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 יעילים ביותר ואינם מייצרים כמות גדולהגזי חממה. תוצר הפליטה במהלך פעולת התא הוא כמות קטנהמים בצורת קיטור ו פחמן דו חמצני, שאינו משתחרר אם משתמשים במימן טהור 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 ב מוקדם XIXהמאה - בשנת 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 האוויר והסביבה במאמץ לפתח דרכים ידידותיות לסביבה לייצור 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

בחירת סוג ספציפי תא דלקתלוי באזור היישום 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 את הדלק בשעה טמפרטורות גבוהות, מה שמייתר את הצורך ביצירת תשתית 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 מכשירים דומים. 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 מ מעגל חשמליוהפרוטון הנכנס, ובסופו של דבר יוצרים מים, שהם התוצר היחיד של התגובה.

תאי דלק מימן משמשים לייצור יחידות ממברנה-אלקטרודה, המשמשות כמרכיבי היצירה 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.

היקף היישום

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

• נייד מטענים.
• 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 שיטה יעילה לייצור מימן. נדרשים רעיונות חדשים כדי להביא את הטכנולוגיה לשימוש פעיל, תוך 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 מכשירים דומים. 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, תמיסה מימית של אלכוהול אתילי ואלקלי.

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.

IN קיר חיצוניבית, חור בקוטר של 5-6 סנטימטר שאליו מכניסים פקק גומי וניקוז צינור זכוכית. פחם פעיל ממסכת הגז נשפך לתאים השני והרביעי של בית תא הדלק - הוא 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 ולעבור אותו צינור גומי- העלה חדש. על ידי סחיטת הצינור, קצב אספקת הדלק מותאם. לתאי דלק מימן כאלה, המורכבים בבית, יש מעט כוח.

IN חיים מודרנייםמקורות כוח כימיים נמצאים מסביבנו: סוללות בפנסים, סוללות בטלפונים ניידים, תאי דלק מימן, שכבר נמצאים בשימוש בחלק מהמכוניות. ההתפתחות המהירה של טכנולוגיות אלקטרוכימיות עשויה להביא לכך שבעתיד הקרוב, במקום מכוניות מונעות בנזין, נהיה מוקפים רק בכלי רכב חשמליים, טלפונים כבר לא יתפרקו מהר, ולכל בית יהיה תא דלק חשמלי משלו. גֵנֵרָטוֹר. אחת התכניות המשותפות של האוניברסיטה הפדרלית של אורל ושל המכון לאלקטרוכימיה בטמפרטורה גבוהה של סניף אורל של האקדמיה הרוסית למדעים מוקדשת להגברת היעילות של התקני אחסון אלקטרוכימיים ומחוללי חשמל, בשיתוף עם אנו מפרסמים מאמר זה.

היום יש הרבה סוגים שוניםסוללות, שביניהן קשה יותר ויותר לניווט. לא ברור לכולם במה סוללה שונה מקבל-על ומדוע ניתן להשתמש בתא דלק מימן ללא חשש לפגיעה בסביבה. במאמר זה נדבר על האופן שבו משתמשים בתגובות כימיות לייצור חשמל, מה ההבדל בין הסוגים העיקריים של מקורות זרם כימיים מודרניים, ואיזה סיכויים נפתחים לאנרגיה אלקטרוכימית.

כימיה כמקור לחשמל

ראשית, בואו נבין מדוע אנרגיה כימית יכולה לשמש לייצור חשמל בכלל. העניין הוא שבמהלך תגובות חיזור, אלקטרונים מועברים בין שני יונים שונים. אם שני חצאי תגובה כימית מופרדים בחלל כך שהחמצון וההפחתה מתרחשים בנפרד זה מזה, אז אפשר לוודא שאלקטרון שעוזב יון אחד לא יגיע מיד לשני, אלא עובר קודם. נתיב שנקבע עבורו מראש. תגובה זו יכולה לשמש כמקור לזרם חשמלי.

מושג זה יושם לראשונה במאה ה-18 על ידי הפיזיולוגית האיטלקית לואיג'י גלווני. הפעולה של תא גלווני מסורתי מבוססת על תגובות הפחתה וחמצון של מתכות בעלות פעילויות שונות. לדוגמה, תא קלאסי הוא תא גלווני שבו אבץ מתחמצן ונחושת מופחתת. תגובות הפחתה וחמצון מתרחשות בקתודה ובאנודה, בהתאמה. וכדי למנוע מיוני נחושת ואבץ להיכנס ל"טריטוריה זרה", שם הם יכולים להגיב זה עם זה ישירות, בדרך כלל ממוקמת קרום מיוחד בין האנודה לקתודה. כתוצאה מכך נוצר הבדל פוטנציאל בין האלקטרודות. אם אתה מחבר אלקטרודות, למשל, לנורה, אז זרם מתחיל לזרום במעגל החשמלי שנוצר והנורה נדלקת.

דיאגרמת תאים גלווניים

Wikimedia Commons

בנוסף לחומרי האנודה והקתודה, מרכיב חשוב במקור הזרם הכימי הוא האלקטרוליט שבתוכו נעים היונים ובגבול מתרחשות כל התגובות האלקטרוכימיות עם האלקטרודות. במקרה זה, האלקטרוליט לא חייב להיות נוזלי - הוא יכול להיות פולימרי או חומר קרמי.

החיסרון העיקרי של תא גלווני הוא זמן הפעולה המוגבל שלו. ברגע שהתגובה תסתיים (כלומר, כל האנודה המתמוססת בהדרגה נצרכת לחלוטין), אלמנט כזה פשוט יפסיק לפעול.

סוללות אלקליין AA

נטענת

הצעד הראשון לקראת הרחבת היכולות של מקורות זרם כימיים היה יצירת סוללה – מקור זרם שניתן להטעין מחדש ולכן לעשות בו שימוש חוזר. לשם כך, מדענים פשוט הציעו להשתמש בתגובות כימיות הפיכות. לאחר שפרק לחלוטין את הסוללה בפעם הראשונה, באמצעות מקור זרם חיצוני, ניתן להתחיל את התגובה שהתרחשה בה בכיוון ההפוך. פעולה זו תחזיר אותה למצבה המקורי כך שניתן יהיה להשתמש בסוללה שוב לאחר הטעינה.

סוללת חומצת עופרת לרכב

כיום נוצרו סוגים רבים ושונים של סוללות, הנבדלות זו מזו בסוג התגובה הכימית המתרחשת בהן. הסוגים הנפוצים ביותר של סוללות הם סוללות עופרת-חומצה (או פשוט עופרת), המבוססות על תגובת החמצון-הפחתת עופרת. מכשירים כאלה יש די לטווח ארוךשירותים, ועוצמת האנרגיה שלהם היא עד 60 וואט-שעה לקילוגרם. עוד יותר פופולרי לאחרונה הן סוללות ליתיום-יון המבוססות על תגובת החמצון-הפחתת ליתיום. עוצמת האנרגיה של סוללות ליתיום-יון מודרניות עולה כעת על 250 וואט-שעה לקילוגרם.

סוללת Li-ion לטלפון נייד

הבעיות העיקריות של סוללות ליתיום-יון הן יעילותן הנמוכה בטמפרטורות נמוכות, הזדקנות מהירה וסיכון מוגבר לפיצוץ. ובשל העובדה שמתכת ליתיום מגיבה בצורה אקטיבית מאוד עם מים ליצירת גז מימן וחמצן משתחרר בעת שריפת הסוללה, בעירה ספונטנית של סוללת ליתיום-יון קשה מאוד להשתמש בשיטות כיבוי אש מסורתיות. על מנת להגביר את הבטיחות של סוללה כזו ולהאיץ את זמן הטעינה שלה, מדענים מציעים חומר קתודי המונע היווצרות של מבני ליתיום דנדריטיים, ומוסיפים לאלקטרוליט חומרים הגורמים להיווצרות מבנים ורכיבים נפיצים המתלקחים בסוללה. שלבים מוקדמים.

