Burimi i energjisë në qelizat e karburantit të hidrogjenit. Qeliza e karburantit të hidrogjenit: përshkrimi, karakteristikat, parimi i funksionimit, foto. Gjenerator elektrokimik Ajr-Alumin

Nga pikëpamja e energjisë "të gjelbër", qelizat e karburantit të hidrogjenit kanë një efikasitet jashtëzakonisht të lartë - 60%. Për krahasim: efikasiteti i motorëve më të mirë djegia e brendshmeështë 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 fletë 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, sipas këtij parametri, energjia e hidrogjenit është burimi më tërheqës i energjisë, por ka ende një sërë problemesh që pengojnë aplikimin e saj masiv. 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 punuar, një qelizë karburanti ka nevojë për hidrogjen, i cili nuk gjendet në Tokë në formën e tij të pastër. Hidrogjeni duhet të merret, por të gjitha metodat ekzistuese aktualisht janë ose shumë të shtrenjta ose joefektive.

Metoda më efikase për sa i përket sasisë së hidrogjenit të prodhuar për njësi të energjisë së shpenzuar është reformimi me avull i 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 impiante të mëdha që mund të përdoren vetëm në prodhim.

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

Një metodë më e përshtatshme dhe 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 reaksionin. Kjo do të thotë, rezulton një situatë disi e çuditshme: për të marrë energji hidrogjeni, ju duhet ... energji. Për të shmangur kostot e panevojshme gjatë elektrolizës dhe për të kursyer burime të vlefshme, disa kompani po kërkojnë të zhvillojnë sisteme të ciklit të plotë "energji elektrike - hidrogjen - energji elektrike" në të cilat gjenerimi 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-centralin celular H2One që 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 ushqehet drejtpërdrejt në qelizat e karburantit ose ruhet në një rezervuar të integruar. Elektrolizatori H2One gjeneron deri në 2 m 3 hidrogjen në orë, dhe në dalje siguron fuqi deri në 55 kW. Për prodhimin e 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 gjithë qytetin, por për funksionimin e zonave apo organizatave të vogla, energjia e tij do të jetë mjaft e mjaftueshme. Falë lëvizshmërisë së tij, mund të përdoret gjithashtu si një zgjidhje e përkohshme në fatkeqësitë natyrore ose një ndërprerje emergjente të energjisë elektrike. Përveç kësaj, ndryshe nga një gjenerator me naftë, i cili ka nevojë për karburant për të funksionuar normalisht, një termocentral me hidrogjen ka nevojë vetëm për ujë.

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

Instalimi i sistemit H2One në Kawasaki

E ardhmja e hidrogjenit

Tani qelizat e karburantit me hidrogjen sigurojnë energji për bankat portative të energjisë, autobusët e qytetit me makina dhe transportin hekurudhor. (Ne do të mbulojmë më shumë rreth përdorimit të hidrogjenit në industrinë e automobilave në postimin tonë të ardhshëm). Qelizat e karburantit të hidrogjenit papritmas rezultuan të ishin një zgjidhje e shkëlqyeshme për katërkopterët - me të njëjtën masë si bateria, furnizimi me hidrogjen siguron deri në pesë herë më shumë kohë fluturimi. Në këtë rast, 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.

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

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 mbulojnë nevojat e njerëzimit. Sipas parashikimit të Markets&Markets, vëllimi i prodhimit botëror të hidrogjenit, i cili tani qëndron në 115 miliardë dollarë, do të rritet në 154 miliardë dollarë deri në vitin 2022. Por në të ardhmen e afërt, futja masive e teknologjisë nuk ka gjasa të ndodhë, është ende e nevojshme të të zgjidhë një sërë problemesh që lidhen me prodhimin dhe funksionimin e termocentraleve speciale, për të ulur koston e tyre. Kur të kapërcehen pengesat teknologjike, energjia e hidrogjenit do të arrijë një nivel të ri dhe, ndoshta, do të jetë po aq e përhapur sa energjia tradicionale apo hidrocentralet sot.

qelizat e karburantit Qelizat e karburantit janë burime kimike të energjisë. Ata kryejnë shndërrimin e drejtpërdrejtë të energjisë së karburantit në energji elektrike, duke anashkaluar proceset e djegies joefikase dhe me humbje të lartë. Kjo pajisje elektrokimike, si rezultat i djegies shumë efikase "të ftohtë" të karburantit, gjeneron drejtpërdrejt energji elektrike.

Biokimistët kanë vërtetuar se një qelizë biologjike karburanti hidrogjen-oksigjen është "ndërtuar" në çdo qelizë të gjallë (shih Kapitullin 2).

Burimi i hidrogjenit në trup është ushqimi - yndyrat, proteinat dhe karbohidratet. Në stomak, zorrë, qeliza, në fund të fundit dekompozohet në monomere, të cilat, nga ana tjetër, pas një sërë transformimet kimike japin hidrogjen të lidhur me molekulën bartëse.

Oksigjeni nga ajri hyn në gjak përmes mushkërive, kombinohet me hemoglobinën dhe bartet në të gjitha indet. Procesi i kombinimit të hidrogjenit me oksigjenin është baza e bioenergjetikës së trupit. Këtu, në kushte të buta (temperatura e dhomës, presioni normal, mjedisi ujor), energjia kimike me efikasitet të lartë shndërrohet në termike, mekanike (lëvizje muskulore), energji elektrike (rampa elektrike), dritë (insekte që lëshojnë dritë).

