Yanacaq elementləri: növləri, iş prinsipi və xüsusiyyətləri

2024 Müəllif: Howard Calhoun | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-02 13:49

Hidrogen təmiz yanacaqdır, çünki o, yalnız su istehsal edir və bərpa olunan enerji mənbələrindən istifadə edərək təmiz enerji təmin edir. O, elektrokimyəvi çevrilmə cihazından istifadə edərək elektrik enerjisi istehsal edən yanacaq hüceyrəsində saxlanıla bilər. Hidrogen gələcəyin inqilabi enerjisinin mənbəyidir, lakin onun inkişafı hələ də çox məhduddur. Səbəblər: dizaynın enerji tutumlu təbiətinə görə istehsalı çətin olan enerji, sərfəli qiymət və şübhəli enerji balansı. Lakin bu enerji seçimi enerjinin saxlanması baxımından maraqlı perspektivlər təklif edir, xüsusən də söhbət bərpa olunan mənbələrdən gedirsə.

Yanacaq Hüceyrəsinin Pionerləri

Konsept on doqquzuncu əsrin əvvəllərində Humphry Davy tərəfindən effektiv şəkildə nümayiş etdirilmişdir. Bunu 1838-ci ildə Kristian Fridrix Şonbeynin qabaqcıl işi izlədi. 1960-cı illərin əvvəllərində NASA sənaye tərəfdaşları ilə əməkdaşlıq edərək generatorlar hazırlamağa başladı.insanlı kosmik uçuşlar üçün bu tip. Bu, PEMFC-nin ilk bloku ilə nəticələndi.

Digər GE tədqiqatçısı Leonard Nidrach, katalizator kimi platin istifadə edərək Grubb-un PEMFC-ni təkmilləşdirdi. Grubb-Niedrach, NASA ilə əməkdaşlıqda daha da inkişaf etdirildi və 1960-cı illərin sonunda Əkizlər kosmik proqramı tərəfindən istifadə edildi. Beynəlxalq Yanacaq Hüceyrələri (IFC, daha sonra UTC Power) Apollonun kosmik uçuşları üçün 1,5 kVt gücündə cihazı işləyib hazırladı. Onlar missiyaları zamanı astronavtları elektrik enerjisi ilə yanaşı, içməli su ilə də təmin ediblər. IFC sonradan bütün kosmik gəmilərin uçuşlarını bortda enerji ilə təmin etmək üçün istifadə edilən 12 kVt-luq qurğular hazırladı.

Avtomobil elementi ilk dəfə 1960-cı illərdə Grulle tərəfindən icad edilmişdir. GM "Electrovan" avtomobilində Union Carbide istifadə etdi. O, yalnız şirkət avtomobili kimi istifadə edilib, lakin dolu çənlə 120 mil məsafə qət edə və saatda 70 mil sürətə çata bilirdi. Kordeş və Grulke 1966-cı ildə hidrogen motosikleti ilə sınaq keçirdilər. Bu, təsirli 1,18L/100km-ə çatan tandemdə NiCad batareyası olan hüceyrə hibrid idi. Bu hərəkət qabaqcıl e-velosiped texnologiyasına və elektron motosikletlərin kommersiyalaşdırılmasına malikdir.

2007-ci ildə yanacaq mənbələri müxtəlif sahələrdə kommersiyalaşdırıldı, onlar yazılı zəmanət və xidmət imkanları olan son istifadəçilərə satılmağa başladı, yəni. bazar iqtisadiyyatının tələb və standartlarına cavab verir. Beləliklə, bir sıra bazar seqmentləri tələbata diqqət yetirməyə başladı. Xüsusilə, minlərlə köməkçi gücPEMFC və DMFC (APU) qurğuları əyləncə proqramlarında kommersiyalaşdırılıb: qayıqlar, oyuncaqlar və məşq dəstləri.

