रसायन विज्ञान और वर्तमान। फ्यूल सेल: ए जर्नी इन द फ्यूचर

विभिन्न प्रकार के इंजनों के अस्तित्व की तरह अन्तः ज्वलन, विभिन्न प्रकार के ईंधन सेल हैं - विकल्प उपयुक्त प्रकारईंधन सेल इसके अनुप्रयोग पर निर्भर करता है।

ईंधन कोशिकाएंउच्च तापमान और निम्न तापमान में विभाजित। कम तापमान ईंधन सेलईंधन के रूप में अपेक्षाकृत शुद्ध हाइड्रोजन की आवश्यकता होती है। इसका अक्सर मतलब है कि प्राथमिक ईंधन (जैसे प्राकृतिक गैस) को शुद्ध हाइड्रोजन में बदलने के लिए ईंधन प्रसंस्करण की आवश्यकता होती है। इस प्रक्रिया में अतिरिक्त ऊर्जा की खपत होती है और इसके लिए विशेष उपकरणों की आवश्यकता होती है। उच्च तापमान ईंधन सेलइस अतिरिक्त प्रक्रिया की आवश्यकता नहीं है, क्योंकि वे ऊंचे तापमान पर ईंधन को "आंतरिक रूप से परिवर्तित" कर सकते हैं, जिसका अर्थ है कि हाइड्रोजन बुनियादी ढांचे में निवेश करने की कोई आवश्यकता नहीं है।

पिघला हुआ कार्बोनेट (एमसीएफसी) पर ईंधन सेल

पिघला हुआ कार्बोनेट इलेक्ट्रोलाइट ईंधन सेल उच्च तापमान ईंधन सेल हैं। उच्च परिचालन तापमान ईंधन प्रोसेसर और कम कैलोरी मान ईंधन गैस के बिना प्राकृतिक गैस के प्रत्यक्ष उपयोग की अनुमति देता है उत्पादन प्रक्रियाएंऔर अन्य स्रोतों से। इस प्रक्रिया को 1960 के दशक के मध्य में विकसित किया गया था। उस समय से, विनिर्माण प्रौद्योगिकी, प्रदर्शन और विश्वसनीयता में सुधार हुआ है।

आरसीएफसी का संचालन अन्य ईंधन कोशिकाओं से अलग है। ये कोशिकाएं पिघले हुए कार्बोनेट लवण के मिश्रण से इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करती हैं। वर्तमान में, दो प्रकार के मिश्रण का उपयोग किया जाता है: लिथियम कार्बोनेट और पोटेशियम कार्बोनेट या लिथियम कार्बोनेट और सोडियम कार्बोनेट। कार्बोनेट लवण को पिघलाने और प्राप्त करने के लिए उच्च डिग्रीइलेक्ट्रोलाइट में आयनों की गतिशीलता, पिघले हुए कार्बोनेट इलेक्ट्रोलाइट वाले ईंधन सेल उच्च तापमान (650 डिग्री सेल्सियस) पर काम करते हैं। दक्षता 60-80% के बीच भिन्न होती है।

जब 650 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर गर्म किया जाता है, तो लवण कार्बोनेट आयनों (सीओ 3 2-) के लिए एक कंडक्टर बन जाते हैं। ये आयन कैथोड से एनोड में जाते हैं जहां वे हाइड्रोजन के साथ मिलकर पानी, कार्बन डाइऑक्साइड और मुक्त इलेक्ट्रॉन बनाते हैं। इन इलेक्ट्रॉनों को एक बाहरी विद्युत परिपथ के माध्यम से कैथोड में वापस भेजा जाता है, जिससे विद्युत प्रवाह और गर्मी उप-उत्पाद के रूप में उत्पन्न होती है।

एनोड प्रतिक्रिया: सीओ 3 2- + एच 2 => एच 2 ओ + सीओ 2 + 2e -
कैथोड पर प्रतिक्रिया: CO 2 + 1/2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
सामान्य तत्व प्रतिक्रिया: एच 2 (जी) + 1/2 ओ 2 (जी) + सीओ 2 (कैथोड) => एच 2 ओ (जी) + सीओ 2 (एनोड)

पिघला हुआ कार्बोनेट इलेक्ट्रोलाइट ईंधन कोशिकाओं के उच्च परिचालन तापमान के कुछ फायदे हैं। उच्च तापमान पर, प्राकृतिक गैस में आंतरिक रूप से सुधार किया जाता है, जिससे ईंधन प्रोसेसर की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। इसके अलावा, फायदे में इलेक्ट्रोड पर स्टेनलेस स्टील शीट और निकल उत्प्रेरक जैसे निर्माण की मानक सामग्री का उपयोग करने की क्षमता शामिल है। अपशिष्ट गर्मी का उपयोग विभिन्न औद्योगिक और व्यावसायिक उद्देश्यों के लिए उच्च दबाव वाली भाप उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है।

इलेक्ट्रोलाइट में उच्च प्रतिक्रिया तापमान के भी अपने फायदे हैं। उच्च तापमान के उपयोग को इष्टतम परिचालन स्थितियों तक पहुंचने में लंबा समय लगता है, और सिस्टम ऊर्जा की खपत में बदलाव के लिए अधिक धीरे-धीरे प्रतिक्रिया करता है। ये विशेषताएं निरंतर बिजली की स्थिति में पिघला हुआ कार्बोनेट इलेक्ट्रोलाइट के साथ ईंधन सेल सिस्टम के उपयोग की अनुमति देती हैं। उच्च तापमान कार्बन मोनोऑक्साइड, "विषाक्तता", आदि द्वारा ईंधन सेल क्षति को रोकता है।

पिघले हुए कार्बोनेट ईंधन सेल बड़े स्थिर प्रतिष्ठानों में उपयोग के लिए उपयुक्त हैं। 2.8 मेगावाट की उत्पादन विद्युत शक्ति वाले थर्मल पावर प्लांट औद्योगिक रूप से उत्पादित होते हैं। 100 मेगावाट तक की उत्पादन शक्ति वाले संयंत्र विकसित किए जा रहे हैं।

फॉस्फोरिक एसिड ईंधन सेल (पीएफसी)

फॉस्फोरिक (ऑर्थोफॉस्फोरिक) एसिड पर आधारित ईंधन सेल व्यावसायिक उपयोग के लिए पहली ईंधन सेल थे। इस प्रक्रिया को 1960 के दशक के मध्य में विकसित किया गया था और 1970 के दशक से इसका परीक्षण किया गया है। तब से, स्थिरता, प्रदर्शन और लागत में वृद्धि हुई है।

फॉस्फोरिक (ऑर्थोफॉस्फोरिक) एसिड पर आधारित ईंधन सेल 100% तक की एकाग्रता के साथ ऑर्थोफॉस्फोरिक एसिड (एच 3 पीओ 4) पर आधारित इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करते हैं। फॉस्फोरिक एसिड की आयनिक चालकता कम तापमान पर कम होती है, इस कारण इन ईंधन कोशिकाओं का उपयोग 150-220 डिग्री सेल्सियस तक के तापमान पर किया जाता है।

इस प्रकार की ईंधन कोशिकाओं में आवेश वाहक हाइड्रोजन (H+, प्रोटॉन) होता है। इसी तरह की प्रक्रिया प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल्स (एमईएफसी) में होती है, जिसमें एनोड को आपूर्ति की गई हाइड्रोजन प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों में विभाजित हो जाती है। प्रोटॉन इलेक्ट्रोलाइट से गुजरते हैं और कैथोड पर हवा से ऑक्सीजन के साथ मिलकर पानी बनाते हैं। इलेक्ट्रॉनों को एक बाहरी विद्युत परिपथ के साथ निर्देशित किया जाता है, और एक विद्युत प्रवाह उत्पन्न होता है। बिजली और गर्मी उत्पन्न करने वाली प्रतिक्रियाएं नीचे दी गई हैं।

एनोड पर प्रतिक्रिया: 2H 2 => 4H + + 4e -
कैथोड पर प्रतिक्रिया: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2H 2 O
सामान्य तत्व प्रतिक्रिया: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करते समय फॉस्फोरिक (ऑर्थोफॉस्फोरिक) एसिड पर आधारित ईंधन कोशिकाओं की दक्षता 40% से अधिक होती है। गर्मी और बिजली के संयुक्त उत्पादन में, कुल दक्षता लगभग 85% है। इसके अलावा, ऑपरेटिंग तापमान को देखते हुए, अपशिष्ट गर्मी का उपयोग पानी को गर्म करने और वायुमंडलीय दबाव में भाप उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है।

गर्मी और बिजली के संयुक्त उत्पादन में फॉस्फोरिक (ऑर्थोफोस्फोरिक) एसिड पर आधारित ईंधन कोशिकाओं पर थर्मल पावर प्लांट का उच्च प्रदर्शन इस प्रकार के ईंधन कोशिकाओं के फायदों में से एक है। पौधे लगभग 1.5% की सांद्रता में कार्बन मोनोऑक्साइड का उपयोग करते हैं, जो ईंधन की पसंद का बहुत विस्तार करता है। इसके अलावा, सीओ 2 इलेक्ट्रोलाइट और ईंधन सेल के संचालन को प्रभावित नहीं करता है, इस प्रकार की सेल सुधारित प्राकृतिक ईंधन के साथ काम करती है। सरल डिजाइन, कम इलेक्ट्रोलाइट अस्थिरता और बढ़ी हुई स्थिरता भी इस प्रकार के ईंधन सेल के फायदे हैं।

400 kW तक की आउटपुट इलेक्ट्रिक पावर वाले थर्मल पावर प्लांट औद्योगिक रूप से उत्पादित होते हैं। 11 मेगावाट के प्रतिष्ठानों ने प्रासंगिक परीक्षण पास कर लिए हैं। 100 मेगावाट तक की उत्पादन शक्ति वाले संयंत्र विकसित किए जा रहे हैं।

प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (PME) के साथ फ्यूल सेल

प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल को वाहन बिजली उत्पादन के लिए सबसे अच्छा प्रकार का ईंधन सेल माना जाता है, जो गैसोलीन और डीजल आंतरिक दहन इंजन को बदल सकता है। इन ईंधन कोशिकाओं का उपयोग सबसे पहले नासा द्वारा जेमिनी कार्यक्रम के लिए किया गया था। आज, MOPFC पर 1 W से 2 kW की शक्ति वाले इंस्टॉलेशन विकसित और प्रदर्शित किए जा रहे हैं।

