Τι είναι τα στοιχεία καυσίμου

Τα ηλεκτρονικά κινητά κάθε χρόνο, αν όχι ένα μήνα, γίνονται πιο προσιτά και διαδεδομένα. Εδώ έχετε φορητούς υπολογιστές, PDA και ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, κινητά τηλέφωνα και έναν τόνο όλων των ειδών χρήσιμων και όχι τόσο συσκευών. Και όλες αυτές οι συσκευές αποκτούν συνεχώς νέα χαρακτηριστικά, ισχυρότερους επεξεργαστές, μεγάλες έγχρωμες οθόνες, ασύρματες επικοινωνίες, ενώ παράλληλα μειώνονται σε μέγεθος. Αλλά, σε αντίθεση με τις τεχνολογίες ημιαγωγών, οι τεχνολογίες ενέργειας όλων αυτών των κινητών θημωνιών δεν φτάνουν με άλματα.

Οι συμβατικές επαναφορτιζόμενες μπαταρίες και οι μπαταρίες σαφώς δεν επαρκούν για να τροφοδοτήσουν τις τελευταίες εξελίξεις στη βιομηχανία ηλεκτρονικών ειδών για σημαντικό χρονικό διάστημα. Και χωρίς αξιόπιστες και ευρύχωρες μπαταρίες, χάνονται όλο το σημείο της κινητικότητας και της ασύρματης λειτουργίας. Έτσι, η βιομηχανία ηλεκτρονικών υπολογιστών εργάζεται όλο και πιο ενεργά για το πρόβλημα εναλλακτικές πηγές τροφοδοσίας. Και η πιο ελπιδοφόρα, σήμερα, κατεύθυνση είναι κυψελών καυσίμου.

Η βασική αρχή της λειτουργίας των κυψελών καυσίμου ανακαλύφθηκε από τον Βρετανό επιστήμονα Sir William Grove το 1839. Είναι γνωστός ως ο πατέρας της κυψέλης καυσίμου. Ο William Grove παρήγαγε ηλεκτρική ενέργεια αλλάζοντας ηλεκτρόλυση του νερού για την εξαγωγή υδρογόνου και οξυγόνου. Αφού αποσυνδέθηκε η μπαταρία από το ηλεκτρολυτικό κύτταρο, ο Grove εξέπληξε το γεγονός ότι τα ηλεκτρόδια άρχισαν να απορροφούν το απελευθερωμένο αέριο και να παράγουν ρεύμα. Άνοιγμα διαδικασίας ηλεκτροχημική ψυχρή καύση υδρογόνου μια εκδήλωση στον ενεργειακό τομέα έγινε σημαντική και στο μέλλον τόσο γνωστοί ηλεκτροχημικοί όπως ο Ostwald και ο Nernst διαδραμάτισαν μεγάλο ρόλο στην ανάπτυξη των θεωρητικών βάσεων και την πρακτική εφαρμογή των κυψελών καυσίμου και πρόβλεψαν ένα μεγάλο μέλλον για αυτούς.

Ο ίδιος ο όρος "κυψέλη καυσίμου" (κυψέλη καυσίμου) εμφανίστηκε αργότερα - προτάθηκε το 1889 από τους Ludwig Mond και Charles Langer, οι οποίοι προσπάθησαν να δημιουργήσουν μια συσκευή για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον αέρα και το αέριο άνθρακα.

Κατά την κανονική καύση, το οξυγόνο οξείρει τα ορυκτά καύσιμα και η χημική ενέργεια του καυσίμου μετατρέπεται αναποτελεσματικά σε θερμική ενέργεια. Αλλά αποδείχθηκε ότι είναι δυνατόν να πραγματοποιηθεί η αντίδραση οξείδωσης, για παράδειγμα, υδρογόνο με οξυγόνο, σε ένα μέσο ηλεκτρολύτη και παρουσία ηλεκτροδίων για να ληφθεί ένα ηλεκτρικό ρεύμα. Για παράδειγμα, παρέχοντας υδρογόνο σε ηλεκτρόδιο που βρίσκεται σε αλκαλικό μέσο, ​​λαμβάνουμε ηλεκτρόνια:

