תאי דלק (גנרטורים אלקטרוכימיים) מייצגים שיטה מאוד יעילה, עמידה, אמינה וידידותית לסביבה להפקת אנרגיה. בתחילה הם שימשו רק בתעשיית החלל, אך כיום נעשה שימוש יותר ויותר בגנרטורים אלקטרוכימיים בתחומים שונים: ספקי כוח לטלפונים ניידים ולפטופים, מנועי רכב, מקורות כוח אוטונומיים למבנים ותחנות כוח נייחות. חלק מהמכשירים הללו פועלים כאב-טיפוס מעבדתי, בעוד שאחרים משמשים למטרות הדגמה או עוברים בדיקות טרום-ייצור. עם זאת, דגמים רבים כבר נמצאים בשימוש בפרויקטים מסחריים ומיוצרים בייצור המוני.

התקן

תאי דלק הם מכשירים אלקטרוכימיים המסוגלים לספק שיעור המרה גבוה של אנרגיה כימית קיימת לאנרגיה חשמלית.

מכשיר תאי הדלק כולל שלושה חלקים עיקריים:

1. סעיף ייצור חשמל;
2. מעבד;
3. שנאי מתח.

החלק העיקרי של תא הדלק הוא קטע ייצור החשמל, שהוא סוללה העשויה מתאי דלק בודדים. זרז פלטינה כלול במבנה האלקטרודות של תאי הדלק. באמצעות תאים אלה נוצר זרם חשמלי קבוע.

לאחד מהמכשירים הללו יש את המאפיינים הבאים: במתח של 155 וולט, מיוצרים 1400 אמפר. מידות הסוללה הן 0.9 מ' רוחב וגובה, ו-2.9 מ' אורך. התהליך האלקטרוכימי בו מתבצע בטמפרטורה של 177 מעלות צלזיוס, מה שמצריך חימום של הסוללה בזמן ההפעלה, כמו גם הסרת חום במהלך פעולתה. לשם כך, מעגל מים נפרד כלול בתא הדלק, והסוללה מצוידת בלוחות קירור מיוחדים.

תהליך הדלק הופך גז טבעי למימן, הנדרש לחשמל. תגובה כימית. המרכיב העיקרי של מעבד הדלק הוא הרפורמר. בו, גז טבעי (או דלק אחר המכיל מימן) מקיים אינטראקציה בלחץ גבוה ובטמפרטורה גבוהה (כ-900 מעלות צלזיוס) עם אדי מים תחת פעולת זרז ניקל.

כדי לשמור על הטמפרטורה הנדרשת של הרפורמר יש מבער. הקיטור הנדרש לרפורמה נוצר מהקונדנסט. בסוללת תאי הדלק נוצר זרם ישר לא יציב וממיר מתח משמש להמרתו.

גם בבלוק ממיר המתח יש:

• מכשירי בקרה.
• מעגלי נעילת בטיחות שמכבים את תא הדלק בזמן תקלות שונות.

עקרון הפעולה

תא ממברנת החלפת הפרוטונים הפשוטה ביותר מורכב ממברנת פולימר הממוקמת בין האנודה לקתודה, כמו גם מזרזי הקתודה והאנודה. קרום הפולימר משמש כאלקטרוליט.

• קרום חילופי הפרוטונים נראה כמו מוצק דק תרכובת אורגניתעובי קטן. קרום זה פועל כאלקטרוליט; בנוכחות מים הוא מפריד את החומר ליונים בעלי מטען שלילי וחיובי.
• חמצון מתחיל באנודה, והפחתה מתרחשת בקתודה. הקתודה והאנודה בתא PEM עשויים מחומר נקבובי; זוהי תערובת של חלקיקי פלטינה ופחמן. פלטינה פועלת כזרז, המקדם את תגובת הדיסוציאציה. הקתודה והאנודה נעשות נקבוביות כך שחמצן ומימן עוברים דרכם בחופשיות.
• האנודה והקתודה ממוקמות בין שתי לוחות מתכת, הם מספקים חמצן ומימן לקתודה ולאנודה, ומסירים אנרגיה חשמלית, חום ומים.
• דרך תעלות בלוח, מולקולות מימן נכנסות לאנודה, שם המולקולות מתפרקות לאטומים.
• כתוצאה מכימיספציה בהשפעת זרז, אטומי מימן מומרים ליוני מימן בעלי מטען חיובי H+, כלומר לפרוטונים.
• פרוטונים מתפזרים אל הקתודה דרך הממברנה, וזרימה של אלקטרונים עוברת אל הקתודה דרך מעגל חשמלי חיצוני מיוחד. מחובר אליו עומס, כלומר צרכן אנרגיה חשמלית.
• חמצן, המסופק לקתודה, נכנס עם החשיפה לתגובה כימית עם אלקטרונים מהמעגל החשמלי החיצוני ויוני מימן מממברנת חילופי הפרוטונים. כתוצאה מתגובה כימית זו מופיעים מים.

התגובה הכימית המתרחשת בסוגים אחרים של תאי דלק (למשל, עם אלקטרוליט חומצי בצורת חומצה אורתופוספורית H3PO4) זהה לחלוטין לתגובה של מכשיר עם קרום חילופי פרוטונים.

סוגים

כיום ידועים מספר סוגים של תאי דלק, הנבדלים זה מזה בהרכב האלקטרוליט המשמש:

• תאי דלק המבוססים על חומצה אורתופוספורית או זרחתית (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
• מכשירים עם קרום חילופי פרוטונים (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
• תחמוצת מוצקה תאי דלק(SOFC, Solid Oxide Fuel Cells).
• גנרטורים אלקטרוכימיים המבוססים על קרבונט מותך (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

עַל הרגע הזהגנרטורים אלקטרוכימיים המשתמשים בטכנולוגיית PAFC הפכו נפוצים יותר.

יישום

כיום, נעשה שימוש בתאי דלק במעבורת החלל, חללית לשימוש חוזר. הם משתמשים ביחידות של 12 W. הם מייצרים את כל החשמל על החללית. המים הנוצרים במהלך התגובה האלקטרוכימית משמשים לשתייה, לרבות לקירור ציוד.

גנרטורים אלקטרוכימיים שימשו גם להנעת הבוראן הסובייטית, חללית לשימוש חוזר.

תאי דלק משמשים גם במגזר האזרחי.

• מתקנים נייחים בהספק של 5–250 קילוואט ומעלה. הם משמשים כמקורות אוטונומיים לאספקת חום וכוח למבני תעשייה, ציבוריים ומגורים, ספקי כוח חירום וגיבוי, ואספקת אל פסק.
• יחידות ניידות בהספק של 1–50 קילוואט. הם משמשים לווייני חלל וספינות. נוצרים מופעים עבור עגלות גולף, כסאות גלגלים, מקררי רכבת ומטענים, תמרורים.
• מתקנים ניידים בהספק של 25–150 קילוואט. הם מתחילים לשמש בספינות צבאיות ובצוללות, כולל מכוניות וכלי רכב אחרים. אבות טיפוס כבר נוצרו על ידי ענקיות רכב כמו רנו, ניאופלן, טויוטה, פולקסווגן, יונדאי, ניסאן, VAZ, ג'נרל מוטורס, הונדה, פורד ואחרות.
• מיקרו-מכשירים בהספק של 1-500 וואט. הם מוצאים יישום במחשבי כיס מתקדמים, מחשבים ניידים, משק בית מכשירים אלקטרוניים, טלפונים ניידים, מכשירים צבאיים מודרניים.

מוזרויות

• חלק מהאנרגיה מהתגובה הכימית בכל תא דלק משתחררת כחום. נדרש קירור. במעגל חיצוני, זרימת האלקטרונים יוצרת זרם ישר המשמש לביצוע עבודה. עצירת תנועת יוני המימן או פתיחת המעגל החיצוני מובילה לעצירת התגובה הכימית.
• כמות החשמל שתאי הדלק יוצרים נקבעת לפי לחץ הגז, הטמפרטורה, הממדים הגיאומטריים וסוג תא הדלק. כדי להגדיל את כמות החשמל המופקת מהתגובה, ניתן להגדיל את תאי הדלק, אך בפועל משתמשים במספר תאים, המשולבים לסוללות.
• ניתן להפוך את התהליך הכימי בסוגים מסוימים של תאי דלק. כלומר, כאשר הפרש פוטנציאל מוחל על האלקטרודות, מים יכולים להתפרק לחמצן ומימן, שייאספו על האלקטרודות הנקבוביות. כאשר העומס מופעל, תא דלק כזה יפיק אנרגיה חשמלית.

לקוחות פוטנציאליים

נכון להיום, גנרטורים אלקטרוכימיים דורשים עלויות ראשוניות גדולות כדי לשמש כמקור האנרגיה העיקרי. עם הצגתם של ממברנות יציבות יותר עם מוליכות גבוהה, זרזים יעילים וזולים ומקורות חלופיים למימן, תאי הדלק יהפכו לאטרקטיביים מאוד מבחינה כלכלית וייושמו בכל מקום.

• מכוניות יפעלו על תאי דלק; לא יהיו מנועי בעירה פנימית כלל. מים או מימן במצב מוצק ישמשו כמקור אנרגיה. התדלוק יהיה פשוט ובטוח, והנהיגה תהיה ידידותית לסביבה - יופקו רק אדי מים.
• לכל הבניינים יהיו גנרטורים ניידים משלהם לתאי דלק.
• גנרטורים אלקטרוכימיים יחליפו את כל הסוללות ויותקנו בכל מוצרי אלקטרוניקה ומכשירי חשמל ביתיים.

יתרונות וחסרונות

לכל סוג של תא דלק יש חסרונות ויתרונות משלו. חלקם דורשים דלק באיכות גבוהה, אחרים בעלי עיצוב מורכב ודורשים טמפרטורות עבודה גבוהות.

