קטגוריות: מאמרים מוצגים » חדשות חשמליות מעניינות
מספר צפיות: 51203
הערות לכתבה: 7
מהם תאי דלק
אלקטרוניקה ניידת כל שנה, אם לא חודש, הופכת לנגישה ונפוצה יותר. כאן יש לכם מחשבים ניידים, מחשבי כף יד, ומצלמות דיגיטליות, וטלפונים ניידים, וטון של כל מיני מכשירים שימושיים ולא כל כך. וכל המכשירים הללו רוכשים ברציפות תכונות חדשות, מעבדים חזקים יותר, מסכי צבע גדולים, תקשורת אלחוטית, ובו בזמן יורדים בגודל. אבל בניגוד לטכנולוגיות מוליכים למחצה, טכנולוגיות הכוח של כל המניידים הניידים הללו אינן עוברות קפיצות מדרגה.
סוללות נטענות סוללות קונבנציונאליות אינן מספיקות בכדי להניע את ההתקדמות האחרונה בתעשיית האלקטרוניקה למשך פרק זמן משמעותי. וללא סוללות אמינות וקיבולות, כל המשמעות של הניידות והאלחוטיות הולכת לאיבוד. אז ענף המחשבים עובד יותר ויותר באופן פעיל על הבעיה ספקי כוח חלופיים. והכיוון הכי מבטיח, כיום, הוא תאי דלק.
העיקרון הבסיסי להפעלת תאי דלק התגלה על ידי המדען הבריטי סר וויליאם גרוב בשנת 1839. הוא ידוע כאביו של תא הדלק. ויליאם גרוב ייצר חשמל על ידי שינוי אלקטרוליזה של מים כדי לחלץ מימן וחמצן. לאחר ניתוק הסוללה מהתא האלקטרוליטי, הופתע גרוב לגלות שהאלקטרודות החלו לספוג את הגז המשוחרר ולייצר זרם. פתיחת תהליך בעירה קר אלקטרוכימית של מימן אירוע בתחום האנרגיה הפך משמעותי, ובעתיד אלקטרוכימאים ידועים כמו אוסטוולד ונרנסט מילאו תפקיד גדול בפיתוח היסודות התיאורטיים וביישום המעשי של תאי דלק וניבאו עתיד גדול עבורם.
את עצמו המונח "תא דלק" (תא דלק) הופיע מאוחר יותר - הוצע בשנת 1889 על ידי לודוויג מונד וצ'רלס לנגר, שניסו ליצור מכשיר לייצור חשמל מאוויר וגז פחם.
במהלך בעירה רגילה חמצן מחמצן דלקים מאובנים, והאנרגיה הכימית של הדלק מומרת באופן לא יעיל לאנרגיה תרמית. אך התברר כי ניתן היה לבצע את תגובת החמצון, למשל, מימן עם חמצן, במדיום אלקטרוליט ובנוכחות אלקטרודות לקבלת זרם חשמלי. לדוגמא, אספקת מימן לאלקטרודה שנמצאת במדיום אלקליין, אנו משיגים אלקטרונים:
2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-
העוברים במעגל חיצוני עוברים לאלקטרודה ההפוכה, שאליה נכנס החמצן והיכן מתרחשת התגובה: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-
ניתן לראות כי התגובה המתקבלת 2H2 + O2 → H2O זהה בזמן בעירה רגילה, אך בתא הדלק, או בכל דרך אחרת, בתוך גנרטור אלקטרוכימי, מתברר זרם חשמלי ביעילות גבוהה וחום באופן חלקי. שים לב לכך פחם, חד חמצני, אלכוהולים, הידרזין, חומרים אורגניים אחרים יכולים לשמש גם כדלק בתאי דלק, ואוויר, מי חמצן, כלור, ברום, חומצה חנקתית וכו 'יכולים לשמש כחומרים מחמצנים.
התפתחות תאי דלק נמשכה במרץ הן בחו"ל והן ברוסיה, ובהמשך בברית המועצות. בין המדענים שתרמו תרומה רבה לחקר תאי הדלק, אנו מזכירים את V. Zhako, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordes. באמצע המאה הקודמת החלה תקיפה חדשה בבעיות בתאי הדלק. זה נובע בחלקם מהופעתם של רעיונות, חומרים וטכנולוגיות חדשים כתוצאה ממחקר ביטחוני.
אחד המדענים שעשו צעד חשוב בפיתוח תאי דלק היה פ 'מ' ספירידונוב. יסודות מימן וחמצן של ספירידונוב נתן צפיפות זרם של 30 mA / cm2, שבאותה תקופה נחשב להישג גדול.בשנות הארבעים, O. Davtyan יצר מתקן לשריפה אלקטרוכימית של גז גנרטור שהתקבל בגיזוז פחם. עם כל מטר מעוקב של נפח האלמנטים, דויטאן קיבל 5 קילוואט כוח.
זה היה תא דלק אלקטרוליטי מוצק ראשון. הייתה לו יעילות גבוהה, אך עם הזמן הפך האלקטרוליט לבלתי שמיש, וצריך היה לשנות אותו. בהמשך, בסוף שנות החמישים, יצר דווטיאן מתקן עוצמתי שהניע את הטרקטור. באותן שנים, המהנדס האנגלי T. Bacon עיצב ובנה מצבר לתא דלק בהספק כולל של 6 קילוואט ויעילות של 80%, שפעל על מימן וחמצן טהור, אך יחס הכוח למשקל הסוללה היה קטן מדי - אלמנטים כאלה לא היו מתאימים לשימוש מעשי וגם יקרים.
בשנים שלאחר מכן חלף זמן הבודדים. יוצרי החלליות התעניינו בתאי דלק. מאז אמצע שנות ה -60 הושקעו מיליוני דולרים במחקר תאי דלק. עבודתם של אלפי מדענים ומהנדסים אפשרה להגיע לרמה חדשה, ובשנת 1965. תאי דלק נבדקו בארצות הברית בספינת החלל Gemini 5, ובהמשך בספינות אפולו לטיסות לירח ותחת תוכנית המעבורת.
בברית המועצות פותחו תאי דלק ב- NPO Kvant, גם לשימוש בחלל. בשנים ההן כבר הופיעו חומרים חדשים - אלקטרוליטים פולימריים מוצקים על בסיס ממברנות חילופי יונים, סוגים חדשים של זרזים, אלקטרודות. ובכל זאת, צפיפות הזרם העובד הייתה קטנה - בטווח של 100-200 mA / cm2, ותכולת הפלטינה באלקטרודות הייתה מספר גרם / ס"מ. היו בעיות רבות הקשורות בעמידות, ביציבות ובביטחון.
השלב הבא של התפתחות מהירה של תאי דלק החל בשנות ה -90. המאה שעברה ונמשכת כעת. זה נגרם על ידי הצורך במקורות אנרגיה יעילים חדשים, שמצד אחד נובעים מהבעיה הסביבתית הגלובלית של פליטת גזי החממה ההולכת וגוברת משריפת דלקים מאובנים ומצד שני דלדול דלקים כאלה. מכיוון שמים הם התוצר הסופי של בעירה במימן בתא דלק, הם נחשבים לנקיים ביותר מבחינת ההשפעה הסביבתית. הבעיה העיקרית היא רק למצוא דרך יעילה וזולה לייצר מימן.
מיליארדי השקעות כספיות בפיתוח תאי דלק ומחוללי מימן צריכות להביא לפריצת דרך טכנולוגית ולהפוך את השימוש בהן בחיי היומיום למציאות: בתאי טלפון סלולרי, במכוניות, בתחנות כוח. ענקי מכוניות כמו באלארד, הונדה, דיימלר קרייזלר, ג'נרל מוטורס מדגימים כבר מכוניות ואוטובוסים העוברים על תאי דלק של 50 קילוואט. מספר חברות התפתחו מפעלי הפגנת תא דלק אלקטרוליט דלק מוצק עד 500 קילוואט. אך למרות פריצת דרך משמעותית בשיפור הביצועים של תאי דלק, עדיין יש לפתור בעיות רבות הקשורות בעלויות, אמינותם ובטיחותם.