2Η2 + 4ΟΗ- · 4Η2Ο + 4ε-

το οποίο, περνώντας από ένα εξωτερικό κύκλωμα, πηγαίνει στο αντίθετο ηλεκτρόδιο, στο οποίο εισέρχεται το οξυγόνο και όπου λαμβάνει χώρα η αντίδραση: 4e- + 02 + 2H2O → 4OH-

Μπορεί να φανεί ότι η προκύπτουσα αντίδραση 2H2 + O2 → H2O είναι η ίδια με την κανονική καύση, αλλά στην κυψέλη καυσίμου, ή αλλιώς, σε ηλεκτροχημική γεννήτρια, αποδεικνύεται ηλεκτρικό ρεύμα με υψηλή απόδοση και μερικώς θερμότητα. Σημειώστε ότι άνθρακας, μονοξείδιο του άνθρακα, αλκοόλες, υδραζίνη, άλλες οργανικές ουσίες μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμα σε κυψέλες καυσίμου και ως οξειδωτικοί παράγοντες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ο αέρας, το υπεροξείδιο του υδρογόνου, το χλώριο, το βρώμιο, το νιτρικό οξύ κλπ.

Η ανάπτυξη των κυψελών καυσίμου συνεχίστηκε έντονα τόσο στο εξωτερικό όσο και στη Ρωσία και περαιτέρω στην ΕΣΣΔ. Μεταξύ των επιστημόνων που συνέβαλαν σημαντικά στη μελέτη των κυψελών καυσίμου, αναφέρουμε τους V. Zhako, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordes. Στα μέσα του περασμένου αιώνα άρχισε μια νέα επίθεση στα προβλήματα κυψελών καυσίμου. Αυτό οφείλεται εν μέρει στην εμφάνιση νέων ιδεών, υλικών και τεχνολογιών ως αποτέλεσμα της έρευνας στον τομέα της άμυνας.

Ένας από τους επιστήμονες που έκανε ένα σημαντικό βήμα στην ανάπτυξη των κυψελών καυσίμου ήταν ο Π. Μ. Σπυρίδονο. Στοιχεία υδρογόνου-οξυγόνου του Σπυρίδονο έδωσε πυκνότητα ρεύματος 30 mA / cm2, η οποία για εκείνη την εποχή θεωρήθηκε ένα μεγάλο επίτευγμα.Στις δεκαετίες του '40, ο O. Davtyan δημιούργησε μια εγκατάσταση για την ηλεκτροχημική καύση του αερίου γεννήτριας που λαμβάνεται από την αεριοποίηση άνθρακα. Με κάθε κυβικό μέτρο όγκου στοιχείων, ο Davtyan έλαβε 5 kW ισχύος.

Αυτό ήταν πρώτη κυψέλη καυσίμου στερεών ηλεκτρολυτών. Είχε υψηλή απόδοση, αλλά με την πάροδο του χρόνου, ο ηλεκτρολύτης κατέστη άχρηστος και έπρεπε να αλλάξει. Στη συνέχεια, ο Davtyan στα τέλη της δεκαετίας του '50 δημιούργησε μια ισχυρή εγκατάσταση που οδηγεί τον ελκυστήρα. Τα ίδια χρόνια, ο αγγλικός μηχανικός T. Bacon σχεδίασε και έχτισε μια μπαταρία κυψελών καυσίμου συνολικής χωρητικότητας 6 kW και απόδοσης 80% που λειτουργούσε με καθαρό υδρογόνο και οξυγόνο, αλλά ο λόγος ισχύος προς βάρος μπαταρίας ήταν πολύ μικρός - τέτοια στοιχεία ήταν ακατάλληλα για πρακτική χρήση και πολύ αγαπημένοι.

Τα επόμενα χρόνια, έχει περάσει ο χρόνος των μοναχικών. Οι δημιουργοί του διαστημικού σκάφους ενδιαφέρθηκαν για τα στοιχεία καυσίμου. Από τα μέσα της δεκαετίας του '60, εκατομμύρια δολάρια έχουν επενδυθεί στην έρευνα για τα κύτταρα καυσίμου. Το έργο χιλιάδων επιστημόνων και μηχανικών επέτρεψε να φτάσει σε νέο επίπεδο και το 1965. τα κύτταρα καυσίμου δοκιμάστηκαν στις Ηνωμένες Πολιτείες στο διαστημόπλοιο Gemini 5 και αργότερα στα πλοία Apollo για πτήσεις στο φεγγάρι και στο πρόγραμμα Shuttle.