באופן כללי, ניתן לציין את היתרונות הבאים של תאי דלק:

• בטיחות סביבתית;
• אין צורך להטעין גנרטורים אלקטרוכימיים;
• גנרטורים אלקטרוכימיים יכולים ליצור אנרגיה כל הזמן, לא אכפת להם מתנאים חיצוניים;
• גמישות בקנה מידה וניידות.

בין החסרונות הם:

• קשיים טכניים באחסון ותחבורה של דלק;
• אלמנטים לא מושלמים של המכשיר: זרזים, ממברנות וכן הלאה.

אקולוגיה של ידע מדע וטכנולוגיה: אנרגיית מימן היא אחת התעשיות היעילות ביותר, ותאי דלק מאפשרים לה להישאר בחזית הטכנולוגיות החדשניות.

תא דלק הוא מכשיר המייצר ביעילות זרם ישר וחום מדלק עשיר במימן באמצעות תגובה אלקטרוכימית.

תא דלק דומה לסוללה בכך שהוא מייצר זרם ישר באמצעות תגובה כימית. שוב, כמו סוללה, תא דלק כולל אנודה, קתודה ואלקטרוליט. עם זאת, בניגוד לסוללות, תאי דלק אינם יכולים לאגור אנרגיה חשמלית ואינם מתפרקים או דורשים חשמל לטעינה מחדש. תאי דלק יכולים לייצר חשמל ברציפות כל עוד יש להם אספקה ​​של דלק ואוויר. המונח הנכון לתיאור תא דלק מתפקד הוא מערכת של תאים, מכיוון שהיא דורשת כמה מערכות עזר כדי לתפקד כראוי.

בניגוד למחוללי חשמל אחרים כמו מנועים בעירה פנימיתאו טורבינות הפועלות על גז, פחם, מזוט וכו', תאי דלק אינם שורפים דלק. זה אומר שאין רוטורים רועשים לחץ גבוה, רעש פליטה חזק, רעידות. תאי דלק מייצרים חשמל באמצעות תגובה אלקטרוכימית שקטה. תכונה נוספת של תאי דלק היא שהם ממירים את האנרגיה הכימית של הדלק ישירות לחשמל, חום ומים.

תאי דלק יעילים ביותר ואינם מייצרים כמות גדולהגזי חממה כגון פחמן דו חמצני, מתאן ותחמוצת חנקן. תוצרי הפליטה היחידים מהפעלת תאי דלק הם מים בצורת קיטור וכמות קטנה פחמן דו חמצני, שאינו משתחרר כלל אם משתמשים במימן טהור כדלק. תאי דלק מורכבים למכלולים ולאחר מכן למודולים פונקציונליים בודדים.

עקרון הפעולה של תאי דלק

תאי דלק מייצרים חשמל וחום באמצעות תגובה אלקטרוכימית באמצעות אלקטרוליט, קתודה ואנודה.

האנודה והקתודה מופרדות על ידי אלקטרוליט המוליך פרוטונים. לאחר זרימת מימן לאנודה וחמצן לקתודה, מתחילה תגובה כימית שכתוצאה ממנה נוצר זרם חשמלי, חום ומים. על זרז האנודה מימן מולקולרימתנתק ומאבד אלקטרונים. יוני מימן (פרוטונים) מוליכים דרך האלקטרוליט אל הקתודה, בעוד אלקטרונים מועברים דרך האלקטרוליט ועוברים דרך מעגל חשמלי חיצוני, ויוצרים זרם ישר שניתן להשתמש בו להנעת ציוד. בזרז הקתודה, מולקולת חמצן מתאחדת עם אלקטרון (שמסופק מתקשורת חיצונית) ופרוטון נכנס, ויוצרת מים, שהם תוצר התגובה היחיד (בצורת אדים ו/או נוזל).

להלן התגובה המתאימה:

תגובה באנודה: 2H2 => 4H+ + 4e-
תגובה בקתודה: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
תגובה כלליתיסוד: 2H2 + O2 => 2H2O

סוגי תאי דלק

כשם שיש סוגים שונים של מנועי בעירה פנימית, ישנם סוגים שונים של תאי דלק – בחירת סוג תא הדלק המתאים תלויה ביישומו.תאי דלק מחולקים לטמפרטורה גבוהה ולטמפרטורה נמוכה. תאי דלק בטמפרטורה נמוכה דורשים מימן טהור יחסית כדלק.

זה אומר לעתים קרובות שעיבוד דלק נדרש כדי להמיר את הדלק העיקרי (כגון גז טבעי) למימן טהור. תהליך זה צורך אנרגיה נוספת ודורש ציוד מיוחד. תאי דלק בטמפרטורה גבוהה אינם זקוקים להליך הנוסף הזה, מכיוון שהם יכולים לבצע "המרה פנימית" של הדלק בשעה טמפרטורות גבוהות, מה שאומר שאין צורך להשקיע כסף בתשתית מימן.

תאי דלק קרבונט מותך (MCFC).

תאי דלק אלקטרוליט קרבונט מותך הם תאי דלק בטמפרטורה גבוהה. טמפרטורת הפעלה גבוהה מאפשרת שימוש ישיר בגז טבעי ללא מעבד דלק וגז דלק בעל ערך קלורי נמוך של דלק תהליכי ייצורוממקורות אחרים. תהליך זה פותח באמצע שנות ה-60. מאז, טכנולוגיית הייצור, הביצועים והאמינות שופרו.

פעולתו של RCFC שונה מתאי דלק אחרים. תאים אלה משתמשים באלקטרוליט העשוי מתערובת של מלחי קרבונט מותכים. כיום משתמשים בשני סוגים של תערובות: ליתיום קרבונט ואשלגן קרבונט או ליתיום קרבונט ונתרן קרבונט. כדי להמיס מלחי קרבונט ולהשיג מעלות גבוהותעקב הניידות של יונים באלקטרוליט, פעולתם של תאי דלק עם אלקטרוליט קרבונט מותך מתרחשת בטמפרטורות גבוהות (650 מעלות צלזיוס). היעילות נעה בין 60-80%.

בחימום לטמפרטורה של 650 מעלות צלזיוס, המלחים הופכים למוליך ליוני קרבונט (CO32-). יונים אלו עוברים מהקתודה לאנודה, שם הם מתחברים עם מימן ויוצרים מים, פחמן דו חמצני ואלקטרונים חופשיים. אלקטרונים אלו נשלחים דרך מעגל חשמלי חיצוני בחזרה אל הקתודה, ומייצרים זרם חשמלי וחום כתוצר לוואי.

תגובה באנודה: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
תגובה בקתודה: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
תגובה כללית של היסוד: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(קתודה) => H2O(g) + CO2(אנודה)

לטמפרטורות ההפעלה הגבוהות של תאי דלק אלקטרוליט קרבונט מותך יש יתרונות מסוימים. בטמפרטורות גבוהות, הגז הטבעי עובר רפורמה פנימית, ומבטל את הצורך במעבד דלק. בנוסף, היתרונות כוללים את היכולת להשתמש בחומרי בנייה סטנדרטיים כמו יריעות נירוסטה וזרז ניקל על האלקטרודות. ניתן להשתמש בחום הפסולת ליצירת קיטור בלחץ גבוה למגוון מטרות תעשייתיות ומסחריות.

לטמפרטורות תגובה גבוהות באלקטרוליט יש גם יתרונות. השימוש בטמפרטורות גבוהות דורש זמן משמעותי להשגת תנאי הפעלה אופטימליים, והמערכת מגיבה לאט יותר לשינויים בצריכת האנרגיה. מאפיינים אלו מאפשרים שימוש במתקני תאי דלק עם אלקטרוליט קרבונט מותך בתנאי הספק קבועים. טמפרטורות גבוהות מונעות נזק לתא הדלק על ידי פחמן חד חמצני, "הרעלה" וכו'.

תאי דלק עם אלקטרוליט קרבונט מותך מתאימים לשימוש במתקנים נייחים גדולים. תחנות כוח תרמיות בעלות הספק חשמלי של 2.8 MW מיוצרות באופן מסחרי. מפותחים מתקנים עם הספק של עד 100 MW.

תאי דלק של חומצה זרחתית (PAFC).

תאי דלק חומצה זרחתית (אורתופוספורית) היו תאי הדלק הראשונים לשימוש מסחרי. התהליך פותח באמצע שנות ה-60 ונבדק מאז שנות ה-70. מאז, היציבות והביצועים הוגדלו והעלות הופחתה.

תאי דלק חומצה זרחתית (אורתופוספורית) משתמשים באלקטרוליט המבוסס על חומצה אורתופוספורית (H3PO4) בריכוזים של עד 100%. המוליכות היונית של חומצה אורתופוספורית נמוכה ב טמפרטורות נמוכות, מסיבה זו תאי דלק אלו משמשים בטמפרטורות של עד 150-220 מעלות צלזיוס.

נושא המטען בתאי דלק מסוג זה הוא מימן (H+, פרוטון). תהליך דומה מתרחש בתאי דלק של קרום חילופי פרוטונים (PEMFCs), שבהם מימן המסופק לאנודה מתפצל לפרוטונים ולאלקטרונים. פרוטונים עוברים דרך האלקטרוליט ומתאחדים עם חמצן מהאוויר בקתודה ויוצרים מים. האלקטרונים נשלחים דרך מעגל חשמלי חיצוני, ובכך יוצרים זרם חשמלי. להלן תגובות היוצרות זרם חשמלי וחום.

תגובה באנודה: 2H2 => 4H+ + 4e-
תגובה בקתודה: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
תגובה כללית של היסוד: 2H2 + O2 => 2H2O

היעילות של תאי דלק המבוססים על חומצה זרחתית (אורתופוספורית) היא יותר מ-40% בעת הפקת אנרגיה חשמלית. עם ייצור משולב של חום וחשמל, היעילות הכוללת היא כ-85%. בנוסף, בהינתן טמפרטורות הפעלה, ניתן להשתמש בחום הפסולת לחימום מים ויצירת קיטור בלחץ אטמוספרי.

