Barqaror texnologiyalarni joriy etish: yonilg'i xujayralari. yonilg'i xujayralari

Yoqilg'i xujayralari/hujayralarining afzalliklari

yonilg'i xujayrasi/ hujayra elektrokimyoviy reaktsiya orqali vodorodga boy yoqilg'idan to'g'ridan-to'g'ri oqim va issiqlikni samarali ishlab chiqaradigan qurilma.

Yoqilg'i xujayrasi batareyaga o'xshaydi, chunki u kimyoviy reaksiya orqali to'g'ridan-to'g'ri oqim hosil qiladi. Yoqilg'i xujayrasi anod, katod va elektrolitni o'z ichiga oladi. Biroq, batareyalardan farqli o'laroq, yonilg'i xujayralari / hujayralar saqlay olmaydi elektr energiyasi, zaryadsizlantirmang va qayta zaryadlash uchun elektr energiyasini talab qilmang. Yoqilg'i xujayralari / xujayralari yoqilg'i va havo bilan ta'minlangan holda doimiy ravishda elektr energiyasini ishlab chiqarishi mumkin.

Dvigatellar kabi boshqa quvvat generatorlaridan farqli o'laroq ichki yonish yoki gaz, ko'mir, neft va hokazolarda ishlaydigan turbinalar, yonilg'i xujayralari / hujayralar yoqilg'ini yoqmaydi. Bu shovqinli yuqori bosimli rotorlar, baland egzoz shovqinlari, tebranishlar yo'q degan ma'noni anglatadi. Yoqilg'i xujayralari / hujayralar ovozsiz elektrokimyoviy reaktsiya orqali elektr energiyasini ishlab chiqaradi. Yoqilg'i xujayralari/xujayralarining yana bir xususiyati shundaki, ular yoqilg'ining kimyoviy energiyasini to'g'ridan-to'g'ri elektr, issiqlik va suvga aylantiradi.

Yoqilg'i xujayralari yuqori samarali va karbonat angidrid, metan va azot oksidi kabi ko'p miqdorda issiqxona gazlarini ishlab chiqarmaydi. Ish paytida chiqariladigan yagona mahsulotlar bug 'shaklidagi suv va oz miqdordagi karbonat angidrid bo'lib, yoqilg'i sifatida toza vodorod ishlatilsa, u umuman chiqarilmaydi. Yoqilg'i xujayralari/xujayralari yig'ilishlarga, so'ngra individual funktsional modullarga yig'iladi.

Yoqilg'i xujayrasi/hujayralarining rivojlanish tarixi

1950 va 1960-yillarda yonilg'i xujayralari uchun eng katta muammolardan biri AQSh Milliy Aeronavtika va kosmik ma'muriyatining (NASA) uzoq muddatli kosmik missiyalar uchun energiya manbalariga bo'lgan ehtiyojidan kelib chiqdi. NASA ishqoriy yonilg'i xujayrasi vodorod va kislorodni yonilg'i sifatida ishlatib, elektrokimyoviy reaksiyada ikkalasini birlashtiradi. Koinotga uchishda foydali bo'lgan reaktsiyaning uchta qo'shimcha mahsuloti - kosmik kemani quvvatlantirish uchun elektr energiyasi, ichimlik va sovutish tizimlari uchun suv va kosmonavtlarni isitish uchun issiqlik.

Yoqilg'i xujayralari kashfiyoti 19-asrning boshlariga to'g'ri keladi. Yoqilg'i xujayralari ta'sirining birinchi dalillari 1838 yilda olingan.

1930-yillarning oxirida ishqoriy yonilg'i xujayralari ustida ish boshlandi va 1939 yilga kelib yuqori bosimli nikel bilan qoplangan elektrodlardan foydalanadigan hujayra qurildi. Ikkinchi jahon urushi davrida Britaniya dengiz floti suv osti kemalari uchun yonilg'i xujayralari/xujayralari ishlab chiqildi va 1958 yilda diametri 25 sm dan sal ko'proq bo'lgan gidroksidi yonilg'i xujayralari/hujayralaridan iborat yonilg'i yig'indisi joriy etildi.

1950-1960-yillarda, shuningdek, 1980-yillarda qiziqish ortdi. sanoat dunyosi neft yoqilg'isi tanqisligini boshdan kechirdi. Xuddi shu davrda dunyo davlatlari ham havoning ifloslanishi muammosidan xavotirlanib, ekologik toza elektr energiyasi ishlab chiqarish yo‘llarini ko‘rib chiqdilar. Hozirgi vaqtda yonilg'i xujayrasi / hujayra texnologiyasi jadal rivojlanmoqda.

Yoqilg'i xujayralari/hujayralari qanday ishlaydi

Yoqilg'i xujayralari/xujayralari elektrolit, katod va anod yordamida davom etayotgan elektrokimyoviy reaksiya orqali elektr va issiqlik hosil qiladi.

Anod katalizatorida molekulyar vodorod ajraladi va elektronlarni yo'qotadi. Vodorod ionlari (protonlar) elektrolitlar orqali katodga o'tkaziladi, elektronlar esa elektrolitlar orqali va tashqi elektr zanjiri orqali o'tib, uskunani quvvatlantirish uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan to'g'ridan-to'g'ri oqim hosil qiladi. Katod katalizatorida kislorod molekulasi elektron (tashqi aloqa orqali ta'minlangan) va kiruvchi proton bilan birlashadi va yagona reaktsiya mahsuloti (bug 'va / yoki suyuqlik shaklida) bo'lgan suvni hosil qiladi.

Quyida mos keladigan reaktsiya:

Anod reaktsiyasi: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Katoddagi reaksiya: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Umumiy element reaksiyasi: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Yoqilg'i xujayralari / xujayralari turlari va xilma-xilligi

Har xil turdagi ichki yonish dvigatellari bo'lgani kabi, yonilg'i xujayralarining ham har xil turlari mavjud - tanlov mos tur yonilg'i xujayrasi uning qo'llanilishiga bog'liq.

Yoqilg'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 ushbu qo'shimcha protseduraga muhtoj emas, chunki ular yuqori haroratlarda yoqilg'ini "ichki o'zgartirishi" mumkin, ya'ni vodorod infratuzilmasiga sarmoya kiritishning hojati yo'q.

Eritilgan karbonatdagi yonilg'i xujayralari/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.

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 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Umumiy element reaksiyasi: H 2 (g) + 1/2O 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 uglerod oksidi bilan yonilg'i xujayrasining shikastlanishiga yo'l qo'ymaydi.

Eritilgan karbonat yonilg'i xujayralari katta statsionar qurilmalarda foydalanish uchun javob beradi. Ishlab chiqarish quvvati 3,0 MVt bo'lgan issiqlik elektr stansiyalari sanoatda ishlab chiqariladi. Ishlab chiqarish quvvati 110 MVt gacha bo'lgan stansiyalar ishlab chiqilmoqda.

Fosforik kislota (PFC) asosidagi yoqilg'i xujayralari/hujayralari

Fosforik (ortofosforik) kislotaga asoslangan yoqilg'i xujayralari tijorat maqsadlarida foydalanish uchun birinchi yoqilg'i xujayralari edi.

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 xujayralaridagi zaryad tashuvchisi vodorod (H+, proton). Shunga o'xshash jarayon proton almashinuvi membranasi yonilg'i xujayralarida sodir bo'ladi, unda anodga berilgan 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 2 H 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 500 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.

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 yupqa keramik asosli qattiq metall oksidi, ko'pincha kislorod (O 2-) ionlarining o'tkazuvchisi bo'lgan ittriy va tsirkonyum qotishmasidan foydalaniladi.

Qattiq elektrolitlar bir elektroddan ikkinchisiga germetik gaz o'tishini ta'minlaydi, suyuq elektrolitlar esa gözenekli substratda joylashgan. Ushbu turdagi yoqilg'i xujayralarida 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 reaktsiya: O 2 + 4e - \u003d\u003e 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 60-70%. 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 75% 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 / hujayralar (DOMTE)

Metanolning to'g'ridan-to'g'ri oksidlanishi bilan yonilg'i xujayralarini ishlatish texnologiyasi faol rivojlanish davrini boshdan kechirmoqda. U mobil telefonlar, noutbuklarni quvvatlantirish sohasida, shuningdek, portativ quvvat manbalarini yaratishda muvaffaqiyatli o'zini namoyon qildi. 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: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Umumiy element reaksiyasi: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

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 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 reaksiya: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
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. SCFClar nisbatan past haroratlarda ishlaydi va eng samarali yonilg'i xujayralari qatoriga kiradi - bunday xususiyatlar mos ravishda tezroq energiya ishlab chiqarish 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, boshqa yonilg'i xujayralari uchun xavfsiz bo'lgan CO, H 2 O va CH4 kabi molekulalar va hatto ularning ba'zilari uchun yoqilg'i SFC uchun zararli.

Polimer elektrolitli yonilg'i xujayralari (PETE)

Polimer elektrolitli yonilg'i xujayralari bo'lsa, polimer membranasi suv molekulasiga biriktirilgan suv ionlarining (H 2 O + (proton, qizil) 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 (CsHSO 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.

Har xil yonilg'i xujayrasi modullari. yonilg'i xujayrasi batareyasi

Yoqilg'i xujayrasi batareyasi
Boshqa yuqori haroratli uskunalar (integratsiyalashgan bug 'generatori, yonish kamerasi, issiqlik balansini almashtirgich)
Issiqlikka chidamli izolyatsiya

yonilg'i xujayrasi moduli

Yoqilg'i xujayralari turlari va navlarini qiyosiy tahlil qilish

Innovatsion energiya tejovchi shahar issiqlik va elektr stantsiyalari odatda qattiq oksidli yonilg'i xujayralari (SOFC), polimer elektrolit yonilg'i xujayralari (PEFC), fosfor kislotasi yonilg'i xujayralari (PCFC), proton almashinuvi membranasi yonilg'i xujayralari (MPFC) va gidroksidi yonilg'i xujayralari (MPFC) asosida quriladi. APFC). Odatda ular quyidagi xususiyatlarga ega:

Qattiq oksidli yonilg'i xujayralari (SOFC) eng mos deb tan olinishi kerak, ular:

yuqori haroratda ishlaydi, bu qimmatbaho qimmatbaho metallarga (masalan, platina) ehtiyojni kamaytiradi.
har xil turdagi uglevodorod yoqilg'ilarida, asosan, tabiiy gazda ishlashi mumkin
bor ko'proq vaqt boshlash va shuning uchun uzoq muddatga ko'proq mos keladi
energiya ishlab chiqarishning yuqori samaradorligini ko'rsatish (70% gacha)
yuqori ish harorati tufayli birliklar issiqlikni qayta tiklash tizimlari bilan birlashtirilishi mumkin, bu esa umumiy tizim samaradorligini 85% ga yetkazadi.
nolga yaqin chiqindilarga ega, jim ishlaydi va mavjud energiya ishlab chiqarish texnologiyalari bilan solishtirganda past operatsion talablarga ega

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
SHTE	50-200 ° S	40-70%	toza vodorod	kosmik tadqiqotlar
PETE	30-100 ° S	35-50%	toza vodorod	Kichik o'rnatish

Kichik issiqlik elektr stantsiyalari an'anaviy gaz ta'minoti tarmog'iga ulanishi mumkinligi sababli, yonilg'i xujayralari alohida vodorod ta'minoti tizimini talab qilmaydi. Qattiq oksidli yonilg'i xujayralari asosidagi kichik issiqlik elektr stantsiyalaridan foydalanilganda, hosil bo'lgan issiqlik suv va ventilyatsiya havosini isitish uchun issiqlik almashinuvchilariga birlashtirilishi mumkin, bu tizimning umumiy samaradorligini oshiradi. Bu innovatsion texnologiya qimmat infratuzilma va murakkab asboblar integratsiyasiga ehtiyoj sezmasdan samarali energiya ishlab chiqarish uchun eng mos keladi.