Στην ΕΣΣΔ αναπτύχθηκαν κύτταρα καυσίμου στο NPO Kvant, επίσης για χρήση στο διάστημα. Σε εκείνα τα χρόνια, εμφανίστηκαν ήδη νέα υλικά - ηλεκτρολυτών στερεών πολυμερών που βασίζονται σε μεμβράνες ανταλλαγής ιόντων, νέους τύπους καταλυτών, ηλεκτρόδια. Και όμως, η πυκνότητα ρεύματος εργασίας ήταν μικρή - στην περιοχή των 100-200 mA / cm2, και η περιεκτικότητα σε λευκόχρυσο στα ηλεκτρόδια ήταν αρκετά g / cm2. Υπήρχαν πολλά προβλήματα που σχετίζονται με την ανθεκτικότητα, τη σταθερότητα και την ασφάλεια.

Το επόμενο στάδιο της ταχείας ανάπτυξης των κυψελών καυσίμου ξεκίνησε στη δεκαετία του '90. τον περασμένο αιώνα και συνεχίζει τώρα. Προκαλείται από την ανάγκη για νέες αποδοτικές πηγές ενέργειας που οφείλονται, αφενός, στο παγκόσμιο περιβαλλοντικό πρόβλημα των αυξανόμενων εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου από την καύση ορυκτών καυσίμων και, αφετέρου, στην εξάντληση των εν λόγω καυσίμων. Δεδομένου ότι το νερό είναι το τελικό προϊόν της καύσης υδρογόνου σε μια κυψέλη καυσίμου, θεωρούνται τα καθαρότερα από την άποψη των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Το κύριο πρόβλημα είναι μόνο να βρούμε έναν αποτελεσματικό και φθηνό τρόπο παραγωγής υδρογόνου.

Δισεκατομμύρια χρηματοοικονομικές επενδύσεις στην ανάπτυξη κυψελών καυσίμου και γεννητριών υδρογόνου θα πρέπει να οδηγήσουν σε μια τεχνολογική πρόοδο και να κάνουν πραγματικότητα τη χρήση τους στην καθημερινή ζωή: σε κυψέλες κινητών τηλεφώνων, σε αυτοκίνητα, σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής. Ήδη, οι γίγαντες των αυτοκινήτων όπως η Ballard, η Honda, η Daimler Chrysler, η General Motors επιδεικνύουν αυτοκίνητα και λεωφορεία που κινούνται σε κυψέλες καυσίμου 50kW. Έχουν αναπτυχθεί αρκετές εταιρείες μονάδες επίδειξης κυψελών καυσίμου ηλεκτρολυτών στερεών καυσίμων μέχρι 500 kW. Όμως, παρά τη σημαντική πρόοδο στη βελτίωση της απόδοσης των κυψελών καυσίμου, είναι απαραίτητο να επιλυθούν πολλά άλλα προβλήματα που σχετίζονται με το κόστος, την αξιοπιστία και την ασφάλειά τους.

Σε μια κυψέλη καυσίμου, σε αντίθεση με τις μπαταρίες και τους συσσωρευτές, τα καύσιμα και το οξειδωτικό παρέχονται από το εξωτερικό. Η κυψέλη καυσίμου είναι μόνο ένας μεσολαβητής στην αντίδραση και κάτω από ιδανικές συνθήκες θα μπορούσε να λειτουργήσει σχεδόν για πάντα. Η ομορφιά αυτής της τεχνολογίας είναι αυτή στην πραγματικότητα, το καύσιμο καίγεται στο στοιχείο και η ενέργεια που απελευθερώνεται μετατρέπεται άμεσα σε ηλεκτρική ενέργεια. Με την άμεση καύση καυσίμου, οξειδώνεται με οξυγόνο και η θερμότητα που παράγεται σε αυτή τη διαδικασία χρησιμοποιείται για την ολοκλήρωση της χρήσιμης εργασίας.

