Отын элементтері: түрлері, жұмыс істеу принципі және ерекшеліктері

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

Сутегі таза отын, өйткені ол тек суды өндіреді және жаңартылатын энергия көздерін пайдалана отырып таза энергия береді. Оны электрохимиялық түрлендіру құрылғысы арқылы электр энергиясын өндіретін отын ұяшығында сақтауға болады. Сутегі - болашақтың революциялық энергиясының көзі, бірақ оның дамуы әлі де өте шектеулі. Себептер: өндіру қиын энергия, экономикалық тиімділік және дизайнның энергияны қажет ететін сипатына байланысты күмәнді энергия балансы. Бірақ бұл қуат опциясы энергияны сақтау тұрғысынан, әсіресе жаңартылатын көздерге қатысты қызықты перспективалар ұсынады.

Отын ұяшығы пионерлері

Тұжырымдаманы ХІХ ғасырдың басында Хамфри Дэви тиімді түрде көрсетті. Осыдан кейін 1838 жылы Кристиан Фридрих Шонбейннің пионерлік жұмысы басталды. 1960 жылдардың басында NASA өнеркәсіптік серіктестермен бірлесе отырып, генераторларды жасай бастады.адам басқаратын ғарыштық ұшуларға арналған осы типтегі. Нәтижесінде PEMFC бірінші блогы пайда болды.

Тағы бір GE зерттеушісі Леонард Нидрах катализатор ретінде платинаны пайдаланып Grubb's PEMFC-ді жаңартты. Grubb-Niedrach одан әрі NASA-мен бірлесіп әзірленді және 1960 жылдардың аяғында Gemini ғарыш бағдарламасымен пайдаланылды. International Fuel Cells (IFC, кейінірек UTC Power) Аполлон ғарыштық ұшулары үшін 1,5 кВт құрылғысын жасады. Олар ғарышкерлерді миссиясы кезінде электр қуатымен қатар ауыз сумен де қамтамасыз етті. IFC кейіннен ғарыш кемелерінің барлық ұшуларын борттық қуатпен қамтамасыз ету үшін пайдаланылатын 12 кВт қондырғыларды әзірледі.

Автомобиль элементін алғаш рет 1960 жылдары Грулле ойлап тапқан. GM «Электрован» көлігінде Union Carbide пайдаланды. Ол тек қызметтік көлік ретінде пайдаланылды, бірақ толық резервуармен 120 мильге дейін жүріп, сағатына 70 миль жылдамдыққа жете алды. Кордеш пен Грулке 1966 жылы сутегі мотоциклімен тәжірибе жасады. Бұл әсерлі 1,18 л/100 км-ге қол жеткізген тандемде NiCad батареясы бар ұялы гибрид болды. Бұл қадамда озық электронды велосипед технологиясы және электронды мотоциклдердің коммерциялануы бар.

2007 жылы отын көздері әртүрлі салаларда коммерцияланды, олар жазбаша кепілдіктері және қызмет көрсету мүмкіндіктері бар түпкі пайдаланушыларға сатыла бастады, т.б. нарықтық экономиканың талаптары мен стандарттарына сай болуы. Осылайша, нарықтың бірқатар сегменттері сұранысқа назар аудара бастады. Атап айтқанда, мыңдаған көмекші қуатPEMFC және DMFC (APU) құрылғылары ойын-сауық қолданбаларында коммерцияланған: қайықтар, ойыншықтар және жаттығу жиынтықтары.

Horizon 2009 жылдың қазан айында метанол картридждерінде жұмыс істейтін бірінші коммерциялық Dynario электронды жүйесін көрсетті. Horizon отын ұяшықтары ұялы телефондарды, GPS жүйелерін, камераларды немесе сандық музыка ойнатқыштарын зарядтай алады.

Сутегі өндіру процестері

Сутегі отын элементтері - отын ретінде сутегі бар заттар. Сутегі отыны – жану кезінде немесе электрохимиялық реакциялар арқылы энергия бөлетін нөлдік шығарындысы бар отын. Отын элементтері мен батареялар химиялық реакция арқылы электр энергиясын шығарады, бірақ біріншісі жанармай бар болғанша қуат өндіреді, осылайша ешқашан заряд жоғалтпайды.

Сутегін өндіруге арналған термиялық процестер әдетте бу риформингін қамтиды, бу сутегіні шығару үшін көмірсутек көзімен әрекеттесетін жоғары температуралық процесс. Көптеген табиғи отынды сутегін алу үшін өзгертуге болады.

Бүгінгі таңда сутегінің шамамен 95% газ риформингінен алынады. Horizon нөлдік отын ұяшығы сияқты жұмыс істейтін құрылғыда су электролиз арқылы оттегі мен сутегіге бөлінеді.

Күнге негізделген процестер

Олар сутегіні өндіру үшін агент ретінде жарықты пайдаланады. Баркүн панельдеріне негізделген бірнеше процесс:

1. фотобиологиялық;
2. фотоэлектрохимиялық;
3. күн ашық;
4. термохимиялық.

Фотобиологиялық процестер бактериялар мен жасыл балдырлардың табиғи фотосинтетикалық белсенділігін пайдаланады.

Фотоэлектрохимиялық процестер суды сутегі мен оттегіге бөлуге арналған арнайы жартылай өткізгіштер.

Термохимиялық сутегі күн өндірісі металл оксидтері сияқты басқа түрлермен бірге суды бөлу реакциясы үшін шоғырланған күн энергиясын пайдаланады.

Биологиялық процестер бактериялар мен микробалдырлар сияқты микробтарды пайдаланады және биологиялық реакциялар арқылы сутегін түзе алады. Микробтар биомассасын түрлендіруде микробтар биомасса сияқты органикалық заттарды ыдыратады, ал фотобиологиялық процестерде микробтар күн сәулесін көз ретінде пайдаланады.

Буын құрамдастары

Элементтердің құрылғылары бірнеше бөліктен тұрады. Әрқайсысының үш негізгі компоненті бар:

• анод;
• катод;
• өткізгіш электролит.

Әрбір электрод платина қорытпасының катализаторымен сіңдірілген бетінің ауданы жоғары материалдан жасалған Horizon отын ұяшықтары жағдайында электролит материалы мембрана болып табылады және ион өткізгіш қызметін атқарады. Электр энергиясын өндіру екі негізгі химиялық реакция арқылы жүзеге асады. Таза пайдаланатын элементтер үшінH_2.

Анодтағы сутегі газы протондар мен электрондарға бөлінеді. Біріншісі электролиттік мембрана арқылы өтеді, ал екіншісі оның айналасында ағып, электр тогын тудырады. Зарядталған иондар (H + және e -) катодта O_{2 қосылып, су мен жылуды бөледі. Бүгінгі әлемге әсер ететін көптеген экологиялық мәселелер қоғамды тұрақты дамуға және планетаны қорғау жолындағы прогреске жетуге жұмылдырады. Бұл жерде контекстте негізгі фактор нақты негізгі энергия ресурстарын адам қажеттіліктерін толық қанағаттандыра алатын басқалармен алмастыру болып табылады.}

Қарастырылып отырған элементтер дәл осындай құрылғы, соның арқасында бұл аспекті ең ықтимал шешімді табады, өйткені таза отыннан жоғары тиімділікпен және СО шығарындыларысыз электр энергиясын алуға болады_2.

Платина катализаторлары

Платина сутегі тотығуы үшін жоғары белсенді және ең көп таралған электрокатализатор материалы болып қала береді. Горизонттың платинамен төмендетілген отын жасушаларын қолданатын негізгі зерттеу бағыттарының бірі автомобиль өнеркәсібінде болып табылады, онда жақын арада өткізгіш көміртегіге негізделген платина нанобөлшектерінен жасалған инженерлік катализаторлар жоспарланған. Бұл материалдарда жоғары дисперсті нанобөлшектердің, жоғары электрокаталитикалық бетінің (ESA) және жоғары температурада, тіпті жоғары Pt жүктеме деңгейлерінің өзінде бөлшектердің минималды өсуінің артықшылығы бар.

Құрамында Pt бар қорытпалар метанол немесе реформинг (H₂, CO₂, сияқты мамандандырылған отын көздерімен жұмыс істейтін құрылғылар үшін пайдалы. CO және N_{2). Pt/Ru қорытпалары метанолдың тотығуы тұрғысынан таза электрохимиялық Pt катализаторларына қарағанда жақсартылған өнімділікті көрсетті және көміртегі тотығымен улану мүмкіндігі жоқ. Pt 3 Co қызығушылық тудыратын тағы бір катализатор (әсіресе Horizon отын жасушаларының катодтары үшін) және оттегінің төмендеуі реакциясының тиімділігін және жоғары тұрақтылықты көрсетті.}

Pt/C және Pt 3 Co/C катализаторлары беткі көміртегі субстраттарында жоғары дисперсті нанобөлшектерді көрсетеді. Отын элементінің электролитін таңдағанда ескеру қажет бірнеше негізгі талаптар бар:

1. Протонды өткізгіштігі жоғары.
2. Жоғары химиялық және термиялық тұрақтылық.
3. Газ өткізгіштігі төмен.

Сутегі энергия көзі

Сутегі – әлемдегі ең қарапайым және ең көп таралған элемент. Бұл судың, мұнайдың, табиғи газдың және бүкіл тірі әлемнің маңызды құрамдас бөлігі. Қарапайымдылығы мен көптігіне қарамастан, сутегі жер бетінде табиғи газ күйінде сирек кездеседі. Ол әрқашан дерлік басқа элементтермен біріктіріледі. Оны мұнайдан, табиғи газдан, биомассадан немесе күн немесе электр энергиясын пайдаланып суды бөлу арқылы алуға болады.

Сутегі молекулалық H₂ түзілгеннен кейін молекуладағы энергия өзара әрекеттесу арқылы бөлінуі мүмкін. O₂. Бұған іштен жанатын қозғалтқыштар немесе сутегі отын элементтері арқылы қол жеткізуге болады. Оларда H_{2 энергиясы аз қуат жоғалтуларымен электр тогына айналады. Осылайша, сутегі басқа көздерден өндірілген энергияны жылжытуға, сақтауға және жеткізуге арналған энергия тасымалдаушысы болып табылады.}

Қуат модульдеріне арналған сүзгілер

Баламалы энергия элементтерін алу арнайы сүзгілерді қолданбай мүмкін емес. Классикалық сүзгілер жоғары сапалы блоктардың арқасында әлемнің әртүрлі елдерінде элементтердің қуат модульдерін дамытуға көмектеседі. Сүзгілер жасушалық қолдану үшін метанол сияқты отынды дайындау үшін жеткізіледі.

Әдетте бұл қуат модульдеріне арналған қолданбаларға қашықтағы қуат көзі, маңызды қуат көздеріне арналған резервтік қуат, шағын көліктердегі APU құрылғылары және Project Pa-X-ell сияқты теңіз қолданбалары кіреді, бұл жолаушылар кемелеріндегі ұяшықтарды сынау жобасы.

Сүзу мәселелерін шешетін тот баспайтын болаттан жасалған сүзгі корпустары. Бұл талап етілетін қолданбаларда нөлдік таңғы отын ұяшықтарының өндірушілері өндірістің икемділігі, жоғары сапа стандарттары, жылдам жеткізу және бәсекеге қабілетті бағалардың арқасында Classic Filters баспайтын болаттан жасалған сүзгі корпустарын белгілейді.

Сутегі технологиясы платформасы

Horizon Fuel Cell Technologies 2003 жылы Сингапурда құрылған және бүгінде 5 халықаралық еншілес ұйымы бар. Фирманың миссиясыжылдам коммерцияландыруға қол жеткізу, технология шығындарын төмендету және сутегімен қамтамасыз етудегі ескі кедергілерді жою үшін жаһандық деңгейде жұмыс істей отырып, отын жасушаларында өзгеріс жасау. Фирма үлкенірек және күрделірек қолданбаларға дайындық үшін сутегінің аз мөлшерін қажет ететін шағын және қарапайым өнімдерден бастады. Қатаң нұсқаулықтар мен жол картасын орындай отырып, Horizon тез арада әлемдегі ең ірі 1000 Вт-тан төмен көлемді ұяшықтар өндірушісі болды, ол саладағы коммерциялық өнімдердің ең кең таңдауы бар 65-тен астам елдегі тұтынушыларға қызмет көрсетеді.

Horizon технологиялық платформасы мыналардан тұрады: PEM - Horizon нөлдік таңғы отын элементтері (микроотын және стектер) және олардың материалдары, сутегімен қамтамасыз ету (электролиз, риформинг және гидролиз), сутегі сақтау құрылғылары мен құрылғылары.

Horizon әлемдегі алғашқы портативті және жеке сутегі генераторын шығарды. HydroFill станциясы суды резервуардағы ыдырату және оны HydroStick картридждерінде сақтау арқылы сутегіні өндіре алады. Оларда қатты сақтауды қамтамасыз ету үшін сутегі газының сіңіргіш қорытпасы бар. Содан кейін картридждерді шағын отын сүзгі элементтерін өңдей алатын MiniPak зарядтағышына салуға болады.

Горизонт немесе үй сутегі

Horizon Technologies үйде пайдалануға арналған сутегімен зарядтау және энергия сақтау жүйесін іске қосады, бұл портативті құрылғыларды зарядтау үшін үйде энергияны үнемдейді. Горизонт 2006 жылы «H-racer» ойыншығымен ерекшеленді, сутегімен жұмыс істейтін шағын автокөлік жылдың «үздік өнертабысы» деп танылды. Horizon ұсынадышағын портативті және қайта пайдалануға болатын батареяларды зарядтауға қабілетті Hydrofill сутегі зарядтау станциясымен үйде энергияны сақтауды орталықсыздандыру. Бұл сутегі қондырғысы жұмыс істеп, қуат алу үшін тек суды қажет етеді.

Жұмысты желі, күн панельдері немесе жел турбинасы қамтамасыз етуге болады. Ол жерден сутегі станцияның су қоймасынан алынады және қатты күйде шағын металл қорытпаларының ұяшықтарында сақталады. Шамамен 500 доллар тұратын Hydrofill станциясы телефондарға арналған авангардтық шешім болып табылады. Мұндай бағаға Hydrofill отын ұяшықтарын қайдан табуға болады пайдаланушылар үшін қиын емес, тек Интернетте сәйкес сұрауды сұрау керек.

Көлік сутегімен зарядтау

Аккумулятормен жұмыс істейтін электромобильдер сияқты, сутегімен жұмыс істейтін көліктер де көлікті басқару үшін электр қуатын пайдаланады. Бірақ бұл электр қуатын зарядтауға сағаттар кететін аккумуляторларда сақтаудың орнына, жасушалар сутегі мен оттегінің әрекеттесуі арқылы көліктің бортында энергия жасайды. Реакция электролит - металл емес өткізгіштің қатысуымен өтеді, онда электр ағыны Горизонт нөлдік отын элементтері протон алмасу мембраналарымен жабдықталған құрылғыларда иондардың қозғалысы арқылы жүзеге асырылады. Олар келесідей жұмыс істейді:

1. Сутегі газы ұяшықтың «-» анодына (A) беріледі, ал оттегі оң полюске бағытталған.
2. Анодта катализатор платина,сутегі атомдарынан электрондарды алып тастап, «+» иондары мен бос электрондарды қалдырады. Анод пен катод арасында орналасқан мембрана арқылы тек иондар өтеді.
3. Электрондар сыртқы тізбек бойымен қозғалу арқылы электр тогын жасайды. Катодта электрондар мен сутегі иондары оттегімен қосылып, жасушадан су ағып шығады.

Осы уақытқа дейін сутегімен жүретін көліктердің ауқымды өндірісіне екі нәрсе кедергі келтірді: құны және сутегі өндірісі. Соңғы уақытқа дейін сутекті ионға және электронға бөлетін платина катализаторы өте қымбат болды.

Бірнеше жыл бұрын сутегі отын ұяшықтары әрбір киловатт қуат үшін шамамен 1000 доллар немесе автомобиль үшін шамамен 100 000 доллар тұрады. Жобаның құнын төмендету үшін әртүрлі зерттеулер жүргізілді, соның ішінде платина катализаторын 90 есе тиімді платина-никель қорытпасына ауыстыру. Өткен жылы АҚШ Энергетика министрлігі жүйенің құны бір киловатт үшін 61 долларға дейін төмендегенін хабарлады, бұл автомобиль өнеркәсібінде әлі де бәсекеге қабілетті емес.

Рентгендік компьютерлік томография

Бұл бұзылмайтын тексеру әдісі екі қабатты элементтің құрылымын зерттеу үшін қолданылады. Құрылымды зерттеу үшін жиі қолданылатын басқа әдістер:

• сынаптың интрузиялық порозиметриясы;
• атомдық күш микроскопиясы;
• оптикалық профилометрия.

Нәтижелер кеуектіліктің таралуының жылу және электр өткізгіштігін, өткізгіштігін жәнедиффузия. Элементтердің кеуектілігін өлшеу олардың жұқа, сығылатын және біртекті емес геометриясына байланысты өте қиын. Нәтиже GDL қысу кезінде кеуектіліктің төмендейтінін көрсетеді.

Кеуекті құрылым электродтағы масса алмасуға айтарлықтай әсер етеді. Тәжірибе 0,5-тен 10 МПа-ға дейінгі әртүрлі ыстық престеу қысымында жүргізілді. Өнімділік негізінен платина металына байланысты, оның құны өте жоғары. Диффузияны химиялық байланыстырғыштарды қолдану арқылы арттыруға болады. Сонымен қатар, температураның өзгеруі элементтің қызмет ету мерзіміне және орташа өнімділігіне әсер етеді. Жоғары температурадағы PEMFCs деградация жылдамдығы бастапқыда төмен, содан кейін тез өседі. Бұл судың пайда болуын анықтау үшін қолданылады.

Коммерцияландыру мәселелері

Бәсекеге қабілетті болу үшін жанармай жасушаларының құны екі есе азайып, батареяның қызмет ету мерзімі де осылай ұзартылуы керек. Алайда, бүгінгі күні пайдалану шығындары әлі де әлдеқайда жоғары, өйткені сутегі өндірісінің құны 2,5 және 3 доллар аралығында, ал жеткізілетін сутегінің құны 4 доллар/кг-нан төмен болуы екіталай. Ұяшықтың батареялармен тиімді бәсекелесуі үшін оның зарядтау уақыты қысқа болуы және батареяны ауыстыру процесін азайту керек.

Қазіргі уақытта полимерлі отын ұяшықтары технологиясы жаппай өндірілген кезде (жылына кемінде 500 000 бірлік) 49 АҚШ доллары/кВт тұрады. Дегенмен, көліктермен бәсекелесу үшінішкі жану, автомобиль отын элементтері шамамен $36/кВтс жетуі керек. Материалдық шығындарды азайту (атап айтқанда, платинаны пайдалану), қуат тығыздығын арттыру, жүйенің күрделілігін азайту және ұзақ мерзімділікті арттыру арқылы үнемдеуге болады. Технологияны кең ауқымда коммерцияландырудың бірнеше қиындықтары бар, соның ішінде бірқатар техникалық кедергілерді жеңу.

Болашақтың техникалық қиындықтары

Стек құны материалға, техникаға және өндіру технологиясына байланысты. Материалды таңдау материалдың функцияға сәйкестігіне ғана емес, сонымен қатар жұмысқа қабілеттілігіне де байланысты. Элементтердің негізгі тапсырмалары:

1. Электрокатализатор жүктемесін азайтып, белсенділікті арттырыңыз.
2. Төзімділікті жақсартыңыз және деградацияны азайтыңыз.
3. Электрод дизайнын оңтайландыру.
4. Анодтағы қоспаларға төзімділікті жақсартыңыз.
5. Компоненттерге арналған материалдарды таңдау. Ол өнімділіктен бас тартпай, негізінен шығындарға негізделген.
6. Жүйе ақауларына төзімділік.
7. Элементтің өнімділігі негізінен мембрананың беріктігіне байланысты.

Жасуша өнімділігіне әсер ететін негізгі GDL параметрлері реагент өткізгіштігі, электр өткізгіштігі, жылу өткізгіштігі және механикалық қолдау болып табылады. GDL қалыңдығы маңызды фактор болып табылады. Қалыңырақ мембрана жақсырақ қорғаныс, механикалық беріктік, ұзағырақ диффузиялық жолдар және жоғары термиялық және электрлік кедергі деңгейлерін қамтамасыз етеді.

Прогрессивті трендтер

Әртүрлі элементтердің арасында PEMFC мобильді қосымшаларды (автокөліктер, ноутбуктер, ұялы телефондар және т.б.) бейімдейді, сондықтан өндірушілердің кең ауқымы үшін қызығушылық артып отыр. Шындығында, PEMFC-тің төмен жұмыс температурасы, жоғары ток тығыздығының тұрақтылығы, жеңіл салмағы, жинақылығы, төмен құны мен көлемінің әлеуеті, ұзақ қызмет ету мерзімі, жылдам іске қосылуы және үзік-үзік жұмыс істеуге жарамдылығы сияқты көптеген артықшылықтары бар.

PEMFC технологиясы әртүрлі өлшемдерге жақсы сәйкес келеді және сутегі алу үшін дұрыс өңделген кезде әртүрлі отынмен бірге қолданылады. Осылайша, ол шағын субват шкаласынан мегаватт шкаласына дейін пайдалануды табады. 2016-2018 жылдардағы жалпы жөнелтілімдердің 88%-ы PEMFC болды.