Yoqilg'i xujayrasi/hujayra ilovalari

Yoqilg'i xujayralari / hujayralarni telekommunikatsiya tizimlarida qo'llash

Dunyo bo'ylab simsiz aloqa tizimlarining tez tarqalishi, shuningdek, mobil telefon texnologiyasining o'sib borayotgan ijtimoiy va iqtisodiy afzalliklari bilan ishonchli va tejamkor zaxira quvvatiga bo'lgan ehtiyoj juda muhim bo'lib qoldi. Yomon ob-havo, tabiiy ofatlar yoki cheklangan tarmoq quvvati tufayli yil davomida tarmoq yo'qotishlari tarmoq operatorlari uchun doimiy muammo hisoblanadi.

An'anaviy telekommunikatsiya quvvatini zaxiralash echimlari qisqa muddatli zaxira quvvat uchun batareyalar (valf bilan boshqariladigan qo'rg'oshin-kislotali batareya xujayrasi) va uzoqroq zaxira quvvat uchun dizel va propan generatorlarini o'z ichiga oladi. Batareyalar 1 dan 2 soatgacha zaxira quvvatning nisbatan arzon manbai hisoblanadi. Biroq, batareyalar uzoqroq zahiralash muddatlari uchun mos emas, chunki ularni saqlash qimmat, uzoq muddat foydalanishdan keyin ishonchsiz bo'lib qoladi, haroratga sezgir va hayot uchun xavflidir. muhit utilizatsiya qilinganidan keyin. Dizel va propan generatorlari uzluksiz zaxira quvvat bilan ta'minlashi mumkin. Biroq, generatorlar ishonchsiz bo'lishi mumkin, keng qamrovli texnik xizmat ko'rsatishni talab qiladi va atmosferaga yuqori darajadagi ifloslantiruvchi moddalar va issiqxona gazlarini chiqaradi.

An'anaviy zaxira quvvat echimlarining cheklovlarini bartaraf etish uchun innovatsion yashil yoqilg'i xujayrasi texnologiyasi ishlab chiqildi. Yoqilg'i xujayralari ishonchli, jim, generatorga qaraganda kamroq harakatlanuvchi qismlarni o'z ichiga oladi, batareyaga qaraganda -40 ° C dan + 50 ° C gacha kengroq ish harorati diapazoniga ega va buning natijasida energiyani juda yuqori darajada tejash imkonini beradi. Bundan tashqari, bunday zavodning ishlash muddati generatorga qaraganda past. Yoqilg'i xujayralarining arzonligi yiliga bir marta texnik xizmat ko'rsatish va o'simlik unumdorligini sezilarli darajada oshirish natijasidir. Axir, yonilg'i xujayrasi ekologik jihatdan qulaydir texnologik yechim atrof-muhitga minimal ta'sir bilan.

Yoqilg'i xujayrasi birliklari simsiz, doimiy va muhim aloqa tarmoqlari infratuzilmalarini zaxira quvvat bilan ta'minlaydi keng polosali 250 Vt dan 15 kVtgacha bo'lgan telekommunikatsiya tizimida ular ko'plab tengsiz innovatsion xususiyatlarni taklif qiladi:

ISHONCHLIK– Bir nechta harakatlanuvchi qismlar va kutish rejimida zaryadsizlanish
ENERGIYANI TEJYALASH
JIM- past shovqin darajasi
Barqarorlik– ish diapazoni -40°C dan +50°C gacha
Moslashuvchanlik– tashqi va ichki o‘rnatish (konteyner/himoya idishi)
YUQORI KUCH- 15 kVtgacha
PAY TAQDIM QILISH TALABLARI- minimal yillik texnik xizmat ko'rsatish
IQTISODIYoTI- egalik qilishning jozibador umumiy qiymati
TOZA ENERGIYA- atrof-muhitga minimal ta'sir ko'rsatadigan kam emissiya

Tizim doimiy tok shinasi kuchlanishini har doim sezadi va agar shahar avtobusidagi kuchlanish foydalanuvchi tomonidan belgilangan belgilangan qiymatdan pastga tushsa, muhim yuklarni muammosiz qabul qiladi. Tizim vodorodda ishlaydi, u yonilg'i xujayrasi stajiga ikkita usuldan biri bilan kiradi - vodorodning tijorat manbasidan yoki bortdagi reformator tizimidan foydalangan holda metanol va suvning suyuq yoqilg'idan.

Elektr to'g'ridan-to'g'ri oqim ko'rinishidagi yonilg'i xujayrasi tomonidan ishlab chiqariladi. Shahar quvvati yonilg'i xujayrasi to'plamidan tartibga solinmagan doimiy quvvatni kerakli yuklar uchun yuqori sifatli, tartibga solinadigan shahar quvvatiga aylantiradigan konvertorga yuboriladi. Yoqilg'i xujayrasi o'rnatilishi ko'p kunlar uchun zaxira quvvatni ta'minlashi mumkin, chunki muddat faqat zaxirada mavjud bo'lgan vodorod yoki metanol/suv yoqilg'isi miqdori bilan cheklangan.

Yoqilg'i xujayralari yuqori energiya samaradorligini, tizimning ishonchliligini oshirishni, iqlimning keng diapazonida ko'proq prognoz qilinadigan ishlashni va sanoat standarti klapan bilan tartibga solinadigan qo'rg'oshin kislotali akkumulyator paketlariga nisbatan ishonchli xizmat muddatini taklif qiladi. Xizmat ko'rsatish va almashtirish talablari sezilarli darajada kam bo'lganligi sababli, hayot aylanish xarajatlari ham past bo'ladi. Yoqilg'i xujayralari oxirgi foydalanuvchiga ekologik imtiyozlarni taklif qiladi, chunki qo'rg'oshin kislotasi xujayralari bilan bog'liq chiqindilar va javobgarlik xavfi ortib borayotgan tashvishga sabab bo'ladi.

Elektr batareyalarining ishlashiga zaryad darajasi, harorat, davrlar, ishlash muddati va boshqa o'zgaruvchilar kabi keng ko'lamli omillar salbiy ta'sir ko'rsatishi mumkin. Taqdim etilgan energiya ushbu omillarga qarab o'zgaradi va oldindan aytish oson emas. Proton almashinuvi membranasining yonilg'i xujayrasi (PEMFC) ishlashi ushbu omillardan nisbatan ta'sirlanmaydi va yoqilg'i mavjud bo'lganda muhim quvvatni ta'minlashi mumkin. Oldindan bashorat qilish qobiliyatining oshishi muhim zaxira quvvat ilovalari uchun yoqilg'i xujayralariga o'tishda muhim afzallik hisoblanadi.

Yoqilg'i xujayralari faqat yoqilg'i bilan ta'minlanganda energiya ishlab chiqaradi, masalan, gaz turbinasi generatori, lekin ishlab chiqarish zonasida harakatlanuvchi qismlarga ega emas. Shuning uchun, generatordan farqli o'laroq, ular tez aşınmaya tobe emas va doimiy parvarishlash va moylashni talab qilmaydi.

Kengaytirilgan yoqilg'i konvertorini boshqarish uchun ishlatiladigan yoqilg'i metanol va suv aralashmasidir. Metanol keng tarqalgan bo'lib, tijoratda ishlab chiqarilgan yoqilg'i bo'lib, hozirgi vaqtda ko'plab ilovalarga ega, shu jumladan old oyna yuvish mashinasi, plastik butilkalar, dvigatel qo'shimchalari, emulsiya bo'yoqlari. Metanolni tashish oson, suv bilan aralashib ketadi, yaxshi biologik parchalanish xususiyatiga ega va oltingugurtsiz. U past muzlash nuqtasiga ega (-71 ° C) va uzoq vaqt saqlashda parchalanmaydi.

Yoqilg'i xujayralari / xujayralari aloqa tarmoqlarida qo'llanilishi

Xavfsizlik tarmoqlari elektr tarmog'i ishlamay qolsa, favqulodda vaziyatlarda bir necha soat yoki kun davom etishi mumkin bo'lgan ishonchli zaxira quvvat echimlarini talab qiladi.

Bir nechta harakatlanuvchi qismlar va kutish rejimida quvvatni kamaytirmaslik bilan, innovatsion yonilg'i xujayrasi texnologiyasi hozirda mavjud zaxira quvvat tizimlariga nisbatan jozibali yechim taklif qiladi.

Aloqa tarmoqlarida yoqilg'i xujayrasi texnologiyasidan foydalanishning eng jiddiy sababi umumiy ishonchlilik va xavfsizlikning oshishi hisoblanadi. Elektr ta'minotidagi uzilishlar, zilzilalar, bo'ronlar va bo'ronlar kabi hodisalar paytida, zaxira quvvat tizimining harorati yoki yoshidan qat'i nazar, tizimlar uzoq vaqt davomida ishlashda davom etishi va ishonchli zaxira quvvat manbaiga ega bo'lishi muhimdir.

Yoqilg'i xujayrasi quvvat manbalarining assortimenti xavfsiz aloqa tarmoqlarini qo'llab-quvvatlash uchun idealdir. Energiyani tejovchi dizayn tamoyillari tufayli ular 250 Vt dan 15 kVtgacha bo'lgan quvvat oralig'ida foydalanish uchun uzaytirilgan (bir necha kungacha) ekologik toza, ishonchli zaxira quvvatni ta'minlaydi.

Ma'lumotlar tarmoqlarida yonilg'i xujayralari / hujayralarni qo'llash

Yuqori tezlikdagi ma'lumotlar tarmoqlari va optik tolali magistrallar kabi ma'lumotlar tarmoqlari uchun ishonchli elektr ta'minoti butun dunyoda muhim ahamiyatga ega. Bunday tarmoqlar orqali uzatiladigan ma'lumotlar banklar, aviakompaniyalar yoki kabi muassasalar uchun muhim ma'lumotlarni o'z ichiga oladi tibbiyot markazlari. Bunday tarmoqlarda elektr uzilishi nafaqat xavf tug'diradi uzatilgan ma'lumotlar, balki, shuningdek, qoida tariqasida, katta moliyaviy yo'qotishlarga olib keladi. Kutish rejimida quvvatni ta'minlaydigan ishonchli, innovatsion yonilg'i xujayrasi qurilmalari uzluksiz quvvatni ta'minlash uchun zarur bo'lgan ishonchlilikni ta'minlaydi.

Metanol va suvning suyuq yonilg'i aralashmasida ishlaydigan yonilg'i xujayralari bir necha kungacha uzaytirilgan ishonchli zaxira quvvat manbaini ta'minlaydi. Bunga qo'shimcha ravishda, bu birliklar generatorlar va batareyalarga nisbatan sezilarli darajada kamaytirilgan texnik talablarga ega, bu esa yiliga bir marta texnik tashrifni talab qiladi.

Ma'lumot tarmoqlarida yonilg'i xujayrasi qurilmalaridan foydalanishning odatiy xususiyatlari:

100 Vt dan 15 kVt gacha quvvatga ega bo'lgan ilovalar
Talablar bilan ilovalar batareyaning ishlash muddati> 4 soat
Optik tolali tizimlarda takrorlagichlar (sinxron raqamli tizimlar ierarxiyasi, yuqori tezlikdagi internet, IP orqali ovoz...)
Yuqori tezlikdagi ma'lumotlarni uzatishning tarmoq tugunlari
WiMAX uzatish tugunlari

Yoqilg'i xujayralarining kutish rejimidagi qurilmalari an'anaviy akkumulyator yoki dizel generatorlariga nisbatan muhim ma'lumotlar tarmog'i infratuzilmasi uchun ko'plab afzalliklarni taqdim etadi, bu esa joylarda foydalanishni oshirishga imkon beradi:

Suyuq yoqilg'i texnologiyasi vodorodni saqlash muammosini hal qiladi va deyarli cheksiz zaxira quvvatini ta'minlaydi.
Jim ishlashi, past og'irligi, haroratning haddan tashqari ta'siriga chidamliligi va deyarli tebranishsiz ishlashi tufayli yonilg'i xujayralari ochiq havoda, sanoat binolarida/konteynerlarda yoki tomlarda o'rnatilishi mumkin.
Tizimdan foydalanish uchun joylarda tayyorgarlik tez va tejamkor bo'lib, foydalanish narxi past.
Yoqilg'i biologik parchalanadi va shahar atrofi uchun ekologik toza yechim hisoblanadi.

Xavfsizlik tizimlarida yonilg'i xujayralari/xujayralari qo'llanilishi

Eng ehtiyotkorlik bilan ishlab chiqilgan qurilish xavfsizligi va aloqa tizimlari faqat ularni quvvatlaydigan kuch kabi ishonchli. Aksariyat tizimlar qisqa muddatli quvvat yo'qotishlari uchun zaxira uzluksiz quvvat tizimining ayrim turlarini o'z ichiga olgan bo'lsa-da, ular tabiiy ofatlar yoki terroristik hujumlardan keyin sodir bo'lishi mumkin bo'lgan uzoqroq elektr uzilishlarini ta'minlamaydi. Bu ko'plab korporativ va davlat idoralari uchun jiddiy muammo bo'lishi mumkin.

CCTV monitoringi va kirishni nazorat qilish tizimlari (ID kartani o'qish moslamalari, eshiklarni yopish moslamalari, biometrik identifikatsiya texnologiyasi va boshqalar), avtomatik yong'in signalizatsiyasi va yong'in o'chirish tizimlari, liftni boshqarish tizimlari va telekommunikatsiya tarmoqlari kabi muhim tizimlar xavf ostida. uzluksiz elektr ta'minotining ishonchli muqobil manbai.

Dizel generatorlari shovqinli, ularni topish qiyin va ishonchliligi bilan mashhur texnik xizmat ko'rsatish. Aksincha, yonilg'i xujayrasini zaxira o'rnatish jim, ishonchli, nolga teng yoki juda kam emissiyaga ega va uyingizda yoki bino tashqarisida o'rnatish oson. Kutish rejimida zaryadsizlanmaydi yoki quvvatni yo'qotmaydi. Bu muassasa o'z faoliyatini to'xtatgandan va odamlar tomonidan bino tashlab ketilganidan keyin ham muhim tizimlarning uzluksiz ishlashini ta'minlaydi.

Innovatsion yonilg'i xujayrasi qurilmalari muhim ilovalarga qimmat investitsiyalarni himoya qiladi. Ular 250 Vt dan 15 kVtgacha bo'lgan quvvat oralig'ida foydalanish uchun uzoq muddatli (ko'p kunlargacha) ekologik toza, ishonchli zaxira quvvatni ta'minlaydi, bu ko'plab noyob xususiyatlar va ayniqsa, energiya tejashning yuqori darajasi bilan birlashtiriladi.

Yoqilg'i xujayrasi quvvat zaxira birliklari an'anaviy akkumulyator yoki dizel generatorlariga qaraganda xavfsizlik va binolarni boshqarish tizimlari kabi muhim vazifalar uchun juda ko'p afzalliklarni taklif etadi. Suyuq yoqilg'i texnologiyasi vodorodni saqlash muammosini hal qiladi va deyarli cheksiz zaxira quvvatini ta'minlaydi.

Yoqilg'i xujayralari/xujayralarini maishiy isitish va energiya ishlab chiqarishda qo'llash

Qattiq oksidli yonilg'i xujayralari (SOFC) keng tarqalgan tabiiy gaz va qayta tiklanadigan yoqilg'i manbalaridan elektr va issiqlik ishlab chiqarish uchun ishonchli, energiya tejamkor va emissiyasiz issiqlik elektr stantsiyalarini qurish uchun ishlatiladi. Ushbu innovatsion bloklar mahalliy elektr energiyasini ishlab chiqarishdan tortib chekka hududlarni elektr energiyasi bilan ta'minlashgacha, shuningdek, yordamchi energiya manbalariga qadar keng turdagi bozorlarda qo'llaniladi.

Tarqatish tarmoqlarida yonilg'i xujayralari / hujayralarni qo'llash

Kichik issiqlik elektr stantsiyalari bitta markazlashtirilgan elektr stantsiyasi o'rniga ko'p sonli kichik generator majmualaridan tashkil topgan taqsimlangan energiya ishlab chiqarish tarmog'ida ishlash uchun mo'ljallangan.

Quyidagi rasmda issiqlik elektr stantsiyasida ishlab chiqarilgan va an'anaviy elektr uzatish tarmoqlari orqali uylarga uzatilganda energiya ishlab chiqarish samaradorligining yo'qolishi ko'rsatilgan. bu daqiqa. Tuman ishlab chiqarishdagi samaradorlik yo'qotishlari elektr stantsiyasidan, past va yuqori kuchlanishli uzatishda va tarqatishdagi yo'qotishlarni o'z ichiga oladi.

Rasmda kichik issiqlik elektr stantsiyalarini integratsiyalash natijalari ko'rsatilgan: foydalanish nuqtasida 60% gacha ishlab chiqarish samaradorligi bilan elektr energiyasi ishlab chiqariladi. Bundan tashqari, uy xo'jaligi yonilg'i xujayralari tomonidan ishlab chiqarilgan issiqlikni suv va makonni isitish uchun ishlatishi mumkin, bu esa yoqilg'i energiyasini qayta ishlashning umumiy samaradorligini oshiradi va energiya tejashni yaxshilaydi.

Atrof-muhitni muhofaza qilish uchun yonilg'i xujayralari yordamida - bog'langan neft gazidan foydalanish

Neft sanoatidagi eng muhim vazifalardan biri bu qo'shilgan neft gazini utilizatsiya qilishdir. Yo'ldosh neft gazidan foydalanishning mavjud usullari juda ko'p kamchiliklarga ega, ularning asosiysi iqtisodiy jihatdan foydali emasligidir. Atrof-muhit va inson salomatligiga katta zarar etkazadigan bog'langan neft gazi yoqiladi.

Yoqilg'i sifatida qo'shma neft gazidan foydalanadigan innovatsion yonilg'i xujayrasi issiqlik va elektr stansiyalari bog'langan neft gazidan foydalanish muammolarini tubdan va tejamkor hal qilish yo'lini ochadi.

Yoqilg'i xujayralarini o'rnatishning asosiy afzalliklaridan biri shundaki, ular bog'langan qurilmalarda ishonchli va barqaror ishlashi mumkin neft gazi o'zgaruvchan tarkib. Yoqilg'i xujayrasining ishlashi asosida yotgan olovsiz kimyoviy reaktsiya tufayli, masalan, metan foizining kamayishi faqat quvvat ishlab chiqarishning mos keladigan pasayishiga olib keladi.
Iste'molchilarning elektr yukiga nisbatan moslashuvchanlik, differentsial, yuk ko'tarilishi.
Yoqilg'i xujayralariga issiqlik elektr stantsiyalarini o'rnatish va ulash uchun ularni amalga oshirish kapital xarajatlarni talab qilmaydi, chunki Agregatlar dalalar yaqinidagi tayyorlanmagan uchastkalarga osongina o'rnatiladi, ulardan foydalanish oson, ishonchli va samarali.
Yuqori avtomatlashtirish va zamonaviy masofadan boshqarish zavodda xodimlarning doimiy bo'lishini talab qilmaydi.
Dizaynning soddaligi va texnik mukammalligi: harakatlanuvchi qismlar, ishqalanish, moylash tizimlarining yo'qligi yonilg'i xujayrasi qurilmalarining ishlashidan sezilarli iqtisodiy foyda keltiradi.
Suv iste'moli: +30 °C gacha atrof-muhit haroratida yo'q va yuqori haroratlarda ahamiyatsiz.
Suv chiqishi: yo'q.
Bundan tashqari, yonilg'i xujayrasi issiqlik elektr stantsiyalari shovqin qilmaydi, tebranmaydi, atmosferaga zararli chiqindilar chiqarmang

Ular AQSh Milliy Aeronavtika va Koinot boshqarmasi (NASA) kosmik kemalari tomonidan boshqariladi. Ular Omahadagi Birinchi Milliy Bankning kompyuterlarini quvvat bilan ta'minlaydi. Ular Chikagodagi ba'zi jamoat shahar avtobuslarida ishlatiladi.

Bularning barchasi yoqilg'i xujayralari. Yoqilg'i xujayralari - bu yonish jarayonisiz elektr energiyasini ishlab chiqaradigan elektrokimyoviy qurilmalar - batareyalar kabi kimyoviy vositalar bilan. Yagona farq shundaki, ular boshqa kimyoviy moddalar, vodorod va kisloroddan foydalanadilar va kimyoviy reaksiya mahsuloti suvdir. Tabiiy gazdan ham foydalanish mumkin, ammo, albatta, uglevodorod yoqilg'isidan foydalanganda ma'lum darajada karbonat angidrid chiqindilaridan qochib bo'lmaydi.