Σε μια κυψέλη καυσίμου, όπως και στις μπαταρίες, οι αντιδράσεις της οξείδωσης καυσίμου και της μείωσης του οξυγόνου διαχωρίζονται χωρικά και η διαδικασία "καύσης" προχωράει μόνο αν η κυψέλη εκπέμπει ρεύμα στο φορτίο. Είναι σαν ντίζελ, μόνο χωρίς ντίζελ και γεννήτρια. Και επίσης χωρίς καπνό, θόρυβο, υπερθέρμανση και με πολύ υψηλότερη απόδοση. Το τελευταίο εξηγείται από το γεγονός ότι, πρώτον, δεν υπάρχουν ενδιάμεσες μηχανικές συσκευές και, δεύτερον, ότι η κυψέλη καυσίμου δεν είναι θερμική μηχανή και επομένως δεν τηρεί τον νόμο Carnot (δηλαδή, η αποτελεσματικότητά της δεν καθορίζεται από τη διαφορά θερμοκρασίας).

Το οξυγόνο χρησιμοποιείται ως οξειδωτικό μέσο σε κυψέλες καυσίμου. Επιπλέον, δεδομένου ότι το οξυγόνο είναι αρκετό στον αέρα, δεν χρειάζεται να ανησυχείτε για την παροχή ενός οξειδωτικού παράγοντα. Όσον αφορά τα καύσιμα, είναι υδρογόνο. Έτσι, η αντίδραση συμβαίνει στην κυψέλη καυσίμου:

2H2 + O2 → 2H2O + ηλεκτρική ενέργεια + θερμότητα.

Το αποτέλεσμα είναι χρήσιμη ενέργεια και υδρατμοί. Το πιο απλό στο σχεδιασμό του είναι κυψέλης καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (βλ. σχήμα 1). Λειτουργεί ως εξής: το υδρογόνο που εισέρχεται στο στοιχείο αποσυντίθεται κάτω από τη δράση του καταλύτη σε ηλεκτρόνια και θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου Η +. Στη συνέχεια μπαίνει σε λειτουργία μια ειδική μεμβράνη, που ενεργεί εδώ ως ηλεκτρολύτης σε συμβατική μπαταρία. Λόγω της χημικής σύνθεσής του, περνά πρωτόνια από μόνα τους, αλλά παγιδεύει ηλεκτρόνια. Έτσι, τα ηλεκτρόνια που συσσωρεύονται στην άνοδο δημιουργούν ένα υπερβολικό αρνητικό φορτίο και τα ιόντα υδρογόνου δημιουργούν ένα θετικό φορτίο στην κάθοδο (η τάση στο στοιχείο είναι περίπου 1V).

Για τη δημιουργία υψηλής ισχύος, μια κυψέλη καυσίμου συναρμολογείται από μια πλειάδα κυψελών. Εάν συμπεριλάβετε ένα στοιχείο στο φορτίο, τότε τα ηλεκτρόνια ρέουν μέσω αυτού στην κάθοδο, δημιουργώντας ένα ρεύμα και ολοκληρώνοντας τη διαδικασία οξείδωσης του υδρογόνου με οξυγόνο. Ως καταλύτης σε τέτοια στοιχεία καυσίμου, τυπικά χρησιμοποιούνται μικροσωματίδια λευκοχρύσου εναποτιθέμενα σε ίνες άνθρακα. Λόγω της δομής του, ένας τέτοιος καταλύτης περνά καλά το φυσικό αέριο και τον ηλεκτρισμό. Η μεμβράνη τυπικά κατασκευάζεται από πολυμερές Nafion που περιέχει θείο. Το πάχος της μεμβράνης είναι ίσο με τα δέκατα του χιλιοστού. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, φυσικά, απελευθερώνεται επίσης θερμότητα, αλλά δεν είναι τόσο πολύ, έτσι ώστε η θερμοκρασία λειτουργίας να διατηρείται στην περιοχή των 40-80 ° C.

