kategoriler: Öne Çıkan Makaleler » İlginç elektrik haberleri
Görüntülenme sayısı: 51203
Makaleye yorum: 7
Yakıt hücreleri nelerdir
Mobil elektronik her yıl, bir ay olmasa bile, daha erişilebilir ve yaygın hale geliyor. Burada dizüstü bilgisayarlarınız, PDA'larınız, dijital fotoğraf makineleriniz, cep telefonlarınız ve her türlü kullanışlı ve pek çok cihazınız var. Ve tüm bu cihazlar sürekli olarak yeni özellikler, daha güçlü işlemciler, geniş renkli ekranlar, kablosuz iletişim elde ederken, aynı zamanda boyutu da azalıyor. Ancak, yarı iletken teknolojilerin aksine, tüm bu mobil hayvanların güç teknolojileri büyük bir hızla ilerlemiyor.
Geleneksel şarj edilebilir piller ve piller, elektronik endüstrisindeki en son gelişmeleri herhangi bir süre için güçlendirmek için açıkça yeterli değildir. Güvenilir ve kapasitif piller olmadan, hareketlilik ve kablosuzlığın tüm anlamı kaybolur. Böylece bilgisayar endüstrisi sorun üzerinde giderek daha aktif çalışıyor alternatif güç kaynakları. Ve en umut verici, bugün, yön yakıt hücreleri.
Yakıt hücresi operasyonunun temel prensibi 1839'da İngiliz bilim adamı Sir William Grove tarafından keşfedildi. Yakıt hücresinin babası olarak bilinir. William Grove değiştirerek elektrik üretti suyun elektrolizi hidrojen ve oksijen çıkarmak için. Aküyü elektrolitik hücreden çıkaran Grove, elektrotların salınan gazı emmeye ve akım üretmeye başladığını görünce şaşırdı. Proses açma hidrojenin elektrokimyasal soğuk yanması enerji sektöründeki bir olay önemli hale geldi ve gelecekte Ostwald ve Nernst gibi tanınmış elektrokimistler yakıt hücrelerinin teorik temellerinin ve pratik uygulamalarının geliştirilmesinde büyük rol oynadılar ve onlar için büyük bir gelecek öngördü.
kendisi "yakıt hücresi" terimi (Yakıt Pili) daha sonra ortaya çıktı - 1889'da hava ve kömür gazından elektrik üretmek için bir cihaz yaratmaya çalışan Ludwig Mond ve Charles Langer tarafından önerildi.
Normal yanma sırasında oksijen fosil yakıtları oksitler ve yakıtın kimyasal enerjisi etkisiz bir şekilde termal enerjiye dönüştürülür. Ancak oksidasyon reaksiyonunun, örneğin oksijenli hidrojenin, bir elektrolit ortamında ve bir elektrik akımı elde etmek için elektrotların varlığında gerçekleştirilmesi mümkün oldu. Örneğin, bir alkalin ortamda bulunan bir elektroda hidrojen sağlamak için elektronlar elde ederiz:
2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-
harici bir devreden geçerken oksijenin girdiği ve reaksiyonun gerçekleştiği karşı elektroda gider: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-
Elde edilen reaksiyon 2H2 + O2 → H2O'nun normal yanma sırasındakiyle aynı olduğu, ancak yakıt hücresinde veya başka bir şekilde elektrokimyasal jeneratör, yüksek verimlilik ve kısmen ısı ile elektrik akımını ortaya çıkarır. Unutmayın kömür, karbon monoksit, alkoller, hidrazin, diğer organik maddeler yakıt hücrelerinde yakıt olarak kullanılabilir ve hava, hidrojen peroksit, klor, brom, nitrik asit, vb. oksitleyici maddeler olarak kullanılabilir.
Yakıt hücrelerinin gelişimi hem yurtdışında hem de Rusya'da ve SSCB'de şiddetle devam etti. Yakıt hücrelerinin incelenmesine büyük katkıda bulunan bilim adamları arasında V. Zhako, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordes. Geçen yüzyılın ortalarında yakıt hücresi sorunlarına yeni bir saldırı başladı. Bu kısmen savunma araştırması sonucunda yeni fikirlerin, malzemelerin ve teknolojilerin ortaya çıkmasından kaynaklanmaktadır.