ये ईंधन सेल इलेक्ट्रोलाइट के रूप में एक ठोस बहुलक झिल्ली (पतली प्लास्टिक फिल्म) का उपयोग करते हैं। पानी के साथ गर्भवती होने पर, यह बहुलक प्रोटॉन पास करता है, लेकिन इलेक्ट्रॉनों का संचालन नहीं करता है।

ईंधन हाइड्रोजन है, और आवेश वाहक एक हाइड्रोजन आयन (प्रोटॉन) है। एनोड पर, हाइड्रोजन अणु हाइड्रोजन आयन (प्रोटॉन) और इलेक्ट्रॉनों में अलग हो जाता है। हाइड्रोजन आयन इलेक्ट्रोलाइट से कैथोड तक जाते हैं, और इलेक्ट्रॉन बाहरी सर्कल के चारों ओर घूमते हैं और उत्पादन करते हैं विद्युतीय ऊर्जा. ऑक्सीजन, जिसे हवा से लिया जाता है, कैथोड को खिलाया जाता है और इलेक्ट्रॉनों और हाइड्रोजन आयनों के साथ मिलकर पानी बनाता है। इलेक्ट्रोड पर निम्नलिखित प्रतिक्रियाएं होती हैं:

एनोड पर प्रतिक्रिया: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
कैथोड पर प्रतिक्रिया: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
सामान्य तत्व प्रतिक्रिया: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

अन्य प्रकार के ईंधन कोशिकाओं की तुलना में, प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली ईंधन कोशिकाएं किसी दिए गए ईंधन सेल की मात्रा या वजन के लिए अधिक शक्ति उत्पन्न करती हैं। यह सुविधा उन्हें कॉम्पैक्ट और हल्का होने की अनुमति देती है। इसके अलावा, ऑपरेटिंग तापमान 100 डिग्री सेल्सियस से कम है, जो आपको जल्दी से ऑपरेशन शुरू करने की अनुमति देता है। ये विशेषताएं, साथ ही ऊर्जा उत्पादन को जल्दी से बदलने की क्षमता, कुछ ऐसी विशेषताएं हैं जो इन ईंधन कोशिकाओं को वाहनों में उपयोग के लिए एक प्रमुख उम्मीदवार बनाती हैं।

एक अन्य लाभ यह है कि इलेक्ट्रोलाइट एक तरल पदार्थ के बजाय एक ठोस है। ठोस इलेक्ट्रोलाइट के साथ गैसों को कैथोड और एनोड पर रखना आसान होता है और इसलिए ऐसे ईंधन सेल निर्माण के लिए सस्ते होते हैं। अन्य इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में, एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट के उपयोग से अभिविन्यास जैसी समस्याएं नहीं होती हैं, जंग की घटना के कारण कम समस्याएं होती हैं, जिससे सेल और उसके घटकों का लंबा स्थायित्व होता है।

सॉलिड ऑक्साइड फ्यूल सेल (SOFC)

सॉलिड ऑक्साइड ईंधन सेल उच्चतम ऑपरेटिंग तापमान वाले ईंधन सेल हैं। ऑपरेटिंग तापमान 600 डिग्री सेल्सियस से 1000 डिग्री सेल्सियस तक भिन्न हो सकता है, जो विशेष पूर्व-उपचार के बिना विभिन्न प्रकार के ईंधन के उपयोग की अनुमति देता है। इन उच्च तापमानों को संभालने के लिए, इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग एक पतली सिरेमिक-आधारित ठोस धातु ऑक्साइड होता है, जो अक्सर येट्रियम और ज़िरकोनियम का मिश्र धातु होता है, जो ऑक्सीजन (ओ 2 -) आयनों का संवाहक होता है। ठोस ऑक्साइड ईंधन कोशिकाओं का उपयोग करने की तकनीक 1950 के दशक के उत्तरार्ध से विकसित हो रही है। और इसके दो विन्यास हैं: तलीय और ट्यूबलर।

एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट एक इलेक्ट्रोड से दूसरे इलेक्ट्रोड में एक हेमेटिक गैस संक्रमण प्रदान करता है, जबकि तरल इलेक्ट्रोलाइट्स एक छिद्रपूर्ण सब्सट्रेट में स्थित होते हैं। इस प्रकार के ईंधन कोशिकाओं में आवेश वाहक ऑक्सीजन आयन (O 2 -) होता है। कैथोड पर, ऑक्सीजन के अणु हवा से एक ऑक्सीजन आयन और चार इलेक्ट्रॉनों में अलग हो जाते हैं। ऑक्सीजन आयन इलेक्ट्रोलाइट से गुजरते हैं और हाइड्रोजन के साथ मिलकर चार मुक्त इलेक्ट्रॉन बनाते हैं। इलेक्ट्रॉनों को एक बाहरी विद्युत परिपथ के माध्यम से निर्देशित किया जाता है, जिससे विद्युत प्रवाह और अपशिष्ट ऊष्मा उत्पन्न होती है।

एनोड पर प्रतिक्रिया: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
कैथोड पर प्रतिक्रिया: O 2 + 4e - => 2O 2 -
सामान्य तत्व प्रतिक्रिया: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

उत्पन्न विद्युत ऊर्जा की दक्षता सभी ईंधन कोशिकाओं में सबसे अधिक है - लगभग 60%। इसके अलावा, उच्च परिचालन तापमान संयुक्त गर्मी और बिजली उत्पादन को उच्च दबाव भाप उत्पन्न करने की अनुमति देता है। टरबाइन के साथ उच्च तापमान वाले ईंधन सेल को मिलाकर एक हाइब्रिड ईंधन सेल बनाया जाता है जिससे विद्युत ऊर्जा उत्पादन की दक्षता 70% तक बढ़ जाती है।

ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल बहुत उच्च तापमान (600 डिग्री सेल्सियस-1000 डिग्री सेल्सियस) पर काम करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप इष्टतम परिचालन स्थितियों तक पहुंचने में लंबा समय लगता है, और बिजली की खपत में बदलाव का जवाब देने के लिए सिस्टम धीमा है। ऐसे उच्च परिचालन तापमान पर, ईंधन से हाइड्रोजन को पुनर्प्राप्त करने के लिए किसी कनवर्टर की आवश्यकता नहीं होती है, जिससे थर्मल पावर प्लांट को कोयला गैसीकरण या अपशिष्ट गैसों और इसी तरह से अपेक्षाकृत अशुद्ध ईंधन के साथ संचालित करने की अनुमति मिलती है। इसके अलावा, यह ईंधन सेल औद्योगिक और बड़े केंद्रीय बिजली संयंत्रों सहित उच्च शक्ति अनुप्रयोगों के लिए उत्कृष्ट है। 100 kW की आउटपुट विद्युत शक्ति के साथ औद्योगिक रूप से उत्पादित मॉड्यूल।

प्रत्यक्ष मेथनॉल ऑक्सीकरण (DOMTE) के साथ ईंधन सेल

मेथनॉल के प्रत्यक्ष ऑक्सीकरण के साथ ईंधन कोशिकाओं का उपयोग करने की तकनीक सक्रिय विकास के दौर से गुजर रही है। उन्होंने पोषण के क्षेत्र में खुद को सफलतापूर्वक स्थापित किया है मोबाइल फोन, लैपटॉप, साथ ही बिजली के पोर्टेबल स्रोत बनाने के लिए। इन तत्वों के भविष्य के अनुप्रयोग का उद्देश्य क्या है।

मेथनॉल के प्रत्यक्ष ऑक्सीकरण के साथ ईंधन कोशिकाओं की संरचना एक प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली (एमओएफईसी) के साथ ईंधन कोशिकाओं के समान होती है, अर्थात। एक बहुलक का उपयोग इलेक्ट्रोलाइट के रूप में किया जाता है, और एक हाइड्रोजन आयन (प्रोटॉन) का उपयोग चार्ज वाहक के रूप में किया जाता है। हालांकि, तरल मेथनॉल (सीएच 3 ओएच) एनोड पर पानी की उपस्थिति में ऑक्सीकरण किया जाता है, सीओ 2, हाइड्रोजन आयनों और इलेक्ट्रॉनों को मुक्त करता है, जो बाहरी विद्युत सर्किट के माध्यम से निर्देशित होते हैं, और एक विद्युत प्रवाह उत्पन्न होता है। हाइड्रोजन आयन इलेक्ट्रोलाइट से होकर गुजरते हैं और हवा से ऑक्सीजन और बाहरी सर्किट से इलेक्ट्रॉनों के साथ प्रतिक्रिया करके एनोड पर पानी बनाते हैं।

एनोड पर प्रतिक्रिया: सीएच 3 ओएच + एच 2 ओ => सीओ 2 + 6 एच + + 6e -
कैथोड पर अभिक्रिया: 3/2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
सामान्य तत्व प्रतिक्रिया: सीएच 3 ओएच + 3/2 ओ 2 => सीओ 2 + 2 एच 2 ओ

इन ईंधन कोशिकाओं का विकास 1990 के दशक की शुरुआत में शुरू हुआ था। बेहतर उत्प्रेरकों के विकास के बाद, और अन्य हालिया नवाचारों के लिए धन्यवाद, बिजली घनत्व और दक्षता में 40% तक की वृद्धि हुई है।

इन तत्वों का परीक्षण 50-120 डिग्री सेल्सियस के तापमान रेंज में किया गया था। कम ऑपरेटिंग तापमान और कनवर्टर की कोई आवश्यकता नहीं होने के कारण, प्रत्यक्ष मेथनॉल ईंधन सेल मोबाइल फोन और अन्य उपभोक्ता उत्पादों से लेकर ऑटोमोटिव इंजन तक के अनुप्रयोगों के लिए सबसे अच्छे उम्मीदवार हैं। इस प्रकार की ईंधन कोशिकाओं का लाभ तरल ईंधन के उपयोग और कनवर्टर का उपयोग करने की आवश्यकता के अभाव के कारण उनका छोटा आकार है।

क्षारीय ईंधन सेल (एएफसी)

क्षारीय ईंधन सेल (ALFC) सबसे अधिक अध्ययन की जाने वाली तकनीकों में से एक हैं और 1960 के दशक के मध्य से इसका उपयोग किया जा रहा है। नासा द्वारा अपोलो और स्पेस शटल कार्यक्रमों में। इन अंतरिक्ष यान में, ईंधन सेल विद्युत ऊर्जा का उत्पादन करते हैं और पेय जल. क्षारीय ईंधन सेल बिजली उत्पन्न करने के लिए उपयोग किए जाने वाले सबसे कुशल तत्वों में से एक हैं, जिसमें बिजली उत्पादन क्षमता 70% तक पहुंच जाती है।

क्षारीय ईंधन सेल एक इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करते हैं, यानी पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड का एक जलीय घोल, जो एक झरझरा, स्थिर मैट्रिक्स में निहित होता है। पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड की सांद्रता ईंधन सेल के ऑपरेटिंग तापमान के आधार पर भिन्न हो सकती है, जो 65 डिग्री सेल्सियस से 220 डिग्री सेल्सियस तक होती है। एक SFC में आवेश वाहक एक हाइड्रॉक्साइड आयन (OH-) होता है जो कैथोड से एनोड की ओर बढ़ता है जहाँ यह हाइड्रोजन के साथ प्रतिक्रिया करके पानी और इलेक्ट्रॉनों का उत्पादन करता है। एनोड पर उत्पन्न पानी कैथोड में वापस चला जाता है, फिर से वहां हाइड्रॉक्साइड आयन उत्पन्न करता है। ईंधन सेल में होने वाली प्रतिक्रियाओं की इस श्रृंखला के परिणामस्वरूप, बिजली का उत्पादन होता है और, उप-उत्पाद के रूप में, गर्मी:

एनोड पर प्रतिक्रिया: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
कैथोड पर प्रतिक्रिया: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
सिस्टम की सामान्य प्रतिक्रिया: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

एसएफसी का लाभ यह है कि ये ईंधन सेल उत्पादन के लिए सबसे सस्ते हैं, क्योंकि इलेक्ट्रोड पर आवश्यक उत्प्रेरक कोई भी पदार्थ हो सकता है जो अन्य ईंधन कोशिकाओं के उत्प्रेरक के रूप में उपयोग किए जाने वाले पदार्थों की तुलना में सस्ता होता है। इसके अलावा, एससीएफसी अपेक्षाकृत कम तापमान पर काम करते हैं और सबसे कुशल ईंधन कोशिकाओं में से हैं - ऐसी विशेषताएं क्रमशः तेज बिजली उत्पादन और उच्च ईंधन दक्षता में योगदान कर सकती हैं।

SHTE की विशिष्ट विशेषताओं में से एक CO 2 के प्रति इसकी उच्च संवेदनशीलता है, जिसे ईंधन या वायु में समाहित किया जा सकता है। सीओ 2 इलेक्ट्रोलाइट के साथ प्रतिक्रिया करता है, इसे जल्दी से जहर देता है, और ईंधन सेल की दक्षता को बहुत कम कर देता है। इसलिए, एसएफसी का उपयोग अंतरिक्ष और पानी के नीचे के वाहनों जैसे बंद स्थानों तक सीमित है, उन्हें शुद्ध हाइड्रोजन और ऑक्सीजन पर काम करना चाहिए। इसके अलावा, सीओ, एच 2 ओ और सीएच 4 जैसे अणु, जो अन्य ईंधन कोशिकाओं के लिए सुरक्षित हैं और उनमें से कुछ के लिए ईंधन भी एसएफसी के लिए हानिकारक हैं।

पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट ईंधन सेल (पीईटीई)

बहुलक इलेक्ट्रोलाइट ईंधन कोशिकाओं के मामले में, बहुलक झिल्ली में जल क्षेत्रों के साथ बहुलक फाइबर होते हैं जिसमें पानी के अणु से जुड़े पानी आयनों एच 2 ओ + (प्रोटॉन, लाल) का प्रवाहकत्त्व होता है। धीमी आयन विनिमय के कारण पानी के अणु एक समस्या पेश करते हैं। इसलिए, ईंधन और निकास इलेक्ट्रोड दोनों में पानी की एक उच्च सांद्रता की आवश्यकता होती है, जो ऑपरेटिंग तापमान को 100 डिग्री सेल्सियस तक सीमित कर देता है।

सॉलिड एसिड फ्यूल सेल (SCFC)

सॉलिड एसिड फ्यूल सेल्स में इलेक्ट्रोलाइट (C s HSO 4) में पानी नहीं होता है। इसलिए ऑपरेटिंग तापमान 100-300 डिग्री सेल्सियस है। SO 4 2- ऑक्सी आयनों का घूर्णन प्रोटॉन (लाल) को चित्र में दिखाए अनुसार स्थानांतरित करने की अनुमति देता है। आमतौर पर, एक ठोस एसिड ईंधन सेल एक सैंडविच होता है जिसमें अच्छा संपर्क सुनिश्चित करने के लिए दो कसकर संपीड़ित इलेक्ट्रोड के बीच ठोस एसिड यौगिक की एक बहुत पतली परत सैंडविच होती है। गर्म होने पर, कार्बनिक घटक वाष्पित हो जाता है, इलेक्ट्रोड में छिद्रों से निकल जाता है, ईंधन (या सेल के दूसरे छोर पर ऑक्सीजन), इलेक्ट्रोलाइट और इलेक्ट्रोड के बीच कई संपर्कों की क्षमता को बनाए रखता है।

ईंधन सेल प्रकार	वर्किंग टेम्परेचर	बिजली उत्पादन क्षमता	ईंधन प्रकार	आवेदन क्षेत्र
आरकेटीई	550-700 डिग्री सेल्सियस	50-70%		मध्यम और बड़े प्रतिष्ठान
एफकेटीई	100-220 डिग्री सेल्सियस	35-40%	शुद्ध हाइड्रोजन	बड़े प्रतिष्ठान
मोप्टे	30-100 डिग्री सेल्सियस	35-50%	शुद्ध हाइड्रोजन	छोटे प्रतिष्ठान
SOFC	450-1000 डिग्री सेल्सियस	45-70%	अधिकांश हाइड्रोकार्बन ईंधन	छोटे, मध्यम और बड़े प्रतिष्ठान
Ponte	20-90 डिग्री सेल्सियस	20-30%	मेथनॉल	पोर्टेबल इकाइयां
एसएचटीई	50-200 डिग्री सेल्सियस	40-65%	शुद्ध हाइड्रोजन	अंतरिक्ष अनुसंधान
पीट	30-100 डिग्री सेल्सियस	35-50%	शुद्ध हाइड्रोजन	छोटे प्रतिष्ठान

भाग 1

यह लेख ईंधन कोशिकाओं के संचालन के सिद्धांत, उनके डिजाइन, वर्गीकरण, फायदे और नुकसान, गुंजाइश, दक्षता, निर्माण का इतिहास और उपयोग के लिए आधुनिक संभावनाओं पर अधिक विस्तार से चर्चा करता है। लेख के दूसरे भाग में, जो एबीओके पत्रिका के अगले अंक में प्रकाशित होगा, उन सुविधाओं के उदाहरण प्रदान करता है जहां विभिन्न प्रकार के ईंधन कोशिकाओं का उपयोग गर्मी और बिजली (या केवल बिजली) के स्रोतों के रूप में किया जाता था।

परिचय

ईंधन सेल ऊर्जा उत्पन्न करने का एक बहुत ही कुशल, विश्वसनीय, टिकाऊ और पर्यावरण के अनुकूल तरीका है।

प्रारंभ में केवल अंतरिक्ष उद्योग में उपयोग किया जाता था, ईंधन कोशिकाओं का अब विभिन्न क्षेत्रों में तेजी से उपयोग किया जाता है - स्थिर बिजली संयंत्र, इमारतों के लिए गर्मी और बिजली के स्वायत्त स्रोत, वाहन इंजन, लैपटॉप और मोबाइल फोन के लिए बिजली की आपूर्ति। इनमें से कुछ उपकरण प्रयोगशाला प्रोटोटाइप हैं, कुछ पूर्व-श्रृंखला परीक्षण से गुजर रहे हैं या प्रदर्शन उद्देश्यों के लिए उपयोग किए जाते हैं, लेकिन कई मॉडल बड़े पैमाने पर उत्पादित होते हैं और वाणिज्यिक परियोजनाओं में उपयोग किए जाते हैं।

एक ईंधन सेल (इलेक्ट्रोकेमिकल जनरेटर) एक ऐसा उपकरण है जो ठोस, तरल और गैसीय ईंधन के दहन का उपयोग करने वाली पारंपरिक तकनीकों के विपरीत, सीधे विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया की प्रक्रिया में ईंधन (हाइड्रोजन) की रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है। पर्यावरण के दृष्टिकोण से ईंधन का प्रत्यक्ष विद्युत रासायनिक रूपांतरण बहुत ही कुशल और आकर्षक है, क्योंकि संचालन के दौरान प्रदूषकों की न्यूनतम मात्रा निकलती है, और कोई मजबूत शोर और कंपन नहीं होता है।

व्यावहारिक दृष्टिकोण से, एक ईंधन सेल एक पारंपरिक गैल्वेनिक बैटरी जैसा दिखता है। अंतर इस तथ्य में निहित है कि शुरू में बैटरी को चार्ज किया जाता है, अर्थात। "ईंधन" से भरा। ऑपरेशन के दौरान, "ईंधन" की खपत होती है और बैटरी को छुट्टी दे दी जाती है। बैटरी के विपरीत, एक ईंधन सेल विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए बाहरी स्रोत से आपूर्ति किए गए ईंधन का उपयोग करता है (चित्र 1)।

विद्युत ऊर्जा के उत्पादन के लिए, न केवल शुद्ध हाइड्रोजन का उपयोग किया जा सकता है, बल्कि अन्य हाइड्रोजन युक्त कच्चे माल, जैसे प्राकृतिक गैस, अमोनिया, मेथनॉल या गैसोलीन का भी उपयोग किया जा सकता है। साधारण वायु का उपयोग ऑक्सीजन के स्रोत के रूप में किया जाता है, जो प्रतिक्रिया के लिए भी आवश्यक है।