Εικ. 1. Η αρχή της λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου

Υπάρχουν και άλλοι τύποι κυψελών καυσίμου, που διαφέρουν κυρίως στον τύπο ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται. Σχεδόν όλοι απαιτούν υδρογόνο ως καύσιμο, επομένως δημιουργείται ένα λογικό ερώτημα: πού να το πάρει. Φυσικά, θα ήταν δυνατό να χρησιμοποιηθεί συμπιεσμένο υδρογόνο από τους κυλίνδρους, αλλά αμέσως μετά υπάρχουν προβλήματα που σχετίζονται με τη μεταφορά και αποθήκευση αυτού του εξαιρετικά εύφλεκτου αερίου υπό υψηλή πίεση. Φυσικά, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το υδρογόνο σε δεσμευμένη μορφή όπως στις μπαταρίες μετάλλου υδριδίου. Όμως, το καθήκον παραμένει η εξόρυξη και η μεταφορά του, επειδή δεν υπάρχει υποδομή υδροηλεκτρικών σταθμών.

Ωστόσο, υπάρχει επίσης μια λύση - υγρό καύσιμο υδρογονανθράκων μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πηγή υδρογόνου. Για παράδειγμα, αιθυλική ή μεθυλική αλκοόλη. Είναι αλήθεια ότι εδώ απαιτείται μια πρόσθετη πρόσθετη συσκευή - ένας μετατροπέας καυσίμων, ο οποίος μετατρέπει τις αλκοόλες σε μίγμα αερίου H2 και CO2 σε υψηλή θερμοκρασία (για τη μεθανόλη θα είναι περίπου στους 240 ° C). Αλλά σε αυτή την περίπτωση είναι ήδη πιο δύσκολο να σκεφτούμε τη φορητότητα - τέτοιες συσκευές χρησιμοποιούνται καλά ως στατικές ή εναλλάκτες αυτοκινήτουΑλλά για τον συμπαγή κινητό εξοπλισμό χρειάζεστε κάτι λιγότερο δυσκίνητο.

Και εδώ ερχόμαστε σε αυτή τη συσκευή, την ανάπτυξη της οποίας σχεδόν όλοι οι μεγαλύτεροι κατασκευαστές ηλεκτρονικών συσκευών ασχολούνται με τρομερή δύναμη - μεθανόλης (εικόνα 2).

Εικ. 2. Η αρχή της λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου σε μεθανόλη

Η βασική διαφορά μεταξύ των στοιχείων πλήρωσης υδρογόνου και μεθανόλης είναι ο χρησιμοποιούμενος καταλύτης. Ο καταλύτης στην κυψέλη καυσίμου μεθανόλης επιτρέπει την απομάκρυνση πρωτονίων απευθείας από το μόριο αλκοόλης.Έτσι, λύνεται το ζήτημα των καυσίμων - η αλκοόλη με μέταλλα παράγεται μαζικά για τη χημική βιομηχανία, είναι εύκολο να αποθηκευτεί και να μεταφερθεί και να φορτιστεί μια κυψέλη καυσίμου μεθανόλης, αρκεί απλώς να αντικατασταθεί η κασέτα με καύσιμο. Είναι αλήθεια ότι υπάρχει ένα σημαντικό μείον - η μεθανόλη είναι τοξική. Επιπλέον, η απόδοση ενός κυψέλης καυσίμου μεθανόλης είναι σημαντικά χαμηλότερη από εκείνη ενός υδρογόνου.

Το Σχ. 3. Μέταλλο καυσίμου μεθανόλης

Η πιο δελεαστική επιλογή είναι η χρήση αιθυλικής αλκοόλης ως καυσίμου, δεδομένου ότι η παραγωγή και η διανομή αλκοολούχων ποτών οποιασδήποτε σύνθεσης και αντοχής είναι καθιερωμένη σε ολόκληρο τον πλανήτη. Ωστόσο, η απόδοση των κυψελών καυσίμου αιθανόλης, δυστυχώς, είναι ακόμη χαμηλότερη από την απόδοση της μεθανόλης.

Όπως έχει ήδη αναφερθεί εδώ και πολλά χρόνια ανάπτυξης στον τομέα των κυψελών καυσίμου, έχουν κατασκευαστεί διάφοροι τύποι κυψελών καυσίμου. Τα στοιχεία καυσίμου ταξινομούνται με ηλεκτρολύτη και τύπο καυσίμου.

1. Ηλεκτρολύτης στερεού πολυμερούς υδρογόνου-οξυγόνου.

2. Κύτταρα καυσίμου στερεών πολυμερών μεθανόλης.

3. Στοιχεία για τον αλκαλικό ηλεκτρολύτη.

4. Κύτταρα καυσίμου φωσφορικού οξέος.