Yoqilg'i xujayralari yuqori samaradorlik va zararli chiqindilarsiz ishlashi mumkinligi sababli, ular issiqxona gazlari va boshqa ifloslantiruvchi moddalar emissiyasini kamaytirishga yordam beradigan barqaror energiya manbai sifatida katta va'da beradi. Yoqilg'i xujayralarini keng qo'llashning asosiy to'siqlari elektr energiyasini ishlab chiqaradigan yoki harakatlantiruvchi transport vositalariga nisbatan ularning yuqori narxidir.

Rivojlanish tarixi

Birinchi yonilg'i xujayralari 1839 yilda ser Uilyam Groves tomonidan namoyish etilgan. Groves elektroliz jarayoni - elektr toki ta'sirida suvning vodorod va kislorodga bo'linishi - teskari ekanligini ko'rsatdi. Ya'ni, vodorod va kislorod kimyoviy jihatdan qo'shilib, elektr tokini hosil qiladi.

Buni ko'rsatgandan so'ng, ko'plab olimlar yonilg'i xujayralarini tirishqoqlik bilan o'rganishga shoshilishdi, ammo XIX asrning ikkinchi yarmida ichki yonish dvigatelining ixtirosi va neft zaxiralarini qazib olish uchun infratuzilmaning rivojlanishi yonilg'i xujayralari rivojlanishini ancha orqada qoldirdi. Yoqilg'i xujayralarining rivojlanishi ularning yuqori narxini yanada cheklaydi.

Yoqilg'i xujayralarining rivojlanishi 1950-yillarda, NASA kosmik parvozlar uchun ixcham elektr generatoriga bo'lgan ehtiyoj tufayli ularga murojaat qilganida sodir bo'ldi. Tegishli mablag 'sarflandi va natijada Apollon va Gemini parvozlari yoqilg'i xujayralari orqali amalga oshirildi. Kosmik kemalar ham yoqilg'i xujayralari bilan ishlaydi.

Yoqilg'i xujayralari hali ham katta eksperimental texnologiya, lekin allaqachon bir nechta kompaniyalar ularni tijorat bozorida sotadilar. So'nggi o'n yil ichida tijorat yonilg'i xujayrasi texnologiyasida sezilarli yutuqlarga erishildi.

Yoqilg'i xujayrasi qanday ishlaydi

Yoqilg'i xujayralari batareyalarga o'xshaydi - ular kimyoviy reaktsiya orqali elektr energiyasini ishlab chiqaradilar. Bundan farqli o'laroq, ichki yonish dvigatellari yoqilg'ini yoqadi va shu bilan issiqlik hosil qiladi, keyin esa mexanik energiyaga aylanadi. Agar chiqindi gazlardan chiqadigan issiqlik biron bir tarzda ishlatilmasa (masalan, isitish yoki konditsionerlash uchun), ichki yonish dvigatelining samaradorligi ancha past deb aytish mumkin. Masalan, hozirda ishlab chiqilayotgan loyihada avtomobilda foydalanilganda yonilg‘i xujayralarining samaradorligi avtomobillarda qo‘llaniladigan bugungi odatdagi benzinli dvigatellardan ikki baravar ko‘proq samarali bo‘lishi kutilmoqda.

Batareyalar ham, yonilg'i xujayralari ham kimyoviy yo'l bilan elektr energiyasini ishlab chiqarsa ham, ular ikki xil funktsiyani bajaradilar. Batareyalar saqlanadigan energiya qurilmalari: ular ishlab chiqaradigan elektr energiyasi ular ichidagi moddalarning kimyoviy reaktsiyasi natijasidir. Yoqilg'i xujayralari energiyani saqlamaydi, lekin energiyaning bir qismini tashqaridan etkazib beriladigan yoqilg'idan elektr energiyasiga aylantiradi. Shu nuqtai nazardan, yonilg'i xujayrasi an'anaviy elektr stantsiyasiga o'xshaydi.

Yoqilg'i xujayralarining bir nechta turlari mavjud. Eng oddiy yonilg'i xujayrasi elektrolit deb nomlanuvchi maxsus membranadan iborat. Membrananing har ikki tomoniga chang elektrodlar joylashtiriladi. Ushbu dizayn - ikkita elektrod bilan o'ralgan elektrolit - alohida element. Vodorod bir tomonga (anod), kislorod (havo) ikkinchi tomonga (katod) oqib o'tadi. Har bir elektrod turli xil kimyoviy reaktsiyaga ega.

Anodda vodorod protonlar va elektronlar aralashmasiga parchalanadi. Ba'zi yonilg'i xujayralarida elektrodlar katalizator bilan o'ralgan bo'lib, odatda platina yoki boshqa olijanob metallardan iborat bo'lib, bu dissotsiatsiya reaktsiyasini rag'batlantiradi:

2H2 ==> 4H+ + 4e-.

H2 = ikki atomli vodorod molekulasi, shakli, ichida

unda vodorod gaz sifatida mavjud;

H+ = ionlangan vodorod, ya'ni. proton;

e- = elektron.

Yoqilg'i xujayrasining ishlashi elektrolitning protonlarni o'zidan (katod tomon) o'tishiga asoslanadi, lekin elektronlar o'tmaydi. Elektronlar tashqi o'tkazgich zanjiri bo'ylab katod tomon harakat qiladi. Elektronlarning bu harakati yonilg'i xujayrasiga ulangan tashqi qurilmani, masalan, elektr motorini yoki lampochkani quvvatlantirish uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan elektr tokidir. Ushbu qurilma odatda "yuk" deb ataladi.

Yoqilg'i xujayrasining katod tomonida protonlar (elektrolitdan o'tgan) va elektronlar (tashqi yukdan o'tgan) "qayta birlashadilar" va katodga berilgan kislorod bilan reaksiyaga kirishadilar va suv H2O hosil qiladi:

4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O.

Yoqilg'i xujayrasidagi umumiy reaktsiya quyidagicha yoziladi:

2H2 + O2 ==> 2H2O.

Yonilg'i xujayralari o'z ishlarida vodorod yoqilg'isi va havodagi kisloroddan foydalanadilar. Vodorod to'g'ridan-to'g'ri yoki uni tabiiy gaz, benzin yoki metanol kabi tashqi yoqilg'i manbasidan ajratish orqali etkazib berilishi mumkin. Tashqi manba bo'lsa, u vodorodni olish uchun kimyoviy jihatdan aylantirilishi kerak. Bu jarayon "islohot" deb ataladi. Vodorodni ammiakdan, muqobil resurslardan, masalan, shahar poligonlaridan va gaz tozalash inshootlaridan olish mumkin. Chiqindi suvlari, shuningdek, suvni elektroliz qilish orqali, bunda elektr energiyasi suvni vodorod va kislorodga parchalash uchun ishlatiladi. Hozirgi vaqtda transportda ishlatiladigan yonilg'i xujayrasi texnologiyalarining aksariyati metanoldan foydalanadi.

Yoqilg'i xujayralari uchun vodorod ishlab chiqarish uchun yoqilg'ini isloh qilish uchun turli vositalar ishlab chiqilgan. AQSh Energetika vazirligi o'z-o'zidan yonilg'i xujayrasini vodorod bilan ta'minlash uchun benzin islohotchisi ichida yoqilg'i zavodini ishlab chiqdi. AQShdagi Tinch okeanining shimoli-g'arbiy milliy laboratoriyasi tadqiqotchilari quvvat blokining o'ndan bir qismiga teng bo'lgan ixcham yoqilg'i islohotchisini namoyish qilishdi. AQSh kommunal kompaniyasi, Northwest Power Systems va Sandia National Laboratory yonilg'i xujayralari uchun dizel yoqilg'isini vodorodga aylantiradigan yonilg'i islohotchisini namoyish etdi.

Alohida, yonilg'i xujayralari har biri taxminan 0,7-1,0 volt ishlab chiqaradi. Kuchlanishni oshirish uchun elementlar "kaskad" ga yig'iladi, ya'ni. ketma-ket ulanish. Ko'proq oqim hosil qilish uchun kaskad elementlari to'plamlari parallel ravishda ulanadi. Agar siz yonilg'i xujayrasi kaskadlarini yonilg'i zavodi, havo ta'minoti va sovutish tizimi va boshqaruv tizimi bilan birlashtirsangiz, siz yonilg'i xujayrasi dvigatelini olasiz. Bu dvigatel haydashi mumkin transport vositasi, statsionar elektr stantsiyasi yoki ko'chma elektr generatori6. Yoqilg'i xujayrasi dvigatellari dasturga, yoqilg'i xujayrasi turiga va ishlatiladigan yoqilg'iga qarab turli o'lchamlarda bo'ladi. Misol uchun, Omaxadagi bankda o'rnatilgan to'rtta alohida 200 kVt quvvatga ega statsionar elektr stantsiyalarining har biri taxminan yuk mashinasi tirkamasiga teng.

Ilovalar

Yoqilg'i xujayralari ham statsionar, ham mobil qurilmalarda ishlatilishi mumkin. AQShning emissiya qoidalarini kuchaytirishga javoban, DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda va Nissan kabi avtomobil ishlab chiqaruvchilari yonilg'i xujayrasi transport vositalarini sinab ko'rdilar va namoyish qildilar. Birinchi tijorat yonilg'i xujayrasi transport vositalari 2004 yoki 2005 yillarda yo'llarga chiqishi kutilmoqda.

Yoqilg'i xujayrasi texnologiyasi tarixidagi muhim voqea 1993 yil iyun oyida Ballard Power System kompaniyasidan 90 kilovatt quvvatga ega vodorod yonilg'i xujayrasi dvigateliga ega bo'lgan 32 futlik shahar avtobusining eksperimental namoyishi bo'ldi. O'shandan beri ko'p turli xil turlari va yonilg'i xujayrasi yo'lovchi transport vositalarining turli avlodlari tomonidan quvvatlanadi turli xil turlari yoqilg'i. 1996 yil oxiridan beri Kaliforniyadagi Palm cho'lida uchta vodorod yonilg'i xujayrasi bilan ishlaydigan golf aravalari ishlatilmoqda. Chikago, Illinoys yo'llarida; Vankuver, Britaniya Kolumbiyasi; va Oslo, Norvegiya yonilg'i xujayrasi shahar avtobuslarini sinovdan o'tkazmoqda. London ko‘chalarida ishqoriy yonilg‘i xujayrasi taksilari sinovdan o‘tkazilmoqda.

Yoqilg'i xujayrasi texnologiyasidan foydalangan holda statsionar qurilmalar ham namoyish etilmoqda, ammo ular hali keng qo'llanilmaydi. tijorat ilovasi. Nebraska shtatidagi Omaha Birinchi Milliy banki kompyuterlarni quvvatlantirish uchun yonilg'i xujayrasi tizimidan foydalanadi, chunki tizim batareya zaxirasi bo'lgan eski tarmoq tizimiga qaraganda ishonchliroq. Dunyodagi eng kattasi tijorat tizimi 1,2 MVt quvvatga ega yonilg'i xujayrasi yaqinda Alyaskadagi pochta markaziga o'rnatiladi. Yoqilg‘i kamerali noutbuklar, oqova suv tozalash inshootlarida qo‘llaniladigan boshqaruv tizimlari va savdo avtomatlari ham sinovdan o‘tkazilib, namoyish etilmoqda.

"Ijobiy va salbiy tomonlari"

Yoqilg'i xujayralari bir qator afzalliklarga ega. Zamonaviy ichki yonish dvigatellarining samaradorligi atigi 12-15% bo'lsa, yonilg'i xujayralari uchun bu koeffitsient 50% ni tashkil qiladi. Yoqilg'i xujayralarining samaradorligi juda yuqori darajada qolishi mumkin yuqori daraja, hatto ular to'liq nominal quvvatda ishlatilmasa ham, bu benzinli dvigatellarga nisbatan katta afzallik hisoblanadi.

Yoqilg'i xujayrasi dizaynining modulli tabiati shuni anglatadiki, yonilg'i xujayrasi elektr stantsiyasining quvvatini bir necha bosqichlarni qo'shish orqali oshirish mumkin. Bu talab va taklifning mos kelishini ta'minlab, quvvatlardan to'liq foydalanish koeffitsientini minimallashtirishni ta'minlaydi. Yoqilg'i xujayrasi yig'imining samaradorligi alohida hujayralarning ishlashi bilan belgilanadiganligi sababli, kichik yonilg'i xujayrasi elektr stantsiyalari ham xuddi kattalar kabi samarali ishlaydi. Bundan tashqari, statsionar yonilg'i xujayrasi tizimlaridan chiqindi issiqlik suv va makonni isitish uchun ishlatilishi mumkin, bu esa energiya samaradorligini yanada oshiradi.

Yoqilg'i xujayralaridan foydalanganda zararli chiqindilar deyarli yo'q. Dvigatel sof vodorodda ishlaganda, qo'shimcha mahsulot sifatida faqat issiqlik va toza suv bug'lari hosil bo'ladi. Shunday qilib, kosmik kemalarda kosmonavtlar bortdagi yonilg'i xujayralarining ishlashi natijasida hosil bo'lgan suvni ichishadi. Emissiya tarkibi vodorod manbasining tabiatiga bog'liq. Metanoldan foydalanish natijasida azot oksidi va uglerod oksidi nol emissiyasi va faqat kichik uglevodorod chiqindilari bo'ladi. Vodoroddan metanolga benzinga o'tganingizda emissiyalar ko'payadi, garchi benzin bilan ham emissiyalar ancha past bo'lib qoladi. Qanday bo'lmasin, hozirgi an'anaviy ichki yonuv dvigatellarini yonilg'i xujayralari bilan almashtirish CO2 va NOx chiqindilarining umumiy kamayishiga olib keladi.

Yoqilg'i xujayralaridan foydalanish energiya infratuzilmasining moslashuvchanligini ta'minlaydi, yaratadi qo'shimcha funktsiyalar markazlashmagan energiya ishlab chiqarish uchun. Markazlashtirilmagan energiya manbalarining ko'pligi uzatishdagi yo'qotishlarni kamaytirish va energiya sotish bozorlarini rivojlantirish imkonini beradi (bu, ayniqsa, elektr uzatish liniyalariga kirish imkoni bo'lmagan chekka va qishloq joylari uchun muhimdir). Yoqilg'i xujayralari yordamida alohida aholi yoki mahallalar o'zlarini elektr energiyasining katta qismi bilan ta'minlashi va shu tariqa undan foydalanish samaradorligini sezilarli darajada oshirishi mumkin.

Yoqilg'i xujayralari energiya beradi Yuqori sifatli va ishonchliligi ortdi. Ular bardoshli, harakatlanuvchi qismlarga ega emas va doimiy quvvat ishlab chiqaradi.

Biroq, ish faoliyatini yaxshilash, xarajatlarni kamaytirish va shu tariqa yoqilg'i xujayralarini boshqa energiya texnologiyalari bilan raqobatbardosh qilish uchun yonilg'i xujayrasi texnologiyasini yanada takomillashtirish kerak. Shuni ta'kidlash kerakki, energiya texnologiyalarining xarajat xususiyatlarini ko'rib chiqishda barcha komponentlar asosida taqqoslash kerak. texnologik xususiyatlar kapital foydalanish xarajatlari, ifloslantiruvchi moddalar emissiyasi, quvvat sifati, chidamlilik, foydalanishdan chiqarish va moslashuvchanlik.

Vodorod gazi eng yaxshi yoqilg'i bo'lsa-da, u uchun infratuzilma yoki transport bazasi hali mavjud emas. Qisqa muddatda elektr stantsiyalarini benzin, metanol yoki tabiiy gaz ko'rinishidagi vodorod manbalari bilan ta'minlash uchun mavjud qazilma yoqilg'i ta'minoti tizimlari (yoqilg'i quyish stantsiyalari va boshqalar) ishlatilishi mumkin. Bu maxsus vodorod yonilg'i quyish shoxobchalariga bo'lgan ehtiyojni yo'q qiladi, lekin har bir avtomobil yoqilg'idan vodorodga aylantiruvchi ("islohotchi") o'rnatilishini talab qiladi. Ushbu yondashuvning kamchiligi shundaki, u qazib olinadigan yoqilg'idan foydalanadi va shuning uchun karbonat angidrid chiqindilariga olib keladi. Hozirda yetakchi nomzod bo‘lgan metanol benzinga qaraganda kamroq emissiya hosil qiladi, biroq u avtomobilda kattaroq sig‘imli bakni talab qiladi, chunki u bir xil energiya tarkibi uchun ikki barobar ko‘proq joy egallaydi.

Fotoalbom yoqilg'i ta'minoti tizimlaridan farqli o'laroq, quyosh va shamol tizimlari (suvdan vodorod va kislorod hosil qilish uchun elektr energiyasidan foydalanish) va to'g'ridan-to'g'ri fotokonversiya tizimlari (vodorod ishlab chiqarish uchun yarimo'tkazgichlar yoki fermentlar yordamida) vodorodni isloh qilish bosqichisiz ta'minlashi mumkin va shu tariqa emissiya metanol yoki benzin yonilg'i xujayralaridan foydalanganda kuzatiladigan zararli moddalarning oldini olish mumkin edi. Vodorod kerak bo'lganda yonilg'i xujayrasida saqlanishi va elektr energiyasiga aylantirilishi mumkin edi. Kelgusida yoqilg'i xujayralarini qayta tiklanadigan energiya manbalariga ulash samarali, ekologik toza va ko'p qirrali energiya manbasini ta'minlash uchun samarali strategiya bo'lishi mumkin.

IEER tavsiyalari mahalliy, shtat va shtat hukumatlari uchun transport xaridlari byudjetlarining bir qismini yonilg'i xujayrasi transport vositalari va statsionar yonilg'i xujayralari tizimlariga o'zlarining muhim yoki yangi binolarini issiqlik va elektr energiyasi bilan ta'minlash uchun ajratishlari kerak. Bu hayotiy texnologiyalarni rivojlantirishga yordam beradi va issiqxona gazlari chiqindilarini kamaytiradi.

DA zamonaviy hayot Kimyoviy oqim manbalari bizni hamma joyda o'rab oladi: bular chiroqlardagi batareyalar, batareyalar mobil telefonlar, ba'zi transport vositalarida allaqachon ishlatilayotgan vodorod yonilg'i xujayralari. Elektrokimyoviy texnologiyalarning jadal rivojlanishi yaqin kelajakda bizni benzinli dvigatelli avtomobillar o'rniga faqat elektr transport vositalari o'rab olishiga, telefonlar tez tugamasligiga va har bir uyda o'z yoqilg'i xujayrasi bo'lishiga olib kelishi mumkin. elektr generatori. Ural Federal universitetining Rossiya Fanlar akademiyasining Ural filialining Yuqori haroratli elektrokimyo instituti bilan qo'shma dasturlaridan biri, biz ushbu maqolani nashr etamiz, elektrokimyoviy saqlash va energiya generatorlari samaradorligini oshirishga bag'ishlangan. .

Bugungi kunda juda ko'p turli xil batareyalar mavjud, ular orasida harakat qilish tobora qiyinlashmoqda. Batareya superkondensatordan qanday farq qilishi va nima uchun vodorod yonilg'i xujayrasi atrof-muhitga zarar etkazishdan qo'rqmasdan foydalanish mumkinligi hamma uchun tushunarli emas. Ushbu maqolada biz elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun kimyoviy reaktsiyalar qanday qo'llanilishi, zamonaviy kimyoviy oqim manbalarining asosiy turlari o'rtasidagi farq nima va elektrokimyoviy energiya uchun qanday istiqbollar ochilgani haqida gapiramiz.

Kimyo elektr energiyasi manbai sifatida

Birinchidan, nima uchun kimyoviy energiya umuman elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun ishlatilishi mumkinligini ko'rib chiqaylik. Gap shundaki, redoks reaktsiyalarida elektronlar ikki xil ion o'rtasida o'tkaziladi. Agar kimyoviy reaksiyaning ikki yarmi fazoda oksidlanish va qaytarilish bir-biridan alohida sodir bo'ladigan tarzda ajratilsa, u holda bir iondan ajralib chiqqan elektron darhol ikkinchisiga tushmasligiga ishonch hosil qilish mumkin, lekin birinchi navbatda. u uchun oldindan belgilangan yo'l bo'ylab boradi. Bu reaktsiya elektr tokining manbai sifatida ishlatilishi mumkin.

Bu kontseptsiya birinchi marta 18-asrda italiyalik fiziolog Luidji Galvani tomonidan amalga oshirilgan. An'anaviy galvanik hujayraning ta'siri turli faollikdagi metallarning qaytarilish va oksidlanish reaktsiyalariga asoslanadi. Misol uchun, klassik hujayra - bu sink oksidlangan va mis qaytariladigan galvanik element. Qaytarilish va oksidlanish reaktsiyalari mos ravishda katod va anodda sodir bo'ladi. Va mis va sink ionlari bir-biri bilan to'g'ridan-to'g'ri reaksiyaga kirishishi mumkin bo'lgan "xorijiy hudud" ga tushmasligi uchun odatda anod va katod o'rtasida maxsus membrana joylashtiriladi. Natijada, elektrodlar o'rtasida potentsial farq paydo bo'ladi. Agar siz elektrodlarni, masalan, lampochka bilan ulasangiz, natijada paydo bo'lgan elektr pallasida oqim o'ta boshlaydi va lampochka yonadi.

Galvanik hujayraning diagrammasi

Wikimedia Commons

Anod va katod materiallaridan tashqari, kimyoviy oqim manbaining muhim tarkibiy qismi elektrolit bo'lib, uning ichida ionlar harakatlanadi va uning chegarasida elektrodlar bilan barcha elektrokimyoviy reaktsiyalar ketadi. Bunday holda, elektrolitlar suyuq bo'lishi shart emas - u ham polimer, ham keramik material bo'lishi mumkin.