Yakıt hücrelerinin geliştirilmesinde önemli bir adım atan bilim adamlarından biri P. M. Spiridonov'du. Spiridonov'un hidrojen-oksijen elemanları o zaman için büyük bir başarı olarak kabul edilen 30 mA / cm2'lik bir akım yoğunluğu verdi.Kırklarda O. Davtyan, kömür gazlaştırması ile elde edilen jeneratör gazının elektrokimyasal yanması için bir tesis yarattı. Her metreküp element hacmiyle Davtyan 5 kW güç aldı.
Öyleydi ilk katı elektrolit yakıt hücresi. Yüksek verimliliğe sahipti, ancak zamanla elektrolit kullanılamaz hale geldi ve değiştirilmesi gerekiyordu. Daha sonra, ellili yılların sonlarında Davtyan, traktörü tahrik eden güçlü bir kurulum yarattı. Aynı yıllarda, İngiliz mühendis T. Bacon, toplam 6 kW kapasiteye ve% 80 verime sahip, saf hidrojen ve oksijen üzerinde çalışan bir yakıt pili tasarladı ve inşa etti, ancak gücün pil ağırlığına oranı çok küçüktü - bu tür elemanlar pratik kullanım için de uygun değildi ve aynı zamanda sevgili varlıklar.
Sonraki yıllarda, yalnızlık zamanı geçti. Uzay aracının yaratıcıları yakıt hücrelerine ilgi duymaya başladı. 60'lı yılların ortalarından bu yana yakıt hücresi araştırmalarına milyonlarca dolar yatırım yapıldı. Binlerce bilim adamı ve mühendisin çalışması yeni bir seviyeye ulaştı ve 1965'te. yakıt hücreleri Amerika Birleşik Devletleri'nde Gemini 5 uzay gemisinde ve daha sonra Apollo gemilerinde aya uçuşları ve Shuttle programı altında test edildi.
SSCB'de, yakıt hücreleri de uzayda kullanım için NPO Kvant'ta geliştirildi. O yıllarda, yeni malzemeler zaten ortaya çıktı - iyon değişim membranlarına dayanan katı polimer elektrolitler, yeni tip katalizörler, elektrotlar. Yine de, çalışma akımı yoğunluğu küçüktü - 100-200 mA / cm2 aralığında ve elektrotlar üzerindeki platin içeriği birkaç g / cm2 idi. Dayanıklılık, kararlılık ve güvenlik ile ilgili birçok sorun vardı.
Yakıt hücrelerinin hızlı gelişiminin bir sonraki aşaması 90'larda başladı. geçen yüzyıl ve şimdi devam ediyor. Bir yandan, fosil yakıtların yanmasından ve diğer yandan bu tür yakıtların tükenmesinden kaynaklanan artan sera gazı emisyonlarının küresel çevre sorunu nedeniyle yeni verimli enerji kaynaklarına duyulan ihtiyaçtan kaynaklanmaktadır. Su, bir yakıt hücresindeki hidrojen yanmasının son ürünü olduğundan, çevresel etki açısından en temiz olarak kabul edilir. Ana sorun sadece hidrojen üretmek için etkili ve ucuz bir yol bulmaktır.
Yakıt hücrelerinin ve hidrojen jeneratörlerinin geliştirilmesine yapılan milyarlarca finansal yatırım, teknolojik bir atılıma yol açmalı ve günlük yaşamda kullanımlarını bir gerçeklik haline getirmelidir: cep telefonu hücrelerinde, arabalarda, enerji santrallerinde. Zaten, Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors gibi otomobil devleri 50kW yakıt hücrelerinde çalışan otomobilleri ve otobüsleri gösteriyor. Bazı şirketler 500 kW'a kadar katı yakıt elektrolit yakıt hücresi tanıtım tesisleri. Ancak, yakıt hücrelerinin performansını artırmada önemli bir ilerlemeye rağmen, maliyet, güvenilirlik ve güvenlik ile ilgili birçok sorunun hala çözülmesi gerekmektedir.