5. Κύτταρα καυσίμου σε τετηγμένα ανθρακικά άλατα.

6. Κύτταρα καυσίμου στερεών οξειδίων.

Στην ιδανική περίπτωση, η απόδοση των κυψελών καυσίμου είναι πολύ υψηλή, αλλά σε πραγματικές συνθήκες υπάρχουν απώλειες που σχετίζονται με διεργασίες μη ισορροπίας, όπως ωμικές απώλειες λόγω της αγωγιμότητας του ηλεκτρολύτη και των ηλεκτροδίων, πόλωση ενεργοποίησης και συγκέντρωσης, απώλειες διάχυσης. Ως αποτέλεσμα αυτού, μέρος της ενέργειας που παράγεται στα κύτταρα καυσίμου μετατρέπεται σε θερμότητα. Οι προσπάθειες των ειδικών στοχεύουν στη μείωση αυτών των ζημιών.

Η κύρια πηγή ωμικών ζημιών, καθώς και ο λόγος για την υψηλή τιμή των κυψελών καυσίμου, είναι οι υπερφθοριωμένες μεμβράνες ανταλλαγής ιόντων σουλφογόνου. Τώρα ψάχνουμε για εναλλακτικά, φθηνότερα πρωτόνια-αγώγιμα πολυμερή. Δεδομένου ότι η αγωγιμότητα αυτών των μεμβρανών (στερεοί ηλεκτρολύτες) φθάνει σε αποδεκτή τιμή (10 Ohm / cm) μόνο παρουσία νερού, τα αέρια που τροφοδοτούνται στη κυψέλη καυσίμου πρέπει να υγραίνονται επιπρόσθετα σε ειδική συσκευή, πράγμα που καθιστά το σύστημα ακριβότερο. Στα καταλυτικά ηλεκτρόδια διάχυσης αερίου, κυρίως πλατίνα και ορισμένα άλλα ευγενή μέταλλα χρησιμοποιούνται και μέχρι στιγμής δεν βρέθηκε καμία αντικατάσταση. Αν και η περιεκτικότητα σε λευκόχρυσα των κυψελών καυσίμου είναι αρκετά mg / cm2, για τις μεγάλες μπαταρίες η ποσότητα τους φθάνει σε δεκάδες γραμμάρια.

Κατά το σχεδιασμό των κυψελών καυσίμου, δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στο σύστημα απομάκρυνσης θερμότητας, καθώς σε υψηλές πυκνότητες ρεύματος (έως 1A / cm2) το σύστημα θερμαίνεται αυτόνομα. Για την ψύξη χρησιμοποιείται νερό που κυκλοφορεί στο κύτταρο καυσίμου μέσω ειδικών καναλιών και σε χαμηλές χωρητικότητες χρησιμοποιείται ανατίναξη αέρα.

Έτσι, το σύγχρονο σύστημα της ηλεκτροχημικής γεννήτριας, εκτός από την ίδια την μπαταρία κυψελών καυσίμου, αναπτύσσεται με πολλές βοηθητικές συσκευές όπως: αντλίες, συμπιεστές για παροχή αέρα, είσοδο υδρογόνου, υγραντήρα αερίου, μονάδα ψύξης, σύστημα ελέγχου διαρροής αερίου, μετατροπέα DC to AC, και όλα αυτά οδηγούν στο γεγονός ότι το κόστος του συστήματος κυψελών καυσίμου κατά την περίοδο 2004-2005 ήταν 2-3 χιλ. $ / kW. Σύμφωνα με τους ειδικούς, τα κυψέλες καυσίμου θα είναι διαθέσιμα για χρήση στις μεταφορές και σε σταθερούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας σε τιμή 50-100 $ / kW.