בתא דלק, שלא כמו סוללות ומצברים, גם דלק וגם מחמצן מסופקים אליו מבחוץ. תא הדלק הוא רק מתווך בתגובה ובתנאים אידיאליים הוא יכול היה לעבוד כמעט לנצח. היופי של הטכנולוגיה הזו הוא זה למעשה, דלק נשרף באלמנט והאנרגיה המשוחררת מומרת ישירות לחשמל. עם בעירה ישירה של דלק, הוא מתחמצן על ידי חמצן, והחום שנוצר בתהליך זה משמש להשלמת עבודה מועילה.
בתא דלק, כמו בסוללות, התגובות של חמצון הדלק והפחתת החמצן מופרדות במרחב, ותהליך ה"שרוף "מתרחש רק אם התא מעביר זרם לעומס. זה כמו גנרטור דיזל, רק ללא דיזל וגנרטור. וגם ללא עשן, רעש, התחממות יתר ויעילות גבוהה בהרבה. האחרון מוסבר על ידי העובדה כי ראשית, אין מכשירים מכניים ביניים ושנית, תא הדלק אינו מנוע חום ולכן אינו מציית לחוק קרנו (כלומר יעילותו אינה נקבעת על ידי הפרש הטמפרטורה).
חמצן משמש כחומר מחמצן בתאי דלק. יתר על כן, מכיוון שחמצן מספיק די באוויר, אין צורך לדאוג לאספקת חומר חמצון. באשר לדלק, זה מימן. אז התגובה מתרחשת בתא הדלק:
2H2 + O2 → 2H2O + חשמל + חום.
התוצאה היא אנרגיה מועילה ואדי מים. הפשוט ביותר בעיצובו הוא תא דלק ממברנה מחליפה פרוטון (ראה איור 1). זה עובד כדלקמן: המימן שנכנס אל היסוד מתפרק תחת פעולת הזרז לאלקטרונים ויוני מימן H +. ואז קרום מיוחד נכנס לפעולה, שמשמש כאן כאלקטרוליט בסוללה קונבנציונאלית. בשל ההרכב הכימי שלה, הוא מעביר פרוטונים בעצמו, אך הוא לוכד אלקטרונים. כך האלקטרונים המצטברים על האנודה יוצרים מטען שלילי עודף, ויוני מימן יוצרים מטען חיובי על הקתודה (המתח על היסוד הוא בערך 1V).
ליצירת עוצמה גבוהה, תא דלק מורכב מכמות רב של תאים. אם אתה כולל אלמנט בעומס, האלקטרונים זורמים דרכו לקתודה ויוצרים זרם ומשלים את תהליך חמצון המימן על ידי חמצן. כזרז בתאי דלק מסוג זה משתמשים בדרך כלל בחלקיקי מיקרו-פלטינה המופקדים על סיבי פחמן. בשל מבנהו, זרז כזה מעביר היטב גז וחשמל. הממברנה עשויה בדרך כלל מפולימר נאפיון המכיל גופרית. עובי הממברנה שווה לעשירית מילימטר. במהלך התגובה כמובן משתחרר גם חום, אך לא כל כך, ולכן טמפרטורת העבודה נשמרת בטווח של 40-80 מעלות צלזיוס.
איור 1. עקרון הפעולה של תא הדלק
ישנם סוגים אחרים של תאי דלק, הנבדלים זה מזה בעיקר בסוג האלקטרוליט המשמש. כמעט כולם דורשים מימן כדלק, ולכן עולה שאלה הגיונית: היכן משיגים אותה. כמובן שניתן יהיה להשתמש במימן דחוס מצילינדרים, אך מיד יש בעיות הקשורות בהובלה ואחסון של גז דליק מאוד זה בלחץ גבוה. כמובן שתוכלו להשתמש במימן בצורה כבולה כמו בסוללות הידריד מתכת. אך עדיין, המשימה נותרה מהוצאתה ותובלה, מכיוון שתשתיות של תחנות דלק מימן אינן קיימות.
עם זאת, יש גם פיתרון - דלק פחמימני נוזלי יכול לשמש כמקור למימן. לדוגמה, אתיל או מתיל אלכוהול. נכון, כבר נדרש כאן מכשיר נוסף מיוחד - ממיר דלק, שממיר אלכוהולים לתערובת של H2 וגזי CO2 בגובה טמפרטורה גבוהה (עבור מתנול זה יהיה איפשהו סביב 240 מעלות צלזיוס). אבל במקרה זה כבר קשה יותר לחשוב על ניידות - מכשירים כאלה משמשים היטב כ נייחים או אלטרנטוריות לרכבאבל עבור ציוד נייד קומפקטי אתה צריך משהו פחות מסורבל.
וכאן אנו מגיעים למכשיר ההוא, שפיתוחו כמעט כל יצרני האלקטרוניקה הגדולים עוסקים בכוח נורא - תא דלק מתנול (איור 2).
איור 2. עקרון פעולת תא הדלק על מתנול
ההבדל המהותי בין אלמנטים למילוי מימן ומתנול הוא הזרז המשמש. הזרז בתא הדלק של מתנול מאפשר להסיר פרוטונים ישירות ממולקולת האלכוהול.לפיכך, סוגיית הדלק נפתרת - מתיל אלכוהול מיוצר המוני לתעשייה הכימית, קל לאחסון ולהובלה, ולהטעין תא דלק מתנול, די פשוט להחליף את המחסנית בדלק. נכון, יש מינוס אחד משמעותי - מתנול רעיל. בנוסף, היעילות של תא דלק מתנול נמוכה משמעותית מזו של תא מימן.
איור. 3. תא דלק מתנול
האפשרות המפתה ביותר היא להשתמש באלכוהול אתילי כדלק, מכיוון שהייצור וההפצה של משקאות אלכוהוליים מכל הרכב ועוצמה מבוססים היטב על פני הגלובוס. עם זאת, יעילותם של תאי דלק אתנול, למרבה הצער, אף נמוכה מזו של מתנול.
כפי שכבר צוין לאורך שנים רבות של פיתוח בתחום תאי הדלק, נבנו סוגים שונים של תאי דלק. תאי דלק מסווגים לפי אלקטרוליט וסוג הדלק.
1. אלקטרוליט פולימרים מוצקים מימן-חמצן.
2. תאי דלק מתנול פולימרים מוצקים.
3. אלמנטים על אלקטרוליט אלקליין.
4. תאי דלק חומצה זרחתית.
5. תאי דלק על קרבונט מותך.
6. תאי דלק תחמוצת מוצקה.
באופן אידיאלי, היעילות של תאי דלק היא גבוהה מאוד, אך בתנאים אמיתיים ישנם הפסדים הקשורים לתהליכים שאינם בעלי חלוקת-משקל, כמו הפסדים אוהם בגלל המוליכות של האלקטרוליט והאלקטרודות, הפעלת וקיטוב ריכוז, הפסדי דיפוזיה. כתוצאה מכך, חלק מהאנרגיה הנוצרת בתאי הדלק הופכת לחום. מאמצי המומחים מכוונים להפחתת הפסדים אלה.
המקור העיקרי להפסדים אוחמיים, כמו גם הסיבה למחיר הגבוה של תאי הדלק, הם ממברנות חילופי-יון ממולחית. כעת אנו מחפשים פולימרים אלטרנטיביים יותר המוליכים פרוטון. מכיוון שהמוליכות של הממברנות הללו (אלקטרוליטים מוצקים) מגיעה לערך מקובל (10 אוהם / סנטימטר) רק בנוכחות מים, יש להרטיב את הגזים המסופקים לתא הדלק במכשיר מיוחד, מה שמייקר גם את המערכת. באלקטרודות דיפוזיציה של גז קטליטי משתמשים בעיקר בפלטינה וכמה מתכות אצילות אחרות, ועד כה לא נמצא שום תחליף. אמנם תכולת הפלטינה בתאי הדלק היא מספר מ"ג / ס"מ, אך עבור סוללות גדולות כמותה מגיעה לעשרות גרם.
