Yakıt hücreleri nasıl çalışır. yakıt hücreleri nelerdir

12.10.2019

AT modern hayat Kimyasal akım kaynakları her yerdedir: bunlar, bazı arabalarda halihazırda kullanılan el fenerlerindeki piller, cep telefonlarındaki piller, hidrojen yakıt hücreleridir. Elektrokimyasal teknolojilerin hızlı gelişimi, yakın gelecekte benzinle çalışan arabalar yerine sadece elektrikli araçlarla çevreleneceğimize, telefonların artık hızlı boşalmamasına ve her evin kendi yakıt hücreli elektriğine sahip olmasına yol açabilir. jeneratör. Ural Federal Üniversitesi'nin Rusya Bilimler Akademisi Ural Şubesi Yüksek Sıcaklık Elektrokimyası Enstitüsü ile ortak programlarından biri olan ve bu makaleyi yayınladığımız ortak programlardan biri, elektrokimyasal depolama ve güç jeneratörlerinin verimliliğini artırmaya adanmıştır. .

Bugün çok var farklı şekiller aralarında gezinmenin giderek zorlaştığı piller. Bir pilin bir süper kapasitörden nasıl farklı olduğu ve çevreye zarar verme korkusu olmadan bir hidrojen yakıt hücresinin neden kullanılabileceği herkes için net değil. Bu yazıda, elektrik üretmek için kimyasal reaksiyonların nasıl kullanıldığı, modern kimyasal akım kaynaklarının ana türleri arasındaki farkın ne olduğu ve elektrokimyasal enerji için hangi beklentilerin ortaya çıktığı hakkında konuşacağız.

Bir elektrik kaynağı olarak kimya

İlk olarak, kimyasal enerjinin elektrik üretmek için neden kullanılabileceğine bakalım. Mesele şu ki, redoks reaksiyonlarında elektronlar iki farklı iyon arasında transfer edilir. eğer iki yarım Kimyasal reaksiyon yükseltgenme ve indirgeme birbirinden ayrı olacak şekilde uzaya yayılırsa, bir iyondan kopan bir elektronun hemen ikinciye düşmemesini, önce onun için önceden belirlenmiş bir yoldan geçmesini sağlamak mümkündür. Bu reaksiyon bir elektrik akımı kaynağı olarak kullanılabilir.

Bu kavram ilk olarak 18. yüzyılda İtalyan fizyolog Luigi Galvani tarafından uygulandı. Geleneksel bir galvanik hücrenin etkisi, farklı aktiviteye sahip metallerin indirgeme ve oksidasyon reaksiyonlarına dayanır. Örneğin, klasik bir hücre çinkonun oksitlendiği ve bakırın indirgendiği bir galvanik hücredir. İndirgeme ve oksidasyon reaksiyonları sırasıyla katotta ve anotta gerçekleşir. Ve bakır ve çinko iyonlarının birbirleriyle doğrudan reaksiyona girebilecekleri "yabancı bölgeye" düşmemeleri için, genellikle anot ve katot arasına özel bir zar yerleştirilir. Sonuç olarak, elektrotlar arasında bir potansiyel farkı ortaya çıkar. Elektrotları örneğin bir ampulle bağlarsanız, ortaya çıkan elektrik devresinde akım akmaya başlar ve ampul yanar.

Galvanik hücre diyagramı

Wikimedia Commons

Anot ve katot malzemelerine ek olarak, kimyasal akım kaynağının önemli bir bileşeni, içinde iyonların hareket ettiği ve sınırında tüm elektrokimyasal reaksiyonların elektrotlarla gerçekleştiği elektrolittir. Bu durumda elektrolit sıvı olmak zorunda değildir - hem polimer hem de seramik malzeme olabilir.

Galvanik hücrenin ana dezavantajı, sınırlı çalışma süresidir. Reaksiyon sona erdiğinde (yani, kademeli olarak çözünen anotun tamamı tamamen tüketilir), böyle bir eleman çalışmayı durduracaktır.

Parmak alkalin piller

şarj edilebilir

Kimyasal akım kaynaklarının yeteneklerini genişletmeye yönelik ilk adım, yeniden şarj edilebilen ve dolayısıyla yeniden kullanılabilen bir akım kaynağı olan bir pilin yaratılmasıydı. Bunu yapmak için, bilim adamları basitçe tersinir kimyasal reaksiyonları kullanmayı önerdiler. Pili ilk kez tamamen boşalttıktan sonra, harici bir akım kaynağı yardımıyla içinde meydana gelen reaksiyon ters yönde başlatılabilir. Bu, pilin yeniden şarj edildikten sonra tekrar kullanılabilmesi için orijinal durumuna geri dönecektir.

Otomotiv Kurşun Asit Akü

Bugüne kadar, içlerinde meydana gelen kimyasal reaksiyon türüne göre farklılık gösteren birçok farklı pil türü oluşturulmuştur. En yaygın pil türleri, kurşunun oksidasyon-redüksiyon reaksiyonuna dayanan kurşun-asit (veya basitçe kurşun) pillerdir. Bu tür cihazlar oldukça uzun bir hizmet ömrüne sahiptir ve enerji tüketimi, kilogram başına 60 watt-saat'e kadardır. Hatta daha popüler son zamanlar lityum redoks reaksiyonuna dayalı lityum iyon pillerdir. Modern lityum iyon pillerin enerji yoğunluğu artık kilogram başına 250 watt-saati aşıyor.

Cep telefonu için Li-ion pil

Lityum iyon pillerin temel sorunları, düşük sıcaklıklarda düşük verimleri, hızlı yaşlanmaları ve artan patlayıcılıklarıdır. Ve lityum metalin suyla çok aktif bir şekilde reaksiyona girerek hidrojen gazı oluşturması ve pil yandığında oksijen açığa çıkması nedeniyle, bir lityum iyon pilin kendiliğinden yanması, geleneksel yangın söndürme yöntemleriyle kullanılması çok zordur. Bilim adamları, böyle bir pilin güvenliğini artırmak ve şarj süresini hızlandırmak için dendritik lityum yapılarının oluşumunu engelleyen ve elektrolite patlayıcı yapılar oluşturan maddeler ve erken aşamalarda tutuşan bileşenler ekleyen bir katot malzemesi önermektedir. .

katı elektrolit

Pillerin verimliliğini ve güvenliğini arttırmanın daha az belirgin bir yolu olarak, kimyagerler kendilerini kimyasal akım kaynaklarındaki sıvı elektrolitlerle sınırlamayı değil, tamamen katı hal akım kaynağı yaratmayı önerdiler. Bu tür cihazlarda hiç sıvı bileşen yoktur, ancak aralarında katı anot, katı katot ve katı elektrolitten oluşan katmanlı bir yapı vardır. Elektrolit aynı zamanda zarın işlevini de yerine getirir. Katı elektrolit içindeki yük taşıyıcılar, bileşimine ve anot ve katotta gerçekleşen reaksiyonlara bağlı olarak çeşitli iyonlar olabilir. Ancak bunlar her zaman kristal içinde nispeten serbestçe hareket edebilen yeterince küçük iyonlardır, örneğin H + protonlar, Li + lityum iyonları veya 02 oksijen iyonları.

Hidrojen yakıt hücreleri

Yeniden şarj etme yeteneği ve özel güvenlik önlemleri, pilleri geleneksel pillerden çok daha umut verici bir akım kaynağı haline getirir, ancak yine de her pilin içinde sınırlı miktarda reaktif bulunur ve bu nedenle sınırlı bir enerji kaynağı vardır ve pilin her yeniden şarj edilmesi gerekir. performansını sürdürmek için.

Bir pili "sonsuz" yapmak için, hücrenin içindeki maddeleri değil, içinden özel olarak pompalanan yakıtı bir enerji kaynağı olarak kullanmak mümkündür. Hepsinden iyisi, bileşimi mümkün olduğunca basit, çevre dostu ve Dünya'da bol miktarda bulunan bir madde, böyle bir yakıt olarak en uygunudur.

Bu türden en uygun madde hidrojen gazıdır. Su oluşturmak için hava oksijeni ile oksidasyonu (2H 2 + O 2 → 2H 2 O reaksiyonuna göre) basit bir redoks reaksiyonudur ve iyonlar arasında elektron taşınması da bir akım kaynağı olarak kullanılabilir. Bu durumda devam eden reaksiyon, su elektrolizinin reaksiyonuna (bir elektrik akımının etkisi altında suyun oksijen ve hidrojene ayrıştığı) bir tür ters reaksiyondur ve ilk kez böyle bir şema önerilmiştir. 19. yüzyılın ortaları.

Ancak devrenin oldukça basit görünmesine rağmen, bu prensibe dayalı verimli bir cihaz oluşturmak hiç de basit bir iş değildir. Bunun için uzaydaki oksijen ve hidrojen akışlarını ayırmak, gerekli iyonların elektrolit yoluyla taşınmasını sağlamak ve operasyonun tüm aşamalarında olası enerji kayıplarını azaltmak gerekir.

Bir hidrojen yakıt hücresinin çalışmasının şematik diyagramı

Çalışan bir hidrojen yakıt hücresinin şeması, bir kimyasal akım kaynağının şemasına çok benzer, ancak yakıt ve oksitleyici sağlamak ve reaksiyon ürünlerini ve fazla tedarik edilen gazları çıkarmak için ek kanallar içerir. Böyle bir elementteki elektrotlar gözenekli iletken katalizörlerdir. Anoda gaz halinde yakıt (hidrojen) verilir ve katoda bir oksitleyici madde (havadan oksijen) verilir ve elektrotların her birinin elektrolit ile sınırında kendi yarı reaksiyonu gerçekleşir (oksidasyonun oksidasyonu). sırasıyla hidrojen ve oksijenin indirgenmesi). Bu durumda, yakıt hücresinin tipine ve elektrolit tipine bağlı olarak, suyun oluşumu ya anotta ya da katot boşluğunda ilerleyebilir.

Toyota hidrojen yakıt hücresi

Joseph Brent / Flickr

Elektrolit, proton ileten bir polimer veya seramik membran, bir asit veya alkali çözeltisi ise, elektrolitteki yük taşıyıcı hidrojen iyonlarıdır. Bu durumda, moleküler hidrojen anotta elektrolitten geçen ve orada oksijenle reaksiyona giren hidrojen iyonlarına oksitlenir. Oksijen iyonu O 2–, bir katı oksit elektrolit durumunda olduğu gibi yük taşıyıcı ise, oksijen katotta bir iyona indirgenir, bu iyon elektrolitten geçer ve anotta hidrojeni oksitleyerek su ve serbest oluşturur. elektronlar.

Yakıt hücreleri için hidrojen oksidasyon reaksiyonuna ek olarak, diğer reaksiyon türlerinin kullanılması önerildi. Örneğin, hidrojen yerine indirgeyici yakıt, oksijen tarafından karbondioksit ve suya oksitlenen metanol olabilir.

Yakıt Pili Verimliliği

Hidrojen yakıt hücrelerinin tüm avantajlarına (çevre dostu olma, neredeyse sınırsız verimlilik, kompakt boyut ve yüksek enerji yoğunluğu gibi) rağmen bir takım dezavantajları da vardır. Bunlar, her şeyden önce, bileşenlerin kademeli olarak yaşlanmasını ve hidrojenin depolanmasındaki zorlukları içerir. Bilim adamlarının bugün üzerinde çalıştığı şey bu eksikliklerin nasıl giderileceği üzerinedir.

Halihazırda, elektrolitin bileşimini, katalizör elektrotunun özelliklerini ve sistemin geometrisini (yakıt gazlarının beslenmesini sağlayan) değiştirerek yakıt hücrelerinin verimliliğinin arttırılması önerilmektedir. istenen nokta ve yan etkileri azaltır). Hidrojen gazı depolama problemini çözmek için, doygunluğu için örneğin grafen membranlar olan platin içeren malzemeler kullanılır.

Sonuç olarak, yakıt hücresinin stabilitesinde ve bireysel bileşenlerinin kullanım ömründe bir artış elde etmek mümkündür. Şimdi bu tür hücrelerde kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüşme katsayısı yüzde 80'e ulaşıyor ve belirli koşullar altında daha da yüksek olabiliyor.

Hidrojen enerjisi için büyük beklentiler, yakıt hücrelerini tam pillerle birleştirme ve onları yüksek güçlü elektrik jeneratörlerine dönüştürme olasılığı ile ilişkilidir. Şu anda bile, hidrojen yakıt hücreleriyle çalışan elektrik jeneratörleri birkaç yüz kilovata varan güce sahip ve araçlar için güç kaynağı olarak kullanılıyor.

Alternatif elektrokimyasal depolama

Klasik elektrokimyasal akım kaynaklarına ek olarak, enerji depolama cihazları olarak daha sıra dışı sistemler de kullanılmaktadır. Bu sistemlerden biri bir süper kapasitördür (veya iyonistör) - yüklü bir yüzeyin yakınında çift tabaka oluşumu nedeniyle yük ayrımı ve birikiminin meydana geldiği bir cihaz. Böyle bir cihazdaki elektrot-elektrolit arayüzünde, farklı işaretlere sahip iyonlar, bir tür çok ince kapasitör oluşturan "çift elektrik katmanı" olarak adlandırılan iki katmanda sıralanır. Böyle bir kapasitörün kapasitansı, yani biriken yük miktarı, elektrot malzemesinin spesifik yüzey alanı tarafından belirlenecektir; bu nedenle, malzeme olarak maksimum spesifik yüzey alanına sahip gözenekli malzemeleri almak avantajlıdır. süper kapasitörler.

İyonistörler, şarj-deşarj kimyasal akım kaynakları arasında bu tür cihazların şüphesiz bir avantajı olan şarj oranı açısından şampiyondur. Ne yazık ki deşarj hızı açısından da rekor kırıyorlar. İyonistörlerin enerji yoğunluğu kurşun pillere göre sekiz kat, lityum iyon pillere göre 25 kat daha azdır. Klasik "çift katmanlı" iyonlaştırıcılar, çekirdeklerinde bir elektrokimyasal reaksiyon kullanmazlar ve "kapasitör" terimi onlara en doğru şekilde uygulanır. Bununla birlikte, bir elektrokimyasal reaksiyona dayanan ve yük birikimi elektrotun derinliğine uzanan iyonistörlerin bu versiyonlarında, hızlı bir şarj oranını korurken daha yüksek deşarj sürelerine ulaşmak mümkündür. Süper kapasitör geliştiricilerinin çabaları, süper kapasitörlerin avantajlarını, öncelikle yüksek şarj oranını ve pillerin avantajlarını - yüksek enerji yoğunluğu ve uzun deşarj süresi - birleştiren pillerle hibrit cihazlar yaratmayı amaçlamaktadır. Yakın gelecekte, birkaç dakika içinde şarj olacak ve bir dizüstü bilgisayara veya akıllı telefona bir veya daha fazla gün boyunca güç sağlayacak bir iyonlaştırıcı pil hayal edin!

Şu anda süper kapasitörlerin enerji yoğunluğunun pillerin enerji yoğunluğundan birkaç kat daha az olmasına rağmen, bunlar tüketici elektroniğinde ve çoğu da dahil olmak üzere çeşitli araçların motorlarında kullanılmaktadır.

* * *

Böylece bugün var çok sayıda her biri kendi özel uygulamaları için umut verici olan elektrokimyasal cihazlar. Bu cihazların verimliliğini artırmak için bilim adamlarının hem temel hem de teknolojik bir dizi sorunu çözmesi gerekiyor. Çığır açan projelerden biri çerçevesinde bu görevlerin çoğu, Ural Federal Üniversitesi'nde ele alınmaktadır, bu yüzden Rusya Bilimler Akademisi Ural Şubesi Yüksek Sıcaklık Elektrokimya Enstitüsü Müdürü Maxim Ananiev'e Profesör Ananiev'e sorduk. Ural Federal Üniversitesi Kimyasal Teknoloji Enstitüsü Elektrokimyasal Üretim Teknolojisi Bölümü'nden, modern yakıt hücrelerinin geliştirilmesine yönelik acil planlar ve beklentiler hakkında konuşmak için. .

N+1: Yakın gelecekte en popüler Li-Ion pillere bir alternatif var mı?

Maksim Ananiev: Pil geliştiricilerinin modern çabaları, elektrolitteki şarj taşıyıcı türünü lityumdan sodyum, potasyum ve alüminyuma değiştirmeyi amaçlıyor. Lityumun değiştirilmesi sonucunda ağırlık ve boyut özellikleri orantılı olarak artacak olsa da pilin maliyetini düşürmek mümkün olacaktır. Başka bir deyişle, aynı elektriksel özellikler için bir sodyum iyon pil, bir lityum iyon pilden daha büyük ve daha ağır olacaktır.

Buna ek olarak, pilleri geliştirmek için umut verici gelişen alanlardan biri, yakıt hücrelerinde olduğu gibi metal iyon pillerin bir hava elektrotu ile kombinasyonuna dayanan hibrit kimyasal enerji kaynaklarının oluşturulmasıdır. Genel olarak, süper kapasitörler örneğinde daha önce gösterildiği gibi hibrit sistemler oluşturma yönü, görünüşe göre yakın gelecekte piyasada yüksek tüketici özelliklerine sahip kimyasal enerji kaynaklarını görmemize izin verecektir.

Ural Federal Üniversitesi, Rusya'dan ve dünyadan akademik ve endüstriyel ortaklarla birlikte, şu anda çığır açan bilimsel araştırma alanlarına odaklanan altı mega proje yürütüyor. Bu projelerden biri de "Yeni Malzemelerin Kimyasal Tasarımından Enerji Tasarrufu ve Dönüşümü İçin Yeni Nesil Elektrokimyasal Cihazlara Elektrokimyasal Enerji Perspektif Teknolojileri" projesidir.

Maxim Ananiev'in de dahil olduğu Stratejik Akademik Birim (SAU) UrFU Doğa Bilimleri ve Matematik Okulu'ndan bir grup bilim insanı, yakıt hücreleri, elektrolitik hücreler, metal grafen piller, elektrokimyasal dahil olmak üzere yeni malzeme ve teknolojilerin tasarımı ve geliştirilmesi ile uğraşmaktadır. güç depolama sistemleri ve süper kapasitörler.

Araştırma ve bilimsel çalışmalar, Rusya Bilimler Akademisi Ural Şubesi Yüksek Sıcaklık Elektrokimya Enstitüsü ile sürekli işbirliği içinde ve ortakların desteğiyle yürütülmektedir.

Hangi yakıt hücreleri şu anda geliştirilmekte ve en büyük potansiyele sahip?

En umut verici yakıt hücresi türlerinden biri proton seramik hücrelerdir. Doğrudan bir hidrokarbon yakıt kaynağı ile çalışabildikleri için proton değişim membranlı ve katı oksit hücreli polimer yakıt hücrelerine göre avantajları vardır. Bu, proton-seramik yakıt hücrelerine ve kontrol sistemine dayalı bir enerji santralinin tasarımını önemli ölçüde basitleştirir ve dolayısıyla çalışma güvenilirliğini artırır. Doğru, bu tip yakıt hücreleri şu anda tarihsel olarak daha az gelişmiştir, ancak modern bilimsel araştırmalar, gelecekte bu teknolojinin yüksek potansiyelini ummamızı sağlar.

Şu anda Ural Federal Üniversitesi'nde yakıt pilleriyle ilgili hangi sorunlarla ilgileniliyor?

Şimdi UrFU bilim adamları, Rusya Bilimler Akademisi Ural Şubesi Yüksek Sıcaklık Elektrokimya Enstitüsü (IHTE) ile birlikte, dağıtılmış enerjideki uygulamalar için yüksek verimli elektrokimyasal cihazlar ve otonom güç jeneratörlerinin oluşturulması üzerinde çalışıyorlar. Dağıtılmış enerji için enerji santrallerinin oluşturulması, başlangıçta, bir elektrik jeneratörü ve pil olan bir depolama cihazına dayalı hibrit sistemlerin geliştirilmesini ima eder. Aynı zamanda yakıt hücresi sürekli çalışarak yoğun saatlerde yük sağlarken, boşta modunda da hem yüksek güç tüketiminde hem de acil durumlarda yedek görevi görebilen aküyü şarj eder.

Ural Federal Üniversitesi ve IHTE'den kimyagerler, katı oksit ve proton-seramik yakıt hücrelerinin geliştirilmesinde en büyük başarıyı elde ettiler. 2016'dan beri Urallarda, Devlet Şirketi Rosatom ile birlikte, katı oksit yakıt hücrelerine dayalı ilk Rus enerji santrali üretimi yaratıldı. Ural bilim adamlarının gelişimi, Uraltransgaz LLC'nin deney alanındaki gaz boru hattı katodik koruma istasyonunda "saha" testlerini çoktan geçti. 1.5 kilowatt nominal güce sahip santral, 10 bin saatten fazla çalıştı ve bu tür cihazların kullanımı için yüksek bir potansiyel gösterdi.

Ural Federal Üniversitesi ve IHTE'nin ortak laboratuvarı çerçevesinde, proton ileten seramik membrana dayalı elektrokimyasal cihazlar geliştirilmektedir. Bu, yakın gelecekte katı oksit yakıt hücrelerinin çalışma sıcaklıklarını 900'den 500 santigrat dereceye düşürmeyi ve hidrokarbon yakıtın ön reformunu terk etmeyi mümkün kılacaktır, böylece düşük maliyetli elektrokimyasal jeneratörler yaratılacaktır. Rusya'da gelişmiş gaz tedarik altyapısı.

Alexander Dubov

Mobil elektronik her yıl olmasa da her yıl daha erişilebilir ve yaygın hale geliyor. Burada dizüstü bilgisayarlar, PDA'lar, dijital kameralar ve cep telefonları ve her türlü kullanışlı ve pek de uygun olmayan cihazlar var. Ve tüm bu cihazlar sürekli olarak yeni özellikler, daha güçlü işlemciler, daha büyük renkli ekranlar, kablosuz bağlantı kazanıyor ve aynı zamanda boyut olarak küçülüyor. Ancak, yarı iletken teknolojilerinden farklı olarak, bu mobil hayvanat bahçesinin güç teknolojileri hiç de büyük sıçramalar ve sınırlar değildir.

Konvansiyonel akümülatörler ve piller, elektronik endüstrisindeki en son gelişmelere önemli bir süre güç sağlamak için açıkça yeterli değildir. Ve güvenilir ve kapasiteli piller olmadan, tüm hareketlilik ve kablosuz bağlantı noktası kaybolur. Bu yüzden bilgisayar endüstrisi sorun üzerinde giderek daha aktif bir şekilde çalışıyor. alternatif güç kaynakları. Ve bugüne kadarki en umut verici yön burada yakıt hücreleri.

Yakıt hücrelerinin temel prensibi, 1839'da İngiliz bilim adamı Sir William Grove tarafından keşfedildi. "Yakıt hücresi"nin babası olarak bilinir. William Grove, hidrojen ve oksijeni çıkarmak için değiştirerek elektrik üretti. Pili elektrolitik hücreden çıkaran Grove, elektrotların açığa çıkan gazı emmeye ve akım üretmeye başladığını görünce şaşırdı. süreç açma hidrojenin elektrokimyasal "soğuk" yanması oldu önemli olay enerji sektöründe ve gelecekte, Ostwald ve Nernst gibi tanınmış elektrokimyacılar, yakıt hücrelerinin teorik temellerinin geliştirilmesinde ve pratikte uygulanmasında önemli bir rol oynadılar ve onlar için büyük bir gelecek öngördüler.

Kendim "yakıt hücresi" terimi (Yakıt Hücresi) daha sonra ortaya çıktı - 1889'da hava ve kömür gazından elektrik üretmek için bir cihaz oluşturmaya çalışan Ludwig Mond ve Charles Langer tarafından önerildi.

Oksijende normal yanma sırasında, organik yakıt oksitlenir ve yakıtın kimyasal enerjisi verimsiz bir şekilde termal enerjiye dönüştürülür. Ancak elektrolit ortamında, örneğin oksijenli hidrojen gibi bir oksidasyon reaksiyonu gerçekleştirmenin ve elektrotların varlığında bir elektrik akımı elde etmenin mümkün olduğu ortaya çıktı. Örneğin, alkali bir ortamda bir elektrota hidrojen vererek elektronları elde ederiz:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

dış devreden geçerek oksijenin girdiği ve reaksiyonun gerçekleştiği karşı elektrota giren: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Ortaya çıkan 2H2 + O2 → H2O reaksiyonunun geleneksel yanma ile aynı olduğu, ancak bir yakıt hücresinde veya başka bir şekilde - içinde olduğu görülebilir. elektrokimyasal jeneratör, büyük verim ve kısmen ısı ile bir elektrik akımı elde edilir. Kömür, karbon monoksit, alkoller, hidrazin ve diğer organik maddelerin yakıt hücrelerinde yakıt olarak da kullanılabileceğini ve hava, hidrojen peroksit, klor, brom, Nitrik asit vb.

Yakıt hücrelerinin gelişimi hem yurtdışında hem de Rusya'da ve ardından SSCB'de şiddetle devam etti. Yakıt hücrelerinin çalışmasına büyük katkı sağlayan bilim adamları arasında V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Kordes'i not ediyoruz. Geçen yüzyılın ortalarında, yakıt pili sorunlarına yönelik yeni bir saldırı başladı. Bu kısmen savunma araştırmalarının bir sonucu olarak yeni fikirlerin, malzemelerin ve teknolojilerin ortaya çıkmasından kaynaklanmaktadır.

Yakıt hücrelerinin geliştirilmesinde büyük bir adım atan bilim adamlarından biri P. M. Spiridonov'du. Spiridonov'un hidrojen-oksijen elementleri 30 mA/cm2'lik bir akım yoğunluğu verdi ve bu o zaman için büyük bir başarı olarak kabul edildi. 1940'larda O. Davtyan, kömür gazlaştırma ile elde edilen jeneratör gazının elektrokimyasal yanması için bir tesis kurdu. Elemanın hacminin her metreküpünden Davtyan, 5 kW güç aldı.

Buydu ilk katı elektrolit yakıt hücresi. Yüksek bir verime sahipti, ancak zamanla elektrolit kullanılamaz hale geldi ve değiştirilmesi gerekiyordu. Daha sonra, ellili yılların sonlarında Davtyan, traktörü harekete geçiren güçlü bir kurulum yarattı. Aynı yıllarda İngiliz mühendis T. Bacon, toplam gücü 6 kW ve verimliliği %80 olan, saf hidrojen ve oksijenle çalışan, ancak pilin güç-ağırlık oranı ile çalışan bir yakıt pili tasarladı ve üretti. çok küçük olduğu ortaya çıktı - bu tür hücreler pratik kullanım için uygun değildi ve çok pahalıydı.

Sonraki yıllarda, bekarların zamanı geçti. Uzay aracının yaratıcıları yakıt hücreleriyle ilgilenmeye başladı. 1960'ların ortalarından bu yana, yakıt hücresi araştırmalarına milyonlarca dolar yatırım yapıldı. Binlerce bilim adamı ve mühendisin çalışması, 1965'te yeni bir seviyeye ulaşmayı mümkün kıldı. Yakıt hücreleri Amerika Birleşik Devletleri'nde Gemini 5 uzay aracında ve daha sonra Apollo uzay aracında Ay'a uçuşlar için ve Shuttle programı altında test edildi.

SSCB'de, uzayda da kullanılmak üzere NPO Kvant'ta yakıt hücreleri geliştirildi. O yıllarda yeni malzemeler ortaya çıktı - iyon değişim membranlarına dayalı katı polimer elektrolitler, yeni tip katalizörler, elektrotlar. Yine de, çalışma akımı yoğunluğu küçüktü - 100-200 mA/cm2 içinde ve elektrotlardaki platin içeriği birkaç g/cm2 idi. Dayanıklılık, stabilite, güvenlik ile ilgili birçok sorun vardı.

