelizë karburanti hibrid për të rritur efikasitetin e prodhimit të energjisë elektrike deri në 70%.
Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë funksionojnë në temperatura shumë të larta (600°C-1000°C), duke rezultuar në një kohë të gjatë për të arritur kushtet optimale të funksionimit dhe sistemi është më i ngadalshëm për t'iu përgjigjur ndryshimeve në konsumin e energjisë. Në temperatura të tilla të larta funksionimi, asnjë konvertues nuk kërkohet për të rikuperuar hidrogjenin nga karburanti, duke lejuar që termocentrali të funksionojë me lëndë djegëse relativisht të papastër nga gazifikimi i qymyrit ose gazrat e mbeturinave, dhe të ngjashme. Gjithashtu, kjo qelizë e karburantit është e shkëlqyer për aplikime me fuqi të lartë, duke përfshirë termocentrale industriale dhe të mëdha qendrore. Module të prodhuara në mënyrë industriale me një fuqi elektrike dalëse prej 100 kW.
Qelizat e karburantit me oksidim të drejtpërdrejtë të metanolit (DOMTE)
Teknologjia e përdorimit të qelizave të karburantit me oksidim të drejtpërdrejtë të metanolit po kalon një periudhë zhvillimi aktiv. Ajo është vendosur me sukses në fushën e të ushqyerit Telefonat celular, laptopë, si dhe për të krijuar burime portative të energjisë elektrike. çfarë synohet zbatimi i ardhshëm i këtyre elementeve.
Struktura e qelizave të karburantit me oksidim të drejtpërdrejtë të metanolit është e ngjashme me qelizat e karburantit me një membranë shkëmbimi protonike (MOFEC), 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 udhëhiqen përmes një qarku elektrik të jashtëm dhe gjenerohet 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 / 2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Reaksioni i elementit të përgjithshëm: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O
Zhvillimi i këtyre qelizave të karburantit filloi në fillim të viteve 1990. Pas zhvillimit të katalizatorëve të përmirësuar dhe falë risive të tjera të fundit, densiteti dhe efikasiteti i fuqisë janë rritur deri në 40%.
Këta elementë u testuan në intervalin e temperaturës 50-120°C. Me temperatura të ulëta funksionimi dhe pa nevojë për një konvertues, qelizat e karburantit të metanolit të drejtpërdrejtë janë kandidati më i mirë për aplikime që variojnë nga telefonat celularë dhe produktet e tjera të konsumit deri te motorët e automobilave. 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 alkaline të karburantit (AFC)
Qelizat alkaline të karburantit (ALFC) janë një nga teknologjitë më të studiuara dhe janë përdorur që nga mesi i viteve 1960. nga NASA në programet Apollo dhe Space Shuttle. Në bordin e këtyre anijeve kozmike, qelizat e karburantit prodhojnë energji elektrike dhe ujë i pijshëm. Qelizat alkaline të karburantit janë një nga elementët më efikasë të përdorur për të prodhuar energji elektrike, me efikasitet të prodhimit të energjisë që arrin deri në 70%.
Qelizat alkaline të karburantit përdorin një elektrolit, d.m.th., një zgjidhje ujore të hidroksidit të kaliumit, që gjendet 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 një SFC është një jon hidroksid (OH-) që lëviz nga katoda në anodë ku reagon me hidrogjenin për të prodhuar ujë dhe elektrone. Uji i prodhuar në anodë kthehet përsëri në katodë, duke gjeneruar përsëri jone hidroksid atje. Si rezultat i kësaj serie reaksionesh që ndodhin në qelizën e karburantit, prodhohet energji elektrike dhe, si nënprodukt, nxehtësia:
Reaksioni në anodë: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reagimi në katodë: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Reagimi i përgjithshëm i sistemit: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Avantazhi i SFC-ve 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 katalizatorë për qelizat e tjera të karburantit. Përveç kësaj, SCFC-të funksionojnë në një temperaturë relativisht të ulët dhe janë ndër qelizat e karburantit më efikas - karakteristika të tilla mund të kontribuojnë përkatësisht 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 SFC-ve është i kufizuar në hapësira të mbyllura si mjetet hapësinore dhe nënujore, ato duhet të funksionojnë me hidrogjen dhe oksigjen të pastër. Për më tepër, molekulat si CO, H2O dhe CH4, të cilat janë të sigurta për qelizat e tjera të karburantit dhe madje edhe lëndë djegëse për disa prej tyre, janë të dëmshme për SFC.
Qelizat e karburantit të elektrolitit polimer (PETE)
Në rastin e qelizave të karburantit të elektrolitit polimer, membrana polimer përbëhet nga fibra polimer me zona ujore në të cilat ka një përcjellje të joneve të ujit H 2 O + (proton, i kuq) të bashkangjitur në molekulën e ujit. Molekulat e ujit paraqesin një problem për shkak të shkëmbimit të ngadaltë të joneve. Prandaj, kërkohet një përqendrim i lartë i ujit si në karburant ashtu edhe në elektrodat e shkarkimit, gjë që kufizon temperaturën e funksionimit në 100°C.
Qelizat e karburantit me acid të ngurtë (SCFC)
Në qelizat e karburantit me acid të ngurtë, elektroliti (C s HSO 4 ) nuk përmban ujë. Prandaj, temperatura e funksionimit është 100-300°C. Rrotullimi i anioneve SO 4 2- oksi 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 të ngjeshura fort për të siguruar kontakt të mirë. Kur nxehet, përbërësi organik avullon, duke lënë nëpër poret në elektroda, duke ruajtur aftësinë e kontakteve të shumta midis karburantit (ose oksigjenit në skajin tjetër të qelizës), elektrolitit dhe elektrodave.
| Lloji i qelizave të karburantit | Temperatura e punës | Efikasiteti i gjenerimit të energjisë | Lloji i karburantit | Zona e aplikimit |
|---|---|---|---|---|
| RKTE | 550–700°C | 50-70% | Instalime të mesme dhe të mëdha | |
| FKTE | 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 |
| POMTE | 20-90°C | 20-30% | metanol | Njësi portative |
| SHTE | 50–200°C | 40-65% | hidrogjen i pastër | hulumtimi i hapësirës |
| PETE | 30-100°C | 35-50% | hidrogjen i pastër | Instalime të vogla |
Pjesa 1
Ky artikull diskuton më në detaje parimin e funksionimit të qelizave të karburantit, modelin, klasifikimin, avantazhet dhe disavantazhet e tyre, shtrirjen, efikasitetin, historinë e krijimit dhe perspektivat moderne për përdorim. Në pjesën e dytë të artikullit, e cila do të publikohet në numrin e ardhshëm të revistës ABOK, jep shembuj të objekteve ku lloje të ndryshme të qelizave të karburantit janë përdorur si burime të nxehtësisë dhe energjisë elektrike (ose vetëm të energjisë elektrike).
Prezantimi
Qelizat e karburantit janë një mënyrë shumë efikase, e besueshme, e qëndrueshme dhe miqësore me mjedisin për të gjeneruar energji.
Fillimisht të përdorura vetëm në industrinë hapësinore, qelizat e karburantit tani përdoren gjithnjë e më shumë në fusha të ndryshme - si termocentrale stacionare, burime autonome të nxehtësisë dhe energjisë për ndërtesa, motorë automjetesh, furnizime me energji elektrike për laptopë dhe telefona celularë. Disa nga këto pajisje janë prototipe laboratorike, disa po i nënshtrohen testeve para serisë ose përdoren për qëllime demonstrimi, por shumë modele prodhohen në masë dhe përdoren në projekte komerciale.
Një qelizë e karburantit (gjenerator elektrokimik) është një pajisje që konverton energjinë kimike të karburantit (hidrogjen) në energji elektrike në procesin e një reaksioni elektrokimik drejtpërdrejt, ndryshe nga teknologjitë tradicionale që përdorin djegien e lëndëve djegëse të ngurta, të lëngshme dhe të gazta. Shndërrimi i drejtpërdrejtë elektrokimik i karburantit është shumë efikas dhe tërheqës nga pikëpamja mjedisore, pasi sasia minimale e ndotësve çlirohet gjatë funksionimit dhe nuk ka zhurma dhe dridhje të forta.
Nga pikëpamja praktike, një qelizë karburanti i ngjan një baterie galvanike konvencionale. Dallimi qëndron në faktin se fillimisht bateria është e ngarkuar, domethënë e mbushur me "karburant". Gjatë funksionimit, "karburanti" konsumohet dhe bateria shkarkohet. Ndryshe nga një bateri, një qelizë karburanti përdor karburantin e furnizuar nga një burim i jashtëm për të gjeneruar energji elektrike (Fig. 1).
Për prodhimin e energjisë elektrike mund të përdoret jo vetëm hidrogjeni i pastër, por edhe lëndë të tjera të para që përmbajnë hidrogjen, si gazi natyror, amoniaku, metanoli ose benzina. Ajri i zakonshëm përdoret si burim oksigjeni, i cili është gjithashtu i nevojshëm për reaksionin.
Kur hidrogjeni i pastër përdoret si lëndë djegëse, produktet e reaksionit, përveç energjisë elektrike, janë nxehtësia dhe uji (ose avujt e ujit), pra nuk lëshohen gazra në atmosferë që shkaktojnë ndotjen e ajrit ose shkaktojnë efekt serë. Nëse një lëndë ushqyese që përmban hidrogjen, si gazi natyror, përdoret si lëndë djegëse, gazet e tjera, si oksidet e karbonit dhe azoti, do të jenë nënprodukt i reaksionit, por sasia e tij është shumë më e ulët se kur digjet e njëjta. sasia e gazit natyror.
Procesi i shndërrimit kimik të karburantit për të prodhuar hidrogjen quhet reformues, dhe pajisja përkatëse quhet reformator.
Avantazhet dhe disavantazhet e qelizave të karburantit
Qelizat e karburantit janë më efikase në energji sesa motorët me djegie të brendshme, sepse nuk ka kufizim termodinamik në efikasitetin e energjisë për qelizat e karburantit. Efikasiteti i qelizave të karburantit është 50%, ndërsa efikasiteti i motorëve me djegie të brendshme është 12-15%, dhe efikasiteti i termocentraleve me turbina me avull nuk kalon 40%. Duke përdorur nxehtësinë dhe ujin, efikasiteti i qelizave të karburantit rritet më tej.
Për dallim nga, për shembull, motorët me djegie të brendshme, efikasiteti i qelizave të karburantit mbetet shumë i lartë edhe kur ato nuk funksionojnë me fuqi të plotë. Përveç kësaj, fuqia e qelizave të karburantit mund të rritet thjesht duke shtuar blloqe të veçanta, ndërsa efikasiteti nuk ndryshon, d.m.th. instalimet e mëdha janë po aq efikase sa ato të vogla. Këto rrethana lejojnë një përzgjedhje shumë fleksibël të përbërjes së pajisjeve në përputhje me dëshirat e klientit dhe përfundimisht çojnë në një ulje të kostove të pajisjeve.
Një avantazh i rëndësishëm i qelizave të karburantit është mirëdashësia e tyre mjedisore. Emetimet e ajrit të ndotësve nga funksionimi i qelizave të karburantit janë aq të ulëta sa që në disa zona të Shteteve të Bashkuara nuk kërkojnë leje të posaçme nga agjencive qeveritare kontrollin e cilësisë së mjedisit ajror.
Qelizat e karburantit mund të vendosen direkt në ndërtesë, duke reduktuar kështu humbjet e transmetimit të energjisë, dhe nxehtësia e gjeneruar si rezultat i reaksionit mund të përdoret për të furnizuar ndërtesën me ngrohje ose ujë të nxehtë. Burimet autonome të ngrohjes dhe furnizimit me energji mund të jenë shumë të dobishme në zonat e largëta dhe në rajone që karakterizohen nga mungesa e energjisë elektrike dhe kostoja e saj e lartë, por në të njëjtën kohë ka rezerva të lëndëve të para që përmbajnë hidrogjen (naftë, gaz natyror). .
Përparësitë e qelizave të karburantit janë gjithashtu disponueshmëria e karburantit, besueshmëria (nuk ka pjesë lëvizëse në qelizën e karburantit), qëndrueshmëria dhe lehtësia e funksionimit.
Një nga disavantazhet kryesore të qelizave të karburantit sot është kostoja e tyre relativisht e lartë, por ky disavantazh mund të tejkalohet së shpejti pasi më shumë kompani prodhojnë mostrat komerciale qelizat e karburantit, ato janë duke u përmirësuar vazhdimisht dhe kostoja e tyre po zvogëlohet.
Përdorimi më efikas i hidrogjenit të pastër si lëndë djegëse, megjithatë, kjo do të kërkojë krijimin e një infrastrukture të veçantë për prodhimin dhe transportin e tij. Aktualisht, të gjitha dizajnet komerciale përdorin gaz natyror dhe lëndë djegëse të ngjashme. Automjetet mund të përdorin benzinë të zakonshme, e cila do të lejojë ruajtjen e rrjetit ekzistues të zhvilluar të pikave të karburantit. Sidoqoftë, përdorimi i një karburanti të tillë çon në emetime të dëmshme në atmosferë (megjithëse shumë të ulëta) dhe komplikon (dhe për rrjedhojë rrit koston e) qelizës së karburantit. Në të ardhmen, mundësia e përdorimit të burimeve të rinovueshme të energjisë miqësore me mjedisin (për shembull, energji diellore ose energjia e erës) për të dekompozuar ujin në hidrogjen dhe oksigjen me anë të elektrolizës, dhe më pas konvertimin e karburantit që rezulton në një qelizë karburanti. Impiante të tilla të kombinuara që funksionojnë në një cikël të mbyllur mund të jenë një burim energjie plotësisht miqësore me mjedisin, të besueshëm, të qëndrueshëm dhe efikas.
Një veçori tjetër e qelizave të karburantit është se ato janë më efikase kur përdorin energji elektrike dhe termike në të njëjtën kohë. Megjithatë, mundësia e përdorimit të energjisë termike nuk është e disponueshme në çdo objekt. Në rastin e përdorimit të qelizave të karburantit vetëm për gjenerimin e energjisë elektrike, efikasiteti i tyre zvogëlohet, megjithëse tejkalon efikasitetin e instalimeve "tradicionale".
Historia dhe përdorimet moderne të qelizave të karburantit
Parimi i funksionimit të qelizave të karburantit u zbulua në 1839. Shkencëtari anglez William Grove (1811-1896) zbuloi se procesi i elektrolizës - zbërthimi i ujit në hidrogjen dhe oksigjen me anë të një rryme elektrike - është i kthyeshëm, d.m.th. hidrogjeni dhe oksigjeni mund të kombinohen në molekula uji pa djegie, por me çlirimi i nxehtësisë dhe rrymës elektrike. Grove e quajti pajisjen në të cilën u krye një reagim i tillë një "bateri gazi", e cila ishte qeliza e parë e karburantit.
Zhvillimi aktiv i teknologjive të qelizave të karburantit filloi pas Luftës së Dytë Botërore dhe është i lidhur me industrinë e hapësirës ajrore. Në atë kohë, u kryen kërkime për një burim energjie efikas dhe të besueshëm, por në të njëjtën kohë mjaft kompakt. Në vitet 1960, specialistët e NASA-s (Administrata Kombëtare e Aeronautikës dhe Hapësirës, NASA) zgjodhën qelizat e karburantit si burim energjie për anijen kozmike të programeve Apollo (fluturime me pilot në Hënë), Apollo-Soyuz, Gemini dhe Skylab. . Apollo përdori tre njësi 1.5 kW (fuqia maksimale 2.2 kW) duke përdorur hidrogjen dhe oksigjen kriogjenik për të prodhuar energji elektrike, nxehtësi dhe ujë. Masa e çdo instalimi ishte 113 kg. Këto tre qeliza punonin paralelisht, por energjia e gjeneruar nga një njësi ishte e mjaftueshme për një kthim të sigurt. Gjatë 18 fluturimeve, qelizat e karburantit kanë grumbulluar gjithsej 10,000 orë pa asnjë dështim. Aktualisht, qelizat e karburantit përdoren në anijen kozmike "Space Shuttle", e cila përdor tre njësi me fuqi 12 W, të cilat gjenerojnë të gjithë energjinë elektrike në bordin e anijes (Fig. 2). Uji i marrë si rezultat i një reaksioni elektrokimik përdoret si ujë i pijshëm, si dhe për pajisje ftohëse.
Në vendin tonë po punohej edhe për krijimin e qelizave të karburantit për përdorim në astronautikë. Për shembull, qelizat e karburantit janë përdorur për energji Anija sovjetike"Buran" i ripërdorshëm.
Zhvillimi i metodave për përdorimin komercial të qelizave të karburantit filloi në mesin e viteve 1960. Këto zhvillime u financuan pjesërisht nga organizatat qeveritare.
Aktualisht, zhvillimi i teknologjive për përdorimin e qelizave të karburantit shkon në disa drejtime. Ky është krijimi i termocentraleve të palëvizshme në qelizat e karburantit (si për furnizimin me energji të centralizuar ashtu edhe për decentralizimin), termocentralet e automjeteve (janë krijuar mostra të makinave dhe autobusëve në qelizat e karburantit, përfshirë këtu edhe në vendin tonë) (Fig. 3) dhe gjithashtu furnizime me energji elektrike për pajisje të ndryshme celulare (laptopë, telefona celularë, etj.) (Fig. 4).
Shembuj të përdorimit të qelizave të karburantit në fusha të ndryshme janë dhënë në tabelë. një.
Një nga modelet e para komerciale të qelizave të karburantit i projektuar për furnizim autonome me ngrohje dhe energji elektrike të ndërtesave ishte PC25 Model A i prodhuar nga ONSI Corporation (tani United Technologies, Inc.). Kjo qelizë karburanti me fuqi nominale 200 kW i përket llojit të qelizave me elektrolit të bazuar në acid fosforik (Fosforik Acid Fuel Cells, PAFC). Numri "25" në emrin e modelit nënkupton numrin serial të modelit. Shumica e modeleve të mëparshme ishin eksperimentale ose teste, si modeli "PC11" 12.5 kW që u shfaq në vitet 1970. Modelet e reja rritën fuqinë e marrë nga një qelizë e vetme karburanti, dhe gjithashtu reduktuan koston për kilovat të energjisë së prodhuar. Aktualisht, një nga modelet komerciale më efikase është qeliza e karburantit PC25 Model C. Ashtu si modeli "A", kjo është një qelizë karburanti plotësisht automatike e llojit PAFC me një fuqi prej 200 kW, e projektuar për t'u instaluar drejtpërdrejt në objektin e servisuar si një burim i pavarur i nxehtësisë dhe energjisë elektrike. Një qelizë e tillë e karburantit mund të instalohet jashtë ndërtesës. Nga pamja e jashtme, është një paralelipiped 5,5 m i gjatë, 3 m i gjerë dhe 3 m i lartë, me peshë 18,140 kg. Dallimi nga modelet e mëparshme është një reformues i përmirësuar dhe një densitet më i lartë i rrymës.
| Tabela 1 Shtrirja e qelizave të karburantit |
|||||||||||||||
|
Në disa lloje të qelizave të karburantit, procesi kimik mund të kthehet mbrapsht: duke aplikuar një ndryshim potencial në elektroda, uji mund të dekompozohet në hidrogjen dhe oksigjen, të cilët mblidhen në elektroda poroze. Kur lidhet një ngarkesë, një qelizë e tillë rigjeneruese e karburantit do të fillojë të gjenerojë energji elektrike.
Një drejtim premtues për përdorimin e qelizave të karburantit është përdorimi i tyre në lidhje me burimet e rinovueshme të energjisë, si panelet fotovoltaike ose turbinat me erë. Kjo teknologji ju lejon të shmangni plotësisht ndotjen e ajrit. Një sistem i ngjashëm është planifikuar të krijohet, për shembull, në Qendrën e Trajnimit Adam Joseph Lewis në Oberlin (shih ABOK, 2002, nr. 5, f. 10). Aktualisht, si një nga burimet e energjisë në këtë godinë, Panele diellore. Së bashku me specialistët e NASA-s, u zhvillua një projekt për përdorimin e paneleve fotovoltaike për të prodhuar hidrogjen dhe oksigjen nga uji me elektrolizë. Hidrogjeni më pas përdoret në qelizat e karburantit për të gjeneruar energji elektrike dhe ujë të nxehtë. Kjo do të lejojë që ndërtesa të ruajë performancën e të gjitha sistemeve gjatë ditëve me re dhe gjatë natës.
Parimi i funksionimit të qelizave të karburantit
Le të shqyrtojmë parimin e funksionimit të një qelize karburanti duke përdorur elementin më të thjeshtë me një membranë shkëmbimi proton (Membrana e Shkëmbimit të Protonit, PEM) si shembull. Një element i tillë përbëhet nga një membranë polimer e vendosur midis anodës (elektrodës pozitive) dhe katodës (elektrodës negative) së bashku me katalizatorët e anodës dhe katodës. Një membranë polimer përdoret si elektrolit. Diagrami i elementit PEM është paraqitur në fig. 5.
Membrana e shkëmbimit të protoneve (PEM) është një përbërës organik i hollë (afërsisht 2-7 fletë letre të zakonshme) të trashë. Kjo membranë funksionon si një elektrolit: ndan lëndën në jone të ngarkuar pozitivisht dhe negativisht në prani të ujit.
Një proces oksidativ ndodh në anodë, dhe një proces reduktimi ndodh në katodë. Anoda dhe katoda në qelizën PEM janë bërë nga një material poroz, i cili është një përzierje e grimcave të karbonit dhe platinit. Platini vepron si një katalizator që nxit reaksionin e disociimit. Anoda dhe katoda bëhen poroze për kalimin e lirë të hidrogjenit dhe oksigjenit përmes tyre, përkatësisht.
Anoda dhe katoda vendosen midis dy pllakave metalike, të cilat furnizojnë me hidrogjen dhe oksigjen anodës dhe katodës dhe largojnë nxehtësinë dhe ujin, si dhe energjinë elektrike.
Molekulat e hidrogjenit kalojnë përmes kanaleve në pllakë në anodë, ku molekulat dekompozohen në atome individuale (Fig. 6).
Figura 5 () Diagrami skematik i një qelize karburanti me membranën e shkëmbimit të protonit (PEM). |
|
Figura 6 () Molekulat e hidrogjenit përmes kanaleve në pllakë hyjnë në anodë, ku molekulat zbërthehen në atome individuale |
|
Figura 7 () Si rezultat i kimisorbimit në prani të një katalizatori, atomet e hidrogjenit shndërrohen në protone |
|
Figura 8 () Jonet e hidrogjenit të ngarkuar pozitivisht shpërndahen përmes membranës në katodë, dhe rrjedha e elektroneve drejtohet në katodë përmes një qarku elektrik të jashtëm me të cilin është lidhur ngarkesa. |
|
Figura 9 () Oksigjeni i furnizuar në katodë, në prani të një katalizatori, hyn në një reaksion kimik me jonet e hidrogjenit nga membrana e shkëmbimit të protoneve dhe elektronet nga qarku elektrik i jashtëm. Uji formohet si rezultat i një reaksioni kimik |
Më pas, si rezultat i kimisorbimit në prani të një katalizatori, atomet e hidrogjenit, secili duke dhuruar një elektron e-, shndërrohen në jone hidrogjeni të ngarkuar pozitivisht H+, d.m.th., protone (Fig. 7).
Jonet e hidrogjenit të ngarkuar pozitivisht (protonet) shpërndahen përmes membranës në katodë dhe rrjedha e elektroneve drejtohet në katodë përmes një qarku elektrik të jashtëm me të cilin është lidhur ngarkesa (konsumatori i energjisë elektrike) (Fig. 8).
Oksigjeni i furnizuar në katodë, në prani të një katalizatori, hyn në një reaksion kimik me jonet e hidrogjenit (protonet) nga membrana e shkëmbimit të protoneve dhe elektronet nga qarku elektrik i jashtëm (Fig. 9). Si rezultat i një reaksioni kimik, formohet uji.
Reaksioni kimik në një qelizë karburanti të llojeve të tjera (për shembull, me një elektrolit acid, i cili është një zgjidhje e acidit fosforik H 3 PO 4) është absolutisht identik me reaksionin kimik në një qelizë karburanti me një membranë shkëmbimi proton.
Në çdo qelizë të karburantit, një pjesë e energjisë së një reaksioni kimik lëshohet si nxehtësi.
Rrjedha e elektroneve në një qark të jashtëm është një rrymë e drejtpërdrejtë që përdoret për të kryer punë. Hapja e qarkut të jashtëm ose ndalimi i lëvizjes së joneve të hidrogjenit ndalon reaksionin kimik.
Sasia e energjisë elektrike të prodhuar nga një qelizë karburanti varet nga lloji i qelizës së karburantit, dimensionet gjeometrike, temperatura, presioni i gazit. Një qelizë e vetme karburanti siguron një EMF më pak se 1,16 V. Është e mundur të rritet madhësia e qelizave të karburantit, por në praktikë përdoren disa qeliza, të lidhura në bateri (Fig. 10).
Pajisja e qelizave të karburantit
Le të shqyrtojmë pajisjen e qelizave të karburantit në shembullin e modelit PC25 Model C. Skema e qelizës së karburantit është paraqitur në fig. njëmbëdhjetë.
Qeliza e karburantit "PC25 Model C" përbëhet nga tre pjesë kryesore: procesori i karburantit, seksioni aktual i prodhimit të energjisë dhe konverteri i tensionit.
Pjesa kryesore e qelizës së karburantit - seksioni i prodhimit të energjisë - është një pirg i përbërë nga 256 qeliza individuale të karburantit. Përbërja e elektrodave të qelizave të karburantit përfshin një katalizator platini. Nëpërmjet këtyre qelizave, gjenerohet një rrymë elektrike e drejtpërdrejtë prej 1400 amperësh në një tension prej 155 volt. Dimensionet e baterisë janë afërsisht 2.9 m në gjatësi dhe 0.9 m në gjerësi dhe lartësi.
Meqenëse procesi elektrokimik zhvillohet në një temperaturë prej 177 ° C, është e nevojshme të ngrohni baterinë në momentin e fillimit dhe të hiqni nxehtësinë prej saj gjatë funksionimit. Për ta bërë këtë, qeliza e karburantit përfshin një qark të veçantë uji, dhe bateria është e pajisur me pllaka speciale ftohëse.
Procesori i karburantit ju lejon të shndërroni gazin natyror në hidrogjen, i cili është i nevojshëm për një reaksion elektrokimik. Ky proces quhet reformim. Elementi kryesor i procesorit të karburantit është reformatori. Në reformator, gazi natyror (ose lëndë djegëse tjetër që përmban hidrogjen) reagon me avullin në temperaturë të lartë (900 °C) dhe presion të lartë në prani të një katalizatori nikeli. Ndodhin reaksionet e mëposhtme kimike:
CH 4 (metan) + H 2 O 3H 2 + CO
(reagimi endotermik, me thithjen e nxehtësisë);
CO + H 2 O H 2 + CO 2
(reaksioni është ekzotermik, me çlirimin e nxehtësisë).
Reagimi i përgjithshëm shprehet me ekuacionin:
CH 4 (metan) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2
(reaksion endotermik, me thithje nxehtësie).
Për të siguruar temperaturën e lartë të kërkuar për konvertimin e gazit natyror, një pjesë e karburantit të shpenzuar nga grumbulli i qelizave të karburantit drejtohet në një djegës që e mban reformatorin në temperaturën e kërkuar.
Avulli i nevojshëm për reformim gjenerohet nga kondensata e formuar gjatë funksionimit të qelizës së karburantit. Në këtë rast, përdoret nxehtësia e hequr nga grumbulli i qelizave të karburantit (Fig. 12).
Stafi i qelizave të karburantit gjeneron një rrymë direkte me ndërprerje, e cila karakterizohet nga tension i ulët dhe rrymë e lartë. Një konvertues i tensionit përdoret për ta kthyer atë në AC standard industrial. Përveç kësaj, njësia e konvertuesit të tensionit përfshin pajisje të ndryshme kontrolli dhe qarqe të ndërlidhjes së sigurisë që lejojnë që qeliza e karburantit të fiket në rast të dështimeve të ndryshme.
Në një qelizë të tillë karburanti, afërsisht 40% e energjisë në karburant mund të shndërrohet në energji elektrike. Përafërsisht e njëjta sasi, rreth 40% e energjisë së karburantit, mund të konvertohet në energji termale, i cili më pas përdoret si burim nxehtësie për ngrohje, furnizim me ujë të nxehtë dhe qëllime të ngjashme. Kështu, efikasiteti total i një impianti të tillë mund të arrijë 80%.
Një avantazh i rëndësishëm i një burimi të tillë të nxehtësisë dhe energjisë elektrike është mundësia e funksionimit të tij automatik. Për mirëmbajtje, pronarët e objektit në të cilin është instaluar qeliza e karburantit nuk kanë nevojë të mbajnë personel të trajnuar posaçërisht - mirëmbajtje periodike mund të kryhet nga punonjësit e organizatës operative.
Llojet e qelizave të karburantit
Aktualisht, njihen disa lloje të qelizave të karburantit, të cilat ndryshojnë në përbërjen e elektrolitit të përdorur. Katër llojet e mëposhtme janë më të përhapura (Tabela 2):
1. Qelizat e karburantit me membranë shkëmbyese protonike (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).
2. Qelizat e karburantit të bazuara në acidin ortofosforik (fosforik) (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).
3. Qelizat e karburantit të bazuara në karbonat të shkrirë (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).
4. Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). Aktualisht, flota më e madhe e qelizave të karburantit është ndërtuar mbi bazën e teknologjisë PAFC.
Një nga karakteristikat kryesore tipe te ndryshme qeliza e karburantit është temperatura e funksionimit. Në shumë mënyra, është temperatura që përcakton hapësirën e qelizave të karburantit. Për shembull, temperaturat e larta janë kritike për laptopët, kështu që qelizat e karburantit të membranës së shkëmbimit të protonit me temperatura të ulëta funksionimi po zhvillohen për këtë segment të tregut.
Për furnizimin me energji autonome të ndërtesave, kërkohen qeliza karburanti me kapacitet të lartë të instaluar, dhe në të njëjtën kohë është e mundur të përdoret energji termike, prandaj, për këto qëllime mund të përdoren edhe qelizat e karburantit të llojeve të tjera.
Qelizat e karburantit të membranës së shkëmbimit të protonit (PEMFC)
Këto qeliza karburanti funksionojnë në temperatura relativisht të ulëta të punës (60-160°C). Ato karakterizohen nga dendësia e lartë e fuqisë, ju lejojnë të rregulloni shpejt fuqinë e daljes dhe mund të ndizen shpejt. Disavantazhi i këtij lloji elementësh janë kërkesat e larta për cilësinë e karburantit, pasi karburanti i kontaminuar mund të dëmtojë membranën. Fuqia nominale e qelizave të karburantit të këtij lloji është 1-100 kW.
Qelizat e karburantit të membranës së shkëmbimit të protonit u zhvilluan fillimisht nga General Electric Corporation në vitet 1960 për NASA-n. Ky lloj qelize karburanti përdor një elektrolit polimer në gjendje të ngurtë të quajtur Membrana e Shkëmbimit të Protonit (PEM). Protonet mund të lëvizin përmes membranës së shkëmbimit të protonit, por elektronet nuk mund të kalojnë nëpër të, duke rezultuar në një ndryshim potencial midis katodës dhe anodës. Për shkak të thjeshtësisë dhe besueshmërisë së tyre, qelizat e tilla të karburantit u përdorën si burim energjie në një pilot anije kozmike Binjakët.
Ky lloj qelize karburanti përdoret si burim energjie për një gamë të gjerë pajisjesh të ndryshme, duke përfshirë prototipet dhe prototipet, nga telefonat celularë te autobusët dhe sistemet e palëvizshme të energjisë. Temperatura e ulët e funksionimit lejon që qelizat e tilla të përdoren për të fuqizuar lloje të ndryshme kompleksesh pajisjet elektronike. Më pak efikas është përdorimi i tyre si burim i ngrohjes dhe furnizimit me energji elektrike për ndërtesat publike dhe industriale, ku kërkohen sasi të mëdha të energjisë termike. Në të njëjtën kohë, elementë të tillë janë premtues si një burim autonom i furnizimit me energji elektrike për ndërtesat e vogla të banimit, siç janë vilat e ndërtuara në rajone me klimë të nxehtë.
| tabela 2 Llojet e qelizave të karburantit |
||||||||||||||||||||
|
Qelizat e karburantit të acidit fosforik (PAFC)
Testet e qelizave të karburantit të këtij lloji u kryen tashmë në fillim të viteve 1970. Gama e temperaturës së funksionimit - 150-200 °C. Fusha kryesore e aplikimit është burimet autonome të ngrohjes dhe furnizimit me energji elektrike të fuqisë së mesme (rreth 200 kW).
Elektroliti i përdorur në këto qeliza karburanti është një zgjidhje e acidit fosforik. Elektrodat janë bërë prej letre të veshur me karbon, në të cilën shpërndahet një katalizator platini.
Efikasiteti elektrik i qelizave të karburantit PAFC është 37-42%. Megjithatë, meqenëse këto qeliza karburanti funksionojnë në një temperaturë mjaft të lartë, është e mundur të përdoret avulli i krijuar si rezultat i funksionimit. Në këtë rast, efikasiteti i përgjithshëm mund të arrijë 80%.
Për të gjeneruar energji, lënda e parë që përmban hidrogjen duhet të shndërrohet në hidrogjen të pastër përmes një procesi reformimi. Për shembull, nëse benzina përdoret si lëndë djegëse, atëherë komponimet e squfurit duhet të hiqen, pasi squfuri mund të dëmtojë katalizatorin e platinit.
Qelizat e karburantit PAFC ishin qelizat e para komerciale të karburantit që u justifikuan ekonomikisht. Modeli më i zakonshëm ishte qeliza e karburantit PC25 200 kW, e prodhuar nga ONSI Corporation (tani United Technologies, Inc.) (Fig. 13). Për shembull, këta elementë përdoren si burim ngrohjeje dhe energjie elektrike në një stacion policie në Central Park të Nju Jorkut ose si burim shtesë energjie për ndërtesën Conde Nast & Four Times Square. Termocentrali më i madh i këtij lloji është duke u testuar si një termocentral 11 MW që ndodhet në Japoni.
Qelizat e karburantit të bazuara në acidin fosforik përdoren gjithashtu si burim energjie në automjete. Për shembull, në vitin 1994, H-Power Corp., Universiteti Georgetown dhe Departamenti i Energjisë i SHBA pajisën një autobus me një termocentral 50 kW.
Qelizat e karburantit me karbonat të shkrirë (MCFC)
Qelizat e karburantit të këtij lloji funksionojnë në temperatura shumë të larta - 600-700 °C. Këto temperatura funksionimi lejojnë që karburanti të përdoret drejtpërdrejt në vetë qelizën, pa pasur nevojë për një reformator të veçantë. Ky proces quhet "reformim i brendshëm". Kjo ju lejon të thjeshtoni ndjeshëm dizajnin e qelizës së karburantit.
Qelizat e karburantit të bazuara në karbonat të shkrirë kërkojnë një kohë të konsiderueshme të fillimit dhe nuk lejojnë rregullimin e shpejtë të fuqisë dalëse, kështu që zona kryesore e aplikimit të tyre janë burime të mëdha të palëvizshme të nxehtësisë dhe energjisë elektrike. Sidoqoftë, ato dallohen nga efikasiteti i lartë i konvertimit të karburantit - 60% efikasitet elektrik dhe deri në 85% efikasitet i përgjithshëm.
Në këtë lloj qelize karburanti, elektroliti përbëhet nga karbonat kaliumi dhe kripëra karbonat litiumi të ngrohura në rreth 650 °C. Në këto kushte, kripërat janë në gjendje të shkrirë, duke formuar një elektrolit. Në anodë, hidrogjeni ndërvepron me jonet CO 3, duke formuar ujë, dioksid karboni dhe duke lëshuar elektrone që dërgohen në qarkun e jashtëm, dhe në katodë, oksigjeni ndërvepron me dioksidin e karbonit dhe elektronet nga qarku i jashtëm, duke formuar përsëri jone CO 3.
