Hutashangaa tena mtu yeyote aliye na paneli za jua au mitambo ya upepo, ambayo hutoa umeme katika maeneo yote ya dunia. Lakini pato kutoka kwa vifaa hivi sio mara kwa mara na ni muhimu kusakinisha vyanzo vya nguvu vya chelezo au kuunganisha kwenye mtandao ili kupata umeme katika kipindi ambacho vyanzo vya nishati mbadala havitoi umeme. Hata hivyo, kuna mimea iliyotengenezwa katika karne ya 19 ambayo hutumia mafuta "mbadala" kuzalisha umeme, yaani, haichomi gesi au bidhaa za petroli. Ufungaji kama huo ni seli za mafuta.

HISTORIA YA UUMBAJI

Seli za mafuta (FC) au seli za mafuta ziligunduliwa nyuma mnamo 1838-1839 na William Grove (Grove, Grove), alipokuwa akisoma uchunguzi wa umeme wa maji.

Msaada: Electrolysis ya maji ni mchakato wa mtengano wa maji chini ya ushawishi wa sasa wa umeme ndani ya molekuli za hidrojeni na oksijeni.

Baada ya kukata betri kutoka kwa seli ya umeme, alishangaa kupata kwamba elektroni zilianza kunyonya gesi iliyotolewa na kutoa sasa. Ugunduzi wa mchakato wa mwako wa "baridi" ya electrochemical ya hidrojeni ilikuwa tukio muhimu katika sekta ya nishati. Baadaye aliunda betri ya Grove. Kifaa hiki kilikuwa na electrode ya platinamu iliyoingizwa katika asidi ya nitriki na electrode ya zinki katika sulfate ya zinki. Ilizalisha sasa ya amperes 12 na voltage ya 8 volts. Kukua mwenyewe aitwaye muundo huu "betri mvua". Kisha akaunda betri kwa kutumia elektroni mbili za platinamu. Mwisho mmoja wa kila electrode ulikuwa katika asidi ya sulfuriki, na ncha nyingine zilifungwa katika vyombo na hidrojeni na oksijeni. Kulikuwa na sasa imara kati ya electrodes, na kiasi cha maji ndani ya vyombo kiliongezeka. Grow iliweza kuoza na kuboresha maji kwenye kifaa hiki.

"Kukua kwa betri"

(chanzo: Jumuiya ya Kifalme ya Makumbusho ya Kitaifa ya Historia ya Asili)

Neno "seli ya mafuta" (Kiingereza "Fuel Cell") lilionekana tu mnamo 1889 na L. Mond na
C. Langer, ambaye alijaribu kuunda kifaa cha kuzalisha umeme kutoka kwa hewa na gesi ya makaa ya mawe.

INAVYOFANYA KAZI?

Seli ya mafuta ni kifaa rahisi. Ina electrodes mbili: anode (electrode hasi) na cathode (electrode chanya). Mmenyuko wa kemikali hutokea kwenye elektroni. Ili kuharakisha, uso wa electrodes umewekwa na kichocheo. FCs zimewekewa kipengele kimoja zaidi - utando. Uongofu wa nishati ya kemikali ya mafuta moja kwa moja kwenye umeme hutokea shukrani kwa kazi ya membrane. Inatenganisha vyumba viwili vya kipengele ambacho mafuta na oxidizer hutolewa. Utando huruhusu protoni tu, ambazo huzalishwa kama matokeo ya mgawanyiko wa mafuta, kupita kutoka chumba kimoja hadi kingine kwenye electrode iliyofunikwa na kichocheo (elektroni kisha husafiri kupitia mzunguko wa nje). Katika chumba cha pili, protoni huchanganyika na elektroni (na atomi za oksijeni) kuunda maji.

Kanuni ya kazi ya seli ya mafuta ya hidrojeni

Katika ngazi ya kemikali, mchakato wa kubadilisha nishati ya mafuta katika nishati ya umeme ni sawa na mchakato wa kawaida wa mwako (oxidation).

Wakati wa mwako wa kawaida katika oksijeni, oxidation ya mafuta ya kikaboni hutokea, na nishati ya kemikali ya mafuta inabadilishwa kuwa nishati ya joto. Hebu tuone kinachotokea wakati wa oxidation ya hidrojeni na oksijeni katika mazingira ya electrolyte na mbele ya electrodes.

Kwa kusambaza hidrojeni kwa electrode iliyoko katika mazingira ya alkali, mmenyuko wa kemikali hutokea:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

Kama unavyoona, tunapata elektroni ambazo, kupitia mzunguko wa nje, hufika kwenye elektroni iliyo kinyume, ambayo oksijeni inapita na ambapo majibu hufanyika:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Inaweza kuonekana kuwa majibu yanayotokana 2H 2 + O 2 → H 2 O ni sawa na wakati wa mwako wa kawaida, lakini Kiini cha mafuta hutoa sasa umeme na joto fulani.

AINA ZA SELI ZA MAFUTA

Ni kawaida kuainisha seli za mafuta kulingana na aina ya elektroliti inayotumika kwa majibu:

Kumbuka kwamba seli za mafuta zinaweza pia kutumia makaa ya mawe, monoksidi kaboni, alkoholi, hidrazini na vitu vingine vya kikaboni kama mafuta, na hewa, peroksidi ya hidrojeni, klorini, bromini, asidi ya nitriki, n.k. kama vioksidishaji.

UFANISI WA SELI YA MAFUTA

Kipengele cha seli za mafuta ni hakuna kizuizi kali juu ya ufanisi, kama injini za joto.

Msaada: UfanisiMzunguko wa Carnot ndiyo ufanisi wa juu zaidi unaowezekana kati ya injini zote za joto zilizo na viwango sawa vya chini na vya juu zaidi vya joto.

Kwa hiyo, ufanisi wa seli za mafuta katika nadharia inaweza kuwa zaidi ya 100%. Wengi walitabasamu na kufikiria, "Mashine ya mwendo wa kudumu imevumbuliwa." Hapana, hapa tunapaswa kurudi kwenye kozi ya kemia ya shule. Kiini cha mafuta kinatokana na ubadilishaji wa nishati ya kemikali kuwa nishati ya umeme. Hapa ndipo miujiza hutokea. Athari fulani za kemikali zinapotokea zinaweza kunyonya joto kutoka kwa mazingira.

Msaada: Athari za endothermic ni athari za kemikali zinazoambatana na ufyonzwaji wa joto. Kwa athari za endothermic, mabadiliko katika enthalpy na nishati ya ndani yana maadili chanya (Δ H >0, Δ U >0), kwa hivyo bidhaa za majibu huwa na nishati zaidi kuliko vianzio vya kuanzia.

Mfano wa mmenyuko huo ni oxidation ya hidrojeni, ambayo hutumiwa katika seli nyingi za mafuta. Kwa hiyo, kinadharia, ufanisi unaweza kuwa zaidi ya 100%. Lakini leo, seli za mafuta zina joto wakati wa operesheni na haziwezi kunyonya joto kutoka kwa mazingira.

Msaada: Kizuizi hiki kinawekwa na sheria ya pili ya thermodynamics. Mchakato wa uhamisho wa joto kutoka kwa mwili "baridi" hadi "moto" hauwezekani.

Zaidi, kuna hasara zinazohusiana na michakato isiyo na usawa. Kama vile: hasara za ohmic kutokana na conductivity maalum ya electrolyte na electrodes, uanzishaji na polarization ya mkusanyiko, hasara za kuenea. Matokeo yake, sehemu ya nishati inayozalishwa katika seli za mafuta inabadilishwa kuwa joto. Kwa hiyo, seli za mafuta sio mashine za mwendo wa kudumu na ufanisi wao ni chini ya 100%. Lakini ufanisi wao ni mkubwa zaidi kuliko ule wa mashine zingine. Leo Ufanisi wa seli za mafuta hufikia 80%.

Rejeleo: Katika miaka ya arobaini, mhandisi wa Kiingereza T. Bacon alitengeneza na kujenga betri ya seli za mafuta yenye nguvu ya jumla ya 6 kW na ufanisi wa 80%, inayoendesha hidrojeni safi na oksijeni, lakini uwiano wa nguvu hadi uzito wa betri. iligeuka kuwa ndogo sana - vipengele vile havikufaa kwa matumizi ya vitendo na ghali sana (chanzo: http://www.powerinfo.ru/).

MATATIZO YA SELI YA MAFUTA

Karibu seli zote za mafuta hutumia hidrojeni kama mafuta, kwa hivyo swali la kimantiki linatokea: "Ninaweza kuipata wapi?"

Inaonekana kwamba kiini cha mafuta kiligunduliwa kutokana na electrolysis, hivyo inawezekana kutumia hidrojeni iliyotolewa kutokana na electrolysis. Lakini hebu tuangalie mchakato huu kwa undani zaidi.

Kwa mujibu wa sheria ya Faraday: kiasi cha dutu iliyooksidishwa kwenye anode au kupunguzwa kwenye cathode ni sawa na kiasi cha umeme kinachopita kupitia electrolyte. Hii ina maana kwamba ili kupata hidrojeni zaidi, unahitaji kutumia umeme zaidi. Njia zilizopo za electrolysis ya maji hufanya kazi kwa ufanisi wa chini ya moja. Kisha tunatumia hidrojeni inayotokana na seli za mafuta, ambapo ufanisi pia ni chini ya umoja. Kwa hiyo, tutatumia nishati zaidi kuliko tunaweza kuzalisha.

Bila shaka, unaweza kutumia hidrojeni zinazozalishwa kutoka gesi asilia. Njia hii ya kuzalisha hidrojeni inabakia kuwa ya bei nafuu na maarufu zaidi. Hivi sasa, karibu 50% ya hidrojeni inayozalishwa ulimwenguni kote hutoka kwa gesi asilia. Lakini kuna tatizo la kuhifadhi na kusafirisha hidrojeni. Hidrojeni ina msongamano mdogo ( lita moja ya hidrojeni ina uzito wa 0.0846 g), kwa hivyo ili kuisafirisha kwa umbali mrefu lazima ikandamizwe. Na hizi ni gharama za ziada za nishati na fedha. Pia, usisahau kuhusu usalama.

Walakini, pia kuna suluhisho hapa - mafuta ya hidrokaboni ya kioevu yanaweza kutumika kama chanzo cha hidrojeni. Kwa mfano, pombe ya ethyl au methyl. Ukweli, hii inahitaji kifaa maalum cha ziada - kibadilishaji cha mafuta, ambacho kwa joto la juu (kwa methanoli itakuwa karibu 240 ° C) hubadilisha alkoholi kuwa mchanganyiko wa gesi H 2 na CO 2. Lakini katika kesi hii, tayari ni ngumu zaidi kufikiria juu ya kubebeka - vifaa kama hivyo ni vyema kutumia kama jenereta za stationary au za gari, lakini kwa vifaa vya rununu vya kompakt unahitaji kitu kidogo.

Kichocheo

Ili kuongeza majibu katika seli ya mafuta, uso wa anode kawaida hutendewa na kichocheo. Hadi hivi majuzi, platinamu ilitumika kama kichocheo. Kwa hiyo, gharama ya seli ya mafuta ilikuwa ya juu. Pili, platinamu ni chuma cha nadra sana. Kulingana na wataalamu, pamoja na uzalishaji wa viwandani wa seli za mafuta, akiba iliyothibitishwa ya platinamu itaisha katika miaka 15-20. Lakini wanasayansi kote ulimwenguni wanajaribu kubadilisha platinamu na vifaa vingine. Kwa njia, baadhi yao walipata matokeo mazuri. Kwa hivyo wanasayansi wa Kichina walibadilisha platinamu na oksidi ya kalsiamu (chanzo: www.cheburek.net).

KUTUMIA SELI ZA MAFUTA

Kiini cha kwanza cha mafuta katika teknolojia ya magari kilijaribiwa mwaka wa 1959. Trekta ya Alice-Chambers ilitumia betri 1008 kufanya kazi. Mafuta yalikuwa mchanganyiko wa gesi, hasa propane na oksijeni.

Chanzo: http://www.planetseed.com/

Tangu katikati ya miaka ya 60, katika kilele cha "mbio za anga," waundaji wa vyombo vya anga walipendezwa na seli za mafuta. Kazi ya maelfu ya wanasayansi na wahandisi ilituruhusu kufikia kiwango kipya, na mnamo 1965. seli za mafuta zilijaribiwa nchini Marekani kwenye chombo cha anga za juu cha Gemini 5, na baadaye kwenye chombo cha anga za juu cha Apollo kwa ajili ya safari za kuelekea Mwezini na kwenye programu ya Shuttle. Katika USSR, seli za mafuta zilitengenezwa huko NPO Kvant, pia kwa matumizi katika nafasi (chanzo: http://www.powerinfo.ru/).

Kwa kuwa katika seli ya mafuta bidhaa ya mwisho ya mwako wa hidrojeni ni maji, huchukuliwa kuwa safi zaidi kwa suala la athari za mazingira. Kwa hiyo, seli za mafuta zilianza kupata umaarufu dhidi ya historia ya maslahi ya jumla katika mazingira.

Tayari, watengenezaji wa magari kama vile Honda, Ford, Nissan na Mercedes-Benz wameunda magari yanayoendeshwa na seli za mafuta ya hidrojeni.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force inayoendeshwa na hidrojeni

Wakati wa kutumia magari ya hidrojeni, tatizo na hifadhi ya hidrojeni hutatuliwa. Ujenzi wa vituo vya gesi ya hidrojeni itafanya iwezekanavyo kujaza mafuta popote. Aidha, kujaza gari na hidrojeni ni kasi zaidi kuliko kuchaji gari la umeme kwenye kituo cha gesi. Lakini wakati wa kutekeleza miradi hiyo, tulikumbana na tatizo sawa na la magari yanayotumia umeme. Watu wako tayari kubadili gari la hidrojeni ikiwa kuna miundombinu kwao. Na ujenzi wa vituo vya gesi utaanza ikiwa kuna idadi ya kutosha ya watumiaji. Kwa hiyo, tulikuja tena kwenye shida ya yai na kuku.

Seli za mafuta hutumiwa sana katika simu za rununu na kompyuta ndogo. Wakati tayari umepita wakati simu ilichajiwa mara moja kwa wiki. Sasa simu inashtakiwa karibu kila siku, na kompyuta ndogo hufanya kazi kwa saa 3-4 bila mtandao. Kwa hiyo, wazalishaji wa teknolojia ya simu waliamua kuunganisha kiini cha mafuta na simu na laptops kwa malipo na uendeshaji. Kwa mfano, kampuni ya Toshiba mnamo 2003. ilionyesha mfano uliokamilika wa seli ya mafuta ya methanoli. Inazalisha nguvu ya takriban 100 mW. Ujazaji mmoja wa cubes 2 wa methanoli iliyokolea (99.5%) inatosha kwa masaa 20 ya operesheni ya kicheza MP3. Tena, Toshiba huyo huyo alionyesha kisanduku cha kuwezesha kompyuta za mkononi zenye ukubwa wa 275x75x40mm, kuruhusu kompyuta kufanya kazi kwa saa 5 kwa malipo moja.

Lakini wazalishaji wengine wamekwenda mbali zaidi. Kampuni ya PowerTrekk imetoa chaja ya jina moja. PowerTrekk ndiyo chaja ya kwanza ya maji duniani. Ni rahisi sana kutumia. PowerTrekk inahitaji kuongezwa kwa maji ili kutoa umeme wa papo hapo kupitia kebo ya USB. Seli hii ya mafuta ina poda ya silicon na silicide sodiamu (NaSi) ikichanganywa na maji, mchanganyiko huo huzalisha hidrojeni. Hidrojeni huchanganywa na hewa katika seli ya mafuta yenyewe, na hubadilisha hidrojeni kuwa umeme kupitia ubadilishaji wake wa membrane-protoni, bila feni au pampu. Unaweza kununua chaja inayoweza kubebeka kama hiyo kwa 149 € (

Seli za mafuta (jenereta za electrochemical) zinawakilisha njia ya ufanisi sana, ya kudumu, ya kuaminika na ya kirafiki ya kuzalisha nishati. Hapo awali, zilitumiwa tu katika tasnia ya anga, lakini leo jenereta za umeme zinazidi kutumika katika nyanja mbalimbali: vifaa vya umeme kwa simu za rununu na kompyuta za mkononi, injini za gari, vyanzo vya nguvu vya uhuru kwa majengo, na mitambo ya umeme ya stationary. Baadhi ya vifaa hivi hufanya kazi kama vielelezo vya maabara, ilhali vingine hutumika kwa madhumuni ya maonyesho au vinafanyiwa majaribio ya kabla ya utayarishaji. Hata hivyo, mifano mingi tayari kutumika katika miradi ya kibiashara na huzalishwa kwa wingi.

Kifaa

Seli za mafuta ni vifaa vya kielektroniki vinavyoweza kutoa kiwango cha juu cha ubadilishaji wa nishati ya kemikali iliyopo kuwa nishati ya umeme.

Kifaa cha seli ya mafuta kina sehemu tatu kuu:

1. Sehemu ya uzalishaji wa nguvu;
2. CPU;
3. Transformer ya voltage.

Sehemu kuu ya kiini cha mafuta ni sehemu ya uzalishaji wa nguvu, ambayo ni betri iliyofanywa na seli za mafuta binafsi. Kichocheo cha platinamu kinajumuishwa katika muundo wa electrodes ya seli za mafuta. Kutumia seli hizi, sasa umeme wa mara kwa mara huundwa.

Moja ya vifaa hivi ina sifa zifuatazo: kwa voltage ya volts 155, 1400 amperes huzalishwa. Vipimo vya betri ni 0.9 m kwa upana na urefu, na 2.9 m kwa urefu. Mchakato wa electrochemical ndani yake unafanywa kwa joto la 177 ° C, ambayo inahitaji inapokanzwa kwa betri wakati wa kuanza, pamoja na kuondolewa kwa joto wakati wa uendeshaji wake. Kwa kusudi hili, mzunguko wa maji tofauti hujumuishwa kwenye kiini cha mafuta, na betri ina vifaa vya sahani maalum za baridi.

Mchakato wa mafuta hubadilisha gesi asilia katika hidrojeni, ambayo inahitajika kwa mmenyuko wa electrochemical. Kipengele kikuu cha processor ya mafuta ni reformer. Ndani yake, gesi asilia (au mafuta mengine yenye hidrojeni) huingiliana kwa shinikizo la juu na joto la juu (karibu 900 ° C) na mvuke wa maji chini ya hatua ya kichocheo cha nickel.

Ili kudumisha joto linalohitajika la reformer kuna burner. Mvuke unaohitajika kwa urekebishaji huundwa kutoka kwa condensate. Mkondo wa moja kwa moja usio imara huzalishwa katika betri ya seli ya mafuta na kubadilisha fedha za voltage hutumiwa kuibadilisha.

Pia katika block ya kubadilisha voltage kuna:

• Vifaa vya kudhibiti.
• Mizunguko ya kuingiliana kwa usalama ambayo hufunga seli ya mafuta wakati wa hitilafu mbalimbali.

Kanuni ya uendeshaji

Seli rahisi zaidi ya kubadilishana protoni ya membrane ina membrane ya polima ambayo iko kati ya anode na cathode, pamoja na cathode na kichocheo cha anode. Utando wa polima hutumiwa kama elektroliti.

• Utando wa kubadilishana protoni unaonekana kama kiwanja kikaboni chembamba cha unene mdogo. Utando huu hufanya kazi kama elektroliti; mbele ya maji, hutenganisha dutu hii kuwa ioni zilizo na chaji hasi na chaji.
• Oxidation huanza kwenye anode, na kupunguza hutokea kwenye cathode. Cathode na anode katika seli ya PEM hufanywa kwa nyenzo za porous; ni mchanganyiko wa platinamu na chembe za kaboni. Platinamu hufanya kama kichocheo, ambayo inakuza mmenyuko wa kujitenga. Cathode na anode hufanywa kwa porous ili oksijeni na hidrojeni zipite kwa uhuru.
• Anode na cathode ziko kati ya sahani mbili za chuma, hutoa oksijeni na hidrojeni kwa cathode na anode, na kuondoa nishati ya umeme, joto na maji.
• Kupitia njia kwenye sahani, molekuli za hidrojeni huingia kwenye anode, ambapo molekuli hutengana na kuwa atomi.
• Kama matokeo ya chemisorption chini ya ushawishi wa kichocheo, atomi za hidrojeni hubadilishwa kuwa ioni za hidrojeni zenye chaji H+, yaani, protoni.
• Protoni huenea kwa cathode kupitia membrane, na mtiririko wa elektroni huenda kwenye cathode kupitia mzunguko maalum wa umeme wa nje. Mzigo umeunganishwa nayo, yaani, mtumiaji wa nishati ya umeme.
• Oksijeni, ambayo hutolewa kwa cathode, inapokaribia, huingia kwenye mmenyuko wa kemikali na elektroni kutoka kwa mzunguko wa nje wa umeme na ioni za hidrojeni kutoka kwa membrane ya kubadilishana ya protoni. Kama matokeo ya mmenyuko huu wa kemikali, maji yanaonekana.

Mmenyuko wa kemikali unaotokea katika aina zingine za seli za mafuta (kwa mfano, na elektroliti tindikali katika mfumo wa asidi ya orthophosphoric H3PO4) ni sawa kabisa na mwitikio wa kifaa kilicho na membrane ya kubadilishana ya protoni.

Aina

Hivi sasa, aina kadhaa za seli za mafuta zinajulikana, ambazo hutofautiana katika muundo wa electrolyte inayotumiwa:

• Seli za mafuta kulingana na asidi ya orthophosphoric au fosforasi (PAFC, Seli za Mafuta ya Asidi ya Fosforasi).
• Vifaa vilivyo na utando wa kubadilishana protoni (PEMFC, Seli za Mafuta za Membrane za Protoni).
• Seli za mafuta ya oksidi kali (SOFC, Seli za Mafuta ya Oksidi Mango).
• Jenereta za elektrokemikali kulingana na kabonati iliyoyeyuka (MCFC, Seli za Mafuta za Carbonate za Molten).

Hivi sasa, jenereta za electrochemical kwa kutumia teknolojia ya PAFC zimeenea zaidi.

Maombi

Leo, seli za mafuta hutumiwa katika Space Shuttle, chombo kinachoweza kutumika tena. Wanatumia vitengo 12 W. Wanazalisha umeme wote kwenye chombo hicho. Maji ambayo hutengenezwa wakati wa mmenyuko wa electrochemical hutumiwa kwa kunywa, ikiwa ni pamoja na kwa vifaa vya baridi.

Jenereta za elektrokemikali pia zilitumiwa kuwezesha Buran ya Soviet, chombo cha anga kinachoweza kutumika tena.

Seli za mafuta pia hutumiwa katika sekta ya kiraia.

• Mitambo ya stationary yenye nguvu ya 5-250 kW na hapo juu. Zinatumika kama vyanzo vinavyojitegemea kwa joto na usambazaji wa umeme kwa majengo ya viwandani, ya umma na ya makazi, vifaa vya dharura na vya chelezo, na vifaa vya umeme visivyoweza kukatika.
• Vitengo vya portable na nguvu ya 1-50 kW. Zinatumika kwa satelaiti za anga na meli. Matukio yanaundwa kwa ajili ya mikokoteni ya gofu, viti vya magurudumu, friji za reli na mizigo, na alama za barabarani.
• Mitambo ya rununu yenye nguvu ya 25-150 kW. Wanaanza kutumika katika meli za kijeshi na manowari, ikiwa ni pamoja na magari na magari mengine. Prototypes tayari zimeundwa na makubwa ya magari kama Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford na wengine.
• Vifaa vidogo vilivyo na nguvu ya 1-500 W. Wanapata programu katika kompyuta za hali ya juu, kompyuta ndogo, vifaa vya kielektroniki vya watumiaji, simu za rununu, na vifaa vya kisasa vya kijeshi.

Upekee

• Baadhi ya nishati kutoka kwa mmenyuko wa kemikali katika kila seli ya mafuta hutolewa kama joto. Jokofu inahitajika. Katika mzunguko wa nje, mtiririko wa elektroni hujenga sasa moja kwa moja ambayo hutumiwa kufanya kazi. Kuacha harakati ya ioni za hidrojeni au kufungua mzunguko wa nje husababisha kuacha mmenyuko wa kemikali.
• Kiasi cha umeme ambacho seli za mafuta huunda huamuliwa na shinikizo la gesi, halijoto, vipimo vya kijiometri na aina ya seli ya mafuta. Ili kuongeza kiasi cha umeme kinachozalishwa na mmenyuko, seli za mafuta zinaweza kufanywa zaidi, lakini kwa mazoezi seli kadhaa hutumiwa, ambazo zinajumuishwa katika betri.
• Mchakato wa kemikali katika aina fulani za seli za mafuta unaweza kubadilishwa. Hiyo ni, wakati tofauti inayowezekana inatumiwa kwa electrodes, maji yanaweza kuharibiwa katika oksijeni na hidrojeni, ambayo itakusanywa kwenye electrodes ya porous. Wakati mzigo umegeuka, seli hiyo ya mafuta itazalisha nishati ya umeme.

Matarajio

Hivi sasa, jenereta za kielektroniki zinahitaji gharama kubwa za awali kutumika kama chanzo kikuu cha nishati. Kwa kuanzishwa kwa membrane imara zaidi na conductivity ya juu, vichocheo vyema na vya bei nafuu, na vyanzo mbadala vya hidrojeni, seli za mafuta zitakuwa za kuvutia sana kiuchumi na zitatekelezwa kila mahali.

• Magari yatatumia seli za mafuta; hakutakuwa na injini za mwako wa ndani hata kidogo. Maji au haidrojeni ya hali dhabiti itatumika kama chanzo cha nishati. Refueling itakuwa rahisi na salama, na kuendesha gari itakuwa rafiki wa mazingira - tu mvuke wa maji itatolewa.
• Majengo yote yatakuwa na jenereta zao za kubebeka za seli za mafuta.
• Jenereta za electrochemical zitachukua nafasi ya betri zote na zitawekwa kwenye vifaa vya elektroniki na vifaa vya nyumbani.

Faida na hasara

Kila aina ya seli ya mafuta ina hasara na faida zake. Baadhi zinahitaji mafuta ya juu, wengine wana muundo tata na wanahitaji joto la juu la uendeshaji.

Kwa ujumla, faida zifuatazo za seli za mafuta zinaweza kuzingatiwa:

• usalama wa mazingira;
• jenereta za electrochemical hazihitaji kuchajiwa tena;
• jenereta za electrochemical zinaweza kuunda nishati daima, hazijali hali ya nje;
• kubadilika kwa kiwango na kubebeka.

Miongoni mwa hasara ni:

• matatizo ya kiufundi na uhifadhi wa mafuta na usafiri;
• vipengele visivyo kamili vya kifaa: vichocheo, utando, na kadhalika.

Seli ya mafuta ( Kiini cha Mafuta) ni kifaa kinachobadilisha nishati ya kemikali kuwa nishati ya umeme. Ni sawa na kanuni ya betri ya kawaida, lakini inatofautiana kwa kuwa uendeshaji wake unahitaji ugavi wa mara kwa mara wa vitu kutoka nje kwa mmenyuko wa electrochemical kutokea. Hidrojeni na oksijeni hutolewa kwa seli za mafuta, na pato ni umeme, maji na joto. Faida zao ni pamoja na urafiki wa mazingira, kuegemea, uimara na urahisi wa kufanya kazi. Tofauti na betri za kawaida, vibadilishaji umeme vya kielektroniki vinaweza kufanya kazi kwa muda usiojulikana mradi tu mafuta yametolewa. Si lazima zitozwe kwa saa nyingi hadi zitakapochajiwa kikamilifu. Zaidi ya hayo, seli zenyewe zinaweza kuchaji betri wakati gari limeegeshwa na injini imezimwa.

Seli za mafuta zinazotumiwa sana katika magari ya hidrojeni ni seli za mafuta za utando wa protoni (PEMFCs) na seli za mafuta za oksidi dhabiti (SOFCs).

Seli ya mafuta ya utando wa kubadilishana protoni hufanya kazi kama ifuatavyo. Kati ya anode na cathode kuna membrane maalum na kichocheo cha platinamu. Hidrojeni hutolewa kwa anode, na oksijeni (kwa mfano, kutoka hewa) hutolewa kwa cathode. Katika anode, hidrojeni hutengana katika protoni na elektroni kwa msaada wa kichocheo. Protoni za hidrojeni hupita kwenye membrane na kufikia cathode, na elektroni huhamishiwa kwenye mzunguko wa nje (utando hauwaruhusu kupita). Tofauti inayoweza kupatikana kwa hivyo husababisha kizazi cha sasa cha umeme. Kwa upande wa cathode, protoni za hidrojeni hutiwa oksidi na oksijeni. Matokeo yake, mvuke wa maji inaonekana, ambayo ni kipengele kikuu cha gesi za kutolea nje ya gari. Kwa kuwa na ufanisi wa hali ya juu, seli za PEM zina shida moja muhimu - operesheni yao inahitaji hidrojeni safi, uhifadhi wake ambao ni shida kubwa.

Ikiwa kichocheo kama hicho kitapatikana ambacho kinachukua nafasi ya platinamu ya gharama kubwa katika seli hizi, basi kiini cha bei nafuu cha mafuta kwa ajili ya kuzalisha umeme kitaundwa mara moja, ambayo ina maana kwamba ulimwengu utaondoa utegemezi wa mafuta.

Seli Imara za Oksidi

Seli za SOFC za oksidi dhabiti hazihitaji sana usafi wa mafuta. Kwa kuongezea, shukrani kwa utumiaji wa mageuzi ya POX (Oxidation ya Sehemu), seli kama hizo zinaweza kutumia petroli ya kawaida kama mafuta. Mchakato wa kubadilisha petroli moja kwa moja kuwa umeme ni kama ifuatavyo. Katika kifaa maalum - mrekebishaji, kwa joto la karibu 800 ° C, petroli huvukiza na kuharibika ndani ya vipengele vyake.

Hii hutoa hidrojeni na dioksidi kaboni. Zaidi ya hayo, pia chini ya ushawishi wa joto na kutumia SOFC moja kwa moja (yenye nyenzo za kauri za porous kulingana na oksidi ya zirconium), hidrojeni hutiwa oksidi na oksijeni hewani. Baada ya kupata hidrojeni kutoka kwa petroli, mchakato unaendelea kulingana na hali iliyoelezwa hapo juu, na tofauti moja tu: kiini cha mafuta cha SOFC, tofauti na vifaa vinavyofanya kazi kwenye hidrojeni, sio nyeti sana kwa uchafu katika mafuta ya awali. Kwa hivyo ubora wa petroli haupaswi kuathiri utendaji wa seli ya mafuta.

Joto la juu la kufanya kazi la SOFC (digrii 650-800) ni shida kubwa; mchakato wa kuongeza joto huchukua kama dakika 20. Lakini joto la ziada sio tatizo, kwani linaondolewa kabisa na hewa iliyobaki na gesi za kutolea nje zinazozalishwa na mrekebishaji na kiini cha mafuta yenyewe. Hii inaruhusu mfumo wa SOFC kuunganishwa kwenye gari kama kifaa tofauti katika nyumba iliyo na maboksi ya joto.

Muundo wa msimu unakuwezesha kufikia voltage inayohitajika kwa kuunganisha seti ya seli za kawaida katika mfululizo. Na, labda muhimu zaidi kutoka kwa mtazamo wa utekelezaji wa vifaa vile, SOFC haina elektroni za platinamu za gharama kubwa sana. Ni gharama kubwa ya vipengele hivi ambayo ni moja ya vikwazo katika maendeleo na usambazaji wa teknolojia ya PEMFC.

Aina za seli za mafuta

Hivi sasa, kuna aina zifuatazo za seli za mafuta:

• A.F.C. Seli ya mafuta ya alkali (seli ya mafuta ya alkali);
• PAFC- Seli ya Mafuta ya Asidi ya Fosforasi (seli ya mafuta ya asidi ya fosforasi);
• PEMFC- Seli ya Mafuta ya Membrane ya Kubadilisha Protoni (seli ya mafuta yenye membrane ya kubadilishana ya protoni);
• DMFC Seli ya Mafuta ya Methanoli ya moja kwa moja (kiini cha mafuta kilicho na mgawanyiko wa moja kwa moja wa methanoli);
• MCFC- Seli ya Mafuta ya Carbonate iliyoyeyushwa (seli ya mafuta ya kaboni iliyoyeyuka);
• SOFC- Seli Imara ya Mafuta ya Oksidi (seli ya mafuta ya oksidi).

Faida za seli/seli za mafuta

Seli/seli ya mafuta ni kifaa kinachozalisha kwa ufanisi mkondo wa moja kwa moja na joto kutoka kwa mafuta yenye hidrojeni kwa njia ya mmenyuko wa kielektroniki.

Seli ya mafuta ni sawa na betri kwa kuwa hutoa mkondo wa moja kwa moja kupitia mmenyuko wa kemikali. Kiini cha mafuta kinajumuisha anode, cathode na electrolyte. Walakini, tofauti na betri, seli za mafuta haziwezi kuhifadhi nishati ya umeme na hazitoi au kuhitaji umeme kuchaji tena. Seli/seli za mafuta zinaweza kuendelea kuzalisha umeme mradi tu ziwe na usambazaji wa mafuta na hewa.

Tofauti na jenereta zingine za nishati, kama vile injini za mwako wa ndani au turbine zinazoendeshwa na gesi, makaa ya mawe, mafuta ya mafuta, n.k., seli/seli za mafuta hazichomi mafuta. Hii inamaanisha hakuna rotors za kelele za shinikizo la juu, hakuna kelele kubwa ya kutolea nje, hakuna vibration. Seli za mafuta / seli huzalisha umeme kupitia mmenyuko wa umeme wa kimya. Kipengele kingine cha seli/seli za mafuta ni kwamba hubadilisha nishati ya kemikali ya mafuta moja kwa moja kuwa umeme, joto na maji.

Seli za mafuta zina ufanisi mkubwa na hazitoi kiasi kikubwa cha gesi chafu kama vile dioksidi kaboni, methane na oksidi ya nitrojeni. Bidhaa pekee za utoaji wakati wa operesheni ni maji katika mfumo wa mvuke na kiasi kidogo cha dioksidi kaboni, ambayo haitolewi kabisa ikiwa hidrojeni safi inatumiwa kama mafuta. Vipengele vya mafuta / seli hukusanywa katika makusanyiko na kisha katika moduli za kazi za kibinafsi.

Historia ya maendeleo ya seli/seli za mafuta

Katika miaka ya 1950 na 1960, mojawapo ya changamoto kubwa zaidi kwa seli za mafuta iliibuka kutokana na hitaji la Utawala wa Kitaifa wa Aeronautics and Space (NASA) la vyanzo vya nishati kwa misheni ya muda mrefu ya anga. Seli ya mafuta ya alkali ya NASA hutumia hidrojeni na oksijeni kama mafuta kwa kuchanganya vipengele viwili vya kemikali katika mmenyuko wa electrochemical. Matokeo yake ni bidhaa tatu muhimu za majibu katika safari ya anga - umeme wa kuendesha chombo cha anga, maji ya kunywa na mifumo ya kupoeza, na joto la kuwapa joto wanaanga.

Ugunduzi wa seli za mafuta ulianza mwanzoni mwa karne ya 19. Ushahidi wa kwanza wa athari za seli za mafuta ulipatikana mnamo 1838.

Mwishoni mwa miaka ya 1930, kazi ilianza kwenye seli za mafuta na elektroliti ya alkali na mnamo 1939 seli iliyotumia elektroni zenye shinikizo la nikeli ilijengwa. Wakati wa Vita vya Pili vya Dunia, seli/seli za mafuta zilitengenezwa kwa manowari za Jeshi la Wanamaji la Uingereza na mwaka wa 1958 mkusanyiko wa mafuta unaojumuisha seli/seli za mafuta za alkali zenye kipenyo cha zaidi ya sm 25 ulianzishwa.

Riba iliongezeka katika miaka ya 1950 na 1960, na pia katika miaka ya 1980, wakati ulimwengu wa viwanda ulipata uhaba wa mafuta ya petroli. Katika kipindi hicho, nchi za dunia pia zilihangaikia tatizo la uchafuzi wa hewa na kufikiria njia za kuzalisha umeme kwa njia isiyojali mazingira. Teknolojia ya seli za mafuta kwa sasa inaendelezwa haraka.

Kanuni ya uendeshaji wa seli/seli za mafuta

Seli/seli za mafuta huzalisha umeme na joto kutokana na mmenyuko wa kielektroniki unaofanyika kwa kutumia elektroliti, kathodi na anode.

Anode na cathode hutenganishwa na electrolyte ambayo hufanya protoni. Baada ya hidrojeni kutiririka kwa anode na oksijeni kwa cathode, mmenyuko wa kemikali huanza, kama matokeo ambayo sasa umeme, joto na maji hutolewa.

Katika kichocheo cha anode, hidrojeni ya molekuli hutengana na kupoteza elektroni. Ioni za hidrojeni (protoni) zinafanywa kwa njia ya electrolyte kwa cathode, wakati elektroni hupitishwa kupitia electrolyte na kusafiri kupitia mzunguko wa nje wa umeme, na kuunda sasa moja kwa moja ambayo inaweza kutumika kwa vifaa vya nguvu. Katika kichocheo cha cathode, molekuli ya oksijeni inachanganya na elektroni (ambayo hutolewa kutoka kwa mawasiliano ya nje) na protoni inayoingia, na kuunda maji, ambayo ni bidhaa pekee ya majibu (kwa namna ya mvuke na / au kioevu).

Ifuatayo ni majibu yanayolingana:

Mwitikio kwenye anodi: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Mwitikio kwenye kathodi: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Mwitikio wa jumla wa kipengele: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Aina na anuwai ya vipengele vya mafuta / seli

Kama vile kuna aina tofauti za injini za mwako wa ndani, kuna aina tofauti za seli za mafuta - kuchagua aina sahihi ya seli ya mafuta inategemea matumizi yake.

Seli za mafuta zinagawanywa katika joto la juu na joto la chini. Seli za mafuta zenye joto la chini zinahitaji hidrojeni safi kama mafuta. Hii mara nyingi inamaanisha kuwa usindikaji wa mafuta unahitajika ili kubadilisha mafuta ya msingi (kama vile gesi asilia) kuwa hidrojeni safi. Utaratibu huu hutumia nishati ya ziada na inahitaji vifaa maalum. Seli za mafuta za halijoto ya juu hazihitaji utaratibu huu wa ziada kwani zinaweza "kubadilisha ndani" mafuta katika halijoto ya juu, kumaanisha hakuna haja ya kuwekeza katika miundombinu ya hidrojeni.

Seli/Seli za Mafuta ya Kabonati (MCFC)

Seli za mafuta ya elektroliti ya kaboni iliyoyeyushwa ni seli za mafuta ya joto la juu. Joto la juu la uendeshaji huruhusu matumizi ya moja kwa moja ya gesi asilia bila processor ya mafuta na gesi ya mafuta yenye thamani ya chini ya kalori kutoka kwa michakato ya viwanda na vyanzo vingine.

Uendeshaji wa RCFC hutofautiana na seli nyingine za mafuta. Seli hizi hutumia elektroliti iliyotengenezwa kutoka kwa mchanganyiko wa chumvi iliyoyeyuka ya kaboni. Hivi sasa, aina mbili za mchanganyiko hutumiwa: lithiamu carbonate na carbonate ya potasiamu au lithiamu carbonate na carbonate ya sodiamu. Ili kuyeyusha chumvi za kaboni na kufikia kiwango cha juu cha uhamaji wa ioni katika elektroliti, seli za mafuta zilizo na elektroliti ya kaboni iliyoyeyuka hufanya kazi kwa joto la juu (650 ° C). Ufanisi hutofautiana kati ya 60-80%.

Inapokanzwa hadi joto la 650 ° C, chumvi huwa conductor kwa ions carbonate (CO 3 2-). Ioni hizi hupita kutoka kwa cathode hadi anode, ambapo huchanganyika na hidrojeni kuunda maji, dioksidi kaboni na elektroni huru. Elektroni hizi hutumwa kupitia saketi ya nje ya umeme kurudi kwenye kathodi, na kutoa mkondo wa umeme na joto kama bidhaa ya ziada.

Mwitikio kwenye anodi: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Mwitikio kwenye kathodi: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Mwitikio wa jumla wa kipengele: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (cathode) => H 2 O (g) + CO 2 (anodi)

Joto la juu la uendeshaji wa seli za mafuta za elektroliti za kaboni iliyoyeyuka zina faida fulani. Kwa joto la juu, gesi asilia hurekebishwa ndani, na kuondoa hitaji la processor ya mafuta. Kwa kuongezea, faida ni pamoja na uwezo wa kutumia vifaa vya kawaida vya ujenzi kama vile karatasi za chuma cha pua na kichocheo cha nikeli kwenye elektroni. Joto la taka linaweza kutumika kutengeneza mvuke wa shinikizo la juu kwa madhumuni anuwai ya viwandani na kibiashara.

Joto la juu la mmenyuko katika electrolyte pia lina faida zao. Matumizi ya joto la juu yanahitaji muda muhimu ili kufikia hali bora za uendeshaji, na mfumo hujibu polepole zaidi kwa mabadiliko ya matumizi ya nishati. Tabia hizi huruhusu matumizi ya uwekaji wa seli za mafuta na elektroliti ya kaboni iliyoyeyuka chini ya hali ya nguvu ya kila wakati. Joto la juu huzuia monoksidi kaboni kutoka kuharibu seli ya mafuta.

Seli za mafuta zilizo na elektroliti ya kaboni iliyoyeyuka zinafaa kwa matumizi katika mitambo mikubwa ya stationary. Mitambo ya nguvu ya joto yenye nguvu ya pato la umeme ya MW 3.0 inazalishwa kibiashara. Ufungaji wenye nguvu ya pato hadi MW 110 unatengenezwa.

Seli/seli za mafuta ya asidi ya fosforasi (PAFC)

Seli za mafuta ya asidi ya fosforasi (orthophosphoric) zilikuwa seli za mafuta za kwanza kwa matumizi ya kibiashara.

Seli za mafuta ya asidi ya fosforasi (orthophosphoric) hutumia elektroliti kulingana na asidi ya orthophosphoric (H 3 PO 4) na mkusanyiko wa hadi 100%. Conductivity ya ionic ya asidi ya fosforasi ni ya chini kwa joto la chini, kwa sababu hii seli hizi za mafuta hutumiwa kwa joto hadi 150-220 ° C.

Mtoaji wa malipo katika seli za mafuta za aina hii ni hidrojeni (H +, protoni). Mchakato sawa hutokea katika seli za mafuta za utando wa kubadilishana protoni, ambapo hidrojeni inayotolewa kwa anodi hugawanyika katika protoni na elektroni. Protoni husafiri kupitia elektroliti na kuchanganyika na oksijeni kutoka kwa hewa kwenye cathode na kuunda maji. Elektroni hutumwa kwa njia ya mzunguko wa nje wa umeme, na hivyo kuzalisha sasa ya umeme. Chini ni athari zinazozalisha sasa umeme na joto.

Mwitikio kwenye anodi: 2H 2 => 4H + + 4e -
Mwitikio kwenye kathodi: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2 H 2 O
Mwitikio wa jumla wa kipengele: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Ufanisi wa seli za mafuta kulingana na asidi ya fosforasi (orthophosphoric) ni zaidi ya 40% wakati wa kuzalisha nishati ya umeme. Kwa uzalishaji wa pamoja wa joto na umeme, ufanisi wa jumla ni karibu 85%. Kwa kuongeza, kutokana na joto la uendeshaji, joto la taka linaweza kutumika kupasha maji na kuzalisha mvuke wa shinikizo la anga.

Utendaji wa juu wa mimea ya nguvu ya mafuta kwa kutumia seli za mafuta kulingana na asidi ya fosforasi (orthophosphoric) katika uzalishaji wa pamoja wa nishati ya joto na umeme ni moja ya faida za aina hii ya seli za mafuta. Vitengo hutumia monoxide ya kaboni na mkusanyiko wa karibu 1.5%, ambayo huongeza kwa kiasi kikubwa uchaguzi wa mafuta. Kwa kuongezea, CO 2 haiathiri elektroliti na uendeshaji wa seli ya mafuta; aina hii ya seli hufanya kazi na mafuta asilia yaliyorekebishwa. Kubuni rahisi, kiwango cha chini cha tete ya electrolyte na kuongezeka kwa utulivu pia ni faida za aina hii ya seli ya mafuta.

Mitambo ya nguvu ya joto yenye nguvu ya pato la umeme hadi 500 kW inazalishwa kibiashara. Ufungaji wa MW 11 umefaulu majaribio yanayofaa. Ufungaji wenye nguvu ya pato hadi MW 100 unatengenezwa.

Seli/seli za mafuta ya oksidi imara (SOFC)

Seli za mafuta ya oksidi kali ni seli za mafuta za halijoto ya juu zaidi zinazofanya kazi. Joto la uendeshaji linaweza kutofautiana kutoka 600 ° C hadi 1000 ° C, kuruhusu matumizi ya aina tofauti za mafuta bila matibabu maalum ya awali. Ili kushughulikia joto hilo la juu, electrolyte inayotumiwa ni oksidi nyembamba ya chuma imara kwenye msingi wa kauri, mara nyingi ni aloi ya yttrium na zirconium, ambayo ni conductor ya ioni za oksijeni (O2-).

Electrolyte imara hutoa mpito uliofungwa wa gesi kutoka kwa electrode moja hadi nyingine, wakati electrolytes ya kioevu iko kwenye substrate ya porous. Mtoaji wa malipo katika seli za mafuta za aina hii ni ioni ya oksijeni (O 2-). Katika cathode, molekuli za oksijeni kutoka hewa hutenganishwa katika ioni ya oksijeni na elektroni nne. Ioni za oksijeni hupitia elektroliti na kuchanganya na hidrojeni, na kuunda elektroni nne za bure. Elektroni hutumwa kwa njia ya mzunguko wa umeme wa nje, kuzalisha sasa umeme na joto la taka.

Mwitikio kwenye anodi: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Mwitikio kwenye kathodi: O 2 + 4e - => 2O 2-
Mwitikio wa jumla wa kipengele: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Ufanisi wa nishati ya umeme inayozalishwa ni ya juu zaidi ya seli zote za mafuta - karibu 60-70%. Joto la juu la uendeshaji huruhusu uzalishaji wa pamoja wa nishati ya joto na umeme ili kutoa mvuke wa shinikizo la juu. Kuchanganya seli ya mafuta yenye joto la juu na turbine hufanya iwezekanavyo kuunda seli ya mafuta ya mseto ili kuongeza ufanisi wa kuzalisha nishati ya umeme hadi 75%.

Seli za mafuta ya oksidi imara hufanya kazi kwa halijoto ya juu sana (600°C–1000°C), na hivyo kusababisha muda muhimu kufikia hali bora za uendeshaji na mwitikio wa polepole wa mfumo kwa mabadiliko ya matumizi ya nishati. Katika halijoto hizo za juu za uendeshaji, hakuna kibadilishaji fedha kinachohitajika kurejesha hidrojeni kutoka kwa mafuta, kuruhusu mtambo wa nishati ya joto kufanya kazi na nishati zisizo najisi zinazotokana na gesi ya makaa ya mawe au taka ya gesi, nk. Seli ya mafuta pia ni bora kwa matumizi ya nguvu ya juu, ikijumuisha viwanda na mitambo mikubwa ya kati. Moduli zilizo na nguvu ya pato la umeme la kW 100 zinazalishwa kibiashara.

Seli za mafuta za oksidi za methanoli za moja kwa moja (DOMFCs)

Teknolojia ya kutumia seli za mafuta na oxidation ya methanoli ya moja kwa moja inapitia kipindi cha maendeleo ya kazi. Imejidhihirisha kwa ufanisi katika uwanja wa kuwezesha simu za rununu, kompyuta za mkononi, na pia kuunda vyanzo vya nguvu vinavyoweza kubebeka. Hivi ndivyo matumizi ya baadaye ya vipengele hivi yanalenga.

Muundo wa seli za mafuta na oxidation ya moja kwa moja ya methanoli ni sawa na seli za mafuta na membrane ya kubadilishana ya protoni (MEPFC), i.e. Polima hutumika kama elektroliti, na ioni ya hidrojeni (protoni) hutumika kama kibebea chaji. Hata hivyo, methanoli ya kioevu (CH 3 OH) inaoksidisha mbele ya maji kwenye anode, ikitoa CO 2, ioni za hidrojeni na elektroni, ambazo hutumwa kupitia mzunguko wa nje wa umeme, na hivyo kuzalisha sasa ya umeme. Ioni za hidrojeni hupitia elektroliti na kuguswa na oksijeni kutoka kwa hewa na elektroni kutoka kwa mzunguko wa nje kuunda maji kwenye anode.

Mwitikio kwenye anodi: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Mwitikio kwenye cathode: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Mwitikio wa jumla wa kipengele: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Faida ya aina hii ya seli za mafuta ni ukubwa wao mdogo, kutokana na matumizi ya mafuta ya kioevu, na kutokuwepo kwa haja ya kutumia kubadilisha fedha.

Seli/seli za mafuta za alkali (ALFC)

Seli za mafuta ya alkali ni mojawapo ya seli zenye ufanisi zaidi zinazotumiwa kuzalisha umeme, na ufanisi wa uzalishaji wa nishati unafikia hadi 70%.

Seli za mafuta ya alkali hutumia elektroliti, suluhisho la maji ya hidroksidi ya potasiamu, iliyo kwenye tumbo la porous, imetulia. Mkusanyiko wa hidroksidi ya potasiamu inaweza kutofautiana kulingana na halijoto ya uendeshaji ya seli ya mafuta, ambayo ni kati ya 65°C hadi 220°C. Mtoaji wa malipo katika SHTE ni ioni ya hidroksili (OH -), inayohamia kutoka kwa cathode hadi anode, ambapo humenyuka na hidrojeni, huzalisha maji na elektroni. Maji yanayozalishwa kwenye anode hurejea kwenye cathode, tena huzalisha ioni za hidroksili huko. Kama matokeo ya mfululizo huu wa athari zinazofanyika kwenye seli ya mafuta, umeme na, kama bidhaa, joto hutolewa:

Mwitikio kwenye anodi: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Mwitikio kwenye kathodi: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Mwitikio wa jumla wa mfumo: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Faida ya SHTE ni kwamba seli hizi za mafuta ndizo za bei nafuu zaidi kuzalisha, kwa kuwa kichocheo kinachohitajika kwenye elektroni kinaweza kuwa kitu chochote ambacho ni cha bei nafuu kuliko vile vinavyotumiwa kama vichocheo vya seli nyingine za mafuta. SFC hufanya kazi kwa viwango vya chini vya joto na ni kati ya seli za mafuta zinazofaa zaidi - sifa kama hizo zinaweza kuchangia uzalishaji wa haraka wa nguvu na ufanisi wa juu wa mafuta.

Moja ya vipengele vya sifa za SHTE ni unyeti wake wa juu kwa CO 2, ambayo inaweza kuwa katika mafuta au hewa. CO 2 humenyuka pamoja na elektroliti, huitia sumu haraka, na hupunguza sana ufanisi wa seli ya mafuta. Kwa hiyo, matumizi ya SHTE ni mdogo kwa nafasi zilizofungwa, kama vile nafasi na magari ya chini ya maji, lazima ziendeshe kwa hidrojeni na oksijeni safi. Zaidi ya hayo, molekuli kama vile CO, H 2 O na CH4, ambazo ni salama kwa seli nyingine za mafuta, na hata hufanya kama mafuta kwa baadhi yao, ni hatari kwa SHFC.

Seli za Mafuta za Polymer Electrolyte (PEFC)

Katika kesi ya seli za mafuta ya elektroliti ya polymer, membrane ya polymer ina nyuzi za polymer na mikoa ya maji ambayo kuna upitishaji wa ioni za maji H2O + (protoni, nyekundu) inashikamana na molekuli ya maji). Molekuli za maji husababisha shida kutokana na ubadilishanaji wa polepole wa ioni. Kwa hiyo, mkusanyiko wa juu wa maji unahitajika katika mafuta na kwenye electrodes ya plagi, kupunguza joto la uendeshaji hadi 100 ° C.

Seli/seli za mafuta ya asidi (SFC)

Katika seli za mafuta ya asidi, elektroliti (CsHSO 4) haina maji. Kwa hiyo joto la uendeshaji ni 100-300 ° C. Mzunguko wa anions oxy SO 4 2- huruhusu protoni (nyekundu) kusonga kama inavyoonyeshwa kwenye takwimu. Kwa kawaida, seli ya mafuta ya asidi ni sandwich ambayo safu nyembamba sana ya kiwanja cha asidi kigumu huwekwa kati ya elektroni mbili ambazo zimeunganishwa pamoja ili kuhakikisha kuwasiliana vizuri. Inapokanzwa, sehemu ya kikaboni huvukiza, ikitoka kupitia pores kwenye elektroni, kudumisha uwezo wa mawasiliano mengi kati ya mafuta (au oksijeni kwenye mwisho mwingine wa kitu), elektroliti na elektroni.

Modules mbalimbali za seli za mafuta. Betri ya seli ya mafuta

1. Betri ya seli ya mafuta
2. Vifaa vingine vinavyofanya kazi kwa joto la juu (jenereta iliyounganishwa ya mvuke, chumba cha mwako, kibadilisha usawa wa joto)
3. Insulation sugu ya joto

Moduli ya seli ya mafuta

Uchambuzi wa kulinganisha wa aina na aina za seli za mafuta

Mitambo bunifu ya nishati ya manispaa ya joto na nishati ya manispaa kwa kawaida hujengwa kwenye seli za mafuta ya oksidi dhabiti (SOFC), seli za mafuta ya elektroliti ya polima (PEFC), seli za mafuta ya asidi ya fosforasi (PAFC), seli za mafuta za utando wa protoni (PEMFC) na seli za mafuta za alkali ( ALFC). Kwa kawaida huwa na sifa zifuatazo:

Inayofaa zaidi inapaswa kuzingatiwa seli za mafuta ya oksidi dhabiti (SOFC), ambayo:

• hufanya kazi kwa viwango vya juu vya joto, kupunguza hitaji la madini ya thamani ya bei ghali (kama vile platinamu)
• inaweza kufanya kazi kwa aina mbalimbali za mafuta ya hidrokaboni, hasa gesi asilia
• kuwa na muda mrefu wa kuanza na kwa hivyo zinafaa zaidi kwa hatua za muda mrefu
• onyesha ufanisi wa juu wa uzalishaji wa umeme (hadi 70%)
• Kwa sababu ya halijoto ya juu ya uendeshaji, vitengo vinaweza kuunganishwa na mifumo ya uhamishaji joto, na kuleta ufanisi wa jumla wa mfumo hadi 85%.
• kuwa na takribani sifuri, hufanya kazi kimya na kuwa na mahitaji ya chini ya uendeshaji ikilinganishwa na teknolojia zilizopo za uzalishaji wa umeme.

Aina ya seli ya mafuta	Joto la kufanya kazi	Ufanisi wa uzalishaji wa nguvu	Aina ya mafuta	Eneo la maombi
RKTE	550–700°C	50-70%		Ufungaji wa kati na mkubwa
FCTE	100–220°C	35-40%	Hidrojeni safi	Ufungaji mkubwa
MOPTE	30-100°C	35-50%	Hidrojeni safi	Ufungaji mdogo
SOFC	450–1000°C	45-70%	Mafuta mengi ya hidrokaboni	Ufungaji mdogo, wa kati na mkubwa
PEMFC	20-90°C	20-30%	Methanoli	Inabebeka
SHTE	50–200°C	40-70%	Hidrojeni safi	Utafiti wa nafasi
PETE	30-100°C	35-50%	Hidrojeni safi	Ufungaji mdogo

Kwa kuwa mimea ndogo ya nguvu ya mafuta inaweza kushikamana na mtandao wa kawaida wa usambazaji wa gesi, seli za mafuta hazihitaji mfumo tofauti wa usambazaji wa hidrojeni. Wakati wa kutumia mimea ndogo ya nguvu ya mafuta kulingana na seli za mafuta ya oksidi imara, joto linalozalishwa linaweza kuunganishwa katika kubadilishana joto kwa joto la maji na hewa ya uingizaji hewa, na kuongeza ufanisi wa jumla wa mfumo. Teknolojia hii ya kibunifu inafaa zaidi kuzalisha umeme kwa ufanisi bila hitaji la miundombinu ya gharama kubwa na ujumuishaji wa zana tata.

Utumiaji wa seli/seli za mafuta

Utumiaji wa seli/seli za mafuta katika mifumo ya mawasiliano ya simu

Kutokana na kuenea kwa kasi kwa mifumo ya mawasiliano isiyotumia waya duniani kote, pamoja na kuongezeka kwa manufaa ya kijamii na kiuchumi ya teknolojia ya simu za mkononi, hitaji la kuhifadhi nakala ya nishati inayotegemewa na ya gharama nafuu imekuwa muhimu. Upotevu wa gridi ya umeme kwa mwaka mzima kutokana na hali mbaya ya hewa, majanga ya asili au uwezo mdogo wa gridi ya taifa huleta changamoto inayoendelea kwa waendeshaji wa gridi ya taifa.

Ufumbuzi wa jadi wa kuhifadhi nishati ya mawasiliano ya simu ni pamoja na betri (seli ya betri ya asidi-asidi inayodhibitiwa na vali) kwa nishati mbadala ya muda mfupi na jenereta za dizeli na propani kwa nishati mbadala ya muda mrefu. Betri ni chanzo cha bei nafuu cha nishati chelezo kwa saa 1 - 2. Hata hivyo, betri hazifai kwa nishati mbadala ya muda mrefu kwa sababu ni ghali kuzitunza, haziaminiki baada ya muda mrefu wa matumizi, ni nyeti kwa halijoto na ni hatari kwa mazingira baada ya kutupwa. Jenereta za dizeli na propane zinaweza kutoa hifadhi ya muda mrefu ya nguvu. Hata hivyo, jenereta zinaweza kuwa zisizotegemewa, zinahitaji matengenezo makubwa, na kutoa viwango vya juu vya uchafuzi wa mazingira na gesi chafu.

Ili kuondokana na mapungufu ya suluhu za jadi za kuhifadhi nishati, teknolojia bunifu ya seli za mafuta ya kijani imetengenezwa. Seli za mafuta ni za kuaminika, tulivu, zina sehemu chache zinazosonga kuliko jenereta, zina anuwai ya joto ya kufanya kazi kuliko betri: kutoka -40 ° C hadi +50 ° C na, kwa sababu hiyo, hutoa viwango vya juu sana vya kuokoa nishati. Kwa kuongeza, gharama za maisha ya ufungaji huo ni chini kuliko zile za jenereta. Gharama za chini za seli za mafuta hutokana na ziara moja tu ya matengenezo kwa mwaka na tija kubwa zaidi ya mmea. Mwishoni mwa siku, kiini cha mafuta ni suluhisho la teknolojia ya kijani na athari ndogo ya mazingira.

Ufungaji wa seli za mafuta hutoa nguvu ya chelezo kwa miundomsingi muhimu ya mtandao wa mawasiliano kwa mawasiliano ya wireless, ya kudumu na ya mtandao mpana katika mfumo wa mawasiliano, kuanzia 250 W hadi 15 kW, hutoa vipengele vingi vya kibunifu visivyo na kifani:

• UAMINIFU- sehemu chache zinazosonga na hakuna kutokwa katika hali ya kusubiri
• KUHIFADHI NISHATI
• KIMYA- kiwango cha chini cha kelele
• ENDELEVU- anuwai ya uendeshaji kutoka -40 ° C hadi +50 ° C
• ADAPTABILITY- ufungaji nje na ndani (chombo / chombo cha kinga)
• NGUVU JUU- hadi 15 kW
• MAHITAJI YA MATUNZO YA CHINI- matengenezo madogo ya kila mwaka
• KIUCHUMI- kuvutia gharama ya jumla ya umiliki
• NISHATI YA KIJANI- uzalishaji mdogo na athari ndogo kwa mazingira

Mfumo huhisi volteji ya basi ya DC wakati wote na hukubali mizigo muhimu kwa urahisi ikiwa volteji ya basi ya DC itashuka chini ya eneo lililobainishwa na mtumiaji. Mfumo huo unatumia hidrojeni, ambayo hutolewa kwa rundo la seli za mafuta kwa njia moja wapo ya njia mbili - ama kutoka kwa chanzo cha hidrojeni ya viwandani au kutoka kwa mafuta ya kioevu ya methanoli na maji, kwa kutumia mfumo jumuishi wa mageuzi.

Umeme huzalishwa na stack ya seli ya mafuta kwa namna ya sasa ya moja kwa moja. Nishati ya DC huhamishiwa kwa kibadilishaji fedha, ambacho hubadilisha nishati ya DC isiyodhibitiwa inayotoka kwenye rundo la seli ya mafuta kuwa nishati ya DC inayodhibitiwa ya ubora wa juu kwa mizigo inayohitajika. Usakinishaji wa seli za mafuta unaweza kutoa nguvu ya chelezo kwa siku nyingi kwani muda unadhibitiwa tu na kiasi cha hidrojeni au methanoli/mafuta ya maji yanayopatikana.

Seli za mafuta hutoa uokoaji bora wa nishati, kuegemea kwa mfumo, utendakazi unaotabirika zaidi katika anuwai ya hali ya hewa, na uimara wa uendeshaji unaotegemewa ikilinganishwa na pakiti za betri za asidi ya risasi zinazodhibitiwa na sekta. Gharama za maisha pia ni za chini kwa sababu ya mahitaji ya chini ya matengenezo na uingizwaji. Seli za mafuta hutoa manufaa ya kimazingira kwa mtumiaji wa mwisho kwani gharama za utupaji na hatari za dhima zinazohusiana na seli za asidi ya risasi ni wasiwasi unaoongezeka.

Utendaji wa betri za umeme unaweza kuathiriwa vibaya na mambo mbalimbali kama vile kiwango cha chaji, halijoto, uendeshaji baiskeli, maisha na vigezo vingine. Nishati inayotolewa itatofautiana kulingana na mambo haya na si rahisi kutabiri. Utendaji wa seli ya mafuta ya utando wa kubadilishana protoni (PEMFC) hauathiriwi kwa kiasi na vipengele hivi na inaweza kutoa nguvu muhimu mradi mafuta yanapatikana. Kuongezeka kwa utabiri ni faida muhimu wakati wa kuhamia seli za mafuta kwa ajili ya programu muhimu za nishati mbadala.

Seli za mafuta huzalisha nguvu tu wakati mafuta hutolewa, sawa na jenereta ya turbine ya gesi, lakini hazina sehemu zinazohamia katika eneo la uzalishaji. Kwa hiyo, tofauti na jenereta, hawana chini ya kuvaa haraka na hauhitaji matengenezo ya mara kwa mara na lubrication.

Mafuta yanayotumika kuendesha kigeuzi cha muda mrefu cha mafuta ni mchanganyiko wa mafuta ya methanoli na maji. Methanoli ni mafuta yanayopatikana kwa wingi, yanayozalishwa kibiashara ambayo kwa sasa yana matumizi mengi, ikiwa ni pamoja na viosha vioo vya mbele, chupa za plastiki, viungio vya injini, na rangi za emulsion, miongoni mwa nyinginezo. Methanoli inasafirishwa kwa urahisi, inaweza kuchanganywa na maji, ina biodegradability nzuri na haina sulfuri. Ina kiwango cha chini cha kuganda (-71°C) na haiozi wakati wa kuhifadhi kwa muda mrefu.

Utumiaji wa seli/seli za mafuta katika mitandao ya mawasiliano

Mitandao salama ya mawasiliano inahitaji suluhu za nguvu za chelezo zinazotegemewa ambazo zinaweza kufanya kazi kwa saa au siku katika hali za dharura ikiwa gridi ya umeme haipatikani tena.

Ikiwa na sehemu chache zinazosonga na hakuna upotevu wa nishati ya hali ya kusubiri, teknolojia bunifu ya seli za mafuta inatoa suluhisho la kuvutia kwa mifumo ya sasa ya chelezo ya nishati.

Hoja yenye nguvu zaidi ya kutumia teknolojia ya seli za mafuta katika mitandao ya mawasiliano ni kuongezeka kwa uaminifu na usalama kwa ujumla. Wakati wa matukio kama vile kukatika kwa umeme, matetemeko ya ardhi, dhoruba na vimbunga, ni muhimu kwamba mifumo iendelee kufanya kazi na ipewe nguvu mbadala ya kuaminika kwa muda mrefu, bila kujali halijoto au umri wa mfumo mbadala wa nishati.

Laini ya vifaa vya nguvu vinavyotokana na seli za mafuta ni bora kwa kusaidia mitandao ya mawasiliano iliyoainishwa. Shukrani kwa kanuni zao za usanifu wa kuokoa nishati, wanatoa nishati rafiki kwa mazingira, na ya kuaminika ya chelezo kwa muda mrefu (hadi siku kadhaa) kwa matumizi katika safu ya nguvu kutoka 250 W hadi 15 kW.

Utumiaji wa seli/seli za mafuta katika mitandao ya data

Usambazaji wa nishati ya kuaminika kwa mitandao ya data, kama vile mitandao ya data ya kasi ya juu na uti wa mgongo wa nyuzi macho, ni wa umuhimu mkubwa duniani kote. Taarifa zinazotumwa kupitia mitandao kama hii zina data muhimu kwa taasisi kama vile benki, mashirika ya ndege au vituo vya matibabu. Kukatika kwa umeme katika mitandao kama hii sio tu hatari kwa habari iliyopitishwa, lakini pia, kama sheria, husababisha upotezaji mkubwa wa kifedha. Usakinishaji wa seli za mafuta unaotegemewa na wa kibunifu ambao hutoa ugavi wa nishati mbadala hutoa utegemezi unaohitajika ili kuhakikisha usambazaji wa nishati usiokatizwa.

Vipimo vya seli za mafuta, vinavyoendeshwa na mchanganyiko wa mafuta ya kioevu ya methanoli na maji, hutoa nguvu ya chelezo ya kuaminika kwa muda mrefu, hadi siku kadhaa. Aidha, vitengo hivi vimepunguza mahitaji ya matengenezo kwa kiasi kikubwa ikilinganishwa na jenereta na betri, zinazohitaji ziara moja tu ya matengenezo kwa mwaka.

Sifa za kawaida za tovuti ya matumizi ya usakinishaji wa seli za mafuta katika mitandao ya data:

• Maombi yenye kiasi cha matumizi ya nguvu kutoka 100 W hadi 15 kW
• Programu zilizo na mahitaji ya maisha ya betri > saa 4
• Virudio katika mifumo ya nyuzi macho (idara ya mifumo ya dijiti iliyosawazishwa, Mtandao wa kasi ya juu, sauti kupitia IP...)
• Nodi za mtandao za upitishaji data wa kasi ya juu
• Nodi za maambukizi ya WiMAX

Usakinishaji wa chelezo cha nishati ya seli za mafuta hutoa faida nyingi kwa miundomsingi ya mtandao wa data muhimu kwa dhamira ikilinganishwa na betri za jadi au jenereta za dizeli, kuruhusu kuongezeka kwa chaguo za kusambaza kwenye tovuti:

1. Teknolojia ya mafuta ya kioevu hutatua tatizo la uwekaji wa hidrojeni na hutoa nguvu ya chelezo isiyo na kikomo.
2. Shukrani kwa uendeshaji wao wa utulivu, uzito mdogo, upinzani dhidi ya mabadiliko ya joto na uendeshaji usio na vibration, seli za mafuta zinaweza kusakinishwa nje ya majengo, katika majengo ya viwanda / vyombo au juu ya paa.
3. Maandalizi ya matumizi ya mfumo kwenye tovuti ni ya haraka na ya kiuchumi, na gharama za uendeshaji ni za chini.
4. Mafuta yanaweza kuoza na hutoa suluhisho rafiki kwa mazingira kwa mazingira ya mijini.

Utumiaji wa seli/seli za mafuta katika mifumo ya usalama

Mifumo iliyobuniwa kwa uangalifu zaidi ya usalama na mawasiliano ya jengo inategemewa tu kama ugavi wa umeme unaoisaidia. Ingawa mifumo mingi inajumuisha aina fulani ya mfumo wa kuhifadhi nishati isiyoweza kukatizwa kwa upotevu wa nishati ya muda mfupi, haikubaliani na kukatika kwa umeme kwa muda mrefu kunaweza kutokea baada ya majanga ya asili au mashambulizi ya kigaidi. Hili linaweza kuwa suala muhimu kwa mashirika mengi ya ushirika na serikali.

Mifumo muhimu kama vile mifumo ya ufuatiliaji na udhibiti wa ufikiaji wa CCTV (visoma vitambulisho, vifaa vya kufuli milango, teknolojia ya utambuzi wa kibayometriki, n.k.), kengele ya moto otomatiki na mifumo ya kuzima moto, mifumo ya udhibiti wa lifti na mitandao ya mawasiliano, iko hatarini kwa kukosekana kwa usambazaji wa umeme mbadala unaotegemewa na wa kudumu.

Jenereta za dizeli hufanya kelele nyingi, ni vigumu kupata, na zina matatizo yanayojulikana ya kuaminika na matengenezo. Kinyume chake, usakinishaji wa seli ya mafuta ambayo hutoa nguvu mbadala ni tulivu, inategemewa, hutoa hewa chafu au ya chini sana, na inaweza kusakinishwa kwa urahisi juu ya paa au nje ya jengo. Haitoi au kupoteza nguvu katika hali ya kusubiri. Inahakikisha kuendelea kwa uendeshaji wa mifumo muhimu, hata baada ya kituo kusitisha shughuli na jengo limeondolewa.

Ufungaji bunifu wa seli za mafuta hulinda uwekezaji wa gharama kubwa katika programu muhimu. Hutoa nishati ya chelezo rafiki kwa mazingira, inayotegemewa na muda ulioongezwa (hadi siku nyingi) kwa matumizi katika masafa ya nishati kutoka 250 W hadi 15 kW, pamoja na vipengele vingi ambavyo havijashindanishwa na, hasa, viwango vya juu vya kuokoa nishati.

Usakinishaji wa chelezo za nishati ya seli za mafuta hutoa faida nyingi kwa matumizi katika programu muhimu za dhamira kama vile mifumo ya usalama na udhibiti wa jengo juu ya programu za jadi zinazotumia betri au jenereta ya dizeli. Teknolojia ya mafuta ya kioevu hutatua tatizo la uwekaji wa hidrojeni na hutoa nguvu ya chelezo isiyo na kikomo.

Utumiaji wa seli/seli za mafuta katika kupokanzwa manispaa na uzalishaji wa nishati

Seli za mafuta ya oksidi imara (SOFCs) hutoa mitambo ya kutegemewa, isiyo na nishati na isiyotoa uchafuzi wa nishati ya mafuta ili kuzalisha umeme na joto kutoka kwa gesi asilia inayopatikana kwa wingi na vyanzo vya nishati mbadala. Ufungaji huu wa ubunifu hutumiwa katika masoko mbalimbali, kutoka kwa uzalishaji wa umeme wa nyumbani hadi usambazaji wa umeme wa mbali, pamoja na vifaa vya ziada vya umeme.

Utumiaji wa seli/seli za mafuta katika mitandao ya usambazaji

Mitambo midogo ya nguvu ya mafuta imeundwa kufanya kazi katika mtandao wa uzalishaji wa umeme uliosambazwa unaojumuisha idadi kubwa ya seti ndogo za jenereta badala ya mtambo mmoja wa umeme wa kati.

Kielelezo kilicho hapa chini kinaonyesha hasara katika ufanisi wa uzalishaji wa umeme unapozalishwa kwenye mtambo wa nishati ya joto na kusambazwa majumbani kupitia mitandao ya jadi ya usambazaji umeme inayotumika sasa. Hasara za ufanisi katika uzalishaji wa kati hujumuisha hasara kutoka kwa mtambo wa nguvu, upitishaji wa voltage ya chini na ya juu-voltage, na hasara za usambazaji.

Takwimu inaonyesha matokeo ya kuunganishwa kwa mimea ndogo ya nguvu ya joto: umeme huzalishwa kwa ufanisi wa kizazi hadi 60% katika hatua ya matumizi. Zaidi ya hayo, kaya inaweza kutumia joto linalozalishwa na seli za mafuta ili joto la maji na nafasi, ambayo huongeza ufanisi wa jumla wa usindikaji wa nishati ya mafuta na kuongeza akiba ya nishati.

Matumizi ya seli za mafuta kulinda mazingira - matumizi ya gesi ya petroli inayohusika

Mojawapo ya kazi muhimu zaidi katika tasnia ya mafuta ni matumizi ya gesi inayohusiana na petroli. Mbinu zilizopo za kutumia gesi ya petroli inayohusiana zina hasara nyingi, kuu ni kwamba hazifai kiuchumi. Gesi ya petroli inayohusishwa inachomwa, ambayo husababisha madhara makubwa kwa mazingira na afya ya binadamu.

Mitambo bunifu ya nishati ya joto inayotumia seli za mafuta kwa kutumia gesi ya petroli kama mafuta hufungua njia kwa suluhisho kali na la gharama nafuu kwa matatizo ya utumiaji wa gesi ya petroli.

1. Moja ya faida kuu za uwekaji wa seli za mafuta ni kwamba zinaweza kufanya kazi kwa uhakika na kwa utulivu kwenye gesi ya petroli inayohusika ya muundo tofauti. Kwa sababu ya mmenyuko wa kemikali usio na moto ambao unasababisha uendeshaji wa seli ya mafuta, kupungua kwa asilimia ya, kwa mfano, methane husababisha tu kupungua kwa pato la nguvu.
2. Kubadilika kuhusiana na mzigo wa umeme wa watumiaji, kushuka, kuongezeka kwa mzigo.
3. Kwa ajili ya ufungaji na uunganisho wa mitambo ya nguvu ya mafuta kwenye seli za mafuta, utekelezaji wao hauhitaji gharama za mtaji, kwa sababu Vitengo vinaweza kusanikishwa kwa urahisi kwenye tovuti ambazo hazijatayarishwa karibu na shamba, ni rahisi kutumia, za kuaminika na za ufanisi.
4. Automatisering ya juu na udhibiti wa kijijini wa kisasa hauhitaji uwepo wa kudumu wa wafanyakazi kwenye ufungaji.
5. Urahisi na ukamilifu wa kiufundi wa kubuni: kutokuwepo kwa sehemu zinazohamia, msuguano, na mifumo ya lubrication hutoa faida kubwa za kiuchumi kutokana na uendeshaji wa mitambo ya seli za mafuta.
6. Matumizi ya maji: hakuna katika halijoto iliyoko hadi +30 °C na haitumiki katika halijoto ya juu zaidi.
7. Njia ya maji: hakuna.
8. Kwa kuongezea, mimea ya nguvu ya mafuta kwa kutumia seli za mafuta haifanyi kelele, haitetemeki, usitoe hewa chafu zenye madhara kwenye angahewa

Nissan hidrojeni kiini mafuta

Vifaa vya kielektroniki vya rununu vinaboreshwa kila mwaka, vinaenea na kupatikana zaidi: PDA, kompyuta za mkononi, vifaa vya rununu na dijitali, fremu za picha, n.k. Vyote vinasasishwa kila mara na vitendaji vipya, vichunguzi vikubwa, mawasiliano ya pasiwaya, vichakataji vikali, huku ukubwa wake ukipungua. . Teknolojia za nguvu, tofauti na teknolojia ya semiconductor, haziendelei kwa kiwango kikubwa na mipaka.

Betri zilizopo na vikusanyiko vya kuwezesha mafanikio ya sekta hiyo hazitoshi, hivyo suala la vyanzo mbadala ni kubwa sana. Seli za mafuta ndio eneo la kuahidi zaidi. Kanuni ya operesheni yao iligunduliwa nyuma mwaka wa 1839 na William Grove, ambaye alizalisha umeme kwa kubadilisha electrolysis ya maji.

Video: Hati, seli za mafuta kwa usafiri: zilizopita, za sasa, za baadaye

Seli za mafuta zinavutia watengenezaji wa gari, na wabunifu wa anga pia wanavutiwa nazo. Mnamo 1965, walijaribiwa hata na Amerika kwenye chombo cha anga cha Gemini 5 kilichorushwa angani, na baadaye Apollo. Mamilioni ya dola bado yanawekezwa katika utafiti wa seli za mafuta leo, wakati kuna matatizo yanayohusiana na uchafuzi wa mazingira na kuongezeka kwa uzalishaji wa gesi chafu zinazozalishwa wakati wa mwako wa nishati ya mafuta, hifadhi ambazo pia hazina mwisho.

Seli ya mafuta, ambayo mara nyingi huitwa jenereta ya electrochemical, hufanya kazi kwa njia iliyoelezwa hapa chini.

Kuwa, kama vikusanyiko na betri, kipengele cha galvanic, lakini kwa tofauti kwamba vitu vyenye kazi huhifadhiwa ndani yake tofauti. Wao hutolewa kwa electrodes kama zinatumiwa. Mafuta ya asili au dutu yoyote inayopatikana kutoka kwayo huwaka kwenye elektrodi hasi, ambayo inaweza kuwa gesi (hidrojeni, kwa mfano, na monoksidi kaboni) au kioevu, kama vile alkoholi. Oksijeni kawaida humenyuka kwenye elektrodi chanya.

Lakini kanuni inayoonekana rahisi ya operesheni si rahisi kutafsiri katika ukweli.

Seli ya mafuta ya DIY

Video: seli ya mafuta ya hidrojeni ya DIY

Kwa bahati mbaya, hatuna picha za jinsi kipengele hiki cha mafuta kinapaswa kuonekana, tunategemea mawazo yako.

Unaweza kufanya kiini cha mafuta cha chini cha nguvu na mikono yako mwenyewe hata katika maabara ya shule. Unahitaji kuhifadhi kwenye mask ya zamani ya gesi, vipande kadhaa vya plexiglass, alkali na suluhisho la maji ya pombe ya ethyl (kwa urahisi zaidi, vodka), ambayo itatumika kama "mafuta" kwa seli ya mafuta.

Kwanza kabisa, unahitaji nyumba kwa seli ya mafuta, ambayo ni bora kufanywa kutoka kwa plexiglass, angalau milimita tano nene. Sehemu za ndani (kuna sehemu tano ndani) zinaweza kufanywa nyembamba kidogo - cm 3. Ili gundi plexiglass, tumia gundi ya utungaji wafuatayo: gramu sita za shavings za plexiglass hupasuka katika gramu mia moja ya kloroform au dichloroethane (kazi imefanywa. chini ya kofia).

Sasa unahitaji kuchimba shimo kwenye ukuta wa nje, ambayo unahitaji kuingiza bomba la kukimbia la glasi na kipenyo cha sentimita 5-6 kupitia kizuizi cha mpira.

Kila mtu anajua kwamba katika meza ya mara kwa mara metali zinazofanya kazi zaidi ziko kwenye kona ya chini ya kushoto, na metalloids yenye kazi sana iko kwenye kona ya juu ya kulia ya meza, i.e. uwezo wa kuchangia elektroni huongezeka kutoka juu hadi chini na kutoka kulia kwenda kushoto. Vipengele ambavyo vinaweza, chini ya hali fulani, kujidhihirisha kama metali au metalloidi ziko katikati ya meza.

Sasa tunamwaga kaboni iliyoamilishwa kutoka kwa mask ya gesi kwenye sehemu ya pili na ya nne (kati ya kizigeu cha kwanza na cha pili, na cha tatu na cha nne), ambacho kitafanya kama elektroni. Ili kuzuia makaa ya mawe kumwagika kupitia mashimo, unaweza kuiweka kwenye kitambaa cha nailoni (soksi za nailoni za wanawake zinafaa). KATIKA

Mafuta yatazunguka kwenye chumba cha kwanza, na katika tano inapaswa kuwa na muuzaji wa oksijeni - hewa. Kutakuwa na elektroliti kati ya elektroni, na ili kuzuia kuvuja ndani ya chumba cha hewa, unahitaji loweka na suluhisho la mafuta ya taa katika petroli (uwiano wa gramu 2 za mafuta ya taa hadi glasi nusu ya petroli) kabla ya kujaza. chumba cha nne na kaboni kwa elektroliti ya hewa. Juu ya safu ya makaa ya mawe unahitaji kuweka (kwa kushinikiza kidogo) sahani za shaba ambazo waya zinauzwa. Kupitia kwao, sasa itaelekezwa kutoka kwa electrodes.

Kinachobaki ni kutoza kipengele. Kwa hili unahitaji vodka, ambayo inahitaji kupunguzwa na maji 1: 1. Kisha kuongeza kwa makini gramu mia tatu hadi mia tatu hamsini za potasiamu ya caustic. Kwa electrolyte, gramu 70 za hidroksidi ya potasiamu hupasuka katika gramu 200 za maji.

Seli ya mafuta iko tayari kwa majaribio. Sasa unahitaji kumwaga mafuta wakati huo huo kwenye chumba cha kwanza na electrolyte ndani ya tatu. Voltmeter iliyounganishwa na electrodes inapaswa kuonyesha kutoka volts 07 hadi 0.9. Ili kuhakikisha uendeshaji unaoendelea wa kipengele, ni muhimu kuondoa mafuta yaliyotumiwa (kukimbia ndani ya kioo) na kuongeza mafuta mapya (kupitia tube ya mpira). Kiwango cha malisho kinarekebishwa kwa kufinya bomba. Hivi ndivyo uendeshaji wa seli ya mafuta inavyoonekana chini ya hali ya maabara, ambayo nguvu yake inaeleweka chini.

Video: Kiini cha mafuta au betri ya milele nyumbani

Ili kuhakikisha nguvu kubwa zaidi, wanasayansi wamekuwa wakifanya kazi juu ya tatizo hili kwa muda mrefu. Chuma amilifu katika ukuzaji huweka seli za mafuta za methanoli na ethanoli. Lakini, kwa bahati mbaya, bado hazijawekwa katika vitendo.

Kwa nini seli ya mafuta huchaguliwa kama chanzo mbadala cha nishati

Kiini cha mafuta kilichaguliwa kama chanzo mbadala cha nguvu, kwani bidhaa ya mwisho ya mwako wa hidrojeni ndani yake ni maji. Shida pekee ni kutafuta njia ya bei nafuu na bora ya kutengeneza hidrojeni. Fedha nyingi zilizowekeza katika maendeleo ya jenereta za hidrojeni na seli za mafuta haziwezi kuzaa matunda, hivyo mafanikio ya teknolojia na matumizi yao halisi katika maisha ya kila siku ni suala la muda tu.

Tayari leo monsters wa tasnia ya magari: General Motors, Honda, Draimler Coyler, Ballard wanaonyesha mabasi na magari yanayoendesha kwenye seli za mafuta, ambayo nguvu hufikia 50 kW. Lakini shida zinazohusiana na usalama wao, kuegemea, na gharama bado hazijatatuliwa. Kama ilivyoelezwa tayari, tofauti na vyanzo vya jadi vya nguvu - betri na vikusanyiko, katika kesi hii kioksidishaji na mafuta hutolewa kutoka nje, na kiini cha mafuta ni mpatanishi tu katika athari inayoendelea ya kuchoma mafuta na kubadilisha nishati iliyotolewa kuwa umeme. "Mwako" hutokea tu ikiwa kipengele kinatoa sasa kwa mzigo, kama jenereta ya umeme ya dizeli, lakini bila jenereta na injini ya dizeli, na pia bila kelele, moshi na overheating. Wakati huo huo, ufanisi ni wa juu zaidi, kwa kuwa hakuna taratibu za kati.

Video: Gari la seli ya mafuta ya haidrojeni

Matumaini makubwa yanawekwa kwenye matumizi ya nanoteknolojia na nanomaterials, ambayo itasaidia kupunguza seli za mafuta wakati wa kuongeza nguvu zao. Kumekuwa na ripoti kwamba vichocheo vya ufanisi zaidi vimeundwa, pamoja na miundo ya seli za mafuta ambazo hazina utando. Ndani yao, mafuta (methane, kwa mfano) hutolewa kwa kipengele pamoja na oxidizer. Suluhu zinazovutia hutumia oksijeni iliyoyeyushwa hewani kama kioksidishaji, na uchafu wa kikaboni ambao hujilimbikiza katika maji machafu hutumiwa kama mafuta. Hivi ni vitu vinavyoitwa biofuel.

Seli za mafuta, kulingana na wataalam, zinaweza kuingia katika soko kubwa katika miaka ijayo.

Seli za mafuta ya hidrojeni hubadilisha nishati ya kemikali ya mafuta kuwa umeme, na kupita michakato isiyofaa ya mwako na ubadilishaji wa nishati ya joto kuwa nishati ya mitambo, ambayo inahusisha hasara kubwa. Kiini cha mafuta ya hidrojeni ni kemikali ya kielektroniki Kifaa huzalisha umeme moja kwa moja kama matokeo ya mwako mzuri wa "baridi" wa mafuta. Seli ya mafuta ya utando wa protoni ya hidrojeni-hewa (PEMFC) ni mojawapo ya teknolojia zinazoahidi zaidi za seli za mafuta.

Miaka minane iliyopita, pampu sita za dizeli za kioevu ziligunduliwa katika Ulaya Magharibi; lazima wawe mia mbili kabla ya mwisho. Tuko mbali na maelfu ya vituo vya kuchaji kwa haraka ambavyo vinaanguliwa kila mahali ili kuhimiza kuenea kwa mwendo wa umeme. Na hapo ndipo kusugua huumiza. Na bora tutangaze graphene.

Betri hazijapata neno lao la mwisho

Kuna zaidi yake kuliko uhuru, ndiyo sababu kupunguza muda wa malipo kunapunguza upitishaji wa EV. Walakini, alikumbuka katika barua mwezi huu kwa wateja wake kwamba betri zina kizuizi, kikomo kwa aina hii ya uchunguzi kwa viwango vya juu sana. Thomas Brachman ataambiwa kuwa mtandao wa usambazaji wa hidrojeni bado unahitaji kujengwa. Hoja ni kwamba yeye hufagia mkono wake, akikumbuka kwamba kuzidisha kwa vituo vya malipo ya haraka pia ni ghali sana, kutokana na sehemu kubwa ya msalaba wa nyaya za shaba za high-voltage. "Ni rahisi na nafuu kusafirisha hidrojeni iliyoyeyuka kwa lori kutoka kwa matangi yaliyozikwa karibu na maeneo ya uzalishaji."

Utando wa polima unaoendesha protoni hutenganisha elektrodi mbili-anode na cathode. Kila electrode ni sahani ya kaboni (matrix) iliyofunikwa na kichocheo. Katika kichocheo cha anode, hidrojeni ya molekuli hutengana na kutoa elektroni. Cations hidrojeni hufanyika kwa njia ya membrane kwa cathode, lakini elektroni hutolewa kwenye mzunguko wa nje, kwani membrane hairuhusu elektroni kupita.

Haidrojeni bado sio vekta safi ya umeme

Kuhusu gharama ya betri yenyewe, ambayo ni habari nyeti sana, Thomas Brachmann hana shaka kwamba inaweza kupunguzwa kwa kiasi kikubwa kama ufanisi unavyoongezeka. "Platinum ndio kitu kinachogharimu zaidi." Kwa bahati mbaya, karibu haidrojeni yote hutoka kwa vyanzo vya nishati. Zaidi ya hayo, dihydrogen ni vector tu ya nishati, na sio chanzo ambacho sehemu isiyo na maana hutumiwa wakati wa uzalishaji wake, liquefaction yake, na kisha uongofu wake katika umeme.

Katika kichocheo cha cathode, molekuli ya oksijeni inachanganya na elektroni (ambayo hutolewa kutoka kwa mzunguko wa umeme) na protoni inayoingia na kuunda maji, ambayo ni bidhaa pekee ya majibu (kwa namna ya mvuke na / au kioevu).

Vitengo vya membrane-electrode, ambayo ni kipengele muhimu cha kuzalisha mfumo wa nishati, hutengenezwa kutoka kwa seli za mafuta ya hidrojeni.

Gari la siku zijazo hufanya kama halisi

Uwiano wa betri ni takriban mara tatu zaidi, licha ya hasara kutokana na joto katika madereva. Ole, gari la miujiza halitagonga barabara zetu isipokuwa kama sehemu ya maandamano ya umma. Brachmann, ambaye anatukumbusha kwamba ukimya wa asili wa gari la umeme huongeza hisia ya kuishi katika ulimwengu wa kelele. Licha ya shida zote, usukani na kanyagio cha kuvunja hutoa msimamo wa asili.

Betri ndogo lakini utendakazi ulioboreshwa

Gadget inaonekana, skrini ya kati inasambaza picha za kamera iliyowekwa kwenye kioo cha kulia mara tu ishara ya kugeuka inapoanzishwa. Wengi wa wateja wetu wa Marekani hawahitaji tena, na hii inaruhusu sisi kuweka bei chini - inahalalisha mhandisi mkuu, ambaye hutoa ushuru wa chini kuliko. Inafaa kuzungumza juu ya rundo la seli za mafuta kwani kuna 358 zinazofanya kazi pamoja. Hifadhi kuu, yenye uwezo wa lita 117, inasisitizwa dhidi ya ukuta wa nyuma wa benchi, ikizuia kupigwa, na ya pili - lita 24, imefichwa chini ya kiti.

Manufaa ya seli za mafuta ya hidrojeni ikilinganishwa na suluhisho za jadi:

- kuongezeka kwa nguvu maalum ya nishati (500 ÷ 1000 Wh / kg),

- anuwai ya joto ya kufanya kazi iliyopanuliwa (-40 0 C / +40 0 C),

- kutokuwepo kwa mahali pa joto, kelele na vibration;

- kuegemea mwanzoni mwa baridi,

- kipindi cha uhifadhi wa nishati isiyo na kikomo (hakuna kujiondoa),

Seli ya mafuta ya viharusi viwili vya kwanza

Licha ya ukubwa wake wa kompakt, seli hii mpya ya mafuta hubadilisha dihydrogen kuwa mkondo wa umeme haraka na bora zaidi kuliko ile iliyotangulia. Hutoa oksijeni kwa vipengele vya rundo kwa kiwango ambacho hapo awali kilizingatiwa kuwa hakiendani na uimara wao. Maji ya ziada ambayo hapo awali yalipunguza kiwango cha mtiririko ni bora kuhamishwa. Matokeo yake, nguvu kwa kila kipengele huongezeka kwa nusu, na ufanisi hufikia 60%.

Hii ni kutokana na kuwepo kwa betri ya lithiamu-ion 1.7 kWh - iko chini ya viti vya mbele, ambayo inaruhusu sasa ya ziada kutolewa chini ya kasi ya nguvu. Au utabiri wa uhuru ni kilomita 460, kwa hakika inalingana na kile ambacho mtengenezaji anadai.

- uwezo wa kubadilisha kiwango cha nishati ya mfumo kwa kubadilisha idadi ya cartridges za mafuta, ambayo hutoa uhuru wa karibu usio na kikomo,

Uwezo wa kutoa karibu nguvu yoyote inayofaa ya mfumo kwa kubadilisha uwezo wa kuhifadhi hidrojeni,

- nguvu ya juu ya nishati,

- uvumilivu kwa uchafu katika hidrojeni;

Lakini sehemu elfu kuwezesha mtiririko wa hewa na kuongeza baridi. Hata zaidi ya mtangulizi wake, gari hili la umeme linaonyesha kwamba kiini cha mafuta ni mbele na katikati. Changamoto kubwa kwa tasnia na viongozi wetu. Wakati huo huo, ni busara sana ambaye atajua ni seli gani ya mafuta au betri itatawala.

Seli ya mafuta ni kifaa cha kubadilisha nishati ya kielektroniki ambacho kinaweza kutoa umeme kwa njia ya mkondo wa moja kwa moja kwa kuchanganya mafuta na kioksidishaji katika mmenyuko wa kemikali ili kutoa bidhaa taka, kwa kawaida oksidi ya mafuta.

- maisha marefu ya huduma,

- urafiki wa mazingira na uendeshaji wa utulivu.

Mifumo ya usambazaji wa nguvu kulingana na seli za mafuta ya hidrojeni kwa UAVs:

Ufungaji wa seli za mafuta umewashwa magari yasiyo na rubani badala ya betri za kitamaduni, huzidisha muda wa kukimbia na uzito wa upakiaji, huongeza kuegemea kwa ndege, huongeza kiwango cha joto cha uzinduzi na uendeshaji wa UAV, na kupunguza kikomo hadi -40 0C. Ikilinganishwa na injini za mwako wa ndani, mifumo inayotegemea seli za mafuta ni kimya, haina mtetemo, inafanya kazi kwa viwango vya chini vya joto, ni vigumu kutambua wakati wa kukimbia, haitoi hewa mbaya, na inaweza kufanya kazi kwa ufanisi kutoka kwa ufuatiliaji wa video hadi utoaji wa mizigo.

Kila seli ya mafuta ina elektrodi mbili, moja chanya na nyingine hasi, na majibu ambayo hutoa umeme hutokea kwenye elektroni mbele ya elektroliti, ambayo hubeba chembe za kushtakiwa kutoka kwa elektroni hadi elektrodi, wakati elektroni huzunguka kwenye waya za nje ziko kati ya elektroni. kutengeneza umeme.

Seli ya mafuta inaweza kuzalisha umeme mfululizo mradi tu mtiririko unaohitajika wa mafuta na vioksidishaji udumishwe. Baadhi ya seli za mafuta huzalisha wati chache tu, wakati nyingine zinaweza kuzalisha kilowati mia kadhaa, wakati betri ndogo zinaweza kupatikana kwenye kompyuta za mkononi na simu za mkononi, lakini seli za mafuta ni ghali sana kuwa jenereta ndogo zinazotumiwa kuzalisha umeme kwa nyumba na biashara.

Muundo wa mfumo wa usambazaji wa umeme kwa UAVs:

Vipimo vya Kiuchumi vya Seli za Mafuta

Kutumia hidrojeni kama chanzo cha mafuta hujumuisha gharama kubwa. Kwa sababu hii, hidrojeni sasa ni chanzo kisicho na uchumi, haswa kwa sababu vyanzo vingine vya bei rahisi vinaweza kutumika. Gharama za uzalishaji wa hidrojeni zinaweza kutofautiana kwani zinaonyesha gharama ya rasilimali ambayo hutolewa.

Vyanzo vya mafuta ya betri

Seli za mafuta kwa ujumla zimeainishwa katika kategoria zifuatazo: seli za mafuta ya hidrojeni, seli za kikaboni za mafuta, seli za mafuta za metali, na betri za redoksi. Wakati hidrojeni inatumiwa kama chanzo cha mafuta, nishati ya kemikali hubadilishwa kuwa umeme wakati wa mchakato wa kubadilisha hidrolisisi ili kutoa maji na joto tu kama taka. Seli ya mafuta ya hidrojeni ni ya chini sana, lakini inaweza kuwa zaidi au chini ya uzalishaji wa hidrojeni, hasa ikiwa hutolewa kutoka kwa mafuta ya mafuta.

• - betri ya seli ya mafuta,
• - Betri ya bafa ya Li-Po ili kufidia mizigo ya kilele cha muda mfupi,
• - elektroniki mfumo wa udhibiti ,
• - mfumo wa mafuta unaojumuisha silinda na hidrojeni iliyoshinikizwa au chanzo kigumu cha hidrojeni.

Mfumo wa mafuta hutumia mitungi ya uzani mwepesi na vipunguza nguvu vya juu ili kuhakikisha usambazaji wa juu wa hidrojeni iliyoshinikizwa kwenye ubao. Inaruhusiwa kutumia ukubwa tofauti wa mitungi (kutoka 0.5 hadi 25 lita) na reducers ambayo hutoa matumizi ya hidrojeni inayohitajika.

Betri za hidrojeni zimegawanywa katika makundi mawili: betri za joto la chini na betri za joto la juu, ambapo betri za joto la juu zinaweza pia kutumia mafuta ya mafuta moja kwa moja. Mwisho unajumuisha hidrokaboni kama vile mafuta au petroli, pombe au majani.

Vyanzo vingine vya mafuta katika betri ni pamoja na, lakini sio mdogo, alkoholi, zinki, alumini, magnesiamu, suluhu za ioni na hidrokaboni nyingi. Wakala wengine wa vioksidishaji ni pamoja na, lakini sio mdogo, hewa, klorini na dioksidi ya klorini. Hivi sasa, kuna aina kadhaa za seli za mafuta.

Tabia za mfumo wa usambazaji wa umeme kwa UAVs:

Chaja zinazobebeka kulingana na seli za mafuta ya hidrojeni:

Chaja zinazobebeka kulingana na seli za mafuta ya hidrojeni ni vifaa kongamano, vinavyoweza kulinganishwa kwa uzito na vipimo na chaja zilizopo za betri ambazo hutumika kikamilifu duniani.

Teknolojia ya kubebeka kila mahali katika ulimwengu wa kisasa inahitaji kuchajiwa mara kwa mara. Mifumo ya jadi ya portable ni kivitendo haina maana kwa joto la chini, na baada ya kufanya kazi yao pia wanahitaji recharging kutumia (mitandao ya umeme), ambayo pia inapunguza ufanisi wao na uhuru wa kifaa.

Kila molekuli ya dihydrogen hupata elektroni 2. Ioni H hutoka kwenye anode hadi kwenye cathode na husababisha mkondo wa umeme kwa kuhamisha elektroni. Je, seli za mafuta za ndege zinaweza kuonekanaje? Leo, majaribio yanafanywa kwenye ndege ili kujaribu kuruka kwa kutumia betri ya seli ya mafuta ya lithiamu-ioni. Faida ya kweli ya seli ya mafuta iko katika uadilifu wake wa uzito wa chini: ni nyepesi, ambayo husaidia kupunguza uzito wa ndege na hivyo matumizi ya mafuta.

Lakini kwa sasa, kuruka ndege ya seli ya mafuta haiwezekani kwa sababu bado ina vikwazo vingi. Picha ya seli ya mafuta. Je, ni hasara gani za seli ya mafuta? Kwanza kabisa, ikiwa hidrojeni ilikuwa ya kawaida, kuitumia kwa kiasi kikubwa itakuwa tatizo. Hakika, haipatikani tu duniani. Inapatikana katika maji yenye oksijeni na amonia. Kwa hiyo, ni muhimu kwa electrolyze maji ili kupata hiyo, na hii bado si njia iliyoenea.

Mifumo ya seli ya mafuta ya hidrojeni inahitaji tu uingizwaji wa cartridge ya mafuta ya compact, baada ya kifaa hicho ni mara moja tayari kutumika.

Vipengele vya chaja zinazobebeka:

Vifaa vya nguvu visivyoweza kukatika kulingana na seli za mafuta ya hidrojeni:

Mifumo ya ugavi wa umeme iliyohakikishwa kulingana na seli za mafuta ya hidrojeni imeundwa ili kupanga usambazaji wa nishati mbadala na usambazaji wa nguvu wa muda. Mifumo ya ugavi wa umeme iliyohakikishwa kulingana na seli za mafuta ya hidrojeni hutoa faida kubwa kuliko suluhu za kitamaduni za kupanga usambazaji wa umeme wa muda na wa chelezo, kwa kutumia betri na jenereta za dizeli.

Hidrojeni ni gesi, ambayo inafanya kuwa vigumu kuizuia na kusafirisha. Hatari nyingine inayohusiana na matumizi ya hidrojeni ni hatari ya mlipuko, kwani ni gesi inayowaka. kile kinachosambaza betri kwa uzalishaji wake kwa kiwango kikubwa kinahitaji chanzo kingine cha nishati, iwe mafuta, gesi au makaa ya mawe, au nishati ya nyuklia, ambayo hufanya usawa wake wa mazingira kuwa mbaya zaidi kuliko mafuta ya taa na kufanya lundo, platinamu, chuma ambacho ni adimu zaidi. na ghali zaidi kuliko dhahabu.

Kiini cha mafuta hutoa nishati kwa kuongeza oksidi mafuta kwenye anode na kupunguza kioksidishaji kwenye cathode. Ugunduzi wa kanuni ya seli ya mafuta na utekelezaji wa kwanza katika maabara kwa kutumia asidi ya sulfuriki kama elektroliti unatambuliwa na mwanakemia William Grove.

Tabia za mfumo wa usambazaji wa umeme usioweza kukatika:

Kiini cha mafuta ni kifaa cha electrochemical sawa na kiini cha galvanic, lakini hutofautiana nayo kwa kuwa vitu vya mmenyuko wa electrochemical hutolewa kutoka nje - tofauti na kiasi kidogo cha nishati iliyohifadhiwa kwenye seli ya galvanic au betri.

Hakika, seli za mafuta zina faida fulani: zile zinazotumia dihydrogen na dioksidi tu hutoa mvuke wa maji: kwa hiyo ni teknolojia safi. Kuna aina kadhaa za seli za mafuta, kulingana na asili ya elektroliti, asili ya mafuta, oxidation ya moja kwa moja au isiyo ya moja kwa moja, na joto la kufanya kazi.

Jedwali lifuatalo linatoa muhtasari wa sifa kuu za vifaa hivi mbalimbali. Programu kadhaa za Uropa zinaangalia polima zingine, kama vile derivatives za polybenzimidazole, ambazo ni thabiti zaidi na za bei nafuu. Kushikamana kwa betri pia ni changamoto inayoendelea na utando wa mpangilio wa mikroni 15-50, anodi ya kaboni yenye vinyweleo na sahani za chuma cha pua. Matarajio ya maisha yanaweza pia kuboreshwa kwani, kwa upande mmoja, athari za monoksidi kaboni kwa mpangilio wa ppm chache katika hidrojeni ni sumu halisi kwa kichocheo, na kwa upande mwingine, udhibiti wa maji katika polima ni lazima.

Mchele. 1. Baadhi ya seli za mafuta

Seli za mafuta hubadilisha nishati ya kemikali ya mafuta kuwa umeme, na kupita michakato ya mwako isiyofaa ambayo hutokea kwa hasara kubwa. Wanabadilisha hidrojeni na oksijeni kuwa umeme kupitia mmenyuko wa kemikali. Kutokana na mchakato huu, maji hutengenezwa na kiasi kikubwa cha joto hutolewa. Seli ya mafuta ni sawa na betri ambayo inaweza kuchajiwa na kisha kutumia nishati ya umeme iliyohifadhiwa. Mvumbuzi wa seli ya mafuta anachukuliwa kuwa William R. Grove, ambaye aliivumbua nyuma mnamo 1839. Seli hii ya mafuta ilitumia myeyusho wa asidi ya sulfuriki kama elektroliti na hidrojeni kama mafuta, ambayo iliunganishwa na oksijeni katika wakala wa vioksidishaji. Hadi hivi majuzi, seli za mafuta zilitumika tu katika maabara na kwenye vyombo vya anga.

Tofauti na jenereta zingine za nishati, kama vile injini za mwako wa ndani au turbine zinazoendeshwa na gesi, makaa ya mawe, mafuta ya mafuta, n.k., seli za mafuta hazichomi mafuta. Hii inamaanisha hakuna rotors zenye kelele za shinikizo la juu, hakuna kelele kubwa ya kutolea nje, hakuna mitetemo. Seli za mafuta huzalisha umeme kupitia mmenyuko wa kimya wa electrochemical. Kipengele kingine cha seli za mafuta ni kwamba hubadilisha nishati ya kemikali ya mafuta moja kwa moja kuwa umeme, joto na maji.

Seli za mafuta zina ufanisi mkubwa na hazitoi kiasi kikubwa cha gesi chafu kama vile dioksidi kaboni, methane na oksidi ya nitrojeni. Uzalishaji pekee kutoka kwa seli za mafuta ni maji katika mfumo wa mvuke na kiasi kidogo cha dioksidi kaboni, ambayo haitolewi kabisa ikiwa hidrojeni safi itatumika kama mafuta. Seli za mafuta hukusanywa katika makusanyiko na kisha katika moduli za kazi za kibinafsi.

Seli za mafuta hazina sehemu zinazosonga (angalau sio ndani ya seli yenyewe) na kwa hivyo hazitii sheria ya Carnot. Hiyo ni, watakuwa na ufanisi zaidi ya 50% na wanafaa hasa kwa mizigo ya chini. Kwa hivyo, magari ya seli za mafuta yanaweza kuwa (na tayari yamethibitishwa kuwa) yanafaa zaidi kwa mafuta kuliko magari ya kawaida katika hali halisi ya kuendesha gari.

Seli ya mafuta huzalisha mkondo wa umeme wa voltage ya mara kwa mara ambayo inaweza kutumika kuendesha gari la umeme, taa, na mifumo mingine ya umeme kwenye gari.

Kuna aina kadhaa za seli za mafuta, tofauti katika michakato ya kemikali inayotumiwa. Seli za mafuta kawaida huwekwa kulingana na aina ya elektroliti wanazotumia.

Aina fulani za seli za mafuta zinaahidi kusukuma mitambo ya kuzalisha umeme, huku nyingine zikiahidi vifaa vinavyobebeka au kuendesha magari.

1. Seli za mafuta ya alkali (ALFC)

Seli ya mafuta ya alkali- Hii ni moja ya vipengele vya kwanza vilivyotengenezwa. Seli za mafuta ya alkali (AFC) ni moja ya teknolojia iliyosomwa zaidi, iliyotumiwa tangu katikati ya miaka ya 60 ya karne ya ishirini na NASA katika programu za Apollo na Space Shuttle. Kwenye vyombo hivi, seli za mafuta huzalisha nishati ya umeme na maji ya kunywa.

Seli za mafuta ya alkali ni mojawapo ya seli zenye ufanisi zaidi zinazotumiwa kuzalisha umeme, na ufanisi wa uzalishaji wa nishati unafikia hadi 70%.

Seli za mafuta ya alkali hutumia elektroliti, suluhisho la maji ya hidroksidi ya potasiamu, iliyo kwenye tumbo la porous, imetulia. Mkusanyiko wa hidroksidi ya potasiamu inaweza kutofautiana kulingana na halijoto ya uendeshaji ya seli ya mafuta, ambayo ni kati ya 65°C hadi 220°C. Mtoaji wa malipo katika SHTE ni ioni ya hidroksili (OH-), inayohamia kutoka kwa cathode hadi anode, ambapo humenyuka na hidrojeni, huzalisha maji na elektroni. Maji yanayozalishwa kwenye anode hurejea kwenye cathode, tena huzalisha ioni za hidroksili huko. Kama matokeo ya mfululizo huu wa athari zinazofanyika kwenye seli ya mafuta, umeme na, kama bidhaa, joto hutolewa:

Mwitikio kwenye anodi: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Mwitikio kwenye kathodi: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Mwitikio wa jumla wa mfumo: 2H2 + O2 => 2H2O

Faida ya SHTE ni kwamba seli hizi za mafuta ndizo za bei nafuu zaidi kuzalisha, kwa kuwa kichocheo kinachohitajika kwenye elektrodi kinaweza kuwa kitu chochote ambacho ni cha bei nafuu kuliko vile vinavyotumiwa kama vichocheo vya seli nyingine za mafuta. Kwa kuongeza, SHTE hufanya kazi kwa viwango vya chini vya joto na ni kati ya ufanisi zaidi.

Moja ya vipengele vya sifa za SHTE ni unyeti wake wa juu kwa CO2, ambayo inaweza kuwa katika mafuta au hewa. CO2 humenyuka pamoja na elektroliti, hutia sumu haraka, na hupunguza sana ufanisi wa seli ya mafuta. Kwa hivyo, matumizi ya SHTE ni mdogo kwa nafasi zilizofungwa, kama vile nafasi na magari ya chini ya maji; hufanya kazi kwa hidrojeni na oksijeni safi.

2. Seli za mafuta ya kaboni iliyoyeyushwa (MCFC)

Seli za mafuta zilizo na elektroliti ya kaboni iliyoyeyuka ni seli za mafuta zenye joto la juu. Joto la juu la uendeshaji huruhusu matumizi ya moja kwa moja ya gesi asilia bila processor ya mafuta na gesi ya mafuta yenye thamani ya chini ya kalori kutoka kwa michakato ya viwanda na vyanzo vingine. Utaratibu huu ulianzishwa katikati ya miaka ya 60 ya karne ya ishirini. Tangu wakati huo, teknolojia ya uzalishaji, utendaji na uaminifu umeboreshwa.

Uendeshaji wa RCFC hutofautiana na seli nyingine za mafuta. Seli hizi hutumia elektroliti iliyotengenezwa kutoka kwa mchanganyiko wa chumvi iliyoyeyuka ya kaboni. Hivi sasa, aina mbili za mchanganyiko hutumiwa: lithiamu carbonate na carbonate ya potasiamu au lithiamu carbonate na carbonate ya sodiamu. Ili kuyeyusha chumvi za kaboni na kufikia kiwango cha juu cha uhamaji wa ioni katika elektroliti, seli za mafuta zilizo na elektroliti ya kaboni iliyoyeyuka hufanya kazi kwa joto la juu (650 ° C). Ufanisi hutofautiana kati ya 60-80%.

Inapokanzwa hadi joto la 650 ° C, chumvi huwa conductor kwa ions carbonate (CO32-). Ioni hizi hupita kutoka kwa cathode hadi anode, ambapo huchanganyika na hidrojeni kuunda maji, dioksidi kaboni na elektroni huru. Elektroni hizi hutumwa kupitia saketi ya nje ya umeme kurudi kwenye kathodi, na kutoa mkondo wa umeme na joto kama bidhaa ya ziada.

Mwitikio kwenye anodi: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Mwitikio kwenye kathodi: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Mwitikio wa jumla wa kipengele: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(cathode) => H2O(g) + CO2(anodi)

Joto la juu la uendeshaji wa seli za mafuta za elektroliti za kaboni iliyoyeyuka zina faida fulani. Faida ni uwezo wa kutumia vifaa vya kawaida (karatasi za chuma cha pua na kichocheo cha nickel kwenye electrodes). Joto la taka linaweza kutumika kutengeneza mvuke wa shinikizo la juu. Joto la juu la mmenyuko katika electrolyte pia lina faida zao. Matumizi ya joto la juu yanahitaji muda mrefu kufikia hali bora za uendeshaji, na mfumo hujibu polepole zaidi kwa mabadiliko ya matumizi ya nishati. Tabia hizi huruhusu matumizi ya uwekaji wa seli za mafuta na elektroliti ya kaboni iliyoyeyuka chini ya hali ya nguvu ya kila wakati. Joto la juu huzuia uharibifu wa seli ya mafuta na monoxide ya kaboni, "sumu," nk.

Seli za mafuta zilizo na elektroliti ya kaboni iliyoyeyuka zinafaa kwa matumizi katika mitambo mikubwa ya stationary. Mitambo ya nguvu ya joto yenye nguvu ya pato la umeme ya MW 2.8 inazalishwa kibiashara. Ufungaji wenye nguvu ya pato hadi MW 100 unatengenezwa.

3. Seli za mafuta ya asidi ya fosforasi (PAFC)

Seli za mafuta kulingana na asidi ya fosforasi (orthophosphoric). ikawa seli za kwanza za mafuta kwa matumizi ya kibiashara. Utaratibu huu ulianzishwa katikati ya miaka ya 60 ya karne ya ishirini, vipimo vimefanywa tangu miaka ya 70 ya karne ya ishirini. Matokeo yake ni kuongezeka kwa utulivu na utendaji na kupunguza gharama.

Seli za mafuta ya asidi ya fosforasi (orthophosphoric) hutumia elektroliti kulingana na asidi ya orthophosphoric (H3PO4) kwa viwango hadi 100%. Upitishaji wa ionic wa asidi ya fosforasi ni ya chini kwa joto la chini, hivyo seli hizi za mafuta hutumiwa kwa joto hadi 150-220 ° C.

Mtoaji wa malipo katika seli za mafuta za aina hii ni hidrojeni (H +, protoni). Mchakato sawa hutokea katika seli za mafuta za utando wa kubadilishana protoni (PEMFCs), ambapo hidrojeni inayotolewa kwa anodi hugawanywa katika protoni na elektroni. Protoni husafiri kupitia elektroliti na kuchanganyika na oksijeni kutoka kwa hewa kwenye cathode na kuunda maji. Elektroni hutumwa kwa njia ya mzunguko wa nje wa umeme, na hivyo kuzalisha sasa ya umeme. Chini ni athari zinazozalisha sasa umeme na joto.

Mwitikio kwenye anodi: 2H2 => 4H+ + 4e

Mwitikio kwenye kathodi: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Mwitikio wa jumla wa kipengele: 2H2 + O2 => 2H2O

Ufanisi wa seli za mafuta kulingana na asidi ya fosforasi (orthophosphoric) ni zaidi ya 40% wakati wa kuzalisha nishati ya umeme. Kwa uzalishaji wa pamoja wa joto na umeme, ufanisi wa jumla ni karibu 85%. Kwa kuongeza, kutokana na joto la uendeshaji, joto la taka linaweza kutumika kupasha maji na kuzalisha mvuke wa shinikizo la anga.

Utendaji wa juu wa mimea ya nguvu ya mafuta kwa kutumia seli za mafuta kulingana na asidi ya fosforasi (orthophosphoric) katika uzalishaji wa pamoja wa nishati ya joto na umeme ni moja ya faida za aina hii ya seli za mafuta. Vitengo hutumia monoxide ya kaboni na mkusanyiko wa karibu 1.5%, ambayo huongeza kwa kiasi kikubwa uchaguzi wa mafuta. Muundo rahisi, kiwango cha chini cha tete ya electrolyte na kuongezeka kwa utulivu pia ni faida za seli hizo za mafuta.

Mitambo ya nguvu ya joto yenye nguvu ya pato la umeme hadi 400 kW inazalishwa kibiashara. Ufungaji wenye uwezo wa MW 11 umefaulu majaribio yanayofaa. Ufungaji wenye nguvu ya pato hadi MW 100 unatengenezwa.

4. Protoni kubadilishana seli za mafuta za membrane (PEMFC)

Protoni kubadilishana seli za mafuta za membrane inachukuliwa kuwa aina bora ya seli za mafuta kwa ajili ya kuzalisha nguvu kwa magari, ambayo inaweza kuchukua nafasi ya injini za mwako za ndani za petroli na dizeli. Seli hizi za mafuta zilitumiwa kwanza na NASA kwa mpango wa Gemini. Ufungaji kulingana na MOPFC yenye nguvu kutoka 1 W hadi 2 kW imetengenezwa na kuonyeshwa.

Electrolyte katika seli hizi za mafuta ni membrane ya polymer imara (filamu nyembamba ya plastiki). Inapojaa maji, polima hii huruhusu protoni kupita lakini haifanyi elektroni.

Mafuta ni hidrojeni, na carrier wa malipo ni ioni ya hidrojeni (protoni). Katika anode, molekuli ya hidrojeni imegawanywa katika ioni ya hidrojeni (protoni) na elektroni. Ioni za hidrojeni hupitia elektroliti hadi kwenye cathode, na elektroni huzunguka mduara wa nje na kutoa nishati ya umeme. Oksijeni, ambayo inachukuliwa kutoka kwa hewa, hutolewa kwa cathode na inachanganya na elektroni na ioni za hidrojeni kuunda maji. Miitikio ifuatayo hutokea kwenye elektrodi: Mwitikio kwenye anode: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e Mwitikio kwenye kathodi: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Kwa ujumla mmenyuko wa seli: 2H2 + O2 => 2H2O Ikilinganishwa na aina zingine za seli za mafuta, seli za mafuta zilizo na utando wa kubadilishana protoni huzalisha nishati zaidi kwa kiasi fulani au uzito wa seli ya mafuta. Kipengele hiki kinawawezesha kuwa compact na nyepesi. Kwa kuongeza, joto la uendeshaji ni chini ya 100 ° C, ambayo inakuwezesha kuanza kazi haraka. Sifa hizi, pamoja na uwezo wa kubadilisha haraka pato la nishati, ni chache tu zinazofanya seli hizi za mafuta kuwa mgombea mkuu wa matumizi katika magari.

Faida nyingine ni kwamba electrolyte ni imara badala ya kioevu. Ni rahisi zaidi kuhifadhi gesi kwenye cathode na anode kwa kutumia electrolyte imara, hivyo seli hizo za mafuta ni nafuu kuzalisha. Kwa electrolyte imara, hakuna masuala ya mwelekeo na matatizo machache ya kutu, na kuongeza muda mrefu wa seli na vipengele vyake.

5. Seli za mafuta ya oksidi imara (SOFC)

Seli za mafuta ya oksidi imara ni seli za mafuta za halijoto ya juu zaidi zinazofanya kazi. Joto la uendeshaji linaweza kutofautiana kutoka 600 ° C hadi 1000 ° C, kuruhusu matumizi ya aina tofauti za mafuta bila matibabu maalum ya awali. Ili kushughulikia joto hilo la juu, electrolyte inayotumiwa ni oksidi nyembamba ya chuma imara kwenye msingi wa kauri, mara nyingi ni aloi ya yttrium na zirconium, ambayo ni conductor ya ioni za oksijeni (O2-). Teknolojia ya kutumia seli za mafuta ya oksidi imara imekuwa ikiendelezwa tangu mwishoni mwa miaka ya 50 ya karne ya ishirini na ina usanidi mbili: planar na tubular.

Electrolyte imara hutoa mpito uliofungwa wa gesi kutoka kwa electrode moja hadi nyingine, wakati electrolytes ya kioevu iko kwenye substrate ya porous. Mtoaji wa malipo katika seli za mafuta za aina hii ni ioni ya oksijeni (O2-). Katika cathode, molekuli za oksijeni kutoka hewa hutenganishwa katika ioni ya oksijeni na elektroni nne. Ioni za oksijeni hupitia elektroliti na kuchanganya na hidrojeni, na kuunda elektroni nne za bure. Elektroni hutumwa kwa njia ya mzunguko wa umeme wa nje, kuzalisha sasa umeme na joto la taka.

Mwitikio kwenye anodi: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Mwitikio kwenye cathode: O2 + 4e- => 2O2-

Mwitikio wa jumla wa kipengele: 2H2 + O2 => 2H2O

Ufanisi wa uzalishaji wa nishati ya umeme ni ya juu zaidi ya seli zote za mafuta - karibu 60%. Aidha, joto la juu la uendeshaji huruhusu uzalishaji wa pamoja wa nishati ya joto na umeme ili kuzalisha mvuke wa shinikizo la juu. Kuchanganya seli ya mafuta yenye joto la juu na turbine hufanya iwezekanavyo kuunda seli ya mafuta ya mseto ili kuongeza ufanisi wa kuzalisha nishati ya umeme hadi 70%.

Seli za mafuta ya oksidi imara hufanya kazi kwa halijoto ya juu sana (600°C-1000°C), na hivyo kusababisha muda muhimu unaohitajika kufikia hali bora za uendeshaji na mwitikio wa polepole wa mfumo kwa mabadiliko ya matumizi ya nishati. Katika halijoto hizo za juu za uendeshaji, hakuna kibadilishaji fedha kinachohitajika kurejesha hidrojeni kutoka kwa mafuta, kuruhusu mtambo wa nishati ya joto kufanya kazi na nishati zisizo najisi zinazotokana na gesi ya makaa ya mawe au taka ya gesi, nk. Seli ya mafuta pia ni bora kwa matumizi ya nguvu ya juu, ikijumuisha viwanda na mitambo mikubwa ya kati. Moduli zilizo na nguvu ya pato la umeme la kW 100 zinazalishwa kibiashara.

6. Seli za mafuta za oksidi za methanoli za moja kwa moja (DOMFC)

Seli za mafuta za oxidation za methanoli moja kwa moja Zinatumika kwa mafanikio katika uwanja wa kuwezesha simu za rununu, laptops, na pia kuunda vyanzo vya nguvu vinavyoweza kusonga, ambayo matumizi ya baadaye ya vitu kama hivyo yanalenga.

Muundo wa seli za mafuta na oxidation ya moja kwa moja ya methanol ni sawa na muundo wa seli za mafuta na membrane ya kubadilishana ya protoni (MEPFC), i.e. Polima hutumika kama elektroliti, na ioni ya hidrojeni (protoni) hutumika kama kibebea chaji. Lakini methanoli ya kioevu (CH3OH) inaoksidisha mbele ya maji kwenye anode, ikitoa CO2, ioni za hidrojeni na elektroni, ambazo hutumwa kwa njia ya mzunguko wa nje wa umeme, na hivyo kuzalisha sasa ya umeme. Ioni za hidrojeni hupitia elektroliti na kuguswa na oksijeni kutoka kwa hewa na elektroni kutoka kwa mzunguko wa nje kuunda maji kwenye anode.

Mwitikio kwenye anodi: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e Mwitikio kwenye kathodi: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Mwitikio wa jumla wa kipengele: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Ukuzaji wa vile kipengele. seli za mafuta zimefanyika tangu mwanzo wa miaka ya 90 ya karne ya ishirini na nguvu zao maalum na ufanisi ziliongezeka hadi 40%.

Vipengele hivi vilijaribiwa katika anuwai ya joto ya 50-120 ° C. Kwa sababu ya joto lao la chini la uendeshaji na kutokuwepo kwa hitaji la kubadilisha fedha, seli hizo za mafuta ni mgombea mkuu wa matumizi katika simu za mkononi na bidhaa nyingine za walaji, na pia katika injini za gari. Faida yao pia ni ukubwa wao mdogo.

7. Seli za mafuta za elektroliti za polima (PEFC)

Katika kesi ya seli za mafuta ya elektroliti ya polima, utando wa polima una nyuzi za polima na maeneo ya maji ambayo ioni za maji ya upitishaji H2O+ (protoni, nyekundu) hushikamana na molekuli ya maji. Molekuli za maji husababisha shida kutokana na ubadilishanaji wa polepole wa ioni. Kwa hiyo, mkusanyiko mkubwa wa maji unahitajika wote katika mafuta na kwenye electrodes ya plagi, ambayo hupunguza joto la uendeshaji hadi 100 ° C.

8. Seli za mafuta ya asidi imara (SFC)

Katika seli za mafuta yenye asidi, elektroliti (CsHSO4) haina maji. Kwa hiyo joto la uendeshaji ni 100-300 ° C. Mzunguko wa oksini za SO42 huruhusu protoni (nyekundu) kusonga kama inavyoonyeshwa kwenye takwimu. Kwa kawaida, seli ya mafuta ya asidi ni sandwich ambayo safu nyembamba sana ya kiwanja cha asidi kigumu huwekwa kati ya elektroni mbili ambazo zimeunganishwa pamoja ili kuhakikisha kuwasiliana vizuri. Inapokanzwa, sehemu ya kikaboni huvukiza, ikitoka kupitia pores kwenye elektroni, kudumisha uwezo wa mawasiliano mengi kati ya mafuta (au oksijeni kwenye mwisho mwingine wa kitu), elektroliti na elektroni.

9. Ulinganisho wa sifa muhimu zaidi za seli za mafuta

Tabia za seli za mafuta

Aina ya seli ya mafuta	Joto la uendeshaji	Ufanisi wa uzalishaji wa nguvu	Aina ya mafuta	Upeo wa maombi
				Ufungaji wa kati na mkubwa
			Hidrojeni safi	mitambo
			Hidrojeni safi	Ufungaji mdogo
			Mafuta mengi ya hidrokaboni	Ufungaji mdogo, wa kati na mkubwa
				Inabebeka mitambo
			Hidrojeni safi	Nafasi utafiti
			Hidrojeni safi	Ufungaji mdogo

10. Matumizi ya seli za mafuta kwenye magari

Kwa kuzingatia matukio ya hivi karibuni yanayohusiana na kuongezeka kwa joto, moto na hata milipuko ya laptops kwa sababu ya kosa la betri za lithiamu-ion, mtu hawezi kusaidia lakini kukumbuka teknolojia mpya mbadala, ambazo, kulingana na wataalam wengi, katika siku zijazo zitaweza kuongeza au kuongeza. badilisha betri za kisasa zinazoweza kuchajiwa tena. Tunazungumza juu ya vyanzo vipya vya nguvu - seli za mafuta.

Kulingana na sheria ya kitaalamu iliyotungwa miaka 40 iliyopita na mmoja wa waanzilishi wa Intel, Gordon Moore, utendaji wa kichakataji huongezeka maradufu kila baada ya miezi 18. Betri haziwezi kuendelea na chipsi. Uwezo wao, kulingana na wataalam, huongezeka tu kwa 10% kwa mwaka.

Kiini cha mafuta hufanya kazi kwa msingi wa membrane ya seli (porous) ambayo hutenganisha anode na nafasi za cathode za seli ya mafuta. Utando huu umefungwa pande zote mbili na vichocheo vinavyofaa. Mafuta hutolewa kwa anode; katika kesi hii, suluhisho la methanoli (pombe ya methyl) hutumiwa. Kama matokeo ya mmenyuko wa kemikali wa mtengano wa mafuta, malipo ya bure huundwa ambayo hupenya kupitia membrane hadi kwenye cathode. Mzunguko wa umeme unafungwa hivyo, na sasa umeme huundwa ndani yake ili kuimarisha kifaa. Aina hii ya seli ya mafuta inaitwa Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). Uendelezaji wa seli za mafuta ulianza muda mrefu uliopita, lakini matokeo ya kwanza, ambayo yalisababisha kuzungumza juu ya ushindani halisi na betri za lithiamu-ioni, yalipatikana tu katika miaka miwili iliyopita.

Mnamo 2004, kulikuwa na wazalishaji wapatao 35 kwenye soko la vifaa kama hivyo, lakini ni kampuni chache tu ziliweza kutangaza mafanikio makubwa katika eneo hili. Mnamo Januari, Fujitsu aliwasilisha maendeleo yake - betri ilikuwa na unene wa mm 15 na ilikuwa na 300 mg ya ufumbuzi wa asilimia 30 ya methanoli. Nguvu ya 15 W iliiruhusu kuwasha kompyuta ya mkononi kwa saa 8. Mwezi mmoja baadaye, kampuni ndogo, PolyFuel, ilikuwa ya kwanza kutangaza uzinduzi wa uzalishaji wa kibiashara wa utando ambao unapaswa kuwa na vifaa vya nishati ya mafuta. Na tayari mnamo Machi, Toshiba alionyesha mfano wa PC ya rununu inayoendesha mafuta. Mtengenezaji alisema kuwa kompyuta ndogo kama hiyo inaweza kudumu mara tano zaidi kuliko kompyuta ndogo inayotumia betri ya jadi.

Mnamo 2005, LG Chem ilitangaza kuunda seli yake ya mafuta. Takriban miaka 5 na dola bilioni 5 zilitumika katika maendeleo yake. Matokeo yake, iliwezekana kuunda kifaa na nguvu ya 25 W na uzito wa kilo 1, iliyounganishwa na kompyuta ya mkononi kupitia interface ya USB na kuhakikisha uendeshaji wake kwa saa 10. Mwaka huu, 2006, pia ulikuwa na idadi ya matukio ya kuvutia. Hasa, watengenezaji wa Marekani kutoka kwa kampuni ya Ultracell walionyesha kiini cha mafuta ambacho hutoa nguvu ya 25 W na ina vifaa vya cartridges tatu zinazoweza kubadilishwa na asilimia 67 ya methanol. Ina uwezo wa kuwasha kompyuta ndogo kwa masaa 24. Uzito wa betri ulikuwa karibu kilo, kila cartridge ilikuwa na uzito wa gramu 260.

Mbali na kuwa na uwezo wa kutoa uwezo mkubwa kuliko betri za ioni za lithiamu, betri za methanoli hazilipuki. Hasara ni pamoja na gharama zao za juu na haja ya kubadilisha mara kwa mara cartridges za methanoli.

Hata kama betri za mafuta hazichukui nafasi ya zile za kitamaduni, kuna uwezekano mkubwa kwamba zitatumika pamoja nazo. Kulingana na wataalamu, soko la seli za mafuta mnamo 2006 litakuwa karibu dola milioni 600, ambayo ni takwimu ya kawaida. Hata hivyo, kufikia 2010, wataalam wanatabiri ongezeko lake mara tatu - hadi dola bilioni 1.9.

Majadiliano ya kifungu "Betri za pombe zinachukua nafasi ya zile za lithiamu"

zemoneng

Shit takatifu, nimepata habari kuhusu kifaa hiki kwenye gazeti la wanawake.
Naam, nitasema maneno machache kuhusu hili:
1: usumbufu ni kwamba baada ya masaa 6-10 ya operesheni, itabidi utafute cartridge mpya, ambayo ni ghali. Kwa nini nitumie pesa kwa upuuzi huu?
2: kwa kadiri ninavyoelewa, baada ya kupokea nishati kutoka kwa pombe ya methyl, maji yanapaswa kutolewa. Laptop na maji ni vitu ambavyo haviendani.
3: kwa nini unaandika kwenye magazeti ya wanawake? Kwa kuzingatia maoni "Sijui chochote." na "Hii ni nini?", Makala haya hayako katika kiwango cha tovuti iliyotolewa kwa BEAUTIES.

Maelezo:

Makala hii inachunguza kwa undani zaidi muundo wao, uainishaji, faida na hasara, upeo wa maombi, ufanisi, historia ya uumbaji na matarajio ya kisasa ya matumizi.

Kutumia seli za mafuta ili kujenga majengo

Sehemu 1

Makala hii inachunguza kwa undani zaidi kanuni ya uendeshaji wa seli za mafuta, muundo wao, uainishaji, faida na hasara, upeo wa matumizi, ufanisi, historia ya uumbaji na matarajio ya kisasa ya matumizi. Katika sehemu ya pili ya makala, ambayo itachapishwa katika toleo lijalo la jarida la ABOK, linatoa mifano ya vifaa ambapo aina mbalimbali za seli za mafuta zilitumiwa kama vyanzo vya joto na usambazaji wa nguvu (au usambazaji wa umeme tu).

Maji yanaweza kuhifadhiwa hata kwa pande zote mbili kwa fomu iliyoshinikizwa na iliyoyeyushwa, lakini hii pia ni slush, ambayo yote husababishwa na shida kubwa za kiufundi. Hii ni kutokana na shinikizo la juu na joto la chini sana kutokana na umiminikaji. Kwa sababu hii, kwa mfano, stendi ya kisambaza mafuta ya maji lazima iundwe tofauti na tulivyozoea; mwisho wa mstari wa kujaza huunganisha mkono wa roboti na vali kwenye gari. Kuunganisha na kujaza ni hatari kabisa, na kwa hiyo ni bora ikiwa hutokea bila uwepo wa mwanadamu.

Utangulizi

Seli za mafuta ni njia bora sana, ya kuaminika, ya kudumu na rafiki wa mazingira ya kutengeneza nishati.

Hapo awali ilitumiwa tu katika tasnia ya anga, seli za mafuta sasa zinazidi kutumika katika maeneo anuwai - kama mitambo ya umeme isiyo na utulivu, vifaa vya joto na umeme kwa majengo, injini za gari, vifaa vya nguvu vya kompyuta ndogo na simu za rununu. Baadhi ya vifaa hivi ni vielelezo vya maabara, vingine vinafanyiwa majaribio ya kabla ya utayarishaji au hutumiwa kwa madhumuni ya maonyesho, lakini miundo mingi huzalishwa kwa wingi na kutumika katika miradi ya kibiashara.

Kifaa kama hicho kiko katika majaribio kwenye uwanja wa ndege wa Munich, jaribu kuendesha hapa na magari na mabasi ya kibinafsi. Kilo cha juu cha mileage ni baridi, lakini kwa mazoezi ni muhimu tu kama kilo ngapi itagharimu, na ni nafasi ngapi kwenye gari tanki yenye nguvu na maboksi itachukua. Baadhi ya matatizo mengine na maji: - kuunda umwagaji wa hewa tata - tatizo na gereji, maduka ya kutengeneza magari, nk. - shukrani kwa molekuli ndogo ambayo hupenya kila kizuizi, skrubu na vali - ukandamizaji na umiminiko huhitaji matumizi makubwa ya nishati.

Seli ya mafuta (jenereta ya elektrokemikali) ni kifaa kinachobadilisha nishati ya kemikali ya mafuta (hidrojeni) kuwa nishati ya umeme moja kwa moja kupitia mmenyuko wa kielektroniki, tofauti na teknolojia za jadi zinazotumia mwako wa mafuta ngumu, kioevu na gesi. Uongofu wa moja kwa moja wa electrochemical wa mafuta ni mzuri sana na unavutia kutoka kwa mtazamo wa mazingira, kwani mchakato wa operesheni hutoa kiasi kidogo cha uchafuzi wa mazingira na hakuna kelele kali au vibration.

Shinikizo maalum, ukandamizaji na seti ya hatua muhimu za usalama zina thamani nzuri sana katika tathmini ya mwisho wa maji, ikilinganishwa na mafuta ya hidrokaboni ya kioevu, ambayo huzalishwa kwa kutumia vyombo vyepesi, visivyo na shinikizo. Kwa hivyo, labda hali za haraka sana zinaweza kuchangia raha yake ya kupendeza ya kweli.

Katika siku za usoni, watengenezaji wa gari bado wanatafuta mafuta ya kioevu ya bei nafuu na yenye hatari kidogo. Kuyeyuka kwa moto kunaweza kuwa methanoli, ambayo inaweza kutolewa kwa urahisi. Shida yake kuu na pekee ni sumu, kwa upande mwingine, kama maji, methane inaweza kutumika katika injini za mwako wa ndani na katika aina fulani ya mnyororo wa mafuta. Pia ina faida kadhaa katika injini za mwako wa ndani, pamoja na suala la uzalishaji.

Kutoka kwa mtazamo wa vitendo, kiini cha mafuta kinafanana na betri ya kawaida ya voltaic. Tofauti ni kwamba betri inashtakiwa awali, yaani, kujazwa na "mafuta". Wakati wa operesheni, "mafuta" hutumiwa na betri hutolewa. Tofauti na betri, seli ya mafuta hutumia mafuta yanayotolewa kutoka chanzo cha nje ili kuzalisha nishati ya umeme (Mchoro 1).

Katika suala hili, maji yanaweza kuongezeka kwa ushindani usiotarajiwa na bado wenye uwezo. Kiini cha mafuta ni chanzo cha sasa kinachotokana na mmenyuko wa electrochemical. Tofauti na betri zetu zote zinazojulikana, hupokea vitendanishi na kutoa taka kila wakati, kwa hivyo tofauti na betri, ni karibu isiyoweza kumalizika. Ingawa kuna aina nyingi tofauti, mchoro ufuatao wa seli ya mafuta ya hidrojeni hutusaidia kuelewa jinsi inavyofanya kazi.

Mafuta hutolewa kwa electrode nzuri, ambapo ni oxidized. O2 oksijeni huingia kwenye electrode hasi na inaweza kupunguzwa.

Iliwezekana hata kutengeneza seli ya mafuta ambayo ilichoma makaa ya mawe moja kwa moja. Kwa kuwa kazi ya wanasayansi kutoka Maabara ya Lawrence Livermore, ambayo iliweza kupima kiini cha mafuta ambacho hubadilisha moja kwa moja makaa ya mawe kuwa umeme, inaweza kuwa hatua muhimu sana katika maendeleo ya nishati, tutaacha kwa maneno machache. Udongo wa makaa ya mawe hadi micron 1 kwa ukubwa huchanganywa saa 750-850 ° C na lithiamu iliyoyeyuka, sodiamu au carbonate ya potasiamu.

Ili kuzalisha nishati ya umeme, si tu hidrojeni safi inaweza kutumika, lakini pia malighafi nyingine zenye hidrojeni, kwa mfano, gesi asilia, amonia, methanoli au petroli. Hewa ya kawaida hutumiwa kama chanzo cha oksijeni, muhimu pia kwa majibu.

Wakati wa kutumia hidrojeni safi kama mafuta, bidhaa za majibu, pamoja na nishati ya umeme, ni joto na maji (au mvuke wa maji), yaani, gesi zinazosababisha uchafuzi wa hewa au kusababisha athari ya chafu hazitolewa kwenye anga. Ikiwa malisho yenye hidrojeni, kama vile gesi asilia, itatumika kama mafuta, gesi nyingine kama vile kaboni na oksidi za nitrojeni zitakuwa zao la mmenyuko, lakini kiasi hicho ni cha chini zaidi kuliko wakati wa kuchoma kiasi sawa cha asili. gesi.

Kisha kila kitu kinafanywa kwa njia ya kawaida kulingana na mchoro hapo juu: oksijeni katika hewa humenyuka na kaboni kwa dioksidi kaboni, na nishati hutolewa kwa namna ya umeme. Ingawa tunajua aina kadhaa tofauti za seli za mafuta, zote hufanya kazi kulingana na kanuni iliyoelezewa. Hii ni aina ya mwako unaodhibitiwa. Tunapochanganya hidrojeni na oksijeni, tunapata mchanganyiko wa fission ambao hulipuka na kuunda maji. Nishati hutolewa kwa namna ya joto. Kiini cha mafuta ya hidrojeni kina majibu sawa, bidhaa pia ni maji, lakini nishati hutolewa kama umeme.

Mchakato wa kubadilisha mafuta kwa kemikali ili kutoa hidrojeni huitwa kurekebisha, na kifaa kinacholingana huitwa mrekebishaji.

Faida na hasara za seli za mafuta

Seli za mafuta zina ufanisi zaidi wa nishati kuliko injini za mwako wa ndani kwa sababu hakuna kikomo cha ufanisi wa nishati ya thermodynamic kwa seli za mafuta. Ufanisi wa seli za mafuta ni 50%, wakati ufanisi wa injini za mwako wa ndani ni 12-15%, na ufanisi wa mitambo ya nguvu ya turbine ya mvuke hauzidi 40%. Kwa kutumia joto na maji, ufanisi wa seli za mafuta huongezeka zaidi.

Faida kubwa ya kiini cha mafuta ni kwamba hutoa umeme kutoka kwa mafuta kwa njia moja au nyingine moja kwa moja, bila kupanda kwa joto la kati, hivyo uzalishaji ni wa chini na ufanisi ni wa juu. Inafikia 70%, wakati kama kiwango tunafikia ubadilishaji wa 40% ya makaa ya mawe kuwa umeme. Kwa nini tusitengeneze seli kubwa za mafuta badala ya mitambo ya kuzalisha umeme? Kiini cha mafuta ni kifaa ngumu ambacho hufanya kazi kwa joto la juu, kwa hivyo mahitaji ya vifaa vya elektroni na elektroliti yenyewe ni ya juu.

Tofauti, kwa mfano, injini za mwako wa ndani, ufanisi wa seli za mafuta hubakia juu sana hata wakati hazifanyi kazi kwa nguvu kamili. Kwa kuongeza, nguvu za seli za mafuta zinaweza kuongezeka kwa kuongeza tu vitengo vya mtu binafsi, wakati ufanisi haubadilika, yaani mitambo mikubwa ni sawa na ndogo. Hali hizi hufanya iwezekanavyo kuchagua kwa urahisi muundo wa vifaa kulingana na matakwa ya mteja na hatimaye kusababisha kupunguzwa kwa gharama za vifaa.

Electroliti ni pamoja na, kwa mfano, utando wa kubadilishana ioni au nyenzo za kauri za conductive, au badala ya vifaa vya gharama kubwa, au asidi ya fosforasi, hidroksidi ya sodiamu au kabonati za chuma za alkali zilizoyeyuka, ambazo ni kali sana kubadilisha tishu. Ilikuwa ni ugumu huu kwamba, baada ya shauku ya awali katika karne ya ishirini, seli za mafuta, nje ya mpango wa nafasi, hazikuwa muhimu zaidi.

Maslahi yalipungua tena ilipobainika kuwa matumizi makubwa yalikuwa nje ya uwezo wa teknolojia wakati huo. Walakini, zaidi ya miaka thelathini iliyopita, maendeleo hayajasimama, nyenzo mpya na dhana zimeonekana, na vipaumbele vyetu vimebadilika - sasa tunalipa kipaumbele zaidi kulinda mazingira kuliko wakati huo. Kwa hivyo, tunakabiliwa na kitu cha ufufuo katika seli za mafuta, ambazo zinazidi kutumika katika maeneo mengi. Kuna vifaa 200 kama hivyo kote ulimwenguni. Kwa mfano, hutumika kama kifaa chelezo ambapo kushindwa kwa mtandao kunaweza kusababisha matatizo makubwa - kwa mfano, katika hospitali au taasisi za kijeshi.

Faida muhimu ya seli za mafuta ni urafiki wao wa mazingira. Uzalishaji wa seli za mafuta ni mdogo sana hivi kwamba katika baadhi ya maeneo ya Marekani, uendeshaji wao hauhitaji idhini maalum kutoka kwa wadhibiti wa ubora wa hewa wa serikali.

Seli za mafuta zinaweza kuwekwa moja kwa moja kwenye jengo, na kupunguza hasara wakati wa usafirishaji wa nishati, na joto linalotokana na athari inaweza kutumika kusambaza joto au maji ya moto kwenye jengo. Vyanzo vya uhuru vya joto na umeme vinaweza kuwa na manufaa sana katika maeneo ya mbali na katika mikoa yenye uhaba wa umeme na gharama zake za juu, lakini wakati huo huo kuna hifadhi ya malighafi yenye hidrojeni (mafuta, gesi asilia).

Zinatumika katika maeneo ya mbali sana ambapo ni rahisi kusafirisha mafuta kuliko kunyoosha cable. Wanaweza pia kuanza kushindana na mitambo ya kuzalisha umeme. Hii ndiyo moduli yenye nguvu zaidi iliyosakinishwa duniani.

Takriban kila mtengenezaji mkuu wa magari anafanya kazi kwenye mradi wa gari la umeme la seli za mafuta. Inaonekana kuwa dhana ya kuahidi zaidi kuliko gari la kawaida la umeme la betri kwa sababu hauhitaji muda mrefu wa kuchaji na mabadiliko ya miundombinu yanayohitajika si makubwa.

Faida za seli za mafuta pia ni upatikanaji wa mafuta, kuegemea (hakuna sehemu zinazohamia kwenye seli ya mafuta), kudumu na urahisi wa uendeshaji.

Mojawapo ya hasara kuu za seli za mafuta leo ni gharama yao ya juu, lakini hasara hii inaweza kushinda hivi karibuni - makampuni zaidi na zaidi yanazalisha sampuli za kibiashara za seli za mafuta, zinaboreshwa daima, na gharama zao zinapungua.

Umuhimu unaoongezeka wa seli za mafuta pia unaonyeshwa na ukweli kwamba utawala wa Bush hivi karibuni umefikiria upya mbinu yake ya maendeleo ya magari, na fedha ilizotumia kutengeneza magari yenye mwendo mzuri zaidi sasa zinahamishiwa kwenye miradi ya seli za mafuta. Ufadhili wa maendeleo haubaki tu mikononi mwa serikali.

Bila shaka, dhana mpya ya kuendesha gari sio tu kwa magari ya abiria, lakini pia tunaweza kuipata katika usafiri wa watu wengi. Mabasi ya seli za mafuta hubeba abiria kwenye mitaa ya miji kadhaa. Pamoja na viendeshi vya gari, kuna idadi ndogo ndogo kwenye soko, kama vile kompyuta zinazotumia umeme, kamera za video na simu za rununu. Katika picha tunaona kiini cha mafuta ili kuwasha kengele ya trafiki.

Njia bora zaidi ni kutumia hidrojeni safi kama mafuta, lakini hii itahitaji uundaji wa miundombinu maalum kwa uzalishaji na usafirishaji wake. Hivi sasa, miundo yote ya kibiashara hutumia gesi asilia na mafuta sawa. Magari ya magari yanaweza kutumia petroli ya kawaida, ambayo itawawezesha kudumisha mtandao ulioendelea wa vituo vya gesi. Walakini, utumiaji wa mafuta kama hayo husababisha uzalishaji hatari katika angahewa (ingawa chini sana) na kutatiza (na kwa hivyo huongeza gharama ya) seli ya mafuta. Katika siku zijazo, uwezekano wa kutumia vyanzo vya nishati mbadala vya kirafiki (kwa mfano, nishati ya jua au upepo) ili kutenganisha maji ndani ya hidrojeni na oksijeni kwa kutumia electrolysis, na kisha kubadilisha mafuta yanayotokana na seli ya mafuta, inazingatiwa. Mimea hiyo ya pamoja, inayofanya kazi katika mzunguko uliofungwa, inaweza kuwakilisha chanzo cha nishati cha kirafiki kabisa, cha kuaminika, cha kudumu na cha ufanisi.

Inafaa kutajwa ni matumizi ya seli za mafuta katika dampo, ambapo zinaweza kuchoma uzalishaji wa gesi na kusaidia kuboresha mazingira pamoja na kuzalisha umeme. Vifaa kadhaa vya majaribio vinafanya kazi kwa sasa, na programu kubwa ya usakinishaji wa vifaa hivi inatayarishwa katika tovuti 150 za majaribio kote Marekani. Seli za mafuta ni vifaa muhimu tu, na tuna uhakika wa kuziona mara nyingi zaidi.

Wanakemia wameunda kichocheo ambacho kinaweza kuchukua nafasi ya platinamu ghali katika seli za mafuta. Badala yake, anatumia chuma cha bei nafuu chapata laki mbili. Seli za mafuta hubadilisha nishati ya kemikali kuwa nishati ya umeme. Elektroni katika molekuli tofauti zina nguvu tofauti. Tofauti ya nishati kati ya molekuli moja na nyingine inaweza kutumika kama chanzo cha nishati. Tafuta tu majibu ambayo elektroni husogea kutoka juu hadi chini. Athari kama hizo ndio chanzo kikuu cha nishati kwa viumbe hai.

Kipengele kingine cha seli za mafuta ni kwamba zina ufanisi zaidi wakati wa kutumia nishati ya umeme na ya joto kwa wakati mmoja. Hata hivyo, si kila kituo kina fursa ya kutumia nishati ya joto. Ikiwa seli za mafuta hutumiwa tu kuzalisha nishati ya umeme, ufanisi wao hupungua, ingawa unazidi ufanisi wa mitambo ya "jadi".

Kinachojulikana zaidi ni upumuaji, ambao hubadilisha sukari kuwa kaboni dioksidi na maji. Katika seli ya mafuta ya hidrojeni, molekuli za hidrojeni za atomi mbili huchanganyika na oksijeni kuunda maji. Tofauti ya nishati kati ya elektroni katika hidrojeni na maji hutumiwa kuzalisha umeme. Seli za haidrojeni labda ndizo zinazotumiwa sana kuendesha magari leo. Upanuzi wao mkubwa pia huzuia ndoano ndogo.

Ili mmenyuko wa utajiri wa nguvu ufanyike, kichocheo kinahitajika. Vichocheo ni molekuli zinazoongeza uwezekano wa mmenyuko kutokea. Bila kichocheo, inaweza pia kufanya kazi, lakini mara chache au polepole zaidi. Seli za haidrojeni hutumia platinamu ya thamani kama kichocheo.

Historia na matumizi ya kisasa ya seli za mafuta

Kanuni ya uendeshaji wa seli za mafuta iligunduliwa mnamo 1839. Mwanasayansi wa Kiingereza William Robert Grove (1811-1896) aligundua kwamba mchakato wa electrolysis - mtengano wa maji ndani ya hidrojeni na oksijeni kupitia sasa ya umeme - inaweza kubadilishwa, i.e. hidrojeni na oksijeni zinaweza kuunganishwa katika molekuli za maji bila mwako, lakini kwa kutolewa. ya joto na mkondo wa umeme. Grove aliita kifaa ambacho majibu kama hayo yanawezekana "betri ya gesi," ambayo ilikuwa kiini cha kwanza cha mafuta.

Mmenyuko sawa ambao hutokea katika seli za hidrojeni pia hutokea katika seli hai. Enzymes ni molekuli kubwa kiasi inayoundwa na asidi ya amino ambayo inaweza kuunganishwa kama matofali ya Lego. Kila enzyme ina kinachojulikana tovuti ya kazi, ambapo majibu huharakishwa. Molekuli zaidi ya asidi ya amino pia mara nyingi huwa kwenye tovuti inayofanya kazi.

Katika kesi ya asidi hidrojeni, hii ni chuma. Timu ya wanakemia, ikiongozwa na Morris Bullock wa Maabara ya Pasifiki ya Idara ya Nishati ya Marekani, iliweza kuiga majibu kwenye tovuti ya uwekaji hidrojeni. Kama enzyme, hidrojeni inatosha kwa platinamu na chuma. Inaweza kugawanya molekuli 0.66 hadi 2 za hidrojeni kwa sekunde. Tofauti ya voltage ni kati ya 160 hadi 220,000 volts. Vyote viwili vinalinganishwa na vichocheo vya sasa vya platinamu vinavyotumika katika seli za hidrojeni. Mmenyuko unafanywa kwa joto la kawaida.

Maendeleo ya teknolojia ya matumizi ya seli za mafuta yalianza baada ya Vita vya Kidunia vya pili, na inahusishwa na tasnia ya anga. Kwa wakati huu, utafutaji ulikuwa unaendelea kwa ufanisi na wa kuaminika, lakini wakati huo huo ni compact kabisa, chanzo cha nishati. Katika miaka ya 1960, wataalamu wa NASA (National Aeronautics and Space Administration, NASA) walichagua seli za mafuta kama chanzo cha nishati kwa chombo cha Apollo (safari za ndege za Mwezi), Apollo-Soyuz, Gemini na Skylab. Chombo cha anga za juu cha Apollo kilitumia mitambo mitatu ya 1.5 kW (2.2 kW kilele) kwa kutumia hidrojeni na oksijeni ya cryogenic kuzalisha umeme, joto na maji. Uzito wa kila ufungaji ulikuwa kilo 113. Seli hizi tatu zilifanya kazi kwa sambamba, lakini nishati inayozalishwa na kitengo kimoja ilitosha kurejesha usalama. Katika kipindi cha safari 18 za ndege, seli za mafuta zilifanya kazi kwa jumla ya masaa 10,000 bila hitilafu yoyote. Hivi sasa, seli za mafuta hutumiwa katika Space Shuttle, ambayo hutumia vitengo vitatu vya 12 W ili kuzalisha nishati yote ya umeme kwenye chombo cha anga (Mchoro 2). Maji yaliyopatikana kutokana na mmenyuko wa electrochemical hutumiwa kwa maji ya kunywa na pia kwa vifaa vya baridi.

Kilo moja ya chuma inagharimu 0.5 CZK. Kwa hiyo, chuma ni mara 200 elfu nafuu kuliko platinamu. Katika siku zijazo, seli za mafuta zinaweza kuwa nafuu. Platinamu ya gharama kubwa sio sababu pekee kwa nini haipaswi kutumiwa, angalau si kwa kiwango kikubwa. Kushughulikia ni ngumu na hatari.

Ikiwa vyumba vya hidrojeni vingetumiwa kwa wingi kuendesha magari, vingelazimika kujenga miundombinu sawa na petroli na dizeli. Zaidi ya hayo, shaba inahitajika ili kuzalisha motors za umeme zinazoendesha magari yanayotumia hidrojeni. Hata hivyo, hii haina maana kwamba seli za mafuta hazina maana. Wakati kuna mafuta, labda hatuna chaguo ila kukimbia kwa hidrojeni.

Katika nchi yetu, kazi pia ilifanyika juu ya uundaji wa seli za mafuta kwa ajili ya matumizi ya astronautics. Kwa mfano, seli za mafuta zilitumiwa kuendeshea chombo cha anga za juu cha Soviet Buran.

Maendeleo ya mbinu za matumizi ya kibiashara ya seli za mafuta ilianza katikati ya miaka ya 1960. Maendeleo haya yalifadhiliwa kwa sehemu na mashirika ya serikali.

Hivi sasa, maendeleo ya teknolojia ya matumizi ya seli za mafuta yanaendelea kwa njia kadhaa. Huu ni uundaji wa mitambo ya umeme kwenye seli za mafuta (zote kwa usambazaji wa nishati ya kati na ya madaraka), mitambo ya nguvu kwa magari (sampuli za magari na mabasi kwenye seli za mafuta zimeundwa, pamoja na katika nchi yetu) (Mchoro 3), na pia vifaa vya nguvu kwa vifaa mbalimbali vya simu (kompyuta ya mbali, simu za mkononi, nk) (Mchoro 4).

Mifano ya matumizi ya seli za mafuta katika nyanja mbalimbali hutolewa katika Jedwali. 1.

Mojawapo ya miundo ya kwanza ya seli za mafuta ya kibiashara iliyoundwa kwa ajili ya joto na usambazaji wa umeme unaojiendesha kwa majengo ilikuwa PC25 Model A iliyotengenezwa na ONSI Corporation (sasa United Technologies, Inc.). Kiini hiki cha mafuta yenye nguvu iliyopimwa ya kW 200 ni aina ya seli yenye electrolyte kulingana na asidi ya fosforasi (Fosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Nambari "25" katika jina la mfano inamaanisha nambari ya serial ya muundo. Aina nyingi za awali zilikuwa za majaribio au majaribio, kama vile modeli ya "PC11" ya 12.5 kW iliyoanzishwa miaka ya 1970. Aina mpya ziliongeza nguvu iliyotolewa kutoka kwa seli ya mafuta ya kibinafsi, na pia kupunguza gharama kwa kila kilowati ya nishati inayozalishwa. Hivi sasa, mojawapo ya mifano ya kibiashara yenye ufanisi zaidi ni kiini cha mafuta cha PC25 Model C. Kama Model A, hii ni seli ya mafuta ya PAFC yenye uwezo wa kW 200 iliyotengenezwa kwa ajili ya usakinishaji kwenye tovuti kama chanzo kinachojitosheleza cha joto na nishati. Kiini kama hicho cha mafuta kinaweza kusanikishwa nje ya jengo. Nje, ni parallelepiped urefu wa 5.5 m, 3 m upana na juu, uzito wa kilo 18,140. Tofauti kutoka kwa mifano ya awali ni mrekebishaji aliyeboreshwa na msongamano wa juu wa sasa.

Jedwali 1 Uwanja wa matumizi ya seli za mafuta

Mkoa maombi Jina nguvu Mifano ya kutumia Stationary mitambo 5-250 kW na juu Vyanzo vya uhuru vya joto na usambazaji wa umeme kwa majengo ya makazi, ya umma na ya viwandani, vifaa vya umeme visivyoweza kukatika, chelezo na vyanzo vya usambazaji wa nishati ya dharura. Inabebeka mitambo 1-50 kW Alama za barabarani, lori za mizigo na friji za reli, viti vya magurudumu, mikokoteni ya gofu, meli za angani na setilaiti. Rununu mitambo 25-150 kW Magari (prototypes ziliundwa, kwa mfano, na DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), mabasi ( kwa mfano "MAN", "Neoplan", "Renault") na magari mengine , meli za kivita na nyambizi Microdevices 1-500 W Simu za rununu, kompyuta ndogo, wasaidizi wa dijiti wa kibinafsi (PDAs), vifaa anuwai vya kielektroniki vya watumiaji, vifaa vya kisasa vya kijeshi

Katika baadhi ya aina za seli za mafuta, mchakato wa kemikali unaweza kubadilishwa: kwa kutumia tofauti inayoweza kutokea kwa electrodes, maji yanaweza kugawanywa katika hidrojeni na oksijeni, ambayo hukusanya kwenye electrodes ya porous. Wakati mzigo umeunganishwa, seli hiyo ya mafuta ya kuzaliwa upya itaanza kuzalisha nishati ya umeme.

Mwelekeo wa kuahidi kwa matumizi ya seli za mafuta ni matumizi yao kwa kushirikiana na vyanzo vya nishati mbadala, kwa mfano, paneli za photovoltaic au mimea ya nguvu ya upepo. Teknolojia hii inatuwezesha kuepuka kabisa uchafuzi wa hewa. Mfumo sawa unapangwa kuundwa, kwa mfano, katika Kituo cha Mafunzo cha Adam Joseph Lewis huko Oberlin (tazama ABOK, 2002, No. 5, p. 10). Hivi sasa, paneli za jua hutumiwa kama moja ya vyanzo vya nishati katika jengo hili. Pamoja na wataalamu wa NASA, mradi umetengenezwa kwa kutumia paneli za photovoltaic kuzalisha hidrojeni na oksijeni kutoka kwa maji kwa electrolysis. Kisha hidrojeni hutumiwa katika seli za mafuta ili kuzalisha nishati ya umeme na. Hii itawawezesha jengo kudumisha utendaji wa mifumo yote wakati wa siku za mawingu na usiku.

Kanuni ya uendeshaji wa seli za mafuta

Hebu fikiria kanuni ya uendeshaji wa seli ya mafuta kwa kutumia mfano wa kipengele rahisi na membrane ya kubadilishana ya protoni (Proton Exchange Membrane, PEM). Kiini kama hicho kina membrane ya polima iliyowekwa kati ya anode (electrode chanya) na cathode (electrode hasi) pamoja na anode na vichocheo vya cathode. Utando wa polima hutumiwa kama elektroliti. Mchoro wa kipengele cha PEM umeonyeshwa kwenye Mtini. 5.

Utando wa kubadilishana protoni (PEM) ni kiwanja kikaboni kigumu (takriban karatasi 2-7 nene). Utando huu hufanya kazi kama elektroliti: hutenganisha dutu katika ioni zenye chaji chanya na hasi mbele ya maji.

Mchakato wa oxidation hutokea kwenye anode, na mchakato wa kupunguza hutokea kwenye cathode. Anode na cathode katika seli ya PEM hufanywa kwa nyenzo za porous, ambayo ni mchanganyiko wa chembe za kaboni na platinamu. Platinamu hufanya kama kichocheo kinachokuza mmenyuko wa kujitenga. Anode na cathode hufanywa kwa porous kwa kifungu cha bure cha hidrojeni na oksijeni kupitia kwao, kwa mtiririko huo.

Anode na cathode huwekwa kati ya sahani mbili za chuma, ambazo hutoa hidrojeni na oksijeni kwa anode na cathode, na kuondoa joto na maji, pamoja na nishati ya umeme.

Molekuli za hidrojeni hupitia njia kwenye sahani hadi anode, ambapo molekuli hutengana katika atomi za kibinafsi (Mchoro 6).

	Kielelezo cha 5. () Mchoro wa seli ya mafuta yenye utando wa kubadilishana protoni (seli ya PEM)
	Kielelezo cha 6. () Molekuli za hidrojeni hupitia njia kwenye sahani hadi anode, ambapo molekuli hutengana na kuwa atomi za kibinafsi.
	Kielelezo cha 7. () Kama matokeo ya chemisorption mbele ya kichocheo, atomi za hidrojeni hubadilishwa kuwa protoni.
	Kielelezo cha 8. () Ioni za hidrojeni zenye chaji chanya huenea kupitia utando hadi kwenye cathode, na mtiririko wa elektroni huelekezwa kwa cathode kupitia mzunguko wa umeme wa nje ambao mzigo umeunganishwa.
	Kielelezo cha 9. () Oksijeni inayotolewa kwa cathode, mbele ya kichocheo, huingia kwenye mmenyuko wa kemikali na ioni za hidrojeni kutoka kwa membrane ya kubadilishana ya protoni na elektroni kutoka kwa mzunguko wa nje wa umeme. Kama matokeo ya mmenyuko wa kemikali, maji huundwa

Kisha, kama matokeo ya chemisorption mbele ya kichocheo, atomi za hidrojeni, kila moja ikitoa elektroni moja e -, inabadilishwa kuwa ioni za hidrojeni zenye chaji H +, i.e. protoni (Mchoro 7).

Ioni za hidrojeni zilizochajiwa vyema (protoni) huenea kupitia utando hadi kwenye cathode, na mtiririko wa elektroni unaelekezwa kwa cathode kupitia mzunguko wa nje wa umeme ambao mzigo (mtumiaji wa nishati ya umeme) huunganishwa (Mchoro 8).

Oksijeni inayotolewa kwa cathode, mbele ya kichocheo, huingia kwenye mmenyuko wa kemikali na ioni za hidrojeni (protoni) kutoka kwa membrane ya kubadilishana ya protoni na elektroni kutoka kwa mzunguko wa nje wa umeme (Mchoro 9). Kama matokeo ya mmenyuko wa kemikali, maji huundwa.

Mmenyuko wa kemikali katika aina zingine za seli za mafuta (kwa mfano, na elektroliti ya asidi, ambayo hutumia suluhisho la asidi ya orthophosphoric H 3 PO 4) inafanana kabisa na mmenyuko wa kemikali katika seli ya mafuta yenye membrane ya kubadilishana ya protoni.

Katika seli yoyote ya mafuta, baadhi ya nishati kutoka kwa mmenyuko wa kemikali hutolewa kama joto.

Mtiririko wa elektroni katika mzunguko wa nje ni mkondo wa moja kwa moja ambao hutumiwa kufanya kazi. Kufungua mzunguko wa nje au kusimamisha harakati za ioni za hidrojeni huzuia mmenyuko wa kemikali.

Kiasi cha nishati ya umeme inayozalishwa na seli ya mafuta inategemea aina ya seli ya mafuta, vipimo vya kijiometri, joto, shinikizo la gesi. Kiini cha mafuta tofauti hutoa EMF ya chini ya 1.16 V. Ukubwa wa seli za mafuta zinaweza kuongezeka, lakini kwa mazoezi vipengele kadhaa vinavyounganishwa kwenye betri hutumiwa (Mchoro 10).

Ubunifu wa seli za mafuta

Wacha tuangalie muundo wa seli ya mafuta kwa kutumia PC25 Model C kama mfano. Mchoro wa seli za mafuta unaonyeshwa kwenye Mtini. kumi na moja.

Kiini cha mafuta cha PC25 Model C kina sehemu tatu kuu: processor ya mafuta, sehemu halisi ya uzalishaji wa nguvu na kibadilishaji cha voltage.

Sehemu kuu ya seli ya mafuta, sehemu ya uzalishaji wa nguvu, ni betri inayojumuisha seli 256 za mafuta. Electrodes za seli za mafuta zina kichocheo cha platinamu. Seli hizi hutoa mkondo wa umeme wa mara kwa mara wa amperes 1,400 kwa volts 155. Vipimo vya betri ni takriban 2.9 m kwa urefu na 0.9 m kwa upana na urefu.

Kwa kuwa mchakato wa electrochemical hutokea kwa joto la 177 ° C, ni muhimu kuwasha betri wakati wa kuanza na kuondoa joto kutoka kwake wakati wa operesheni. Ili kufikia hili, kiini cha mafuta kinajumuisha mzunguko wa maji tofauti, na betri ina vifaa vya sahani maalum za baridi.

Kichakataji cha mafuta hubadilisha gesi asilia kuwa hidrojeni inayohitajika kwa mmenyuko wa kielektroniki. Utaratibu huu unaitwa mageuzi. Kipengele kikuu cha processor ya mafuta ni reformer. Katika kirekebishaji, gesi asilia (au mafuta mengine yenye hidrojeni) humenyuka ikiwa na mvuke wa maji kwenye joto la juu (900 ° C) na shinikizo la juu mbele ya kichocheo cha nikeli. Katika kesi hii, athari zifuatazo za kemikali hufanyika:

CH 4 (methane) + H 2 O 3H 2 + CO

(mmenyuko ni endothermic, na ngozi ya joto);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(mwitikio ni exothermic, ikitoa joto).

Mwitikio wa jumla unaonyeshwa na equation:

CH 4 (methane) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(mmenyuko ni endothermic, na ngozi ya joto).

Ili kutoa joto la juu linalohitajika kubadili gesi asilia, sehemu ya mafuta yaliyotumiwa kutoka kwenye safu ya seli ya mafuta inaelekezwa kwa burner, ambayo inaendelea joto linalohitajika la reformer.

Mvuke unaohitajika kwa ajili ya urekebishaji hutolewa kutoka kwa condensate inayozalishwa wakati wa uendeshaji wa seli ya mafuta. Hii hutumia joto lililoondolewa kwenye betri ya seli za mafuta (Mchoro 12).

Mkusanyiko wa seli za mafuta hutoa sasa ya moja kwa moja ya vipindi, ambayo ina sifa ya voltage ya chini na ya juu ya sasa. Kigeuzi cha voltage kinatumika kuibadilisha kuwa kiwango cha sasa cha AC cha tasnia. Kwa kuongeza, kitengo cha kubadilisha voltage kinajumuisha vifaa mbalimbali vya udhibiti na nyaya za kuingiliana za usalama ambazo huruhusu kiini cha mafuta kuzimwa katika tukio la kushindwa mbalimbali.

Katika seli kama hiyo ya mafuta, takriban 40% ya nishati ya mafuta inaweza kubadilishwa kuwa nishati ya umeme. Takriban kiasi sawa, karibu 40% ya nishati ya mafuta, inaweza kubadilishwa kuwa nishati ya joto, ambayo hutumiwa kama chanzo cha joto kwa ajili ya joto, usambazaji wa maji ya moto na madhumuni sawa. Hivyo, ufanisi wa jumla wa ufungaji huo unaweza kufikia 80%.

Faida muhimu ya chanzo hicho cha joto na umeme ni uwezekano wa uendeshaji wake wa moja kwa moja. Kwa ajili ya matengenezo, wamiliki wa kituo ambapo kiini cha mafuta kimewekwa hawana haja ya kudumisha wafanyakazi wenye mafunzo maalum - matengenezo ya mara kwa mara yanaweza kufanywa na wafanyakazi wa shirika la uendeshaji.

Aina za seli za mafuta

Hivi sasa, aina kadhaa za seli za mafuta zinajulikana, tofauti katika muundo wa electrolyte kutumika. Aina nne zifuatazo zimeenea zaidi (Jedwali 2):

1. Seli za mafuta zilizo na membrane ya kubadilishana ya protoni (Seli za Mafuta za Membrane za Protoni, PEMFC).

2. Seli za mafuta kulingana na asidi ya orthophosphoric (Fosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Seli za mafuta kulingana na kaboni iliyoyeyuka (Seli za Mafuta za Carbonate zilizoyeyushwa, MCFC).

4. Seli Imara za Mafuta ya Oksidi (SOFC). Hivi sasa, meli kubwa zaidi ya seli za mafuta inategemea teknolojia ya PAFC.

Moja ya sifa muhimu za aina tofauti za seli za mafuta ni joto la uendeshaji. Kwa njia nyingi, ni joto ambalo huamua eneo la matumizi ya seli za mafuta. Kwa mfano, halijoto ya juu ni muhimu kwa kompyuta za mkononi, kwa hivyo seli za mafuta za utando wa protoni zilizo na halijoto ya chini ya uendeshaji zinatengenezwa kwa sehemu hii ya soko.

Kwa ugavi wa umeme wa uhuru wa majengo, seli za mafuta za nguvu za juu zilizowekwa zinahitajika, na wakati huo huo kuna uwezekano wa kutumia nishati ya joto, hivyo aina nyingine za seli za mafuta zinaweza kutumika kwa madhumuni haya.

Seli za mafuta za utando wa protoni (PEMFC)

Seli hizi za mafuta hufanya kazi kwa viwango vya chini vya joto vya kufanya kazi (60-160 ° C). Wana wiani mkubwa wa nguvu, hukuruhusu kurekebisha haraka nguvu ya pato, na inaweza kuwashwa haraka. Hasara ya aina hii ya kipengele ni mahitaji ya juu ya ubora wa mafuta, kwani mafuta yaliyochafuliwa yanaweza kuharibu utando. Nguvu iliyopimwa ya aina hii ya seli za mafuta ni 1-100 kW.

Seli za mafuta za utando wa protoni zilitengenezwa hapo awali na General Electric katika miaka ya 1960 kwa NASA. Aina hii ya seli ya mafuta hutumia elektroliti ya polima ya hali dhabiti inayoitwa Proton Exchange Membrane (PEM). Protoni zinaweza kupita kupitia utando wa kubadilishana protoni, lakini elektroni haziwezi kupita ndani yake, na hivyo kusababisha tofauti inayoweza kutokea kati ya cathode na anode. Kwa sababu ya usahili na kutegemeka kwao, chembe hizo za mafuta zilitumiwa kama chanzo cha nguvu kwenye chombo cha anga cha juu cha Gemini.

Aina hii ya seli ya mafuta hutumiwa kama chanzo cha nguvu kwa anuwai ya vifaa tofauti, ikijumuisha mifano na mifano, kutoka kwa simu za rununu hadi mabasi na mifumo ya umeme isiyo na umeme. Joto la chini la uendeshaji huruhusu seli hizo kutumika kwa nguvu aina mbalimbali za vifaa vya elektroniki tata. Matumizi yao hayafai kama chanzo cha joto na usambazaji wa umeme kwa majengo ya umma na ya viwandani, ambapo kiasi kikubwa cha nishati ya joto inahitajika. Wakati huo huo, vitu kama hivyo vinaahidi kama chanzo cha uhuru cha usambazaji wa umeme kwa majengo madogo ya makazi kama vile nyumba ndogo zilizojengwa katika mikoa yenye hali ya hewa ya joto.

meza 2 Aina za seli za mafuta

Aina ya kipengee Wafanyakazi joto, °C Pato la ufanisi umeme nishati),% Jumla Ufanisi,% Seli za mafuta zenye utando wa kubadilishana protoni (PEMFC) 60–160 30–35 50–70 Seli za mafuta kulingana na fosforasi asidi ya fosforasi (PAFC) 150–200 35 70–80 Msingi wa seli za mafuta kaboni iliyoyeyuka (MCFC) 600–700 45–50 70–80 Oksidi imara seli za mafuta (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

Seli za Mafuta ya Asidi ya Fosforasi (PAFC)

Uchunguzi wa seli za mafuta za aina hii ulifanyika tayari katika miaka ya 1970. Aina ya joto ya uendeshaji - 150-200 ° C. Sehemu kuu ya maombi ni vyanzo vya uhuru vya joto na usambazaji wa umeme wa nguvu ya kati (karibu 200 kW).

Seli hizi za mafuta hutumia suluhisho la asidi ya fosforasi kama elektroliti. Electrodes hutengenezwa kwa karatasi iliyofunikwa na kaboni ambayo kichocheo cha platinamu hutawanywa.

Ufanisi wa umeme wa seli za mafuta za PAFC ni 37-42%. Hata hivyo, kwa kuwa seli hizi za mafuta zinafanya kazi kwa joto la juu, inawezekana kutumia mvuke inayotokana na uendeshaji. Katika kesi hii, ufanisi wa jumla unaweza kufikia 80%.

Ili kuzalisha nishati, malisho yenye hidrojeni lazima yageuzwe kuwa hidrojeni safi kupitia mchakato wa urekebishaji. Kwa mfano, ikiwa petroli hutumiwa kama mafuta, ni muhimu kuondoa misombo iliyo na sulfuri, kwani sulfuri inaweza kuharibu kichocheo cha platinamu.

Seli za mafuta za PAFC zilikuwa seli za mafuta za kwanza za kibiashara kutumika kiuchumi. Mfano wa kawaida ulikuwa kiini cha mafuta cha 200 kW PC25 kilichotengenezwa na ONSI Corporation (sasa United Technologies, Inc.) (Mchoro 13). Kwa mfano, vipengele hivi hutumika kama chanzo cha nishati ya joto na umeme katika kituo cha polisi katika Central Park huko New York au kama chanzo cha ziada cha nishati katika Jengo la Conde Nast & Four Times Square. Ufungaji mkubwa zaidi wa aina hii unajaribiwa kama mtambo wa umeme wa MW 11 ulioko Japani.

Seli za mafuta za asidi ya fosforasi pia hutumiwa kama chanzo cha nishati katika magari. Kwa mfano, mwaka wa 1994, H-Power Corp., Chuo Kikuu cha Georgetown na Idara ya Nishati ya Marekani iliandaa basi yenye mtambo wa 50 kW.

Seli za Mafuta za Carbonate zilizoyeyushwa (MCFC)

Seli za mafuta za aina hii hufanya kazi kwa joto la juu sana - 600-700 ° C. Viwango hivi vya joto vya kufanya kazi huruhusu mafuta kutumika moja kwa moja kwenye seli yenyewe, bila kutumia mrekebishaji tofauti. Utaratibu huu uliitwa "mageuzi ya ndani". Inafanya uwezekano wa kurahisisha kwa kiasi kikubwa muundo wa seli ya mafuta.

Seli za mafuta kulingana na kaboni iliyoyeyuka zinahitaji wakati muhimu wa kuanza na haziruhusu marekebisho ya haraka ya nguvu ya pato, kwa hivyo eneo lao kuu la maombi ni vyanzo vikubwa vya stationary vya nishati ya joto na umeme. Hata hivyo, wao ni sifa ya ufanisi mkubwa wa uongofu wa mafuta - 60% ya ufanisi wa umeme na hadi 85% ya ufanisi wa jumla.

Katika aina hii ya seli ya mafuta, elektroliti huwa na kabonati ya potasiamu na chumvi za lithiamu kabonati zinazopashwa joto hadi takriban 650 °C. Chini ya hali hizi, chumvi ziko katika hali ya kuyeyuka, na kutengeneza elektroliti. Katika anode, hidrojeni humenyuka na ioni za CO 3, na kutengeneza maji, dioksidi kaboni na kutolewa elektroni, ambazo hutumwa kwa mzunguko wa nje, na kwenye cathode, oksijeni huingiliana na dioksidi kaboni na elektroni kutoka kwa mzunguko wa nje, tena kutengeneza ioni za CO 3. .

Sampuli za maabara za seli za mafuta za aina hii ziliundwa mwishoni mwa miaka ya 1950 na wanasayansi wa Uholanzi G. H. J. Broers na J. A. A. Ketelaar. Katika miaka ya 1960, mhandisi Francis T. Bacon, mzao wa mwandishi maarufu wa Kiingereza na mwanasayansi wa karne ya 17, alifanya kazi na seli hizi, ndiyo sababu seli za mafuta za MCFC wakati mwingine huitwa seli za Bacon. Katika programu za NASA Apollo, Apollo-Soyuz, na Scylab, seli hizi za mafuta zilitumiwa kama chanzo cha usambazaji wa nishati (Mchoro 14). Katika miaka hii hiyo, idara ya kijeshi ya Marekani ilijaribu sampuli kadhaa za seli za mafuta za MCFC zinazozalishwa na Texas Instruments, ambazo zilitumia petroli ya daraja la kijeshi kama mafuta. Katikati ya miaka ya 1970, Idara ya Nishati ya Marekani ilianza utafiti wa kuunda seli ya mafuta ya kaboni iliyoyeyushwa iliyosimama inayofaa kwa matumizi ya vitendo. Katika miaka ya 1990, idadi ya mitambo ya kibiashara yenye nguvu iliyokadiriwa hadi kW 250 ilianzishwa, kwa mfano katika Kituo cha Ndege cha Amerika cha Miramar huko California. Mnamo 1996, FuelCell Energy, Inc. ilizindua mtambo wa awali wa MW 2 huko Santa Clara, California.

Seli za mafuta ya oksidi ya hali imara (SOFC)

Seli za mafuta ya oksidi ya hali imara ni rahisi kubuni na hufanya kazi kwa joto la juu sana - 700-1,000 °C. Vile joto la juu huruhusu matumizi ya kiasi "chafu", mafuta yasiyosafishwa. Vipengele sawa na vile vya seli za mafuta kulingana na kaboni iliyoyeyuka huamua uwanja sawa wa matumizi - vyanzo vikubwa vya stationary vya nishati ya joto na umeme.

Seli za mafuta ya oksidi imara ni tofauti kimuundo na seli za mafuta kulingana na teknolojia za PAFC na MCFC. Anode, cathode na electrolyte hufanywa kwa darasa maalum za keramik. Electroliti inayotumika sana ni mchanganyiko wa oksidi ya zirconium na oksidi ya kalsiamu, lakini oksidi zingine pia zinaweza kutumika. Electroliti huunda kimiani ya fuwele iliyofunikwa pande zote mbili na nyenzo za elektrodi za vinyweleo. Kwa kimuundo, vipengele vile vinafanywa kwa namna ya zilizopo au bodi za gorofa, ambayo inafanya uwezekano wa kutumia teknolojia zinazotumiwa sana katika sekta ya umeme katika uzalishaji wao. Kwa hivyo, seli za mafuta za oksidi za hali dhabiti zinaweza kufanya kazi kwa halijoto ya juu sana, na kuzifanya kuwa na faida kwa kutoa nishati ya umeme na ya mafuta.

Katika joto la juu la uendeshaji, ioni za oksijeni huundwa kwenye cathode, ambayo huhamia kupitia kimiani ya kioo hadi anode, ambapo huingiliana na ioni za hidrojeni, kutengeneza maji na kutoa elektroni za bure. Katika kesi hii, hidrojeni hutenganishwa na gesi asilia moja kwa moja kwenye seli, i.e. hakuna haja ya mrekebishaji tofauti.

Misingi ya kinadharia ya uundaji wa seli za mafuta ya oksidi ya hali dhabiti iliwekwa mwishoni mwa miaka ya 1930, wakati wanasayansi wa Uswizi Emil Bauer na H. Preis walijaribu zirconium, yttrium, cerium, lanthanum na tungsten, wakizitumia kama elektroliti.

Protoksi za kwanza za seli kama hizo za mafuta ziliundwa mwishoni mwa miaka ya 1950 na kampuni kadhaa za Amerika na Uholanzi. Wengi wa makampuni haya hivi karibuni waliacha utafiti zaidi kutokana na matatizo ya kiteknolojia, lakini moja yao, Westinghouse Electric Corp. (sasa Siemens Westinghouse Power Corporation), iliendelea na kazi. Kampuni kwa sasa inakubali maagizo ya mapema ya modeli ya kibiashara ya seli ya mafuta ya oksidi ya hali dhabiti, inayotarajiwa kupatikana mwaka huu (Mchoro 15). Sehemu ya soko ya vipengele vile ni mitambo ya stationary kwa ajili ya uzalishaji wa nishati ya joto na umeme yenye uwezo wa 250 kW hadi 5 MW.

Seli za mafuta za SOFC zimeonyesha kuegemea juu sana. Kwa mfano, mfano wa seli ya mafuta iliyotengenezwa na Siemens Westinghouse imefikia saa 16,600 za kufanya kazi na inaendelea kufanya kazi, na kuifanya kuwa maisha marefu zaidi ya seli za mafuta ulimwenguni.

Hali ya uendeshaji ya halijoto ya juu, shinikizo la juu ya seli za mafuta za SOFC inaruhusu kuundwa kwa mimea mseto ambapo uzalishaji wa seli za mafuta huendesha mitambo ya gesi inayotumiwa kuzalisha nguvu za umeme. Usakinishaji wa kwanza kama huo wa mseto unafanya kazi Irvine, California. Nguvu iliyopimwa ya ufungaji huu ni 220 kW, ambayo 200 kW kutoka kiini cha mafuta na 20 kW kutoka kwa jenereta ya microturbine.

Kiini cha mafuta ni kifaa cha electrochemical sawa na kiini cha galvanic, lakini hutofautiana nayo kwa kuwa vitu vya mmenyuko wa electrochemical hutolewa kutoka nje - tofauti na kiasi kidogo cha nishati iliyohifadhiwa kwenye seli ya galvanic au betri.

Mchele. 1. Baadhi ya seli za mafuta

Seli za mafuta hubadilisha nishati ya kemikali ya mafuta kuwa umeme, na kupita michakato ya mwako isiyofaa ambayo hutokea kwa hasara kubwa. Wanabadilisha hidrojeni na oksijeni kuwa umeme kupitia mmenyuko wa kemikali. Kutokana na mchakato huu, maji hutengenezwa na kiasi kikubwa cha joto hutolewa. Seli ya mafuta ni sawa na betri ambayo inaweza kuchajiwa na kisha kutumia nishati ya umeme iliyohifadhiwa. Mvumbuzi wa seli ya mafuta anachukuliwa kuwa William R. Grove, ambaye aliivumbua nyuma mnamo 1839. Seli hii ya mafuta ilitumia myeyusho wa asidi ya sulfuriki kama elektroliti na hidrojeni kama mafuta, ambayo iliunganishwa na oksijeni katika wakala wa vioksidishaji. Hadi hivi majuzi, seli za mafuta zilitumika tu katika maabara na kwenye vyombo vya anga.

Tofauti na jenereta zingine za nishati, kama vile injini za mwako wa ndani au turbine zinazoendeshwa na gesi, makaa ya mawe, mafuta ya mafuta, n.k., seli za mafuta hazichomi mafuta. Hii inamaanisha hakuna rotors zenye kelele za shinikizo la juu, hakuna kelele kubwa ya kutolea nje, hakuna mitetemo. Seli za mafuta huzalisha umeme kupitia mmenyuko wa kimya wa electrochemical. Kipengele kingine cha seli za mafuta ni kwamba hubadilisha nishati ya kemikali ya mafuta moja kwa moja kuwa umeme, joto na maji.

Seli za mafuta zina ufanisi mkubwa na hazitoi kiasi kikubwa cha gesi chafu kama vile dioksidi kaboni, methane na oksidi ya nitrojeni. Uzalishaji pekee kutoka kwa seli za mafuta ni maji katika mfumo wa mvuke na kiasi kidogo cha dioksidi kaboni, ambayo haitolewi kabisa ikiwa hidrojeni safi itatumika kama mafuta. Seli za mafuta hukusanywa katika makusanyiko na kisha katika moduli za kazi za kibinafsi.

Seli za mafuta hazina sehemu zinazosonga (angalau sio ndani ya seli yenyewe) na kwa hivyo hazitii sheria ya Carnot. Hiyo ni, watakuwa na ufanisi zaidi ya 50% na wanafaa hasa kwa mizigo ya chini. Kwa hivyo, magari ya seli za mafuta yanaweza kuwa (na tayari yamethibitishwa kuwa) yanafaa zaidi kwa mafuta kuliko magari ya kawaida katika hali halisi ya kuendesha gari.

Seli ya mafuta huzalisha mkondo wa umeme wa voltage ya mara kwa mara ambayo inaweza kutumika kuendesha gari la umeme, taa, na mifumo mingine ya umeme kwenye gari.

Kuna aina kadhaa za seli za mafuta, tofauti katika michakato ya kemikali inayotumiwa. Seli za mafuta kawaida huwekwa kulingana na aina ya elektroliti wanazotumia.

Aina fulani za seli za mafuta zinaahidi kusukuma mitambo ya kuzalisha umeme, huku nyingine zikiahidi vifaa vinavyobebeka au kuendesha magari.

1. Seli za mafuta ya alkali (ALFC)

Seli ya mafuta ya alkali- Hii ni moja ya vipengele vya kwanza vilivyotengenezwa. Seli za mafuta ya alkali (AFC) ni moja ya teknolojia iliyosomwa zaidi, iliyotumiwa tangu katikati ya miaka ya 60 ya karne ya ishirini na NASA katika programu za Apollo na Space Shuttle. Kwenye vyombo hivi, seli za mafuta huzalisha nishati ya umeme na maji ya kunywa.

Seli za mafuta ya alkali ni mojawapo ya vipengele vya ufanisi zaidi vinavyotumiwa kuzalisha umeme, na ufanisi wa uzalishaji wa nishati unafikia hadi 70%.

Seli za mafuta ya alkali hutumia elektroliti, suluhisho la maji ya hidroksidi ya potasiamu, iliyo kwenye tumbo la porous, imetulia. Mkusanyiko wa hidroksidi ya potasiamu inaweza kutofautiana kulingana na halijoto ya uendeshaji ya seli ya mafuta, ambayo ni kati ya 65°C hadi 220°C. Mtoaji wa malipo katika SHTE ni ioni ya hidroksili (OH-), inayohamia kutoka kwa cathode hadi anode, ambapo humenyuka na hidrojeni, huzalisha maji na elektroni. Maji yanayozalishwa kwenye anode hurejea kwenye cathode, tena huzalisha ioni za hidroksili huko. Kama matokeo ya mfululizo huu wa athari zinazofanyika kwenye seli ya mafuta, umeme na, kama bidhaa, joto hutolewa:

Mwitikio kwenye anodi: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Mwitikio kwenye kathodi: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Mwitikio wa jumla wa mfumo: 2H2 + O2 => 2H2O

Faida ya SHTE ni kwamba seli hizi za mafuta ndizo za bei nafuu zaidi kuzalisha, kwa kuwa kichocheo kinachohitajika kwenye elektrodi kinaweza kuwa kitu chochote ambacho ni cha bei nafuu kuliko vile vinavyotumiwa kama vichocheo vya seli nyingine za mafuta. Kwa kuongeza, SHTE hufanya kazi kwa viwango vya chini vya joto na ni kati ya ufanisi zaidi.

Moja ya vipengele vya sifa za SHTE ni unyeti wake wa juu kwa CO2, ambayo inaweza kuwa katika mafuta au hewa. CO2 humenyuka pamoja na elektroliti, hutia sumu haraka, na hupunguza sana ufanisi wa seli ya mafuta. Kwa hivyo, matumizi ya SHTE ni mdogo kwa nafasi zilizofungwa, kama vile nafasi na magari ya chini ya maji; hufanya kazi kwa hidrojeni na oksijeni safi.

2. Seli za mafuta ya kaboni iliyoyeyushwa (MCFC)

Seli za mafuta zilizo na elektroliti ya kaboni iliyoyeyuka ni seli za mafuta zenye joto la juu. Joto la juu la uendeshaji huruhusu matumizi ya moja kwa moja ya gesi asilia bila processor ya mafuta na gesi ya mafuta yenye thamani ya chini ya kalori kutoka kwa michakato ya viwanda na vyanzo vingine. Utaratibu huu ulianzishwa katikati ya miaka ya 60 ya karne ya ishirini. Tangu wakati huo, teknolojia ya uzalishaji, utendaji na uaminifu umeboreshwa.

Uendeshaji wa RCFC hutofautiana na seli nyingine za mafuta. Seli hizi hutumia elektroliti iliyotengenezwa kutoka kwa mchanganyiko wa chumvi iliyoyeyuka ya kaboni. Hivi sasa, aina mbili za mchanganyiko hutumiwa: lithiamu carbonate na carbonate ya potasiamu au lithiamu carbonate na carbonate ya sodiamu. Ili kuyeyusha chumvi za kaboni na kufikia kiwango cha juu cha uhamaji wa ioni katika elektroliti, seli za mafuta zilizo na elektroliti ya kaboni iliyoyeyuka hufanya kazi kwa joto la juu (650 ° C). Ufanisi hutofautiana kati ya 60-80%.

Inapokanzwa hadi joto la 650 ° C, chumvi huwa conductor kwa ions carbonate (CO32-). Ioni hizi hupita kutoka kwa cathode hadi anode, ambapo huchanganyika na hidrojeni kuunda maji, dioksidi kaboni na elektroni huru. Elektroni hizi hutumwa kupitia saketi ya nje ya umeme kurudi kwenye kathodi, na kutoa mkondo wa umeme na joto kama bidhaa ya ziada.

Mwitikio kwenye anodi: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Mwitikio kwenye kathodi: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Mwitikio wa jumla wa kipengele: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(cathode) => H2O(g) + CO2(anodi)

Joto la juu la uendeshaji wa seli za mafuta za elektroliti za kaboni iliyoyeyuka zina faida fulani. Faida ni uwezo wa kutumia vifaa vya kawaida (karatasi za chuma cha pua na kichocheo cha nickel kwenye electrodes). Joto la taka linaweza kutumika kutengeneza mvuke wa shinikizo la juu. Joto la juu la mmenyuko katika electrolyte pia lina faida zao. Matumizi ya joto la juu yanahitaji muda mrefu kufikia hali bora za uendeshaji, na mfumo hujibu polepole zaidi kwa mabadiliko ya matumizi ya nishati. Tabia hizi huruhusu matumizi ya uwekaji wa seli za mafuta na elektroliti ya kaboni iliyoyeyuka chini ya hali ya nguvu ya kila wakati. Joto la juu huzuia uharibifu wa seli ya mafuta na monoxide ya kaboni, "sumu," nk.

Seli za mafuta zilizo na elektroliti ya kaboni iliyoyeyuka zinafaa kwa matumizi katika mitambo mikubwa ya stationary. Mitambo ya nguvu ya joto yenye nguvu ya pato la umeme ya MW 2.8 inazalishwa kibiashara. Ufungaji wenye nguvu ya pato hadi MW 100 unatengenezwa.

3. Seli za mafuta ya asidi ya fosforasi (PAFC)

Seli za mafuta kulingana na asidi ya fosforasi (orthophosphoric). ikawa seli za kwanza za mafuta kwa matumizi ya kibiashara. Utaratibu huu ulianzishwa katikati ya miaka ya 60 ya karne ya ishirini, vipimo vimefanywa tangu miaka ya 70 ya karne ya ishirini. Matokeo yake ni kuongezeka kwa utulivu na utendaji na kupunguza gharama.

Seli za mafuta ya asidi ya fosforasi (orthophosphoric) hutumia elektroliti kulingana na asidi ya orthophosphoric (H3PO4) kwa viwango hadi 100%. Upitishaji wa ionic wa asidi ya fosforasi ni ya chini kwa joto la chini, hivyo seli hizi za mafuta hutumiwa kwa joto hadi 150-220 ° C.

Mtoaji wa malipo katika seli za mafuta za aina hii ni hidrojeni (H +, protoni). Mchakato sawa hutokea katika seli za mafuta za utando wa kubadilishana protoni (PEMFCs), ambapo hidrojeni inayotolewa kwa anodi hugawanywa katika protoni na elektroni. Protoni husafiri kupitia elektroliti na kuchanganyika na oksijeni kutoka kwa hewa kwenye cathode na kuunda maji. Elektroni hutumwa kwa njia ya mzunguko wa nje wa umeme, na hivyo kuzalisha sasa ya umeme. Chini ni athari zinazozalisha sasa umeme na joto.

Mwitikio kwenye anodi: 2H2 => 4H+ + 4e

Mwitikio kwenye kathodi: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Mwitikio wa jumla wa kipengele: 2H2 + O2 => 2H2O

Ufanisi wa seli za mafuta kulingana na asidi ya fosforasi (orthophosphoric) ni zaidi ya 40% wakati wa kuzalisha nishati ya umeme. Kwa uzalishaji wa pamoja wa joto na umeme, ufanisi wa jumla ni karibu 85%. Kwa kuongeza, kutokana na joto la uendeshaji, joto la taka linaweza kutumika kupasha maji na kuzalisha mvuke wa shinikizo la anga.

Utendaji wa juu wa mimea ya nguvu ya mafuta kwa kutumia seli za mafuta kulingana na asidi ya fosforasi (orthophosphoric) katika uzalishaji wa pamoja wa nishati ya joto na umeme ni moja ya faida za aina hii ya seli za mafuta. Vitengo hutumia monoxide ya kaboni na mkusanyiko wa karibu 1.5%, ambayo huongeza kwa kiasi kikubwa uchaguzi wa mafuta. Muundo rahisi, kiwango cha chini cha tete ya electrolyte na kuongezeka kwa utulivu pia ni faida za seli hizo za mafuta.

Mitambo ya nguvu ya joto yenye nguvu ya pato la umeme hadi 400 kW inazalishwa kibiashara. Ufungaji wenye uwezo wa MW 11 umefaulu majaribio yanayofaa. Ufungaji wenye nguvu ya pato hadi MW 100 unatengenezwa.

4. Protoni kubadilishana seli za mafuta za membrane (PEMFC)

Protoni kubadilishana seli za mafuta za membrane inachukuliwa kuwa aina bora ya seli za mafuta kwa ajili ya kuzalisha nguvu kwa magari, ambayo inaweza kuchukua nafasi ya injini za mwako za ndani za petroli na dizeli. Seli hizi za mafuta zilitumiwa kwanza na NASA kwa mpango wa Gemini. Ufungaji kulingana na MOPFC yenye nguvu kutoka 1 W hadi 2 kW imetengenezwa na kuonyeshwa.

Electrolyte katika seli hizi za mafuta ni membrane ya polymer imara (filamu nyembamba ya plastiki). Inapojaa maji, polima hii huruhusu protoni kupita lakini haifanyi elektroni.

Mafuta ni hidrojeni, na carrier wa malipo ni ioni ya hidrojeni (protoni). Katika anode, molekuli ya hidrojeni imegawanywa katika ioni ya hidrojeni (protoni) na elektroni. Ioni za hidrojeni hupitia elektroliti hadi kwenye cathode, na elektroni huzunguka mduara wa nje na kutoa nishati ya umeme. Oksijeni, ambayo inachukuliwa kutoka kwa hewa, hutolewa kwa cathode na inachanganya na elektroni na ioni za hidrojeni kuunda maji. Miitikio ifuatayo hutokea kwenye elektrodi: Mwitikio kwenye anode: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e Mwitikio kwenye kathodi: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Kwa ujumla mmenyuko wa seli: 2H2 + O2 => 2H2O Ikilinganishwa na aina zingine za seli za mafuta, seli za mafuta zilizo na utando wa kubadilishana protoni huzalisha nishati zaidi kwa kiasi fulani au uzito wa seli ya mafuta. Kipengele hiki kinawawezesha kuwa compact na nyepesi. Kwa kuongeza, joto la uendeshaji ni chini ya 100 ° C, ambayo inakuwezesha kuanza kazi haraka. Sifa hizi, pamoja na uwezo wa kubadilisha haraka pato la nishati, ni chache tu zinazofanya seli hizi za mafuta kuwa mgombea mkuu wa matumizi katika magari.

Faida nyingine ni kwamba electrolyte ni imara badala ya kioevu. Ni rahisi zaidi kuhifadhi gesi kwenye cathode na anode kwa kutumia electrolyte imara, hivyo seli hizo za mafuta ni nafuu kuzalisha. Kwa electrolyte imara, hakuna masuala ya mwelekeo na matatizo machache ya kutu, na kuongeza muda mrefu wa seli na vipengele vyake.

5. Seli za mafuta ya oksidi imara (SOFC)

Seli za mafuta ya oksidi imara ni seli za mafuta za halijoto ya juu zaidi zinazofanya kazi. Joto la uendeshaji linaweza kutofautiana kutoka 600 ° C hadi 1000 ° C, kuruhusu matumizi ya aina tofauti za mafuta bila matibabu maalum ya awali. Ili kushughulikia joto hilo la juu, electrolyte inayotumiwa ni oksidi nyembamba ya chuma imara kwenye msingi wa kauri, mara nyingi ni aloi ya yttrium na zirconium, ambayo ni conductor ya ioni za oksijeni (O2-). Teknolojia ya kutumia seli za mafuta ya oksidi imara imekuwa ikiendelezwa tangu mwishoni mwa miaka ya 50 ya karne ya ishirini na ina usanidi mbili: planar na tubular.

Electrolyte imara hutoa mpito uliofungwa wa gesi kutoka kwa electrode moja hadi nyingine, wakati electrolytes ya kioevu iko kwenye substrate ya porous. Mtoaji wa malipo katika seli za mafuta za aina hii ni ioni ya oksijeni (O2-). Katika cathode, molekuli za oksijeni kutoka hewa hutenganishwa katika ioni ya oksijeni na elektroni nne. Ioni za oksijeni hupitia elektroliti na kuchanganya na hidrojeni, na kuunda elektroni nne za bure. Elektroni hutumwa kwa njia ya mzunguko wa umeme wa nje, kuzalisha sasa umeme na joto la taka.

Mwitikio kwenye anodi: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Mwitikio kwenye cathode: O2 + 4e- => 2O2-

Mwitikio wa jumla wa kipengele: 2H2 + O2 => 2H2O

Ufanisi wa uzalishaji wa nishati ya umeme ni ya juu zaidi ya seli zote za mafuta - karibu 60%. Aidha, joto la juu la uendeshaji huruhusu uzalishaji wa pamoja wa nishati ya joto na umeme ili kuzalisha mvuke wa shinikizo la juu. Kuchanganya seli ya mafuta yenye joto la juu na turbine hufanya iwezekanavyo kuunda seli ya mafuta ya mseto ili kuongeza ufanisi wa kuzalisha nishati ya umeme hadi 70%.

Seli za mafuta ya oksidi imara hufanya kazi kwa halijoto ya juu sana (600°C-1000°C), na hivyo kusababisha muda muhimu unaohitajika kufikia hali bora za uendeshaji na mwitikio wa polepole wa mfumo kwa mabadiliko ya matumizi ya nishati. Katika halijoto hizo za juu za uendeshaji, hakuna kibadilishaji fedha kinachohitajika kurejesha hidrojeni kutoka kwa mafuta, kuruhusu mtambo wa nishati ya joto kufanya kazi na nishati zisizo najisi zinazotokana na gesi ya makaa ya mawe au taka ya gesi, nk. Seli ya mafuta pia ni bora kwa matumizi ya nguvu ya juu, ikijumuisha viwanda na mitambo mikubwa ya kati. Moduli zilizo na nguvu ya pato la umeme la kW 100 zinazalishwa kibiashara.

6. Seli za mafuta za oksidi za methanoli za moja kwa moja (DOMFC)

Seli za mafuta za oxidation za methanoli moja kwa moja Zinatumika kwa mafanikio katika uwanja wa kuwezesha simu za rununu, laptops, na pia kuunda vyanzo vya nguvu vinavyoweza kusonga, ambayo matumizi ya baadaye ya vitu kama hivyo yanalenga.

Muundo wa seli za mafuta na oxidation ya moja kwa moja ya methanol ni sawa na muundo wa seli za mafuta na membrane ya kubadilishana ya protoni (MEPFC), i.e. Polima hutumika kama elektroliti, na ioni ya hidrojeni (protoni) hutumika kama kibebea chaji. Lakini methanoli ya kioevu (CH3OH) inaoksidisha mbele ya maji kwenye anode, ikitoa CO2, ioni za hidrojeni na elektroni, ambazo hutumwa kwa njia ya mzunguko wa nje wa umeme, na hivyo kuzalisha sasa ya umeme. Ioni za hidrojeni hupitia elektroliti na kuguswa na oksijeni kutoka kwa hewa na elektroni kutoka kwa mzunguko wa nje kuunda maji kwenye anode.

Mwitikio kwenye anodi: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e Mwitikio kwenye kathodi: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Mwitikio wa jumla wa kipengele: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Ukuzaji wa vile kipengele. seli za mafuta zimefanyika tangu mwanzo wa miaka ya 90 ya karne ya ishirini na nguvu zao maalum na ufanisi ziliongezeka hadi 40%.

Vipengele hivi vilijaribiwa katika anuwai ya joto ya 50-120 ° C. Kwa sababu ya joto lao la chini la uendeshaji na kutokuwepo kwa hitaji la kubadilisha fedha, seli hizo za mafuta ni mgombea mkuu wa matumizi katika simu za mkononi na bidhaa nyingine za walaji, na pia katika injini za gari. Faida yao pia ni ukubwa wao mdogo.

7. Seli za mafuta za elektroliti za polima (PEFC)

Katika kesi ya seli za mafuta ya elektroliti ya polima, utando wa polima una nyuzi za polima na maeneo ya maji ambayo ioni za maji ya upitishaji H2O+ (protoni, nyekundu) hushikamana na molekuli ya maji. Molekuli za maji husababisha shida kutokana na ubadilishanaji wa polepole wa ioni. Kwa hiyo, mkusanyiko mkubwa wa maji unahitajika wote katika mafuta na kwenye electrodes ya plagi, ambayo hupunguza joto la uendeshaji hadi 100 ° C.

8. Seli za mafuta ya asidi imara (SFC)

Katika seli za mafuta yenye asidi, elektroliti (CsHSO4) haina maji. Kwa hiyo joto la uendeshaji ni 100-300 ° C. Mzunguko wa oksini za SO42 huruhusu protoni (nyekundu) kusonga kama inavyoonyeshwa kwenye takwimu. Kwa kawaida, seli ya mafuta ya asidi ni sandwich ambayo safu nyembamba sana ya kiwanja cha asidi kigumu huwekwa kati ya elektroni mbili ambazo zimeunganishwa pamoja ili kuhakikisha kuwasiliana vizuri. Inapokanzwa, sehemu ya kikaboni huvukiza, ikitoka kupitia pores kwenye elektroni, kudumisha uwezo wa mawasiliano mengi kati ya mafuta (au oksijeni kwenye mwisho mwingine wa kitu), elektroliti na elektroni.

9. Ulinganisho wa sifa muhimu zaidi za seli za mafuta

Tabia za seli za mafuta

Aina ya seli ya mafuta	Joto la uendeshaji	Ufanisi wa uzalishaji wa nguvu	Aina ya mafuta	Upeo wa maombi
				Ufungaji wa kati na mkubwa
			Hidrojeni safi	mitambo
			Hidrojeni safi	Ufungaji mdogo
			Mafuta mengi ya hidrokaboni	Ufungaji mdogo, wa kati na mkubwa
				Inabebeka mitambo
			Hidrojeni safi	Nafasi utafiti
			Hidrojeni safi	Ufungaji mdogo

10. Matumizi ya seli za mafuta kwenye magari