אלקטרוליט מוצק

כדרך נוספת פחות ברורה להגביר את היעילות והבטיחות של סוללות, כימאים הציעו לא להגביל מקורות זרם כימיים לאלקטרוליטים נוזליים, אלא ליצור מקור זרם במצב מוצק לחלוטין. במכשירים כאלה אין כלל רכיבים נוזליים, אלא מבנה שכבות של אנודה מוצקה, קתודה מוצקה ואלקטרוליט מוצק ביניהם. האלקטרוליט מבצע בו זמנית את הפונקציה של ממברנה. נושאי מטען באלקטרוליט מוצק יכולים להיות יונים שונים, בהתאם להרכבו ולתגובות המתרחשות באנודה ובקתודה. אבל הם תמיד יונים קטנים מספיק שיכולים לנוע בחופשיות יחסית בכל הגביש, למשל פרוטונים H+, יוני ליתיום Li+ או יוני חמצן O 2-.

תאי דלק מימן

היכולת להטעין מחדש ואמצעי בטיחות מיוחדים הופכים את הסוללות למקורות זרם מבטיחים הרבה יותר מאשר סוללות קונבנציונליות, אך עדיין כל סוללה מכילה כמות מוגבלת של ריאגנטים, ולכן אספקה ​​מוגבלת של אנרגיה, ובכל פעם יש להטעין את הסוללה כדי לשחזר אותה. פונקציונליות.

כדי להפוך סוללה ל"אינסופית", אתה יכול להשתמש כמקור אנרגיה לא בחומרים שנמצאים בתוך התא, אלא בדלק שנשאב במיוחד דרכו. הבחירה הטובה ביותר עבור דלק כזה היא חומר פשוט בהרכבו ככל האפשר, ידידותי לסביבה וזמין בשפע על פני כדור הארץ.

החומר המתאים ביותר מסוג זה הוא גז מימן. החמצון שלו על ידי חמצן אטמוספרי ליצירת מים (לפי התגובה 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) הוא תגובת חיזור פשוטה, והובלת אלקטרונים בין יונים יכולה לשמש גם כמקור זרם. התגובה המתרחשת היא מעין תגובה הפוכה לאלקטרוליזה של מים (בה, בהשפעת זרם חשמלי, המים מתפרקים לחמצן ומימן), ותוכנית כזו הוצעה לראשונה באמצע המאה ה-19. .

אבל למרות העובדה שהמעגל נראה די פשוט, יצירת מכשיר הפועל ביעילות על בסיס עיקרון זה אינה משימה של מה בכך. לשם כך, יש צורך להפריד את זרימות החמצן והמימן בחלל, להבטיח את הובלת היונים הדרושים דרך האלקטרוליט ולהפחית את הפסדי האנרגיה האפשריים בכל שלבי העבודה.

תרשים סכמטיפעולת תאי דלק מימן

המעגל של תא דלק מימן עובד דומה מאוד למעגל של מקור זרם כימי, אך מכיל ערוצים נוספים לאספקת דלק ומחמצן ולסילוק תוצרי תגובה ועודפי גזים שסופקו. האלקטרודות באלמנט כזה הן זרזים מוליכים נקבוביים. דלק גז (מימן) מסופק לאנודה, וחומר מחמצן (חמצן מהאוויר) מסופק לקתודה, ובגבול כל אלקטרודה עם האלקטרוליט מתרחשת תגובת חצי משלה (חמצון מימן ו הפחתת חמצן, בהתאמה). במקרה זה, בהתאם לסוג תא הדלק ולסוג האלקטרוליט, היווצרות המים עצמה יכולה להתרחש באנודה או בחלל הקתודה.

תא דלק מימן של טויוטה

ג'וזף ברנט / פליקר

אם האלקטרוליט הוא פולימר מוליך פרוטון או קרום קרמי, תמיסת חומצה או אלקלית, אזי נושא המטען באלקטרוליט הוא יוני מימן. במקרה זה, באנודה, מימן מולקולרי מתחמצן ליוני מימן, העוברים דרך האלקטרוליט ומגיבים עם חמצן שם. אם נושא המטען הוא יון החמצן O 2–, כמו במקרה של אלקטרוליט תחמוצת מוצק, אז החמצן מופחת ליון בקתודה, יון זה עובר דרך האלקטרוליט ומחמצן מימן באנודה ליצירת מים וחופשי אלקטרונים.

בנוסף לתגובת חמצון המימן, הוצע להשתמש בסוגים אחרים של תגובות לתאי דלק. לדוגמה, במקום מימן, הדלק המפחית יכול להיות מתנול, אשר מחומצן על ידי חמצן לפחמן דו חמצני ומים.

יעילות תאי דלק

למרות כל היתרונות של תאי דלק מימן (כגון ידידותיות לסביבה, יעילות כמעט בלתי מוגבלת, גודל קומפקטי ועוצמת אנרגיה גבוהה), יש להם גם מספר חסרונות. אלה כוללים, קודם כל, הזדקנות הדרגתית של רכיבים וקשיים באחסון מימן. בדיוק איך לבטל את החסרונות האלה עובדים היום מדענים.

כיום מוצע להגביר את היעילות של תאי הדלק על ידי שינוי הרכב האלקטרוליט, תכונות האלקטרודה הזרז וגיאומטריה של המערכת (המבטיחה אספקת גזי דלק לנקודה הרצויה ומפחיתה תופעות לוואי). כדי לפתור את בעיית אחסון גז המימן, משתמשים בחומרים המכילים פלטינה, לרוויה שלהם, למשל, ממברנות גרפן.

כתוצאה מכך, ניתן להגדיל את היציבות של תא הדלק ואת משך החיים של מרכיביו הבודדים. כעת מקדם ההמרה של אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית באלמנטים כאלה מגיע ל-80 אחוז, ובתנאים מסוימים הוא יכול להיות אפילו גבוה יותר.

הסיכויים העצומים של אנרגיית המימן קשורים לאפשרות לשלב תאי דלק לסוללות שלמות, ולהפוך אותם לגנראטורים חשמליים בעלי הספק גבוה. כבר עכשיו, גנרטורים חשמליים הפועלים על תאי דלק מימן הם בעלי הספק של עד כמה מאות קילוואט ומשמשים כמקורות כוח כלי רכב.

אחסון אלקטרוכימי חלופי

בנוסף למקורות זרם אלקטרוכימיים קלאסיים, מערכות יוצאות דופן יותר משמשות גם כהתקני אחסון אנרגיה. אחת ממערכות כאלה היא קבל-על (או יוניסטור) - מכשיר שבו מתרחשת הפרדת והצטברות מטען עקב היווצרות שכבה כפולה ליד משטח טעון. בממשק האלקטרודה-אלקטרוליט במכשיר כזה, יונים של סימנים שונים מסודרים בשתי שכבות, מה שמכונה "השכבה החשמלית הכפולה", ויוצרים מעין קבלים דקיקים מאוד. הקיבולת של קבל כזה, כלומר כמות המטען המצטבר, תיקבע על פי שטח הפנים הספציפי של חומר האלקטרודה, לכן, כדאי לקחת חומרים נקבוביים בעלי שטח פנים ספציפי מרבי כחומר עבור קבלי על.

יוניסטורים הם בעלי שיא בין מקורות זרם כימי פריקת טעינה במונחים של מהירות טעינה, וזה יתרון ללא ספק מהסוג הזהמכשירים. לרוע המזל, הם גם מחזיקים בשיא מהירות הפריקה. צפיפות האנרגיה של יוניסטורים קטנה פי שמונה בהשוואה לסוללות עופרת ופי 25 פחות מסוללות ליתיום-יון. איוניסטורים קלאסיים "שכבתיים" אינם משתמשים בתגובה אלקטרוכימית כבסיס, והמונח "קבל" מוחל עליהם בצורה המדויקת ביותר. עם זאת, באותם גרסאות של יוניסטורים המבוססים על תגובה אלקטרוכימית והצטברות מטען משתרעת לעומק האלקטרודה, ניתן להשיג זמני פריקה גבוהים יותר תוך שמירה על קצב טעינה מהיר. המאמצים של מפתחי קבלי-על מכוונים ליצור מכשירים היברידיים עם סוללות המשלבות את היתרונות של קבלי-על, בעיקר מהירות טעינה גבוהה, ויתרונות הסוללות - עוצמת אנרגיה גבוהה ו זמן רבפְּרִיקָה. דמיינו לעצמכם בעתיד הקרוב סוללה-יוניסטור שיטען תוך מספר דקות ויפעיל מחשב נייד או סמארטפון למשך יום או יותר!

למרות העובדה שכעת צפיפות האנרגיה של קבלי-על עדיין קטנה פי כמה מצפיפות האנרגיה של סוללות, הם משמשים באלקטרוניקה צרכנית ועבור מנועים של כלי רכב שונים, כולל רובם.

* * *

לפיכך, כיום יש מספר רב של מכשירים אלקטרוכימיים, שכל אחד מהם מבטיח ליישומים הספציפיים שלו. כדי לשפר את היעילות של מכשירים אלה, מדענים צריכים לפתור מספר בעיות בעלות אופי בסיסי וטכנולוגי כאחד. רוב המשימות הללו מבוצעות במסגרת אחד מפרויקטי פריצת הדרך באוניברסיטה הפדרלית של אורל, אז שאלנו את מקסים אנאנייב, מנהל המכון לאלקטרוכימיה בטמפרטורה גבוהה של סניף אורל של האקדמיה הרוסית למדעים, פרופסור של המחלקה לטכנולוגיית ייצור אלקטרוכימית של המכון לטכנולוגיה כימית של האוניברסיטה הפדרלית של אורל, לדבר על התוכניות המיידיות והסיכויים לפיתוח תאי דלק מודרניים.

N+1: האם ישנן חלופות כלשהן לסוללות הליתיום-יון הפופולריות ביותר כרגע שצפויות בעתיד הקרוב?

מקסים אנאנייב:מאמצים מודרניים של מפתחי סוללות מכוונים להחליף את סוג נושא המטען באלקטרוליט מליתיום לנתרן, אשלגן ואלומיניום. כתוצאה מהחלפת הליתיום, ניתן יהיה להוזיל את עלות הסוללה, אם כי מאפייני המשקל והגודל יגדלו באופן פרופורציונלי. במילים אחרות, עם אותם מאפיינים חשמליים, סוללת נתרן-יון תהיה גדולה וכבדה יותר בהשוואה לסוללת ליתיום-יון.

בנוסף, אחד מתחומי הפיתוח המבטיחים לשיפור סוללות הוא יצירת מקורות אנרגיה כימיים היברידיים המבוססים על שילוב סוללות מתכת-יון עם אלקטרודת אוויר, כמו בתאי דלק. ככלל, הכיוון של יצירת מערכות היברידיות, כפי שכבר הוכח בדוגמה של קבלי-על, ככל הנראה יאפשר בעתיד הקרוב לראות בשוק מקורות אנרגיה כימיים בעלי מאפיינים צרכניים גבוהים.

האוניברסיטה הפדרלית של אורל, יחד עם שותפים אקדמיים ותעשייתיים ברוסיה ובעולם, מיישמת היום שישה מגה-פרויקטים המתמקדים בתחומי מחקר מדעי פורצי דרך. אחד מפרויקטים כאלה הוא "טכנולוגיות מתקדמות של אנרגיה אלקטרוכימית מתכנון כימי של חומרים חדשים ועד מכשירים אלקטרוכימיים מהדור החדש לשימור אנרגיה והמרה".

קבוצת מדענים מהיחידה האקדמית האסטרטגית (SAE) של בית הספר למדעי הטבע והמתמטיקה UrFU, הכוללת את מקסים אנאנייב, עוסקת בתכנון ופיתוח של חומרים וטכנולוגיות חדשות, לרבות תאי דלק, תאים אלקטרוליטיים, מתכת-גרפן. סוללות, מערכות אחסון אנרגיה אלקטרוכימיות וקבלי-על.

מחקר ועבודה מדעית מתבצעים בשיתוף פעולה מתמיד עם המכון לאלקטרוכימיה בטמפרטורה גבוהה של סניף אורל של האקדמיה הרוסית למדעים ובתמיכת שותפים.

אילו תאי דלק נמצאים כעת בפיתוח ובעלי הפוטנציאל הגדול ביותר?

אחד הסוגים המבטיחים ביותר של תאי דלק הם יסודות פרוטון-קרמיים. יש להם יתרונות על פני תאי דלק פולימריים עם קרום חילופי פרוטונים ואלמנטים תחמוצת מוצקים, מכיוון שהם יכולים לפעול עם אספקה ​​ישירה של דלק פחמימני. הדבר מפשט משמעותית את התכנון של תחנת כוח המבוססת על תאי דלק פרוטון-קרמיים ומערכת הבקרה, ולכן מגביר את האמינות התפעולית. נכון, סוג זה של תאי דלק כרגע פחות מפותח מבחינה היסטורית, אבל המחקר המדעי המודרני מאפשר לנו לקוות לפוטנציאל הגבוה של הטכנולוגיה הזו בעתיד.

אילו בעיות הקשורות לתאי דלק מטופלות כיום באוניברסיטה הפדרלית של אוראל?

כעת, מדעני UrFU, יחד עם המכון לאלקטרוכימיה בטמפרטורה גבוהה (IVTE) של סניף אורל של האקדמיה הרוסית למדעים, עובדים על יצירת מכשירים אלקטרוכימיים יעילים במיוחד ומחוללי כוח אוטונומיים ליישומים באנרגיה מבוזרת. יצירת תחנות כוח לאנרגיה מבוזרת מרמזת בתחילה על פיתוח מערכות היברידיות המבוססות על מחולל חשמל והתקן אחסון, שהן סוללות. יחד עם זאת, תא הדלק פועל ללא הרף, מספק עומס בשעות השיא, ובמצב סרק הוא טוען את הסוללה, שיכולה בעצמה לשמש עתודה גם במקרה של צריכת אנרגיה גבוהה וגם במצבי חירום.

ההצלחות הגדולות ביותר של כימאים UrFU ו-IVTE הושגו בפיתוח תאי דלק מוצקים תחמוצת ופרוטונים קרמיים. מאז 2016, באוראל, יחד עם התאגיד הממלכתי Rosatom, נוצר הייצור הראשון ברוסיה של תחנות כוח המבוססות על תאי דלק תחמוצת מוצק. הפיתוח של מדעני אורל כבר עבר בדיקות "בקנה מידה מלא" בתחנת ההגנה הקתודית של צינור הגז באתר הניסויים של Uraltransgaz LLC. תחנת הכוח בהספק נקוב של 1.5 קילוואט עבדה יותר מ-10 אלף שעות והראתה את הפוטנציאל הגבוה לשימוש במכשירים כאלה.

במסגרת המעבדה המשותפת של UrFU ו-IVTE, מתבצע פיתוח של מכשירים אלקטרוכימיים המבוססים על ממברנה קרמית מוליכת פרוטונים. זה יאפשר בעתיד הקרוב להפחית את טמפרטורות הפעולה של תאי דלק תחמוצת מוצק מ-900 ל-500 מעלות צלזיוס ולנטוש את הרפורמה המקדימה של דלקים פחמימנים, ובכך ליצור גנרטורים אלקטרוכימיים חסכוניים המסוגלים לפעול בתנאים של תשתית אספקת הגז המפותחת ברוסיה.

אלכסנדר דובוב

לארה"ב יש מספר יוזמות שמטרתן לפתח תאי דלק מימן, תשתית וטכנולוגיה כדי להפוך כלי רכב לתאי דלק למעשיים וחסכוניים בדלק עד 2020. יותר ממיליארד דולר הוקצו למטרות אלו.

תאי דלק מייצרים חשמל בשקט וביעילות, מבלי לזהם את הסביבה. בניגוד למקורות אנרגיה המשתמשים בדלק מאובנים, תוצרי הלוואי של תאי הדלק הם חום ומים. איך זה עובד?

במאמר זה נסתכל בקצרה על כל אחת מטכנולוגיות הדלק הקיימות כיום, וכן נדבר על התכנון והתפעול של תאי דלק, ונשווה אותם לצורות אחרות של הפקת אנרגיה. כמו כן, נדון בכמה מהמכשולים שעומדים בפני חוקרים בהפיכת תאי דלק למעשיים ובמחיר סביר עבור הצרכנים.

תאי דלק הם מכשירים להמרת אנרגיה אלקטרוכימית. תא דלק הופך כימיקלים, מימן וחמצן, למים, תוך יצירת חשמל.

מכשיר אלקטרוכימי נוסף שכולנו מכירים היטב הוא הסוללה. בסוללה יש את כל מה שאתה צריך יסודות כימייםבתוך עצמו והופך את החומרים הללו לחשמל. זה אומר שהסוללה בסופו של דבר מתה ואתה זורק אותה או מטעין אותה שוב.

בתא דלק, כימיקלים מוזנים אליו ללא הרף כך שהוא לעולם לא "מת". חשמל יופק כל עוד הוא מסופק כימיקליםלאלמנט. רוב תאי הדלק הנמצאים בשימוש כיום משתמשים במימן וחמצן.

מימן הוא היסוד הנפוץ ביותר בגלקסיה שלנו. עם זאת, מימן כמעט אינו קיים על פני כדור הארץ בצורתו היסודית. מהנדסים ומדענים חייבים להפיק מימן טהור מתרכובות מימן, כולל דלקים מאובנים או מים. כדי להפיק מימן מהתרכובות הללו, אתה צריך להוציא אנרגיה בצורה של חום או חשמל.

המצאת תאי דלק

סר וויליאם גרוב המציא את תא הדלק הראשון בשנת 1839. גרוב ידע שניתן לפצל מים למימן וחמצן על ידי העברת זרם חשמלי דרכם (תהליך הנקרא הַפרָדָה חַשְׁמָלִית). הוא הציע שבסדר הפוך ניתן יהיה להשיג חשמל ומים. הוא יצר תא דלק פרימיטיבי וקרא לו סוללת גז גלוונית. לאחר ניסוי בהמצאה החדשה שלו, גרוב הוכיח את השערתו. חמישים שנה מאוחר יותר, המדענים לודוויג מונד וצ'רלס לנגר טבעו את המונח תאי דלקכאשר מנסים לבנות מודל מעשי לייצור חשמל.

תא הדלק יתחרה במכשירים רבים אחרים להמרת אנרגיה, כולל טורבינות גז בתחנות כוח עירוניות, מנועי בעירה פנימית במכוניות וכל מיני סוללות. מנועי בעירה פנימית, כמו טורבינות גז, נשרפים סוגים שוניםדלק ולהשתמש בלחץ שנוצר מהתרחבות הגזים כדי לבצע עבודה מכנית. סוללות ממירות אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית בעת הצורך. תאי דלק חייבים לבצע משימות אלו בצורה יעילה יותר.

תא הדלק מספק מתח DC (זרם ישר) שניתן להשתמש בו כדי להפעיל מנועים חשמליים, אורות ומכשירים חשמליים אחרים.

ישנם מספר סוגים שונים של תאי דלק, כאשר כל אחד מהם משתמש שונה תהליכים כימיים. תאי דלק מסווגים בדרך כלל לפי שלהם טמפרטורת הפעלהו סוּגאלקטרוליט,שבו הם משתמשים. סוגים מסוימים של תאי דלק מתאימים היטב לשימוש בתחנות כוח נייחות. אחרים עשויים להיות שימושיים עבור קטנים מכשירים ניידיםאו להניע מכוניות. הסוגים העיקריים של תאי דלק כוללים:

תא דלק ממברנת חילופי פולימרים (PEMFC)

PEMFC נחשב למועמד הסביר ביותר עבור יישומי תחבורה. ל-PEMFC יש גם הספק גבוה וגם טמפרטורת פעולה נמוכה יחסית (הנעה בין 60 ל-80 מעלות צלזיוס). נָמוּך טמפרטורת הפעלההמשמעות היא שתאי דלק יכולים להתחמם במהירות כדי להתחיל לייצר חשמל.

תא דלק תחמוצת מוצק (SOFC)

תאי דלק אלו מתאימים ביותר למחוללי חשמל נייחים גדולים שיכולים להפעיל מפעלים או ערים. סוג זה של תא דלק פועל בטמפרטורות גבוהות מאוד (700 עד 1000 מעלות צלזיוס). טמפרטורה גבוהה מהווה בעיית אמינות מכיוון שחלק מתאי הדלק עלולים להיכשל לאחר מספר מחזורי הדלקה-כיבוי. עם זאת, תאי דלק תחמוצת מוצק יציבים מאוד במהלך פעולה רציפה. למעשה, SOFCs הוכיחו את חיי הפעולה הארוכים ביותר של כל תא דלק בתנאים מסוימים. לטמפרטורה הגבוהה יש גם יתרון שאפשר לשלוח את הקיטור שמייצרים תאי הדלק לטורבינות ולהפיק יותר חשמל. תהליך זה נקרא קוגנרציה של חום וחשמלומשפר את יעילות המערכת הכוללת.

תא דלק אלקליין (AFC)

זהו אחד העיצובים העתיקים ביותר עבור תאי דלק, לאחר שהיה בשימוש מאז שנות ה-60. AFCs רגישים מאוד לזיהום מכיוון שהם דורשים מימן וחמצן טהורים. בנוסף, הם יקרים מאוד, כך שסוג זה של תא דלק לא סביר שיוכנס לייצור המוני.

תא דלק מותך-קרבונט (MCFC)

כמו SOFCs, גם תאי דלק אלו מתאימים ביותר לתחנות כוח נייחות גדולות ולגנרטורים. הם פועלים ב-600 מעלות צלזיוס כך שהם יכולים לייצר קיטור, שבתורו יכולים לשמש לייצור עוד יותר אנרגיה. יש להם טמפרטורת פעולה נמוכה יותר מתאי דלק תחמוצת מוצק, מה שאומר שהם אינם דורשים חומרים עמידים בחום שכאלה. זה עושה אותם קצת יותר זולים.

תא דלק חומצה זרחתית (PAFC)

תא דלק חומצה זרחתיתיש פוטנציאל לשימוש במערכות חשמל נייחות קטנות. זה עובד ליותר טמפרטורה גבוההמאשר תא דלק של ממברנות חילופי פולימרים, כך שלוקח יותר זמן להתחמם, מה שהופך אותו לא מתאים לשימוש במכוניות.

תא דלק מתנול ישיר (DMFC)

תאי דלק מתנול דומים ל-PEMFC מבחינת טמפרטורת ההפעלה, אך אינם יעילים כל כך. בנוסף, DMFCs דורשים כמות די גדולה של פלטינה כזרז, מה שמייקר את תאי הדלק הללו.

תא דלק עם קרום חילופי פולימרים

תא דלק ממברנת חילופי פולימרים (PEMFC) היא אחת מטכנולוגיות תאי הדלק המבטיחות ביותר. PEMFC משתמש באחת התגובות הפשוטות ביותר של כל תא דלק. בואו נסתכל ממה זה מורכב.

1. א צוֹמֶת - מסוף שלילי של תא הדלק. הוא מוליך אלקטרונים המשתחררים ממולקולות מימן, ולאחר מכן ניתן להשתמש בהם במעגל חיצוני. יש לו תעלות חרוטות שדרכן גז מימן מופץ באופן שווה על פני השטח של הזרז.

2.אֶל אתודה - מסוף חיובי של תא הדלק, יש גם תעלות להפצת חמצן על פני השטח של הזרז. הוא גם מוליך אלקטרונים בחזרה מהמעגל החיצוני של הזרז, שם הם יכולים לשלב עם יוני מימן וחמצן ליצירת מים.

3.קרום חילופי אלקטרוליטים-פרוטונים. זהו חומר מטופל במיוחד שמוליך רק יונים טעונים חיובית וחוסם אלקטרונים. עם PEMFC, הממברנה חייבת להיות לחות על מנת לתפקד כראוי ולהישאר יציב.

4. זָרָזהוא חומר מיוחד המקדם את התגובה של חמצן ומימן. הוא עשוי בדרך כלל מננו-חלקיקי פלטינה המיושמים דק מאוד על נייר פחמן או בד. לזרז יש מבנה פני השטח כך ששטח הפנים המרבי של הפלטינה יכול להיחשף למימן או לחמצן.

האיור מציג גז מימן (H2) הנכנס לתא הדלק בלחץ מצד האנודה. כאשר מולקולת H2 באה במגע עם פלטינה על הזרז, היא מתפצלת לשני יוני H+ ושני אלקטרונים. האלקטרונים עוברים דרך האנודה, שם הם משמשים במעגלים חיצוניים (עושים עבודה שימושית, כמו סיבוב מנוע), וחוזרים לצד הקתודה של תא הדלק.

בינתיים, בצד הקתודה של תא הדלק, חמצן (O2) מהאוויר עובר דרך הזרז שם הוא יוצר שני אטומי חמצן. לכל אחד מהאטומים הללו יש מטען שלילי חזק. מטען שלילי זה מושך שני יוני H+ על פני הממברנה, שם הם מתחברים עם אטום חמצן ושני אלקטרונים המגיעים מהמעגל החיצוני ויוצרים מולקולת מים (H2O).

תגובה זו בתא דלק בודד מייצרת רק כ-0.7 וולט. כדי להעלות את המתח לרמה סבירה, יש לשלב תאי דלק בודדים רבים ליצירת ערימת תאי דלק. לוחות דו קוטביים משמשים לחיבור תא דלק אחד למשנהו ועוברים חמצון כדי להפחית את הפוטנציאל. בעיה גדולהלוחות דו קוטביים - יציבותם. לוחות מתכת דו-קוטביים עלולים להיחלד, ותוצרי לוואי (יוני ברזל וכרום) מפחיתים את היעילות של ממברנות תאי הדלק והאלקטרודות. לכן, תאי דלק בטמפרטורה נמוכה משתמשים במתכות קלות, גרפיט וחומרים מרוכבים של פחמן ותרמוסט (תרמוסטט הוא מעין פלסטיק שנשאר מוצק גם בחשיפה לטמפרטורות גבוהות) בצורה של חומר יריעה דו-קוטבית.

יעילות תאי דלק

הפחתת הזיהום היא אחת המטרות העיקריות של תא דלק. על ידי השוואת מכונית המונעת על ידי תא דלק למכונית המונעת על ידי מנוע בנזין ומכונית המונעת על ידי סוללה, תוכל לראות כיצד תאי דלק יכולים לשפר את היעילות של מכוניות.

מכיוון שלכל שלושת סוגי המכוניות יש הרבה מאותם רכיבים, נתעלם מחלק זה של המכונית ונשווה את הפעולות השימושיות עד לנקודה שבה מופקת אנרגיה מכנית. נתחיל עם מכונית תאי הדלק.

אם תא הדלק מופעל על ידי מימן טהור, היעילות שלו יכולה להיות עד 80 אחוז. לפיכך, הוא ממיר 80 ​​אחוז מתכולת האנרגיה של מימן לחשמל. עם זאת, אנחנו עדיין צריכים להמיר אנרגיה חשמלית לעבודה מכנית. זה מושג על ידי מנוע חשמלי ומהפך. יעילות המנוע + המהפך גם היא כ-80 אחוז. זה נותן יעילות כוללת של כ 80*80/100=64 אחוז. לפי הדיווחים, לרכב הקונספט FCX ​​של הונדה יש ​​יעילות אנרגטית של 60 אחוזים.

אם מקור הדלק אינו בצורת מימן טהור, אז הרכב יצטרך גם רפורמר. רפורמים ממירים דלק פחמימנים או אלכוהול למימן. הם מייצרים חום ומייצרים CO ו-CO2 בנוסף למימן. כדי לטהר את המימן שנוצר, הם משתמשים מכשירים שונים, אך ניקוי זה אינו מספק ומפחית את היעילות של תא הדלק. אז החוקרים החליטו להתמקד בתאי דלק לכלי רכב המונעים במימן טהור, למרות האתגרים הקשורים לייצור ואחסון מימן.

יעילות של מנוע בנזין ורכב חשמלי סוללה

היעילות של מכונית המונעת על ידי בנזין נמוכה באופן מפתיע. כל החום שנפלט או נספג על ידי הרדיאטור הוא אנרגיה מבוזבזת. המנוע גם משתמש באנרגיה סיבובית רבה משאבות שונות, מאווררים וגנרטורים ששומרים עליו לפעול. לפיכך, היעילות הכוללת של מנוע רכב בנזין היא כ-20 אחוזים. כך, רק כ-20 אחוז מתכולת האנרגיה התרמית של הבנזין מומרים לעבודה מכנית.

לרכב חשמלי המונע על ידי סוללות יש יעילות גבוהה למדי. הסוללה יעילה בכ-90 אחוז (רוב הסוללות מייצרות מעט חום או דורשות חימום), והמנוע + המהפך יעיל ב-80 אחוזים בערך. זה נותן יעילות כוללת של כ-72 אחוזים.

אבל זה לא הכל. כדי שמכונית חשמלית תזוז, צריך קודם כל לייצר חשמל איפשהו. אם מדובר בתחנת כוח שהשתמשה בתהליך בעירה של דלק מאובנים (ולא בכוח גרעיני, הידרואלקטרי, שמש או רוח), אז רק כ-40 אחוז מהדלק שצרכה תחנת הכוח הומר לחשמל. בנוסף, תהליך טעינת הרכב דורש המרת חשמל AC(AC) לחשמל זֶרֶם יָשָׁר(זֶרֶם יָשָׁר). לתהליך זה יעילות של כ-90 אחוז.

כעת, אם נסתכל על כל המחזור, היעילות של רכב חשמלי היא 72 אחוז עבור הרכב עצמו, 40 אחוז עבור תחנת הכוח ו-90 אחוז עבור טעינת הרכב. זה נותן יעילות כוללת של 26 אחוזים. היעילות הכוללת משתנה באופן משמעותי בהתאם לתחנת הכוח המשמשת לטעינת הסוללה. אם החשמל של המכונית מופק על ידי תחנת כוח הידרואלקטרית, למשל, יעילות המכונית החשמלית תהיה כ-65 אחוזים.

מדענים חוקרים ומשפרים תכנונים כדי להמשיך ולשפר את היעילות של תא הדלק. גישה חדשה אחת תהיה שילוב של כלי רכב המונעים על ידי תאי דלק וכלי רכב. נמצא בפיתוח רכב קונספט המונע באמצעות מערכת הנעה היברידית המופעלת על ידי תא דלק. הוא משתמש בסוללת ליתיום כדי להפעיל את המכונית בזמן שתא הדלק טוען את הסוללה.

כלי רכב עם תאי דלק יעילים בפוטנציה כמו מכונית המונעת על ידי סוללות הנטענת מתחנת כוח שאינה משתמשת בדלק מאובנים. אבל מימוש הפוטנציאל הזה בצורה מעשית ונגישה יכולה להיות קשה.

למה להשתמש בתאי דלק?

הסיבה העיקרית היא כל מה שקשור לנפט. אמריקה חייבת לייבא כמעט 60 אחוז מהנפט שלה. עד 2025 היבוא צפוי לעלות ל-68%. האמריקאים משתמשים בשני שליש מהנפט מדי יום לתחבורה. גם אם כל מכונית ברחוב הייתה מכונית היברידית, עד שנת 2025 ארה"ב עדיין תצטרך להשתמש באותה כמות נפט שצרכו האמריקאים בשנת 2000. למעשה, אמריקה צורכת רבע מכל הנפט בעולם, אם כי רק 4.6% מאוכלוסיית העולם מתגוררת כאן.

מומחים צופים שמחירי הנפט ימשיכו לעלות בעשורים הקרובים ככל שהמקורות הזולים יותר יצטמצמו. חברות הנפט חייבות לפתח שדות נפט בתנאים קשים יותר ויותר, מה שיעלה את מחירי הנפט.

החששות חורגים הרבה מעבר לביטחון כלכלי. כסף רב המגיע ממכירת נפט מושקע בתמיכה בטרור הבינלאומי, במפלגות פוליטיות רדיקליות ובמצב הבלתי יציב באזורים המייצרים נפט.

השימוש בנפט ובדלקים מאובנים אחרים לאנרגיה מייצר זיהום. עדיף לכולם למצוא חלופה לשריפת דלקים מאובנים לאנרגיה.

תאי דלק הם חלופה אטרקטיבית לתלות בנפט. במקום לזהם, תאי דלק מייצרים מים נקיים כתוצר לוואי. בעוד שהמהנדסים התמקדו זמנית בהפקת מימן ממקורות מאובנים שונים כמו בנזין או גז טבעי, נבדקות דרכים מתחדשות וידידותיות לסביבה להפקת מימן בעתיד. המבטיח ביותר, באופן טבעי, יהיה תהליך הפקת מימן ממים

תלות בנפט והתחממות כדור הארץ - בעיה בינלאומית. מספר מדינות מעורבות במשותף בקידום מחקר ופיתוח לטכנולוגיית תאי דלק.

ברור שלמדענים וליצרנים יש עבודה רבה לפני שתאי דלק יהפכו לחלופה שיטות מודרניותייצור אנרגיה. עם זאת, עם תמיכה עולמית ושיתוף פעולה עולמי, מערכת חשמל בת קיימא של תאי דלק יכולה להפוך למציאות בתוך כמה עשורים בלבד.

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, שכן הוא דורש כמה מערכות עזר כדי לתפקד כראוי.

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.

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 הגעת מימן לאנודה וחמצן לקתודה, מתחילה תגובה כימית שבעקבותיה זרם חשמלי, חום ומים. בזרז האנודה, מימן מולקולרי מתנתק 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 כללית של היסוד: 2H2 + O2 => 2H2O

סוגי תאי דלק

בדיוק כמו שיש סוגים שונים של מנועי בעירה פנימית, יש סוגים שוניםתאי דלק - הבחירה בסוג המתאים של תא הדלק 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 "להמיר" את הדלק באופן פנימי בטמפרטורות גבוהות, כלומר אין צורך להשקיע בתשתית מימן.

תאי דלק קרבונט מותך (MCFC).

תאי דלק אלקטרוליט קרבונט מותך הם 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. התהליך הזהפותח 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 דרגה גבוההעקב 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 אלה 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 עם תפוקה כוח חשמלי 2.8 מגה וואט. 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 זרחתית נמוכה בטמפרטורות נמוכות, מסיבה זו 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. בנוסף, CO2 אינו משפיע על האלקטרוליט ועל פעולתו של תא הדלק מסוג זה פועל 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 בהספק מ-1 ואט עד 2 קילוואט.

תאי דלק אלה משתמשים בממברנה 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) ולאקטרונים. 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, כאשר משתמשים באלקטרוליט מוצק, אין קשיים כמו 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 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-). 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. עם טמפרטורות הפעלה נמוכות וללא צורך בממיר, תאי דלק של חמצון ישיר של מתנול הם מועמד ראשוני ליישומים גם בטלפונים ניידים וגם במוצרי צריכה אחרים ובמנועי רכב. 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 החלליות הללו, תאי דלק מייצרים אנרגיה חשמלית ומים ראויים לשתייה. 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, מופק חשמל וכמו כן מוּצָר לְוָאִי, חם:

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, 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 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, 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. כאשר מחומם, הרכיב האורגני מתאדה, יוצא דרך הנקבוביות באלקטרודות, שומר על יכולת מגע מרובים בין הדלק (או החמצן בקצה השני של היסודות), האלקטרוליט והאלקטרודות שפורסמו

סוג תאי דלק	טמפרטורת הפעלה	יעילות ייצור חשמל	סוג דלק	היקף היישום
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	חקר החלל
פיט	30-100 מעלות צלזיוס	35-50%	מימן טהור	התקנות קטנות

הצטרפו אלינו

אלקטרוניקה ניידת הופכת נגישה ונפוצה יותר מדי שנה, אם לא חודש. כאן תמצאו מחשבים ניידים, מחשבי כף יד, מצלמות דיגיטליות, טלפונים ניידים ועוד שלל מכשירים שימושיים ולא כל כך שימושיים. וכל המכשירים האלה כל הזמן רוכשים פונקציות חדשות, מעבדים חזקים יותר, מסכים צבעוניים גדולים יותר, תקשורת אלחוטית, ובמקביל יורד בגודלו. אבל, בניגוד לטכנולוגיות מוליכים למחצה, טכנולוגיות הספק עבור כל המנגריה הניידת הזו אינן מתקדמות בצעדי ענק.

סוללות קונבנציונליות וסוללות נטענות הופכות להיות בלתי מספיקות בבירור כדי להפעיל את ההתקדמות האחרונה בתעשיית האלקטרוניקה לכל פרק זמן משמעותי. וללא סוללות אמינות ומרווחות, כל נקודת הניידות והאלחוט אבודה. אז תעשיית המחשבים עובדת יותר ויותר באופן פעיל על הבעיה מקורות כוח חלופיים. והכיוון הכי מבטיח כאן היום הוא תאי דלק.

עקרון הפעולה הבסיסי של תאי דלק התגלה על ידי המדען הבריטי סר וויליאם גרוב בשנת 1839. הוא ידוע בתור אביו של "תא הדלק". ויליאם גרוב ייצר חשמל על ידי שינוי להפקת מימן וחמצן. לאחר שניתק את הסוללה מהתא האלקטרוליטי, הופתע גרוב לגלות שהאלקטרודות החלו לספוג את הגז המשתחרר וליצור זרם. פתיחת תהליך בעירה אלקטרוכימית "קרה" של מימןהפך לאירוע משמעותי בתעשיית האנרגיה, ולאחר מכן אלקטרוכימאים מפורסמים כמו אוסטוולד ונרנסט מילאו תפקיד מרכזי בפיתוח יסודות תיאורטייםויישום מעשי של תאי דלק וניבא להם עתיד גדול.

עַצמִי המונח "תא דלק"הופיע מאוחר יותר - הוא הוצע בשנת 1889 על ידי לודוויג מונד וצ'רלס לנגר, שניסו ליצור מכשיר להפקת חשמל מאוויר וגז פחם.

במהלך בעירה רגילה בחמצן מתרחשת חמצון של דלק אורגני, והאנרגיה הכימית של הדלק מומרת בצורה לא יעילה לאנרגיה תרמית. אבל התברר שניתן לבצע את תגובת החמצון, למשל, של מימן עם חמצן, בסביבת אלקטרוליטים ובנוכחות אלקטרודות, לקבל זרם חשמלי. לדוגמה, על ידי אספקת מימן לאלקטרודה הממוקמת בתווך אלקליני, אנו מקבלים אלקטרונים:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

שעוברים במעגל החיצוני מגיעים לאלקטרודה הנגדית, אליה זורם חמצן ושם מתרחשת התגובה: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

ניתן לראות שהתגובה המתקבלת 2H2 + O2 → H2O זהה לבעירה קונבנציונלית, אך בתא דלק, או אחרת - ב מחולל אלקטרוכימי, התוצאה היא זרם חשמלי עם יעילות רבה וחום חלקי. 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'.

הפיתוח של תאי דלק נמשך במרץ הן בחו"ל והן ברוסיה, ולאחר מכן בברית המועצות. בין המדענים שתרמו תרומה רבה לחקר תאי דלק, נציין את V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordesh. באמצע המאה הקודמת החלה התקפה חדשה על בעיות בתאי דלק. זה נובע בחלקו מההופעה של רעיונות, חומרים וטכנולוגיות חדשים כתוצאה ממחקר ביטחוני.

אחד המדענים שעשו צעד מרכזי בפיתוח תאי דלק היה P.M. Spiridonov. יסודות מימן-חמצן של ספירידונובנתן צפיפות זרם של 30 mA/cm2, שנחשבה באותה תקופה הישג גדול. בשנות הארבעים יצרה או.דבתיאן מתקן לבעירה אלקטרוכימית של גז מחולל המתקבל על ידי גיזוז פחם. עבור כל מטר מעוקב של נפח אלמנט, Davtyan קיבל כוח של 5 קילוואט.

זה היה תא דלק אלקטרוליט מוצק ראשון. הייתה לו יעילות גבוהה, אבל עם הזמן האלקטרוליט הפך לבלתי שמיש והיה צורך להחליף אותו. בהמשך, יצר דבתיאן, בסוף שנות החמישים, מתקן רב עוצמה שמניע את הטרקטור. באותן שנים, המהנדס האנגלי טי בייקון תכנן ובנה סוללת תאי דלק בהספק כולל של 6 קילוואט ויעילות של 80%, הפועלת על מימן וחמצן טהורים, אך יחס ההספק למשקל של הסוללה התבררה כקטנה מדי - אלמנטים כאלה לא היו מתאימים לשימוש מעשי ויקרים מדי.

בשנים שלאחר מכן חלף זמנם של המתבודדים. יוצרי החללית החלו להתעניין בתאי דלק. מאז אמצע שנות ה-60 הושקעו מיליוני דולרים במחקר תאי דלק. עבודתם של אלפי מדענים ומהנדסים אפשרה לנו להגיע לרמה חדשה, ובשנת 1965. תאי דלק נוסו בארה"ב בחללית ג'מיני 5, ובהמשך בחללית אפולו לטיסות לירח ולתוכנית המעבורת.

בברית המועצות פותחו תאי דלק ב-NPO Kvant, גם לשימוש בחלל. באותן שנים כבר הופיעו חומרים חדשים - אלקטרוליטים פולימריים מוצקים המבוססים על ממברנות חילופי יונים, סוגים חדשים של זרזים, אלקטרודות. ובכל זאת, צפיפות זרם ההפעלה הייתה קטנה - בטווח של 100-200 mA/cm2, ותכולת הפלטינה על האלקטרודות הייתה כמה ג'/cm2. היו בעיות רבות הקשורות לעמידות, יציבות ובטיחות.

השלב הבא של התפתחות מהירה של תאי דלק החל בשנות ה-90. המאה הקודמת ונמשכת עד היום. זה נגרם על ידי הצורך במקורות אנרגיה יעילים חדשים בחיבור, מצד אחד, עם גלובלי בעיה סביבתיתהגדלת פליטת גזי חממה משריפת דלקים מאובנים ומצד שני, דלדול מאגרי דלק כזה. מכיוון שהתוצר הסופי של שריפת מימן בתא דלק הוא מים, הם נחשבים לנקיים ביותר מבחינת ההשפעה הסביבתית. הבעיה העיקרית היא רק למצוא דרך יעילה וזולה לייצר מימן.

מיליארדי דולרים בהשקעות כספיות בפיתוח תאי דלק ומחוללי מימן אמורים להוביל לפריצת דרך טכנולוגית ולהפוך את השימוש בהם בחיי היומיום למציאות: בתאים עבור טלפונים סלולריים, במכוניות, בתחנות כוח. כבר עתה, ענקיות רכב כמו באלארד, הונדה, דיימלר קרייזלר וג'נרל מוטורס מדגימות מכוניות ואוטובוסים המונעים על ידי תאי דלק בהספק של 50 קילוואט. התפתחו מספר חברות תחנות כוח הדגמה המשתמשות בתאי דלק עם אלקטרוליט תחמוצת מוצק בהספק של עד 500 קילוואט. אבל, למרות פריצת דרך משמעותית בשיפור המאפיינים של תאי דלק, בעיות רבות הקשורות לעלות, אמינות ובטיחות שלהם עדיין צריכות להיפתר.

בתא דלק, בניגוד לסוללות ומצברים, מסופקים אליו מבחוץ גם דלק וגם מחמצן. תא הדלק רק מתווך את התגובה ובתנאים אידיאליים, יכול לפעול כמעט לנצח. היופי בטכנולוגיה הזו הוא שהתא למעשה שורף דלק וממיר ישירות את האנרגיה המשתחררת לחשמל. כאשר דלק נשרף ישירות, הוא מתחמצן על ידי חמצן, והחום המשתחרר משמש לביצוע עבודה שימושית.

בתא דלק, כמו בסוללות, התגובות של חמצון הדלק והפחתת החמצן מופרדות באופן מרחבי, ותהליך ה"בעירה" מתרחש רק אם התא מספק זרם לעומס. זה בדיוק כמו גנרטור דיזל חשמלי, רק ללא סולר וגנרטור. וגם בלי עשן, רעש, התחממות יתר ועם הרבה יותר יעילות גבוהה. זה האחרון מוסבר על ידי העובדה, ראשית, אין ביניים מכשירים מכנייםושנית, תא הדלק אינו מנוע חום, וכתוצאה מכך אינו מציית לחוק קרנו (כלומר, יעילותו אינה נקבעת על ידי הפרשי טמפרטורה).

החמצן משמש כחומר מחמצן בתאי דלק. יתרה מכך, מכיוון שיש מספיק חמצן באוויר, אין צורך לדאוג לגבי אספקת חומר מחמצן. לגבי דלק, זה מימן. אז, התגובה מתרחשת בתא הדלק:

2H2 + O2 → 2H2O + חשמל + חום.

התוצאה היא אנרגיה שימושית ואדי מים. הפשוט ביותר במבנה שלו הוא תא דלק ממברנת החלפת פרוטונים(ראה איור 1). זה פועל באופן הבא: מימן הנכנס ליסוד מתפרק בפעולת זרז לאלקטרונים ויוני מימן בעלי מטען חיובי H+. ואז נכנסת לתמונה קרום מיוחד, הממלא את התפקיד של אלקטרוליט בסוללה קונבנציונלית. בשל שלה הרכב כימיהוא מאפשר לפרוטונים לעבור דרכם אך שומר על אלקטרונים. כך, האלקטרונים המצטברים על האנודה יוצרים עודף מטען שלילי, ויוני המימן יוצרים מטען חיובי על הקתודה (המתח על היסוד הוא בערך 1V).

כדי ליצור הספק גבוה, תא דלק מורכב מתאים רבים. אם תחבר אלמנט לעומס, אלקטרונים יזרמו דרכו אל הקתודה, ויצרו זרם וישלימו את תהליך החמצון של מימן עם חמצן. חלקיקי פלטינה המופקדים על סיבי פחמן משמשים בדרך כלל כזרז בתאי דלק כאלה. בשל המבנה שלו, זרז כזה מאפשר גז וחשמל לעבור היטב. הממברנה עשויה בדרך כלל מהפולימר Nafion המכיל גופרית. עובי הממברנה הוא עשיריות המילימטר. במהלך התגובה כמובן משתחרר גם חום, אבל לא הרבה ממנו, ולכן טמפרטורת הפעולה נשמרת באזור 40-80 מעלות צלזיוס.

איור.1. עקרון הפעולה של תא דלק

ישנם סוגים נוספים של תאי דלק, הנבדלים בעיקר בסוג האלקטרוליט המשמש. כמעט כולם דורשים מימן כדלק, ולכן נשאלת השאלה ההגיונית: היכן משיגים אותו. כמובן שניתן יהיה להשתמש במימן דחוס מגלילים, אך מתעוררות מיד בעיות הקשורות להובלה ואחסון של גז דליק מאוד זה בלחץ גבוה. כמובן שניתן להשתמש במימן בצורה קשורה, כמו בסוללות מתכת הידריד. אבל מלאכת החילוץ והשינוע שלו עדיין נותרה בעינה, כי התשתית לתדלוק מימן לא קיימת.

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, אשר בטמפרטורות גבוהות (עבור מתנול זה יהיה בערך 240 מעלות צלזיוס) ממיר אלכוהול לתערובת של H2 ו-CO2 גזי. אבל במקרה זה, כבר קשה יותר לחשוב על ניידות - מכשירים כאלה טובים לשימוש כמו נייחים או, אבל עבור ציוד נייד קומפקטי אתה צריך משהו פחות מגושם.

וכאן אנחנו מגיעים בדיוק למכשיר, שפיתוחו איתו כוח נוראכמעט כל יצרני האלקטרוניקה הגדולים עוסקים ב - תא דלק מתנול(איור 2).

איור 2. עקרון הפעולה של תא דלק מתנול

ההבדל המהותי בין תאי דלק מימן ומתנול הוא הזרז המשמש. הזרז בתא דלק מתנול מאפשר להסיר פרוטונים ישירות ממולקולת האלכוהול. כך, הבעיה עם הדלק נפתרה - מתיל אלכוהול מייצר המוני עבורו תעשייה כימית, קל לאחסון ולהובלה, וטעינת תא הדלק המתנול היא פשוטה כמו החלפת מחסנית הדלק. נכון, יש חיסרון אחד משמעותי - מתנול הוא רעיל. בנוסף, היעילות של תא דלק מתנול נמוכה משמעותית מזו של מימן.

אוֹרֶז. 3. תא דלק מתנול

האפשרות המפתה ביותר היא להשתמש באלכוהול אתילי כדלק, מכיוון שהוא מיוצר ומופץ משקאות אלכוהולייםמכל הרכב וחוזק מבוסס היטב ברחבי העולם. עם זאת, היעילות של תאי דלק אתנול, למרבה הצער, נמוכה אפילו מזו של מתנול.

כפי שצוין לאורך השנים הרבות של התפתחות בתחום תאי הדלק, נבנו סוגים שונים של תאי דלק. תאי דלק מסווגים לפי אלקטרוליט וסוג דלק.

1. אלקטרוליט מימן-חמצן פולימר מוצק.

2. תאי דלק מתנול פולימרי מוצק.

3. תאי אלקטרוליט אלקליין.

4. תאי דלק של חומצה זרחתית.

5. יסודות דלק המבוססים על קרבונטים מותכים.

6. תאי דלק תחמוצת מוצק.

באופן אידיאלי, היעילות של תאי דלק גבוהה מאוד, אך בתנאים אמיתיים ישנם הפסדים הקשורים לתהליכים ללא שיווי משקל, כגון: הפסדים אומהיים עקב המוליכות הספציפית של האלקטרוליט והאלקטרודות, הפעלה וקיטוב ריכוז, והפסדי דיפוזיה. כתוצאה מכך, חלק מהאנרגיה הנוצרת בתאי הדלק מומרת לחום. המאמצים של מומחים מכוונים לצמצום הפסדים אלה.

המקור העיקרי להפסדים אוהמיים, כמו גם הסיבה למחיר הגבוה של תאי דלק, הם קרומי חילופי קטונים סולפוניים פרפלואורינים. כעת מתבצע החיפוש אחר פולימרים חלופיים, זולים יותר מוליכים פרוטונים. מכיוון שמוליכות הממברנות הללו (אלקטרוליטים מוצקים) מגיעה לערך מקובל (10 אוהם/ס"מ) רק בנוכחות מים, יש ללחות בנוסף את הגזים המסופקים לתא הדלק במכשיר מיוחד, מה שגם מייקר את העלות של מַעֲרֶכֶת. אלקטרודות דיפוזיה של גז קטליטי משתמשות בעיקר בפלטינה ובכמה מתכות אצילות אחרות, ועד כה לא נמצא להן תחליף. למרות שתכולת הפלטינה בתאי הדלק היא כמה מ"ג/סמ"ר, עבור סוללות גדולות הכמות שלה מגיעה לעשרות גרמים.

בעת תכנון תאי דלק, מוקדשת תשומת לב רבה למערכת הסרת החום, ממתי צפיפות גבוההזרם (עד 1A/cm2) המערכת מתחממת בעצמה. לקירור משתמשים במים המסתובבים בתא הדלק דרך ערוצים מיוחדים, ובהספקים נמוכים - נושבת אוויר.

כָּך, מערכת מודרניתגנרטור אלקטרוכימי, בנוסף למצבר תאי הדלק עצמו, "מגודל" במכשירי עזר רבים, כגון: משאבות, מדחס לאספקת אוויר, הזרקת מימן, מכשיר אדים בגז, יחידת קירור, מערכת ניטור דליפת גז, ממיר DC-AC, מעבד בקרה וכו'. כל זה מוביל לכך שהעלות של מערכת תאי דלק בשנים 2004-2005 הייתה 2-3 אלף $/kW. לדברי מומחים, תאי דלק יהפכו לזמינים לשימוש בתחנות כוח תחבורה ותחנות כוח נייחות במחיר של 50-100 דולר לקוט"ש.

להכניס תאי דלק ל חיי היומיום, יחד עם רכיבים זולים יותר, עלינו לצפות לרעיונות וגישות מקוריות חדשות. בפרט, תולים תקוות גדולות בשימוש בננו-חומרים ובננו-טכנולוגיות. לדוגמה, כמה חברות הכריזו לאחרונה על יצירת זרזים יעילים במיוחד, במיוחד לאלקטרודות חמצן, המבוססים על מקבצים של ננו-חלקיקים ממתכות שונות. בנוסף, היו דיווחים על עיצובים של תאי דלק חסרי ממברנה שבהם דלק נוזלי(לדוגמה, מתנול) מסופק לתא הדלק יחד עם המחמצן. מעניין גם הרעיון המתפתח של תאי דלק ביולוגי הפועלים במים מזוהמים וצורכים חמצן מומס באוויר כמחמצן, וזיהומים אורגניים כדלק.

לדברי מומחים, תאי דלק ייכנסו לשוק ההמוני בשנים הקרובות. ואכן, בזה אחר זה מפתחים מתגברים על בעיות טכניות, מדווחים על הצלחות ומציגים אבות טיפוס של תאי דלק. לדוגמה, טושיבה הדגימה אב טיפוס מוגמר של תא דלק מתנול. יש לו גודל של 22x56x4.5mm ומפיק הספק של כ-100mW. מילוי אחד של 2 קוביות של מתנול מרוכז (99.5%) מספיק ל-20 שעות פעילות של נגן ה-MP3. טושיבה פרסמה תא דלק מסחרי להנעת טלפונים ניידים. שוב, אותה טושיבה הדגימה תא להפעלת מחשבים ניידים בגודל 275x75x40 מ"מ, המאפשר למחשב לפעול במשך 5 שעות בטעינה אחת.

חברה יפנית אחרת, Fujitsu, נמצאת לא הרחק מאחורי טושיבה. ב-2004 היא הציגה גם יסוד הפועל בתמיסה מימית של 30% של מתנול. תא דלק זה פעל על טעינה אחת של 300 מ"ל למשך 10 שעות והפיק הספק של 15 וואט.

Casio מפתחת תא דלק שבו מתנול הופך תחילה לתערובת של גזי H2 ו-CO2 בממיר דלק מיניאטורי, ולאחר מכן מוזן לתא הדלק. במהלך ההדגמה, אב הטיפוס של Casio הניע מחשב נייד למשך 20 שעות.

סמסונג הטביעה את חותמה גם בתחום תאי הדלק - בשנת 2004 היא הדגימה את אב הטיפוס שלה בעוצמה של 12 וואט שנועד להפעיל מחשב נייד. באופן כללי, סמסונג מתכננת להשתמש בתאי דלק בעיקר בסמארטפונים מהדור הרביעי.

יש לומר שחברות יפניות בדרך כלל נקטו בגישה מאוד יסודית לפיתוח תאי דלק. עוד בשנת 2003, חברות כמו Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony ו-Toshiba איחדו כוחות כדי לפתח תקן תאי דלק יחיד עבור מחשבים ניידים, טלפונים ניידים, מחשבי כף יד ואחרים. מכשירים אלקטרוניים. חברות אמריקאיות, שקיימות גם רבות מהן בשוק הזה, עובדות בעיקר בחוזים עם הצבא ומפתחות תאי דלק לחשמול חיילים אמריקאים.

הגרמנים לא רחוקים מאחור - חברת Smart Fuel Cell מוכרת תאי דלק כדי להפעיל משרד נייד. המכשיר נקרא Smart Fuel Cell C25, בעל ממדים של 150x112x65 מ"מ ויכול לספק עד 140 וואט-שעה לכל מילוי. זה מספיק כדי להפעיל את המחשב הנייד למשך כ-7 שעות. לאחר מכן ניתן להחליף את המחסנית ותוכל להמשיך לעבוד. גודל מחסנית המתנול הוא 99x63x27 מ"מ, והיא שוקלת 150 גרם. המערכת עצמה שוקלת 1.1 ק"ג, כך שלא ניתן לקרוא לה ניידת לחלוטין, אך עדיין מדובר במכשיר שלם ונוח לחלוטין. החברה גם מפתחת מודול דלק להפעלת מצלמות וידאו מקצועיות.

באופן כללי, תאי דלק כמעט נכנסו לשוק האלקטרוניקה הניידת. היצרנים עדיין צריכים לפתור את הבעיות הטכניות האחרונות לפני תחילת ייצור המוני.

ראשית, יש צורך לפתור את סוגיית המזעור של תאי דלק. אחרי הכל, ככל שתא הדלק קטן יותר, כך הוא יכול להפיק פחות כוח - ולכן כל הזמן מפתחים זרזים ואלקטרודות חדשים המאפשרים למקסם משטח עבודה. כאן מאוד שימושיים הפיתוחים האחרונים בתחום הננוטכנולוגיה והננו-חומרים (לדוגמה, ננו-צינורות). שוב, כדי למזער את הצנרת של אלמנטים (משאבות דלק ומים, מערכות קירור והמרת דלק), נעשה יותר ויותר שימוש בהישגים של מיקרואלקטרומכניקה.

הבעיה החשובה השנייה שצריך לטפל בה היא המחיר. אחרי הכל, פלטינה יקרה מאוד משמשת כזרז ברוב תאי הדלק. שוב, חלק מהיצרנים מנסים להפיק את המרב מטכנולוגיות הסיליקון המבוססות כבר.

באשר לשאר תחומי השימוש בתאי דלק, תאי הדלק כבר התבססו שם היטב, למרות שהם עדיין לא הפכו למיינסטרים לא במגזר האנרגיה ולא בתחבורה. כבר עתה, יצרני רכב רבים הציגו את מכוניות הקונספט שלהם המונעות על ידי תאי דלק. אוטובוסים של תאי דלק פועלים במספר ערים ברחבי העולם. Ballard Power Systems הקנדית מייצרת מגוון של גנרטורים נייחים בהספק של 1 עד 250 קילוואט. במקביל, גנרטורים של קילוואט מיועדים לספק באופן מיידי לדירה אחת חשמל, חום ומים חמים.