הביצועים הגבוהים של תחנות כוח תרמיות המשתמשות בתאי דלק המבוססים על חומצה זרחתית (אורתופוספורית) בייצור משולב של אנרגיה תרמית וחשמלית הם אחד היתרונות של תאי דלק מסוג זה. ביחידות נעשה שימוש בפחמן חד חמצני בריכוז של כ-1.5%, מה שמרחיב משמעותית את מבחר הדלק. בנוסף, CO2 אינו משפיע על האלקטרוליט ועל פעולת תא הדלק; סוג זה של תאים עובד עם דלק טבעי מתוקן. עיצוב פשוט, רמה נמוכה של תנודתיות אלקטרוליט ויציבות מוגברת הם גם יתרונות של סוג זה של תאי דלק.

תחנות כוח תרמיות בעלות הספק חשמלי של עד 400 קילוואט מיוצרות באופן מסחרי. מתקני ה-11 מגוואט עברו את הבדיקות המתאימות. מפותחים מתקנים עם הספק של עד 100 MW.

תאי דלק ממברנת חילופי פרוטונים (PEMFCs)

תאי דלק עם קרום חילופי פרוטונים נחשבים הכי הרבה הסוג הטוב ביותרתאי דלק להפקת חשמל לכלי רכב, שיכולים להחליף את מנועי הבעירה הפנימית של בנזין ודיזל. תאי דלק אלו שימשו לראשונה על ידי נאס"א עבור תוכנית ג'מיני. כיום מפותחים ומודגמים מתקנים של MOPFC עם הספק מ-1 עד 2 קילוואט.

תאי דלק אלה משתמשים בקרום פולימר מוצק (סרט דק של פלסטיק) בתור האלקטרוליט. כשהוא רווי במים, פולימר זה מאפשר לפרוטונים לעבור דרכו אך אינו מוליך אלקטרונים.

הדלק הוא מימן, ונשא המטען הוא יון מימן (פרוטון). באנודה, מולקולת המימן מפוצלת ליון מימן (פרוטון) ולאלקטרונים. יוני מימן עוברים דרך האלקטרוליט אל הקתודה, ואלקטרונים נעים סביב המעגל החיצוני ומייצרים אנרגיה חשמלית. חמצן, הנלקח מהאוויר, מסופק לקתודה ומתחבר עם אלקטרונים ויוני מימן ליצירת מים. התגובות הבאות מתרחשות באלקטרודות:

תגובה באנודה: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
תגובה בקתודה: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
תגובה כללית של היסוד: 2H2 + O2 => 2H2O

בהשוואה לסוגים אחרים של תאי דלק, תאי דלק ממברנות חילופי פרוטונים מייצרים יותר אנרגיה עבור נפח או משקל נתון של תאי דלק. תכונה זו מאפשרת להם להיות קומפקטיים וקלי משקל. בנוסף, טמפרטורת ההפעלה נמוכה מ-100 מעלות צלזיוס, מה שמאפשר להתחיל לפעול במהירות. מאפיינים אלה, כמו גם היכולת לשנות במהירות את תפוקת האנרגיה, הם רק חלק מהמאפיינים שהופכים את תאי הדלק הללו למועמדים עיקריים לשימוש בכלי רכב.

יתרון נוסף הוא שהאלקטרוליט הוא מוצק ולא נוזל. קל יותר לשמור גזים בקתודה ובאנודה באמצעות אלקטרוליט מוצק, ולכן תאי דלק כאלה זולים יותר לייצור. בהשוואה לאלקטרוליטים אחרים, בעת שימוש באלקטרוליט מוצק, אין קשיים כגון התמצאות, פחות בעיותעקב התרחשות קורוזיה, מה שמוביל לעמידות רבה יותר של האלמנט ומרכיביו.

תאי דלק תחמוצת מוצק (SOFC)

תאי דלק תחמוצת מוצק הם תאי הדלק בטמפרטורת הפעולה הגבוהה ביותר. טמפרטורת עבודהיכול לנוע בין 600°C ל-1000°C, מה שמאפשר שימוש בסוגים שונים של דלק ללא טיפול מקדים מיוחד. כדי להתמודד עם טמפרטורות גבוהות כאלה, האלקטרוליט המשמש הוא תחמוצת מתכת מוצקה דקה על בסיס קרמי, לרוב סגסוגת של איטריום וזירקוניום, שהיא מוליך של יוני חמצן (O2-). טכנולוגיית תאי דלק תחמוצת מוצקה מתפתחת מאז סוף שנות ה-50. ובעל שתי תצורות: שטוחה וצינורית.

האלקטרוליט המוצק מספק מעבר אטום של גז מאלקטרודה אחת לאחרת, בעוד אלקטרוליטים נוזליים ממוקמים במצע נקבובי. נושא המטען בתאי דלק מסוג זה הוא יון החמצן (O2-). בקתודה, מולקולות חמצן מהאוויר מופרדות ליון חמצן ולארבעה אלקטרונים. יוני חמצן עוברים דרך האלקטרוליט ומתאחדים עם מימן, ויוצרים ארבעה אלקטרונים חופשיים. האלקטרונים נשלחים דרך מעגל חשמלי חיצוני, ומייצרים זרם חשמלי ופסולת חום.

תגובה באנודה: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
תגובה בקתודה: O2 + 4e- => 2O2-
תגובה כללית של היסוד: 2H2 + O2 => 2H2O

יעילות האנרגיה החשמלית המופקת היא הגבוהה ביותר מבין כל תאי הדלק - כ-60%. בנוסף, טמפרטורות הפעלה גבוהות מאפשרות ייצור משולב של אנרגיה תרמית וחשמלית ליצירת קיטור בלחץ גבוה. שילוב של תא דלק בטמפרטורה גבוהה עם טורבינה מאפשר ליצור תא דלק היברידי להגברת יעילות הפקת האנרגיה החשמלית עד 70%.

תאי דלק תחמוצת מוצק פועלים בטמפרטורות גבוהות מאוד (600°C-1000°C), וכתוצאה מכך זמן משמעותי להגיע לתנאי הפעלה אופטימליים ותגובת מערכת איטית יותר לשינויים בצריכת האנרגיה. בטמפרטורות הפעלה כה גבוהות, אין צורך בממיר כדי להחזיר מימן מהדלק, מה שמאפשר לתחנת הכוח התרמית לפעול עם דלקים לא טהורים יחסית הנובעים מגיזוז של פחם או גזי פסולת וכו'. תא הדלק מצוין גם ליישומי הספק גבוה, לרבות תחנות כוח מרכזיות תעשייתיות ותחנות כוח גדולות. מודולים עם הספק חשמלי של 100 קילוואט מיוצרים באופן מסחרי.

תאי דלק של חמצון מתנול ישיר (DOMFC)

הטכנולוגיה של שימוש בתאי דלק עם חמצון ישיר של מתנול עוברת תקופה של פיתוח פעיל. זה הוכיח את עצמו בהצלחה בתחום של הפעלת טלפונים ניידים, מחשבים ניידים, כמו גם ליצירת מקורות כוח ניידים. לשם כך מכוון השימוש העתידי באלמנטים אלו.

העיצוב של תאי דלק עם חמצון ישיר של מתנול דומה לתאי דלק עם קרום חילופי פרוטונים (MEPFC), כלומר. פולימר משמש כאלקטרוליט, ויון מימן (פרוטון) משמש כנושא מטען. עם זאת, מתנול נוזלי (CH3OH) מתחמצן בנוכחות מים באנודה, ומשחרר CO2, יוני מימן ואלקטרונים, הנשלחים דרך מעגל חשמלי חיצוני, ובכך מייצרים זרם חשמלי. יוני מימן עוברים דרך האלקטרוליט ומגיבים עם חמצן מהאוויר ואלקטרונים מהמעגל החיצוני ליצירת מים באנודה.

תגובה באנודה: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
תגובה בקתודה: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
תגובה כללית של היסוד: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

הפיתוח של תאי דלק אלו החל בתחילת שנות ה-90. עם הפיתוח של זרזים משופרים וחידושים אחרונים אחרים, צפיפות ההספק והיעילות הוגדלו ל-40%.

אלמנטים אלו נבדקו בטווח הטמפרטורות של 50-120 מעלות צלזיוס. בשל טמפרטורות הפעלה נמוכות וללא צורך בממיר, תאי דלק של חמצון מתנול ישיר הם המועמדים הטובים ביותר לשניהם טלפונים ניידיםומוצרי צריכה אחרים, כמו גם במנועי מכוניות. היתרון של תאי דלק מסוג זה הוא בגודלם הקטן, עקב השימוש בדלק נוזלי, והיעדר הצורך בשימוש בממיר.

תאי דלק אלקליין (ALFC)

תאי דלק אלקליין (AFC) הם אחת הטכנולוגיות הנחקרות ביותר, בשימוש מאז אמצע שנות ה-60. על ידי נאס"א בתוכניות אפולו ומעבורת החלל. על סיפון אלה חלליותתאי דלק מייצרים אנרגיה חשמלית ו מי שתייה. תאי דלק אלקליין הם אחד התאים היעילים ביותר המשמשים לייצור חשמל, כאשר יעילות ייצור החשמל מגיעה עד 70%.

תאי דלק אלקליין משתמשים באלקטרוליט, כלומר. פתרון מיםאשלגן הידרוקסיד הכלול במטריקס מיוצב נקבובי. ריכוז האשלגן הידרוקסיד עשוי להשתנות בהתאם לטמפרטורת הפעולה של תא הדלק, שנעה בין 65°C ל-220°C. נושא המטען ב-SHTE הוא יון ההידרוקסיל (OH-), הנע מהקתודה לאנודה, שם הוא מגיב עם מימן, ומייצר מים ואלקטרונים. המים המיוצרים באנודה נעים בחזרה לקתודה, ומייצרים שם שוב יוני הידרוקסיל. כתוצאה מסדרת תגובות זו המתרחשת בתא הדלק, נוצר חשמל וכתוצר לוואי חום:

תגובה באנודה: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
תגובה בקתודה: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
תגובה כללית של המערכת: 2H2 + O2 => 2H2O

היתרון של SHTE הוא שתאי דלק אלו הם הזולים ביותר לייצור, שכן הזרז הנדרש על האלקטרודות יכול להיות כל אחד מהחומרים הזולים יותר מאלה המשמשים כזרזים לתאי דלק אחרים. בנוסף, SFCs פועלים בטמפרטורות נמוכות יחסית והם בין תאי הדלק היעילים ביותר - מאפיינים כאלה יכולים כתוצאה מכך לתרום לייצור חשמל מהיר יותר ויעילות דלק גבוהה.

אחד מ תכונות מאפיינות SHTE - רגישות גבוהה ל-CO2, אשר עשוי להיות כלול בדלק או באוויר. CO2 מגיב עם האלקטרוליט, מרעיל אותו במהירות, ומפחית מאוד את יעילות תא הדלק. לכן, השימוש ב-SHTE מוגבל לחללים סגורים, כמו חלל וכלי רכב תת-מימיים, הם חייבים לפעול על מימן וחמצן טהורים. יתרה מכך, מולקולות כמו CO, H2O ו-CH4, בטוחות לתאי דלק אחרים ואף משמשות כדלק עבור חלק מהם, מזיקות ל-SHFC.

תאי דלק פולימרי אלקטרוליט (PEFC)

במקרה של תאי דלק אלקטרוליטים פולימריים, קרום הפולימר מורכב מסיבים פולימריים עם אזורי מים שבהם יוני מים הולכה H2O+ (פרוטון, אדום) נצמדים למולקולת מים. מולקולות מים מהוות בעיה עקב חילופי יונים איטיים. לכן, נדרש ריכוז גבוה של מים הן בדלק והן באלקטרודות היציאה, מה שמגביל את טמפרטורת הפעולה ל-100 מעלות צלזיוס.

תאי דלק חומציים מוצקים (SFC)

בתאי דלק חומציים מוצקים, האלקטרוליט (CsHSO4) אינו מכיל מים. לכן טמפרטורת הפעולה היא 100-300 מעלות צלזיוס. הסיבוב של אניוני החמצן SO42 מאפשר לפרוטונים (אדומים) לנוע כפי שמוצג באיור.

בדרך כלל, תא דלק חומצי מוצק הוא סנדוויץ' שבו שכבה דקה מאוד של תרכובת חומצה מוצקה מוצמדת בין שתי אלקטרודות הנלחצות היטב יחד כדי להבטיח מגע טוב. בחימום, הרכיב האורגני מתאדה, יוצא דרך הנקבוביות באלקטרודות, שומר על יכולת מגע מרובים בין הדלק (או החמצן בקצה השני של היסודות), האלקטרוליט והאלקטרודות.

סוג תאי דלק	טמפרטורת עבודה	יעילות ייצור חשמל	סוג דלק	אזור יישום
RKTE	550-700 מעלות צלזיוס	50-70%		מתקנים בינוניים וגדולים
FCTE	100-220 מעלות צלזיוס	35-40%	מימן טהור	מתקנים גדולים
MOPTE	30-100 מעלות צלזיוס	35-50%	מימן טהור	התקנות קטנות
SOFC	450-1000 מעלות צלזיוס	45-70%	רוב הדלקים הפחמימניים	מתקנים קטנים, בינוניים וגדולים
PEMFC	20-90 מעלות צלזיוס	20-30%	מתנול	יחידות ניידות
SHTE	50-200 מעלות צלזיוס	40-65%	מימן טהור	מחקר חלל
פיט	30-100 מעלות צלזיוס	35-50%	מימן טהור	התקנות קטנות

הצטרפו אלינו

תא דלק הוא מכשיר המייצר ביעילות חום וזרם ישר באמצעות תגובה אלקטרוכימית ומשתמש בדלק עשיר במימן. עקרון הפעולה שלו דומה לזה של סוללה. מבחינה מבנית, תא הדלק מיוצג על ידי אלקטרוליט. מה כל כך מיוחד בו? בניגוד לסוללות, תאי דלק מימן אינם אוגרים אנרגיה חשמלית, אינם דורשים חשמל לטעינה מחדש ואינם נפרקים. התאים ממשיכים לייצר חשמל כל עוד יש להם אספקה ​​של אוויר ודלק.

מוזרויות

ההבדל בין תאי דלק למחוללי חשמל אחרים הוא שהם אינם שורפים דלק במהלך הפעולה. בשל תכונה זו, הם אינם דורשים רוטורים בלחץ גבוה ואינם פולטים רעש חזק או רטט. חשמל בתאי דלק נוצר באמצעות תגובה אלקטרוכימית שקטה. האנרגיה הכימית של הדלק במכשירים כאלה מומרת ישירות למים, חום וחשמל.

תאי דלק שונים יעילות גבוההואינם מייצרים כמויות גדולות של גזי חממה. תוצר הפליטה במהלך פעולת התא הוא כמות קטנה של מים בצורת קיטור ופחמן דו חמצני, שאינה משתחררת אם מימן טהור משמש כדלק.

היסטוריה של הופעה

בשנות ה-50 וה-60, הצורך המתהווה של נאס"א במקורות אנרגיה למשימות חלל ארוכות טווח עורר את אחד האתגרים הקריטיים ביותר עבור תאי דלק שהיו קיימים באותה תקופה. תאים אלקליניים משתמשים בחמצן ובמימן כדלק, המומרים באמצעות תגובה אלקטרוכימית לתוצרי לוואי שימושיים במהלך טיסה לחלל - חשמל, מים וחום.

תאי דלק התגלו לראשונה בתחילת המאה ה-19 - ב-1838. במקביל, הופיע המידע הראשון על יעילותם.

העבודה על תאי דלק באמצעות אלקטרוליטים אלקליין החלה בסוף שנות ה-30. תאים עם אלקטרודות מצופות ניקל בלחץ גבוה לא הומצאו עד 1939. במהלך מלחמת העולם השנייה פותחו עבור צוללות בריטיות תאי דלק המורכבים מתאי אלקליין בקוטר של כ-25 סנטימטרים.

ההתעניינות בהם גברה בשנות ה-50-80, מאופיינת במחסור בדלק נפט. מדינות ברחבי העולם החלו לטפל בזיהום אוויר ובנושאים סביבתיים במאמץ לפתח ידידותי לסביבה דרכים בטוחותקבלת חשמל. טכנולוגיית ייצור תאי דלק נמצאת כעת בפיתוח פעיל.

עקרון הפעולה

חום וחשמל נוצרים על ידי תאי דלק כתוצאה מתגובה אלקטרוכימית המערבת קתודה, אנודה ואלקטרוליט.

הקתודה והאנודה מופרדות על ידי אלקטרוליט מוליך פרוטון. לאחר שחמצן נכנס לקתודה ומימן נכנס לאנודה, מתחילה תגובה כימית, וכתוצאה מכך חום, זרם ומים.

מתנתק על זרז האנודה, מה שמוביל לאובדן אלקטרונים. יוני מימן נכנסים לקתודה דרך האלקטרוליט, ובמקביל עוברים אלקטרונים דרך החיצוני רשת חשמלוליצור זרם ישר, המשמש להנעת ציוד. מולקולת חמצן על זרז הקתודה מתחברת עם אלקטרון ופרוטון נכנס, ובסופו של דבר יוצרים מים, שהם התוצר היחיד של התגובה.

סוגים

בְּחִירָה סוג ספציפיתא דלק תלוי ביישום שלו. כל תאי הדלק מחולקים לשתי קטגוריות עיקריות - טמפרטורה גבוהה וטמפרטורה נמוכה. האחרונים משתמשים במימן טהור כדלק. מכשירים כאלה דורשים בדרך כלל עיבוד של דלק ראשוני למימן טהור. התהליך מתבצע באמצעות ציוד מיוחד.

תאי דלק בטמפרטורה גבוהה אינם זקוקים לכך מכיוון שהם ממירים דלק בטמפרטורות גבוהות, ומבטלים את הצורך בתשתית מימן.

עקרון הפעולה של תאי דלק מימן מבוסס על הפיכת אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית ללא תהליכי בעירה לא יעילים והפיכת אנרגיה תרמית לאנרגיה מכנית.

מושגים כלליים

תאי דלק מימן הם מכשירים אלקטרוכימיים המייצרים חשמל באמצעות בעירה "קרה" יעילה ביותר של דלק. ישנם מספר סוגים של מכשירים כאלה. הטכנולוגיה המבטיחה ביותר נחשבת לתאי דלק מימן-אוויר המצוידים בממברנת חילופי פרוטונים PEMFC.

קרום הפולימר המוליך פרוטון מיועד להפריד בין שתי אלקטרודות - הקתודה והאנודה. כל אחד מהם מיוצג על ידי מטריצת פחמן שעליה מופקד זרז. מתנתק על זרז האנודה, תורם אלקטרונים. קטיונים מוליכים אל הקתודה דרך הממברנה, אך אלקטרונים מועברים למעגל החיצוני מכיוון שהממברנה לא נועדה להעביר אלקטרונים.

מולקולת חמצן על זרז הקתודה מתחברת עם אלקטרון מהמעגל החשמלי ועם פרוטון נכנס, ובסופו של דבר יוצרים מים, שהם התוצר היחיד של התגובה.

תאי דלק מימן משמשים לייצור יחידות ממברנה-אלקטרודה, המשמשות כמרכיבים המייצרים העיקריים של מערכת האנרגיה.