Galvanik elementning asosiy kamchiligi uning cheklangan ish vaqtidir. Reaktsiya oxirigacha borishi bilan (ya'ni, asta-sekin eriydigan anod butunlay iste'mol qilinadi), bunday element shunchaki ishlashni to'xtatadi.

Barmoq ishqoriy batareyalari

Zaryadlanuvchi

Kimyoviy oqim manbalarining imkoniyatlarini kengaytirish yo'lidagi birinchi qadam batareyani yaratish bo'ldi - qayta zaryadlanadigan va shuning uchun qayta ishlatilishi mumkin bo'lgan oqim manbai. Buning uchun olimlar shunchaki qaytariladigan kimyoviy reaksiyalardan foydalanishni taklif qilishdi. Batareyani birinchi marta to'liq zaryadsizlangandan so'ng, tashqi oqim manbai yordamida unda sodir bo'lgan reaktsiya teskari yo'nalishda boshlanishi mumkin. Bu asl holatini tiklaydi, shunda batareya qayta zaryadlangandan keyin yana ishlatilishi mumkin.

Avtomobil qo'rg'oshin kislotali akkumulyatori

Bugungi kunga qadar turli xil turdagi batareyalar yaratilgan bo'lib, ularda sodir bo'ladigan kimyoviy reaksiya turi bilan farqlanadi. Eng keng tarqalgan turdagi akkumulyatorlar qo'rg'oshin kislotali (yoki oddiygina qo'rg'oshin) batareyalar bo'lib, ular qo'rg'oshinning oksidlanish-qaytarilish reaktsiyasiga asoslangan. Bunday qurilmalar ancha uzoq xizmat qilish muddatiga ega va ularning energiya iste'moli kilogrammiga 60 vatt-soatgacha etadi. So'nggi paytlarda lityum-qaytarilish reaktsiyasiga asoslangan lityum-ion batareyalar yanada mashhur. Zamonaviy litiy-ion batareyalarning energiya sig'imi endi kilogramm uchun 250 vatt-soatdan oshadi.

Mobil telefon uchun Li-ion batareya

Lityum-ion batareyalarning asosiy muammolari past haroratlarda past samaradorlik, tez qarish va portlashning kuchayishi. Va lityum metall suv bilan vodorod gazini hosil qilish uchun juda faol reaksiyaga kirishishi va batareya yonayotganda kislorod ajralib chiqishi sababli, lityum-ion batareyaning o'z-o'zidan yonishi an'anaviy yong'in o'chirish usullari bilan foydalanish juda qiyin. Bunday akkumulyatorning xavfsizligini yaxshilash va uning zaryadlash vaqtini tezlashtirish uchun olimlar dendritik lityum tuzilmalarining shakllanishiga to'sqinlik qiluvchi katod materialini taklif qilmoqdalar va elektrolitlarga portlovchi tuzilmalarni hosil qiluvchi moddalar va dastlabki bosqichlarda yonib ketadigan komponentlar qo'shadilar. .

Qattiq elektrolit

Batareyalarning samaradorligi va xavfsizligini oshirishning yana bir unchalik aniq bo'lmagan usuli sifatida kimyogarlar kimyoviy quvvat manbalarida suyuq elektrolitlar bilan cheklanib qolmaslikni, balki butunlay qattiq quvvat manbasini yaratishni taklif qilishdi. Bunday qurilmalarda suyuq komponentlar umuman yo'q, lekin ular orasida qattiq anod, qattiq katod va qattiq elektrolitning qatlamli tuzilishi mavjud. Elektrolitlar bir vaqtning o'zida membrana vazifasini bajaradi. Qattiq elektrolitda zaryad tashuvchilar uning tarkibiga va anod va katodda sodir bo'ladigan reaktsiyalarga qarab turli xil ionlar bo'lishi mumkin. Ammo ular har doim etarlicha kichik ionlar bo'lib, ular kristall orqali nisbatan erkin harakatlana oladilar, masalan, H + protonlar, Li + litiy ionlari yoki O 2- kislorod ionlari.

Vodorod yonilg'i xujayralari

Zaryadlash qobiliyati va maxsus xavfsizlik choralari batareyalarni an'anaviy batareyalarga qaraganda ancha istiqbolli oqim manbaiga aylantiradi, ammo shunga qaramay, har bir batareyada cheklangan miqdordagi reaktivlar mavjud va shuning uchun cheklangan energiya ta'minoti va har safar batareyani qayta zaryadlash kerak. faoliyatini davom ettirish uchun.

Batareyani "cheksiz" qilish uchun energiya manbai sifatida hujayra ichidagi moddalarni emas, balki u orqali maxsus pompalanadigan yoqilg'idan foydalanish mumkin. Eng muhimi, bunday yoqilg'i sifatida iloji boricha sodda, ekologik toza va Yerda ko'p miqdorda mavjud bo'lgan modda eng mos keladi.

Ushbu turdagi eng mos modda vodorod gazidir. Uning atmosfera kislorodi bilan oksidlanishi suv hosil qilish (2H 2 + O 2 → 2H 2 O reaktsiyasiga ko'ra) oddiy oksidlanish-qaytarilish reaktsiyasi bo'lib, ionlar orasidagi elektron tashish ham tok manbai sifatida ishlatilishi mumkin. Bu holda sodir bo'ladigan reaktsiya suvning elektroliz reaktsiyasiga o'ziga xos teskari reaktsiyadir (bunda elektr toki ta'sirida suv kislorod va vodorodga parchalanadi) va birinchi marta bunday sxema qayta taklif qilingan. 19-asrning o'rtalarida.

Ammo sxema juda oddiy ko'rinishiga qaramay, ushbu tamoyilga asoslangan samarali qurilma yaratish unchalik ahamiyatsiz ish emas. Buning uchun kosmosda kislorod va vodorod oqimlarini ajratish, elektrolitlar orqali zarur ionlarni tashishni ta'minlash va ishning barcha bosqichlarida mumkin bo'lgan energiya yo'qotishlarini kamaytirish kerak.

Vodorod yonilg'i xujayrasi ishlashining sxematik diagrammasi

Ishlaydigan vodorod yonilg'i xujayrasi sxemasi kimyoviy oqim manbai sxemasiga juda o'xshash, ammo yoqilg'i va oksidlovchi moddalarni etkazib berish va reaktsiya mahsulotlarini va ortiqcha gazlarni olib tashlash uchun qo'shimcha kanallarni o'z ichiga oladi. Bunday elementdagi elektrodlar gözenekli o'tkazuvchan katalizatorlardir. Anodga gazsimon yoqilg'i (vodorod), oksidlovchi modda (havodan kislorod) esa katodga beriladi va har bir elektrodning elektrolitlar bilan chegarasida o'zining yarim reaksiyasi (oksidlanish) sodir bo'ladi. mos ravishda vodorod va kislorodning kamayishi). Bunday holda, yonilg'i xujayrasi turiga va elektrolitlar turiga qarab, suvning shakllanishi anod yoki katod bo'shlig'ida davom etishi mumkin.

Toyota vodorod yonilg'i xujayrasi

Jozef Brent / flickr

Agar elektrolit proton o'tkazuvchi polimer yoki keramik membrana, kislota yoki ishqor eritmasi bo'lsa, elektrolitda zaryad tashuvchisi vodorod ionlaridir. Bunday holda, molekulyar vodorod anodda vodorod ionlariga oksidlanadi, ular elektrolitdan o'tadi va u erda kislorod bilan reaksiyaga kirishadi. Agar qattiq oksid elektrolitidagi kabi kislorod ioni O 2- zaryad tashuvchisi bo'lsa, u holda kislorod katodda ionga qaytariladi, bu ion elektrolitdan o'tadi va anodda vodorodni oksidlaydi va suv hosil qiladi va erkin. elektronlar.

Yoqilg'i xujayralari uchun vodorod oksidlanish reaktsiyasidan tashqari, boshqa turdagi reaktsiyalardan foydalanish taklif qilindi. Masalan, vodorod o'rniga qaytaruvchi yoqilg'i metanol bo'lishi mumkin, u kislorod bilan karbonat angidrid va suvga oksidlanadi.

Yoqilg'i xujayrasi samaradorligi

Vodorod yonilg'i xujayralarining barcha afzalliklariga qaramay (masalan, ekologik tozalik, deyarli cheksiz samaradorlik, ixcham o'lcham va yuqori energiya intensivligi), ular ham bir qator kamchiliklarga ega. Bularga, birinchi navbatda, tarkibiy qismlarning asta-sekin qarishi va vodorodni saqlashdagi qiyinchiliklar kiradi. Aynan mana shu kamchiliklarni qanday bartaraf etish borasida olimlar bugungi kunda ishlamoqda.

Hozirgi vaqtda elektrolitlar tarkibini, katalizator elektrodining xususiyatlarini va tizimning geometriyasini o'zgartirish orqali yonilg'i xujayralari samaradorligini oshirish taklif qilinmoqda (bu yoqilg'i gazlarini kerakli nuqtaga etkazib berishni ta'minlaydi va nojo'ya ta'sirlarni kamaytiradi). Vodorod gazini saqlash muammosini hal qilish uchun platina o'z ichiga olgan materiallar, masalan, grafen membranalari bilan to'yinganligi uchun ishlatiladi.

Natijada, yonilg'i xujayrasining barqarorligini va uning alohida komponentlarining ishlash muddatini oshirishga erishish mumkin. Endi bunday hujayralardagi kimyoviy energiyani elektr energiyasiga aylantirish koeffitsienti 80 foizga etadi va ma'lum sharoitlarda u yanada yuqori bo'lishi mumkin.

Vodorod energiyasining katta istiqbollari yonilg'i xujayralarini butun batareyalarga birlashtirish, ularni yuqori quvvatga ega elektr generatorlariga aylantirish imkoniyati bilan bog'liq. Hozir ham vodorod yonilg'i xujayralarida ishlaydigan elektr generatorlari bir necha yuz kilovattgacha quvvatga ega va transport vositalari uchun quvvat manbai sifatida ishlatiladi.

Muqobil elektrokimyoviy saqlash

Klassik elektrokimyoviy oqim manbalaridan tashqari, energiya saqlash qurilmalari sifatida ko'proq noodatiy tizimlar ham qo'llaniladi. Ushbu tizimlardan biri superkondensator (yoki ionistor) - zaryadlangan sirt yaqinida ikki qatlam hosil bo'lishi sababli zaryadning ajralishi va to'planishi sodir bo'ladigan qurilma. Bunday qurilmadagi elektrod-elektrolit interfeysida turli belgilardagi ionlar ikki qatlamda to'planib, "ikki qavatli elektr qatlam" deb ataladigan bo'lib, o'ziga xos juda nozik kondansatör hosil qiladi. Bunday kondensatorning sig'imi, ya'ni to'plangan zaryad miqdori elektrod materialining o'ziga xos sirt maydoni bilan belgilanadi, shuning uchun material sifatida maksimal o'ziga xos sirt maydoni bo'lgan gözenekli materiallarni olish foydalidir. superkondensatorlar.

Ionistorlar zaryadlash tezligi bo'yicha kimyoviy oqim manbalari orasida chempion bo'lib, bu turdagi qurilmalarning shubhasiz afzalligi hisoblanadi. Afsuski, ular tushirish tezligi bo'yicha ham rekordchilardir. Ionistorlarning energiya zichligi qo'rg'oshinli batareyalarga nisbatan sakkiz baravar va litiy-ionlilarga qaraganda 25 baravar kam. Klassik "ikki qatlamli" ionistorlar o'zlarining yadrolarida elektrokimyoviy reaktsiyadan foydalanmaydilar va "kondensator" atamasi ularga eng to'g'ri qo'llaniladi. Biroq, elektrokimyoviy reaktsiyaga asoslangan va zaryad to'planishi elektrodning chuqurligiga cho'zilgan ionistorlarning versiyalarida tez zaryad tezligini saqlab, yuqori zaryadsizlanish vaqtlariga erishish mumkin. Superkondensatorlarni ishlab chiquvchilarning sa'y-harakatlari superkondensatorlarning afzalliklarini, birinchi navbatda, yuqori zaryad tezligini va batareyalarning afzalliklarini - yuqori energiya zichligi va uzoq vaqt zaryadsizlanishini birlashtirgan akkumulyatorli gibrid qurilmalarni yaratishga qaratilgan. Yaqin kelajakda bir necha daqiqada quvvatlanadigan va noutbuk yoki smartfonni bir kun yoki undan ko'proq vaqt quvvatlantiradigan ionistor batareyasini tasavvur qiling!

Hozirgi vaqtda superkondensatorlarning energiya zichligi batareyalarning energiya zichligidan bir necha baravar kam bo'lishiga qaramay, ular maishiy elektronika va turli xil transport vositalarining dvigatellari uchun, shu jumladan eng ko'p.

* * *

Shunday qilib, bugungi kunda ko'plab elektrokimyoviy qurilmalar mavjud bo'lib, ularning har biri o'ziga xos ilovalar uchun istiqbolli. Ushbu qurilmalarning samaradorligini oshirish uchun olimlar bir qator fundamental va texnologik muammolarni hal qilishlari kerak. Ilg'or loyihalardan biri doirasidagi ushbu vazifalarning aksariyati Ural Federal universitetida hal qilinmoqda, shuning uchun biz Rossiya Fanlar akademiyasining Ural filiali Yuqori haroratli elektrokimyo instituti direktori Maksim Ananievga murojaat qildik. Ural Federal universiteti Kimyo-texnologiya institutining elektrokimyoviy ishlab chiqarish texnologiyasi kafedrasi professori, zamonaviy yonilg'i xujayralarini rivojlantirishning yaqin rejalari va istiqbollari haqida gapirish uchun. .

N+1: Yaqin kelajakda eng mashhur Li-Ion batareyalariga alternativa bormi?

Maksim Ananiev: Batareyani ishlab chiquvchilarning zamonaviy sa'y-harakatlari elektrolitlardagi zaryad tashuvchining turini lityumdan natriyga, kaliyga va alyuminiyga almashtirishga qaratilgan. Lityumni almashtirish natijasida og'irlik va o'lcham xususiyatlari mutanosib ravishda oshib borishiga qaramay, batareyaning narxini pasaytirish mumkin bo'ladi. Boshqacha qilib aytganda, bir xil elektr xususiyatlari uchun natriy-ion batareyasi lityum-ion batareyadan kattaroq va og'irroq bo'ladi.

Bundan tashqari, akkumulyatorlarni takomillashtirishning istiqbolli rivojlanayotgan yo'nalishlaridan biri yoqilg'i xujayralarida bo'lgani kabi metall-ionli batareyalarni havo elektrodi bilan birlashtirishga asoslangan gibrid kimyoviy energiya manbalarini yaratishdir. Umuman olganda, gibrid tizimlarni yaratish yo'nalishi, superkondensatorlar misolida ko'rsatilgandek, yaqin kelajakda bozorda yuqori iste'mol xususiyatlariga ega kimyoviy energiya manbalarini ko'rish imkonini beradi.

Ural Federal universiteti Rossiya va dunyoning akademik va sanoat hamkorlari bilan birgalikda yutuq yo'nalishlariga qaratilgan oltita megaloyihani amalga oshirmoqda. ilmiy tadqiqot. Ana shunday loyihalardan biri “Elektrokimyoviy energetika muhandisligining istiqbolli texnologiyalari yangi materiallarni kimyoviy loyihalashdan tortib energiyani tejash va konversiyalash uchun yangi avlod elektrokimyoviy qurilmalarigacha”dir.

Maksim Ananievni o'z ichiga olgan UrFU Tabiiy fanlar va matematika maktabining Strategik Akademik Birligi (SAU) olimlari guruhi yangi materiallar va texnologiyalarni, jumladan yonilg'i xujayralari, elektrolitik hujayralar, metall grafen batareyalari, elektrokimyoviy texnologiyalarni loyihalash va ishlab chiqish bilan shug'ullanadi. quvvat saqlash tizimlari va superkondensatorlar.

Tadqiqot va ilmiy ish Rossiya Fanlar akademiyasining Ural filiali Yuqori haroratli elektrokimyo instituti bilan doimiy hamkorlikda va hamkorlar ko‘magida olib borilmoqda.

Hozirgi vaqtda qaysi yonilg'i xujayralari ishlab chiqilmoqda va eng katta imkoniyatlarga ega?

Yoqilg'i xujayralarining eng istiqbolli turlaridan biri proton-keramik hujayralardir. Ular proton almashinadigan membrana va qattiq oksidli xujayralarga ega bo'lgan polimer yonilg'i xujayralari oldida afzalliklarga ega, chunki ular to'g'ridan-to'g'ri uglevodorod yoqilg'isi bilan ishlay oladi. Bu proton-keramika yonilg'i xujayralari va boshqaruv tizimiga asoslangan elektr stantsiyasining dizaynini sezilarli darajada soddalashtiradi va shuning uchun ishlashning ishonchliligini oshiradi. To'g'ri, hozirgi vaqtda bu turdagi yoqilg'i xujayralari tarixan kam rivojlangan, ammo zamonaviy ilmiy tadqiqotlar kelajakda ushbu texnologiyaning yuqori salohiyatiga umid qilish imkonini beradi.

Ural Federal universitetida yoqilg'i xujayralari bilan bog'liq qanday muammolar hozirda hal qilinmoqda?

Hozirda UrFU olimlari Rossiya Fanlar akademiyasining Ural boʻlimining Yuqori haroratli elektrokimyo instituti (IHTE) bilan birgalikda taqsimlangan energiyada qoʻllash uchun yuqori samarali elektrokimyoviy qurilmalar va avtonom energiya generatorlarini yaratish ustida ishlamoqda. Taqsimlangan energiya uchun elektr stantsiyalarini yaratish dastlab elektr energiyasi generatori va batareyalar bo'lgan saqlash moslamasi asosidagi gibrid tizimlarni ishlab chiqishni nazarda tutadi. Shu bilan birga, yonilg'i xujayrasi doimiy ravishda ishlaydi, eng yuqori soatlarda yukni ta'minlaydi va bo'sh rejimda batareyani zaryad qiladi, uning o'zi ham yuqori quvvat sarflanganda, ham favqulodda vaziyatlarda zahira vazifasini o'taydi.

Ural Federal universiteti va IHTE kimyogarlari qattiq oksid va proton-keramik yonilg'i xujayralarini ishlab chiqishda eng katta muvaffaqiyatga erishdilar. 2016 yildan beri Uralsda "Rosatom" davlat korporatsiyasi bilan birgalikda qattiq oksidli yonilg'i xujayralariga asoslangan birinchi rus elektr stantsiyalari ishlab chiqarildi. Ural olimlarining ishlanmalari allaqachon "Uraltransgaz" MChJ tajriba maydonchasidagi gaz quvurlarini katodli himoya qilish stantsiyasida "dala" sinovlaridan o'tdi. Nominal quvvati 1,5 kilovatt bo'lgan elektr stansiyasi 10 ming soatdan ortiq ishladi va bunday qurilmalardan foydalanishning yuqori salohiyatini ko'rsatdi.

Ural Federal universiteti va IHTE qo‘shma laboratoriyasi doirasida proton o‘tkazuvchi keramik membrana asosidagi elektrokimyoviy qurilmalar ishlab chiqilmoqda. Bu yaqin kelajakda qattiq oksidli yonilg'i xujayralarining ish haroratini 900 dan 500 gradusgacha kamaytirishga va uglevodorod yoqilg'isini dastlabki isloh qilishdan voz kechishga imkon beradi, shu bilan iqtisodiy jihatdan samarali elektrokimyoviy generatorlarni yaratishga imkon beradi. Rossiyada rivojlangan gaz ta'minoti infratuzilmasi.

Aleksandr Dubov

Bilimlar ekologiyasi.Fan va texnologiya: Vodorod energetikasi eng yuqori samarador tarmoqlardan biri bo‘lib, yoqilg‘i xujayralari uni innovatsion texnologiyalar orasida birinchi o‘rinda turishga imkon beradi.

Yoqilg'i xujayrasi elektrokimyoviy reaktsiya orqali vodorodga boy yoqilg'idan to'g'ridan-to'g'ri oqim va issiqlikni samarali ishlab chiqaradigan qurilma.

Yoqilg'i xujayrasi batareyaga o'xshaydi, chunki u kimyoviy reaksiya orqali to'g'ridan-to'g'ri oqim hosil qiladi. Shunga qaramay, batareya kabi, yonilg'i xujayrasi anod, katod va elektrolitni o'z ichiga oladi. Biroq, batareyalardan farqli o'laroq, yonilg'i xujayralari elektr energiyasini saqlay olmaydi, zaryadsizlanmaydi va elektr energiyasini qayta zaryadlashni talab qilmaydi. Yoqilg'i xujayralari yoqilg'i va havo bilan ta'minlangan holda doimiy ravishda elektr energiyasini ishlab chiqarishi mumkin. To'g'ri atama ishlaydigan yonilg'i xujayrasini tasvirlash uchun bu elementlar tizimidir, chunki to'liq ishlashi uchun ba'zi yordamchi tizimlar talab qilinadi.

Gaz, ko'mir, neft va boshqalar bilan ishlaydigan ichki yonish dvigatellari yoki turbinalar kabi boshqa energiya generatorlaridan farqli o'laroq, yoqilg'i xujayralari yoqilg'ini yoqmaydi. Bu shovqinli yuqori bosimli rotorlar, baland egzoz shovqinlari, tebranishlar yo'qligini anglatadi. Yoqilg'i xujayralari ovozsiz elektrokimyoviy reaktsiya orqali elektr energiyasini ishlab chiqaradi. Yoqilg'i xujayralarining yana bir xususiyati shundaki, ular yoqilg'ining kimyoviy energiyasini to'g'ridan-to'g'ri elektr, issiqlik va suvga aylantiradi.