जब शुद्ध हाइड्रोजन का उपयोग ईंधन के रूप में किया जाता है, तो प्रतिक्रिया उत्पाद, विद्युत ऊर्जा के अलावा, गर्मी और पानी (या जल वाष्प) होते हैं, अर्थात वातावरण में कोई गैस उत्सर्जित नहीं होती है जो वायु प्रदूषण का कारण बनती है या ग्रीनहाउस प्रभाव का कारण बनती है। यदि एक हाइड्रोजन युक्त फीडस्टॉक, जैसे कि प्राकृतिक गैस, का उपयोग ईंधन के रूप में किया जाता है, तो अन्य गैसें, जैसे कार्बन और नाइट्रोजन के ऑक्साइड, प्रतिक्रिया का उप-उत्पाद होंगे, लेकिन इसकी मात्रा उसी को जलाने की तुलना में बहुत कम है। प्राकृतिक गैस की मात्रा।

हाइड्रोजन के उत्पादन के लिए ईंधन के रासायनिक रूपांतरण की प्रक्रिया को सुधार कहा जाता है, और संबंधित उपकरण को सुधारक कहा जाता है।

ईंधन कोशिकाओं के फायदे और नुकसान

आंतरिक दहन इंजनों की तुलना में ईंधन सेल अधिक ऊर्जा कुशल होते हैं क्योंकि ईंधन कोशिकाओं के लिए ऊर्जा दक्षता पर कोई थर्मोडायनामिक सीमा नहीं होती है। ईंधन कोशिकाओं की दक्षता 50% है, जबकि आंतरिक दहन इंजन की दक्षता 12-15% है, और भाप टरबाइन बिजली संयंत्रों की दक्षता 40% से अधिक नहीं है। गर्मी और पानी के उपयोग से ईंधन सेल की दक्षता और भी बढ़ जाती है।

इसके विपरीत, उदाहरण के लिए, आंतरिक दहन इंजन, ईंधन कोशिकाओं की दक्षता तब भी बहुत अधिक रहती है, जब वे पूरी शक्ति से काम नहीं कर रहे होते हैं। इसके अलावा, ईंधन कोशिकाओं की शक्ति को केवल अलग-अलग ब्लॉक जोड़कर बढ़ाया जा सकता है, जबकि दक्षता में बदलाव नहीं होता है, यानी बड़े इंस्टॉलेशन छोटे लोगों की तरह ही कुशल होते हैं। ये परिस्थितियाँ ग्राहक की इच्छा के अनुसार उपकरणों की संरचना के बहुत लचीले चयन की अनुमति देती हैं और अंततः उपकरण की लागत में कमी लाती हैं।

ईंधन कोशिकाओं का एक महत्वपूर्ण लाभ उनकी पर्यावरण मित्रता है। ईंधन सेल संचालन से प्रदूषकों का वायु उत्सर्जन इतना कम है कि संयुक्त राज्य के कुछ क्षेत्रों में उन्हें विशेष अनुमति की आवश्यकता नहीं होती है सरकारी संस्थाएंवायु पर्यावरण की गुणवत्ता को नियंत्रित करना।

ईंधन कोशिकाओं को सीधे इमारत में रखा जा सकता है, इस प्रकार ऊर्जा संचरण नुकसान को कम किया जा सकता है, और प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप उत्पन्न गर्मी का उपयोग इमारत को गर्मी या गर्म पानी की आपूर्ति के लिए किया जा सकता है। गर्मी और बिजली की आपूर्ति के स्वायत्त स्रोत दूरदराज के क्षेत्रों और उन क्षेत्रों में बहुत फायदेमंद हो सकते हैं जहां बिजली की कमी और इसकी उच्च लागत होती है, लेकिन साथ ही साथ हाइड्रोजन युक्त कच्चे माल (तेल, प्राकृतिक गैस) के भंडार होते हैं। .

ईंधन कोशिकाओं के लाभ भी ईंधन की उपलब्धता, विश्वसनीयता (ईंधन सेल में कोई गतिमान भाग नहीं हैं), स्थायित्व और संचालन में आसानी हैं।

आज ईंधन कोशिकाओं के मुख्य नुकसानों में से एक उनकी अपेक्षाकृत उच्च लागत है, लेकिन इस नुकसान को जल्द ही दूर किया जा सकता है क्योंकि अधिक कंपनियां उत्पादन करती हैं वाणिज्यिक नमूनेईंधन कोशिकाओं, उनमें लगातार सुधार किया जा रहा है, और उनकी लागत कम हो रही है।

ईंधन के रूप में शुद्ध हाइड्रोजन का सबसे कुशल उपयोग, हालांकि, इसके उत्पादन और परिवहन के लिए एक विशेष बुनियादी ढांचे के निर्माण की आवश्यकता होगी। वर्तमान में, सभी वाणिज्यिक डिजाइन प्राकृतिक गैस और इसी तरह के ईंधन का उपयोग करते हैं। मोटर वाहन साधारण गैसोलीन का उपयोग कर सकते हैं, जो गैस स्टेशनों के मौजूदा विकसित नेटवर्क को बनाए रखने की अनुमति देगा। हालांकि, इस तरह के ईंधन के उपयोग से वातावरण में हानिकारक उत्सर्जन होता है (यद्यपि बहुत कम) और ईंधन सेल को जटिल बनाता है (और इसलिए इसकी लागत बढ़ जाती है)। भविष्य में, पर्यावरण के अनुकूल अक्षय ऊर्जा स्रोतों का उपयोग करने की संभावना (उदाहरण के लिए, सौर ऊर्जाया पवन ऊर्जा) इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विघटित करने के लिए, और फिर परिणामी ईंधन को ईंधन सेल में परिवर्तित करने के लिए। एक बंद चक्र में काम करने वाले ऐसे संयुक्त संयंत्र पूरी तरह से पर्यावरण के अनुकूल, विश्वसनीय, टिकाऊ और ऊर्जा के कुशल स्रोत हो सकते हैं।

ईंधन कोशिकाओं की एक अन्य विशेषता यह है कि वे एक ही समय में विद्युत और तापीय ऊर्जा दोनों का उपयोग करते समय सबसे अधिक कुशल होते हैं। हालांकि, हर सुविधा पर तापीय ऊर्जा के उपयोग की संभावना उपलब्ध नहीं है। केवल विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए ईंधन कोशिकाओं का उपयोग करने के मामले में, उनकी दक्षता कम हो जाती है, हालांकि यह "पारंपरिक" प्रतिष्ठानों की दक्षता से अधिक है।

ईंधन कोशिकाओं का इतिहास और आधुनिक उपयोग

1839 में ईंधन कोशिकाओं के संचालन के सिद्धांत की खोज की गई थी। अंग्रेजी वैज्ञानिक विलियम ग्रोव (1811-1896) ने पाया कि इलेक्ट्रोलिसिस की प्रक्रिया - विद्युत प्रवाह के माध्यम से पानी का हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में अपघटन - प्रतिवर्ती है, यानी हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को बिना दहन के पानी के अणुओं में जोड़ा जा सकता है, लेकिन साथ में गर्मी और विद्युत प्रवाह की रिहाई। ग्रोव ने उस उपकरण को बुलाया जिसमें इस तरह की प्रतिक्रिया को "गैस बैटरी" किया गया था, जो कि पहला ईंधन सेल था।

ईंधन सेल प्रौद्योगिकियों का सक्रिय विकास द्वितीय विश्व युद्ध के बाद शुरू हुआ, और यह एयरोस्पेस उद्योग से जुड़ा हुआ है। उस समय, एक कुशल और विश्वसनीय, लेकिन साथ ही ऊर्जा के काफी कॉम्पैक्ट स्रोत के लिए खोज की गई थी। 1960 के दशक में, नासा के विशेषज्ञों (नेशनल एरोनॉटिक्स एंड स्पेस एडमिनिस्ट्रेशन, नासा) ने अपोलो (चंद्रमा के लिए मानवयुक्त उड़ानें), अपोलो-सोयुज, जेमिनी और स्काईलैब कार्यक्रमों के अंतरिक्ष यान के लिए एक शक्ति स्रोत के रूप में ईंधन कोशिकाओं को चुना। अपोलो ने बिजली, गर्मी और पानी का उत्पादन करने के लिए क्रायोजेनिक हाइड्रोजन और ऑक्सीजन का उपयोग करते हुए तीन 1.5 किलोवाट यूनिट (2.2 किलोवाट पीक पावर) का इस्तेमाल किया। प्रत्येक स्थापना का द्रव्यमान 113 किग्रा था। ये तीनों कोशिकाएं समानांतर में काम करती थीं, लेकिन एक इकाई से उत्पन्न ऊर्जा सुरक्षित वापसी के लिए पर्याप्त थी। 18 उड़ानों के दौरान, ईंधन कोशिकाओं ने बिना किसी विफलता के कुल 10,000 घंटे जमा किए हैं। वर्तमान में, अंतरिक्ष यान "स्पेस शटल" में ईंधन कोशिकाओं का उपयोग किया जाता है, जो 12 W की शक्ति के साथ तीन इकाइयों का उपयोग करता है, जो अंतरिक्ष यान पर सभी विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करता है (चित्र 2)। विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप प्राप्त पानी का उपयोग पीने के पानी के साथ-साथ शीतलन उपकरण के रूप में भी किया जाता है।

हमारे देश में एस्ट्रोनॉटिक्स में इस्तेमाल के लिए फ्यूल सेल बनाने पर भी काम चल रहा था। उदाहरण के लिए, ईंधन कोशिकाओं का उपयोग बिजली के लिए किया गया है सोवियत जहाजपुन: प्रयोज्य "बुरान"।

1960 के दशक के मध्य में ईंधन कोशिकाओं के व्यावसायिक उपयोग के तरीकों का विकास शुरू हुआ। इन विकासों को आंशिक रूप से सरकारी संगठनों द्वारा वित्त पोषित किया गया था।