Mostrat laboratorike të qelizave të karburantit të këtij lloji u krijuan në fund të viteve 1950 nga shkencëtarët holandezë G. H. J. Broers dhe J. A. A. Ketelaar. Në vitet 1960, inxhinieri Francis T. Bacon, një pasardhës i një shkrimtari dhe shkencëtari të famshëm anglez të shekullit të 17-të, punoi me këta elementë, kjo është arsyeja pse qelizat e karburantit MCFC nganjëherë quhen elementë Bacon. Programet Apollo, Apollo-Soyuz dhe Scylab të NASA-s përdorën vetëm qeliza të tilla karburanti si burim energjie (Fig. 14). Në të njëjtat vite, departamenti ushtarak amerikan testoi disa mostra të qelizave të karburantit MCFC të prodhuara nga Texas Instruments, në të cilat klasat e ushtrisë të benzinës u përdorën si karburant. Në mesin e viteve 1970, Departamenti Amerikan i Energjisë filloi kërkimin për të zhvilluar një qelizë të palëvizshme të karburantit karbonat të shkrirë të përshtatshme për aplikime praktike. Në vitet 1990, një numër njësish komerciale të vlerësuara deri në 250 kW u vunë në punë, si në Stacionin Ajror Detar të SHBA Miramar në Kaliforni. Në vitin 1996, FuelCell Energy, Inc. nisur në operacion provues Impianti i para-serisë 2 MW në Santa Clara, Kaliforni.
Qelizat e karburantit me oksid në gjendje të ngurtë (SOFC)
Qelizat e karburantit me oksid në gjendje të ngurtë janë të thjeshta në dizajn dhe funksionojnë në temperatura shumë të larta - 700-1000 °C. Temperaturat e tilla të larta lejojnë përdorimin e karburantit relativisht të "ndotur", të parafinuar. Të njëjtat veçori si në qelizat e karburantit të bazuara në karbonat të shkrirë përcaktojnë një zonë të ngjashme aplikimi - burime të mëdha stacionare të nxehtësisë dhe energjisë elektrike.
Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë janë strukturalisht të ndryshme nga qelizat e karburantit të bazuara në teknologjitë PAFC dhe MCFC. Anoda, katoda dhe elektroliti janë bërë nga klasa të veçanta të qeramikës. Më shpesh, një përzierje e oksidit të zirkonit dhe oksidit të kalciumit përdoret si elektrolit, por mund të përdoren okside të tjera. Elektroliti formon një rrjetë kristali të veshur në të dyja anët me një material elektrodë poroz. Strukturisht, elementë të tillë bëhen në formën e tubave ose dërrasave të sheshta, gjë që bën të mundur përdorimin e teknologjive të përdorura gjerësisht në industrinë elektronike në prodhimin e tyre. Si rezultat, qelizat e karburantit të oksidit në gjendje të ngurtë mund të funksionojnë në temperatura shumë të larta, kështu që ato mund të përdoren për të prodhuar energji elektrike dhe termike.
Në temperatura të larta të funksionimit, jonet e oksigjenit formohen në katodë, të cilat migrojnë përmes rrjetës kristalore në anodë, ku ndërveprojnë me jonet e hidrogjenit, duke formuar ujë dhe duke lëshuar elektrone të lira. Në këtë rast, hidrogjeni lirohet nga gazi natyror direkt në qelizë, domethënë nuk ka nevojë për një reformator të veçantë.
Bazat teorike për krijimin e qelizave të karburantit të oksidit në gjendje të ngurtë u hodhën në fund të viteve 1930, kur shkencëtarët zviceranë Bauer (Emil Bauer) dhe Preis (H. Preis) eksperimentuan me zirkonium, ytrium, cerium, lantan dhe tungsten, duke i përdorur ato. si elektrolite.
Prototipet e para të qelizave të tilla të karburantit u krijuan në fund të viteve 1950 nga një numër kompanish amerikane dhe holandeze. Shumica e këtyre kompanive braktisën shpejt kërkimet e mëtejshme për shkak të vështirësive teknologjike, por njëra prej tyre, Westinghouse Electric Corp. (tani "Siemens Westinghouse Power Corporation"), vazhdoi punën. Kompania aktualisht po pranon porositë paraprake për një model komercial të qelizës së karburantit të oksidit të ngurtë me topologji tubulare që pritet këtë vit (Figura 15). Segmenti i tregut të elementëve të tillë janë instalimet stacionare për prodhimin e energjisë termike dhe elektrike me një kapacitet prej 250 kW deri në 5 MW.
Qelizat e karburantit të tipit SOFC kanë treguar besueshmëri shumë të lartë. Për shembull, një prototip i qelizave të karburantit të Siemens Westinghouse ka regjistruar 16,600 orë dhe vazhdon të funksionojë, duke e bërë atë jetën më të gjatë të vazhdueshme të qelizave të karburantit në botë.
Temperatura e lartë dhe mënyra e funksionimit me presion të lartë të qelizave të karburantit SOFC lejon krijimin e impianteve hibride, në të cilat emetimet e qelizave të karburantit nxisin turbinat me gaz që përdoren për të prodhuar energji elektrike. Fabrika e parë e tillë hibride është në funksionim në Irvine, Kaliforni. Fuqia nominale e këtij impianti është 220 kW, nga të cilat 200 kW nga qeliza e karburantit dhe 20 kW nga gjeneratori i mikroturbinës.
Shtetet e Bashkuara kanë ndërmarrë disa iniciativa për të zhvilluar qelizat e karburantit me hidrogjen, infrastrukturën dhe teknologjitë për t'i bërë automjetet me qeliza karburanti praktike dhe ekonomike deri në vitin 2020. Për këto qëllime janë ndarë më shumë se një miliard dollarë.
Qelizat e karburantit gjenerojnë energji elektrike në heshtje dhe efikasitet pa ndotje mjedisi. Ndryshe nga burimet e energjisë së karburanteve fosile, nënproduktet e qelizave të karburantit janë nxehtësia dhe uji. Si punon?
Në këtë artikull, ne do të shqyrtojmë shkurtimisht secilën prej ekzistuesve teknologjitë e karburantit sot, si dhe të flasim për projektimin dhe funksionimin e qelizave të karburantit, krahasoni ato me format e tjera të prodhimit të energjisë. Ne do të diskutojmë gjithashtu disa nga pengesat me të cilat përballen studiuesit për t'i bërë qelizat e karburantit praktike dhe të përballueshme për konsumatorët.
Qelizat e karburantit janë pajisje për konvertimin e energjisë elektrokimike. Qeliza e karburantit konvertohet substancave kimike, hidrogjeni dhe oksigjeni në ujë, në procesin e të cilit prodhon energji elektrike.
Një tjetër pajisje elektrokimike me të cilën të gjithë jemi shumë të njohur është bateria. Bateria ka brenda saj të gjithë elementët e nevojshëm kimikë dhe i kthen këto substanca në energji elektrike. Kjo do të thotë që bateria përfundimisht "vdes" dhe ju ose e hidhni ose e rikarikoni.
Në një qelizë karburanti, kimikatet futen vazhdimisht në të në mënyrë që të mos "vdes". Energjia elektrike do të gjenerohet për aq kohë sa kimikatet hyjnë në qelizë. Shumica e qelizave të karburantit që përdoren sot përdorin hidrogjen dhe oksigjen.
Hidrogjeni është elementi më i zakonshëm në galaktikën tonë. Sidoqoftë, hidrogjeni praktikisht nuk ekziston në Tokë në formën e tij elementare. Inxhinierët dhe shkencëtarët duhet të nxjerrin hidrogjen të pastër nga përbërjet e hidrogjenit, duke përfshirë lëndët djegëse fosile ose ujin. Për të nxjerrë hidrogjenin nga këto komponime, duhet të shpenzoni energji në formën e nxehtësisë ose energjisë elektrike.
Shpikja e qelizave të karburantit
Sir William Grove shpiku qelizën e parë të karburantit në 1839. Grove e dinte se uji mund të ndahej në hidrogjen dhe oksigjen duke kaluar nëpër të një rrymë elektrike (një proces i quajtur elektroliza). Ai sugjeroi që në rend të kundërt, mund të sigurohet energjia elektrike dhe uji. Ai krijoi një qelizë primitive karburanti dhe e quajti atë bateri galvanike me gaz. Pasi eksperimentoi me shpikjen e tij të re, Grove provoi hipotezën e tij. Pesëdhjetë vjet më vonë, shkencëtarët Ludwig Mond dhe Charles Langer shpikën termin qelizat e karburantit kur përpiqet të ndërtojë një model praktik për prodhimin e energjisë.
Qeliza e karburantit do të konkurrojë me shumë pajisje të tjera të konvertimit të energjisë, duke përfshirë turbinat me gaz në termocentralet urbane, motorët me djegie të brendshme në makina dhe bateritë e të gjitha llojeve. Motorët me djegie të brendshme, si turbinat me gaz, digjen lloje te ndryshme lëndë djegëse dhe përdorin presionin e krijuar nga zgjerimi i gazeve për të kryer punë mekanike. Bateritë e shndërrojnë energjinë kimike në energji elektrike kur është e nevojshme. Qelizat e karburantit duhet t'i kryejnë këto detyra në mënyrë më efikase.
Qeliza e karburantit siguron tension DC (rrymë direkte) që mund të përdoret për të fuqizuar motorët elektrikë, ndriçimin dhe pajisjet e tjera elektrike.
Ekzistojnë disa lloje të ndryshme të qelizave të karburantit, secila duke përdorur procese të ndryshme kimike. Qelizat e karburantit zakonisht klasifikohen sipas tyre temperatura e funksionimit dhe llojielektrolit, të cilat ata përdorin. Disa lloje të qelizave të karburantit janë të përshtatshme për t'u përdorur në termocentrale të palëvizshme. Të tjera mund të jenë të dobishme për pajisje të vogla portative ose për të fuqizuar makinat. Llojet kryesore të qelizave të karburantit përfshijnë:
Qeliza e karburantit e membranës së shkëmbimit të polimerit (PEMFC)
PEMFC konsiderohet si kandidati më i mundshëm për aplikimet e transportit. PEMFC ka fuqi të lartë dhe temperaturë relativisht të ulët të funksionimit (në rangun prej 60 deri në 80 gradë Celsius). Temperatura e ulët e funksionimit do të thotë që qelizat e karburantit mund të ngrohen shpejt për të filluar prodhimin e energjisë elektrike.
Qeliza e karburantit me oksid të ngurtë (SOFC)
Këto qeliza karburanti janë më të përshtatshmet për gjeneratorë të mëdhenj të palëvizshëm të energjisë që mund të sigurojnë energji elektrike për fabrikat ose qytetet. Kjo lloj qelize karburanti funksionon në temperatura shumë të larta (700 deri në 1000 gradë Celsius). Temperatura e lartë është një problem besueshmërie sepse disa nga qelizat e karburantit mund të dështojnë pas disa cikleve të ndezjes dhe fikjes. Sidoqoftë, qelizat e karburantit me oksid të ngurtë janë shumë të qëndrueshme në funksionimin e vazhdueshëm. Në të vërtetë, SOFC-të kanë demonstruar jetëgjatësinë më të gjatë të funksionimit të çdo qelize karburanti në kushte të caktuara. Temperatura e lartë gjithashtu ka avantazhin që avulli i gjeneruar nga qelizat e karburantit mund të drejtohet në turbina dhe të gjenerojë më shumë energji elektrike. Ky proces quhet bashkëprodhimi i nxehtësisë dhe energjisë elektrike dhe përmirëson efikasitetin e përgjithshëm të sistemit.
Qeliza alkaline e karburantit (AFC)
Është një nga modelet më të vjetra të qelizave të karburantit, i përdorur që nga vitet 1960. AFC-të janë shumë të ndjeshëm ndaj ndotjes pasi kërkojnë hidrogjen dhe oksigjen të pastër. Përveç kësaj, ato janë shumë të shtrenjta, kështu që ky lloj qelize karburanti nuk ka gjasa të vihet në prodhim masiv.
Qeliza e karburantit me karbonat të shkrirë (MCFC)
Ashtu si SOFC-të, këto qeliza karburanti janë gjithashtu më të përshtatshmet për termocentrale të mëdha stacionare dhe gjeneratorë. Ata funksionojnë në 600 gradë Celsius në mënyrë që të mund të gjenerojnë avull, i cili nga ana tjetër mund të përdoret për të gjeneruar edhe më shumë energji. Ata kanë një temperaturë më të ulët të funksionimit sesa qelizat e karburantit me oksid të ngurtë, që do të thotë se nuk kanë nevojë për materiale të tilla rezistente ndaj nxehtësisë. Kjo i bën ato pak më të lira.
Qeliza e karburantit me acid fosforik (PAFC)
Qelizë e karburantit të acidit fosforik ka potencial për përdorim në sistemet e vogla stacionare të energjisë. Funksionon në një temperaturë më të lartë se një qelizë e karburantit e membranës së shkëmbimit të polimerit, kështu që kërkon më shumë kohë për t'u ngrohur, duke e bërë atë të papërshtatshëm për përdorim në automobil.
Qelizat e karburantit metanol Qeliza e karburantit direkt me metanol (DMFC)
Qelizat e karburantit metanol janë të krahasueshme me PEMFC për sa i përket temperaturës së funksionimit, por nuk janë aq efikase. Përveç kësaj, DMFC-të kërkojnë mjaft platin si katalizator, gjë që i bën këto qeliza karburanti të shtrenjta.
Qelizë karburanti me membranë shkëmbimi polimer
Qeliza e karburantit e membranës së shkëmbimit të polimerit (PEMFC) është një nga teknologjitë më premtuese të qelizave të karburantit. PEMFC përdor një nga reagimet më të thjeshta të çdo qelize karburanti. Konsideroni se nga çfarë përbëhet.
1. POR nyje – Terminali negativ i qelizës së karburantit. Përcjell elektronet që lirohen nga molekulat e hidrogjenit, pas së cilës ato mund të përdoren në një qark të jashtëm. Ai është i gdhendur me kanale përmes të cilave gazi hidrogjen shpërndahet në mënyrë të barabartë në sipërfaqen e katalizatorit.
2.te atom - terminali pozitiv i qelizës së karburantit ka gjithashtu kanale për shpërndarjen e oksigjenit mbi sipërfaqen e katalizatorit. Ai gjithashtu përcjell elektronet nga zinxhiri i jashtëm i katalizatorit, ku ato mund të kombinohen me jonet e hidrogjenit dhe oksigjenit për të formuar ujë.
3.Membrana e këmbimit elektrolit-proton. Është një material i trajtuar posaçërisht që përçon vetëm jone të ngarkuar pozitivisht dhe bllokon elektronet. Në PEMFC, membrana duhet të hidratohet që të funksionojë siç duhet dhe të mbetet e qëndrueshme.
4. Katalizatorështë një material i veçantë që nxit reagimin e oksigjenit dhe hidrogjenit. Zakonisht është bërë nga nanogrimca platini të depozituara shumë hollë në letër ose pëlhurë karboni. Katalizatori ka një strukturë sipërfaqësore të tillë që sipërfaqja maksimale e platinit mund të ekspozohet ndaj hidrogjenit ose oksigjenit.
Figura tregon gazin e hidrogjenit (H2) që hyn nën presion në qelizën e karburantit nga ana e anodës. Kur një molekulë H2 bie në kontakt me platinin në katalizator, ajo ndahet në dy jone H+ dhe dy elektrone. Elektronet kalojnë nëpër anodë ku përdoren në një qark të jashtëm (duke kryer punë e dobishme, siç është rrotullimi i motorit) dhe kthehuni në anën katodë të qelizës së karburantit.
Ndërkohë, në anën katodë të qelizës së karburantit, oksigjeni (O2) nga ajri kalon përmes katalizatorit ku formon dy atome oksigjeni. Secili prej këtyre atomeve ka një ngarkesë të fortë negative. Kjo ngarkesë negative tërheq dy jone H+ nëpër membranë ku ato bashkohen me një atom oksigjeni dhe dy elektrone nga qarku i jashtëm për të formuar një molekulë uji (H2O).
Ky reagim në një qelizë të vetme karburanti prodhon vetëm afërsisht 0,7 volt. Për të rritur tensionin në një nivel të arsyeshëm, shumë qeliza individuale të karburantit duhet të kombinohen për të formuar një pirg qelizash karburanti. Pllakat bipolare përdoren për të lidhur një qelizë karburanti me një tjetër dhe i nënshtrohen oksidimit me potencial në rënie. Problemi i madh me pllakat bipolare është qëndrueshmëria e tyre. Pllakat bipolare metalike mund të gërryhen dhe nënproduktet (jonet e hekurit dhe kromit) ulin efikasitetin e membranave dhe elektrodave të qelizave të karburantit. Prandaj, qelizat e karburantit me temperaturë të ulët përdorin metale të lehta, grafit dhe përbërje të përbëra të karbonit dhe materialit termorregullues (materiali termofikues është një lloj plastik që mbetet i ngurtë edhe kur i nënshtrohet temperaturave të larta) në formën e një materiali fletë bipolar.
Efikasiteti i qelizave të karburantit
Reduktimi i ndotjes është një nga qëllimet kryesore të një qelize karburanti. Duke krahasuar një makinë të mundësuar nga një qelizë karburanti me një makinë të mundësuar nga një motor benzine dhe një makinë të mundësuar nga një bateri, mund të shihni se si qelizat e karburantit mund të përmirësojnë efikasitetin e makinave.
Meqenëse të tre llojet e makinave kanë shumë përbërës të njëjtë, ne do ta injorojmë këtë pjesë të makinës dhe do të krahasojmë veprimet e dobishme deri në pikën ku prodhohet energji mekanike. Le të fillojmë me makinën e qelizave të karburantit.
Nëse një qelizë e karburantit fuqizohet nga hidrogjen i pastër, efikasiteti i saj mund të jetë deri në 80 për qind. Kështu, ai konverton 80 për qind të përmbajtjes energjetike të hidrogjenit në energji elektrike. Megjithatë, ne ende duhet ta shndërrojmë energjinë elektrike në punë mekanike. Kjo arrihet nga një motor elektrik dhe një inverter. Efikasiteti i motorit + inverterit është gjithashtu afërsisht 80 përqind. Kjo jep një efikasitet të përgjithshëm prej afërsisht 80*80/100=64 përqind. Automjeti konceptual FCX i Honda-s thuhet se ka një efikasitet energjie prej 60 për qind.
Nëse burimi i karburantit nuk është në formën e hidrogjenit të pastër, atëherë automjeti do të duhet edhe një reformator. Reformatorët konvertojnë karburantet hidrokarbure ose alkooli në hidrogjen. Ata gjenerojnë nxehtësi dhe prodhojnë CO dhe CO2 përveç hidrogjenit. Për të pastruar hidrogjenin që rezulton, ata përdorin pajisje të ndryshme, por ky pastrim është i pamjaftueshëm dhe zvogëlon efikasitetin e qelizës së karburantit. Prandaj, studiuesit vendosën të fokusohen në qelizat e karburantit për automjetet që funksionojnë me hidrogjen të pastër, pavarësisht nga problemet që lidhen me prodhimin dhe ruajtjen e hidrogjenit.
Efikasiteti i një motori benzine dhe një makine në bateritë elektrike
Efikasiteti i një makine me benzinë është çuditërisht i ulët. E gjithë nxehtësia që del jashtë në formën e shkarkimit ose thithet nga radiatori është energji e humbur. Motori përdor gjithashtu shumë energji për të kthyer pompat, tifozët dhe gjeneratorët e ndryshëm që e mbajnë atë në punë. Kështu, efikasiteti i përgjithshëm i një motori me benzinë automobilistike është afërsisht 20 përqind. Kështu, vetëm afërsisht 20 për qind e përmbajtjes së energjisë termike të benzinës shndërrohet në punë mekanike.
Një automjet elektrik me bateri ka një efikasitet mjaft të lartë. Bateria është afërsisht 90 përqind efikase (shumica e baterive gjenerojnë pak nxehtësi ose kërkojnë ngrohje), dhe motori + inverter është afërsisht 80 përqind efikas. Kjo jep një efikasitet të përgjithshëm prej rreth 72 përqind.
Por kjo nuk është e gjitha. Në mënyrë që një makinë elektrike të lëvizë, së pari duhet të prodhohet energji elektrike diku. Nëse ishte një termocentral që përdorte një proces djegieje të karburanteve fosile (në vend të energjisë bërthamore, hidroelektrike, diellore ose të erës), atëherë vetëm rreth 40 për qind e karburantit të konsumuar nga termocentrali u shndërrua në energji elektrike. Plus, procesi i karikimit të një makine kërkon konvertimin e fuqisë së rrymës alternative (AC) në fuqi të rrymës direkte (DC). Ky proces ka një efikasitet prej afërsisht 90 për qind.
Tani, nëse shikojmë të gjithë ciklin, efikasiteti i një automjeti elektrik është 72 për qind për vetë makinën, 40 për qind për termocentralin dhe 90 për qind për karikimin e makinës. Kjo jep një efikasitet të përgjithshëm prej 26 përqind. Efikasiteti i përgjithshëm ndryshon në mënyrë të konsiderueshme në varësi të stacionit të energjisë që përdoret për të ngarkuar baterinë. Nëse energjia elektrike për një makinë prodhohet, për shembull, nga një hidrocentral, atëherë efikasiteti i një makine elektrike do të jetë rreth 65 për qind.
Shkencëtarët po hulumtojnë dhe përpunojnë modele për të vazhduar përmirësimin e efikasitetit të qelizave të karburantit. Një nga qasjet e reja është kombinimi i automjeteve me qeliza karburanti dhe bateri. Një automjet koncept është duke u zhvilluar për t'u mundësuar nga një motor hibrid me energji me qeliza karburanti. Ai përdor një bateri litium për të fuqizuar makinën ndërsa një qelizë karburanti rikarik baterinë.
Automjetet me qeliza karburanti janë potencialisht po aq efikase sa një makinë me bateri që ngarkohet nga një termocentral pa lëndë djegëse fosile. Por arritja e një potenciali të tillë nga praktike dhe mënyrë e aksesueshme mund të jetë e vështirë.
Pse të përdorni qelizat e karburantit?
Arsyeja kryesore është gjithçka që lidhet me naftën. Amerika duhet të importojë gati 60 për qind të naftës së saj. Deri në vitin 2025, importet pritet të rriten në 68%. Amerikanët përdorin dy të tretat e naftës çdo ditë për transport. Edhe nëse çdo makinë në rrugë do të ishte një makinë hibride, deri në vitin 2025 SHBA do të duhej të përdorte të njëjtën sasi vaji që amerikanët konsumuan në vitin 2000. Në të vërtetë, Amerika konsumon një të katërtën e të gjithë naftës së prodhuar në botë, megjithëse vetëm 4.6% e popullsisë së botës jeton këtu.
Ekspertët presin që çmimet e naftës të vazhdojnë të rriten gjatë disa dekadave të ardhshme pasi burimet më të lira po shterrojnë. Kompanitë e naftës duhet të zhvillohet fushat e naftës në kushte gjithnjë e më të vështira, duke bërë që çmimet e naftës të rriten.
Frika shtrihet shumë përtej siguria ekonomike. Shumë nga të ardhurat nga shitja e naftës shpenzohen për mbështetjen e terrorizmit ndërkombëtar, partive politike radikale dhe situatës së paqëndrueshme në rajonet prodhuese të naftës.
Përdorimi i naftës dhe lëndëve djegëse të tjera fosile për energji prodhon ndotje. Është më mirë që të gjithë të gjejnë një alternativë - djegien e lëndëve djegëse fosile për energji.
Qelizat e karburantit janë një alternativë tërheqëse ndaj varësisë nga vaji. Qelizat e karburantit prodhojnë ujë të pastër si nënprodukt në vend të ndotjes. Ndërsa inxhinierët janë përqendruar përkohësisht në prodhimin e hidrogjenit nga burime të ndryshme fosile si benzina ose gazi natyror, po hulumtohen mënyra të rinovueshme dhe miqësore me mjedisin për të prodhuar hidrogjen në të ardhmen. Më premtuesi, natyrisht, do të jetë procesi i marrjes së hidrogjenit nga uji.
Varësia nga nafta dhe ngrohja globale është një problem ndërkombëtar. Disa vende janë të përfshira së bashku në zhvillimin e kërkimit dhe zhvillimit për teknologjinë e qelizave të karburantit.
Është e qartë se shkencëtarët dhe prodhuesit kanë shumë punë për të bërë përpara se qelizat e karburantit të bëhen një alternativë. metoda moderne prodhimi i energjisë. E megjithatë, me mbështetjen e të gjithë botës dhe bashkëpunimin global, një sistem i qëndrueshëm energjetik i bazuar në qelizat e karburantit mund të bëhet realitet në disa dekada.
vëndi i karburantit ( vëndi i karburantit) është një pajisje që shndërron energjinë kimike në energji elektrike. Është e ngjashme në parim me një bateri konvencionale, por ndryshon në atë që funksionimi i saj kërkon një furnizim të vazhdueshëm të substancave nga jashtë për të ndodhur një reaksion elektrokimik. Hidrogjeni dhe oksigjeni furnizohen në qelizat e karburantit, dhe prodhimi është energjia elektrike, uji dhe nxehtësia. Përparësitë e tyre përfshijnë 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 karburanti është i disponueshëm. Ata nuk kanë nevojë të karikohen për orë të tëra derisa të karikohen plotësisht. Për më tepër, vetë qelizat mund të ngarkojnë baterinë ndërsa makina është e parkuar me motorin e fikur.
Qelizat e karburantit të membranës protonike (PEMFC) dhe qelizat e karburantit me oksid të ngurtë (SOFC) janë më të përdorurat në automjetet me hidrogjen.
Një qelizë karburanti me një membranë shkëmbimi proton funksionon si më poshtë. Midis anodës dhe katodës janë një membranë e veçantë dhe një katalizator i veshur me platin. Hidrogjeni hyn në anodë, dhe oksigjeni hyn në katodë (për shembull, nga ajri). Në anodë, hidrogjeni zbërthehet në protone dhe elektrone me ndihmën e një katalizatori. Protonet e hidrogjenit kalojnë nëpër membranë dhe hyjnë në katodë, ndërsa elektronet i lëshohen qarkut të jashtëm (membrana nuk i lë të kalojnë). Diferenca potenciale e fituar në këtë mënyrë çon në shfaqjen e një rryme elektrike. Në anën e katodës, protonet e hidrogjenit oksidohen nga oksigjeni. Si rezultat, prodhohet avulli i ujit, i cili është elementi kryesor i gazrave të shkarkimit të makinave. Duke pasur një efikasitet të lartë, qelizat PEM kanë një pengesë të rëndësishme - funksionimi i tyre kërkon hidrogjen të pastër, ruajtja e të cilit është një problem mjaft serioz.
Nëse gjendet një katalizator i tillë që do të zëvendësojë platinin e shtrenjtë në këto qeliza, atëherë menjëherë do të krijohet një qelizë e lirë karburanti për të gjeneruar energji 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 - oksidimi i pjesshëm), qeliza të tilla mund të konsumojnë benzinë të zakonshme si lëndë djegëse. Procesi i shndërrimit të benzinës direkt në energji elektrike është si më poshtë. Në një pajisje të veçantë - një reformator, në një temperaturë prej rreth 800 ° C, benzina avullohet dhe dekompozohet në elementët e saj përbërës.
Kjo lëshon hidrogjen dhe dioksid karboni. Më tej, gjithashtu nën ndikimin e temperaturës dhe me ndihmën e SOFC drejtpërdrejt (i përbërë nga një poroz material qeramik bazuar në oksidin e zirkonit), hidrogjeni oksidohet nga oksigjeni në ajër. Pas marrjes së hidrogjenit nga benzina, procesi vazhdon më tej sipas skenarit të përshkruar më sipër, me vetëm një ndryshim: qeliza e karburantit SOFC, ndryshe nga pajisjet që funksionojnë me hidrogjen, është më pak e ndjeshme ndaj papastërtive të huaja në karburantin origjinal. Pra, cilësia e benzinës nuk duhet të ndikojë në performancën e qelizës së karburantit.
Temperatura e lartë e funksionimit të SOFC (650-800 gradë) është një pengesë e rëndësishme, procesi i ngrohjes zgjat rreth 20 minuta. Sidoqoftë, nxehtësia e tepërt nuk është problem, pasi ajo hiqet plotësisht nga ajri i mbetur dhe gazrat e shkarkimit të prodhuar nga reformatori dhe vetë qeliza e karburantit. Kjo lejon që sistemi SOFC të integrohet në automjet si një pajisje e pavarur në një strehim të izoluar termikisht.
Struktura modulare ju lejon të arrini tensionin e kërkuar nga lidhje serike grup qelizash standarde. Dhe, ndoshta më e rëndësishmja, nga pikëpamja e prezantimit të pajisjeve të tilla, nuk ka elektroda shumë të shtrenjta me bazë platini në SOFC. Është kostoja e lartë e këtyre elementeve që është një nga pengesat në zhvillimin dhe përhapjen e teknologjisë PEMFC.
Llojet e qelizave të karburantit
Aktualisht, ekzistojnë lloje të tilla të qelizave të karburantit:
- A.F.C.– Qeliza Alkaline e Karburantit (celula alkaline e karburantit);
- PAFC– Qeliza e karburantit të acidit fosforik (qeliza e karburantit të acidit fosforik);
- PEMFC– Qeliza Karburante e Membranës së Shkëmbimit të Protonit (qeliza e karburantit me një membranë shkëmbyese protonike);
- DMFC– Qelizë djegëse direkte me metanol (qelizë karburanti me dekompozim 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).
Sir William Grove dinte shumë për elektrolizën, kështu që ai hodhi hipotezën se nga procesi (i cili ndan ujin në hidrogjenin dhe oksigjenin përbërës të tij duke përçuar elektricitetin përmes tij) ai mund të prodhonte nëse do të kthehej mbrapsht. Pasi llogariti në letër, ai shkoi në fazën eksperimentale dhe arriti të provojë idetë e tij. Hipoteza e provuar u zhvillua nga shkencëtarët Ludwig Mond dhe ndihmësi i tij Charles Langre, përmirësoi teknologjinë dhe në 1889 i dha një emër që përfshinte dy fjalë - "qelizë karburanti".
Tani kjo frazë është vendosur fort në jetën e përditshme të shoferëve. Me siguri e keni dëgjuar më shumë se një herë termin "qelizë karburanti". Në lajmet në internet, në TV, fjalët e reja po ndezin gjithnjë e më shumë. Ata zakonisht i referohen tregimeve rreth automjeteve hibride më të fundit ose programeve të zhvillimit për këto automjete hibride.
Për shembull, 11 vjet më parë u lançua në SHBA programi "The Hydrogen Fuel Initiative". Programi u fokusua në zhvillimin e teknologjive të qelizave të karburantit të hidrogjenit dhe infrastrukturës të nevojshme për t'i bërë automjetet me qeliza karburanti praktike dhe ekonomikisht të qëndrueshme deri në vitin 2020. Nga rruga, gjatë kësaj kohe më shumë se 1 miliard dollarë u ndanë për programin, gjë që tregon një bast serioz që bënë autoritetet amerikane.
Në anën tjetër të oqeanit, prodhuesit e makinave ishin gjithashtu në gatishmëri, duke filluar ose duke vazhduar kërkimin e tyre mbi makinat me qeliza karburanti. , dhe madje vazhdoi të punojë në ndërtimin e teknologjisë së fuqishme të qelizave të karburantit.
Suksesin më të madh në këtë fushë midis të gjithë prodhuesve botërorë të automjeteve e kanë arritur dy prodhues japonezë dhe. Modelet e tyre të qelizave të karburantit janë tashmë në prodhim të plotë, ndërsa konkurrentët e tyre janë menjëherë pas tyre.
Prandaj, qelizat e karburantit në industrinë e automobilave janë këtu për të qëndruar. Konsideroni parimet e teknologjisë dhe aplikimin e saj në makinat moderne.
Parimi i funksionimit të qelizës së karburantit
Në fakt, . Nga pikëpamja teknike, një qelizë e karburantit mund të përkufizohet si një pajisje elektrokimike për konvertimin e energjisë. Ai konverton grimcat e hidrogjenit dhe oksigjenit në ujë, duke prodhuar energji elektrike, rrymë direkte, në proces.
Ka shumë lloje të qelizave të karburantit, disa janë tashmë në përdorim në makina, të tjera janë duke u testuar në kërkime. Shumica e tyre përdorin hidrogjen dhe oksigjen si kryesore elementet kimike të nevojshme për konvertim.
Një procedurë e ngjashme ndodh në një bateri konvencionale, ndryshimi i vetëm është se ajo tashmë ka të gjitha kimikatet e nevojshme për konvertim "në bord", ndërsa qeliza e karburantit mund të "karikohet" nga një burim i jashtëm, për shkak të të cilit procesi i " prodhimi i energjisë elektrike mund të vazhdojë. Përveç avullit të ujit dhe energjisë elektrike, një nënprodukt tjetër i procedurës është nxehtësia e gjeneruar.
Një qelizë karburanti e membranës së shkëmbimit të protoneve hidrogjen-oksigjen përmban një membranë polimer përçuese të protonit që ndan dy elektroda, një anodë dhe një katodë. Çdo elektrodë është zakonisht një pllakë karboni (matricë) me një katalizator të depozituar - platin ose një aliazh platinoidesh dhe përbërje të tjera.
Në katalizatorin e anodës, hidrogjeni molekular shkëputet dhe humbet elektronet. Kationet e hidrogjenit përcillen përmes membranës në katodë, por elektronet lëshohen në qarkun e jashtëm, pasi membrana nuk lejon që elektronet të kalojnë.
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 reaksionit (në formën e avullit dhe/ose lëngut).
wikipedia.org
Aplikimi në makina
Nga të gjitha llojet e qelizave të karburantit, qelizat e karburantit të bazuara në membranat e shkëmbimit të protoneve ose, siç quhen në Perëndim, Celula e Karburantit të Membranës së Shkëmbimit të Polymerit (PEMFC), janë bërë kandidati më i mirë për përdorim në automjete. Arsyet kryesore për këtë janë densiteti i lartë i fuqisë dhe temperatura relativisht e ulët e funksionimit, që nga ana tjetër do të thotë se nuk kërkon shumë kohë për të vënë në punë qelizat e karburantit. Ata shpejt do të ngrohen dhe do të fillojnë të prodhojnë sasinë e nevojshme të energjisë elektrike. Ai gjithashtu përdor një nga reagimet më të thjeshta të të gjitha llojeve të qelizave të karburantit.
Automjeti i parë me këtë teknologji u bë në vitin 1994 kur Mercedes-Benz prezantoi MB100 bazuar në NECAR1 (makina e re elektrike 1). Përveç fuqisë së ulët të prodhimit (vetëm 50 kilovat), pengesa më e madhe e këtij koncepti ishte se qeliza e karburantit zinte të gjithë vëllimin e ngarkesës së furgonit.
Gjithashtu, nga pikëpamja e sigurisë pasive, ishte një ide e tmerrshme për prodhim masiv, duke pasur parasysh nevojën për të instaluar në bord një rezervuar masiv të mbushur me hidrogjen të ndezshëm nën presion.
Gjatë dekadës së ardhshme, teknologjia evoluoi dhe një nga konceptet më të fundit të qelizave të karburantit nga Mercedes kishte një fuqi prej 115 kf. (85 kW) dhe një distancë prej rreth 400 kilometra para karburantit. Sigurisht, gjermanët nuk ishin pionierët e vetëm në zhvillimin e qelizave të karburantit të së ardhmes. Mos harroni dy japonezët, Toyota dhe. Një nga lojtarët më të mëdhenj të automobilave ishte Honda, e cila prezantoi një makinë prodhimi me termocentrali në qelizat e karburantit me hidrogjen. Shitjet me qira të FCX Clarity në Shtetet e Bashkuara filluan në verën e vitit 2008; pak më vonë, shitja e makinës u zhvendos në Japoni. 
Toyota ka shkuar edhe më tej me Mirai, sistemi i avancuar i qelizave të karburantit të hidrogjenit të të cilit me sa duket është i aftë t'i japë makinës futuriste një distancë prej 520 km në një rezervuar të vetëm që mund të furnizohet me karburant në më pak se pesë minuta, ashtu si një konvencional. Shifrat e konsumit të karburantit do të mahnitin çdo skeptik, ato janë të pabesueshme edhe për një makinë me një termocentral klasik, konsumon 3.5 litra, pavarësisht nëse makina përdoret në qytet, në autostradë apo në cikël të kombinuar.
Kanë kaluar tetë vjet. Honda e shfrytëzoi mirë atë kohë. Gjenerata e dytë Honda FCX Clarity tani është në shitje. Grupet e tij të qelizave të karburantit janë 33% më kompakte se modeli i parë, me një rritje prej 60% në densitetin e fuqisë. Honda pretendon se qeliza e karburantit dhe sistemi i integruar i fuqisë në Clarity Fuel Cell janë të krahasueshme në madhësi me një motor V6, duke lënë hapësirë të mjaftueshme të brendshme për pesë pasagjerë dhe bagazhin e tyre.
Gama e vlerësuar është 500 km, dhe çmimi fillestar i artikujve të rinj duhet të jetë fiks në 60,000 dollarë. Të shtrenjta? Përkundrazi, është shumë i lirë. Në fillim të vitit 2000, makinat me këto teknologji kushtonin 100,000 dollarë.
