Seli za mafuta: aina, kanuni za uendeshaji na vipengele

2024 Mwandishi: Howard Calhoun | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-02 14:03

Hidrojeni ni mafuta safi kwani huzalisha maji pekee na hutoa nishati safi kwa kutumia vyanzo vya nishati mbadala. Inaweza kuhifadhiwa katika seli ya mafuta ambayo hutoa umeme kwa kutumia kifaa cha ubadilishaji wa electrochemical. Hidrojeni ni chanzo cha nishati ya mapinduzi ya siku zijazo, lakini maendeleo yake bado ni mdogo sana. Sababu: nishati ambayo ni vigumu kuzalisha, ufanisi wa gharama na usawa wa nishati unaotiliwa shaka kutokana na asili ya nishati ya kubuni. Lakini chaguo hili la nishati linatoa mitazamo ya kuvutia katika suala la uhifadhi wa nishati, haswa linapokuja suala la vyanzo mbadala.

Waanzilishi wa Seli za Mafuta

Dhana ilionyeshwa vyema na Humphry Davy mwanzoni mwa karne ya kumi na tisa. Hii ilifuatiwa na kazi ya upainia ya Christian Friedrich Schonbein mnamo 1838. Mwanzoni mwa miaka ya 1960, NASA, kwa kushirikiana na washirika wa viwanda, ilianza kutengeneza jeneretaya aina hii kwa ndege za anga za juu. Hii ilisababisha block ya kwanza ya PEMFC.

Mtafiti mwingine wa GE, Leonard Nidrach, ameboresha PEMFC ya Grubb kwa kutumia platinamu kama kichocheo. Grubb-Niedrach iliendelezwa zaidi kwa ushirikiano na NASA na ilitumiwa na mpango wa anga za juu wa Gemini mwishoni mwa miaka ya 1960. Seli za Kimataifa za Mafuta (IFC, baadaye UTC Power) zilitengeneza kifaa cha 1.5 kW kwa safari za anga za Apollo. Walitoa umeme pamoja na maji ya kunywa kwa wanaanga wakati wa misheni yao. IFC baadaye ilitengeneza vitengo vya 12kW vilivyotumika kutoa nishati ya ndani kwa safari zote za anga.

Kipengele cha magari kilivumbuliwa kwa mara ya kwanza na Grulle katika miaka ya 1960. GM ilitumia Union Carbide kwenye gari la "Electrovan". Ilitumika tu kama gari la kampuni, lakini inaweza kusafiri hadi maili 120 kwenye tanki kamili na kufikia kasi ya hadi maili 70 kwa saa. Kordesch na Grulke walijaribu pikipiki ya hidrojeni mnamo 1966. Ilikuwa mseto wa seli na betri ya NiCad sanjari ambayo ilipata 1.18L/100km ya kuvutia. Hatua hii ina teknolojia ya hali ya juu ya baiskeli ya kielektroniki na biashara ya pikipiki za kielektroniki.

Mnamo 2007, vyanzo vya mafuta vilianza kuuzwa katika maeneo mbalimbali, vilianza kuuzwa kwa watumiaji wa hatima kwa maandishi na uwezo wa huduma, i.e. kukidhi mahitaji na viwango vya uchumi wa soko. Kwa hivyo, idadi ya sehemu za soko zilianza kuzingatia mahitaji. Hasa, maelfu ya nguvu za msaidiziVitengo vya PEMFC na DMFC (APU) vimeuzwa katika matumizi ya burudani: boti, vifaa vya kuchezea na vifaa vya mafunzo.

Horizon mnamo Oktoba 2009 ilionyesha mfumo wa kwanza wa kibiashara wa Dynario unaotumia katriji za methanoli. Seli za mafuta za Horizon zinaweza kuchaji simu za rununu, mifumo ya GPS, kamera au vicheza muziki dijitali.

Michakato ya uzalishaji wa hidrojeni

Seli za mafuta ya hidrojeni ni vitu vilivyo na hidrojeni kama nishati. Mafuta ya hidrojeni ni mafuta ya sifuri ambayo hutoa nishati wakati wa mwako au kupitia athari za electrochemical. Seli za mafuta na betri huzalisha umeme kupitia mmenyuko wa kemikali, lakini cha kwanza kitatoa nishati mradi tu kuna mafuta, hivyo basi haitapoteza chaji.

Michakato ya joto ili kutoa hidrojeni kwa kawaida huhusisha urekebishaji wa mvuke, mchakato wa halijoto ya juu ambapo mvuke humenyuka kwa chanzo cha hidrokaboni kutoa hidrojeni. Nishati nyingi asilia zinaweza kurekebishwa ili kuzalisha hidrojeni.

Leo takriban 95% ya hidrojeni inatolewa kutokana na urekebishaji wa gesi. Maji hugawanywa kuwa oksijeni na hidrojeni kwa njia ya elektrolisisi, katika kifaa kinachofanya kazi kama seli ya mafuta sufuri ya Horizon kinyumenyume.

Michakato inayotegemea jua

Wanatumia mwanga kama wakala kuzalisha hidrojeni. Ipomichakato kadhaa kulingana na paneli za jua:

1. photobiological;
2. chemicalelectrochemical;
3. jua;
4. thermochemical.

Michakato ya kibiolojia hutumia shughuli ya asili ya usanisinuru ya bakteria na mwani wa kijani.

Michakato ya kemikali ya picha ni semikondukta maalumu kwa ajili ya kutenganisha maji kuwa hidrojeni na oksijeni.

Uzalishaji wa nishati ya jua ya hidrojeni ya thermokemikali hutumia nishati ya jua iliyokolea kwa mmenyuko wa kutenganisha maji pamoja na spishi zingine kama vile oksidi za chuma.

Michakato ya kibayolojia hutumia vijidudu kama vile bakteria na mwani mdogo na inaweza kutoa hidrojeni kupitia athari za kibayolojia. Katika ubadilishaji wa biomasi ndogo, vijiumbe huvunja vitu vya kikaboni kama vile biomasi, wakati katika michakato ya picha, viumbe vidogo hutumia mwanga wa jua kama chanzo.

Vipengele vya kutengeneza

Vifaa vya vipengele vimeundwa kwa sehemu kadhaa. Kila moja ina sehemu kuu tatu:

• anode;
• cathode;
• electrolyte conductive.

Kwa upande wa seli za mafuta za Horizon, ambapo kila elektrodi imeundwa kwa nyenzo ya eneo la juu iliyopachikwa kwa kichocheo cha aloi ya platinamu, nyenzo ya elektroliti ni utando na hutumika kama kondakta wa ayoni. Uzalishaji wa umeme unaendeshwa na athari mbili za msingi za kemikali. Kwa vipengele kwa kutumia safiH_2.

Gesi ya hidrojeni kwenye anodi hugawanyika kuwa protoni na elektroni. Ya kwanza huchukuliwa kwa njia ya membrane ya electrolyte, na mwisho inapita karibu nayo, ikitoa sasa ya umeme. Ioni za chaji (H + na e -) huchanganyika na O_{2 kwenye kathodi, ikitoa maji na joto. Masuala mengi ya mazingira ambayo yanaathiri ulimwengu leo ni kuhamasisha jamii kufikia maendeleo endelevu na maendeleo kuelekea kulinda sayari. Hapa katika muktadha, jambo kuu ni uingizwaji wa rasilimali halisi za msingi za nishati na zingine ambazo zinaweza kukidhi mahitaji ya binadamu kikamilifu.}

Vipengee vinavyozungumziwa ni kifaa kama hiki, shukrani kwa kipengele hiki kupata suluhu inayowezekana zaidi, kwa kuwa inawezekana kupata nishati ya umeme kutoka kwa mafuta safi yenye ufanisi wa juu na bila utozaji wa CO2_2.

Vichocheo vya Platinum

Platinum inatumika sana katika uoksidishaji wa hidrojeni na inaendelea kuwa nyenzo ya kieletroniki inayojulikana zaidi. Mojawapo ya maeneo makuu ya utafiti wa Horizon kwa kutumia seli za mafuta zilizopunguzwa na platinamu ni katika tasnia ya magari, ambapo vichocheo vilivyobuniwa vilivyotengenezwa na chembechembe za platinamu zinazotumika kwenye kaboni conductive hupangwa katika siku za usoni. Nyenzo hizi zina faida ya chembechembe za nano zilizotawanywa sana, eneo la juu la uso wa kielektroniki (ESA), na ukuaji mdogo wa chembe katika viwango vya joto vya juu, hata katika viwango vya juu vya upakiaji vya Pt.

Aloi zenye Pt ni muhimu kwa vifaa vinavyotumia vyanzo maalum vya mafuta kama vile methanoli au kurekebisha (H₂, CO₂, CO na N_{2). Aloi za Pt/Ru zimeonyesha utendakazi ulioboreshwa dhidi ya vichochezi safi vya kielektroniki vya Pt kulingana na uoksidishaji wa methanoli na hakuna uwezekano wa sumu ya kaboni monoksidi. Pt 3 Co ni kichocheo kingine cha kuvutia (haswa kwa cathode za seli za mafuta za Horizon) na imeonyesha utendakazi ulioboreshwa wa kupunguza oksijeni na uthabiti wa juu.}

Pt/C na Pt 3 Co/C vichocheo vinavyoonyesha nanoparticles zilizotawanywa sana kwenye substrates za kaboni. Kuna mahitaji kadhaa muhimu ya kuzingatia wakati wa kuchagua elektroliti ya seli ya mafuta:

1. Mwengo wa juu wa protoni.
2. Uthabiti wa hali ya juu wa kemikali na joto.
3. Upenyezaji mdogo wa gesi.

Chanzo cha nishati ya haidrojeni

Hidrojeni ndicho kipengele rahisi na kinapatikana kwa wingi zaidi ulimwenguni. Ni sehemu muhimu ya maji, mafuta, gesi asilia na ulimwengu mzima wa maisha. Licha ya urahisi na wingi wake, hidrojeni haipatikani sana katika hali yake ya asili ya gesi duniani. Ni karibu kila mara pamoja na vipengele vingine. Na inaweza kutolewa kutoka kwa mafuta, gesi asilia, majani, au kwa kutenganisha maji kwa kutumia nishati ya jua au umeme.

Hidrojeni inapoundwa kama molekuli H₂, nishati iliyopo kwenye molekuli inaweza kutolewa kwa mwingiliano.na O₂. Hii inaweza kupatikana kwa injini za mwako wa ndani au seli za mafuta za hidrojeni. Ndani yake, nishati H_{2 inabadilishwa kuwa mkondo wa umeme na upotezaji wa nishati kidogo. Kwa hivyo, hidrojeni ni kibeba nishati ya kusonga, kuhifadhi na kutoa nishati inayozalishwa kutoka kwa vyanzo vingine.}

Vichujio vya sehemu za nishati

Kupata vipengele vya nishati mbadala haiwezekani bila kutumia vichujio maalum. Vichungi vya kawaida husaidia katika ukuzaji wa moduli za nguvu za vitu katika nchi tofauti za ulimwengu kwa sababu ya vizuizi vya hali ya juu. Vichujio hutolewa ili kuandaa mafuta kama vile methanoli kwa matumizi ya seli.

Kwa kawaida programu za moduli hizi za nishati hujumuisha usambazaji wa nishati katika maeneo ya mbali, nishati mbadala ya vifaa muhimu, APU kwenye magari madogo na programu za majini kama vile Project Pa-X-ell ambao ni mradi wa kujaribu seli kwenye meli za abiria.

Nyumba za chujio za chuma cha pua ambazo hutatua matatizo ya uchujaji. Katika maombi haya magumu, watengenezaji wa seli za mafuta za alfajiri wanabainisha nyumba za chujio za chuma cha pua za Classic Filters kutokana na kubadilika kwa uzalishaji, viwango vya ubora wa juu, uwasilishaji wa haraka na bei shindani.

Mfumo wa teknolojia ya hidrojeni

Horizon Fuel Cell Technologies ilianzishwa nchini Singapore mwaka wa 2003 na leo ina kampuni 5 tanzu za kimataifa. Dhamira ya kampuni nikuleta mabadiliko katika seli za mafuta kwa kufanya kazi duniani kote kufikia biashara ya haraka, kupunguza gharama za teknolojia na kuondoa vizuizi vya zamani vya usambazaji wa hidrojeni. Kampuni ilianza na bidhaa ndogo na rahisi zinazohitaji kiasi kidogo cha hidrojeni katika maandalizi ya matumizi makubwa na magumu zaidi. Kwa kufuata miongozo madhubuti na ramani ya barabara, Horizon imekuwa kampuni kubwa zaidi ulimwenguni ya kutengeneza seli ndogo za 1000W, inayohudumia wateja katika zaidi ya nchi 65 zenye uteuzi mpana zaidi wa bidhaa za kibiashara katika sekta hii.

Jukwaa la teknolojia la Horizon lina: PEM - seli za mafuta za alfajiri za Horizon (microfuel na rundo) na nyenzo zake, usambazaji wa hidrojeni (umeme, urekebishaji na hidrolisisi), vifaa na vifaa vya kuhifadhi hidrojeni.

Horizon imetoa jenereta ya kwanza ya haidrojeni inayobebeka na ya kibinafsi. Kituo cha HydroFill kinaweza kutoa hidrojeni kwa kuozesha maji kwenye tanki na kuyahifadhi kwenye katriji za HydroStick. Zina aloi ya kunyonya ya gesi ya hidrojeni ili kutoa hifadhi thabiti. Kisha katriji zinaweza kuingizwa kwenye chaja ya MiniPak inayoweza kushughulikia vipengele vidogo vya chujio cha mafuta.

Horizon au haidrojeni ya nyumbani

Horizon Technologies yazindua mfumo wa kuchaji hidrojeni na kuhifadhi nishati kwa matumizi ya nyumbani, kuokoa nishati nyumbani ili kuchaji vifaa vinavyobebeka. Horizon ilijitofautisha mnamo 2006 na toy ya "H-racer", gari dogo linalotumia hidrojeni lilipiga kura ya "uvumbuzi bora" wa mwaka. Horizon inatoagawanya hifadhi ya nishati nyumbani kwa kituo chake cha kuchaji cha Hydrofill hidrojeni, ambacho kinaweza kuchaji betri ndogo zinazobebeka na zinazoweza kutumika tena. Kiwanda hiki cha haidrojeni kinahitaji maji pekee ili kuendesha na kuzalisha nguvu.

Kazi inaweza kutolewa na gridi ya taifa, paneli za miale ya jua au turbine ya upepo. Kutoka hapo, hidrojeni hutolewa kutoka kwa tanki ya maji ya kituo na kuhifadhiwa katika fomu imara katika seli ndogo za aloi za chuma. Hydrofill Station, reja reja kwa karibu $500, ni suluhisho la avant-garde kwa simu. Mahali pa kupata seli za mafuta za Hydrofill kwa bei hii si vigumu kwa watumiaji, unahitaji tu kuuliza ombi linalofaa kwenye Mtandao.

Kuchaji hidrojeni ya gari

Kama vile magari ya umeme yanayotumia betri, yale yanayotumia hidrojeni pia hutumia umeme kuendesha gari. Lakini badala ya kuhifadhi umeme huo katika betri zinazochukua saa nyingi kuchaji, chembe hizo hutokeza nishati kwenye gari kwa kuitikia hidrojeni na oksijeni. Mmenyuko hufanyika mbele ya elektroliti - kondakta isiyo ya metali, ambayo mtiririko wa umeme unafanywa na harakati ya ioni kwenye vifaa ambapo seli za mafuta za Horizon sifuri zina vifaa vya kubadilishana protoni. Zinafanya kazi kama ifuatavyo:

1. Gesi ya hidrojeni hutolewa kwa "-" anodi (A) ya seli, na oksijeni huelekezwa kwenye nguzo chanya.
2. Kwenye anode kichocheo ni platinamu,hutupa elektroni kutoka kwa atomi za hidrojeni, na kuacha ioni "+" na elektroni huru. Ioni pekee hupita kwenye utando ulio kati ya anodi na cathode.
3. Elektroni huunda mkondo wa umeme kwa kusogea kwenye saketi ya nje. Katika kathodi, elektroni na ioni za hidrojeni huchanganyika na oksijeni kutoa maji yanayotiririka nje ya seli.

Hadi sasa, mambo mawili yamezuia uzalishaji mkubwa wa magari yanayotumia hidrojeni: gharama na uzalishaji wa hidrojeni. Hadi hivi majuzi, kichocheo cha platinamu, ambacho hugawanya hidrojeni kuwa ayoni na elektroni, kilikuwa ghali mno.

Miaka michache iliyopita, seli za mafuta za hidrojeni ziligharimu takriban $1,000 kwa kila kilowati ya nishati, au takriban $100,000 kwa gari. Tafiti mbalimbali zilifanyika ili kupunguza gharama za mradi, ikiwa ni pamoja na kubadilisha kichocheo cha platinamu na aloi ya platinum-nickel ambayo ina ufanisi mara 90 zaidi. Mwaka jana, Idara ya Nishati ya Marekani iliripoti kwamba gharama ya mfumo huo imeshuka hadi $61 kwa kilowati, ambayo bado haina ushindani katika sekta ya magari.

X-ray tomografia ya kompyuta

Mbinu hii ya majaribio isiyoharibu hutumika kuchunguza muundo wa kipengele cha safu mbili. Mbinu zingine zinazotumika sana kusoma muundo:

• mercury intrusion porosimetry;
• hadubini ya nguvu ya atomiki;
• optical profilometry.

Matokeo yanaonyesha kuwa usambazaji wa porosity una msingi thabiti wa kukokotoa upitishaji wa joto na umeme, upenyezaji nauenezaji. Kupima porosity ya vipengele ni vigumu sana kutokana na jiometri yao nyembamba, ya kukandamiza na inhomogeneous. Matokeo yanaonyesha kuwa upenyo hupungua kwa mgandamizo wa GDL.

Muundo wa vinyweleo una athari kubwa katika uhamishaji wa wingi katika elektrodi. Jaribio lilifanywa kwa shinikizo tofauti za kushinikiza moto, ambazo zilianzia 0.5 hadi 10 MPa. Utendaji hutegemea hasa chuma cha platinamu, gharama ambayo ni ya juu sana. Kueneza kunaweza kuongezeka kwa kutumia viunga vya kemikali. Kwa kuongeza, mabadiliko ya joto huathiri maisha na utendaji wa wastani wa kipengele. Kiwango cha uharibifu wa joto la juu la PEMFCs mwanzoni ni chini na kisha huongezeka kwa kasi. Hii hutumika kubainisha jinsi maji yalivyo.

Matatizo ya biashara

Ili kukabiliana na gharama, gharama za seli za mafuta lazima zipunguzwe na muda wa matumizi ya betri kuongezwa vivyo hivyo. Leo, hata hivyo, gharama za uendeshaji bado ni kubwa zaidi, kwani gharama za uzalishaji wa hidrojeni ni kati ya $ 2.5 na $ 3, na hidrojeni inayotolewa haiwezekani kugharimu chini ya $ 4 / kg. Ili seli ishinde vyema na betri, inapaswa kuwa na muda mfupi wa chaji na kupunguza mchakato wa kubadilisha betri.

Kwa sasa, teknolojia ya seli za mafuta ya polima itagharimu $49/kW inapozalishwa kwa wingi (angalau uniti 500,000 kwa mwaka). Hata hivyo, ili kushindana na magarimwako wa ndani, seli za mafuta ya magari zinapaswa kufikia karibu $36/kWh. Akiba inaweza kupatikana kwa kupunguza gharama za nyenzo (hasa, matumizi ya platinamu), kuongeza msongamano wa nguvu, kupunguza utata wa mfumo na kuongeza uimara. Kuna changamoto kadhaa za kuifanya teknolojia hiyo kuwa ya kibiashara kwa kiwango kikubwa, ikiwa ni pamoja na kushinda vikwazo kadhaa vya kiufundi.

Changamoto za kiufundi za siku zijazo

Gharama ya rafu inategemea nyenzo, mbinu na mbinu za utengenezaji. Uchaguzi wa nyenzo unategemea si tu juu ya kufaa kwa nyenzo kwa kazi, lakini pia juu ya ufanisi wa kazi. Majukumu muhimu ya vipengele:

1. Punguza mzigo wa kichochezi cha kielektroniki na uongeze shughuli.
2. Boresha uimara na upunguze uharibifu.
3. Uboreshaji wa muundo wa elektrodi.
4. Boresha ustahimilivu wa uchafu kwenye anode.
5. Uteuzi wa nyenzo za vijenzi. Inategemea hasa gharama bila kughairi utendakazi.
6. Ustahimilivu wa makosa katika mfumo.
7. Utendaji wa kipengele hutegemea hasa uimara wa utando.

Vigezo vikuu vya GDL vinavyoathiri utendakazi wa seli ni upenyezaji wa kitendanishi, upenyezaji wa umeme, uwekaji wa joto na usaidizi wa kimitambo. Unene wa GDL ni jambo muhimu. Utando mzito hutoa ulinzi bora, uimara wa kimitambo, njia ndefu za usambaaji, na viwango vya juu zaidi vya kustahimili joto na umeme.

Mitindo inayoendelea

Miongoni mwa aina mbalimbali za vipengele, PEMFC inarekebisha programu zaidi za simu (magari, kompyuta ndogo, simu za mkononi, n.k.), kwa hivyo, inawavutia watengenezaji mbalimbali. Kwa hakika, PEMFC ina faida nyingi kama vile halijoto ya chini ya uendeshaji, uthabiti wa juu wa msongamano wa sasa, uzani mwepesi, kubana, gharama ya chini na uwezo wa ujazo, maisha marefu ya huduma, kuanza kwa haraka, na kufaa kwa operesheni ya mara kwa mara.

Teknolojia yaPEMFC inafaa kwa ukubwa mbalimbali na pia hutumika pamoja na aina mbalimbali za mafuta inapochakatwa vizuri ili kuzalisha hidrojeni. Kwa hivyo, hupata matumizi kutoka kwa kiwango kidogo cha subwati hadi kiwango cha megawati. 88% ya jumla ya usafirishaji katika 2016-2018 zilikuwa PEMFC.