स्थायी प्रौद्योगिकियों का परिचय: ईंधन सेल। ईंधन कोशिकाएं

ईंधन कोशिकाओं/कोशिकाओं के लाभ

ईंधन सेल/ सेल एक ऐसा उपकरण है जो विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से हाइड्रोजन युक्त ईंधन से दक्षतापूर्वक प्रत्यक्ष धारा और ऊष्मा उत्पन्न करता है।

एक ईंधन सेल एक बैटरी के समान होता है जिसमें यह एक रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से प्रत्यक्ष धारा उत्पन्न करता है। ईंधन सेल में एनोड, कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट शामिल हैं। हालांकि, बैटरी के विपरीत, ईंधन सेल/सेल स्टोर नहीं कर सकते हैं विद्युतीय ऊर्जा, डिस्चार्ज न करें और रिचार्ज करने के लिए बिजली की आवश्यकता न हो। ईंधन सेल/सेल लगातार बिजली पैदा कर सकते हैं जब तक उनके पास ईंधन और हवा की आपूर्ति है।

अन्य बिजली जनरेटर जैसे मोटर्स के विपरीत अन्तः ज्वलनया गैस, कोयला, तेल आदि पर चलने वाले टर्बाइन, ईंधन सेल/सेल ईंधन नहीं जलाते हैं। इसका मतलब है कोई शोर उच्च दबाव रोटर्स, कोई जोरदार निकास शोर नहीं, कोई कंपन नहीं। ईंधन सेल/सेल एक मूक विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से बिजली उत्पन्न करते हैं। ईंधन कोशिकाओं/कोशिकाओं की एक अन्य विशेषता यह है कि वे ईंधन की रासायनिक ऊर्जा को सीधे बिजली, गर्मी और पानी में परिवर्तित करते हैं।

ईंधन सेल अत्यधिक कुशल होते हैं और कार्बन डाइऑक्साइड, मीथेन और नाइट्रस ऑक्साइड जैसी बड़ी मात्रा में ग्रीनहाउस गैसों का उत्पादन नहीं करते हैं। ऑपरेशन के दौरान उत्सर्जित एकमात्र उत्पाद भाप के रूप में पानी और कार्बन डाइऑक्साइड की एक छोटी मात्रा है, जो शुद्ध हाइड्रोजन को ईंधन के रूप में उपयोग करने पर बिल्कुल भी उत्सर्जित नहीं होता है। ईंधन कोशिकाओं/कोशिकाओं को असेंबलियों में और फिर व्यक्तिगत कार्यात्मक मॉड्यूल में इकट्ठा किया जाता है।

ईंधन सेल/सेल विकास का इतिहास

1950 और 1960 के दशक में, ईंधन कोशिकाओं के लिए सबसे बड़ी चुनौतियों में से एक का जन्म यूएस नेशनल एरोनॉटिक्स एंड स्पेस एडमिनिस्ट्रेशन (NASA) की लंबी अवधि के अंतरिक्ष मिशनों के लिए ऊर्जा स्रोतों की आवश्यकता से हुआ था। नासा का अल्कलाइन फ्यूल सेल/सेल हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को ईंधन के रूप में उपयोग करता है, दोनों को एक विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया में मिलाता है। उत्पादन अंतरिक्ष यान में उपयोगी प्रतिक्रिया के तीन उप-उत्पाद हैं - अंतरिक्ष यान को बिजली देने के लिए बिजली, पीने और शीतलन प्रणाली के लिए पानी, और अंतरिक्ष यात्रियों को गर्म रखने के लिए गर्मी।

ईंधन कोशिकाओं की खोज 19वीं शताब्दी की शुरुआत में हुई थी। ईंधन कोशिकाओं के प्रभाव का पहला प्रमाण 1838 में प्राप्त हुआ था।

1930 के दशक के अंत में, क्षारीय ईंधन कोशिकाओं पर काम शुरू हुआ, और 1939 तक उच्च दबाव निकल-प्लेटेड इलेक्ट्रोड का उपयोग करके एक सेल का निर्माण किया गया था। द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान, ब्रिटिश नौसेना की पनडुब्बियों के लिए ईंधन कोशिकाओं / कोशिकाओं को विकसित किया गया था और 1958 में एक ईंधन संयोजन में क्षारीय ईंधन कोशिकाओं / कोशिकाओं से युक्त 25 सेमी व्यास से अधिक की शुरुआत की गई थी।

1950 और 1960 के दशक में और 1980 के दशक में भी ब्याज में वृद्धि हुई, जब औद्योगिक दुनियापेट्रोलियम ईंधन की कमी का अनुभव किया। इसी अवधि में, विश्व के देश भी वायु प्रदूषण की समस्या से चिंतित हो गए और पर्यावरण के अनुकूल बिजली उत्पन्न करने के तरीकों पर विचार किया। वर्तमान में, ईंधन सेल/सेल प्रौद्योगिकी तेजी से विकास के दौर से गुजर रही है।

फ्यूल सेल/सेल कैसे काम करते हैं

ईंधन सेल/सेल इलेक्ट्रोलाइट, कैथोड और एनोड का उपयोग करके चल रही विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से बिजली और गर्मी उत्पन्न करते हैं।

एनोड और कैथोड को एक इलेक्ट्रोलाइट द्वारा अलग किया जाता है जो प्रोटॉन का संचालन करता है। हाइड्रोजन के एनोड में प्रवेश करने के बाद और ऑक्सीजन कैथोड में प्रवेश करने के बाद, एक रासायनिक प्रतिक्रिया शुरू होती है, जिसके परिणामस्वरूप विद्युत प्रवाह, गर्मी और पानी उत्पन्न होता है।

एनोड उत्प्रेरक पर, आणविक हाइड्रोजन अलग हो जाता है और इलेक्ट्रॉनों को खो देता है। हाइड्रोजन आयनों (प्रोटॉन) को इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से कैथोड तक ले जाया जाता है, जबकि इलेक्ट्रॉनों को इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से और एक बाहरी विद्युत सर्किट के माध्यम से पारित किया जाता है, जिससे एक प्रत्यक्ष करंट बनता है जिसका उपयोग बिजली उपकरणों के लिए किया जा सकता है। कैथोड उत्प्रेरक पर, एक ऑक्सीजन अणु एक इलेक्ट्रॉन (जो बाहरी संचार से आपूर्ति की जाती है) और एक आने वाले प्रोटॉन के साथ जुड़ता है, और पानी बनाता है, जो एकमात्र प्रतिक्रिया उत्पाद है (वाष्प और / या तरल के रूप में)।

नीचे इसी प्रतिक्रिया है:

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

ईंधन कोशिकाओं/कोशिकाओं के प्रकार और विविधता

जैसे विभिन्न प्रकार के आंतरिक दहन इंजन होते हैं, वैसे ही विभिन्न प्रकार के ईंधन सेल होते हैं - पसंद उपयुक्त प्रकारईंधन सेल इसके अनुप्रयोग पर निर्भर करता है।

ईंधन कोशिकाओं को उच्च तापमान और निम्न तापमान में विभाजित किया जाता है। कम तापमान वाली ईंधन कोशिकाओं को ईंधन 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 कोशिकाओं को इस 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/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।

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 + 1/2O 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 द्वारा ईंधन सेल को नुकसान से बचाता है।

पिघले हुए कार्बोनेट ईंधन सेल बड़े स्थिर प्रतिष्ठानों में उपयोग के लिए उपयुक्त हैं। 3.0 मेगावाट की उत्पादन विद्युत शक्ति वाले ताप विद्युत संयंत्रों का औद्योगिक रूप से उत्पादन किया जाता है। 110 मेगावाट तक की उत्पादन शक्ति वाले संयंत्र विकसित किए जा रहे हैं।

फॉस्फोरिक एसिड (पीएफसी) पर आधारित ईंधन सेल/सेल

फॉस्फोरिक (ऑर्थोफॉस्फोरिक) एसिड पर आधारित ईंधन सेल व्यावसायिक उपयोग के लिए पहली ईंधन सेल थे।

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। प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल्स में भी इसी तरह की प्रक्रिया 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 2 H 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।

500 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।

सॉलिड ऑक्साइड फ्यूल सेल्स/सेल्स (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।

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 - \u003d\u003e 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 60-70%। 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 बिजली उत्पादन की दक्षता 75% 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/सेल

मेथनॉल के प्रत्यक्ष ऑक्सीकरण के साथ ईंधन कोशिकाओं का उपयोग करने की तकनीक सक्रिय विकास के दौर से गुजर रही है। इसने मोबाइल फोन, लैपटॉप के साथ-साथ पोर्टेबल बिजली स्रोत बनाने के क्षेत्र में खुद को सफलतापूर्वक स्थापित किया है। 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 प्रतिक्रिया: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
सामान्य तत्व प्रतिक्रिया: सीएच 3 ओएच + 3/2 ओ 2 => सीओ 2 + 2 एच 2 ओ

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/सेल (एएफसी)

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 तक जाता 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 - => 4 OH -
सिस्टम की सामान्य प्रतिक्रिया: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

एसएफसी का लाभ यह है कि इन ईंधन कोशिकाओं का उत्पादन सबसे सस्ता है, 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। 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 / सेल (पीईटीई)

बहुलक इलेक्ट्रोलाइट ईंधन कोशिकाओं के मामले में, बहुलक झिल्ली में जल क्षेत्रों के साथ बहुलक फाइबर होते हैं जिसमें पानी के आयनों (एच 2 ओ + (प्रोटॉन, लाल) पानी के अणु से जुड़ा होता है) का संचालन 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 सेल्स/सेल्स (SCFC)

सॉलिड एसिड फ्यूल सेल्स में इलेक्ट्रोलाइट (CsHSO 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।

विभिन्न ईंधन सेल मॉड्यूल। ईंधन सेल बैटरी

1. ईंधन सेल बैटरी
2. अन्य उच्च तापमान उपकरण (एकीकृत भाप जनरेटर, दहन कक्ष, गर्मी संतुलन परिवर्तक)
3. गर्मी प्रतिरोधी इन्सुलेशन

ईंधन सेल मॉड्यूल

ईंधन कोशिकाओं के प्रकार और किस्मों का तुलनात्मक विश्लेषण

नवीन ऊर्जा-बचत करने वाले नगरपालिका ताप और बिजली संयंत्र आमतौर पर ठोस ऑक्साइड ईंधन कोशिकाओं (एसओएफसी), बहुलक इलेक्ट्रोलाइट ईंधन कोशिकाओं (पीईएफसी), फॉस्फोरिक एसिड ईंधन कोशिकाओं (पीसीएफसी), प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली ईंधन कोशिकाओं (एमपीएफसी) और क्षारीय ईंधन कोशिकाओं पर बनाए जाते हैं। एपीएफसी)। उनके पास आमतौर पर निम्नलिखित विशेषताएं हैं:

सॉलिड ऑक्साइड फ्यूल सेल (SOFC) को सबसे उपयुक्त माना जाना चाहिए, जो:

• उच्च तापमान पर काम करते हैं, जिससे महंगी कीमती धातुओं (जैसे प्लेटिनम) की आवश्यकता कम हो जाती है।
• मुख्य रूप से प्राकृतिक गैस पर विभिन्न प्रकार के हाइड्रोकार्बन ईंधन पर काम कर सकते हैं
• पास होना अधिक समयशुरू कर रहे हैं और इसलिए लंबी अवधि के लिए बेहतर अनुकूल हैं
• बिजली उत्पादन की उच्च दक्षता प्रदर्शित करें (70% तक)
• उच्च परिचालन तापमान के कारण, इकाइयों को गर्मी वसूली प्रणालियों के साथ जोड़ा जा सकता है, जिससे समग्र प्रणाली दक्षता 85% तक पहुंच जाती है।
• मौजूदा बिजली उत्पादन प्रौद्योगिकियों की तुलना में लगभग शून्य उत्सर्जन है, चुपचाप संचालित होता है और कम परिचालन आवश्यकताएं होती हैं

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
एसएचटीई	50-200 डिग्री सेल्सियस	40-70%	शुद्ध हाइड्रोजन	अंतरिक्ष अनुसंधान
पीट	30-100 डिग्री सेल्सियस	35-50%	शुद्ध हाइड्रोजन	छोटे प्रतिष्ठान

चूंकि छोटे ताप विद्युत संयंत्रों को एक पारंपरिक गैस आपूर्ति नेटवर्क से जोड़ा जा सकता है, इसलिए ईंधन कोशिकाओं को एक अलग हाइड्रोजन आपूर्ति प्रणाली की आवश्यकता नहीं होती है। ठोस ऑक्साइड ईंधन कोशिकाओं के आधार पर छोटे थर्मल पावर प्लांट का उपयोग करते समय, उत्पन्न गर्मी को हीटिंग पानी और वेंटिलेशन हवा के लिए हीट एक्सचेंजर्स में एकीकृत किया जा सकता है, जिससे सिस्टम की समग्र दक्षता बढ़ जाती है। इस त कनीक का नवीनीकरणमहंगे बुनियादी ढांचे और जटिल उपकरण एकीकरण की आवश्यकता के बिना कुशल बिजली उत्पादन के लिए सबसे उपयुक्त।

ईंधन सेल / सेल अनुप्रयोग

दूरसंचार प्रणालियों में ईंधन कोशिकाओं/कोशिकाओं का अनुप्रयोग

दुनिया भर में वायरलेस संचार प्रणालियों के तेजी से प्रसार के साथ-साथ मोबाइल फोन प्रौद्योगिकी के बढ़ते सामाजिक और आर्थिक लाभों के साथ, विश्वसनीय और लागत प्रभावी बैकअप पावर की आवश्यकता महत्वपूर्ण हो गई है। खराब मौसम, प्राकृतिक आपदाओं या सीमित ग्रिड क्षमता के कारण पूरे वर्ष ग्रिड का नुकसान ग्रिड ऑपरेटरों के लिए एक निरंतर चुनौती है।

