Har xil turdagi dvigatellarning mavjudligi kabi ichki yonish, har xil turdagi yoqilg'i xujayralari mavjud - tanlov mos tur yonilg'i xujayrasi uning qo'llanilishiga bog'liq.
yonilg'i xujayralari yuqori harorat va past haroratga bo'linadi. Past haroratli yonilg'i xujayralari yoqilg'i sifatida nisbatan toza vodorodni talab qiladi. Bu ko'pincha asosiy yoqilg'ini (masalan, tabiiy gaz) sof vodorodga aylantirish uchun yoqilg'ini qayta ishlash kerakligini anglatadi. Bu jarayon qo'shimcha energiya sarflaydi va maxsus jihozlarni talab qiladi. Yuqori haroratli yonilg'i xujayralari bu qo'shimcha protsedura kerak emas, chunki ular yuqori haroratlarda yoqilg'ini "ichki konvertatsiya qilishlari" mumkin, ya'ni vodorod infratuzilmasiga sarmoya kiritishning hojati yo'q.
Eritilgan karbonatdagi yoqilg'i xujayralari (MCFC)
Eritilgan karbonat elektrolitlari yonilg'i xujayralari yuqori haroratli yonilg'i xujayralari. Yuqori ish harorati tabiiy gazni yonilg'i protsessorsiz va past kaloriyali yoqilg'i gazisiz bevosita ishlatish imkonini beradi ishlab chiqarish jarayonlari va boshqa manbalardan. Bu jarayon 1960-yillarning oʻrtalarida ishlab chiqilgan. O'shandan beri ishlab chiqarish texnologiyasi, ishlash va ishonchlilik yaxshilandi.
RCFC ning ishlashi boshqa yonilg'i xujayralaridan farq qiladi. Bu hujayralar erigan karbonat tuzlari aralashmasidan elektrolitdan foydalanadi. Hozirgi vaqtda ikki turdagi aralashmalar qo'llaniladi: lityum karbonat va kaliy karbonat yoki lityum karbonat va natriy karbonat. Karbonat tuzlarini eritib, erishish uchun yuqori daraja elektrolitdagi ionlarning harakatchanligi, erigan karbonat elektrolitli yonilg'i xujayralari yuqori haroratda (650 ° C) ishlaydi. Samaradorlik 60-80% orasida o'zgarib turadi.
650°C haroratgacha qizdirilganda tuzlar karbonat ionlari (CO 3 2-) uchun oʻtkazgichga aylanadi. Ushbu ionlar katoddan anodga o'tib, ular vodorod bilan birlashib, suv, karbonat angidrid va erkin elektronlarni hosil qiladi. Ushbu elektronlar tashqi elektr zanjiri orqali katodga qaytariladi va qo'shimcha mahsulot sifatida elektr toki va issiqlik hosil qiladi.
Anod reaksiyasi: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Katoddagi reaksiya: CO 2 + 1/2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Umumiy element reaktsiyasi: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (katod) => H 2 O (g) + CO 2 (anod)
Eritilgan karbonat elektrolitlari yonilg'i xujayralarining yuqori ish harorati ma'lum afzalliklarga ega. Yuqori haroratlarda tabiiy gaz ichki isloh qilinadi, yonilg'i protsessoriga ehtiyoj yo'qoladi. Bundan tashqari, afzalliklarga elektrodlarda zanglamaydigan po'latdan yasalgan qatlam va nikel katalizatori kabi standart qurilish materiallaridan foydalanish imkoniyati kiradi. Chiqindilarni issiqlik turli sanoat va tijorat maqsadlarida foydalanish uchun yuqori bosimli bug 'hosil qilish uchun ishlatilishi mumkin.
Elektrolitlardagi yuqori reaksiya harorati ham o'z afzalliklariga ega. Yuqori haroratlardan foydalanish optimal ish sharoitlariga erishish uchun uzoq vaqt talab etadi va tizim energiya sarfi o'zgarishiga sekinroq ta'sir qiladi. Bu xususiyatlar doimiy quvvat sharoitida eritilgan karbonat elektrolitlari bilan yonilg'i xujayrasi tizimlaridan foydalanishga imkon beradi. Yuqori haroratlar yonilg'i xujayralarining uglerod oksidi, "zaharlanish" va boshqalar bilan shikastlanishiga yo'l qo'ymaydi.
Eritilgan karbonat yonilg'i xujayralari katta statsionar qurilmalarda foydalanish uchun javob beradi. Ishlab chiqarish quvvati 2,8 MVt bo'lgan issiqlik elektr stansiyalari sanoatda ishlab chiqariladi. Chiqish quvvati 100 MVt gacha bo'lgan stansiyalar ishlab chiqilmoqda.
Fosfor kislotasi yonilg'i xujayralari (PFC)
Fosforik (ortofosforik) kislotaga asoslangan yoqilg'i xujayralari tijorat maqsadlarida foydalanish uchun birinchi yoqilg'i xujayralari edi. Bu jarayon 1960-yillarning oʻrtalarida ishlab chiqilgan va 1970-yillardan boshlab sinovdan oʻtgan. O'shandan beri barqarorlik, ishlash va narx oshdi.
Fosforik (ortofosforik) kislotaga asoslangan yonilg'i xujayralari konsentratsiyasi 100% gacha bo'lgan ortofosforik kislota (H 3 PO 4) asosidagi elektrolitdan foydalanadi. Fosfor kislotasining ion o'tkazuvchanligi past haroratlarda past bo'ladi, shuning uchun bu yonilg'i xujayralari 150-220 ° S gacha bo'lgan haroratlarda ishlatiladi.
Ushbu turdagi yoqilg'i xujayralarida zaryad tashuvchisi vodorod (H +, proton). Shunga o'xshash jarayon proton almashinuvi membranasi yonilg'i xujayralari (MEFC) da sodir bo'ladi, unda anodga etkazib beriladigan vodorod protonlar va elektronlarga bo'linadi. Protonlar elektrolitdan o'tib, katodda havodagi kislorod bilan birlashib, suv hosil qiladi. Elektronlar tashqi elektr zanjiri bo'ylab yo'naltiriladi va elektr toki hosil bo'ladi. Quyida elektr va issiqlik hosil qiluvchi reaksiyalar keltirilgan.
Anoddagi reaksiya: 2H 2 => 4H + + 4e -
Katoddagi reaktsiya: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2H 2 O
Umumiy element reaksiyasi: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Fosforik (ortofosforik) kislotaga asoslangan yonilg'i xujayralarining samaradorligi elektr energiyasini ishlab chiqarishda 40% dan ortiq. Issiqlik va elektr energiyasini birgalikda ishlab chiqarishda umumiy samaradorlik taxminan 85% ni tashkil qiladi. Bundan tashqari, ish haroratini hisobga olgan holda, chiqindi issiqlik suvni isitish va atmosfera bosimida bug 'hosil qilish uchun ishlatilishi mumkin.
Issiqlik va elektr energiyasini birgalikda ishlab chiqarishda fosforik (ortofosforik) kislotaga asoslangan yonilg'i xujayralari bo'yicha issiqlik elektr stantsiyalarining yuqori ko'rsatkichlari ushbu turdagi yoqilg'i xujayralarining afzalliklaridan biridir. O'simliklar uglerod oksidini taxminan 1,5% konsentratsiyada ishlatadi, bu esa yoqilg'i tanlashni sezilarli darajada kengaytiradi. Bundan tashqari, CO 2 elektrolitlar va yonilg'i xujayrasining ishlashiga ta'sir qilmaydi, bu turdagi hujayralar isloh qilingan tabiiy yoqilg'i bilan ishlaydi. Oddiy dizayn, past elektrolitlar uchuvchanligi va ortib borayotgan barqarorlik ham bu turdagi yonilg'i xujayrasining afzalliklari hisoblanadi.
Ishlab chiqarish quvvati 400 kVt gacha bo'lgan issiqlik elektr stantsiyalari sanoatda ishlab chiqariladi. 11 MVt quvvatga ega qurilmalar tegishli sinovlardan o‘tgan. Chiqish quvvati 100 MVt gacha bo'lgan stansiyalar ishlab chiqilmoqda.
Proton almashinuv membranasi (PME) bilan yonilg'i xujayralari
Proton almashinuvi membranasi yonilg'i xujayralari benzin va dizel ichki yonish dvigatellarini almashtirishi mumkin bo'lgan avtomobil energiyasini ishlab chiqarish uchun eng yaxshi yoqilg'i xujayralari hisoblanadi. Ushbu yonilg'i xujayralari birinchi bo'lib NASA tomonidan Gemini dasturi uchun ishlatilgan. Bugungi kunda 1 Vt dan 2 kVt gacha quvvatga ega MOPFC qurilmalari ishlab chiqilmoqda va namoyish etilmoqda.
Ushbu yonilg'i xujayralari elektrolit sifatida qattiq polimer membranani (ingichka plastik plyonka) ishlatadi. Suv bilan singdirilganda, bu polimer protonlarni o'tkazadi, lekin elektronlarni o'tkazmaydi.
Yoqilg'i vodorod, zaryad tashuvchisi esa vodorod ioni (proton). Anodda vodorod molekulasi vodorod ioniga (proton) va elektronlarga bo'linadi. Vodorod ionlari elektrolit orqali katodga o'tadi va elektronlar tashqi doira bo'ylab harakatlanib, hosil bo'ladi. elektr energiyasi. Havodan olingan kislorod katodga beriladi va elektronlar va vodorod ionlari bilan birlashib, suv hosil qiladi. Elektrodlarda quyidagi reaktsiyalar sodir bo'ladi:
Anoddagi reaksiya: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Katoddagi reaktsiya: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Umumiy element reaksiyasi: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Boshqa turdagi yonilg'i xujayralari bilan solishtirganda, proton almashinuvi membranasi yonilg'i xujayralari ma'lum bir yonilg'i xujayrasi hajmi yoki og'irligi uchun ko'proq quvvat ishlab chiqaradi. Bu xususiyat ularni ixcham va engil bo'lishga imkon beradi. Bundan tashqari, ish harorati 100 ° C dan past bo'lib, bu sizga tezda ishlashni boshlash imkonini beradi. Bu xususiyatlar, shuningdek, energiya ishlab chiqarishni tezda o'zgartirish qobiliyati bu yonilg'i xujayralarini transport vositalarida foydalanish uchun asosiy nomzod qiladigan xususiyatlardan faqat bir qismidir.
Yana bir afzalligi shundaki, elektrolit suyuq emas, balki qattiq moddadir. Gazlarni katod va anodda ushlab turish qattiq elektrolitlar bilan osonroq bo'ladi va shuning uchun bunday yonilg'i xujayralari ishlab chiqarish uchun arzonroqdir. Boshqa elektrolitlar bilan solishtirganda, qattiq elektrolitdan foydalanish orientatsiya kabi muammolarni keltirib chiqarmaydi, korroziyaning paydo bo'lishi sababli kamroq muammolar mavjud, bu hujayra va uning tarkibiy qismlarining uzoqroq chidamliligiga olib keladi.
Qattiq oksidli yonilg'i xujayralari (SOFC)
Qattiq oksidli yonilg'i xujayralari eng yuqori ish haroratiga ega yoqilg'i xujayralari hisoblanadi. Ishlash harorati 600 ° C dan 1000 ° S gacha o'zgarishi mumkin, bu esa har xil turdagi yoqilg'idan maxsus oldindan ishlov berishsiz foydalanish imkonini beradi. Ushbu yuqori haroratlarga bardosh berish uchun elektrolitlar ingichka keramik asosli qattiq metall oksidi, ko'pincha kislorod (O 2 -) ionlarining o'tkazuvchisi bo'lgan itriy va tsirkonyum qotishmasidan foydalaniladi. Qattiq oksidli yonilg'i xujayralaridan foydalanish texnologiyasi 1950-yillarning oxiridan beri rivojlanmoqda. va ikkita konfiguratsiyaga ega: planar va quvurli.
Qattiq elektrolitlar bir elektroddan ikkinchisiga germetik gaz o'tishini ta'minlaydi, suyuq elektrolitlar esa gözenekli substratda joylashgan. Ushbu turdagi yoqilg'i xujayralaridagi zaryad tashuvchisi kislorod ionidir (O 2 -). Katodda kislorod molekulalari havodan kislorod ioniga va to'rtta elektronga bo'linadi. Kislorod ionlari elektrolitdan o'tib, vodorod bilan birikib, to'rtta erkin elektron hosil qiladi. Elektronlar tashqi elektr zanjiri orqali yo'naltiriladi, elektr toki va chiqindi issiqlik hosil qiladi.
Anoddagi reaksiya: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Katoddagi reaksiya: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Umumiy element reaksiyasi: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Ishlab chiqarilgan elektr energiyasining samaradorligi barcha yonilg'i xujayralari orasida eng yuqori - taxminan 60%. Bundan tashqari, yuqori ish harorati yuqori bosimli bug 'hosil qilish uchun issiqlik va energiyani birgalikda ishlab chiqarish imkonini beradi. Yuqori haroratli yonilg'i xujayrasini turbina bilan birlashtirish elektr energiyasini ishlab chiqarish samaradorligini 70% gacha oshirish uchun gibrid yonilg'i xujayrasini yaratadi.
Qattiq oksidli yonilg'i xujayralari juda yuqori haroratlarda (600 ° C-1000 ° C) ishlaydi, buning natijasida optimal ish sharoitlariga erishish uchun uzoq vaqt kerak bo'ladi va tizim energiya iste'molidagi o'zgarishlarga sekinroq javob beradi. Bunday yuqori ish haroratida yoqilg'idan vodorodni qayta tiklash uchun hech qanday konvertor talab qilinmaydi, bu issiqlik elektr stansiyasini ko'mirni gazlashdan yoki chiqindi gazlardan va shunga o'xshashlardan nisbatan nopok yoqilg'ilar bilan ishlashga imkon beradi. Bundan tashqari, ushbu yonilg'i xujayrasi yuqori quvvatli ilovalar, jumladan sanoat va yirik markaziy elektr stantsiyalari uchun juda yaxshi. Chiqish elektr quvvati 100 kVt bo'lgan sanoatda ishlab chiqarilgan modullar.
To'g'ridan-to'g'ri metanol oksidlanishiga ega yoqilg'i xujayralari (DOMTE)
Metanolning to'g'ridan-to'g'ri oksidlanishi bilan yonilg'i xujayralarini ishlatish texnologiyasi faol rivojlanish davrini boshdan kechirmoqda. U ovqatlanish sohasida o'zini muvaffaqiyatli o'rnatdi mobil telefonlar, noutbuklar, shuningdek, elektr energiyasining ko'chma manbalarini yaratish uchun. ushbu elementlarning kelajakda qo'llanilishi nimaga qaratilgan.
Metanolning to'g'ridan-to'g'ri oksidlanishi bilan yonilg'i xujayralarining tuzilishi proton almashinuvi membranasi (MOFEC) bilan yonilg'i xujayralariga o'xshaydi, ya'ni. elektrolit sifatida polimer, zaryad tashuvchi sifatida vodorod ioni (proton) ishlatiladi. Shu bilan birga, suyuq metanol (CH 3 OH) anodda suv ishtirokida oksidlanadi, CO 2, vodorod ionlari va elektronlarni chiqaradi, ular tashqi elektr zanjiri orqali boshqariladi va elektr toki hosil bo'ladi. Vodorod ionlari elektrolitdan o'tib, havodagi kislorod va tashqi konturdagi elektronlar bilan reaksiyaga kirishib, anodda suv hosil qiladi.
Anoddagi reaksiya: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Katoddagi reaksiya: 3/2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Umumiy element reaksiyasi: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O
Ushbu yonilg'i xujayralarining rivojlanishi 1990-yillarning boshida boshlangan. Yaxshilangan katalizatorlar ishlab chiqilgandan so'ng va boshqa so'nggi yangiliklar tufayli quvvat zichligi va samaradorligi 40% gacha oshirildi.
Ushbu elementlar 50-120 ° S harorat oralig'ida sinovdan o'tkazildi. Past ish harorati va konvertorga ehtiyoj sezmagan holda, to'g'ridan-to'g'ri metanol yonilg'i xujayralari mobil telefonlar va boshqa iste'mol mahsulotlaridan avtomobil dvigatellarigacha bo'lgan ilovalar uchun eng yaxshi nomzoddir. Ushbu turdagi yoqilg'i xujayralarining afzalligi suyuq yoqilg'idan foydalanish va konvertordan foydalanish zarurati yo'qligi sababli ularning kichik o'lchamlari.
Ishqoriy yonilg'i xujayralari (AFC)
Ishqoriy yonilg'i xujayralari (ALFC) eng ko'p o'rganilgan texnologiyalardan biri bo'lib, 1960-yillarning o'rtalaridan beri qo'llanila boshlandi. NASA tomonidan Apollon va Space Shuttle dasturlarida. Ushbu kosmik kemada yoqilg'i xujayralari elektr energiyasini ishlab chiqaradi va ichimlik suvi. Ishqoriy yonilg'i xujayralari elektr energiyasini ishlab chiqarishda ishlatiladigan eng samarali elementlardan biri bo'lib, energiya ishlab chiqarish samaradorligi 70% ga etadi.
Ishqoriy yonilg'i xujayralari elektrolitdan, ya'ni gözenekli, stabillashgan matritsada joylashgan kaliy gidroksidning suvli eritmasidan foydalanadi. Kaliy gidroksidi kontsentratsiyasi 65 ° C dan 220 ° S gacha bo'lgan yonilg'i xujayrasining ish haroratiga qarab o'zgarishi mumkin. SFCdagi zaryad tashuvchisi gidroksid ionidir (OH-) katoddan anodga o'tadi, u erda suv va elektronlarni hosil qilish uchun vodorod bilan reaksiyaga kirishadi. Anodda hosil bo'lgan suv yana katodga o'tadi va u erda yana gidroksid ionlarini hosil qiladi. Yoqilg'i xujayrasida sodir bo'ladigan ushbu ketma-ket reaktsiyalar natijasida elektr energiyasi ishlab chiqariladi va yon mahsulot sifatida issiqlik:
Anoddagi reaksiya: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Katoddagi reaktsiya: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Sistemaning umumiy reaksiyasi: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
SFClarning afzalligi shundaki, bu yonilg'i xujayralari ishlab chiqarish uchun eng arzon hisoblanadi, chunki elektrodlarda zarur bo'lgan katalizator boshqa yonilg'i xujayralari uchun katalizator sifatida ishlatiladigan moddalardan arzonroq bo'lishi mumkin. Bundan tashqari, SCFClar nisbatan past haroratda ishlaydi va eng samarali yonilg'i xujayralari qatoriga kiradi - bunday xususiyatlar mos ravishda tezroq energiya ishlab chiqarishga va yuqori yoqilg'i samaradorligiga yordam beradi.
SHTE ning xarakterli xususiyatlaridan biri uning CO 2 ga yuqori sezuvchanligi bo'lib, u yoqilg'ida yoki havoda bo'lishi mumkin. CO 2 elektrolitlar bilan reaksiyaga kirishadi, uni tezda zaharlaydi va yonilg'i xujayrasining samaradorligini sezilarli darajada pasaytiradi. Shuning uchun SFClardan foydalanish kosmik va suv osti transport vositalari kabi yopiq joylar bilan cheklangan, ular sof vodorod va kislorodda ishlashi kerak. Bundan tashqari, CO, H 2 O va CH 4 kabi boshqa yonilg'i xujayralari va hatto ularning ba'zilari uchun yoqilg'i uchun xavfsiz bo'lgan molekulalar SFC uchun zararli.
Polimer elektrolitli yonilg'i xujayralari (PETE)
Polimer elektrolitli yonilg'i xujayralari bo'lsa, polimer membranasi suv molekulasiga biriktirilgan H 2 O + (proton, qizil) suv ionlarining o'tkazuvchanligi mavjud bo'lgan suv hududlari bo'lgan polimer tolalaridan iborat. Suv molekulalari sekin ion almashinuvi tufayli muammo tug'diradi. Shu sababli, yoqilg'ida ham, egzoz elektrodlarida ham yuqori konsentratsiyali suv talab qilinadi, bu esa ish haroratini 100 ° S gacha cheklaydi.
Qattiq kislotali yonilg'i xujayralari (SCFC)
Qattiq kislotali yonilg'i xujayralarida elektrolitlar (C s HSO 4) suvni o'z ichiga olmaydi. Shuning uchun ish harorati 100-300 ° S ni tashkil qiladi. SO 4 2- oksi anionlarining aylanishi protonlarning (qizil) rasmda ko'rsatilganidek harakatlanishiga imkon beradi. Odatda, qattiq kislotali yonilg'i xujayrasi sendvich bo'lib, unda yaxshi aloqani ta'minlash uchun ikkita qattiq siqilgan elektrodlar orasiga qattiq kislota birikmasining juda nozik bir qatlami qo'yilgan. Qizdirilganda, organik komponent bug'lanadi, elektrodlardagi teshiklardan chiqib, yoqilg'i (yoki hujayraning boshqa uchida kislorod), elektrolitlar va elektrodlar o'rtasida ko'plab aloqa qilish qobiliyatini saqlab qoladi.
| Yoqilg'i xujayrasi turi | Ishlash harorati | Energiya ishlab chiqarish samaradorligi | Yoqilg'i turi | Qo'llash sohasi |
|---|---|---|---|---|
| RKTE | 550-700 ° S | 50-70% | O'rta va katta o'rnatish | |
| FKTE | 100-220 ° S | 35-40% | toza vodorod | Katta o'rnatish |
| MOPTE | 30-100 ° S | 35-50% | toza vodorod | Kichik o'rnatish |
| SOFC | 450-1000 ° S | 45-70% | Ko'pgina uglevodorod yoqilg'ilari | Kichik, o'rta va katta o'rnatish |
| POMTE | 20-90 ° S | 20-30% | metanol | Portativ birliklar |
| SHTE | 50-200 ° S | 40-65% | toza vodorod | kosmik tadqiqotlar |
| PETE | 30-100 ° S | 35-50% | toza vodorod | Kichik o'rnatish |
1-qism
Ushbu maqolada yonilg'i xujayralarining ishlash printsipi, ularning dizayni, tasnifi, afzalliklari va kamchiliklari, ko'lami, samaradorligi, yaratilish tarixi va foydalanishning zamonaviy istiqbollari batafsilroq ko'rib chiqiladi. Maqolaning ikkinchi qismida, ABOK jurnalining keyingi sonida e'lon qilinadi, turli turdagi yoqilg'i xujayralari issiqlik va elektr (yoki faqat elektr) manbalari sifatida ishlatilgan ob'ektlarga misollar keltiradi.
Kirish
Yoqilg'i xujayralari energiya ishlab chiqarishning juda samarali, ishonchli, bardoshli va ekologik toza usulidir.
Dastlab faqat kosmik sanoatda foydalanilgan yonilg'i xujayralari endi turli sohalarda - statsionar elektr stantsiyalari, binolar uchun avtonom issiqlik va energiya manbalari, avtomobil dvigatellari, noutbuklar va mobil telefonlar uchun quvvat manbalari sifatida tobora ko'proq foydalanilmoqda. Ushbu qurilmalarning ba'zilari laboratoriya prototiplari, ba'zilari seriyali sinovdan o'tmoqda yoki namoyish qilish uchun ishlatiladi, lekin ko'plab modellar ommaviy ishlab chiqariladi va tijorat loyihalarida qo'llaniladi.
Yoqilg'i xujayrasi (elektrokimyoviy generator) - bu qattiq, suyuq va gazsimon yoqilg'ining yonishini ishlatadigan an'anaviy texnologiyalardan farqli o'laroq, elektrokimyoviy reaktsiya jarayonida yoqilg'ining (vodorod) kimyoviy energiyasini bevosita elektr energiyasiga aylantiradigan qurilma. Yoqilg'ining to'g'ridan-to'g'ri elektrokimyoviy konversiyasi ekologik nuqtai nazardan juda samarali va jozibali, chunki ish paytida ifloslantiruvchi moddalarning minimal miqdori chiqariladi va kuchli shovqin va tebranishlar mavjud emas.
Amaliy nuqtai nazardan, yonilg'i xujayrasi an'anaviy galvanik batareyaga o'xshaydi. Farqi shundaki, dastlab batareya zaryadlangan, ya'ni "yoqilg'i" bilan to'ldirilgan. Ish paytida "yoqilg'i" sarflanadi va batareya zaryadsizlanadi. Batareyadan farqli o'laroq, yonilg'i xujayrasi elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun tashqi manbadan ta'minlangan yoqilg'idan foydalanadi (1-rasm).
Elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun nafaqat toza vodorod, balki tabiiy gaz, ammiak, metanol yoki benzin kabi vodorod o'z ichiga olgan boshqa xom ashyolardan ham foydalanish mumkin. Oddiy havo kislorod manbai sifatida ishlatiladi, bu ham reaktsiya uchun zarurdir.
Sof vodorod yoqilg'i sifatida ishlatilganda, reaktsiya mahsulotlari, elektr energiyasidan tashqari, issiqlik va suv (yoki suv bug'i), ya'ni atmosferaga havo ifloslanishiga olib keladigan yoki issiqxona effektini keltirib chiqaradigan gazlar chiqarilmaydi. Agar yoqilg'i sifatida vodorod o'z ichiga olgan xom ashyo, masalan, tabiiy gaz ishlatilsa, boshqa gazlar, masalan, uglerod va azot oksidi, reaktsiyaning qo'shimcha mahsuloti bo'ladi, lekin uning miqdori bir xil yoqilg'i yoqilgandaga qaraganda ancha past bo'ladi. tabiiy gaz miqdori.
Vodorod olish uchun yoqilg'ining kimyoviy o'zgarishi jarayoni reforming, mos keladigan qurilma esa reformator deb ataladi.
Yoqilg'i xujayralarining afzalliklari va kamchiliklari
Yoqilg'i xujayralari ichki yonish dvigatellariga qaraganda tejamkorroq, chunki yoqilg'i xujayralari uchun energiya samaradorligi bo'yicha termodinamik cheklov yo'q. Yoqilg'i xujayralarining samaradorligi 50% ni tashkil qiladi, ichki yonuv dvigatellari samaradorligi esa 12-15%, bug 'turbinali elektr stantsiyalarining samaradorligi 40% dan oshmaydi. Issiqlik va suvdan foydalanish yonilg'i xujayralarining samaradorligini yanada oshiradi.
Masalan, ichki yonish dvigatellaridan farqli o'laroq, yoqilg'i xujayralarining samaradorligi ular to'liq quvvat bilan ishlamasa ham juda yuqori bo'lib qoladi. Bundan tashqari, yonilg'i xujayralarining quvvati faqat alohida bloklarni qo'shish orqali oshirilishi mumkin, ayni paytda samaradorlik o'zgarmaydi, ya'ni katta o'rnatishlar kichiklar kabi samaralidir. Ushbu holatlar mijozning xohishiga ko'ra uskunaning tarkibini juda moslashuvchan tanlash imkonini beradi va pirovardida asbob-uskunalar narxini kamaytirishga olib keladi.
Yoqilg'i xujayralarining muhim afzalligi ularning ekologik tozaligidir. Yoqilg'i xujayralarining ishlashi natijasida havoga ifloslantiruvchi moddalar chiqarilishi shunchalik pastki, Amerika Qo'shma Shtatlarining ba'zi hududlarida ular maxsus ruxsatnomani talab qilmaydi. davlat organlari havo muhitining sifatini nazorat qilish.
Yoqilg'i xujayralari to'g'ridan-to'g'ri binoga joylashtirilishi mumkin, bu esa energiya uzatish yo'qotishlarini kamaytiradi va reaktsiya natijasida hosil bo'lgan issiqlik binoni issiqlik yoki issiq suv bilan ta'minlash uchun ishlatilishi mumkin. Issiqlik va energiya ta'minotining avtonom manbalari chekka hududlarda va elektr energiyasi tanqisligi va uning yuqori narxi bilan ajralib turadigan mintaqalarda juda foydali bo'lishi mumkin, ammo ayni paytda vodorodli xom ashyo (neft, tabiiy gaz) zaxiralari mavjud. .
Yoqilg'i xujayralarining afzalliklari, shuningdek, yoqilg'ining mavjudligi, ishonchliligi (yonilg'i xujayrasida harakatlanuvchi qismlar yo'q), chidamlilik va ishlash qulayligi.
Bugungi kunda yonilg'i xujayralarining asosiy kamchiliklaridan biri ularning nisbatan yuqori narxidir, ammo bu kamchilik tez orada bartaraf etilishi mumkin, chunki ko'proq kompaniyalar ishlab chiqaradi. tijorat namunalari yonilg'i xujayralari, ular doimiy ravishda takomillashtirilmoqda va ularning narxi pasaymoqda.
Yoqilg'i sifatida sof vodoroddan eng samarali foydalanish, ammo bu uni ishlab chiqarish va tashish uchun maxsus infratuzilmani yaratishni talab qiladi. Hozirgi vaqtda barcha tijorat dizaynlari tabiiy gaz va shunga o'xshash yoqilg'idan foydalanadi. Avtotransport vositalari oddiy benzindan foydalanishi mumkin, bu esa mavjud yoqilg'i quyish shoxobchalari tarmog'ini saqlab qolish imkonini beradi. Biroq, bunday yoqilg'idan foydalanish atmosferaga zararli chiqindilarni (juda kam bo'lsa ham) olib keladi va yonilg'i xujayrasini murakkablashtiradi (va shuning uchun uning narxini oshiradi). Kelajakda ekologik toza qayta tiklanadigan energiya manbalaridan foydalanish imkoniyati (masalan, quyosh energiyasi yoki shamol energiyasi) elektroliz orqali suvni vodorod va kislorodga parchalash, so'ngra hosil bo'lgan yoqilg'ini yonilg'i xujayrasiga aylantirish. Yopiq tsiklda ishlaydigan bunday kombinatsiyalangan zavodlar butunlay ekologik toza, ishonchli, bardoshli va samarali energiya manbai bo'lishi mumkin.
Yoqilg'i xujayralarining yana bir xususiyati shundaki, ular bir vaqtning o'zida elektr va issiqlik energiyasidan foydalanganda eng samarali hisoblanadi. Biroq, issiqlik energiyasidan foydalanish imkoniyati har bir ob'ektda mavjud emas. Yoqilg'i xujayralari faqat elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun ishlatilsa, ularning samaradorligi pasayadi, garchi bu "an'anaviy" qurilmalarning samaradorligidan oshib ketadi.
Yoqilg'i xujayralarining tarixi va zamonaviy qo'llanilishi
Yoqilg'i xujayralarining ishlash printsipi 1839 yilda kashf etilgan. Ingliz olimi Uilyam Grov (1811-1896) elektroliz jarayoni - elektr toki yordamida suvning vodorod va kislorodga ajralishi - teskari ekanligini, ya'ni vodorod va kislorodni yonishsiz, lekin suv molekulalariga birlashtirish mumkinligini aniqladi. issiqlik va elektr tokining chiqishi. Grove bunday reaktsiya amalga oshirilgan qurilmani birinchi yoqilg'i xujayrasi bo'lgan "gaz batareyasi" deb atadi.
Yoqilg'i xujayrasi texnologiyalarining faol rivojlanishi Ikkinchi jahon urushidan keyin boshlandi va u aviatsiya sanoati bilan bog'liq. O'sha paytda samarali va ishonchli, ammo ayni paytda juda ixcham energiya manbasini qidirish ishlari olib borildi. 1960-yillarda NASA mutaxassislari (Milliy Aeronavtika va Koinot boshqarmasi, NASA) Apollon (Oyga boshqariladigan parvozlar), Apollon-Soyuz, Gemini va Skylab dasturlari kosmik kemalari uchun quvvat manbai sifatida yoqilg'i xujayralarini tanladilar. . Apollon elektr energiyasi, issiqlik va suv ishlab chiqarish uchun kriyojenik vodorod va kisloroddan foydalangan holda uchta 1,5 kVt (2,2 kVt eng yuqori quvvat) qurilmasidan foydalangan. Har bir o'rnatishning massasi 113 kg edi. Bu uchta hujayra parallel ravishda ishladi, ammo bitta birlik tomonidan ishlab chiqarilgan energiya xavfsiz qaytish uchun etarli edi. 18 ta parvoz davomida yoqilg'i xujayralari hech qanday nosozliklarsiz jami 10 000 soat to'plangan. Hozirgi vaqtda "Space Shuttle" kosmik kemasida yonilg'i xujayralari qo'llaniladi, u 12 Vt quvvatga ega uchta agregatdan foydalanadi, ular kosmik kemada barcha elektr energiyasini ishlab chiqaradi (2-rasm). Elektrokimyoviy reaksiya natijasida olingan suv ichimlik suvi sifatida, shuningdek, sovutish uskunalari uchun ishlatiladi.
Mamlakatimizda kosmonavtikada foydalanish uchun yoqilg'i xujayralari yaratish bo'yicha ham ishlar olib borildi. Misol uchun, yoqilg'i xujayralari quvvat uchun ishlatilgan Sovet kemasi qayta foydalanish mumkin "Buran".
Yoqilg'i xujayralaridan tijorat maqsadlarida foydalanish usullarini ishlab chiqish 1960-yillarning o'rtalarida boshlangan. Ushbu ishlanmalar qisman davlat tashkilotlari tomonidan moliyalashtirildi.
Hozirgi vaqtda yonilg'i xujayralaridan foydalanish texnologiyalarini ishlab chiqish bir necha yo'nalishda ketmoqda. Bu yonilg'i xujayralari bo'yicha statsionar elektr stantsiyalarini (markazlashtirilgan va markazlashtirilmagan energiya ta'minoti uchun), transport vositalarining elektr stantsiyalarini (yonilg'i xujayralari bo'yicha avtomobillar va avtobuslarning namunalari yaratilgan, shu jumladan mamlakatimizda) (3-rasm) va shuningdek, turli xil mobil qurilmalar (noutbuklar, mobil telefonlar va boshqalar) uchun quvvat manbalari (4-rasm).
Turli sohalarda yonilg'i xujayralaridan foydalanishga misollar Jadvalda keltirilgan. bitta.
Binolarni avtonom issiqlik va energiya bilan ta'minlash uchun mo'ljallangan yoqilg'i xujayralarining birinchi tijorat modellaridan biri ONSI korporatsiyasi (hozirgi United Technologies, Inc.) tomonidan ishlab chiqarilgan PC25 Model A edi. Nominal quvvati 200 kVt bo'lgan ushbu yonilg'i xujayrasi fosfor kislotasi (Fosfor kislotasi yonilg'i xujayralari, PAFC) asosidagi elektrolitli hujayralar turiga kiradi. Model nomidagi "25" raqami dizaynning seriya raqamini bildiradi. Oldingi modellarning aksariyati eksperimental yoki sinov qismlari edi, masalan, 1970-yillarda paydo bo'lgan 12,5 kVt quvvatga ega "PC11" modeli. Yangi modellar bitta yonilg'i xujayrasidan olinadigan quvvatni oshirdi, shuningdek, ishlab chiqarilgan energiyaning bir kilovatt narxini pasaytirdi. Hozirgi vaqtda eng samarali tijorat modellaridan biri PC25 Model C yonilg'i xujayrasi hisoblanadi. "A" modeli singari, bu 200 kVt quvvatga ega PAFC tipidagi to'liq avtomatik yonilg'i xujayrasi bo'lib, issiqlik va elektr energiyasining mustaqil manbai sifatida to'g'ridan-to'g'ri xizmat ko'rsatilayotgan ob'ektga o'rnatilishi uchun mo'ljallangan. Bunday yonilg'i xujayrasi binodan tashqarida o'rnatilishi mumkin. Tashqi tomondan, bu uzunligi 5,5 m, kengligi 3 m va balandligi 3 m, og'irligi 18140 kg bo'lgan parallelepipeddir. Oldingi modellardan farqi yaxshilangan islohotchi va yuqori oqim zichligi.
| 1-jadval Yoqilg'i xujayralari doirasi |
|||||||||||||||
|
Yoqilg'i xujayralarining ayrim turlarida kimyoviy jarayon teskari bo'lishi mumkin: elektrodlarga potentsial farqni qo'llash orqali suv g'ovakli elektrodlarda to'plangan vodorod va kislorodga parchalanishi mumkin. Yuk ulanganda, bunday qayta tiklanadigan yonilg'i xujayrasi elektr energiyasini ishlab chiqarishni boshlaydi.