Yakıt hücrelerinin hızlı gelişiminde bir sonraki aşama 1990'larda başladı. geçen yüzyılda ve bu güne kadar devam etmektedir. Bir yandan küreselleşme ile bağlantılı olarak yeni verimli enerji kaynaklarına duyulan ihtiyaçtan kaynaklanmaktadır. çevresel problem Fosil yakıtların yanmasından kaynaklanan sera gazı emisyonlarının artması ve diğer yandan bu tür yakıtların tükenmesi. Bir yakıt hücresinde hidrojen yanmasının son ürünü su olduğundan, çevresel etki açısından en temiz olarak kabul edilirler. Asıl sorun, yalnızca hidrojen üretmenin verimli ve ucuz bir yolunu bulmaktır.

Yakıt hücrelerinin ve hidrojen jeneratörlerinin geliştirilmesine yönelik milyar dolarlık finansal yatırımlar, teknolojik bir atılıma yol açmalı ve günlük yaşamda kullanımlarını gerçeğe dönüştürmelidir: cep telefonu hücrelerinde, arabalarda, enerji santrallerinde. Halihazırda "Ballard", "Honda", "Daimler Chrysler", "General Motors" gibi otomobil devleri, 50 kW kapasiteli yakıt pilleriyle çalışan binek otomobilleri ve otobüsleri sergiliyor. Bir dizi şirket geliştirdi 500 kW'a kadar güce sahip katı oksit elektrolitli yakıt hücrelerinde gösteri enerji santralleri. Ancak, yakıt hücrelerinin performansının iyileştirilmesinde önemli bir atılıma rağmen, hala maliyet, güvenilirlik ve güvenlikle ilgili çözülmesi gereken birçok sorun var.

Bir yakıt hücresinde, pil ve akümülatörlerin aksine, hem yakıt hem de oksitleyici dışarıdan içeriye beslenir. Yakıt hücresi, reaksiyonda yalnızca bir aracıdır ve ideal koşullar altında neredeyse sonsuza kadar sürebilir. Bu teknolojinin güzelliği, aslında elementte yakıtın yakılması ve açığa çıkan enerjinin doğrudan elektriğe dönüştürülmesidir. Yakıtın doğrudan yanması sırasında oksijen tarafından oksitlenir ve bu durumda açığa çıkan ısı faydalı iş yapmak için kullanılır.

Bir yakıt hücresinde, pillerde olduğu gibi, yakıt oksidasyonu ve oksijen indirgeme reaksiyonları uzamsal olarak ayrılır ve "yanma" işlemi ancak hücre yüke akım sağlarsa gerçekleşir. O gibi dizel jeneratör, sadece dizel ve jeneratör olmadan. Üstelik dumansız, gürültülü, aşırı ısınma olmadan ve çok daha yüksek verimlilikle. İkincisi, ilk olarak, ara mekanik cihazların olmadığı ve ikincisi, yakıt hücresinin bir ısı motoru olmadığı ve sonuç olarak Carnot yasasına uymadığı (yani verimliliği tarafından belirlenmediği) gerçeğiyle açıklanmaktadır. sıcaklık farkı).

Oksijen, yakıt hücrelerinde oksitleyici ajan olarak kullanılır. Ayrıca havada yeterli oksijen bulunduğundan, oksitleyici bir madde temini konusunda endişelenmenize gerek yoktur. Yakıta gelince, hidrojendir. Böylece, yakıt hücresinde reaksiyon ilerler:

2H2 + O2 → 2H2O + elektrik + ısı.

Sonuç, faydalı enerji ve su buharıdır. Cihazındaki en basit proton değişim zarı yakıt hücresi(bkz. şekil 1). Aşağıdaki gibi çalışır: hücreye giren hidrojen, bir katalizörün etkisi altında elektronlara ve pozitif yüklü hidrojen iyonlarına H+ ayrışır. Ardından, geleneksel bir pilde elektrolit rolünü oynayan özel bir zar devreye girer. Kimyasal bileşimi nedeniyle protonları kendi içinden geçirir, ancak elektronları tutar. Böylece anotta biriken elektronlar aşırı bir negatif yük oluşturur ve hidrojen iyonları katotta pozitif bir yük oluşturur (eleman üzerindeki voltaj yaklaşık 1V'dir).

Yüksek güç oluşturmak için birçok hücreden bir yakıt hücresi birleştirilir. Yükteki elemanı açarsanız, elektronlar bunun içinden katoda akacak, bir akım yaratacak ve oksijen ile hidrojen oksidasyonu sürecini tamamlayacaktır. Bu tür yakıt hücrelerinde katalizör olarak, kural olarak, karbon fiber üzerinde biriken platin mikropartiküller kullanılır. Yapısı nedeniyle böyle bir katalizör gaz ve elektriği iyi geçirir. Membran genellikle kükürt içeren polimer Nafion'dan yapılır. Membranın kalınlığı bir milimetrenin onda biri kadardır. Reaksiyon sırasında elbette ısı da açığa çıkar, ancak çok fazla değildir, bu nedenle çalışma sıcaklığı 40-80 ° C aralığında tutulur.

Şekil 1. Yakıt hücresinin çalışma prensibi

Esas olarak kullanılan elektrolit tipine göre farklılık gösteren başka yakıt hücresi türleri de vardır. Hemen hemen hepsi yakıt olarak hidrojen gerektirir, bu nedenle mantıklı soru ortaya çıkar: nereden alınır. Elbette, silindirlerden sıkıştırılmış hidrojen kullanmak mümkün olacaktır, ancak hemen, bu son derece yanıcı gazın yüksek basınç altında taşınması ve depolanmasıyla ilgili sorunlar ortaya çıkar. Tabii ki, metal hidrit pillerde olduğu gibi hidrojeni bağlı bir biçimde kullanabilirsiniz. Ancak yine de, hidrojen dolum istasyonları için altyapı bulunmadığından, çıkarılması ve taşınması görevi devam etmektedir.

Ancak burada da bir çözüm var - hidrojen kaynağı olarak sıvı hidrokarbon yakıt kullanılabilir. Örneğin, etil veya metil alkol. Doğru, burada zaten özel bir ek cihaz gerekli - yüksek sıcaklıkta (metanol için 240 ° C civarında bir yerde olacak) alkolleri gazlı H2 ve CO2 karışımına dönüştüren bir yakıt dönüştürücü. Ancak bu durumda, taşınabilirlik hakkında düşünmek zaten daha zordur - bu tür cihazları sabit veya sabit olarak kullanmak iyidir, ancak kompakt mobil ekipman için daha az hacimli bir şeye ihtiyacınız vardır.

Ve burada, neredeyse tüm en büyük elektronik üreticileri tarafından korkunç bir güçle geliştirilen cihaza geliyoruz - metanol yakıt hücresi(Şekil 2).

İncir. 2. Yakıt hücresinin metanol üzerinde çalışma prensibi

Hidrojen ve metanol yakıt hücreleri arasındaki temel fark, kullanılan katalizördür. Metanol yakıt hücresindeki katalizör, protonların doğrudan alkol molekülünden soyutlanmasına izin verir. Böylece yakıtla ilgili sorun çözülür - metil alkol kimya endüstrisi için seri üretilir, depolanması ve taşınması kolaydır ve bir metanol yakıt hücresini şarj etmek için yakıt kartuşunu değiştirmek yeterlidir. Doğru, önemli bir eksi var - metanol toksiktir. Ayrıca metanol yakıt pilinin verimliliği hidrojen yakıt piline göre çok daha düşüktür.

Pirinç. 3. Metanol yakıt hücresi

En cazip seçenek, yakıt olarak etil alkol kullanmaktır, çünkü herhangi bir bileşim ve güçteki alkollü içeceklerin üretimi ve dağıtımı her yerde yerleşiktir. Dünya. Ancak etanol yakıt hücrelerinin verimliliği ne yazık ki metanol yakıt hücrelerinin verimliliğinden bile daha düşüktür.

Uzun yıllar boyunca yakıt hücresi geliştirmede belirtildiği gibi, çeşitli tiplerde yakıt hücreleri inşa edilmiştir. Yakıt pilleri elektrolit ve yakıt türüne göre sınıflandırılır.

1. Katı polimer hidrojen-oksijen elektroliti.

2. Katı polimer metanol yakıt hücreleri.

3. Alkali elektrolit üzerindeki elementler.

4. Fosforik asit yakıt hücreleri.

5. Erimiş karbonatlar üzerindeki yakıt hücreleri.

6. Katı oksit yakıt hücreleri.

İdeal olarak, yakıt hücrelerinin verimliliği çok yüksektir, ancak gerçek koşullarda, elektrolit ve elektrotların spesifik iletkenliğinden kaynaklanan omik kayıplar, aktivasyon ve konsantrasyon polarizasyonu, difüzyon kayıpları gibi denge dışı süreçlerle ilişkili kayıplar vardır. Sonuç olarak, yakıt hücrelerinde üretilen enerjinin bir kısmı ısıya dönüştürülür. Uzmanların çabaları bu kayıpları azaltmaya yöneliktir.

Omik kayıpların ana kaynağı ve yakıt hücrelerinin yüksek fiyatlarının nedeni perflorlu sülfokatyonik iyon değişim membranlarıdır. Şimdi alternatif, daha ucuz proton ileten polimerler aranıyor. Bu membranların (katı elektrolitler) iletkenliği sadece su varlığında kabul edilebilir bir değere (10 Ω/cm) ulaştığından, yakıt hücresine verilen gazların ayrıca özel bir cihazda nemlendirilmesi gerekir, bu da pilin maliyetini de arttırır. sistem. Katalitik gaz difüzyon elektrotlarında esas olarak platin ve diğer bazı asil metaller kullanılır ve şimdiye kadar bunların yerine herhangi bir ikame bulunamamıştır. Yakıt pillerinde platin içeriği birkaç mg/cm2 olmasına rağmen, büyük piller için miktarı onlarca gramı bulmaktadır.

Yakıt pilleri tasarlanırken, yüksek akım yoğunluklarında (1 A/cm2'ye kadar) sistem kendi kendine ısındığından, ısı giderme sistemine çok dikkat edilir. Soğutma için yakıt hücresinde özel kanallardan dolaşan su kullanılır ve düşük güçte hava üflenir.

Bu nedenle, modern bir elektrokimyasal jeneratör sistemi, yakıt hücresi pilinin kendisine ek olarak, birçok yardımcı cihazla "büyümüştür", örneğin: pompalar, hava sağlamak için bir kompresör, hidrojen girişi, bir gaz nemlendirici, bir soğutma ünitesi, bir gaz kaçağı kontrol sistemi, bir DC-AC dönüştürücü, bir kontrol işlemcisi ve diğerleri.Bütün bunlar, 2004-2005 yıllarında yakıt hücresi sisteminin maliyetinin 2-3 bin $/kW olduğu gerçeğine yol açmaktadır. Uzmanlara göre, yakıt hücreleri 50-100 $/kW fiyatla ulaşımda ve sabit enerji santrallerinde kullanıma sunulacak.

Yakıt pillerini daha ucuz bileşenlerle birlikte günlük hayata sokmak için yeni özgün fikirler ve yaklaşımlar beklenmelidir. Özellikle nanomalzemelerin ve nanoteknolojilerin kullanımı ile ilgili büyük umutlar vardır. Örneğin, birkaç şirket yakın zamanda, çeşitli metallerden elde edilen nanoparçacık kümelerine dayanan, özellikle oksijen elektrotu için ultra verimli katalizörlerin yaratıldığını duyurdu. Ek olarak, yakıt hücresine bir oksitleyici ile birlikte bir sıvı yakıtın (örneğin metanol) beslendiği membran olmayan yakıt hücresi tasarımlarına ilişkin raporlar mevcuttur. Kirli sularda çalışan ve oksitleyici olarak çözünmüş hava oksijeni tüketen biyoyakıt hücrelerinin gelişmiş konsepti de ilgi çekicidir. organik kirlilikler yakıt olarak.

Uzmanlar, yakıt hücrelerinin önümüzdeki yıllarda kitle pazarına gireceğini tahmin ediyor. Gerçekten de, geliştiriciler birbiri ardına teknik sorunların üstesinden geliyor, başarılar hakkında rapor veriyor ve yakıt hücresi prototiplerini sunuyor. Örneğin, Toshiba bitmiş bir metanol yakıt hücresi prototipini gösterdi. 22x56x4.5mm boyutlarında olup yaklaşık 100mW güç vermektedir. MP3 çaların 20 saatlik çalışması için 2 küp konsantre (%99,5) metanolün bir kez doldurulması yeterlidir. Toshiba, cep telefonlarına güç sağlamak için ticari bir yakıt hücresi yayınladı. Yine aynı Toshiba, bilgisayarın tek şarjla 5 saat çalışmasına izin veren 275x75x40mm dizüstü bilgisayar güç kaynağı öğesini gösterdi.

Toshiba ve başka bir Japon şirketi olan Fujitsu'nun çok gerisinde değil. 2004'te %30 sulu metanol çözeltisi üzerinde çalışan bir elementi de tanıttı. Bu yakıt hücresi, 10 saat boyunca 300 ml'lik tek bir yeniden doldurma ile çalıştı ve aynı zamanda 15 watt güç üretti.

Casio, metanolün önce minyatür bir yakıt dönüştürücüde H2 ve CO2 gazlarının bir karışımına dönüştürüldüğü ve ardından yakıt hücresine beslendiği bir yakıt hücresi geliştiriyor. Demo sırasında, Casio prototipi bir dizüstü bilgisayarı 20 saat çalıştırdı.

Samsung ayrıca yakıt hücreleri alanında da bir isim yaptı - 2004'te bir dizüstü bilgisayara güç sağlamak için tasarlanmış 12 W prototipini sergiledi. Genel olarak Samsung, öncelikle dördüncü nesil akıllı telefonlarda yakıt pili kullanmayı planlıyor.

Japon şirketlerinin genel olarak yakıt hücrelerinin gelişimine çok iyi yaklaştıklarını söylemeliyim. 2003 yılında Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony ve Toshiba gibi şirketler, dizüstü bilgisayarlar, cep telefonları, PDA'lar ve diğer elektronik cihazlar için ortak bir yakıt hücresi standardı geliştirmek üzere güçlerini birleştirdiler. Bu pazarda da çok sayıda bulunan Amerikan şirketleri, çoğunlukla orduyla sözleşmeler altında çalışıyor ve Amerikan askerlerini elektriklendirmek için yakıt hücreleri geliştiriyor.

Almanlar çok geride değil - Akıllı Yakıt Hücresi şirketi, bir mobil ofise güç sağlamak için yakıt hücreleri satıyor. Akıllı Yakıt Hücresi C25 olarak adlandırılan cihaz, 150x112x65mm boyutlarında ve tek şarjla 140 watt saate kadar üretim yapabiliyor. Bu, dizüstü bilgisayarı yaklaşık 7 saat çalıştırmak için yeterlidir. Ardından kartuş değiştirilebilir ve çalışmaya devam edebilirsiniz. Metanol kartuşunun boyutu 99x63x27 mm'dir ve 150g ağırlığındadır. Sistemin kendisi 1,1 kg ağırlığındadır, bu nedenle tamamen taşınabilir diyemezsiniz, ancak yine de tamamen bitmiş ve kullanışlı bir cihazdır. Şirket ayrıca profesyonel video kameralara güç sağlamak için bir yakıt modülü geliştiriyor.

Genel olarak, yakıt hücreleri neredeyse mobil elektronik pazarına girmiştir. Üreticiler, seri üretime geçmeden önce son teknik sorunları çözmek zorundadır.

İlk olarak, yakıt hücrelerinin minyatürleştirilmesi sorununu çözmek gerekiyor. Sonuçta, yakıt hücresi ne kadar küçükse, o kadar az güç üretebilir - bu nedenle, küçük boyutlarda çalışma yüzeyini en üst düzeye çıkarmaya izin veren yeni katalizörler ve elektrotlar sürekli olarak geliştirilmektedir. Burada nanoteknolojiler ve nanomalzemeler (örneğin nanotüpler) alanındaki en son gelişmeler çok kullanışlı oluyor. Yine, elemanların (yakıt ve su pompaları, soğutma sistemleri ve yakıt dönüşümü) borularının minyatürleştirilmesi için mikroelektromekaniğin başarıları giderek daha fazla kullanılmaktadır.

Ele alınması gereken ikinci önemli konu ise fiyattır. Sonuçta, çoğu yakıt hücresinde katalizör olarak çok pahalı platin kullanılmaktadır. Yine, bazı üreticiler zaten iyi kurulmuş silikon teknolojilerinden en iyi şekilde yararlanmaya çalışıyor.

Yakıt hücrelerinin diğer kullanım alanlarına gelince, yakıt pilleri ne enerji sektöründe ne de ulaşımda henüz ana akım haline gelmemiş olsalar da, bu alanlarda zaten sağlam bir şekilde yerleşmişlerdir. Halihazırda birçok otomobil üreticisi, yakıt hücreli konsept otomobillerini sundu. Yakıt hücresi otobüsleri dünyanın çeşitli şehirlerinde çalışıyor. Kanadalı Ballard Güç Sistemleri bültenleri bütün çizgi 1 ila 250 kW gücünde sabit jeneratörler. Aynı zamanda, kilovat jeneratörler bir daireye anında elektrik, ısı ve sıcak su sağlamak için tasarlanmıştır.

yakıt hücreleri Yakıt hücreleri kimyasal güç kaynaklarıdır. Verimsiz, yüksek kayıplı yanma süreçlerini atlayarak yakıt enerjisinin doğrudan elektriğe dönüştürülmesini gerçekleştirirler. Bu elektrokimyasal cihaz, yakıtın yüksek verimli "soğuk" yanması sonucunda doğrudan elektrik üretir.

Biyokimyacılar, biyolojik bir hidrojen-oksijen yakıt hücresinin her birinin "yerleşik" olduğunu belirlediler. yaşayan hücre(bkz. bölüm 2).

Vücuttaki hidrojen kaynağı besindir - yağlar, proteinler ve karbonhidratlar. Midede, bağırsaklarda ve hücrelerde sonunda monomerlere ayrışır ve bu da bir dizi kimyasal dönüşümden sonra taşıyıcı moleküle bağlı hidrojen verir.

Havadaki oksijen akciğerler yoluyla kana girer, hemoglobin ile birleşir ve tüm dokulara taşınır. Hidrojeni oksijenle birleştirme süreci, vücudun biyoenerjisinin temelidir. Burada, ılıman koşullar altında (oda sıcaklığı, normal basınç, su ortamı), yüksek verimli kimyasal enerji, termal, mekanik (kas hareketi), elektriğe dönüştürülür ( elektrikli vatoz), hafif (böcekler ışık yayan).

İnsan, doğanın yarattığı enerjiyi elde etmek için cihazı bir kez daha tekrarladı. Aynı zamanda, bu gerçek, yönün beklentilerini gösterir. Doğadaki tüm süreçler çok rasyoneldir, bu nedenle yakıt hücrelerinin gerçek kullanımına yönelik adımlar enerji geleceği için umut verir.

1838'de bir hidrojen-oksijen yakıt hücresinin keşfi, İngiliz bilim adamı W. Grove'a aittir. Suyun hidrojen ve oksijene ayrışmasını araştırırken bir yan etki keşfetti - elektrolizör bir elektrik akımı üretti.

Bir yakıt hücresinde ne yanar?
Fosil yakıtlar (kömür, gaz ve petrol) çoğunlukla karbondur. Yanma sırasında, yakıt atomları elektronları kaybeder ve hava oksijen atomları onları kazanır. Böylece oksidasyon sürecinde, karbon ve oksijen atomları yanma ürünlerine birleştirilir - karbon dioksit molekülleri. Bu süreç kuvvetlidir: yanmaya dahil olan maddelerin atomları ve molekülleri yüksek hızlar elde eder ve bu da sıcaklıklarında bir artışa yol açar. Işık yaymaya başlarlar - bir alev belirir.

Karbon yanmasının kimyasal reaksiyonu şu şekildedir:

C + O2 = CO2 + ısı

Yanma sürecinde, yakıt ve oksitleyici atomları arasındaki elektron alışverişi nedeniyle kimyasal enerji termal enerjiye dönüştürülür. Bu değişim rastgele gerçekleşir.

Yanma, atomlar arasındaki elektron alışverişidir ve elektrik akımı, elektronların yönlendirilmiş hareketidir. Bir kimyasal reaksiyon sürecinde elektronlar iş yapmaya zorlanırsa, yanma işleminin sıcaklığı düşecektir. FC'de, elektronlar bir elektrotta tepkenlerden alınır, enerjilerini elektrik akımı şeklinde verir ve diğerinde tepkenlere katılır.

Herhangi bir HIT'in temeli, bir elektrolit ile bağlanan iki elektrottur. Bir yakıt hücresi bir anot, bir katot ve bir elektrolitten oluşur (bkz. Bölüm 2). Anotta oksitlenir, yani. elektron bağışlar, indirgeyici ajan (CO veya H2 yakıtı), anottan serbest elektronlar harici devreye girer ve pozitif iyonlar anot-elektrolit arayüzünde (CO+, H+) tutulur. Zincirin diğer ucundan elektronlar, üzerinde indirgeme reaksiyonunun gerçekleştiği katoda yaklaşır (oksitleyici ajan O2– tarafından elektronların eklenmesi). Oksidan iyonlar daha sonra elektrolit tarafından katoda taşınır.

FC'de fizikokimyasal sistemin üç fazı bir araya getirilir:

gaz (yakıt, oksitleyici);
elektrolit (iyonların iletkeni);
metal elektrot (elektronların iletkeni).
Yakıt hücrelerinde redoks reaksiyonunun enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülür ve oksidasyon ve indirgeme süreçleri bir elektrolit ile uzaysal olarak ayrılır. Elektrotlar ve elektrolit reaksiyona katılmazlar, ancak gerçek tasarımlarda zamanla yakıt kirlilikleriyle kirlenirler. Elektrokimyasal yanma, düşük sıcaklıklarda ve pratik olarak kayıpsız ilerleyebilir. Şek. p087, bir gaz karışımının (CO ve H2) yakıt hücresine girdiği durumu gösterir; gaz halindeki yakıtı yakabilir (bkz. Bölüm 1). Böylece, TE'nin "omnivor" olduğu ortaya çıkıyor.

Yakıt hücrelerinin kullanımı, yakıtın onlar için “hazırlanması” gerektiği gerçeğinden dolayı karmaşıktır. Yakıt hücreleri için hidrojen, organik yakıtın dönüştürülmesi veya kömürün gazlaştırılmasıyla elde edilir. Bu nedenle, bir yakıt hücresi üzerindeki bir elektrik santralinin blok diyagramı, bir yakıt hücresinin pillerine, bir DC-AC dönüştürücüsüne (bkz. Bölüm 3) ve yardımcı ekipmana ek olarak bir hidrojen üretim ünitesini içerir.

FC gelişiminin iki yönü

Yakıt hücrelerinin iki uygulama alanı vardır: özerk ve büyük ölçekli enerji.

Özerk kullanım için, belirli özellikler ve kullanım kolaylığı ana özelliklerdir. Üretilen enerjinin maliyeti ana gösterge değildir.

Büyük güç üretimi için verimlilik belirleyici bir faktördür. Ayrıca tesisatların dayanıklı olması, pahalı malzeme ve kullanım içermemesi gerekir. doğal yakıt minimum eğitim maliyeti ile.

En büyük faydalar, bir arabada yakıt hücrelerinin kullanılmasıyla sağlanır. Burada, başka hiçbir yerde olmadığı gibi, yakıt hücrelerinin kompaktlığı bir etkiye sahip olacaktır. Yakıttan doğrudan elektriğin alınması ile yakıt tasarrufu yaklaşık %50 olacaktır.

İlk kez, büyük ölçekli enerji mühendisliğinde yakıt hücrelerinin kullanılması fikri, 1894 yılında Alman bilim adamı W. Oswald tarafından formüle edildi. Daha sonra, bir yakıt hücresine dayalı verimli otonom enerji kaynakları yaratma fikri geliştirildi.

Bundan sonra, yakıt hücrelerinde aktif madde olarak kömürün kullanılması için tekrar tekrar girişimlerde bulunuldu. 1930'larda, Alman araştırmacı E. Bauer, kömürün doğrudan anodik oksidasyonu için katı elektrolitli bir yakıt hücresinin laboratuvar prototipini yarattı. Aynı zamanda oksijen-hidrojen yakıt pilleri üzerinde çalışıldı.

1958'de İngiltere'de F. Bacon, 5 kW kapasiteli ilk oksijen-hidrojen tesisini kurdu. Ancak yüksek gaz basıncının (2 ... 4 MPa) kullanılması nedeniyle hantaldı.

1955'ten beri K. Kordesh, ABD'de düşük sıcaklıklı oksijen-hidrojen yakıt pilleri geliştiriyor. Platin katalizörlü karbon elektrotlar kullandılar. Almanya'da E. Yust, platin olmayan katalizörlerin oluşturulması üzerinde çalıştı.

1960 yılından sonra demonstrasyon ve reklam örnekleri oluşturulmuştur. Yakıt hücrelerinin ilk pratik uygulaması Apollo uzay aracında bulundu. Bunlar, yerleşik ekipmana güç sağlayan ana enerji santralleriydi ve astronotlara su ve ısı sağladılar.

Yakıt hücreli otonom tesislerin ana kullanım alanları askeri ve deniz uygulamaları. 1960'ların sonunda yakıt pilleri üzerine yapılan araştırmaların hacmi azalmış, 1980'lerden sonra ise büyük ölçekli enerji ile ilgili olarak yeniden artmıştır.

VARTA, çift taraflı gaz difüzyon elektrotları kullanan FC'ler geliştirmiştir. Bu tip elektrotlara "Janus" denir. Siemens ile elektrotlar geliştirdi güç yoğunluğu 90 W/kg'a kadar. Amerika Birleşik Devletleri'nde oksijen-hidrojen hücreleri üzerinde çalışmalar United Technology Corp.

Büyük ölçekli enerji endüstrisinde, büyük ölçekli enerji depolaması için yakıt hücrelerinin kullanımı, örneğin hidrojen üretimi (bkz. Bölüm 1) çok umut vericidir. (güneş ve rüzgar) dağılır (bkz. Bölüm 4). Gelecekte vazgeçilmez olan ciddi kullanımları, şu veya bu şekilde enerji depolayan kapasiteli piller olmadan düşünülemez.

Birikme sorunu bugün zaten geçerlidir: güç sistemlerinin yükündeki günlük ve haftalık dalgalanmalar, verimliliklerini önemli ölçüde azaltır ve manevra kabiliyeti olarak adlandırılan kapasiteleri gerektirir. Elektrokimyasal enerji depolama seçeneklerinden biri, elektrolizörler ve gaz tutucularla birlikte bir yakıt hücresidir*.

* Gaz tutucu [gaz + İngilizce. tutucu] - büyük miktarlarda gaz için depolama.

TE'nin ilk nesli

200...230°C sıcaklıkta sıvı yakıt, doğal gaz veya teknik hidrojen* üzerinde çalışan birinci nesil orta sıcaklıklı yakıt pilleri, en büyük teknolojik mükemmelliğe ulaşmıştır. İçlerindeki elektrolit, gözenekli karbon matrisini dolduran fosforik asittir. Elektrotlar karbondan yapılır ve katalizör platindir (platin, kilovat güç başına birkaç gram mertebesinde miktarlarda kullanılır).

* Ticari hidrojen, küçük karbon monoksit safsızlıkları içeren bir fosil yakıt dönüşüm ürünüdür.

Böyle bir elektrik santrali 1991 yılında California eyaletinde işletmeye alındı. Her biri 18 ton ağırlığında on sekiz pilden oluşur ve çapı 2 m'nin biraz üzerinde ve yüksekliği yaklaşık 5 m olan bir kutuya yerleştirilmiştir Pil değiştirme prosedürü, raylar boyunca hareket eden bir çerçeve yapısı kullanılarak düşünülmüştür.

Amerika Birleşik Devletleri Japonya'ya Japonya'ya iki santral teslim etti. Bunlardan ilki 1983'ün başlarında piyasaya sürüldü. İstasyonun operasyonel performansı hesaplananlara karşılık geldi. Nominalin %25 ila %80'i arasında bir yükle çalıştı. Verimlilik %30...37'ye ulaştı - bu, modern büyük termik santrallere yakın. Soğuk halden başlama süresi 4 saatten 10 dakikaya kadardır ve sıfırdan tama güç değişim süresi sadece 15 saniyedir.

Şimdi Amerika Birleşik Devletleri'nin farklı bölgelerinde, yaklaşık %80 yakıt kullanım faktörüne sahip 40 kW kapasiteli küçük kombine ısı ve enerji santralleri test ediliyor. 130°C'ye kadar suyu ısıtabilirler ve çamaşırhanelere, spor komplekslerine, iletişim noktalarına vb. yerleştirilebilirler. Yaklaşık yüz kurulum toplamda yüz binlerce saat çalıştı. FC enerji santrallerinin çevre dostu olmaları, doğrudan şehirlere yerleştirilmelerine olanak tanır.

4.5 MW kapasiteli New York'taki ilk yakıt santrali 1.3 hektarlık bir alanı işgal etti. Şimdi iki buçuk kat daha fazla kapasiteye sahip yeni santraller için 30x60 m boyutlarında bir sahaya ihtiyaç var ve 11 MW kapasiteli birkaç demo santral inşa ediliyor. Santralin inşaat süresi (7 ay) ve kapladığı alan (30x60 m) dikkat çekicidir. Yeni santrallerin tahmini hizmet ömrü 30 yıldır.

İkinci ve üçüncü nesil TE

En iyi özellikler Halihazırda, ikinci neslin orta sıcaklıklı yakıt hücrelerine sahip 5 MW kapasiteli modüler tesisler tasarlanmaktadır. 650...700°C sıcaklıklarda çalışırlar. Anotları sinterlenmiş nikel ve krom parçacıklarından yapılır, katotlar sinterlenmiş ve oksitlenmiş alüminyumdan yapılır ve elektrolit lityum ve potasyum karbonatların bir karışımıdır. Yüksek sıcaklık, iki ana elektrokimyasal problemin çözülmesine yardımcı olur:

katalizörün karbon monoksit tarafından "zehirlenmesini" azaltmak;
katotta oksitleyicinin indirgeme işleminin verimliliğini arttırır.
Katı oksit elektrolitli (esas olarak zirkonyum dioksit) üçüncü neslin yüksek sıcaklıklı yakıt hücreleri daha da verimli olacaktır. Çalışma sıcaklıkları 1000°C'ye kadardır. Bu tür yakıt pillerine sahip santrallerin verimi %50'ye yakındır. Burada, önemli miktarda karbon monoksit içeren taş kömürünün gazlaştırılması ürünleri de yakıt olarak uygundur. Aynı derecede önemli olan, yüksek sıcaklık tesislerinden gelen atık ısı, elektrik jeneratörleri için türbinleri çalıştırmak üzere buhar üretmek için kullanılabilir.

Vestingaus, 1958'den beri katı oksit yakıt hücresi işinde. Kömürden gaz halindeki yakıtın kullanılabileceği 25 ... 200 kW kapasiteli santraller geliştirir. Birkaç megavat kapasiteli deneysel tesisler test için hazırlanıyor. Başka bir Amerikan firması olan Engelgurd, elektrolit olarak fosforik asit ile metanol üzerinde çalışan 50 kW'lık yakıt pilleri tasarlıyor.

Tüm dünyada giderek daha fazla firma yakıt hücrelerinin yaratılmasına katılıyor. American United Technology ve Japon Toshiba, International Fuel Cells Corporation'ı kurdu. Avrupa'da, Belçika-Hollanda konsorsiyumu Elenko, Batı Alman şirketi Siemens, İtalyan Fiat ve İngiliz Jonson Metju yakıt hücreleriyle uğraşıyor.

Victor LAVRUS.

Bu materyali beğendiyseniz, okuyucularımıza göre sitemizde size en iyi materyalleri sunuyoruz. Seçim - Çevre dostu teknolojiler hakkında TOP, yeni bilim ve sizin için en uygun olanı bulabileceğiniz bilimsel keşifler

Son zamanlarda yakıt pilleri konusu herkesin dilinde. Ve bu şaşırtıcı değil, bu teknolojinin elektronik dünyasında ortaya çıkmasıyla yeni bir doğum buldu. Mikroelektronik alanındaki dünya liderleri, kendi mini enerji santrallerini entegre edecek olan gelecekteki ürünlerinin prototiplerini sunmak için yarışıyor. Bu, bir yandan mobil cihazların "sokete" bağlanmasını zayıflatmalı, diğer yandan pil ömrünü uzatmalıdır.

Ek olarak, bazıları etanol bazında çalışıyor, bu nedenle bu teknolojilerin geliştirilmesi alkollü içecek üreticileri için doğrudan fayda sağlıyor - bir düzine yıl içinde, bir sonraki "dozun" arkasında duran "BT çalışanları" kuyrukları. dizüstü bilgisayar şarap imalathanesinde sıraya girecek.

Hi-Tech endüstrisini saran yakıt hücrelerinin "ateşinden" uzak duramayız ve bu teknolojinin ne tür bir canavar olduğunu, neyle yendiğini ve ne zaman gelmesini beklememiz gerektiğini anlamaya çalışacağız. "yemek servisi". Bu materyalde, yakıt hücrelerinin bu teknolojinin keşfedildiği andan günümüze kadar kat ettiği yolu ele alacağız. Ayrıca gelecekte bunların uygulanması ve geliştirilmesi için beklentileri değerlendirmeye çalışacağız.

Nasıldı

İlk kez, bir yakıt hücresi ilkesi 1838'de Christian Friedrich Schonbein tarafından tanımlandı ve bir yıl sonra Felsefe Dergisi bu konuyla ilgili makalesini yayınladı. Ancak bunlar sadece teorik çalışmalardı. Çalışan ilk yakıt hücresi, 1843'te Gal kökenli bir bilim adamı olan Sir William Robert Grove'un laboratuvarında ışığı gördü. Mucit, onu yaratırken, modern fosforik asit pillerinde kullanılanlara benzer malzemeler kullandı. Daha sonra, Sir Grove'un yakıt hücresi W. Thomas Grub tarafından geliştirildi. 1955 yılında efsanevi General Electric Company için çalışan bu kimyager, bir yakıt hücresinde elektrolit olarak sülfonatlı bir polistiren iyon değişim zarı kullandı. Sadece üç yıl sonra, meslektaşı Leonard Niedrach, hidrojen oksidasyonu ve oksijen alımı sürecinde katalizör görevi gören membran üzerine platin döşeme teknolojisini önerdi.

Yakıt hücrelerinin "babası" Christian Schönbein

Bu ilkeler, yaratıcılarından sonra "Grubb-Nidrach" elementleri olarak adlandırılan yeni nesil yakıt hücrelerinin temelini oluşturdu. General Electric, NASA ve havacılık devi McDonnell Aircraft'ın yardımıyla ilk ticari yakıt pilinin yaratıldığı bu yönde gelişmeye devam etti. Üzerinde yeni teknoloji okyanusa dikkat etti. Ve zaten 1959'da, Briton Francis Bacon (Francis Thomas Bacon), 5 kW gücünde sabit bir yakıt hücresi tanıttı. Patentli tasarımları daha sonra Amerikalılar tarafından lisanslandı ve NASA uzay gemilerinde güç ve besleme sistemlerinde kullanıldı. içme suyu. Aynı yıl, Amerikalı Harry Ihrig ilk yakıt hücreli traktörü (toplam güç 15 kW) yaptı. Pillerde elektrolit olarak potasyum hidroksit, reaktif olarak da sıkıştırılmış hidrojen ve oksijen kullanılmıştır.

Hastaneler, üniversiteler ve iş merkezleri için yedek güç sistemleri sunan UTC Power tarafından ilk kez ticari amaçlı sabit yakıt pili üretimi devreye alındı. Bu alanda dünya lideri olan bu firma halen 200 kw'a kadar güç ile benzer çözümler üretmektedir. Aynı zamanda NASA'nın ana yakıt hücresi tedarikçisidir. Ürünleri yaygın olarak kullanılmaktadır uzay programı Apollo ve Uzay Mekiği programının bir parçası olarak hala talep görüyor. UTC Power ayrıca çok çeşitli araç uygulamaları için "tüketici tüketimi" yakıt hücreleri sunar. Proton değişim membranı kullanarak negatif sıcaklıklarda akım almaya izin veren bir yakıt hücresi yaratan ilk kişiydi.

Nasıl çalışır

Araştırmacılar, reaktif olarak çeşitli maddelerle deneyler yaptı. Bununla birlikte, önemli ölçüde farklı olmasına rağmen, yakıt pillerinin temel çalışma prensipleri performans özellikleri, değişmeden kalır. Herhangi bir yakıt hücresi, bir elektrokimyasal enerji dönüşüm cihazıdır. Belli bir miktar yakıttan (anot tarafında) ve bir oksitleyiciden (katot tarafında) elektrik üretir. Reaksiyon, bir elektrolit (serbest iyonlar içeren ve elektriksel olarak iletken bir ortam gibi davranan bir madde) varlığında ilerler. Prensip olarak, bu tür herhangi bir cihazda, elektrokimyasal reaksiyon gerçekleştirildikten sonra çıkan belirli reaktifler ve bunların reaksiyon ürünleri vardır. Bu durumda elektrolit, yalnızca reaktanların etkileşimi için bir ortam görevi görür ve yakıt hücresinde değişmez. Böyle bir şemaya dayalı olarak, ideal bir yakıt hücresi, reaksiyon için gerekli madde kaynağı olduğu sürece çalışmalıdır.

Burada yakıt pilleri geleneksel pillerle karıştırılmamalıdır. İlk durumda, daha sonra yeniden doldurulması gereken elektrik üretmek için bir miktar "yakıt" tüketilir. Galvanik hücreler durumunda, elektrik kapalı bir kimyasal sistemde depolanır. Piller söz konusu olduğunda, akım uygulamak, ters elektrokimyasal reaksiyonun gerçekleşmesine ve reaktifleri orijinal durumlarına döndürmesine izin verir (yani, şarj edin). Mümkün çeşitli kombinasyonlar yakıt ve oksitleyici. Örneğin, bir hidrojen yakıt hücresi, reaktan olarak hidrojen ve oksijen (bir oksitleyici madde) kullanır. Çoğu zaman, yakıt olarak bikarbonatlar ve alkoller kullanılır ve hava, klor ve klor dioksit oksitleyici olarak işlev görür.

Yakıt hücresinde gerçekleşen kataliz reaksiyonu, yakıttan elektron ve protonları dışarı atar ve hareket eden elektronlar bir elektrik akımı oluşturur. Yakıt hücreleri, reaksiyonu hızlandırmak için tipik olarak platin veya alaşımlarını katalizör olarak kullanır. Başka bir katalitik süreç, elektronları protonlar ve bir oksitleyici ajan ile birleştirerek geri döndürür ve reaksiyon ürünlerinin (emisyonlar) oluşmasına neden olur. Tipik olarak, bu emisyonlar basit maddeler: su ve karbondioksit.

Geleneksel bir proton değişim membranlı yakıt hücresinde (PEMFC), bir polimerik proton iletken membran, anot ve katot taraflarını ayırır. Katot tarafından hidrojen, anot katalizörüne yayılır ve burada daha sonra elektronlar ve protonlar ondan salınır. Protonlar daha sonra zardan katoda geçerler ve protonları takip edemeyen elektronlar (zar elektriksel olarak yalıtılmıştır) harici yük devresi (güç kaynağı sistemi) yoluyla yönlendirilir. Katodik katalizör tarafında oksijen, zardan geçen protonlarla ve dış yük devresinden giren elektronlarla reaksiyona girer. Bu reaksiyon sonucunda su elde edilir (buhar veya sıvı şeklinde). Örneğin, hidrokarbon yakıtları (metanol, dizel yakıtı) kullanan yakıt hücrelerinde reaksiyonların ürünleri su ve karbondioksittir.

Hemen hemen her türden yakıt pili, hem yakıt pilinin kontaklarının ve elemanlarının doğal direncinden hem de elektriksel aşırı gerilimden (ilk reaksiyonu gerçekleştirmek için gereken ek enerji) kaynaklanan elektrik kayıplarına maruz kalır. Bazı durumlarda, bu kayıpları tamamen önlemek mümkün değildir ve bazen "oyun muma değmez", ancak çoğu zaman kabul edilebilir bir minimuma indirilebilir. Bu soruna bir çözüm, güç kaynağı sisteminin gereksinimlerine bağlı olarak yakıt hücrelerinin paralel (daha yüksek akım) veya seri (daha yüksek voltaj) bağlanabileceği bu cihazların setlerinin kullanılmasıdır.

Yakıt hücresi türleri

Çok sayıda yakıt hücresi türü vardır, ancak bunlardan en yaygın olanı üzerinde kısaca durmaya çalışacağız.

Alkali yakıt hücreleri (AFC)

İngiliz "baba"larından sonra Bacon hücreleri olarak da adlandırılan alkalin veya alkalin yakıt hücreleri, en iyi gelişmiş yakıt hücresi teknolojilerinden biridir. İnsanın aya ayak basmasına yardımcı olan bu cihazlardı. Genel olarak, NASA 1960'ların ortalarından beri bu tip yakıt hücrelerini kullanıyor. AFC'ler hidrojen ve saf oksijen tüketerek içme suyu, ısı ve elektrik. Büyük ölçüde bu teknolojinin iyi geliştirilmiş olması nedeniyle, benzer sistemler arasında en yüksek verimlilik oranlarından birine sahiptir (yaklaşık %70 potansiyel).

Bununla birlikte, bu teknolojinin dezavantajları da vardır. Elektrolit olarak karbondioksiti bloke etmeyen sıvı bir alkali madde kullanmanın özellikleri nedeniyle, potasyum hidroksitin (kullanılan elektrolit seçeneklerinden biri) normal havanın bu bileşeni ile reaksiyona girmesi mümkündür. Sonuç, zehirli bir potasyum karbonat bileşiği olabilir. Bunu önlemek için ya saf oksijen kullanmak ya da havayı karbondioksitten temizlemek gerekir. Doğal olarak, bu, bu tür cihazların maliyetini etkiler. Bununla birlikte, buna rağmen, AFC'ler günümüzde üretilebilecek en ucuz yakıt hücreleridir.

Doğrudan Borhidrür Yakıt Pilleri (DBFC)

Alkali yakıt hücrelerinin bu alt tipi, yakıt olarak sodyum borohidrit kullanır. Bununla birlikte, geleneksel hidrojen AFC'lerinden farklı olarak, bu teknolojinin önemli bir avantajı vardır - karbondioksit ile temastan sonra toksik bileşikler üretme riski yoktur. Ancak reaksiyonunun ürünü, deterjan ve sabunlarda yaygın olarak kullanılan boraks maddesidir. Boraks nispeten toksik değildir.

DBFC'ler, pahalı platin katalizörleri gerektirmediği için geleneksel yakıt hücrelerinden bile daha ucuza yapılabilir. Ayrıca, daha yüksek bir enerji yoğunluğuna sahiptirler. Bir kilogram sodyum borhidrit üretiminin 50 dolara mal olduğu tahmin ediliyor, ancak seri üretimini organize edip boraks işlemeyi organize ederseniz, bu çubuk 50 kat azaltılabilir.

Metal Hidrür Yakıt Pilleri (MHFC)

Alkali yakıt hücrelerinin bu alt sınıfı şu anda aktif olarak incelenmektedir. Bu cihazların bir özelliği, hidrojeni yakıt hücresinin içinde kimyasal olarak depolama yeteneğidir. Doğrudan borhidrür yakıt hücresi aynı yeteneğe sahiptir, ancak bunun aksine, MHFC saf hidrojen ile doldurulur.

Arasında ayırt edici özellikler Bu yakıt hücreleri şunlardır:

elektrik enerjisinden şarj etme yeteneği;
düşük sıcaklıklarda çalışın - -20°C'ye kadar;
uzun raf ömrü;
hızlı "soğuk" başlangıç;
harici bir hidrojen kaynağı olmadan bir süre çalışabilme (yakıt değiştirme süresi için).

Birçok şirketin seri üretilen MHFC'lerin oluşturulması üzerinde çalışmasına rağmen, prototiplerin verimliliği rakip teknolojilerle karşılaştırıldığında yeterince yüksek değil. Bu yakıt hücreleri için en iyi akım yoğunluklarından biri, santimetre kare başına 1 amperlik bir akım yoğunluğu sağlayan geleneksel PEMFC yakıt hücreleriyle birlikte, santimetre kare başına 250 miliamperdir.

Elektro-galvanik yakıt hücreleri (EGFC)

EGFC'deki kimyasal reaksiyon, potasyum hidroksit ve oksijenin katılımıyla gerçekleşir. Bu, kurşun anot ile altın kaplama katot arasında bir elektrik akımı oluşturur. Elektro-galvanik yakıt hücresinden çıkan voltaj, oksijen miktarı ile doğru orantılıdır. Bu özellik, EGFC'nin tüplü ekipman ve tıbbi ekipmanlarda oksijen test cihazı olarak yaygın şekilde kullanılmasına olanak sağlamıştır. Ancak tam da bu bağımlılık nedeniyle, potasyum hidroksit yakıt hücrelerinin çok sınırlı bir etkin çalışma süresi vardır (oksijen konsantrasyonu yüksek olduğu sürece).

İlk sertifikalı EGFC oksijen test cihazları 2005 yılında yaygın olarak kullanılabilir hale geldi, ancak o zamanlar fazla popülerlik kazanmadı. İki yıl sonra piyasaya sürülen, önemli ölçüde değiştirilmiş bir model çok daha başarılıydı ve hatta Florida'daki özel bir dalgıç gösterisinde "yenilik" ödülü aldı. Şu anda NOAA (Ulusal Okyanus ve Atmosfer İdaresi) ve DDRC (Dalış Hastalıkları Araştırma Merkezi) gibi kuruluşlar bunları kullanıyor.

Formik asit doğrudan yakıt hücreleri (DFAFC)

Bu yakıt hücreleri, PEMFC direkt formik asit cihazlarının bir alt tipidir. Bu yakıt hücreleri, belirli özellikleri nedeniyle gelecekte dizüstü bilgisayarlar gibi taşınabilir elektronik cihazlara güç sağlamanın ana aracı haline gelme şansına sahiptir. Cep telefonları vb.

Metanol gibi, formik asit de özel bir saflaştırma aşaması olmaksızın doğrudan yakıt hücresine beslenir. Bu maddeyi depolamak, örneğin hidrojenden çok daha güvenlidir ve ayrıca, herhangi bir özel saklama koşulu sağlamak gerekli değildir: formik asit, normal sıcaklıkta bir sıvıdır. Ayrıca, bu teknolojinin doğrudan metanol yakıt hücrelerine göre iki yadsınamaz avantajı vardır. Birincisi, metanolün aksine formik asit zardan süzülmez. Bu nedenle, tanım gereği DFAFC'nin verimliliği daha yüksek olmalıdır. İkincisi, basınç düşürme durumunda, formik asit o kadar tehlikeli değildir (metanol körlüğe ve güçlü bir dozda ölüme neden olabilir).

İlginç bir şekilde, yakın zamana kadar birçok bilim insanı bu teknolojinin pratik bir geleceği olduğunu düşünmüyordu. Araştırmacıları uzun yıllar formik aside son vermeye iten sebep, önemli elektrik kayıplarına yol açan yüksek elektrokimyasal aşırı gerilimdi. Ancak son deneylerin sonuçları, bu verimsizliğin nedeninin, yakıt hücrelerinde bu amaçla geleneksel olarak yaygın olarak kullanılan platinin katalizör olarak kullanılması olduğunu göstermiştir. Illinois Üniversitesi'nden bilim adamları, diğer malzemelerle bir dizi deney yaptıktan sonra, bir katalizör olarak paladyum kullanıldığında, DFAFC'nin üretkenliğinin eşdeğer doğrudan metanol yakıt hücrelerininkinden daha yüksek olduğu ortaya çıktı. Şu anda, bu teknolojinin hakları, mikro elektronik cihazlar için Formira Power Pack ürün serisini sunan Amerikan şirketi Tekion'a aittir. Bu sistem, bir depolama pili ve gerçek yakıt hücresinden oluşan bir "dupleks"tir. Pili şarj eden kartuştaki reaktifler tükendikten sonra kullanıcı bunu yenisiyle değiştirir. Böylece "soket"ten tamamen bağımsız hale gelir. Üreticinin vaatlerine göre, teknolojinin geleneksel pillerden sadece %10-15 daha pahalı olmasına rağmen, şarjlar arasındaki süre iki katına çıkacak. Bu teknolojinin önündeki tek büyük engel, şirket tarafından desteklenmesi olabilir. orta sınıf ve birçok parametrede DFAFC'den bile daha düşük olan teknolojilerini sunan daha büyük ölçekli rakipler tarafından kolayca bunaltılabilir.

Doğrudan metanol yakıt hücreleri (DMFC)

Bu yakıt hücreleri, proton değişim membran cihazlarının bir alt kümesidir. Bir yakıt hücresine yüklenmiş metanol kullanırlar. ek temizlik. Bununla birlikte, metil alkolün depolanması çok daha kolaydır ve patlayıcı değildir (ancak yanıcıdır ve körlüğe neden olabilir). Aynı zamanda metanolün enerji kapasitesi sıkıştırılmış hidrojeninkinden önemli ölçüde yüksektir.

Bununla birlikte, metanolün membrandan süzülebilmesi gerçeğinden dolayı, DMFC'nin büyük hacimli yakıtla verimi düşüktür. Bu nedenle nakliye ve büyük kurulumlar için uygun olmasalar da, bu cihazlar mobil cihazlar için pil yedekleri olarak harikadır.

İşlenmiş metanol yakıt hücreleri (RMFC)

İşlenmiş metanol yakıt hücreleri, DMFC'lerden yalnızca, elektrik üretmeden önce metanol'ü hidrojen ve karbondioksite dönüştürmeleri bakımından farklıdır. Bu, yakıt işlemcisi adı verilen özel bir cihazda gerçekleşir. Bu ön aşamadan sonra (reaksiyon 250°C'nin üzerindeki bir sıcaklıkta gerçekleştirilir), hidrojen, su ve elektrik oluşumuyla sonuçlanan bir oksidasyon reaksiyonuna girer.

Metanolün RMFC'de kullanılması, doğal bir hidrojen taşıyıcısı olması ve yeterince düşük bir sıcaklıkta (diğer maddelere kıyasla) hidrojen ve karbondioksite ayrışabilmesinden kaynaklanmaktadır. Bu nedenle, bu teknoloji DMFC'den daha gelişmiştir. İşlenmiş metanol yakıt hücreleri daha verimli, daha kompakt ve sıfırın altındaki sıcaklıklarda çalışır.

Doğrudan etanol yakıt hücreleri (DEFC)

Proton değişim kafesine sahip yakıt hücreleri sınıfının bir başka temsilcisi. Adından da anlaşılacağı gibi, etanol yakıt hücresine ek saflaştırma veya daha basit maddelere ayrışma aşamalarını atlayarak girer. Bu cihazların ilk avantajı kullanımdır. etil alkol toksik metanol yerine. Bu, bu yakıtın geliştirilmesine çok fazla para yatırmanıza gerek olmadığı anlamına gelir.

Alkolün enerji yoğunluğu metanolden yaklaşık %30 daha fazladır. Ayrıca biyokütleden büyük miktarlarda elde edilebilir. Etanol yakıt hücrelerinin maliyetini düşürmek için alternatif bir katalizör materyali için aktif bir araştırma yürütülmektedir. Bu amaçlar için yakıt hücrelerinde geleneksel olarak kullanılan platin çok pahalıdır ve bu teknolojilerin kitlesel olarak benimsenmesinin önünde önemli bir engeldir. Bu sorunun çözümü, deneysel sistemlerde etkileyici sonuçlar gösteren demir, bakır ve nikel karışımından yapılan katalizörler olabilir.

Çinko Hava Yakıt Pilleri (ZAFC)

ZAFC, elektrik üretmek için çinkonun havadaki oksijenle oksidasyonunu kullanır. Bu yakıt hücrelerinin üretimi ucuzdur ve oldukça yüksek bir enerji yoğunluğu sağlar. Şu anda işitme cihazlarında ve deneysel elektrikli arabalarda kullanılmaktadırlar.

Anot tarafında bir elektrolit ile çinko parçacıklarının bir karışımı vardır ve katot tarafında, birbirleriyle reaksiyona giren ve hidroksil oluşturan havadan su ve oksijen (molekülü bir oksijen atomu ve bir hidrojen atomudur, aralarında kovalent bağ vardır). Hidroksil ile çinko karışımının tepkimesi sonucunda katoda giden elektronlar açığa çıkar. Bu tür yakıt hücrelerinin ürettiği maksimum voltaj 1,65 V'tur, ancak kural olarak, sisteme hava erişimini sınırlayarak yapay olarak 1,4-1,35 V'a düşürülür. Bu elektrokimyasal reaksiyonun son ürünleri çinko oksit ve sudur.

Bu teknolojiyi hem pillerde (şarj edilmeden) hem de yakıt hücrelerinde kullanmak mümkündür. İkinci durumda, anot tarafındaki hazne temizlenir ve çinko macunu ile yeniden doldurulur. Genel olarak, ZAFC teknolojisinin basit ve güvenilir piller olduğu kanıtlanmıştır. Tartışılmaz avantajları, yalnızca yakıt hücresine hava beslemesini ayarlayarak reaksiyonu kontrol etme yeteneğidir. Birçok araştırmacı, elektrikli araçlar için gelecekteki ana güç kaynağı olarak çinko-hava yakıt hücrelerini düşünüyor.

Mikrobiyal yakıt hücreleri (MFC)

Bakterilerin insanlık yararına kullanılması fikri yeni değil, ancak bu fikirlerin hayata geçmesi daha yeni yeni ortaya çıktı. Şu anda, çeşitli ürünlerin üretimi (örneğin, biyokütleden hidrojen üretimi), zararlı maddelerin nötralizasyonu ve elektrik üretimi için biyoteknolojilerin ticari kullanımı konusu aktif olarak incelenmektedir. Biyolojik yakıt hücreleri olarak da adlandırılan mikrobiyal yakıt hücreleri, bakterilerin kullanımı yoluyla elektrik üreten biyolojik bir elektrokimyasal sistemdir. Bu teknoloji, glikoz, asetat (asetik asit tuzu), bütirat (bütirik asit tuzu) veya atık su gibi maddelerin katabolizmasına (kompleks bir molekülün enerji salınımı ile daha basit bir moleküle ayrışması) dayanmaktadır. Oksidasyonları nedeniyle, anoda aktarılan elektronlar serbest bırakılır, ardından üretilen elektrik akımı iletkenden katoda akar.

Bu tür yakıt hücrelerinde, elektronların geçirgenliğini iyileştirmek için genellikle aracılar kullanılır. Sorun, aracı rolü oynayan maddelerin pahalı ve toksik olmasıdır. Ancak elektrokimyasal olarak aktif bakterilerin kullanılması durumunda mediatörlere gerek yoktur. Bu tür "vericisiz" mikrobiyal yakıt hücreleri oldukça yakın zamanda oluşturulmaya başlandı ve bu nedenle tüm özellikleri iyi çalışılmamıştır.

MFC'nin henüz üstesinden gelemediği engellere rağmen, bu teknolojinin büyük bir potansiyeli var. İlk olarak, "yakıt" bulmak zor değil. Ayrıca, günümüzde atıksu arıtımı ve birçok atığın bertarafı konusu çok ciddidir. Bu teknolojinin uygulanması bu sorunların her ikisini de çözebilir. İkincisi, teorik olarak verimliliği çok yüksek olabilir. Mikrobiyal yakıt hücresi mühendisleri için asıl sorun ve aslında bu cihazın en önemli unsuru mikroplardır. Ve araştırma için sayısız hibe alan mikrobiyologlar sevinirken, bilim kurgu yazarları da yanlış mikroorganizmaların "yayınlanmasının" sonuçları üzerine kitapların başarısını tahmin ederek ellerini ovuşturur. Doğal olarak, yalnızca gereksiz atıkları değil, aynı zamanda değerli bir şeyi de "sindirecek" bir şeyi ortaya çıkarma riski vardır. Bu nedenle, prensipte, herhangi bir yeni biyoteknolojide olduğu gibi, insanlar bakteri bulaşmış bir kutuyu ceplerinde taşıma fikrine karşı temkinlidir.

Başvuru

Sabit evsel ve endüstriyel enerji santralleri

Yakıt hücreleri, uzay araçları, uzak hava istasyonları, askeri tesisler vb. gibi çeşitli otonom sistemlerde enerji kaynağı olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Böyle bir güç kaynağı sisteminin ana avantajı, diğer teknolojilere kıyasla son derece yüksek güvenilirliğidir. Yakıt pillerinde hareketli parçaların ve herhangi bir mekanizmanın bulunmaması nedeniyle güç kaynağı sistemlerinin güvenilirliği %99,99'a ulaşabilmektedir. Ek olarak, reaktif olarak hidrojen kullanılması durumunda, uzay ekipmanı durumunda en önemli kriterlerden biri olan çok küçük bir ağırlık elde edilebilir.

Son zamanlarda konutlarda ve ofislerde yaygın olarak kullanılan kombine ısı ve güç tesisatları yaygınlaşmaktadır. Bu sistemlerin özelliği, hemen tüketilmezse su ve havayı ısıtmak için kullanılan sürekli elektrik üretmeleridir. Bu tür tesislerin elektriksel veriminin sadece %15-20 olmasına rağmen, kullanılmayan elektriğin ısı üretimi için kullanılması bu dezavantajı telafi etmektedir. Genel olarak, bu tür birleşik sistemlerin enerji verimliliği yaklaşık %80'dir. Bu tür yakıt hücreleri için en iyi reaktiflerden biri fosforik asittir. Bu üniteler %90 (%35-50 elektrik ve geri kalan termal enerji) enerji verimliliği sağlar.

Ulaşım

Yakıt hücrelerine dayalı enerji sistemleri de ulaşımda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu arada, yakıt hücrelerini araçlara ilk takanlar arasında Almanlar vardı. Böylece, böyle bir kurulumla donatılmış dünyanın ilk ticari teknesi sekiz yıl önce piyasaya çıktı. "Hydra" olarak adlandırılan ve 22 yolcu taşımak üzere tasarlanan bu küçük gemi, Haziran 2000'de Almanya'nın eski başkenti yakınlarında denize indirildi. Hidrojen (alkali yakıt hücresi), enerji taşıyan bir reaktif olarak işlev görür. Alkalin (alkali) yakıt hücrelerinin kullanımı sayesinde, tesisat -10°C'ye kadar sıcaklıklarda akım üretebilir ve tuzlu sudan "korkmaz". 5 kW'lık bir elektrik motoruyla tahrik edilen "Hydra" teknesi, 6 knot'a (yaklaşık 12 km/s) kadar hız yapabiliyor.

Tekne "Hydra"

Yakıt pilleri (özellikle hidrojenle çalışan) kara taşımacılığında çok daha yaygın hale gelmiştir. Genel olarak, hidrojen oldukça uzun bir süredir otomobil motorları için yakıt olarak kullanılmaktadır ve prensip olarak geleneksel bir içten yanmalı motor bu alternatif yakıtı kullanmak için kolayca dönüştürülebilir. Bununla birlikte, hidrojenin geleneksel yanması, hidrojen ve oksijen arasındaki kimyasal reaksiyonla elektrik üretmekten daha az verimlidir. Ve ideal olarak, hidrojen, yakıt hücrelerinde kullanılıyorsa, doğa için kesinlikle güvenli veya dedikleri gibi "çevre dostu" olacaktır, çünkü kimyasal reaksiyon sırasında "seraya" dokunan hiçbir karbondioksit veya başka madde salınmaz. Efekt".

Doğru, burada, beklendiği gibi, birkaç büyük "ama" var. Gerçek şu ki, yenilenemeyen kaynaklardan (doğal gaz, kömür, petrol ürünleri) hidrojen üretmek için birçok teknoloji, süreçlerinde büyük miktarda karbondioksit salındığından çevre dostu değildir. Teorik olarak, onu elde etmek için yenilenebilir kaynaklar kullanılırsa, hiçbir zararlı emisyon olmayacaktır. Ancak, bu durumda, maliyet önemli ölçüde artar. Birçok uzmana göre, bu nedenlerle, hidrojenin benzin veya doğal gazın yerini alma potansiyeli çok sınırlıdır. Halihazırda daha ucuz alternatifler var ve büyük olasılıkla, periyodik tablonun ilk elemanındaki yakıt hücreleri, araçlarda kitlesel bir fenomen haline gelemeyecek.

Otomobil üreticileri, bir enerji kaynağı olarak hidrojeni oldukça aktif bir şekilde deniyorlar. Bunun temel nedeni ise atmosfere zararlı emisyonlar konusunda AB'nin oldukça sert pozisyonudur. Daimler AG, Fiat ve Ford Motor Company, Avrupa'da giderek katılaşan kısıtlamaların teşvikiyle, temel modellerini benzer güç aktarma organları ile donatarak otomotiv endüstrisindeki yakıt hücrelerinin geleceğine ilişkin vizyonlarını açıkladılar. Bir diğer Avrupalı otomobil devi Volkswagen, şu anda yakıt hücreli aracını hazırlıyor. Japon ve Güney Koreli firmalar onların gerisinde kalmıyor. Ancak, herkes bu teknolojiye bahse girmiyor. Birçok kişi içten yanmalı motorları değiştirmeyi veya bunları pille çalışan elektrik motorlarıyla birleştirmeyi tercih ediyor. Toyota, Mazda ve BMW bu yolu izledi. Amerikan şirketlerine gelince, General Motors Focus modeliyle Ford'un yanı sıra birkaç yakıt hücreli araç da sundu. Tüm bu girişimler birçok devlet tarafından aktif olarak teşvik edilmektedir. Örneğin, Amerika Birleşik Devletleri'nde, pazara giren yeni bir hibrit otomobilin vergilerden muaf tutulduğuna dair bir yasa vardır, bu oldukça iyi bir miktar olabilir, çünkü kural olarak bu tür otomobiller geleneksel içten yanmalı muadillerine göre daha pahalıdır. motorlar. Böylece, satın alma olarak melezler daha da çekici hale geliyor. Ancak şu an için bu yasa sadece 60.000 araçlık bir satış seviyesine ulaşana kadar pazara giren modeller için geçerli ve sonrasında fayda otomatik olarak iptal ediliyor.

Elektronik

Daha yakın zamanlarda, yakıt hücreleri dizüstü bilgisayarlarda, cep telefonlarında ve diğer mobil elektronik cihazlarda giderek daha fazla kullanılmaktadır. Bunun nedeni, uzun pil ömrü için tasarlanmış cihazların hızla artan oburluğuydu. Telefonlarda geniş dokunmatik ekranların kullanılması, güçlü ses yetenekleri ve Wi-Fi, Bluetooth ve diğer yüksek frekanslı kablosuz iletişim protokollerinin desteklenmesinin bir sonucu olarak, pil kapasitesi gereksinimleri de değişti. Ve piller, ilk cep telefonlarının ortaya çıktığı günlerden bu yana, kapasite ve kompaktlık açısından çok yol kat etmesine rağmen (aksi takdirde, bugün taraftarların iletişim işlevine sahip bu silahla stadyumlara girmesine izin verilmez), hala ayak uyduramıyorlar. ne elektronik devrelerin minyatürleştirilmesi ne de arzu edilen üreticiler ürünlerine daha fazla özellik inşa ediyor. Mevcut pillerin bir diğer önemli dezavantajı, uzun şarj süreleridir. Her şey, sahibinin özerkliğini (kablosuz İnternet, navigasyon sistemleri vb.) Artırmak için tasarlanmış bir telefon veya cep multimedya oynatıcısında ne kadar fazla özellik varsa, bu cihazın "soket" e o kadar bağımlı hale gelmesine yol açar.

Maksimum boyutlarda sınırlı olanlardan çok daha küçük olan dizüstü bilgisayarlar hakkında söylenecek bir şey yok. Uzun süredir, bir ofisten diğerine böyle bir transfer dışında, özerk çalışmaya yönelik olmayan bir ultra verimli dizüstü bilgisayar nişi oluşturulmuştur. Ve dizüstü bilgisayar dünyasının en uygun maliyetli üyeleri bile tam gün pil ömrü sunmak için mücadele ediyor. Bu nedenle, geleneksel pillere daha pahalı olmayacak ama aynı zamanda çok daha verimli bir alternatif bulma sorunu çok keskin. Ve sektörün önde gelen temsilcileri son zamanlarda bu sorunu çözüyor. Çok uzun zaman önce, ticari metanol yakıt hücreleri tanıtıldı ve toplu teslimatları gelecek yıl kadar erken başlayabilir.

Araştırmacılar bir nedenden dolayı hidrojen yerine metanol seçtiler. Metanolün depolanması çok daha kolaydır çünkü yüksek basınç veya özel sıcaklık koşulları gerektirmez. Metil alkol -97.0°C ila 64.7°C arasında bir sıvıdır. Aynı zamanda, metanolün N'inci hacminde bulunan özgül enerji, aynı hacimdeki hidrojenden daha büyük bir büyüklük sırasıdır. yüksek basınç. Mobil elektronik cihazlarda yaygın olarak kullanılan doğrudan metanol yakıt hücresi teknolojisi, metil alkol katalitik dönüştürme prosedürünü atlayarak yakıt hücresi deposunu basitçe doldurduktan sonra (dolayısıyla "doğrudan metanol" adı). Bu aynı zamanda bu teknolojinin önemli bir avantajıdır.

Bununla birlikte, beklendiği gibi, tüm bu artıların, uygulama kapsamını önemli ölçüde sınırlayan eksileri vardı. Bununla birlikte, bu teknolojinin henüz tam olarak geliştirilmediği gerçeği göz önüne alındığında, membran malzemesinden metanol "sızıntısının" neden olduğu bu tür yakıt hücrelerinin düşük verimliliği sorunu çözülmemiştir. Ayrıca, etkileyici dinamik özelliklere sahip değiller. Anotta üretilen karbondioksit ile ne yapılacağına karar vermek kolay değildir. Modern DMFC cihazları yüksek enerji üretme yeteneğine sahip değildir, ancak küçük bir madde hacmi için yüksek enerji kapasitesine sahiptirler. Bu, henüz çok fazla enerji bulunmamasına rağmen, doğrudan metanol yakıt hücrelerinin onu uzun süre üretebileceği anlamına gelir. Bu, düşük güçlerinden dolayı araçlarda doğrudan kullanım bulmalarına izin vermez, ancak pil ömrünün kritik olduğu mobil cihazlar için neredeyse ideal bir çözüm haline getirir.

Son trendler

Araçlar için yakıt pilleri uzun süredir üretilse de bu çözümler şimdiye kadar yaygınlaşmadı. Bunun için birçok nedeni vardır. Ve ana olanlar, üreticilerin ekonomik yakıt üretimini akışa alma konusundaki ekonomik uygunsuzluğu ve isteksizliğidir. Beklendiği gibi, yenilenebilir enerji kaynaklarına geçişin doğal sürecini zorlama girişimleri, iyi bir şeye yol açmadı. Tabii ki, tarım ürünleri fiyatlarındaki keskin artışın nedeni, büyük ölçüde biyoyakıtlara dönüştürülmeye başlanmasında değil, Afrika ve Asya'daki birçok ülkenin yeterli ürün üretememesinde gizlidir. Hatta ürünler için iç talebi karşılamak için.

Açıkçası, biyoyakıt kullanımının reddedilmesi, dünya gıda pazarındaki durumda önemli bir iyileşmeye yol açmayacak, aksine, uzun yıllardan beri ilk kez alan Avrupalı ve Amerikalı çiftçileri vurabilir. iyi para kazanma fırsatı. Ama bu meselenin etik yönünü bir kenara bırakmak mümkün değil, milyonlarca insan açlıktan ölürken tanklara "ekmek" doldurmak çirkindir. Bu nedenle, özellikle Avrupalı politikacılar, yenilenebilir enerji kaynaklarına geçiş stratejisinin revize edilmesiyle zaten onaylanan biyoteknoloji konusunda artık daha soğukkanlı olacaklar.

Bu durumda, mikro elektronik, yakıt pilleri için en umut verici uygulama alanı haline gelmelidir. Yakıt hücrelerinin tutunma şansının en yüksek olduğu yer burasıdır. Birincisi, cep telefonu satın alan insanlar, örneğin araba alıcılarından daha fazla deney yapmaya isteklidir. İkincisi, para harcamaya hazırlar ve kural olarak "dünyayı kurtarmaya" karşı değiller. Bu tarafından onaylanabilir Yankılanan başarı iPod Nano'nun kırmızı "Bono" versiyonu, satışından elde edilen paranın bir kısmı Kızıl Haç'a gitti.

Apple iPod Nano'nun "Bono" versiyonu

Dikkatlerini taşınabilir elektronikler için yakıt hücrelerine çevirenler arasında, daha önce yakıt hücrelerinin oluşturulmasında uzmanlaşmış ve şimdi uygulamaları için yeni bir alan açan şirketler ve önde gelen mikro elektronik üreticileri yer alıyor. Örneğin, kısa bir süre önce işini mobil elektronik cihazlar için metanol yakıt hücreleri üretmeye dönüştüren MTI Micro, 2009 yılında seri üretime başlayacağını duyurdu. Ayrıca dünyanın ilk metanol yakıt hücreli GPS cihazını tanıttı. Bu şirketin temsilcilerine göre, yakın gelecekte ürünleri geleneksel lityum iyon pillerin yerini alacak. Doğru, ilk başta ucuz olmayacaklar, ancak bu sorun herhangi bir yeni teknolojiye eşlik ediyor.

Yakın zamanda medya destekli bir cihazın DMFC varyantını sergileyen Sony gibi bir şirket için bu teknolojiler yeni, ancak gelecek vaat eden yeni bir pazarda kaybolmama konusunda ciddiler. Buna karşılık Sharp daha da ileri gitti ve yakıt hücresi prototipi ile yakın zamanda metanolün santimetre küpü başına 0,3 watt'lık özgül enerji kapasitesi için bir dünya rekoru kırdı. Hatta birçok ülkenin hükümetleri bu yakıt hücrelerini üreten firmalarla görüştü. Bu nedenle ABD, Kanada, Büyük Britanya, Japonya ve Çin'deki havaalanları, metanolün toksisitesine ve yanıcılığına rağmen, kabinde taşınmasıyla ilgili önceden mevcut kısıtlamaları iptal etti. Tabii ki buna sadece maksimum 200 ml kapasiteli sertifikalı yakıt pilleri için izin verilir. Bununla birlikte, bu, yalnızca meraklıların değil, devletlerin de bu gelişmelere olan ilgisini bir kez daha doğrulamaktadır.

Doğru, üreticiler hala güvenli davranmaya çalışıyorlar ve esas olarak yedek güç sistemi olarak yakıt hücreleri sunuyorlar. Bu tür bir çözüm, bir yakıt hücresi ve bir pilin birleşimidir: yakıt varken, pili sürekli olarak şarj eder ve bittiğinde, kullanıcı boş kartuşu yeni bir metanol kabı ile değiştirir. Bir başka popüler trend ise şarj cihazları yakıt hücreleri üzerinde. Hareket halindeyken kullanılabilirler. Aynı zamanda pilleri çok hızlı şarj edebilirler. Başka bir deyişle, gelecekte belki de herkes cebinde böyle bir "soket" taşıyacaktır. Bu yaklaşım özellikle cep telefonları için geçerli olabilir. Buna karşılık, dizüstü bilgisayarlar öngörülebilir gelecekte, "soketten" şarjı tamamen değiştirmezlerse, en azından ciddi bir alternatif haline gelen yerleşik yakıt hücrelerini alabilirler.

Böylece, yakın zamanda Japonya'daki yakıt hücresi geliştirme merkezinin inşaatına başladığını açıklayan Almanya'nın en büyük kimya şirketi BASF'nin tahminine göre, bu cihazların pazarı 2010 yılına kadar 1 milyar dolar olacak. Aynı zamanda, analistleri yakıt hücresi pazarının 2020 yılına kadar 20 milyar dolara çıkacağını tahmin ediyor. Bu arada, BASF bu merkezde taşınabilir elektronikler (özellikle dizüstü bilgisayarlar) ve sabit enerji sistemleri için yakıt hücreleri geliştirmeyi planlıyor. Bu girişimin yeri tesadüfen seçilmedi - bu teknolojilerin ana alıcıları Alman şirketi yerli firmaları görür.

Sonuç yerine

Tabii ki, yakıt hücrelerinden mevcut güç kaynağı sisteminin yerini alacakları beklenmemelidir. En azından öngörülebilir gelecek için. Bu iki ucu keskin bir kılıçtır: elektriğin tüketiciye ulaştırılmasıyla ilgili kayıpların olmaması nedeniyle taşınabilir enerji santralleri kesinlikle daha verimlidir, ancak aynı zamanda merkezi bir güç kaynağına ciddi bir rakip olabileceklerini de dikkate almaya değer. sistem yalnızca bu tesisler için merkezi bir yakıt besleme sistemi oluşturulduğunda. Yani, "soket" sonunda her eve ve her köşeye ve her köşeye gerekli reaktifleri sağlayan belirli bir boru ile değiştirilmelidir. Ve bu tamamen aynı özgürlük ve bağımsızlık değil dış kaynaklar yakıt hücresi üreticilerinin bahsettiği akım.

Bu cihazların şarj hızı şeklinde yadsınamaz bir avantajı var - sadece kameradaki metanol kartuşunu değiştirdim (aşırı durumlarda, tıpasız Jack Daniel'in kupasını) ve tekrar Louvre'un merdivenlerini atladım. Diyelim ki, normal bir telefon iki saat şarj oluyor ve 2-3 günde bir şarj edilmesi gerekecek, o zaman sadece özel mağazalarda satılan bir kartuşu değiştirme şeklinde bir alternatifin, iki haftada bir bile olsa, çok fazla olması muhtemel değildir. Birkaç yüz mililitrelik hermetik bir konteyner son tüketiciye ulaşırsa, fiyatının önemli ölçüde artması için zamana sahip olacaktır. Fiyattaki bu artışla yalnızca üretim ölçeği mücadele edebilecek, ancak Bu ölçek piyasada talep görüyor ve en uygun yakıt türü seçilene kadar bu sorunu çözmek çok zor olacak.sorunlu.

Öte yandan, geleneksel fişli şarj, yakıt hücreleri ve diğer alternatif enerji tedarik sistemlerinin (örneğin güneş panelleri) bir kombinasyonu, güç kaynaklarının çeşitlendirilmesi ve çevresel türlere geçiş sorununa çözüm olabilir. Bununla birlikte, belirli bir elektronik ürün grubu için yakıt hücreleri yaygın olarak kullanılabilir. Bu, Canon'un yakın zamanda dijital kameralar için kendi yakıt hücrelerinin patentini alması ve bu teknolojileri çözümlerine dahil etmek için bir strateji açıklamasıyla doğrulanıyor. Dizüstü bilgisayarlara gelince, yakıt hücreleri onlara yakın gelecekte ulaşırsa, büyük olasılıkla yalnızca bir yedek güç sistemi olarak. Şimdi, örneğin, esas olarak bir dizüstü bilgisayara ek olarak bağlanan harici şarj modüllerinden bahsediyoruz.

Ancak bu teknolojilerin gelişme için büyük umutları var. uzun vadeli. Özellikle önümüzdeki birkaç on yılda meydana gelebilecek petrol açlığı tehdidi ışığında. Bu koşullar altında yakıt pili üretiminin ne kadar ucuz olacağı değil, petrokimya endüstrisi ne olursa olsun onlar için yakıt üretiminin ne kadar olacağı ve ihtiyacı karşılayıp karşılayamayacağı daha önemlidir.

Nissan hidrojen yakıt hücresi

Mobil elektronikler her yıl gelişiyor, daha yaygın ve daha erişilebilir hale geliyor: PDA'lar, dizüstü bilgisayarlar, mobil ve dijital cihazlar, fotoğraf çerçeveleri vb. Bunların tümü sürekli olarak yeni özellikler, daha büyük monitörler, kablosuz iletişim, daha güçlü işlemciler ile güncellenirken, kullanım oranları azalmaktadır. boyut.. Güç teknolojileri, yarı iletken teknolojisinin aksine, sıçrama ve sınırlarla gitmez.

Endüstrinin başarılarını desteklemek için mevcut piller ve akümülatörler yetersiz kalıyor, bu nedenle alternatif kaynaklar konusu çok akut. Yakıt hücreleri açık ara en umut verici yöndür. Çalışmalarının prensibi 1839'da suyun elektrolizini değiştirerek elektrik üreten William Grove tarafından keşfedildi.

Video: Belgesel, ulaşım için yakıt hücreleri: geçmiş, şimdiki zaman, gelecek

Yakıt hücreleri, otomobil üreticilerinin ilgisini çekiyor ve yaratıcılar da onlarla ilgileniyor. uzay gemileri. 1965'te Amerika tarafından uzaya fırlatılan Gemini 5 ve daha sonra Apollo'da test edildiler. Çevre kirliliği, fosil yakıtların yanmasından kaynaklanan artan sera gazı emisyonları ile ilgili sorunların olduğu ve rezervleri de sonsuz olmayan günümüzde bile yakıt hücresi araştırmalarına milyonlarca dolar yatırım yapılıyor.

Genellikle elektrokimyasal jeneratör olarak adlandırılan bir yakıt hücresi, aşağıda açıklanan şekilde çalışır.

Akümülatörler ve piller gibi bir galvanik hücredir, ancak aktif maddelerin ayrı ayrı depolanması farkıyla. Kullanıldıkça elektrotlara gelirler. Negatif elektrotta, doğal yakıt veya ondan elde edilen, gaz halinde (örneğin hidrojen ve karbon monoksit) veya alkoller gibi sıvı olabilen herhangi bir madde yanar. Pozitif elektrotta, kural olarak oksijen reaksiyona girer.

Ancak basit görünen bir eylem ilkesini gerçeğe dönüştürmek kolay değildir.

DIY yakıt hücresi

Video: Kendin Yap hidrojen yakıt hücresi

Ne yazık ki elimizde bu yakıt elementinin nasıl görünmesi gerektiğine dair fotoğraflarımız yok, hayal gücünüz için umut ediyoruz.

Bir okul laboratuvarında bile kendi ellerinizle düşük güçlü bir yakıt hücresi yapılabilir. Eski bir gaz maskesi, birkaç parça pleksiglas, sodalı su ve sulu çözelti yakıt hücresi için "yakıt" görevi görecek etil alkol (daha basit olarak votka).

Her şeyden önce, yakıt pili için en iyi pleksiglastan yapılmış, en az beş milimetre kalınlığında bir mahfazaya ihtiyacınız var. İç bölmeler (iç kısımda beş bölme) biraz daha ince yapılabilir - 3 cm Pleksiglas yapıştırmak için aşağıdaki bileşimin yapıştırıcısı kullanılır: altı gram pleksiglas yongası yüz gram kloroform veya dikloroetan içinde çözülür (bir başlık altında çalışırlar) ).

Dış duvarda, şimdi kauçuk bir tıpa ile 5-6 santimetre çapında bir tahliye camı tüpü yerleştirmeniz gereken bir delik açmanız gerekiyor.

Periyodik tabloda sol alt köşede en aktif metallerin olduğunu ve yüksek aktiviteli metaloidlerin tablonun sağ üst köşesinde olduğunu herkes bilir, yani. elektron verme yeteneği yukarıdan aşağıya ve sağdan sola doğru artar. Tablonun merkezinde, belirli koşullar altında metaller veya metaloidler olarak kendini gösterebilen elementler bulunur.

Şimdi gaz maskesinden ikinci ve dördüncü bölmelere döküyoruz. Aktif karbon elektrot görevi görecek (birinci bölüm ile ikinci ile üçüncü ve dördüncü arasında). Kömür deliklerden dökülmemesi için naylon bir kumaşa yerleştirilebilir (kadın naylon çorapları yapacaktır). AT

Yakıt ilk odada dolaşacak, beşinci odada bir oksijen tedarikçisi olmalı - hava. Elektrotlar arasında bir elektrolit olacak ve hava odasına sızmasını önlemek için benzinde bir parafin çözeltisi ile ıslatılması gerekiyor (2 gram parafinin yarım bardak benzine oranı) dördüncü odayı hava elektroliti için kömürle doldurmadan önce. Bir kömür tabakasına, tellerin lehimlendiği bakır plakaları (hafifçe bastırarak) koymanız gerekir. Bunlar aracılığıyla akım elektrotlardan yönlendirilecektir.

Sadece elemanı şarj etmek için kalır. Bunun için 1: 1 oranında suyla seyreltilmesi gereken votka gereklidir. Sonra dikkatlice üç yüz ila üç yüz elli gram kostik potasyum ekleyin. Elektrolit için 70 gram kostik potasyum 200 gram suda çözülür.

Yakıt hücresi test için hazırdır.Şimdi aynı anda ilk odaya yakıt ve üçüncü odaya elektrolit dökmeniz gerekiyor. Elektrotlara bağlı bir voltmetre 07 volttan 0,9'a kadar göstermelidir. Elemanın sürekli çalışmasını sağlamak için, kullanılmış yakıtı boşaltmak (bir bardağa boşaltmak) ve yeni yakıt eklemek (kauçuk bir borudan) gereklidir. Besleme hızı, tüp sıkılarak kontrol edilir. Bir yakıt hücresinin çalışması, gücü anlaşılır şekilde küçük olan laboratuvar koşullarında böyle görünür.

Video: Evde yakıt hücresi veya sonsuz pil

Gücü arttırmak için bilim adamları uzun süredir bu problem üzerinde çalışıyorlar. Aktif geliştirme çeliği üzerinde metanol ve etanol yakıt hücreleri yer almaktadır. Ama ne yazık ki, şu ana kadar bunları uygulamaya koymanın bir yolu yok.

Yakıt hücresi neden alternatif bir güç kaynağı olarak seçiliyor?

Hidrojen yanmasının son ürünü su olduğu için alternatif bir güç kaynağı olarak bir yakıt hücresi seçilmiştir. Sorun sadece hidrojen üretmenin ucuz ve verimli bir yolunu bulmakta. Hidrojen jeneratörlerinin ve yakıt hücrelerinin geliştirilmesine yatırılan devasa fonlar meyvelerini vermekte başarısız olamaz, bu nedenle teknolojik atılım ve günlük hayatta gerçek kullanımları sadece bir zaman meselesidir.

Zaten bugün otomotiv endüstrisinin canavarları: General Motors, Honda, Dreimler Koisler, Ballard, 50 kW'a kadar güce sahip yakıt hücreleriyle çalışan otobüsleri ve arabaları sergiliyor. Ancak güvenlik, güvenilirlik ve maliyetle ilgili sorunlar henüz çözülmedi. Daha önce de belirtildiği gibi, geleneksel güç kaynaklarından farklı olarak - piller ve piller, bu durumda oksitleyici ve yakıt dışarıdan sağlanır ve yakıt hücresi, yakıtı yakmak ve salınan enerjiyi elektriğe dönüştürmek için devam eden reaksiyonda yalnızca bir aracıdır. . “Yanma”, yalnızca eleman, dizel elektrik jeneratörü gibi, ancak jeneratör ve dizel olmadan ve ayrıca gürültü, duman ve aşırı ısınma olmadan yüke akım verirse meydana gelir. Aynı zamanda, ara mekanizmalar olmadığından verimlilik çok daha yüksektir.

Video: Hidrojen yakıt hücreli araba

Nanoteknolojilerin ve nanomalzemelerin kullanımına büyük umutlar bağlanıyor Bu, yakıt hücrelerini minyatürleştirmeye yardımcı olurken, güçlerini arttırır. Membranları olmayan yakıt hücresi tasarımlarının yanı sıra ultra verimli katalizörlerin oluşturulduğuna dair raporlar var. İçlerinde, oksitleyici ile birlikte, elemana yakıt (örneğin metan) verilir. Suda çözünmüş oksijenin oksitleyici bir ajan olarak kullanıldığı ve kirli sularda biriken organik safsızlıkların yakıt olarak kullanıldığı çözümler ilginçtir. Bunlar sözde biyoyakıt hücreleridir.

Uzmanlara göre yakıt pilleri önümüzdeki yıllarda kitle pazarına girebilir