Horizon 2009-cu ilin oktyabrında metanol patronlarında işləyən ilk kommersiya Dynario elektron sistemini nümayiş etdirdi. Horizon yanacaq elementləri mobil telefonları, GPS sistemlərini, kameraları və ya rəqəmsal musiqi pleyerlərini doldura bilər.

Hidrogen istehsalı prosesləri

Hidrogen yanacaq hüceyrələri yanacaq kimi hidrogen ehtiva edən maddələrdir. Hidrogen yanacağı yanma zamanı və ya elektrokimyəvi reaksiyalar vasitəsilə enerji buraxan sıfır emissiyalı yanacaqdır. Yanacaq elementləri və batareyalar kimyəvi reaksiya vasitəsilə elektrik enerjisi istehsal edir, lakin birincisi yanacaq olduğu müddətcə enerji istehsal edəcək və beləliklə heç vaxt enerji itirməyəcək.

Hidrogen hasil etmək üçün istilik prosesləri adətən buxarın islahını, buxarın hidrogeni buraxmaq üçün karbohidrogen mənbəyi ilə reaksiya verdiyi yüksək temperatur prosesini əhatə edir. Bir çox təbii yanacaq hidrogen istehsal etmək üçün dəyişdirilə bilər.

Bu gün hidrogenin təqribən 95%-i qazın reformasiyası nəticəsində əldə edilir. Horizon sıfır yanacaq elementi kimi işləyən cihazda su elektroliz yolu ilə oksigen və hidrogenə bölünür.

Günəş əsaslı proseslər

Hidrogen istehsal etmək üçün işıqdan istifadə edirlər. Mövcuddurgünəş panellərinə əsaslanan bir neçə proses:

1. fotobioloji;
2. fotoelektrokimyəvi;
3. günəşli;
4. termokimyəvi.

Fotobioloji proseslər bakteriyaların və yaşıl yosunların təbii fotosintez fəaliyyətindən istifadə edir.

Fotoelektrokimyəvi proseslər suyu hidrogen və oksigenə ayırmaq üçün ixtisaslaşdırılmış yarımkeçiricilərdir.

Termokimyəvi hidrogen günəş istehsalı metal oksidlər kimi digər növlərlə birlikdə suyun ayrılması reaksiyası üçün konsentratlaşdırılmış günəş enerjisindən istifadə edir.

Bioloji proseslər bakteriya və mikroyosun kimi mikroblardan istifadə edir və bioloji reaksiyalar vasitəsilə hidrogen istehsal edə bilir. Mikrob biokütləsinin çevrilməsində mikroblar biokütlə kimi üzvi maddələri parçalayır, fotobioloji proseslərdə isə mikroblar mənbə kimi günəş işığından istifadə edir.

Nəsil komponentləri

Elementlərin cihazları bir neçə hissədən ibarətdir. Hər birinin üç əsas komponenti var:

• anod;
• katod;
• keçirici elektrolit.

Hər bir elektrodun platin ərintisi katalizatoru ilə hopdurulmuş yüksək səth sahəsinə malik materialdan hazırlandığı Horizon yanacaq elementləri vəziyyətində, elektrolit materialı membrandır və ion keçiricisi kimi xidmət edir. Elektrik istehsalı iki əsas kimyəvi reaksiya ilə idarə olunur. Təmiz istifadə edən elementlər üçünH_2.

Anoddakı hidrogen qazı protonlara və elektronlara bölünür. Birincisi elektrolit membranı vasitəsilə aparılır, ikincisi isə onun ətrafında axır və elektrik cərəyanı yaradır. Yüklənmiş ionlar (H + və e -) katodda O_{2 ilə birləşərək su və istilik buraxır. Bu gün dünyaya təsir edən bir çox ekoloji problemlər cəmiyyəti davamlı inkişafa və planetin qorunması istiqamətində irəliləyişə nail olmaq üçün səfərbər edir. Burada kontekstdə əsas amil faktiki əsas enerji resurslarının insan ehtiyaclarını tam ödəyə bilən digərləri ilə əvəz edilməsidir.}

Sözügedən elementlər məhz belə bir cihazdır, onun sayəsində bu aspekt ən çox ehtimal olunan həlli tapır, çünki yüksək səmərəliliklə və CO emissiyaları olmadan təmiz yanacaqdan elektrik enerjisi əldə etmək mümkündür_2.

Platin katalizatorlar

Platin hidrogen oksidləşməsi üçün yüksək aktivliyə malikdir və ən çox yayılmış elektrokatalizator materialı olmaqda davam edir. Horizon-un platinlə azaldılmış yanacaq hüceyrələrindən istifadə edərək əsas tədqiqat sahələrindən biri avtomobil sənayesidir, burada yaxın gələcəkdə keçirici karbon üzərində dəstəklənən platin nanohissəciklərindən hazırlanmış mühəndis katalizatorlarının hazırlanması planlaşdırılır. Bu materialların yüksək dispersli nanohissəciklər, yüksək elektrokatalitik səth sahəsi (ESA) və yüksək temperaturda, hətta daha yüksək Pt yükləmə səviyyələrində minimal hissəcik artımı üstünlükləri var.

Pt tərkibli ərintilər metanol və ya reforminq kimi xüsusi yanacaq mənbələri ilə işləyən cihazlar üçün faydalıdır (H₂, CO₂, CO və N_{2). Pt/Ru ərintiləri metanol oksidləşməsi baxımından təmiz elektrokimyəvi Pt katalizatorları ilə müqayisədə təkmilləşdirilmiş performans göstərmişdir və karbonmonoksit zəhərlənməsi ehtimalı yoxdur. Pt 3 Co maraq doğuran başqa bir katalizatordur (xüsusilə Horizon yanacaq hüceyrəsi katodları üçün) və təkmilləşdirilmiş oksigenin azaldılması reaksiyasının effektivliyi və yüksək sabitlik nümayiş etdirmişdir.}

Pt/C və Pt 3 Co/C katalizatorları səthi karbon substratlarında yüksək dispers nanohissəcikləri göstərir. Yanacaq elementi elektrolitini seçərkən nəzərə alınmalı bir neçə əsas tələb var:

1. Yüksək proton keçiriciliyi.
2. Yüksək kimyəvi və termal sabitlik.
3. Aşağı qaz keçiriciliyi.

Hidrogen enerji mənbəyi

Hidrogen kainatda ən sadə və ən bol elementdir. Su, neft, təbii qaz və bütün canlılar aləminin mühüm tərkib hissəsidir. Sadəliyinə və bolluğuna baxmayaraq, hidrogen nadir hallarda təbii qaz halında Yer üzündə tapılır. Demək olar ki, həmişə digər elementlərlə birləşdirilir. O, neftdən, təbii qazdan, biokütlədən və ya günəş və ya elektrik enerjisindən istifadə edərək suyu ayırmaqla əldə edilə bilər.

Hidrogen molekulyar H₂ kimi əmələ gəldikdən sonra molekulda mövcud olan enerji qarşılıqlı təsirlə sərbəst buraxıla bilər. O₂ ilə. Bu, daxili yanma mühərrikləri və ya hidrogen yanacaq elementləri ilə əldə edilə bilər. Onlarda H_{2 enerjisi aşağı güc itkiləri ilə elektrik cərəyanına çevrilir. Beləliklə, hidrogen başqa mənbələrdən hasil edilən enerjini daşımaq, saxlamaq və çatdırmaq üçün enerji daşıyıcısıdır.}

Güc modulları üçün filtrlər

Xüsusi filtrlərdən istifadə etmədən alternativ enerji elementlərini əldə etmək mümkün deyil. Klassik filtrlər yüksək keyfiyyətli bloklar sayəsində dünyanın müxtəlif ölkələrində elementlərin güc modullarının inkişafına kömək edir. Hüceyrə tətbiqləri üçün metanol kimi yanacaq hazırlamaq üçün filtrlər verilir.

Adətən bu enerji modulları üçün tətbiqlərə uzaq yerlərdə enerji təchizatı, kritik təchizat üçün ehtiyat güc, kiçik nəqliyyat vasitələrində APU-lar və sərnişin gəmilərində hüceyrələrin sınaqdan keçirilməsi layihəsi olan Project Pa-X-ell kimi dəniz proqramları daxildir.

Filtrləmə problemlərini həll edən paslanmayan polad filtr korpusları. Bu tələbkar tətbiqlərdə sıfır şəfəq yanacaq hüceyrəsi istehsalçıları istehsal çevikliyi, daha yüksək keyfiyyət standartları, sürətli çatdırılma və rəqabətli qiymətlərə görə Classic Filters paslanmayan polad filtr korpuslarını təyin edirlər.

Hidrogen texnologiya platforması

Horizon Fuel Cell Technologies 2003-cü ildə Sinqapurda yaradılıb və bu gün 5 beynəlxalq törəmə müəssisəsi var. Firmanın missiyasısürətli kommersiyalaşmaya nail olmaq, texnologiya xərclərini az altmaq və hidrogen tədarükündəki köhnə maneələri aradan qaldırmaq üçün qlobal miqyasda çalışaraq yanacaq hüceyrələrində fərq yaratmaq. Firma daha böyük və daha mürəkkəb tətbiqlərə hazırlıq üçün az miqdarda hidrogen tələb edən kiçik və sadə məhsullarla başladı. Ciddi təlimatlara və yol xəritəsinə əməl etməklə Horizon tez bir zamanda dünyanın ən böyük 1000 Vt-dan aşağı toplu hüceyrə istehsalçısına çevrildi və sənayedə ən geniş kommersiya məhsulları seçimi ilə 65-dən çox ölkədə müştərilərə xidmət göstərir.

Horizon texnologiya platforması aşağıdakılardan ibarətdir: PEM - Horizon sıfır səhər yanacaq elementləri (mikroyanacaq və yığınlar) və onların materialları, hidrogen təchizatı (elektroliz, reforminq və hidroliz), hidrogen saxlama cihazları və cihazları.

Horizon dünyanın ilk portativ və şəxsi hidrogen generatorunu buraxdı. HydroFill stansiyası suyu bir çəndə parçalayaraq və HydroStick patronlarında saxlayaraq hidrogen yarada bilər. Onların tərkibində bərk saxlama təmin etmək üçün hidrogen qazının uducu bir ərintisi var. Daha sonra kartriclər kiçik yanacaq filtri elementlərini idarə edə bilən MiniPak şarj cihazına daxil edilə bilər.

Horizon və ya ev hidrogeni

Horizon Technologies evdə istifadə üçün hidrogen doldurma və enerji saxlama sistemini işə salır və portativ cihazları doldurmaq üçün evdə enerjiyə qənaət edir. Horizon 2006-cı ildə "H-racer" oyuncağı ilə fərqləndi, kiçik hidrogenlə işləyən avtomobil ilin "ən yaxşı ixtirası" seçildi. Horizon təklif edirkiçik portativ və təkrar istifadə oluna bilən batareyaları doldurmağa qadir olan Hydrofill hidrogen doldurma stansiyası ilə evdə enerji saxlanmasını qeyri-mərkəzləşdirin. Bu hidrogen qurğusu işləmək və enerji yaratmaq üçün yalnız su tələb edir.

İş şəbəkə, günəş panelləri və ya külək turbinləri ilə təmin edilə bilər. Oradan hidrogen stansiyanın su anbarından çıxarılır və bərk formada kiçik metal ərintisi hüceyrələrində saxlanılır. Təxminən 500 dollara satılan Hydrofill Station telefonlar üçün avanqard bir həlldir. Bu qiymətə Hydrofill yanacaq elementlərini harada tapmaq istifadəçilər üçün çətin deyil, sadəcə olaraq İnternetdə müvafiq sorğu soruşmaq kifayətdir.

Avtomobilin hidrogenlə doldurulması

Akkumulyatorla işləyən elektrik avtomobilləri kimi, hidrogenlə işləyən avtomobillər də avtomobili idarə etmək üçün elektrik enerjisindən istifadə edirlər. Amma bu elektrik enerjisini saatlarla doldurulan akkumulyatorlarda saxlamaq əvəzinə, hüceyrələr hidrogen və oksigeni reaksiya verərək avtomobilin göyərtəsində enerji yaradır. Reaksiya elektrolitin - qeyri-metal keçiricinin iştirakı ilə baş verir, burada elektrik axını Horizon sıfır yanacaq hüceyrələrinin proton mübadiləsi membranları ilə təchiz olunduğu cihazlarda ionların hərəkəti ilə aparılır. Onlar aşağıdakı kimi fəaliyyət göstərir:

1. Hidrogen qazı hüceyrənin "-" anoduna (A) verilir və oksigen müsbət qütbə yönəldilir.
2. Anodda katalizator platindir,hidrogen atomlarından elektronları atır, "+" ionları və sərbəst elektronlar buraxır. Anod və katod arasında yerləşən membrandan yalnız ionlar keçir.
3. Elektronlar xarici dövrə boyunca hərəkət edərək elektrik cərəyanı yaradır. Katodda elektronlar və hidrogen ionları oksigenlə birləşərək hüceyrədən axan su əmələ gətirir.

İndiyədək hidrogenlə işləyən avtomobillərin geniş miqyaslı istehsalına iki şey mane olub: xərc və hidrogen istehsalı. Son vaxtlara qədər hidrogeni iona və elektrona ayıran platin katalizatoru olduqca bahalı idi.

Bir neçə il əvvəl hidrogen yanacaq hüceyrələrinin hər kilovat gücü üçün təxminən 1000 dollara, avtomobil üçün isə təxminən 100.000 dollara başa gəlir. Layihənin dəyərini az altmaq üçün müxtəlif tədqiqatlar aparıldı, o cümlədən platin katalizatorunun 90 dəfə daha səmərəli platin-nikel ərintisi ilə əvəz edilməsi. Keçən il ABŞ Energetika Departamenti sistemin qiymətinin avtomobil sənayesində hələ də rəqabətədavamlı olmayan kilovat üçün 61 dollara düşdüyünü bildirdi.

Rentgen kompüter tomoqrafiyası

Bu qeyri-dağıdıcı sınaq üsulu iki qatlı elementin strukturunu öyrənmək üçün istifadə olunur. Strukturu öyrənmək üçün ümumi istifadə edilən digər üsullar:

• civə müdaxiləsi porozimetriyası;
• atom qüvvəsi mikroskopiyası;
• optik profilometriya.

Nəticələr göstərir ki, məsaməlik paylanması istilik və elektrik keçiriciliyini, keçiriciliyi vədiffuziya. Elementlərin məsaməliliyinin ölçülməsi onların nazik, sıxıla bilən və qeyri-homogen həndəsəsinə görə çox çətindir. Nəticə göstərir ki, məsaməlilik GDL sıxılması ilə azalır.

Gözenekli struktur elektrodda kütlə ötürülməsinə əhəmiyyətli təsir göstərir. Təcrübə 0,5 ilə 10 MPa arasında dəyişən müxtəlif isti presləmə təzyiqlərində aparılmışdır. Performans, əsasən, dəyəri çox yüksək olan platin metalından asılıdır. Diffuziya kimyəvi bağlayıcıların istifadəsi ilə artırıla bilər. Bundan əlavə, temperatur dəyişiklikləri elementin ömrünə və orta performansına təsir göstərir. Yüksək temperaturlu PEMFC-lərin deqradasiya dərəcəsi əvvəlcə aşağıdır, sonra isə sürətlə artır. Bu, suyun əmələ gəlməsini müəyyən etmək üçün istifadə olunur.

Kommersiyalaşdırma problemləri

Xərc baxımından rəqabətədavamlı olmaq üçün yanacaq elementlərinin xərcləri yarıya endirilməli və batareyanın ömrü də eyni şəkildə uzadılmalıdır. Bununla belə, bu gün istismar xərcləri hələ də daha yüksəkdir, çünki hidrogen hasilatı xərcləri 2,5 ilə 3 dollar arasındadır və tədarük edilən hidrogenin qiyməti 4 dollar/kq-dan aşağı olmayacaq. Hüceyrənin batareyalarla effektiv rəqabət apara bilməsi üçün onun qısa doldurulma vaxtı olmalı və batareyanın dəyişdirilməsi prosesini minimuma endirməlidir.

Hazırda polimer yanacaq hüceyrəsi texnologiyası kütləvi istehsal edildikdə (ildə ən azı 500.000 ədəd) 49 ABŞ dolları/kVt-a başa gələcək. Ancaq avtomobillərlə rəqabət aparmaq üçündaxili yanma, avtomobil yanacaq elementləri təxminən $36/kVt-a çatmalıdır. Maddi xərclərin azaldılması (xüsusən, platinin istifadəsi), güc sıxlığının artırılması, sistemin mürəkkəbliyinin azaldılması və davamlılığın artırılması ilə qənaət əldə edilə bilər. Texnologiyanı geniş miqyasda kommersiyalaşdırmaq üçün bir sıra texniki maneələri aradan qaldırmaq da daxil olmaqla bir sıra çətinliklər var.

Gələcəyin texniki çətinlikləri

Yığın qiyməti materialdan, texnikadan və istehsal texnologiyasından asılıdır. Materialın seçimi yalnız materialın funksiyaya uyğunluğundan deyil, həm də iş qabiliyyətindən asılıdır. Elementlərin əsas vəzifələri:

1. Elektrokatalizator yükünü azaldın və aktivliyi artırın.
2. Dayanıqlığı yaxşılaşdırın və deqradasiyanı azaldın.
3. Elektrod dizaynının optimallaşdırılması.
4. Anodda çirklərin tolerantlığını yaxşılaşdırın.
5. Kompentlər üçün materialların seçilməsi. Performansdan ödün vermədən ilk növbədə xərcə əsaslanır.
6. Sistem xətasına dözümlülük.
7. Elementin performansı əsasən membranın gücündən asılıdır.

Hüceyrə performansına təsir edən əsas GDL parametrləri reagent keçiriciliyi, elektrik keçiriciliyi, istilik keçiriciliyi və mexaniki dəstəkdir. GDL qalınlığı mühüm amildir. Daha qalın membran daha yaxşı qoruma, mexaniki güc, daha uzun diffuziya yolları və daha yüksək istilik və elektrik müqavimət səviyyələri təmin edir.

Tərəqqi meyllər

Müxtəlif növ elementlər arasında PEMFC daha çox mobil proqramları (avtomobillər, noutbuklar, mobil telefonlar və s.) uyğunlaşdırır, buna görə də geniş istehsalçıların marağına səbəb olur. Əslində, PEMFC aşağı əməliyyat temperaturu, yüksək cərəyan sıxlığının sabitliyi, yüngül çəki, yığcamlıq, aşağı qiymət və həcm potensialı, uzun xidmət müddəti, sürətli işə salma və fasilələrlə işləməyə uyğunluq kimi bir çox üstünlüklərə malikdir.

PEMFC texnologiyası müxtəlif ölçülərə uyğundur və həmçinin hidrogen hasil etmək üçün düzgün emal edildikdə müxtəlif yanacaqlarda istifadə olunur. Beləliklə, o, kiçik subvat miqyasından meqavat miqyasına qədər istifadə tapır. 2016-2018-ci illərdə ümumi göndərişlərin 88%-i PEMFC olub.