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हाइड्रोजन ऑक्सीजन ईंधन सेल। घर पर DIY ईंधन सेल। हाइड्रोजन आंतरिक दहन इंजन

जीवित जीवों में सभी जैव रासायनिक प्रक्रियाओं के लिए ऊर्जा का एक सार्वभौमिक स्रोत, साथ ही साथ इसकी आंतरिक झिल्ली पर विद्युत क्षमता में अंतर पैदा करता है। हालांकि, औद्योगिक पैमाने पर बिजली पैदा करने के लिए इस प्रक्रिया की नकल करना मुश्किल है, क्योंकि माइटोकॉन्ड्रिया के प्रोटॉन पंप एक प्रोटीन प्रकृति के होते हैं।

टीई डिवाइस

ईंधन सेल विद्युत रासायनिक उपकरण हैं जो सैद्धांतिक रूप से रासायनिक ऊर्जा की विद्युत ऊर्जा में उच्च रूपांतरण दर प्राप्त कर सकते हैं।

ईंधन और आक्सीकारक धाराओं के पृथक्करण का सिद्धांत

आमतौर पर, कम तापमान वाले ईंधन सेल एनोड की तरफ हाइड्रोजन और कैथोड साइड (हाइड्रोजन सेल) पर ऑक्सीजन या हवा में मेथनॉल और ऑक्सीजन का उपयोग करते हैं। ईंधन कोशिकाओं के विपरीत, डिस्पोजेबल इलेक्ट्रोकेमिकल कोशिकाओं और बैटरियों में उपभोज्य ठोस या तरल अभिकर्मक होते हैं, जिनमें से द्रव्यमान बैटरियों की मात्रा से सीमित होता है, और जब विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया बंद हो जाती है, तो उन्हें नए लोगों के साथ प्रतिस्थापित किया जाना चाहिए या रिवर्स को ट्रिगर करने के लिए विद्युत रूप से रिचार्ज किया जाना चाहिए। रासायनिक प्रतिक्रिया, या कम से कमप्रयुक्त इलेक्ट्रोड और दूषित इलेक्ट्रोलाइट को उनमें बदला जाना चाहिए। अभिकर्मक ईंधन सेल में प्रवाहित होते हैं, प्रतिक्रिया उत्पाद बाहर निकलते हैं, और प्रतिक्रिया तब तक आगे बढ़ सकती है जब तक अभिकर्मक इसमें प्रवेश करते हैं और ईंधन सेल के घटकों की प्रतिक्रियाशीलता स्वयं बनी रहती है, जो अक्सर उनके उप-उत्पादों द्वारा "विषाक्तता" द्वारा निर्धारित की जाती है। अपर्याप्त शुद्ध प्रारंभिक सामग्री।

हाइड्रोजन-ऑक्सीजन ईंधन सेल का एक उदाहरण

एक प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली के साथ एक हाइड्रोजन-ऑक्सीजन ईंधन सेल (उदाहरण के लिए, "एक बहुलक इलेक्ट्रोलाइट के साथ") में एक प्रोटॉन-संवाहक बहुलक झिल्ली होती है जो दो इलेक्ट्रोड - एनोड और कैथोड को अलग करती है। प्रत्येक इलेक्ट्रोड आमतौर पर एक समर्थित उत्प्रेरक के साथ एक कार्बन प्लेट (मैट्रिक्स) होता है - प्लैटिनम या प्लेटिनोइड्स और अन्य रचनाओं का मिश्र धातु।

ईंधन सेल विद्युत ऊर्जा को स्टोर नहीं कर सकते हैं, जैसे गैल्वेनिक या स्टोरेज बैटरी, लेकिन कुछ अनुप्रयोगों के लिए, जैसे कि विद्युत प्रणाली से अलगाव में काम करने वाले बिजली संयंत्र, चर ऊर्जा स्रोतों (सूर्य, हवा) का उपयोग करते हुए, उन्हें इलेक्ट्रोलाइज़र, कम्प्रेसर और ईंधन भंडारण के साथ जोड़ा जाता है। टैंक (जैसे हाइड्रोजन सिलेंडर) एक ऊर्जा भंडारण उपकरण बनाते हैं।

झिल्ली

झिल्ली प्रोटॉन को आचरण करने की अनुमति देती है, लेकिन इलेक्ट्रॉनों को नहीं। यह पॉलिमरिक (नाफियन, पॉलीबेनज़िमिडाज़ोल, आदि) या सिरेमिक (ऑक्साइड, आदि) हो सकता है। हालांकि, झिल्ली के बिना टीई हैं।

एनोड और कैथोड सामग्री और उत्प्रेरक

एनोड और कैथोड आमतौर पर केवल एक प्रवाहकीय उत्प्रेरक होते हैं - प्लैटिनम अत्यधिक विकसित कार्बन सतह पर जमा होता है।

ईंधन सेल प्रकार

ईंधन कोशिकाओं के मुख्य प्रकार

ईंधन सेल प्रकार	एनोड पर प्रतिक्रिया	इलेक्ट्रोलाइट	कैथोड प्रतिक्रिया	तापमान, °
क्षारीय टीई	2H 2 + 4OH - → 2H 2 O + 4e -	केओएच समाधान	ओ 2 + 2 एच 2 ओ + 4 ई - → 4 ओएच -	200
प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली के साथ एफसी	2H 2 → 4H + + 4e -	प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली		80
मेथनॉल ईंधन सेल	2CH 3 OH + 2H 2 O → 2CO 2 + 12H + + 12e -	प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली	3O 2 + 12H + + 12e - → 6H 2 O	60
फॉस्फोरिक एसिड पर आधारित एफसी	2H 2 → 4H + + 4e -	फॉस्फोरिक एसिड समाधान	ओ 2 + 4 एच + + 4 ई - → 2 एच 2 ओ	200
पिघला हुआ कार्बोनेट पर आधारित एफसी	2H 2 + 2CO 3 2− → 2H 2 O + 2CO 2 + 4e -	पिघला हुआ कार्बोनेट	ओ 2 + 2CO 2 + 4e - → 2CO 3 2−	650
सॉलिड-स्टेट ऑक्साइड FC	2H 2 + 2O 2 - → 2H 2 O + 4e -	ऑक्साइड का मिश्रण	ओ 2 + 4e - → 2O 2 -	1000

एयर एल्यूमिनियम इलेक्ट्रोकेमिकल जेनरेटर

एल्यूमीनियम-वायु विद्युत रासायनिक जनरेटर बिजली उत्पन्न करने के लिए वायुमंडलीय ऑक्सीजन के साथ एल्यूमीनियम के ऑक्सीकरण का उपयोग करता है। इसमें करंट-जेनरेटिंग रिएक्शन को फॉर्म में दर्शाया जा सकता है

4 अल + 3 ओ 2 + 6 एच 2 ओ ⟶ 4 अल (ओएच) 3, (\ प्रदर्शन शैली (\ सीई (4 अल + 3 ओ_2 + 6 एच_2ओ -> 4 अल (ओएच) _3,))) ई = 2.71 वी, (\ डिस्प्लेस्टाइल \ क्वाड ई = 2.71 ~ (\ टेक्स्ट (वी)),)

और संक्षारण प्रतिक्रिया इस प्रकार है

2 अल + 6 एच 2 ओ ⟶ 2 अल (ओएच) 3 + 3 एच 2 ⋅ (\ प्रदर्शन शैली (\ सीई (2 अल + 6 एच_2ओ -> 2 अल (ओएच) _3 + 3 एच_2।)))

एक एयर-एल्यूमीनियम इलेक्ट्रोकेमिकल जनरेटर के गंभीर लाभ हैं: उच्च (50% तक) दक्षता, कोई हानिकारक उत्सर्जन नहीं, रखरखाव में आसानी।

फायदे और नुकसान

हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं के लाभ

कॉम्पैक्ट आयाम

ईंधन सेल हल्के और छोटे होते हैं पारंपरिक स्रोतपोषण। ईंधन सेल कम शोर पैदा करते हैं, कम गर्मी देते हैं, और ईंधन की खपत के मामले में अधिक कुशल होते हैं। यह सैन्य अनुप्रयोगों में विशेष रूप से प्रासंगिक हो जाता है। उदाहरण के लिए, अमेरिकी सेना का एक सैनिक 22 विभिन्न प्रकार की बैटरी रखता है। [ ] औसत बैटरी पावर 20 वाट। ईंधन कोशिकाओं के उपयोग से रसद लागत कम होगी, वजन कम होगा और उपकरणों और उपकरणों के जीवन का विस्तार होगा।

ईंधन सेल की समस्या

परिवहन में ईंधन कोशिकाओं की शुरूआत हाइड्रोजन बुनियादी ढांचे की कमी से बाधित है। मुर्गी और अंडे की समस्या पैदा होती है - अगर बुनियादी ढांचा नहीं है तो हाइड्रोजन कार क्यों बनाएं? अगर हाइड्रोजन परिवहन नहीं है तो हाइड्रोजन इंफ्रास्ट्रक्चर क्यों बनाएं?

अधिकांश तत्व ऑपरेशन के दौरान कुछ मात्रा में गर्मी उत्पन्न करते हैं। इसके लिए कॉम्प्लेक्स के निर्माण की आवश्यकता है तकनीकी उपकरणगर्मी की वसूली (भाप टर्बाइन, आदि) के लिए, साथ ही ईंधन और ऑक्सीडाइज़र प्रवाह के संगठन के लिए, टेक-ऑफ पावर के लिए नियंत्रण प्रणाली, झिल्ली स्थायित्व, ईंधन ऑक्सीकरण के कुछ उप-उत्पादों द्वारा उत्प्रेरक विषाक्तता, और अन्य कार्यों के लिए। लेकिन साथ ही, प्रक्रिया का उच्च तापमान थर्मल ऊर्जा के उत्पादन की अनुमति देता है, जो बिजली संयंत्र की दक्षता में काफी वृद्धि करता है।

उत्प्रेरक विषाक्तता और झिल्ली स्थायित्व की समस्या को स्व-उपचार तंत्र के साथ एक तत्व बनाकर हल किया जाता है - उत्प्रेरक एंजाइमों का पुनर्जनन [ ] .

कम गति के कारण ईंधन सेल रसायनिक प्रतिक्रिया, महत्वपूर्ण है [ ] जड़ता और चरम या पल्स लोड की स्थितियों में संचालन के लिए एक निश्चित पावर रिजर्व या अन्य तकनीकी समाधानों (सुपरकेपसिटर, स्टोरेज बैटरी) के उपयोग की आवश्यकता होती है।

हाइड्रोजन प्राप्त करने और संग्रहीत करने की समस्या भी है। सबसे पहले, यह पर्याप्त रूप से साफ होना चाहिए ताकि उत्प्रेरक का त्वरित जहर न हो, और दूसरा, यह इतना सस्ता होना चाहिए कि इसकी लागत अंतिम उपयोगकर्ता के लिए लाभदायक हो।

साधारण का रासायनिक तत्वहाइड्रोजन और कार्बन चरम हैं। हाइड्रोजन का सबसे बड़ा है विशिष्ट ऊष्मादहन, लेकिन बहुत कम घनत्वऔर उच्च प्रतिक्रियाशीलता। कार्बन में ठोस तत्वों के बीच दहन की उच्चतम विशिष्ट गर्मी होती है, काफी उच्च घनत्व, लेकिन सक्रियण ऊर्जा के कारण कम प्रतिक्रियाशीलता। सुनहरा मतलब कार्बोहाइड्रेट (चीनी) या इसके डेरिवेटिव (इथेनॉल) या हाइड्रोकार्बन (तरल और ठोस) है। उत्सर्जित कार्बन डाइऑक्साइड को ग्रह के सामान्य श्वसन चक्र में भाग लेना चाहिए, अधिकतम अनुमेय सांद्रता से अधिक नहीं।

हाइड्रोजन का उत्पादन करने के कई तरीके हैं, लेकिन वर्तमान में दुनिया भर में उत्पादित हाइड्रोजन का लगभग 50% प्राकृतिक गैस से प्राप्त होता है। अन्य सभी तरीके अभी भी बहुत महंगे हैं। जाहिर है, प्राथमिक ऊर्जा वाहक के निरंतर संतुलन के साथ, बड़े पैमाने पर ईंधन के रूप में हाइड्रोजन की मांग में वृद्धि और प्रदूषण के लिए उपभोक्ता प्रतिरोध के विकास के साथ, इस हिस्से के कारण उत्पादन वृद्धि ठीक से बढ़ेगी, और बुनियादी ढांचे के विकास के साथ जो इसे बनाती है उपलब्ध, अधिक महंगी (लेकिन कुछ स्थितियों में अधिक सुविधाजनक) विधियां समाप्त हो जाएंगी। अन्य तरीके जिनमें हाइड्रोजन एक द्वितीयक ऊर्जा वाहक के रूप में शामिल है, अनिवार्य रूप से ईंधन से एक प्रकार के रासायनिक संचायक के रूप में अपनी भूमिका को नकार देता है। एक राय है कि ऊर्जा की कीमतों में वृद्धि के साथ, हाइड्रोजन की लागत भी अनिवार्य रूप से इस वजह से बढ़ती है। लेकिन अक्षय स्रोतों से उत्पादित ऊर्जा की लागत लगातार घट रही है (देखें। पवन ऊर्जा, हाइड्रोजन उत्पादन)। उदाहरण के लिए, औसत मूल्यसंयुक्त राज्य अमेरिका में बिजली की मात्रा बढ़कर 0.09 डॉलर प्रति किलोवाट घंटा हो गई, जबकि हवा से उत्पन्न बिजली की लागत $ 0.04- $ 0.07 है (विंड पावर या एडब्ल्यूईए देखें)। जापान में, एक किलोवाट-घंटे बिजली की लागत लगभग $ 0.2 है, जो फोटोवोल्टिक कोशिकाओं द्वारा उत्पन्न बिजली की लागत के बराबर है। कुछ आशाजनक क्षेत्रों की क्षेत्रीय दूरदर्शिता को ध्यान में रखते हुए (उदाहरण के लिए, अफ्रीका से फोटोवोल्टिक संयंत्रों द्वारा प्राप्त बिजली को सीधे तारों द्वारा, इस संबंध में अपनी विशाल ऊर्जा क्षमता के बावजूद, स्पष्ट रूप से व्यर्थ है), यहां तक कि "रासायनिक संचायक" के रूप में हाइड्रोजन का संचालन भी। काफी लागत प्रभावी हो सकता है। 2010 के आंकड़ों के अनुसार, थर्मल और द्वारा उत्पादित ऊर्जा के साथ प्रतिस्पर्धा करने के लिए हाइड्रोजन ईंधन सेल से ऊर्जा की लागत आठ गुना कम होनी चाहिए। नाभिकीय ऊर्जा यंत्र.

दुर्भाग्य से, प्राकृतिक गैस से उत्पादित हाइड्रोजन में सीओ और हाइड्रोजन सल्फाइड होगा, जो उत्प्रेरक को जहर देगा। इसलिए, उत्प्रेरक विषाक्तता को कम करने के लिए, ईंधन सेल के तापमान में वृद्धि करना आवश्यक है। पहले से ही 160 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर, ईंधन में 1% सीओ मौजूद हो सकता है।

प्लैटिनम उत्प्रेरक के साथ ईंधन कोशिकाओं के नुकसान में प्लैटिनम की उच्च लागत, उपरोक्त अशुद्धियों से हाइड्रोजन को शुद्ध करने में कठिनाइयां, और परिणामस्वरूप, गैस की उच्च लागत और अशुद्धियों के साथ उत्प्रेरक विषाक्तता के कारण तत्व का सीमित संसाधन शामिल है। इसके अलावा, उत्प्रेरक के लिए प्लैटिनम एक गैर-नवीकरणीय संसाधन है। यह माना जाता है कि इसके भंडार तत्वों के उत्पादन के 15-20 वर्षों के लिए पर्याप्त होंगे।

प्लैटिनम उत्प्रेरक के विकल्प के रूप में एंजाइमों की जांच की जा रही है। एंजाइम एक अक्षय सामग्री हैं, वे सस्ते हैं, वे सस्ते ईंधन में मुख्य अशुद्धियों से जहर नहीं हैं। उनके विशिष्ट लाभ हैं। सीओ और हाइड्रोजन सल्फाइड के लिए एंजाइमों की असंवेदनशीलता ने जैविक स्रोतों से हाइड्रोजन प्राप्त करना संभव बना दिया, उदाहरण के लिए, जैविक कचरे के रूपांतरण के दौरान।

इतिहास

पहली खोज

ईंधन कोशिकाओं के संचालन के सिद्धांत की खोज 1839 में अंग्रेजी वैज्ञानिक डब्ल्यू ग्रोव ने की थी, जिन्होंने पाया कि इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रिया प्रतिवर्ती है, अर्थात हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को बिना दहन के पानी के अणुओं में जोड़ा जा सकता है, लेकिन गर्मी की रिहाई के साथ और बिजली। वैज्ञानिक ने अपने उपकरण को, जहां यह प्रतिक्रिया की गई थी, एक "गैस बैटरी" कहा जाता है, और यह पहला ईंधन सेल था। हालांकि, अगले 100 वर्षों में, इस विचार को व्यावहारिक अनुप्रयोग नहीं मिला।

1937 में, प्रोफेसर एफ बेकन ने अपने ईंधन सेल पर काम शुरू किया। 1950 के दशक के अंत तक, उन्होंने 5 kW की शक्ति के साथ 40 ईंधन सेल स्टैक विकसित किया था। ऐसी बैटरी का उपयोग ऊर्जा प्रदान करने के लिए किया जा सकता है वेल्डिंग मशीनया एक फोर्कलिफ्ट। बैटरी 200 डिग्री सेल्सियस और अधिक के उच्च तापमान और 20-40 बार के दबाव पर संचालित होती है। इसके अलावा, यह काफी बड़े पैमाने पर था।

यूएसएसआर और रूस में अनुसंधान का इतिहास

पहला शोध 1980 के दशक में शुरू हुआ था। RSC Energia (1966 से) ने सोवियत चंद्र कार्यक्रम के लिए PAFC तत्वों का विकास किया। 1987 के बाद से, Energia ने लगभग 100 ईंधन कोशिकाओं का उत्पादन किया है, जिन्होंने कुल लगभग 80,000 घंटों में काम किया है।

"बुरान" कार्यक्रम पर काम के दौरान, क्षारीय एएफसी तत्वों की जांच की गई। "बुरान" पर 10 किलोवाट ईंधन सेल स्थापित किए गए थे।

1989 में, उच्च तापमान इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री संस्थान (येकातेरिनबर्ग) ने 1 किलोवाट की क्षमता वाली पहली एसओएफसी इकाई का उत्पादन किया।

1999 में, AvtoVAZ ने ईंधन कोशिकाओं के साथ काम करना शुरू किया। 2003 तक, VAZ-2131 कार के आधार पर कई प्रोटोटाइप बनाए गए थे। कार के इंजन डिब्बे में ईंधन कोशिकाओं की बैटरी थी, और सामान के डिब्बे में संपीड़ित हाइड्रोजन के साथ टैंक थे, यानी बिजली इकाई और ईंधन टैंक-सिलेंडर का क्लासिक लेआउट लागू किया गया था। हाइड्रोजन कार के विकास का नेतृत्व तकनीकी विज्ञान के उम्मीदवार मिर्ज़ोव जी.के.

10 नवंबर, 2003 को हाइड्रोजन ऊर्जा और ईंधन कोशिकाओं के क्षेत्र में रूसी विज्ञान अकादमी और नोरिल्स्क निकेल कंपनी के बीच सहयोग पर एक सामान्य समझौते पर हस्ताक्षर किए गए थे। इसने 4 मई, 2005 को नेशनल इनोवेशन कंपनी न्यू एनर्जी प्रोजेक्ट्स (एनआईके एनईपी) की स्थापना की, जिसने 2006 में ठोस बहुलक इलेक्ट्रोलाइट के साथ ईंधन कोशिकाओं पर आधारित 1 किलोवाट स्टैंडबाय पावर प्लांट का उत्पादन किया। सूचना एजेंसी MFD-InfoCenter के अनुसार, MMC नोरिल्स्क निकेल गैर-प्रमुख और लाभहीन संपत्तियों से छुटकारा पाने के लिए 2009 की शुरुआत में घोषित निर्णय के हिस्से के रूप में नई ऊर्जा परियोजनाओं का परिसमापन करेगी।

2008 में, InEnergy कंपनी की स्थापना की गई थी, जो इलेक्ट्रोकेमिकल प्रौद्योगिकियों और बिजली आपूर्ति प्रणालियों के क्षेत्र में अनुसंधान और विकास कार्य में लगी हुई है। अध्ययनों के परिणामों के अनुसार, रूसी विज्ञान अकादमी (आईपीसीपी, आईएसएसपी और आईएसटीटी) के प्रमुख संस्थानों के सहयोग से, कई पायलट परियोजनाएं लागू की गईं जिन्होंने उच्च दक्षता दिखाई। कंपनी के लिए "एमटीएस" बनाया गया और इसे परिचालन में लाया गया वैकल्पिक प्रणालीएक ईंधन सेल, एक नियंत्रण प्रणाली, एक ऊर्जा भंडारण उपकरण और एक कनवर्टर से युक्त हाइड्रोजन-वायु ईंधन कोशिकाओं पर आधारित बैकअप बिजली की आपूर्ति। सिस्टम पावर 10 किलोवाट तक।

हाइड्रोजन-वायु ऊर्जा प्रणालियों के कई निर्विवाद फायदे हैं, जिसमें बाहरी वातावरण के संचालन के लिए एक विस्तृत तापमान सीमा (-40 .. + 60C) शामिल है। उच्च दक्षता(60% तक), कोई शोर और कंपन नहीं, त्वरित शुरुआत, कॉम्पैक्टनेस और पर्यावरण मित्रता ("निकास" के परिणामस्वरूप पानी)।

हाइड्रोजन-एयर सिस्टम के स्वामित्व की कुल लागत पारंपरिक इलेक्ट्रोकेमिकल बैटरी की तुलना में काफी कम है। इसके अलावा, उनके पास तंत्र के चलती भागों की अनुपस्थिति के कारण उच्चतम दोष सहिष्णुता है, रखरखाव की आवश्यकता नहीं है, और उनकी सेवा का जीवन 15 साल तक पहुंच जाता है, शास्त्रीय विद्युत रासायनिक बैटरी को पांच गुना तक पार कर जाता है।

गज़प्रोम और रूसी संघ के संघीय परमाणु केंद्र ईंधन सेल बिजली संयंत्रों के नमूने बनाने पर काम कर रहे हैं। ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल, जो वर्तमान में सक्रिय रूप से विकसित हो रहे हैं, जाहिरा तौर पर 2016 के बाद दिखाई देंगे।

ईंधन सेल अनुप्रयोग

प्रारंभ में, ईंधन कोशिकाओं का उपयोग केवल अंतरिक्ष उद्योग में किया जाता था, लेकिन अब उनका दायरा लगातार बढ़ रहा है। उनका उपयोग स्थिर बिजली संयंत्रों में, इमारतों के लिए गर्मी और बिजली की आपूर्ति के स्वायत्त स्रोतों के रूप में, वाहन के इंजनों में, लैपटॉप और मोबाइल फोन के लिए बिजली की आपूर्ति के रूप में किया जाता है। इनमें से कुछ उपकरणों ने अभी तक प्रयोगशालाओं की दीवारों को नहीं छोड़ा है, अन्य पहले से ही व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं और लंबे समय से उपयोग किए जा रहे हैं।

ईंधन कोशिकाओं के अनुप्रयोग उदाहरण

आवेदन क्षेत्र	शक्ति	उपयोग करने के उदाहरण
स्थिर प्रतिष्ठान	5-250 किलोवाट और अधिक	आवासीय, सार्वजनिक और औद्योगिक भवनों की गर्मी और बिजली आपूर्ति के स्वायत्त स्रोत, स्रोत अबाधित विद्युत आपूर्ति, बैकअप और आपातकालीन बिजली की आपूर्ति
पोर्टेबल इंस्टॉलेशन	1-50 किलोवाट	सड़क के संकेत, माल और रेल रेफ्रिजरेटर, व्हीलचेयर, गोल्फ कार्ट, अंतरिक्ष यान और उपग्रह
परिवहन	25-150 किलोवाट	कार और अन्य वाहन, युद्धपोत और पनडुब्बी
संवहन उपकरण	1-500 डब्ल्यू	मोबाइल फोन, लैपटॉप, पॉकेट कंप्यूटर, विभिन्न घरेलू इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, आधुनिक सैन्य उपकरण

ईंधन कोशिकाओं पर आधारित उच्च शक्ति वाले बिजली संयंत्रों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। मूल रूप से, ऐसे पौधे पिघले हुए कार्बोनेट, फॉस्फोरिक एसिड और ठोस ऑक्साइड पर आधारित तत्वों के आधार पर काम करते हैं। एक नियम के रूप में, ऐसे प्रतिष्ठानों का उपयोग न केवल बिजली पैदा करने के लिए किया जाता है, बल्कि गर्मी पैदा करने के लिए भी किया जाता है।

हाइब्रिड संयंत्र विकसित करने के लिए बहुत प्रयास किए जा रहे हैं जिसमें उच्च तापमान ईंधन कोशिकाओं को गैस टर्बाइन के साथ जोड़ा जाता है। गैस टर्बाइनों में सुधार के साथ ऐसे प्रतिष्ठानों की दक्षता 74.6% तक पहुंच सकती है।

ईंधन कोशिकाओं पर आधारित कम बिजली संयंत्र भी सक्रिय रूप से उत्पादित किए जा रहे हैं।

ईंधन कोशिकाओं के उत्पादन और उपयोग के क्षेत्र में तकनीकी विनियमन

19 अगस्त 2004 को, अंतर्राष्ट्रीय इलेक्ट्रोटेक्निकल कमीशन (IEC) ने पहला अंतर्राष्ट्रीय मानक IEC 62282-2 "ईंधन सेल प्रौद्योगिकी जारी किया। भाग 2, ईंधन सेल मॉड्यूल "। यह ईंधन सेल प्रौद्योगिकी तकनीकी समिति (टीसी / आईईसी 105) द्वारा विकसित आईईसी 62282 श्रृंखला में पहला मानक था। टीसी/आईईसी 105 तकनीकी समिति में 17 देशों के स्थायी प्रतिनिधि और दुनिया के 15 देशों के पर्यवेक्षक शामिल हैं।

टीसी / आईईसी 105 ने आईईसी 62282 श्रृंखला में 14 अंतरराष्ट्रीय मानकों को विकसित और प्रकाशित किया है जिसमें ईंधन सेल बिजली संयंत्रों के मानकीकरण से संबंधित विषयों की एक विस्तृत श्रृंखला शामिल है। तकनीकी विनियमन और मेट्रोलॉजी के लिए संघीय एजेंसी रूसी संघ(रोसस्टैंडर्ट) एक पर्यवेक्षक के रूप में टीसी / आईईसी 105 तकनीकी समिति का सामूहिक सदस्य है। RosMEK सचिवालय (Rosstandart) रूसी संघ की ओर से IEC के साथ गतिविधियों का समन्वय करता है, और IEC मानकों का कार्यान्वयन मानकीकरण TK 029 "हाइड्रोजन टेक्नोलॉजीज", नेशनल एसोसिएशन ऑफ हाइड्रोजन एनर्जी (NAVE) के लिए राष्ट्रीय तकनीकी समिति द्वारा किया जाता है। ) और केबीटी एलएलसी। वर्तमान में, ROSSTANDART ने निम्नलिखित राष्ट्रीय और अंतरराज्यीय मानकों को अपनाया है, जो समान हैं: अंतरराष्ट्रीय मानकआईईसी

विभिन्न प्रकार के आंतरिक दहन इंजनों के अस्तित्व के समान, विभिन्न प्रकार के ईंधन सेल होते हैं - उपयुक्त प्रकार के ईंधन सेल का चुनाव आवेदन पर निर्भर करता है।

ईंधन कोशिकाओं को उच्च तापमान और निम्न तापमान में विभाजित किया जाता है। कम तापमान ईंधन सेलईंधन के रूप में अपेक्षाकृत शुद्ध हाइड्रोजन की आवश्यकता होती है। इसका अक्सर मतलब है कि प्राथमिक ईंधन (जैसे प्राकृतिक गैस) को शुद्ध हाइड्रोजन में बदलने के लिए ईंधन प्रसंस्करण की आवश्यकता होती है। इस प्रक्रिया में अतिरिक्त ऊर्जा की खपत होती है और इसके लिए विशेष उपकरणों की आवश्यकता होती है। उच्च तापमान ईंधन सेलइस अतिरिक्त प्रक्रिया की आवश्यकता नहीं है, क्योंकि वे ऊंचे तापमान पर ईंधन का "आंतरिक रूपांतरण" कर सकते हैं, जिसका अर्थ है कि हाइड्रोजन बुनियादी ढांचे में निवेश करने की कोई आवश्यकता नहीं है।

पिघला हुआ कार्बोनेट (आरकेटीई) पर आधारित ईंधन सेल

पिघला हुआ कार्बोनेट इलेक्ट्रोलाइट ईंधन सेल उच्च तापमान ईंधन सेल हैं। उच्च परिचालन तापमान प्राकृतिक गैस को सीधे ईंधन प्रोसेसर और कम ताप मूल्य ईंधन गैस के बिना उपयोग करने की अनुमति देता है उत्पादन प्रक्रियाएंऔर अन्य स्रोतों से। इस प्रक्रिया को 1960 के दशक के मध्य में विकसित किया गया था। तब से, उत्पादन तकनीक, प्रदर्शन और विश्वसनीयता में सुधार हुआ है।

आरकेटीई का संचालन अन्य ईंधन कोशिकाओं से अलग है। ये कोशिकाएं पिघले हुए कार्बोनेट लवण के मिश्रण से इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करती हैं। वर्तमान में दो प्रकार के मिश्रण उपयोग में हैं: लिथियम कार्बोनेट और पोटेशियम कार्बोनेट या लिथियम कार्बोनेट और सोडियम कार्बोनेट। कार्बोनेट लवण को पिघलाने और प्राप्त करने के लिए उच्च डिग्रीइलेक्ट्रोलाइट में आयनों की गतिशीलता, पिघला हुआ कार्बोनेट इलेक्ट्रोलाइट के साथ ईंधन कोशिकाओं का संचालन उच्च तापमान (650 डिग्री सेल्सियस) पर होता है। दक्षता 60-80% के बीच भिन्न होती है।

जब 650 डिग्री सेल्सियस तक गरम किया जाता है, तो लवण कार्बोनेट आयनों (सीओ 3 2-) के लिए एक कंडक्टर बन जाते हैं। ये आयन कैथोड से एनोड तक जाते हैं, जहां वे हाइड्रोजन के साथ मिलकर पानी, कार्बन डाइऑक्साइड और मुक्त इलेक्ट्रॉन बनाते हैं। इन इलेक्ट्रॉनों को एक बाहरी विद्युत परिपथ के माध्यम से वापस कैथोड में भेजा जाता है, जबकि उत्पन्न करते हैं बिजलीऔर उप-उत्पाद के रूप में गर्मी।