Yoqilg'i xujayralari yuqori samarali va karbonat angidrid, metan va azot oksidi kabi ko'p miqdorda issiqxona gazlarini ishlab chiqarmaydi. Yoqilg'i xujayralari tomonidan chiqariladigan yagona mahsulotlar bug 'shaklidagi suv va oz miqdordagi karbonat angidrid bo'lib, yoqilg'i sifatida toza vodorod ishlatilsa, u umuman chiqarilmaydi. Yoqilg'i xujayralari yig'ilishlarga, so'ngra alohida funktsional modullarga yig'iladi.

Yoqilg'i xujayralarining ishlash printsipi

Yoqilg'i xujayralari elektrolit, katod va anod yordamida davom etayotgan elektrokimyoviy reaktsiya tufayli elektr va issiqlik hosil qiladi.

Anod va katod protonlarni o'tkazuvchi elektrolit bilan ajratiladi. Vodorod anodga va kislorod katodga kirgach, kimyoviy reaksiya boshlanadi, buning natijasida elektr toki, issiqlik va suv hosil bo'ladi. Anod katalizatorida molekulyar vodorod ajraladi va elektronlarni yo'qotadi. Vodorod ionlari (protonlar) elektrolitlar orqali katodga o'tkaziladi, elektronlar esa elektrolitlar orqali va tashqi elektr zanjiri orqali o'tib, uskunani quvvatlantirish uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan to'g'ridan-to'g'ri oqim hosil qiladi. Katod katalizatorida kislorod molekulasi elektron (tashqi aloqa orqali ta'minlangan) va kiruvchi proton bilan birlashadi va yagona reaktsiya mahsuloti (bug 'va / yoki suyuqlik shaklida) bo'lgan suvni hosil qiladi.

Quyida mos keladigan reaktsiya:

Anod reaktsiyasi: 2H2 => 4H+ + 4e-
Katoddagi reaksiya: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Umumiy element reaksiyasi: 2H2 + O2 => 2H2O

Yoqilg'i xujayralari turlari

Har xil turdagi ichki yonish dvigatellari mavjudligiga o'xshab, yonilg'i xujayralarining har xil turlari mavjud - tegishli turdagi yoqilg'i xujayrasini tanlash uning qo'llanilishiga bog'liq.Yoqilg'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 ushbu qo'shimcha protseduraga muhtoj emas, chunki ular yuqori haroratlarda yoqilg'ini "ichki o'zgartirishi" mumkin, ya'ni vodorod infratuzilmasiga sarmoya kiritishning hojati yo'q.

Eritilgan karbonatdagi yoqilg'i elementlari (MCFC).

Eritilgan karbonat elektrolitlari yonilg'i xujayralari yuqori haroratli yonilg'i xujayralari. Yuqori ish harorati tabiiy gazni yonilg'i protsessorsiz to'g'ridan-to'g'ri ishlatish imkonini beradi va texnologik yoqilg'ilardan va boshqa manbalardan past kaloriyali yoqilg'i gazidan. 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 eritish va elektrolitda ionlarning yuqori harakatchanligiga erishish uchun eritilgan karbonat elektrolitli yonilg'i xujayralari yuqori haroratda (650 ° C) ishlaydi. Samaradorlik 60-80% orasida o'zgarib turadi.

650 ° S haroratgacha qizdirilganda, tuzlar karbonat ionlari (CO32-) uchun o'tkazgichga 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 reaktsiyasi: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Katoddagi reaksiya: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Umumiy element reaktsiyasi: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katod) => H2O(g) + CO2(anod)

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.

Fosforik kislota (PFC) asosidagi yoqilg'i xujayralari.

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 (H3PO4) 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 xujayralaridagi 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.

Anod reaktsiyasi: 2H2 => 4H+ + 4e-
Katoddagi reaksiya: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Umumiy element reaksiyasi: 2H2 + O2 => 2H2O

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, CO2 elektrolitlar va yonilg'i xujayrasining ishlashiga ta'sir qilmaydi, bu turdagi hujayralar isloh qilingan tabiiy yoqilg'i bilan ishlaydi. Oddiy qurilish, past elektrolitlar o'zgaruvchanligi va yuqori barqarorlik ham ushbu turdagi yonilg'i xujayralarining 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, elektronlar esa tashqi doira bo'ylab harakatlanadi va elektr energiyasini ishlab chiqaradi. Havodan olingan kislorod katodga beriladi va elektronlar va vodorod ionlari bilan birlashib, suv hosil qiladi. Elektrodlarda quyidagi reaktsiyalar sodir bo'ladi:

Anod reaksiyasi: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Katoddagi reaksiya: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Umumiy element reaksiyasi: 2H2 + O2 => 2H2O

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 saqlash 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 (O2-) 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 (O2-). 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.

Anod reaksiyasi: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Katoddagi reaksiya: O2 + 4e- => 2O2-
Umumiy element reaksiyasi: 2H2 + O2 => 2H2O

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.

To'g'ridan-to'g'ri metanol oksidlanishiga ega yoqilg'i xujayralari (DOMTE)

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 (CH3OH) anodda suv ishtirokida oksidlanadi, CO2, 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.

Anod reaksiyasi: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Katoddagi reaksiya: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Umumiy element reaksiyasi: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

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. Bular bortida kosmik kemalar yonilg'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 va 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:

Anod reaksiyasi: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Katoddagi reaksiya: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Sistemaning umumiy reaksiyasi: 2H2 + O2 => 2H2O

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.

SFC ning xarakterli xususiyatlaridan biri uning CO2 ga yuqori sezuvchanligi bo'lib, u yoqilg'i yoki havoda bo'lishi mumkin. CO2 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, boshqa yonilg'i xujayralari uchun xavfsiz bo'lgan CO, H2O va CH4 kabi molekulalar va hatto ularning ba'zilari uchun yoqilg'i, SFC uchun zararli.

Polimer elektrolitli yonilg'i xujayralari (PETE)

Polimer elektrolitli yonilg'i xujayralari bo'lsa, polimer membranasi suv molekulasiga suv H2O+ (proton, qizil) ionlarining o'tkazuvchanligi biriktirilgan 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 elektrolit (CsHSO4) suvni o'z ichiga olmaydi. Shuning uchun ish harorati 100-300 ° S ni tashkil qiladi. SO42-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

Bizga qo'shiling

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 atrof-muhitni ifloslantirmasdan jim va samarali elektr energiyasini ishlab chiqaradi. Fotoalbom yoqilg'i energiya manbalaridan farqli o'laroq, yoqilg'i xujayralarining qo'shimcha mahsuloti issiqlik va suvdir. U qanday ishlaydi?

Ushbu maqolada biz bugungi kunda mavjud yoqilg'i texnologiyalarining har birini qisqacha ko'rib chiqamiz, shuningdek, yonilg'i xujayralarining dizayni va ishlashi haqida gapiramiz va ularni energiya ishlab chiqarishning boshqa shakllari bilan taqqoslaymiz. 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 elektr energiyasini ishlab chiqarish jarayonida kimyoviy moddalarni, vodorod va kislorodni suvga aylantiradi.

Hammamizga yaxshi tanish bo'lgan yana bir elektrokimyoviy qurilma batareyadir. Batareyada barcha kerakli narsalar mavjud kimyoviy elementlar o'z ichiga oladi 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. Oqim bor ekan, elektr energiyasi ishlab chiqariladi kimyoviy moddalar elementga. 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 haroratning afzalligi shundaki, yoqilg'i xujayralari tomonidan ishlab chiqarilgan bug 'turbinaga yo'naltirilishi va ko'proq elektr energiyasi ishlab chiqarilishi mumkin. 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 termosetting materialning 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 avtomobil bilan 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. Keling, 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.

Agar yonilg'i manbai sof vodorod shaklida bo'lmasa, u holda transport vositasi ham islohotchiga muhtoj 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) va vosita + inverteri 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 terrorizmni, radikal siyosiy partiyalarni, 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.

QO‘NG‘IROQ

Yoqilg'i xujayrasi/hujayralarining rivojlanish tarixi

Yoqilg'i xujayralari/hujayralari qanday ishlaydi

Yoqilg'i xujayralari / xujayralari turlari va xilma-xilligi

Eritilgan karbonatdagi yonilg'i xujayralari/xujayralari (MCFC)

Fosforik kislota (PFC) asosidagi yoqilg'i xujayralari/hujayralari

Qattiq oksidli yonilg'i xujayralari (SOFC)

To'g'ridan-to'g'ri metanol oksidlanishiga ega yoqilg'i xujayralari / hujayralar (DOMTE)

Ishqoriy yonilg'i xujayralari (AFC)

Polimer elektrolitli yonilg'i xujayralari (PETE)

Qattiq kislotali yonilg'i xujayralari (SCFC)

Har xil yonilg'i xujayrasi modullari. yonilg'i xujayrasi batareyasi

Yoqilg'i xujayralari turlari va navlarini qiyosiy tahlil qilish

Yoqilg'i xujayrasi/hujayra ilovalari

Yoqilg'i xujayralari / hujayralarni telekommunikatsiya tizimlarida qo'llash

Yoqilg'i xujayralari / xujayralari aloqa tarmoqlarida qo'llanilishi

Ma'lumotlar tarmoqlarida yonilg'i xujayralari / hujayralarni qo'llash

Xavfsizlik tizimlarida yonilg'i xujayralari/xujayralari qo'llanilishi

Yoqilg'i xujayralari/xujayralarini maishiy isitish va energiya ishlab chiqarishda qo'llash

Tarqatish tarmoqlarida yonilg'i xujayralari / hujayralarni qo'llash

Atrof-muhitni muhofaza qilish uchun yonilg'i xujayralari yordamida - bog'langan neft gazidan foydalanish

Kimyo elektr energiyasi manbai sifatida

Zaryadlanuvchi

Qattiq elektrolit

Vodorod yonilg'i xujayralari

Yoqilg'i xujayrasi samaradorligi

Muqobil elektrokimyoviy saqlash

* * *

Yoqilg'i xujayralarining ishlash printsipi

Yoqilg'i xujayralari ixtirosi

Polimer almashinuv membranasi yonilg'i xujayrasi (PEMFC)

Qattiq oksidli yonilg'i xujayrasi (SOFC)

Ishqoriy yonilg'i xujayrasi (AFC)

Eritilgan karbonatli yonilg'i xujayrasi (MCFC)

Fosfor kislotali yonilg'i xujayrasi (PAFC)

Polimer almashinuvi membranasi bilan yonilg'i xujayrasi

Yoqilg'i xujayrasi samaradorligi

Elektr batareyalarida benzinli dvigatel va avtomobilning samaradorligi

Nima uchun yonilg'i xujayralari ishlatiladi?

Shuningdek o'qing

Supertanker Qrimada SSSR qozonidagi halokat

Neft va gaz sanoatining dengiz gigantlari

Kichik yengil qotishma qutqaruv kemasi "Chibis

QO‘NG‘IROQ