בעת תכנון תאי דלק מוקדשת תשומת לב רבה למערכת פינוי החום, מכיוון שבצפיפות זרם גבוהה (עד 1A / cm2) המערכת מתחממת בעצמה. לקירור משתמשים במים המסתובבים בתא הדלק דרך תעלות מיוחדות, ובהספקים נמוכים משתמשים בהנשמת אוויר.
אז המערכת המודרנית של הגנרטור האלקטרוכימי, מלבד סוללת תאי הדלק עצמה, "גדלה" עם מכשירי עזר רבים, כמו: משאבות, מדחס לאספקת אוויר, כניסת מימן, מכשיר אדים לגז, יחידת קירור, מערכת בקרת דליפת גז, ממיר מתח AC לחיבור, מעבד בקרה וכו 'כל זה מוביל לכך שעלות מערכת תאי הדלק בשנים 2004-2005 הייתה 2-3 אלף דולר לקילוואט. על פי מומחים, תאי דלק יהיו זמינים לשימוש בתעבורה ובתחנות כוח נייחות במחיר של 50-100 $ / קילוואט.
להכנסת תאי דלק בחיי היומיום, יחד עם הרכיבים הזולים יותר, עליכם לצפות לרעיונות וגישות מקוריים חדשים. בפרט, תקוות גדולות קשורות לשימוש בננו-חומרים וננו-טכנולוגיה. לדוגמה, לאחרונה הודיעו כמה חברות על יצירת זרזים סופר יעילים במיוחד, עבור אלקטרודת חמצן המבוססת על אשכולות של חלקיקים מתכות שונות. בנוסף, היו דיווחים על תכנון של תאי דלק נטולי ממברנה, בהם דלק נוזלי (למשל מתנול) מועבר לתא הדלק יחד עם חומר מחמצן.מושג מעניין הוא גם התפיסה המפותחת של יסודות דלק ביולוגי הפועלים במים מזוהמים וצורכים חמצן מומס כחומר מחמצן, וזיהומים אורגניים כדלק.
על פי המומחים, תאי דלק ייכנסו לשוק ההמוני בשנים הבאות. אכן, מפתחים כובשים בעיות טכניות אחת אחרי השנייה, מדווחים על הצלחות ומציגים אבות טיפוס של תאי דלק. לדוגמה, טושיבה הדגימה תא דלק מתנול אבטיפוס מוגמר. יש לו גודל של 22x56x4.5 מ"מ ומעניק כוח בסדר גודל של 100 מגוואט. תדלוק אחד בשתי קוביות מתנול מרוכז (99.5%) מספיק ל 20 שעות עבודה של נגן MP3. טושיבה פרסמה תא דלק מסחרי לטלפונים ניידים. שוב, אותה טושיבה הדגימה אלמנט להפעלת מחשבים ניידים בגודל 275x75x40 מ"מ, מה שמאפשר למחשב לעבוד במשך 5 שעות מתדלוק יחיד.
חברה יפנית אחרת, פוג'יטסו, לא נמצאת הרחק מאחורי טושיבה. בשנת 2004 היא הציגה גם אלמנט הפועל על תמיסה מימית של 30% של מתנול. תא דלק זה עבד בתדלוק אחד ב -300 מ"ל במשך 10 שעות ובמקביל חילק עוצמה של 15 וואט.
קסיו מפתחת תא דלק בו מתבצע עיבוד מתנול לראשונה לתערובת של H2 וגזי גזי בממיר דלק מיניאטורי, ואז מוזנת לתא הדלק. במהלך ההפגנה, אב הטיפוס של קסיו סיפק כוח למחשב הנייד למשך 20 שעות.
סמסונג צוינה גם בתחום תאי הדלק - בשנת 2004 היא הדגימה את אב הטיפוס שלה 12 וואט שנועד להניע מחשב נייד. באופן כללי, סמסונג מצפה להשתמש בתאי דלק, בעיקר בסמארטפונים מהדור הרביעי.
אני חייב לומר שחברות יפניות בדרך כלל פנו באופן יסודי מאוד להתפתחות תאי דלק. עוד בשנת 2003, חברות כמו קאנון, קסיו, פוג'יטסו, היטאצ'י, סאניו, שארפ, סוני וטושיבה התאחדו יחד לפיתוח תקן תאי דלק משותף למחשבים ניידים, טלפונים ניידים, מחשבי כף יד ומכשירים אלקטרוניים אחרים. חברות אמריקאיות, שגם הן רבות בשוק זה, עובדות ברובן על פי חוזים עם הצבא ומפתחות תאי דלק להפצת חיילים אמריקאים.
הגרמנים לא נמצאים הרחק מאחור - תא הדלק החכם מוכר תאי דלק לשלטון של משרד נייד. המכשיר נקרא Smart Fuel Cell C25, יש לו מידות של 150x112x65 מ"מ והוא יכול לייצר עד 140 וואט-שעות בתחנת דלק יחידה. זה מספיק בכדי להפעיל את המחשב הנייד במשך כשבע שעות. ואז ניתן להחליף את המחסנית ותוכלו להמשיך לעבוד. גודל המחסנית עם מתנול הוא 99x63x27 מ"מ, ומשקלו 150 גרם. המערכת עצמה שוקלת 1.1 ק"ג, כך שאתה לא יכול לקרוא לזה נייד בכלל, אבל זה עדיין מכשיר שלם ונוח. החברה מפתחת גם מודול דלק להפעלת מצלמות וידאו מקצועיות.
באופן כללי, תאי דלק כמעט נכנסו לשוק האלקטרוניקה הסלולרית. היצרנים נותרים לפתור את הבעיות הטכניות האחרונות לפני שמתחילים בייצור המוני.
ראשית, יש צורך לפתור את סוגיית המזעור של תאי הדלק. אחרי הכל, ככל שתא הדלק קטן יותר, כך הוא יוכל להעניק פחות כוח - כך מפתחים כל הזמן זרזים ואלקטרודות חדשים המאפשרים, בגדלים קטנים, למקסם את משטח העבודה. כאן, בדיוק בזמן, ההתפתחויות האחרונות בתחום הננו-טכנולוגיה והננו-חומרים (למשל, צינורות-צינורות) מועילות מאוד. שוב, כדי למזער את צנרת האלמנטים (משאבות דלק ומים, מערכות קירור והמרת דלק), מתקיימים יותר ויותר התקדמות מיקרו-אלקטרונית.
הבעיה החשובה השנייה שצריך לטפל בה היא המחיר. אכן, כזרז ברוב תאי הדלק, משתמשים בפלטינה יקרה מאוד.שוב, חלק מהיצרנים מנסים להפיק את המרב מטכנולוגיית הסיליקון המפותחת כבר.
באשר לתחומים אחרים של שימוש בתאי דלק, תאי הדלק כבר ממוקמים שם היטב, אם כי הם טרם הפכו למיינסטרים בתחום האנרגיה או בתחבורה. כבר יצרני מכוניות רבים הציגו את מכוניות הקונספט שלהם המונעות על תאי דלק. בכמה ערים ברחבי העולם מסתובבים אוטובוסים עם תאי דלק. מערכות Ballard Power קנדי מייצרות מגוון גנרטורים נייחים שנעים בין 1 ל -250 קילוואט. במקביל, גנרטורים של קילוואט נועדו לספק מייד דירה אחת עם חשמל, חום ומים חמים.
ראה גם: מקורות אנרגיה חלופיים
ראה גם באתר elektrohomepro.com
: