Yoqilg'i xujayralari: turlari, ishlash printsipi va xususiyatlari

2024 Muallif: Howard Calhoun | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-02 14:04

Vodorod toza yoqilg'i, chunki u faqat suv ishlab chiqaradi va qayta tiklanadigan energiya manbalaridan foydalangan holda toza energiya beradi. U elektrokimyoviy konversiya qurilmasi yordamida elektr energiyasi ishlab chiqaradigan yonilg'i xujayrasida saqlanishi mumkin. Vodorod kelajakning inqilobiy energiyasining manbai, ammo uning rivojlanishi hali ham juda cheklangan. Sabablari: ishlab chiqarish qiyin bo'lgan energiya, iqtisodiy samaradorlik va dizaynning energiya talab qiladigan tabiati tufayli shubhali energiya balansi. Ammo bu energiya opsiyasi energiyani saqlash nuqtai nazaridan qiziqarli istiqbollarni taklif etadi, ayniqsa qayta tiklanadigan manbalar haqida gap ketganda.

Yoqilgʻi xujayrasi kashshoflari

Tseptsiyani XIX asr boshlarida Xamfri Deyvi samarali tarzda namoyish etgan. Bu 1838 yilda Kristian Fridrix Shonbeynning kashshof ishi bilan davom etdi. 1960-yillarning boshlarida NASA sanoat hamkorlari bilan hamkorlikda generatorlarni ishlab chiqishni boshladi.boshqariladigan kosmik parvozlar uchun ushbu turdagi. Natijada PEMFC birinchi bloki paydo bo'ldi.

Yana bir GE tadqiqotchisi Leonard Nidrach katalizator sifatida platinadan foydalangan holda Grubbning PEMFC-ni yangiladi. Grubb-Niedrach NASA bilan hamkorlikda yanada ishlab chiqilgan va 1960-yillarning oxirida Gemini kosmik dasturi tomonidan ishlatilgan. International Fuel Cells (IFC, keyinchalik UTC Power) Apollon kosmik parvozlari uchun 1,5 kVt quvvatga ega qurilmani ishlab chiqdi. Ular o‘z missiyasi davomida kosmonavtlarni elektr energiyasi bilan bir qatorda ichimlik suvi bilan ham ta’minladilar. IFC keyinchalik barcha kosmik kemalar parvozlarini bort quvvati bilan ta'minlash uchun ishlatiladigan 12 kVt quvvatli bloklarni ishlab chiqdi.

Avtomobil elementi birinchi marta 1960-yillarda Grulle tomonidan ixtiro qilingan. GM "Electrovan" avtomobilida Union Carbide ishlatgan. U faqat kompaniya avtomobili sifatida ishlatilgan, ammo to'liq tankda 120 milyagacha yurish va soatiga 70 milya tezlikka erishish mumkin edi. Kordesh va Grulke 1966 yilda vodorod mototsikli bilan tajriba o'tkazdilar. Bu tandemda NiCad akkumulyatoriga ega uyali gibrid bo'lib, ta'sirchan 1,18 l/100 km ga erishdi. Bu harakat ilg‘or elektron velosiped texnologiyasi va elektron mototsikllarni tijoratlashtirishga ega.

2007 yilda yoqilg'i manbalari turli sohalarda tijoratlashtirildi, ular yozma kafolatlar va xizmat ko'rsatish imkoniyatlariga ega bo'lgan oxirgi foydalanuvchilarga sotila boshlandi, ya'ni. bozor iqtisodiyoti talablari va standartlariga javob beradi. Shunday qilib, bozorning bir qator segmentlari talabga e'tibor qarata boshladi. Xususan, minglab yordamchi quvvatPEMFC va DMFC (APU) birliklari ko'ngilochar ilovalarda tijoratlashtirilgan: qayiqlar, o'yinchoqlar va o'quv to'plamlari.

Horizon 2009-yil oktabr oyida metanol kartrijlarida ishlaydigan birinchi Dynario tijorat elektron tizimini namoyish etdi. Horizon yonilg'i xujayralari mobil telefonlar, GPS tizimlari, kameralar yoki raqamli musiqa pleyerlarini zaryadlashi mumkin.

Vodorod ishlab chiqarish jarayonlari

Vodorod yonilg'i xujayralari yoqilg'i sifatida vodorodni o'z ichiga olgan moddalardir. Vodorod yoqilg'isi - bu yonish paytida yoki elektrokimyoviy reaktsiyalar orqali energiya chiqaradigan nol emissiyali yoqilg'i. Yoqilg'i xujayralari va batareyalar kimyoviy reaksiya orqali elektr energiyasi ishlab chiqaradi, biroq birinchisi yoqilg'i bor ekan, quvvat ishlab chiqaradi, shuning uchun hech qachon zaryad yo'qotmaydi.

Vodorod ishlab chiqarish uchun issiqlik jarayonlari odatda bug'ning reformatsiyasini o'z ichiga oladi, bu yuqori haroratli jarayon bo'lib, bug' vodorodni chiqarish uchun uglevodorod manbai bilan reaksiyaga kirishadi. Ko'pgina tabiiy yoqilg'ilarni vodorod ishlab chiqarish uchun qayta ishlash mumkin.

Hozirgi kunda vodorodning taxminan 95% gaz reformatsiyasidan ishlab chiqariladi. Horizon nol yonilg'i xujayrasi kabi ishlaydigan qurilmada suv elektroliz orqali kislorod va vodorodga bo'linadi.

Quyoshga asoslangan jarayonlar

Ular vodorod ishlab chiqarish uchun nurdan vosita sifatida foydalanadilar. Mavjudquyosh panellariga asoslangan bir nechta jarayonlar:

1. fotobiologik;
2. fotoelektrokimyoviy;
3. quyoshli;
4. termokimyoviy.

Fotobiologik jarayonlar bakteriyalar va yashil suv oʻtlarining tabiiy fotosintetik faolligidan foydalanadi.

Fotoelektrokimyoviy jarayonlar suvni vodorod va kislorodga ajratish uchun maxsus yarimo'tkazgichlardir.

Termokimyoviy vodorod quyosh ishlab chiqarish metall oksidi kabi boshqa turlar bilan birga suvni ajratish reaktsiyasi uchun konsentrlangan quyosh energiyasidan foydalanadi.

Biologik jarayonlar bakteriyalar va mikroalglar kabi mikroblardan foydalanadi va biologik reaksiyalar orqali vodorod ishlab chiqarishi mumkin. Mikrob biomassasini konvertatsiya qilishda mikroblar biomassa kabi organik moddalarni parchalaydi, fotobiologik jarayonlarda esa mikroblar manba sifatida quyosh nuridan foydalanadi.

Asl komponentlari

Elementlar qurilmalari bir nechta qismlardan iborat. Har birida uchta asosiy komponent mavjud:

• anod;
• katod;
• o'tkazuvchan elektrolit.

Horizon yonilgʻi xujayralari holatida, har bir elektrod platina qotishma katalizatori bilan singdirilgan yuqori sirtli materialdan yasalgan boʻlsa, elektrolitlar moddasi membrana boʻlib, ion oʻtkazuvchisi boʻlib xizmat qiladi. Elektr ishlab chiqarish ikkita asosiy kimyoviy reaksiya orqali amalga oshiriladi. Sof ishlatadigan elementlar uchunH_2.

Anoddagi vodorod gazi proton va elektronlarga bo'linadi. Birinchisi elektrolitlar membranasi orqali o'tkaziladi, ikkinchisi esa uning atrofida oqadi va elektr tokini hosil qiladi. Zaryadlangan ionlar (H + va e -) katodda O_{2 bilan birikib, suv va issiqlikni chiqaradi. Bugungi kunda dunyoga ta'sir ko'rsatayotgan ko'plab ekologik muammolar jamiyatni barqaror rivojlanishga erishish va sayyorani himoya qilish yo'lidagi taraqqiyotga safarbar qilmoqda. Bu erda kontekstda asosiy omil - bu haqiqiy asosiy energiya resurslarini inson ehtiyojlarini to'liq qondira oladigan boshqalar bilan almashtirish.}

Koʻrib chiqilayotgan elementlar aynan shunday qurilma boʻlib, uning yordamida bu jihat eng mumkin boʻlgan yechimni topadi, chunki toza yoqilgʻidan yuqori samaradorlik va CO chiqindilarisiz elektr energiyasini olish mumkin_2.

Platina katalizatorlari

Platina vodorod oksidlanishi uchun juda faol va eng keng tarqalgan elektrokatalizator materiali bo'lib qolmoqda. Horizon kompaniyasining platina bilan qisqartirilgan yonilg'i xujayralari yordamida olib boradigan tadqiqotining asosiy yo'nalishlaridan biri avtomobilsozlik sanoati bo'lib, yaqin kelajakda elektr o'tkazuvchan uglerodda qo'llab-quvvatlanadigan platina nanozarralaridan ishlab chiqarilgan muhandislik katalizatorlari rejalashtirilgan. Bu materiallar yuqori dispersli nanozarrachalar, yuqori elektrokatalitik sirt maydoni (ESA) va yuqori haroratlarda, hatto yuqori Pt yuklash darajalarida ham zarrachalarning minimal o‘sishining afzalliklariga ega.

Pt o'z ichiga olgan qotishmalar metanol yoki reforming (H₂, CO₂, ixtisoslashtirilgan yoqilg'i manbalarida ishlaydigan qurilmalar uchun foydalidir CO va N_{2). Pt/Ru qotishmalari metanol oksidlanishi va uglerod oksidi bilan zaharlanish ehtimoli yo'qligi nuqtai nazaridan sof elektrokimyoviy Pt katalizatorlariga nisbatan yaxshilangan ish faoliyatini ko'rsatdi. Pt 3 Co qiziqishning yana bir katalizatoridir (ayniqsa, Horizon yonilg'i xujayrasi katodlari uchun) va kislorodni pasaytirish reaktsiyasi samaradorligi va yuqori barqarorligini ko'rsatdi.}

Pt/C va Pt 3 Co/C katalizatorlari sirt uglerod substratlarida yuqori darajada disperslangan nanozarrachalarni ko'rsatadi. Yoqilg'i xujayrasi elektrolitini tanlashda bir nechta asosiy talablarni hisobga olish kerak:

1. Yuqori proton oʻtkazuvchanligi.
2. Yuqori kimyoviy va termal barqarorlik.
3. Gaz oʻtkazuvchanligi past.

Vodorod energiya manbai

Vodorod koinotdagi eng oddiy va eng keng tarqalgan elementdir. Bu suv, neft, tabiiy gaz va butun tirik dunyoning muhim tarkibiy qismidir. Oddiyligi va ko'pligiga qaramay, vodorod Yerda tabiiy gaz holatida kamdan-kam uchraydi. U deyarli har doim boshqa elementlar bilan birlashtirilgan. U neft, tabiiy gaz, biomassadan yoki quyosh yoki elektr energiyasi yordamida suvni ajratish orqali olinishi mumkin.

Vodorod molekulyar H₂ sifatida hosil boʻlgach, molekulada mavjud energiya oʻzaro taʼsir natijasida ajralib chiqishi mumkin. O₂ bilan. Bunga ichki yonuv dvigatellari yoki vodorod yonilg'i xujayralari yordamida erishish mumkin. Ularda H_{2 energiyasi kam quvvat yoʻqotishlari bilan elektr tokiga aylanadi. Shunday qilib, vodorod boshqa manbalardan ishlab chiqarilgan energiyani ko'chirish, saqlash va etkazib berish uchun energiya tashuvchisidir.}

Quvvat modullari uchun filtrlar

Muqobil energiya elementlarini maxsus filtrlardan foydalanmasdan olish mumkin emas. Klassik filtrlar yuqori sifatli bloklar tufayli dunyoning turli mamlakatlarida elementlarning quvvat modullarini ishlab chiqishda yordam beradi. Filtrlar metanol kabi yoqilg'ini hujayralar uchun tayyorlash uchun beriladi.

Odatda bu quvvat modullari uchun ilovalar orasida uzoq joylarda elektr ta'minoti, muhim manbalar uchun zaxira quvvat, kichik transport vositalaridagi APUlar va yo'lovchi kemalarida hujayralarni sinab ko'rish loyihasi bo'lgan Project Pa-X-ell kabi dengiz ilovalari kiradi.

Filtrlash muammolarini hal qiluvchi zanglamaydigan po'latdan yasalgan filtr korpuslari. Ushbu talabchan ilovalarda nolinchi shafaq yonilg'i xujayrasi ishlab chiqaruvchilari ishlab chiqarishning moslashuvchanligi, yuqori sifat standartlari, tezkor yetkazib berish va raqobatbardosh narxlar tufayli Classic Filters zanglamaydigan po'latdan yasalgan filtr korpuslarini belgilamoqda.

Vodorod texnologiyasi platformasi

Horizon Fuel Cell Technologies kompaniyasi 2003 yilda Singapurda tashkil etilgan va bugungi kunda 5 ta xalqaro sho'ba korxonasiga ega. Kompaniyaning vazifasitez tijoratlashtirishga erishish, texnologiya xarajatlarini kamaytirish va vodorod ta'minotidagi ko'p asrlik to'siqlarni bartaraf etish uchun global miqyosda ishlash orqali yonilg'i xujayralarida farq qilish. Firma kattaroq va murakkabroq ilovalarga tayyorgarlik ko'rish uchun kam miqdorda vodorod talab qiladigan kichik va oddiy mahsulotlar bilan boshlandi. Qattiq yoʻriqnomalar va yoʻl xaritasiga amal qilgan holda, Horizon qisqa vaqt ichida dunyodagi eng yirik 1000 Vt dan kichik hajmli hujayralar ishlab chiqaruvchisiga aylandi va 65 dan ortiq mamlakatlardagi mijozlarga sanoatdagi eng keng tijoriy mahsulotlar tanloviga ega.

Horizon texnologiya platformasi quyidagilardan iborat: PEM - Horizon nol shafaq yonilgʻi xujayralari (mikroyonilgʻi va stakalar) va ularning materiallari, vodorod taʼminoti (elektroliz, reforming va gidroliz), vodorod saqlash moslamalari va qurilmalari.

Horizon dunyodagi birinchi portativ va shaxsiy vodorod generatorini chiqardi. HydroFill stansiyasi suvni idishdagi parchalash va HydroStick kartrijlarida saqlash orqali vodorod hosil qilishi mumkin. Ular qattiq saqlashni ta'minlash uchun vodorod gazining changni yutish qotishmasini o'z ichiga oladi. Keyin kartridjlar kichik yonilg'i filtri elementlarini ishlay oladigan MiniPak zaryadlovchi qurilmasiga o'rnatilishi mumkin.

Horizon yoki uy vodorodi

Horizon Technologies uy sharoitida foydalanish uchun vodorod zaryadlash va energiya saqlash tizimini ishga tushiradi, bu esa portativ qurilmalarni quvvatlantirish uchun uyda energiyani tejash imkonini beradi. Horizon 2006 yilda "H-racer" o'yinchog'i bilan ajralib turdi, vodorod bilan ishlaydigan kichik avtomobil yilning "eng yaxshi ixtirosi" deb topildi. Horizon taklif qiladikichik portativ va qayta foydalanish mumkin bo'lgan batareyalarni qayta zaryadlash imkoniyatiga ega Hydrofill vodorod zaryadlash stantsiyasi bilan uyda energiya saqlashni markazsizlashtirish. Bu vodorod zavodi ishlashi va quvvat ishlab chiqarish uchun faqat suv kerak.

Ish tarmoq, quyosh panellari yoki shamol turbinasi tomonidan ta'minlanishi mumkin. U yerdan vodorod stansiyaning suv idishidan olinadi va qattiq holatda kichik metall qotishma kameralarida saqlanadi. Taxminan 500 dollarga sotiladigan Hydrofill Station telefonlar uchun avangard yechim hisoblanadi. Bunday narxda Hydrofill yonilg'i xujayralarini qayerdan topish foydalanuvchilar uchun qiyin emas, shunchaki Internetda tegishli so'rovni so'rashingiz kerak.

Avtomobil vodorod bilan quvvatlanmoqda

Akkumulyatorli elektr avtomobillar singari, vodorod bilan ishlaydiganlar ham mashinani boshqarish uchun elektr energiyasidan foydalanadilar. Ammo bu elektr energiyasini zaryad qilish uchun soatlab ketadigan akkumulyatorlarda saqlash o‘rniga, hujayralar vodorod va kislorodni reaksiyaga kirishtirib, avtomobil bortida energiya ishlab chiqaradi. Reaktsiya elektrolit - metall bo'lmagan o'tkazgich ishtirokida sodir bo'ladi, unda elektr oqimi Horizon nol yonilg'i xujayralari proton almashinuvi membranalari bilan jihozlangan qurilmalarda ionlarning harakati bilan amalga oshiriladi. Ular quyidagicha ishlaydi:

1. Vodorod gazi hujayraning "-" anodiga (A) beriladi, kislorod esa musbat qutbga yo'n altiriladi.
2. Anodda katalizator platina,vodorod atomlaridan elektronlarni tashlab, "+" ionlari va erkin elektronlarni qoldiradi. Anod va katod o'rtasida joylashgan membranadan faqat ionlar o'tadi.
3. Elektronlar tashqi zanjir bo'ylab harakatlanib, elektr tokini hosil qiladi. Katodda elektronlar va vodorod ionlari kislorod bilan birikib, hujayradan oqib chiqadigan suv hosil qiladi.

Hozirgacha vodorod bilan ishlaydigan transport vositalarini keng miqyosda ishlab chiqarishga ikki narsa to'sqinlik qildi: xarajat va vodorod ishlab chiqarish. Yaqin vaqtgacha vodorodni ion va elektronga ajratuvchi platina katalizatori juda qimmat edi.

Bir necha yil oldin vodorod yonilg'i xujayralari har bir kilovatt quvvat uchun taxminan 1000 dollar yoki avtomobil uchun taxminan 100 000 dollar turadi. Loyihaning narxini pasaytirish uchun turli tadqiqotlar o'tkazildi, jumladan, platina katalizatorini 90 barobar samaraliroq bo'lgan platina-nikel qotishmasi bilan almashtirish. O‘tgan yili AQSh Energetika vazirligi tizimning narxi bir kilovatt uchun 61 dollargacha tushgani, bu avtomobil sanoatida hamon raqobatbardosh emasligi haqida xabar bergan edi.

Rentgenli kompyuter tomografiyasi

Bu buzilmaydigan sinov usuli ikki qatlamli elementning tuzilishini o'rganish uchun ishlatiladi. Tuzilishni o'rganishda keng qo'llaniladigan boshqa usullar:

• simob intruzion porozimetriyasi;
• atom kuchi mikroskopi;
• optik profilometriya.

Natijalar shuni ko'rsatadiki, g'ovaklik taqsimoti issiqlik va elektr o'tkazuvchanligini, o'tkazuvchanligini vadiffuziya. Elementlarning g'ovakligini o'lchash ularning nozik, siqilgan va bir hil bo'lmagan geometriyasi tufayli juda qiyin. Natija shuni ko'rsatadiki, g'ovaklik GDL siqish bilan kamayadi.

Gözenekli struktura elektroddagi massa almashinuviga sezilarli ta'sir ko'rsatadi. Tajriba 0,5 dan 10 MPa gacha bo'lgan turli xil issiq presslash bosimlarida o'tkazildi. Ishlash asosan platina metalliga bog'liq bo'lib, uning narxi juda yuqori. Diffuziyani kimyoviy bog'lovchilardan foydalanish orqali oshirish mumkin. Bundan tashqari, harorat o'zgarishi elementning ishlash muddati va o'rtacha ishlashiga ta'sir qiladi. Yuqori haroratli PEMFClarning parchalanish darajasi dastlab past bo'ladi va keyin tez o'sadi. Bu suv hosil bo'lishini aniqlash uchun ishlatiladi.

Tijoriylashtirish muammolari

Raqobatbardosh boʻlish uchun yonilgʻi xujayrasi xarajatlarini ikki baravar kamaytirish va batareyaning ishlash muddatini xuddi shunday uzaytirish kerak. Biroq, bugungi kunda operatsion xarajatlar hali ham ancha yuqori, chunki vodorod ishlab chiqarish xarajatlari 2,5 dan 3 dollargacha, va etkazib beriladigan vodorodning narxi 4 dollar / kg dan kam bo'lishi mumkin emas. Hujayra batareyalar bilan samarali raqobatlasha olishi uchun uning zaryadlash vaqti qisqa bo'lishi va batareyani almashtirish jarayonini minimallashtirishi kerak.

Hozirda polimer yonilgʻi xujayrasi texnologiyasi ommaviy ishlab chiqarilganda (yiliga kamida 500 000 dona) 49 AQSh dollari/kVt turadi. Biroq, avtomobillar bilan raqobat qilish uchunichki yonish, avtomobil yonilg'i xujayralari taxminan 36 dollar / kVt ga yetishi kerak. Tejamkorlikka moddiy xarajatlarni kamaytirish (xususan, platinadan foydalanish), quvvat zichligini oshirish, tizimning murakkabligini kamaytirish va chidamlilikni oshirish orqali erishish mumkin. Texnologiyani keng miqyosda tijoratlashtirishning bir qancha qiyinchiliklari bor, jumladan, bir qator texnik to‘siqlarni yengib o‘tish.

Kelajakning texnik muammolari

Stackning narxi material, texnika va ishlab chiqarish texnikasiga bog'liq. Materialni tanlash nafaqat materialning funktsiyaga mos kelishiga, balki ish qobiliyatiga ham bog'liq. Elementlarning asosiy vazifalari:

1. Elektrokatalizator yukini kamaytiring va faollikni oshiring.
2. Chiqishni yaxshilang va degradatsiyani kamaytiring.
3. Elektrod dizaynini optimallashtirish.
4. Anoddagi aralashmalarga chidamliligini yaxshilang.
5. Komponentlar uchun materiallar tanlash. U, birinchi navbatda, unumdorlikni kamaytirmasdan, xarajatlarga asoslanadi.
6. Tizim nosozliklariga chidamlilik.
7. Elementning ishlashi asosan membrananing mustahkamligiga bog'liq.

Hujayra ishlashiga ta'sir qiluvchi asosiy GDL parametrlari reagentning o'tkazuvchanligi, elektr o'tkazuvchanligi, issiqlik o'tkazuvchanligi va mexanik yordamdir. GDL qalinligi muhim omil hisoblanadi. Qalinroq membrana yaxshi himoya, mexanik kuch, uzoqroq diffuziya yo‘llari hamda yuqori issiqlik va elektr qarshilik darajasini ta’minlaydi.

Progressiv tendentsiyalar

Har xil turdagi elementlar orasida PEMFC ko'proq mobil ilovalarni (avtomobillar, noutbuklar, mobil telefonlar va boshqalar) moslashtirmoqda, shuning uchun ishlab chiqaruvchilarning keng doirasiga qiziqish ortib bormoqda. Aslida, PEMFC past ish harorati, yuqori oqim zichligi barqarorligi, engil vazn, ixchamlik, arzon narx va hajm potentsiali, uzoq xizmat muddati, tez ishga tushirish va intervalgacha ishlashga yaroqlilik kabi ko'plab afzalliklarga ega.

PEMFC texnologiyasi turli oʻlchamlarga juda mos keladi va vodorod ishlab chiqarish uchun toʻgʻri ishlov berilganda turli yoqilgʻilarda ham qoʻllaniladi. Shunday qilib, u kichik subvatt shkalasidan to megavatt shkalasigacha foydalanishni topadi. 2016-2018 yillarda jami joʻnatmalarning 88% PEMFC edi.