Njeriu përsëriti edhe një herë pajisjen për marrjen e energjisë të krijuar nga natyra. Në të njëjtën kohë, ky fakt tregon perspektivat e drejtimit. Të gjitha proceset në natyrë janë shumë racionale, kështu që hapat drejt përdorimit real të qelizave të karburantit frymëzojnë shpresë për të ardhmen e energjisë.

Zbulimi në 1838 i një qelize karburanti hidrogjen-oksigjen i përket shkencëtarit anglez W. Grove. Duke hetuar dekompozimin e ujit në hidrogjen dhe oksigjen, ai zbuloi një efekt anësor - elektrolizeri i prodhuar elektricitet.

Çfarë digjet në një qelizë karburanti?
Lëndët djegëse fosile (qymyri, gazi dhe nafta) janë kryesisht karboni. Gjatë djegies, atomet e karburantit humbasin elektrone dhe atomet e oksigjenit të ajrit i fitojnë ato. Pra, në procesin e oksidimit, atomet e karbonit dhe oksigjenit kombinohen në produkte të djegies - molekulat e dioksidit të karbonit. Ky proces është i vrullshëm: atomet dhe molekulat e substancave të përfshira në djegie fitojnë shpejtësi të lartë dhe kjo çon në një rritje të temperaturës së tyre. Ata fillojnë të lëshojnë dritë - shfaqet një flakë.

Reaksioni kimik i djegies së karbonit ka formën:

C + O2 = CO2 + nxehtësi

Gjatë djegies, energjia kimike shndërrohet në energji termale për shkak të shkëmbimit të elektroneve ndërmjet atomeve të lëndës djegëse dhe oksiduesit. Ky shkëmbim ndodh rastësisht.

Djegia është shkëmbimi i elektroneve midis atomeve, dhe rryma elektrike është lëvizja e drejtuar e elektroneve. Nëse në proces reaksion kimik duke bërë që elektronet të kryejnë punë, temperatura e procesit të djegies do të ulet. Në FC, elektronet merren nga reaktantët në njërën elektrodë, heqin dorë nga energjia e tyre në formën e një rryme elektrike dhe bashkohen me reaktantët në tjetrën.

Baza e çdo HIT është dy elektroda të lidhura nga një elektrolit. Një qelizë karburanti përbëhet nga një anodë, një katodë dhe një elektrolit (shih Kapitullin 2). Oksidohet në anodë, d.m.th. dhuron elektrone, agjentin reduktues (karburant CO ose H2), elektronet e lira nga anoda hyjnë në qarkun e jashtëm dhe jonet pozitive mbahen në ndërfaqen anode-elektrolit (CO+, H+). Nga skaji tjetër i vargut elektronet i afrohen katodës, mbi të cilën zhvillohet reaksioni i reduktimit (shtimi i elektroneve nga agjenti oksidues O2–). Jonet oksidante më pas barten nga elektroliti në katodë.

Në FC, tri faza të sistemit fiziko-kimik bashkohen:

gaz (karburant, oksidues);
elektrolit (përçues i joneve);
elektrodë metalike (përçues elektronesh).
Në qelizat e karburantit, energjia e reaksionit redoks shndërrohet në energji elektrike, dhe proceset e oksidimit dhe reduktimit ndahen në hapësirë nga një elektrolit. Elektrodat dhe elektroliti nuk marrin pjesë në reagim, por në modele reale ato kontaminohen me papastërtitë e karburantit me kalimin e kohës. Djegia elektrokimike mund të vazhdojë në temperatura të ulëta dhe praktikisht pa humbje. Në fig. p087 tregon situatën në të cilën një përzierje e gazrave (CO dhe H2) hyn në qelizën e karburantit, d.m.th. mund të djegë lëndë djegëse të gaztë (shih Kapitullin 1). Kështu, TE rezulton të jetë “gjithgjëngrënëse”.

Përdorimi i qelizave të karburantit është i ndërlikuar nga fakti se karburanti duhet të "përgatitet" për to. Për qelizat e karburantit, hidrogjeni fitohet nga konvertimi i karburantit organik ose gazifikimi i qymyrit. Prandaj, diagrami bllok i një termocentrali në një qelizë karburanti, me përjashtim të baterive të një qelize karburanti, një konvertues rrymë e vazhdueshme në variabël (shih kap. 3) dhe pajisjet ndihmëse përfshijnë një njësi të prodhimit të hidrogjenit.

Dy drejtime të zhvillimit të KF

Ekzistojnë dy fusha të aplikimit të qelizave të karburantit: energjia autonome dhe energjia në shkallë të gjerë.

Për përdorim autonom, karakteristikat specifike dhe lehtësia e përdorimit janë ato kryesore. Kostoja e energjisë së prodhuar nuk është treguesi kryesor.

Për prodhimin e madh të energjisë, efikasiteti është një faktor vendimtar. Përveç kësaj, instalimet duhet të jenë të qëndrueshme, të mos përmbajnë materiale të shtrenjta dhe të përdorin lëndë djegëse natyrale me kosto minimale përgatitjeje.

Përfitimet më të mëdha ofrohen nga përdorimi i qelizave të karburantit në një makinë. Këtu, si askund tjetër, kompaktësia e qelizave të karburantit do të ketë një efekt. Me marrjen e drejtpërdrejtë të energjisë elektrike nga karburantet, kursimi i kësaj të fundit do të jetë rreth 50%.

Për herë të parë, ideja e përdorimit të qelizave të karburantit në inxhinierinë e energjisë në shkallë të gjerë u formulua nga shkencëtari gjerman W. Oswald në 1894. Më vonë, u zhvillua ideja e krijimit të burimeve efikase të energjisë autonome bazuar në një qelizë karburanti.

Pas kësaj, u bënë përpjekje të përsëritura për të përdorur qymyrin si një substancë aktive në qelizat e karburantit. Në vitet 1930, studiuesi gjerman E. Bauer krijoi një prototip laboratorik të një qelize karburanti me një elektrolit të ngurtë për oksidimin e drejtpërdrejtë anodik të qymyrit. Në të njëjtën kohë, u studiuan qelizat e karburantit oksigjen-hidrogjen.

Në vitin 1958, në Angli, F. Bacon krijoi impiantin e parë të oksigjenit-hidrogjenit me kapacitet 5 kW. Por ishte e rëndë për shkak të përdorimit të presionit të lartë të gazit (2 ... 4 MPa).

Që nga viti 1955, K. Kordesh ka zhvilluar në SHBA qelizat e karburantit oksigjen-hidrogjen me temperaturë të ulët. Ata përdorën elektroda karboni me katalizatorë platini. Në Gjermani, E. Yust punoi në krijimin e katalizatorëve jo-platin.

Pas vitit 1960 u krijuan mostra demonstrimi dhe reklamimi. Aplikimi i parë praktik i qelizave të karburantit u gjet në anijen kozmike Apollo. Ata ishin termocentralet kryesore për fuqizimin e pajisjeve në bord dhe u siguronin astronautëve ujë dhe nxehtësi.

Fushat kryesore të përdorimit për instalimet FC jashtë rrjetit kanë qenë aplikimet ushtarake dhe detare. Në fund të viteve 1960, vëllimi i kërkimit mbi qelizat e karburantit u ul dhe pas viteve 1980 ai u rrit përsëri në lidhje me energjinë në shkallë të gjerë.

VARTA ka zhvilluar FC duke përdorur elektroda të dyanshme të difuzionit të gazit. Elektrodat e këtij lloji quhen "Janus". Siemens ka zhvilluar elektroda me densitet fuqie deri në 90 W/kg. Në Shtetet e Bashkuara, puna në qelizat oksigjen-hidrogjen po kryhet nga United Technology Corp.

Në industrinë e energjisë në shkallë të gjerë, përdorimi i qelizave të karburantit për ruajtjen e energjisë në shkallë të gjerë, për shembull, prodhimi i hidrogjenit (shih Kapitullin 1), është shumë premtues. (dielli dhe era) shpërndahen (shih Kap. 4). Përdorimi serioz i tyre, i cili është i domosdoshëm në të ardhmen, është i paimagjinueshëm pa bateri të mëdha që ruajnë energjinë në një formë ose në një tjetër.

Problemi i akumulimit është tashmë i rëndësishëm sot: luhatjet ditore dhe javore në ngarkesën e sistemeve të energjisë ulin ndjeshëm efikasitetin e tyre dhe kërkojnë të ashtuquajturat kapacitete të manovrueshme. Një nga opsionet për ruajtjen e energjisë elektrokimike është një qelizë karburanti në kombinim me elektrolizuesit dhe mbajtëset e gazit*.

* Mbajtëse gazi [gaz + anglisht. mbajtës] - ruajtje për sasi të mëdha gazi.

Gjenerata e parë e TE

Qelizat e karburantit me temperaturë mesatare të gjeneratës së parë, që funksionojnë në temperaturën 200...230°C me lëndë djegëse të lëngshme, gaz natyror ose hidrogjen teknik*, kanë arritur përsosmërinë më të madhe teknologjike. Elektroliti në to është acid fosforik, i cili mbush matricën poroze të karbonit. Elektrodat janë prej karboni dhe katalizatori është platini (platini përdoret në sasi prej disa gramësh për kilovat fuqi).

* Hidrogjeni komercial është një produkt i konvertimit të lëndëve djegëse fosile që përmban papastërti të vogla të monoksidit të karbonit.

Një termocentral i tillë u vu në punë në shtetin e Kalifornisë në vitin 1991. Ai përbëhet nga tetëmbëdhjetë bateri me peshë 18 tonë secila dhe vendoset në një kuti me diametër pak më shumë se 2 m dhe lartësi rreth 5 m. Procedura e zëvendësimit të baterisë është menduar duke përdorur një strukturë kornizë që lëviz përgjatë shinave.

Shtetet e Bashkuara i dërguan Japonisë dy termocentrale në Japoni. E para prej tyre u lançua në fillim të vitit 1983. Performanca operacionale e stacionit korrespondonte me ato të llogaritura. Ajo punonte me një ngarkesë prej 25 deri në 80% të nominales. Efikasiteti arriti në 30...37% - kjo është afër termocentraleve të mëdha moderne. Koha e fillimit të tij nga një gjendje e ftohtë është nga 4 orë në 10 minuta, dhe kohëzgjatja e ndryshimit të fuqisë nga zero në të plotë është vetëm 15 sekonda.

Tani në pjesë të ndryshme të Shteteve të Bashkuara, po testohen termocentrale të vogla të kombinuara të ngrohjes dhe energjetikës me kapacitet 40 kW me një faktor shfrytëzimi karburanti prej rreth 80%. Ato mund të ngrohin ujin deri në 130°C dhe vendosen në lavanderi, komplekset sportive, në pikat e kontaktit etj. Rreth njëqind instalime kanë punuar tashmë për një total prej qindra mijëra orësh. Mirëdashësia mjedisore e termocentraleve FC lejon që ato të vendosen direkt në qytete.

Termocentrali i parë me karburant në Nju Jork, me një kapacitet prej 4,5 MW, zinte një sipërfaqe prej 1,3 hektarësh. Tani për termocentrale të reja me kapacitet dy herë e gjysmë më shumë nevojitet një kantier me përmasa 30x60 m.Po ndërtohen disa termocentrale demonstruese me kapacitet 11 MW. Koha e ndërtimit (7 muaj) dhe sipërfaqja (30x60 m) e zënë nga termocentrali janë të habitshme. Jeta e parashikuar e shërbimit të termocentraleve të reja është 30 vjet.

Gjenerata e dytë dhe e tretë TE

Karakteristikat më të mira tashmë janë duke u projektuar impiante modulare me kapacitet 5 MW me qeliza karburanti me temperaturë mesatare të gjeneratës së dytë. Ato funksionojnë në temperatura 650...700°C. Anodat e tyre janë bërë nga grimcat e sinteruara të nikelit dhe kromit, katoda janë bërë nga alumini i sinteruar dhe i oksiduar, dhe elektroliti është një përzierje e karbonateve të litiumit dhe kaliumit. Temperatura e ngritur ndihmon në zgjidhjen e dy problemeve kryesore elektrokimike:

zvogëloni "helmimin" e katalizatorit nga monoksidi i karbonit;
rrisin efikasitetin e procesit të reduktimit të oksiduesit në katodë.
Qelizat e karburantit me temperaturë të lartë të gjeneratës së tretë me një elektrolit oksidesh të ngurta (kryesisht dioksid zirkoniumi) do të jenë edhe më efikase. Temperatura e tyre e funksionimit është deri në 1000°C. Efikasiteti i termocentraleve me qeliza të tilla karburanti është afër 50%. Këtu, produktet e gazifikimit të qymyrit të fortë me një përmbajtje të konsiderueshme të monoksidit të karbonit janë gjithashtu të përshtatshme si lëndë djegëse. Po aq e rëndësishme, nxehtësia e mbetur nga impiantet me temperaturë të lartë mund të përdoret për të prodhuar avull për të drejtuar turbinat për gjeneratorët elektrikë.

Vestingaus ka qenë në biznesin e qelizave të karburantit me oksid të ngurtë që nga viti 1958. Ajo zhvillon termocentrale me një kapacitet prej 25 ... 200 kW, në të cilat mund të përdoret lëndë djegëse e gaztë nga qymyri. Instalimet eksperimentale me kapacitet disa megavat janë duke u përgatitur për testim. Një tjetër firmë amerikane, Engelgurd, është duke projektuar qelizat e karburantit 50 kW që funksionojnë me metanol me acid fosforik si elektrolit.

Gjithnjë e më shumë firma në të gjithë botën janë të përfshira në krijimin e qelizave të karburantit. Teknologjia Amerikane e Bashkuar dhe Toshiba japoneze formuan Korporatën Ndërkombëtare të Celularëve të Karburantit. Në Evropë, konsorciumi belgo-holandez Elenko, kompania gjermanoperëndimore Siemens, italiani Fiat dhe britaniku Jonson Metju janë të angazhuar në qelizat e karburantit.

Viktor LAVRUS.

Nëse ju pëlqeu ky material, atëherë ne ju ofrojmë një përzgjedhje të materialeve më të mira në faqen tonë sipas lexuesve tanë. Përzgjedhja - TOP për teknologjitë miqësore me mjedisin, shkencën e re dhe zbulimet shkencore ju mund të gjeni ku është më e përshtatshme për ju

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, edhe nën ndikimin e temperaturës dhe me ndihmën e vetë SOFC (i përbërë nga një material qeramik poroz me bazë oksid zirkoniumi), hidrogjeni oksidohet nga oksigjeni në ajër. Pas marrjes së hidrogjenit nga benzina, procesi vazhdon më tej sipas skenarit të përshkruar më sipër, me vetëm një ndryshim: qeliza e karburantit SOFC, ndryshe nga pajisjet që 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 duke lidhur një grup qelizash standarde në seri. Dhe, ndoshta më e rëndësishmja, nga pikëpamja e prezantimit të pajisjeve të tilla, nuk ka elektroda shumë të shtrenjta me bazë platini në SOFC. Është kostoja e lartë e këtyre elementeve që është një nga pengesat në zhvillimin dhe përhapjen e teknologjisë PEMFC.

Llojet e qelizave të karburantit

Aktualisht, ekzistojnë lloje të tilla të qelizave të karburantit:

A.F.C.– Qeliza Alkaline e Karburantit (celula alkaline e karburantit);
PAFC– Qeliza e karburantit të acidit fosforik (qeliza 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).

Përfitimet e qelizave/celulave të karburantit

Një qelizë/qelizë karburanti është një pajisje që gjeneron në mënyrë efikase rrymë direkte dhe nxehtësi nga një lëndë djegëse e pasur me hidrogjen përmes një reaksioni elektrokimik.

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

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

Qelizat e karburantit janë shumë efikase dhe nuk prodhojnë sasi të mëdha të gazeve serrë si dioksidi i karbonit, metani dhe oksidi i azotit. Të vetmet produkte që emetohen gjatë operimit janë uji në formë avulli dhe një sasi e vogël dioksidi i karbonit, i cili nuk emetohet fare nëse përdoret hidrogjeni i pastër si lëndë djegëse. Qelizat/qelizat e karburantit grumbullohen në montime dhe më pas në module funksionale individuale.

Historia e zhvillimit të qelizës/celulës së karburantit

Në vitet 1950 dhe 1960, një nga sfidat më të mëdha për qelizat e karburantit lindi nga nevoja e Administratës Kombëtare të Aeronautikës dhe Hapësirës (NASA) për burime energjie për misionet hapësinore afatgjatë. Qeliza/qeliza e karburantit alkaline e NASA-s përdor hidrogjenin dhe oksigjenin si lëndë djegëse duke i kombinuar të dyja element kimik në një reaksion elektrokimik. Rezultati është tre nënprodukte të reaksionit që janë të dobishëm në fluturimet në hapësirë - elektriciteti në fuqi anije kozmike, ujë për sistemet e pijes dhe ftohjes dhe ngrohje për të mbajtur ngrohtë astronautët.

Zbulimi i qelizave të karburantit i referohet fillimi i XIX shekulli. Dëshmia e parë e efektit të qelizave të karburantit u mor në 1838.

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

Interesi u rrit në vitet 1950 dhe 1960 dhe gjithashtu në vitet 1980 kur bota industriale përjetoi një mungesë të naftës. Në të njëjtën periudhë, vendet e botës gjithashtu u shqetësuan për problemin e ndotjes së ajrit dhe morën parasysh mënyrat për të prodhuar energji elektrike miqësore me mjedisin. Aktualisht, teknologjia e qelizave të karburantit/qeliza po kalon një zhvillim të shpejtë.

Si funksionojnë qelizat/qelizat e karburantit

Qelizat/qelizat e karburantit gjenerojnë energji elektrike dhe nxehtësi përmes një reaksioni elektrokimik të vazhdueshëm duke përdorur një elektrolit, një katodë dhe një anodë.

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

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

Më poshtë është reagimi përkatës:

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

Llojet dhe shumëllojshmëria e qelizave/celulave të karburantit

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

Qelizat e karburantit ndahen në temperaturë të lartë dhe temperaturë të ulët. Qelizat e karburantit me temperaturë të ulët kërkojnë hidrogjen relativisht të pastër si lëndë djegëse. Kjo shpesh do të thotë që përpunimi i karburantit kërkohet për të kthyer karburantin 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 ato mund të "konvertojnë brenda" karburantin në temperatura të larta, që do të thotë se nuk ka nevojë të investohet në infrastrukturën e hidrogjenit.

Qelizat/qelizat e karburantit 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 gazit me vlerë të ulët kalorifike nga lëndët djegëse të procesit dhe burime të tjera.

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 një shkallë të lartë të lëvizshmërisë së joneve në elektrolit, qelizat e karburantit me elektrolit karbonat të shkrirë funksionojnë në temperatura të larta (650°C). Efikasiteti varion midis 60-80%.

Kur nxehen në një temperaturë prej 650°C, kripërat bëhen 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 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Reaksioni i elementit të përgjithshëm: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katodë) => H 2 O (g) + CO 2 (anodë)

Temperaturat e larta të funksionimit të qelizave të karburantit të elektrolitit të shkrirë të karbonatit kanë disa avantazhe. Në temperatura të larta, gazi natyror reformohet nga brenda, duke eliminuar nevojën për një procesor karburanti. 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 qelizës së karburantit nga monoksidi i karbonit.

Qelizat e karburantit të karbonatit të shkrirë janë të përshtatshme për përdorim në instalime të mëdha të palëvizshme. Termocentrale të prodhuara në mënyrë industriale me prodhim energji elektrike 3.0 MW. Impiante me fuqi dalëse deri në 110 MW janë duke u zhvilluar.

Qelizat/qelizat e karburantit të bazuara në acid fosforik (PFC)

Qelizat e karburantit të bazuara në acidin fosforik (ortofosforik) ishin qelizat e para të karburantit për përdorim komercial.

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, 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 2 H 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 gjenerohet 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. Ndërtimi i thjeshtë, paqëndrueshmëria e ulët e elektroliteve dhe rritja e qëndrueshmërisë janë gjithashtu avantazhet e këtij lloji të qelizave të karburantit.

Termocentralet me fuqi elektrike dalëse deri në 500 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/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 trajtuar 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-).

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 - \u003d\u003e 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 60-70%. 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 deri në 75%.

Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë funksionojnë në temperatura shumë të larta (600°C - 1000°C), duke rezultuar në një kohë të 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/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. Është vendosur me sukses në fushën e fuqizimit të telefonave celularë, laptopëve, si dhe në krijimin e burimeve portative të energjisë. 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: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Reaksioni i elementit të përgjithshëm: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

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

Qeliza/qeliza alkaline të karburantit (AFC)

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

Avantazhi i SFC-ve është se këto qeliza të karburantit 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. SCFC-të funksionojnë në temperatura relativisht të ulëta 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.

Nje nga tipare karakteristike SHTE - ndjeshmëri e lartë ndaj CO 2 që 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-të.

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

Në qelizat e karburantit me acid të ngurtë, elektroliti (CsHSO 4 ) nuk përmban ujë. Prandaj, temperatura e funksionimit është 100-300°C. Rrotullimi i anioneve 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.

Module të ndryshme të qelizave të karburantit. bateri e qelizave të karburantit

Bateria e qelizave të karburantit
Pajisjet e tjera që funksionojnë nën temperaturë të lartë(gjenerator i integruar i avullit, dhoma e djegies, ndërruesi i bilancit të nxehtësisë)
Izolim rezistent ndaj nxehtësisë

moduli i qelizave të karburantit

Analizë krahasuese e llojeve dhe llojeve të qelizave të karburantit

Termocentralet inovative bashkiake të kursimit të energjisë zakonisht ndërtohen në qelizat e karburantit me oksid të ngurtë (SOFCs), qelizat e karburantit të elektrolitit polimer (PEFCs), qelizat e karburantit të acidit fosforik (PCFCs), qelizat e karburantit të membranës së shkëmbimit të protonit (MPFC) dhe qelizat alkaline të karburantit ( APFCs). Zakonisht ato kanë karakteristikat e mëposhtme:

Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë (SOFC) duhet të njihen si më të përshtatshmet, të cilat:

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

Lloji i qelizave të karburantit	Temperatura e punës	Efikasiteti i 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	Portativ
SHTE	50–200°C	40-70%	hidrogjen i pastër	hulumtimi i hapësirës
PETE	30-100°C	35-50%	hidrogjen i pastër	Instalime të vogla

Meqenëse termocentralet e vogla mund të lidhen me një rrjet konvencional të furnizimit me gaz, qelizat e karburantit nuk kërkojnë një sistem të veçantë furnizimi me hidrogjen. Kur përdoren termocentrale të vegjël të bazuar në qelizat e karburantit të oksidit të ngurtë, nxehtësia e krijuar mund të integrohet në shkëmbyesit e nxehtësisë për ngrohjen e ujit dhe ajrit të ventilimit, duke rritur efikasitetin e përgjithshëm të sistemit. Kjo teknologji inovative është më e përshtatshme për prodhimin efikas të energjisë pa pasur nevojë për infrastrukturë të shtrenjtë dhe integrim kompleks të instrumenteve.

Aplikimet e qelizave të karburantit/qelizave

Aplikimi i qelizave/qelizave të karburantit në sistemet e telekomunikacionit

Me përhapjen e shpejtë të sistemeve të komunikimit me valë në mbarë botën dhe përfitimet sociale dhe ekonomike në rritje të teknologjisë së telefonisë celulare, nevoja për energji rezervë të besueshme dhe me kosto efektive është bërë kritike. Humbjet e rrjetit gjatë gjithë vitit për shkak të motit të keq, fatkeqësive natyrore ose kapacitetit të kufizuar të rrjetit përfaqësojnë një të përhershme problem i vështirë për operatorët e rrjetit.

Zgjidhjet tradicionale të rezervës së energjisë së telekomit përfshijnë bateritë (celula plumb-acid bateri valvula e rregulluar) për fuqi rezervë afatshkurtër dhe gjeneratorë me naftë dhe propan për fuqi rezervë më të gjatë. Bateritë janë një burim relativisht i lirë i energjisë rezervë për 1 deri në 2 orë. Megjithatë, bateritë nuk janë të përshtatshme për periudha më të gjata rezervë, sepse ato janë të shtrenjta për t'u mirëmbajtur, bëhen të pabesueshme pas periudhave të gjata përdorimi, janë të ndjeshme ndaj temperaturës dhe të rrezikshme për jetën. mjedisi pas asgjësimit. Gjeneratorët me naftë dhe propan mund të ofrojnë energji rezervë të vazhdueshme. Megjithatë, gjeneratorët mund të jenë jo të besueshëm, të kërkojnë mirëmbajtje të gjerë dhe të lëshojnë nivele të larta të ndotësve dhe gazeve serrë në atmosferë.

Për të eliminuar kufizimet e zgjidhjeve tradicionale të energjisë rezervë, është zhvilluar një teknologji inovative e qelizave të karburantit të gjelbër. Qelizat e karburantit janë të besueshme, të qeta, përmbajnë më pak pjesë lëvizëse se një gjenerator, kanë një gamë më të gjerë të temperaturës së funksionimit se një bateri nga -40°C në +50°C dhe, si rezultat, ofrojnë nivele jashtëzakonisht të larta të kursimit të energjisë. Për më tepër, kostoja e jetës së një impianti të tillë është më e ulët se ajo e një gjeneratori. Kostot më të ulëta të qelizave të karburantit janë rezultat i vetëm një vizite mirëmbajtjeje në vit dhe produktivitetit dukshëm më të lartë të fabrikës. Në fund të fundit, qeliza e karburantit është një zgjidhje teknologjike miqësore me mjedisin me ndikim minimal mjedisor.

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

BESUESHMËRIA– Pak pjesë lëvizëse dhe pa shkarkim në gatishmëri
KURSIM ENERGJIE
HESHTJE- Niveli i ulët i zhurmës
STABILITETI– diapazoni i funksionimit nga -40°C deri në +50°C
PËRSHTATSHMËRIA– instalim i jashtëm dhe i brendshëm (kontejner/kontejner mbrojtës)
FUQI E LARTË- deri në 15 kW
NEVOJA E ULËT PËR MIRËMBAJTJE– mirëmbajtje minimale vjetore
EKONOMIA- kosto totale tërheqëse e pronësisë
ENERGJI E PASTER– emisione të ulëta me ndikim minimal mjedisor

Sistemi ndjen tensionin e autobusit DC gjatë gjithë kohës dhe pranon pa probleme ngarkesat kritike nëse voltazhi i autobusit DC bie nën një pikë të caktuar të përcaktuar nga përdoruesi. Sistemi funksionon me hidrogjen, i cili hyn në grumbullin e qelizave të karburantit në një nga dy mënyrat - ose nga një burim tregtar hidrogjeni, ose nga një lëndë djegëse e lëngshme metanoli dhe uji, duke përdorur një sistem reformator në bord.

Energjia elektrike prodhohet nga grumbulli i qelizave të karburantit në formën e rrymës direkte. Fuqia DC dërgohet në një konvertues që konverton fuqinë DC të parregulluar nga grumbulli i qelizave të karburantit në fuqi DC të rregulluar me cilësi të lartë për ngarkesat e kërkuara. Një instalim i qelizave të karburantit mund të sigurojë energji rezervë për shumë ditë, pasi kohëzgjatja është e kufizuar vetëm nga sasia e karburantit të hidrogjenit ose metanolit/ujit që disponohet në magazinë.

Qelizat e karburantit ofrojnë efikasitet superior të energjisë, rritje të besueshmërisë së sistemit, performancë më të parashikueshme në një gamë të gjerë klimash dhe jetëgjatësi të besueshme shërbimi në krahasim me paketat e baterive me acid plumbi të rregulluara me valvula standarde të industrisë. Kostot e ciklit të jetës janë gjithashtu më të ulëta për shkak të kërkesave të konsiderueshme më pak të mirëmbajtjes dhe zëvendësimit. Qelizat e karburantit i ofrojnë përdoruesit fundor përfitime mjedisore pasi kostot e asgjësimit dhe rreziqet e përgjegjësisë që lidhen me qelizat e acidit të plumbit janë një shqetësim në rritje.

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

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

Karburanti i përdorur për të drejtuar konvertuesin e karburantit me kohëzgjatje të zgjatur është një përzierje e metanolit dhe ujit. Metanoli është gjerësisht i disponueshëm, i prodhuar në shkallë industriale karburanti, i cili aktualisht ka shumë aplikime, ndër të tjera larëse xhami, shishe plastike, aditivë motori, bojëra emulsioni. Metanoli është i lehtë për t'u transportuar, i përzier me ujë, ka biodegradueshmëri të mirë dhe nuk ka squfur. Ka një pikë ngrirjeje të ulët (-71°C) dhe nuk dekompozohet gjatë ruajtjes së gjatë.

Aplikimi i qelizave/celulave të karburantit në rrjetet e komunikimit

Rrjetet e sigurisë kërkojnë zgjidhje të besueshme të energjisë rezervë që mund të zgjasin për orë ose ditë në rast urgjence nëse rrjeti elektrik bëhet i padisponueshëm.

Me pak pjesë lëvizëse dhe pa reduktim të fuqisë në gatishmëri, teknologjia inovative e qelizave të karburantit ofron një zgjidhje tërheqëse në krahasim me sistemet e energjisë rezervë të disponueshme aktualisht.

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

Gama e furnizimeve me energji të qelizave të karburantit është ideale për mbështetjen e rrjeteve të sigurta të komunikimit. Falë parimeve të tyre të projektimit të kursimit të energjisë, ato ofrojnë një fuqi rezervë miqësore me mjedisin, të besueshme me kohëzgjatje të zgjatur (deri në disa ditë) për përdorim në diapazonin e fuqisë nga 250 W deri në 15 kW.

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

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

Njësitë e qelizave të karburantit që operojnë me një përzierje të karburantit të lëngshëm të metanolit dhe ujit ofrojnë një furnizim të besueshëm me energji rezervë me kohëzgjatje të zgjatur, deri në disa ditë. Përveç kësaj, këto njësi kanë kërkesa të reduktuara ndjeshëm për mirëmbajtje në krahasim me gjeneratorët dhe bateritë, duke kërkuar vetëm një vizitë mirëmbajtjeje në vit.

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

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

Instalimet e gatishmërisë së qelizave të karburantit ofrojnë përparësi të shumta për infrastrukturat kritike të rrjetit të të dhënave në krahasim me gjeneratorët tradicionalë të baterive ose me naftë, duke lejuar rritjen e përdorimit në vend:

Teknologjia e karburantit të lëngshëm zgjidh problemin e ruajtjes së hidrogjenit dhe siguron fuqi rezervë praktikisht të pakufizuar.
Falë funksionimit të tyre të qetë, peshës së ulët, rezistencës ndaj ndryshimeve të temperaturës dhe funksionimit praktikisht pa dridhje, qelizat e karburantit mund të instalohen jashtë, në ambiente/kontejnerë industriale ose në çati.
Përgatitjet në vend për përdorimin e sistemit janë të shpejta dhe ekonomike, dhe kostoja e funksionimit është e ulët.
Karburanti është i biodegradueshëm dhe përfaqëson një zgjidhje miqësore me mjedisin për mjedisin urban.

Aplikimi i qelizave/celulave të karburantit në sistemet e sigurisë

Sistemet e sigurisë dhe komunikimit të ndërtesave të dizajnuara më me kujdes janë po aq të besueshme sa fuqia që i fuqizon ato. Ndërsa shumica e sistemeve përfshijnë një lloj sistemi rezervë të pandërprerë të energjisë për humbjet afatshkurtra të energjisë, ato nuk parashikojnë ndërprerjet më të gjata të energjisë që mund të ndodhin pas fatkeqësive natyrore ose sulmeve terroriste. Mund të bëhet kritike çështje e rëndësishme për shumë korporata dhe agjenci qeveritare.

Sistemet vitale si monitorimi i CCTV dhe sistemet e kontrollit të aksesit (lexuesit e kartave të identitetit, pajisjet e mbylljes së dyerve, teknologjia e identifikimit biometrik, etj.), Sistemet automatike të alarmit të zjarrit dhe fikjes së zjarrit, sistemet e kontrollit të ashensorëve dhe rrjetet e telekomunikacionit, të ekspozuara ndaj rrezikut në mungesë të besueshme burim alternativ furnizim i vazhdueshëm me energji elektrike.

Gjeneratorët me naftë janë të zhurmshëm, të vështirë për t'u gjetur dhe janë të vetëdijshëm për çështjet e besueshmërisë dhe mirëmbajtjes së tyre. Në të kundërt, një instalim rezervë i qelizave të karburantit është i qetë, i besueshëm, ka emetime zero ose shumë të ulëta dhe është i lehtë për t'u instaluar në një çati ose jashtë një ndërtese. Nuk shkarkohet ose humbet fuqinë në modalitetin e gatishmërisë. Siguron funksionimin e vazhdueshëm të sistemeve kritike, edhe pasi institucioni pushon së funksionuari dhe ndërtesa është braktisur nga njerëzit.

Instalimet inovative të qelizave të karburantit mbrojnë investimet e shtrenjta në aplikacione kritike. Ato ofrojnë energji rezervë miqësore me mjedisin, të besueshme dhe afatgjatë (deri në shumë ditë) për përdorim në diapazonin e fuqisë nga 250 W deri në 15 kW, të kombinuara me karakteristika të shumta të patejkalueshme dhe, veçanërisht, nivel të lartë kursim energjie.

Njësitë rezervë të energjisë së qelizave të karburantit ofrojnë avantazhe të shumta për aplikime kritike si siguria dhe sistemet e menaxhimit të ndërtesave mbi gjeneratorët tradicionalë të baterive ose me naftë. Teknologjia e karburantit të lëngshëm zgjidh problemin e ruajtjes së hidrogjenit dhe siguron fuqi rezervë praktikisht të pakufizuar.

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

Qelizat e karburantit me oksid të ngurtë (SOFC) përdoren për të ndërtuar të besueshme, me efikasitet energjetik dhe emetimet e dëmshme termocentrale për prodhimin e energjisë elektrike dhe nxehtësisë nga gazi natyror gjerësisht i disponueshëm dhe burimet e rinovueshme të karburantit. Këto njësi inovative përdoren në një shumëllojshmëri të gjerë tregjesh, nga prodhimi i brendshëm i energjisë elektrike deri te furnizimi me energji elektrike në zonat e largëta, si dhe burimet ndihmëse të energjisë.

Aplikimi i qelizave/qelizave të karburantit në rrjetet e shpërndarjes

Termocentralet e vogla janë projektuar për të funksionuar në një rrjet të shpërndarë të prodhimit të energjisë, i përbërë nga një numër i madh grupe gjeneratorësh të vegjël në vend të një termocentrali të centralizuar.

Figura më poshtë tregon humbjen në efikasitetin e prodhimit të energjisë kur ajo gjenerohet në një central CHP dhe transmetohet në shtëpi nëpërmjet rrjeteve tradicionale të transmetimit të përdorura në ky moment. Humbjet e efiçencës në prodhimin e qarkut përfshijnë humbjet nga termocentrali, transmetimin e tensionit të ulët dhe të lartë dhe humbjet në shpërndarje.

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

Përdorimi i qelizave të karburantit për të mbrojtur mjedisin - Përdorimi i gazit të shoqëruar të naftës

Një nga detyrat më të rëndësishme në industrinë e naftës është përdorimi i gazit shoqërues të naftës. Metodat ekzistuese të përdorimit të gazit shoqërues të naftës kanë shumë disavantazhe, kryesorja është se ato nuk janë ekonomikisht të qëndrueshme. Gazi i shoqëruar i naftës është ndezur, gjë që shkakton dëm të madh për mjedisin dhe shëndetin e njeriut.

Termocentralet inovative të nxehtësisë dhe termocentraleve me qeliza karburanti që përdorin gazin shoqërues të naftës si lëndë djegëse hapin rrugën drejt një zgjidhjeje radikale dhe me kosto efektive për problemet e përdorimit të gazit të naftës shoqëruese.

Një nga avantazhet kryesore të instalimeve të qelizave të karburantit është se ato mund të funksionojnë në mënyrë të besueshme dhe të qëndrueshme në gazin e naftës të lidhur me përbërje të ndryshueshme. Për shkak të reaksionit kimik pa flakë që qëndron në themel të funksionimit të qelizës së karburantit, një reduktim në përqindjen, për shembull, të metanit shkakton vetëm një reduktim përkatës në fuqinë dalëse.
Fleksibilitet në lidhje me ngarkesën elektrike të konsumatorëve, diferencial, rritje të ngarkesës.
Për instalimin dhe lidhjen e termocentraleve në qelizat e karburantit, zbatimi i tyre nuk kërkon shpenzime kapitale, sepse Njësitë montohen lehtësisht në vende të papërgatitura pranë fushave, janë të lehta për t'u përdorur, të besueshme dhe efikase.
Automatizimi i lartë dhe telekomanda moderne nuk kërkojnë praninë e vazhdueshme të personelit në fabrikë.
Thjeshtësia dhe përsosja teknike e dizajnit: mungesa e pjesëve lëvizëse, fërkimi, sistemet e lubrifikimit siguron përfitime të konsiderueshme ekonomike nga funksionimi i instalimeve të qelizave të karburantit.
Konsumi i ujit: asnjë në temperaturat e ambientit deri në +30 °C dhe i papërfillshëm në temperatura më të larta.
Dalja e ujit: asnjë.
Përveç kësaj, termocentralet e qelizave të karburantit nuk bëjnë zhurmë, nuk dridhen, mos lëshoni emetime të dëmshme në atmosferë