एनोड पर प्रतिक्रिया: सीओ 3 2- + एच 2 => एच 2 ओ + सीओ 2 + 2e -
कैथोड पर प्रतिक्रिया: CO 2 + 1/2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
तत्व की सामान्य प्रतिक्रिया: एच 2 (जी) + 1/2 ओ 2 (जी) + सीओ 2 (कैथोड) => एच 2 ओ (जी) + सीओ 2 (एनोड)

पिघला हुआ कार्बोनेट इलेक्ट्रोलाइट ईंधन कोशिकाओं के उच्च परिचालन तापमान के कुछ फायदे हैं। उच्च तापमान पर, आंतरिक सुधार होता है प्राकृतिक गैसजो ईंधन प्रोसेसर की आवश्यकता को समाप्त करता है। इसके अलावा, फायदे में उपयोग करने की क्षमता शामिल है मानक सामग्रीनिर्माण जैसे शीट स्टेनलेस स्टीलऔर इलेक्ट्रोड पर एक निकल उत्प्रेरक। अपशिष्ट ऊष्मा का उपयोग विभिन्न प्रकार के औद्योगिक और व्यावसायिक उद्देश्यों के लिए उच्च दबाव वाली भाप उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है।

इलेक्ट्रोलाइट में उच्च प्रतिक्रिया तापमान के भी अपने फायदे हैं। इष्टतम परिचालन स्थितियों को प्राप्त करने के लिए उच्च तापमान के उपयोग में लंबा समय लगता है, और सिस्टम ऊर्जा की खपत में बदलाव के लिए अधिक धीरे-धीरे प्रतिक्रिया करता है। ये विशेषताएं निरंतर बिजली की स्थिति के तहत पिघला हुआ कार्बोनेट इलेक्ट्रोलाइट के साथ ईंधन सेल प्रतिष्ठानों के उपयोग की अनुमति देती हैं। उच्च तापमान ईंधन सेल, "विषाक्तता", आदि को कार्बन मोनोऑक्साइड क्षति को रोकता है।

पिघला हुआ कार्बोनेट इलेक्ट्रोलाइट ईंधन सेल बड़े स्थिर प्रतिष्ठानों में उपयोग के लिए उपयुक्त हैं। गर्मी और बिजली संयंत्र औद्योगिक रूप से एक दिन की छुट्टी के साथ उत्पादित किए जाते हैं विद्युत शक्ति 2.8 मेगावाट। 100 मेगावाट तक की उत्पादन शक्ति वाले प्रतिष्ठान विकसित किए जा रहे हैं।

फॉस्फोरिक एसिड ईंधन सेल (FCTE)

फॉस्फोरिक (ऑर्थोफॉस्फोरिक) एसिड ईंधन सेल व्यावसायिक उपयोग के लिए पहली ईंधन सेल थे। इस प्रक्रिया को 1960 के दशक के मध्य में विकसित किया गया था और 1970 के दशक से इसका परीक्षण किया गया है। तब से, स्थिरता में वृद्धि हुई है, प्रदर्शन कम हो गया है और लागत कम हो गई है।

फॉस्फोरिक (ऑर्थोफॉस्फोरिक) एसिड पर आधारित ईंधन सेल 100% तक की एकाग्रता के साथ फॉस्फोरिक एसिड (एच 3 पीओ 4) पर आधारित इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करते हैं। फॉस्फोरिक एसिड की आयनिक चालकता कम होती है जब कम तामपानइस कारण से, इन ईंधन कोशिकाओं का उपयोग 150-220 डिग्री सेल्सियस तक के तापमान पर किया जाता है।

ईंधन कोशिकाओं में चार्ज वाहक इस प्रकार केहाइड्रोजन (H+, प्रोटॉन) है। एक प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली (एमओपीटीई) के साथ ईंधन कोशिकाओं में एक समान प्रक्रिया होती है, जिसमें एनोड को आपूर्ति की गई हाइड्रोजन प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों में अलग हो जाती है। प्रोटॉन इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से यात्रा करते हैं और कैथोड पर हवा से ऑक्सीजन के साथ मिलकर पानी बनाते हैं। इलेक्ट्रॉनों को एक बाहरी विद्युत परिपथ के माध्यम से प्रसारित किया जाता है, जिससे विद्युत प्रवाह उत्पन्न होता है। बिजली और गर्मी उत्पन्न करने वाली प्रतिक्रियाएं नीचे दी गई हैं।

एनोड पर प्रतिक्रिया: 2H 2 => 4H + + 4e -
कैथोड पर प्रतिक्रिया: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2H 2 O
तत्व की सामान्य प्रतिक्रिया: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करते समय फॉस्फोरिक (ऑर्थोफॉस्फोरिक) एसिड पर आधारित ईंधन कोशिकाओं की दक्षता 40% से अधिक होती है। संयुक्त ताप और बिजली उत्पादन के साथ, कुल दक्षता लगभग 85% है। इसके अलावा, ऑपरेटिंग तापमान को देखते हुए, अपशिष्ट गर्मी का उपयोग पानी को गर्म करने और वायुमंडलीय दबाव में भाप उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है।

गर्मी और बिजली के संयुक्त उत्पादन में फॉस्फोरिक (ऑर्थोफोस्फोरिक) एसिड पर आधारित ईंधन कोशिकाओं पर थर्मल पावर प्लांट का उच्च प्रदर्शन इस प्रकार के ईंधन कोशिकाओं के फायदों में से एक है। पौधे लगभग 1.5% की सांद्रता के साथ कार्बन मोनोऑक्साइड का उपयोग करते हैं, जो ईंधन की पसंद का काफी विस्तार करता है। इसके अलावा, सीओ 2 इलेक्ट्रोलाइट और ईंधन सेल के संचालन को प्रभावित नहीं करता है, इस प्रकार का सेल सुधारित प्राकृतिक ईंधन के साथ काम करता है। सरल डिजाइन, कम इलेक्ट्रोलाइट अस्थिरता और बढ़ी हुई स्थिरता भी इस प्रकार के ईंधन सेल के फायदे हैं।

400 kW तक की आउटपुट इलेक्ट्रिक पावर वाले थर्मल पावर प्लांट औद्योगिक रूप से उत्पादित होते हैं। तदनुसार 11 मेगावाट इकाइयों का परीक्षण किया गया है। 100 मेगावाट तक की उत्पादन शक्ति वाले प्रतिष्ठान विकसित किए जा रहे हैं।

मेम्ब्रेन प्रोटॉन एक्सचेंज फ्यूल सेल (MOPTE)

प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन वाली ईंधन कोशिकाओं को सबसे अधिक माना जाता है सबसे अच्छा प्रकारवाहनों के लिए बिजली उत्पन्न करने के लिए ईंधन सेल जो गैसोलीन और डीजल आंतरिक दहन इंजन को प्रतिस्थापित कर सकते हैं। इन फ्यूल सेल्स का इस्तेमाल सबसे पहले नासा ने जेमिनी प्रोग्राम के लिए किया था। आज, 1W से 2 kW तक की क्षमता वाली MOPTE इकाइयाँ विकसित और प्रदर्शित की जा रही हैं।

ये ईंधन सेल इलेक्ट्रोलाइट के रूप में एक ठोस बहुलक झिल्ली (पतली प्लास्टिक फिल्म) का उपयोग करते हैं। पानी के साथ गर्भवती होने पर, यह बहुलक प्रोटॉन को गुजरने देता है लेकिन इलेक्ट्रॉनों का संचालन नहीं करता है।

ईंधन हाइड्रोजन है, और आवेश वाहक एक हाइड्रोजन आयन (प्रोटॉन) है। एनोड पर, एक हाइड्रोजन अणु हाइड्रोजन आयन (प्रोटॉन) और इलेक्ट्रॉनों में विभाजित हो जाता है। हाइड्रोजन आयन इलेक्ट्रोलाइट से कैथोड तक जाते हैं, जबकि इलेक्ट्रॉन बाहरी सर्कल के चारों ओर घूमते हैं और विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करते हैं। ऑक्सीजन, जिसे हवा से लिया जाता है, कैथोड को खिलाया जाता है और इलेक्ट्रॉनों और हाइड्रोजन आयनों के साथ मिलकर पानी बनाता है। इलेक्ट्रोड पर निम्नलिखित प्रतिक्रियाएं होती हैं:

एनोड पर प्रतिक्रिया: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
कैथोड पर प्रतिक्रिया: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
तत्व की सामान्य प्रतिक्रिया: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

अन्य प्रकार के ईंधन सेल की तुलना में, प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल किसी दिए गए वॉल्यूम या फ्यूल सेल के वजन के लिए अधिक ऊर्जा का उत्पादन करते हैं। यह सुविधा उन्हें कॉम्पैक्ट और हल्का होने की अनुमति देती है। इसके अलावा, ऑपरेटिंग तापमान 100 डिग्री सेल्सियस से कम है, जो ऑपरेशन के त्वरित स्टार्ट-अप की अनुमति देता है। ये विशेषताएं, साथ ही ऊर्जा उत्पादन को जल्दी से बदलने की क्षमता, कुछ ऐसी विशेषताएं हैं जो इन ईंधन कोशिकाओं को वाहन उपयोग के लिए एक प्रमुख उम्मीदवार बनाती हैं।

एक अन्य लाभ यह है कि इलेक्ट्रोलाइट एक ठोस है, तरल नहीं, पदार्थ। एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट के साथ कैथोड और एनोड पर गैसों को रखना आसान होता है, और इसलिए ऐसे ईंधन सेल निर्माण के लिए सस्ते होते हैं। अन्य इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में, ठोस इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करते समय, अभिविन्यास जैसी कोई कठिनाई नहीं होती है, जंग की घटना के कारण कम समस्याएं होती हैं, जिससे सेल और उसके घटकों का लंबा जीवन होता है।

सॉलिड ऑक्साइड फ्यूल सेल (SOFC)

सॉलिड ऑक्साइड ईंधन सेल उच्चतम ऑपरेटिंग तापमान वाले ईंधन सेल हैं। वर्किंग टेम्परेचर 600 डिग्री सेल्सियस से 1000 डिग्री सेल्सियस तक भिन्न हो सकता है, जो विशेष पूर्व-उपचार के बिना विभिन्न प्रकार के ईंधन के उपयोग की अनुमति देता है। ऐसे उच्च तापमान को संभालने के लिए, इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग एक पतली, सिरेमिक-आधारित, ठोस धातु ऑक्साइड होता है, जो अक्सर येट्रियम और ज़िरकोनियम का मिश्र धातु होता है, जो ऑक्सीजन आयनों (ओ 2 -) का संवाहक होता है। ठोस ऑक्साइड ईंधन कोशिकाओं का उपयोग करने की तकनीक 1950 के दशक के उत्तरार्ध से विकसित हो रही है। और इसके दो विन्यास हैं: तलीय और ट्यूबलर।