वर्तमान में, ईंधन कोशिकाओं के उपयोग के लिए प्रौद्योगिकियों का विकास कई दिशाओं में होता है। यह ईंधन कोशिकाओं (केंद्रीकृत और विकेन्द्रीकृत ऊर्जा आपूर्ति दोनों के लिए) पर स्थिर बिजली संयंत्रों का निर्माण है, वाहनों के बिजली संयंत्र (ईंधन कोशिकाओं पर कारों और बसों के नमूने हमारे देश में बनाए गए हैं) (चित्र 3), और विभिन्न मोबाइल उपकरणों (लैपटॉप, मोबाइल फोन, आदि) के लिए बिजली की आपूर्ति भी (चित्र 4)।

विभिन्न क्षेत्रों में ईंधन सेल के उपयोग के उदाहरण तालिका में दिए गए हैं। एक।

स्वायत्त गर्मी और इमारतों की बिजली आपूर्ति के लिए डिजाइन किए गए ईंधन कोशिकाओं के पहले वाणिज्यिक मॉडल में से एक पीसी 25 मॉडल ए था जिसे ओएनएसआई कॉर्पोरेशन (अब यूनाइटेड टेक्नोलॉजीज, इंक।) द्वारा निर्मित किया गया था। 200 kW की नाममात्र शक्ति वाला यह ईंधन सेल फॉस्फोरिक एसिड (फॉस्फोरिक एसिड फ्यूल सेल, PAFC) पर आधारित इलेक्ट्रोलाइट वाली कोशिकाओं के प्रकार से संबंधित है। मॉडल के नाम पर "25" नंबर का मतलब है डिजाइन का सीरियल नंबर। पिछले अधिकांश मॉडल प्रयोगात्मक या परीक्षण के टुकड़े थे, जैसे कि 12.5 kW "PC11" मॉडल जो 1970 के दशक में सामने आया था। नए मॉडलों ने एकल ईंधन सेल से ली गई शक्ति में वृद्धि की, और उत्पादित ऊर्जा की प्रति किलोवाट लागत को भी कम किया। वर्तमान में, सबसे कुशल वाणिज्यिक मॉडलों में से एक PC25 मॉडल C ईंधन सेल है। मॉडल "ए" की तरह, यह 200 kW की शक्ति के साथ PAFC प्रकार का एक पूरी तरह से स्वचालित ईंधन सेल है, जिसे गर्मी और बिजली के एक स्वतंत्र स्रोत के रूप में सीधे सेवित वस्तु पर स्थापित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इस तरह के ईंधन सेल को भवन के बाहर स्थापित किया जा सकता है। बाह्य रूप से, यह 5.5 मीटर लंबा, 3 मीटर चौड़ा और 3 मीटर ऊंचा एक समानांतर चतुर्भुज है, जिसका वजन 18,140 किलोग्राम है। पिछले मॉडलों से अंतर एक बेहतर सुधारक और एक उच्च वर्तमान घनत्व है।

तालिका एक
ईंधन कोशिकाओं का दायरा

क्षेत्र अनुप्रयोग	रेटेड शक्ति	उपयोग करने के उदाहरण
स्थावर अधिष्ठापन	5-250 किलोवाट और के ऊपर	आवासीय, सार्वजनिक और औद्योगिक भवनों, निर्बाध बिजली आपूर्ति, बैकअप और आपातकालीन बिजली आपूर्ति के लिए गर्मी और बिजली की आपूर्ति के स्वायत्त स्रोत
पोर्टेबल अधिष्ठापन	1-50 किलोवाट	सड़क के संकेत, प्रशीतित ट्रक और रेलमार्ग, व्हीलचेयर, गोल्फ कार्ट, अंतरिक्ष यान और उपग्रह
गतिमान अधिष्ठापन	25-150 किलोवाट	कारें (उदाहरण के लिए, डेमलर क्रिसलर, एफआईएटी, फोर्ड, जनरल मोटर्स, होंडा, हुंडई, निसान, टोयोटा, वोक्सवैगन, वीएजेड), बसों (जैसे मैन, नियोप्लान, रेनॉल्ट) और अन्य वाहनों, युद्धपोतों और पनडुब्बियों द्वारा प्रोटोटाइप बनाए गए थे।
सूक्ष्म उपकरण	1-500W	मोबाइल फोन, लैपटॉप, पीडीए, विभिन्न उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक उपकरण, आधुनिक सैन्य उपकरण

कुछ प्रकार की ईंधन कोशिकाओं में, रासायनिक प्रक्रिया को उलटा किया जा सकता है: इलेक्ट्रोड में संभावित अंतर को लागू करके, पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विघटित किया जा सकता है, जो झरझरा इलेक्ट्रोड पर एकत्र किए जाते हैं। जब एक लोड जुड़ा होता है, तो ऐसा पुनर्योजी ईंधन सेल विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करना शुरू कर देगा।

ईंधन कोशिकाओं के उपयोग के लिए एक आशाजनक दिशा अक्षय ऊर्जा स्रोतों, जैसे फोटोवोल्टिक पैनल या पवन टरबाइन के संयोजन के साथ उनका उपयोग है। यह तकनीक आपको वायु प्रदूषण से पूरी तरह बचने की अनुमति देती है। एक समान प्रणाली बनाने की योजना है, उदाहरण के लिए, ओबेरलिन में एडम जोसेफ लुईस प्रशिक्षण केंद्र में (देखें एबीओके, 2002, नंबर 5, पृष्ठ 10)। वर्तमान में, इस भवन में ऊर्जा स्रोतों में से एक के रूप में, सौर पेनल्स. नासा के विशेषज्ञों के साथ मिलकर, इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा पानी से हाइड्रोजन और ऑक्सीजन का उत्पादन करने के लिए फोटोवोल्टिक पैनलों का उपयोग करने के लिए एक परियोजना विकसित की गई थी। फिर हाइड्रोजन का उपयोग ईंधन कोशिकाओं में बिजली और गर्म पानी उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। यह इमारत को बादल के दिनों और रात में सभी प्रणालियों के प्रदर्शन को बनाए रखने की अनुमति देगा।

ईंधन कोशिकाओं के संचालन का सिद्धांत

आइए एक उदाहरण के रूप में प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन, पीईएम) के साथ सबसे सरल तत्व का उपयोग करके ईंधन सेल के संचालन के सिद्धांत पर विचार करें। इस तरह के तत्व में एनोड और कैथोड उत्प्रेरक के साथ एनोड (पॉजिटिव इलेक्ट्रोड) और कैथोड (नेगेटिव इलेक्ट्रोड) के बीच रखा गया एक पॉलीमर मेम्ब्रेन होता है। एक बहुलक झिल्ली का उपयोग इलेक्ट्रोलाइट के रूप में किया जाता है। पीईएम तत्व का आरेख अंजीर में दिखाया गया है। 5.

एक प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली (पीईएम) एक पतली (सादे कागज की लगभग 2-7 शीट मोटी) ठोस कार्बनिक यौगिक है। यह झिल्ली इलेक्ट्रोलाइट के रूप में कार्य करती है: यह पानी की उपस्थिति में पदार्थ को सकारात्मक और नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए आयनों में अलग करती है।

एनोड पर एक ऑक्सीडेटिव प्रक्रिया होती है, और कैथोड पर एक कमी प्रक्रिया होती है। पीईएम सेल में एनोड और कैथोड एक झरझरा पदार्थ से बने होते हैं, जो कार्बन और प्लैटिनम के कणों का मिश्रण होता है। प्लेटिनम एक उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है जो पृथक्करण प्रतिक्रिया को बढ़ावा देता है। एनोड और कैथोड को उनके माध्यम से क्रमशः हाइड्रोजन और ऑक्सीजन के मुक्त मार्ग के लिए झरझरा बनाया जाता है।

एनोड और कैथोड दो धातु प्लेटों के बीच रखे जाते हैं, जो एनोड और कैथोड को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की आपूर्ति करते हैं, और गर्मी और पानी, साथ ही विद्युत ऊर्जा को हटाते हैं।

हाइड्रोजन अणु प्लेट में चैनलों के माध्यम से एनोड तक जाते हैं, जहां अणु अलग-अलग परमाणुओं में विघटित होते हैं (चित्र 6)।

	चित्र 5 () प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (PEM) फ्यूल सेल का योजनाबद्ध आरेख
	चित्र 6 () प्लेट में चैनलों के माध्यम से हाइड्रोजन अणु एनोड में प्रवेश करते हैं, जहां अणु अलग-अलग परमाणुओं में विघटित हो जाते हैं
	चित्र 7 () उत्प्रेरक की उपस्थिति में रासायनिक अधिशोषण के परिणामस्वरूप हाइड्रोजन परमाणु प्रोटॉन में परिवर्तित हो जाते हैं
	आंकड़ा 8 () सकारात्मक रूप से आवेशित हाइड्रोजन आयन झिल्ली के माध्यम से कैथोड तक फैलते हैं, और इलेक्ट्रॉन प्रवाह कैथोड को एक बाहरी विद्युत सर्किट के माध्यम से निर्देशित किया जाता है जिससे लोड जुड़ा होता है।
	चित्र 9 () कैथोड को आपूर्ति की गई ऑक्सीजन, उत्प्रेरक की उपस्थिति में, प्रोटॉन-विनिमय झिल्ली से हाइड्रोजन आयनों और बाहरी विद्युत सर्किट से इलेक्ट्रॉनों के साथ रासायनिक प्रतिक्रिया में प्रवेश करती है। पानी एक रासायनिक प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप बनता है

फिर, एक उत्प्रेरक की उपस्थिति में रासायनिक अधिशोषण के परिणामस्वरूप, हाइड्रोजन परमाणु, प्रत्येक एक इलेक्ट्रॉन ई-दान करते हैं, धनावेशित हाइड्रोजन आयनों H+, यानी प्रोटॉन (चित्र 7) में परिवर्तित हो जाते हैं।

सकारात्मक रूप से आवेशित हाइड्रोजन आयन (प्रोटॉन) झिल्ली के माध्यम से कैथोड तक फैलते हैं, और इलेक्ट्रॉन प्रवाह एक बाहरी विद्युत सर्किट के माध्यम से कैथोड को निर्देशित किया जाता है जिससे लोड (विद्युत ऊर्जा का उपभोक्ता) जुड़ा होता है (चित्र 8)।

कैथोड को आपूर्ति की गई ऑक्सीजन, उत्प्रेरक की उपस्थिति में, प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली से हाइड्रोजन आयनों (प्रोटॉन) और बाहरी विद्युत सर्किट से इलेक्ट्रॉनों के साथ रासायनिक प्रतिक्रिया में प्रवेश करती है (चित्र 9)। रासायनिक अभिक्रिया के फलस्वरूप जल का निर्माण होता है।

अन्य प्रकार के ईंधन सेल में रासायनिक प्रतिक्रिया (उदाहरण के लिए, एक अम्लीय इलेक्ट्रोलाइट के साथ, जो फॉस्फोरिक एसिड एच 3 पीओ 4 का एक समाधान है) एक प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली के साथ ईंधन सेल में रासायनिक प्रतिक्रिया के समान है।

किसी भी ईंधन सेल में, रासायनिक प्रतिक्रिया की ऊर्जा का हिस्सा गर्मी के रूप में जारी किया जाता है।

बाह्य परिपथ में इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह एक प्रत्यक्ष धारा है जिसका उपयोग कार्य करने के लिए किया जाता है। बाहरी सर्किट को खोलने या हाइड्रोजन आयनों की गति को रोकने से रासायनिक प्रतिक्रिया रुक जाती है।

ईंधन सेल द्वारा उत्पादित विद्युत ऊर्जा की मात्रा ईंधन सेल के प्रकार, ज्यामितीय आयाम, तापमान, गैस के दबाव पर निर्भर करती है। एक एकल ईंधन सेल 1.16 V से कम का EMF प्रदान करता है। ईंधन कोशिकाओं के आकार को बढ़ाना संभव है, लेकिन व्यवहार में कई कोशिकाओं का उपयोग किया जाता है, जो बैटरी में जुड़े होते हैं (चित्र 10)।

ईंधन सेल डिवाइस

आइए PC25 मॉडल C मॉडल के उदाहरण पर फ्यूल सेल डिवाइस पर विचार करें। ईंधन सेल की योजना को अंजीर में दिखाया गया है। ग्यारह।

ईंधन सेल "पीसी25 मॉडल सी" में तीन मुख्य भाग होते हैं: ईंधन प्रोसेसर, वास्तविक बिजली उत्पादन अनुभाग और वोल्टेज कनवर्टर।

ईंधन सेल का मुख्य भाग - बिजली उत्पादन खंड - 256 व्यक्तिगत ईंधन कोशिकाओं से बना एक ढेर है। ईंधन सेल इलेक्ट्रोड की संरचना में प्लैटिनम उत्प्रेरक शामिल है। इन कोशिकाओं के माध्यम से 155 वोल्ट के वोल्टेज पर 1,400 एम्पीयर का प्रत्यक्ष विद्युत प्रवाह उत्पन्न होता है। बैटरी के आयाम लगभग 2.9 मीटर लंबाई और 0.9 मीटर चौड़ाई और ऊंचाई में हैं।

चूंकि विद्युत रासायनिक प्रक्रिया 177 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर होती है, इसलिए स्टार्ट-अप के समय बैटरी को गर्म करना और ऑपरेशन के दौरान उसमें से गर्मी निकालना आवश्यक है। ऐसा करने के लिए, ईंधन सेल में एक अलग जल सर्किट शामिल है, और बैटरी विशेष शीतलन प्लेटों से सुसज्जित है।

ईंधन प्रोसेसर आपको प्राकृतिक गैस को हाइड्रोजन में बदलने की अनुमति देता है, जो एक विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक है। इस प्रक्रिया को सुधार कहा जाता है। ईंधन प्रोसेसर का मुख्य तत्व सुधारक है। सुधारक में, प्राकृतिक गैस (या अन्य हाइड्रोजन युक्त ईंधन) उच्च तापमान (900 डिग्री सेल्सियस) पर भाप के साथ प्रतिक्रिया करता है और निकल उत्प्रेरक की उपस्थिति में उच्च दबाव होता है। निम्नलिखित रासायनिक प्रतिक्रियाएं होती हैं:

सीएच 4 (मीथेन) + एच 2 ओ 3 एच 2 + सीओ

(गर्मी अवशोषण के साथ एंडोथर्मिक प्रतिक्रिया);

सीओ + एच 2 ओ एच 2 + सीओ 2

(प्रतिक्रिया ऊष्मा के निकलने के साथ ऊष्माक्षेपी होती है)।

समग्र प्रतिक्रिया समीकरण द्वारा व्यक्त की जाती है:

सीएच 4 (मीथेन) + 2 एच 2 ओ 4 एच 2 + सीओ 2

(गर्मी अवशोषण के साथ एंडोथर्मिक प्रतिक्रिया)।

प्राकृतिक गैस रूपांतरण के लिए आवश्यक उच्च तापमान प्रदान करने के लिए, ईंधन सेल स्टैक से खर्च किए गए ईंधन का एक हिस्सा एक बर्नर को निर्देशित किया जाता है जो आवश्यक तापमान पर सुधारक को बनाए रखता है।

सुधार के लिए आवश्यक भाप ईंधन सेल के संचालन के दौरान गठित घनीभूत से उत्पन्न होती है। इस मामले में, ईंधन सेल स्टैक से निकाली गई गर्मी का उपयोग किया जाता है (चित्र 12)।

ईंधन सेल स्टैक एक आंतरायिक प्रत्यक्ष धारा उत्पन्न करता है, जो कम वोल्टेज और उच्च धारा की विशेषता है। इसे औद्योगिक मानक एसी में बदलने के लिए एक वोल्टेज कनवर्टर का उपयोग किया जाता है। इसके अलावा, वोल्टेज कनवर्टर इकाई में विभिन्न नियंत्रण उपकरण और सुरक्षा इंटरलॉक सर्किट शामिल हैं जो विभिन्न विफलताओं की स्थिति में ईंधन सेल को बंद करने की अनुमति देते हैं।

ऐसे ईंधन सेल में, ईंधन में लगभग 40% ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सकता है। लगभग इतनी ही मात्रा, ईंधन की ऊर्जा का लगभग 40%, में परिवर्तित किया जा सकता है तापीय ऊर्जा, जो तब हीटिंग, गर्म पानी की आपूर्ति और इसी तरह के उद्देश्यों के लिए गर्मी स्रोत के रूप में उपयोग किया जाता है। इस प्रकार, ऐसे संयंत्र की कुल दक्षता 80% तक पहुंच सकती है।

गर्मी और बिजली के ऐसे स्रोत का एक महत्वपूर्ण लाभ इसके स्वचालित संचालन की संभावना है। रखरखाव के लिए, जिस सुविधा पर ईंधन सेल स्थापित है, उसके मालिकों को विशेष रूप से प्रशिक्षित कर्मियों को बनाए रखने की आवश्यकता नहीं है - निश्चित अंतराल पर देखभालसंचालन संगठन के कर्मचारियों द्वारा किया जा सकता है।

ईंधन सेल प्रकार

वर्तमान में, कई प्रकार के ईंधन सेल ज्ञात हैं, जो उपयोग किए गए इलेक्ट्रोलाइट की संरचना में भिन्न होते हैं। निम्नलिखित चार प्रकार सबसे व्यापक हैं (तालिका 2):

1. प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन के साथ फ्यूल सेल (प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल, PEMFC)।

2. ऑर्थोफोस्फोरिक (फॉस्फोरिक) एसिड (फॉस्फोरिक एसिड फ्यूल सेल, पीएएफसी) पर आधारित ईंधन सेल।

3. पिघले हुए कार्बोनेट (पिघला हुआ कार्बोनेट ईंधन सेल, एमसीएफसी) पर आधारित ईंधन सेल।

4. सॉलिड ऑक्साइड फ्यूल सेल (सॉलिड ऑक्साइड फ्यूल सेल, SOFC)। वर्तमान में, ईंधन कोशिकाओं का सबसे बड़ा बेड़ा PAFC तकनीक के आधार पर बनाया गया है।

प्रमुख विशेषताओं में से एक अलग - अलग प्रकारईंधन सेल ऑपरेटिंग तापमान है। कई मायनों में, यह तापमान है जो ईंधन कोशिकाओं के दायरे को निर्धारित करता है। उदाहरण के लिए, लैपटॉप के लिए उच्च तापमान महत्वपूर्ण हैं, इसलिए इस बाजार खंड के लिए कम ऑपरेटिंग तापमान वाले प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल विकसित किए जा रहे हैं।

इमारतों की स्वायत्त बिजली आपूर्ति के लिए, उच्च स्थापित क्षमता के ईंधन कोशिकाओं की आवश्यकता होती है, और साथ ही, थर्मल ऊर्जा का उपयोग करना संभव होता है, इसलिए इन उद्देश्यों के लिए अन्य प्रकार के ईंधन कोशिकाओं का उपयोग किया जा सकता है।

प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल (PEMFC)

ये ईंधन सेल अपेक्षाकृत कम ऑपरेटिंग तापमान (60-160 डिग्री सेल्सियस) पर काम करते हैं। वे उच्च शक्ति घनत्व की विशेषता रखते हैं, आपको आउटपुट पावर को जल्दी से समायोजित करने की अनुमति देते हैं, और जल्दी से चालू किया जा सकता है। इस प्रकार के तत्वों का नुकसान ईंधन की गुणवत्ता के लिए उच्च आवश्यकताएं हैं, क्योंकि दूषित ईंधन झिल्ली को नुकसान पहुंचा सकता है। इस प्रकार की ईंधन कोशिकाओं की नाममात्र शक्ति 1-100 kW है।

प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल मूल रूप से नासा के लिए 1960 के दशक में जनरल इलेक्ट्रिक कॉर्पोरेशन द्वारा विकसित किए गए थे। इस प्रकार का ईंधन सेल एक ठोस अवस्था पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करता है जिसे प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (PEM) कहा जाता है। प्रोटॉन प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली के माध्यम से आगे बढ़ सकते हैं, लेकिन इलेक्ट्रॉन इसके माध्यम से नहीं गुजर सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप कैथोड और एनोड के बीच संभावित अंतर होता है। उनकी सादगी और विश्वसनीयता के कारण, ऐसे ईंधन कोशिकाओं का उपयोग मानवयुक्त पर एक शक्ति स्रोत के रूप में किया जाता था अंतरिक्ष यानमिथुन राशि।

इस प्रकार के ईंधन सेल का उपयोग विभिन्न उपकरणों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए एक शक्ति स्रोत के रूप में किया जाता है, जिसमें प्रोटोटाइप और प्रोटोटाइप शामिल हैं, मोबाइल फोन से लेकर बसों और स्थिर बिजली प्रणालियों तक। कम ऑपरेटिंग तापमान ऐसी कोशिकाओं को विभिन्न प्रकार के परिसरों को शक्ति देने के लिए उपयोग करने की अनुमति देता है इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों. सार्वजनिक और औद्योगिक भवनों के लिए गर्मी और बिजली आपूर्ति के स्रोत के रूप में उनका उपयोग कम कुशल है, जहां बड़ी मात्रा में तापीय ऊर्जा की आवश्यकता होती है। साथ ही, ऐसे तत्व छोटे आवासीय भवनों जैसे गर्म जलवायु वाले क्षेत्रों में बने कॉटेज के लिए बिजली आपूर्ति के स्वायत्त स्रोत के रूप में वादा कर रहे हैं।

तालिका 2
ईंधन सेल प्रकार

वस्तु परक	कर्मी तापमान, °С	दक्षता उत्पादन विद्युतीय ऊर्जा), %	कुल क्षमता, %
ईंधन कोशिकाओं के साथ प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली (पीईएमएफसी)	60–160	30–35	50–70
ईंधन कोशिकाएं ऑर्थोफॉस्फोरिक पर आधारित (फॉस्फोरिक) अम्ल (PAFC)	150–200	35	70–80
ईंधन सेल आधारित पिघला हुआ कार्बोनेट (एमसीएफसी)	600–700	45–50	70–80
ठोस अवस्था ऑक्साइड ईंधन सेल (SOFC)	700–1 000	50–60	70–80

फॉस्फोरिक एसिड ईंधन सेल (पीएएफसी)

इस प्रकार की ईंधन कोशिकाओं का परीक्षण 1970 के दशक की शुरुआत में ही किया जा चुका था। ऑपरेटिंग तापमान रेंज - 150-200 डिग्री सेल्सियस। आवेदन का मुख्य क्षेत्र मध्यम शक्ति (लगभग 200 किलोवाट) की गर्मी और बिजली आपूर्ति के स्वायत्त स्रोत हैं।

इन ईंधन कोशिकाओं में प्रयुक्त इलेक्ट्रोलाइट फॉस्फोरिक एसिड का एक समाधान है। इलेक्ट्रोड कार्बन के साथ लेपित कागज से बने होते हैं, जिसमें एक प्लैटिनम उत्प्रेरक फैलाया जाता है।

पीएएफसी ईंधन कोशिकाओं की विद्युत दक्षता 37-42% है। हालांकि, चूंकि ये ईंधन सेल पर्याप्त रूप से उच्च तापमान पर काम करते हैं, इसलिए ऑपरेशन के परिणामस्वरूप उत्पन्न भाप का उपयोग करना संभव है। इस मामले में, समग्र दक्षता 80% तक पहुंच सकती है।

ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए, हाइड्रोजन युक्त फीडस्टॉक को सुधार प्रक्रिया के माध्यम से शुद्ध हाइड्रोजन में परिवर्तित किया जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, यदि गैसोलीन का उपयोग ईंधन के रूप में किया जाता है, तो सल्फर यौगिकों को हटा दिया जाना चाहिए, क्योंकि सल्फर प्लैटिनम उत्प्रेरक को नुकसान पहुंचा सकता है।

पीएएफसी ईंधन सेल आर्थिक रूप से उचित होने वाले पहले वाणिज्यिक ईंधन सेल थे। सबसे आम मॉडल ONSI Corporation (अब यूनाइटेड टेक्नोलॉजीज, इंक.) (चित्र 13) द्वारा निर्मित 200 kW PC25 ईंधन सेल था। उदाहरण के लिए, इन तत्वों का उपयोग न्यूयॉर्क के सेंट्रल पार्क में एक पुलिस स्टेशन में गर्मी और बिजली के स्रोत के रूप में या कोंडे नास्ट बिल्डिंग और फोर टाइम्स स्क्वायर के लिए ऊर्जा के अतिरिक्त स्रोत के रूप में किया जाता है। इस प्रकार के सबसे बड़े संयंत्र का जापान में स्थित 11 मेगावाट बिजली संयंत्र के रूप में परीक्षण किया जा रहा है।

फॉस्फोरिक एसिड पर आधारित ईंधन सेल का उपयोग वाहनों में ऊर्जा स्रोत के रूप में भी किया जाता है। उदाहरण के लिए, 1994 में, H-Power Corp., जॉर्ज टाउन विश्वविद्यालय और अमेरिकी ऊर्जा विभाग ने 50 kW बिजली संयंत्र के साथ एक बस को सुसज्जित किया।

पिघला हुआ कार्बोनेट ईंधन सेल (एमसीएफसी)

इस प्रकार के ईंधन सेल बहुत उच्च तापमान - 600-700 डिग्री सेल्सियस पर काम करते हैं। ये ऑपरेटिंग तापमान एक अलग सुधारक की आवश्यकता के बिना, ईंधन को सीधे सेल में ही इस्तेमाल करने की अनुमति देते हैं। इस प्रक्रिया को "आंतरिक सुधार" कहा जाता है। यह ईंधन सेल के डिजाइन को काफी सरल बनाने की अनुमति देता है।

पिघले हुए कार्बोनेट पर आधारित ईंधन कोशिकाओं को एक महत्वपूर्ण स्टार्ट-अप समय की आवश्यकता होती है और उत्पादन शक्ति को जल्दी से समायोजित करने की अनुमति नहीं देते हैं, इसलिए उनके आवेदन का मुख्य क्षेत्र गर्मी और बिजली के बड़े स्थिर स्रोत हैं। हालांकि, वे उच्च ईंधन रूपांतरण दक्षता द्वारा प्रतिष्ठित हैं - 60% विद्युत दक्षता और समग्र दक्षता 85% तक।

इस प्रकार के ईंधन सेल में, इलेक्ट्रोलाइट में पोटेशियम कार्बोनेट और लिथियम कार्बोनेट लवण होते हैं जिन्हें लगभग 650 ° C तक गर्म किया जाता है। इन परिस्थितियों में, लवण एक गलित अवस्था में होते हैं, जिससे एक इलेक्ट्रोलाइट बनता है। एनोड पर, हाइड्रोजन सीओ 3 आयनों के साथ संपर्क करता है, पानी, कार्बन डाइऑक्साइड बनाता है और बाहरी सर्किट में भेजे गए इलेक्ट्रॉनों को छोड़ता है, और कैथोड पर, ऑक्सीजन बाहरी सर्किट से कार्बन डाइऑक्साइड और इलेक्ट्रॉनों के साथ बातचीत करता है, फिर से सीओ 3 आयन बनाता है।

इस प्रकार के ईंधन कोशिकाओं के प्रयोगशाला नमूने 1950 के दशक के अंत में डच वैज्ञानिकों जी. 1960 के दशक में, 17वीं शताब्दी के एक प्रसिद्ध अंग्रेजी लेखक और वैज्ञानिक के वंशज, इंजीनियर फ्रांसिस टी. बेकन ने इन तत्वों के साथ काम किया, यही वजह है कि एमसीएफसी ईंधन कोशिकाओं को कभी-कभी बेकन तत्वों के रूप में जाना जाता है। नासा के अपोलो, अपोलो-सोयुज और साइलैब कार्यक्रमों ने ऐसे ईंधन कोशिकाओं का उपयोग एक शक्ति स्रोत के रूप में किया (चित्र 14)। उसी वर्षों में, अमेरिकी सैन्य विभाग ने टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स द्वारा निर्मित एमसीएफसी ईंधन कोशिकाओं के कई नमूनों का परीक्षण किया, जिसमें सेना के ग्रेड गैसोलीन को ईंधन के रूप में इस्तेमाल किया गया था। 1970 के दशक के मध्य में, अमेरिकी ऊर्जा विभाग ने व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त एक स्थिर पिघला हुआ कार्बोनेट ईंधन सेल विकसित करने के लिए अनुसंधान शुरू किया। 1990 के दशक में, 250 किलोवाट तक की कई वाणिज्यिक इकाइयों को परिचालन में लाया गया था, जैसे कि कैलिफोर्निया में यूएस नेवल एयर स्टेशन मिरामार में। 1996 में, फ्यूलसेल एनर्जी, इंक। में प्रारंभ परीक्षण संचालनसांता क्लारा, कैलिफ़ोर्निया में 2 मेगावाट का प्री-सीरीज़ प्लांट।

सॉलिड स्टेट ऑक्साइड फ्यूल सेल (SOFC)

सॉलिड-स्टेट ऑक्साइड ईंधन सेल डिजाइन में सरल हैं और बहुत उच्च तापमान - 700-1000 डिग्री सेल्सियस पर काम करते हैं। इस तरह के उच्च तापमान अपेक्षाकृत "गंदे", अपरिष्कृत ईंधन के उपयोग की अनुमति देते हैं। पिघले हुए कार्बोनेट पर आधारित ईंधन कोशिकाओं में समान विशेषताएं आवेदन के समान क्षेत्र को निर्धारित करती हैं - गर्मी और बिजली के बड़े स्थिर स्रोत।

ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल संरचनात्मक रूप से PAFC और MCFC प्रौद्योगिकियों पर आधारित ईंधन कोशिकाओं से भिन्न होते हैं। एनोड, कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट विशेष ग्रेड के सिरेमिक से बने होते हैं। अक्सर, ज़िरकोनियम ऑक्साइड और कैल्शियम ऑक्साइड का मिश्रण इलेक्ट्रोलाइट के रूप में उपयोग किया जाता है, लेकिन अन्य ऑक्साइड का उपयोग किया जा सकता है। इलेक्ट्रोलाइट एक झरझरा इलेक्ट्रोड सामग्री के साथ दोनों तरफ लेपित क्रिस्टल जाली बनाता है। संरचनात्मक रूप से, ऐसे तत्व ट्यूब या फ्लैट बोर्ड के रूप में बनाए जाते हैं, जिससे उनके निर्माण में इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली तकनीकों का उपयोग करना संभव हो जाता है। नतीजतन, ठोस-राज्य ऑक्साइड ईंधन सेल बहुत उच्च तापमान पर काम कर सकते हैं, इसलिए उनका उपयोग विद्युत और तापीय ऊर्जा दोनों के उत्पादन के लिए किया जा सकता है।

उच्च परिचालन तापमान पर, कैथोड पर ऑक्सीजन आयन बनते हैं, जो क्रिस्टल जाली के माध्यम से एनोड में चले जाते हैं, जहां वे हाइड्रोजन आयनों के साथ बातचीत करते हैं, पानी बनाते हैं और मुक्त इलेक्ट्रॉनों को छोड़ते हैं। ऐसे में प्राकृतिक गैस से हाइड्रोजन को सीधे सेल में छोड़ा जाता है, यानी अलग से रिफॉर्मर की जरूरत नहीं है।

सॉलिड-स्टेट ऑक्साइड ईंधन कोशिकाओं के निर्माण के लिए सैद्धांतिक नींव 1930 के दशक के अंत में रखी गई थी, जब स्विस वैज्ञानिकों बाउर (एमिल बाउर) और प्रीस (एच। प्रीस) ने ज़िरकोनियम, येट्रियम, सेरियम, लैंथेनम और टंगस्टन के साथ प्रयोग किया था। इलेक्ट्रोलाइट्स के रूप में।

इस तरह के ईंधन कोशिकाओं के पहले प्रोटोटाइप 1950 के दशक के अंत में कई अमेरिकी और डच कंपनियों द्वारा बनाए गए थे। इनमें से अधिकांश कंपनियों ने तकनीकी कठिनाइयों के कारण जल्द ही आगे के शोध को छोड़ दिया, लेकिन उनमें से एक, वेस्टिंगहाउस इलेक्ट्रिक कार्पोरेशन। (अब "सीमेंस वेस्टिंगहाउस पावर कॉर्पोरेशन"), काम जारी रखा। कंपनी वर्तमान में इस वर्ष अपेक्षित ट्यूबलर टोपोलॉजी सॉलिड ऑक्साइड फ्यूल सेल के एक वाणिज्यिक मॉडल के लिए प्री-ऑर्डर स्वीकार कर रही है (चित्र 15)। ऐसे तत्वों का बाजार खंड 250 kW से 5 MW की क्षमता के साथ ताप और विद्युत ऊर्जा के उत्पादन के लिए स्थिर प्रतिष्ठान है।

SOFC प्रकार की ईंधन कोशिकाओं ने बहुत अधिक विश्वसनीयता दिखाई है। उदाहरण के लिए, सीमेंस वेस्टिंगहाउस ईंधन सेल प्रोटोटाइप ने 16,600 घंटे लॉग इन किया है और यह काम करना जारी रखता है, जिससे यह दुनिया में सबसे लंबे समय तक निरंतर ईंधन सेल जीवन बना रहा है।

SOFC ईंधन कोशिकाओं का उच्च तापमान, उच्च दबाव ऑपरेटिंग मोड हाइब्रिड संयंत्रों के निर्माण की अनुमति देता है, जिसमें ईंधन सेल उत्सर्जन बिजली उत्पन्न करने के लिए उपयोग किए जाने वाले गैस टर्बाइनों को चलाता है। इस तरह का पहला हाइब्रिड प्लांट इरविन, कैलिफोर्निया में चल रहा है। इस संयंत्र की रेटेड शक्ति 220 kW है, जिसमें से 200 kW ईंधन सेल से और 20 kW माइक्रोटर्बाइन जनरेटर से है।

संयुक्त राज्य अमेरिका ने 2020 तक ईंधन सेल वाहनों को व्यावहारिक और किफायती बनाने के लिए हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं, बुनियादी ढांचे और प्रौद्योगिकियों को विकसित करने के लिए कई पहल की हैं। इन उद्देश्यों के लिए एक अरब डॉलर से अधिक का आवंटन किया गया है।

ईंधन सेल प्रदूषण के बिना चुपचाप और कुशलता से बिजली उत्पन्न करते हैं वातावरण. जीवाश्म ईंधन ऊर्जा स्रोतों के विपरीत, ईंधन कोशिकाओं के उप-उत्पाद गर्मी और पानी हैं। यह काम किस प्रकार करता है?

इस लेख में, हम संक्षेप में मौजूदा में से प्रत्येक की समीक्षा करेंगे ईंधन प्रौद्योगिकीआज, साथ ही साथ ईंधन कोशिकाओं के डिजाइन और संचालन के बारे में बात करते हैं, उनकी तुलना ऊर्जा उत्पादन के अन्य रूपों से करते हैं। हम उपभोक्ताओं के लिए ईंधन कोशिकाओं को व्यावहारिक और किफायती बनाने में शोधकर्ताओं द्वारा सामना की जाने वाली कुछ बाधाओं पर भी चर्चा करेंगे।

ईंधन सेल हैं विद्युत रासायनिक ऊर्जा रूपांतरण उपकरण. ईंधन सेल धर्मान्तरित रासायनिक पदार्थ, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन पानी में, जिसकी प्रक्रिया में यह बिजली उत्पन्न करता है।

एक और इलेक्ट्रोकेमिकल डिवाइस जिससे हम सभी बहुत परिचित हैं, वह है बैटरी। बैटरी के अंदर सभी आवश्यक रासायनिक तत्व होते हैं और इन पदार्थों को बिजली में बदल देते हैं। इसका मतलब है कि बैटरी अंततः "मर जाती है" और आप इसे या तो फेंक देते हैं या इसे रिचार्ज करते हैं।

एक ईंधन सेल में, रसायनों को लगातार इसमें डाला जाता है ताकि यह कभी "मृत" न हो। जब तक केमिकल सेल में प्रवेश करेंगे तब तक बिजली पैदा होगी। आज उपयोग में आने वाले अधिकांश ईंधन सेल हाइड्रोजन और ऑक्सीजन का उपयोग करते हैं।

हमारी आकाशगंगा में हाइड्रोजन सबसे प्रचुर मात्रा में पाया जाने वाला तत्व है। हालाँकि, हाइड्रोजन व्यावहारिक रूप से पृथ्वी पर अपने तात्विक रूप में मौजूद नहीं है। इंजीनियरों और वैज्ञानिकों को जीवाश्म ईंधन या पानी सहित हाइड्रोजन यौगिकों से शुद्ध हाइड्रोजन निकालना चाहिए। इन यौगिकों से हाइड्रोजन निकालने के लिए, आपको ऊर्जा को गर्मी या बिजली के रूप में खर्च करने की आवश्यकता होती है।

ईंधन कोशिकाओं का आविष्कार

सर विलियम ग्रोव ने 1839 में पहले ईंधन सेल का आविष्कार किया था। ग्रोव जानते थे कि पानी के माध्यम से विद्युत प्रवाह चलाकर हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित किया जा सकता है (एक प्रक्रिया जिसे . कहा जाता है) इलेक्ट्रोलीज़) उन्होंने सुझाव दिया कि उल्टे क्रम में बिजली और पानी प्राप्त किया जा सकता है। उन्होंने एक आदिम ईंधन सेल बनाया और इसे कहा गैस बिजली उत्पन्न करनेवाली बैटरी. अपने नए आविष्कार के साथ प्रयोग करने के बाद, ग्रोव ने अपनी परिकल्पना को साबित किया। पचास साल बाद, वैज्ञानिकों लुडविग मोंड और चार्ल्स लैंगर ने इस शब्द को गढ़ा ईंधन कोशिकाएंबिजली उत्पादन के लिए एक व्यावहारिक मॉडल बनाने की कोशिश करते समय।

ईंधन सेल कई अन्य ऊर्जा रूपांतरण उपकरणों के साथ प्रतिस्पर्धा करेगा, जिसमें शहरी बिजली संयंत्रों में गैस टर्बाइन, कारों में आंतरिक दहन इंजन और सभी प्रकार की बैटरी शामिल हैं। आंतरिक दहन इंजन, जैसे गैस टर्बाइन, जलते हैं विभिन्न प्रकारईंधन और यांत्रिक कार्य करने के लिए गैसों के विस्तार द्वारा बनाए गए दबाव का उपयोग करें। बैटरियां जरूरत पड़ने पर रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में बदल देती हैं। ईंधन कोशिकाओं को इन कार्यों को अधिक कुशलता से करने की आवश्यकता है।

ईंधन सेल डीसी (प्रत्यक्ष धारा) वोल्टेज प्रदान करता है जिसका उपयोग इलेक्ट्रिक मोटर, प्रकाश व्यवस्था और अन्य विद्युत उपकरणों को बिजली देने के लिए किया जा सकता है।

कई अलग-अलग प्रकार के ईंधन सेल होते हैं, जिनमें से प्रत्येक विभिन्न रासायनिक प्रक्रियाओं का उपयोग करते हैं। ईंधन कोशिकाओं को आमतौर पर उनके अनुसार वर्गीकृत किया जाता है परिचालन तापमानतथा प्रकारइलेक्ट्रोलाइट,जिसका वे उपयोग करते हैं। कुछ प्रकार के ईंधन सेल स्थिर बिजली संयंत्रों में उपयोग के लिए उपयुक्त हैं। अन्य छोटे पोर्टेबल उपकरणों या पावर कारों के लिए उपयोगी हो सकते हैं। ईंधन कोशिकाओं के मुख्य प्रकारों में शामिल हैं:

पॉलिमर एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल (PEMFC)

PEMFC को परिवहन अनुप्रयोगों के लिए सबसे संभावित उम्मीदवार माना जाता है। PEMFC में उच्च शक्ति और अपेक्षाकृत कम ऑपरेटिंग तापमान (60 से 80 डिग्री सेल्सियस की सीमा में) दोनों हैं। कम ऑपरेटिंग तापमान का मतलब है कि बिजली पैदा करने के लिए ईंधन सेल जल्दी गर्म हो सकते हैं।