पारंपरिक दूरसंचार पावर बैकअप समाधानों में शॉर्ट-टर्म बैकअप पावर के लिए बैटरी (वाल्व-विनियमित लीड-एसिड बैटरी सेल) और लंबी बैकअप पावर के लिए डीजल और प्रोपेन जेनरेटर शामिल हैं। बैटरी 1 से 2 घंटे के लिए बैकअप पावर का अपेक्षाकृत सस्ता स्रोत है। हालांकि, बैटरी लंबी बैकअप अवधि के लिए उपयुक्त नहीं हैं क्योंकि वे बनाए रखने के लिए महंगी हैं, लंबे समय तक उपयोग के बाद अविश्वसनीय हो जाती हैं, तापमान के प्रति संवेदनशील होती हैं, और जीवन के लिए खतरनाक होती हैं। वातावरणनिपटान के बाद। डीजल और प्रोपेन जनरेटर निरंतर बैकअप पावर प्रदान कर सकते हैं। हालांकि, जनरेटर अविश्वसनीय हो सकते हैं, व्यापक रखरखाव की आवश्यकता होती है, और वातावरण में उच्च स्तर के प्रदूषकों और ग्रीनहाउस गैसों को छोड़ते हैं।

पारंपरिक बैकअप पावर समाधानों की सीमाओं को समाप्त करने के लिए, एक नवीन हरित ईंधन सेल प्रौद्योगिकी विकसित की गई है। ईंधन सेल विश्वसनीय, शांत, जनरेटर की तुलना में कम चलने वाले हिस्से होते हैं, बैटरी की तुलना में -40 डिग्री सेल्सियस से + 50 डिग्री सेल्सियस तक व्यापक ऑपरेटिंग तापमान सीमा होती है और परिणामस्वरूप, ऊर्जा बचत के अत्यधिक उच्च स्तर प्रदान करती है। इसके अलावा, ऐसे संयंत्र की आजीवन लागत एक जनरेटर की तुलना में कम है। कम ईंधन सेल लागत प्रति वर्ष केवल एक रखरखाव यात्रा और काफी अधिक संयंत्र उत्पादकता का परिणाम है। आखिरकार, ईंधन सेल पर्यावरण के अनुकूल है तकनीकी समाधानपर्यावरण पर न्यूनतम प्रभाव के साथ।

ईंधन सेल इकाइयां वायरलेस, स्थायी और . के लिए महत्वपूर्ण संचार नेटवर्क अवसंरचना को बैकअप पावर प्रदान करती हैं ब्रॉडबैंडदूरसंचार प्रणाली में, 250W से 15kW तक, वे कई बेजोड़ नवीन सुविधाएँ प्रदान करते हैं:

• विश्वसनीयता- कुछ चलने वाले हिस्से और कोई स्टैंडबाय डिस्चार्ज नहीं
• ऊर्जा की बचत
• शांति- कम शोर स्तर
• स्थिरता- ऑपरेटिंग रेंज -40°C से +50°C . तक
• अनुकूलनशीलता- आउटडोर और इनडोर इंस्टॉलेशन (कंटेनर / सुरक्षात्मक कंटेनर)
• उच्च शक्ति- 15 किलोवाट तक
• कम रखरखाव की आवश्यकता- न्यूनतम वार्षिक रखरखाव
• अर्थव्यवस्था- स्वामित्व की आकर्षक कुल लागत
• स्वच्छ ऊर्जा- न्यूनतम पर्यावरणीय प्रभाव के साथ कम उत्सर्जन

सिस्टम हर समय डीसी बस वोल्टेज को महसूस करता है और डीसी बस वोल्टेज उपयोगकर्ता द्वारा परिभाषित सेटपॉइंट से नीचे गिरने पर महत्वपूर्ण भार को आसानी से स्वीकार करता है। सिस्टम हाइड्रोजन पर चलता है, जो दो तरीकों में से एक में ईंधन सेल स्टैक में प्रवेश करता है - या तो हाइड्रोजन के वाणिज्यिक स्रोत से, या मेथनॉल और पानी के तरल ईंधन से, ऑन-बोर्ड सुधारक प्रणाली का उपयोग करके।

फ्यूल सेल स्टैक द्वारा डायरेक्ट करंट के रूप में बिजली का उत्पादन किया जाता है। डीसी पावर एक कनवर्टर को भेजी जाती है जो ईंधन सेल स्टैक से अनियंत्रित डीसी पावर को आवश्यक भार के लिए उच्च गुणवत्ता, विनियमित डीसी पावर में परिवर्तित करती है। एक ईंधन सेल स्थापना कई दिनों के लिए बैकअप पावर प्रदान कर सकती है, क्योंकि अवधि केवल स्टॉक में उपलब्ध हाइड्रोजन या मेथनॉल/जल ईंधन की मात्रा से सीमित होती है।

ईंधन सेल उद्योग मानक वाल्व विनियमित लीड एसिड बैटरी पैक की तुलना में बेहतर ऊर्जा दक्षता, बढ़ी हुई सिस्टम विश्वसनीयता, जलवायु की एक विस्तृत श्रृंखला में अधिक अनुमानित प्रदर्शन और विश्वसनीय सेवा जीवन प्रदान करते हैं। काफी कम रखरखाव और प्रतिस्थापन आवश्यकताओं के कारण जीवनचक्र की लागत भी कम है। ईंधन सेल अंतिम उपयोगकर्ता पर्यावरणीय लाभ प्रदान करते हैं क्योंकि निपटान लागत और लीड एसिड कोशिकाओं से जुड़े देयता जोखिम एक बढ़ती हुई चिंता है।

चार्ज स्तर, तापमान, चक्र, जीवन और अन्य चर जैसे कारकों की एक विस्तृत श्रृंखला से इलेक्ट्रिक बैटरी का प्रदर्शन प्रतिकूल रूप से प्रभावित हो सकता है। प्रदान की गई ऊर्जा इन कारकों के आधार पर अलग-अलग होगी और भविष्यवाणी करना आसान नहीं है। प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल (PEMFC) का प्रदर्शन इन कारकों से अपेक्षाकृत अप्रभावित रहता है और जब तक ईंधन उपलब्ध है तब तक महत्वपूर्ण शक्ति प्रदान कर सकता है। मिशन-महत्वपूर्ण बैकअप पावर अनुप्रयोगों के लिए ईंधन कोशिकाओं में जाने पर बढ़ी हुई भविष्यवाणी एक महत्वपूर्ण लाभ है।

ईंधन सेल केवल तभी ऊर्जा उत्पन्न करते हैं जब ईंधन की आपूर्ति की जाती है, जैसे गैस टरबाइन जनरेटर, लेकिन पीढ़ी क्षेत्र में चलने वाले हिस्से नहीं होते हैं। इसलिए, एक जनरेटर के विपरीत, वे तेजी से पहनने के अधीन नहीं हैं और उन्हें निरंतर रखरखाव और स्नेहन की आवश्यकता नहीं होती है।

एक्सटेंडेड ड्यूरेशन फ्यूल कन्वर्टर को चलाने के लिए इस्तेमाल किया जाने वाला ईंधन मेथनॉल और पानी का मिश्रण है। मेथनॉल एक व्यापक रूप से उपलब्ध, व्यावसायिक रूप से उत्पादित ईंधन है जिसमें वर्तमान में विंडशील्ड वॉशर सहित कई अनुप्रयोग हैं, प्लास्टिक की बोतलें, इंजन एडिटिव्स, इमल्शन पेंट्स। मेथनॉल परिवहन के लिए आसान है, पानी के साथ गलत है, इसमें अच्छी जैवअवक्रमण क्षमता है और यह सल्फर मुक्त है। इसका हिमांक कम (-71°C) होता है और लंबे भंडारण के दौरान यह विघटित नहीं होता है।

संचार नेटवर्क में ईंधन कोशिकाओं/कोशिकाओं का अनुप्रयोग

सुरक्षा नेटवर्क को विश्वसनीय बैकअप पावर सॉल्यूशंस की आवश्यकता होती है जो पावर ग्रिड के अनुपलब्ध होने पर आपात स्थिति में घंटों या दिनों तक चल सकता है।

कुछ चलती भागों और कोई स्टैंडबाय बिजली कटौती के साथ, अभिनव ईंधन सेल प्रौद्योगिकी वर्तमान में उपलब्ध बैकअप पावर सिस्टम की तुलना में एक आकर्षक समाधान प्रदान करती है।

संचार नेटवर्क में ईंधन सेल प्रौद्योगिकी का उपयोग करने का सबसे सम्मोहक कारण समग्र विश्वसनीयता और सुरक्षा में वृद्धि है। पावर आउटेज, भूकंप, तूफान और तूफान जैसी घटनाओं के दौरान, यह महत्वपूर्ण है कि सिस्टम काम करना जारी रखें और बैकअप पावर सिस्टम के तापमान या उम्र की परवाह किए बिना, विस्तारित अवधि के लिए एक विश्वसनीय बैकअप बिजली की आपूर्ति हो।

ईंधन सेल बिजली आपूर्ति की सीमा सुरक्षित संचार नेटवर्क का समर्थन करने के लिए आदर्श है। उनके ऊर्जा बचत डिजाइन सिद्धांतों के लिए धन्यवाद, वे 250 डब्ल्यू से 15 किलोवाट तक बिजली की सीमा में उपयोग के लिए विस्तारित अवधि (कई दिनों तक) के साथ पर्यावरण के अनुकूल, विश्वसनीय बैकअप पावर प्रदान करते हैं।

डेटा नेटवर्क में ईंधन सेल/सेल का अनुप्रयोग

हाई-स्पीड डेटा नेटवर्क और फाइबर ऑप्टिक बैकबोन जैसे डेटा नेटवर्क के लिए विश्वसनीय बिजली आपूर्ति दुनिया भर में महत्वपूर्ण है। ऐसे नेटवर्क पर प्रेषित सूचना में बैंकों, एयरलाइनों या जैसे संस्थानों के लिए महत्वपूर्ण डेटा होता है चिकित्सा केंद्र. ऐसे नेटवर्क में बिजली की विफलता न केवल खतरे का कारण बनती है प्रेषित जानकारी, लेकिन यह भी, एक नियम के रूप में, महत्वपूर्ण वित्तीय नुकसान की ओर जाता है। विश्वसनीय, अभिनव ईंधन सेल इंस्टॉलेशन जो स्टैंडबाय पावर प्रदान करते हैं, आपको निर्बाध बिजली सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक विश्वसनीयता प्रदान करते हैं।

मेथनॉल और पानी के तरल ईंधन मिश्रण पर काम करने वाली ईंधन सेल इकाइयां कई दिनों तक विस्तारित अवधि के साथ एक विश्वसनीय बैकअप बिजली आपूर्ति प्रदान करती हैं। इसके अलावा, इन इकाइयों में जनरेटर और बैटरी की तुलना में काफी कम रखरखाव की आवश्यकता होती है, जिसके लिए प्रति वर्ष केवल एक रखरखाव यात्रा की आवश्यकता होती है।

डेटा नेटवर्क में ईंधन सेल प्रतिष्ठानों के उपयोग के लिए विशिष्ट अनुप्रयोग विशेषताएं:

• 100 W से 15 kW तक बिजली इनपुट वाले अनुप्रयोग
• आवश्यकताओं के साथ आवेदन बैटरी लाइफ> 4 घंटे
• फाइबर ऑप्टिक सिस्टम में रिपीटर्स (सिंक्रोनस डिजिटल सिस्टम का पदानुक्रम, हाई स्पीड इंटरनेट, वॉयस ओवर आईपी…)
• हाई-स्पीड डेटा ट्रांसमिशन के नेटवर्क नोड्स
• वाईमैक्स ट्रांसमिशन नोड्स

ईंधन सेल स्टैंडबाय इंस्टॉलेशन पारंपरिक बैटरी या डीजल जनरेटर पर महत्वपूर्ण डेटा नेटवर्क इन्फ्रास्ट्रक्चर के लिए कई फायदे प्रदान करते हैं, जिससे साइट पर उपयोग में वृद्धि होती है:

1. तरल ईंधन प्रौद्योगिकी हाइड्रोजन भंडारण की समस्या को हल करती है और वस्तुतः असीमित बैकअप शक्ति प्रदान करती है।
2. उनके शांत संचालन, कम वजन, तापमान चरम सीमा के प्रतिरोध और वस्तुतः कंपन-मुक्त संचालन के कारण, ईंधन कोशिकाओं को बाहर, औद्योगिक परिसरों / कंटेनरों में या छतों पर स्थापित किया जा सकता है।
3. सिस्टम का उपयोग करने के लिए साइट पर तैयारी त्वरित और किफायती है, और संचालन की लागत कम है।
4. ईंधन बायोडिग्रेडेबल है और शहरी पर्यावरण के लिए पर्यावरण के अनुकूल समाधान का प्रतिनिधित्व करता है।

सुरक्षा प्रणालियों में ईंधन कोशिकाओं/कोशिकाओं का अनुप्रयोग

सबसे सावधानी से डिजाइन की गई इमारत सुरक्षा और संचार प्रणालियां उतनी ही विश्वसनीय हैं जितनी कि उन्हें शक्ति प्रदान करने वाली शक्ति। जबकि अधिकांश प्रणालियों में अल्पकालिक बिजली के नुकसान के लिए कुछ प्रकार के बैक-अप अनइंटरप्टिबल पावर सिस्टम शामिल हैं, वे प्राकृतिक आपदाओं या आतंकवादी हमलों के बाद होने वाली लंबी बिजली कटौती के लिए प्रदान नहीं करते हैं। यह कई कॉर्पोरेट और सरकारी एजेंसियों के लिए एक महत्वपूर्ण मुद्दा हो सकता है।

सीसीटीवी मॉनिटरिंग और एक्सेस कंट्रोल सिस्टम (आईडी कार्ड रीडर, डोर क्लोजिंग डिवाइस, बायोमेट्रिक आइडेंटिफिकेशन टेक्नोलॉजी, आदि), ऑटोमैटिक फायर अलार्म और फायर एक्सटिंग्विशिंग सिस्टम, एलेवेटर कंट्रोल सिस्टम और टेलीकम्युनिकेशन नेटवर्क जैसी महत्वपूर्ण प्रणालियां खतरे में हैं। निरंतर बिजली आपूर्ति का विश्वसनीय वैकल्पिक स्रोत।

डीजल जनरेटर शोरगुल वाले होते हैं, उनका पता लगाना मुश्किल होता है, और वे अपनी विश्वसनीयता के लिए जाने जाते हैं और भरण पोषण. इसके विपरीत, एक ईंधन सेल बैक-अप इंस्टॉलेशन शांत, विश्वसनीय है, इसमें शून्य या बहुत कम उत्सर्जन होता है, और इसे छत पर या किसी इमारत के बाहर स्थापित करना आसान होता है। यह स्टैंडबाय मोड में बिजली का निर्वहन या हानि नहीं करता है। यह महत्वपूर्ण प्रणालियों के निरंतर संचालन को सुनिश्चित करता है, तब भी जब संस्था का संचालन बंद हो जाता है और इमारत को लोगों द्वारा छोड़ दिया जाता है।

अभिनव ईंधन सेल प्रतिष्ठान महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों में महंगे निवेश की रक्षा करते हैं। वे 250 W से 15 kW तक की पावर रेंज में उपयोग के लिए विस्तारित अवधि (कई दिनों तक) के साथ पर्यावरण के अनुकूल, विश्वसनीय बैकअप पावर प्रदान करते हैं, जो कई नायाब विशेषताओं और विशेष रूप से, उच्च स्तर की ऊर्जा बचत के साथ संयुक्त है।

ईंधन सेल पावर बैकअप इकाइयां पारंपरिक बैटरी या डीजल जनरेटर पर सुरक्षा और भवन प्रबंधन प्रणाली जैसे मिशन महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों के लिए कई फायदे प्रदान करती हैं। तरल ईंधन प्रौद्योगिकी हाइड्रोजन भंडारण की समस्या को हल करती है और वस्तुतः असीमित बैकअप शक्ति प्रदान करती है।

घरेलू तापन और विद्युत उत्पादन में ईंधन कोशिकाओं/सेलों का अनुप्रयोग

व्यापक रूप से उपलब्ध प्राकृतिक गैस और नवीकरणीय ईंधन स्रोतों से बिजली और गर्मी उत्पन्न करने के लिए विश्वसनीय, ऊर्जा-कुशल और उत्सर्जन-मुक्त थर्मल पावर प्लांट बनाने के लिए सॉलिड ऑक्साइड फ्यूल सेल (SOFC) का उपयोग किया जाता है। इन नवीन इकाइयों का उपयोग घरेलू बिजली उत्पादन से लेकर दूरदराज के क्षेत्रों में बिजली की आपूर्ति के साथ-साथ सहायक बिजली स्रोतों में विभिन्न प्रकार के बाजारों में किया जाता है।

वितरण नेटवर्क में ईंधन कोशिकाओं/कोशिकाओं का अनुप्रयोग

छोटे ताप विद्युत संयंत्रों को एक वितरित बिजली उत्पादन नेटवर्क में संचालित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है जिसमें एक केंद्रीकृत बिजली संयंत्र के बजाय बड़ी संख्या में छोटे जनरेटर सेट शामिल हैं।

नीचे दिया गया आंकड़ा बिजली उत्पादन दक्षता में नुकसान को दर्शाता है जब इसे सीएचपी संयंत्र में उत्पन्न किया जाता है और पारंपरिक ट्रांसमिशन नेटवर्क के माध्यम से घरों में प्रेषित किया जाता है। इस पल. जिला उत्पादन में दक्षता हानियों में विद्युत संयंत्र से हानि, कम और उच्च वोल्टेज संचरण, और वितरण हानियां शामिल हैं।

यह आंकड़ा छोटे ताप विद्युत संयंत्रों के एकीकरण के परिणाम दिखाता है: बिजली का उत्पादन उपयोग के बिंदु पर 60% तक की उत्पादन क्षमता के साथ होता है। इसके अलावा, घर पानी और अंतरिक्ष हीटिंग के लिए ईंधन कोशिकाओं द्वारा उत्पन्न गर्मी का उपयोग कर सकते हैं, जिससे ईंधन ऊर्जा प्रसंस्करण की समग्र दक्षता बढ़ जाती है और ऊर्जा बचत में सुधार होता है।

पर्यावरण की रक्षा के लिए ईंधन सेल का उपयोग - एसोसिएटेड पेट्रोलियम गैस का उपयोग

तेल उद्योग में सबसे महत्वपूर्ण कार्यों में से एक संबद्ध पेट्रोलियम गैस का उपयोग है। संबद्ध पेट्रोलियम गैस के उपयोग के मौजूदा तरीकों के बहुत सारे नुकसान हैं, जिनमें से एक यह है कि वे आर्थिक रूप से व्यवहार्य नहीं हैं। एसोसिएटेड पेट्रोलियम गैस भड़कती है, जिससे पर्यावरण और मानव स्वास्थ्य को बहुत नुकसान होता है।

ईंधन के रूप में संबद्ध पेट्रोलियम गैस का उपयोग करने वाले अभिनव ईंधन सेल ताप और बिजली संयंत्र संबंधित पेट्रोलियम गैस उपयोग की समस्याओं के एक कट्टरपंथी और लागत प्रभावी समाधान का रास्ता खोलते हैं।

1. ईंधन सेल प्रतिष्ठानों के मुख्य लाभों में से एक यह है कि वे संबद्ध . पर मज़बूती से और स्थायी रूप से काम कर सकते हैं पेट्रोलियम गैसपरिवर्तनशील रचना। ईंधन सेल के संचालन में अंतर्निहित ज्वलनशील रासायनिक प्रतिक्रिया के कारण, उदाहरण के लिए, मीथेन के प्रतिशत में कमी केवल बिजली उत्पादन में इसी कमी का कारण बनती है।
2. उपभोक्ताओं के विद्युत भार, अंतर, भार वृद्धि के संबंध में लचीलापन।
3. ईंधन सेल पर ताप विद्युत संयंत्रों की स्थापना और कनेक्शन के लिए, उनके कार्यान्वयन के लिए पूंजीगत व्यय की आवश्यकता नहीं होती है, क्योंकि इकाइयाँ आसानी से खेतों के पास बिना तैयारी के साइटों पर लगाई जाती हैं, संचालित करने में आसान, विश्वसनीय और कुशल होती हैं।
4. उच्च स्वचालन और आधुनिक रिमोट कंट्रोल के लिए संयंत्र में कर्मियों की निरंतर उपस्थिति की आवश्यकता नहीं होती है।
5. डिजाइन की सादगी और तकनीकी पूर्णता: चलती भागों, घर्षण, स्नेहन प्रणालियों की अनुपस्थिति ईंधन सेल प्रतिष्ठानों के संचालन से महत्वपूर्ण आर्थिक लाभ प्रदान करती है।
6. पानी की खपत: परिवेश के तापमान पर +30 डिग्री सेल्सियस तक कोई नहीं और उच्च तापमान पर नगण्य।
7. पानी का आउटलेट: कोई नहीं।
8. इसके अलावा, ईंधन सेल थर्मल पावर प्लांट शोर नहीं करते हैं, कंपन नहीं करते हैं, वातावरण में हानिकारक उत्सर्जन का उत्सर्जन न करें

वे यूएस नेशनल एरोनॉटिक्स एंड स्पेस एडमिनिस्ट्रेशन (NASA) के अंतरिक्ष यान द्वारा संचालित हैं। वे ओमाहा में पहले नेशनल बैंक के कंप्यूटरों को शक्ति प्रदान करते हैं। उनका उपयोग शिकागो में कुछ सार्वजनिक सिटी बसों में किया जाता है।

ये सभी ईंधन सेल हैं। ईंधन सेल विद्युत रासायनिक उपकरण हैं जो बिना दहन प्रक्रिया के बिजली उत्पन्न करते हैं - रासायनिक माध्यमों से, बहुत कुछ बैटरी की तरह। अंतर केवल इतना है कि वे अन्य रसायनों, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन का उपयोग करते हैं, और रासायनिक प्रतिक्रिया का उत्पाद पानी है। प्राकृतिक गैस का भी उपयोग किया जा सकता है, लेकिन निश्चित रूप से, हाइड्रोकार्बन ईंधन का उपयोग करते समय कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन का एक निश्चित स्तर अपरिहार्य है।

चूंकि ईंधन सेल उच्च दक्षता पर और हानिकारक उत्सर्जन के बिना काम कर सकते हैं, वे एक स्थायी ऊर्जा स्रोत के रूप में महान वादा रखते हैं जो ग्रीनहाउस गैसों और अन्य प्रदूषकों के उत्सर्जन को कम करने में मदद करेगा। ईंधन सेल के व्यापक उपयोग में मुख्य बाधा बिजली या प्रोपेल वाहनों को उत्पन्न करने वाले अन्य उपकरणों की तुलना में उनकी उच्च लागत है।

विकास का इतिहास

1839 में सर विलियम ग्रोव्स द्वारा पहली ईंधन कोशिकाओं का प्रदर्शन किया गया था। ग्रोव्स ने दिखाया कि इलेक्ट्रोलिसिस की प्रक्रिया - विद्युत प्रवाह की क्रिया के तहत हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में पानी का विभाजन - प्रतिवर्ती है। यानी हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को रासायनिक रूप से मिलाकर बिजली बनाई जा सकती है।

इसके प्रदर्शन के बाद, कई वैज्ञानिक परिश्रम के साथ ईंधन कोशिकाओं का अध्ययन करने के लिए दौड़ पड़े, लेकिन आंतरिक दहन इंजन के आविष्कार और उन्नीसवीं शताब्दी के उत्तरार्ध में तेल भंडार निकालने के लिए बुनियादी ढांचे के विकास ने ईंधन कोशिकाओं के विकास को बहुत पीछे छोड़ दिया। और भी अधिक उनकी उच्च लागत ईंधन कोशिकाओं के विकास के लिए विवश।

ईंधन सेल के विकास में उछाल 1950 के दशक में आया, जब नासा ने अंतरिक्ष उड़ानों के लिए एक कॉम्पैक्ट इलेक्ट्रिक जनरेटर की आवश्यकता के संबंध में उनकी ओर रुख किया। उपयुक्त धन का निवेश किया गया था, और परिणामस्वरूप, अपोलो और जेमिनी की उड़ानें ईंधन कोशिकाओं पर की गईं। अंतरिक्ष यान भी ईंधन कोशिकाओं पर चलते हैं।

ईंधन सेल अभी भी काफी हद तक हैं प्रायोगिक तकनीक, लेकिन पहले से ही कई कंपनियां उन्हें वाणिज्यिक बाजार में बेचती हैं। पिछले लगभग दस वर्षों में ही, वाणिज्यिक ईंधन सेल प्रौद्योगिकी में महत्वपूर्ण प्रगति हुई है।

ईंधन सेल कैसे काम करता है

ईंधन सेल बैटरी की तरह होते हैं - वे एक रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से बिजली उत्पन्न करते हैं। इसके विपरीत, आंतरिक दहन इंजन ईंधन जलाते हैं और इस प्रकार गर्मी उत्पन्न करते हैं, जिसे बाद में यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है। जब तक निकास गैसों से निकलने वाली गर्मी का किसी तरह से उपयोग नहीं किया जाता है (उदाहरण के लिए, हीटिंग या एयर कंडीशनिंग के लिए), तब यह कहा जा सकता है कि आंतरिक दहन इंजन की दक्षता काफी कम है। उदाहरण के लिए, यह उम्मीद की जाती है कि किसी वाहन में उपयोग किए जाने पर ईंधन सेल की दक्षता - वर्तमान में विकास के तहत एक परियोजना - कारों में उपयोग किए जाने वाले आज के विशिष्ट गैसोलीन इंजनों की तुलना में दोगुने से अधिक कुशल होगी।

यद्यपि बैटरी और ईंधन सेल दोनों रासायनिक रूप से बिजली उत्पन्न करते हैं, वे दो बहुत अलग कार्य करते हैं। बैटरियों को ऊर्जा उपकरण संग्रहीत किया जाता है: वे जो बिजली उत्पन्न करते हैं वह उनके अंदर पहले से ही पदार्थ की रासायनिक प्रतिक्रिया का परिणाम है। ईंधन सेल ऊर्जा का भंडारण नहीं करते हैं, लेकिन बाहरी रूप से आपूर्ति किए गए ईंधन से कुछ ऊर्जा को बिजली में परिवर्तित करते हैं। इस संबंध में, एक ईंधन सेल एक पारंपरिक बिजली संयंत्र की तरह है।

कई अलग-अलग प्रकार के ईंधन सेल हैं। सबसे सरल ईंधन सेल में एक विशेष झिल्ली होती है जिसे इलेक्ट्रोलाइट के रूप में जाना जाता है। पाउडर इलेक्ट्रोड झिल्ली के दोनों किनारों पर जमा होते हैं। यह डिज़ाइन - दो इलेक्ट्रोड से घिरा एक इलेक्ट्रोलाइट - एक अलग तत्व है। हाइड्रोजन एक तरफ (एनोड) और ऑक्सीजन (वायु) से दूसरी (कैथोड) में प्रवाहित होती है। प्रत्येक इलेक्ट्रोड की एक अलग रासायनिक प्रतिक्रिया होती है।

एनोड पर, हाइड्रोजन प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों के मिश्रण में टूट जाता है। कुछ ईंधन कोशिकाओं में, इलेक्ट्रोड एक उत्प्रेरक से घिरे होते हैं, जो आमतौर पर प्लैटिनम या अन्य महान धातुओं से बना होता है, जो पृथक्करण प्रतिक्रिया को बढ़ावा देता है:

2H2 ==> 4H+ + 4e-।

H2 = द्विपरमाणुक हाइड्रोजन अणु, रूप, in

जिसमें हाइड्रोजन गैस के रूप में मौजूद है;

एच+ = आयनित हाइड्रोजन, यानी। प्रोटॉन;

ई- = इलेक्ट्रॉन।

एक ईंधन सेल का संचालन इस तथ्य पर आधारित है कि इलेक्ट्रोलाइट स्वयं के माध्यम से (कैथोड की ओर) प्रोटॉन से गुजरता है, लेकिन इलेक्ट्रॉन नहीं करते हैं। इलेक्ट्रॉन बाहरी संवाहक सर्किट के साथ कैथोड की ओर बढ़ते हैं। इलेक्ट्रॉनों की यह गति एक विद्युत प्रवाह है जिसका उपयोग ईंधन सेल से जुड़े बाहरी उपकरण, जैसे कि इलेक्ट्रिक मोटर या लाइट बल्ब को बिजली देने के लिए किया जा सकता है। इस उपकरण को आमतौर पर "लोड" के रूप में जाना जाता है।