ठोस इलेक्ट्रोलाइट एक इलेक्ट्रोड से दूसरे इलेक्ट्रोड में गैस का एक भली भांति बंद करके सील संक्रमण प्रदान करता है, जबकि तरल इलेक्ट्रोलाइट्स एक झरझरा सब्सट्रेट में स्थित होते हैं। इस प्रकार के ईंधन सेल में आवेश वाहक एक ऑक्सीजन आयन (O 2 -) होता है। कैथोड पर, हवा से ऑक्सीजन के अणु एक ऑक्सीजन आयन और चार इलेक्ट्रॉनों में अलग हो जाते हैं। ऑक्सीजन आयन इलेक्ट्रोलाइट से गुजरते हैं और हाइड्रोजन के साथ मिलकर चार मुक्त इलेक्ट्रॉन बनाते हैं। इलेक्ट्रॉनों को एक बाहरी विद्युत परिपथ के माध्यम से प्रवाहित किया जाता है, जिससे विद्युत प्रवाह और अपशिष्ट ऊष्मा उत्पन्न होती है।

एनोड पर प्रतिक्रिया: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
कैथोड पर प्रतिक्रिया: O 2 + 4e - => 2O 2 -
तत्व की सामान्य प्रतिक्रिया: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

उत्पन्न विद्युत ऊर्जा की दक्षता सभी ईंधन कोशिकाओं में सबसे अधिक है - लगभग 60%। इसके अलावा, उच्च परिचालन तापमान संयुक्त गर्मी और बिजली उत्पादन को उच्च दबाव भाप उत्पन्न करने में सक्षम बनाता है। उच्च तापमान वाले ईंधन सेल को टरबाइन के साथ मिलाने से विद्युत ऊर्जा उत्पादन की दक्षता को 70% तक बढ़ाने के लिए एक हाइब्रिड ईंधन सेल बनाना संभव हो जाता है।

ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल बहुत उच्च तापमान (600 डिग्री सेल्सियस - 1000 डिग्री सेल्सियस) पर काम करते हैं, जो इष्टतम परिचालन स्थितियों को प्राप्त करने में लंबा समय लेता है, और सिस्टम ऊर्जा खपत में परिवर्तन के लिए अधिक धीरे-धीरे प्रतिक्रिया करता है। ऐसे उच्च परिचालन तापमान पर, ईंधन से हाइड्रोजन को पुनर्प्राप्त करने के लिए एक कनवर्टर की आवश्यकता नहीं होती है, जो थर्मल पावर प्लांट को कोयले या अपशिष्ट गैसों और इसी तरह के गैसीकरण के परिणामस्वरूप अपेक्षाकृत अशुद्ध ईंधन के साथ संचालित करने की अनुमति देता है। साथ ही, यह ईंधन सेल औद्योगिक और बड़े केंद्रीय बिजली संयंत्रों सहित उच्च शक्ति संचालन के लिए उत्कृष्ट है। 100 kW की आउटपुट विद्युत शक्ति वाले मॉड्यूल व्यावसायिक रूप से उत्पादित किए जाते हैं।

डायरेक्ट मेथनॉल ऑक्सीडेशन फ्यूल सेल (POMTE)

प्रत्यक्ष मेथनॉल ऑक्सीकरण के साथ ईंधन कोशिकाओं का उपयोग करने की तकनीक सक्रिय विकास के दौर से गुजर रही है। इसने मोबाइल फोन, लैपटॉप के साथ-साथ पोर्टेबल बिजली स्रोत बनाने के क्षेत्र में खुद को सफलतापूर्वक स्थापित किया है। इन तत्वों के भविष्य के उपयोग का उद्देश्य क्या है।

प्रत्यक्ष मेथनॉल ऑक्सीकरण के साथ ईंधन कोशिकाओं का डिजाइन एक प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली (एमओपीटीई) के साथ ईंधन कोशिकाओं के समान है, अर्थात। एक बहुलक का उपयोग इलेक्ट्रोलाइट के रूप में किया जाता है, और एक हाइड्रोजन आयन (प्रोटॉन) का उपयोग चार्ज वाहक के रूप में किया जाता है। हालांकि, तरल मेथनॉल (सीएच 3 ओएच) सीओ 2, हाइड्रोजन आयनों और इलेक्ट्रॉनों की रिहाई के साथ एनोड पर पानी की उपस्थिति में ऑक्सीकरण करता है, जो बाहरी विद्युत सर्किट के माध्यम से प्रसारित होते हैं, जिससे विद्युत प्रवाह उत्पन्न होता है। हाइड्रोजन आयन इलेक्ट्रोलाइट से होकर गुजरते हैं और हवा से ऑक्सीजन और बाहरी सर्किट से इलेक्ट्रॉनों के साथ प्रतिक्रिया करके एनोड पर पानी बनाते हैं।

एनोड पर प्रतिक्रिया: सीएच 3 ओएच + एच 2 ओ => सीओ 2 + 6 एच + + 6e -
कैथोड पर प्रतिक्रिया: 3/2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
तत्व की सामान्य प्रतिक्रिया: सीएच 3 ओएच + 3/2 ओ 2 => सीओ 2 + 2 एच 2 ओ

इन ईंधन कोशिकाओं का विकास 1990 के दशक की शुरुआत में शुरू हुआ था। बेहतर उत्प्रेरक और अन्य हालिया नवाचारों के विकास के साथ, बिजली घनत्व और दक्षता को 40% तक बढ़ा दिया गया है।

इन तत्वों का परीक्षण 50-120 डिग्री सेल्सियस के तापमान रेंज में किया गया था। उनके कम ऑपरेटिंग तापमान और कनवर्टर की कोई आवश्यकता नहीं होने के कारण, प्रत्यक्ष मेथनॉल ईंधन सेल हैं सर्वश्रेष्ठ उम्मीदवारमोबाइल फोन और अन्य उपभोक्ता वस्तुओं के साथ-साथ कार इंजन में उपयोग के लिए। इस प्रकार के ईंधन सेल का लाभ तरल ईंधन के उपयोग और कनवर्टर की आवश्यकता के अभाव के कारण इसका छोटा आकार है।

क्षारीय ईंधन सेल (SHFC)

क्षारीय ईंधन सेल (ALFC) 1960 के दशक के मध्य से उपयोग की जाने वाली सबसे अधिक अध्ययन की जाने वाली तकनीकों में से एक हैं। नासा द्वारा अपोलो और स्पेस शटल कार्यक्रमों में। इन अंतरिक्ष यान पर, ईंधन सेल विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करते हैं और पीने का पानी... क्षारीय ईंधन सेल बिजली उत्पन्न करने के लिए उपयोग किए जाने वाले सबसे कुशल तत्वों में से एक हैं, जिसमें बिजली उत्पादन क्षमता 70% तक पहुंच जाती है।

क्षारीय ईंधन कोशिकाएं एक इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करती हैं, जो कि एक झरझरा स्थिर मैट्रिक्स में निहित पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड का एक जलीय घोल है। पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड की सांद्रता ईंधन सेल के ऑपरेटिंग तापमान के आधार पर भिन्न हो सकती है, जो 65 ° C से 220 ° C तक होती है। SHFC में आवेश वाहक एक हाइड्रॉक्सिल आयन (OH -) है, जो कैथोड से एनोड तक जाता है, जहाँ यह हाइड्रोजन के साथ प्रतिक्रिया करता है, पानी और इलेक्ट्रॉनों का उत्पादन करता है। एनोड पर उत्पादित पानी वापस कैथोड में चला जाता है, फिर से वहां हाइड्रॉक्सिल आयन उत्पन्न करता है। ईंधन सेल में प्रतिक्रियाओं की यह श्रृंखला बिजली पैदा करती है और, उप-उत्पाद के रूप में, गर्मी:

एनोड पर प्रतिक्रिया: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
कैथोड पर प्रतिक्रिया: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
सिस्टम की सामान्य प्रतिक्रिया: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

एसएचएफसी का लाभ यह है कि ये ईंधन सेल निर्माण के लिए सबसे सस्ते हैं, क्योंकि इलेक्ट्रोड पर जिस उत्प्रेरक की आवश्यकता होती है, वह कोई भी पदार्थ हो सकता है जो अन्य ईंधन कोशिकाओं के लिए उत्प्रेरक के रूप में उपयोग किए जाने वाले पदार्थों की तुलना में सस्ता होता है। इसके अलावा, एसएचएफसी अपेक्षाकृत कम तापमान पर काम करते हैं और सबसे कुशल ईंधन कोशिकाओं में से एक हैं - इस तरह की विशेषताएं तदनुसार बिजली उत्पादन और उच्च ईंधन दक्षता के त्वरण में योगदान कर सकती हैं।

में से एक विशेषणिक विशेषताएं SHTE - CO 2 के प्रति उच्च संवेदनशीलता, जिसे ईंधन या वायु में समाहित किया जा सकता है। सीओ 2 इलेक्ट्रोलाइट के साथ प्रतिक्रिया करता है, इसे जल्दी से जहर देता है, और ईंधन सेल की दक्षता को बहुत कम कर देता है। इसलिए, SHTE का उपयोग अंतरिक्ष और पानी के नीचे के वाहनों जैसे बंद स्थानों तक सीमित है, उन्हें शुद्ध हाइड्रोजन और ऑक्सीजन पर काम करना चाहिए। इसके अलावा, सीओ, एच 2 ओ और सीएच 4 जैसे अणु, जो अन्य ईंधन कोशिकाओं के लिए सुरक्षित हैं, और उनमें से कुछ के लिए ईंधन भी एसएचएफसी के लिए हानिकारक हैं।

पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट ईंधन सेल (पीईटीई)

बहुलक इलेक्ट्रोलाइट ईंधन कोशिकाओं के मामले में, बहुलक झिल्ली में जल क्षेत्रों के साथ बहुलक फाइबर होते हैं जिसमें जल आयनों की चालकता एच 2 ओ + (प्रोटॉन, लाल) पानी के अणु से जुड़ी होती है। पानी के अणु अपने धीमे आयन विनिमय के कारण एक समस्या उत्पन्न करते हैं। इसलिए, ईंधन और आउटलेट इलेक्ट्रोड दोनों में पानी की एक उच्च सांद्रता की आवश्यकता होती है, जो ऑपरेटिंग तापमान को 100 डिग्री सेल्सियस तक सीमित करता है।

सॉलिड एसिड फ्यूल सेल (TKTE)

