घरी DIY इंधन सेल. इंधन पेशी. इलेक्ट्रोकेमिकल जनरेटर. अर्ज

जसे अस्तित्व विविध प्रकारअंतर्गत ज्वलन इंजिन, विविध प्रकारचे इंधन पेशी आहेत - योग्य प्रकारच्या इंधन सेलची निवड त्याच्या अनुप्रयोगावर अवलंबून असते.

इंधन पेशीउच्च-तापमान आणि निम्न-तापमानात विभागलेले. कमी तापमान इंधन पेशीइंधन म्हणून तुलनेने शुद्ध हायड्रोजन आवश्यक आहे. याचा अर्थ असा होतो की प्राथमिक इंधन (जसे की नैसर्गिक वायू) शुद्ध हायड्रोजनमध्ये रूपांतरित करण्यासाठी इंधन प्रक्रिया आवश्यक असते. ही प्रक्रिया अतिरिक्त ऊर्जा वापरते आणि विशेष उपकरणे आवश्यक असतात. उच्च तापमान इंधन पेशीयाची गरज नाही अतिरिक्त प्रक्रिया, कारण ते येथे इंधनाचे "अंतर्गत परिवर्तन" करू शकतात भारदस्त तापमान, याचा अर्थ हायड्रोजन पायाभूत सुविधांमध्ये पैसे गुंतवण्याची गरज नाही.

वितळलेल्या कार्बोनेट इंधन पेशी (MCFC)

वितळलेल्या कार्बोनेट इलेक्ट्रोलाइट इंधन पेशी उच्च तापमानाच्या इंधन पेशी असतात. उच्च ऑपरेटिंग तापमान इंधन प्रोसेसरशिवाय नैसर्गिक वायूचा थेट वापर करण्यास आणि औद्योगिक प्रक्रिया आणि इतर स्त्रोतांकडून कमी उष्मांक मूल्याच्या इंधन वायूचा वापर करण्यास अनुमती देते. ही प्रक्रिया 1960 च्या मध्यात विकसित झाली. तेव्हापासून, उत्पादन तंत्रज्ञान, कार्यक्षमता आणि विश्वसनीयता सुधारली गेली आहे.

RCFC चे ऑपरेशन इतर इंधन पेशींपेक्षा वेगळे आहे. या पेशी वितळलेल्या कार्बोनेट क्षारांच्या मिश्रणापासून बनवलेले इलेक्ट्रोलाइट वापरतात. सध्या, दोन प्रकारचे मिश्रण वापरले जातात: लिथियम कार्बोनेट आणि पोटॅशियम कार्बोनेट किंवा लिथियम कार्बोनेट आणि सोडियम कार्बोनेट. कार्बोनेट क्षार वितळण्यासाठी आणि इलेक्ट्रोलाइटमध्ये उच्च प्रमाणात आयन गतिशीलता प्राप्त करण्यासाठी, वितळलेल्या कार्बोनेट इलेक्ट्रोलाइटसह इंधन पेशी उच्च तापमानात (650°C) कार्य करतात. कार्यक्षमता 60-80% दरम्यान बदलते.

650°C तापमानाला गरम केल्यावर, क्षार कार्बोनेट आयन (CO 3 2-) साठी वाहक बनतात. हे आयन कॅथोडपासून ॲनोडमध्ये जातात, जेथे ते हायड्रोजनसह पाणी, कार्बन डायऑक्साइड आणि मुक्त इलेक्ट्रॉन तयार करतात. हे इलेक्ट्रॉन बाह्य बाजूने निर्देशित केले जातात इलेक्ट्रिकल सर्किटकॅथोडकडे परत, जे निर्माण करते वीज, आणि उप-उत्पादन म्हणून उष्णता.

एनोडवर प्रतिक्रिया: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
कॅथोडवर प्रतिक्रिया: CO 2 + 1/2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
घटकाची सामान्य प्रतिक्रिया: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (कॅथोड) => H 2 O (g) + CO 2 (एनोड)

वितळलेल्या कार्बोनेट इलेक्ट्रोलाइट इंधन पेशींच्या उच्च ऑपरेटिंग तापमानाचे काही फायदे आहेत. उच्च तापमानात, अंतर्गत सुधारणा होते नैसर्गिक वायू, इंधन प्रोसेसरची गरज काढून टाकणे. याव्यतिरिक्त, फायद्यांमध्ये इलेक्ट्रोडवर स्टेनलेस स्टील शीट आणि निकेल उत्प्रेरक यासारख्या मानक बांधकाम साहित्य वापरण्याची क्षमता समाविष्ट आहे. कचऱ्याची उष्णता विविध औद्योगिक आणि व्यावसायिक कारणांसाठी उच्च दाबाची वाफ निर्माण करण्यासाठी वापरली जाऊ शकते.

इलेक्ट्रोलाइटमध्ये उच्च प्रतिक्रिया तापमान देखील त्यांचे फायदे आहेत. उच्च तापमानाच्या वापरासाठी इष्टतम ऑपरेटिंग परिस्थिती साध्य करण्यासाठी महत्त्वपूर्ण वेळ आवश्यक आहे आणि ऊर्जा वापरातील बदलांना सिस्टम अधिक हळू प्रतिसाद देते. ही वैशिष्ट्ये स्थिर उर्जा परिस्थितीत वितळलेल्या कार्बोनेट इलेक्ट्रोलाइटसह इंधन सेल इंस्टॉलेशन्स वापरण्याची परवानगी देतात. उच्च तापमान कार्बन मोनोऑक्साइड, "विषबाधा" इत्यादीद्वारे इंधन सेलचे नुकसान टाळते.

वितळलेल्या कार्बोनेट इलेक्ट्रोलाइटसह इंधन पेशी मोठ्या स्थिर प्रतिष्ठापनांमध्ये वापरण्यासाठी योग्य आहेत. आउटपुटसह थर्मल पॉवर प्लांट विद्युत शक्ती 2.8 मेगावॅट 100 मेगावॅट पर्यंत आउटपुट पॉवरसह इंस्टॉलेशन विकसित केले जात आहेत.

फॉस्फोरिक ऍसिड इंधन पेशी (PAFC)

फॉस्फोरिक (ऑर्थोफॉस्फोरिक) ऍसिड इंधन पेशी व्यावसायिक वापरासाठी प्रथम इंधन पेशी होत्या. ही प्रक्रिया 1960 च्या दशकाच्या मध्यात विकसित करण्यात आली होती आणि 1970 पासून त्याची चाचणी घेण्यात आली आहे. तेव्हापासून, स्थिरता आणि कार्यक्षमता वाढली आहे आणि किंमत कमी झाली आहे.

फॉस्फोरिक (ऑर्थोफॉस्फोरिक) ऍसिड इंधन पेशींवर आधारित इलेक्ट्रोलाइट वापरतात फॉस्फरिक आम्ल(H 3 PO 4) 100% पर्यंत एकाग्रतेसह. ऑर्थोफॉस्फोरिक ऍसिडची आयनिक चालकता कमी आहे कमी तापमान, या कारणास्तव या इंधन पेशींचा वापर 150-220°C पर्यंत तापमानात केला जातो.

इंधन पेशींमध्ये वाहक चार्ज करा या प्रकारच्याहायड्रोजन (H+, प्रोटॉन) आहे. अशीच प्रक्रिया प्रोटॉन एक्स्चेंज मेम्ब्रेन फ्युएल सेल्स (पीईएमएफसी) मध्ये घडते, ज्यामध्ये एनोडला पुरवठा केलेला हायड्रोजन प्रोटॉन आणि इलेक्ट्रॉनमध्ये विभागला जातो. प्रोटॉन इलेक्ट्रोलाइटमधून प्रवास करतात आणि कॅथोडमधील हवेतील ऑक्सिजनसह पाणी तयार करतात. इलेक्ट्रॉन बाहेरील इलेक्ट्रिकल सर्किटद्वारे पाठवले जातात, ज्यामुळे विद्युत प्रवाह निर्माण होतो. खाली विद्युत प्रवाह आणि उष्णता निर्माण करणाऱ्या प्रतिक्रिया आहेत.

एनोडवर प्रतिक्रिया: 2H 2 => 4H + + 4e -
कॅथोडवर प्रतिक्रिया: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2H 2 O
घटकाची सामान्य प्रतिक्रिया: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

फॉस्फोरिक (ऑर्थोफॉस्फोरिक) ऍसिडवर आधारित इंधन पेशींची कार्यक्षमता निर्माण करताना 40% पेक्षा जास्त असते. विद्युत ऊर्जा. उष्णता आणि विजेच्या एकत्रित उत्पादनासह, एकूण कार्यक्षमता सुमारे 85% आहे. याव्यतिरिक्त, ऑपरेटिंग तापमान दिल्यास, कचरा उष्णता पाणी गरम करण्यासाठी आणि वायुमंडलीय दाब वाफ तयार करण्यासाठी वापरली जाऊ शकते.

थर्मल आणि इलेक्ट्रिकल उर्जेच्या एकत्रित उत्पादनामध्ये फॉस्फोरिक (ऑर्थोफॉस्फोरिक) ऍसिडवर आधारित इंधन पेशी वापरून थर्मल पॉवर प्लांटची उच्च कार्यक्षमता हा या प्रकारच्या इंधन पेशींचा एक फायदा आहे. युनिट्स सुमारे 1.5% च्या एकाग्रतेसह कार्बन मोनोऑक्साइड वापरतात, ज्यामुळे इंधनाच्या निवडीचा लक्षणीय विस्तार होतो. याव्यतिरिक्त, सीओ 2 इलेक्ट्रोलाइट आणि इंधन सेलच्या ऑपरेशनवर परिणाम करत नाही, या प्रकारचे सेल सुधारित नैसर्गिक इंधनासह कार्य करते. साधी रचना, कमी प्रमाणात इलेक्ट्रोलाइट अस्थिरता आणि वाढलेली स्थिरता हे देखील या प्रकारच्या इंधन सेलचे फायदे आहेत.

400 kW पर्यंतच्या विद्युत उत्पादन शक्तीसह औष्णिक ऊर्जा प्रकल्प व्यावसायिकरित्या उत्पादित केले जातात. 11 मेगावॅटच्या आस्थापनांनी योग्य चाचण्या पार केल्या आहेत. 100 मेगावॅट पर्यंत आउटपुट पॉवरसह इंस्टॉलेशन विकसित केले जात आहेत.

प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली इंधन पेशी (PEMFCs)

प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली असलेल्या इंधन पेशी सर्वात जास्त मानल्या जातात सर्वोत्तम प्रकारवाहनांसाठी उर्जा निर्माण करण्यासाठी इंधन पेशी, जे पेट्रोल बदलू शकतात आणि डिझेल इंजिनअंतर्गत ज्वलन. या इंधन पेशींचा वापर पहिल्यांदा नासाने जेमिनी कार्यक्रमासाठी केला होता. आज, 1 डब्ल्यू ते 2 किलोवॅट पॉवरसह एमओपीएफसी इंस्टॉलेशन्स विकसित आणि प्रात्यक्षिक केले जात आहेत.

या इंधन पेशी इलेक्ट्रोलाइट म्हणून घन पॉलिमर झिल्ली (प्लास्टिकची पातळ फिल्म) वापरतात. जेव्हा पाण्याने संपृक्त होते तेव्हा हे पॉलिमर प्रोटॉन्समधून जाण्याची परवानगी देते परंतु इलेक्ट्रॉन चालवत नाही.

इंधन हायड्रोजन आहे आणि चार्ज वाहक हा हायड्रोजन आयन (प्रोटॉन) आहे. एनोडवर, हायड्रोजन रेणू हायड्रोजन आयन (प्रोटॉन) आणि इलेक्ट्रॉनमध्ये विभागला जातो. हायड्रोजन आयन इलेक्ट्रोलाइटमधून कॅथोडमध्ये जातात आणि इलेक्ट्रॉन बाह्य वर्तुळाभोवती फिरतात आणि विद्युत ऊर्जा निर्माण करतात. ऑक्सिजन, जो हवेतून घेतला जातो, कॅथोडला पुरवला जातो आणि इलेक्ट्रॉन आणि हायड्रोजन आयन एकत्र करून पाणी बनते. इलेक्ट्रोड्सवर खालील प्रतिक्रिया घडतात:

एनोडवर प्रतिक्रिया: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
कॅथोडवर प्रतिक्रिया: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
घटकाची सामान्य प्रतिक्रिया: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

इतर प्रकारच्या इंधन पेशींच्या तुलनेत, प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन इंधन पेशी दिलेल्या इंधन सेल व्हॉल्यूम किंवा वजनासाठी अधिक ऊर्जा निर्माण करतात. हे वैशिष्ट्य त्यांना कॉम्पॅक्ट आणि हलके होण्यास अनुमती देते. याव्यतिरिक्त, ऑपरेटिंग तापमान 100°C पेक्षा कमी आहे, जे तुम्हाला त्वरीत ऑपरेट करण्यास अनुमती देते. ही वैशिष्ट्ये, तसेच ऊर्जा आउटपुट त्वरीत बदलण्याची क्षमता, ही काही वैशिष्ट्ये आहेत जी या इंधन पेशींना वापरण्यासाठी प्रमुख उमेदवार बनवतात. वाहने.

आणखी एक फायदा असा आहे की इलेक्ट्रोलाइट द्रव ऐवजी घन आहे. घन इलेक्ट्रोलाइट वापरून कॅथोड आणि एनोडमध्ये वायू टिकवून ठेवणे सोपे आहे आणि म्हणून अशा इंधन पेशी तयार करणे स्वस्त आहे. इतर इलेक्ट्रोलाइट्सच्या तुलनेत, घन इलेक्ट्रोलाइट समान अभिमुखता आव्हाने आणि कमी गंज समस्या निर्माण करत नाही, परिणामी सेल आणि त्याच्या घटकांचे दीर्घायुष्य वाढते.

सॉलिड ऑक्साईड इंधन पेशी (SOFC)

सॉलिड ऑक्साईड इंधन पेशी हे सर्वोच्च ऑपरेटिंग तापमान इंधन पेशी आहेत. ऑपरेटिंग तापमान 600°C ते 1000°C पर्यंत बदलू शकते, ज्यामुळे विशेष पूर्व-उपचारांशिवाय विविध प्रकारचे इंधन वापरता येते. अशा उच्च तापमानांना हाताळण्यासाठी, वापरलेले इलेक्ट्रोलाइट हे सिरेमिक बेसवर पातळ घन धातूचे ऑक्साईड असते, बहुतेक वेळा य्ट्रिअम आणि झिरकोनियमचे मिश्र धातु असते, जे ऑक्सिजन आयन (O 2 -) चे वाहक असते. सॉलिड ऑक्साईड इंधन सेल तंत्रज्ञान 1950 च्या उत्तरार्धापासून विकसित होत आहे. आणि दोन कॉन्फिगरेशन आहेत: सपाट आणि ट्यूबलर.

घन इलेक्ट्रोलाइट गॅसचे एका इलेक्ट्रोडपासून दुस-या इलेक्ट्रोडमध्ये सीलबंद संक्रमण प्रदान करते, तर द्रव इलेक्ट्रोलाइट्स छिद्रयुक्त सब्सट्रेटमध्ये स्थित असतात. या प्रकारच्या इंधन पेशींमध्ये चार्ज वाहक ऑक्सिजन आयन (O 2 -) आहे. कॅथोडवर, हवेतील ऑक्सिजनचे रेणू ऑक्सिजन आयन आणि चार इलेक्ट्रॉनमध्ये वेगळे केले जातात. ऑक्सिजन आयन इलेक्ट्रोलाइटमधून जातात आणि हायड्रोजनसह एकत्र होतात, चार मुक्त इलेक्ट्रॉन तयार करतात. इलेक्ट्रॉन बाहेरील इलेक्ट्रिकल सर्किटद्वारे पाठवले जातात, विद्युत प्रवाह आणि कचरा उष्णता निर्माण करतात.

एनोडवर प्रतिक्रिया: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
कॅथोडवर प्रतिक्रिया: O 2 + 4e - => 2O 2 -
घटकाची सामान्य प्रतिक्रिया: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

उत्पादित विद्युत उर्जेची कार्यक्षमता सर्व इंधन पेशींमध्ये सर्वोच्च आहे - सुमारे 60%. याव्यतिरिक्त, उच्च ऑपरेटिंग तापमान थर्मल आणि इलेक्ट्रिकल उर्जेच्या एकत्रित उत्पादनास उच्च-दाब स्टीम तयार करण्यास परवानगी देते. उच्च-तापमानाच्या इंधन सेलला टर्बाइनसह एकत्रित केल्याने विद्युत ऊर्जा निर्माण करण्याची कार्यक्षमता 70% पर्यंत वाढविण्यासाठी हायब्रिड इंधन सेल तयार करणे शक्य होते.

सॉलिड ऑक्साईड इंधन पेशी अतिशय उच्च तापमानात (600°C–1000°C) कार्य करतात, परिणामी इष्टतम ऑपरेटिंग स्थितीपर्यंत पोहोचण्यासाठी महत्त्वपूर्ण वेळ आणि ऊर्जा वापरातील बदलांना धीमा प्रणाली प्रतिसाद देते. अशा उच्च ऑपरेटिंग तापमानात, इंधनातून हायड्रोजन पुनर्प्राप्त करण्यासाठी कोणत्याही कन्व्हर्टरची आवश्यकता नसते, ज्यामुळे कोळसा किंवा कचरा वायूंच्या गॅसिफिकेशनमुळे औष्णिक ऊर्जा प्रकल्प तुलनेने अशुद्ध इंधनासह कार्य करू शकतो. हे इंधन सेल वापरण्यासाठी देखील उत्कृष्ट आहे उच्च शक्ती, औद्योगिक आणि मोठ्या केंद्रीय ऊर्जा प्रकल्पांसह. 100 kW च्या इलेक्ट्रिकल आउटपुट पॉवरसह मॉड्यूल व्यावसायिकरित्या तयार केले जातात.

डायरेक्ट मिथेनॉल ऑक्सिडेशन इंधन पेशी (DOMFC)

थेट मिथेनॉल ऑक्सिडेशनसह इंधन पेशी वापरण्याचे तंत्रज्ञान सक्रिय विकासाच्या कालावधीतून जात आहे. पोषण क्षेत्रात तिने यशस्वीपणे स्वत:ची ओळख निर्माण केली आहे भ्रमणध्वनी, लॅपटॉप, तसेच विजेचे पोर्टेबल स्रोत तयार करण्यासाठी. या घटकांचा भविष्यातील वापर हाच उद्देश आहे.

मिथेनॉलच्या थेट ऑक्सिडेशनसह इंधन पेशींची रचना प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (एमईपीएफसी) असलेल्या इंधन पेशींसारखीच असते, म्हणजे. पॉलिमरचा वापर इलेक्ट्रोलाइट म्हणून केला जातो आणि हायड्रोजन आयन (प्रोटॉन) चार्ज वाहक म्हणून वापरला जातो. तथापि, द्रव मिथेनॉल (CH 3 OH) एनोडवर पाण्याच्या उपस्थितीत ऑक्सिडायझेशन करते, सीओ 2, हायड्रोजन आयन आणि इलेक्ट्रॉन सोडते, जे बाह्य विद्युतीय सर्किटद्वारे पाठवले जाते, ज्यामुळे विद्युत प्रवाह निर्माण होतो. हायड्रोजन आयन इलेक्ट्रोलाइटमधून जातात आणि हवेतील ऑक्सिजन आणि बाह्य सर्किटमधील इलेक्ट्रॉन्ससह प्रतिक्रिया करून एनोडवर पाणी तयार करतात.

एनोडवर प्रतिक्रिया: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
कॅथोडवर प्रतिक्रिया: 3 / 2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
घटकाची सामान्य प्रतिक्रिया: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O

या इंधन पेशींचा विकास 1990 च्या दशकाच्या सुरुवातीला सुरू झाला. सुधारित उत्प्रेरक आणि इतर अलीकडील नवकल्पनांच्या विकासासह, उर्जा घनता आणि कार्यक्षमता 40% पर्यंत वाढली आहे.

या घटकांची 50-120 डिग्री सेल्सिअस तापमान श्रेणीमध्ये चाचणी केली गेली. कमी ऑपरेटिंग तापमानासह आणि कन्व्हर्टरची आवश्यकता नसताना, थेट मिथेनॉल ऑक्सिडेशन इंधन पेशी मोबाइल फोन आणि इतर ग्राहक उत्पादने आणि ऑटोमोबाईल इंजिन दोन्हीमधील अनुप्रयोगांसाठी प्रमुख उमेदवार आहेत. या प्रकारच्या इंधन पेशींचा फायदा म्हणजे त्यांचे लहान आकार, द्रव इंधनाच्या वापरामुळे आणि कनवर्टर वापरण्याची आवश्यकता नसल्यामुळे.

अल्कधर्मी इंधन पेशी (ALFC)

अल्कलाइन इंधन पेशी (AFC) हे 1960 च्या दशकाच्या मध्यापासून वापरले जाणारे सर्वात अभ्यासलेले तंत्रज्ञान आहे. अपोलो आणि स्पेस शटल कार्यक्रमांमध्ये NASA द्वारे. या अंतराळयानावर, इंधन पेशी विद्युत ऊर्जा आणि पिण्यायोग्य पाणी तयार करतात. क्षारीय इंधन पेशी वीज निर्मितीसाठी वापरल्या जाणाऱ्या सर्वात कार्यक्षम पेशींपैकी एक आहेत, ज्यामध्ये वीज निर्मिती कार्यक्षमता 70% पर्यंत पोहोचते.

अल्कधर्मी इंधन पेशी इलेक्ट्रोलाइट वापरतात, म्हणजे. पाणी उपायपोटॅशियम हायड्रॉक्साइड सच्छिद्र स्थिर मॅट्रिक्समध्ये समाविष्ट आहे. पोटॅशियम हायड्रॉक्साइड एकाग्रता इंधन सेलच्या ऑपरेटिंग तापमानावर अवलंबून बदलू शकते, जे 65°C ते 220°C पर्यंत असते. SHTE मधील चार्ज वाहक हा हायड्रॉक्सिल आयन (OH -) आहे, जो कॅथोडपासून एनोडकडे जातो, जेथे ते हायड्रोजनसह प्रतिक्रिया देते, पाणी आणि इलेक्ट्रॉन तयार करते. एनोडवर तयार झालेले पाणी कॅथोडकडे परत जाते, पुन्हा तेथे हायड्रॉक्सिल आयन तयार करतात. इंधन सेलमध्ये होणाऱ्या प्रतिक्रियांच्या या मालिकेचा परिणाम म्हणून, वीज आणि उप-उत्पादन म्हणून, उष्णता निर्माण होते:

एनोडवर प्रतिक्रिया: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
कॅथोडवर प्रतिक्रिया: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
प्रणालीची सामान्य प्रतिक्रिया: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

SHTE चा फायदा असा आहे की या इंधन पेशी उत्पादनासाठी सर्वात स्वस्त आहेत, कारण इलेक्ट्रोडवर आवश्यक उत्प्रेरक इतर इंधन पेशींसाठी उत्प्रेरक म्हणून वापरल्या जाणाऱ्या पदार्थांपेक्षा स्वस्त असू शकतात. याव्यतिरिक्त, SFCs तुलनेने कमी तापमानात कार्य करतात आणि सर्वात कार्यक्षम इंधन पेशींपैकी एक आहेत - अशी वैशिष्ट्ये परिणामतः जलद वीज निर्मिती आणि उच्च इंधन कार्यक्षमतेमध्ये योगदान देऊ शकतात.

पैकी एक वैशिष्ट्यपूर्ण वैशिष्ट्ये SHTE – CO 2 ची उच्च संवेदनशीलता, जी इंधन किंवा हवेमध्ये असू शकते. CO 2 इलेक्ट्रोलाइटसह प्रतिक्रिया देते, त्वरीत विष देते आणि इंधन सेलची कार्यक्षमता मोठ्या प्रमाणात कमी करते. म्हणून, SHTE चा वापर बंदिस्त जागांपुरता मर्यादित आहे जसे की स्पेसक्राफ्ट आणि पाण्याखालील वाहने शुद्ध हायड्रोजन आणि ऑक्सिजनवर चालली पाहिजेत; शिवाय, CO, H 2 O आणि CH 4 सारखे रेणू, जे इतर इंधन पेशींसाठी सुरक्षित आहेत आणि त्यापैकी काही इंधन म्हणून देखील कार्य करतात, ते SHFC साठी हानिकारक आहेत.

पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट इंधन पेशी (PEFC)

पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट इंधन पेशींच्या बाबतीत, पॉलिमर झिल्लीमध्ये पाण्याचे क्षेत्र असलेले पॉलिमर तंतू असतात ज्यामध्ये वहन पाण्याचे आयन H2O+ (प्रोटॉन, लाल) पाण्याच्या रेणूला जोडतात. आयन एक्सचेंज मंद झाल्यामुळे पाण्याचे रेणू समस्या निर्माण करतात. म्हणून, इंधन आणि आउटलेट इलेक्ट्रोड्समध्ये पाण्याची उच्च एकाग्रता आवश्यक आहे, जे ऑपरेटिंग तापमान 100 डिग्री सेल्सियस पर्यंत मर्यादित करते.

सॉलिड ऍसिड इंधन पेशी (SFC)

घन आम्ल इंधन पेशींमध्ये, इलेक्ट्रोलाइट (C s HSO 4) मध्ये पाणी नसते. म्हणून ऑपरेटिंग तापमान 100-300 डिग्री सेल्सियस आहे. ऑक्सि आयनन्स SO 4 2- आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे प्रोटॉन (लाल) फिरू देतात. सामान्यतः, सॉलिड ऍसिड इंधन सेल हे सँडविच असते ज्यामध्ये घन ऍसिड कंपाऊंडचा एक अतिशय पातळ थर दोन घट्ट संकुचित इलेक्ट्रोडमध्ये सँडविच केला जातो. चांगला संपर्क. गरम केल्यावर, सेंद्रिय घटक बाष्पीभवन करतात, इलेक्ट्रोडमधील छिद्रांमधून बाहेर पडतात, इंधन (किंवा घटकाच्या दुसऱ्या टोकाला असलेला ऑक्सिजन), इलेक्ट्रोलाइट आणि इलेक्ट्रोड यांच्यातील अनेक संपर्कांची क्षमता राखतात.

इंधन सेल प्रकार	कार्यरत तापमान	वीज निर्मिती कार्यक्षमता	इंधन प्रकार	अर्ज क्षेत्र
आरकेटीई	५५०–७००° से	50-70%		मध्यम आणि मोठ्या स्थापना
FCTE	100–220°C	35-40%	शुद्ध हायड्रोजन	मोठी स्थापना
MOPTE	30-100° से	35-50%	शुद्ध हायड्रोजन	लहान स्थापना
SOFC	450–1000°C	45-70%	बहुतेक हायड्रोकार्बन इंधन	लहान, मध्यम आणि मोठी स्थापना
PEMFC	20-90° से	20-30%	मिथेनॉल	पोर्टेबल युनिट्स
SHTE	50-200° से	40-65%	शुद्ध हायड्रोजन	अंतराळ संशोधन
पीईटीई	30-100° से	35-50%	शुद्ध हायड्रोजन	लहान स्थापना

सर विल्यम ग्रोव्ह यांना इलेक्ट्रोलिसिस बद्दल बरेच काही माहित होते, म्हणून त्यांनी असे गृहित धरले की प्रक्रिया (ज्याद्वारे पाणी त्याच्या घटकांमध्ये हायड्रोजन आणि ऑक्सिजनचे विभाजन करून वीज पार करून) उलट केले तर ते निर्माण करू शकते. कागदावर आकडेमोड केल्यावर तो प्रायोगिक टप्प्यावर आला आणि आपल्या कल्पना सिद्ध करू शकला. सिद्ध गृहीतक शास्त्रज्ञ लुडविग मोंड आणि त्यांचे सहाय्यक चार्ल्स लॅन्ग्रे यांनी विकसित केले होते, तंत्रज्ञान सुधारले आणि 1889 मध्ये, त्याला एक नाव दिले ज्यामध्ये दोन शब्द समाविष्ट होते - "इंधन सेल".

आता हा वाक्यांश वाहनचालकांच्या दैनंदिन जीवनात घट्टपणे प्रवेश केला आहे. तुम्ही "फ्युएल सेल" हा शब्द एकापेक्षा जास्त वेळा ऐकला असेल. इंटरनेटवर आणि टीव्हीवरील बातम्यांमध्ये, नवीन शब्दांचा झगमगाट वाढत आहे. ते सहसा या संकरित वाहनांसाठी नवीनतम हायब्रिड वाहने किंवा विकास कार्यक्रमांबद्दलच्या कथांचा संदर्भ देतात.

उदाहरणार्थ, 11 वर्षांपूर्वी “द हायड्रोजन फ्यूल इनिशिएटिव्ह” हा कार्यक्रम युनायटेड स्टेट्समध्ये सुरू करण्यात आला होता. 2020 पर्यंत इंधन सेल वाहनांना व्यावहारिक आणि आर्थिकदृष्ट्या व्यवहार्य बनवण्यासाठी आवश्यक हायड्रोजन इंधन सेल आणि पायाभूत तंत्रज्ञान विकसित करणे हे या कार्यक्रमाचे उद्दिष्ट आहे. तसे, यावेळी कार्यक्रमासाठी $1 बिलियन पेक्षा जास्त वाटप केले गेले, जे यूएस अधिकाऱ्यांनी केलेल्या गंभीर पैजला सूचित करते.

महासागराच्या दुसऱ्या बाजूला, कार उत्पादक देखील झोपले नाहीत, त्यांनी इंधन पेशी असलेल्या कारवर त्यांचे संशोधन सुरू केले किंवा चालू ठेवले. , आणि विश्वासार्ह इंधन सेल तंत्रज्ञान तयार करण्यावरही काम करत राहिले.

जगातील सर्व ऑटोमेकर्समध्ये या क्षेत्रात सर्वात मोठे यश दोन जपानी ऑटोमेकर्सनी मिळवले आहे, आणि. त्यांच्या इंधन सेल मॉडेल्सने आधीच मोठ्या प्रमाणात उत्पादनात प्रवेश केला आहे, तर त्यांचे प्रतिस्पर्धी त्यांच्या मागे आहेत.

म्हणून, ऑटोमोटिव्ह उद्योगातील इंधन पेशी येथे राहण्यासाठी आहेत. तंत्रज्ञानाच्या ऑपरेशनची तत्त्वे आणि आधुनिक कारमध्ये त्याचा वापर करूया.

इंधन सेलचे ऑपरेटिंग तत्त्व

खरं तर, . सह तांत्रिक मुद्दाएका दृष्टीकोनातून, इंधन सेलला ऊर्जा रूपांतरणासाठी इलेक्ट्रोकेमिकल उपकरण म्हणून परिभाषित केले जाऊ शकते. हे हायड्रोजन आणि ऑक्सिजनचे कण पाण्यात रूपांतरित करते, प्रक्रियेत थेट विद्युत विद्युत निर्मिती करते.

अनेक प्रकारचे इंधन पेशी आहेत, काही आधीच कारमध्ये वापरल्या जातात, इतर संशोधन चाचण्या घेत आहेत. त्यांपैकी बहुतेक हायड्रोजन आणि ऑक्सिजनचा वापर रूपांतरणासाठी आवश्यक असलेले मुख्य रासायनिक घटक म्हणून करतात.

मध्ये अशीच प्रक्रिया आढळते नियमित बॅटरीफरक एवढाच आहे की त्यामध्ये "बोर्डवर" रूपांतरणासाठी आवश्यक असलेली सर्व रसायने आधीपासूनच आहेत, तर इंधन सेलला बाह्य स्त्रोताकडून "चार्ज" केले जाऊ शकते, ज्यामुळे वीज "उत्पादन" करण्याची प्रक्रिया चालू राहू शकते. पाण्याची वाफ आणि वीज याशिवाय, प्रक्रियेचे आणखी एक उपउत्पादन म्हणजे निर्माण होणारी उष्णता.

हायड्रोजन-ऑक्सिजन प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन इंधन सेलमध्ये प्रोटॉन-संवाहक पॉलिमर झिल्ली असते जी दोन इलेक्ट्रोड, एनोड आणि कॅथोड वेगळे करते. प्रत्येक इलेक्ट्रोड सामान्यत: उत्प्रेरक - प्लॅटिनम किंवा प्लॅटिनम गटातील धातू आणि इतर रचनांच्या मिश्रधातूसह लेपित कार्बन प्लेट (मॅट्रिक्स) असतो.

एनोड उत्प्रेरकावर, आण्विक हायड्रोजन विलग होतो आणि इलेक्ट्रॉन गमावतो. हायड्रोजन केशन्स झिल्लीद्वारे कॅथोडपर्यंत चालवले जातात, परंतु इलेक्ट्रॉन बाह्य सर्किटमध्ये दिले जातात, कारण पडदा इलेक्ट्रॉन्समधून जाऊ देत नाही.

कॅथोड उत्प्रेरकावर, ऑक्सिजन रेणू इलेक्ट्रॉन (ज्याचा पुरवठा बाह्य संप्रेषणातून केला जातो) आणि येणारा प्रोटॉन यांच्याशी होतो आणि पाणी तयार करतो, जे एकमात्र प्रतिक्रिया उत्पादन आहे (वाष्प आणि/किंवा द्रव स्वरूपात).

wikipedia.org

ऑटोमोबाइल मध्ये अर्ज

सर्व प्रकारच्या इंधन पेशींपैकी, प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेनवर आधारित इंधन पेशी किंवा त्यांना पश्चिमेला म्हणतात, पॉलिमर एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्युएल सेल (PEMFC), वाहनांमध्ये वापरण्यासाठी सर्वोत्तम उमेदवार आहेत. याची मुख्य कारणे म्हणजे त्याची उच्च उर्जा घनता आणि तुलनेने कमी ऑपरेटिंग तापमान, ज्याचा अर्थ असा होतो की इंधन पेशी कार्यात आणण्यासाठी जास्त वेळ लागत नाही. ते त्वरीत उबदार होतील आणि उत्पादन सुरू करतील आवश्यक रक्कमवीज हे कोणत्याही प्रकारच्या इंधन सेलच्या सर्वात सोप्या प्रतिक्रियांपैकी एक देखील वापरते.

या तंत्रज्ञानासह पहिले वाहन 1994 मध्ये परत तयार केले गेले, जेव्हा मर्सिडीज-बेंझने NECAR1 (नवीन इलेक्ट्रिक कार 1) वर आधारित MB100 सादर केले. कमी पॉवर आउटपुट (केवळ 50 किलोवॅट) व्यतिरिक्त, या संकल्पनेचा सर्वात मोठा दोष म्हणजे इंधन सेलने संपूर्ण व्हॉल्यूम व्यापला होता. मालवाहू डब्बाव्हॅन

शिवाय, दृष्टिकोनातून निष्क्रिय सुरक्षा, ही एक भयानक कल्पना होती मोठ्या प्रमाणावर उत्पादन, दबावाखाली ज्वलनशील हायड्रोजनने भरलेली एक भव्य टाकी बोर्डवर स्थापित करण्याची आवश्यकता लक्षात घेऊन.

पुढील दशकात तंत्रज्ञान विकसित झाले आणि मर्सिडीजच्या शेवटच्या इंधन सेल संकल्पनांपैकी एक म्हणजे 115 एचपी पॉवर आउटपुट. (85 kW) आणि इंधन भरण्यापूर्वी सुमारे 400 किलोमीटरची श्रेणी. अर्थात, भविष्यातील इंधन पेशी विकसित करण्यात जर्मन हे एकमेव पायनियर नव्हते. टोयोटा आणि दोन जपानी बद्दल विसरू नका. सर्वात मोठ्या ऑटोमोटिव्ह खेळाडूंपैकी एक होंडा होता, ज्याने उत्पादन कार सादर केली वीज प्रकल्पहायड्रोजन इंधन पेशींवर. 2008 च्या उन्हाळ्यात युनायटेड स्टेट्समध्ये FCX क्लॅरिटीची लीज विक्री सुरू झाली, नंतर कारची विक्री जपानमध्ये झाली.

टोयोटा मिराईच्या बरोबरीने आणखी पुढे गेली आहे, ज्याची प्रगत हायड्रोजन फ्युएल सेल सिस्टीम फ्युचरिस्टिक कारला एका टाकीवर 520 किमीची रेंज देण्यास सक्षम आहे जी नियमित टाकीप्रमाणेच, पाच मिनिटांपेक्षा कमी वेळात रिफिल केली जाऊ शकते. इंधनाच्या वापराचे आकडे कोणत्याही संशयी व्यक्तीला आश्चर्यचकित करतील; अगदी क्लासिक पॉवर प्लांट असलेल्या कारसाठीही, शहरातील, महामार्गावर किंवा एकत्रित सायकलमध्ये कार कोणत्या परिस्थितीत वापरली जाते याची पर्वा न करता ते 3.5 लिटर वापरते.

आठ वर्षे झाली. होंडाने या वेळेचा सदुपयोग केला. दुसरा होंडा पिढी FCX स्पष्टता आता उपलब्ध आहे. त्याच्या इंधन सेल बॅटरी पहिल्या मॉडेलच्या तुलनेत 33% अधिक कॉम्पॅक्ट आहेत आणि उर्जा घनता 60% वाढली आहे. होंडाचा दावा आहे की इंधन सेल आणि इंटिग्रेटेड पॉवर युनिटक्लॅरिटी फ्युएल सेलचा आकार V6 इंजिनशी तुलना करता येण्याजोगा आहे, ज्यामुळे पाच प्रवासी आणि त्यांच्या सामानासाठी पुरेशी आतील जागा आहे.

अंदाजे श्रेणी 500 किमी आहे आणि नवीन उत्पादनाची प्रारंभिक किंमत $60,000 वर निश्चित केली जावी. महाग? त्याउलट, ते खूप स्वस्त आहे. 2000 च्या सुरूवातीस, समान तंत्रज्ञान असलेल्या कारची किंमत $100,000 होती.

इंधन पेशी (इलेक्ट्रोकेमिकल जनरेटर) ऊर्जा निर्मितीची अतिशय कार्यक्षम, टिकाऊ, विश्वासार्ह आणि पर्यावरणास अनुकूल पद्धत दर्शवतात. सुरुवातीला, ते केवळ अंतराळ उद्योगात वापरले जात होते, परंतु आज इलेक्ट्रोकेमिकल जनरेटर विविध क्षेत्रांमध्ये वाढत्या प्रमाणात वापरले जात आहेत: मोबाइल फोन आणि लॅपटॉपसाठी वीज पुरवठा, वाहन इंजिन, इमारतींसाठी स्वायत्त उर्जा स्त्रोत आणि स्थिर उर्जा संयंत्रे. यापैकी काही उपकरणे प्रयोगशाळेतील प्रोटोटाइप म्हणून काम करतात, तर काही प्रात्यक्षिक हेतूंसाठी वापरली जातात किंवा पूर्व-उत्पादन चाचणी घेतात. तथापि, अनेक मॉडेल्स आधीपासूनच व्यावसायिक प्रकल्पांमध्ये वापरली जातात आणि मोठ्या प्रमाणात उत्पादित केली जातात.

डिव्हाइस

इंधन पेशी ही विद्युत रासायनिक उपकरणे आहेत जी विद्यमान रासायनिक ऊर्जेचे विद्युत उर्जेमध्ये उच्च रूपांतरण दर प्रदान करण्यास सक्षम आहेत.

इंधन सेल डिव्हाइसमध्ये तीन मुख्य भाग समाविष्ट आहेत:

वीज निर्मिती विभाग;
सीपीयू;
व्होल्टेज ट्रान्सफॉर्मर.

इंधन सेलचा मुख्य भाग वीज निर्मिती विभाग आहे, जो वैयक्तिक इंधन पेशींनी बनलेली बॅटरी आहे. इंधन सेल इलेक्ट्रोडच्या संरचनेत प्लॅटिनम उत्प्रेरक समाविष्ट आहे. या पेशींचा वापर करून, एक स्थिर विद्युत प्रवाह तयार केला जातो.

यापैकी एक उपकरण आहे खालील वैशिष्ट्ये: 155 व्होल्टमध्ये, 1400 amps तयार होतात. बॅटरीची परिमाणे रुंदी आणि उंची 0.9 मीटर आणि लांबी 2.9 मीटर आहेत. त्यातील इलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रिया 177 डिग्री सेल्सिअस तापमानात चालते, ज्यासाठी स्टार्ट-अपच्या वेळी बॅटरी गरम करणे आवश्यक आहे, तसेच ऑपरेशन दरम्यान उष्णता काढून टाकणे आवश्यक आहे. या उद्देशासाठी, इंधन सेलमध्ये स्वतंत्र वॉटर सर्किट समाविष्ट केले आहे आणि बॅटरी विशेष कूलिंग प्लेट्ससह सुसज्ज आहे.

इंधन प्रक्रिया नैसर्गिक वायूचे हायड्रोजनमध्ये रूपांतर करते, जी इलेक्ट्रोकेमिकल अभिक्रियासाठी आवश्यक असते. इंधन प्रोसेसरचा मुख्य घटक सुधारक आहे. त्यामध्ये, नैसर्गिक वायू (किंवा इतर हायड्रोजन युक्त इंधन) उत्प्रेरक - निकेलच्या कृती अंतर्गत उच्च दाब आणि उच्च तापमानात (सुमारे 900 डिग्री सेल्सियस) पाण्याच्या वाफेशी संवाद साधतो.

सुधारकाचे आवश्यक तापमान राखण्यासाठी बर्नर आहे. सुधारणेसाठी आवश्यक असलेली वाफ कंडेन्सेटपासून तयार केली जाते. इंधन सेल बॅटरीमध्ये एक अस्थिर डायरेक्ट करंट व्युत्पन्न केला जातो आणि व्होल्टेज कन्व्हर्टर वापरला जातो.

व्होल्टेज कन्व्हर्टर ब्लॉकमध्ये देखील आहेतः

नियंत्रण साधने.
सुरक्षा इंटरलॉक सर्किट जे विविध दोषांदरम्यान इंधन सेल बंद करतात.

ऑपरेटिंग तत्त्व

सर्वात सोपा प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन सेलमध्ये पॉलिमर झिल्ली असते जी एनोड आणि कॅथोड, तसेच कॅथोड आणि एनोड उत्प्रेरक यांच्यामध्ये असते. पॉलिमर झिल्ली इलेक्ट्रोलाइट म्हणून वापरली जाते.

प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली लहान जाडीच्या पातळ घन सेंद्रिय संयुगासारखी दिसते. ही पडदा पाण्याच्या उपस्थितीत इलेक्ट्रोलाइट म्हणून काम करते, ते पदार्थाला नकारात्मक आणि सकारात्मक चार्ज आयनांमध्ये वेगळे करते.
ऑक्सिडेशन एनोडपासून सुरू होते आणि कॅथोडमध्ये घट होते. पीईएम सेलमधील कॅथोड आणि एनोड हे सच्छिद्र पदार्थाचे बनलेले असतात; ते प्लॅटिनम आणि कार्बन कणांचे मिश्रण असते. प्लॅटिनम उत्प्रेरक म्हणून कार्य करते, जे पृथक्करण प्रतिक्रियेला प्रोत्साहन देते. कॅथोड आणि एनोड सच्छिद्र बनवले जातात जेणेकरून ऑक्सिजन आणि हायड्रोजन त्यांच्यामधून मुक्तपणे जातात.
एनोड आणि कॅथोड दोन धातूच्या प्लेट्समध्ये स्थित आहेत, ते कॅथोड आणि एनोडला ऑक्सिजन आणि हायड्रोजन पुरवतात आणि विद्युत ऊर्जा, उष्णता आणि पाणी काढून टाकतात.
प्लेटमधील चॅनेलद्वारे, हायड्रोजन रेणू एनोडमध्ये प्रवेश करतात, जेथे रेणू अणूंमध्ये विघटित होतात.
उत्प्रेरकाच्या प्रभावाखाली केमिसॉर्प्शनच्या परिणामी, हायड्रोजन अणू सकारात्मक चार्ज केलेल्या हायड्रोजन आयन H+ मध्ये रूपांतरित होतात, म्हणजेच प्रोटॉन.
प्रोटॉन झिल्लीद्वारे कॅथोडमध्ये पसरतात आणि इलेक्ट्रॉनचा प्रवाह एका विशेष बाह्य विद्युतीय सर्किटद्वारे कॅथोडमध्ये जातो. एक भार त्याच्याशी जोडलेला आहे, म्हणजेच विद्युत ऊर्जेचा ग्राहक.
ऑक्सिजन, जो कॅथोडला पुरवला जातो, एक्सपोजरवर, बाहेरील इलेक्ट्रिकल सर्किटमधील इलेक्ट्रॉन आणि प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्लीमधून हायड्रोजन आयनसह रासायनिक अभिक्रियामध्ये प्रवेश करतो. या रासायनिक अभिक्रियेचा परिणाम म्हणून, पाणी दिसते.

इतर प्रकारच्या इंधन पेशींमध्ये उद्भवणारी रासायनिक प्रतिक्रिया (उदाहरणार्थ, सह ऍसिड इलेक्ट्रोलाइटऑर्थोफॉस्फोरिक ऍसिड H3PO4 च्या स्वरूपात) प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्लीसह डिव्हाइसच्या प्रतिक्रियेशी पूर्णपणे समान आहे.

प्रकार

सध्या, अनेक प्रकारचे इंधन पेशी ज्ञात आहेत, जे वापरलेल्या इलेक्ट्रोलाइटच्या रचनेत भिन्न आहेत:

ऑर्थोफॉस्फोरिक किंवा फॉस्फोरिक ऍसिडवर आधारित इंधन पेशी (PAFC, फॉस्फोरिक ऍसिड इंधन पेशी).
प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (पीईएमएफसी, प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्युएल सेल) असलेली उपकरणे.
सॉलिड ऑक्साईड इंधन पेशी (SOFC, सॉलिड ऑक्साइड इंधन पेशी).
वितळलेल्या कार्बोनेटवर आधारित इलेक्ट्रोकेमिकल जनरेटर (MCFC, वितळलेले कार्बोनेट इंधन पेशी).

सध्या, PAFC तंत्रज्ञानाचा वापर करणारे इलेक्ट्रोकेमिकल जनरेटर अधिक व्यापक झाले आहेत.

अर्ज

आज, इंधन पेशींचा वापर " अंतराळ यान", पुन्हा वापरण्यायोग्य अंतराळयान. ते 12 W युनिट वापरतात. ते सर्व वीज निर्माण करतात स्पेसशिप. इलेक्ट्रोकेमिकल रिॲक्शन दरम्यान तयार होणारे पाणी पिण्यासाठी, कूलिंग उपकरणांसह वापरले जाते.

इलेक्ट्रोकेमिकल जनरेटरचा वापर सोव्हिएत बुरान या पुन्हा वापरता येण्याजोग्या अंतराळयानाला उर्जा देण्यासाठी देखील केला गेला.

नागरी क्षेत्रात इंधन सेल देखील वापरले जातात.

5-250 kW आणि त्याहून अधिक शक्तीसह स्थिर स्थापना. ते औद्योगिक, सार्वजनिक आणि निवासी इमारतींना उष्णता आणि वीज पुरवठा, आपत्कालीन आणि बॅकअप वीज पुरवठा आणि अखंड वीज पुरवठा यासाठी स्वायत्त स्रोत म्हणून वापरले जातात.
1-50 kW च्या पॉवरसह पोर्टेबल युनिट्स. ते अंतराळ उपग्रह आणि जहाजांसाठी वापरले जातात. गोल्फ कार्ट्स, व्हीलचेअर्स, रेल्वे आणि फ्रेट रेफ्रिजरेटर्स आणि रस्त्याच्या चिन्हांसाठी उदाहरणे तयार केली जातात.
25-150 kW च्या पॉवरसह मोबाइल इंस्टॉलेशन्स. ते कार आणि इतर वाहनांसह लष्करी जहाजे आणि पाणबुड्यांमध्ये वापरले जाऊ लागले आहेत. प्रोटोटाइप आधीच असे तयार केले आहेत ऑटोमोटिव्ह दिग्गजजसे रेनॉल्ट, निओप्लान, टोयोटा, फोक्सवॅगन, ह्युंदाई, निसान, व्हीएझेड, जनरल मोटर्स, होंडा, फोर्ड आणि इतर.
1-500 W च्या पॉवरसह सूक्ष्म उपकरणे. त्यांना ॲडव्हान्स पॉकेट कॉम्प्युटर, लॅपटॉप, घरातील ॲप्लिकेशन सापडते इलेक्ट्रॉनिक उपकरणेआह, मोबाईल फोन, आधुनिक लष्करी उपकरणे.

वैशिष्ठ्य

प्रत्येक इंधन सेलमधील रासायनिक अभिक्रियामधून काही ऊर्जा उष्णता म्हणून सोडली जाते. रेफ्रिजरेशन आवश्यक. बाह्य सर्किटमध्ये, इलेक्ट्रॉनचा प्रवाह थेट प्रवाह तयार करतो जो काम करण्यासाठी वापरला जातो. हायड्रोजन आयनची हालचाल थांबवणे किंवा बाह्य सर्किट उघडणे रासायनिक अभिक्रिया थांबवते.
इंधन पेशी निर्माण होणाऱ्या विजेचे प्रमाण गॅसचा दाब, तापमान, भौमितिक परिमाणे आणि इंधन सेलच्या प्रकारावर अवलंबून असते. प्रतिक्रियेद्वारे उत्पादित विजेचे प्रमाण वाढविण्यासाठी, इंधन पेशी मोठ्या केल्या जाऊ शकतात, परंतु सराव मध्ये अनेक पेशी वापरल्या जातात, ज्या बॅटरीमध्ये एकत्रित केल्या जातात.
काही प्रकारच्या इंधन पेशींमधील रासायनिक प्रक्रिया उलट होऊ शकते. म्हणजेच, जेव्हा इलेक्ट्रोड्सवर संभाव्य फरक लागू केला जातो तेव्हा पाण्याचे ऑक्सिजन आणि हायड्रोजनमध्ये विघटन होऊ शकते, जे सच्छिद्र इलेक्ट्रोडवर गोळा केले जाईल. लोड चालू असताना, अशा इंधन सेलमधून विद्युत ऊर्जा निर्माण होईल.

संभावना

सध्या, इलेक्ट्रोकेमिकल जनरेटरला उर्जेचा मुख्य स्त्रोत म्हणून वापरण्यासाठी मोठ्या प्रारंभिक खर्चाची आवश्यकता आहे. उच्च चालकता, कार्यक्षम आणि स्वस्त उत्प्रेरक आणि हायड्रोजनचे पर्यायी स्त्रोत असलेल्या अधिक स्थिर पडद्याच्या परिचयाने, इंधन पेशी अत्यंत आर्थिकदृष्ट्या आकर्षक बनतील आणि सर्वत्र लागू केले जातील.

कार इंधन पेशींवर चालतील; तेथे कोणतेही अंतर्गत ज्वलन इंजिन नसतील. पाणी किंवा सॉलिड-स्टेट हायड्रोजनचा वापर ऊर्जा स्त्रोत म्हणून केला जाईल. इंधन भरणे सोपे आणि सुरक्षित असेल आणि वाहन चालविणे पर्यावरणास अनुकूल असेल - फक्त पाण्याची वाफ तयार केली जाईल.
सर्व इमारतींमध्ये त्यांचे स्वतःचे पोर्टेबल इंधन सेल पॉवर जनरेटर असतील.
इलेक्ट्रोकेमिकल जनरेटर सर्व बॅटरी बदलतील आणि कोणत्याही इलेक्ट्रॉनिक्स आणि घरगुती उपकरणांमध्ये स्थापित केले जातील.

फायदे आणि तोटे

प्रत्येक प्रकारच्या इंधन सेलचे स्वतःचे तोटे आणि फायदे आहेत. काही मागणी उच्च गुणवत्ताइंधन, इतरांची रचना जटिल असते आणि त्यांना उच्च ऑपरेटिंग तापमान आवश्यक असते.

सर्वसाधारणपणे, इंधन पेशींचे खालील फायदे लक्षात घेतले जाऊ शकतात:

पर्यावरणीय सुरक्षा;
इलेक्ट्रोकेमिकल जनरेटरला रिचार्ज करण्याची आवश्यकता नाही;
इलेक्ट्रोकेमिकल जनरेटर सतत ऊर्जा निर्माण करू शकतात, त्यांना बाह्य परिस्थितीची पर्वा नाही;
स्केल आणि पोर्टेबिलिटीमध्ये लवचिकता.

तोटे हे आहेत:

इंधन साठवण आणि वाहतुकीमध्ये तांत्रिक अडचणी;
डिव्हाइसचे अपूर्ण घटक: उत्प्रेरक, पडदा इ.

विज्ञान आणि तंत्रज्ञानाचे पर्यावरणशास्त्र: हायड्रोजन ऊर्जा हा अत्यंत कार्यक्षम उद्योगांपैकी एक आहे आणि इंधन पेशी त्याला नाविन्यपूर्ण तंत्रज्ञानामध्ये आघाडीवर राहण्याची परवानगी देतात.

इंधन सेल हे एक उपकरण आहे जे इलेक्ट्रोकेमिकल अभिक्रियाद्वारे हायड्रोजन-समृद्ध इंधनापासून थेट प्रवाह आणि उष्णता कार्यक्षमतेने तयार करते.

इंधन सेल हे बॅटरीसारखेच असते ज्यामध्ये रासायनिक अभिक्रियाद्वारे थेट विद्युत प्रवाह निर्माण होतो. पुन्हा, बॅटरीप्रमाणे, इंधन सेलमध्ये एनोड, कॅथोड आणि इलेक्ट्रोलाइट समाविष्ट आहे. तथापि, बॅटरीच्या विपरीत, इंधन पेशी विद्युत ऊर्जा साठवू शकत नाहीत आणि डिस्चार्ज करत नाहीत किंवा रिचार्ज करण्यासाठी विजेची आवश्यकता नसते. जोपर्यंत इंधन आणि हवेचा पुरवठा आहे तोपर्यंत इंधन पेशी सतत वीज निर्माण करू शकतात. कार्य करणाऱ्या इंधन सेलचे वर्णन करण्यासाठी योग्य संज्ञा ही पेशींची एक प्रणाली आहे, कारण तिला योग्यरित्या कार्य करण्यासाठी काही सहाय्यक प्रणाली आवश्यक आहेत.

इतर उर्जा जनरेटरच्या विपरीत, जसे की अंतर्गत ज्वलन इंजिन किंवा गॅस, कोळसा, इंधन तेल इत्यादीद्वारे समर्थित टर्बाइन, इंधन पेशी इंधन जळत नाहीत. याचा अर्थ गोंगाट करणारा उच्च-दाब रोटर्स नाही, मोठा एक्झॉस्ट आवाज नाही, कंपन नाही. इंधन पेशी मूक इलेक्ट्रोकेमिकल अभिक्रियाद्वारे वीज तयार करतात. इंधन पेशींचे आणखी एक वैशिष्ट्य म्हणजे ते इंधनाची रासायनिक ऊर्जा थेट वीज, उष्णता आणि पाण्यात रूपांतरित करतात.

इंधन पेशी अत्यंत कार्यक्षम असतात आणि कार्बन डायऑक्साइड, मिथेन आणि नायट्रस ऑक्साईड यांसारख्या मोठ्या प्रमाणात हरितगृह वायू तयार करत नाहीत. इंधन पेशींमधून केवळ वाफेच्या रूपात पाणी आणि कार्बन डायऑक्साइडचा एक छोटासा उत्सर्जन होतो, जर शुद्ध हायड्रोजन इंधन म्हणून वापरला गेला तर ते सोडले जात नाही. इंधन पेशी असेंब्लीमध्ये आणि नंतर वैयक्तिक कार्यात्मक मॉड्यूलमध्ये एकत्र केल्या जातात.

इंधन पेशींचे ऑपरेटिंग तत्त्व

इंधन पेशी इलेक्ट्रोलाइट, कॅथोड आणि एनोड वापरून इलेक्ट्रोकेमिकल अभिक्रियाद्वारे वीज आणि उष्णता निर्माण करतात.

एनोड आणि कॅथोड इलेक्ट्रोलाइटद्वारे वेगळे केले जातात जे प्रोटॉनचे संचालन करतात. हायड्रोजन एनोडमध्ये आणि ऑक्सिजन कॅथोडमध्ये वाहल्यानंतर, रासायनिक प्रतिक्रिया सुरू होते, परिणामी विद्युत प्रवाह, उष्णता आणि पाणी तयार होते. एनोड उत्प्रेरकावर, आण्विक हायड्रोजन विलग होतो आणि इलेक्ट्रॉन गमावतो. हायड्रोजन आयन (प्रोटॉन) इलेक्ट्रोलाइटद्वारे कॅथोडपर्यंत चालवले जातात, तर इलेक्ट्रॉन इलेक्ट्रोलाइटमधून जातात आणि बाह्य इलेक्ट्रिकल सर्किटमधून प्रवास करतात, ज्यामुळे उपकरणांना उर्जा देण्यासाठी वापरता येणारा थेट प्रवाह तयार होतो. कॅथोड उत्प्रेरकावर, एक ऑक्सिजन रेणू इलेक्ट्रॉन (ज्याचा पुरवठा बाह्य संप्रेषणातून केला जातो) आणि येणारा प्रोटॉन यांच्याशी होतो आणि पाणी बनवते, जे एकमात्र प्रतिक्रिया उत्पादन आहे (वाष्प आणि/किंवा द्रव स्वरूपात).

खाली संबंधित प्रतिक्रिया आहे:

एनोडवर प्रतिक्रिया: 2H2 => 4H+ + 4e-
कॅथोडवर प्रतिक्रिया: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
घटकाची सामान्य प्रतिक्रिया: 2H2 + O2 => 2H2O

इंधन पेशींचे प्रकार

ज्याप्रमाणे अंतर्गत ज्वलन इंजिनचे विविध प्रकार आहेत, त्याचप्रमाणे विविध प्रकारचे इंधन पेशी आहेत - योग्य प्रकारचे इंधन सेल निवडणे हे त्याच्या वापरावर अवलंबून असते.इंधन पेशी उच्च तापमान आणि कमी तापमानात विभागली जातात. कमी तापमानाच्या इंधन पेशींना इंधन म्हणून तुलनेने शुद्ध हायड्रोजनची आवश्यकता असते.

याचा अर्थ असा होतो की प्राथमिक इंधन (जसे की नैसर्गिक वायू) शुद्ध हायड्रोजनमध्ये रूपांतरित करण्यासाठी इंधन प्रक्रिया आवश्यक असते. ही प्रक्रिया अतिरिक्त ऊर्जा वापरते आणि विशेष उपकरणे आवश्यक असतात. उच्च तापमानाच्या इंधन पेशींना या अतिरिक्त प्रक्रियेची आवश्यकता नसते कारण ते भारदस्त तापमानात इंधनाचे "अंतर्गत रूपांतर" करू शकतात, म्हणजे हायड्रोजन पायाभूत सुविधांमध्ये गुंतवणूक करण्याची आवश्यकता नाही.

वितळलेले कार्बोनेट इंधन पेशी (MCFC).

650°C तापमानाला गरम केल्यावर, क्षार कार्बोनेट आयन (CO32-) साठी वाहक बनतात. हे आयन कॅथोडपासून ॲनोडमध्ये जातात, जेथे ते हायड्रोजनसह पाणी, कार्बन डायऑक्साइड आणि मुक्त इलेक्ट्रॉन तयार करतात. हे इलेक्ट्रॉन्स बाह्य विद्युतीय सर्किटद्वारे कॅथोडला परत पाठवले जातात, ज्यामुळे विद्युत प्रवाह आणि उप-उत्पादन म्हणून उष्णता निर्माण होते.

एनोडवर प्रतिक्रिया: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
कॅथोडवर प्रतिक्रिया: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
घटकाची सामान्य प्रतिक्रिया: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(कॅथोड) => H2O(g) + CO2(एनोड)

वितळलेल्या कार्बोनेट इलेक्ट्रोलाइट इंधन पेशींच्या उच्च ऑपरेटिंग तापमानाचे काही फायदे आहेत. उच्च तापमानात, नैसर्गिक वायूमध्ये आंतरिक सुधारणा केली जाते, ज्यामुळे इंधन प्रोसेसरची आवश्यकता दूर होते. याव्यतिरिक्त, फायद्यांमध्ये इलेक्ट्रोडवर स्टेनलेस स्टील शीट आणि निकेल उत्प्रेरक यासारख्या मानक बांधकाम साहित्य वापरण्याची क्षमता समाविष्ट आहे. कचऱ्याची उष्णता विविध औद्योगिक आणि व्यावसायिक कारणांसाठी उच्च दाबाची वाफ निर्माण करण्यासाठी वापरली जाऊ शकते.

वितळलेल्या कार्बोनेट इलेक्ट्रोलाइटसह इंधन पेशी मोठ्या स्थिर प्रतिष्ठापनांमध्ये वापरण्यासाठी योग्य आहेत. 2.8 मेगावॅटच्या विद्युत उत्पादन शक्तीसह औष्णिक ऊर्जा प्रकल्प व्यावसायिकरित्या उत्पादित केले जातात. 100 मेगावॅट पर्यंत आउटपुट पॉवरसह इंस्टॉलेशन विकसित केले जात आहेत.

फॉस्फोरिक ऍसिड इंधन पेशी (PAFC).

फॉस्फोरिक (ऑर्थोफॉस्फोरिक) ऍसिड इंधन पेशी ऑर्थोफॉस्फोरिक ऍसिड (H3PO4) वर 100% पर्यंत एकाग्रतेवर आधारित इलेक्ट्रोलाइट वापरतात. फॉस्फोरिक ऍसिडची आयनिक चालकता कमी तापमानात कमी असते, या कारणास्तव या इंधन पेशींचा वापर 150-220°C पर्यंत तापमानात केला जातो.

या प्रकारच्या इंधन पेशींमध्ये चार्ज वाहक हायड्रोजन (H+, प्रोटॉन) आहे. अशीच प्रक्रिया प्रोटॉन एक्स्चेंज मेम्ब्रेन फ्युएल सेल्स (पीईएमएफसी) मध्ये घडते, ज्यामध्ये एनोडला पुरवठा केलेला हायड्रोजन प्रोटॉन आणि इलेक्ट्रॉनमध्ये विभागला जातो. प्रोटॉन इलेक्ट्रोलाइटमधून प्रवास करतात आणि कॅथोडमधील हवेतील ऑक्सिजनसह पाणी तयार करतात. इलेक्ट्रॉन बाहेरील इलेक्ट्रिकल सर्किटद्वारे पाठवले जातात, ज्यामुळे विद्युत प्रवाह निर्माण होतो. खाली विद्युत प्रवाह आणि उष्णता निर्माण करणाऱ्या प्रतिक्रिया आहेत.

एनोडवर प्रतिक्रिया: 2H2 => 4H+ + 4e-
कॅथोडवर प्रतिक्रिया: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
घटकाची सामान्य प्रतिक्रिया: 2H2 + O2 => 2H2O

विद्युत ऊर्जा निर्माण करताना फॉस्फोरिक (ऑर्थोफॉस्फोरिक) ऍसिडवर आधारित इंधन पेशींची कार्यक्षमता 40% पेक्षा जास्त असते. उष्णता आणि विजेच्या एकत्रित उत्पादनासह, एकूण कार्यक्षमता सुमारे 85% आहे. याव्यतिरिक्त, ऑपरेटिंग तापमान दिल्यास, कचरा उष्णता पाणी गरम करण्यासाठी आणि वायुमंडलीय दाब वाफ तयार करण्यासाठी वापरली जाऊ शकते.

प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली इंधन पेशी (PEMFCs)

प्रोटॉन एक्स्चेंज मेम्ब्रेन इंधन सेल हे वाहन उर्जा निर्माण करण्यासाठी सर्वोत्तम प्रकारचे इंधन सेल मानले जातात, जे गॅसोलीन आणि डिझेल अंतर्गत ज्वलन इंजिन बदलू शकतात. या इंधन पेशींचा वापर पहिल्यांदा नासाने जेमिनी कार्यक्रमासाठी केला होता. आज, 1 डब्ल्यू ते 2 किलोवॅट पॉवरसह एमओपीएफसी इंस्टॉलेशन्स विकसित आणि प्रात्यक्षिक केले जात आहेत.

एनोडवर प्रतिक्रिया: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
कॅथोडवर प्रतिक्रिया: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
घटकाची सामान्य प्रतिक्रिया: 2H2 + O2 => 2H2O

इतर प्रकारच्या इंधन पेशींच्या तुलनेत, प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन इंधन पेशी दिलेल्या इंधन सेल व्हॉल्यूम किंवा वजनासाठी अधिक ऊर्जा निर्माण करतात. हे वैशिष्ट्य त्यांना कॉम्पॅक्ट आणि हलके होण्यास अनुमती देते. याव्यतिरिक्त, ऑपरेटिंग तापमान 100°C पेक्षा कमी आहे, जे तुम्हाला त्वरीत ऑपरेट करण्यास अनुमती देते. ही वैशिष्ट्ये, तसेच ऊर्जा आउटपुट त्वरीत बदलण्याची क्षमता, ही काही वैशिष्ट्ये आहेत जी या इंधन पेशींना वाहनांमध्ये वापरण्यासाठी प्रमुख उमेदवार बनवतात.

सॉलिड ऑक्साईड इंधन पेशी (SOFC)

सॉलिड ऑक्साईड इंधन पेशी हे सर्वोच्च ऑपरेटिंग तापमान इंधन पेशी आहेत. ऑपरेटिंग तापमान 600°C ते 1000°C पर्यंत बदलू शकते, ज्यामुळे विशेष पूर्व-उपचारांशिवाय विविध प्रकारचे इंधन वापरता येते. अशा उच्च तापमानांना हाताळण्यासाठी, वापरलेले इलेक्ट्रोलाइट हे सिरेमिक बेसवर पातळ घन धातूचे ऑक्साईड असते, बहुतेक वेळा य्ट्रियम आणि झिरकोनियमचे मिश्र धातु असते, जे ऑक्सिजन आयन (O2-) चे वाहक असते. सॉलिड ऑक्साईड इंधन सेल तंत्रज्ञान 1950 च्या उत्तरार्धापासून विकसित होत आहे. आणि दोन कॉन्फिगरेशन आहेत: सपाट आणि ट्यूबलर.

घन इलेक्ट्रोलाइट गॅसचे एका इलेक्ट्रोडपासून दुस-या इलेक्ट्रोडमध्ये सीलबंद संक्रमण प्रदान करते, तर द्रव इलेक्ट्रोलाइट्स छिद्रयुक्त सब्सट्रेटमध्ये स्थित असतात. या प्रकारच्या इंधन पेशींमध्ये चार्ज वाहक ऑक्सिजन आयन (O2-) आहे. कॅथोडवर, हवेतील ऑक्सिजनचे रेणू ऑक्सिजन आयन आणि चार इलेक्ट्रॉनमध्ये वेगळे केले जातात. ऑक्सिजन आयन इलेक्ट्रोलाइटमधून जातात आणि हायड्रोजनसह एकत्र होतात, चार मुक्त इलेक्ट्रॉन तयार करतात. इलेक्ट्रॉन बाहेरील इलेक्ट्रिकल सर्किटद्वारे पाठवले जातात, विद्युत प्रवाह आणि कचरा उष्णता निर्माण करतात.

एनोडवर प्रतिक्रिया: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
कॅथोडवर प्रतिक्रिया: O2 + 4e- => 2O2-
घटकाची सामान्य प्रतिक्रिया: 2H2 + O2 => 2H2O

सॉलिड ऑक्साईड इंधन पेशी अतिशय उच्च तापमानात (600°C–1000°C) कार्य करतात, परिणामी इष्टतम ऑपरेटिंग स्थितीपर्यंत पोहोचण्यासाठी महत्त्वपूर्ण वेळ आणि ऊर्जा वापरातील बदलांना धीमा प्रणाली प्रतिसाद देते. अशा उच्च ऑपरेटिंग तापमानात, इंधनातून हायड्रोजन पुनर्प्राप्त करण्यासाठी कोणत्याही कन्व्हर्टरची आवश्यकता नसते, ज्यामुळे कोळसा किंवा कचरा वायूंच्या गॅसिफिकेशनमुळे औष्णिक ऊर्जा प्रकल्प तुलनेने अशुद्ध इंधनासह कार्य करू शकतो. औद्योगिक आणि मोठ्या सेंट्रल पॉवर प्लांट्ससह उच्च उर्जा अनुप्रयोगांसाठी इंधन सेल देखील उत्कृष्ट आहे. 100 kW च्या इलेक्ट्रिकल आउटपुट पॉवरसह मॉड्यूल व्यावसायिकरित्या तयार केले जातात.

डायरेक्ट मिथेनॉल ऑक्सिडेशन इंधन पेशी (DOMFC)

थेट मिथेनॉल ऑक्सिडेशनसह इंधन पेशी वापरण्याचे तंत्रज्ञान सक्रिय विकासाच्या कालावधीतून जात आहे. मोबाईल फोन, लॅपटॉप्स तसेच पोर्टेबल उर्जा स्त्रोत तयार करण्याच्या क्षेत्रात त्याने स्वतःला यशस्वीरित्या सिद्ध केले आहे. या घटकांचा भविष्यातील वापर हाच उद्देश आहे.

मिथेनॉलच्या थेट ऑक्सिडेशनसह इंधन पेशींची रचना प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (एमईपीएफसी) असलेल्या इंधन पेशींसारखीच असते, म्हणजे. पॉलिमरचा वापर इलेक्ट्रोलाइट म्हणून केला जातो आणि हायड्रोजन आयन (प्रोटॉन) चार्ज वाहक म्हणून वापरला जातो. तथापि, द्रव मिथेनॉल (CH3OH) एनोडवर पाण्याच्या उपस्थितीत ऑक्सिडायझेशन करते, सीओ 2, हायड्रोजन आयन आणि इलेक्ट्रॉन सोडते, जे बाह्य इलेक्ट्रिकल सर्किटद्वारे पाठवले जाते, ज्यामुळे विद्युत प्रवाह निर्माण होतो. हायड्रोजन आयन इलेक्ट्रोलाइटमधून जातात आणि हवेतील ऑक्सिजन आणि बाह्य सर्किटमधील इलेक्ट्रॉन्ससह प्रतिक्रिया करून एनोडवर पाणी तयार करतात.

एनोडवर प्रतिक्रिया: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
कॅथोडवर प्रतिक्रिया: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
घटकाची सामान्य प्रतिक्रिया: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

अल्कधर्मी इंधन पेशी (ALFC)

अल्कधर्मी इंधन पेशी इलेक्ट्रोलाइट वापरतात, पोटॅशियम हायड्रॉक्साईडचे जलीय द्रावण, सच्छिद्र, स्थिर मॅट्रिक्समध्ये असते. पोटॅशियम हायड्रॉक्साइड एकाग्रता इंधन सेलच्या ऑपरेटिंग तापमानावर अवलंबून बदलू शकते, जे 65°C ते 220°C पर्यंत असते. SHTE मधील चार्ज वाहक हा हायड्रॉक्सिल आयन (OH-) आहे, जो कॅथोडपासून ॲनोडकडे जातो, जिथे तो हायड्रोजनसह प्रतिक्रिया देतो, पाणी आणि इलेक्ट्रॉन तयार करतो. एनोडवर तयार झालेले पाणी कॅथोडकडे परत जाते, पुन्हा तेथे हायड्रॉक्सिल आयन तयार करतात. इंधन सेलमध्ये होणाऱ्या प्रतिक्रियांच्या या मालिकेचा परिणाम म्हणून, वीज आणि उप-उत्पादन म्हणून, उष्णता निर्माण होते:

एनोडवर प्रतिक्रिया: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
कॅथोडवर प्रतिक्रिया: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
प्रणालीची सामान्य प्रतिक्रिया: 2H2 + O2 => 2H2O

SHTE च्या वैशिष्ट्यांपैकी एक म्हणजे त्याची CO2 ची उच्च संवेदनशीलता, जी इंधन किंवा हवेमध्ये असू शकते. CO2 इलेक्ट्रोलाइटसह प्रतिक्रिया देते, त्वरीत विष बनवते आणि इंधन सेलची कार्यक्षमता मोठ्या प्रमाणात कमी करते. म्हणून, SHTE चा वापर बंदिस्त जागांपुरता मर्यादित आहे जसे की स्पेसक्राफ्ट आणि पाण्याखालील वाहने शुद्ध हायड्रोजन आणि ऑक्सिजनवर चालली पाहिजेत; शिवाय, CO, H2O आणि CH4 सारखे रेणू, जे इतर इंधन पेशींसाठी सुरक्षित आहेत आणि त्यापैकी काहींसाठी इंधन म्हणून देखील कार्य करतात, ते SHFC साठी हानिकारक आहेत.

पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट इंधन पेशी (PEFC)

सॉलिड ऍसिड इंधन पेशी (SFC)

घन आम्ल इंधन पेशींमध्ये, इलेक्ट्रोलाइट (CsHSO4) मध्ये पाणी नसते. म्हणून ऑपरेटिंग तापमान 100-300 डिग्री सेल्सियस आहे. SO42 ऑक्सि आयनचे फिरणे आकृतीमध्ये दर्शविल्याप्रमाणे प्रोटॉन (लाल) हलवू देते.

सामान्यतः, सॉलिड ॲसिड फ्युएल सेल हे सँडविच असते ज्यामध्ये सॉलिड ॲसिड कंपाऊंडचा एक अतिशय पातळ थर दोन इलेक्ट्रोड्समध्ये सँडविच केला जातो जो चांगला संपर्क सुनिश्चित करण्यासाठी एकत्र दाबला जातो. गरम केल्यावर, सेंद्रिय घटक बाष्पीभवन करतात, इलेक्ट्रोडमधील छिद्रांमधून बाहेर पडतात, इंधन (किंवा घटकांच्या दुसऱ्या टोकाला असलेला ऑक्सिजन), इलेक्ट्रोलाइट आणि इलेक्ट्रोड यांच्यातील अनेक संपर्कांची क्षमता राखतात

इंधन सेल प्रकार	कार्यरत तापमान	वीज निर्मिती कार्यक्षमता	इंधन प्रकार	अर्ज क्षेत्र
आरकेटीई	५५०–७००° से	50-70%		मध्यम आणि मोठ्या स्थापना
FCTE	100–220°C	35-40%	शुद्ध हायड्रोजन	मोठी स्थापना
MOPTE	30-100° से	35-50%	शुद्ध हायड्रोजन	लहान स्थापना
SOFC	450–1000°C	45-70%	बहुतेक हायड्रोकार्बन इंधन	लहान, मध्यम आणि मोठी स्थापना
PEMFC	20-90° से	20-30%	मिथेनॉल	पोर्टेबल युनिट्स
SHTE	50-200° से	40-65%	शुद्ध हायड्रोजन	अंतराळ संशोधन
पीईटीई	30-100° से	35-50%	शुद्ध हायड्रोजन	लहान स्थापना

आमच्यात सामील व्हा

भाग 1

हा लेख इंधन पेशींच्या ऑपरेशनचे सिद्धांत, त्यांची रचना, वर्गीकरण, फायदे आणि तोटे, अनुप्रयोगाची व्याप्ती, कार्यक्षमता, निर्मितीचा इतिहास आणि वापरासाठी आधुनिक संभावनांचे अधिक तपशीलवार परीक्षण करतो. लेखाच्या दुसऱ्या भागात, जे ABOK मासिकाच्या पुढील अंकात प्रकाशित केले जाईल, त्या सुविधांची उदाहरणे प्रदान करते जेथे उष्णता आणि वीज पुरवठा (किंवा फक्त वीज पुरवठा) स्त्रोत म्हणून विविध प्रकारच्या इंधन पेशी वापरल्या जात होत्या.

परिचय

इंधन पेशी ऊर्जा निर्माण करण्याचा एक अतिशय कार्यक्षम, विश्वासार्ह, टिकाऊ आणि पर्यावरणास अनुकूल मार्ग आहे.

सुरुवातीला फक्त अंतराळ उद्योगात वापरल्या जाणाऱ्या, इंधन पेशी आता विविध क्षेत्रांमध्ये वाढत्या प्रमाणात वापरल्या जात आहेत - स्थिर उर्जा संयंत्रे, इमारतींसाठी उष्णता आणि विजेचे स्वायत्त स्त्रोत, वाहन इंजिन, लॅपटॉप आणि मोबाइल फोनसाठी वीज पुरवठा. यापैकी काही उपकरणे प्रयोगशाळेतील प्रोटोटाइप आहेत, काही पूर्व-उत्पादन चाचणी घेत आहेत किंवा प्रात्यक्षिक हेतूंसाठी वापरली जातात, परंतु अनेक मॉडेल्स मोठ्या प्रमाणावर उत्पादित केली जातात आणि व्यावसायिक प्रकल्पांमध्ये वापरली जातात.

इंधन सेल (इलेक्ट्रोकेमिकल जनरेटर) हे एक उपकरण आहे जे इंधन (हायड्रोजन) च्या रासायनिक उर्जेचे इलेक्ट्रोकेमिकल अभिक्रियाद्वारे थेट विद्युत उर्जेमध्ये रूपांतरित करते, पारंपारिक तंत्रज्ञानाच्या विरूद्ध जे घन, द्रव आणि वायू इंधनांचे ज्वलन वापरतात. इंधनाचे थेट इलेक्ट्रोकेमिकल रूपांतरण पर्यावरणीय दृष्टिकोनातून अतिशय प्रभावी आणि आकर्षक आहे, कारण ऑपरेशन प्रक्रियेत कमीत कमी प्रमाणात प्रदूषक निर्माण होतात आणि त्यात कोणतेही गोंगाटआणि कंपने.

व्यावहारिक दृष्टिकोनातून, इंधन सेल पारंपारिक व्होल्टेइक बॅटरीसारखे दिसते. फरक असा आहे की बॅटरी सुरुवातीला चार्ज केली जाते, म्हणजेच "इंधन" ने भरलेली असते. ऑपरेशन दरम्यान, "इंधन" वापरले जाते आणि बॅटरी डिस्चार्ज केली जाते. बॅटरीच्या विपरीत, इंधन सेल विद्युत ऊर्जा (चित्र 1) तयार करण्यासाठी बाह्य स्त्रोताकडून पुरवलेले इंधन वापरते.

विद्युत उर्जा निर्माण करण्यासाठी, केवळ शुद्ध हायड्रोजनच नाही तर इतर हायड्रोजन-युक्त कच्चा माल देखील वापरला जाऊ शकतो, उदाहरणार्थ, नैसर्गिक वायू, अमोनिया, मिथेनॉल किंवा गॅसोलीन. सामान्य हवा ऑक्सिजनचा स्त्रोत म्हणून वापरली जाते, प्रतिक्रियासाठी देखील आवश्यक असते.

इंधन म्हणून शुद्ध हायड्रोजन वापरताना, विद्युत उर्जेव्यतिरिक्त प्रतिक्रिया उत्पादने म्हणजे उष्णता आणि पाणी (किंवा पाण्याची वाफ), म्हणजे वायू प्रदूषण किंवा हरितगृह परिणाम घडवणारे वायू वातावरणात उत्सर्जित होत नाहीत. जर नैसर्गिक वायूसारखा हायड्रोजन युक्त फीडस्टॉक इंधन म्हणून वापरला गेला तर, कार्बन आणि नायट्रोजन ऑक्साईड सारखे इतर वायू प्रतिक्रियेचे उप-उत्पादन असतील, परंतु त्याच प्रमाणात नैसर्गिक वायू जळत असताना त्याचे प्रमाण खूपच कमी असते. गॅस

हायड्रोजन तयार करण्यासाठी इंधनाचे रासायनिक रूपांतर करण्याच्या प्रक्रियेला रिफॉर्मिंग म्हणतात आणि संबंधित उपकरणाला सुधारक म्हणतात.

इंधन पेशींचे फायदे आणि तोटे

अंतर्गत ज्वलन इंजिनपेक्षा इंधन पेशी अधिक ऊर्जा कार्यक्षम असतात कारण इंधन पेशींसाठी थर्मोडायनामिक ऊर्जा कार्यक्षमतेची मर्यादा नसते. गुणांक उपयुक्त क्रियाइंधन पेशी 50% साठी खाते, तर इंजिन कार्यक्षमताअंतर्गत ज्वलन 12-15% आहे आणि स्टीम टर्बाइन पॉवर प्लांटची कार्यक्षमता 40% पेक्षा जास्त नाही. उष्णता आणि पाणी वापरल्याने, इंधन पेशींची कार्यक्षमता आणखी वाढते.

उदाहरणार्थ, अंतर्गत ज्वलन इंजिनच्या विपरीत, इंधन पेशी पूर्ण शक्तीने कार्यरत नसतानाही त्यांची कार्यक्षमता खूप जास्त राहते. याव्यतिरिक्त, फक्त वैयक्तिक युनिट्स जोडून इंधन सेलची शक्ती वाढवता येते, परंतु कार्यक्षमता बदलत नाही, म्हणजे मोठ्या स्थापना लहान घटकांप्रमाणेच कार्यक्षम असतात. या परिस्थितीमुळे ग्राहकाच्या इच्छेनुसार उपकरणांची रचना अतिशय लवचिकपणे निवडणे शक्य होते आणि शेवटी उपकरणांच्या किंमती कमी होतात.

इंधन पेशींचा एक महत्त्वाचा फायदा म्हणजे त्यांची पर्यावरण मित्रत्व. इंधन सेल उत्सर्जन इतके कमी आहे की युनायटेड स्टेट्सच्या काही भागात ते ऑपरेट करणे आवश्यक नाही. विशेष परवानगीहवेच्या गुणवत्तेचे निरीक्षण करणाऱ्या सरकारी संस्थांकडून.

इंधन पेशी थेट इमारतीमध्ये ठेवल्या जाऊ शकतात, ज्यामुळे ऊर्जा वाहतुकीदरम्यान होणारे नुकसान कमी होते आणि प्रतिक्रियेच्या परिणामी निर्माण होणारी उष्णता इमारतीला उष्णता किंवा गरम पाणी पुरवण्यासाठी वापरली जाऊ शकते. उष्णता आणि विजेचे स्वायत्त स्त्रोत दुर्गम भागात आणि विजेची कमतरता असलेल्या प्रदेशांमध्ये खूप फायदेशीर ठरू शकतात आणि उच्च किंमत, परंतु त्याच वेळी हायड्रोजन-युक्त कच्चा माल (तेल, नैसर्गिक वायू) चे साठे आहेत.

इंधन सेलचे फायदे म्हणजे इंधनाची उपलब्धता, विश्वासार्हता (इंधन सेलमध्ये कोणतेही हलणारे भाग नसतात), टिकाऊपणा आणि ऑपरेशनची सुलभता.

आज इंधन पेशींचा एक मुख्य तोटा म्हणजे त्यांची तुलनेने जास्त किंमत आहे, परंतु ही गैरसोय लवकरच दूर केली जाऊ शकते - सर्व अधिक कंपन्याइंधन पेशींचे व्यावसायिक नमुने तयार करतात, ते सतत सुधारले जातात आणि त्यांची किंमत कमी केली जाते.

इंधन म्हणून शुद्ध हायड्रोजन वापरणे हा सर्वात प्रभावी मार्ग आहे, परंतु यासाठी त्याचे उत्पादन आणि वाहतुकीसाठी विशेष पायाभूत सुविधा निर्माण करणे आवश्यक आहे. सध्या, सर्व व्यावसायिक डिझाइन्स नैसर्गिक वायू आणि तत्सम इंधन वापरतात. मोटार वाहने नियमित गॅसोलीन वापरू शकतात, जे गॅस स्टेशनचे विद्यमान विकसित नेटवर्क राखण्यास अनुमती देईल. तथापि, अशा इंधनाच्या वापरामुळे वातावरणात हानिकारक उत्सर्जन होते (अगदी कमी असले तरी) आणि इंधन सेलमध्ये गुंतागुंत होते (आणि त्यामुळे त्याची किंमत वाढते). भविष्यात, पर्यावरणास अनुकूल नूतनीकरणक्षम ऊर्जा स्त्रोत (उदाहरणार्थ, सौर किंवा पवन ऊर्जा) वापरून हायड्रोजन आणि ऑक्सिजनमध्ये इलेक्ट्रोलिसिस वापरून पाण्याचे विघटन करणे आणि नंतर परिणामी इंधनाचे इंधन सेलमध्ये रूपांतर करणे, या शक्यतेचा विचार केला जात आहे. अशा एकत्रित वनस्पती, बंद चक्रात कार्यरत, पूर्णपणे पर्यावरणास अनुकूल, विश्वासार्ह, टिकाऊ आणि कार्यक्षम उर्जेचा स्रोत दर्शवू शकतात.

इंधन पेशींचे आणखी एक वैशिष्ट्य म्हणजे ते एकाच वेळी विद्युत आणि थर्मल ऊर्जा दोन्ही वापरताना सर्वात कार्यक्षम असतात. तथापि, प्रत्येक सुविधेमध्ये थर्मल ऊर्जा वापरण्याची संधी नाही. जर इंधन पेशी फक्त विद्युत उर्जा निर्माण करण्यासाठी वापरली गेली तर त्यांची कार्यक्षमता कमी होते, जरी ती "पारंपारिक" प्रतिष्ठापनांच्या कार्यक्षमतेपेक्षा जास्त आहे.

इतिहास आणि इंधन पेशींचा आधुनिक वापर

इंधन पेशींच्या ऑपरेशनचे सिद्धांत 1839 मध्ये सापडले. इंग्लिश शास्त्रज्ञ विल्यम रॉबर्ट ग्रोव्ह (1811-1896) यांनी शोधून काढले की इलेक्ट्रोलिसिसची प्रक्रिया - विद्युत प्रवाहाद्वारे हायड्रोजन आणि ऑक्सिजनमध्ये पाण्याचे विघटन - उलट करता येण्याजोगे आहे, म्हणजे हायड्रोजन आणि ऑक्सिजन ज्वलनशिवाय पाण्याच्या रेणूंमध्ये एकत्र केले जाऊ शकतात, परंतु प्रकाशासह. उष्णता आणि विद्युत प्रवाह. ग्रोव्हने ज्या उपकरणात अशी प्रतिक्रिया शक्य होती त्याला "गॅस बॅटरी" म्हटले, जे पहिले इंधन सेल होते.

इंधन पेशींच्या वापरासाठी तंत्रज्ञानाचा सक्रिय विकास द्वितीय विश्वयुद्धानंतर सुरू झाला आणि ते एरोस्पेस उद्योगाशी संबंधित आहे. यावेळी, एक प्रभावी आणि विश्वासार्ह, परंतु त्याच वेळी जोरदार कॉम्पॅक्ट, उर्जेचा स्त्रोत शोध सुरू होता. 1960 च्या दशकात, NASA (नॅशनल एरोनॉटिक्स अँड स्पेस ॲडमिनिस्ट्रेशन, NASA) च्या तज्ञांनी अपोलो (चंद्रावर जाणारी मानवाची उड्डाणे), अपोलो-सोयुझ, जेमिनी आणि स्कायलॅब कार्यक्रमांसाठी ऊर्जा स्त्रोत म्हणून इंधन पेशी निवडल्या. अपोलो अंतराळयानाने वीज, उष्णता आणि पाणी निर्माण करण्यासाठी क्रायोजेनिक हायड्रोजन आणि ऑक्सिजन वापरून तीन 1.5 kW (2.2 kW शिखर) वनस्पती वापरल्या. प्रत्येक स्थापनेचे वस्तुमान 113 किलो होते. या तिन्ही पेशी समांतर चालत होत्या, परंतु एका युनिटद्वारे निर्माण होणारी ऊर्जा सुरक्षित परतीसाठी पुरेशी होती. 18 उड्डाणे दरम्यान, इंधन सेल कोणत्याही अपयशाशिवाय एकूण 10,000 तास कार्यरत होते. सध्या, स्पेस शटलमध्ये इंधन पेशींचा वापर केला जातो, जे अंतराळ यानात सर्व विद्युत ऊर्जा निर्माण करण्यासाठी तीन 12 डब्ल्यू युनिट्स वापरतात (चित्र 2). इलेक्ट्रोकेमिकल रिॲक्शनच्या परिणामी मिळालेले पाणी पिण्याच्या पाण्यासाठी आणि कूलिंग उपकरणांसाठी देखील वापरले जाते.

आपल्या देशात, अंतराळवीरांमध्ये वापरण्यासाठी इंधन पेशी तयार करण्यावर देखील कार्य केले गेले. उदाहरणार्थ, सोव्हिएत बुरान पुन्हा वापरता येण्याजोग्या अंतराळयानाला उर्जा देण्यासाठी इंधन पेशी वापरल्या गेल्या.

इंधन पेशींच्या व्यावसायिक वापराच्या पद्धतींचा विकास 1960 च्या दशकाच्या मध्यात सुरू झाला. या घडामोडींना अंशतः सरकारी संस्थांनी निधी दिला होता.

सध्या, इंधन पेशींच्या वापरासाठी तंत्रज्ञानाचा विकास अनेक दिशेने सुरू आहे. हे इंधन पेशींवर स्थिर उर्जा संयंत्रांची निर्मिती आहे (केंद्रीकृत आणि विकेंद्रित ऊर्जा पुरवठ्यासाठी), वाहनांसाठी पॉवर प्लांट्स (इंधन पेशींवर कार आणि बसचे नमुने तयार केले गेले आहेत, यासह, आपल्या देशात) (चित्र 3), आणि तसेच विविध वीज पुरवठा मोबाइल उपकरणे(लॅपटॉप संगणक, मोबाईल फोन इ.) (चित्र 4).

विविध क्षेत्रात इंधन पेशींच्या वापराची उदाहरणे तक्त्यामध्ये दिली आहेत. १.

इमारतींना स्वायत्त उष्णता आणि वीज पुरवठ्यासाठी डिझाइन केलेले पहिले व्यावसायिक इंधन सेल मॉडेल म्हणजे PC25 मॉडेल A, ONSI कॉर्पोरेशन (आता युनायटेड टेक्नॉलॉजीज, Inc.) द्वारे निर्मित. 200 किलोवॅटची नाममात्र शक्ती असलेला हा इंधन सेल फॉस्फोरिक ऍसिड (फॉस्फोरिक ऍसिड फ्यूल सेल्स, PAFC) वर आधारित इलेक्ट्रोलाइटसह सेलचा एक प्रकार आहे. मॉडेलच्या नावातील "25" क्रमांकाचा अर्थ डिझाइनचा अनुक्रमांक आहे. बहुतेक पूर्वीचे मॉडेल प्रायोगिक किंवा चाचणी युनिट्स होते, जसे की 1970 मध्ये सादर केलेले 12.5 kW "PC11" मॉडेल. नवीन मॉडेल्सने वैयक्तिक इंधन सेलमधून काढलेली शक्ती वाढवली आणि उत्पादित ऊर्जेची प्रति किलोवॅट किंमत देखील कमी केली. सध्या, सर्वात कार्यक्षम व्यावसायिक मॉडेलपैकी एक म्हणजे PC25 मॉडेल C इंधन सेल. मॉडेल A प्रमाणे, हा 200 kW क्षमतेचा पूर्णतः स्वयंचलित PAFC इंधन सेल आहे, जो उष्णता आणि वीज पुरवठ्याचा स्वायत्त स्त्रोत म्हणून थेट सर्व्हिस केलेल्या साइटवर स्थापित करण्यासाठी डिझाइन केलेला आहे. अशा प्रकारचे इंधन सेल इमारतीच्या बाहेर स्थापित केले जाऊ शकते. बाहेरून, हे समांतर 5.5 मीटर लांब, 3 मीटर रुंद आणि उंच, 18,140 किलो वजनाचे आहे. मागील मॉडेल्समधील फरक हा सुधारित सुधारक आणि उच्च वर्तमान घनता आहे.

तक्ता 1
इंधन पेशी वापरण्याचे क्षेत्र

प्रदेश अनुप्रयोग	नाममात्र शक्ती	वापरण्याची उदाहरणे
स्थिर प्रतिष्ठापन	5-250 kW आणि उच्च	निवासी, सार्वजनिक आणि औद्योगिक इमारतींसाठी उष्णता आणि वीज पुरवठ्याचे स्वायत्त स्रोत, अखंड वीज पुरवठा, बॅकअप आणि आपत्कालीन वीज पुरवठा स्रोत
पोर्टेबल प्रतिष्ठापन	1-50 kW	रस्ता चिन्हे, मालवाहतूक आणि रेफ्रिजरेटेड रेल्वे ट्रक, व्हीलचेअर, गोल्फ कार्ट, स्पेसशिप आणि उपग्रह
मोबाईल प्रतिष्ठापन	25-150 kW	कार (प्रोटोटाइप तयार केल्या होत्या, उदाहरणार्थ, डेमलरक्रिस्लर, FIAT, फोर्ड, जनरल मोटर्स, होंडा, ह्युंदाई, निसान, टोयोटा, फोक्सवॅगन, व्हीएझेड), बस (उदा. "MAN", "Neoplan", "Renault") आणि इतर वाहने , युद्धनौका आणि पाणबुड्या
सूक्ष्म उपकरणे	1-500 W	मोबाईल फोन, लॅपटॉप, वैयक्तिक डिजिटल सहाय्यक (पीडीए), विविध ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे, आधुनिक लष्करी उपकरणे

काही प्रकारच्या इंधन पेशींमध्ये, रासायनिक प्रक्रिया उलट केली जाऊ शकते: इलेक्ट्रोड्समध्ये संभाव्य फरक लागू करून, पाणी हायड्रोजन आणि ऑक्सिजनमध्ये खंडित केले जाऊ शकते, जे सच्छिद्र इलेक्ट्रोडवर एकत्रित होते. जेव्हा लोड कनेक्ट केले जाते, तेव्हा अशा पुनरुत्पादक इंधन सेलमधून विद्युत ऊर्जा निर्माण करणे सुरू होईल.

इंधन पेशींच्या वापरासाठी एक आशादायक दिशा म्हणजे त्यांचा वापर अक्षय ऊर्जा स्त्रोतांच्या संयोगाने होतो, उदाहरणार्थ, फोटोव्होल्टेइक पॅनेल किंवा पवन ऊर्जा संयंत्रे. हे तंत्रज्ञान आपल्याला वायू प्रदूषण पूर्णपणे टाळण्यास अनुमती देते. एक समान प्रणालीउदाहरणार्थ, ओबरलिनमधील ॲडम जोसेफ लुईस ट्रेनिंग सेंटरमध्ये तयार करण्याचे नियोजित आहे (एबीओके, 2002, क्र. 5, पृ. 10 पहा). सध्या, या इमारतीतील ऊर्जा स्त्रोतांपैकी एक म्हणून सौर पॅनेलचा वापर केला जातो. नासाच्या तज्ञांसह, इलेक्ट्रोलिसिसद्वारे पाण्यापासून हायड्रोजन आणि ऑक्सिजन तयार करण्यासाठी फोटोव्होल्टेइक पॅनेल वापरण्यासाठी एक प्रकल्प विकसित केला गेला आहे. हायड्रोजन नंतर इंधन पेशींमध्ये वीज आणि गरम पाणी तयार करण्यासाठी वापरला जातो. यामुळे ढगाळ दिवस आणि रात्री इमारतीला सर्व यंत्रणांची कार्यक्षमता राखता येईल.

इंधन पेशींचे ऑपरेटिंग तत्त्व

प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन, पीईएम) असलेल्या साध्या घटकाचे उदाहरण वापरून इंधन सेलच्या ऑपरेशनच्या तत्त्वाचा विचार करूया. अशा सेलमध्ये एनोड (पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड) आणि कॅथोड (नकारात्मक इलेक्ट्रोड) यांच्यामध्ये एनोड आणि कॅथोड उत्प्रेरकांसह पॉलिमर झिल्ली असते. पॉलिमर झिल्ली इलेक्ट्रोलाइट म्हणून वापरली जाते. PEM घटकाचा आकृती अंजीर मध्ये दर्शविला आहे. ५.

प्रोटॉन एक्स्चेंज मेम्ब्रेन (पीईएम) एक पातळ (कागदाच्या जाड सुमारे 2-7 शीट्स) घन सेंद्रिय संयुग आहे. हा पडदा इलेक्ट्रोलाइट म्हणून कार्य करते: ते पाण्याच्या उपस्थितीत पदार्थाला सकारात्मक आणि नकारात्मक चार्ज केलेल्या आयनांमध्ये वेगळे करते.

एनोडवर ऑक्सिडेशन प्रक्रिया होते आणि कॅथोडमध्ये घट प्रक्रिया होते. पीईएम सेलमधील एनोड आणि कॅथोड हे सच्छिद्र पदार्थाचे बनलेले असतात, जे कार्बन आणि प्लॅटिनम कणांचे मिश्रण असते. प्लॅटिनम उत्प्रेरक म्हणून कार्य करते जे पृथक्करण प्रतिक्रियेला प्रोत्साहन देते. त्यांच्याद्वारे हायड्रोजन आणि ऑक्सिजनच्या मुक्त मार्गासाठी एनोड आणि कॅथोड सच्छिद्र बनवले जातात.

एनोड आणि कॅथोड दोन धातूच्या प्लेट्समध्ये ठेवलेले असतात, जे एनोड आणि कॅथोडला हायड्रोजन आणि ऑक्सिजन पुरवतात आणि उष्णता आणि पाणी तसेच विद्युत ऊर्जा काढून टाकतात.

हायड्रोजन रेणू प्लेटमधील वाहिन्यांमधून एनोडकडे जातात, जेथे रेणू वैयक्तिक अणूंमध्ये विघटित होतात (चित्र 6).

	आकृती 5. () प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (पीईएम सेल) सह इंधन सेलची योजनाबद्ध
	आकृती 6. () हायड्रोजन रेणू प्लेटमधील वाहिन्यांमधून एनोडमध्ये जातात, जेथे रेणू वैयक्तिक अणूंमध्ये विघटित होतात
	आकृती 7. () उत्प्रेरकाच्या उपस्थितीत केमिसॉर्प्शनच्या परिणामी, हायड्रोजन अणू प्रोटॉनमध्ये रूपांतरित होतात.
	आकृती 8. () पॉझिटिव्ह चार्ज केलेले हायड्रोजन आयन पडद्याद्वारे कॅथोडमध्ये पसरतात आणि इलेक्ट्रॉनचा प्रवाह बाह्य इलेक्ट्रिकल सर्किटद्वारे कॅथोडकडे निर्देशित केला जातो ज्याला भार जोडलेला असतो.
	आकृती 9. () कॅथोडला पुरवलेला ऑक्सिजन, उत्प्रेरकाच्या उपस्थितीत, प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेनमधून हायड्रोजन आयन आणि बाह्य इलेक्ट्रिकल सर्किटमधील इलेक्ट्रॉन्ससह रासायनिक अभिक्रियामध्ये प्रवेश करतो. रासायनिक अभिक्रियेच्या परिणामी, पाणी तयार होते

नंतर, उत्प्रेरकाच्या उपस्थितीत केमिसॉर्प्शनच्या परिणामी, हायड्रोजन अणू, प्रत्येकाने एक इलेक्ट्रॉन ई – सोडले, सकारात्मक चार्ज केलेल्या हायड्रोजन आयन H + मध्ये रूपांतरित केले जातात, म्हणजेच प्रोटॉन (चित्र 7).

पॉझिटिव्ह चार्ज केलेले हायड्रोजन आयन (प्रोटॉन) पडद्याद्वारे कॅथोडमध्ये पसरतात आणि इलेक्ट्रॉनचा प्रवाह बाह्य विद्युतीय सर्किटद्वारे कॅथोडकडे निर्देशित केला जातो ज्याला भार (विद्युत उर्जेचा ग्राहक) जोडलेला असतो (चित्र 8).

कॅथोडला पुरवठा केलेला ऑक्सिजन, उत्प्रेरकाच्या उपस्थितीत, प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्लीमधून हायड्रोजन आयन (प्रोटॉन) आणि बाह्य विद्युतीय सर्किट (चित्र 9) मधून इलेक्ट्रॉनसह रासायनिक अभिक्रियामध्ये प्रवेश करतो. रासायनिक अभिक्रियेच्या परिणामी, पाणी तयार होते.

इतर प्रकारच्या इंधन पेशींमध्ये रासायनिक अभिक्रिया (उदाहरणार्थ, ऍसिड इलेक्ट्रोलाइटसह, ज्यामध्ये ऑर्थोफॉस्फोरिक ऍसिड H 3 PO 4 चे द्रावण वापरले जाते) पूर्णपणे प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली असलेल्या इंधन सेलमधील रासायनिक अभिक्रिया सारखीच असते.

कोणत्याही इंधन सेलमध्ये, रासायनिक अभिक्रियेतील काही ऊर्जा उष्णता म्हणून सोडली जाते.

बाह्य सर्किटमध्ये इलेक्ट्रॉनचा प्रवाह हा थेट प्रवाह आहे जो काम करण्यासाठी वापरला जातो. बाह्य सर्किट उघडणे किंवा हायड्रोजन आयनची हालचाल थांबवणे रासायनिक प्रतिक्रिया थांबवते.

इंधन सेलद्वारे उत्पादित विद्युत उर्जेचे प्रमाण इंधन सेलच्या प्रकारावर, भूमितीय परिमाणे, तापमान, वायू दाब यावर अवलंबून असते. स्वतंत्र इंधन सेल 1.16 V पेक्षा कमी EMF प्रदान करतो. इंधन पेशींचा आकार वाढवता येतो, परंतु व्यवहारात बॅटरीमध्ये जोडलेले अनेक घटक वापरले जातात (चित्र 10).

इंधन सेल डिझाइन

उदाहरण म्हणून PC25 मॉडेल C वापरून इंधन सेलची रचना पाहू. इंधन सेल आकृती अंजीर मध्ये दर्शविली आहे. अकरा

PC25 मॉडेल C इंधन सेलमध्ये तीन मुख्य भाग असतात: इंधन प्रोसेसर, वास्तविक वीज निर्मिती विभाग आणि व्होल्टेज कनवर्टर.

इंधन सेलचा मुख्य भाग - वीज निर्मिती विभाग - 256 वैयक्तिक इंधन पेशींनी बनलेली बॅटरी आहे. इंधन सेल इलेक्ट्रोडमध्ये प्लॅटिनम उत्प्रेरक असतो. या पेशी 155 व्होल्ट्सवर 1,400 अँपिअरचा स्थिर विद्युत प्रवाह निर्माण करतात. बॅटरीची परिमाणे अंदाजे 2.9 मीटर लांबी आणि 0.9 मीटर रुंदी आणि उंची आहेत.

इलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रिया 177 डिग्री सेल्सिअस तापमानात होत असल्याने, स्टार्ट-अपच्या वेळी बॅटरी गरम करणे आणि ऑपरेशन दरम्यान त्यातून उष्णता काढून टाकणे आवश्यक आहे. हे साध्य करण्यासाठी, इंधन सेलमध्ये स्वतंत्र वॉटर सर्किट समाविष्ट आहे आणि बॅटरी विशेष कूलिंग प्लेट्ससह सुसज्ज आहे.

इंधन प्रोसेसर इलेक्ट्रोकेमिकल अभिक्रियासाठी आवश्यक असलेल्या नैसर्गिक वायूचे हायड्रोजनमध्ये रूपांतर करतो. या प्रक्रियेला सुधारणा म्हणतात. इंधन प्रोसेसरचा मुख्य घटक सुधारक आहे. सुधारकामध्ये, नैसर्गिक वायू (किंवा इतर हायड्रोजन युक्त इंधन) निकेल उत्प्रेरकाच्या उपस्थितीत उच्च तापमानात (९०० डिग्री सेल्सिअस) आणि उच्च दाबावर पाण्याच्या वाफेवर प्रतिक्रिया देतो. या प्रकरणात, खालील रासायनिक प्रतिक्रिया उद्भवतात:

CH 4 (मिथेन) + H 2 O 3H 2 + CO

(उष्णता शोषणासह प्रतिक्रिया एंडोथर्मिक आहे);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(प्रतिक्रिया एक्झोथर्मिक आहे, उष्णता सोडते).

एकूण प्रतिक्रिया समीकरणाद्वारे व्यक्त केली जाते:

CH 4 (मिथेन) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(उष्णता शोषणासह प्रतिक्रिया एंडोथर्मिक आहे).

नैसर्गिक वायूचे रूपांतर करण्यासाठी आवश्यक उच्च तापमान प्रदान करण्यासाठी, इंधन सेल स्टॅकमधून खर्च केलेल्या इंधनाचा एक भाग बर्नरकडे निर्देशित केला जातो, जो आवश्यक सुधारक तापमान राखतो.

रिफॉर्मिंगसाठी आवश्यक असलेली वाफ इंधन सेलच्या ऑपरेशन दरम्यान तयार केलेल्या कंडेन्सेटपासून तयार केली जाते. हे इंधन पेशींच्या बॅटरीमधून काढलेली उष्णता वापरते (चित्र 12).

इंधन सेल स्टॅक मधूनमधून थेट प्रवाह निर्माण करतो जो बदलतो कमी विद्युतदाबआणि उच्च वर्तमान सामर्थ्य. मध्ये रूपांतरित करण्यासाठी पर्यायी प्रवाह, उद्योग मानके पूर्ण करण्यासाठी, व्होल्टेज कनवर्टर वापरला जातो. याव्यतिरिक्त, व्होल्टेज कन्व्हर्टर युनिटमध्ये विविध नियंत्रण साधने आणि सुरक्षा इंटरलॉक सर्किट्स समाविष्ट आहेत जे विविध अपयशांच्या घटनेत इंधन सेल बंद करण्याची परवानगी देतात.

अशा इंधन सेलमध्ये, अंदाजे 40% इंधन उर्जेचे विद्युत उर्जेमध्ये रूपांतर केले जाऊ शकते. अंदाजे समान रक्कम, सुमारे 40% इंधन उर्जेचे थर्मल एनर्जीमध्ये रूपांतरित केले जाऊ शकते, जे नंतर गरम, गरम पाणी पुरवठा आणि तत्सम उद्देशांसाठी उष्णता स्त्रोत म्हणून वापरले जाते. अशा प्रकारे, अशा स्थापनेची एकूण कार्यक्षमता 80% पर्यंत पोहोचू शकते.

उष्णता आणि विजेच्या अशा स्त्रोताचा एक महत्त्वाचा फायदा म्हणजे त्याच्या स्वयंचलित ऑपरेशनची शक्यता. देखरेखीसाठी, इंधन सेल स्थापित केलेल्या सुविधेच्या मालकांना विशेष प्रशिक्षित कर्मचाऱ्यांची देखभाल करण्याची आवश्यकता नाही - ऑपरेटिंग संस्थेच्या कर्मचाऱ्यांकडून नियतकालिक देखभाल केली जाऊ शकते.

इंधन पेशींचे प्रकार

सध्या, अनेक प्रकारचे इंधन पेशी ज्ञात आहेत, जे वापरलेल्या इलेक्ट्रोलाइटच्या रचनेत भिन्न आहेत. खालील चार प्रकार सर्वात व्यापक आहेत (तक्ता 2):

1. प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेनसह इंधन पेशी (प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्युएल सेल्स, पीईएमएफसी).

2. ऑर्थोफॉस्फोरिक ऍसिडवर आधारित इंधन पेशी (फॉस्फोरिक ऍसिड इंधन पेशी, PAFC).

3. वितळलेल्या कार्बोनेटवर आधारित इंधन पेशी (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. सॉलिड ऑक्साइड इंधन पेशी (SOFC). सध्या, इंधन सेलचा सर्वात मोठा फ्लीट PAFC तंत्रज्ञानावर आधारित आहे.

पैकी एक प्रमुख वैशिष्ट्ये वेगळे प्रकारइंधन पेशी हे ऑपरेटिंग तापमान आहे. अनेक प्रकारे, हे तापमान आहे जे इंधन पेशींच्या वापराचे क्षेत्र निर्धारित करते. उदाहरणार्थ, लॅपटॉपसाठी उच्च तापमान गंभीर आहे, म्हणून या बाजार विभागासाठी कमी ऑपरेटिंग तापमानासह प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन इंधन पेशी विकसित केल्या जात आहेत.

इमारतींच्या स्वायत्त वीज पुरवठ्यासाठी, उच्च स्थापित शक्तीच्या इंधन पेशी आवश्यक आहेत आणि त्याच वेळी थर्मल ऊर्जा वापरण्याची शक्यता आहे, म्हणून या हेतूंसाठी इतर प्रकारच्या इंधन पेशींचा वापर केला जाऊ शकतो.

प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली इंधन पेशी (PEMFC)

या इंधन पेशी तुलनेने कमी ऑपरेटिंग तापमानात (60-160 °C) कार्य करतात. ते उच्च पॉवर घनतेद्वारे वैशिष्ट्यीकृत आहेत, आपल्याला आउटपुट पॉवर द्रुतपणे समायोजित करण्याची परवानगी देतात आणि द्रुतपणे चालू केले जाऊ शकतात. या प्रकारच्या घटकाचा तोटा म्हणजे इंधनाच्या गुणवत्तेसाठी उच्च आवश्यकता, कारण दूषित इंधन पडद्याला हानी पोहोचवू शकते. या प्रकारच्या इंधन पेशींची रेट केलेली शक्ती 1-100 किलोवॅट आहे.

प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन इंधन पेशी मूलतः जनरल इलेक्ट्रिकने 1960 मध्ये नासासाठी विकसित केल्या होत्या. या प्रकारचे इंधन सेल प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (पीईएम) नावाचे सॉलिड-स्टेट पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट वापरते. प्रोटॉन्स प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्लीमधून जाऊ शकतात, परंतु इलेक्ट्रॉन त्यामधून जाऊ शकत नाहीत, परिणामी कॅथोड आणि एनोडमध्ये संभाव्य फरक आहे. त्यांच्या साधेपणामुळे आणि विश्वासार्हतेमुळे, अशा इंधन पेशी मानवयुक्त मिथुन अवकाशयानावर उर्जा स्त्रोत म्हणून वापरल्या गेल्या.

या प्रकारच्या इंधन सेलचा उपयोग विविध उपकरणांच्या विस्तृत श्रेणीसाठी, प्रोटोटाइप आणि प्रोटोटाइपसह, मोबाइल फोनपासून बसेस आणि स्थिर उर्जा प्रणालींसाठी उर्जा स्त्रोत म्हणून केला जातो. कमी ऑपरेटिंग तापमान अशा पेशींना विविध प्रकारच्या जटिल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांना उर्जा देण्यासाठी वापरण्याची परवानगी देते. सार्वजनिक आणि औद्योगिक इमारतींना उष्णता आणि वीज पुरवठ्याचे स्त्रोत म्हणून त्यांचा वापर कमी प्रभावी आहे, जेथे मोठ्या प्रमाणात थर्मल उर्जेची आवश्यकता असते. त्याच वेळी, असे घटक गरम हवामान असलेल्या प्रदेशात बांधलेल्या कॉटेजसारख्या लहान निवासी इमारतींसाठी वीज पुरवठ्याचा स्वायत्त स्त्रोत म्हणून आशावादी आहेत.

टेबल 2
इंधन पेशींचे प्रकार

आयटम प्रकार	कामगार तापमान, °C	कार्यक्षमता आउटपुट विद्युत ऊर्जा),%	एकूण कार्यक्षमता, %
सह इंधन पेशी प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली (PEMFC)	60–160	30–35	50–70
इंधन पेशी फॉस्फरसवर आधारित (फॉस्फोरिक) आम्ल (PAFC)	150–200	35	70–80
इंधन पेशी आधारित वितळलेले कार्बोनेट (MCFC)	600–700	45–50	70–80
सॉलिड ऑक्साईड इंधन पेशी (SOFC)	700–1 000	50–60	70–80

फॉस्फोरिक ऍसिड इंधन पेशी (PAFC)

या प्रकारच्या इंधन पेशींच्या चाचण्या 1970 च्या दशकाच्या सुरुवातीलाच केल्या गेल्या होत्या. ऑपरेटिंग तापमान श्रेणी - 150-200 ° से. अनुप्रयोगाचे मुख्य क्षेत्र उष्णताचे स्वायत्त स्त्रोत आणि मध्यम उर्जा (सुमारे 200 किलोवॅट) वीज पुरवठा आहे.

या इंधन पेशी इलेक्ट्रोलाइट म्हणून फॉस्फोरिक ऍसिडचे द्रावण वापरतात. इलेक्ट्रोड्स कार्बनने लेपित कागदाचे बनलेले असतात ज्यामध्ये प्लॅटिनम उत्प्रेरक विखुरलेला असतो.

PAFC इंधन पेशींची विद्युत कार्यक्षमता 37-42% आहे. तथापि, या इंधन पेशी बऱ्यापैकी उच्च तापमानावर कार्यरत असल्याने, ऑपरेशनच्या परिणामी तयार होणारी वाफेचा वापर करणे शक्य आहे. या प्रकरणात, एकूण कार्यक्षमता 80% पर्यंत पोहोचू शकते.

ऊर्जा निर्माण करण्यासाठी, हायड्रोजन युक्त फीडस्टॉक सुधारित प्रक्रियेद्वारे शुद्ध हायड्रोजनमध्ये रूपांतरित करणे आवश्यक आहे. उदाहरणार्थ, जर गॅसोलीनचा वापर इंधन म्हणून केला जात असेल तर, सल्फर-युक्त संयुगे काढून टाकणे आवश्यक आहे, कारण सल्फर प्लॅटिनम उत्प्रेरक खराब करू शकते.

PAFC इंधन सेल हे आर्थिकदृष्ट्या वापरले जाणारे पहिले व्यावसायिक इंधन सेल होते. सर्वात सामान्य मॉडेल ONSI कॉर्पोरेशन (आता युनायटेड टेक्नॉलॉजीज, Inc.) (चित्र 13) द्वारे निर्मित 200 kW PC25 इंधन सेल होते. उदाहरणार्थ, न्यूयॉर्कमधील सेंट्रल पार्कमधील पोलीस स्टेशनमध्ये थर्मल आणि इलेक्ट्रिकल उर्जेचा स्रोत म्हणून किंवा कॉन्डे नॅस्ट बिल्डिंग आणि फोर टाइम्स स्क्वेअरमध्ये उर्जेचा अतिरिक्त स्रोत म्हणून या घटकांचा वापर केला जातो. या प्रकारच्या सर्वात मोठ्या स्थापनेची जपानमध्ये स्थित 11 मेगावॅट पॉवर प्लांट म्हणून चाचणी केली जात आहे.

फॉस्फोरिक ऍसिड इंधन पेशी देखील वाहनांमध्ये ऊर्जा स्त्रोत म्हणून वापरल्या जातात. उदाहरणार्थ, 1994 मध्ये, एच-पॉवर कॉर्पोरेशन, जॉर्जटाउन युनिव्हर्सिटी आणि यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी यांनी 50 किलोवॅट पॉवर प्लांटसह बस सुसज्ज केली.

वितळलेले कार्बोनेट इंधन पेशी (MCFC)

या प्रकारच्या इंधन पेशी अतिशय उच्च तापमानावर कार्य करतात - 600-700 डिग्री सेल्सियस. हे ऑपरेटिंग तापमान वेगळ्या सुधारकाचा वापर न करता थेट सेलमध्येच इंधन वापरण्याची परवानगी देतात. या प्रक्रियेला "अंतर्गत सुधारणा" असे म्हणतात. हे इंधन सेलची रचना लक्षणीयरीत्या सुलभ करणे शक्य करते.

वितळलेल्या कार्बोनेटवर आधारित इंधन पेशींना महत्त्वपूर्ण प्रारंभ वेळ आवश्यक असतो आणि आउटपुट पॉवरचे त्वरित समायोजन करण्याची परवानगी देत नाही, म्हणून त्यांच्या अनुप्रयोगाचे मुख्य क्षेत्र थर्मल आणि इलेक्ट्रिकल उर्जेचे मोठे स्थिर स्त्रोत आहे. तथापि, ते उच्च इंधन रूपांतरण कार्यक्षमतेद्वारे वैशिष्ट्यीकृत आहेत - 60% विद्युत कार्यक्षमता आणि 85% पर्यंत एकूण कार्यक्षमता.

या प्रकारच्या इंधन सेलमध्ये, इलेक्ट्रोलाइटमध्ये पोटॅशियम कार्बोनेट आणि लिथियम कार्बोनेट लवण असतात जे अंदाजे 650 डिग्री सेल्सियस पर्यंत गरम केले जातात. या परिस्थितीत, लवण वितळलेल्या अवस्थेत असतात, इलेक्ट्रोलाइट तयार करतात. एनोडवर, हायड्रोजन CO 3 आयनांसह प्रतिक्रिया देतो, पाणी तयार करतो, कार्बन डायऑक्साइड तयार करतो आणि इलेक्ट्रॉन सोडतो, जे बाह्य सर्किटला पाठवले जातात आणि कॅथोडवर, ऑक्सिजन कार्बन डायऑक्साइड आणि बाह्य सर्किटमधील इलेक्ट्रॉनांशी संवाद साधतो, पुन्हा CO 3 आयन तयार करतो. .

या प्रकारच्या इंधन पेशींचे प्रयोगशाळा नमुने 1950 च्या उत्तरार्धात डच शास्त्रज्ञ G. H. J. Broers आणि J. A. A. Ketelaar यांनी तयार केले होते. 1960 च्या दशकात, 17 व्या शतकातील प्रसिद्ध इंग्रजी लेखक आणि शास्त्रज्ञ यांचे वंशज इंजिनियर फ्रान्सिस टी. बेकन यांनी या पेशींसोबत काम केले, म्हणूनच MCFC इंधन पेशींना कधीकधी बेकन पेशी म्हणतात. NASA Apollo, Apollo-Soyuz आणि Scylab प्रोग्राम्समध्ये, या इंधन पेशींचा वापर ऊर्जा पुरवठा स्त्रोत म्हणून केला गेला (चित्र 14). याच वर्षांमध्ये, यूएस लष्करी विभागाने टेक्सास इन्स्ट्रुमेंट्सद्वारे उत्पादित एमसीएफसी इंधन पेशींच्या अनेक नमुन्यांची चाचणी केली, ज्यात इंधन म्हणून लष्करी दर्जाचे पेट्रोल वापरले गेले. 1970 च्या दशकाच्या मध्यात, यूएस ऊर्जा विभागाने व्यावहारिक वापरासाठी योग्य वितळलेल्या कार्बोनेटवर आधारित स्थिर इंधन सेल तयार करण्यासाठी संशोधन सुरू केले. 1990 च्या दशकात, कॅलिफोर्नियातील यूएस नेव्हल एअर स्टेशन मिरामार येथे, 250 kW पर्यंत रेट केलेल्या पॉवरसह अनेक व्यावसायिक प्रतिष्ठान सुरू करण्यात आले. 1996 मध्ये, FuelCell Energy, Inc. सांता क्लारा, कॅलिफोर्निया येथे प्री-प्रॉडक्शन 2 मेगावॅटचा प्लांट सुरू केला.

सॉलिड-स्टेट ऑक्साईड इंधन पेशी (SOFC)

सॉलिड-स्टेट ऑक्साईड इंधन पेशी डिझाइनमध्ये सोप्या असतात आणि अतिशय उच्च तापमान - 700-1,000 °C वर कार्य करतात. असे उच्च तापमान तुलनेने “गलिच्छ”, अपरिष्कृत इंधन वापरण्यास अनुमती देते. वितळलेल्या कार्बोनेटवर आधारित इंधन पेशींसारखीच वैशिष्ट्ये अनुप्रयोगाचे समान क्षेत्र निर्धारित करतात - थर्मल आणि इलेक्ट्रिकल उर्जेचे मोठे स्थिर स्त्रोत.

सॉलिड ऑक्साईड इंधन पेशी PAFC आणि MCFC तंत्रज्ञानावर आधारित इंधन पेशींपेक्षा संरचनात्मकदृष्ट्या भिन्न असतात. एनोड, कॅथोड आणि इलेक्ट्रोलाइट हे सिरेमिकच्या विशेष ग्रेडचे बनलेले आहेत. सर्वात सामान्यतः वापरले जाणारे इलेक्ट्रोलाइट हे झिरकोनियम ऑक्साईड आणि कॅल्शियम ऑक्साईड यांचे मिश्रण आहे, परंतु इतर ऑक्साईड वापरल्या जाऊ शकतात. इलेक्ट्रोलाइट दोन्ही बाजूंना सच्छिद्र इलेक्ट्रोड सामग्रीसह लेपित क्रिस्टल जाळी बनवते. संरचनात्मकपणे, असे घटक ट्यूब किंवा फ्लॅट बोर्डच्या स्वरूपात बनवले जातात, ज्यामुळे त्यांच्या उत्पादनात इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योगात मोठ्या प्रमाणावर वापरल्या जाणार्या तंत्रज्ञानाचा वापर करणे शक्य होते. परिणामी, सॉलिड-स्टेट ऑक्साईड इंधन पेशी अतिशय उच्च तापमानात कार्य करू शकतात, ज्यामुळे ते विद्युत आणि थर्मल ऊर्जा दोन्ही तयार करण्यासाठी फायदेशीर ठरतात.

उच्च ऑपरेटिंग तापमानात, कॅथोडवर ऑक्सिजन आयन तयार होतात, जे क्रिस्टल जाळीतून एनोडमध्ये स्थलांतरित होतात, जेथे ते हायड्रोजन आयनांशी संवाद साधतात, पाणी तयार करतात आणि मुक्त इलेक्ट्रॉन सोडतात. या प्रकरणात, हायड्रोजन थेट सेलमध्ये नैसर्गिक वायूपासून वेगळे केले जाते, म्हणजेच वेगळ्या सुधारकाची आवश्यकता नाही.

सॉलिड-स्टेट ऑक्साईड इंधन पेशींच्या निर्मितीसाठी सैद्धांतिक पाया 1930 च्या उत्तरार्धात घातला गेला, जेव्हा स्विस शास्त्रज्ञ एमिल बाऊर आणि एच. प्रीस यांनी झिर्कोनियम, यट्रियम, सेरियम, लॅन्थॅनम आणि टंगस्टन यांचा इलेक्ट्रोलाइट्स म्हणून वापर करून प्रयोग केले.

अशा इंधन पेशींचे पहिले प्रोटोटाइप 1950 च्या उत्तरार्धात अनेक अमेरिकन आणि डच कंपन्यांनी तयार केले होते. यापैकी बहुतेक कंपन्यांनी तांत्रिक अडचणींमुळे लवकरच पुढील संशोधन सोडून दिले, परंतु त्यापैकी एक, वेस्टिंगहाउस इलेक्ट्रिक कॉर्प. (आता सीमेन्स वेस्टिंगहाऊस पॉवर कॉर्पोरेशन), काम चालू ठेवले. कंपनी सध्या ट्युब्युलर सॉलिड-स्टेट ऑक्साईड फ्युएल सेलच्या व्यावसायिक मॉडेलसाठी प्री-ऑर्डर स्वीकारत आहे, जे या वर्षी उपलब्ध होण्याची अपेक्षा आहे (आकृती 15). अशा घटकांचा बाजार विभाग 250 kW ते 5 MW क्षमतेसह थर्मल आणि इलेक्ट्रिकल उर्जेच्या उत्पादनासाठी स्थिर स्थापना आहे.

SOFC इंधन पेशींनी खूप उच्च विश्वासार्हता दर्शविली आहे. उदाहरणार्थ, सीमेन्स वेस्टिंगहाऊसने उत्पादित केलेल्या प्रोटोटाइप इंधन सेलने 16,600 तासांचे ऑपरेशन केले आहे आणि ते चालूच राहते, ज्यामुळे ते जगातील सर्वात दीर्घ इंधन सेलचे आयुष्य बनले आहे.

SOFC इंधन पेशींचा उच्च-तापमान, उच्च-दाब ऑपरेटिंग मोड हायब्रिड स्थापना तयार करणे शक्य करते ज्यामध्ये इंधन सेल उत्सर्जन फिरते. गॅस टर्बाइन, विद्युत ऊर्जा निर्माण करण्यासाठी वापरली जाते. पहिला असा आहे संकरित स्थापनाइर्विन, कॅलिफोर्निया येथे काम करते. या स्थापनेची रेट केलेली शक्ती 220 kW आहे, ज्यापैकी 200 kW इंधन सेलमधून आणि 20 kW मायक्रोटर्बाइन जनरेटरपासून आहे.

वितळलेल्या कार्बोनेट इंधन पेशी (MCFC)

फॉस्फोरिक ऍसिड इंधन पेशी (PAFC)

प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली इंधन पेशी (PEMFCs)

सॉलिड ऑक्साईड इंधन पेशी (SOFC)

डायरेक्ट मिथेनॉल ऑक्सिडेशन इंधन पेशी (DOMFC)

अल्कधर्मी इंधन पेशी (ALFC)

पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट इंधन पेशी (PEFC)

सॉलिड ऍसिड इंधन पेशी (SFC)

इंधन सेलचे ऑपरेटिंग तत्त्व

ऑटोमोबाइल मध्ये अर्ज

डिव्हाइस

इंधन सेल डिव्हाइसमध्ये तीन मुख्य भाग समाविष्ट आहेत:

व्होल्टेज कन्व्हर्टर ब्लॉकमध्ये देखील आहेतः

ऑपरेटिंग तत्त्व

प्रकार

सध्या, अनेक प्रकारचे इंधन पेशी ज्ञात आहेत, जे वापरलेल्या इलेक्ट्रोलाइटच्या रचनेत भिन्न आहेत:

अर्ज

नागरी क्षेत्रात इंधन सेल देखील वापरले जातात.

वैशिष्ठ्य

संभावना

फायदे आणि तोटे

सर्वसाधारणपणे, इंधन पेशींचे खालील फायदे लक्षात घेतले जाऊ शकतात:

तोटे हे आहेत:

इंधन पेशींचे ऑपरेटिंग तत्त्व

भाग 1

परिचय

इंधन पेशींचे फायदे आणि तोटे

इतिहास आणि इंधन पेशींचा आधुनिक वापर

इंधन पेशींचे ऑपरेटिंग तत्त्व

इंधन सेल डिझाइन

इंधन पेशींचे प्रकार

प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली इंधन पेशी (PEMFC)

फॉस्फोरिक ऍसिड इंधन पेशी (PAFC)

वितळलेले कार्बोनेट इंधन पेशी (MCFC)

सॉलिड-स्टेट ऑक्साईड इंधन पेशी (SOFC)

हेही वाचा