Отун клеткалары: түрлөрү, иштөө принциби жана өзгөчөлүктөрү

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2024-01-02 13:58

Суутек таза отун, анткени ал сууну гана өндүрөт жана энергиянын кайра жаралуучу булактарын колдонуу менен таза энергияны берет. Аны электрохимиялык конвертациялоочу аппарат аркылуу электр энергиясын өндүргөн күйүүчү май клеткасында сактоого болот. Водород келечектин революциячыл энергиясынын булагы болуп саналат, бирок анын енугушу дагы эле ете чектелуу. Себептери: долбоорлоонун энергия сыйымдуулугунан улам өндүрүү кыйын болгон энергия, экономикалык эффективдүү жана күмөндүү энергия балансы. Бирок бул энергия опциясы энергияны сактоо жагынан кызыктуу перспективаларды сунуштайт, айрыкча кайра жаралуучу булактарга келгенде.

Отун клеткасынын пионерлери

Концепцияны он тогузунчу кылымдын башында Хамфри Дэви натыйжалуу көрсөткөн. Андан кийин 1838-жылы Кристиан Фридрих Шонбейндин пионердик иши башталган. 1960-жылдардын башында NASA өнөр жай өнөктөштөрү менен биргеликте генераторлорду иштеп чыга баштаган.адам башкарган космостук учуулар үчүн ушул типтеги. Натыйжада PEMFC биринчи блогу пайда болду.

Дагы бир GE изилдөөчүсү Леонард Нидрах катализатор катары платинаны колдонуп Grubb's PEMFCди жаңылады. Grubb-Niedrach андан ары НАСА менен биргеликте иштелип чыккан жана 1960-жылдардын аягында Gemini космос программасы тарабынан колдонулган. International Fuel Cells (IFC, кийинчерээк UTC Power) Аполлондун космостук учуулары үчүн 1,5 кВттык түзүлүштү иштеп чыкты. Алар космонавттарды миссиясы учурунда электр энергиясы менен бирге ичүүчү суу менен камсыз кылышкан. Кийинчерээк IFC космостук кемелердин бардык учууларын борттогу кубат менен камсыз кылуу үчүн колдонулган 12 кВт кубаттуулуктагы агрегаттарды иштеп чыкты.

Автомобиль элементин биринчи жолу 1960-жылдары Грулле ойлоп тапкан. GM "Electrovan" унаасында Union Carbide колдонгон. Ал кызматтык унаа катары гана колдонулган, бирок толук резервуар менен 120 мильге чейин басып, саатына 70 миль ылдамдыкка жете алган. Кордеш менен Грулке 1966-жылы суутек мотоцикли менен эксперимент жасашкан. Бул тандемде NiCad батарейкасы бар клетка гибриди болгон, ал 1,18 л/100 кмге жеткен. Бул кадам өнүккөн электрондук велосипед технологиясын жана электрондук мотоциклдерди коммерциялаштырды.

2007-жылы күйүүчү май булактары ар түрдүү тармактарда коммерциялаштырылган, алар жазуу жүзүндөгү кепилдиктери жана тейлөө мүмкүнчүлүктөрү бар акыркы колдонуучуларга сатыла баштаган, б.а. рынок экономикасынын талаптарына жана стандарттарына жооп берет. Ошентип, рыноктун бир катар сегменттери суроо-талапка басым жасай баштады. Атап айтканда, миндеген жардамчы кучPEMFC жана DMFC (APU) бирдиктери көңүл ачуу колдонмолорунда коммерциялаштырылган: кайыктар, оюнчуктар жана машыгуу топтомдору.

Horizon 2009-жылдын октябрында метанол картридждеринде иштеген биринчи коммерциялык Dynario электрондук тутумун көрсөттү. Горизонт күйүүчү май клеткалары уюлдук телефондорду, GPS системаларын, камераларды же санарип музыка ойноткучтарды кубаттай алат.

Суутек өндүрүү процесстери

Суутек отун клеткалары отун катары суутек камтыган заттар. Суутек отун - күйүү учурунда же электрохимиялык реакциялар аркылуу энергияны бөлүп чыгаруучу нөлдүү отун. Күйүүчү май клеткалары жана батарейкалар химиялык реакция аркылуу электр энергиясын өндүрөт, бирок биринчиси күйүүчү май бар болсо, электр энергиясын өндүрөт, ошондуктан эч качан зарядын жоготпойт.

Суутек өндүрүү үчүн жылуулук процесстери, адатта, буу реформингди камтыйт, бул жогорку температурадагы процесс, мында буу суутекти бөлүп чыгаруу үчүн углеводород булагы менен реакцияга кирет. Көптөгөн табигый отундарды суутек өндүрүү үчүн реформалоого болот.

Бүгүнкү күндө суутектин болжол менен 95% газды реформалоодо өндүрүлөт. Горизонттун нөлдүк күйүүчү май клеткасы сыяктуу иштеген аппаратта суу электролиз аркылуу кычкылтек менен суутекке бөлүнөт.

Күнге негизделген процесс

Алар суутек өндүрүү үчүн жарыкты агент катары колдонушат. Баркүн панелдерине негизделген бир нече процесс:

1. фотобиологиялык;
2. фотоэлектрохимиялык;
3. күн ачык;
4. термохимиялык.

Фотобиологиялык процесстер бактериялардын жана жашыл балырлардын табигый фотосинтездик активдүүлүгүн колдонот.

Фотоэлектрохимиялык процесстер сууну суутек менен кычкылтекке бөлүү үчүн адистештирилген жарым өткөргүчтөр.

Термохимиялык суутек күн өндүрүшү металл оксиддери сыяктуу башка түрлөр менен бирге сууну бөлүү реакциясы үчүн концентрацияланган күн энергиясын колдонот.

Биологиялык процесстер бактериялар жана микробалырлар сыяктуу микробдорду колдонот жана биологиялык реакциялар аркылуу суутек чыгара алат. Микробдук биомассаны өзгөртүүдө микробдор биомасса сыяктуу органикалык заттарды талкалайт, ал эми фотобиологиялык процесстерде микробдор күн нурун булак катары колдонушат.

Муун компоненттери

Элементтердин түзүлүштөрү бир нече бөлүктөн турат. Ар биринин үч негизги компоненти бар:

• анод;
• катод;
• өткөргүч электролит.

Горизонт күйүүчү май клеткаларында ар бир электрод платина эритмеси катализатору менен сиңирилген жогорку беттик материалдан жасалганда, электролит материалы мембрана болуп саналат жана ион өткөргүч катары кызмат кылат. Электр энергиясын өндүрүү эки негизги химиялык реакция менен шартталган. таза колдонуу элементтери үчүнH_2.

Аноддогу суутек газы протондор менен электрондорго бөлүнөт. Биринчиси электролит мембранасы аркылуу өткөрүлөт, ал эми экинчиси анын айланасында агып, электр тогун пайда кылат. Заряддалган иондор (H + жана e -) катоддо O_{2 менен биригип, суу менен жылуулукту бөлүп чыгарат. Бүгүнкү күндө дүйнөгө таасирин тийгизген көптөгөн экологиялык маселелер коомду туруктуу өнүгүүгө жана планетаны коргоого карай прогресске мобилизациялоодо. Бул жерде контекстте негизги фактор болуп чыныгы негизги энергия ресурстарын адамдын керектөөлөрүн толугу менен канааттандыра ала турган башка ресурстар менен алмаштыруу саналат.}

Каралып жаткан элементтер дал ушундай түзүлүш, анын аркасында бул аспект эң ыктымалдуу чечимди табат, анткени таза отундан жогорку эффективдүү жана СО эмиссиясы жок электр энергиясын алууга болот_2.

Платина катализаторлору

Платина суутек кычкылдануусу үчүн өтө активдүү жана эң кеңири таралган электрокатализатор материалы болуп калууда. Горизонттун платина менен кыскартылган күйүүчү май клеткаларын колдонуу менен изилдөөнүн негизги багыттарынын бири жакынкы келечекте өткөргүч көмүртекте колдоого алынган платина нанобөлүкчөлөрүнөн жасалган инженердик катализаторлор пландаштырылган автомобиль өнөр жайы болуп саналат. Бул материалдардын жогорку дисперстүү нанобөлүкчөлөрүнүн, жогорку электрокаталитикалык бетинин аянтынын (ESA) жана бөлүкчөлөрдүн жогорку температурада, атүгүл жогорку Pt жүктөө деңгээлдеринде минималдуу өсүшүнүн артыкчылыгы бар.

Pt камтыган эритмелер метанол же реформинг (H₂, CO₂, сыяктуу адистештирилген отун булактарында иштеген түзмөктөр үчүн пайдалуу CO жана N_{2). Pt/Ru эритмелери метанолдун кычкылдануусу жагынан таза электрохимиялык Pt катализаторлоруна караганда жакшыртылган натыйжалуулугун көрсөттү жана көмүртек кычкылы менен уулануу мүмкүнчүлүгү жок. Pt 3 Co кызыгууну жараткан дагы бир катализатор (айрыкча Horizon күйүүчү май клеткасынын катоддору үчүн) жана кычкылтекти азайтуу реакциясынын эффективдүүлүгүн жана жогорку туруктуулугун көрсөттү.}

Pt/C жана Pt 3 Co/C катализаторлору беттик көмүртек субстраттарында жогорку дисперстүү нанобөлүкчөлөрдү көрсөтөт. Күйүүчү май клеткасынын электролитин тандоодо бир нече негизги талаптарды эске алуу керек:

1. Жогорку протон өткөрүмдүүлүк.
2. Жогорку химиялык жана термикалык туруктуулук.
3. Газ өткөргүчтүгү төмөн.

Суутек энергия булагы

Суутек - ааламдагы эң жөнөкөй жана эң көп элемент. Бул суунун, мунайдын, жаратылыш газынын жана бүткүл тирүү дүйнөнүн маанилүү компоненти. Жөнөкөйлүгүнө жана көптүгүнө карабастан, суутек Жерде табигый газ абалында сейрек кездешет. Бул дээрлик ар дайым башка элементтер менен айкалыштырылган. Ал мунайдан, жаратылыш газынан, биомассадан же күн же электр энергиясын пайдалануу менен сууну бөлүп алуу аркылуу алынышы мүмкүн.

Суутек молекулалык H₂ катары пайда болгондон кийин, молекуладагы энергия өз ара аракеттенүү аркылуу бөлүнүп чыгышы мүмкүн.менен O₂. Буга ичтен күйүүчү кыймылдаткычтар же суутек күйүүчү май клеткалары менен жетишүүгө болот. Аларда H_{2 энергиясы аз энергия жоготуулары менен электр тогуна айланат. Ошентип, суутек башка булактардан өндүрүлгөн энергияны жылдыруу, сактоо жана жеткирүү үчүн энергия алып жүрүүчү болуп саналат.}

Күч модулдары үчүн чыпкалар

Энергиянын альтернативдүү элементтерин алуу атайын фильтрлерди колдонбой туруп мүмкүн эмес. Классикалык чыпкалар жогорку сапаттагы блоктордун эсебинен дүйнөнүн ар кайсы өлкөлөрүндө элементтердин кубаттуулук модулдарын өнүктүрүүгө жардам берет. Чыпкалар метанол сыяктуу күйүүчү майларды клеткаларды колдонуу үчүн даярдоо үчүн берилет.

Адатта бул кубаттуулук модулдары үчүн тиркемелерге алыскы жерлердеги электр энергиясы, маанилүү жабдыктар үчүн резервдик кубаттуулук, чакан унаалардагы APUлар жана жүргүнчү кемелериндеги клеткаларды сыноо долбоору болгон Project Pa-X-ell сыяктуу деңиз колдонмолору кирет.

Чыпкалоо маселелерин чечүүчү дат баспас болоттон жасалган чыпкалуу корпустар. Бул талап кылынган колдонмолордо, нөл таңкы күйүүчү май клеткаларынын өндүрүүчүлөрү өндүрүш ийкемдүүлүгүнө, жогорку сапат стандарттарына, тез жеткирүүлөргө жана атаандаштыкка жөндөмдүү баага байланыштуу Classic Filters дат баспас болоттон жасалган чыпкалуу корпустарды көрсөтүүдө.

Суутек технологиясы платформа

Horizon Fuel Cell Technologies 2003-жылы Сингапурда негизделген жана бүгүнкү күндө 5 эл аралык филиалы бар. Фирманын миссиясы болуп саналаттез коммерциялаштыруу, технологиялык чыгымдарды төмөндөтүү жана суутек менен камсыз кылуудагы эски тоскоолдуктарды жоюу үчүн глобалдык деңгээлде иштөө аркылуу отун клеткаларында айырмачылык кылуу. Фирма чоңураак жана татаалыраак колдонууга даярдануу үчүн аз өлчөмдө суутекти талап кылган кичинекей жана жөнөкөй өнүмдөр менен баштады. Катуу көрсөтмөлөрдү жана жол картасын аткаруу менен Horizon тез арада дүйнөдөгү эң ири 1000 Вттан төмөн уюлдук клетка өндүрүүчүсү болуп калды, ал тармактагы коммерциялык өнүмдөрдүн эң кеңири тандоосу менен 65тен ашуун өлкөдө кардарларды тейлейт.

Horizon технологиялык платформасы төмөнкүлөрдөн турат: PEM - Horizon нөл таңкы отун элементтери (микроотун жана стектер) жана алардын материалдары, суутек менен камсыз кылуу (электролиз, реформинг жана гидролиз), суутек сактоочу түзүлүштөр жана түзүлүштөр.

Horizon дүйнөдөгү биринчи көчмө жана жеке суутек генераторун чыгарды. HydroFill станциясы суутекти резервуардагы сууну ыдыратып, аны HydroStick картридждеринде сактоо менен өндүрө алат. Алар катуу сактоону камсыз кылуу үчүн суутек газынын соргуч эритмесин камтыйт. Андан кийин картридждерди күйүүчү май чыпкасынын майда элементтерин иштете ала турган MiniPak заряддоочу түзүлүшкө салууга болот.

Горизонт же үй суутек

Horizon Technologies үйдө колдонуу үчүн суутек кубаттоо жана энергия сактоо тутумун ишке киргизип, көчмө түзмөктөрдү кубаттоо үчүн үйдө энергияны үнөмдөйт. Горизонт 2006-жылы "H-racer" оюнчугу менен өзгөчөлөнүп, суутек менен иштеген кичинекей унаа жылдын "мыкты ойлоп табуусу" деп табылган. Horizon сунуш кылаткичинекей портативдик жана көп жолу колдонулуучу батареяларды толтурууга жөндөмдүү Hydrofill суутек заряддоо станциясы менен үйдө энергияны сактоону борбордон ажыратыңыз. Бул суутек станциясы иштеп, энергия өндүрүү үчүн суу гана талап кылынат.

Жумуш тармак, күн панелдери же шамал турбинасы менен камсыз кылынышы мүмкүн. Ал жерден водород станциянын суу сактагычынан чыгарылып, катуу формада майда металл эритмелеринин клеткаларында сакталат. Болжол менен 500 долларга бааланган Hydrofill станциясы телефондор үчүн авангарддык чечим болуп саналат. Мындай баада Hydrofill күйүүчү май клеткаларын кайдан табуу колдонуучулар үчүн кыйын эмес, жөн гана Интернеттен тиешелүү суроону сурашыңыз керек.

Унаага суутек менен кубаттоо

Аккумулятор менен иштеген электр унаалардай эле, суутек менен иштегендер да унааны айдоо үчүн электр энергиясын колдонушат. Бирок бул электрди заряддоо үчүн бир нече саатты талап кылган аккумуляторлордо сактоонун ордуна, клеткалар суутек менен кычкылтекти реакцияга салып, унаанын бортунда энергияны иштеп чыгышат. Реакция электролиттин – металл эмес өткөргүчтүн катышуусунда ишке ашат, мында электр агымы Горизонттун нөлдүк күйүүчү май клеткалары протон алмаштыруучу мембраналар менен жабдылган аппараттардагы иондордун кыймылы аркылуу ишке ашат. Алар төмөнкүдөй иштешет:

1. Суутек газы клетканын "-" анодуна (A) берилет, ал эми кычкылтек оң уюлга багытталган.
2. Аноддо катализатор платина,суутек атомдорунан электрондорду чыгарып, "+" иондорун жана эркин электрондорду калтырат. Анод менен катоддун ортосунда жайгашкан мембрана аркылуу иондор гана өтөт.
3. Электрондор тышкы чынжыр боюнча кыймылдап, электр тогун жаратат. Катоддо электрондор жана суутек иондору кычкылтек менен биригип, клеткадан агып чыккан сууну пайда кылышат.

Ушул убакка чейин суутек менен жүрүүчү транспорттордун масштабдуу өндүрүшүнө эки нерсе тоскоол болуп келген: наркы жана суутек өндүрүү. Акыркы убакка чейин суутекти ионго жана электронго бөлүүчү платина катализатору өтө кымбат болгон.

Бир нече жыл мурун суутек күйүүчү май клеткалары ар бир киловатт кубаттуулук үчүн 1000 долларга, же унаа үчүн болжол менен 100 000 долларга бааланган. Долбоордун баасын төмөндөтүү үчүн ар кандай изилдөөлөр жүргүзүлдү, анын ичинде платина катализаторун 90 эсе эффективдүү платина-никель эритмеси менен алмаштыруу. Өткөн жылы АКШнын Энергетика министрлиги системанын баасы бир киловатт үчүн 61 долларга чейин төмөндөгөнүн кабарлаган, бул дагы эле автомобиль өнөр жайында атаандаштыкка туруштук бере албайт.

Рентгендик компьютердик томография

Бул кыйратпаган сыноо ыкмасы эки катмарлуу элементтин түзүлүшүн изилдөө үчүн колдонулат. Түзүмдү изилдөө үчүн көбүнчө колдонулган башка ыкмалар:

• сымап интрузия порозиметриясы;
• атомдук күч микроскопиясы;
• оптикалык профилометрия.

Натыйжалар көзөнөктүүлүктүн бөлүштүрүлүшү жылуулук жана электр өткөрүмдүүлүктү, өткөргүчтүктү жанадиффузия. Элементтердин көзөнөктүүлүгүн өлчөө алардын ичке, кысылуучу жана бир тектүү эмес геометриясына байланыштуу абдан кыйын. Натыйжа GDL кысуу менен көзөнөктүүлүк азайарын көрсөтүп турат.

Кешиктүү түзүлүш электроддогу массаны өткөрүүгө олуттуу таасирин тийгизет. Эксперимент 0,5тен 10 МПага чейинки ар кандай ысык басуу басымдарында жүргүзүлдү. аткаруу, негизинен, платина металлына көз каранды, анын баасы абдан жогору. Диффузияны химиялык байланыштыргычтарды колдонуу аркылуу көбөйтүүгө болот. Мындан тышкары, температуранын өзгөрүшү элементтин иштөө мөөнөтүнө жана орточо иштешине таасирин тийгизет. Жогорку температурадагы PEMFCs деградация ылдамдыгы алгач төмөн, андан кийин тездик менен жогорулайт. Бул суунун пайда болушун аныктоо үчүн колдонулат.

Коммерциялаштыруу көйгөйлөрү

Конкурстук атаандаштыкка туруштук берүү үчүн, күйүүчү май клеткаларынын чыгымдары эки эсеге кыскарып, батареянын иштөө мөөнөтү да ошончолук узартылышы керек. Бирок бүгүнкү күндө эксплуатациялык чыгымдар дагы эле бир топ жогору, анткени суутек өндүрүшүнүн баасы 2,5 доллардан 3 долларга чейин, ал эми берилген суутектин баасы 4 доллар/кгдан аз болушу күмөн. Клетка батарейкалар менен натыйжалуу атаандаша алышы үчүн, анын заряддоо убактысы кыска болушу жана батареяны алмаштыруу процессин азайтышы керек.

Учурда полимердик отун клеткасынын технологиясы массалык түрдө өндүрүлгөндө 49 АКШ доллары/кВт турат (жылына кеминде 500 000 даана). Бирок, машиналар менен атаандашуу үчүнички күйүү, унаа күйүүчү клеткалар болжол менен $ 36 / кВт жетиши керек. Материалдык чыгымдарды азайтуу (атап айтканда, платинаны колдонуу), электр кубаттуулугун жогорулатуу, системанын татаалдыгын азайтуу жана туруктуулукту жогорулатуу аркылуу үнөмдөөгө болот. Технологияны кеңири масштабда коммерциялаштырууда бир нече кыйынчылыктар бар, анын ичинде бир катар техникалык тоскоолдуктарды жеңүү.

Келечектин техникалык кыйынчылыктары

Стектин баасы материалга, техникага жана өндүрүш техникасына жараша болот. Материалды тандоо материалдын функцияга ылайыктуулугуна гана эмес, ошондой эле ишке жарамдуулугуна да көз каранды. Элементтердин негизги милдеттери:

1. Электрокатализатордун жүгүн азайтып, жигердүүлүктү арттырыңыз.
2. Бырактуулукту жакшыртыңыз жана деградацияны азайтыңыз.
3. Электроддун дизайнын оптималдаштыруу.
4. Аноддогу ыпластарга чыдамдуулукту жакшыртыңыз.
5. Компоненттер үчүн материалдарды тандоо. Ал негизинен майнаптуулугун жоготпостон, баасына негизделген.
6. Системанын каталарына чыдамдуулук.
7. Элементтин иштеши негизинен мембрананын бекемдигинен көз каранды.

Клетканын иштешине таасир этүүчү негизги GDL параметрлери болуп реагент өткөрүмдүүлүк, электр өткөрүмдүүлүк, жылуулук өткөрүмдүүлүк жана механикалык колдоо саналат. GDL калыңдыгы маанилүү фактор болуп саналат. Калыңыраак мембрана жакшыраак коргоону, механикалык күчтү, диффузия жолдорун узунураак жана жылуулук менен электрдик каршылыктын деңгээлин жогорулатат.

Прогрессивдүү тенденциялар

Элементтердин ар кандай түрлөрүнүн ичинен PEMFC көбүрөөк мобилдик тиркемелерди (автоунаалар, ноутбуктар, уюлдук телефондор ж.б.) ыңгайлаштырууда, демек, өндүрүүчүлөрдүн кеңири чөйрөсүнө кызыгуу артууда. Чынында, PEMFC төмөнкү иштөө температурасы, жогорку токтун тыгыздыгынын туруктуулугу, жеңил салмак, компакттуулук, арзан баада жана көлөм потенциалы, узак кызмат мөөнөтү, тез ишке киргизүү жана үзгүлтүксүз иштөөгө ылайыктуулугу сыяктуу көптөгөн артыкчылыктарга ээ.

PEMFC технологиясы ар кандай өлчөмдөргө ылайыктуу жана ошондой эле суутек өндүрүү үчүн туура иштетилгенде ар кандай күйүүчү майлар менен колдонулат. Ошентип, ал кичинекей субватт масштабынан мегаватт шкаласына чейин колдонууну табат. 2016-2018-жылдары жалпы жүктөрдүн 88% PEMFC болгон.