היתרונות של תאי דלק מימן

ביניהם:

• קיבולת חום ספציפית מוגברת.
• טווח טמפרטורות עבודה רחב.
• ללא רטט, רעש או כתם חום.
• אמינות התחלה קרה.
• אין פריקה עצמית, מה שמבטיח אחסון אנרגיה לטווח ארוך.
• אוטונומיה בלתי מוגבלת הודות ליכולת להתאים את עוצמת האנרגיה על ידי שינוי מספר מחסניות הדלק.
• מתן כמעט כל עוצמת אנרגיה על ידי שינוי קיבולת אחסון המימן.
• חיי שירות ארוכים.
• פעולה שקטה וידידותית לסביבה.
• רמה גבוהה של עוצמת אנרגיה.
• סובלנות לזיהומים זרים במימן.

אזור יישום

בשל יעילותם הגבוהה, נעשה שימוש בתאי דלק מימן בתחומים שונים:

• מטענים ניידים.
• מערכות אספקת חשמל למל"טים.
• ספקי כוח אל פסק.
• מכשירים וציוד אחרים.

סיכויים לאנרגיית מימן

השימוש הנרחב בתאי דלק מי חמצן יתאפשר רק לאחר יצירת דרך יעילההשגת מימן. להכניס טכנולוגיה לתוך שימוש פעילנדרשים רעיונות חדשים, עם תקוות גדולות בתפיסה של תאי דלק ביולוגי וננוטכנולוגיה. כמה חברות שחררו לאחרונה יחסית זרזים יעילים המבוססים על מתכות שונות, במקביל, הופיע מידע על יצירת תאי דלק ללא ממברנות, מה שאיפשר להפחית משמעותית את עלות הייצור ולפשט את העיצוב של מכשירים כאלה. היתרונות והמאפיינים של תאי דלק מימן אינם עולים על החיסרון העיקרי שלהם - עלות גבוהה, במיוחד בהשוואה למכשירי פחמימנים. יצירת תחנת כוח מימן אחת דורשת מינימום של 500 אלף דולר.

כיצד להרכיב תא דלק מימן?

אתה יכול ליצור תא דלק בעל הספק נמוך בעצמך במעבדה רגילה בבית או בבית ספר. החומרים בהם נעשה שימוש הם מסכת גז ישנה, ​​חתיכות פרספקס ותמיסה מימית. אלכוהול אתיליואלקלי.

הגוף של תא דלק מימן נוצר במו ידיכם מפרספקס בעובי של לפחות חמישה מילימטרים. המחיצות בין התאים יכולות להיות דקות יותר - כ-3 מילימטרים. פרספקס מודבק יחד עם דבק מיוחד העשוי מכלורופורם או דיכלורואתן ושבבי פרספקס. כל העבודה מתבצעת רק כאשר מכסה המנוע פועל.

בדופן החיצונית של הבית קודחים חור בקוטר של 5-6 סנטימטרים שאליו מוחדרים פקק גומי וצינור ניקוז זכוכית. פחמן פעילממסכת הגז נשפך לתוך התאים השני והרביעי של דיור תא הדלק - זה ישמש כאלקטרודה.

הדלק יסתובב בתא הראשון, בעוד החמישי מלא באוויר, ממנו יסופק חמצן. האלקטרוליט, שנשפך בין האלקטרודות, ספוג בתמיסה של פרפין ובנזין כדי למנוע את כניסתו לתא האוויר. לוחות נחושת עם חוטים מולחמים אליהם מונחות על שכבת הפחם, שדרכה יתנקז הזרם.

תא הדלק המימן המורכב נטען בוודקה מדוללת במים ביחס של 1:1. לתערובת המתקבלת מוסיפים בזהירות אשלגן קאוסטי: 70 גרם אשלגן מתמוססים ב-200 גרם מים.

לפני בדיקת תא דלק מימן, דלק נשפך לתא הראשון ואלקטרוליט לתא השלישי. הקריאה של מד מתח המחובר לאלקטרודות צריכה לנוע בין 0.7 ל-0.9 וולט. כדי להבטיח פעולה רציפה של האלמנט, יש להסיר את הדלק המושקע, ולשפוך דלק חדש דרך צינור גומי. על ידי סחיטת הצינור, קצב אספקת הדלק מותאם. לתאי דלק מימן כאלה, המורכבים בבית, יש מעט כוח.

לא תפתיע אף אחד יותר עם פאנלים סולאריים או טורבינות רוח, המייצרות חשמל בכל אזורי העולם. אך התפוקה ממכשירים אלו אינה קבועה ויש צורך להתקין מקורות כוח גיבוי או להתחבר לרשת כדי להשיג חשמל בתקופה שבה מקורות אנרגיה מתחדשים אינם מייצרים חשמל. עם זאת, ישנם מפעלים שפותחו במאה ה-19 המשתמשים בדלקים "חלופיים" לייצור חשמל, כלומר אינם שורפים גז או מוצרי נפט. מתקנים כאלה הם תאי דלק.

תולדות הבריאה

תאי דלק (FC) או תאי דלק התגלו עוד בשנים 1838-1839 על ידי ויליאם גרוב (Grove, Grove), כאשר חקר את האלקטרוליזה של מים.

עזרה: אלקטרוליזה של מים היא תהליך של פירוק מים בהשפעת זרם חשמלי למולקולות מימן וחמצן

לאחר שניתק את הסוללה מהתא האלקטרוליטי, הוא הופתע לגלות שהאלקטרודות החלו לספוג את הגז המשתחרר וליצור זרם. גילוי תהליך הבעירה ה"קרה" האלקטרוכימית של מימן היה אירוע משמעותי בתעשיית האנרגיה. מאוחר יותר הוא יצר את סוללת גרוב. למכשיר זה הייתה אלקטרודת פלטינה טבולה בחומצה חנקתית ואלקטרודת אבץ באבץ סולפט. הוא יצר זרם של 12 אמפר ומתח של 8 וולט. Grow עצמו קרא לעיצוב הזה "סוללה רטובה". לאחר מכן הוא יצר סוללה באמצעות שתי אלקטרודות פלטינה. קצה אחד של כל אלקטרודה היה בחומצה גופרתית, והקצוות האחרים נאטמו במיכלים עם מימן וחמצן. היה זרם יציב בין האלקטרודות, וכמות המים בתוך המיכלים גדלה. Grow הצליח לפרק ולשפר את המים במכשיר זה.

"גדל הסוללה"

(מקור: החברה המלכותית של המוזיאון הלאומי להיסטוריה של הטבע)

המונח "תא דלק" (באנגלית "Fuel Cell") הופיע רק בשנת 1889 על ידי L. Mond ו
סי לנגר, שניסה ליצור מכשיר להפקת חשמל מאוויר וגז פחם.

איך זה עובד?

תא דלק הוא מכשיר פשוט יחסית.. יש לו שתי אלקטרודות: אנודה (אלקטרודה שלילית) וקתודה (אלקטרודה חיובית). תגובה כימית מתרחשת באלקטרודות. כדי להאיץ אותו, פני האלקטרודות מצופים בזרז. FCs מצוידים באלמנט אחד נוסף - קרום.ההמרה של האנרגיה הכימית של הדלק ישירות לחשמל מתרחשת הודות לעבודת הממברנה. הוא מפריד בין שני החדרים של האלמנט שאליהם מסופקים דלק ומחמצן. הממברנה מאפשרת רק לפרוטונים, המיוצרים כתוצאה מפיצול דלק, לעבור מחדר אחד לאחר באלקטרודה המצופה בזרז (אלקטרונים עוברים לאחר מכן דרך מעגל חיצוני). בתא השני, פרוטונים מתחברים עם אלקטרונים (ואטומי חמצן) ויוצרים מים.

עקרון העבודה של תא דלק מימן

ברמה הכימית, תהליך המרת אנרגיית הדלק לאנרגיה חשמלית דומה לתהליך הבעירה המקובל (חמצון).

במהלך בעירה רגילה בחמצן מתרחשת חמצון של דלק אורגני, והאנרגיה הכימית של הדלק מומרת לאנרגיה תרמית. בואו נראה מה קורה בזמן חמצון מימן עם חמצן בסביבת אלקטרוליטים ובנוכחות אלקטרודות.

על ידי אספקת מימן לאלקטרודה הממוקמת בסביבה בסיסית, מתרחשת תגובה כימית:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

כפי שניתן לראות, אנו מקבלים אלקטרונים שעוברים דרך המעגל החיצוני מגיעים לאלקטרודה הנגדית, אליה זורם חמצן ושם מתרחשת התגובה:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

ניתן לראות שהתגובה המתקבלת 2H 2 + O 2 → H 2 O זהה לבעירה רגילה, אך תא הדלק מייצר זרם חשמלי וקצת חום.

סוגי תאי דלק

נהוג לסווג תאי דלק לפי סוג האלקטרוליט המשמש לתגובה:

שימו לב שפחם, פחמן חד חמצני, אלכוהול, הידרזין ואחרים יכולים לשמש גם כדלק בתאי דלק. חומר אורגני, וכחומרי חמצון - אוויר, מי חמצן, כלור, ברום, חומצה חנקתית וכו'.

יעילות תאי דלק

תכונה של תאי דלק היא אין הגבלה קפדנית על יעילות, כמו מנועי חום.

עזרה: יעילותמחזור קרנו הוא היעילות הגבוהה ביותר האפשרית בין כל מנועי החום עם אותן טמפרטורות מינימום ומקסימום.

לכן, היעילות של תאי דלק בתיאוריה יכולה להיות גבוהה מ-100%. רבים חייכו וחשבו, "מכונת התנועה התמידית הומצאה". לא, כאן אנחנו צריכים לחזור לקורס הכימיה בבית הספר. תא הדלק מבוסס על הפיכת אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית. כאן קורים ניסים. תגובות כימיות מסוימות בזמן שהן מתרחשות יכולות לספוג חום מהסביבה.

עזרה: תגובות אנדותרמיות הן תגובות כימיות המלוות בספיגת חום. עבור תגובות אנדותרמיות, לשינויים באנטלפיה ובאנרגיה הפנימית יש ערכים חיוביים (Δח >0, Δ U >0), לפיכך תוצרי התגובה מכילים יותר אנרגיה מאשר מרכיבי ההתחלה.

דוגמה לתגובה כזו היא חמצון של מימן, המשמש ברוב תאי הדלק. לכן, תיאורטית, היעילות יכולה להיות יותר מ-100%. אך כיום, תאי דלק מתחממים במהלך הפעולה ואינם יכולים לספוג חום מהסביבה.

עזרה: מגבלה זו מוטלת על ידי החוק השני של התרמודינמיקה. תהליך העברת החום מגוף "קר" ל"חם" אינו אפשרי.

בנוסף, ישנם הפסדים הקשורים לתהליכים ללא שיווי משקל. כגון: הפסדים אומהיים עקב מוליכות ספציפית של האלקטרוליט והאלקטרודות, הפעלה וקיטוב ריכוז, הפסדי דיפוזיה. כתוצאה מכך, חלק מהאנרגיה הנוצרת בתאי הדלק מומרת לחום. לכן, תאי דלק אינם מכונות תנועה מתמדת ויעילותם נמוכה מ-100%. אבל היעילות שלהם גדולה מזו של מכונות אחרות. היום יעילות תאי דלק מגיעה ל-80%.

התייחסות:בשנות הארבעים, המהנדס האנגלי טי בייקון תכנן ובנה סוללת תאי דלק בהספק כולל של 6 קילוואט ויעילות של 80%, הפועלת על מימן וחמצן טהורים, אך יחס הספק למשקל של הסוללה. התברר שהוא קטן מדי - אלמנטים כאלה לא היו מתאימים יישום מעשיויקר מדי (מקור: http://www.powerinfo.ru/).

בעיות בתאי דלק

כמעט כל תאי הדלק משתמשים במימן כדלק, ולכן נשאלת השאלה ההגיונית: "איפה אני יכול להשיג את זה?"

נראה כי תא דלק התגלה כתוצאה מאלקטרוליזה, ולכן ניתן להשתמש במימן המשתחרר כתוצאה מאלקטרוליזה. אבל בואו נסתכל על תהליך זה ביתר פירוט.

לפי חוק פאראדיי: כמות החומר שמתחמצן באנודה או מופחת בקתודה היא פרופורציונלית לכמות החשמל העוברת דרך האלקטרוליט. זה אומר שכדי לקבל יותר מימן, אתה צריך להוציא יותר חשמל. שיטות קיימותאלקטרוליזה של מים מתבצעת ביעילות של פחות מאחת. לאחר מכן אנו משתמשים במימן שנוצר בתאי דלק, שבהם היעילות גם פחותה מאחדות. לכן, נוציא יותר אנרגיה ממה שאנחנו יכולים להפיק.

כמובן שניתן להשתמש במימן המופק מגז טבעי. שיטה זו לייצור מימן נותרה הזולה והפופולרית ביותר. נכון להיום, כ-50% מהמימן המופק ברחבי העולם מגיע מגז טבעי. אבל יש בעיה באחסון והובלה של מימן. למימן יש צפיפות נמוכה ( ליטר אחד של מימן שוקל 0.0846 גרם), אז כדי להעביר אותו למרחקים ארוכים יש לדחוס אותו. ואלה הן עלויות נוספות של אנרגיה וכסף. כמו כן, אל תשכח את הבטיחות.

עם זאת, יש כאן גם פתרון - דלק פחמימני נוזלי יכול לשמש כמקור למימן. לדוגמה, אתיל או מתיל אלכוהול. נכון, זה דורש מכשיר נוסף מיוחד - ממיר דלק, שבטמפרטורות גבוהות (עבור מתנול זה יהיה בערך 240 מעלות צלזיוס) ממיר אלכוהול לתערובת של H 2 ו- CO 2 גזי. אבל במקרה זה, כבר קשה יותר לחשוב על ניידות - מכשירים כאלה טובים לשימוש כגנרטורים נייחים או מכוניות, אבל עבור ציוד נייד קומפקטי אתה צריך משהו פחות מגושם.

זָרָז

כדי לשפר את התגובה בתא הדלק, משטח האנודה מטופל בדרך כלל באמצעות זרז. עד לאחרונה, פלטינה שימשה כזרז. לכן, עלות תא הדלק הייתה גבוהה. שנית, פלטינה היא מתכת נדירה יחסית. לדברי מומחים, מתי ייצור תעשייתיתאי דלק, עתודות מוכחות של פלטינה ייגמרו בעוד 15-20 שנה. אבל מדענים ברחבי העולם מנסים להחליף את הפלטינה בחומרים אחרים. אגב, חלק מהם השיגו תוצאות טובות. אז מדענים סינים החליפו את הפלטינה בתחמוצת סידן (מקור: www.cheburek.net).

שימוש בתאי דלק

תא הדלק הראשון בטכנולוגיית הרכב נבדק בשנת 1959. הטרקטור אליס-צ'מברס השתמש ב-1008 סוללות כדי לפעול. הדלק היה תערובת של גזים, בעיקר פרופאן וחמצן.

מקור: http://www.planetseed.com/

מאז אמצע שנות ה-60, בשיאו של "מרוץ החלל", התעניינו יוצרי חלליות בתאי דלק. עבודתם של אלפי מדענים ומהנדסים אפשרה לנו להגיע לרמה חדשה, ובשנת 1965. תאי דלק נבדקו בארצות הברית בחללית ג'מיני 5, ובהמשך בחללית אפולו לטיסות לירח ולתוכנית המעבורת. בברית המועצות פותחו תאי דלק ב-NPO Kvant, גם לשימוש בחלל (מקור: http://www.powerinfo.ru/).

מאז בתא דלק המוצר הסופישריפה של מימן היא מים, אז הם נחשבים הנקיים ביותר מבחינת השפעה על סביבה. לכן, תאי דלק החלו לצבור פופולריות על רקע העניין הכללי בסביבה.

כבר היום יצרני רכב כמו הונדה, פורד, ניסאן ומרצדס-בנץ יצרו מכוניות המונעות על ידי תאי דלק מימן.

מרצדס-בנץ - Ener-G-Force המופעל על ידי מימן

כשמשתמשים במכוניות מימן נפתרת הבעיה באחסון מימן. הקמת תחנות דלק מימן תאפשר לתדלק בכל מקום. יתרה מכך, תדלוק מכונית במימן מהיר יותר מטעינת מכונית חשמלית בתחנת דלק. אבל בעת יישום פרויקטים כאלה, נתקלנו בבעיה דומה לזו של כלי רכב חשמליים. אנשים מוכנים לעבור למכונית מימן אם יש תשתית עבורם. ובניית תחנות דלק תתחיל אם יהיה מספר מספיק של צרכנים. לכן שוב הגענו לדילמת הביצה והתרנגולת.

תאי דלק נמצאים בשימוש נרחב בטלפונים ניידים ומחשבים ניידים. כבר חלף הזמן שבו הטלפון נטען פעם בשבוע. כעת הטלפון נטען כמעט כל יום, והמחשב הנייד עובד 3-4 שעות ללא רשת. לכן, יצרני טכנולוגיות סלולר החליטו לסנתז תא דלק עם טלפונים ומחשבים ניידים לטעינה ותפעול. לדוגמה, חברת טושיבה ב-2003. הדגים אב טיפוס מוגמר של תא דלק מתנול. הוא מפיק הספק של כ-100 mW. מילוי אחד של 2 קוביות של מתנול מרוכז (99.5%) מספיק ל-20 שעות פעילות של נגן ה-MP3. שוב, אותה טושיבה הדגימה תא להפעלת מחשבים ניידים בגודל 275x75x40 מ"מ, המאפשר למחשב לפעול במשך 5 שעות בטעינה אחת.

אבל כמה יצרנים הלכו רחוק יותר. חברת PowerTrekk הוציאה מטען באותו שם. PowerTrekk הוא מטען המים הראשון בעולם. זה מאוד קל לשימוש. ה-PowerTrekk דורש תוספת של מים כדי לספק חשמל מיידי באמצעות כבל ה-USB. תא דלק זה מכיל אבקת סיליקון וסודיום סיליקיד (NaSi) כאשר מערבבים אותו עם מים, השילוב יוצר מימן. מימן מעורבב באוויר בתא הדלק עצמו, והוא הופך מימן לחשמל באמצעות חילופי הממברנה-פרוטונים שלו, ללא מאווררים או משאבות. אתה יכול לקנות מטען נייד כזה ב-149 € (

תא דלקהוא מכשיר אלקטרוכימי הדומה לתא גלווני, אך נבדל ממנו בכך שהחומרים לתגובה האלקטרוכימית מסופקים אליו מבחוץ - בניגוד לכמות האנרגיה המוגבלת הנאגרת בתא או סוללה גלווני.

אורז. 1. כמה תאי דלק

תאי דלק ממירים את האנרגיה הכימית של הדלק לחשמל, תוך עקיפת תהליכי בעירה לא יעילים המתרחשים עם הפסדים גדולים. הם הופכים מימן וחמצן לחשמל באמצעות תגובה כימית. כתוצאה מתהליך זה נוצרים מים ומשתחררת כמות גדולה של חום. תא דלק דומה מאוד לסוללה שניתן להטעין ולאחר מכן להשתמש באנרגיה החשמלית האצורה. ממציא תא הדלק נחשב לוויליאם ר. גרוב, שהמציא אותו עוד ב-1839. תא דלק זה השתמש בתמיסת חומצה גופרתית כאלקטרוליט ומימן כדלק, ששולב עם חמצן בחומר מחמצן. עד לאחרונה, תאי דלק שימשו רק במעבדות ובחלליות.

אורז. 2.

בניגוד למחוללי חשמל אחרים, כמו מנועי בעירה פנימית או טורבינות המונעות בגז, פחם, מזוט וכו', תאי דלק אינם שורפים דלק. זה אומר שאין רוטורים רועשים בלחץ גבוה, אין רעש פליטה חזק, אין רעידות. תאי דלק מייצרים חשמל באמצעות תגובה אלקטרוכימית שקטה. תכונה נוספת של תאי דלק היא שהם ממירים את האנרגיה הכימית של הדלק ישירות לחשמל, חום ומים.

תאי דלק יעילים ביותר ואינם מייצרים כמויות גדולות של גזי חממה כגון פחמן דו חמצני, מתאן ותחמוצת חנקן. הפליטות היחידות מתאי דלק הן מים בצורת קיטור וכמות קטנה של פחמן דו חמצני, שאינה משתחררת כלל אם מימן טהור משמש כדלק. תאי דלק מורכבים למכלולים ולאחר מכן למודולים פונקציונליים בודדים.

לתאי דלק אין חלקים נעים (לפחות לא בתוך התא עצמו) ולכן אינם מצייתים לחוק קרנו. כלומר, הם יהיו בעלי יעילות של יותר מ-50% והם יעילים במיוחד בעומסים נמוכים. לפיכך, רכבי תאי דלק יכולים להפוך (וכבר הוכחו כחסכוניים) יותר בדלק מרכבים רגילים בתנאי נהיגה בעולם האמיתי.

תא הדלק מייצר זרם חשמלי במתח קבוע שיכול לשמש להנעת המנוע החשמלי, התאורה ומערכות חשמל אחרות ברכב.

ישנם מספר סוגים של תאי דלק, הנבדלים באלה המשמשים תהליכים כימיים. תאי דלק מסווגים בדרך כלל לפי סוג האלקטרוליט שהם משתמשים בהם.

סוגים מסוימים של תאי דלק מבטיחים להנעת תחנות כוח, בעוד שאחרים מבטיחים למכשירים ניידים או לנהוג במכוניות.

1. תאי דלק אלקליין (ALFC)

תא דלק אלקליין- זהו אחד האלמנטים הראשונים שפותחו. תאי דלק אלקליין (AFC) הם אחת הטכנולוגיות הנחקרות ביותר, בשימוש מאז אמצע שנות ה-60 של המאה העשרים על ידי נאס"א בתוכניות אפולו ומעבורת החלל. על סיפון החלליות הללו, תאי דלק מייצרים אנרגיה חשמלית ומים ראויים לשתייה.

אורז. 3.

תאי דלק אלקליין הם אחד התאים היעילים ביותר המשמשים לייצור חשמל, כאשר יעילות ייצור החשמל מגיעה עד 70%.

תאי דלק אלקליין משתמשים באלקטרוליט, תמיסה מימית של אשלגן הידרוקסיד, הכלול במטריצה ​​נקבובית ויוצבת. ריכוז האשלגן הידרוקסיד עשוי להשתנות בהתאם לטמפרטורת הפעולה של תא הדלק, שנעה בין 65°C ל-220°C. נושא המטען ב-SHTE הוא יון ההידרוקסיל (OH-), הנע מהקתודה לאנודה, שם הוא מגיב עם מימן, ומייצר מים ואלקטרונים. המים המיוצרים באנודה נעים בחזרה לקתודה, ומייצרים שם שוב יוני הידרוקסיל. כתוצאה מסדרת תגובות זו המתרחשת בתא הדלק, נוצר חשמל וכתוצר לוואי חום:

תגובה באנודה: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

תגובה בקתודה: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

תגובה כללית של המערכת: 2H2 + O2 => 2H2O

היתרון של SHTE הוא שתאי דלק אלו הם הזולים ביותר לייצור, שכן הזרז הדרוש על האלקטרודות יכול להיות כל אחד מהחומרים הזולים יותר מאלה המשמשים כזרזים לתאי דלק אחרים. בנוסף, SHTEs פועלים בטמפרטורות נמוכות יחסית והם מהיעילים ביותר.

אחד המאפיינים האופייניים של SHTE הוא הרגישות הגבוהה שלו ל-CO2, שעשוי להימצא בדלק או באוויר. CO2 מגיב עם האלקטרוליט, מרעיל אותו במהירות, ומפחית מאוד את יעילות תא הדלק. לכן, השימוש ב-SHTE מוגבל לחללים סגורים, כגון חלל וכלי רכב תת-מימיים; הם פועלים על מימן וחמצן טהורים.

2. תאי דלק קרבונט מותך (MCFC)

תאי דלק עם אלקטרוליט קרבונט מותךהם תאי דלק בטמפרטורה גבוהה. טמפרטורת ההפעלה הגבוהה מאפשרת שימוש ישיר בגז טבעי ללא מעבד דלק וגז דלק בעל ערך קלורי נמוך מתהליכים תעשייתיים וממקורות אחרים. תהליך זה פותח באמצע שנות ה-60 של המאה העשרים. מאז, טכנולוגיית הייצור, הביצועים והאמינות שופרו.

אורז. 4.

פעולתו של RCFC שונה מתאי דלק אחרים. תאים אלה משתמשים באלקטרוליט העשוי מתערובת של מלחי קרבונט מותכים. כיום משתמשים בשני סוגים של תערובות: ליתיום קרבונט ואשלגן קרבונט או ליתיום קרבונט ונתרן קרבונט. כדי להמיס מלחי קרבונט ולהשיג רמה גבוהה של ניידות יונים באלקטרוליט, תאי דלק עם אלקטרוליט קרבונט מותך פועלים בטמפרטורות גבוהות (650 מעלות צלזיוס). היעילות נעה בין 60-80%.

בחימום לטמפרטורה של 650 מעלות צלזיוס, המלחים הופכים למוליך ליוני קרבונט (CO32-). יונים אלו עוברים מהקתודה לאנודה, שם הם מתחברים עם מימן ויוצרים מים, פחמן דו חמצני ואלקטרונים חופשיים. אלקטרונים אלו נשלחים דרך מעגל חשמלי חיצוני בחזרה אל הקתודה, ומייצרים זרם חשמלי וחום כתוצר לוואי.

תגובה באנודה: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

תגובה בקתודה: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

תגובה כללית של היסוד: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(קתודה) => H2O(g) + CO2(אנודה)

לטמפרטורות ההפעלה הגבוהות של תאי דלק אלקטרוליט קרבונט מותך יש יתרונות מסוימים. היתרון הוא היכולת להשתמש בחומרים סטנדרטיים (יריעות נירוסטה וזרז ניקל על האלקטרודות). ניתן להשתמש בחום הפסולת להפקת קיטור בלחץ גבוה. לטמפרטורות תגובה גבוהות באלקטרוליט יש גם יתרונות. השימוש בטמפרטורות גבוהות דורש זמן רב להשגת תנאי הפעלה אופטימליים, והמערכת מגיבה לאט יותר לשינויים בצריכת האנרגיה. מאפיינים אלו מאפשרים שימוש במתקני תאי דלק עם אלקטרוליט קרבונט מותך בתנאי הספק קבועים. טמפרטורות גבוהות מונעות נזק לתא הדלק על ידי פחמן חד חמצני, "הרעלה" וכו'.

תאי דלק עם אלקטרוליט קרבונט מותך מתאימים לשימוש במתקנים נייחים גדולים. תחנות כוח תרמיות בעלות הספק חשמלי של 2.8 MW מיוצרות באופן מסחרי. מפותחים מתקנים עם הספק של עד 100 MW.

3. תאי דלק של חומצה זרחתית (PAFC)

תאי דלק המבוססים על חומצה זרחתית (אורתופוספורית).הפכו לתאי הדלק הראשונים לשימוש מסחרי. תהליך זה פותח באמצע שנות ה-60 של המאה העשרים, בדיקות נעשו מאז שנות ה-70 של המאה העשרים. התוצאה הייתה הגברת היציבות והביצועים והפחתת העלות.

אורז. 5.

תאי דלק חומצה זרחתית (אורתופוספורית) משתמשים באלקטרוליט המבוסס על חומצה אורתופוספורית (H3PO4) בריכוזים של עד 100%. המוליכות היונית של חומצה זרחתית נמוכה בטמפרטורות נמוכות, ולכן משתמשים בתאי דלק אלו בטמפרטורות של עד 150-220 מעלות צלזיוס.

נושא המטען בתאי דלק מסוג זה הוא מימן (H+, פרוטון). תהליך דומה מתרחש בתאי דלק של קרום חילופי פרוטונים (PEMFCs), שבהם מימן המסופק לאנודה מתפצל לפרוטונים ולאלקטרונים. פרוטונים עוברים דרך האלקטרוליט ומתאחדים עם חמצן מהאוויר בקתודה ויוצרים מים. האלקטרונים נשלחים דרך מעגל חשמלי חיצוני, ובכך יוצרים זרם חשמלי. להלן תגובות היוצרות זרם חשמלי וחום.

תגובה באנודה: 2H2 => 4H+ + 4e

תגובה בקתודה: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

תגובה כללית של היסוד: 2H2 + O2 => 2H2O

היעילות של תאי דלק המבוססים על חומצה זרחתית (אורתופוספורית) היא יותר מ-40% בעת הפקת אנרגיה חשמלית. עם ייצור משולב של חום וחשמל, היעילות הכוללת היא כ-85%. בנוסף, בהינתן טמפרטורות הפעלה, ניתן להשתמש בחום הפסולת לחימום מים ויצירת קיטור בלחץ אטמוספרי.

הביצועים הגבוהים של תחנות כוח תרמיות המשתמשות בתאי דלק המבוססים על חומצה זרחתית (אורתופוספורית) בייצור משולב של אנרגיה תרמית וחשמלית הם אחד היתרונות של תאי דלק מסוג זה. ביחידות נעשה שימוש בפחמן חד חמצני בריכוז של כ-1.5%, מה שמרחיב משמעותית את מבחר הדלק. עיצוב פשוט, רמה נמוכה של תנודתיות אלקטרוליט ויציבות מוגברת הם גם יתרונות של תאי דלק כאלה.

