Qelizë karburanti DIY në shtëpi. Qelizat e karburantit: llojet, parimet e funksionimit dhe veçoritë e baterisë së hidrogjenit DIY

Do të doja t'ju paralajmëroja menjëherë se kjo temë nuk është tërësisht në temën e Habrit, por në komentet e postimit në lidhje me elementin e zhvilluar në MIT, ideja dukej se u mbështet, kështu që më poshtë do të përshkruaj disa mendime rreth biokarburanteve. elementet.
Puna për të cilën është shkruar kjo temë është bërë nga unë në klasën e 11-të dhe zuri vendin e dytë në konferencën ndërkombëtare INTEL ISEF.

Një qelizë karburanti është një burim i rrymës kimike në të cilin energjia kimike e një agjenti reduktues (karburant) dhe një agjenti oksidues, të furnizuar vazhdimisht dhe veçmas në elektroda, shndërrohet drejtpërdrejt në energji elektrike.
energji. Diagrami skematik i një qelize karburanti (FC) është paraqitur më poshtë:

Qeliza e karburantit përbëhet nga një dhomë anode, katodë, përcjellës jonik, anodë dhe katodë. Për momentin, fuqia e qelizave të biokarburantit nuk është e mjaftueshme për përdorim në shkallë industriale, por BFC-të me fuqi të ulët mund të përdoren për qëllime mjekësore si sensorë të ndjeshëm pasi forca aktuale në to është proporcionale me sasinë e karburantit që përpunohet.
Deri më sot, janë propozuar një numër i madh i llojeve të projektimit të qelizave të karburantit. Në secilin rast specifik, dizajni i qelizës së karburantit varet nga qëllimi i qelizës së karburantit, lloji i reagentit dhe përçuesi jonik. Një grup i veçantë përfshin qelizat e biokarburanteve që përdorin katalizatorë biologjikë. Një tipar i rëndësishëm dallues i sistemeve biologjike është aftësia e tyre për të oksiduar në mënyrë selektive lëndë djegëse të ndryshme në temperatura të ulëta.
Në shumicën e rasteve, enzimat e imobilizuara përdoren në bioelektrokatalizë, d.m.th. enzima të izoluara nga organizmat e gjallë dhe të fiksuara në një bartës, por që ruajnë aktivitetin katalitik (pjesërisht ose plotësisht), gjë që lejon ripërdorimin e tyre. Le të shqyrtojmë shembullin e një qelize biokarburantesh në të cilën një reaksion enzimatik shoqërohet me një reaksion elektrodë duke përdorur një ndërmjetës. Skema e një qelize biokarburantesh bazuar në oksidazën e glukozës:

Një qelizë biokarburantesh përbëhet nga dy elektroda inerte të bëra prej ari, platini ose karboni, të zhytura në një zgjidhje tampon. Elektrodat ndahen nga një membranë shkëmbimi jonesh: ndarja e anodës pastrohet me ajër, ndarja e katodës me azot. Membrana lejon ndarjen hapësinore të reaksioneve që ndodhin në ndarjet e elektrodës së qelizës, dhe në të njëjtën kohë siguron shkëmbimin e protoneve midis tyre. Membrana të llojeve të ndryshme të përshtatshme për biosensorë prodhohen në MB nga shumë kompani (VDN, VIROKT).
Futja e glukozës në një qelizë biokarburantesh që përmban glukozë oksidazë dhe një ndërmjetës të tretshëm në 20 °C rezulton në një rrjedhje të elektroneve nga enzima në anodë përmes ndërmjetësit. Elektronet udhëtojnë përmes qarkut të jashtëm në katodë, ku, në kushte ideale, uji formohet në prani të protoneve dhe oksigjenit. Rryma që rezulton (në mungesë të ngopjes) është në përpjesëtim me shtimin e komponentit përcaktues të shpejtësisë (glukozës). Duke matur rrymat e palëvizshme, mund të përcaktoni shpejt (5 s) edhe përqendrime të ulëta të glukozës - deri në 0,1 mM. Si një sensor, qeliza e përshkruar e biokarburantit ka kufizime të caktuara që lidhen me praninë e një ndërmjetësi dhe kërkesa të caktuara për katodën dhe membranën e oksigjenit. Ky i fundit duhet të mbajë enzimën dhe në të njëjtën kohë të lejojë që përbërësit me peshë të ulët molekulare të kalojnë përmes: gazit, ndërmjetësit, substratit. Membranat e shkëmbimit të joneve në përgjithësi i plotësojnë këto kërkesa, megjithëse vetitë e tyre të difuzionit varen nga pH e tretësirës tampon. Difuzioni i përbërësve përmes membranës çon në një ulje të efikasitetit të transferimit të elektroneve për shkak të reaksioneve anësore.
Sot ekzistojnë modele laboratorike të qelizave të karburantit me katalizatorë enzimë, karakteristikat e të cilave nuk plotësojnë kërkesat e zbatimit të tyre praktik. Përpjekjet kryesore në vitet e ardhshme do të synojnë në rafinimin e qelizave të biokarburantit dhe aplikimet e mëtejshme të qelizës së biokarburantit do të lidhen më shumë me mjekësinë, për shembull: një qelizë biokarburantesh të implantueshme duke përdorur oksigjen dhe glukozë.
Kur përdoren enzimat në elektrokatalizë, problemi kryesor që duhet zgjidhur është problemi i bashkimit të reaksionit enzimatik me atë elektrokimik, pra sigurimi i transportit efektiv të elektroneve nga qendra aktive e enzimës në elektrodë, gjë që mund të arrihet në mënyrat e mëposhtme:
1. Transferimi i elektroneve nga qendra aktive e enzimës në elektrodë duke përdorur një bartës të ulët molekular - ndërmjetës (bioelektrocatalysis ndërmjetësues).
2. Oksidimi i drejtpërdrejtë, i drejtpërdrejtë dhe reduktimi i vendeve aktive të enzimës në elektrodë (bioelektrokataliza direkte).
Në këtë rast, bashkimi ndërmjetës i reaksioneve enzimatike dhe elektrokimike, nga ana tjetër, mund të kryhet në katër mënyra:
1) enzima dhe ndërmjetësi janë në pjesën më të madhe të tretësirës dhe ndërmjetësi shpërndahet në sipërfaqen e elektrodës;
2) enzima është në sipërfaqen e elektrodës, dhe ndërmjetësi është në vëllimin e tretësirës;
3) enzima dhe ndërmjetësi janë të imobilizuara në sipërfaqen e elektrodës;
4) ndërmjetësi është i qepur në sipërfaqen e elektrodës, dhe enzima është në tretësirë.

Në këtë punë, lakkaza shërbeu si një katalizator për reaksionin katodik të reduktimit të oksigjenit, dhe oksidaza e glukozës (GOD) shërbeu si një katalizator për reaksionin anodik të oksidimit të glukozës. Si pjesë e materialeve të përbëra u përdorën enzimat, krijimi i të cilave është një nga fazat më të rëndësishme në krijimin e qelizave të biokarburanteve që shërbejnë njëkohësisht si sensor analitik. Në këtë rast, materialet biokompozite duhet të sigurojnë selektivitet dhe ndjeshmëri për përcaktimin e substratit dhe në të njëjtën kohë të kenë aktivitet të lartë bioelektrokatalitik, duke iu afruar aktivitetit enzimatik.
Lakaza është një oksidoreduktazë me përmbajtje Cu, funksioni kryesor i së cilës në kushte vendase është oksidimi i substrateve organike (fenolet dhe derivatet e tyre) me oksigjen, i cili reduktohet në ujë. Pesha molekulare e enzimës është 40,000 g/mol.

Deri më sot, është treguar se lakkaza është elektrokatalizatori më aktiv për reduktimin e oksigjenit. Në praninë e tij në elektrodë në një atmosferë oksigjeni, krijohet një potencial afër potencialit të ekuilibrit të oksigjenit dhe reduktimi i oksigjenit ndodh drejtpërdrejt në ujë.
Si katalizator për reaksionin katodik (reduktimi i oksigjenit) u përdor një material i përbërë me bazë lakaza, acetilen i zi AD-100 dhe Nafion. Një tipar i veçantë i kompozitit është struktura e tij, e cila siguron orientimin e molekulës së enzimës në lidhje me matricën përçuese të elektroneve, e nevojshme për transferimin e drejtpërdrejtë të elektroneve. Aktiviteti specifik bioelektrokatalitik i lakazës në qasjet e përbëra që vërehen në katalizën enzimatike. Metoda e bashkimit të reaksioneve enzimatike dhe elektrokimike në rastin e lakazës, d.m.th. një metodë e transferimit të një elektroni nga një substrat përmes qendrës aktive të enzimës së lakkazës në një elektrodë - bielektrokataliza e drejtpërdrejtë.

Glukozoksidaza (GOD) është një enzimë e klasës së oksidoreduktazës, ka dy nënnjësi, secila prej të cilave ka qendrën e saj aktive - (dinukleotidi flavin adenine) FAD. ZOTI është një enzimë selektive për dhuruesin e elektroneve, glukozën, dhe mund të përdorë shumë substrate si pranues të elektroneve. Pesha molekulare e enzimës është 180,000 g/mol.

Në këtë punë, ne përdorëm një material të përbërë bazuar në GOD dhe ferrocene (FC) për oksidimin anodik të glukozës nëpërmjet një mekanizmi ndërmjetësues. Materiali i përbërë përfshin GOD, grafit koloidal shumë të shpërndarë (HCG), Fc dhe Nafion, të cilat bënë të mundur marrjen e një matrice përçuese të elektroneve me një sipërfaqe shumë të zhvilluar, sigurimin e transportit efikas të reagentëve në zonën e reagimit dhe karakteristikat e qëndrueshme të përbërjes. material. Një metodë e bashkimit të reaksioneve enzimatike dhe elektrokimike, d.m.th. sigurimi i transportit efikas të elektroneve nga qendra aktive e ZOTIT në elektrodën e ndërmjetësit, ndërsa enzima dhe ndërmjetësi ishin të imobilizuara në sipërfaqen e elektrodës. Ferroceni u përdor si ndërmjetës - pranues elektronesh. Kur një substrat organik, glukoza, oksidohet, ferroceni reduktohet dhe më pas oksidohet në elektrodë.

Nëse dikush është i interesuar, mund të përshkruaj në detaje procesin e marrjes së veshjes së elektrodës, por për këtë është më mirë të shkruani në një mesazh personal. Dhe në temë thjesht do të përshkruaj strukturën që rezulton.

1. AD-100.
2. lakazë.
3. substrat poroz hidrofobik.
4. Nafion.

Pasi u pranuan elektorët, kaluam drejtpërdrejt në pjesën eksperimentale. Kështu dukej qeliza jonë e punës:

1. Elektroda referuese Ag/AgCl;
2. elektrodë pune;
3. elektrodë ndihmëse - Рt.
Në eksperimentin me oksidazën e glukozës - pastrimi me argon, me lakkazën - me oksigjen.

Reduktimi i oksigjenit në blozë në mungesë të lakkazës ndodh në potencialet nën zero dhe ndodh në dy faza: përmes formimit të ndërmjetëm të peroksidit të hidrogjenit. Figura tregon lakoren e polarizimit të elektroreduktimit të oksigjenit nga lakaza e imobilizuar në AD-100, e marrë në një atmosferë oksigjeni në një tretësirë ​​me pH 4.5. Në këto kushte, krijohet një potencial i palëvizshëm afër potencialit të ekuilibrit të oksigjenit (0,76 V). Në potencialet katodike prej 0,76 V, vërehet reduktim katalitik i oksigjenit në elektrodën e enzimës, e cila kalon përmes mekanizmit të bioelektrokatalizimit të drejtpërdrejtë direkt në ujë. Në rajonin potencial nën katodën 0,55 V, vërehet një pllajë në kurbë, e cila korrespondon me rrymën kinetike kufizuese të reduktimit të oksigjenit. Vlera e rrymës kufizuese ishte rreth 630 μA/cm2.

Sjellja elektrokimike e materialit kompozit të bazuar në GOD Nafion, ferrocene dhe VKG u studiua me voltammetri ciklike (CV). Gjendja e materialit të përbërë në mungesë të glukozës në një zgjidhje tampon fosfati u monitorua duke përdorur kthesat e karikimit. Në lakoren e karikimit në një potencial prej (–0,40) V, vërehen maksimumet në lidhje me transformimet redoks të qendrës aktive të ZOTIT - (FAD), dhe në 0,20-0,25 V ka maksimum të oksidimit dhe reduktimit të ferrocenit.

Nga rezultatet e marra rezulton se bazuar në një katodë me lakkazë si katalizator për reaksionin e oksigjenit, dhe një anodë të bazuar në oksidazën e glukozës për oksidimin e glukozës, ekziston një mundësi themelore e krijimit të një qelize biokarburantesh. Vërtetë, ka shumë pengesa në këtë rrugë, për shembull, majat e aktivitetit të enzimës vërehen në nivele të ndryshme pH. Kjo çoi në nevojën për të shtuar një membranë shkëmbyese jonike në BFC.Membrana lejon ndarjen hapësinore të reaksioneve që ndodhin në ndarjet e elektrodave të qelizës dhe në të njëjtën kohë siguron shkëmbimin e protoneve midis tyre. Ajri hyn në ndarjen e anodës.
Futja e glukozës në një qelizë biokarburantesh që përmban glukozë oksidazë dhe një ndërmjetës rezulton në një rrjedhje të elektroneve nga enzima në anodë përmes ndërmjetësit. Elektronet udhëtojnë përmes qarkut të jashtëm në katodë, ku, në kushte ideale, uji formohet në prani të protoneve dhe oksigjenit. Rryma që rezulton (në mungesë të ngopjes) është proporcionale me shtimin e përbërësit përcaktues të shpejtësisë, glukozës. Duke matur rrymat e palëvizshme, mund të përcaktoni shpejt (5 s) edhe përqendrime të ulëta të glukozës - deri në 0,1 mM.

Fatkeqësisht, nuk munda ta çoja idenë e këtij BFC në zbatim praktik, sepse Menjëherë pas klasës së 11-të shkova të studioja për t'u bërë programues, gjë që e bëj me zell edhe sot. Faleminderit të gjithëve që e përfunduan.

Pronarët e patentës RU 2379795:

Shpikja ka të bëjë me qelizat e karburantit të alkoolit me veprim të drejtpërdrejtë duke përdorur elektrolite acide të ngurta dhe katalizatorë të brendshëm reformues. Rezultati teknik i shpikjes është rritja e fuqisë dhe tensionit specifik të elementit. Sipas shpikjes, një qelizë e karburantit përfshin një anodë, një katodë, një elektrolit acid të ngurtë, një shtresë difuzioni gazi dhe një katalizator të brendshëm reformues. Katalizatori i brendshëm reformues mund të jetë çdo reformator i përshtatshëm dhe ndodhet ngjitur me anodën. Në këtë konfigurim, nxehtësia e gjeneruar në reaksionet ekzotermike në katalizatorin në qelizën e karburantit dhe ngrohja omike e elektrolitit të qelizës së karburantit janë forca lëvizëse për reaksionin endotermik të reformimit të karburantit që konverton karburantin e alkoolit në hidrogjen. Mund të përdoret çdo lëndë djegëse alkoolike, si metanoli ose etanoli. 5 n. dhe 20 rroga f-ly, 4 i sëmurë.

Fusha e teknologjisë

Shpikja ka të bëjë me qelizat direkte të karburantit të alkoolit duke përdorur elektrolite acide të ngurta.

Shteti i artit

Alkoolet kohët e fundit kanë marrë kërkime intensive si lëndë djegëse të mundshme. Lëndët djegëse veçanërisht të dëshirueshme janë alkoolet si metanoli dhe etanoli sepse ato kanë dendësi energjie pesë deri në shtatë herë më të mëdha se ato të hidrogjenit standard të kompresuar. Për shembull, një litër metanol është energjikisht i barabartë me 5.2 litra hidrogjen të ngjeshur në 320 atm. Përveç kësaj, një litër etanol është energjikisht i barabartë me 7.2 litra hidrogjen të ngjeshur në 350 atm. Alkoolet e tilla janë gjithashtu të dëshirueshme sepse ato janë të lehta për t'u trajtuar, ruajtur dhe transportuar.

Metanoli dhe etanoli kanë qenë objekt i shumë kërkimeve nga perspektiva e karburantit të alkoolit. Etanoli mund të prodhohet nga fermentimi i bimëve që përmbajnë sheqer dhe niseshte. Metanoli mund të prodhohet nga gazifikimi i drurit ose mbetjeve të drurit/drithërave (kashtë). Sidoqoftë, sinteza e metanolit është më efektive. Këto alkoole janë, ndër të tjera, burime të rinovueshme dhe për këtë arsye besohet se luajnë një rol të rëndësishëm si në reduktimin e emetimeve të gazeve serrë ashtu edhe në reduktimin e varësisë nga lëndët djegëse fosile.

Qelizat e karburantit janë propozuar si pajisje që konvertojnë energjinë kimike të alkooleve të tilla në energji elektrike. Në këtë drejtim, qelizat direkte të karburantit të alkoolit që kanë membrana elektrolite polimeri i janë nënshtruar një kërkimi intensiv. Në mënyrë të veçantë, hulumtimi u fokusua në qelizat e karburantit të metanolit të drejtpërdrejtë dhe në qelizat e karburantit direkt me etanol. Megjithatë, kërkimi mbi qelizat e karburantit të drejtpërdrejtë të etanolit ka qenë i kufizuar për shkak të vështirësisë relative të oksidimit të etanolit në krahasim me metanolin oksidues.

Pavarësisht nga këto përpjekje të gjera kërkimore, performanca e qelizave të karburantit të alkoolit direkt mbetet e pakënaqshme, kryesisht për shkak të kufizimeve kinetike të vendosura nga katalizatorët e elektrodës. Për shembull, qelizat tipike të karburantit me metanol të drejtpërdrejtë kanë një densitet fuqie prej afërsisht 50 mW/cm 2. Dendësi më të larta të fuqisë janë arritur, të tilla si 335 mW/cm2, por vetëm në kushte jashtëzakonisht të vështira (Nafion®, 130°C, 5 atm oksigjen dhe 1 M metanol për një shpejtësi rrjedhje prej 2 cc/min në një presion prej 1.8 atm ). Në mënyrë të ngjashme, një qelizë e karburantit direkt me etanol ka një densitet fuqie prej 110 mW/cm2 në kushte të ngjashme jashtëzakonisht të vështira (Nafion® - silicë, 140°C, anodë 4 atm, oksigjen 5,5 atm). Prandaj, ekziston nevoja për qeliza të drejtpërdrejta të karburantit të alkoolit që kanë densitet të lartë të fuqisë në mungesë të kushteve të tilla ekstreme.

Përmbledhje e shpikjes

Shpikja e tanishme ka të bëjë me qelizat e karburantit të alkoolit që përmbajnë elektrolite acide të ngurta dhe duke përdorur një katalizator të brendshëm reformues. Një qelizë e karburantit në përgjithësi përfshin një anodë, një katodë, një elektrolit acid të ngurtë dhe një reformues të brendshëm. Reformatori siguron reformimin e karburantit të alkoolit për të prodhuar hidrogjen. Forca lëvizëse për reaksionin e reformimit është nxehtësia e gjeneruar gjatë reaksioneve ekzotermike në qelizën e karburantit.

Përdorimi i elektroliteve të acidit të ngurtë në qelizën e karburantit bën të mundur vendosjen e reformatorit drejtpërdrejt pranë anodës. Kjo nuk ishte menduar më parë e mundur për shkak të temperaturave të ngritura të kërkuara që materialet e njohura reformuese të funksionojnë në mënyrë efektive dhe ndjeshmërisë ndaj nxehtësisë së membranave tipike të elektrolitit polimer. Megjithatë, në krahasim me membranat konvencionale të elektrolitit të polimerit, elektrolitet e ngurta të acidit mund t'i rezistojnë temperaturave shumë më të larta, duke bërë të mundur vendndodhjen e reformatorit ngjitur me anodin dhe për rrjedhojë afër elektrolitit. Në këtë konfigurim, nxehtësia e mbeturinave e gjeneruar nga elektroliti absorbohet nga reformatori dhe shërben si forca lëvizëse për reaksionin e reformimit endotermik.

Përshkrimi i shkurtër i vizatimeve

Këto dhe veçori dhe avantazhe të tjera të shpikjes aktuale do të kuptohen më mirë duke iu referuar përshkrimit të detajuar të mëposhtëm të marrë në lidhje me vizatimet shoqëruese, në të cilat:

Figura 1 është një ilustrim skematik i një qelize karburanti sipas një mishërimi të shpikjes aktuale;

Figura 2 është një krahasim grafik i kthesave ndërmjet densitetit të fuqisë dhe tensionit të qelizës për qelizat e karburantit të marra në përputhje me Shembujt 1 dhe 2 dhe Shembullin Krahasues 1;

Figura 3 është një krahasim grafik i kthesave të tensionit të densitetit të fuqisë-qeliza për qelizat e karburantit të marra në përputhje me Shembujt 3, 4 dhe 5 dhe Shembullin Krahasues 2; Dhe

Figura 4 është një krahasim grafik i densitetit të fuqisë kundrejt kthesave të tensionit të qelizës për qelizat e karburantit të marra në përputhje me Shembujt Krahasues 2 dhe 3.

Përshkrimi i detajuar i shpikjes

Shpikja e tanishme lidhet me qelizat direkte të karburantit të alkoolit që përmbajnë elektrolite acide të ngurta dhe duke përdorur një katalizator të brendshëm reformues në kontakt fizik me një asamble elektrodë membranore (MEA) të krijuar për të reformuar karburantin e alkoolit për të prodhuar hidrogjen. Siç u përmend më lart, performanca e qelizave të karburantit, të cilat konvertojnë energjinë kimike të alkooleve drejtpërdrejt në energji elektrike, mbetet e pakënaqshme për shkak të kufizimeve kinetike të vendosura nga katalizatorët e elektrodës së qelizave të karburantit. Megjithatë, dihet mirë se këto kufizime kinetike zvogëlohen ndjeshëm kur përdoret karburanti me hidrogjen. Prandaj, shpikja e tanishme përdor një katalizator ose reformues reformues të krijuar për të reformuar një karburant alkooli për të prodhuar hidrogjen, duke reduktuar ose eliminuar kështu kufizimet kinetike që lidhen me karburantin e alkoolit. Lëndët djegëse të alkoolit janë reformuar me avull sipas shembujve të reagimit të mëposhtëm:

Metanol në hidrogjen: CH3OH + H2O → 3H2 + CO2;

Etanoli në hidrogjen: C 2 H 5 OH + 3H 2 O→ 6H 2 + 2CO 2.

Megjithatë, reagimi i reformimit është shumë endotermik. Prandaj, për të marrë forcën lëvizëse për reagimin reformues, reformatori duhet të nxehet. Sasia e nxehtësisë së kërkuar zakonisht është afërsisht 59 kJ për mol metanol (ekuivalente me djegien e afërsisht 0,25 mole hidrogjen) dhe afërsisht 190 kJ për mol etanol (ekuivalente me djegien e afërsisht 0,78 mole hidrogjen).

Si rezultat i kalimit të rrymës elektrike gjatë funksionimit të qelizave të karburantit, gjenerohet nxehtësia e mbeturinave, heqja efektive e së cilës është problematike. Megjithatë, gjenerimi i kësaj nxehtësie të mbeturinave e bën vendosjen e reformatorit drejtpërdrejt ngjitur me qelizën e karburantit një zgjedhje natyrale. Ky konfigurim lejon që hidrogjeni të furnizohet nga reformatori në qelizën e karburantit dhe ftoh qelizën e karburantit dhe lejon qelizën e karburantit të ngrohë reformatorin dhe të sigurojë forcën lëvizëse për reagimet në të. Ky konfigurim përdoret në qelizat e karburantit karbonat të shkrirë dhe për reaksionet e reformimit të metanit që ndodhin në afërsisht 650°C. Megjithatë, reaksionet e reformimit të alkoolit zakonisht ndodhin në temperatura që variojnë nga rreth 200 ° C deri në rreth 350 ° C, dhe ende nuk është zhvilluar asnjë qelizë e përshtatshme karburanti duke përdorur reformimin e alkoolit.

Shpikja e tanishme ka të bëjë me një qelizë të tillë karburanti që përdor reformimin e alkoolit. Siç ilustrohet në FIGURËN 1, një qelizë karburanti 10 në përputhje me shpikjen e tanishme përfshin përgjithësisht një kolektor të parë të rrymës/shtresën e difuzionit të gazit 12, një anodë 12a, një kolektor të dytë të rrymës/shtresën e difuzionit të gazit 14, një katodë 14a, një elektrolit 16, dhe një katalizator i brendshëm reformues 18. Katalizator i brendshëm reformues 18 i vendosur ngjitur me anodin 12a. Më konkretisht, katalizatori reformues 18 është i pozicionuar midis shtresës së parë të difuzionit të gazit 12 dhe anodës 12a. Mund të përdoret çdo katalizator i përshtatshëm reformues i njohur 18. Shembuj jokufizues të katalizatorëve të përshtatshëm reformues përfshijnë përzierjet e oksidit Cu-Zn-Al, përzierjet e oksidit Cu-Co-Zn-Al dhe përzierjet e oksideve Cu-Zn-Al-Zr.

Mund të përdoret çdo lëndë djegëse alkoolike si metanoli, etanoli dhe propanoli. Përveç kësaj, eteri dimetil mund të përdoret si lëndë djegëse.

Historikisht, ky konfigurim nuk u konsiderua i mundur për qelizat e karburantit të alkoolit për shkak të natyrës endotermike të reaksionit të reformimit dhe ndjeshmërisë së elektrolitit ndaj nxehtësisë. Qelizat tipike të karburantit të alkoolit përdorin membrana elektrolite polimeri që nuk mund të përballojnë nxehtësinë e nevojshme për të siguruar forcën lëvizëse për katalizatorin reformues. Megjithatë, elektrolitet e përdorura në qelizat e karburantit të kësaj shpikjeje përmbajnë elektrolite acide të ngurta, të tilla si ato të përshkruara në Patentën e SHBA-së Nr. 6,468,684 me titull MEMBRANË PËR PËRDHËSIN E PROTONIT DUKE PËRDORUR NJË ACID TË NGURTË, e gjithë përmbajtja e së cilës është përfshirë këtu me referencë dhe në në të njëjtën kohë Aplikimi në pritje për patentë i SHBA-së Nr. Serial Nr. 10/139043 i titulluar MEMBRANË PËR PËRQËTJE E PROTONIT QË PËRDORNË NJË ACIDI TË NGURTË, e gjithë përmbajtja e së cilës është gjithashtu e përfshirë këtu me referencë. Një shembull jokufizues i një acidi të ngurtë të përshtatshëm për t'u përdorur si elektrolit në shpikjen aktuale është CsH 2 PO 4 . Elektrolitet e acidit të ngurtë të përdorur në qelizat e karburantit të shpikjes së tanishme mund të përballojnë temperatura shumë më të larta, duke bërë të mundur vendosjen e katalizatorit reformues drejtpërdrejt pranë anodës. Përveç kësaj, reaksioni i reformimit endotermik konsumon nxehtësinë e krijuar nga reaksionet ekzotermike në qelizën e karburantit, duke formuar një sistem të balancuar termikisht.

Këto acide të ngurta përdoren në fazat e tyre superprotike dhe veprojnë si membrana përçuese të protoneve në intervalin e temperaturës nga rreth 100°C deri në rreth 350°C. Pjesa e sipërme e këtij diapazoni të temperaturës është ideale për të riformuar metanolin. Për të siguruar gjenerim të mjaftueshëm të nxehtësisë për të siguruar forcën lëvizëse për reaksionin e reformimit dhe për të siguruar përçueshmëri protonike të elektrolitit të acidit të ngurtë, qeliza e karburantit e shpikjes së tanishme preferohet të përdoret në temperatura që variojnë nga rreth 100°C deri në rreth 500°C. Megjithatë, është më e preferueshme të përdoret qeliza e karburantit në temperatura që variojnë nga rreth 200°C deri në rreth 350°C. Përveç përmirësimit të ndjeshëm të performancës së qelizave të karburantit të alkoolit, temperaturat relativisht të larta të funksionimit të qelizave të karburantit të alkoolit të shpikjes mund të lejojnë zëvendësimin e katalizatorëve të shtrenjtë metalikë si Pt/Ru dhe Pt në anodë dhe katodë, përkatësisht, me më pak materiale të shtrenjta katalizatore.

Shembujt e mëposhtëm dhe shembujt krahasues ilustrojnë karakteristikat superiore të performancës së qelizave të karburantit të alkoolit të shpikjes. Megjithatë, këta shembuj janë paraqitur vetëm për qëllime ilustrimi dhe nuk duhet të interpretohen si kufizime të shpikjes në këta shembuj.

Shembulli 1: Qeliza e karburantit metanol

13 mg/cm2 Pt/Ru është përdorur si elektrokatalizator anodik. Cu (30% wt.) - Zn (20% wt.) - Al u përdor si një katalizator i brendshëm reformues. 15 mg/cm 2 Pt është përdorur si elektrokatalizator katodë. Si elektrolit është përdorur një membranë CsH 2 PO 4 me trashësi 160 μm. Përzierjet e metanolit dhe ujit të konvertuar në avull u futën në hapësirën e anodës me një shpejtësi rrjedhjeje prej 100 μL/min. 30% oksigjen i lagësht u furnizua në katodë me një shpejtësi rrjedhjeje prej 50 cm 3 /min (temperatura dhe presioni standard). Raporti metanol:ujë ishte 25:75. Temperatura e elementit u vendos në 260°C.

Shembulli 2: Qeliza e karburantit me etanol

13 mg/cm2 Pt/Ru është përdorur si elektrokatalizator anodik. Cu (30% wt.) - Zn (20% wt.) - Al u përdor si një katalizator i brendshëm reformues. 15 mg/cm 2 Pt është përdorur si elektrokatalizator katodë. Si elektrolit është përdorur një membranë CsH 2 PO 4 me trashësi 160 μm. Përzierjet e etanolit dhe ujit të konvertuar në avull u futën në hapësirën e anodës me një shpejtësi rrjedhjeje prej 100 μL/min. 30% oksigjen i lagësht u furnizua në katodë me një shpejtësi rrjedhjeje prej 50 cm 3 /min (temperatura dhe presioni standard). Raporti etanol:ujë ishte 15:85. Temperatura e elementit u vendos në 260°C.

Shembulli krahasues 1 - Qeliza e karburantit duke përdorur H 2 të pastër

13 mg/cm2 Pt/Ru është përdorur si elektrokatalizator anodik. 15 mg/cm 2 Pt është përdorur si elektrokatalizator katodë. Si elektrolit është përdorur një membranë CsH 2 PO 4 me trashësi 160 μm. 3% hidrogjen i lagësht u furnizua në hapësirën e anodës me një shpejtësi rrjedhjeje prej 100 μL/min. 30% oksigjen i lagësht u furnizua në katodë me një shpejtësi rrjedhjeje prej 50 cm 3 /min (temperatura dhe presioni standard). Temperatura e elementit u vendos në 260°C.

Figura 2 tregon lakoret e marrëdhënies ndërmjet fuqisë specifike dhe tensionit të qelizës për shembujt 1 dhe 2 dhe shembullin krahasues 1. Siç tregohet, për qelizën e karburantit metanol (shembulli 1) arrihet një densitet maksimal i fuqisë prej 69 mW/cm 2, për qeliza e karburantit etanol (shembulli 2) arrin një densitet maksimal të fuqisë prej 53 mW/cm2, dhe për një qelizë karburanti hidrogjeni (Shembulli krahasues 1) arrihet një densitet maksimal i fuqisë prej 80

mW/cm2. Këto rezultate tregojnë se qelizat e karburantit të marra në përputhje me Shembullin 1 dhe Shembullin Krahasues 1 janë shumë të ngjashme, duke treguar se qeliza e karburantit metanol që ka një reformator shfaq performancë pothuajse aq të mirë sa ajo e një qelize karburanti hidrogjeni, gjë që është një përmirësim domethënës. Megjithatë, siç tregohet në shembujt e mëposhtëm dhe shembujt krahasues, duke zvogëluar trashësinë e elektrolitit, arrihet një rritje shtesë në densitetin e fuqisë.

Qeliza e karburantit u prodhua nga depozitimi i llumit të CsH 2 PO 4 mbi një mbështetje poroze prej çeliku inox, e cila shërbeu si një shtresë difuzioni gazi dhe si një kolektor rrymë. Shtresa e elektrokatalizatorit katodë u depozitua fillimisht në shtresën e difuzionit të gazit dhe më pas u ngjesh para depozitimit të shtresës elektrolitike. Pas kësaj, u depozitua një shtresë e elektrokatalizatorit anodik, e ndjekur nga vendosja e një elektrode të dytë të difuzionit të gazit si shtresa përfundimtare e strukturës.

Një përzierje e CsH 2 PO 4, Pt (50 wt %) Ru, Pt (40 wt %) - Ru (20 wt %) e mbështetur në C (40 wt %) dhe naftalinë u përdor si elektrodë anodë. Raporti i përbërësve në përzierjen e CsH 2 PO 4: Pt-Ru: Pt-Ru-C: naftalinë ishte 3:3:1:0.5 (wt). Përzierja është përdorur në një sasi totale prej 50 mg. Ngarkimet e Pt dhe Ru ishin përkatësisht 5.6 mg/cm2 dhe 2.9 mg/cm2. Sipërfaqja e elektrodës së anodës ishte 1.74 cm 2.

Një përzierje e CsH 2 PO 4, Pt, Pt (50 wt.%) e depozituar në C (50 wt. %) dhe naftaleni u përdor si një elektrodë katodë. Raporti i përbërësve në përzierjen e CsH 2 PO 4: Pt: Pt-C: naftalinë ishte 3: 3: 1: 1 (peshë). Përzierja është përdorur në një sasi totale prej 50 mg. Ngarkimet e Pt ishin 7.7 mg/cm2. Sipërfaqja e katodës ishte 2,3-2,9 cm 1.

CuO (30 wt. %) - ZnO (20 wt. %) - Al 2 O 3 u përdor si një katalizator reformues, domethënë CuO (31 mol. %) - ZnO (16 mol. %) - Al 2 O 3 . Katalizatori reformues u përgatit me metodën e bashkëprecipitimit duke përdorur një zgjidhje të bakrit, zinkut dhe nitratit të aluminit (përqendrimi total i metalit ishte 1 mol/L) dhe një tretësirë ​​ujore e karbonateve të natriumit (1,1 mol/L). Precipitati lahet me ujë të dejonizuar, filtrohet dhe thahet në ajër në 120°C për 12 orë. Pluhuri i tharë në një sasi prej 1 g shtypet lehtë në një trashësi prej 3,1 mm dhe një diametër prej 15,6 mm, dhe më pas kalcinohet në 350 ° C për 2 orë.

Si elektrolit u përdor një membranë CsH 2 PO 4 me trashësi 47 μm.

Një zgjidhje metanol-ujë (43% vol. ose 37% wt. ose 25% mol. ose 1.85 M metanol) u fut përmes një avulluesi xhami (200°C) me një shpejtësi rrjedhjeje prej 135 μL/min. Temperatura e elementit u vendos në 260°C.

Qeliza e karburantit u përgatit në përputhje me shembullin 3 më sipër, përveç se jo një përzierje metanol-ujë, por një përzierje etanol-ujë (36% vol. ose 31% wt.) u fut përmes avulluesit (200°C) në shpejtësia e rrjedhjes prej 114 μl/min ose 15 mol, ose 0,98 M etanol).

Qeliza e karburantit u përgatit në përputhje me shembullin 3 më sipër, përveç se me një shpejtësi rrjedhjeje prej 100 μL/min, në vend të përzierjes metanol-ujë, vodka (Absolut Vodka, Suedi) (40% vol. ose 34% wt., ose 17% mol) u furnizua . etanol).

Shembulli krahasues 2

Qeliza e karburantit u përgatit në përputhje me shembullin 3 më sipër, përveç se në vend të një përzierjeje metanol-ujë, u përdor hidrogjeni i tharë në një sasi prej 100 centimetra kub standard në minutë, i lagur me ujë të nxehtë (70°C).

Shembulli krahasues 3

Një qelizë karburanti u përgatit në përputhje me shembullin 3 më sipër, me përjashtim të faktit që nuk u përdor asnjë katalizator reformues dhe temperatura e qelisë u vendos në 240°C.

Shembulli krahasues 4

Një qelizë karburanti u përgatit në përputhje me Shembullin Krahasues 2, me përjashtim të faktit që temperatura e qelisë ishte vendosur në 240°C.

Figura 3 tregon densitetin e fuqisë kundrejt kurbave të tensionit të qelizës për Shembujt 3, 4 dhe 5 dhe Shembullin Krahasues 2. Siç tregohet, qeliza e karburantit me metanol (Shembulli 3) arriti një densitet maksimal të fuqisë prej 224 mW/cm2, që përfaqëson një rritje të konsiderueshme të fuqisë dendësia në krahasim me qelizën e karburantit të marrë në përputhje me shembullin 1 dhe ka një elektrolit shumë më të trashë. Kjo qelizë e karburantit metanol tregon gjithashtu një përmirësim dramatik në performancë në krahasim me qelizat e karburantit metanol që nuk përdorin një reformues të brendshëm, siç tregohet më mirë në Figurën 4. Qeliza e karburantit etanolit (Shembulli 4) tregon gjithashtu rritje të densitetit të fuqisë dhe tensionit të qelizës në krahasim me qeliza e karburantit me etanol, që ka një membranë elektrolitike më të trashë (shembulli 2). Megjithatë, qeliza e karburantit me metanol (Shembulli 3) është treguar se funksionon më mirë se qeliza e karburantit me etanol (Shembulli 4). Për qelizën e karburantit të vodkës (shembulli 5), arrihen dendësi fuqie të krahasueshme me ato të një qelize karburanti etanoli. Siç tregohet në figurën 3, qeliza e karburantit me metanol (Shembulli 3) shfaq karakteristika të performancës afërsisht po aq të mira sa ajo e qelizës së karburantit të hidrogjenit (Shembulli Krahasues 2).

Figura 4 tregon densitetin e fuqisë kundrejt kthesave të tensionit të qelizës për Shembujt Krahasues 3 dhe 4. Siç tregohet, qeliza e karburantit me metanol pa reformator (Shembulli Krahasues 3) arrin dendësi fuqie që janë dukshëm më të ulëta se ato të arritura për qelizën e karburantit me hidrogjen (Shembulli Krahasues 4). Për më tepër, figurat 2, 3 dhe 4 tregojnë se, krahasuar me një qelizë karburanti metanol pa një reformator (Shembulli Krahasues 3), dendësi dukshëm më të larta të fuqisë janë arritur për qelizat e karburantit metanol me reformatorë (Shembulli 1 dhe 3).

Përshkrimi i mësipërm është paraqitur për të prezantuar mishërimet e preferuara aktualisht të shpikjes. Ata që janë të aftë në artin dhe teknologjinë përkatëse me të cilën lidhet kjo shpikje do të kuptojnë se ndryshimet dhe modifikimet mund të bëhen në mishërimet e përshkruara pa devijuar ndjeshëm nga parimet, qëllimi dhe fryma e shpikjes aktuale. Prandaj, përshkrimi i mësipërm nuk duhet të merret për t'iu referuar vetëm mishërimeve specifike të përshkruara, por përkundrazi duhet kuptuar se është në përputhje me dhe për të mbështetur pretendimet e mëposhtme, të cilat përmbajnë qëllimin më të plotë dhe më objektiv të shpikjes.

1. Një qelizë karburanti që përfshin: një shtresë elektrokatalitike anode, një shtresë elektrokatalitike katodë, një shtresë elektrolite që përmban një acid të ngurtë, një shtresë difuzioni gazi dhe një katalizator të brendshëm reformues të vendosur ngjitur me shtresën elektrokatalitike të anodës, në mënyrë që katalizatori i brendshëm reformues të jetë ndodhet ndërmjet shtresës elektrokatalitike të anodës dhe shtresës së difuzionit të gazit.dhe është në kontakt fizik me shtresën elektrokatalitike të anodës.

2. Qeliza e karburantit sipas pretendimit 1, ku elektroliti acidik i ngurtë përmban CsH2PO4.

3. Qeliza e karburantit e pretendimit 1, ku katalizatori reformues zgjidhet nga grupi i përbërë nga përzierjet e oksidit Cu-Zn-Al, përzierjet e oksidit Cu-Co-Zn-Al dhe përzierjet e oksidit Cu-Zn-Al-Zr.

4. Një metodë e funksionimit të një qelize karburanti, duke përfshirë:





furnizimi me karburant; dhe funksionimin e qelizës së karburantit në një temperaturë që varion nga rreth 100°C deri në rreth 500°C.

5. Metoda sipas pretendimit 4, ku karburanti është alkool.

6. Metoda sipas pretendimit 4, ku karburanti zgjidhet nga grupi i përbërë nga metanol, etanol, propanol dhe dimetil eter.

7. Metoda e pretendimit 4, ku qeliza e karburantit funksionon në një temperaturë në intervalin prej rreth 200°C deri në rreth 350°C.

8. Metoda e pretendimit 4, ku katalizatori reformues zgjidhet nga grupi i përbërë nga përzierjet e oksidit Cu-Zn-Al, përzierjet e oksidit Cu-Co-Zn-Al dhe përzierjet e oksideve Cu-Zn-Al-Zr.

9. Metoda sipas pretendimit 4, ku elektroliti përmban një acid të ngurtë.

10. Metoda sipas pretendimit 9, ku acidi i ngurtë përmban CsH2PO4.

11. Një metodë e funksionimit të një qelize karburanti, duke përfshirë:
formimi i një shtrese elektrokatalitike anodike;
formimi i një shtrese elektrokatalitike katodë;
formimi i një shtrese elektrolite që përmban një acid të ngurtë;
formimi i një shtrese difuzioni gazi dhe
duke formuar një katalizator të brendshëm reformues ngjitur me shtresën elektrokatalitike anodike të tillë që katalizatori i brendshëm reformues është i vendosur midis shtresës elektrokatalitike anodike dhe shtresës së difuzionit të gazit dhe është në kontakt fizik me shtresën elektrokatalitike anodike;
furnizimi me karburant; dhe funksionimin e qelizës së karburantit në një temperaturë që varion nga rreth 200°C deri në rreth 350°C.

12. Metoda sipas pretendimit 11, ku karburanti është alkool.

13. Metoda sipas pretendimit 11, ku karburanti zgjidhet nga grupi i përbërë nga metanol, etanol, propanol dhe dimetil eter.

14. Metoda e pretendimit 11, ku katalizatori reformues zgjidhet nga grupi i perbere nga nje perzierje oksidesh Cu-Zn-Al, perzierje oksidesh Cu-Co-Zn-Al dhe perzierje te oksideve Cu-Zn-Al-Zr. .

15. Metoda sipas pretendimit 11, ku elektroliti përmban një acid të ngurtë.

16. Metoda sipas pretendimit 15, ku acidi i ngurtë përmban CsH2PO4.

17. Një metodë e funksionimit të një qelize karburanti, duke përfshirë:
formimi i një shtrese elektrokatalitike anodike;
formimi i një shtrese elektrokatalitike katodë;
formimi i një shtrese elektrolite që përmban një acid të ngurtë;
formimi i një shtrese difuzioni gazi dhe
duke formuar një katalizator të brendshëm reformues ngjitur me shtresën elektrokatalitike anodike të tillë që katalizatori i brendshëm reformues është i vendosur midis shtresës elektrokatalitike anodike dhe shtresës së difuzionit të gazit dhe është në kontakt fizik me shtresën elektrokatalitike anodike;
furnizimi me karburant me alkool; dhe funksionimin e qelizës së karburantit në një temperaturë që varion nga rreth 100°C deri në rreth 500°C.

18. Metoda sipas pretendimit 17, ku karburanti zgjidhet nga grupi i përbërë nga metanol, etanol, propanol dhe dimetil eter.

19. Metoda e pretendimit 17, ku qeliza e karburantit funksionon në një temperaturë që varion nga rreth 200°C deri në rreth 350°C.

20. Metoda e pretendimit 17, ku katalizatori reformues zgjidhet nga grupi i përbërë nga përzierjet e oksidit Cu-Zn-Al, përzierjet e oksidit Cu-Co-Zn-Al dhe përzierjet e oksidit Cu-Zn-Al-Zr.

21. Metoda sipas pretendimit 17, ku elektroliti acidik i ngurtë përmban CsH 2 PO 4 .

22. Një metodë e funksionimit të një qelize karburanti, duke përfshirë:
formimi i një shtrese elektrokatalitike anodike;
formimi i një shtrese elektrokatalitike katodë;
formimi i një shtrese elektrolite që përmban një acid të ngurtë;
formimi i një shtrese difuzioni gazi dhe
duke formuar një katalizator të brendshëm reformues ngjitur me shtresën elektrokatalitike anodike të tillë që katalizatori i brendshëm reformues është i vendosur midis shtresës elektrokatalitike anodike dhe shtresës së difuzionit të gazit dhe është në kontakt fizik me shtresën elektrokatalitike anodike;
furnizimi me karburant me alkool; dhe funksionimin e qelizës së karburantit në një temperaturë që varion nga rreth 200°C deri në rreth 350°C.

Shpikja ka të bëjë me qelizat e karburantit të alkoolit me veprim të drejtpërdrejtë duke përdorur elektrolite acide të ngurta dhe katalizatorë të brendshëm reformues

Përgatitni gjithçka që ju nevojitet. Për të bërë një qelizë të thjeshtë karburanti, do t'ju nevojiten 12 inç tela të veshur me platin ose platin, një shkop kokoshka, një bateri 9 volt dhe mbajtëse baterie, shirit të pastër, një gotë ujë, kripë gjelle (opsionale), një metal i hollë shufër dhe një voltmetër.

• Një bateri 9 volt dhe një mbajtëse baterie mund të blihen nga një dyqan elektronik ose pajisjesh.

Pritini dy copa 15 centimetra të gjata nga platini ose teli i veshur me platin. Teli platini përdoret për qëllime të veçanta dhe mund të blihet në një dyqan elektronik. Do të shërbejë si katalizator për reagimin.

Edhe shkencëtari mesjetar Paracelsus, gjatë një prej eksperimenteve të tij, vuri re se kur acidi sulfurik bie në kontakt me ferrumin, formohen flluska ajri. Në fakt, ishte hidrogjen (por jo ajri, siç besonte shkencëtari) - një gaz i lehtë, pa ngjyrë, pa erë, i cili në kushte të caktuara bëhet shpërthyes.

Ne kohen e tashmeNgrohje me hidrogjen DIY - një gjë shumë e zakonshme. Në të vërtetë, hidrogjeni mund të prodhohet në sasi pothuajse të pakufizuara, gjëja kryesore është se ka ujë dhe energji elektrike.

Kjo metodë e ngrohjes është zhvilluar nga një prej kompanive italiane. Një kaldajë me hidrogjen funksionon pa gjeneruar mbetje të dëmshme, prandaj konsiderohet mënyra më miqësore me mjedisin dhe e heshtur për të ngrohur një shtëpi. Risia e zhvillimit është se shkencëtarët arritën të arrijnë djegien e hidrogjenit në një temperaturë relativisht të ulët (rreth 300 µC), dhe kjo bëri të mundur prodhimin e kaldajave të ngjashme të ngrohjes nga materialet tradicionale.

Gjatë funksionimit, bojleri lëshon vetëm avull të padëmshëm dhe e vetmja gjë që kërkon kosto është energjia elektrike. Dhe nëse e kombinoni këtë me panelet diellore (sistemi diellor), atëherë këto kosto mund të reduktohen plotësisht në zero.

Shënim! Kaldaja me hidrogjen përdoren shpesh për ngrohjen e sistemeve të ngrohjes nën dysheme, të cilat mund të instalohen lehtësisht me duart tuaja.

Si ndodh e gjitha? Oksigjeni reagon me hidrogjenin dhe, siç kujtojmë nga mësimet e kimisë në shkollën e mesme, formon molekula uji. Reagimi provokohet nga katalizatorët, si rezultat, lirohet energji termike, duke ngrohur ujin në afërsisht 40 µC - temperatura ideale për një "dysheme të ngrohtë".

Rregullimi i fuqisë së bojlerit ju lejon të arrini një temperaturë të caktuar të nevojshme për ngrohjen e një dhome të një zone të caktuar. Vlen gjithashtu të përmendet se kaldaja të tilla konsiderohen modulare, pasi ato përbëhen nga disa kanale të pavarura nga njëri-tjetri. Në secilin prej kanaleve ekziston katalizatori i përmendur më sipër, si rezultat, ftohësi hyn në shkëmbyesin e nxehtësisë, i cili tashmë ka arritur vlerën e kërkuar prej 40 ᵒC.

Shënim! Një tipar i pajisjeve të tilla është se çdo kanal është në gjendje të prodhojë një temperaturë të ndryshme. Kështu, njëra prej tyre mund të drejtohet në "dysheme të ngrohtë", e dyta në dhomën ngjitur, e treta në tavan, etj.

Përparësitë kryesore të ngrohjes me hidrogjen

Kjo metodë e ngrohjes së një shtëpie ka disa avantazhe të rëndësishme, të cilat janë përgjegjëse për popullaritetin në rritje të sistemit.

1. Efikasitet mbresëlënës, shpesh duke arritur në 96%.
2. Miqësia ndaj mjedisit. I vetmi nënprodukt që lëshohet në atmosferë është avulli i ujit, i cili në parim nuk është i aftë të dëmtojë mjedisin.
3. Ngrohja me hidrogjen po zëvendëson gradualisht sistemet tradicionale, duke i çliruar njerëzit nga nevoja për të nxjerrë burime natyrore - naftë, gaz, qymyr.
4. Hidrogjeni vepron pa zjarr; energjia termike gjenerohet përmes një reaksioni katalitik.

A është e mundur të bëni vetë ngrohjen e hidrogjenit?

Në parim, kjo është e mundur. Elementi kryesor i sistemit - kaldaja - mund të krijohet në bazë të një gjeneratori NNO, domethënë një elektrolizer konvencional. Ne të gjithë i mbajmë mend eksperimentet e shkollës kur ngjitëm tela të zhveshur të lidhur me një prizë duke përdorur një ndreqës në një enë me ujë. Pra, për të ndërtuar një kazan do t'ju duhet të përsërisni këtë eksperiment, por në një shkallë më të madhe.

Shënim! Një kazan me hidrogjen përdoret me një "dysheme të ngrohtë", siç kemi diskutuar tashmë. Por rregullimi i një sistemi të tillë është një temë për një artikull tjetër, kështu që ne do të mbështetemi në faktin se "dyshemeja e ngrohtë" është tashmë e instaluar dhe gati për përdorim.

Ndërtimi i një djegësi hidrogjeni

Le të fillojmë të krijojmë një djegës uji. Tradicionalisht, ne do të fillojmë duke përgatitur mjetet dhe materialet e nevojshme.

Çfarë do të kërkohet në punë?

1. Fletë inox.
2. Valvula e kontrollit.
3. Dy bulona 6x150, dado dhe rondele per to.
4. Filtri i rrjedhjes (nga një makinë larëse).
5. Tub transparent. Një nivel uji është ideal për këtë - në dyqanet e materialeve të ndërtimit shitet për 350 rubla për 10 m.
6. Enë ushqimore e mbyllur plastike me kapacitet 1.5 litra. Kostoja e përafërt: 150 rubla.
7. Pajisjet e kurrizit të peshkut ø8 mm (këto janë perfekte për një çorape).
8. Mulli për prerjen e metalit.

Tani le të kuptojmë se çfarë lloj çeliku inox të përdorim. Në mënyrë ideale, për këtë ju duhet të merrni çelikun 03Х16Н1. Por blerja e një fletë të tërë "çelik inox" ndonjëherë është shumë e shtrenjtë, sepse një produkt 2 mm i trashë kushton më shumë se 5500 rubla, dhe përveç kësaj, duhet të dorëzohet disi. Prandaj, nëse keni një copë të vogël prej çeliku të tillë të shtrirë diku (mjafton 0,5 x 0,5 m), atëherë mund të përballeni me të.

Ne do të përdorim çelik inox, sepse çeliku i zakonshëm, siç e dini, fillon të ndryshket në ujë. Për më tepër, në dizajnin tonë ne synojmë të përdorim alkalin në vend të ujit, domethënë mjedisi është më se agresiv, dhe çeliku i zakonshëm nuk do të zgjasë shumë nën ndikimin e rrymës elektrike.

Video - Gjenerator gazi kafe model i thjeshtë me qeliza me 16 pllaka inox

Udhëzimet e prodhimit

Faza e parë. Për të filluar, merrni një fletë çeliku dhe vendoseni në një sipërfaqe të sheshtë. Nga një fletë e dimensioneve të treguara më lart (0,5x0,5 m) duhet të merrni 16 drejtkëndësha për djegësin e ardhshëm të hidrogjenit, prerë ato me një mulli.

Shënim! Ne pamë një nga katër qoshet e secilës pjatë. Kjo është e nevojshme për të lidhur pllakat në të ardhmen.

Faza e dytë. Në anën e pasme të pllakave hapim vrima për bulonën. Nëse planifikonim të bënim një elektrolizer "të thatë", do të bënim vrima nga fundi, por në këtë rast kjo nuk është e nevojshme. Fakti është se dizajni "i thatë" është shumë më i ndërlikuar, dhe zona e dobishme e pllakave në të nuk do të përdoret 100%. Ne do të bëjmë një elektrolizer "të lagësht" - pllakat do të zhyten plotësisht në elektrolit, dhe e gjithë zona e tyre do të marrë pjesë në reagim.

Faza e tretë. Parimi i funksionimit të djegësit të përshkruar bazohet në sa vijon: një rrymë elektrike që kalon nëpër pllaka të zhytura në elektrolit do të bëjë që uji (ai duhet të jetë pjesë e elektrolitit) të dekompozohet në oksigjen (O) dhe hidrogjen (H). Prandaj, ne duhet të kemi dy pllaka në të njëjtën kohë - katodën dhe anodën.

Ndërsa sipërfaqja e këtyre pllakave rritet, vëllimi i gazit rritet, kështu që në këtë rast përdorim përkatësisht tetë pjesë për katodë dhe anodë.

Shënim! Djegësi që po shikojmë është një dizajn paralel, i cili, për të qenë i sinqertë, nuk është më efikasi. Por është më e lehtë për t'u zbatuar.

Faza e katërt. Më pas, duhet t'i vendosim pllakat në një enë plastike në mënyrë që ato të alternohen: plus, minus, plus, minus, etj. Për të izoluar pllakat, përdorim copa tubi transparent (kemi blerë 10 m të tërë, kështu që atje është një furnizim).

Presim unaza të vogla nga tubi, i presim dhe marrim shirita me trashësi afërsisht 1 mm. Kjo është distanca ideale që hidrogjeni të gjenerohet në mënyrë efikase në strukturë.

Faza e pestë. Ne i bashkojmë pllakat me njëra-tjetrën duke përdorur rondele. Ne e bëjmë këtë si më poshtë: vendosim një rondele në rrufe, pastaj një pjatë, pas saj tre rondele, një pjatë tjetër, përsëri tre rondele etj. Varemi tetë pjesë në katodë, tetë në anodë.

Shënim! Kjo duhet të bëhet në një mënyrë pasqyre, domethënë, ne e rrotullojmë anodën 180ᵒ. Pra, "plus" do të shkojë në boshllëqet midis pllakave "minus".

Faza e gjashtë. Ne shikojmë se ku qëndrojnë saktësisht bulonat në enë dhe hapim vrima në atë vend. Nëse papritmas bulonat nuk futen në enë, atëherë ne i presim ato në gjatësinë e kërkuar. Pastaj futim bulonat në vrima, vendosim rondele mbi to dhe i shtrëngojmë me arra - për shtrëngim më të mirë.

Më pas, bëjmë një vrimë në kapakun për montimin, vidhosim vetë montimin (mundësisht duke e mbuluar bashkimin me ngjitës silikoni). Fryni në montim për të kontrolluar ngushtësinë e kapakut. Nëse ajri ende del nga poshtë tij, atëherë e lyejmë këtë lidhje me ngjitës.

Faza e shtatë. Pas përfundimit të montimit, ne testojmë gjeneratorin e përfunduar. Për ta bërë këtë, lidhni çdo burim me të, mbushni enën me ujë dhe mbyllni kapakun. Më pas, vendosim një çorape në montim dhe e ulim në një enë me ujë (për të parë flluska ajri). Nëse burimi nuk është mjaft i fuqishëm, atëherë ato nuk do të jenë në rezervuar, por ato patjetër do të shfaqen në elektrolizer.

Më pas, duhet të rrisim intensitetin e daljes së gazit duke rritur tensionin në elektrolit. Vlen të përmendet këtu se uji në formën e tij të pastër nuk është një përcjellës - rryma kalon nëpër të për shkak të papastërtive dhe kripës së pranishme në të. Ne do të hollojmë pak alkali në ujë (për shembull, hidroksidi i natriumit është i shkëlqyeshëm - ai shitet në dyqane në formën e agjentit të pastrimit "Mole").

Shënim! Në këtë fazë, ne duhet të vlerësojmë në mënyrë adekuate aftësitë e burimit të energjisë, kështu që përpara se të injektojmë alkalin, lidhim një ampermetër me elektrolizerin - në këtë mënyrë mund të monitorojmë rritjen e rrymës.

Video - Ngrohje me hidrogjen. Bateri me qeliza hidrogjeni

Tjetra, le të flasim për përbërës të tjerë të djegësit të hidrogjenit - filtrin për makinën larëse dhe valvulën. Të dyja janë për mbrojtje. Valvula nuk do të lejojë që hidrogjeni i ndezur të depërtojë përsëri në strukturë dhe të shpërthejë gazin e grumbulluar nën kapakun e elektrolizerit (edhe nëse ka vetëm pak prej tij atje). Nëse nuk e instalojmë valvulën, ena do të dëmtohet dhe alkali do të rrjedhë jashtë.

Një filtër do të kërkohet për të bërë një vulë uji, i cili do të veprojë si një pengesë që parandalon një shpërthim. Mjeshtrit që janë të njohur nga dora e parë me dizajnin e një djegësi hidrogjeni të bërë në shtëpi e quajnë këtë valvul një "bulbulator". Në të vërtetë, në thelb krijon vetëm flluska ajri në ujë. Për vetë djegësin ne përdorim të njëjtën zorrë transparente. Kjo është ajo, djegësi i hidrogjenit është gati!

E tëra që mbetet është ta lidhni atë me hyrjen e sistemit "dysheme të ngrohtë", të mbyllni lidhjen dhe të filloni funksionimin e drejtpërdrejtë.

Si perfundim. Alternativa

Një alternativë, megjithëse shumë e diskutueshme, është gazi i Brown-it, një përbërje kimike që përbëhet nga një atom oksigjeni dhe dy atome hidrogjeni. Djegia e një gazi të tillë shoqërohet me formimin e energjisë termike (për më tepër, katër herë më e fuqishme se në modelin e përshkruar më sipër).

Elektrolizatorët përdoren gjithashtu për ngrohjen e një shtëpie me gaz kafe, sepse kjo metodë e prodhimit të nxehtësisë bazohet gjithashtu në elektrolizë. Krijohen kaldaja speciale në të cilat nën ndikimin e rrymës alternative ndahen molekulat e elementeve kimike duke formuar gazin e lakmuar Brown.

Video – Gaz i pasuruar kafe

Është shumë e mundur që burimet inovative të energjisë, rezerva e të cilave është pothuajse e pakufizuar, së shpejti do të zhvendosin burimet natyrore të pa rinovueshme, duke na çliruar nga nevoja për miniera të përhershme. Kjo rrjedhë e ngjarjeve do të ketë një ndikim pozitiv jo vetëm në mjedis, por edhe në ekologjinë e planetit në tërësi.

Lexoni gjithashtu artikullin tonë - bëjeni vetë ngrohjen me avull.

Video - Ngrohja me hidrogjen

Ata e shndërrojnë energjinë kimike drejtpërdrejt në energji elektrike, duke anashkaluar transformimet paraprake. Pavarësisht përfitimeve të dukshme të performancës, elementët nuk arritën të bënin një spërkatje në treg menjëherë pas shpikjes së tyre për shkak të kompleksitetit të tyre. Por teknologjitë e gjelbra po zhvillohen. Studiuesit nga Vaillant kanë zhvilluar një pajisje të thjeshtë të disponueshme për përdorim në shtëpi.

"Ne duhet të flasim gjithmonë për sistemin e qelizave të karburantit," thotë Dr. Matthias Jahn,Shef i Departamentit të Moduleve dhe SistemeveInstituti Fraunhofer për Teknologjitë dhe Sistemet Qeramike(Instituti Fraunhofer për Teknologjitë dhe Sistemet Qeramike, IKTS) në Dresden. Një qeliza prodhon një tension të vogël, të pamjaftueshëm për të fuqizuar objektet. Prandaj, për analogji me bateritë, disa qeliza karburanti kombinohen në një sistem të vetëm. Çdo qelizë karburanti ka madhësinë e një CD. "Ne i quajmë grupe[elementet] pirgje,” shpjegon Dr. Yang.

Qelizat e karburantit konvertojnë gazin natyror direkt në energji elektrike. Ato janë shumë më efektive se instalimet me motorë me djegie të brendshme që përdorin disa faza konvertimi. Së pari, energjia e çliruar si rezultat i djegies së karburantit konvertohet motori në një mekanik, përmes i cili rrotullon boshtin e gjeneratorit elektrik. Si rezultat i zinxhirit të transformimeve, pjesa më e madhe e energjisë humbet.

Së bashku me një prodhues të njohur të pajisjeve të ngrohjes Vaillant, Instituti Fraunhofer ka zhvilluar një sistem kompakt, të sigurt dhe të besueshëm të qelizave të karburantit që gjeneron energji elektrike dhe ngrohje për familjet private nga gazi natyror.Aktualisht kanë ndërtimi është duke iu nënshtruar funksionimit praktik testues në familje private.

Për sa i përket madhësisë, një termocentral i qelizave të karburantit në shtëpi, i përshtatur për instalimin në mur, nuk ndryshon nga kaldaja konvencionale të ngrohjes, megjithatë, ai prodhon jo vetëm nxehtësi, por edhe energji elektrike. Fuqia e daljes është 1 kW,që mjafton për të plotësuar nevojat mesatarisht shtatë dhe 4 persona.

Si pjesë e projektit demonstrues evropian ene.field, rreth 150 njësi të tilla energjetike janë instaluar në një sërë vendesh të BE-së. Përveç kësaj, në fillim të vitit 2014 Trim filluan prodhimin e tyre në shkallë të vogël.

T Qelizat e karburantit në miniaturë janë teknologjikisht të ndryshme nga ato që përdoren kryesisht në automobila. RRETH Dallimi kryesor operacional është në shkallën e ngrohjes. Nëse temperatura e funksionimit të qelizave të karburantit të automobilave në një membranë të shkëmbimit të protonit arrin 80 gradë, atëherë të përdorura Nga studiues nga Instituti Fraunhofer, teknologjia e qelizave të karburantit të ngurtë përfshin ngrohjen deri në 850 gradë. Sidoqoftë, elementët e ngurtë janë më të lirë dhe më të thjeshtë. Ata përdorin qeramikë si elektrolit, i cili nuk përmban metale të çmuara dhe të rralla.