Yoqilg'i xujayralaridan foydalanishning istiqbolli yo'nalishi ularni qayta tiklanadigan energiya manbalari, masalan, fotovoltaik panellar yoki shamol turbinalari bilan birgalikda ishlatishdir. Ushbu texnologiya havo ifloslanishidan butunlay qochish imkonini beradi. Shunga o'xshash tizimni, masalan, Oberlindagi Adam Jozef Lyuis o'quv markazida yaratish rejalashtirilgan (qarang: ABOK, 2002 yil, № 5, 10-bet). Hozirgi vaqtda ushbu binoda energiya manbalaridan biri sifatida, quyosh panellari. NASA mutaxassislari bilan birgalikda elektroliz yo‘li bilan suvdan vodorod va kislorod olish uchun fotovoltaik panellardan foydalanish loyihasi ishlab chiqildi. Keyin vodorod yonilg'i xujayralarida elektr energiyasi va issiq suv ishlab chiqarish uchun ishlatiladi. Bu binoga bulutli kunlarda va tunda barcha tizimlarning ishlashini saqlab qolish imkonini beradi.
Yoqilg'i xujayralarining ishlash printsipi
Misol tariqasida proton almashinuv membranasi (Proton almashinuvi membranasi, PEM) bilan eng oddiy elementdan foydalangan holda yonilg'i xujayrasining ishlash printsipini ko'rib chiqaylik. Bunday element anod va katod katalizatorlari bilan birga anod (musbat elektrod) va katod (salbiy elektrod) orasiga joylashtirilgan polimer membranadan iborat. Elektrolit sifatida polimer membrana ishlatiladi. PEM elementining diagrammasi rasmda ko'rsatilgan. 5.
Proton almashinadigan membrana (PEM) nozik (taxminan 2-7 varaq qalin oddiy qog'oz) qattiq organik birikma. Bu membrana elektrolit vazifasini bajaradi: u suv ishtirokida moddani musbat va manfiy zaryadlangan ionlarga ajratadi.
Anodda oksidlanish jarayoni, katodda esa qaytarilish jarayoni sodir bo'ladi. PEM xujayrasidagi anod va katod uglerod va platina zarralari aralashmasi bo'lgan g'ovakli materialdan qilingan. Platina dissotsilanish reaktsiyasini rag'batlantiradigan katalizator vazifasini bajaradi. Anod va katod ular orqali mos ravishda vodorod va kislorodning erkin o'tishi uchun g'ovak holga keltiriladi.
Anod va katod ikkita metall plastinka orasiga joylashtiriladi, ular anod va katodga vodorod va kislorod etkazib beradi va issiqlik va suvni, shuningdek, elektr energiyasini olib tashlaydi.
Vodorod molekulalari plastinkadagi kanallar orqali anodga o'tadi, bu erda molekulalar alohida atomlarga parchalanadi (6-rasm).
5-rasm () Proton almashinuv membranasi (PEM) yonilg'i xujayrasining sxematik diagrammasi |
|
6-rasm () Plitadagi kanallar orqali vodorod molekulalari anodga kiradi, u erda molekulalar alohida atomlarga parchalanadi. |
|
7-rasm () Katalizator ishtirokida xemisorbtsiya natijasida vodorod atomlari protonlarga aylanadi. |
|
8-rasm () Ijobiy zaryadlangan vodorod ionlari membrana orqali katodga tarqaladi va elektron oqimi yuk ulangan tashqi elektr zanjiri orqali katodga yo'naltiriladi. |
|
9-rasm () Katodga berilgan kislorod katalizator ishtirokida proton almashinadigan membranadagi vodorod ionlari va tashqi elektr zanjiridagi elektronlar bilan kimyoviy reaksiyaga kiradi. Suv kimyoviy reaksiya natijasida hosil bo'ladi |
Keyin katalizator ishtirokida xemisorbsiya natijasida har biri bittadan elektron e - beruvchi vodorod atomlari musbat zaryadlangan vodorod ionlari H+, ya'ni protonlarga aylanadi (7-rasm).
Ijobiy zaryadlangan vodorod ionlari (protonlar) membrana orqali katodga tarqaladi va elektron oqimi yuk (elektr energiyasi iste'molchisi) ulangan tashqi elektr zanjiri orqali katodga yo'naltiriladi (8-rasm).
Katodga berilgan kislorod katalizator ishtirokida proton almashinadigan membranadagi vodorod ionlari (protonlar) va tashqi elektr zanjiridagi elektronlar bilan kimyoviy reaksiyaga kiradi (9-rasm). Kimyoviy reaksiya natijasida suv hosil bo'ladi.
Boshqa turdagi yonilg'i xujayrasidagi kimyoviy reaktsiya (masalan, fosfor kislotasi H 3 PO 4 eritmasi bo'lgan kislotali elektrolit bilan) proton almashinadigan membranali yonilg'i xujayrasidagi kimyoviy reaktsiya bilan mutlaqo bir xil.
Har qanday yonilg'i xujayrasida kimyoviy reaktsiya energiyasining bir qismi issiqlik sifatida chiqariladi.
Tashqi kontaktlarning zanglashiga olib keladigan elektronlar oqimi ish uchun ishlatiladigan to'g'ridan-to'g'ri oqimdir. Tashqi konturni ochish yoki vodorod ionlarining harakatini to'xtatish kimyoviy reaktsiyani to'xtatadi.
Yoqilg'i xujayrasi tomonidan ishlab chiqarilgan elektr energiyasi miqdori yonilg'i xujayrasi turiga, geometrik o'lchamlarga, haroratga, gaz bosimiga bog'liq. Bitta yonilg'i xujayrasi 1,16 V dan kam bo'lgan EMFni ta'minlaydi. Yoqilg'i xujayralari hajmini oshirish mumkin, lekin amalda bir nechta hujayralar ishlatiladi, batareyalarda ulanadi (10-rasm).
Yoqilg'i xujayrasi qurilmasi
Keling, PC25 Model C modeli misolida yonilg'i xujayrasi qurilmasini ko'rib chiqaylik. Yoqilg'i xujayrasi sxemasi rasmda ko'rsatilgan. o'n bir.
"PC25 Model C" yonilg'i xujayrasi uchta asosiy qismdan iborat: yonilg'i protsessori, haqiqiy energiya ishlab chiqarish bo'limi va kuchlanish konvertori.
Yoqilg'i xujayrasining asosiy qismi - energiya ishlab chiqarish bo'limi - 256 ta alohida yonilg'i xujayralaridan tashkil topgan stack. Yoqilg'i xujayrasi elektrodlarining tarkibi platina katalizatorini o'z ichiga oladi. Ushbu hujayralar orqali 155 voltlik kuchlanishda 1400 amperlik to'g'ridan-to'g'ri elektr toki hosil bo'ladi. Batareyaning o'lchamlari uzunligi taxminan 2,9 m, kengligi va balandligi esa 0,9 m.
Elektrokimyoviy jarayon 177 ° S haroratda sodir bo'lganligi sababli, batareyani ishga tushirish vaqtida isitish va ish paytida undan issiqlikni olib tashlash kerak. Buning uchun yonilg'i xujayrasi alohida suv sxemasini o'z ichiga oladi va batareya maxsus sovutish plitalari bilan jihozlangan.
Yoqilg'i protsessori tabiiy gazni elektrokimyoviy reaktsiya uchun zarur bo'lgan vodorodga aylantirish imkonini beradi. Bu jarayon islohot deb ataladi. Yoqilg'i protsessorining asosiy elementi islohotchi hisoblanadi. Islohotchida tabiiy gaz (yoki boshqa vodorod o'z ichiga olgan yoqilg'i) nikel katalizatori ishtirokida yuqori haroratda (900 ° C) va yuqori bosimda bug 'bilan reaksiyaga kirishadi. Quyidagi kimyoviy reaktsiyalar sodir bo'ladi:
CH 4 (metan) + H 2 O 3H 2 + CO
(reaktsiya endotermik, issiqlik yutilishi bilan);
CO + H 2 O H 2 + CO 2
(reaktsiya ekzotermik, issiqlik chiqishi bilan).
Umumiy reaktsiya tenglama bilan ifodalanadi:
CH 4 (metan) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2
(reaktsiya endotermik, issiqlik yutilishi bilan).
Tabiiy gazni konvertatsiya qilish uchun zarur bo'lgan yuqori haroratni ta'minlash uchun yoqilg'i xujayrasi to'plamidan sarflangan yoqilg'ining bir qismi islohotchini kerakli haroratda ushlab turadigan yondirgichga yo'naltiriladi.
Reforming uchun zarur bo'lgan bug 'yoqilg'i xujayrasining ishlashi paytida hosil bo'lgan kondensatdan hosil bo'ladi. Bunday holda, yonilg'i xujayrasi to'plamidan chiqarilgan issiqlik ishlatiladi (12-rasm).
Yoqilg'i xujayrasi to'plami intervalgacha to'g'ridan-to'g'ri oqim hosil qiladi, bu past kuchlanish va yuqori oqim bilan tavsiflanadi. Uni sanoat standartidagi AC ga aylantirish uchun kuchlanish konvertori ishlatiladi. Bundan tashqari, kuchlanish konvertor birligi turli xil nosozliklar yuzaga kelganda yonilg'i xujayrasini o'chirishga imkon beruvchi turli xil nazorat qurilmalari va xavfsizlik blokirovkalash davrlarini o'z ichiga oladi.
Bunday yonilg'i xujayrasida yoqilg'idagi energiyaning taxminan 40% elektr energiyasiga aylanishi mumkin. Taxminan bir xil miqdorda, yoqilg'i energiyasining taxminan 40% ga aylantirilishi mumkin issiqlik energiyasi, keyinchalik isitish, issiq suv ta'minoti va shunga o'xshash maqsadlar uchun issiqlik manbai sifatida ishlatiladi. Shunday qilib, bunday zavodning umumiy samaradorligi 80% ga yetishi mumkin.
Bunday issiqlik va elektr energiyasi manbasining muhim afzalligi uning avtomatik ishlashi imkoniyatidir. Yoqilg'i xujayrasi o'rnatilgan ob'ekt egalariga texnik xizmat ko'rsatish uchun maxsus o'qitilgan xodimlarni saqlash kerak emas - davriy texnik xizmat ko'rsatish operatsion tashkilot xodimlari tomonidan amalga oshirilishi mumkin.
Yoqilg'i xujayralari turlari
Hozirgi vaqtda yoqilg'i xujayralarining bir nechta turlari ma'lum, ular ishlatiladigan elektrolitlar tarkibida farqlanadi. Quyidagi to'rtta tur eng keng tarqalgan (2-jadval):
1. Proton almashinadigan membranali yonilg'i xujayralari (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).
2. Ortofosforik (fosforik) kislotaga asoslangan yoqilg'i xujayralari (Fosforik kislota yoqilg'i hujayralari, PAFC).
3. Eritilgan karbonatga asoslangan yoqilg'i xujayralari (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).
4. Qattiq oksidli yoqilg'i xujayralari (Qattiq oksidli yoqilg'i xujayralari, SOFC). Hozirgi vaqtda PAFC texnologiyasi asosida yonilg'i xujayralarining eng yirik parki qurilgan.
Asosiy xususiyatlardan biri turli xil turlari yonilg'i xujayrasi ish harorati. Ko'p jihatdan, bu yonilg'i xujayralarining ko'lamini belgilaydigan haroratdir. Misol uchun, noutbuklar uchun yuqori harorat juda muhim, shuning uchun bozorning ushbu segmenti uchun past ish haroratiga ega proton almashinuvi membranasi yonilg'i xujayralari ishlab chiqilmoqda.
Binolarni avtonom elektr energiyasi bilan ta'minlash uchun yuqori o'rnatilgan quvvatga ega yonilg'i xujayralari talab qilinadi va ayni paytda issiqlik energiyasidan foydalanish mumkin, shuning uchun boshqa turdagi yoqilg'i xujayralari ham ushbu maqsadlar uchun ishlatilishi mumkin.
Proton almashinuvi membranali yoqilg'i xujayralari (PEMFC)
Ushbu yonilg'i xujayralari nisbatan past ish haroratida (60-160 ° S) ishlaydi. Ular yuqori quvvat zichligi bilan ajralib turadi, chiqish quvvatini tezda sozlash imkonini beradi va tezda yoqilishi mumkin. Ushbu turdagi elementlarning kamchiliklari yoqilg'i sifatiga yuqori talablardir, chunki ifloslangan yoqilg'i membranani buzishi mumkin. Ushbu turdagi yoqilg'i xujayralarining nominal quvvati 1-100 kVtni tashkil qiladi.
Proton almashinuvi membranasi yonilg'i xujayralari dastlab General Electric korporatsiyasi tomonidan 1960-yillarda NASA uchun ishlab chiqilgan. Ushbu turdagi yonilg'i xujayrasi Proton almashinuv membranasi (PEM) deb nomlangan qattiq holatdagi polimer elektrolitidan foydalanadi. Protonlar proton almashinadigan membrana orqali harakatlanishi mumkin, ammo elektronlar u orqali o'ta olmaydi, natijada katod va anod o'rtasida potentsial farq paydo bo'ladi. Oddiyligi va ishonchliligi tufayli bunday yonilg'i xujayralari boshqariladigan qurilmalarda quvvat manbai sifatida ishlatilgan kosmik kema Egizaklar.
Ushbu turdagi yonilg'i xujayrasi mobil telefonlardan avtobuslar va statsionar energiya tizimlariga qadar turli xil qurilmalar, jumladan prototiplar va prototiplar uchun quvvat manbai sifatida ishlatiladi. Past ish harorati bunday hujayralarni har xil turdagi komplekslarni quvvatlantirish uchun ishlatishga imkon beradi elektron qurilmalar. Kamroq samaradorlik - katta miqdorda issiqlik energiyasi talab qilinadigan jamoat va sanoat binolari uchun issiqlik va elektr ta'minoti manbai sifatida ulardan foydalanish. Shu bilan birga, bunday elementlar issiq iqlimi bo'lgan hududlarda qurilgan kottejlar kabi kichik turar-joy binolari uchun avtonom elektr ta'minoti manbai sifatida istiqbolli.
| jadval 2 Yoqilg'i xujayralari turlari |
||||||||||||||||||||
|
Fosfor kislotasi yonilg'i xujayralari (PAFC)
Ushbu turdagi yoqilg'i xujayralari sinovlari 1970-yillarning boshlarida o'tkazilgan. Ishlash harorati oralig'i - 150-200 ° S. Qo'llashning asosiy sohasi o'rta quvvatli issiqlik va elektr ta'minotining avtonom manbalari (taxminan 200 kVt).
Ushbu yonilg'i xujayralarida ishlatiladigan elektrolitlar fosforik kislota eritmasi hisoblanadi. Elektrodlar uglerod bilan qoplangan qog'ozdan tayyorlanadi, unda platina katalizatori tarqaladi.
PAFC yonilg'i xujayralarining elektr samaradorligi 37-42% ni tashkil qiladi. Biroq, bu yonilg'i xujayralari etarlicha yuqori haroratda ishlaganligi sababli, operatsiya natijasida hosil bo'lgan bug'dan foydalanish mumkin. Bunday holda, umumiy samaradorlik 80% ga yetishi mumkin.
Energiya ishlab chiqarish uchun vodorod o'z ichiga olgan xom ashyoni isloh qilish jarayoni orqali sof vodorodga aylantirish kerak. Misol uchun, agar benzin yoqilg'i sifatida ishlatilsa, oltingugurt birikmalarini olib tashlash kerak, chunki oltingugurt platina katalizatoriga zarar etkazishi mumkin.
PAFC yonilg'i xujayralari iqtisodiy jihatdan oqlangan birinchi tijorat yonilg'i xujayralari edi. Eng keng tarqalgan model ONSI korporatsiyasi (hozirgi United Technologies, Inc.) tomonidan ishlab chiqarilgan 200 kVt quvvatga ega PC25 yonilg'i xujayrasi edi (13-rasm). Misol uchun, bu elementlar Nyu-York markaziy parkidagi politsiya bo'limida issiqlik va elektr manbai sifatida yoki Conde Nast Building & Four Times Square uchun qo'shimcha energiya manbai sifatida ishlatiladi. Ushbu turdagi eng yirik zavod Yaponiyada joylashgan 11 MVt quvvatga ega elektr stantsiyasi sifatida sinovdan o'tkazilmoqda.
Avtotransportda energiya manbai sifatida fosfor kislotasi asosidagi yonilg'i xujayralari ham qo'llaniladi. Masalan, 1994 yilda H-Power Corp., Jorjtaun universiteti va AQSh Energetika vazirligi avtobusni 50 kVt quvvatga ega elektr stantsiyasi bilan jihozladi.
Eritilgan karbonatli yoqilg'i xujayralari (MCFC)
Ushbu turdagi yoqilg'i xujayralari juda yuqori haroratlarda ishlaydi - 600-700 ° S. Ushbu ish harorati alohida islohotchiga ehtiyoj sezmasdan yoqilg'ini to'g'ridan-to'g'ri hujayraning o'zida ishlatishga imkon beradi. Bu jarayon "ichki islohot" deb ataladi. Bu yonilg'i xujayrasi dizaynini sezilarli darajada soddalashtirishga imkon beradi.
Eritilgan karbonatga asoslangan yonilg'i xujayralari katta ishga tushirish vaqtini talab qiladi va chiqish quvvatini tezda sozlashga imkon bermaydi, shuning uchun ularning asosiy qo'llanilishi issiqlik va elektr energiyasining katta statsionar manbalari hisoblanadi. Shu bilan birga, ular yoqilg'i konvertatsiyasining yuqori samaradorligi bilan ajralib turadi - 60% elektr samaradorligi va 85% gacha umumiy samaradorlik.
Ushbu turdagi yonilg'i xujayralarida elektrolitlar kaliy karbonat va lityum karbonat tuzlaridan iborat bo'lib, taxminan 650 ° S ga qadar isitiladi. Bunday sharoitda tuzlar erigan holatda bo'lib, elektrolit hosil qiladi. Anodda vodorod CO 3 ionlari bilan o'zaro ta'sir qiladi, suv, karbonat angidrid hosil qiladi va tashqi kontaktlarning zanglashiga olib keladigan elektronlarni chiqaradi, katodda esa kislorod karbonat angidrid va tashqi konturdan elektronlar bilan o'zaro ta'sir qiladi va yana CO 3 ionlarini hosil qiladi.
Ushbu turdagi yoqilg'i xujayralarining laboratoriya namunalari 1950-yillarning oxirida golland olimlari G. H. J. Broers va J. A. A. Ketelaar tomonidan yaratilgan. 1960-yillarda 17-asrning mashhur ingliz yozuvchisi va olimining avlodi muhandis Frensis T. Bekon ushbu elementlar bilan ishlagan, shuning uchun MCFC yonilg'i xujayralari ba'zan Bekon elementlari deb ataladi. NASAning Apollon, Apollon-Soyuz va Scylab dasturlari quvvat manbai sifatida aynan shunday yonilg'i xujayralaridan foydalangan (14-rasm). Xuddi shu yillarda AQSh harbiy departamenti Texas Instruments tomonidan ishlab chiqarilgan MCFC yonilg'i xujayralarining bir nechta namunalarini sinovdan o'tkazdi, ularda yoqilg'i sifatida armiya sinfidagi benzin ishlatilgan. 1970-yillarning o'rtalarida AQSh Energetika vazirligi amaliy qo'llanmalar uchun mos keladigan statsionar erigan karbonat yonilg'i xujayrasini yaratish bo'yicha tadqiqotlarni boshladi. 1990-yillarda 250 kVtgacha bo'lgan bir qator tijorat bloklari, masalan, Kaliforniyadagi AQSh dengiz kuchlarining Miramar havo stantsiyasi ishga tushirildi. 1996 yilda FuelCell Energy, Inc. yilda ishga tushirilgan sinov operatsiyasi Kaliforniyaning Santa Klara shahridagi 2 MVt quvvatga ega zavod.
Qattiq holatdagi oksidli yonilg'i xujayralari (SOFC)
Qattiq holatdagi oksidli yonilg'i xujayralari dizayni oddiy va juda yuqori haroratlarda ishlaydi - 700-1000 ° S. Bunday yuqori haroratlar nisbatan "iflos", qayta ishlanmagan yoqilg'idan foydalanishga imkon beradi. Eritilgan karbonatga asoslangan yonilg'i xujayralari bilan bir xil xususiyatlar, xuddi shunday qo'llash sohasini - issiqlik va elektr energiyasining katta statsionar manbalarini aniqlaydi.
Qattiq oksidli yonilg'i xujayralari tizimli ravishda PAFC va MCFC texnologiyalariga asoslangan yoqilg'i xujayralaridan farq qiladi. Anod, katod va elektrolitlar seramikaning maxsus navlaridan tayyorlanadi. Ko'pincha zirkonyum oksidi va kaltsiy oksidi aralashmasi elektrolit sifatida ishlatiladi, ammo boshqa oksidlardan foydalanish mumkin. Elektrolit har ikki tomondan gözenekli elektrod moddasi bilan qoplangan kristall panjara hosil qiladi. Strukturaviy tarzda, bunday elementlar quvurlar yoki tekis taxtalar shaklida ishlab chiqariladi, bu esa ularni ishlab chiqarishda elektronika sanoatida keng qo'llaniladigan texnologiyalardan foydalanish imkonini beradi. Natijada, qattiq oksidli yonilg'i xujayralari juda yuqori haroratlarda ishlashi mumkin, shuning uchun ular elektr va issiqlik energiyasini ishlab chiqarish uchun ishlatilishi mumkin.
Yuqori ish haroratida katodda kislorod ionlari hosil bo'ladi, ular kristall panjara orqali anodga o'tadi, ular vodorod ionlari bilan o'zaro ta'sir qiladi, suv hosil qiladi va erkin elektronlarni chiqaradi. Bunday holda, vodorod tabiiy gazdan to'g'ridan-to'g'ri hujayrada chiqariladi, ya'ni alohida islohotchiga ehtiyoj qolmaydi.
Qattiq holatdagi oksidli yonilg'i xujayralarini yaratishning nazariy asoslari 1930-yillarning oxirlarida, shveytsariyalik olimlar Bauer (Emil Bauer) va Preis (H. Preis) sirkoniy, ittriy, seriy, lantan va volfram bilan tajriba o'tkazganlarida, ulardan foydalangan holda yaratilgan. elektrolitlar sifatida.
Bunday yoqilg'i xujayralarining birinchi prototiplari 1950-yillarning oxirida bir qator Amerika va Gollandiya kompaniyalari tomonidan yaratilgan. Ushbu kompaniyalarning aksariyati texnologik qiyinchiliklar tufayli tez orada keyingi tadqiqotlarni to'xtatdi, ammo ulardan biri Westinghouse Electric Corp. (hozirgi "Siemens Westinghouse Power Corporation"), ishni davom ettirdi. Hozirda kompaniya joriy yilda kutilayotgan qattiq oksidli yonilg'i xujayrasi quvurli topologiyasining tijorat modeliga oldindan buyurtmalarni qabul qilmoqda (15-rasm). Bunday elementlarning bozor segmenti quvvati 250 kVt dan 5 MVt gacha bo'lgan issiqlik va elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun statsionar qurilmalardir.
SOFC tipidagi yonilg'i xujayralari juda yuqori ishonchliligini ko'rsatdi. Misol uchun, Siemens Westinghouse yonilg'i xujayrasi prototipi 16 600 soat ishlagan va ishlashda davom etmoqda, bu esa uni dunyodagi eng uzoq davomiy yonilg'i xujayrasi muddatiga aylantiradi.
SOFC yonilg'i xujayralarining yuqori haroratli, yuqori bosimli ish rejimi gibrid zavodlarni yaratishga imkon beradi, ularda yoqilg'i xujayrasi chiqindilari elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun ishlatiladigan gaz turbinalarini harakatga keltiradi. Birinchi bunday gibrid zavod Kaliforniyaning Irvine shahrida ishlamoqda. Ushbu stansiyaning nominal quvvati 220 kVtni tashkil etadi, shundan 200 kVt yonilg'i xujayrasidan va 20 kVt mikroturbin generatoridan.
Qo'shma Shtatlar 2020 yilgacha yonilg'i xujayrasi transport vositalarini amaliy va tejamkor qilish uchun vodorod yonilg'i xujayralari, infratuzilma va texnologiyalarni rivojlantirish bo'yicha bir qancha tashabbuslar bilan chiqdi. Bu maqsadlar uchun bir milliard dollardan ortiq mablag‘ ajratildi.
Yoqilg'i xujayralari ifloslanishsiz tinch va samarali elektr energiyasini ishlab chiqaradi muhit. Fotoalbom yoqilg'i energiya manbalaridan farqli o'laroq, yoqilg'i xujayralarining qo'shimcha mahsuloti issiqlik va suvdir. U qanday ishlaydi?
Ushbu maqolada biz mavjud bo'lganlarning har birini qisqacha ko'rib chiqamiz yoqilg'i texnologiyalari bugungi kunda, shuningdek, yonilg'i xujayralari dizayni va ishlashi haqida gapiring, ularni energiya ishlab chiqarishning boshqa shakllari bilan solishtiring. Shuningdek, biz tadqiqotchilar yonilg'i xujayralarini iste'molchilar uchun amaliy va arzon qilishda duch keladigan ba'zi to'siqlarni muhokama qilamiz.
Yoqilg'i xujayralari elektrokimyoviy energiyani o'zgartirish qurilmalari. Yoqilg'i xujayrasi aylanadi kimyoviy moddalar, vodorod va kislorod suvga aylanadi, bu jarayonda u elektr energiyasini ishlab chiqaradi.
Hammamizga yaxshi tanish bo'lgan yana bir elektrokimyoviy qurilma batareyadir. Batareyaning ichida barcha kerakli kimyoviy elementlar mavjud va bu moddalarni elektrga aylantiradi. Bu shuni anglatadiki, batareya oxir-oqibat "o'ladi" va siz uni tashlab yuborasiz yoki uni qayta zaryad qilasiz.
Yoqilg'i xujayrasida kimyoviy moddalar doimo "o'lib qolmasligi" uchun unga oziqlanadi. Kimyoviy moddalar hujayra ichiga kirguncha elektr energiyasi ishlab chiqariladi. Bugungi kunda ishlatiladigan yonilg'i xujayralarining aksariyati vodorod va kisloroddan foydalanadi.
Vodorod bizning galaktikamizdagi eng keng tarqalgan elementdir. Biroq, vodorod deyarli elementar shaklida Yerda mavjud emas. Muhandislar va olimlar vodorod birikmalaridan, shu jumladan qazib olinadigan yoqilg'i yoki suvdan toza vodorodni olishlari kerak. Ushbu birikmalardan vodorodni olish uchun siz issiqlik yoki elektr energiyasi shaklida energiya sarflashingiz kerak.
Yoqilg'i xujayralari ixtirosi
Ser Uilyam Grove 1839 yilda birinchi yoqilg'i xujayrasini ixtiro qildi. Grove suv orqali elektr tokini o'tkazib, vodorod va kislorodga bo'linish mumkinligini bilar edi (bu jarayon deb ataladi). elektroliz). U teskari tartibda elektr va suv olish mumkinligini taklif qildi. U ibtidoiy yonilg'i xujayrasini yaratdi va uni chaqirdi gaz galvanik batareyasi. O'zining yangi ixtirosi bilan tajriba o'tkazgach, Grove o'z farazini isbotladi. Ellik yil o'tgach, olimlar Lyudvig Mond va Charlz Langer bu atamani ishlab chiqdilar yonilg'i xujayralari energiya ishlab chiqarish uchun amaliy modelni yaratishga harakat qilganda.
Yoqilg'i xujayrasi boshqa ko'plab energiya konvertatsiya qurilmalari, jumladan, shahar elektr stantsiyalaridagi gaz turbinalari, avtomobillardagi ichki yonuv dvigatellari va barcha turdagi akkumulyatorlar bilan raqobatlashadi. Gaz turbinalari kabi ichki yonish dvigatellari yonadi har xil turlari yoqilg'i va gazlarning kengayishi natijasida hosil bo'lgan bosimdan mexanik ishlarni bajarish uchun foydalaning. Batareyalar kerak bo'lganda kimyoviy energiyani elektr energiyasiga aylantiradi. Yoqilg'i xujayralari bu vazifalarni yanada samarali bajarishi kerak.
Yoqilg'i xujayrasi doimiy (to'g'ridan-to'g'ri oqim) kuchlanishini ta'minlaydi, bu elektr motorlarini, yoritishni va boshqa elektr jihozlarini quvvatlantirish uchun ishlatilishi mumkin.
Yoqilg'i xujayralarining bir nechta turlari mavjud, ularning har biri turli xil kimyoviy jarayonlardan foydalanadi. Yoqilg'i xujayralari odatda ularning xususiyatlariga ko'ra tasniflanadi ish harorati va turielektrolitlar, ular foydalanadigan. Yoqilg'i xujayralarining ayrim turlari statsionar elektr stantsiyalarida foydalanish uchun juda mos keladi. Boshqalar kichik ko'chma qurilmalar uchun yoki avtomobillarni quvvatlantirish uchun foydali bo'lishi mumkin. Yoqilg'i xujayralarining asosiy turlariga quyidagilar kiradi:
Polimer almashinuv membranasi yonilg'i xujayrasi (PEMFC)
PEMFC transport dasturlari uchun eng ehtimoliy nomzod hisoblanadi. PEMFC ham yuqori quvvatga, ham nisbatan past ish haroratiga ega (60 dan 80 daraja Selsiy oralig'ida). Past ish harorati yoqilg'i xujayralari elektr energiyasini ishlab chiqarishni boshlash uchun tezda isishi mumkinligini anglatadi.
Qattiq oksidli yonilg'i xujayrasi (SOFC)
Ushbu yonilg'i xujayralari zavodlar yoki shaharlarni elektr energiyasi bilan ta'minlaydigan yirik statsionar elektr generatorlari uchun eng mos keladi. Ushbu turdagi yoqilg'i xujayrasi juda yuqori haroratlarda (700 dan 1000 darajagacha) ishlaydi. Yuqori harorat ishonchlilik muammosidir, chunki ba'zi yonilg'i xujayralari yoqish va o'chirishning bir necha davrlaridan keyin ishlamay qolishi mumkin. Biroq, qattiq oksidli yonilg'i xujayralari uzluksiz ishlashda juda barqaror. Darhaqiqat, SOFClar ma'lum sharoitlarda har qanday yonilg'i xujayrasining eng uzoq ishlash muddatini ko'rsatdi. Yuqori harorat, shuningdek, yoqilg'i xujayralari tomonidan ishlab chiqarilgan bug 'turbinaga yo'naltirilishi va ko'proq elektr energiyasi ishlab chiqarishi mumkin bo'lgan afzalliklarga ega. Bu jarayon deyiladi issiqlik va elektr energiyasini kogeneratsiya qilish va umumiy tizim samaradorligini oshiradi.
Ishqoriy yonilg'i xujayrasi (AFC)
Bu 1960-yillardan beri foydalanilgan eng qadimgi yonilg'i xujayrasi dizaynlaridan biridir. AFClar ifloslanishga juda moyil, chunki ular toza vodorod va kislorodni talab qiladi. Bundan tashqari, ular juda qimmat, shuning uchun bu turdagi yonilg'i xujayrasi ommaviy ishlab chiqarishga kiritilishi ehtimoldan yiroq emas.
Eritilgan karbonatli yonilg'i xujayrasi (MCFC)
SOFC kabi, bu yonilg'i xujayralari ham yirik statsionar elektr stantsiyalari va generatorlar uchun eng mos keladi. Ular 600 daraja Selsiyda ishlaydi, shuning uchun ular bug' ishlab chiqarishi mumkin, bu esa o'z navbatida yanada ko'proq quvvat ishlab chiqarish uchun ishlatilishi mumkin. Ular qattiq oksidli yonilg'i xujayralariga qaraganda past ish haroratiga ega, ya'ni ular bunday issiqlikka chidamli materiallarga muhtoj emas. Bu ularni biroz arzonlashtiradi.
Fosfor kislotali yonilg'i xujayrasi (PAFC)
Fosfor kislotasi yonilg'i xujayrasi kichik statsionar energiya tizimlarida foydalanish imkoniyatiga ega. U polimer almashinuvi membranasi yonilg'i xujayrasidan yuqori haroratda ishlaydi, shuning uchun uni isitish uchun ko'proq vaqt talab etiladi, bu esa uni avtomobilda ishlatish uchun yaroqsiz holga keltiradi.
Metanol yonilg'i xujayralari To'g'ridan-to'g'ri metanol yoqilg'i xujayrasi (DMFC)
Metanol yonilg'i xujayralari ish harorati bo'yicha PEMFC bilan solishtirish mumkin, ammo unchalik samarali emas. Bundan tashqari, DMFC katalizator sifatida juda ko'p platina talab qiladi, bu esa bu yoqilg'i xujayralarini qimmat qiladi.
Polimer almashinuvi membranasi bilan yonilg'i xujayrasi
Polimer almashinuv membranasi yonilg'i xujayrasi (PEMFC) eng istiqbolli yonilg'i xujayrasi texnologiyalaridan biridir. PEMFC har qanday yoqilg'i xujayrasining eng oddiy reaktsiyalaridan birini qo'llaydi. U nimadan iboratligini ko'rib chiqing.
1. LEKIN tugun - Yoqilg'i xujayrasining salbiy terminali. U vodorod molekulalaridan ajralib chiqadigan elektronlarni o'tkazadi, shundan so'ng ular tashqi konturda ishlatilishi mumkin. U vodorod gazi katalizator yuzasiga teng ravishda taqsimlanadigan kanallar bilan o'yilgan.
2.Kimga atom - yonilg'i xujayrasining musbat terminalida kislorodni katalizator yuzasiga tarqatish uchun kanallar ham mavjud. Shuningdek, u katalizatorning tashqi zanjiridan elektronlarni qaytarib o'tkazadi, ular vodorod va kislorod ionlari bilan suv hosil qilish uchun birlashishi mumkin.
3.Elektrolit-proton almashinuvi membranasi. Bu faqat musbat zaryadlangan ionlarni o'tkazadigan va elektronlarni bloklaydigan maxsus ishlov berilgan materialdir. PEMFCda membrana to'g'ri ishlashi va barqaror bo'lib qolishi uchun namlangan bo'lishi kerak.
4. Katalizator kislorod va vodorodning reaktsiyasini ta'minlovchi maxsus materialdir. Odatda u uglerod qog'ozi yoki matoga juda nozik tarzda yotqizilgan platina nanozarralaridan tayyorlanadi. Katalizator shunday sirt tuzilishiga egaki, platinaning maksimal sirt maydoni vodorod yoki kislorodga ta'sir qilishi mumkin.
Rasmda anod tomondan yonilg'i xujayrasiga bosim ostida kiradigan vodorod gazi (H2) ko'rsatilgan. H2 molekulasi katalizatorda platina bilan aloqa qilganda, u ikkita H+ ioniga va ikkita elektronga ajraladi. Elektronlar anod orqali o'tadi, u erda ular tashqi kontaktlarning zanglashiga olib keladi (bajarish foydali ish, vosita aylanishi kabi) va yonilg'i xujayrasining katod tomoniga qayting.
Ayni paytda, yonilg'i xujayrasining katod tomonida havodan kislorod (O2) katalizatordan o'tib, ikkita kislorod atomini hosil qiladi. Bu atomlarning har biri kuchli manfiy zaryadga ega. Ushbu manfiy zaryad membrana bo'ylab ikkita H + ionini tortadi, bu erda ular kislorod atomi va tashqi kontaktlarning zanglashiga olib keladigan ikkita elektron bilan suv molekulasini (H2O) hosil qiladi.
Bitta yonilg'i xujayrasidagi bu reaktsiya faqat taxminan 0,7 volt hosil qiladi. Voltajni oqilona darajaga ko'tarish uchun ko'plab alohida yonilg'i xujayralari yonilg'i xujayrasi to'plamini hosil qilish uchun birlashtirilishi kerak. Bipolyar plitalar bir yonilg'i xujayrasini boshqasiga ulash uchun ishlatiladi va potentsialning pasayishi bilan oksidlanishdan o'tadi. Bipolyar plitalarning katta muammosi ularning barqarorligidir. Metall bipolyar plitalar korroziyaga uchraydi va yon mahsulotlar (temir va xrom ionlari) yonilg'i xujayrasi membranalari va elektrodlarining samaradorligini pasaytiradi. Shuning uchun past haroratli yonilg'i xujayralari engil metallar, grafit va uglerod va termoset moddasining kompozit birikmalaridan (termosetting material - bu yuqori haroratga duchor bo'lganda ham mustahkam bo'lib qoladigan plastmassa turi) bipolyar qatlamli material shaklida foydalanadi.
Yoqilg'i xujayrasi samaradorligi
Yoqilg'i xujayrasining asosiy maqsadlaridan biri ifloslanishni kamaytirishdir. Yoqilg'i xujayrasi bilan ishlaydigan avtomobilni benzinli dvigatel bilan ishlaydigan avtomobil va akkumulyator bilan ishlaydigan avtomobilni taqqoslab, yonilg'i xujayralari avtomobillarning samaradorligini qanday oshirishini ko'rishingiz mumkin.
Har uch turdagi avtomobillar bir xil komponentlarga ega bo'lganligi sababli, biz mashinaning bu qismini e'tiborsiz qoldiramiz va taqqoslaymiz foydali harakatlar mexanik energiya hosil bo'ladigan nuqtaga. Yoqilg'i xujayrasi avtomobilidan boshlaylik.
Agar yonilg'i xujayrasi toza vodorod bilan quvvatlansa, uning samaradorligi 80 foizgacha bo'lishi mumkin. Shunday qilib, u vodorod tarkibidagi energiyaning 80 foizini elektr energiyasiga aylantiradi. Biroq, biz hali ham elektr energiyasini mexanik ishga aylantirishimiz kerak. Bunga elektr motor va inverter orqali erishiladi. Dvigatel + invertorning samaradorligi ham taxminan 80 foizni tashkil qiladi. Bu taxminan 80*80/100=64 foiz umumiy samaradorlikni beradi. Honda kompaniyasining FCX kontseptual avtomobili 60 foiz energiya tejamkorligiga ega.
Yoqilg'i manbai sof vodorod shaklida bo'lmasa, u holda transport vositasi islohotchi ham kerak bo'ladi. Islohotchilar uglevodorod yoki spirtli yoqilg'ini vodorodga aylantiradilar. Ular issiqlik hosil qiladi va vodoroddan tashqari CO va CO2 hosil qiladi. Olingan vodorodni tozalash uchun ular foydalanadilar turli qurilmalar, lekin bu tozalash etarli emas va yonilg'i xujayrasining samaradorligini pasaytiradi. Shu sababli, tadqiqotchilar vodorodni ishlab chiqarish va saqlash bilan bog'liq muammolarga qaramay, sof vodorodda ishlaydigan transport vositalari uchun yonilg'i xujayralariga e'tibor qaratishga qaror qilishdi.
Elektr batareyalarida benzinli dvigatel va avtomobilning samaradorligi
Benzin bilan ishlaydigan avtomobilning samaradorligi hayratlanarli darajada past. Egzoz shaklida chiqadigan yoki radiator tomonidan so'rilgan barcha issiqlik behuda energiya hisoblanadi. Dvigatel, shuningdek, uning ishlashini ta'minlaydigan turli nasoslar, fanatlar va generatorlarni aylantirish uchun juda ko'p energiya sarflaydi. Shunday qilib, avtomobil benzinli dvigatelining umumiy samaradorligi taxminan 20 foizni tashkil qiladi. Shunday qilib, benzinning issiqlik energiyasining faqat taxminan 20 foizi mexanik ishlarga aylanadi.
Akkumulyatorli elektr transport vositasi ancha yuqori samaradorlikka ega. Batareya taxminan 90 foiz samarali (aksariyat batareyalar biroz issiqlik hosil qiladi yoki isitishni talab qiladi), vosita + invertor esa taxminan 80 foiz samarali. Bu taxminan 72 foiz umumiy samaradorlikni beradi.
Lekin bu hammasi emas. Elektromobil harakatlanishi uchun avvalo biror joyda elektr energiyasi ishlab chiqarilishi kerak. Agar u qazib olinadigan yoqilg'ini yoqish jarayonidan (atom, gidroelektr, quyosh yoki shamol energiyasidan ko'ra) foydalangan elektr stantsiyasi bo'lsa, u holda elektr stantsiyasi tomonidan iste'mol qilinadigan yoqilg'ining atigi 40 foizi elektr energiyasiga aylantirildi. Bundan tashqari, avtomobilni zaryad qilish jarayoni o'zgaruvchan tok (AC) quvvatini to'g'ridan-to'g'ri oqim (DC) quvvatiga aylantirishni talab qiladi. Ushbu jarayonning samaradorligi taxminan 90% ni tashkil qiladi.
Endi, agar biz butun tsiklni ko'rib chiqsak, elektr transport vositasining samaradorligi avtomobilning o'zi uchun 72 foiz, elektr stantsiyasi uchun 40 foiz va avtomobilni zaryad qilish uchun 90 foizni tashkil qiladi. Bu 26 foiz umumiy samaradorlikni beradi. Umumiy samaradorlik batareyani zaryad qilish uchun ishlatiladigan elektr stantsiyasiga qarab sezilarli darajada farq qiladi. Agar avtomobil uchun elektr energiyasi, masalan, gidroelektrostantsiya tomonidan ishlab chiqarilgan bo'lsa, u holda elektromobilning samaradorligi taxminan 65 foizni tashkil qiladi.
Olimlar yonilg'i xujayrasi samaradorligini oshirishni davom ettirish uchun dizaynlarni tadqiq qilishmoqda va takomillashtirishmoqda. Yangi yondashuvlardan biri yonilg'i xujayrasi va akkumulyatorli transport vositalarini birlashtirishdir. Yoqilg'i xujayrasi bilan ishlaydigan gibrid quvvati bilan ishlaydigan kontseptual avtomobil ishlab chiqilmoqda. U avtomobilni quvvatlantirish uchun lityum batareyadan foydalanadi, yonilg'i xujayrasi esa batareyani qayta zaryad qiladi.
Yoqilg'i xujayrasi transport vositalari qazib olinadigan yoqilg'isiz elektr stantsiyasidan quvvatlanadigan akkumulyatorli avtomobil kabi samaralidir. Ammo bunday salohiyatga erishish amaliy va erishish mumkin bo'lgan usul qiyin bo'lishi mumkin.
Nima uchun yonilg'i xujayralari ishlatiladi?
Asosiy sabab - neft bilan bog'liq hamma narsa. Amerika o'z neftining qariyb 60 foizini import qilishi kerak. 2025 yilga kelib, import 68% gacha ko'tarilishi kutilmoqda. Amerikaliklar har kuni neftning uchdan ikki qismini transport uchun ishlatishadi. Ko'chadagi har bir mashina gibrid avtomobil bo'lsa ham, 2025 yilga borib AQSh hali ham amerikaliklar 2000 yilda iste'mol qilgan neft miqdorini ishlatishi kerak bo'ladi. Darhaqiqat, Amerika dunyodagi barcha neftning to'rtdan birini iste'mol qiladi, garchi bu erda dunyo aholisining atigi 4,6 foizi istiqomat qiladi.
Mutaxassislar neft narxi keyingi bir necha o'n yilliklarda o'sishda davom etishini kutmoqda, chunki arzonroq manbalar qurib qoladi. Neft kompaniyalari rivojlanishi kerak neft konlari tobora og'ir sharoitlarda neft narxining oshishiga olib keldi.
Qo'rquvlar uzoqqa cho'ziladi iqtisodiy xavfsizlik. Neft sotishdan tushgan mablag‘ning katta qismi xalqaro terrorizm, radikal siyosiy partiyalar, neft qazib oluvchi hududlardagi beqaror vaziyatni qo‘llab-quvvatlashga sarflanadi.
Energiya uchun neft va boshqa qazilma yoqilg'ilardan foydalanish ifloslanishni keltirib chiqaradi. Har bir inson uchun eng yaxshi variant - energiya uchun qazib olinadigan yoqilg'ilarni yoqish.
Yoqilg'i xujayralari neftga qaramlik uchun jozibali muqobildir. Yoqilg'i xujayralari ifloslanish o'rniga yon mahsulot sifatida toza suv ishlab chiqaradi. Muhandislar vaqtincha benzin yoki tabiiy gaz kabi turli qazilma manbalardan vodorod ishlab chiqarishga e'tibor qaratgan bo'lsa-da, kelajakda vodorod ishlab chiqarishning qayta tiklanadigan, ekologik toza usullari o'rganilmoqda. Eng istiqbolli, albatta, suvdan vodorod olish jarayoni bo'ladi.
Neftga qaramlik va global isish xalqaro muammodir. Yoqilg'i xujayrasi texnologiyasi bo'yicha tadqiqot va ishlanmalarni ishlab chiqishda bir nechta davlatlar birgalikda ishtirok etmoqda.
Shubhasiz, yonilg'i xujayralari muqobil bo'lishidan oldin olimlar va ishlab chiqaruvchilar juda ko'p ish qilishlari kerak. zamonaviy usullar energiya ishlab chiqarish. Va shunga qaramay, butun dunyo va global hamkorlik ko'magida yonilg'i xujayralari asosida ishlaydigan hayotiy energiya tizimi bir necha o'n yil ichida haqiqatga aylanishi mumkin.
yonilg'i xujayrasi ( yonilg'i xujayrasi) kimyoviy energiyani elektr energiyasiga aylantiruvchi qurilma. U printsipial jihatdan an'anaviy akkumulyatorga o'xshaydi, lekin uning ishlashi elektrokimyoviy reaksiya sodir bo'lishi uchun tashqi tomondan doimiy moddalarni etkazib berishni talab qilishi bilan farq qiladi. Yoqilg'i xujayralari vodorod va kislorod bilan ta'minlanadi va chiqish elektr, suv va issiqlikdir. Ularning afzalliklari orasida ekologik tozalik, ishonchlilik, chidamlilik va foydalanish qulayligi mavjud. An'anaviy akkumulyatorlardan farqli o'laroq, elektrokimyoviy konvertorlar yoqilg'i mavjud ekan, deyarli cheksiz ishlaydi. To'liq quvvatlanmaguncha ularni soatlab zaryad qilish shart emas. Bundan tashqari, hujayralar o'zlari dvigatel o'chirilgan holda mashina to'xtab turganda batareyani zaryadlashlari mumkin.
Proton membranli yonilg'i xujayralari (PEMFC) va qattiq oksidli yonilg'i xujayralari (SOFC) vodorodli transport vositalarida eng ko'p qo'llaniladi.
Proton almashinuvi membranasiga ega yonilg'i xujayrasi quyidagicha ishlaydi. Anod va katod o'rtasida maxsus membrana va platina bilan qoplangan katalizator mavjud. Vodorod anodga, kislorod esa katodga (masalan, havodan) kiradi. Anodda vodorod katalizator yordamida proton va elektronlarga parchalanadi. Vodorod protonlari membranadan o'tib, katodga kiradi, elektronlar esa tashqi konturga beriladi (membrana ularni o'tkazib yubormaydi). Shu tarzda olingan potentsial farq elektr tokining paydo bo'lishiga olib keladi. Katod tomonida vodorod protonlari kislorod bilan oksidlanadi. Natijada, avtomobil chiqindi gazlarining asosiy elementi bo'lgan suv bug'lari hosil bo'ladi. Yuqori samaradorlikka ega bo'lgan PEM hujayralari bitta muhim kamchilikka ega - ularning ishlashi toza vodorodni talab qiladi, uni saqlash juda jiddiy muammodir.
Agar bu hujayralardagi qimmatbaho platina o‘rnini bosadigan shunday katalizator topilsa, darhol elektr energiyasi ishlab chiqarish uchun arzon yonilg‘i xujayrasi yaratiladi, ya’ni dunyo neftga qaramlikdan xalos bo‘ladi.
Qattiq oksidli hujayralar
Qattiq oksidli SOFC xujayralari yoqilg'ining tozaligiga nisbatan kamroq talabga ega. Bundan tashqari, POX islohotchisi (qisman oksidlanish - qisman oksidlanish) dan foydalanish tufayli bunday hujayralar oddiy benzinni yoqilg'i sifatida iste'mol qilishi mumkin. Benzinni to'g'ridan-to'g'ri elektr energiyasiga aylantirish jarayoni quyidagicha. Maxsus qurilma - islohotchida, taxminan 800 ° C haroratda, benzin bug'lanadi va uning tarkibiy elementlariga parchalanadi.
Bu vodorod va karbonat angidridni chiqaradi. Bundan tashqari, harorat ta'sirida va to'g'ridan-to'g'ri SOFC yordamida (g'ovakdan iborat keramik material zirkonyum oksidi asosida), vodorod havodagi kislorod bilan oksidlanadi. Benzindan vodorodni olgandan so'ng, jarayon yuqorida tavsiflangan stsenariy bo'yicha davom etadi, faqat bitta farq bilan: SOFC yonilg'i xujayrasi, vodorodda ishlaydigan qurilmalardan farqli o'laroq, asl yoqilg'idagi begona aralashmalarga nisbatan kamroq sezgir. Shunday qilib, benzin sifati yonilg'i xujayrasining ishlashiga ta'sir qilmasligi kerak.
SOFC ning yuqori ish harorati (650-800 daraja) muhim kamchilikdir, isitish jarayoni taxminan 20 daqiqa davom etadi. Biroq, ortiqcha issiqlik muammo emas, chunki u islohotchi va yonilg'i xujayrasining o'zi tomonidan ishlab chiqarilgan qolgan havo va chiqindi gazlar tomonidan butunlay chiqariladi. Bu SOFC tizimini avtomashinaga termal izolyatsiyalangan korpusda mustaqil qurilma sifatida birlashtirish imkonini beradi.
Modulli struktura tomonidan kerakli kuchlanishga erishish imkonini beradi ketma-ket ulanish standart hujayralar to'plami. Va, ehtimol, eng muhimi, bunday qurilmalarni joriy etish nuqtai nazaridan, SOFCda juda qimmat platina asosidagi elektrodlar mavjud emas. PEMFC texnologiyasini ishlab chiqish va tarqatishdagi to'siqlardan biri bu elementlarning yuqori narxidir.
Yoqilg'i xujayralari turlari
Hozirgi vaqtda yoqilg'i xujayralarining bunday turlari mavjud:
- A.F.C.– Ishqoriy yoqilg‘i xujayrasi (ishqoriy yonilg‘i xujayrasi);
- PAFC– Fosfor kislotasi yonilg‘i xujayrasi (fosfor kislotasi yonilg‘i xujayrasi);
- PEMFC– Proton almashinuv membranasi yonilg'i xujayrasi (proton almashinuv membranasi bilan yonilg'i xujayrasi);
- DMFC– To‘g‘ridan-to‘g‘ri metanol yoqilg‘i xujayrasi (to‘g‘ridan-to‘g‘ri metanol parchalanadigan yoqilg‘i xujayrasi);
- MCFC– Eritilgan karbonat yonilg'i xujayrasi (erigan karbonatning yonilg'i xujayrasi);
- SOFC– Qattiq oksidli yoqilg‘i xujayrasi (qattiq oksidli yonilg‘i xujayrasi).
Ser Uilyam Grove elektroliz haqida ko'p narsalarni bilar edi, shuning uchun u bu jarayon (suvni uning tarkibiy qismi bo'lgan vodorod va kislorodga elektr tokini o'tkazish orqali ajratadigan) teskari bo'lsa, ishlab chiqarishi mumkinligini taxmin qildi. Qog'ozda hisob-kitob qilib, tajriba bosqichiga o'tdi va o'z fikrlarini isbotlashga muvaffaq bo'ldi. Tasdiqlangan gipotezani olimlar Lyudvig Mond va uning yordamchisi Charlz Langre ishlab chiqdi, texnologiyani takomillashtirdi va 1889 yilda unga ikkita so'zni o'z ichiga olgan nom berdi - "yoqilg'i xujayrasi".
Endi bu ibora avtoulovchilarning kundalik hayotida mustahkam o'rin oldi. Siz, albatta, "yoqilg'i xujayrasi" atamasini bir necha marta eshitgansiz. Internetdagi yangiliklarda, televizorda yangi so'zlar tobora ko'payib bormoqda. Ular odatda eng so'nggi gibrid transport vositalari yoki ushbu gibrid transport vositalarini ishlab chiqish dasturlari haqidagi hikoyalarga murojaat qiladilar.
Misol uchun, 11 yil oldin AQShda "Vodorod yoqilg'isi tashabbusi" dasturi ishga tushirildi. Dastur 2020 yilgacha yonilg'i xujayrasi transport vositalarini amaliy va iqtisodiy jihatdan foydali qilish uchun zarur bo'lgan vodorod yonilg'i xujayralari va infratuzilma texnologiyalarini rivojlantirishga qaratilgan. Aytgancha, shu vaqt ichida dasturga 1 milliard dollardan ko'proq mablag 'ajratildi, bu AQSh rasmiylari jiddiy tikilganidan dalolat beradi.
Okeanning narigi tomonida avtomobil ishlab chiqaruvchilari ham hushyor bo'lib, yoqilg'i xujayrasi avtomobillari bo'yicha tadqiqotlarni boshlashdi yoki davom ettirishdi. , va hatto mustahkam yonilg'i xujayrasi texnologiyasini yaratish ustida ishlashni davom ettirdi.
Barcha jahon avtomobil ishlab chiqaruvchilari orasida ushbu sohadagi eng katta muvaffaqiyatga ikki yapon avtomobil ishlab chiqaruvchisi erishdi va. Ularning yonilg'i xujayrasi modellari allaqachon to'liq ishlab chiqarilmoqda, raqobatchilar esa ularning orqasida.
Shu sababli, avtomobil sanoatida yonilg'i xujayralari bu erda qoladi. Texnologiyaning tamoyillarini va uni zamonaviy avtomobillarda qo'llashni ko'rib chiqing.
Yoqilg'i xujayrasining ishlash printsipi
Aslini olib qaraganda, . Texnik nuqtai nazardan, yonilg'i xujayrasi energiyani aylantirish uchun elektrokimyoviy qurilma sifatida belgilanishi mumkin. U vodorod va kislorod zarralarini suvga aylantiradi, bu jarayonda elektr energiyasi, to'g'ridan-to'g'ri oqim hosil qiladi.
Yoqilg'i xujayralarining ko'p turlari mavjud, ba'zilari allaqachon avtomobillarda qo'llanilgan, boshqalari tadqiqotda sinovdan o'tkazilmoqda. Ularning aksariyati asosiy sifatida vodorod va kisloroddan foydalanadi kimyoviy elementlar konvertatsiya qilish uchun zarur.
Shunga o'xshash protsedura an'anaviy akkumulyatorda sodir bo'ladi, yagona farq shundaki, u "bortda" konvertatsiya qilish uchun zarur bo'lgan barcha zarur kimyoviy moddalarga ega, yoqilg'i xujayrasi esa tashqi manbadan "zaryadlanishi" mumkin, buning natijasida " elektr energiyasi ishlab chiqarish davom ettirilishi mumkin. Suv bug'lari va elektr energiyasidan tashqari, protseduraning yana bir qo'shimcha mahsuloti ishlab chiqarilgan issiqlikdir.
Proton almashinadigan membrana vodorod-kislorod yonilg'i xujayrasi ikkita elektrodni, anodni va katodni ajratib turadigan proton o'tkazuvchi polimer membranani o'z ichiga oladi. Har bir elektrod odatda cho'ktirilgan katalizator - platina yoki platinoidlar qotishmasi va boshqa kompozitsiyalarga ega bo'lgan uglerod plitasi (matritsasi).
Anod katalizatorida molekulyar vodorod ajraladi va elektronlarni yo'qotadi. Vodorod kationlari membrana orqali katodga o'tadi, ammo elektronlar tashqi kontaktlarning zanglashiga olib keladi, chunki membrana elektronlarning o'tishiga yo'l qo'ymaydi.
Katod katalizatorida kislorod molekulasi elektron (tashqi aloqalardan ta'minlanadi) va kiruvchi proton bilan birlashadi va yagona reaktsiya mahsuloti (bug 'va/yoki suyuqlik shaklida) bo'lgan suvni hosil qiladi.
wikipedia.org
Avtomobillarda qo'llash
Yoqilg'i xujayralarining barcha turlaridan proton almashinadigan membranalarga asoslangan yonilg'i xujayralari yoki ular G'arbda deyilganidek, Polimer almashinuv membranasi yoqilg'i xujayrasi (PEMFC) transport vositalarida foydalanish uchun eng yaxshi nomzodga aylandi. Buning asosiy sabablari uning yuqori quvvat zichligi va nisbatan past ish haroratidir, bu esa o'z navbatida yonilg'i xujayralarini ishga tushirish uchun ko'p vaqt talab qilmaydi. Ular tezda isinib, kerakli miqdordagi elektr energiyasini ishlab chiqarishni boshlaydilar. Shuningdek, u barcha turdagi yoqilg'i xujayralarining eng oddiy reaktsiyalaridan birini ishlatadi.
Ushbu texnologiyaga ega birinchi avtomobil 1994 yilda Mercedes-Benz NECAR1 (yangi elektromobil 1) asosidagi MB100 ni taqdim etganida yaratilgan. Kam quvvat ishlab chiqarishdan tashqari (atigi 50 kilovatt), bu kontseptsiyaning eng katta kamchiligi shundaki, yonilg'i xujayrasi furgonning yuk omborining butun hajmini egallagan.
Bundan tashqari, passiv xavfsizlik nuqtai nazaridan, bortda yonuvchan bosimli vodorod bilan to'ldirilgan massiv tankni o'rnatish zarurati hisobga olinsa, bu ommaviy ishlab chiqarish uchun dahshatli g'oya edi.
Keyingi o'n yil ichida texnologiya rivojlandi va Mercedesning so'nggi yonilg'i xujayrasi kontseptsiyalaridan biri 115 ot kuchiga ega bo'lgan. (85 kVt) va yonilg'i quyishdan oldin taxminan 400 kilometr masofa. Albatta, nemislar kelajakdagi yoqilg'i xujayralarini ishlab chiqishda yagona kashshof bo'lishmadi. Ikki yapon, Toyota va unutmang. Eng yirik avtomobil o'yinchilaridan biri Honda bo'lib, u ishlab chiqarish avtomobilini taqdim etdi elektr stansiyasi vodorod yonilg'i xujayralari ustida. Qo'shma Shtatlarda FCX Clarity lizing sotuvi 2008 yilning yozida boshlangan, biroz vaqt o'tgach, avtomobil Yaponiyaga ko'chib o'tdi. 
Toyota Mirai bilan yanada uzoqlashdi, uning ilg'or vodorod yonilg'i xujayralari tizimi futuristik avtomobilga an'anaviy kabi besh daqiqadan kamroq vaqt ichida yoqilg'i quyish mumkin bo'lgan bitta bakda 520 km masofani bosib o'tishga qodir. Yoqilg'i iste'moli ko'rsatkichlari har qanday skeptikni hayratda qoldiradi, ular hatto klassik elektr stantsiyasiga ega bo'lgan mashina uchun ham aql bovar qilmaydigan, mashina shaharda, magistralda yoki estrodiol tsiklda ishlatilishidan qat'i nazar, 3,5 litr iste'mol qiladi.
Sakkiz yil o'tdi. Honda bu vaqtdan unumli foydalandi. Ikkinchi avlod Honda FCX Clarity endi sotuvda. Uning yonilg'i xujayralari to'plami birinchi modelga qaraganda 33% ixchamroq bo'lib, quvvat zichligi 60% ga oshgan. Honda'ning ta'kidlashicha, Clarity Fuel Cell'dagi yonilg'i xujayrasi va o'rnatilgan quvvat tizimi o'lchamlari bo'yicha V6 dvigateliga qiyoslanadi, bu esa besh yo'lovchi va ularning yuklari uchun etarli ichki joy qoldiradi.
Taxminiy masofa 500 km ni tashkil qiladi va yangi mahsulotlarning boshlang'ich narxi 60 000 AQSh dollari miqdorida belgilanishi kerak. Qimmatmi? Aksincha, bu juda arzon. 2000 yil boshida bu texnologiyalarga ega avtomobillar 100 ming dollarga tushardi.