תחנות כוח תרמיות בעלות הספק חשמלי של עד 400 קילוואט מיוצרות באופן מסחרי. מתקנים בהספק של 11 MW עברו בדיקות מתאימות. מפותחים מתקנים עם הספק של עד 100 MW.

4. תאי דלק ממברנת חילופי פרוטונים (PEMFC)

תאי דלק של קרום חילופי פרוטוניםנחשבים לסוג הטוב ביותר של תאי דלק לייצור חשמל לכלי רכב, שיכולים להחליף את מנועי הבעירה הפנימית של בנזין ודיזל. תאי דלק אלו שימשו לראשונה על ידי נאס"א עבור תוכנית ג'מיני. פותחו והדגמו מתקנים המבוססים על MOPFC עם הספק מ-1 ואט עד 2 קילוואט.

אורז. 6.

האלקטרוליט בתאי הדלק הללו הוא קרום פולימרי מוצק (סרט דק של פלסטיק). כשהוא רווי במים, פולימר זה מאפשר לפרוטונים לעבור דרכו אך אינו מוליך אלקטרונים.

הדלק הוא מימן, ונשא המטען הוא יון מימן (פרוטון). באנודה, מולקולת המימן מפוצלת ליון מימן (פרוטון) ולאלקטרונים. יוני מימן עוברים דרך האלקטרוליט אל הקתודה, ואלקטרונים נעים סביב המעגל החיצוני ומייצרים אנרגיה חשמלית. חמצן, הנלקח מהאוויר, מסופק לקתודה ומתחבר עם אלקטרונים ויוני מימן ליצירת מים. התגובות הבאות מתרחשות באלקטרודות: תגובה באנודה: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e תגובה בקתודה: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH תגובת התא הכוללת: 2H2 + O2 => 2H2O בהשוואה לסוגים אחרים של תאי דלק, תאי דלק עם קרום חילופי פרוטונים מייצרים יותר אנרגיה עבור נפח או משקל נתון של תא הדלק. תכונה זו מאפשרת להם להיות קומפקטיים וקלי משקל. בנוסף, טמפרטורת ההפעלה נמוכה מ-100 מעלות צלזיוס, מה שמאפשר לך להתחיל לפעול במהירות. מאפיינים אלה, כמו גם היכולת לשנות במהירות את תפוקת האנרגיה, הם רק כמה שהופכים את תאי הדלק הללו למועמדים עיקריים לשימוש בכלי רכב.

יתרון נוסף הוא שהאלקטרוליט הוא מוצק ולא נוזל. קל יותר לשמור גזים בקתודה ובאנודה באמצעות אלקטרוליט מוצק, כך שתאי דלק כאלה זולים יותר לייצור. עם אלקטרוליט מוצק, אין בעיות התמצאות ופחות בעיות קורוזיה, מה שמגדיל את אורך החיים של התא ומרכיביו.

אורז. 7.

5. תאי דלק תחמוצת מוצק (SOFC)

תאי דלק תחמוצת מוצקהם תאי הדלק בטמפרטורת הפעולה הגבוהה ביותר. טמפרטורת ההפעלה יכולה לנוע בין 600°C ל-1000°C, מה שמאפשר שימוש בסוגים שונים של דלק ללא טיפול מקדים מיוחד. כדי להתמודד עם טמפרטורות גבוהות כאלה, האלקטרוליט המשמש הוא תחמוצת מתכת מוצקה דקה על בסיס קרמי, לרוב סגסוגת של איטריום וזירקוניום, שהיא מוליך של יוני חמצן (O2-). הטכנולוגיה של שימוש בתאי דלק תחמוצת מוצק מתפתחת מאז סוף שנות ה-50 של המאה העשרים ויש לה שתי תצורות: מישורית וצינורית.

האלקטרוליט המוצק מספק מעבר אטום של גז מאלקטרודה אחת לאחרת, בעוד אלקטרוליטים נוזליים ממוקמים במצע נקבובי. נושא המטען בתאי דלק מסוג זה הוא יון החמצן (O2-). בקתודה, מולקולות חמצן מהאוויר מופרדות ליון חמצן ולארבעה אלקטרונים. יוני חמצן עוברים דרך האלקטרוליט ומתאחדים עם מימן, ויוצרים ארבעה אלקטרונים חופשיים. האלקטרונים נשלחים דרך מעגל חשמלי חיצוני, ומייצרים זרם חשמלי ופסולת חום.

אורז. 8.

תגובה באנודה: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

תגובה בקתודה: O2 + 4e- => 2O2-

תגובה כללית של היסוד: 2H2 + O2 => 2H2O

יעילות ייצור האנרגיה החשמלית היא הגבוהה ביותר מבין כל תאי הדלק - כ-60%. בנוסף, טמפרטורות הפעלה גבוהות מאפשרות ייצור משולב של אנרגיה תרמית וחשמלית ליצירת קיטור בלחץ גבוה. שילוב של תא דלק בטמפרטורה גבוהה עם טורבינה מאפשר ליצור תא דלק היברידי להגברת יעילות הפקת האנרגיה החשמלית עד 70%.

תאי דלק תחמוצת מוצק פועלים בטמפרטורות גבוהות מאוד (600°C-1000°C), וכתוצאה מכך זמן משמעותי הנדרש להגיע לתנאי הפעלה אופטימליים ותגובת מערכת איטית יותר לשינויים בצריכת האנרגיה. בטמפרטורות הפעלה כה גבוהות, אין צורך בממיר כדי להחזיר מימן מהדלק, מה שמאפשר לתחנת הכוח התרמית לפעול עם דלקים לא טהורים יחסית הנובעים מגיזוז של פחם או גזי פסולת וכו'. תא הדלק מצוין גם ליישומי הספק גבוה, לרבות תחנות כוח מרכזיות תעשייתיות ותחנות כוח גדולות. מודולים עם הספק חשמלי של 100 קילוואט מיוצרים באופן מסחרי.

6. תאי דלק של חמצון מתנול ישיר (DOMFC)

תאי דלק של חמצון מתנול ישירהם משמשים בהצלחה בתחום של הפעלת טלפונים ניידים, מחשבים ניידים, כמו גם ליצירת מקורות כוח ניידים, שאליו מכוון השימוש העתידי באלמנטים כאלה.

העיצוב של תאי דלק עם חמצון ישיר של מתנול דומה לתכנון של תאי דלק עם קרום חילופי פרוטונים (MEPFC), כלומר. פולימר משמש כאלקטרוליט, ויון מימן (פרוטון) משמש כנושא מטען. אבל מתנול נוזלי (CH3OH) מתחמצן בנוכחות מים באנודה, ומשחרר CO2, יוני מימן ואלקטרונים, הנשלחים דרך מעגל חשמלי חיצוני, ובכך מייצרים זרם חשמלי. יוני מימן עוברים דרך האלקטרוליט ומגיבים עם חמצן מהאוויר ואלקטרונים מהמעגל החיצוני ליצירת מים באנודה.

תגובה באנודה: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e תגובה בקתודה: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O תגובה כללית של היסוד: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O התפתחות כזו תאי דלק מבוצעים מאז תחילת שנות ה-90 של המאה העשרים והעוצמה והיעילות הספציפית שלהם הוגדלו ל-40%.

אלמנטים אלו נבדקו בטווח הטמפרטורות של 50-120 מעלות צלזיוס. בגלל טמפרטורות הפעולה הנמוכות שלהם והיעדר הצורך בממיר, תאי דלק כאלה הם מועמד ראשוני לשימוש בטלפונים ניידים ומוצרי צריכה אחרים, כמו גם במנועי מכוניות. היתרון שלהם הוא גם בגודלם הקטן.

7. תאי דלק אלקטרוליטים פולימריים (PEFC)

במקרה של תאי דלק אלקטרוליטים פולימריים, קרום הפולימר מורכב מסיבים פולימריים עם אזורי מים שבהם יוני מים הולכה H2O+ (פרוטון, אדום) נצמדים למולקולת מים. מולקולות מים מהוות בעיה עקב חילופי יונים איטיים. לכן, נדרש ריכוז גבוה של מים הן בדלק והן באלקטרודות היציאה, מה שמגביל את טמפרטורת הפעולה ל-100 מעלות צלזיוס.

8. תאי דלק חומציים מוצקים (SFC)

בתאי דלק חומציים מוצקים, האלקטרוליט (CsHSO4) אינו מכיל מים. לכן טמפרטורת הפעולה היא 100-300 מעלות צלזיוס. הסיבוב של האוקסיאניונים SO42 מאפשר לפרוטונים (אדומים) לנוע כפי שמוצג באיור. בדרך כלל, תא דלק חומצי מוצק הוא סנדוויץ' שבו שכבה דקה מאוד של תרכובת חומצה מוצקה מוצמדת בין שתי אלקטרודות הנלחצות היטב יחד כדי להבטיח מגע טוב. בחימום, הרכיב האורגני מתאדה, יוצא דרך הנקבוביות באלקטרודות, שומר על יכולת מגע מרובים בין הדלק (או החמצן בקצה השני של האלמנט), האלקטרוליט והאלקטרודות.

אורז. 9.

9. השוואה בין המאפיינים החשובים ביותר של תאי דלק

מאפיינים של תאי דלק

סוג תאי דלק	טמפרטורת פעולה	יעילות ייצור חשמל	סוג דלק	היקף היישום
				מתקנים בינוניים וגדולים
			מימן טהור	התקנות
			מימן טהור	התקנות קטנות
			רוב הדלקים הפחמימניים	מתקנים קטנים, בינוניים וגדולים
				נייד התקנות
			מימן טהור	מֶרחָב חקר
			מימן טהור	התקנות קטנות

אורז. 10.

10. שימוש בתאי דלק במכוניות

אורז. אחד עשר.

אורז. 12.