Bir yakıt hücresinde, akülerden ve akümülatörlerden farklı olarak, hem yakıt hem de oksitleyici dışarıdan sağlanır. Yakıt hücresi reaksiyonda sadece bir aracıdır ve ideal koşullar altında neredeyse sonsuza dek çalışabilir. Bu teknolojinin güzelliği aslında yakıt elementte yakılır ve serbest kalan enerji doğrudan elektriğe dönüştürülür. Yakıtın doğrudan yanması ile oksijen ile oksitlenir ve bu işlemde üretilen ısı faydalı işi tamamlamak için kullanılır.
Bir akü hücresinde, akülerde olduğu gibi, yakıt oksidasyonu ve oksijen azaltma reaksiyonları mekansal olarak ayrılır ve "yanma" işlemi sadece hücre yüke akım verirse devam eder. Gibi dizel jeneratör, sadece dizel ve jeneratör olmadan. Ve ayrıca duman, gürültü, aşırı ısınma ve çok daha yüksek verimlilik olmadan. İkincisi, ilk olarak, ara mekanik cihazların olmaması ve ikincisi, yakıt hücresinin bir ısı motoru olmaması ve bu nedenle Carnot yasasına uymaması (yani verimliliğinin sıcaklık farkı tarafından belirlenmediği) ile açıklanmaktadır.
Yakıt hücrelerinde oksidasyon maddesi olarak oksijen kullanılır. Ayrıca, havadaki oksijen oldukça yeterli olduğu için, bir oksitleyici ajanın temini konusunda endişelenmenize gerek yoktur. Yakıt gelince, hidrojendir. Böylece, yakıt hücresinde reaksiyon gerçekleşir:
2H2 + O2 → 2H2O + elektrik + ısı.
Sonuç, yararlı enerji ve su buharıdır. Tasarımındaki en basit proton değişim membranı yakıt hücresi (bkz. şekil 1). Aşağıdaki gibi çalışır: elemente giren hidrojen, katalizörün etkisi altında elektronlara ve pozitif yüklü hidrojen iyonları H + içine ayrışır. Daha sonra, burada geleneksel bir bataryada elektrolit görevi gören özel bir membran devreye girer. Kimyasal bileşimi nedeniyle protonları kendi içinden geçirir, ancak elektronları hapseder. Böylece, anot üzerinde biriken elektronlar aşırı negatif bir yük oluşturur ve hidrojen iyonları katot üzerinde pozitif bir yük oluşturur (element üzerindeki voltaj yaklaşık 1V'dir).
Yüksek güç oluşturmak için, bir yakıt hücresi birçok hücreden birleştirilir. Yüke bir eleman eklerseniz, elektronlar katoda akar ve bir akım oluşturur ve oksijenle hidrojen oksidasyon işlemini tamamlar. Bu tür yakıt hücrelerinde bir katalizör olarak, bir karbon fiber üzerinde biriken platin mikropartikülleri tipik olarak kullanılır. Yapısı nedeniyle, böyle bir katalizör gaz ve elektriği iyi geçirir. Membran tipik olarak kükürt içeren bir Nafion polimerinden yapılır. Membranın kalınlığı bir milimetrenin onda birine eşittir. Reaksiyon sırasında, elbette, ısı da serbest bırakılır, ancak çok fazla değildir, böylece çalışma sıcaklığı 40-80 ° C aralığında tutulur.
Şekil 1. Yakıt hücresinin çalışma prensibi
Başlıca kullanılan elektrolit tipinde farklılık gösteren başka yakıt hücresi tipleri de vardır. Hemen hemen hepsi yakıt olarak hidrojene ihtiyaç duyuyor, bu yüzden mantıklı bir soru ortaya çıkıyor: nereden alınır. Tabii ki, silindirlerden sıkıştırılmış hidrojen kullanmak mümkün olacaktır, ancak hemen sonra bu yüksek derecede yanıcı gazın yüksek basınç altında taşınması ve depolanması ile ilgili sorunlar vardır. Elbette, hidrojeni metal hidrit pillerdeki gibi bağlı formda kullanabilirsiniz. Ama yine de, görev çıkarma ve nakliyesi olmaya devam ediyor, çünkü hidrojen benzin istasyonlarının altyapısı mevcut değil.
Bununla birlikte, bir çözelti de vardır - bir hidrojen kaynağı olarak sıvı hidrokarbon yakıt kullanılabilir. Örneğin, etil veya metil alkol. Doğru, burada özel bir ek cihaza ihtiyaç var - alkolleri yüksek sıcaklıkta gazlı H2 ve CO2 karışımına dönüştüren bir yakıt dönüştürücü (metanol için 240 ° C civarında bir yerde olacak). Ancak bu durumda taşınabilirlik hakkında düşünmek zaten daha zordur - bu tür cihazlar sabit veya iyi kullanılır araba alternatörleriAncak kompakt mobil cihazlar için daha az hacimli bir şeye ihtiyacınız var.
Ve burada, neredeyse en büyük elektronik üreticilerinin hepsinin korkunç bir güçle meşgul olduğu o cihaza geliyoruz - metanol yakıt hücresi (şekil 2).
Şekil 2. Yakıt hücresinin metanol üzerindeki çalışma prensibi
Hidrojen ve metanol doldurma elemanları arasındaki temel fark kullanılan katalizördür. Metanol yakıt hücresindeki katalizör, protonların doğrudan alkol molekülünden çıkarılmasına izin verir.Böylece, yakıt sorunu çözülüyor - metil alkol kimya endüstrisi için seri olarak üretiliyor, depolanması ve taşınması kolay ve bir metanol yakıt hücresini şarj etmek için kartuşu basitçe yakıtla değiştirmek yeterlidir. Doğru, önemli bir eksi var - metanol toksik. Ek olarak, bir metanol yakıt hücresinin verimliliği, bir hidrojenden daha düşüktür.
Şek. 3. Metanol yakıt hücresi
En cazip seçenek, etil alkolü yakıt olarak kullanmaktır, çünkü herhangi bir bileşime ve güce sahip alkollü içeceklerin üretimi ve dağıtımı dünya çapında iyi bir şekilde kurulmuştur. Bununla birlikte, etanol yakıt hücrelerinin verimliliği maalesef metanolden bile daha düşüktür.
Yakıt pilleri alanında uzun yıllar boyunca gelişme kaydettiği gibi, çeşitli tipte yakıt hücreleri inşa edilmiştir. Yakıt hücreleri elektrolit ve yakıt türüne göre sınıflandırılır.
1. Katı polimer hidrojen-oksijen elektroliti.
2. Katı polimer metanol yakıt hücreleri.
3. Alkalin elektrolit üzerindeki elementler.
4. Fosforik asit yakıt hücreleri.
5. Erimiş karbonatlar üzerindeki yakıt hücreleri.
6. Katı oksit yakıt hücreleri.
İdeal olarak, yakıt hücrelerinin verimliliği çok yüksektir, ancak gerçek koşullarda elektrolit ve elektrotların iletkenliği, aktivasyon ve konsantrasyon polarizasyonu, difüzyon kayıpları gibi omik kayıplar gibi denge sorunları ile ilişkili kayıplar vardır. Bunun bir sonucu olarak, yakıt hücrelerinde üretilen enerjinin bir kısmı ısıya dönüştürülür. Uzmanların çabaları bu kayıpları azaltmayı amaçlıyor.
Ohmik kayıpların ana kaynağı ve yakıt hücrelerinin yüksek fiyatının nedeni perflorlu sülfokasyon-iyon değişim membranlarıdır. Şimdi alternatif, daha ucuz proton iletken polimerler arıyorlar. Bu membranların (katı elektrolitler) iletkenliği sadece su varlığında kabul edilebilir bir değere (10 Ohm / cm) ulaştığından, yakıt hücresine beslenen gazların ayrıca sistemi daha pahalı hale getiren özel bir cihazda nemlendirilmesi gerekir. Katalitik gaz difüzyon elektrotlarında esas olarak platin ve diğer bazı asil metaller kullanılır ve şu ana kadar herhangi bir değişim bulunamamıştır. Yakıt hücrelerindeki platin içeriği birkaç mg / cm2 olmasına rağmen, büyük piller için miktarı onlarca grama ulaşır.
Yakıt hücreleri tasarlanırken, yüksek akım yoğunluklarında (1A / cm2'ye kadar) sistem kendi kendine ısındığından ısı giderme sistemine çok dikkat edilir. Soğutma için, yakıt kanalında özel kanallardan dolaşan su kullanılır ve düşük kapasitelerde hava üfleme kullanılır.
Böylece, elektrokimyasal jeneratörün modern bir sistemi, yakıt pili piline ek olarak, pompalar, hava beslemesi için kompresör, hidrojen girişi, gaz nemlendirici, soğutma ünitesi, gaz kaçağı kontrol sistemi, DC / AC dönüştürücü, kontrol işlemcisi gibi birçok yardımcı cihazla “büyür”. Bütün bunlar, 2004-2005 yıllarında yakıt hücresi sisteminin maliyetinin 2-3 bin $ / kW olduğu gerçeğine yol açıyor. Uzmanlara göre, yakıt hücreleri nakliye ve sabit enerji santrallerinde 50-100 $ / kW fiyatında kullanıma sunulacak.
Yakıt hücrelerinin günlük hayata tanıtımı için, daha ucuz bileşenlerle birlikte, yeni orijinal fikirler ve yaklaşımlar beklemeniz gerekir. Özellikle, yüksek umutlar nanomalzemeler ve nanoteknoloji kullanımı ile ilişkilidir. Örneğin, son zamanlarda birkaç şirket, özellikle çeşitli metallerin nanoparçacık kümelerine dayanan bir oksijen elektrodu için süper verimli katalizörlerin üretildiğini duyurdu. Ek olarak, içinde yakıtın bir oksitleyici ajan ile birlikte sıvı yakıtın (örn. Metanol) tedarik edildiği membran içermeyen yakıt hücrelerinin tasarımına dair raporlar vardır.İlginç bir kavram, kirli sularda çalışan ve oksitleyici bir madde olarak çözünmüş oksijeni ve yakıt olarak organik safsızlıkları tüketen biyoyakıt elemanlarının gelişmiş konseptidir.
Uzmanlara göre, yakıt hücreleri önümüzdeki yıllarda kitle pazarına girecek. Gerçekten de, geliştiriciler teknik sorunları birbiri ardına fethediyor, başarılar hakkında rapor veriyor ve yakıt hücrelerinin prototiplerini sunuyorlar. Örneğin, Toshiba bitmiş bir prototip metanol yakıt hücresi gösterdi. 22x56x4.5mm boyutundadır ve 100mW'lik bir güç verir. MP3 çaların 20 saatlik çalışması için 2 küp konsantre (% 99.5) metanolde bir yakıt ikmali yeterlidir. Toshiba, cep telefonlarına güç sağlamak için ticari bir yakıt hücresi yayınladı. Yine, aynı Toshiba 275x75x40mm boyutundaki dizüstü bilgisayarlara güç sağlamak için bir eleman gösterdi ve bilgisayarın tek bir yakıt ikmalinden 5 saat çalışmasını sağladı.
Başka bir Japon şirketi olan Fujitsu, Toshiba'nın çok gerisinde değil. 2004 yılında,% 30 sulu metanol çözeltisine etki eden bir element de getirdi. Bu yakıt hücresi 10 saat boyunca 300 ml'de bir yakıt ikmalinde çalıştı ve aynı zamanda 15 W güç verdi.
Casio, metanolün ilk önce minyatür bir yakıt dönüştürücüsündeki gazlı H2 ve CO2 karışımına işlendiği ve daha sonra yakıt hücresine beslendiği bir yakıt hücresi geliştiriyor. Gösteri sırasında Casio prototipi dizüstü bilgisayara 20 saat güç verdi.