ईंधन सेल के कैथोड पक्ष पर, प्रोटॉन (जो इलेक्ट्रोलाइट से होकर गुजरे हैं) और इलेक्ट्रॉन (जो बाहरी भार से गुजरे हैं) "पुनर्संयोजन" करते हैं और पानी बनाने के लिए कैथोड को आपूर्ति की गई ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, H2O:

4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O।

ईंधन सेल में समग्र प्रतिक्रिया इस प्रकार लिखी जाती है:

2H2 + O2 ==> 2H2O।

अपने काम में, ईंधन सेल हवा से हाइड्रोजन ईंधन और ऑक्सीजन का उपयोग करते हैं। हाइड्रोजन को सीधे या बाहरी ईंधन स्रोत जैसे प्राकृतिक गैस, गैसोलीन या मेथनॉल से अलग करके आपूर्ति की जा सकती है। बाहरी स्रोत के मामले में, इसे हाइड्रोजन निकालने के लिए रासायनिक रूप से परिवर्तित किया जाना चाहिए। इस प्रक्रिया को "सुधार" कहा जाता है। हाइड्रोजन अमोनिया से भी प्राप्त किया जा सकता है, वैकल्पिक संसाधन जैसे कि शहर के लैंडफिल से गैस और गैस उपचार संयंत्रों से। अपशिष्ट, साथ ही पानी के इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा, जिसमें बिजली का उपयोग पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विघटित करने के लिए किया जाता है। वर्तमान में, परिवहन में उपयोग की जाने वाली अधिकांश ईंधन सेल प्रौद्योगिकियां मेथनॉल का उपयोग करती हैं।

ईंधन कोशिकाओं के लिए हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए ईंधन में सुधार के लिए विभिन्न साधन विकसित किए गए हैं। अमेरिकी ऊर्जा विभाग ने एक स्व-निहित ईंधन सेल को हाइड्रोजन की आपूर्ति करने के लिए एक गैसोलीन सुधारक के अंदर एक ईंधन संयंत्र विकसित किया है। अमेरिका में पैसिफिक नॉर्थवेस्ट नेशनल लेबोरेटरी के शोधकर्ताओं ने एक कॉम्पैक्ट ईंधन सुधारक का प्रदर्शन किया है जो एक पावर पैक के आकार का दसवां हिस्सा है। यूएस यूटिलिटी, नॉर्थवेस्ट पावर सिस्टम्स और सैंडिया नेशनल लेबोरेटरी ने एक ईंधन सुधारक का प्रदर्शन किया है जो ईंधन कोशिकाओं के लिए डीजल ईंधन को हाइड्रोजन में परिवर्तित करता है।

व्यक्तिगत रूप से, ईंधन सेल लगभग 0.7-1.0 वोल्ट प्रत्येक का उत्पादन करते हैं। वोल्टेज बढ़ाने के लिए, तत्वों को "कैस्केड" में इकट्ठा किया जाता है, अर्थात। सीरियल कनेक्शन. अधिक करंट बनाने के लिए, कैस्केड तत्वों के सेट समानांतर में जुड़े हुए हैं। यदि आप ईंधन सेल कैस्केड को एक ईंधन संयंत्र, एक वायु आपूर्ति और शीतलन प्रणाली और एक नियंत्रण प्रणाली के साथ जोड़ते हैं, तो आपको एक ईंधन सेल इंजन मिलता है। यह इंजन चला सकता है वाहन, एक स्थिर बिजली संयंत्र या एक पोर्टेबल विद्युत जनरेटर6। ईंधन सेल इंजन अनुप्रयोग, ईंधन सेल प्रकार और उपयोग किए गए ईंधन के आधार पर विभिन्न आकारों में आते हैं। उदाहरण के लिए, ओमाहा में बैंक में स्थापित चार अलग 200 kW स्थिर बिजली संयंत्रों में से प्रत्येक लगभग एक ट्रक ट्रेलर के आकार का है।

अनुप्रयोग

ईंधन सेल का उपयोग स्थिर और मोबाइल दोनों उपकरणों में किया जा सकता है। अमेरिकी उत्सर्जन नियमों को सख्त करने के जवाब में, डेमलर क्रिसलर, टोयोटा, फोर्ड, जनरल मोटर्स, वोक्सवैगन, होंडा और निसान सहित वाहन निर्माताओं ने ईंधन सेल वाहनों का प्रयोग और प्रदर्शन किया है। पहले वाणिज्यिक ईंधन सेल वाहनों के 2004 या 2005 में सड़कों पर उतरने की उम्मीद है।

ईंधन सेल प्रौद्योगिकी के इतिहास में एक प्रमुख मील का पत्थर जून 1993 में एक 90 किलोवाट हाइड्रोजन ईंधन सेल इंजन के साथ बैलार्ड पावर सिस्टम से 32 फुट की एक प्रायोगिक सिटी बस का प्रदर्शन था। तब से, कई अलग - अलग प्रकारऔर ईंधन सेल यात्री वाहनों की विभिन्न पीढ़ियों द्वारा संचालित अलग - अलग प्रकारईंधन। 1996 के अंत से, कैलिफोर्निया में पाम डेजर्ट में तीन हाइड्रोजन ईंधन सेल संचालित गोल्फ कार्ट का उपयोग किया जा रहा है। शिकागो, इलिनोइस की सड़कों पर; वैंकूवर, ब्रिटिश कोलंबिया; और ओस्लो, नॉर्वे ईंधन सेल सिटी बसों का परीक्षण कर रहे हैं। लंदन की सड़कों पर क्षारीय ईंधन सेल टैक्सियों का परीक्षण किया जा रहा है।

ईंधन सेल प्रौद्योगिकी का उपयोग करने वाले स्थिर प्रतिष्ठानों का भी प्रदर्शन किया जा रहा है, लेकिन उनका अभी तक व्यापक रूप से उपयोग नहीं किया गया है। वाणिज्यिक अनुप्रयोग. नेब्रास्का में ओमाहा का पहला नेशनल बैंक कंप्यूटर को पावर देने के लिए ईंधन सेल सिस्टम का उपयोग करता है क्योंकि सिस्टम बैटरी बैकअप के साथ पुराने मेन सिस्टम की तुलना में अधिक विश्वसनीय है। दुनिया में सबसे बड़ा वाणिज्यिक प्रणालीअलास्का के एक मेल सेंटर में जल्द ही 1.2 मेगावाट का ईंधन सेल लगाया जाएगा। ईंधन सेल लैपटॉप, सीवेज उपचार संयंत्रों और वेंडिंग मशीनों में उपयोग किए जाने वाले नियंत्रण प्रणालियों का भी परीक्षण और प्रदर्शन किया जा रहा है।

"फायदा और नुकसान"

ईंधन कोशिकाओं के कई फायदे हैं। जबकि आधुनिक आंतरिक दहन इंजन की दक्षता केवल 12-15% है, ईंधन कोशिकाओं के लिए यह गुणांक 50% है। ईंधन कोशिकाओं की दक्षता काफी हद तक बनी रह सकती है उच्च स्तर, तब भी जब उनका उपयोग पूर्ण रेटेड शक्ति पर नहीं किया जाता है, जो पेट्रोल इंजन पर एक प्रमुख लाभ है।

ईंधन सेल डिजाइन की मॉड्यूलर प्रकृति का मतलब है कि ईंधन सेल बिजली संयंत्र की क्षमता को केवल कुछ और चरणों को जोड़कर बढ़ाया जा सकता है। यह सुनिश्चित करता है कि आपूर्ति और मांग के बेहतर मिलान की अनुमति देते हुए क्षमता का कम उपयोग कारक कम से कम हो। चूंकि ईंधन सेल स्टैक की दक्षता अलग-अलग कोशिकाओं के प्रदर्शन से निर्धारित होती है, इसलिए छोटे ईंधन सेल बिजली संयंत्र बड़े लोगों की तरह ही कुशलता से काम करते हैं। इसके अलावा, स्थिर ईंधन सेल सिस्टम से अपशिष्ट गर्मी का उपयोग पानी और अंतरिक्ष हीटिंग के लिए किया जा सकता है, जिससे ऊर्जा दक्षता और बढ़ जाती है।

ईंधन कोशिकाओं का उपयोग करते समय, व्यावहारिक रूप से कोई हानिकारक उत्सर्जन नहीं होता है। जब इंजन शुद्ध हाइड्रोजन पर चलता है, तो उपोत्पाद के रूप में केवल ऊष्मा और शुद्ध जलवाष्प ही बनते हैं। तो अंतरिक्ष यान पर, अंतरिक्ष यात्री पानी पीते हैं, जो जहाज पर ईंधन कोशिकाओं के संचालन के परिणामस्वरूप बनता है। उत्सर्जन की संरचना हाइड्रोजन स्रोत की प्रकृति पर निर्भर करती है। मेथनॉल के उपयोग से नाइट्रोजन ऑक्साइड और कार्बन मोनोऑक्साइड का शून्य उत्सर्जन होता है और केवल छोटे हाइड्रोकार्बन उत्सर्जन होते हैं। जैसे ही आप हाइड्रोजन से मेथनॉल से गैसोलीन में जाते हैं, उत्सर्जन बढ़ता है, हालांकि गैसोलीन के साथ भी उत्सर्जन काफी कम रहेगा। किसी भी मामले में, ईंधन कोशिकाओं के साथ आज के पारंपरिक आंतरिक दहन इंजन के प्रतिस्थापन के परिणामस्वरूप CO2 और NOx उत्सर्जन में समग्र कमी आएगी।

ईंधन कोशिकाओं का उपयोग ऊर्जा के बुनियादी ढांचे का लचीलापन प्रदान करता है, जिससे अतिरिक्त सुविधायेविकेंद्रीकृत बिजली उत्पादन के लिए। विकेन्द्रीकृत ऊर्जा स्रोतों की बहुलता ट्रांसमिशन हानियों को कम करना और ऊर्जा बिक्री बाजारों को विकसित करना संभव बनाती है (जो विशेष रूप से दूरदराज और ग्रामीण क्षेत्रों के लिए बिजली लाइनों तक पहुंच के बिना महत्वपूर्ण है)। ईंधन सेल की मदद से, व्यक्तिगत निवासी या पड़ोस खुद को अधिकांश बिजली प्रदान कर सकते हैं और इस प्रकार इसके उपयोग की दक्षता में उल्लेखनीय वृद्धि कर सकते हैं।

ईंधन सेल ऊर्जा प्रदान करते हैं उच्च गुणवत्ताऔर विश्वसनीयता में वृद्धि हुई। वे टिकाऊ होते हैं, कोई हिलने-डुलने वाले हिस्से नहीं होते हैं, और निरंतर मात्रा में बिजली पैदा करते हैं।

हालांकि, प्रदर्शन में सुधार, लागत कम करने और इस प्रकार ईंधन सेल को अन्य ऊर्जा प्रौद्योगिकियों के साथ प्रतिस्पर्धी बनाने के लिए ईंधन सेल प्रौद्योगिकी में और सुधार करने की आवश्यकता है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि ऊर्जा प्रौद्योगिकियों की लागत विशेषताओं पर विचार करते समय, सभी घटकों के आधार पर तुलना की जानी चाहिए। तकनीकी विशेषताएंपूंजी परिचालन लागत, प्रदूषक उत्सर्जन, बिजली की गुणवत्ता, स्थायित्व, डीकमीशनिंग और लचीलेपन सहित।

हालांकि हाइड्रोजन गैस सबसे अच्छा ईंधन है, इसके लिए बुनियादी ढांचा या परिवहन आधार अभी तक मौजूद नहीं है। अल्पावधि में, मौजूदा जीवाश्म ईंधन आपूर्ति प्रणाली (गैस स्टेशन, आदि) का उपयोग बिजली संयंत्रों को गैसोलीन, मेथनॉल या प्राकृतिक गैस के रूप में हाइड्रोजन स्रोतों के साथ प्रदान करने के लिए किया जा सकता है। यह समर्पित हाइड्रोजन फिलिंग स्टेशनों की आवश्यकता को समाप्त कर देगा, लेकिन प्रत्येक वाहन को जीवाश्म ईंधन से हाइड्रोजन कनवर्टर ("सुधारकर्ता") के साथ फिट करने की आवश्यकता होगी। इस दृष्टिकोण का नुकसान यह है कि यह जीवाश्म ईंधन का उपयोग करता है और इस प्रकार कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन में परिणत होता है। मेथनॉल, वर्तमान में प्रमुख उम्मीदवार, गैसोलीन की तुलना में कम उत्सर्जन करता है, लेकिन इसके लिए कार में एक बड़ी क्षमता वाले टैंक की आवश्यकता होगी क्योंकि यह समान ऊर्जा सामग्री के लिए दोगुनी जगह लेता है।

जीवाश्म ईंधन आपूर्ति प्रणालियों के विपरीत, सौर और पवन प्रणाली (पानी से हाइड्रोजन और ऑक्सीजन बनाने के लिए बिजली का उपयोग करना) और प्रत्यक्ष फोटो-रूपांतरण प्रणाली (हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए अर्धचालक सामग्री या एंजाइम का उपयोग करके) बिना किसी सुधार कदम के हाइड्रोजन की आपूर्ति कर सकते हैं, और इस तरह, उत्सर्जन हानिकारक पदार्थों से बचा जा सकता है, जो मेथनॉल या गैसोलीन ईंधन कोशिकाओं का उपयोग करते समय देखे जाते हैं। हाइड्रोजन को आवश्यकतानुसार ईंधन सेल में संग्रहीत और बिजली में परिवर्तित किया जा सकता है। भविष्य में, ईंधन कोशिकाओं को इस प्रकार के नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों से जोड़ना ऊर्जा के उत्पादक, पर्यावरण के अनुकूल और बहुमुखी स्रोत प्रदान करने के लिए एक प्रभावी रणनीति होने की संभावना है।

IEER की सिफारिशें स्थानीय, राज्य और राज्य सरकारों के लिए हैं कि वे अपने परिवहन खरीद बजट का एक हिस्सा ईंधन सेल वाहनों और स्थिर ईंधन सेल सिस्टम को आवंटित करें ताकि उनके कुछ आवश्यक या नए भवनों को गर्मी और बिजली प्रदान की जा सके। यह महत्वपूर्ण प्रौद्योगिकी के विकास में योगदान देगा और ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन को कम करेगा।

पर आधुनिक जीवनरासायनिक वर्तमान स्रोत हमें हर जगह घेरते हैं: ये फ्लैशलाइट में बैटरी, बैटरी में हैं मोबाइल फोन, हाइड्रोजन ईंधन सेल जो पहले से ही कुछ वाहनों में उपयोग किए जा रहे हैं। इलेक्ट्रोकेमिकल प्रौद्योगिकियों का तेजी से विकास इस तथ्य को जन्म दे सकता है कि निकट भविष्य में, गैसोलीन इंजन वाली कारों के बजाय, हम केवल इलेक्ट्रिक वाहनों से घिरे रहेंगे, फोन अब जल्दी से बाहर नहीं निकलेंगे, और प्रत्येक घर का अपना ईंधन सेल होगा। बिजली पैदा करने वाला। रूसी विज्ञान अकादमी की यूराल शाखा के उच्च तापमान इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री संस्थान के साथ यूराल फेडरल यूनिवर्सिटी के संयुक्त कार्यक्रमों में से एक, जिसके साथ हम इस लेख को प्रकाशित करते हैं, विद्युत रासायनिक भंडारण और बिजली जनरेटर की दक्षता बढ़ाने के लिए समर्पित है। .

आज, कई अलग-अलग प्रकार की बैटरी हैं, जिनमें से नेविगेट करना कठिन होता जा रहा है। यह सभी के लिए स्पष्ट नहीं है कि एक सुपरकैपेसिटर से बैटरी कैसे भिन्न होती है और पर्यावरण को नुकसान पहुंचाने के डर के बिना हाइड्रोजन ईंधन सेल का उपयोग क्यों किया जा सकता है। इस लेख में, हम इस बारे में बात करेंगे कि बिजली उत्पन्न करने के लिए रासायनिक प्रतिक्रियाओं का उपयोग कैसे किया जाता है, आधुनिक रासायनिक वर्तमान स्रोतों के मुख्य प्रकारों में क्या अंतर है, और विद्युत रासायनिक ऊर्जा के लिए क्या संभावनाएं खुलती हैं।

बिजली के स्रोत के रूप में रसायन विज्ञान

सबसे पहले, आइए देखें कि बिजली पैदा करने के लिए रासायनिक ऊर्जा का उपयोग क्यों किया जा सकता है। बात यह है कि रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं में, इलेक्ट्रॉनों को दो अलग-अलग आयनों के बीच स्थानांतरित किया जाता है। यदि रासायनिक प्रतिक्रिया के दो हिस्सों को अंतरिक्ष में अलग कर दिया जाता है ताकि ऑक्सीकरण और कमी एक दूसरे से अलग हो जाए, तो यह सुनिश्चित करना संभव है कि एक इलेक्ट्रॉन जो एक आयन से अलग हो जाता है, तुरंत दूसरे पर नहीं गिरता है, लेकिन पहले उसके लिए पूर्व निर्धारित पथ पर चलता है। इस प्रतिक्रिया का उपयोग विद्युत प्रवाह के स्रोत के रूप में किया जा सकता है।

इस अवधारणा को पहली बार 18 वीं शताब्दी में इतालवी शरीर विज्ञानी लुइगी गलवानी द्वारा लागू किया गया था। एक पारंपरिक गैल्वेनिक सेल की क्रिया विभिन्न गतिविधि के साथ धातुओं के अपचयन और ऑक्सीकरण की प्रतिक्रियाओं पर आधारित होती है। उदाहरण के लिए, एक शास्त्रीय सेल एक गैल्वेनिक सेल है जिसमें जस्ता का ऑक्सीकरण होता है और तांबा कम हो जाता है। कैथोड और एनोड पर क्रमशः कमी और ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाएं होती हैं। और इसलिए कि तांबा और जस्ता आयन "विदेशी क्षेत्र" में नहीं आते हैं, जहां वे एक दूसरे के साथ सीधे प्रतिक्रिया कर सकते हैं, आमतौर पर एनोड और कैथोड के बीच एक विशेष झिल्ली रखी जाती है। नतीजतन, इलेक्ट्रोड के बीच एक संभावित अंतर उत्पन्न होता है। यदि आप इलेक्ट्रोड को जोड़ते हैं, उदाहरण के लिए, एक प्रकाश बल्ब के साथ, तो परिणामी विद्युत परिपथ में धारा प्रवाहित होने लगती है और प्रकाश बल्ब जल उठता है।

गैल्वेनिक सेल का आरेख

विकिमीडिया कॉमन्स

एनोड और कैथोड की सामग्री के अलावा, रासायनिक वर्तमान स्रोत का एक महत्वपूर्ण घटक इलेक्ट्रोलाइट है, जिसके अंदर आयन चलते हैं और जिसकी सीमा पर इलेक्ट्रोड के साथ सभी विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाएं होती हैं। इस मामले में, इलेक्ट्रोलाइट का तरल होना जरूरी नहीं है - यह एक बहुलक और एक सिरेमिक सामग्री दोनों हो सकता है।

गैल्वेनिक सेल का मुख्य नुकसान इसका सीमित संचालन समय है। जैसे ही प्रतिक्रिया अंत तक जाती है (अर्थात, धीरे-धीरे घुलने वाले पूरे एनोड का पूरी तरह से सेवन किया जाता है), ऐसा तत्व बस काम करना बंद कर देगा।

फिंगर क्षारीय बैटरी

रिचार्जेबल

रासायनिक वर्तमान स्रोतों की क्षमताओं के विस्तार की दिशा में पहला कदम एक बैटरी का निर्माण था - एक वर्तमान स्रोत जिसे रिचार्ज किया जा सकता है और इसलिए पुन: उपयोग किया जा सकता है। ऐसा करने के लिए, वैज्ञानिकों ने केवल प्रतिवर्ती रासायनिक प्रतिक्रियाओं का उपयोग करने का प्रस्ताव रखा। पहली बार बैटरी को पूरी तरह से डिस्चार्ज करने के बाद, बाहरी करंट सोर्स की मदद से इसमें जो प्रतिक्रिया हुई है, उसे विपरीत दिशा में शुरू किया जा सकता है। यह मूल स्थिति को पुनर्स्थापित करेगा ताकि रिचार्ज करने के बाद बैटरी को फिर से उपयोग किया जा सके।

ऑटोमोटिव लीड एसिड बैटरी

आज तक, कई अलग-अलग प्रकार की बैटरी बनाई गई हैं, जो उनमें होने वाली रासायनिक प्रतिक्रिया के प्रकार में भिन्न होती हैं। सबसे आम प्रकार की बैटरी लेड-एसिड (या बस लेड) बैटरी हैं, जो लेड की ऑक्सीकरण-कमी प्रतिक्रिया पर आधारित होती हैं। इस तरह के उपकरणों में काफी लंबी सेवा जीवन होता है, और उनकी ऊर्जा खपत 60 वाट-घंटे प्रति किलोग्राम तक होती है। लिथियम रेडॉक्स प्रतिक्रिया पर आधारित लिथियम-आयन बैटरी हाल ही में और भी अधिक लोकप्रिय हैं। आधुनिक लिथियम-आयन बैटरी की ऊर्जा तीव्रता अब 250 वाट-घंटे प्रति किलोग्राम से अधिक हो गई है।

मोबाइल फोन के लिए ली-आयन बैटरी

लिथियम-आयन बैटरी की मुख्य समस्याएं कम तापमान पर उनकी कम दक्षता, तेजी से उम्र बढ़ने और बढ़ती विस्फोटकता हैं। और इस तथ्य के कारण कि लिथियम धातु हाइड्रोजन गैस बनाने के लिए पानी के साथ बहुत सक्रिय रूप से प्रतिक्रिया करती है और बैटरी के जलने पर ऑक्सीजन निकलती है, लिथियम-आयन बैटरी का सहज दहन पारंपरिक आग बुझाने के तरीकों के साथ उपयोग करना बहुत मुश्किल है। ऐसी बैटरी की सुरक्षा में सुधार करने और इसके चार्जिंग समय को तेज करने के लिए, वैज्ञानिक एक कैथोड सामग्री का प्रस्ताव करते हैं जो डेंड्रिटिक लिथियम संरचनाओं के निर्माण को रोकता है, और इलेक्ट्रोलाइट में पदार्थ जोड़ता है जो विस्फोटक संरचनाएं बनाते हैं, और घटक जो प्रारंभिक अवस्था में प्रज्वलित होते हैं .

ठोस इलेक्ट्रोलाइट

बैटरियों की दक्षता और सुरक्षा में सुधार करने के एक और कम स्पष्ट तरीके के रूप में, रसायनज्ञों ने खुद को रासायनिक ऊर्जा स्रोतों में तरल इलेक्ट्रोलाइट्स तक सीमित नहीं रखने का प्रस्ताव दिया है, बल्कि एक पूरी तरह से ठोस राज्य शक्ति स्रोत बनाने का प्रस्ताव दिया है। ऐसे उपकरणों में, कोई तरल घटक नहीं होते हैं, लेकिन उनके बीच एक ठोस एनोड, एक ठोस कैथोड और एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट की एक स्तरित संरचना होती है। इलेक्ट्रोलाइट एक ही समय में झिल्ली का कार्य करता है। एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट में चार्ज वाहक इसकी संरचना और एनोड और कैथोड पर होने वाली प्रतिक्रियाओं के आधार पर विभिन्न आयन हो सकते हैं। लेकिन वे हमेशा छोटे पर्याप्त आयन होते हैं जो क्रिस्टल के माध्यम से अपेक्षाकृत स्वतंत्र रूप से आगे बढ़ सकते हैं, उदाहरण के लिए, एच + प्रोटॉन, ली + लिथियम आयन, या ओ 2- ऑक्सीजन आयन।

हाइड्रोजन ईंधन सेल

रिचार्ज करने की क्षमता और विशेष सुरक्षा उपाय बैटरियों को पारंपरिक बैटरियों की तुलना में करंट का अधिक आशाजनक स्रोत बनाते हैं, लेकिन फिर भी, प्रत्येक बैटरी में सीमित मात्रा में अभिकर्मक होते हैं, और इसलिए ऊर्जा की सीमित आपूर्ति होती है, और हर बार बैटरी को रिचार्ज किया जाना चाहिए। अपने प्रदर्शन को फिर से शुरू करने के लिए।

बैटरी को "अनंत" बनाने के लिए, ऊर्जा स्रोत के रूप में उन पदार्थों का उपयोग करना संभव है जो सेल के अंदर हैं, लेकिन विशेष रूप से इसके माध्यम से पंप किए गए ईंधन। सबसे अच्छा, एक पदार्थ जो संरचना में यथासंभव सरल, पर्यावरण के अनुकूल और पृथ्वी पर प्रचुर मात्रा में उपलब्ध है, ऐसे ईंधन के रूप में सबसे उपयुक्त है।

इस प्रकार का सबसे उपयुक्त पदार्थ हाइड्रोजन गैस है। पानी बनाने के लिए वायुमंडलीय ऑक्सीजन के साथ इसका ऑक्सीकरण (प्रतिक्रिया 2H 2 + O 2 → 2H 2 O के अनुसार) एक साधारण रेडॉक्स प्रतिक्रिया है, और आयनों के बीच इलेक्ट्रॉन परिवहन को वर्तमान स्रोत के रूप में भी इस्तेमाल किया जा सकता है। इस मामले में आगे बढ़ने वाली प्रतिक्रिया जल इलेक्ट्रोलिसिस प्रतिक्रिया (जिसमें विद्युत प्रवाह की क्रिया के तहत, पानी ऑक्सीजन और हाइड्रोजन में विघटित हो जाता है) के लिए एक प्रकार की रिवर्स प्रतिक्रिया है, और पहली बार इस तरह की योजना को वापस प्रस्तावित किया गया था 19वीं सदी के मध्य में।

लेकिन इस तथ्य के बावजूद कि सर्किट काफी सरल दिखता है, इस सिद्धांत के आधार पर एक कुशल उपकरण बनाना कोई मामूली काम नहीं है। ऐसा करने के लिए, अंतरिक्ष में ऑक्सीजन और हाइड्रोजन के प्रवाह को अलग करना, इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से आवश्यक आयनों के परिवहन को सुनिश्चित करना और ऑपरेशन के सभी चरणों में संभावित ऊर्जा हानि को कम करना आवश्यक है।

हाइड्रोजन ईंधन सेल के संचालन का योजनाबद्ध आरेख

एक काम कर रहे हाइड्रोजन ईंधन सेल की योजना एक रासायनिक वर्तमान स्रोत की योजना के समान है, लेकिन इसमें ईंधन और ऑक्सीडाइज़र की आपूर्ति और प्रतिक्रिया उत्पादों और अतिरिक्त आपूर्ति की गई गैसों को हटाने के लिए अतिरिक्त चैनल शामिल हैं। ऐसे तत्व में इलेक्ट्रोड झरझरा प्रवाहकीय उत्प्रेरक हैं। एनोड को गैसीय ईंधन (हाइड्रोजन) की आपूर्ति की जाती है, और कैथोड को एक ऑक्सीकरण एजेंट (हवा से ऑक्सीजन) की आपूर्ति की जाती है, और इलेक्ट्रोलाइट के साथ प्रत्येक इलेक्ट्रोड की सीमा पर, इसकी अपनी अर्ध-प्रतिक्रिया होती है (ऑक्सीकरण का ऑक्सीकरण) क्रमशः हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की कमी)। इस मामले में, ईंधन सेल के प्रकार और इलेक्ट्रोलाइट के प्रकार के आधार पर, पानी का निर्माण स्वयं एनोड या कैथोड स्पेस में आगे बढ़ सकता है।

टोयोटा हाइड्रोजन ईंधन सेल

जोसेफ ब्रेंट / फ़्लिकर

यदि इलेक्ट्रोलाइट एक प्रोटॉन-संवाहक बहुलक या सिरेमिक झिल्ली, एक एसिड या क्षार समाधान है, तो इलेक्ट्रोलाइट में चार्ज वाहक हाइड्रोजन आयन है। इस मामले में, आणविक हाइड्रोजन को एनोड पर हाइड्रोजन आयनों में ऑक्सीकृत किया जाता है, जो इलेक्ट्रोलाइट से गुजरते हैं और वहां ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करते हैं। यदि ऑक्सीजन आयन O2- आवेश वाहक है, जैसा कि एक ठोस ऑक्साइड इलेक्ट्रोलाइट के मामले में होता है, तो ऑक्सीजन कैथोड पर एक आयन में कम हो जाती है, यह आयन इलेक्ट्रोलाइट से होकर गुजरता है और पानी बनाने और मुक्त करने के लिए एनोड पर हाइड्रोजन का ऑक्सीकरण करता है। इलेक्ट्रॉन।

ईंधन कोशिकाओं के लिए हाइड्रोजन ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया के अलावा, अन्य प्रकार की प्रतिक्रियाओं का उपयोग करने का प्रस्ताव किया गया था। उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन के बजाय, कम करने वाला ईंधन मेथनॉल हो सकता है, जिसे ऑक्सीजन द्वारा कार्बन डाइऑक्साइड और पानी में ऑक्सीकृत किया जाता है।

ईंधन सेल दक्षता

हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं (जैसे पर्यावरण मित्रता, वस्तुतः असीमित दक्षता, कॉम्पैक्ट आकार और उच्च ऊर्जा तीव्रता) के सभी लाभों के बावजूद, उनके कई नुकसान भी हैं। इनमें शामिल हैं, सबसे पहले, घटकों की क्रमिक उम्र बढ़ने और हाइड्रोजन के भंडारण में कठिनाइयाँ। इन कमियों को कैसे दूर किया जाए, इस पर ही वैज्ञानिक आज काम कर रहे हैं।

वर्तमान में इलेक्ट्रोलाइट की संरचना, उत्प्रेरक इलेक्ट्रोड के गुणों और सिस्टम की ज्यामिति को बदलकर ईंधन कोशिकाओं की दक्षता बढ़ाने का प्रस्ताव है (जो वांछित बिंदु पर ईंधन गैसों की आपूर्ति सुनिश्चित करता है और दुष्प्रभावों को कम करता है)। हाइड्रोजन गैस के भंडारण की समस्या को हल करने के लिए, प्लैटिनम युक्त सामग्री का उपयोग किया जाता है, जिसकी संतृप्ति के लिए, उदाहरण के लिए, ग्राफीन झिल्ली।

नतीजतन, ईंधन सेल की स्थिरता और इसके व्यक्तिगत घटकों के जीवनकाल में वृद्धि हासिल करना संभव है। अब ऐसी कोशिकाओं में रासायनिक ऊर्जा के विद्युत ऊर्जा में रूपांतरण का गुणांक 80 प्रतिशत तक पहुंच जाता है, और कुछ शर्तों के तहत यह और भी अधिक हो सकता है।

हाइड्रोजन ऊर्जा की विशाल संभावनाएं ईंधन कोशिकाओं को पूरी बैटरी में संयोजित करने, उन्हें उच्च शक्ति वाले विद्युत जनरेटर में बदलने की संभावना से जुड़ी हैं। अब भी, हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं पर चलने वाले विद्युत जनरेटर में कई सौ किलोवाट तक की शक्ति होती है और इसका उपयोग वाहनों के लिए बिजली स्रोतों के रूप में किया जाता है।

वैकल्पिक विद्युत रासायनिक भंडारण

शास्त्रीय विद्युत रासायनिक वर्तमान स्रोतों के अलावा, ऊर्जा भंडारण उपकरणों के रूप में अधिक असामान्य प्रणालियों का भी उपयोग किया जाता है। इन प्रणालियों में से एक सुपरकैपेसिटर (या आयनिस्टर) है - एक उपकरण जिसमें चार्ज की गई सतह के पास दोहरी परत के गठन के कारण चार्ज पृथक्करण और संचय होता है। इस तरह के एक उपकरण में इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस में, विभिन्न संकेतों के आयन दो परतों में पंक्तिबद्ध होते हैं, तथाकथित "डबल इलेक्ट्रिक लेयर", एक प्रकार का बहुत पतला संधारित्र बनाते हैं। ऐसे संधारित्र की समाई, अर्थात् संचित आवेश की मात्रा, इलेक्ट्रोड सामग्री के विशिष्ट सतह क्षेत्र द्वारा निर्धारित की जाएगी; इसलिए, सामग्री के रूप में अधिकतम विशिष्ट सतह क्षेत्र के साथ झरझरा सामग्री लेना फायदेमंद है सुपरकैपेसिटर।

चार्ज दर के मामले में आयनिस्टर्स चार्ज-डिस्चार्ज रासायनिक वर्तमान स्रोतों के बीच चैंपियन हैं, जो इस प्रकार के डिवाइस का निस्संदेह लाभ है। दुर्भाग्य से, वे निर्वहन गति के मामले में भी रिकॉर्ड धारक हैं। आयनिस्टर्स का ऊर्जा घनत्व लेड बैटरी की तुलना में आठ गुना कम और लिथियम-आयन की तुलना में 25 गुना कम होता है। क्लासिक "डबल-लेयर" आयनिस्टर्स अपने मूल में एक इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया का उपयोग नहीं करते हैं, और "कैपेसिटर" शब्द उनके लिए सबसे सटीक रूप से लागू होता है। हालांकि, आयनिस्टर्स के उन संस्करणों में, जो एक विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया पर आधारित होते हैं और चार्ज संचय इलेक्ट्रोड की गहराई तक फैलता है, तेज चार्ज दर को बनाए रखते हुए उच्च निर्वहन समय प्राप्त करना संभव है। सुपरकेपसिटर के डेवलपर्स के प्रयासों का उद्देश्य बैटरी के साथ हाइब्रिड डिवाइस बनाना है जो सुपरकेपसिटर के फायदे, मुख्य रूप से एक उच्च चार्ज दर, और बैटरी के फायदे - उच्च ऊर्जा तीव्रता और लंबे निर्वहन समय को जोड़ती है। निकट भविष्य में एक आयनिस्टर बैटरी की कल्पना करें जो कुछ ही मिनटों में चार्ज हो जाएगी और एक या अधिक दिन के लिए लैपटॉप या स्मार्टफोन को पावर देगी!

इस तथ्य के बावजूद कि अब सुपरकैपेसिटर का ऊर्जा घनत्व अभी भी बैटरी के ऊर्जा घनत्व से कई गुना कम है, उनका उपयोग किया जाता है उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्सऔर अधिकांश सहित विभिन्न वाहनों के इंजनों के लिए।

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इस प्रकार, आज बड़ी संख्या में विद्युत रासायनिक उपकरण हैं, जिनमें से प्रत्येक अपने विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए आशाजनक है। इन उपकरणों की दक्षता में सुधार करने के लिए, वैज्ञानिकों को मौलिक और तकनीकी दोनों तरह की कई समस्याओं को हल करने की आवश्यकता है। सफल परियोजनाओं में से एक के ढांचे के भीतर इन कार्यों में से अधिकांश को यूराल फेडरल यूनिवर्सिटी में निपटाया जा रहा है, इसलिए, हमने रूसी एकेडमी ऑफ साइंसेज की यूराल शाखा के उच्च तापमान इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री संस्थान के निदेशक मैक्सिम अनानिएव से पूछा, आधुनिक ईंधन कोशिकाओं के विकास के लिए तत्काल योजनाओं और संभावनाओं के बारे में बात करने के लिए, यूराल संघीय विश्वविद्यालय के रासायनिक प्रौद्योगिकी संस्थान के विद्युत उत्पादन प्रौद्योगिकी विभाग के प्रोफेसर। ।

N+1: क्या निकट भविष्य में सबसे लोकप्रिय Li-Ion बैटरियों का कोई विकल्प है?

मैक्सिम अनानिएव:बैटरी डेवलपर्स के आधुनिक प्रयासों का उद्देश्य इलेक्ट्रोलाइट में लिथियम से सोडियम, पोटेशियम और एल्यूमीनियम में चार्ज कैरियर के प्रकार को बदलना है। लिथियम को बदलने के परिणामस्वरूप, बैटरी की लागत को कम करना संभव होगा, हालांकि वजन और आकार की विशेषताओं में आनुपातिक रूप से वृद्धि होगी। दूसरे शब्दों में, समान विद्युत विशेषताओं के लिए, सोडियम-आयन बैटरी लिथियम-आयन बैटरी से बड़ी और भारी होगी।

इसके अलावा, बैटरी में सुधार के लिए आशाजनक विकासशील क्षेत्रों में से एक है हाइब्रिड रासायनिक ऊर्जा स्रोतों का निर्माण एक एयर इलेक्ट्रोड के साथ धातु-आयन बैटरी के संयोजन के आधार पर, जैसा कि ईंधन कोशिकाओं में होता है। सामान्य तौर पर, हाइब्रिड सिस्टम बनाने की दिशा, जैसा कि सुपरकैपेसिटर के उदाहरण पर पहले ही दिखाया जा चुका है, जाहिर है, निकट भविष्य में बाजार पर उच्च उपभोक्ता विशेषताओं वाले रासायनिक ऊर्जा स्रोतों को देखना संभव होगा।

यूराल फेडरल यूनिवर्सिटी, रूस और दुनिया के अकादमिक और औद्योगिक भागीदारों के साथ, वर्तमान में छह मेगाप्रोजेक्ट्स को लागू कर रही है जो सफलता क्षेत्रों पर केंद्रित हैं वैज्ञानिक अनुसंधान. ऐसी परियोजनाओं में से एक है "ऊर्जा संरक्षण और रूपांतरण के लिए नई सामग्री के रासायनिक डिजाइन से नई पीढ़ी के विद्युत रासायनिक उपकरणों के लिए विद्युत रासायनिक ऊर्जा इंजीनियरिंग की परिप्रेक्ष्य तकनीक"।

सामरिक अकादमिक इकाई (एसएयू) यूआरएफयू स्कूल ऑफ नेचुरल साइंसेज एंड मैथमैटिक्स के वैज्ञानिकों का समूह, जिसमें मैक्सिम अनानिएव शामिल हैं, ईंधन कोशिकाओं, इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिकाओं, धातु ग्राफीन बैटरी, इलेक्ट्रोकेमिकल सहित नई सामग्री और प्रौद्योगिकियों के डिजाइन और विकास में लगे हुए हैं। पावर स्टोरेज सिस्टम और सुपरकैपेसिटर।

अनुसंधान और वैज्ञानिकों का कामउच्च तापमान इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री संस्थान, रूसी विज्ञान अकादमी की यूराल शाखा और भागीदारों के समर्थन से निरंतर सहयोग से आयोजित किया जाता है।

वर्तमान में कौन से ईंधन सेल विकसित किए जा रहे हैं और इनमें सबसे अधिक क्षमता है?

सबसे आशाजनक प्रकार के ईंधन कोशिकाओं में से एक प्रोटॉन-सिरेमिक सेल हैं। प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली और ठोस ऑक्साइड कोशिकाओं के साथ बहुलक ईंधन कोशिकाओं पर उनके फायदे हैं, क्योंकि वे हाइड्रोकार्बन ईंधन की प्रत्यक्ष आपूर्ति के साथ काम कर सकते हैं। यह प्रोटॉन-सिरेमिक ईंधन कोशिकाओं और नियंत्रण प्रणाली के आधार पर एक बिजली संयंत्र के डिजाइन को काफी सरल करता है, और इसलिए संचालन की विश्वसनीयता को बढ़ाता है। सच है, इस प्रकार के ईंधन सेल इस समय ऐतिहासिक रूप से कम विकसित हैं, लेकिन आधुनिक वैज्ञानिक अनुसंधान हमें भविष्य में इस तकनीक की उच्च क्षमता की आशा करने की अनुमति देते हैं।

यूराल फ़ेडरल यूनिवर्सिटी में अब ईंधन सेल से संबंधित किन समस्याओं का समाधान किया जा रहा है?

अब UrFU वैज्ञानिक, रूसी विज्ञान अकादमी की यूराल शाखा के उच्च-तापमान इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री (IHTE) के साथ, वितरित ऊर्जा में अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक कुशल विद्युत रासायनिक उपकरणों और स्वायत्त बिजली जनरेटर के निर्माण पर काम कर रहे हैं। वितरित ऊर्जा के लिए बिजली संयंत्रों का निर्माण शुरू में इलेक्ट्रिक पावर जनरेटर और स्टोरेज डिवाइस पर आधारित हाइब्रिड सिस्टम के विकास का तात्पर्य है, जो बैटरी हैं। इसी समय, ईंधन सेल लगातार काम करता है, पीक आवर्स के दौरान लोड प्रदान करता है, और निष्क्रिय मोड में यह बैटरी को चार्ज करता है, जो स्वयं उच्च बिजली की खपत और आपातकालीन स्थितियों के मामले में रिजर्व के रूप में कार्य कर सकता है।

यूराल फेडरल यूनिवर्सिटी और आईएचटीई के रसायनज्ञों ने ठोस-ऑक्साइड और प्रोटॉन-सिरेमिक ईंधन कोशिकाओं के विकास में सबसे बड़ी सफलता हासिल की। 2016 के बाद से, यूराल में, स्टेट कॉरपोरेशन रोसाटॉम के साथ, ठोस ऑक्साइड ईंधन कोशिकाओं पर आधारित बिजली संयंत्रों का पहला रूसी उत्पादन बनाया गया है। यूराल वैज्ञानिकों के विकास ने पहले ही यूरालट्रांसगाज़ एलएलसी के प्रायोगिक स्थल पर गैस पाइपलाइन कैथोडिक प्रोटेक्शन स्टेशन पर "फील्ड" परीक्षण पास कर लिया है। 1.5 किलोवाट की रेटेड शक्ति वाले बिजली संयंत्र ने 10 हजार घंटे से अधिक समय तक काम किया है और ऐसे उपकरणों के उपयोग की उच्च क्षमता दिखाई है।

यूराल फेडरल यूनिवर्सिटी और आईएचटीई की संयुक्त प्रयोगशाला के ढांचे के भीतर, एक प्रोटॉन-संवाहक सिरेमिक झिल्ली पर आधारित विद्युत रासायनिक उपकरण विकसित किए जा रहे हैं। यह निकट भविष्य में ठोस ऑक्साइड ईंधन कोशिकाओं के लिए ऑपरेटिंग तापमान को 900 से 500 डिग्री सेल्सियस तक कम करने और हाइड्रोकार्बन ईंधन के प्रारंभिक सुधार को छोड़ने के लिए संभव बना देगा, इस प्रकार लागत प्रभावी विद्युत रासायनिक जनरेटर का निर्माण करने में सक्षम होगा जो एक की शर्तों के तहत संचालन करने में सक्षम है। रूस में विकसित गैस आपूर्ति बुनियादी ढांचा।

एलेक्ज़ेंडर डुबोव

ज्ञान की पारिस्थितिकी विज्ञान और प्रौद्योगिकी: हाइड्रोजन ऊर्जा सबसे अधिक कुशल उद्योगों में से एक है, और ईंधन सेल इसे नवीन प्रौद्योगिकियों में सबसे आगे रहने की अनुमति देते हैं।

एक ईंधन सेल एक ऐसा उपकरण है जो विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से हाइड्रोजन युक्त ईंधन से दक्षतापूर्वक प्रत्यक्ष धारा और गर्मी उत्पन्न करता है।

एक ईंधन सेल एक बैटरी के समान होता है जिसमें यह एक रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से प्रत्यक्ष धारा उत्पन्न करता है। फिर से, एक बैटरी की तरह, एक ईंधन सेल में एक एनोड, एक कैथोड और एक इलेक्ट्रोलाइट शामिल होता है। हालांकि, बैटरी के विपरीत, ईंधन सेल विद्युत ऊर्जा को स्टोर नहीं कर सकते हैं, डिस्चार्ज नहीं करते हैं, और रिचार्ज करने के लिए बिजली की आवश्यकता नहीं होती है। ईंधन सेल लगातार बिजली पैदा कर सकते हैं जब तक उनके पास ईंधन और हवा की आपूर्ति होती है। सही शब्दएक कार्यशील ईंधन सेल का वर्णन करने के लिए, यह तत्वों की एक प्रणाली है, क्योंकि पूर्ण संचालन के लिए कुछ सहायक प्रणालियों की आवश्यकता होती है।

अन्य बिजली जनरेटर जैसे कि आंतरिक दहन इंजन या गैस, कोयला, तेल आदि द्वारा संचालित टर्बाइन के विपरीत, ईंधन सेल ईंधन नहीं जलाते हैं। इसका मतलब है कि कोई शोर उच्च दबाव रोटर नहीं, कोई जोर से निकास शोर नहीं, कोई कंपन नहीं। ईंधन सेल एक मूक विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से बिजली उत्पन्न करते हैं। ईंधन कोशिकाओं की एक अन्य विशेषता यह है कि वे ईंधन की रासायनिक ऊर्जा को सीधे बिजली, गर्मी और पानी में परिवर्तित करते हैं।

ईंधन सेल अत्यधिक कुशल होते हैं और कार्बन डाइऑक्साइड, मीथेन और नाइट्रस ऑक्साइड जैसी बड़ी मात्रा में ग्रीनहाउस गैसों का उत्पादन नहीं करते हैं। ईंधन कोशिकाओं द्वारा उत्सर्जित एकमात्र उत्पाद भाप के रूप में पानी और कार्बन डाइऑक्साइड की एक छोटी मात्रा है, जो ईंधन के रूप में शुद्ध हाइड्रोजन का उपयोग करने पर बिल्कुल भी उत्सर्जित नहीं होता है। ईंधन कोशिकाओं को असेंबलियों में और फिर अलग-अलग कार्यात्मक मॉड्यूल में इकट्ठा किया जाता है।

ईंधन कोशिकाओं के संचालन का सिद्धांत

इलेक्ट्रोलाइट, कैथोड और एनोड का उपयोग करके चल रही विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया के कारण ईंधन सेल बिजली और गर्मी उत्पन्न करते हैं।

एनोड और कैथोड को एक इलेक्ट्रोलाइट द्वारा अलग किया जाता है जो प्रोटॉन का संचालन करता है। हाइड्रोजन के एनोड में प्रवेश करने के बाद और ऑक्सीजन कैथोड में प्रवेश करने के बाद, एक रासायनिक प्रतिक्रिया शुरू होती है, जिसके परिणामस्वरूप विद्युत प्रवाह, गर्मी और पानी उत्पन्न होता है। एनोड उत्प्रेरक पर, आणविक हाइड्रोजन अलग हो जाता है और इलेक्ट्रॉनों को खो देता है। हाइड्रोजन आयनों (प्रोटॉन) को इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से कैथोड तक ले जाया जाता है, जबकि इलेक्ट्रॉनों को इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से और एक बाहरी विद्युत सर्किट के माध्यम से पारित किया जाता है, जिससे एक प्रत्यक्ष करंट बनता है जिसका उपयोग बिजली उपकरणों के लिए किया जा सकता है। कैथोड उत्प्रेरक पर, एक ऑक्सीजन अणु एक इलेक्ट्रॉन (जो बाहरी संचार से आपूर्ति की जाती है) और एक आने वाले प्रोटॉन के साथ जुड़ता है, और पानी बनाता है, जो एकमात्र प्रतिक्रिया उत्पाद है (वाष्प और / या तरल के रूप में)।

नीचे इसी प्रतिक्रिया है:

एनोड प्रतिक्रिया: 2H2 => 4H+ + 4e-
कैथोड पर प्रतिक्रिया: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
सामान्य तत्व प्रतिक्रिया: 2H2 + O2 => 2H2O

ईंधन सेल प्रकार

विभिन्न प्रकार के आंतरिक दहन इंजनों के अस्तित्व के समान, विभिन्न प्रकार के ईंधन सेल होते हैं - उपयुक्त प्रकार के ईंधन सेल का चुनाव इसके अनुप्रयोग पर निर्भर करता है।ईंधन कोशिकाओं को उच्च तापमान और निम्न तापमान में विभाजित किया जाता है। कम तापमान वाली ईंधन कोशिकाओं को ईंधन 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 कोशिकाओं को इस 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 तत्व।

पिघला हुआ कार्बोनेट इलेक्ट्रोलाइट ईंधन सेल उच्च तापमान ईंधन सेल हैं। उच्च परिचालन तापमान ईंधन प्रोसेसर के बिना प्राकृतिक गैस के प्रत्यक्ष उपयोग और प्रक्रिया ईंधन और अन्य स्रोतों से कम कैलोरी मान ईंधन गैस की अनुमति देता है। 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 इलेक्ट्रोलाइट में आयनों की उच्च स्तर की गतिशीलता प्राप्त करने के लिए, 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°C के तापमान पर गर्म किया जाता है, तो लवण कार्बोनेट आयनों (CO32-) के लिए चालक 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: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
कैथोड पर प्रतिक्रिया: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
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 (पीएफसी) पर आधारित ईंधन सेल।

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 (H3PO4) 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 प्रतिक्रिया: 2H2 => 4H+ + 4e-
कैथोड पर प्रतिक्रिया: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
सामान्य तत्व प्रतिक्रिया: 2H2 + O2 => 2H2O

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, CO2 इलेक्ट्रोलाइट और ईंधन सेल के संचालन को प्रभावित नहीं करता है, इस प्रकार का सेल सुधारित प्राकृतिक ईंधन के साथ काम करता है। सरल निर्माण, 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, जबकि इलेक्ट्रॉन बाहरी सर्कल के चारों ओर घूमते हैं और विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करते हैं। 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 प्रतिक्रिया: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
कैथोड पर प्रतिक्रिया: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
सामान्य तत्व प्रतिक्रिया: 2H2 + O2 => 2H2O

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। एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट के साथ कैथोड और एनोड पर गैसों को रखना आसान होता है और इसलिए ऐसे ईंधन सेल का उत्पादन सस्ता होता है। 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 (O2-) 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 (О2-) 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 प्रतिक्रिया: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
कैथोड पर प्रतिक्रिया: O2 + 4e- => 2O2-
सामान्य तत्व प्रतिक्रिया: 2H2 + O2 => 2H2O

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। इसने मोबाइल फोन, लैपटॉप के साथ-साथ पोर्टेबल बिजली स्रोत बनाने के क्षेत्र में खुद को सफलतापूर्वक स्थापित किया है। 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 (CH3OH) को एनोड पर पानी की उपस्थिति में ऑक्सीकृत किया जाता है, जिससे CO2, हाइड्रोजन आयन और इलेक्ट्रॉन निकलते हैं, जो एक 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 अभिक्रिया: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
कैथोड पर अभिक्रिया: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
सामान्य तत्व प्रतिक्रिया: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

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 बोर्ड पर अंतरिक्ष यानईंधन सेल बिजली 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। SFC में आवेश वाहक एक हाइड्रॉक्साइड आयन (OH-) है जो कैथोड से एनोड तक जाता 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 प्रतिक्रिया: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
कैथोड पर प्रतिक्रिया: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
प्रणाली की सामान्य प्रतिक्रिया: 2H2 + O2 => 2H2O

एसएफसी का लाभ यह है कि इन ईंधन कोशिकाओं का उत्पादन सबसे सस्ता है, 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।

SFC की एक विशेषता इसकी CO2 के प्रति उच्च संवेदनशीलता है, जिसे ईंधन या वायु में समाहित किया जा सकता है। CO2 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, CO, H2O और CH4 जैसे अणु, जो अन्य ईंधन कोशिकाओं के लिए सुरक्षित हैं और उनमें से कुछ के लिए ईंधन भी, SFC 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 जल आयनों H2O+ (प्रोटॉन, लाल) का प्रवाहकत्त्व पानी के अणु से जुड़ा 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 (CsHSO4) में पानी नहीं होता है। इसलिए ऑपरेटिंग तापमान 100-300 डिग्री सेल्सियस है। SO42-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। प्रकाशित

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

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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 पर्यावरण को प्रदूषित किए बिना चुपचाप और कुशलता से बिजली उत्पन्न करते हैं। 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 आज मौजूदा ईंधन प्रौद्योगिकियों में से प्रत्येक की संक्षिप्त समीक्षा करेंगे, साथ ही साथ ईंधन कोशिकाओं के डिजाइन और संचालन के बारे में बात करेंगे, और ऊर्जा उत्पादन के अन्य रूपों के साथ उनकी तुलना करेंगे। 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 बिजली पैदा करने की प्रक्रिया में रसायनों, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को पानी में परिवर्तित करता है।

एक और इलेक्ट्रोकेमिकल डिवाइस जिससे हम सभी बहुत परिचित हैं, वह है बैटरी। बैटरी में सभी आवश्यक हैं रासायनिक तत्वअपने आप में और इन पदार्थों को बिजली में परिवर्तित करता है। 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 प्रवाह रहेगा तब तक बिजली पैदा होगी रासायनिक पदार्थतत्व में। 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।

सॉलिड ऑक्साइड फ्यूल सेल (SOFC)

ये ईंधन सेल बड़े स्थिर बिजली जनरेटर के लिए सबसे उपयुक्त हैं जो कारखानों या शहरों को बिजली प्रदान कर सकते हैं। इस प्रकार का ईंधन सेल बहुत उच्च तापमान (700 से 1000 डिग्री सेल्सियस) पर संचालित होता है। उच्च तापमान एक विश्वसनीयता समस्या है क्योंकि कुछ ईंधन सेल स्विच ऑन और ऑफ करने के कई चक्रों के बाद विफल हो सकते हैं। हालांकि, निरंतर संचालन में ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल बहुत स्थिर होते हैं। दरअसल, एसओएफसी ने कुछ शर्तों के तहत किसी भी ईंधन सेल के सबसे लंबे समय तक परिचालन जीवन का प्रदर्शन किया है। उच्च तापमान का यह भी लाभ है कि ईंधन कोशिकाओं द्वारा उत्पन्न भाप को टर्बाइनों की ओर निर्देशित किया जा सकता है और अधिक बिजली उत्पन्न की जा सकती है। इस प्रक्रिया को कहा जाता है गर्मी और बिजली का सह-उत्पादनऔर समग्र प्रणाली दक्षता में सुधार करता है।

क्षारीय ईंधन सेल (एएफसी)

यह 1960 के दशक से उपयोग किए जाने वाले सबसे पुराने ईंधन सेल डिजाइनों में से एक है। एएफसी प्रदूषण के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं क्योंकि उन्हें शुद्ध हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, वे बहुत महंगे हैं, इसलिए इस प्रकार के ईंधन सेल को बड़े पैमाने पर उत्पादन में लगाने की संभावना नहीं है।

पिघला हुआ कार्बोनेट ईंधन सेल (एमसीएफसी)

SOFC की तरह, ये ईंधन सेल भी बड़े स्थिर बिजली संयंत्रों और जनरेटर के लिए सबसे उपयुक्त हैं। वे 600 डिग्री सेल्सियस पर काम करते हैं ताकि वे भाप उत्पन्न कर सकें, जो बदले में और भी अधिक बिजली उत्पन्न करने के लिए उपयोग किया जा सकता है। उनके पास ठोस ऑक्साइड ईंधन कोशिकाओं की तुलना में कम परिचालन तापमान होता है, जिसका अर्थ है कि उन्हें ऐसी गर्मी प्रतिरोधी सामग्री की आवश्यकता नहीं होती है। यह उन्हें थोड़ा सस्ता बनाता है।

फॉस्फोरिक-एसिड ईंधन सेल (पीएएफसी)

फॉस्फोरिक एसिड ईंधन सेलछोटे स्थिर विद्युत प्रणालियों में उपयोग की क्षमता है। यह पॉलिमर एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल की तुलना में उच्च तापमान पर संचालित होता है, इसलिए इसे गर्म होने में अधिक समय लगता है, जिससे यह ऑटोमोटिव उपयोग के लिए अनुपयुक्त हो जाता है।

मेथनॉल ईंधन सेल प्रत्यक्ष मेथनॉल ईंधन सेल (डीएमएफसी)

ऑपरेटिंग तापमान के मामले में मेथनॉल ईंधन सेल PEMFC से तुलनीय हैं, लेकिन उतने कुशल नहीं हैं। इसके अलावा, डीएमएफसी को उत्प्रेरक के रूप में काफी प्लैटिनम की आवश्यकता होती है, जो इन ईंधन कोशिकाओं को महंगा बनाता है।

बहुलक विनिमय झिल्ली के साथ ईंधन सेल

पॉलीमर एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल (PEMFC) सबसे होनहार फ्यूल सेल प्रौद्योगिकियों में से एक है। PEMFC किसी भी ईंधन सेल की सबसे सरल प्रतिक्रियाओं में से एक का उपयोग करता है। विचार करें कि इसमें क्या शामिल है।

1. लेकिन नोड - फ्यूल सेल का नेगेटिव टर्मिनल। यह इलेक्ट्रॉनों का संचालन करता है जो हाइड्रोजन अणुओं से मुक्त होते हैं, जिसके बाद उनका उपयोग बाहरी सर्किट में किया जा सकता है। यह चैनलों के साथ उत्कीर्ण है जिसके माध्यम से उत्प्रेरक की सतह पर हाइड्रोजन गैस समान रूप से वितरित की जाती है।

2.प्रति परमाणु - ईंधन सेल के सकारात्मक टर्मिनल में उत्प्रेरक की सतह पर ऑक्सीजन वितरित करने के लिए चैनल भी होते हैं। यह उत्प्रेरक की बाहरी श्रृंखला से वापस इलेक्ट्रॉनों का संचालन भी करता है, जहां वे हाइड्रोजन और ऑक्सीजन आयनों के साथ मिलकर पानी बना सकते हैं।

3.इलेक्ट्रोलाइट-प्रोटॉन विनिमय झिल्ली. यह एक विशेष रूप से उपचारित सामग्री है जो केवल धन आवेशित आयनों का संचालन करती है और इलेक्ट्रॉनों को अवरुद्ध करती है। PEMFC में, झिल्ली को ठीक से काम करने और स्थिर रहने के लिए हाइड्रेटेड होना चाहिए।

4. उत्प्रेरकएक विशेष सामग्री है जो ऑक्सीजन और हाइड्रोजन की प्रतिक्रिया को बढ़ावा देती है। यह आमतौर पर कार्बन पेपर या कपड़े पर बहुत पतले जमा प्लैटिनम नैनोकणों से बना होता है। उत्प्रेरक की सतह संरचना ऐसी होती है कि प्लैटिनम का अधिकतम सतह क्षेत्र हाइड्रोजन या ऑक्सीजन के संपर्क में आ सकता है।

यह आंकड़ा हाइड्रोजन गैस (H2) को एनोड की ओर से ईंधन सेल में दबाव में प्रवेश करते हुए दिखाता है। जब एक H2 अणु उत्प्रेरक पर प्लैटिनम के संपर्क में आता है, तो यह दो H+ आयनों और दो इलेक्ट्रॉनों में विभाजित हो जाता है। इलेक्ट्रॉन एनोड से गुजरते हैं जहां उनका उपयोग बाहरी सर्किट (प्रदर्शन .) में किया जाता है उपयोगी कार्य, जैसे कि मोटर का घूमना) और ईंधन सेल के कैथोड की ओर लौटना।

इस बीच, ईंधन सेल के कैथोड पक्ष पर, हवा से ऑक्सीजन (O2) उत्प्रेरक से होकर गुजरती है जहां यह दो ऑक्सीजन परमाणु बनाती है। इनमें से प्रत्येक परमाणु में एक मजबूत ऋणात्मक आवेश होता है। यह ऋणात्मक आवेश झिल्ली के आर-पार दो H+ आयनों को आकर्षित करता है जहाँ वे एक ऑक्सीजन परमाणु और बाहरी परिपथ से दो इलेक्ट्रॉनों के साथ मिलकर एक जल अणु (H2O) बनाते हैं।

एकल ईंधन सेल में यह प्रतिक्रिया केवल लगभग 0.7 वोल्ट उत्पन्न करती है। वोल्टेज को उचित स्तर तक बढ़ाने के लिए, ईंधन सेल स्टैक बनाने के लिए कई व्यक्तिगत ईंधन कोशिकाओं को जोड़ा जाना चाहिए। द्विध्रुवीय प्लेटों का उपयोग एक ईंधन सेल को दूसरे से जोड़ने और घटती क्षमता के साथ ऑक्सीकरण से गुजरने के लिए किया जाता है। द्विध्रुवीय प्लेटों के साथ बड़ी समस्या उनकी स्थिरता है। धातु द्विध्रुवीय प्लेटों को संक्षारित किया जा सकता है और उप-उत्पाद (लौह और क्रोमियम आयन) ईंधन सेल झिल्ली और इलेक्ट्रोड की दक्षता को कम करते हैं। इसलिए, कम तापमान वाले ईंधन सेल द्विध्रुवीय शीट सामग्री के रूप में कार्बन और थर्मोसेटिंग सामग्री के हल्के धातुओं, ग्रेफाइट और मिश्रित यौगिकों का उपयोग करते हैं (थर्मोसेटिंग सामग्री एक प्रकार का प्लास्टिक है जो उच्च तापमान के अधीन होने पर भी ठोस रहता है)।

ईंधन सेल दक्षता

प्रदूषण को कम करना ईंधन सेल के मुख्य लक्ष्यों में से एक है। ईंधन सेल से चलने वाली कार की तुलना गैसोलीन इंजन से चलने वाली कार और बैटरी से चलने वाली कार से करके आप देख सकते हैं कि ईंधन सेल कारों की दक्षता में कैसे सुधार कर सकते हैं।

चूंकि तीनों प्रकार की कारों में कई समान घटक होते हैं, इसलिए हम कार के इस हिस्से की उपेक्षा करेंगे और तुलना करेंगे लाभकारी कार्यउस बिंदु तक जहां यांत्रिक ऊर्जा उत्पन्न होती है। चलो ईंधन सेल कार से शुरू करते हैं।

यदि ईंधन सेल शुद्ध हाइड्रोजन द्वारा संचालित होता है, तो इसकी दक्षता 80 प्रतिशत तक हो सकती है। इस प्रकार, यह हाइड्रोजन की ऊर्जा सामग्री का 80 प्रतिशत बिजली में परिवर्तित करता है। हालाँकि, हमें अभी भी विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक कार्य में बदलना है। यह एक इलेक्ट्रिक मोटर और एक इन्वर्टर द्वारा हासिल किया जाता है। मोटर + इन्वर्टर की दक्षता भी लगभग 80 प्रतिशत है। यह लगभग 80*80/100=64 प्रतिशत की समग्र दक्षता देता है। होंडा के FCX कॉन्सेप्ट वाहन में कथित तौर पर 60 प्रतिशत ऊर्जा दक्षता है।

यदि ईंधन स्रोत शुद्ध हाइड्रोजन के रूप में नहीं है, तो वाहन को एक सुधारक की भी आवश्यकता होगी। सुधारक हाइड्रोकार्बन या अल्कोहल ईंधन को हाइड्रोजन में परिवर्तित करते हैं। वे ऊष्मा उत्पन्न करते हैं और हाइड्रोजन के अतिरिक्त CO और CO2 उत्पन्न करते हैं। परिणामी हाइड्रोजन को शुद्ध करने के लिए, वे उपयोग करते हैं विभिन्न उपकरण, लेकिन यह सफाई अपर्याप्त है और ईंधन सेल की दक्षता को कम करती है। इसलिए, शोधकर्ताओं ने हाइड्रोजन के उत्पादन और भंडारण से जुड़ी समस्याओं के बावजूद, शुद्ध हाइड्रोजन पर चलने वाले वाहनों के लिए ईंधन कोशिकाओं पर ध्यान केंद्रित करने का निर्णय लिया।

गैसोलीन इंजन और इलेक्ट्रिक बैटरी पर कार की क्षमता

गैसोलीन द्वारा संचालित कार की दक्षता आश्चर्यजनक रूप से कम है। सभी ऊष्मा जो निकास के रूप में निकलती है या रेडिएटर द्वारा अवशोषित की जाती है, व्यर्थ ऊर्जा है। इंजन विभिन्न पंपों, पंखों और जनरेटर को चालू रखने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा का उपयोग करता है। इस प्रकार, एक ऑटोमोबाइल गैसोलीन इंजन की कुल दक्षता लगभग 20 प्रतिशत है। इस प्रकार, गैसोलीन की तापीय ऊर्जा सामग्री का केवल लगभग 20 प्रतिशत यांत्रिक कार्य में परिवर्तित होता है।

बैटरी से चलने वाले इलेक्ट्रिक वाहन में काफी उच्च दक्षता होती है। बैटरी लगभग 90 प्रतिशत कुशल है (अधिकांश बैटरी कुछ गर्मी उत्पन्न करती हैं या हीटिंग की आवश्यकता होती है), और मोटर + इन्वर्टर लगभग 80 प्रतिशत कुशल है। यह लगभग 72 प्रतिशत की समग्र दक्षता देता है।

लेकिन वह सब नहीं है। किसी इलेक्ट्रिक कार को चलने के लिए सबसे पहले कहीं न कहीं बिजली का उत्पादन करना होगा। यदि यह एक बिजली संयंत्र था जो जीवाश्म ईंधन दहन प्रक्रिया (परमाणु, जलविद्युत, सौर या पवन ऊर्जा के बजाय) का उपयोग करता था, तो बिजली संयंत्र द्वारा खपत किए गए ईंधन का केवल 40 प्रतिशत ही बिजली में परिवर्तित होता था। साथ ही, कार को चार्ज करने की प्रक्रिया में अल्टरनेटिंग करंट (AC) पावर को डायरेक्ट करंट (DC) पावर में बदलने की आवश्यकता होती है। इस प्रक्रिया की दक्षता लगभग 90 प्रतिशत है।

अब, अगर हम पूरे चक्र को देखें, तो इलेक्ट्रिक वाहन की दक्षता कार के लिए 72 प्रतिशत, बिजली संयंत्र के लिए 40 प्रतिशत और कार को चार्ज करने के लिए 90 प्रतिशत है। यह 26 प्रतिशत की समग्र दक्षता देता है। बैटरी चार्ज करने के लिए किस पावर स्टेशन का उपयोग किया जाता है, इसके आधार पर समग्र दक्षता काफी भिन्न होती है। यदि एक कार के लिए बिजली उत्पन्न की जाती है, उदाहरण के लिए, एक जलविद्युत संयंत्र द्वारा, तो एक इलेक्ट्रिक कार की दक्षता लगभग 65 प्रतिशत होगी।

वैज्ञानिक ईंधन सेल दक्षता में सुधार जारी रखने के लिए डिजाइनों पर शोध और शोधन कर रहे हैं। नए तरीकों में से एक ईंधन सेल और बैटरी से चलने वाले वाहनों को मिलाना है। ईंधन सेल संचालित हाइब्रिड पावरट्रेन द्वारा संचालित होने के लिए एक अवधारणा वाहन विकसित किया जा रहा है। यह कार को बिजली देने के लिए लिथियम बैटरी का उपयोग करता है जबकि एक ईंधन सेल बैटरी को रिचार्ज करता है।

ईंधन सेल वाहन संभावित रूप से बैटरी से चलने वाली कार की तरह कुशल होते हैं जिन्हें जीवाश्म ईंधन मुक्त बिजली संयंत्र से चार्ज किया जाता है। लेकिन ऐसी क्षमता की उपलब्धि व्यावहारिक और सुलभ रास्तामुश्किल साबित हो सकता है।

ईंधन कोशिकाओं का उपयोग क्यों करें?

मुख्य कारण तेल से जुड़ी हर चीज है। अमेरिका को अपने तेल का लगभग 60 प्रतिशत आयात करना होगा। 2025 तक, आयात 68% तक बढ़ने की उम्मीद है। अमेरिकी प्रतिदिन दो-तिहाई तेल का उपयोग परिवहन के लिए करते हैं। भले ही सड़क पर हर कार एक हाइब्रिड कार थी, 2025 तक अमेरिका को अभी भी उसी मात्रा में तेल का उपयोग करना होगा जो अमेरिकियों ने 2000 में खपत की थी। दरअसल, अमेरिका दुनिया में उत्पादित सभी तेल का एक चौथाई खपत करता है, हालांकि दुनिया की आबादी का केवल 4.6% ही यहां रहता है।

विशेषज्ञों को उम्मीद है कि अगले कुछ दशकों में तेल की कीमतों में बढ़ोतरी जारी रहेगी क्योंकि सस्ते स्रोत सूख रहे हैं। तेल की कंपनियाँविकसित होना चाहिए तैल का खेततेजी से कठिन परिस्थितियों में, तेल की कीमतों में वृद्धि के कारण।

डर बहुत आगे तक फैला हुआ है आर्थिक सुरक्षा. तेल की बिक्री से होने वाली बहुत सी आय अंतरराष्ट्रीय आतंकवाद, कट्टरपंथी राजनीतिक दलों और तेल उत्पादक क्षेत्रों में अस्थिर स्थिति का समर्थन करने पर खर्च की जाती है।

ऊर्जा के लिए तेल और अन्य जीवाश्म ईंधन का उपयोग प्रदूषण पैदा करता है। हर किसी के लिए एक विकल्प खोजना सबसे अच्छा है - ऊर्जा के लिए जीवाश्म ईंधन को जलाना।

ईंधन सेल तेल निर्भरता के लिए एक आकर्षक विकल्प हैं। ईंधन सेल प्रदूषण के बजाय उप-उत्पाद के रूप में स्वच्छ पानी का उत्पादन करते हैं। जबकि इंजीनियरों ने अस्थायी रूप से विभिन्न जीवाश्म स्रोतों जैसे कि गैसोलीन या प्राकृतिक गैस से हाइड्रोजन के उत्पादन पर ध्यान केंद्रित किया है, भविष्य में हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए अक्षय, पर्यावरण के अनुकूल तरीके तलाशे जा रहे हैं। सबसे आशाजनक, निश्चित रूप से, पानी से हाइड्रोजन प्राप्त करने की प्रक्रिया होगी।

तेल निर्भरता और ग्लोबल वार्मिंग एक अंतरराष्ट्रीय समस्या है। ईंधन सेल प्रौद्योगिकी के लिए अनुसंधान और विकास के विकास में कई देश संयुक्त रूप से शामिल हैं।

जाहिर है, ईंधन सेल का विकल्प बनने से पहले वैज्ञानिकों और निर्माताओं को बहुत काम करना है। आधुनिक तरीकेऊर्जा उत्पादन। और फिर भी, पूरी दुनिया और वैश्विक सहयोग के समर्थन से, ईंधन कोशिकाओं पर आधारित एक व्यवहार्य ऊर्जा प्रणाली कुछ दशकों में एक वास्तविकता बन सकती है।