सॉलिड एसिड फ्यूल सेल्स में इलेक्ट्रोलाइट (C s HSO4) में पानी नहीं होता है। इसलिए ऑपरेटिंग तापमान 100-300 डिग्री सेल्सियस है। ऑक्सी आयनों का घूर्णन SO 4 2- प्रोटॉन (लाल) को चित्र में दिखाए अनुसार स्थानांतरित करने की अनुमति देता है। आमतौर पर, एक ठोस एसिड ईंधन सेल एक सैंडविच होता है जिसमें बहुत पतली परतठोस अम्ल यौगिक प्रदान करने के लिए दो कसकर संपीड़ित इलेक्ट्रोड के बीच रखा जाता है अच्छा संपर्क... गर्म होने पर, कार्बनिक घटक वाष्पित हो जाते हैं, इलेक्ट्रोड में छिद्रों से निकलते हुए, ईंधन (या कोशिकाओं के दूसरे छोर पर ऑक्सीजन), इलेक्ट्रोलाइट और इलेक्ट्रोड के बीच कई संपर्क बनाने की क्षमता बनाए रखते हैं।

ईंधन सेल प्रकार	वर्किंग टेम्परेचर	बिजली उत्पादन दक्षता	ईंधन प्रकार	आवेदन क्षेत्र
आरकेटीई	550-700 डिग्री सेल्सियस	50-70%		मध्यम और बड़े प्रतिष्ठान
एफकेटीई	100-220 डिग्री सेल्सियस	35-40%	शुद्ध हाइड्रोजन	बड़े प्रतिष्ठान
मोप्टे	30-100 डिग्री सेल्सियस	35-50%	शुद्ध हाइड्रोजन	छोटे प्रतिष्ठान
SOFC	450-1000 डिग्री सेल्सियस	45-70%	अधिकांश हाइड्रोकार्बन ईंधन	छोटे, मध्यम और बड़े प्रतिष्ठान
Ponte	20-90 डिग्री सेल्सियस	20-30%	मेथनॉल	पोर्टेबल इंस्टॉलेशन
एसएचटीई	50-200 डिग्री सेल्सियस	40-65%	शुद्ध हाइड्रोजन	अंतरिक्ष की खोज
पीट	30-100 डिग्री सेल्सियस	35-50%	शुद्ध हाइड्रोजन	छोटे प्रतिष्ठान

"हरित" ऊर्जा के दृष्टिकोण से, हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं की अत्यधिक उच्च दक्षता होती है - 60%। तुलना के लिए: सर्वश्रेष्ठ आंतरिक दहन इंजन की दक्षता 35-40% है। सौर ऊर्जा संयंत्रों के लिए, गुणांक केवल 15-20% है, लेकिन मौसम की स्थिति पर अत्यधिक निर्भर है। सर्वोत्तम फलक की क्षमता पवन ऊर्जा संयंत्र 40% तक पहुँच जाता है, जो भाप जनरेटर के बराबर है, लेकिन पवन टर्बाइनों को भी उपयुक्त मौसम की स्थिति और महंगे रखरखाव की आवश्यकता होती है।

जैसा कि हम देख सकते हैं, इस पैरामीटर के अनुसार, हाइड्रोजन ऊर्जा ऊर्जा का सबसे आकर्षक स्रोत है, लेकिन अभी भी कई समस्याएं हैं जो इसके बड़े पैमाने पर उपयोग में बाधा डालती हैं। इनमें से सबसे महत्वपूर्ण हाइड्रोजन के उत्पादन की प्रक्रिया है।

खनन की समस्या

हाइड्रोजन ऊर्जा पर्यावरण के अनुकूल है, लेकिन स्वायत्त नहीं है। एक ईंधन सेल को हाइड्रोजन की आवश्यकता होती है, जो पृथ्वी पर अपने शुद्ध रूप में नहीं पाई जाती है। हाइड्रोजन प्राप्त करने की आवश्यकता है, लेकिन वर्तमान में मौजूद सभी विधियां या तो बहुत महंगी हैं या अप्रभावी हैं।

ऊर्जा की प्रति यूनिट उत्पादित हाइड्रोजन की मात्रा के मामले में सबसे कुशल प्राकृतिक गैस के भाप सुधार की विधि मानी जाती है। मीथेन को 2 एमपीए (लगभग 19 वायुमंडल, यानी लगभग 190 मीटर की गहराई पर दबाव) और लगभग 800 डिग्री के तापमान पर भाप के साथ जोड़ा जाता है, जिसके परिणामस्वरूप 55-75% हाइड्रोजन सामग्री के साथ परिवर्तित गैस होती है। भाप सुधार के लिए विशाल प्रतिष्ठानों की आवश्यकता होती है जिनका उपयोग केवल उत्पादन में किया जा सकता है।

मीथेन के भाप सुधार के लिए एक ट्यूब फर्नेस हाइड्रोजन के उत्पादन का सबसे एर्गोनोमिक तरीका नहीं है। स्रोत: सीटीके-यूरो

एक अधिक सुविधाजनक और सरल विधि जल इलेक्ट्रोलिसिस है। जब एक विद्युत प्रवाह उपचार के लिए पानी से गुजरता है, तो विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला होती है, जिसके परिणामस्वरूप हाइड्रोजन बनता है। इस पद्धति का एक महत्वपूर्ण दोष प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक उच्च ऊर्जा खपत है। यही है, कुछ अजीब स्थिति सामने आती है: हाइड्रोजन ऊर्जा प्राप्त करने के लिए, किसी को ... ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान होने वाली अनावश्यक लागतों से बचने और मूल्यवान संसाधनों के संरक्षण के लिए, कुछ कंपनियां पूर्ण विद्युत-हाइड्रोजन-विद्युत प्रणाली विकसित करने का प्रयास कर रही हैं जिसमें बाहरी पुनर्भरण के बिना ऊर्जा उत्पादन संभव हो सके। ऐसी प्रणाली का एक उदाहरण तोशिबा H2One का विकास है।

तोशिबा H2One मोबाइल पावर स्टेशन

हमने एक मोबाइल मिनी-पावर प्लांट H2One विकसित किया है जो पानी को हाइड्रोजन और हाइड्रोजन को ऊर्जा में परिवर्तित करता है। इलेक्ट्रोलिसिस को बनाए रखने के लिए, यह उपयोग करता है सौर पेनल्स, और अतिरिक्त ऊर्जा बैटरियों में जमा हो जाती है और की अनुपस्थिति में सिस्टम के संचालन को सुनिश्चित करती है सूरज की रोशनी... परिणामी हाइड्रोजन या तो सीधे ईंधन कोशिकाओं को खिलाया जाता है, या अंतर्निर्मित टैंक में भंडारण के लिए भेजा जाता है। H2One इलेक्ट्रोलाइज़र प्रति घंटे 2 m 3 हाइड्रोजन उत्पन्न करता है, और आउटलेट पर 55 kW तक की शक्ति प्रदान करता है। 1 मीटर 3 हाइड्रोजन के उत्पादन के लिए, स्टेशन को 2.5 मीटर 3 पानी की आवश्यकता होती है।

अब तक, H2One स्टेशन एक बड़े उद्यम या पूरे शहर को बिजली प्रदान करने में सक्षम नहीं है, लेकिन इसकी ऊर्जा छोटे जिलों या संगठनों के कामकाज के लिए पर्याप्त होगी। इसकी गतिशीलता के कारण, इसे प्राकृतिक आपदाओं या आपातकालीन बिजली आउटेज की स्थिति में अस्थायी समाधान के रूप में भी इस्तेमाल किया जा सकता है। इसके अलावा, डीजल जनरेटर के विपरीत, जिसे ठीक से काम करने के लिए ईंधन की आवश्यकता होती है, हाइड्रोजन पावर प्लांट को केवल पानी की आवश्यकता होती है।

वर्तमान में, तोशिबा H2One का उपयोग जापान के कुछ ही शहरों में किया जाता है - उदाहरण के लिए, यह कावासाकी शहर में रेलवे स्टेशन को बिजली और गर्म पानी की आपूर्ति करता है।

कावासाकी शहर में H2One सिस्टम की स्थापना

हाइड्रोजन भविष्य

हाइड्रोजन ईंधन सेल अब पोर्टेबल पावर बैंक, कारों के साथ सिटी बसों और रेल परिवहन को शक्ति प्रदान करते हैं। (हम अपनी अगली पोस्ट में ऑटो उद्योग में हाइड्रोजन के उपयोग के बारे में अधिक बात करेंगे)।हाइड्रोजन ईंधन सेल अप्रत्याशित रूप से क्वाड्रोकॉप्टर के लिए एक उत्कृष्ट समाधान बन गए - बैटरी के समान द्रव्यमान के साथ, हाइड्रोजन रिजर्व पांच गुना अधिक उड़ान समय प्रदान करता है। इसी समय, ठंढ किसी भी तरह से दक्षता को प्रभावित नहीं करती है। प्रायोगिक ईंधन सेल ड्रोन उत्पादन रूसी कंपनीसोची ओलंपिक में फिल्मांकन के लिए एटी एनर्जी का इस्तेमाल किया गया था।

ज्ञात हुआ कि आने वाले समय में ओलिंपिक खेलोंटोक्यो में, हाइड्रोजन का उपयोग कारों में, बिजली और गर्मी के उत्पादन में किया जाएगा, और यह ओलंपिक गांव के लिए ऊर्जा का मुख्य स्रोत भी बन जाएगा। ऐसा करने के लिए, तोशिबा एनर्जी सिस्टम्स एंड सॉल्यूशंस कार्पोरेशन द्वारा आदेश दिया गया। जापानी शहर नेमी में, दुनिया के सबसे बड़े हाइड्रोजन उत्पादन संयंत्रों में से एक निर्माणाधीन है। स्टेशन हरित स्रोतों से 10 मेगावाट ऊर्जा की खपत करेगा, इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा प्रति वर्ष 900 टन हाइड्रोजन का उत्पादन करेगा।

हाइड्रोजन ऊर्जा हमारा "भविष्य के लिए भंडार" है, जब जीवाश्म ईंधन को पूरी तरह से छोड़ना होगा, और नवीकरणीय ऊर्जा स्रोत मानव जाति की जरूरतों को पूरा करने में सक्षम नहीं होंगे। मार्केट्स एंड मार्केट्स के पूर्वानुमान के अनुसार, वैश्विक हाइड्रोजन उत्पादन की मात्रा, जो अब 115 बिलियन डॉलर है, 2022 तक बढ़कर 154 बिलियन डॉलर हो जाएगी। लेकिन निकट भविष्य में, प्रौद्योगिकी के बड़े पैमाने पर परिचय होने की संभावना नहीं है, विशेष बिजली संयंत्रों के उत्पादन और संचालन से जुड़ी कई समस्याओं को हल करना, उनकी लागत को कम करना अभी भी आवश्यक है ... जब तकनीकी बाधाओं को दूर किया जाता है, तो हाइड्रोजन ऊर्जा एक नए स्तर पर पहुंच जाएगी और संभवत: आज के पारंपरिक या जलविद्युत के रूप में व्यापक हो जाएगी।

पारंपरिक आंतरिक दहन इंजन (ICE) में कई महत्वपूर्ण कमियां हैं, जो वैज्ञानिकों को इसकी तलाश करने के लिए मजबूर करती हैं योग्य प्रतिस्थापन... इस तरह के विकल्प के लिए सबसे लोकप्रिय विकल्प इलेक्ट्रिक मोटर है, लेकिन यह एकमात्र ऐसा नहीं है जो आंतरिक दहन इंजन के साथ प्रतिस्पर्धा कर सकता है। यह लेख हाइड्रोजन इंजन पर केंद्रित होगा, जिसे मोटर वाहन उद्योग का भविष्य माना जाता है और हानिकारक उत्सर्जन और ईंधन की उच्च लागत की समस्या को हल कर सकता है।

लघु कथा

इस तथ्य के बावजूद कि पर्यावरण का संरक्षण अब केवल एक बड़ी समस्या बन गया है, वैज्ञानिकों ने पहले मानक आंतरिक दहन इंजन को बदलने के बारे में सोचा है। इस प्रकार, एक हाइड्रोजन-संचालित इंजन ने 1806 में वापस "दुनिया को देखा", जिसे फ्रांसीसी आविष्कारक फ्रांकोइस इसाक डी रिवाज़ (उन्होंने पानी के इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा हाइड्रोजन का उत्पादन किया) की सुविधा प्रदान की थी।

कई दशक बीत गए, और हाइड्रोजन इंजन के लिए पहला पेटेंट इंग्लैंड (1841) में जारी किया गया था, और 1852 में जर्मन वैज्ञानिकों ने एक आंतरिक दहन इंजन तैयार किया था जो एक वायु-हाइड्रोजन मिश्रण पर काम कर सकता था।

थोड़ी देर बाद, लेनिनग्राद की घेराबंदी के दौरान, जब गैसोलीन एक दुर्लभ उत्पाद था, और हाइड्रोजन पर्याप्त मात्रा में उपलब्ध था। एक लंबी संख्या, तकनीशियन बोरिस शेलिश ने बैराज गुब्बारों के संचालन के लिए एक वायु-हाइड्रोजन मिश्रण का उपयोग करने का सुझाव दिया। उसके बाद, एयरोस्टेट वाइन्च के सभी आईसीई को हाइड्रोजन पावर में बदल दिया गया, और हाइड्रोजन से चलने वाली मशीनों की कुल संख्या 600 यूनिट तक पहुंच गई।

बीसवीं शताब्दी के पूर्वार्ध में, हाइड्रोजन इंजनों में सार्वजनिक रुचि कम थी, लेकिन 70 के दशक के ईंधन और ऊर्जा संकट के आगमन के साथ, स्थिति नाटकीय रूप से बदल गई। विशेष रूप से, 1879 में, बीएमडब्ल्यू ने पहली कार जारी की जो हाइड्रोजन पर काफी सफल रही (बिना विस्फोट और जल वाष्प निकास पाइप से बचकर)।

बीएमडब्ल्यू के बाद, अन्य बड़े वाहन निर्माताओं ने इस दिशा में काम करना शुरू किया, और पिछली शताब्दी के अंत तक, लगभग हर स्वाभिमानी ऑटो कंपनी के पास पहले से ही हाइड्रोजन ईंधन पर एक कार विकसित करने की अवधारणा थी। हालांकि, तेल संकट के अंत के साथ, वैकल्पिक ईंधन स्रोतों में सार्वजनिक रुचि गायब हो गई है, हालांकि आजकल यह फिर से जागना शुरू हो रहा है, पर्यावरणविदों द्वारा कार निकास गैसों की विषाक्तता को कम करने के लिए लड़ रहे हैं।

इसके अलावा, ऊर्जा की कीमतें और ईंधन स्वतंत्रता हासिल करने की इच्छा केवल दुनिया के कई देशों के वैज्ञानिकों द्वारा सैद्धांतिक और व्यावहारिक अनुसंधान के संचालन में योगदान करती है। सबसे सक्रिय बीएमडब्ल्यू, जनरल मोटर्स, होंडा मोटर, फोर्ड मोटर हैं।

दिलचस्प तथ्य! ब्रह्मांड में हाइड्रोजन सबसे प्रचुर मात्रा में तत्व है, लेकिन इसे हमारे ग्रह पर अपने शुद्ध रूप में खोजना बहुत मुश्किल होगा।

संचालन का सिद्धांत और हाइड्रोजन इंजन के प्रकार

हाइड्रोजन संयंत्र और पारंपरिक इंजनों के बीच मुख्य अंतर ईंधन द्रव की आपूर्ति करने की विधि और बाद में काम करने वाले मिश्रण के प्रज्वलन का है। इस मामले में, क्रैंक तंत्र के पारस्परिक आंदोलनों के परिवर्तन का सिद्धांत उपयोगी कार्यकुछ नहीं बदला है। यह देखते हुए कि ईंधन तेल का दहन धीरे-धीरे होता है, ईंधन-हवा का मिश्रण दहन कक्ष को पिस्टन के ऊपर की स्थिति (तथाकथित शीर्ष मृत केंद्र) लेने से पहले भर देता है।

हाइड्रोजन की तीव्र प्रतिक्रिया इंजेक्शन के समय को उस क्षण के करीब स्थानांतरित करना संभव बनाती है जब पिस्टन नीचे मृत केंद्र में वापस आना शुरू कर देता है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि ईंधन प्रणाली में दबाव आवश्यक रूप से अधिक नहीं होगा।

यदि हाइड्रोजन इंजन के लिए आदर्श संचालन की स्थिति बनाई जाती है, तो इसमें एक बंद-प्रकार की ईंधन आपूर्ति प्रणाली हो सकती है, जब मिश्रण बनाने की प्रक्रिया वायुमंडलीय वायु धाराओं की भागीदारी के बिना होती है। इस मामले में, संपीड़न स्ट्रोक के बाद, जल वाष्प दहन कक्ष में रहता है, जो रेडिएटर से गुजरते हुए, संघनित होता है और फिर से साधारण पानी में बदल जाता है।

हालाँकि, इस प्रकार के उपकरण का उपयोग तभी संभव है जब वाहन में एक इलेक्ट्रोलाइज़र हो जो ऑक्सीजन के साथ अपनी पुन: प्रतिक्रिया के लिए हाइड्रोजन को पानी से अलग करता है। फिलहाल, ऐसे परिणाम हासिल करना बेहद मुश्किल है। इसका उपयोग इंजन के स्थिर संचालन के लिए किया जाता है, और इसके वाष्प निकास गैसों का हिस्सा होते हैं।

इसलिए, वायुमंडलीय हवा के उपयोग के बिना बिजली संयंत्र की एक परेशानी मुक्त शुरुआत और ऑक्सीहाइड्रोजन गैस पर इसका स्थिर संचालन अब तक एक असंभव कार्य है। ऑटोमोटिव हाइड्रोजन प्लांट के दो प्रकार हैं:हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं, और हाइड्रोजन आंतरिक दहन इंजनों के आधार पर काम करने वाली इकाइयाँ।

हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं पर आधारित बिजली संयंत्र

ईंधन कोशिकाओं के संचालन का सिद्धांत भौतिक और रासायनिक प्रतिक्रियाओं पर आधारित है। वास्तव में, ये वही लीड-एसिड बैटरी हैं, केवल गुणांक उपयोगी क्रियाईंधन सेल बैटरी से थोड़ा अधिक है, और लगभग 45% (कभी-कभी अधिक) है।

हाइड्रोजन-ऑक्सीजन ईंधन सेल (यह केवल प्रोटॉन का संचालन करता है) के शरीर में एक झिल्ली रखी जाती है, जो कक्ष को एनोड और कक्ष को कैथोड से अलग करती है। हाइड्रोजन एनोड के साथ कक्ष में प्रवेश करती है, और ऑक्सीजन कैथोड कक्ष में प्रवेश करती है। प्रत्येक इलेक्ट्रोड को उत्प्रेरक परत के साथ अग्रिम रूप से कवर किया जाता है, जिसे अक्सर प्लैटिनम द्वारा खेला जाता है। इसके संपर्क में आने पर, आणविक हाइड्रोजन इलेक्ट्रॉनों को खोना शुरू कर देता है।

उसी समय, प्रोटॉन झिल्ली से कैथोड तक जाते हैं और उसी उत्प्रेरक के प्रभाव में, बाहर से आने वाले इलेक्ट्रॉनों के साथ संयोजन करते हैं। प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप, पानी बनता है, और एनोड कक्ष से इलेक्ट्रॉन मोटर से जुड़े विद्युत सर्किट में चले जाते हैं। सीधे शब्दों में कहें, तो हमें एक विद्युत प्रवाह मिलता है जो मोटर को शक्ति प्रदान करता है।

ईंधन कोशिकाओं पर आधारित हाइड्रोजन इंजन अब एंटेल -1 पावर प्लांट से लैस निवा वाहनों और एंटेल -2 यूनिट वाले लाडा 111 वाहनों पर उपयोग किए जाते हैं, जिन्हें यूराल इंजीनियरों द्वारा विकसित किया गया था।पहले मामले में, एक चार्ज 200 किमी के लिए पर्याप्त है, और दूसरे में - 350 किमी के लिए।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि ऐसे हाइड्रोजन इंजनों के डिजाइन में शामिल धातुओं (पैलेडियम और प्लैटिनम) की उच्च लागत के कारण, ऐसे प्रतिष्ठानों की बहुत अधिक लागत होती है, जो उस वाहन की कीमत में काफी वृद्धि करती है जिस पर वे स्थापित होते हैं।

क्या आप जानते हैं?टोयोटा ने 20 साल पहले फ्यूल सेल टेक्नोलॉजी के साथ काम करना शुरू किया था। प्रियस हाइब्रिड परियोजना उस समय के आसपास शुरू की गई थी।

हाइड्रोजन आंतरिक दहन इंजन

इस प्रकार का बिजली संयंत्र आज आम प्रोपेन इंजन के समान है, इसलिए, प्रोपेन से हाइड्रोजन ईंधन पर स्विच करने के लिए, इंजन को फिर से कॉन्फ़िगर करने के लिए पर्याप्त है। इस तरह के संक्रमण के पहले से ही कई उदाहरण हैं, लेकिन यह कहा जाना चाहिए कि इस मामले में ईंधन कोशिकाओं का उपयोग करते समय दक्षता थोड़ी कम होगी। वहीं, 1 kW हाइड्रोजन ऊर्जा प्राप्त करने के लिए कम की आवश्यकता होती है, जो इस नुकसान की पूरी तरह से भरपाई करता है।

पारंपरिक दहन इंजन में इस पदार्थ के उपयोग से कई समस्याएं पैदा होंगी। सर्वप्रथम, उच्च संपीड़न तापमान हाइड्रोजन को प्रतिक्रिया करने के लिए "मजबूर" करेगा धातु तत्वइंजन या यहां तक कि इंजन ऑयल। दूसरे, गर्म निकास मैनिफोल्ड के संपर्क में आने पर एक छोटा सा रिसाव भी निश्चित रूप से आग का कारण बनेगा।

इस कारण से, हाइड्रोजन संरचनाओं को बनाने के लिए केवल रोटरी-प्रकार की बिजली इकाइयों का उपयोग किया जाता है, क्योंकि उनका डिज़ाइन सेवन और निकास के बीच की दूरी के कारण आग के जोखिम को कई गुना कम कर देता है। किसी भी मामले में, अब तक सभी समस्याओं को दरकिनार कर दिया गया है, जिससे हाइड्रोजन को काफी आशाजनक ईंधन माना जा सकता है।

हाइड्रोजन से चलने वाले वाहन का एक अच्छा उदाहरण प्रायोगिक बीएमडब्ल्यू 750hL सेडान है, जिसकी अवधारणा को 2000 के दशक की शुरुआत में वापस पेश किया गया था।कार बारह-सिलेंडर रॉकेट-संचालित इंजन से लैस है जो कार को 140 किमी / घंटा तक गति प्रदान करने की अनुमति देती है। तरल रूप में हाइड्रोजन को एक विशेष टैंक में संग्रहित किया जाता है, और इसका एक भंडार 300 किलोमीटर के लिए पर्याप्त है। यदि यह पूरी तरह से खपत हो जाता है, तो सिस्टम स्वचालित रूप से पेट्रोल पावर पर स्विच हो जाता है।

आज बाजार में हाइड्रोजन इंजन

हाइड्रोजन इंजन के संचालन के क्षेत्र में वैज्ञानिकों द्वारा हाल ही में किए गए शोध से पता चला है कि वे न केवल पर्यावरण के अनुकूल (जैसे इलेक्ट्रिक मोटर्स) हैं, बल्कि प्रदर्शन के मामले में बहुत कुशल हो सकते हैं। इसके अलावा, तकनीकी संकेतकों के संदर्भ में, हाइड्रोजन पावर प्लांट अपने विद्युत समकक्षों को बायपास करते हैं, जो पहले ही सिद्ध हो चुके हैं (उदाहरण के लिए, होंडा क्लैरिटी)।

भी यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि, टेस्ला पावरवॉल सिस्टम के विपरीत, हाइड्रोजन एनालॉग्स में एक महत्वपूर्ण खामी है: सौर ऊर्जा की मदद से बैटरी को चार्ज करना अब संभव नहीं होगा, बल्कि आपको एक विशेष फिलिंग स्टेशन की तलाश करनी होगी, जो आज वैश्विक स्तर पर भी इतने नहीं हैं।

अब होंडा क्लैरिटी को काफी सीमित बैच में जारी किया गया है, और आप केवल लैंड ऑफ द राइजिंग सन में ही कार खरीद सकते हैं, क्योंकि वाहन 2016 के अंत में ही यूरोप और अमेरिका में दिखाई देगा।

जानना दिलचस्प है!पावर एक्सपोर्टर 9000 अल्टरनेटर (होंडा क्लैरिटी के साथ वैकल्पिक) सभी को पावर देने में सक्षम है घरेलू उपकरणलगभग पूरे एक सप्ताह।

इसके अलावा, हमारे समय में, अन्य वाहनों का उत्पादन किया जाता है जो हाइड्रोजन ईंधन का उपयोग करते हैं। इनमें मज़्दा RX-8 हाइड्रोजन और बीएमडब्ल्यू हाइड्रोजन 7 (लिक्विड हाइड्रोजन और गैसोलीन पर चलने वाले हाइब्रिड), साथ ही Ford E-450 और MAN लायन सिटी बस शामिल हैं।

यात्री कारों में, आज हाइड्रोजन वाहनों के सबसे प्रमुख प्रतिनिधि ऑटोमोबाइल हैं। मर्सिडीज-बेंज जीएलसी एफ-सेल(एक नियमित घरेलू नेटवर्क से रिचार्ज करने की संभावना है, और कुल बिजली आरक्षित लगभग 500 किमी है), टोयोटा मिराई(यह केवल हाइड्रोजन पर चलता है, और एक ईंधन भरना 650 किमी के लिए पर्याप्त होना चाहिए) और होंडा एफसीएक्स स्पष्टता(घोषित क्रूज़िंग रेंज 700 किमी तक पहुँचती है)। लेकिन इतना ही नहीं, क्योंकि हाइड्रोजन से चलने वाले वाहन भी अन्य कंपनियों द्वारा निर्मित होते हैं, उदाहरण के लिए, हुंडई (टक्सन एफसीईवी)।

हाइड्रोजन इंजन के पेशेवरों और मुख्य नुकसान

इसके सभी लाभों के साथ, यह नहीं कहा जा सकता है कि हाइड्रोजन परिवहन कुछ नुकसानों से रहित है। विशेष रूप से, यह समझा जाना चाहिए कि हाइड्रोजन का दहनशील रूप at कमरे का तापमानऔर सामान्य दबाव गैस के रूप में प्रस्तुत किया जाता है, जो ऐसे ईंधन के भंडारण और परिवहन में कुछ कठिनाइयों का कारण बनता है। यानी वहाँ है गंभीर समस्याऑटोमोबाइल के लिए ईंधन के रूप में उपयोग किए जाने वाले हाइड्रोजन के लिए सुरक्षित टैंक डिजाइन करना।

इसके अलावा, इस पदार्थ वाले सिलेंडरों की आवश्यकता होती है आवधिक निरीक्षणऔर प्रमाणन जो केवल योग्य और लाइसेंस प्राप्त कर्मियों द्वारा ही किए जा सकते हैं।इन समस्याओं को जोड़ने के लिए हाइड्रोजन इंजन को बनाए रखने की उच्च लागत, बहुत सीमित संख्या में फिलिंग स्टेशनों (कम से कम हमारे देश में) का उल्लेख नहीं करना चाहिए।

यह मत भूलो कि हाइड्रोजन इंस्टॉलेशन कार के वजन को बढ़ाता है, यही वजह है कि यह उतना गतिशील नहीं हो सकता जितना आप चाहेंगे। इसलिए, उपरोक्त सभी को ध्यान में रखते हुए, ध्यान से सोचें: क्या यह हाइड्रोजन वाहन खरीदने लायक है, या इसे अभी के लिए स्थगित करना बेहतर है।

हालांकि, यह कहा जाना चाहिए कि इस तरह के समाधान में कई फायदे हैं। सर्वप्रथम, आपकी कार प्रदूषित नहीं करेगी वातावरणजहरीली निकास गैसें, दूसरे, हाइड्रोजन का बड़े पैमाने पर उत्पादन ईंधन की कीमतों में तेजी से बदलाव और आपूर्ति में व्यवधान की समस्या को हल करने में मदद कर सकता है सामान्य प्रकारईंधन तरल पदार्थ।

इसके अलावा, कई देशों में मीथेन पाइपलाइन पहले ही बनाई जा चुकी हैं, और उन्हें आसानी से गैस स्टेशनों पर डिलीवरी के साथ हाइड्रोजन पंप करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। हाइड्रोजन का उत्पादन छोटे पैमाने पर, यानी स्थानीय स्तर पर, और बड़ी मात्रा में, बड़े, केंद्रीकृत उद्यमों में किया जा सकता है। हाइड्रोजन उत्पादन में वृद्धि घरेलू उद्देश्यों के लिए इस पदार्थ की आपूर्ति में वृद्धि के लिए एक अतिरिक्त प्रोत्साहन के रूप में काम करेगी (उदाहरण के लिए, घरों और कार्यालयों को गर्म करने के लिए)।

हाइड्रोजन ईंधन सेल ईंधन की रासायनिक ऊर्जा को बिजली में परिवर्तित करते हैं, अप्रभावी दहन प्रक्रियाओं को दरकिनार करते हुए और थर्मल ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं।

विवरण:

हाइड्रोजन ईंधन सेल ईंधन की रासायनिक ऊर्जा को बिजली में परिवर्तित करते हैं, अप्रभावी दहन प्रक्रियाओं को दरकिनार करते हुए और थर्मल ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। एक हाइड्रोजन ईंधन सेल है विद्युतईंधन के अत्यधिक कुशल "ठंडे" दहन के परिणामस्वरूप, उपकरण सीधे बिजली उत्पन्न करता है। हाइड्रोजन-एयर प्रोटॉन-एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल (PEMFC) सबसे आशाजनक ईंधन सेल प्रौद्योगिकियों में से एक है। तत्वों.

एक प्रोटॉन-संवाहक बहुलक झिल्ली दो इलेक्ट्रोड - एनोड और कैथोड को अलग करती है। प्रत्येक इलेक्ट्रोड एक उत्प्रेरक के साथ लेपित कार्बन प्लेट (मैट्रिक्स) है। एनोड उत्प्रेरक पर, आणविक हाइड्रोजन अलग हो जाता है और इलेक्ट्रॉनों को दान करता है। हाइड्रोजन केशन झिल्ली के माध्यम से कैथोड तक ले जाया जाता है, लेकिन इलेक्ट्रॉनों को बाहरी सर्किट में दान कर दिया जाता है, क्योंकि झिल्ली इलेक्ट्रॉनों को गुजरने की अनुमति नहीं देती है।

कैथोड उत्प्रेरक पर, एक ऑक्सीजन अणु एक इलेक्ट्रॉन (जिसे विद्युत सर्किट से आपूर्ति की जाती है) और एक आने वाले प्रोटॉन के साथ मिलकर पानी बनाता है, जो एकमात्र प्रतिक्रिया उत्पाद है (वाष्प और / या तरल के रूप में)।

झिल्ली-इलेक्ट्रोड इकाइयाँ हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं से बनी होती हैं, जो ऊर्जा प्रणाली का एक प्रमुख उत्पादक तत्व हैं।