Samsung, yakıt hücreleri alanında da dikkat çekti - 2004 yılında, bir dizüstü bilgisayara güç vermek için tasarlanan 12 W prototipini gösterdi. Genel olarak, Samsung yakıt hücrelerini, özellikle dördüncü nesil akıllı telefonlarda kullanmayı bekliyor.
Japon şirketlerinin yakıt hücrelerinin geliştirilmesine genel olarak çok iyi yaklaştıklarını söylemeliyim. 2003 yılında, Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony ve Toshiba gibi şirketler, dizüstü bilgisayarlar, cep telefonları, PDA'lar ve diğer elektronik cihazlar için ortak bir yakıt hücresi standardı geliştirmek için güçlerini birleştirdiler. Bu pazarda da çok sayıda olan Amerikan şirketleri, çoğunlukla ordu ile sözleşmeler altında çalışıyor ve Amerikan askerlerini elektriklendirmek için yakıt hücreleri geliştiriyorlar.
Almanlar çok geride değil - Akıllı Yakıt Pili bir mobil ofise güç sağlamak için yakıt hücreleri satıyor. Cihaz Akıllı Yakıt Hücresi C25 olarak adlandırılır, 150x112x65mm boyutlarına sahiptir ve tek bir benzin istasyonunda 140 watt-saat'e kadar üretebilir. Bu, dizüstü bilgisayarı yaklaşık 7 saat çalıştırmak için yeterlidir. Ardından kartuş değiştirilebilir ve çalışmaya devam edebilirsiniz. Metanol ile kartuşun boyutu 99x63x27 mm'dir ve 150g ağırlığındadır. Sistemin kendisi 1,1 kg ağırlığındadır, bu yüzden onu hiç taşınabilir olarak adlandıramazsınız, ancak yine de tam ve kullanışlı bir cihazdır. Şirket ayrıca profesyonel video kameralara güç sağlamak için bir yakıt modülü geliştiriyor.
Genel olarak, yakıt hücreleri neredeyse mobil elektronik pazarına girmiştir. Üreticiler seri üretime başlamadan önce en son teknik problemleri çözmeye bırakılır.
İlk olarak, yakıt hücrelerinin minyatürleştirilmesi sorununu çözmek gerekir. Sonuçta, yakıt hücresi ne kadar küçük olursa, o kadar az güç verebilir - böylece sürekli olarak küçük boyutlarda çalışma yüzeyini en üst düzeye çıkarmak için yeni katalizörler ve elektrotlar geliştirilmektedir. Burada, tam zamanında, nanoteknoloji ve nanomalzemeler alanındaki son gelişmeler (örneğin, nanotüpler) işe yarar. Yine, elemanların borularını (yakıt ve su pompaları, soğutma ve yakıt dönüşüm sistemleri) minimize etmek için mikroelektromekanik gelişmeler giderek daha fazla uygulanmaktadır.
Ele alınması gereken ikinci önemli sorun fiyattır. Gerçekten de, çoğu yakıt hücresinde katalizör olarak çok pahalı bir platin kullanılır.Yine, bazı üreticiler zaten gelişmiş silikon teknolojisinden en iyi şekilde yararlanmaya çalışıyor.
Yakıt hücrelerinin kullanımının diğer alanlarına gelince, yakıt hücreleri henüz enerji sektöründe veya ulaşımda ana akım haline gelmemiş olsalar bile, zaten iyi bir şekilde kurulmuşlardır. Zaten, birçok otomobil üreticisi yakıt pili ile çalışan konsept otomobillerini sundular. Dünyanın birçok şehrinde yakıt pili otobüsleri dolaşıyor. Kanada Ballard Power Systems, 1 ila 250 kW arasında değişen bir dizi sabit jeneratör üretir. Aynı zamanda, kilovat jeneratörler hemen bir daireye elektrik, ısı ve sıcak su sağlamak için tasarlanmıştır.
Ayrıca bakınız: Alternatif enerji kaynakları
Ayrıca bkz. electro-tr.tomathouse.com
: