Kutoka kwa mtazamo wa nishati ya "kijani", seli za mafuta ya hidrojeni zina ufanisi mkubwa sana wa 60%. Kwa kulinganisha: Ufanisi wa bora injini za mwako wa ndani akaunti kwa 35-40%. Kwa mimea ya nishati ya jua, mgawo ni 15-20% tu, lakini inategemea sana hali ya hewa. Ufanisi wa mashamba ya upepo wa impela hufikia 40%, ambayo inalinganishwa na jenereta za mvuke, lakini mitambo ya upepo pia inahitaji hali ya hewa inayofaa na matengenezo ya gharama kubwa.
Kama tunaweza kuona, kwa suala la paramu hii, nishati ya hidrojeni ndio chanzo cha kuvutia zaidi cha nishati, lakini bado kuna shida kadhaa zinazozuia utumiaji wake mwingi. Muhimu zaidi wao ni mchakato wa uzalishaji wa hidrojeni.
Matatizo ya uchimbaji madini
Nishati ya hidrojeni ni rafiki wa mazingira, lakini sio uhuru. Ili kufanya kazi, kiini cha mafuta kinahitaji hidrojeni, ambayo haipatikani duniani kwa fomu yake safi. Hidrojeni inahitaji kuzalishwa, lakini mbinu zote zilizopo sasa ni ghali sana au hazifanyi kazi.Njia ya ufanisi zaidi katika suala la kiasi cha hidrojeni zinazozalishwa kwa kila kitengo cha nishati inayotumiwa inachukuliwa kuwa njia ya urekebishaji wa mvuke wa gesi asilia. Methane imejumuishwa na mvuke wa maji kwa shinikizo la MPa 2 (takriban anga 19, i.e. shinikizo kwa kina cha karibu 190 m) na joto la digrii 800, na kusababisha gesi iliyobadilishwa na maudhui ya hidrojeni ya 55-75%. Marekebisho ya mvuke inahitaji usakinishaji mkubwa ambao unaweza kutumika tu katika uzalishaji.
Tanuru ya bomba kwa urekebishaji wa methane ya mvuke sio njia ya ergonomic zaidi ya kutengeneza hidrojeni. Chanzo: CTK-Euro
Njia rahisi na rahisi zaidi ni electrolysis ya maji. Wakati umeme wa sasa unapita kupitia maji ya kutibiwa, mfululizo wa athari za electrochemical hutokea, na kusababisha kuundwa kwa hidrojeni. Hasara kubwa ya njia hii ni matumizi ya juu ya nishati inayohitajika kutekeleza majibu. Hiyo ni, hali fulani ya ajabu hutokea: kupata nishati ya hidrojeni unahitaji ... nishati. Ili kuepuka gharama zisizohitajika wakati wa electrolysis na kuhifadhi rasilimali muhimu, makampuni mengine yanajitahidi kuendeleza mifumo kamili ya mzunguko wa "umeme - hidrojeni - umeme", ambayo uzalishaji wa nishati unawezekana bila recharge ya nje. Mfano wa mfumo huo ni maendeleo ya Toshiba H2One.
Kituo cha nguvu cha rununu cha Toshiba H2One
Tumetengeneza kituo cha umeme cha simu cha H2One ambacho hubadilisha maji kuwa hidrojeni na hidrojeni kuwa nishati. Ili kudumisha electrolysis, hutumia paneli za jua, na nishati ya ziada huhifadhiwa katika betri na kuhakikisha mfumo unafanya kazi kwa kutokuwepo kwa jua. Hidrojeni inayotokana hutolewa moja kwa moja kwa seli za mafuta au kutumwa kuhifadhiwa kwenye tanki iliyounganishwa. Kwa saa moja, electrolyzer ya H2One inazalisha hadi 2 m 3 ya hidrojeni, na hutoa nguvu ya pato ya hadi 55 kW. Ili kuzalisha 1 m 3 ya hidrojeni, kituo kinahitaji hadi 2.5 m 3 ya maji.Wakati kituo cha H2One hakina uwezo wa kutoa umeme kwa biashara kubwa au jiji zima, nishati yake itatosha kabisa kwa utendakazi wa maeneo madogo au mashirika. Shukrani kwa uwezo wake wa kubebeka, inaweza pia kutumika kama suluhisho la muda wakati wa majanga ya asili au kukatika kwa umeme kwa dharura. Aidha, tofauti jenereta ya dizeli, ambayo inahitaji mafuta kufanya kazi vizuri, mmea wa hidrojeni unahitaji maji tu.
Hivi sasa, Toshiba H2One inatumika katika miji michache tu nchini Japani - kwa mfano, inatoa umeme na maji ya moto kwenye kituo cha reli katika jiji la Kawasaki.
Ufungaji wa mfumo wa H2One huko Kawasaki
Wakati ujao wa hidrojeni
Siku hizi, seli za mafuta za hidrojeni hutoa nishati kwa benki za umeme zinazobebeka, mabasi ya jiji yenye magari, na usafiri wa reli. (Tutazungumza zaidi juu ya matumizi ya hidrojeni katika tasnia ya magari katika chapisho letu linalofuata). Seli za mafuta ya hidrojeni ziligeuka kuwa bila kutarajia suluhisho kubwa kwa quadcopters - kwa wingi sawa na betri, ugavi wa hidrojeni hutoa hadi mara tano zaidi ya muda wa kukimbia. Hata hivyo, baridi haiathiri ufanisi kwa njia yoyote. Ndege zisizo na rubani za majaribio ya seli za mafuta zinazozalishwa na kampuni ya Urusi ya AT Energy zilitumika kwa utengenezaji wa filamu kwenye Michezo ya Olimpiki ya Sochi.Imejulikana kuwa katika Michezo ijayo ya Olimpiki huko Tokyo, haidrojeni itatumika katika magari, katika utengenezaji wa umeme na joto, na pia itakuwa chanzo kikuu cha nishati kwa kijiji cha Olimpiki. Kwa kusudi hili, kwa agizo la Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. Moja ya vituo vikubwa zaidi vya uzalishaji wa hidrojeni duniani kinajengwa katika mji wa Namie nchini Japani. Kituo hicho kitatumia hadi MW 10 za nishati zilizopatikana kutoka kwa vyanzo vya "kijani", na kuzalisha hadi tani 900 za hidrojeni kwa mwaka kupitia electrolysis.
Nishati ya hidrojeni ni "hifadhi yetu kwa siku zijazo," wakati mafuta ya mafuta yatalazimika kuachwa kabisa, na vyanzo vya nishati mbadala havitaweza kukidhi mahitaji ya wanadamu. Kulingana na utabiri wa Masoko na Masoko, kiasi cha uzalishaji wa hidrojeni duniani, ambacho kwa sasa kinafikia dola bilioni 115, kitakua hadi dola bilioni 154 ifikapo 2022. Lakini utekelezaji mkubwa wa teknolojia hiyo hauwezekani kutokea katika siku za usoni; shida kadhaa zinazohusiana na uzalishaji na uendeshaji wa mitambo maalum ya kuzalisha umeme bado inahitaji kutatuliwa na kupunguza gharama zao. Vizuizi vya kiteknolojia vinapoondolewa, nishati ya hidrojeni itafikia kiwango kipya na inaweza kuenea kama umeme wa jadi au wa maji leo.
KATIKA Hivi majuzi Mada ya seli za mafuta iko kwenye midomo ya kila mtu. Na hii haishangazi; pamoja na ujio wa teknolojia hii katika ulimwengu wa vifaa vya elektroniki, imepata kuzaliwa upya. Viongozi wa ulimwengu katika nyanja ya kielektroniki kidogo wanakimbia kuwasilisha prototypes za bidhaa zao za siku zijazo, ambazo zitaunganisha mitambo yao ya nguvu ndogo. Hii inapaswa, kwa upande mmoja, kudhoofisha uunganisho wa vifaa vya rununu kwenye "plagi", na kwa upande mwingine, kupanua maisha ya betri.
Kwa kuongezea, baadhi yao hufanya kazi kwa msingi wa ethanol, kwa hivyo ukuzaji wa teknolojia hizi ni faida ya moja kwa moja kwa wazalishaji wa vileo - baada ya miaka kadhaa, foleni za "wataalam wa IT" zitapanga kwenye kiwanda cha divai, wakisimama kwa "kipimo" kinachofuata cha kompyuta zao ndogo.
Hatuwezi kukaa mbali na "homa" ya seli ya mafuta ambayo imeshika tasnia ya Hi-Tech, na tutajaribu kubaini teknolojia hii ni mnyama wa aina gani, analiwa na nini, na ni wakati gani tunaweza kutarajia atafika. "upishi wa umma." Katika nyenzo hii tutaangalia njia iliyosafirishwa na seli za mafuta kutoka ugunduzi wa teknolojia hii hadi leo. Pia tutajaribu kutathmini matarajio ya utekelezaji na maendeleo yao katika siku zijazo.
Jinsi ilivyokuwa
Kanuni ya seli ya mafuta ilielezewa kwa mara ya kwanza mnamo 1838 na Christian Friedrich Schonbein, na mwaka mmoja baadaye Jarida la Falsafa lilichapisha nakala yake juu ya mada hii. Walakini, haya yalikuwa masomo ya kinadharia tu. Kiini cha kwanza cha mafuta kinachofanya kazi kilitolewa mnamo 1843 katika maabara ya mwanasayansi wa Wales Sir William Robert Grove. Wakati wa kuunda, mvumbuzi alitumia vifaa sawa na vilivyotumika katika betri za kisasa za asidi ya fosforasi. Seli ya mafuta ya Sir Grove iliboreshwa baadaye na W. Thomas Grub. Mnamo 1955, duka la dawa hili, akifanya kazi kwa kampuni maarufu ya Umeme ya General, alitumia utando wa kubadilishana ion ya polystyrene kama elektroliti kwenye seli ya mafuta. Miaka mitatu tu baadaye, mwenzake Leonard Niedrach alipendekeza teknolojia ya kuweka platinamu kwenye membrane, ambayo ilifanya kama kichocheo katika mchakato wa oxidation ya hidrojeni na kunyonya oksijeni.
"Baba" wa seli za mafuta Christian Schönbein
Kanuni hizi ziliunda msingi wa kizazi kipya cha seli za mafuta, zinazoitwa seli za Grub-Nidrach baada ya waundaji wao. General Electric iliendelea maendeleo katika mwelekeo huu, ambayo, kwa usaidizi wa NASA na Ndege kubwa ya anga ya McDonnell, seli ya kwanza ya mafuta ya kibiashara iliundwa. Teknolojia hiyo mpya ilivutia umakini nje ya nchi. Na tayari mnamo 1959, Briton Francis Thomas Bacon alianzisha kiini cha mafuta kilicho na nguvu ya 5 kW. Maendeleo yake ya hati miliki yalipewa leseni na Wamarekani na kutumika katika chombo cha NASA katika mifumo ya nguvu na maji ya kunywa. Katika mwaka huo huo, Mmarekani Harry Ihrig alijenga trekta ya kwanza ya seli ya mafuta (jumla ya nguvu 15 kW). Hidroksidi ya potasiamu ilitumika kama elektroliti katika betri, na hidrojeni iliyoshinikizwa na oksijeni ilitumiwa kama vitendanishi.
Kwa mara ya kwanza, utengenezaji wa seli za mafuta zilizosimama kwa madhumuni ya kibiashara ulizinduliwa na kampuni ya UTC Power, ambayo ilitoa mifumo ya usambazaji wa nguvu kwa hospitali, vyuo vikuu na vituo vya biashara. Kampuni hii, kiongozi wa ulimwengu katika uwanja huu, bado inazalisha ufumbuzi sawa na nguvu ya hadi 200 kW. Pia ni muuzaji mkuu wa seli za mafuta kwa NASA. Bidhaa zake zilitumika sana wakati wa mpango wa anga za juu wa Apollo na bado zinahitajika ndani ya mpango wa Space Shuttle. UTC Power pia hutoa seli za mafuta za "bidhaa" ambazo hutumiwa sana kwenye magari. Alikuwa wa kwanza kuunda seli ya mafuta ambayo inafanya uwezekano wa kutengeneza sasa joto hasi shukrani kwa matumizi ya membrane ya kubadilishana protoni.
Inavyofanya kazi
Watafiti walijaribu vitu mbalimbali kama vitendanishi. Hata hivyo, kanuni za msingi za uendeshaji wa seli za mafuta, licha ya sifa tofauti za uendeshaji, hazibadilika. Kiini chochote cha mafuta ni kifaa cha ubadilishaji wa nishati ya electrochemical. Inazalisha umeme kutoka kwa kiasi fulani cha mafuta (upande wa anode) na oxidizer (upande wa cathode). Mmenyuko hutokea mbele ya elektroliti (dutu iliyo na ioni za bure na kufanya kama njia ya umeme). Kimsingi, katika kifaa chochote kama hicho kuna vitendanishi fulani vinavyoingia ndani yake na bidhaa zao za mmenyuko, ambazo huondolewa baada ya mmenyuko wa elektrochemical. Electrolyte katika kesi hii hutumika tu kama njia ya mwingiliano wa vitendanishi na haibadilika kwenye seli ya mafuta. Kulingana na mpango huu, seli bora ya mafuta inapaswa kufanya kazi mradi tu kuna usambazaji wa dutu muhimu kwa majibu.
Seli za mafuta hazipaswi kuchanganyikiwa na betri za kawaida hapa. Katika kesi ya kwanza, ili kuzalisha umeme, "mafuta" fulani hutumiwa, ambayo baadaye inahitaji kuongezwa tena. Katika kesi ya seli za galvanic, umeme huhifadhiwa katika mfumo wa kemikali uliofungwa. Kwa upande wa betri, utumiaji wa mkondo wa umeme huruhusu athari ya kinyume cha kielektroniki kutokea na kurudisha viitikio katika hali yao ya asili (yaani, chaji). Inawezekana michanganyiko mbalimbali mafuta na kioksidishaji. Kwa mfano, seli ya mafuta ya hidrojeni hutumia hidrojeni na oksijeni (kioksidishaji) kama vitendaji. Hydrocarbonates na alkoholi mara nyingi hutumiwa kama mafuta, na hewa, klorini na dioksidi ya klorini hufanya kama vioksidishaji.
Mmenyuko wa kichocheo unaofanyika katika seli ya mafuta huondoa elektroni na protoni kutoka kwa mafuta, na elektroni zinazosonga huunda mkondo wa umeme. Platinamu au aloi zake hutumiwa kama kichocheo ambacho huharakisha athari katika seli za mafuta. Mchakato mwingine wa kichocheo unarudisha elektroni, unazichanganya na protoni na wakala wa oksidi, na kusababisha bidhaa za mmenyuko (uzalishaji). Kwa kawaida, uzalishaji huu ni vitu rahisi: maji na dioksidi kaboni.
Katika seli ya mafuta ya utando wa kubadilishana protoni (PEMFC), membrane inayopitisha protoni ya polima hutenganisha pande za anodi na cathode. Kutoka upande wa cathode, hidrojeni huenea kwa kichocheo cha anode, ambapo elektroni na protoni hutolewa kutoka humo. Kisha protoni hupitia utando hadi kwenye cathode, na elektroni ambazo haziwezi kufuata protoni (membrane imetengwa kwa umeme) hutumwa kando ya mzunguko. mzigo wa nje(mfumo wa usambazaji wa nishati). Kwa upande wa kichocheo cha cathode, oksijeni humenyuka na protoni zinazopita kwenye membrane na elektroni zinazoingia kupitia mzunguko wa mzigo wa nje. Mmenyuko huu hutoa maji (kwa namna ya mvuke au kioevu). Kwa mfano, bidhaa za majibu katika seli za mafuta kwa kutumia mafuta ya hidrokaboni (methanoli, mafuta ya dizeli) ni maji na dioksidi kaboni.
Seli za mafuta Karibu aina zote zinakabiliwa na hasara za umeme, zinazosababishwa na upinzani wa asili wa mawasiliano na vipengele vya seli ya mafuta, na kwa overvoltage ya umeme (nishati ya ziada inayohitajika kutekeleza majibu ya awali). Katika baadhi ya matukio, haiwezekani kuepuka kabisa hasara hizi na wakati mwingine "mchezo haufai mshumaa," lakini mara nyingi wanaweza kupunguzwa kwa kiwango cha chini kinachokubalika. Chaguo la kutatua tatizo hili ni kutumia seti za vifaa hivi, ambazo seli za mafuta, kulingana na mahitaji ya mfumo wa usambazaji wa nguvu, zinaweza kushikamana kwa sambamba (juu ya sasa) au mfululizo (voltage ya juu).
Aina za seli za mafuta
Kuna aina nyingi za seli za mafuta, lakini tutajaribu kujadili kwa ufupi zile za kawaida.
Seli za Mafuta ya Alkali (AFC)
Seli za mafuta za alkali au alkali, pia huitwa seli za Bacon baada ya "baba" wao wa Uingereza, ni mojawapo ya teknolojia za seli za mafuta zilizokuzwa vizuri. Ni vifaa hivi vilivyosaidia mwanadamu kuweka mguu kwenye mwezi. Kwa ujumla, NASA imekuwa ikitumia seli za mafuta za aina hii tangu katikati ya miaka ya 60 ya karne iliyopita. AFCs hutumia hidrojeni na oksijeni safi, huzalisha Maji ya kunywa, joto na umeme. Kwa kiasi kikubwa kutokana na ukweli kwamba teknolojia hii imeendelezwa vizuri, ina moja ya viashiria vya ufanisi zaidi kati ya mifumo sawa (uwezekano wa karibu 70%).
Hata hivyo, teknolojia hii pia ina vikwazo vyake. Kwa sababu ya utaalam wa kutumia dutu ya alkali ya kioevu kama elektroliti, ambayo haizuii dioksidi kaboni, inawezekana kwa hidroksidi ya potasiamu (moja ya chaguzi za elektroliti inayotumiwa) kuguswa na sehemu hii ya hewa ya kawaida. Matokeo yake yanaweza kuwa kiwanja cha sumu kinachoitwa potassium carbonate. Ili kuepuka hili, ni muhimu kutumia ama oksijeni safi au kusafisha hewa kutoka kwa dioksidi kaboni. Kwa kawaida, hii inathiri gharama vifaa sawa. Hata hivyo, AFCs ndizo seli za bei nafuu zaidi za mafuta zinazopatikana leo kuzalisha.
Seli za mafuta za borohydride za moja kwa moja (DBFC)
Aina hii ndogo ya seli za mafuta za alkali hutumia borohydride ya sodiamu kama mafuta. Hata hivyo, tofauti na AFC za kawaida za hidrojeni, teknolojia hii ina faida moja kubwa - hakuna hatari ya kuzalisha misombo ya sumu baada ya kuwasiliana na dioksidi kaboni. Hata hivyo, bidhaa ya mmenyuko wake ni dutu borax, inayotumiwa sana katika sabuni na sabuni. Borax haina sumu.
DBFC zinaweza kufanywa kwa bei nafuu zaidi kuliko seli za jadi za mafuta kwa sababu hazihitaji vichocheo vya gharama kubwa vya platinamu. Kwa kuongeza, wana wiani mkubwa wa nishati. Inakadiriwa kuwa uzalishaji wa kilo ya borohydride ya sodiamu hugharimu dola 50, lakini ikiwa tunapanga uzalishaji wake wa wingi na kuandaa usindikaji wa borax, basi kiwango hiki kinaweza kupunguzwa kwa mara 50.
Seli za Mafuta za Metal Hydride (MHFC)
Kikundi hiki kidogo cha seli za mafuta za alkali kwa sasa kinasomwa kikamilifu. Kipengele maalum cha vifaa hivi ni uwezo wa kuhifadhi kemikali ya hidrojeni ndani ya seli ya mafuta. Seli ya mafuta ya borohydride ya moja kwa moja ina uwezo sawa, lakini tofauti na hayo, MHFC imejaa hidrojeni safi.
Miongoni mwa sifa tofauti za seli hizi za mafuta ni zifuatazo:
- uwezo wa kuchaji kutoka nishati ya umeme;
- kazi katika joto la chini- hadi -20 ° C;
- maisha ya rafu ndefu;
- haraka "baridi" kuanza;
- uwezo wa kufanya kazi kwa muda bila chanzo cha nje cha hidrojeni (wakati wa mabadiliko ya mafuta).
Licha ya ukweli kwamba makampuni mengi yanafanya kazi katika kuunda MHFC nyingi, ufanisi wa prototypes sio juu ya kutosha ikilinganishwa na teknolojia zinazoshindana. Moja ya utendaji bora Msongamano wa sasa wa seli hizi za mafuta ni milimita 250 kwa kila sentimita ya mraba, wakati seli za mafuta za PEMFC za kawaida hutoa msongamano wa sasa wa ampere 1 kwa kila sentimita ya mraba.
Seli za mafuta ya kielektroniki-galvaniki (EGFC)
Mwitikio wa kemikali katika EGFC unahusisha hidroksidi ya potasiamu na oksijeni. Hii inaunda mkondo wa umeme kati ya anode ya risasi na cathode iliyopambwa kwa dhahabu. Voltage inayozalishwa na seli ya mafuta ya electro-galvanic ni sawa sawa na kiasi cha oksijeni. Kipengele hiki kimeruhusu EGFCs kupata matumizi mengi kama vifaa vya kupima ukolezi wa oksijeni katika vifaa vya scuba na vifaa vya matibabu. Lakini ni kwa sababu ya utegemezi huu kwamba seli za mafuta ya hidroksidi ya potasiamu zina muda mdogo sana wa maisha. kazi yenye ufanisi(wakati mkusanyiko wa oksijeni ni wa juu).
Vifaa vya kwanza vilivyoidhinishwa vya kuangalia ukolezi wa oksijeni katika EGFC vilipatikana kwa wingi mwaka wa 2005, lakini havikupata umaarufu mkubwa wakati huo. Iliyotolewa miaka miwili baadaye, mtindo uliobadilishwa kwa kiasi kikubwa ulifanikiwa zaidi na hata ulipokea tuzo ya "uvumbuzi" katika maonyesho maalum ya kupiga mbizi huko Florida. Kwa sasa zinatumiwa na mashirika kama vile NOAA (Utawala wa Kitaifa wa Bahari na Anga) na DDRC (Kituo cha Utafiti wa Magonjwa ya Mbizi).
Seli za mafuta ya asidi ya fomu ya moja kwa moja (DFAFC)
Seli hizi za mafuta ni aina ndogo ya vifaa vya PEMFC vilivyo na sindano ya moja kwa moja ya asidi ya fomu. Asante kwako vipengele maalum Seli hizi za mafuta zina nafasi kubwa ya kuwa njia kuu za kuwasha vifaa vya kielektroniki vinavyobebeka kama vile kompyuta za mkononi, simu za mkononi, n.k. katika siku zijazo.
Kama methanoli, asidi ya fomu huingizwa moja kwa moja kwenye seli ya mafuta bila hatua maalum ya utakaso. Kuhifadhi dutu hii pia ni salama zaidi kuliko, kwa mfano, hidrojeni, na hauhitaji hali maalum za kuhifadhi: asidi ya fomu ni kioevu kwenye joto la kawaida. Kwa kuongezea, teknolojia hii ina faida mbili zisizoweza kuepukika juu ya seli za mafuta za methanoli moja kwa moja. Kwanza, tofauti na methanoli, asidi ya fomu haina kuvuja kupitia membrane. Kwa hiyo, ufanisi wa DFAFC unapaswa, kwa ufafanuzi, kuwa wa juu. Pili, katika kesi ya unyogovu, asidi ya fomu sio hatari sana (methanoli inaweza kusababisha upofu, na katika kipimo cha juu, kifo).
Kwa kupendeza, hadi hivi majuzi, wanasayansi wengi hawakufikiria teknolojia hii kuwa na wakati ujao mzuri. Sababu ambayo iliwafanya watafiti "kukomesha asidi ya fomu" kwa miaka mingi ilikuwa overvoltage ya juu ya electrochemical, ambayo ilisababisha hasara kubwa za umeme. Lakini majaribio ya hivi karibuni yameonyesha kuwa sababu ya uzembe huu ilikuwa matumizi ya platinamu kama kichocheo, ambayo kijadi imekuwa ikitumika sana kwa kusudi hili katika seli za mafuta. Baada ya wanasayansi katika Chuo Kikuu cha Illinois kufanya mfululizo wa majaribio na vifaa vingine, iligundulika kuwa wakati wa kutumia palladium kama kichocheo, utendaji wa DFAFC ulikuwa wa juu kuliko ule wa seli sawa za mafuta za methanoli. Hivi sasa, haki za teknolojia hii zinamilikiwa na kampuni ya Marekani ya Tekion, ambayo inatoa mstari wake wa bidhaa za Formira Power Pack kwa vifaa vya microelectronics. Mfumo huu ni "duplex" inayojumuisha betri na kiini cha mafuta yenyewe. Baada ya usambazaji wa vitendanishi kwenye cartridge inayochaji betri kuisha, mtumiaji huibadilisha na mpya. Kwa hivyo, inakuwa huru kabisa kutoka kwa "plagi". Kwa mujibu wa ahadi za mtengenezaji, muda kati ya malipo itakuwa mara mbili, licha ya ukweli kwamba teknolojia itapunguza tu 10-15% zaidi kuliko betri za kawaida. Kikwazo kikuu pekee kwa teknolojia hii inaweza kuwa kwamba kampuni inaiunga mkono wastani na inaweza "kulemewa" na washindani wakubwa wanaowasilisha teknolojia zao, ambazo zinaweza hata kuwa duni kwa DFAFC katika idadi ya vigezo.
Seli za Mafuta za Methanoli za moja kwa moja (DMFC)
Seli hizi za mafuta ni seti ndogo ya vifaa vya utando wa kubadilishana protoni. Wanatumia methanoli, ambayo huingizwa ndani ya seli ya mafuta bila utakaso wa ziada. Hata hivyo, pombe ya methyl ni rahisi zaidi kuhifadhi na haina mlipuko (ingawa inaweza kuwaka na inaweza kusababisha upofu). Wakati huo huo, methanoli ina uwezo mkubwa wa nishati kuliko hidrojeni iliyoshinikizwa.
Hata hivyo, kutokana na uwezo wa methanoli kuvuja kupitia utando, ufanisi wa DMFC kwa kiasi kikubwa cha mafuta ni mdogo. Na ingawa kwa sababu hii haifai kwa usafirishaji na usakinishaji mkubwa, vifaa hivi ni bora kama betri za uingizwaji za vifaa vya rununu.
Seli za Mafuta za Methanoli (RMFC) Zilizotibiwa
Seli za mafuta ya methanoli iliyochakatwa hutofautiana na DMFC kwa kuwa tu hubadilisha methanoli kuwa hidrojeni na dioksidi kaboni kabla ya kuzalisha umeme. Hii hutokea katika kifaa maalum kinachoitwa processor ya mafuta. Baada ya hatua hii ya awali (mmenyuko hufanyika kwa joto la juu ya 250 ° C), hidrojeni hupata mmenyuko wa oxidation, ambayo inasababisha kuundwa kwa maji na kizazi cha umeme.
Matumizi ya methanoli katika RMFC ni kutokana na ukweli kwamba ni carrier wa asili wa hidrojeni, na kwa joto la chini la kutosha (ikilinganishwa na vitu vingine) inaweza kuharibiwa katika hidrojeni na dioksidi kaboni. Kwa hiyo, teknolojia hii ni ya juu zaidi kuliko DMFC. Seli za mafuta za methanoli zilizotibiwa huruhusu ufanisi zaidi, ushikamano na utendakazi wa chini ya sufuri.
Seli za mafuta ya ethanoli ya moja kwa moja (DEFC)
Mwakilishi mwingine wa darasa la seli za mafuta na kimiani ya kubadilishana ya protoni. Kama jina linavyopendekeza, ethanoli huingia kwenye seli ya mafuta bila kufanyiwa utakaso wa ziada au mtengano kuwa vitu rahisi zaidi. Faida ya kwanza ya vifaa hivi ni matumizi ya pombe ya ethyl badala ya methanol yenye sumu. Hii ina maana kwamba huhitaji kuwekeza pesa nyingi katika kuendeleza mafuta haya.
Msongamano wa nishati ya pombe ni takriban 30% ya juu kuliko ile ya methanoli. Kwa kuongeza, inaweza kupatikana kwa kiasi kikubwa kutoka kwa biomass. Ili kupunguza gharama ya seli za mafuta ya ethanoli, utafutaji wa nyenzo mbadala ya kichocheo unafuatiliwa kikamilifu. Platinamu, ambayo kwa kawaida hutumiwa katika seli za mafuta kwa madhumuni haya, ni ghali sana na ni kikwazo kikubwa kwa utumiaji wa teknolojia hizi kwa wingi. Suluhisho la tatizo hili linaweza kuwa vichocheo vinavyotokana na mchanganyiko wa chuma, shaba na nikeli, ambavyo vinaonyesha matokeo ya kuvutia katika mifumo ya majaribio.
Seli za Mafuta ya Zinki (ZAFC)
ZAFC hutumia uoksidishaji wa zinki na oksijeni kutoka kwa hewa ili kutoa nishati ya umeme. Seli hizi za mafuta ni za bei rahisi kutengeneza na hutoa msongamano wa juu wa nishati. Hivi sasa hutumiwa katika misaada ya kusikia na magari ya majaribio ya umeme.
Kwa upande wa anode kuna mchanganyiko wa chembe za zinki na elektroliti, na kwa upande wa cathode kuna maji na oksijeni kutoka angani, ambayo hugusana na kuunda hidroksili (molekuli yake ni atomi ya oksijeni na atomi ya hidrojeni, kati ya hizo mbili. ambayo kuna dhamana ya ushirikiano). Kama matokeo ya mmenyuko wa hydroxyl na mchanganyiko wa zinki, elektroni hutolewa kwenda kwenye cathode. Upeo wa voltage, ambayo huzalishwa na seli hizo za mafuta, ni 1.65 V, lakini, kama sheria, hupunguzwa kwa bandia hadi 1.4-1.35 V, na kuzuia upatikanaji wa hewa kwenye mfumo. Bidhaa za mwisho za mmenyuko huu wa electrochemical ni oksidi ya zinki na maji.
Inawezekana kutumia teknolojia hii wote katika betri (bila recharging) na katika seli za mafuta. Katika kesi ya mwisho, chumba kwenye upande wa anode husafishwa na kujazwa tena na kuweka zinki. Kwa ujumla, teknolojia ya ZAFC imeonekana kuwa betri rahisi na ya kuaminika. Faida yao isiyoweza kuepukika ni uwezo wa kudhibiti majibu tu kwa kudhibiti usambazaji wa hewa kwa seli ya mafuta. Watafiti wengi wanazingatia seli za mafuta ya zinki-hewa kama chanzo kikuu cha nishati ya baadaye ya magari ya umeme.
Seli za Mafuta ya Mikrobial (MFC)
Wazo la kutumia bakteria kwa faida ya ubinadamu sio mpya, ingawa utekelezaji wa maoni haya umetimia hivi karibuni. Hivi sasa, matumizi ya kibiashara ya teknolojia ya kibayolojia kwa ajili ya uzalishaji wa bidhaa mbalimbali (kwa mfano, uzalishaji wa hidrojeni kutoka kwa majani), neutralization ya vitu vyenye madhara na uzalishaji wa umeme unasomwa kikamilifu. Seli za mafuta ya vijidudu, pia huitwa seli za mafuta ya kibaolojia, ni mfumo wa kibaolojia wa kielektroniki ambao hutoa mkondo wa umeme kupitia matumizi ya bakteria. Teknolojia hii inategemea ukataboli (mtengano wa molekuli changamano kuwa rahisi zaidi na kutolewa kwa nishati) ya vitu kama vile glukosi, acetate (chumvi ya asidi asetiki), butyrate (chumvi ya butirati) au maji machafu. Kutokana na oxidation yao, elektroni hutolewa, ambayo huhamishiwa kwenye anode, baada ya hapo sasa ya umeme inayozalishwa inapita kupitia conductor kwa cathode.
Seli kama hizo za mafuta kawaida hutumia wapatanishi ambao huboresha mtiririko wa elektroni. Tatizo ni kwamba vitu vinavyofanya jukumu la wapatanishi ni ghali na sumu. Hata hivyo, katika kesi ya kutumia bakteria ya electrochemically hai, haja ya wapatanishi hupotea. Seli kama hizo za "mpatanishi zisizo na mpatanishi" zilianza kuunda hivi karibuni na kwa hivyo sio mali zao zote ambazo zimesomwa vizuri.
Licha ya vikwazo ambavyo MFC bado haijashinda, teknolojia ina uwezo mkubwa sana. Kwanza, kupata "mafuta" sio ngumu sana. Aidha, leo suala la matibabu ya maji machafu na utupaji wa taka nyingi ni papo hapo sana. Matumizi ya teknolojia hii inaweza kutatua matatizo haya yote mawili. Pili, kinadharia ufanisi wake unaweza kuwa juu sana. Tatizo kuu Kwa wahandisi wa seli za mafuta ya microbial, kipengele muhimu zaidi cha kifaa hiki ni microbes. Na wakati wanabiolojia, ambao hupokea ruzuku nyingi kwa utafiti, wanafurahi, waandishi wa hadithi za kisayansi pia wanasugua mikono yao, wanatarajia mafanikio ya vitabu vilivyotolewa kwa matokeo ya "kutolewa" kwa vijidudu vibaya. Kwa kawaida, kuna hatari ya kuendeleza kitu ambacho kinaweza "kuchimba" sio tu taka isiyo ya lazima, bali pia kitu cha thamani. Kwa hivyo, kimsingi, kama ilivyo kwa teknolojia yoyote mpya ya kibayolojia, watu wanahofia wazo la kubeba sanduku lililojaa bakteria kwenye mifuko yao.
Maombi
Mitambo ya kudumu ya umeme ya majumbani na viwandani
Seli za mafuta hutumiwa sana kama vyanzo vya nishati katika anuwai mifumo ya uhuru, kama vile vyombo vya anga, vituo vya hali ya hewa vya mbali, usakinishaji wa kijeshi, n.k. Faida kuu ya mfumo kama huo wa usambazaji wa umeme ni kuegemea kwake juu sana ikilinganishwa na teknolojia zingine. Kwa sababu ya kutokuwepo kwa sehemu zinazohamia na mifumo yoyote katika seli za mafuta, kuegemea kwa mifumo ya usambazaji wa nguvu inaweza kufikia 99.99%. Kwa kuongeza, katika kesi ya kutumia hidrojeni kama reagent, uzito mdogo sana unaweza kupatikana, ambayo katika kesi ya vifaa vya nafasi ni moja ya vigezo muhimu zaidi.
Hivi karibuni, mitambo ya pamoja ya joto na nguvu, inayotumiwa sana katika majengo ya makazi na ofisi, imezidi kuenea. Upekee wa mifumo hii ni kwamba daima hutoa umeme, ambayo, ikiwa haitumiwi mara moja, hutumiwa kwa joto la maji na hewa. Pamoja na ukweli kwamba ufanisi wa umeme wa mitambo hiyo ni 15-20% tu, hasara hii inalipwa na ukweli kwamba umeme usiotumiwa hutumiwa kuzalisha joto. Kwa ujumla, ufanisi wa nishati ya mifumo hiyo ya pamoja ni karibu 80%. Moja ya reagents bora kwa seli hizo za mafuta ni asidi ya fosforasi. Mitambo hii hutoa ufanisi wa nishati ya 90% (umeme 35-50% na nishati nyingine ya mafuta).
Usafiri
Mifumo ya nishati kulingana na seli za mafuta pia hutumiwa sana katika usafiri. Kwa njia, Wajerumani walikuwa kati ya wa kwanza kufunga seli za mafuta kwenye magari. Kwa hivyo mashua ya kwanza ya kibiashara duniani iliyo na usakinishaji kama huo ilianza miaka minane iliyopita. Meli hii ndogo, iliyobatizwa jina la "Hydra" na iliyoundwa kubeba hadi abiria 22, ilizinduliwa karibu na mji mkuu wa zamani wa Ujerumani mnamo Juni 2000. Hidrojeni (seli ya mafuta ya alkali) hufanya kama kitendanishi cha kubeba nishati. Shukrani kwa matumizi ya seli za mafuta za alkali (alkali), ufungaji una uwezo wa kuzalisha sasa kwa joto hadi -10 ° C na "hauogopi" maji ya chumvi. Boti "Hydra" iliendelea motor ya umeme na nguvu ya 5 kW, yenye uwezo wa kufikia kasi ya hadi 6 knots (kuhusu 12 km / h).
Mashua "Hydra"
Seli za mafuta (haswa hidrojeni) zimeenea zaidi katika usafirishaji wa ardhini. Kwa ujumla, hidrojeni imekuwa ikitumika kama mafuta kwa injini za gari kwa muda mrefu sana, na kimsingi, injini ya kawaida ya mwako wa ndani inaweza kubadilishwa kwa urahisi kutumia aina hii mbadala ya mafuta. Hata hivyo, mwako wa jadi wa hidrojeni hauna ufanisi zaidi kuliko kuzalisha umeme kupitia mmenyuko wa kemikali kati ya hidrojeni na oksijeni. Na kwa kweli, hidrojeni, ikiwa inatumiwa katika seli za mafuta, itakuwa salama kabisa kwa maumbile au, kama wanasema, "rafiki kwa mazingira," kwani mmenyuko wa kemikali hautoi kaboni dioksidi au vitu vingine vinavyochangia "chafuko la joto." athari."
Kweli, hapa, kama mtu anavyoweza kutarajia, kuna "lakini" kadhaa kubwa. Ukweli ni kwamba teknolojia nyingi za kuzalisha hidrojeni kutoka kwa rasilimali zisizoweza kurejeshwa (gesi asilia, makaa ya mawe, bidhaa za petroli) sio rafiki wa mazingira, kwani mchakato wao hutoa kiasi kikubwa cha dioksidi kaboni. Kinadharia, ikiwa unatumia rasilimali zinazoweza kurejeshwa kuipata, basi hakutakuwa na uzalishaji unaodhuru hata kidogo. Hata hivyo, katika kesi hii gharama huongezeka kwa kiasi kikubwa. Kulingana na wataalamu wengi, kwa sababu hizi, uwezekano wa hidrojeni kama mbadala wa petroli au gesi asilia ni mdogo sana. Tayari kuna njia mbadala za gharama nafuu na, uwezekano mkubwa, seli za mafuta za kipengele cha kwanza meza ya mara kwa mara kamwe usiweze kuwa jambo la kawaida kwenye magari.
Watengenezaji wa gari wanajaribu kikamilifu hidrojeni kama chanzo cha nishati. Na sababu kuu ya hii ni msimamo mgumu wa EU kuhusu uzalishaji unaodhuru katika anga. Wakichochewa na vikwazo vinavyozidi kuwa vikali barani Ulaya, Daimler AG, Fiat na Ford Motor Company wamewasilisha maono yao ya mustakabali wa seli za mafuta kwenye gari, na kuandaa miundo yao ya msingi kwa treni za nguvu zinazofanana. Kampuni nyingine kubwa ya magari ya Ulaya, Volkswagen, kwa sasa inatayarisha gari lake la seli za mafuta. Makampuni ya Kijapani na Korea Kusini hayako nyuma yao. Walakini, sio kila mtu anayeweka kamari kwenye teknolojia hii. Watu wengi wanapendelea kurekebisha injini za mwako wa ndani au kuchanganya na motors za umeme zinazotumiwa na betri. Toyota, Mazda na BMW walifuata njia hii. Kama ilivyo kwa kampuni za Amerika, pamoja na Ford na modeli yake ya Kuzingatia, General Motors pia iliwasilisha magari kadhaa ya seli za mafuta. Ahadi hizi zote zinahimizwa kikamilifu na majimbo mengi. Kwa mfano, huko USA kuna sheria kulingana na ambayo gari mpya la mseto linaloingia sokoni haliruhusiwi ushuru, ambayo inaweza kuwa kiasi cha heshima, kwa sababu kama sheria, magari kama hayo ni ghali zaidi kuliko wenzao na wa jadi wa ndani. injini za mwako. Hii hufanya mahuluti kuvutia zaidi kama ununuzi. Kweli, kwa sasa sheria hii inatumika tu kwa mifano inayoingia kwenye soko hadi mauzo kufikia magari 60,000, baada ya hapo faida hiyo inafutwa moja kwa moja.
Elektroniki
Hivi karibuni, seli za mafuta zimeanza kupata matumizi yanayoongezeka katika kompyuta ndogo, simu za rununu na vifaa vingine vya kielektroniki vya rununu. Sababu ya hii ilikuwa ulafi unaoongezeka kwa kasi wa vifaa vilivyoundwa kwa maisha ya betri ya muda mrefu. Kama matokeo ya matumizi ya skrini kubwa za kugusa kwenye simu, uwezo wa sauti wenye nguvu na kuanzishwa kwa usaidizi wa Wi-Fi, Bluetooth na itifaki zingine za mawasiliano zisizo na waya za masafa ya juu, mahitaji ya uwezo wa betri pia yamebadilika. Na, ingawa betri zimetoka mbali tangu siku za simu za rununu za kwanza, kwa suala la uwezo na utangamano (vinginevyo leo mashabiki hawangeruhusiwa kuingia kwenye viwanja na silaha hizi zilizo na kazi ya mawasiliano), bado hawawezi kuendelea na uboreshaji mdogo. nyaya za elektroniki, wala tamaa ya wazalishaji kujenga kila kitu katika bidhaa zao vipengele zaidi. Upungufu mwingine muhimu wa betri za sasa zinazoweza kuchajiwa ni wakati wao wa kuchaji kwa muda mrefu. Kila kitu kinaongoza kwa ukweli kwamba uwezo zaidi wa mchezaji wa multimedia ya simu au mfukoni ambayo imeundwa ili kuongeza uhuru wa mmiliki wake (Mtandao usio na waya, mifumo ya urambazaji, nk), inategemea zaidi "plagi" kifaa hiki kinakuwa.
Kuhusu kompyuta za mkononi, ndogo sana ndani ukubwa wa juu, na hakuna cha kusema. Kwa muda mrefu sasa, niche imeundwa kwa laptops zenye ufanisi zaidi ambazo hazikusudiwa kwa uendeshaji wa uhuru kabisa, isipokuwa kwa uhamisho huo kutoka ofisi moja hadi nyingine. Na hata wawakilishi wengi wa kiuchumi wa ulimwengu wa mbali hawawezi kutoa siku kamili ya maisha ya betri. Kwa hiyo, suala la kutafuta mbadala kwa betri za jadi, ambazo hazitakuwa ghali zaidi, lakini pia ni za ufanisi zaidi, ni za haraka sana. Na wawakilishi wakuu wa tasnia hivi karibuni wamekuwa wakifanya kazi katika kutatua shida hii. Sio muda mrefu uliopita, seli za mafuta za methanoli za kibiashara zilianzishwa, utoaji wa wingi ambao unaweza kuanza mapema mwaka ujao.
Watafiti walichagua methanoli badala ya hidrojeni kwa sababu fulani. Kuhifadhi methanoli ni rahisi zaidi, kwani hauhitaji shinikizo la juu au hali maalum ya joto. Pombe ya Methyl ni kioevu kwenye joto kati ya -97.0°C na 64.7°C. Zaidi ya hayo, nishati maalum iliyo katika kiasi cha Nth cha methanoli ni amri ya ukubwa zaidi kuliko kiasi sawa cha hidrojeni chini ya shinikizo la juu. Teknolojia ya seli ya mafuta ya methanoli ya moja kwa moja, inayotumiwa sana katika vifaa vya elektroniki vya rununu, inahusisha matumizi ya pombe ya methyl baada ya kujaza tu tank ya seli ya mafuta, kwa kupita utaratibu wa ubadilishaji wa kichocheo (kwa hivyo jina "methanoli ya moja kwa moja"). Hii pia ni faida kubwa ya teknolojia hii.
Walakini, kama mtu angetarajia, faida hizi zote zilikuwa na shida zao, ambazo zilipunguza kwa kiasi kikubwa wigo wa matumizi yake. Kutokana na ukweli kwamba teknolojia hii bado haijatengenezwa kikamilifu, tatizo la ufanisi mdogo wa seli hizo za mafuta zinazosababishwa na "kuvuja" kwa methanoli kupitia nyenzo za membrane bado hazijatatuliwa. Kwa kuongeza, sifa zao za nguvu sio za kushangaza. Si rahisi kutatua na nini cha kufanya na dioksidi kaboni inayozalishwa kwenye anode. Vifaa vya kisasa vya DMFC havina uwezo wa kuzalisha kiasi kikubwa cha nishati, lakini vina uwezo wa juu wa nishati kwa kiasi kidogo cha nyenzo. Hii ina maana kwamba ingawa hakuna nishati nyingi inayopatikana bado, seli za mafuta za methanoli moja kwa moja zinaweza kuizalisha muda mrefu. Kutokana na nguvu zao za chini, hii hairuhusu kupata matumizi ya moja kwa moja katika magari, lakini huwafanya kuwa karibu suluhisho bora kwa vifaa vya rununu ambavyo maisha ya betri ni muhimu.
Mitindo ya Hivi Punde
Ingawa seli za mafuta kwa magari zimetengenezwa kwa muda mrefu, suluhisho hizi bado hazijaenea. Kuna sababu nyingi za hii. Na kuu ni ukosefu wa kiuchumi na kutokuwa na nia ya wazalishaji kuweka uzalishaji wa mafuta ya bei nafuu kwenye mkondo. Majaribio ya kuharakisha mchakato wa asili wa mpito kwa vyanzo vya nishati mbadala, kama inavyoweza kutarajiwa, haikuongoza kwa kitu chochote kizuri. Kwa kweli, sababu ya kuongezeka kwa kasi kwa bei ya bidhaa za kilimo imefichwa sio kwa ukweli kwamba zilianza kubadilishwa sana kuwa nishati ya mimea, lakini kwa ukweli kwamba nchi nyingi za Afrika na Asia haziwezi kutoa bidhaa za kutosha hata. ili kukidhi mahitaji ya ndani ya bidhaa.
Ni dhahiri kwamba kuachana na matumizi ya nishati ya mimea hakuwezi kuleta uboreshaji mkubwa wa hali ya soko la chakula duniani, lakini kinyume chake, kunaweza kuleta pigo kwa wakulima wa Ulaya na Marekani, ambao kwa mara ya kwanza katika miaka mingi fursa ya kupata pesa nzuri. Lakini kipengele cha kimaadili cha suala hili hakiwezi kupunguzwa; ni jambo lisilopendeza kuweka "mkate" kwenye tangi wakati mamilioni ya watu wana njaa. Kwa hiyo, hasa, wanasiasa wa Ulaya sasa watakuwa na mtazamo wa baridi zaidi kwa bioteknolojia, ambayo tayari imethibitishwa na marekebisho ya mkakati wa mpito kwa vyanzo vya nishati mbadala.
Katika hali hii, eneo la kuahidi zaidi la maombi ya seli za mafuta linapaswa kuwa microelectronics. Hapa ndipo seli za mafuta zina nafasi nzuri ya kupata nafasi. Kwanza, watu wanaonunua simu za mkononi wako tayari kufanya majaribio kuliko, sema, wanunuzi wa gari. Na pili, wako tayari kutumia pesa na, kama sheria, hawachukii "kuokoa ulimwengu." Hii inaweza kuthibitishwa na mafanikio ya kushangaza ya toleo nyekundu la "Bono" la mchezaji wa iPod Nano, sehemu ya pesa kutoka kwa mauzo ambayo ilienda kwenye akaunti za Msalaba Mwekundu.
Toleo la "Bono" la kicheza Apple iPod Nano
Miongoni mwa wale ambao wameelekeza umakini wao kwa seli za mafuta kwa vifaa vya elektroniki vinavyobebeka ni kampuni ambazo hapo awali zilibobea katika kuunda seli za mafuta na sasa zimegundua eneo jipya la matumizi yao, na vile vile wazalishaji wanaoongoza wa elektroniki. Kwa mfano, hivi majuzi MTI Micro, ambayo ililenga tena biashara yake kutengeneza seli za mafuta za methanoli kwa vifaa vya kielektroniki vya rununu, ilitangaza kwamba itaanza uzalishaji kwa wingi mnamo 2009. Pia aliwasilisha kifaa cha kwanza cha GPS duniani kinachotumia seli za mafuta za methanoli. Kulingana na wawakilishi wa kampuni hii, katika siku za usoni bidhaa zake zitachukua nafasi ya betri za jadi za lithiamu. Kweli, kwa mara ya kwanza hawatakuwa nafuu, lakini tatizo hili linaambatana na teknolojia yoyote mpya.
Kwa kampuni kama Sony, ambayo hivi majuzi ilionyesha usambazaji wake wa umeme wa DMFC mfumo wa multimedia, teknolojia hizi ni mpya, lakini ziko makini kuhusu kutopotea katika soko jipya la kuahidi. Kwa upande wake, Sharp ilienda mbali zaidi na, kwa msaada wa mfano wake wa seli za mafuta, hivi karibuni iliweka rekodi ya ulimwengu kwa uwezo maalum wa nishati ya 0.3 W kwa sentimita moja ya ujazo ya pombe ya methyl. Hata serikali za nchi nyingi zilikubali kampuni zinazozalisha mafuta haya. Kwa hivyo, viwanja vya ndege nchini Marekani, Kanada, Uingereza, Japan na Uchina, licha ya sumu na kuwaka kwa methanoli, vimeondoa vikwazo vilivyokuwepo hapo awali kwenye usafiri wake katika cabin ya ndege. Bila shaka, hii inaruhusiwa tu kwa seli za mafuta zilizoidhinishwa na uwezo wa si zaidi ya 200 ml. Walakini, hii kwa mara nyingine inathibitisha kupendezwa na maendeleo haya kwa upande wa sio wapenda tu, bali pia mataifa.
Ni kweli, watengenezaji bado wanajaribu kuiweka salama na kutoa seli za mafuta kama mfumo mbadala wa nguvu. Suluhisho moja kama hilo ni mchanganyiko wa seli ya mafuta na betri: mradi tu kuna mafuta, inachaji betri kila wakati, na inapoisha, mtumiaji hubadilisha tu cartridge tupu na chombo kipya cha methanoli. Mwelekeo mwingine maarufu ni kuundwa kwa chaja za seli za mafuta. Wanaweza kutumika juu ya kwenda. Wakati huo huo, wanaweza kuchaji betri haraka sana. Kwa maneno mengine, katika siku zijazo, labda kila mtu atabeba "tundu" kama hilo kwenye mfuko wake. Mbinu hii inaweza kuwa muhimu hasa katika kesi ya simu za mkononi. Kwa upande mwingine, kompyuta za mkononi zinaweza kupata seli za mafuta zilizojengewa ndani katika siku zijazo, ambazo, ikiwa hazitabadilisha kabisa malipo kutoka kwa sehemu ya ukuta, angalau zitakuwa mbadala mbaya kwake.
Kwa hivyo, kulingana na utabiri wa kampuni kubwa ya kemikali ya Ujerumani BASF, ambayo hivi karibuni ilitangaza kuanza kwa ujenzi wa kituo chake cha ukuzaji wa seli za mafuta huko Japan, ifikapo 2010 soko la vifaa hivi litafikia dola bilioni 1. Wakati huo huo, wachambuzi wake wanatabiri ukuaji wa soko la seli za mafuta hadi dola bilioni 20 ifikapo 2020. Kwa njia, katika kituo hiki BASF inapanga kukuza seli za mafuta kwa vifaa vya elektroniki vya portable (haswa laptops) na mifumo ya nishati ya stationary. Eneo la biashara hii halikuchaguliwa kwa bahati; kampuni ya Ujerumani inaona makampuni ya ndani kama wanunuzi wakuu wa teknolojia hizi.
Badala ya hitimisho
Bila shaka, hupaswi kutarajia seli za mafuta kuchukua nafasi ya mfumo uliopo wa usambazaji wa nishati. Angalau kwa siku zijazo zinazoonekana. Huu ni upanga wenye ncha mbili: mitambo ya umeme inayobebeka bila shaka ni bora zaidi, kwa sababu ya kukosekana kwa hasara zinazohusiana na uwasilishaji wa umeme kwa watumiaji, lakini pia inafaa kuzingatia kuwa wanaweza kuwa mshindani mkubwa kwa nishati kuu. mfumo wa usambazaji tu ikiwa mfumo wa usambazaji wa mafuta wa kati wa mitambo hii umeundwa. Hiyo ni, "tundu" lazima hatimaye kubadilishwa na bomba fulani ambayo hutoa reagents muhimu kwa kila nyumba na kila nook. Na hii sio uhuru kabisa na uhuru kutoka kwa vyanzo vya nguvu vya nje ambavyo watengenezaji wa seli za mafuta huzungumza.
Vifaa hivi vina faida isiyoweza kuepukika kwa namna ya kasi ya malipo - nilibadilisha tu cartridge na methanol (katika hali mbaya zaidi, nilifungua nyara Jack Daniel's) kwenye kamera, na tena ruka kando ya ngazi za Louvre. Kwa upande mwingine, ikiwa, sema, mara kwa mara malipo ya simu katika saa mbili na inahitaji recharge kila baada ya siku 2-3, basi hakuna uwezekano kwamba mbadala katika mfumo wa kubadilisha cartridge, kuuzwa tu katika maduka maalumu, hata mara moja kila baada ya wiki mbili itakuwa katika mahitaji makubwa kwa mtumiaji wingi. Na, bila shaka, wakati hizi zimefichwa kwenye chombo salama cha hermetic mililita mia kadhaa za mafuta zitafikia watumiaji wa mwisho, bei yake itakuwa na wakati wa kupanda kwa kiasi kikubwa. Itawezekana kupambana na kupanda kwa bei hii tu kwa kiwango. ya uzalishaji, lakini kiwango hiki kitakuwa katika mahitaji kwenye soko?Na hadi aina bora ya mafuta itachaguliwa, kutatua tatizo hili itakuwa tatizo sana.
Kwa upande mwingine, mchanganyiko wa malipo ya kitamaduni kutoka kwa duka, seli za mafuta na mifumo mingine mbadala ya usambazaji wa nishati (kwa mfano, paneli za jua) inaweza kuwa suluhisho kwa shida ya vyanzo anuwai vya nishati na kubadili aina ambazo ni rafiki wa mazingira. Hata hivyo, seli za mafuta zinaweza kupata matumizi mengi katika kundi fulani la bidhaa za kielektroniki. Hii inathibitishwa na ukweli kwamba Canon hivi majuzi ilitoa hati miliki ya seli zake za mafuta kwa kamera za kidijitali na kutangaza mkakati wa kutambulisha teknolojia hizi katika suluhu zake. Kuhusu kompyuta za mkononi, ikiwa seli za mafuta zitazifikia katika siku za usoni, kuna uwezekano mkubwa kuwa mfumo wa chelezo wa nishati. Sasa, kwa mfano, tunazungumza tu juu ya moduli za malipo ya nje ambazo zimeunganishwa zaidi kwenye kompyuta ndogo.
Lakini teknolojia hizi zina matarajio makubwa ya maendeleo kwa muda mrefu. Hasa kwa kuzingatia tishio la njaa ya mafuta ambayo inaweza kutokea katika miongo michache ijayo. Katika hali hizi, muhimu zaidi sio hata jinsi uzalishaji wa seli za mafuta utakavyokuwa wa bei nafuu, lakini jinsi uzalishaji wa mafuta utakavyokuwa huru kutoka kwa tasnia ya petrochemical na ikiwa itaweza kufunika hitaji lake.
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 gesi za kutolea nje 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 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).
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.
Mchele. 2.
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.
Mchele. 3.
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 sifa za tabia SHTE - unyeti mkubwa kwa CO2, ambayo inaweza kuwa ndani ya 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.
Mchele. 4.
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 chuma cha pua na kichocheo cha nikeli kwenye elektroni). 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 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 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 pato nguvu ya umeme 2.8 MW. 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.
Mchele. 5.
Seli za mafuta ya asidi ya fosforasi (orthophosphoric) hutumia elektroliti kulingana na asidi ya orthophosphoric (H3PO4) kwa viwango hadi 100%. Conductivity ya ionic ya 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.
Mchele. 6.
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 nyingine 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. Wakati wa kutumia elektroliti imara hakuna ugumu kama vile mwelekeo, na matatizo kidogo kutokana na kuonekana kwa kutu, ambayo huongeza uimara wa kipengele na vipengele vyake.
Mchele. 7.
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 Aina mbalimbali 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 angani hutenganishwa kuwa 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 nje wa umeme, kuzalisha sasa umeme na joto la taka.
Mchele. 8.
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), 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 gesi taka, nk. Kiini hiki cha mafuta pia ni bora kwa matumizi nguvu ya juu, ikijumuisha viwanda na mitambo mikubwa ya umeme 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 ya 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 ya elektroliti ya 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.
Mchele. 9.
9. Ulinganisho wa sifa muhimu zaidi 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 |
Mchele. 10.
10. Matumizi ya seli za mafuta kwenye magari
Mchele. kumi na moja.
Mchele. 12.
Elektroniki za rununu zinapatikana zaidi na zinaenea kila mwaka, ikiwa sio mwezi. Hapa utapata kompyuta za mkononi, PDA, na kamera za digital, na simu za rununu, na vifaa vingine vingi muhimu na sio muhimu sana. Na vifaa hivi vyote vinaendelea kupata vipengele vipya, wasindikaji wenye nguvu zaidi, skrini kubwa za rangi, mawasiliano ya wireless, wakati huo huo kupungua kwa ukubwa. Lakini, tofauti na teknolojia za semiconductor, teknolojia za nguvu za usimamizi huu wote wa rununu haziendelei kwa kasi na mipaka.
Betri za kawaida na vikusanyiko ni wazi hazitoshi kwa nguvu mafanikio ya hivi karibuni sekta ya umeme kwa wakati wowote muhimu. Na bila betri za kuaminika na zenye uwezo, hatua nzima ya uhamaji na waya hupotea. Kwa hivyo tasnia ya kompyuta inafanya kazi zaidi na zaidi juu ya shida vyanzo mbadala vya nishati. Na mwelekeo wa kuahidi zaidi hapa leo ni seli za mafuta.
Kanuni ya msingi ya uendeshaji wa seli za mafuta iligunduliwa na mwanasayansi wa Uingereza Sir William Grove mnamo 1839. Anajulikana kama baba wa "seli ya mafuta". William Grove alizalisha umeme kwa kubadilisha ili kutoa hidrojeni na oksijeni. Baada ya kukata betri kutoka kwa seli ya umeme, Grove alishangaa kupata kwamba elektroni zilianza kunyonya gesi iliyotolewa na kutoa sasa. Kufungua mchakato electrochemical "baridi" mwako wa hidrojeni likawa tukio muhimu katika tasnia ya nishati, na baadaye wanakemia maarufu kama Ostwald na Nernst walichukua jukumu kubwa katika maendeleo. misingi ya kinadharia na utekelezaji wa vitendo wa seli za mafuta na kutabiri mustakabali mzuri kwao.
Mimi mwenyewe neno "seli ya mafuta" ilionekana baadaye - ilipendekezwa mwaka wa 1889 na Ludwig Mond na Charles Langer, ambao walikuwa wakijaribu kuunda kifaa cha kuzalisha umeme kutoka kwa hewa na gesi ya makaa ya mawe.
Wakati wa mwako wa kawaida katika oksijeni, oxidation ya mafuta ya kikaboni hutokea, na nishati ya kemikali ya mafuta hubadilishwa kwa ufanisi kuwa nishati ya joto. Lakini ikawa inawezekana kutekeleza mmenyuko wa oxidation, kwa mfano, ya hidrojeni na oksijeni, katika mazingira ya electrolyte na, mbele ya electrodes, kupata sasa ya umeme. Kwa mfano, kwa kusambaza hidrojeni kwa elektroni iliyoko katikati ya alkali, tunapata elektroni:
2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-
ambayo, kupitia mzunguko wa nje, hufika kwenye electrode kinyume, ambayo oksijeni inapita na ambapo majibu hufanyika: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-
Inaweza kuonekana kuwa majibu yanayotokana 2H2 + O2 → H2O ni sawa na wakati wa mwako wa kawaida, lakini katika seli ya mafuta, au vinginevyo - katika jenereta ya electrochemical, matokeo yake ni umeme wa sasa na ufanisi mkubwa na joto la sehemu. 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.
Uendelezaji wa seli za mafuta uliendelea kwa nguvu zote nje ya nchi na Urusi, na kisha katika USSR. Miongoni mwa wanasayansi ambao walitoa mchango mkubwa katika utafiti wa seli za mafuta, tunaona V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordesh. Katikati ya karne iliyopita, shambulio jipya la matatizo ya seli za mafuta lilianza. Hii ni kutokana na kuibuka kwa mawazo mapya, nyenzo na teknolojia kama matokeo ya utafiti wa ulinzi.
Mmoja wa wanasayansi ambao walifanya hatua kubwa katika maendeleo ya seli za mafuta alikuwa P. M. Spiridonov. Vipengele vya hidrojeni-oksijeni vya Spiridonov alitoa msongamano wa sasa wa 30 mA/cm2, ambayo ilionekana kuwa mafanikio makubwa wakati huo. Katika miaka ya arobaini, O. Davtyan aliunda ufungaji kwa mwako wa electrochemical wa gesi ya jenereta iliyopatikana kwa gasification ya makaa ya mawe. Kwa kila mita ya ujazo ya kiasi cha kipengele, Davtyan alipokea 5 kW ya nguvu.
Ilikuwa kiini cha kwanza cha mafuta ya elektroliti. Ilikuwa na ufanisi wa juu, lakini baada ya muda electrolyte ikawa haiwezi kutumika na ilihitaji kubadilishwa. Baadaye, Davtyan, mwishoni mwa miaka ya hamsini, aliunda usanikishaji wenye nguvu ambao huendesha trekta. Katika miaka hiyo hiyo, mhandisi wa Kiingereza T. Bacon alitengeneza na kujenga betri ya seli za mafuta yenye nguvu ya jumla ya 6 kW na ufanisi wa 80%, inayotumia 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.
Katika miaka iliyofuata, wakati wa wapweke ulipita. Waundaji wa vyombo vya anga walipendezwa na seli za mafuta. Tangu katikati ya miaka ya 60, mamilioni ya dola yamewekezwa katika utafiti wa seli za mafuta. Kazi ya maelfu ya wanasayansi na wahandisi ilituruhusu kufikia kiwango kipya, na mnamo 1965. seli za mafuta zimejaribiwa huko USA chombo cha anga Gemini 5, na baadaye kwenye chombo cha anga cha Apollo kwa safari za kuelekea Mwezini na programu ya Shuttle.
Katika USSR, seli za mafuta zilitengenezwa huko NPO Kvant, pia kwa matumizi katika nafasi. Katika miaka hiyo, nyenzo mpya zilikuwa tayari zimeonekana - elektroliti za polima imara kulingana na utando wa kubadilishana ioni, aina mpya za vichocheo, electrodes. Bado, wiani wa sasa wa uendeshaji ulikuwa mdogo - katika aina mbalimbali za 100-200 mA/cm2, na maudhui ya platinamu kwenye electrodes ilikuwa g/cm2 kadhaa. Kulikuwa na matatizo mengi kuhusiana na uimara, uthabiti, na usalama.
Hatua inayofuata ya ukuaji wa haraka wa seli za mafuta ilianza katika miaka ya 90. karne iliyopita na inaendelea hadi leo. Inasababishwa na hitaji la vyanzo vipya vya nishati katika uhusiano, kwa upande mmoja, na shida ya mazingira ya kimataifa ya kuongezeka kwa uzalishaji wa gesi chafu kutokana na mwako wa nishati ya mafuta na, kwa upande mwingine, na kupungua kwa akiba ya mafuta kama hayo. . 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. Tatizo kuu ni kutafuta tu njia ya ufanisi na ya gharama nafuu ya kuzalisha hidrojeni.
Mabilioni ya dola katika uwekezaji wa kifedha katika maendeleo ya seli za mafuta na jenereta za hidrojeni zinapaswa kusababisha mafanikio ya kiteknolojia na kufanya matumizi yao katika maisha ya kila siku kuwa ukweli: katika seli za simu za mkononi, katika magari, katika mitambo ya nguvu. Tayari, makampuni makubwa ya magari kama vile Ballard, Honda, Daimler Chrysler na General Motors yanaonyesha magari na mabasi yanayoendeshwa na seli za mafuta zenye nguvu ya kW 50. Idadi ya makampuni na maendeleo mitambo ya nguvu ya maonyesho kwa kutumia seli za mafuta zilizo na elektroliti ya oksidi dhabiti na nguvu ya hadi 500 kW. Lakini, licha ya mafanikio makubwa katika kuboresha sifa za seli za mafuta, matatizo mengi yanayohusiana na gharama zao, kuegemea, na usalama bado yanahitaji kutatuliwa.
Katika seli ya mafuta, tofauti na betri na vikusanyiko, mafuta na vioksidishaji wote hutolewa kutoka nje. Seli ya mafuta ni mpatanishi tu katika majibu na ndani hali bora inaweza kufanya kazi karibu milele. Uzuri wa teknolojia hii ni kwamba seli huchoma mafuta na kubadilisha moja kwa moja nishati iliyotolewa kuwa umeme. Wakati mafuta yanapochomwa moja kwa moja, hutiwa oksidi na oksijeni, na joto linalotolewa hutumiwa kufanya kazi muhimu.
Katika seli ya mafuta, kama katika betri, athari za oxidation ya mafuta na kupunguzwa kwa oksijeni hutenganishwa kwa anga, na mchakato wa "mwako" hutokea tu ikiwa kiini hutoa sasa kwa mzigo. Ni kama tu dizeli jenereta ya umeme, tu bila dizeli na jenereta. Na pia bila moshi, kelele, overheating na kwa ufanisi zaidi. Mwisho unaelezewa na ukweli kwamba, kwanza, hakuna kati vifaa vya mitambo na, pili, kiini cha mafuta si injini ya joto na, kwa sababu hiyo, haitii sheria ya Carnot (yaani, ufanisi wake haujatambuliwa na tofauti za joto).
Oksijeni hutumiwa kama wakala wa oksidi katika seli za mafuta. Aidha, kwa kuwa kuna oksijeni ya kutosha katika hewa, hakuna haja ya kuwa na wasiwasi juu ya ugavi wa wakala wa oxidizing. Kama mafuta, ni hidrojeni. Kwa hivyo, majibu hufanyika kwenye seli ya mafuta:
2H2 + O2 → 2H2O + umeme + joto.
Matokeo yake ni nishati muhimu na mvuke wa maji. Rahisi zaidi katika muundo wake ni protoni kubadilishana membrane mafuta kiini(tazama Mchoro 1). Inafanya kazi kama ifuatavyo: hidrojeni inayoingia kwenye kipengele hutengana chini ya hatua ya kichocheo ndani ya elektroni na ioni za hidrojeni zilizochajiwa vyema H+. Kisha utando maalum unakuja, kucheza nafasi ya electrolyte katika betri ya kawaida. Kwa sababu ya muundo wake wa kemikali, inaruhusu protoni kupita lakini huhifadhi elektroni. Kwa hivyo, elektroni zilizokusanywa kwenye anode huunda malipo hasi ya ziada, na ioni za hidrojeni huunda malipo mazuri kwenye cathode (voltage kwenye kipengele ni karibu 1V).
Kwa kuunda nguvu ya juu, seli ya mafuta hukusanywa kutoka kwa wingi wa seli. Ikiwa unganisha kipengele kwa mzigo, elektroni zitapita ndani yake kwa cathode, na kuunda sasa na kukamilisha mchakato wa oxidation ya hidrojeni na oksijeni. Chembe ndogo za platinamu zilizowekwa kwenye nyuzinyuzi za kaboni hutumiwa kama kichocheo katika seli kama hizo za mafuta. Kutokana na muundo wake, kichocheo hicho kinaruhusu gesi na umeme kupita vizuri. Utando kawaida hufanywa kutoka kwa polima iliyo na salfa Nafion. Unene wa membrane ni sehemu ya kumi ya millimeter. Wakati wa mmenyuko, bila shaka, joto pia hutolewa, lakini sio sana, hivyo joto la uendeshaji huhifadhiwa katika eneo la 40-80 ° C.
Mtini.1. Kanuni ya uendeshaji wa seli ya mafuta
Kuna aina nyingine za seli za mafuta, hasa tofauti katika aina ya electrolyte kutumika. Karibu zote zinahitaji hidrojeni kama mafuta, kwa hivyo swali la kimantiki linatokea: wapi kuipata. Bila shaka, itawezekana kutumia hidrojeni iliyoshinikizwa kutoka kwa mitungi, lakini matatizo hutokea mara moja yanayohusiana na usafiri na uhifadhi wa gesi hii inayowaka sana chini ya shinikizo la juu. Kwa kweli, hidrojeni inaweza kutumika kwa fomu iliyofungwa, kama katika betri za hidridi za chuma. Lakini kazi ya kuchimba na kusafirisha bado inabakia, kwa sababu miundombinu ya kuongeza mafuta ya hidrojeni haipo.
Walakini, pia kuna suluhisho hapa - mafuta ya hidrokaboni ya kioevu yanaweza kutumika kama chanzo cha hidrojeni. Kwa mfano, pombe ya ethyl au methyl. Kweli, hii inahitaji kifaa maalum cha ziada - kibadilishaji cha mafuta, ambacho kwa joto la juu (kwa methanol itakuwa karibu 240 ° C) hubadilisha alkoholi kuwa mchanganyiko wa gesi H2 na CO2. Lakini katika kesi hii, tayari ni ngumu zaidi kufikiria juu ya kubebeka - vifaa kama hivyo ni vyema kutumia kama stationary au, lakini kwa vifaa vya rununu vya kompakt unahitaji kitu kidogo.
Na hapa tunakuja kwa kifaa ambacho karibu wazalishaji wote wakubwa wa vifaa vya elektroniki wanaendelea kwa nguvu mbaya - seli ya mafuta ya methanoli(Kielelezo 2).
Mtini.2. Kanuni ya uendeshaji wa seli ya mafuta ya methanoli
Tofauti ya kimsingi kati ya seli za hidrojeni na methanoli ni kichocheo kinachotumiwa. Kichocheo katika seli ya mafuta ya methanoli inaruhusu protoni kuondolewa moja kwa moja kutoka kwa molekuli ya pombe. Kwa hivyo, suala la mafuta linatatuliwa - pombe ya methyl huzalishwa kwa wingi kwa ajili ya sekta ya kemikali, ni rahisi kuhifadhi na kusafirisha, na kulipa kiini cha mafuta ya methanoli ni ya kutosha tu kuchukua nafasi ya cartridge ya mafuta. Kweli, kuna hasara moja kubwa - methanoli ni sumu. Kwa kuongeza, ufanisi wa seli ya mafuta ya methanoli ni chini sana kuliko ile ya hidrojeni.
Mchele. 3. Kiini cha mafuta ya methanoli
Chaguo linalovutia zaidi ni kuitumia kama mafuta ethanoli, faida ya uzalishaji na usambazaji vinywaji vya pombe ya utunzi wowote na nguvu imeimarishwa vyema kote ulimwenguni. Hata hivyo, ufanisi wa seli za mafuta ya ethanol, kwa bahati mbaya, ni chini hata kuliko ile ya methanoli.
Kama ilivyobainika kwa miaka mingi ya maendeleo katika uwanja wa seli za mafuta, aina mbalimbali za seli za mafuta zimejengwa. Seli za mafuta zimeainishwa na elektroliti na aina ya mafuta.
1. Elektroliti imara ya polima hidrojeni-oksijeni.
2. Seli za mafuta ya methanoli ya polymer imara.
3. Seli za elektroliti za alkali.
4. Seli za mafuta za asidi ya fosforasi.
5. Vipengele vya mafuta kulingana na carbonates iliyoyeyuka.
6. Seli za mafuta ya oksidi imara.
Kwa hakika, ufanisi wa seli za mafuta ni wa juu sana, lakini katika hali halisi kuna hasara zinazohusiana na taratibu zisizo na usawa, kama vile: hasara za ohmic kutokana na conductivity maalum ya electrolyte na electrodes, uanzishaji na polarization ya mkusanyiko, na hasara za kuenea. Matokeo yake, sehemu ya nishati inayozalishwa katika seli za mafuta inabadilishwa kuwa joto. Juhudi za wataalamu zinalenga kupunguza hasara hizi.
Chanzo kikuu cha hasara za ohmic, pamoja na sababu bei ya juu seli za mafuta ni utando wa kubadilishana cations perfluorinated sulfonic. Utafutaji sasa unaendelea kwa polima mbadala, za bei nafuu zinazoendesha protoni. Kwa kuwa conductivity ya utando huu (elektroliti imara) hufikia thamani inayokubalika (10 Ohm/cm) tu mbele ya maji, gesi zinazotolewa kwa seli ya mafuta lazima ziongeze unyevu kwenye kifaa maalum, ambacho pia huongeza gharama ya kifaa. mfumo. Elektrodi za kichocheo za uenezaji wa gesi hutumia platinamu na metali zingine nzuri, na hadi sasa hakuna uingizwaji wake umepatikana. Ingawa maudhui ya platinamu katika seli za mafuta ni mg/cm2 kadhaa, kwa betri kubwa kiasi chake hufikia makumi ya gramu.
Wakati wa kuunda seli za mafuta, tahadhari nyingi hulipwa kwa mfumo wa kuondolewa kwa joto, kwa kuwa kwa msongamano wa juu wa sasa (hadi 1A / cm2) mfumo wa joto hujifungua. Kwa baridi, maji hutumiwa kuzunguka kwenye seli ya mafuta kupitia njia maalum, na kwa nguvu ndogo - kupiga hewa.
Kwa hivyo, mfumo wa kisasa wa jenereta ya umeme, pamoja na betri ya seli ya mafuta yenyewe, "imejaa" na vifaa vingi vya msaidizi, kama vile: pampu, compressor ya kusambaza hewa, kuingiza hidrojeni, humidifier ya gesi, kitengo cha baridi, gesi. mfumo wa ufuatiliaji wa kuvuja, kibadilishaji mkondo wa moja kwa moja katika variable, kudhibiti processor, nk Yote hii inaongoza kwa ukweli kwamba gharama ya mfumo wa seli ya mafuta mwaka 2004-2005 ilikuwa 2-3,000 $ / kW. Kulingana na wataalamu, seli za mafuta zitapatikana kwa ajili ya matumizi ya usafiri na mitambo ya umeme ya stationary kwa bei ya $ 50-100 / kW.
Ili kuanzisha seli za mafuta katika maisha ya kila siku, pamoja na vipengele vya bei nafuu, ni lazima tutegemee mawazo na mbinu mpya za awali. Hasa, matumaini makubwa kuhusishwa na matumizi ya nanomaterials na nanotechnologies. Kwa mfano, makampuni kadhaa hivi karibuni yametangaza kuundwa kwa vichocheo vya ufanisi zaidi, hasa kwa electrodes ya oksijeni, kulingana na makundi ya nanoparticles kutoka kwa metali mbalimbali. Kwa kuongezea, kumekuwa na ripoti za miundo ya seli ya mafuta isiyo na utando ambapo mafuta ya kioevu (kama vile methanoli) hutolewa kwenye seli ya mafuta pamoja na kioksidishaji. La kufurahisha pia ni dhana inayoendelea ya chembechembe za biofueli zinazofanya kazi katika maji machafu na kutumia oksijeni ya hewa iliyoyeyushwa kama kioksidishaji, na uchafu wa kikaboni kama mafuta.
Kulingana na wataalamu, seli za mafuta zitaingia kwenye soko la wingi katika miaka ijayo. Hakika, mmoja baada ya mwingine, watengenezaji hushinda matatizo ya kiufundi, ripoti ya mafanikio na prototypes ya sasa ya seli za mafuta. Kwa mfano, Toshiba alionyesha mfano uliokamilika wa seli ya mafuta ya methanoli. Ina ukubwa wa 22x56x4.5mm na hutoa nguvu ya karibu 100mW. Ujazaji mmoja wa cubes 2 wa methanoli iliyokolea (99.5%) inatosha kwa masaa 20 ya operesheni ya kicheza MP3. Toshiba ametoa kiini cha mafuta cha kibiashara ili kuwasha simu za rununu. 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.
Kampuni nyingine ya Kijapani, Fujitsu, haiko nyuma ya Toshiba. Mnamo 2004, pia alianzisha kipengee kinachofanya kazi katika suluhisho la maji la 30% la methanoli. Kiini hiki cha mafuta kilifanya kazi kwa chaji moja ya 300 ml kwa masaa 10 na kutoa nguvu ya 15 W.
Casio inatengeneza seli ya mafuta ambayo methanoli hubadilishwa kwanza kuwa mchanganyiko wa gesi H2 na CO2 katika kigeuzi kidogo cha mafuta, na kisha kuingizwa kwenye seli ya mafuta. Wakati wa maandamano, mfano wa Casio uliendesha kompyuta ya mkononi kwa saa 20.
Samsung pia ilifanya alama yake katika uwanja wa seli za mafuta - mnamo 2004, ilionyesha mfano wake wa 12 W iliyoundwa kuwezesha kompyuta ndogo. Kwa ujumla, Samsung inapanga kutumia seli za mafuta hasa katika simu mahiri za kizazi cha nne.
Ni lazima kusema kwamba makampuni ya Kijapani kwa ujumla alichukua mbinu ya kina sana kwa maendeleo ya seli za mafuta. Huko nyuma mnamo 2003, kampuni kama vile Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony na Toshiba ziliungana kuunda kiwango kimoja cha seli ya mafuta kwa kompyuta ndogo, simu za rununu, PDA na vifaa vingine vya kielektroniki. Makampuni ya Marekani, ambayo pia kuna mengi katika soko hili, wengi wao hufanya kazi chini ya mikataba na kijeshi na kuendeleza seli za mafuta kwa ajili ya kusambaza umeme kwa askari wa Marekani.
Wajerumani hawako nyuma - kampuni ya Smart Fuel Cell inauza seli za mafuta ili kuwasha ofisi ya rununu. Kifaa hiki kinaitwa Smart Fuel Cell C25, kina vipimo vya 150x112x65mm na kinaweza kutoa hadi saa 140 za wati kwa kila kujaza. Hii inatosha kuwasha kompyuta ya mkononi kwa takriban masaa 7. Kisha cartridge inaweza kubadilishwa na unaweza kuendelea kufanya kazi. Ukubwa wa cartridge ya methanoli ni 99x63x27 mm, na ina uzito wa 150g. Mfumo yenyewe una uzito wa kilo 1.1, kwa hivyo hauwezi kuitwa kuwa portable kabisa, lakini bado ni kifaa kamili na rahisi. Kampuni pia inaunda moduli ya mafuta ili kuwasha kamera za video za kitaalamu.
Kwa ujumla, seli za mafuta zimekaribia kuingia kwenye soko la vifaa vya elektroniki vya rununu. Wazalishaji bado wanapaswa kutatua matatizo ya mwisho ya kiufundi kabla ya kuanza uzalishaji wa wingi.
Kwanza, ni muhimu kutatua suala la miniaturization ya seli za mafuta. Baada ya yote, ndogo ya seli ya mafuta, nguvu ndogo inaweza kuzalisha - hivyo vichocheo vipya na electrodes hutengenezwa mara kwa mara ambayo inafanya uwezekano wa kuongeza uso wa kazi na ukubwa mdogo. Hapa ndipo maendeleo ya hivi punde katika uwanja wa nanoteknolojia na nanomaterials (kwa mfano, nanotubes) yanafaa sana. Tena, ili kupunguza mabomba ya vipengele (pampu za mafuta na maji, mifumo ya baridi na uongofu wa mafuta), mafanikio ya microelectromechanics yanazidi kutumika.
Pili tatizo muhimu Jambo ambalo linahitaji kushughulikiwa ni bei. Baada ya yote, platinamu ya gharama kubwa sana hutumiwa kama kichocheo katika seli nyingi za mafuta. Tena, baadhi ya watengenezaji wanajaribu kutumia vyema teknolojia za silicon ambazo tayari zimeimarishwa.
Kama ilivyo kwa maeneo mengine ya utumiaji wa seli za mafuta, seli za mafuta tayari zimeimarishwa kabisa hapo, ingawa bado hazijakuwa za kawaida katika sekta ya nishati au katika usafirishaji. Tayari, watengenezaji wengi wa magari wamewasilisha magari yao ya dhana yanayoendeshwa na seli za mafuta. Mabasi ya seli za mafuta yanaendeshwa katika miji kadhaa ulimwenguni. Mifumo ya Nguvu ya Ballard ya Kanada inazalisha aina mbalimbali za jenereta zenye uwezo wa kutoka 1 hadi 250 kW. Wakati huo huo, jenereta za kilowatt zimeundwa mara moja kusambaza ghorofa moja kwa umeme, joto na maji ya moto.