Για την εισαγωγή κυψελών καυσίμου στην καθημερινή ζωή, μαζί με τα φθηνότερα συστατικά, πρέπει να περιμένετε νέες πρωτότυπες ιδέες και προσεγγίσεις. Συγκεκριμένα, μεγάλες ελπίδες συνδέονται με τη χρήση νανοϋλικών και νανοτεχνολογίας. Για παράδειγμα, πρόσφατα αρκετές εταιρείες ανακοίνωσαν τη δημιουργία υπερ-αποδοτικών καταλυτών, ειδικότερα, για ένα ηλεκτρόδιο οξυγόνου που βασίζεται σε συστάδες νανοσωματιδίων διαφόρων μετάλλων. Επιπλέον, έχουν αναφερθεί μελέτες σχεδιασμού κυψελών καυσίμου απαλλαγμένων από μεμβράνη στην οποία το υγρό καύσιμο (όπως η μεθανόλη) τροφοδοτείται στην κυψέλη καυσίμου μαζί με έναν οξειδωτικό παράγοντα.Μια ενδιαφέρουσα ιδέα είναι η αναπτυγμένη έννοια των στοιχείων βιοκαυσίμων που λειτουργούν σε μολυσμένα νερά και καταναλώνουν διαλυμένο οξυγόνο ως οξειδωτικό παράγοντα και οργανικές ακαθαρσίες ως καύσιμο.

Σύμφωνα με τους ειδικούς, τα κύτταρα καυσίμου θα εισέλθουν στη μαζική αγορά τα επόμενα χρόνια. Πράγματι, οι προγραμματιστές κατακτούν τεχνικά προβλήματα το ένα μετά το άλλο, αναφέρουν τις επιτυχίες και παρουσιάζουν πρωτότυπα κυψελών καυσίμου. Για παράδειγμα, η Toshiba παρουσίασε ένα ολοκληρωμένο κυψέλη καυσίμου μεθανόλης πρωτοτύπου. Έχει μέγεθος 22x56x4.5mm και δίνει δύναμη της τάξης των 100mW. Ένας ανεφοδιασμός σε 2 κύβους συμπυκνωμένης μεθανόλης (99,5%) είναι αρκετός για 20 ώρες εργασίας του MP3 player. Η Toshiba έχει κυκλοφορήσει ένα εμπορικό κελί καυσίμου για την τροφοδοσία κινητών τηλεφώνων. Και πάλι, η ίδια Toshiba έδειξε ένα στοιχείο για την τροφοδοσία φορητών υπολογιστών με μέγεθος 275x75x40mm, επιτρέποντας στον υπολογιστή να λειτουργεί για 5 ώρες από έναν μόνο ανεφοδιασμό.

Μια άλλη ιαπωνική εταιρεία, η Fujitsu, δεν απέχει πολύ από την Toshiba. Το 2004 εισήγαγε επίσης ένα στοιχείο που επενεργεί σε υδατικό διάλυμα μεθανόλης 30%. Αυτή η κυψέλη καυσίμου δούλεψε σε έναν ανεφοδιασμό σε 300 ml για 10 ώρες και ταυτόχρονα έδωσε ισχύ 15 watts.

Η Casio αναπτύσσει μια κυψέλη καυσίμου στην οποία η μεθανόλη μεταποιείται πρώτα σε ένα μείγμα αερίου H2 και CO2 σε έναν μικροσκοπικό μετατροπέα καυσίμου και στη συνέχεια τροφοδοτείται στην κυψέλη καυσίμου. Κατά τη διάρκεια της επίδειξης, το πρωτότυπο Casio παρείχε ενέργεια στο φορητό υπολογιστή για 20 ώρες.

Η Samsung σημειώθηκε επίσης στον τομέα των κυψελών καυσίμου - το 2004, παρουσίασε το πρωτότυπο 12 W που σχεδιάστηκε για να τροφοδοτήσει ένα φορητό υπολογιστή. Σε γενικές γραμμές, η Samsung αναμένει να χρησιμοποιήσει κυψέλες καυσίμου, κυρίως σε smartphones τέταρτης γενιάς.

Πρέπει να πω ότι οι ιαπωνικές εταιρείες γενικά προσέγγισαν πολύ προσεκτικά την ανάπτυξη κυψελών καυσίμου. Το 2003, εταιρείες όπως η Canon, η Casio, η Fujitsu, η Hitachi, η Sanyo, η Sharp, η Sony και η Toshiba ένωσαν τις δυνάμεις τους για να αναπτύξουν ένα κοινό πρότυπο κυψελών καυσίμου για φορητούς υπολογιστές, κινητά τηλέφωνα, PDAs και άλλες ηλεκτρονικές συσκευές. Οι αμερικανικές εταιρείες, οι οποίες είναι επίσης πολυάριθμες στην αγορά αυτή, ασχολούνται κυρίως με συμβάσεις με το στρατό και αναπτύσσουν κυψέλες καυσίμου για ηλεκτροφόρηση Αμερικανών στρατιωτών.

Οι Γερμανοί δεν απέχουν πολύ - το Smart Fuel Cell πωλεί κυψέλες καυσίμου για να τροφοδοτήσει ένα κινητό γραφείο. Η συσκευή ονομάζεται Smart Fuel Cell C25, έχει διαστάσεις 150x112x65mm και μπορεί να παράγει μέχρι 140 watts-hours σε ένα μόνο βενζινάδικο. Αυτό αρκεί για να τροφοδοτήσει το laptop για περίπου 7 ώρες. Στη συνέχεια, μπορείτε να αντικαταστήσετε την κασέτα και να συνεχίσετε να εργάζεστε. Το μέγεθος του φυσιγγίου με μεθανόλη είναι 99x63x27 mm και ζυγίζει 150g. Το ίδιο το σύστημα ζυγίζει 1,1 κιλά, έτσι δεν μπορείτε να το ονομάσετε απολύτως φορητό, αλλά εξακολουθεί να είναι μια πλήρης και βολική συσκευή. Η εταιρεία αναπτύσσει επίσης μια μονάδα καυσίμου για την τροφοδοσία επαγγελματικών βιντεοκαμερών.

Γενικά, τα κυψέλες καυσίμου έχουν σχεδόν εισέλθει στην αγορά κινητών ηλεκτρονικών. Οι κατασκευαστές αφήνονται να λύσουν τα τελευταία τεχνικά προβλήματα προτού ξεκινήσουν μαζική παραγωγή.

Πρώτον, είναι αναγκαίο να επιλυθεί το ζήτημα της μικρογράφησης κυψελών καυσίμου. Μετά από όλα, όσο μικρότερη είναι η κυψέλη καυσίμου, τόσο λιγότερη δύναμη θα μπορεί να δώσει - τόσο νέοι καταλύτες και ηλεκτρόδια αναπτύσσονται συνεχώς, επιτρέποντας σε μικρά μεγέθη να μεγιστοποιούν την επιφάνεια εργασίας. Εδώ, με την πάροδο του χρόνου, οι τελευταίες εξελίξεις στον τομέα της νανοτεχνολογίας και των νανοϋλικών (για παράδειγμα, οι νανοσωλήνες) είναι χρήσιμες. Και πάλι, για τη μικρογραφία των σωληνώσεων στοιχείων (αντλίες καυσίμου και νερού, συστήματα ψύξης και μετατροπής καυσίμων), οι μικροηλεκτρομηχανικές προόδους εφαρμόζονται όλο και περισσότερο.

Το δεύτερο σημαντικό πρόβλημα που πρέπει να αντιμετωπιστεί είναι η τιμή. Πράγματι, ένα πολύ ακριβό λευκόχρυσο χρησιμοποιείται ως καταλύτης στα περισσότερα κύτταρα καυσίμου.Και πάλι, ορισμένοι από τους κατασκευαστές προσπαθούν να αξιοποιήσουν στο έπακρο την ήδη αναπτυγμένη τεχνολογία πυριτίου.

Όσον αφορά τους άλλους τομείς χρήσης κυψελών καυσίμου, οι κυψέλες καυσίμου είναι ήδη καλά εγκατεστημένες εκεί, παρόλο που δεν έχουν γίνει ακόμα κυρίαρχοι στον ενεργειακό τομέα ή στις μεταφορές. Ήδη πολλοί κατασκευαστές αυτοκινήτων έχουν παρουσιάσει τα πρωτότυπα αυτοκίνητα που κινούνται με καύσιμα. Σε πολλές πόλεις σε όλο τον κόσμο, κυκλοφορούν λεωφορεία κυψελών καυσίμων. Η Canadian Ballard Power Systems παράγει μια σειρά σταθερών γεννητριών που κυμαίνονται από 1 έως 250 kW. Παράλληλα, οι γεννήτριες κιλοβάτ έχουν σχεδιαστεί για να παρέχουν άμεσα ένα διαμέρισμα με ηλεκτρισμό, θέρμανση και ζεστό νερό.

Δείτε επίσης: Εναλλακτικές πηγές ενέργειας