ईंधन कोष ईंधन सेल रासायनिक ऊर्जा स्रोत हैं। वे अकुशल, उच्च-नुकसान वाली दहन प्रक्रियाओं को दरकिनार करते हुए, ईंधन ऊर्जा का बिजली में प्रत्यक्ष रूपांतरण करते हैं। ईंधन के अत्यधिक कुशल "ठंडे" दहन के परिणामस्वरूप यह विद्युत रासायनिक उपकरण सीधे बिजली उत्पन्न करता है।
बायोकेमिस्ट्स ने स्थापित किया है कि एक जैविक हाइड्रोजन-ऑक्सीजन ईंधन सेल प्रत्येक जीवित कोशिका में "निर्मित" होता है (अध्याय 2 देखें)।
शरीर में हाइड्रोजन का स्रोत भोजन है - वसा, प्रोटीन और कार्बोहाइड्रेट। पेट, आंतों और कोशिकाओं में, यह अंततः मोनोमर्स में विघटित हो जाता है, जो बदले में, रासायनिक परिवर्तनों की एक श्रृंखला के बाद, वाहक अणु से जुड़ा हाइड्रोजन देता है।
हवा से ऑक्सीजन फेफड़ों के माध्यम से रक्त में प्रवेश करती है, हीमोग्लोबिन के साथ जुड़ती है और सभी ऊतकों तक ले जाती है। ऑक्सीजन के साथ हाइड्रोजन के संयोजन की प्रक्रिया शरीर के बायोएनेरगेटिक्स का आधार है। यहां, हल्की परिस्थितियों (कमरे का तापमान, सामान्य दबाव, जलीय वातावरण) के तहत, उच्च दक्षता वाली रासायनिक ऊर्जा थर्मल, मैकेनिकल (मांसपेशियों की गति), बिजली (विद्युत रैंप), प्रकाश (प्रकाश उत्सर्जित करने वाले कीड़े) में परिवर्तित हो जाती है।
प्रकृति द्वारा बनाई गई ऊर्जा को प्राप्त करने के लिए मनुष्य ने एक बार फिर उपकरण को दोहराया। वहीं, यह तथ्य दिशा की संभावनाओं की ओर इशारा करता है। प्रकृति में सभी प्रक्रियाएं बहुत तर्कसंगत हैं, इसलिए ईंधन कोशिकाओं के वास्तविक उपयोग की दिशा में कदम ऊर्जा भविष्य के लिए आशा को प्रेरित करते हैं।
1838 में हाइड्रोजन-ऑक्सीजन ईंधन सेल की खोज अंग्रेजी वैज्ञानिक डब्ल्यू. ग्रोव की है। हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में पानी के अपघटन की जांच करते हुए, उन्होंने एक साइड इफेक्ट की खोज की - इलेक्ट्रोलाइज़र ने एक विद्युत प्रवाह उत्पन्न किया।
ईंधन सेल में क्या जलता है?
जीवाश्म ईंधन (कोयला, गैस और तेल) ज्यादातर कार्बन हैं। दहन के दौरान, ईंधन परमाणु इलेक्ट्रॉनों को खो देते हैं, और वायु ऑक्सीजन परमाणु उन्हें प्राप्त करते हैं। तो ऑक्सीकरण की प्रक्रिया में, कार्बन और ऑक्सीजन परमाणुओं को दहन उत्पादों - कार्बन डाइऑक्साइड अणुओं में जोड़ा जाता है। यह प्रक्रिया जोरदार है: दहन में शामिल पदार्थों के परमाणु और अणु उच्च गति प्राप्त करते हैं, और इससे उनके तापमान में वृद्धि होती है। वे प्रकाश का उत्सर्जन करना शुरू करते हैं - एक लौ दिखाई देती है।
कार्बन दहन की रासायनिक प्रतिक्रिया का रूप है:
सी + ओ 2 = सीओ 2 + गर्मी
दहन की प्रक्रिया में, ईंधन के परमाणुओं और ऑक्सीकारक के बीच इलेक्ट्रॉनों के आदान-प्रदान के कारण रासायनिक ऊर्जा तापीय ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। यह विनिमय बेतरतीब ढंग से होता है।
दहन परमाणुओं के बीच इलेक्ट्रॉनों का आदान-प्रदान है, और विद्युत प्रवाह इलेक्ट्रॉनों की निर्देशित गति है। यदि रासायनिक प्रतिक्रिया की प्रक्रिया में, इलेक्ट्रॉनों को काम करने के लिए मजबूर किया जाता है, तो दहन प्रक्रिया का तापमान कम हो जाएगा। FC में, एक इलेक्ट्रोड पर अभिकारकों से इलेक्ट्रॉनों को लिया जाता है, विद्युत प्रवाह के रूप में अपनी ऊर्जा छोड़ दी जाती है, और दूसरे में अभिकारकों से जुड़ जाते हैं।
किसी भी एचआईटी का आधार इलेक्ट्रोलाइट द्वारा जुड़े दो इलेक्ट्रोड होते हैं। एक ईंधन सेल में एक एनोड, एक कैथोड और एक इलेक्ट्रोलाइट होता है (अध्याय 2 देखें)। एनोड पर ऑक्सीकरण करता है, अर्थात। इलेक्ट्रॉनों को दान करता है, कम करने वाला एजेंट (सीओ या एच 2 ईंधन), एनोड से मुक्त इलेक्ट्रॉन बाहरी सर्किट में प्रवेश करते हैं, और सकारात्मक आयनों को एनोड-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस (सीओ +, एच +) में बनाए रखा जाता है। श्रृंखला के दूसरे छोर से, इलेक्ट्रॉन कैथोड के पास पहुंचते हैं, जिस पर कमी प्रतिक्रिया होती है (ऑक्सीकरण एजेंट O2– द्वारा इलेक्ट्रॉनों का योग)। ऑक्सीडेंट आयनों को तब इलेक्ट्रोलाइट द्वारा कैथोड तक ले जाया जाता है।
FC में, भौतिक-रासायनिक प्रणाली के तीन चरणों को एक साथ लाया जाता है:
गैस (ईंधन, ऑक्सीडाइज़र);
इलेक्ट्रोलाइट (आयनों का कंडक्टर);
धातु इलेक्ट्रोड (इलेक्ट्रॉनों का संवाहक)।
ईंधन कोशिकाओं में, रेडॉक्स प्रतिक्रिया की ऊर्जा विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है, और ऑक्सीकरण और कमी की प्रक्रियाओं को इलेक्ट्रोलाइट द्वारा स्थानिक रूप से अलग किया जाता है। इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट प्रतिक्रिया में भाग नहीं लेते हैं, लेकिन वास्तविक डिजाइनों में वे समय के साथ ईंधन की अशुद्धियों से दूषित हो जाते हैं। विद्युत रासायनिक दहन कम तापमान पर और व्यावहारिक रूप से बिना नुकसान के आगे बढ़ सकता है। अंजीर पर। p087 उस स्थिति को दर्शाता है जिसमें गैसों (CO और H2) का मिश्रण ईंधन सेल में प्रवेश करता है, अर्थात। यह गैसीय ईंधन को जला सकता है (अध्याय 1 देखें)। इस प्रकार, TE "सर्वभक्षी" हो जाता है।
ईंधन कोशिकाओं का उपयोग इस तथ्य से जटिल है कि उनके लिए ईंधन "तैयार" होना चाहिए। ईंधन कोशिकाओं के लिए, हाइड्रोजन कार्बनिक ईंधन या कोयला गैसीकरण के रूपांतरण द्वारा प्राप्त किया जाता है। इसलिए, ईंधन सेल पर बिजली संयंत्र के संरचनात्मक आरेख, ईंधन सेल की बैटरी के अलावा, डीसी-टू-एसी कनवर्टर (अध्याय 3 देखें) और सहायक उपकरण में हाइड्रोजन उत्पादन इकाई शामिल है।
एफसी विकास की दो दिशाएं
ईंधन कोशिकाओं के अनुप्रयोग के दो क्षेत्र हैं: स्वायत्त और बड़े पैमाने पर ऊर्जा।
स्वायत्त उपयोग के लिए, विशिष्ट विशेषताएं और उपयोग में आसानी मुख्य हैं। उत्पन्न ऊर्जा की लागत मुख्य संकेतक नहीं है।
बड़े बिजली उत्पादन के लिए, दक्षता एक निर्णायक कारक है। इसके अलावा, प्रतिष्ठान टिकाऊ होने चाहिए, इसमें महंगी सामग्री नहीं होनी चाहिए और न्यूनतम तैयारी लागत के साथ प्राकृतिक ईंधन का उपयोग करना चाहिए।
एक कार में ईंधन कोशिकाओं के उपयोग से सबसे बड़ा लाभ मिलता है। यहां, कहीं और की तरह, ईंधन कोशिकाओं की कॉम्पैक्टनेस का प्रभाव पड़ेगा। ईंधन से बिजली की सीधी प्राप्ति के साथ, बाद वाले की बचत लगभग 50% होगी।
पहली बार, बड़े पैमाने पर बिजली इंजीनियरिंग में ईंधन कोशिकाओं के उपयोग का विचार जर्मन वैज्ञानिक डब्ल्यू ओसवाल्ड द्वारा 1894 में तैयार किया गया था। बाद में, ईंधन सेल के आधार पर स्वायत्त ऊर्जा के कुशल स्रोत बनाने का विचार विकसित किया गया।
उसके बाद, ईंधन कोशिकाओं में कोयले को सक्रिय पदार्थ के रूप में उपयोग करने के लिए बार-बार प्रयास किए गए। 1930 के दशक में, जर्मन शोधकर्ता ई. बाउर ने कोयले के प्रत्यक्ष एनोडिक ऑक्सीकरण के लिए एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट के साथ एक ईंधन सेल का एक प्रयोगशाला प्रोटोटाइप बनाया। उसी समय, ऑक्सीजन-हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं का अध्ययन किया गया था।
1958 में, इंग्लैंड में, F. बेकन ने 5 kW की क्षमता वाला पहला ऑक्सीजन-हाइड्रोजन संयंत्र बनाया। लेकिन उच्च गैस दबाव (2 ... 4 एमपीए) के उपयोग के कारण यह बोझिल था।
1955 से, के. कोर्डेश संयुक्त राज्य अमेरिका में कम तापमान वाले ऑक्सीजन-हाइड्रोजन ईंधन सेल विकसित कर रहे हैं। उन्होंने प्लैटिनम उत्प्रेरक के साथ कार्बन इलेक्ट्रोड का इस्तेमाल किया। जर्मनी में, ई. यस्ट ने गैर-प्लैटिनम उत्प्रेरकों के निर्माण पर काम किया।
1960 के बाद, प्रदर्शन और विज्ञापन के नमूने बनाए गए। ईंधन कोशिकाओं का पहला व्यावहारिक अनुप्रयोग अपोलो अंतरिक्ष यान पर पाया गया था। वे जहाज पर उपकरणों को बिजली देने के लिए मुख्य बिजली संयंत्र थे और अंतरिक्ष यात्रियों को पानी और गर्मी प्रदान करते थे।
ऑफ-ग्रिड एफसी प्रतिष्ठानों के उपयोग के मुख्य क्षेत्र सैन्य और नौसैनिक अनुप्रयोग रहे हैं। 1960 के दशक के अंत में, ईंधन कोशिकाओं पर अनुसंधान की मात्रा में कमी आई, और 1980 के दशक के बाद, यह बड़े पैमाने पर ऊर्जा के संबंध में फिर से बढ़ गया।
VARTA ने दो तरफा गैस प्रसार इलेक्ट्रोड का उपयोग करके FC विकसित किए हैं। इस प्रकार के इलेक्ट्रोड को "जानूस" कहा जाता है। सीमेंस ने 90 वॉट/किलोग्राम तक की शक्ति घनत्व वाले इलेक्ट्रोड विकसित किए हैं। संयुक्त राज्य अमेरिका में, यूनाइटेड टेक्नोलॉजी कार्पोरेशन द्वारा ऑक्सीजन-हाइड्रोजन कोशिकाओं पर काम किया जा रहा है।
बड़े पैमाने पर बिजली उद्योग में, बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण के लिए ईंधन कोशिकाओं का उपयोग, उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन का उत्पादन (अध्याय 1 देखें), बहुत आशाजनक है। (सूर्य और हवा) बिखरे हुए हैं (अध्याय 4 देखें)। उनका गंभीर उपयोग, जो भविष्य में अपरिहार्य है, किसी न किसी रूप में ऊर्जा का भंडारण करने वाली क्षमता वाली बैटरी के बिना अकल्पनीय है।
संचय की समस्या आज पहले से ही प्रासंगिक है: बिजली प्रणालियों के भार में दैनिक और साप्ताहिक उतार-चढ़ाव उनकी दक्षता को काफी कम कर देता है और तथाकथित पैंतरेबाज़ी क्षमताओं की आवश्यकता होती है। इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा भंडारण के विकल्पों में से एक इलेक्ट्रोलाइज़र और गैस धारकों के संयोजन में एक ईंधन सेल है *।
* गैस धारक [गैस + अंग्रेजी। धारक] - बड़ी मात्रा में गैस का भंडारण।
TE . की पहली पीढ़ी
पहली पीढ़ी के मध्यम-तापमान ईंधन सेल, तरल ईंधन, प्राकृतिक गैस या तकनीकी हाइड्रोजन* पर 200...230°C के तापमान पर काम करते हुए, सबसे बड़ी तकनीकी पूर्णता तक पहुँच चुके हैं। उनमें इलेक्ट्रोलाइट फॉस्फोरिक एसिड होता है, जो छिद्रपूर्ण कार्बन मैट्रिक्स को भरता है। इलेक्ट्रोड कार्बन से बने होते हैं और उत्प्रेरक प्लैटिनम होता है (प्लैटिनम का उपयोग कुछ ग्राम प्रति किलोवाट बिजली के क्रम में मात्रा में किया जाता है)।
* वाणिज्यिक हाइड्रोजन एक जीवाश्म ईंधन रूपांतरण उत्पाद है जिसमें कार्बन मोनोऑक्साइड की मामूली अशुद्धियाँ होती हैं।
ऐसा ही एक बिजली संयंत्र 1991 में कैलिफोर्निया राज्य में चालू किया गया था। इसमें 18 टन वजन वाली अठारह बैटरियां होती हैं और इसे 2 मीटर से अधिक के व्यास और लगभग 5 मीटर की ऊंचाई वाले मामले में रखा जाता है। रेल के साथ चलती फ्रेम संरचना का उपयोग करके बैटरी प्रतिस्थापन प्रक्रिया पर विचार किया गया है।
संयुक्त राज्य अमेरिका ने जापान को दो बिजली संयंत्र जापान को दिए। उनमें से पहला 1983 की शुरुआत में लॉन्च किया गया था। स्टेशन का परिचालन प्रदर्शन परिकलित लोगों के अनुरूप था। उसने नाममात्र के 25 से 80% भार के साथ काम किया। दक्षता 30...37% तक पहुंच गई - यह आधुनिक बड़े ताप विद्युत संयंत्रों के करीब है। ठंडे राज्य से इसका स्टार्ट-अप समय 4 घंटे से 10 मिनट तक है, और बिजली परिवर्तन की अवधि शून्य से पूर्ण में केवल 15 सेकंड है।
अब संयुक्त राज्य के विभिन्न हिस्सों में, लगभग 80% के ईंधन उपयोग कारक के साथ 40 kW की क्षमता वाले छोटे संयुक्त ताप और बिजली संयंत्रों का परीक्षण किया जा रहा है। वे 130 डिग्री सेल्सियस तक पानी गर्म कर सकते हैं और उन्हें लॉन्ड्री, खेल परिसरों, संचार बिंदुओं आदि में रखा जाता है। लगभग सौ प्रतिष्ठानों ने पहले ही कुल सैकड़ों-हजारों घंटे काम किया है। एफसी बिजली संयंत्रों की पर्यावरण मित्रता उन्हें सीधे शहरों में रखने की अनुमति देती है।
न्यूयॉर्क में 4.5 मेगावाट की क्षमता वाले पहले ईंधन बिजली संयंत्र ने 1.3 हेक्टेयर क्षेत्र पर कब्जा कर लिया। अब, ढाई गुना अधिक क्षमता वाले नए संयंत्रों के लिए, 30x60 मीटर की एक साइट की आवश्यकता है।11 मेगावाट की क्षमता वाले कई प्रदर्शन बिजली संयंत्र बनाए जा रहे हैं। निर्माण समय (7 महीने) और बिजली संयंत्र के कब्जे वाले क्षेत्र (30x60 मीटर) हड़ताली हैं। नए बिजली संयंत्रों की अनुमानित सेवा जीवन 30 वर्ष है।
दूसरी और तीसरी पीढ़ी TE
सबसे अच्छी विशेषताओं को पहले से ही दूसरी पीढ़ी के मध्यम-तापमान ईंधन कोशिकाओं के साथ 5 मेगावाट की क्षमता वाले मॉड्यूलर प्लांट तैयार किए जा रहे हैं। वे 650...700°C के तापमान पर काम करते हैं। उनके एनोड निकल और क्रोमियम के sintered कणों से बने होते हैं, कैथोड sintered और ऑक्सीकृत एल्यूमीनियम से बने होते हैं, और इलेक्ट्रोलाइट लिथियम और पोटेशियम कार्बोनेट का मिश्रण होता है। ऊंचा तापमान दो प्रमुख विद्युत रासायनिक समस्याओं को हल करने में मदद करता है:
कार्बन मोनोऑक्साइड द्वारा उत्प्रेरक के "विषाक्तता" को कम करें;
कैथोड पर ऑक्सीडाइज़र की कमी की प्रक्रिया की दक्षता में वृद्धि।
ठोस ऑक्साइड (मुख्य रूप से ज़िरकोनियम डाइऑक्साइड) के इलेक्ट्रोलाइट के साथ तीसरी पीढ़ी के उच्च तापमान वाले ईंधन सेल और भी अधिक कुशल होंगे। उनका ऑपरेटिंग तापमान 1000 डिग्री सेल्सियस तक है। ऐसे ईंधन कोशिकाओं वाले बिजली संयंत्रों की दक्षता 50% के करीब है। यहां, कार्बन मोनोऑक्साइड की एक महत्वपूर्ण सामग्री के साथ कठोर कोयले के गैसीकरण के उत्पाद भी ईंधन के रूप में उपयुक्त हैं। समान रूप से महत्वपूर्ण, उच्च तापमान वाले संयंत्रों से निकलने वाली अपशिष्ट गर्मी का उपयोग विद्युत जनरेटर के लिए टर्बाइन चलाने के लिए भाप का उत्पादन करने के लिए किया जा सकता है।
वेस्टिंगॉस 1958 से ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल व्यवसाय में है। यह 25 ... 200 kW की क्षमता वाले बिजली संयंत्र विकसित करता है, जिसमें कोयले से गैसीय ईंधन का उपयोग किया जा सकता है। कई मेगावाट की क्षमता वाले प्रायोगिक प्रतिष्ठानों को परीक्षण के लिए तैयार किया जा रहा है। एक अन्य अमेरिकी फर्म, एंगेलगर्ड, 50 किलोवाट ईंधन कोशिकाओं को डिजाइन कर रही है जो मेथनॉल पर फॉस्फोरिक एसिड के साथ इलेक्ट्रोलाइट के रूप में चलती हैं।
दुनिया भर में अधिक से अधिक कंपनियां ईंधन कोशिकाओं के निर्माण में शामिल हैं। अमेरिकन यूनाइटेड टेक्नोलॉजी और जापानी तोशिबा ने इंटरनेशनल फ्यूल सेल कॉर्पोरेशन का गठन किया। यूरोप में, बेल्जियम-डच कंसोर्टियम एलेंको, पश्चिम जर्मन कंपनी सीमेंस, इतालवी फिएट और ब्रिटिश जोंसन मेटजू ईंधन कोशिकाओं में लगे हुए हैं।
विक्टर लवरस।
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हाइड्रोजन ईंधन सेल ईंधन की रासायनिक ऊर्जा को बिजली में परिवर्तित करते हैं, अक्षम, हानिपूर्ण दहन प्रक्रियाओं और थर्मल ऊर्जा के यांत्रिक ऊर्जा में रूपांतरण को दरकिनार करते हुए।
विवरण:
हाइड्रोजन ईंधन सेल ईंधन की रासायनिक ऊर्जा को बिजली में परिवर्तित करते हैं, अक्षम, हानिपूर्ण दहन प्रक्रियाओं और थर्मल ऊर्जा के यांत्रिक ऊर्जा में रूपांतरण को दरकिनार करते हुए। हाइड्रोजन ईंधन सेल है विद्युतईंधन के अत्यधिक कुशल "ठंडे" दहन के परिणामस्वरूप उपकरण सीधे बिजली उत्पन्न करता है। प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन हाइड्रोजन-एयर फ्यूल सेल (PEMFC) सबसे आशाजनक ईंधन 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। झिल्ली के माध्यम से कैथोड तक हाइड्रोजन केशन आयोजित किए जाते हैं, लेकिन इलेक्ट्रॉनों को बाहरी सर्किट को बंद 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 ब्लॉक हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं से बने होते हैं, जो ऊर्जा प्रणाली के प्रमुख उत्पादक तत्व हैं।
पारंपरिक समाधानों की तुलना में हाइड्रोजन ईंधन सेल के लाभ:
- विशिष्ट ऊर्जा तीव्रता में वृद्धि (500 1000 डब्ल्यू * एच / किग्रा),
– विस्तारित ऑपरेटिंग तापमान रेंज (-40 0 सी / +40 0 सी),
- हीट स्पॉट, शोर और कंपन की अनुपस्थिति,
– कोल्ड स्टार्ट विश्वसनीयता
- व्यावहारिक रूप से असीमित ऊर्जा भंडारण अवधि (कोई स्व-निर्वहन नहीं),
– ईंधन कारतूस की संख्या को बदलकर सिस्टम की ऊर्जा तीव्रता को बदलने की क्षमता, जो लगभग असीमित स्वायत्तता प्रदान करती है,
- हाइड्रोजन भंडारण की क्षमता को बदलकर प्रणाली की लगभग किसी भी उचित ऊर्जा तीव्रता प्रदान करने की क्षमता,
– उच्च ऊर्जा खपत
- हाइड्रोजन में अशुद्धियों के प्रति सहिष्णुता,
– लंबी सेवा जीवन,
- पर्यावरण मित्रता और नीरव संचालन।
आवेदन पत्र:
– यूएवी के लिए बिजली आपूर्ति प्रणाली,
– पोर्टेबल चार्जर,
– बिना अवरोध के साथ बिजली की आपूर्ति,
– अन्य उपकरण।
निसान हाइड्रोजन ईंधन सेल
मोबाइल इलेक्ट्रॉनिक्स हर साल सुधार कर रहे हैं, अधिक व्यापक और अधिक सुलभ होते जा रहे हैं: पीडीए, लैपटॉप, मोबाइल और डिजिटल डिवाइस, फोटो फ्रेम इत्यादि। इन सभी को लगातार नई सुविधाओं, बड़े मॉनीटर, वायरलेस संचार, मजबूत प्रोसेसर के साथ अपडेट किया जाता है, जबकि घटते समय आकार.. अर्धचालक प्रौद्योगिकी के विपरीत विद्युत प्रौद्योगिकियां छलांग और सीमा से नहीं जाती हैं।
उद्योग की उपलब्धियों को शक्ति प्रदान करने के लिए उपलब्ध बैटरी और संचायक अपर्याप्त होते जा रहे हैं, इसलिए वैकल्पिक स्रोतों का मुद्दा बहुत तीव्र है। ईंधन सेल अब तक की सबसे आशाजनक दिशा है। उनके संचालन के सिद्धांत की खोज 1839 में विलियम ग्रोव ने की थी, जिन्होंने पानी के इलेक्ट्रोलिसिस को बदलकर बिजली उत्पन्न की थी।
वीडियो: वृत्तचित्र, परिवहन के लिए ईंधन सेल: अतीत, वर्तमान, भविष्य
ईंधन सेल कार निर्माताओं के लिए रुचिकर हैं, और अंतरिक्ष यान के निर्माता भी उनमें रुचि रखते हैं। 1965 में, उन्हें अमेरिका द्वारा अंतरिक्ष में लॉन्च किए गए जेमिनी 5 और बाद में अपोलो पर भी परीक्षण किया गया था। ईंधन सेल अनुसंधान में आज भी लाखों डॉलर का निवेश किया जाता है, जब पर्यावरण प्रदूषण से जुड़ी समस्याएं होती हैं, जीवाश्म ईंधन के दहन से ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन में वृद्धि होती है, जिसके भंडार भी अंतहीन नहीं होते हैं।
एक ईंधन सेल, जिसे अक्सर विद्युत रासायनिक जनरेटर के रूप में संदर्भित किया जाता है, नीचे वर्णित तरीके से संचालित होता है।
होने के नाते, संचायक और बैटरी की तरह, एक गैल्वेनिक सेल, लेकिन इस अंतर के साथ कि इसमें सक्रिय पदार्थ अलग से संग्रहीत होते हैं। वे इलेक्ट्रोड में आते हैं जैसे उनका उपयोग किया जाता है। प्राकृतिक ईंधन या इससे प्राप्त कोई भी पदार्थ नकारात्मक इलेक्ट्रोड पर जलता है, जो गैसीय (हाइड्रोजन, उदाहरण के लिए, और कार्बन मोनोऑक्साइड) या तरल, जैसे अल्कोहल हो सकता है। सकारात्मक इलेक्ट्रोड पर, एक नियम के रूप में, ऑक्सीजन प्रतिक्रिया करता है।
लेकिन कार्रवाई का एक सरल दिखने वाला सिद्धांत वास्तविकता में अनुवाद करना आसान नहीं है।
DIY ईंधन सेल
वीडियो: DIY हाइड्रोजन ईंधन सेल
दुर्भाग्य से, हमारे पास इस ईंधन तत्व की तरह दिखने की तस्वीरें नहीं हैं, हम आपकी कल्पना के लिए आशा करते हैं।
अपने हाथों से एक कम शक्ति वाला ईंधन सेल स्कूल की प्रयोगशाला में भी बनाया जा सकता है। एक पुराने गैस मास्क, plexiglass के कई टुकड़े, क्षार और एथिल अल्कोहल का एक जलीय घोल (अधिक सरल, वोदका) पर स्टॉक करना आवश्यक है, जो ईंधन सेल के लिए "ईंधन" के रूप में काम करेगा।
सबसे पहले, आपको ईंधन सेल के लिए एक आवास की आवश्यकता होती है, जो कि कम से कम पांच मिलीमीटर मोटी, plexiglass से सबसे अच्छा बनाया जाता है। आंतरिक विभाजन (अंदर पांच डिब्बे) को थोड़ा पतला बनाया जा सकता है - 3 सेमी। ग्लूइंग plexiglass के लिए, निम्नलिखित संरचना के गोंद का उपयोग किया जाता है: छह ग्राम plexiglass चिप्स एक सौ ग्राम क्लोरोफॉर्म या डाइक्लोरोइथेन में घुल जाते हैं (वे एक हुड के नीचे काम करते हैं) )
बाहरी दीवार में, अब एक छेद ड्रिल करना आवश्यक है जिसमें आपको रबर स्टॉपर के माध्यम से 5-6 सेंटीमीटर व्यास के साथ एक नाली ग्लास ट्यूब डालने की आवश्यकता होती है।
हर कोई जानता है कि आवर्त सारणी में निचले बाएँ कोने में सबसे अधिक सक्रिय धातुएँ होती हैं, और उच्च-गतिविधि वाले मेटालॉइड ऊपरी दाएँ कोने में तालिका में होते हैं, अर्थात। इलेक्ट्रॉन दान करने की क्षमता ऊपर से नीचे और दाएं से बाएं ओर बढ़ती है। तत्व, जो कुछ शर्तों के तहत, खुद को धातु या धातु के रूप में प्रकट कर सकते हैं, तालिका के केंद्र में हैं।
अब, दूसरे और चौथे डिब्बों में, हम गैस मास्क (पहले विभाजन और दूसरे के साथ-साथ तीसरे और चौथे के बीच) से सक्रिय कार्बन डालते हैं, जो इलेक्ट्रोड के रूप में कार्य करेगा। ताकि कोयला छिद्रों के माध्यम से बाहर न फैले, इसे नायलॉन के कपड़े में रखा जा सकता है (महिलाओं के नायलॉन स्टॉकिंग्स करेंगे)। पर
ईंधन पहले कक्ष में प्रसारित होगा, पांचवें में ऑक्सीजन आपूर्तिकर्ता - वायु होना चाहिए। इलेक्ट्रोड के बीच एक इलेक्ट्रोलाइट होगा, और इसे वायु कक्ष में लीक होने से रोकने के लिए, इसे गैसोलीन में पैराफिन के घोल (2 ग्राम पैराफिन से आधा गिलास गैसोलीन का अनुपात) के साथ भिगोना आवश्यक है। चौथे कक्ष को एयर इलेक्ट्रोलाइट के लिए कोयले से भरने से पहले। कोयले की एक परत पर आपको तांबे की प्लेट (थोड़ा दबाने) लगाने की जरूरत होती है, जिससे तारों को मिलाया जाता है। उनके माध्यम से, इलेक्ट्रोड से करंट को डायवर्ट किया जाएगा।
यह केवल तत्व को चार्ज करने के लिए बनी हुई है। ऐसा करने के लिए, वोदका की जरूरत है, जिसे 1: 1 में पानी से पतला होना चाहिए। फिर सावधानी से तीन सौ से तीन सौ पचास ग्राम कास्टिक पोटेशियम डालें। इलेक्ट्रोलाइट के लिए 70 ग्राम कास्टिक पोटेशियम 200 ग्राम पानी में घोला जाता है।
ईंधन सेल परीक्षण के लिए तैयार है।अब आपको एक साथ पहले कक्ष में ईंधन डालना होगा, और तीसरे में इलेक्ट्रोलाइट डालना होगा। इलेक्ट्रोड से जुड़े एक वोल्टमीटर को 07 वोल्ट से 0.9 तक दिखाना चाहिए। तत्व के निरंतर संचालन को सुनिश्चित करने के लिए, खर्च किए गए ईंधन (एक गिलास में नाली) को निकालना और नया ईंधन (रबर ट्यूब के माध्यम से) जोड़ना आवश्यक है। ट्यूब को निचोड़कर फ़ीड दर को नियंत्रित किया जाता है। इस प्रकार एक ईंधन सेल का संचालन प्रयोगशाला स्थितियों में दिखता है, जिसकी शक्ति काफी कम है।
वीडियो: घर पर ईंधन सेल या शाश्वत बैटरी
शक्ति को और अधिक बढ़ाने के लिए वैज्ञानिक इस समस्या पर लंबे समय से काम कर रहे हैं। मेथनॉल और इथेनॉल ईंधन सेल सक्रिय विकास स्टील पर स्थित हैं। लेकिन, दुर्भाग्य से, अभी तक उन्हें व्यवहार में लाने का कोई तरीका नहीं है।
ईंधन सेल को वैकल्पिक शक्ति स्रोत के रूप में क्यों चुना जाता है
एक ईंधन सेल को वैकल्पिक शक्ति स्रोत के रूप में चुना गया था, क्योंकि इसमें हाइड्रोजन दहन का अंतिम उत्पाद पानी है। समस्या केवल हाइड्रोजन के उत्पादन के लिए एक सस्ता और कुशल तरीका खोजने में है। हाइड्रोजन जनरेटर और ईंधन कोशिकाओं के विकास में निवेश किया गया विशाल धन फल देने में विफल नहीं हो सकता है, इसलिए तकनीकी सफलता और रोजमर्रा की जिंदगी में उनका वास्तविक उपयोग केवल समय की बात है।
पहले से ही आज मोटर वाहन उद्योग के राक्षस: General Motors, Honda, Dreimler Koisler, Ballard बसों और कारों का प्रदर्शन करते हैं जो 50 kW तक की शक्ति के साथ ईंधन कोशिकाओं पर चलती हैं। लेकिन, उनकी सुरक्षा, विश्वसनीयता, लागत से जुड़ी समस्याओं का समाधान अभी तक नहीं हुआ है। जैसा कि पहले ही उल्लेख किया गया है, पारंपरिक बिजली स्रोतों - बैटरी और बैटरी के विपरीत, इस मामले में, ऑक्सीडाइज़र और ईंधन की आपूर्ति बाहर से की जाती है, और ईंधन सेल ईंधन को जलाने और जारी ऊर्जा को बिजली में बदलने के लिए चल रही प्रतिक्रिया में केवल एक मध्यस्थ है। . "बर्निंग" तभी होती है जब तत्व डीजल इलेक्ट्रिक जनरेटर की तरह लोड को करंट देता है, लेकिन बिना जनरेटर और डीजल के, और बिना शोर, धुएं और ओवरहीटिंग के भी। उसी समय, दक्षता बहुत अधिक है, क्योंकि कोई मध्यवर्ती तंत्र नहीं हैं।
वीडियो: हाइड्रोजन ईंधन सेल कार
नैनोटेक्नोलॉजीज और नैनोमैटिरियल्स के उपयोग पर बड़ी उम्मीदें रखी गई हैं, जो उनकी शक्ति को बढ़ाते हुए ईंधन कोशिकाओं को छोटा करने में मदद करेगा। ऐसी रिपोर्टें मिली हैं कि अति-कुशल उत्प्रेरक बनाए गए हैं, साथ ही साथ ईंधन सेल डिजाइन भी बनाए गए हैं जिनमें झिल्ली नहीं है। उनमें, ऑक्सीडाइज़र के साथ, तत्व को ईंधन (मीथेन, उदाहरण के लिए) की आपूर्ति की जाती है। समाधान दिलचस्प हैं, जहां पानी में घुली ऑक्सीजन का उपयोग ऑक्सीकरण एजेंट के रूप में किया जाता है, और प्रदूषित पानी में जमा होने वाली कार्बनिक अशुद्धियों को ईंधन के रूप में उपयोग किया जाता है। ये तथाकथित जैव ईंधन सेल हैं।
विशेषज्ञों के अनुसार, ईंधन सेल आने वाले वर्षों में बड़े पैमाने पर बाजार में प्रवेश कर सकते हैं
ईंधन सेल- यह क्या है? वह कब और कैसे प्रकट हुआ? इसकी आवश्यकता क्यों है और हमारे समय में इनकी इतनी बार चर्चा क्यों की जाती है? इसका दायरा, विशेषताएं और गुण क्या हैं? अजेय प्रगति के लिए इन सभी सवालों के जवाब चाहिए!
ईंधन सेल क्या है?
ईंधन सेल- यह एक रासायनिक करंट स्रोत या एक विद्युत रासायनिक जनरेटर है, यह रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने का एक उपकरण है। आधुनिक जीवन में, रासायनिक वर्तमान स्रोत हर जगह उपयोग किए जाते हैं और मोबाइल फोन, लैपटॉप, पीडीए, साथ ही कारों में बैटरी, निर्बाध बिजली आपूर्ति आदि के लिए बैटरी हैं। इस क्षेत्र के विकास में अगला चरण ईंधन कोशिकाओं का व्यापक वितरण होगा, और यह एक निर्विवाद तथ्य है।
ईंधन कोशिकाओं का इतिहास
ईंधन कोशिकाओं का इतिहास इस बात की एक और कहानी है कि कैसे पदार्थ के गुण, जो एक बार पृथ्वी पर खोजे गए थे, अंतरिक्ष में दूर तक व्यापक रूप से उपयोग किए गए थे, और सहस्राब्दी के मोड़ पर वे स्वर्ग से पृथ्वी पर लौट आए।
यह सब 1839 . में शुरू हुआजब जर्मन रसायनज्ञ क्रिश्चियन शॉनबीन ने फिलॉसॉफिकल जर्नल में ईंधन सेल के सिद्धांतों को प्रकाशित किया। उसी वर्ष, एक अंग्रेज, एक ऑक्सफोर्ड स्नातक, विलियम रॉबर्ट ग्रोव ने एक गैल्वेनिक सेल डिजाइन किया, जिसे बाद में ग्रोव गैल्वेनिक सेल कहा जाता है, जिसे पहले ईंधन सेल के रूप में भी मान्यता प्राप्त है। आविष्कार को इसकी वर्षगांठ के वर्ष - 1889 में "ईंधन सेल" नाम दिया गया था। लुडविग मोंड और कार्ल लैंगर इस शब्द के लेखक हैं।
कुछ समय पहले, 1874 में, द मिस्टीरियस आइलैंड में, जूल्स वर्ने ने वर्तमान ऊर्जा स्थिति की भविष्यवाणी करते हुए लिखा था कि "एक दिन पानी का उपयोग ईंधन, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन के रूप में किया जाएगा, जिसमें से यह बना है, इसका उपयोग किया जाएगा।"
इस बीच, नई बिजली आपूर्ति तकनीक में धीरे-धीरे सुधार हुआ, और XX सदी के 50 के दशक से शुरू होकर, इस क्षेत्र में नवीनतम आविष्कारों की घोषणा के बिना एक साल भी नहीं बीता। 1958 में, ईंधन कोशिकाओं द्वारा संचालित पहला ट्रैक्टर संयुक्त राज्य अमेरिका में 1959 में दिखाई दिया। वेल्डिंग मशीन आदि के लिए 5KW बिजली की आपूर्ति जारी की गई थी। 70 के दशक में, हाइड्रोजन तकनीक ने अंतरिक्ष में उड़ान भरी: हाइड्रोजन पर विमान और रॉकेट इंजन दिखाई दिए। 1960 के दशक में, RSC Energia ने सोवियत चंद्र कार्यक्रम के लिए ईंधन तत्वों का विकास किया। बुरान कार्यक्रम भी उनके बिना नहीं चला: क्षारीय 10 kW ईंधन कोशिकाओं को विकसित किया गया। और सदी के अंत में, ईंधन कोशिकाओं ने समुद्र तल से शून्य ऊंचाई को पार कर लिया - उनके आधार पर, विकसित विद्युत आपूर्तिजर्मन पनडुब्बी। पृथ्वी पर लौटते हुए, 2009 में संयुक्त राज्य अमेरिका में पहला लोकोमोटिव चालू किया गया था। स्वाभाविक रूप से, ईंधन कोशिकाओं पर।
ईंधन कोशिकाओं के सभी सुंदर इतिहास में, जो दिलचस्प है वह यह है कि पहिया अभी भी प्रकृति में मानव जाति का अद्वितीय आविष्कार है। तथ्य यह है कि उनके डिजाइन और संचालन के सिद्धांत में, ईंधन सेल एक जैविक सेल के समान होते हैं, जो वास्तव में, एक लघु हाइड्रोजन-ऑक्सीजन ईंधन सेल है। नतीजतन, मनुष्य ने एक बार फिर से आविष्कार किया कि प्रकृति लाखों वर्षों से क्या उपयोग कर रही है।
ईंधन कोशिकाओं के संचालन का सिद्धांत
ईंधन कोशिकाओं के संचालन का सिद्धांत रसायन विज्ञान में स्कूली पाठ्यक्रम से भी स्पष्ट है, और यह वह था जिसे 1839 में विलियम ग्रोव के प्रयोगों में निर्धारित किया गया था। बात यह है कि जल इलेक्ट्रोलिसिस (जल पृथक्करण) की प्रक्रिया प्रतिवर्ती है।जिस तरह यह सच है कि जब पानी के माध्यम से विद्युत प्रवाह पारित किया जाता है, तो बाद वाला हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित हो जाता है, इसलिए विपरीत भी सच है: पानी और बिजली का उत्पादन करने के लिए हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को जोड़ा जा सकता है। ग्रोव के प्रयोग में, दो इलेक्ट्रोड को एक कक्ष में रखा गया था जिसमें शुद्ध हाइड्रोजन और ऑक्सीजन के सीमित हिस्से को दबाव में आपूर्ति की जाती थी। गैस की छोटी मात्रा के कारण, साथ ही कार्बन इलेक्ट्रोड के रासायनिक गुणों के कारण, कक्ष में गर्मी, पानी की रिहाई के साथ धीमी प्रतिक्रिया हुई और, सबसे महत्वपूर्ण बात, के बीच संभावित अंतर के गठन के साथ इलेक्ट्रोड।
सबसे सरल ईंधन सेल में इलेक्ट्रोलाइट के रूप में उपयोग की जाने वाली एक विशेष झिल्ली होती है, जिसके दोनों किनारों पर पाउडर इलेक्ट्रोड जमा होते हैं। हाइड्रोजन एक तरफ (एनोड) में प्रवेश करती है और ऑक्सीजन (वायु) दूसरे (कैथोड) में प्रवेश करती है। प्रत्येक इलेक्ट्रोड की एक अलग रासायनिक प्रतिक्रिया होती है। एनोड पर, हाइड्रोजन प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों के मिश्रण में टूट जाता है। कुछ ईंधन कोशिकाओं में, पृथक्करण प्रतिक्रिया में सहायता के लिए इलेक्ट्रोड उत्प्रेरक से घिरे होते हैं, जो आमतौर पर प्लैटिनम या अन्य महान धातुओं से बने होते हैं:
2H 2 → 4H + + 4e -
जहां एच 2 एक डायटोमिक हाइड्रोजन अणु है (जिस रूप में हाइड्रोजन गैस के रूप में मौजूद है); एच + - आयनित हाइड्रोजन (प्रोटॉन); ई - - इलेक्ट्रॉन।
ईंधन सेल के कैथोड पक्ष पर, प्रोटॉन (इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से पारित) और इलेक्ट्रॉन (जो बाहरी भार से गुजरते हैं) पुनर्संयोजन करते हैं और पानी बनाने के लिए कैथोड को आपूर्ति की गई ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करते हैं:
4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O
समग्र प्रतिक्रियाईंधन सेल में इस प्रकार लिखा गया है:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
एक ईंधन सेल का संचालन इस तथ्य पर आधारित है कि इलेक्ट्रोलाइट स्वयं के माध्यम से (कैथोड की ओर) प्रोटॉन से गुजरता है, लेकिन इलेक्ट्रॉन नहीं करते हैं। इलेक्ट्रॉन बाहरी संवाहक सर्किट के साथ कैथोड की ओर बढ़ते हैं। इलेक्ट्रॉनों की यह गति विद्युत प्रवाह है जिसका उपयोग ईंधन सेल से जुड़े बाहरी उपकरण (एक प्रकाश बल्ब जैसे भार) को बिजली देने के लिए किया जा सकता है:
अपने काम में, ईंधन सेल हाइड्रोजन ईंधन और ऑक्सीजन का उपयोग करते हैं। ऑक्सीजन के साथ सबसे आसान तरीका है - यह हवा से लिया जाता है। हाइड्रोजन को सीधे एक निश्चित कंटेनर से या ईंधन के बाहरी स्रोत (प्राकृतिक गैस, गैसोलीन या मिथाइल अल्कोहल - मेथनॉल) से अलग करके आपूर्ति की जा सकती है। बाहरी स्रोत के मामले में, इसे हाइड्रोजन निकालने के लिए रासायनिक रूप से परिवर्तित किया जाना चाहिए। वर्तमान में, पोर्टेबल उपकरणों के लिए विकसित की जा रही अधिकांश ईंधन सेल प्रौद्योगिकियां मेथनॉल का उपयोग करती हैं।
ईंधन सेल के लक्षण
वे केवल तब तक काम करते हैं जब तक ईंधन और ऑक्सीडाइज़र बाहरी स्रोत से आपूर्ति की जाती है (यानी वे विद्युत ऊर्जा को स्टोर नहीं कर सकते हैं),
इलेक्ट्रोलाइट की रासायनिक संरचना ऑपरेशन के दौरान नहीं बदलती है (ईंधन सेल को रिचार्ज करने की आवश्यकता नहीं है),
वे बिजली से पूरी तरह से स्वतंत्र हैं (जबकि पारंपरिक बैटरी मुख्य से ऊर्जा संग्रहित करती है)।
ईंधन सेल मौजूदा बैटरियों के समान हैं, इस अर्थ में कि दोनों ही मामलों में विद्युत ऊर्जा रासायनिक ऊर्जा से प्राप्त की जाती है। लेकिन मूलभूत अंतर भी हैं:
प्रत्येक ईंधन सेल बनाता है 1V . में वोल्टेज. इन्हें श्रेणीक्रम में जोड़ने पर अधिक वोल्टता प्राप्त होती है। श्रृंखला से जुड़े ईंधन कोशिकाओं के कैस्केड के समानांतर कनेक्शन के माध्यम से शक्ति (वर्तमान) में वृद्धि का एहसास होता है।
ईंधन कोशिकाओं के लिए दक्षता पर कोई कठोर सीमा नहीं, ऊष्मा इंजनों के लिए (कार्नोट चक्र की दक्षता समान न्यूनतम और अधिकतम तापमान वाले सभी ताप इंजनों के बीच अधिकतम संभव दक्षता है)।
उच्च दक्षताईंधन ऊर्जा को बिजली में सीधे रूपांतरण के माध्यम से प्राप्त किया गया। यदि डीजल जनरेटर सेट में पहले ईंधन जलाया जाता है, तो परिणामी भाप या गैस एक टरबाइन या आंतरिक दहन इंजन शाफ्ट को बदल देती है, जो बदले में एक विद्युत जनरेटर को बदल देती है। परिणाम अधिकतम 42% की दक्षता है, अधिक बार यह लगभग 35-38% है। इसके अलावा, कई लिंक के कारण, साथ ही गर्मी इंजनों की अधिकतम दक्षता पर थर्मोडायनामिक सीमाओं के कारण, मौजूदा दक्षता को अधिक बढ़ाने की संभावना नहीं है। मौजूदा ईंधन कोशिकाओं के लिए दक्षता 60-80% है,
दक्षता लगभग लोड फैक्टर पर निर्भर नहीं करता है,
क्षमता कई गुना अधिक हैमौजूदा बैटरियों की तुलना में
पूर्ण कोई पर्यावरणीय रूप से हानिकारक उत्सर्जन नहीं. केवल स्वच्छ जल वाष्प और तापीय ऊर्जा उत्सर्जित होती है (डीजल जनरेटर के विपरीत, जिसमें प्रदूषणकारी उत्सर्जन होता है और उन्हें हटाने की आवश्यकता होती है)।
ईंधन कोशिकाओं के प्रकार
ईंधन कोष वर्गीकृतनिम्नलिखित आधारों पर:
ईंधन के इस्तेमाल से
काम का दबाव और तापमान,
आवेदन की प्रकृति के अनुसार।
सामान्य तौर पर, निम्नलिखित हैं: ईंधन सेल प्रकार:
सॉलिड-ऑक्साइड फ्यूल सेल (SOFC);
प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन के साथ फ्यूल सेल (प्रोटॉन-एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल - PEMFC);
प्रतिवर्ती ईंधन सेल (आरएफसी);
प्रत्यक्ष मेथनॉल ईंधन सेल (प्रत्यक्ष-मेथनॉल ईंधन सेल - डीएमएफसी);
पिघला हुआ कार्बोनेट ईंधन सेल (पिघला हुआ कार्बोनेट ईंधन सेल - एमसीएफसी);
फॉस्फोरिक एसिड ईंधन सेल (पीएएफसी);
क्षारीय ईंधन सेल (एएफसी)।
सामान्य तापमान और हाइड्रोजन और ऑक्सीजन का उपयोग करने वाले दबावों पर काम करने वाली ईंधन कोशिकाओं में से एक आयन एक्सचेंज झिल्ली वाले तत्व हैं। परिणामी पानी ठोस इलेक्ट्रोलाइट को भंग नहीं करता है, नीचे बहता है और आसानी से हटा दिया जाता है।
ईंधन सेल की समस्याएं
ईंधन कोशिकाओं की मुख्य समस्या "पैकेज्ड" हाइड्रोजन की आवश्यकता से संबंधित है, जिसे स्वतंत्र रूप से खरीदा जा सकता है। जाहिर है, समस्या को समय के साथ हल किया जाना चाहिए, लेकिन अभी तक स्थिति एक हल्की मुस्कान का कारण बनती है: पहले क्या आता है - मुर्गी या अंडा? हाइड्रोजन प्लांट बनाने के लिए ईंधन सेल अभी तक पर्याप्त उन्नत नहीं हुए हैं, लेकिन इन पौधों के बिना उनकी प्रगति अकल्पनीय है। यहां हम हाइड्रोजन के स्रोत की समस्या पर भी ध्यान देते हैं। हाइड्रोजन वर्तमान में प्राकृतिक गैस से उत्पन्न होता है, लेकिन ऊर्जा की बढ़ती लागत से हाइड्रोजन की कीमत भी बढ़ेगी। वहीं, प्राकृतिक गैस से निकलने वाले हाइड्रोजन में CO और H2S (हाइड्रोजन सल्फाइड) की मौजूदगी अपरिहार्य है, जो उत्प्रेरक को जहर देती है।
सामान्य प्लैटिनम उत्प्रेरक प्रकृति में एक बहुत महंगी और अपूरणीय धातु का उपयोग करते हैं - प्लैटिनम। हालांकि, एंजाइम पर आधारित उत्प्रेरक का उपयोग करके इस समस्या को हल करने की योजना है, जो एक सस्ता और आसानी से उत्पादित पदार्थ है।
गर्मी भी एक समस्या है। दक्षता में तेजी से वृद्धि होगी यदि उत्पन्न गर्मी को एक उपयोगी चैनल के लिए निर्देशित किया जाता है - गर्मी आपूर्ति प्रणाली के लिए थर्मल ऊर्जा का उत्पादन करने के लिए, इसे अवशोषण में अपशिष्ट गर्मी के रूप में उपयोग करने के लिए रेफ्रिजरेटिंग मशीनेंआदि।
मेथनॉल ईंधन सेल (डीएमएफसी): वास्तविक अनुप्रयोग
डायरेक्ट मेथनॉल फ्यूल सेल (DMFC) आज सबसे अधिक व्यावहारिक रुचि के हैं। DMFC फ्यूल सेल पर चलने वाला पोर्टेज M100 लैपटॉप इस तरह दिखता है:
एक विशिष्ट डीएमएफसी सर्किट में एनोड, कैथोड और झिल्ली के अलावा, कई अतिरिक्त घटक होते हैं: एक ईंधन कारतूस, एक मेथनॉल सेंसर, एक ईंधन परिसंचरण पंप, एक वायु पंप, एक हीट एक्सचेंजर, आदि।
ऑपरेटिंग समय, उदाहरण के लिए, बैटरी की तुलना में लैपटॉप का 4 गुना (20 घंटे तक), एक मोबाइल फोन - सक्रिय मोड में 100 घंटे तक और स्टैंडबाय मोड में छह महीने तक बढ़ाने की योजना है। लिक्विड मेथनॉल का एक हिस्सा डालकर रिचार्ज किया जाएगा।
मुख्य कार्य मेथनॉल समाधान को उच्चतम सांद्रता के साथ उपयोग करने के लिए विकल्प खोजना है। समस्या यह है कि मेथनॉल काफी मजबूत जहर है, कई दसियों ग्राम की खुराक में घातक है। लेकिन मेथनॉल की सांद्रता सीधे काम की अवधि को प्रभावित करती है। यदि पहले 3-10% मेथनॉल समाधान का उपयोग किया जाता था, तो 50% समाधान का उपयोग करने वाले मोबाइल फोन और पीडीए पहले ही दिखाई दे चुके हैं, और 2008 में, प्रयोगशाला स्थितियों में, एमटीआई माइक्रोफ्यूल सेल और, थोड़ी देर बाद, तोशिबा, पर काम कर रहे ईंधन सेल प्राप्त किए। शुद्ध मेथनॉल।
ईंधन सेल भविष्य हैं!
अंत में, तथ्य यह है कि अंतर्राष्ट्रीय संगठन आईईसी (इंटरनेशनल इलेक्ट्रोटेक्निकल कमीशन), जो इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए औद्योगिक मानकों को परिभाषित करता है, ने पहले ही लघु ईंधन कोशिकाओं के लिए एक अंतरराष्ट्रीय मानक विकसित करने के लिए एक कार्य समूह के निर्माण की घोषणा की है, ईंधन के स्पष्ट महान भविष्य की बात करता है कोशिकाएं।
भाग 1
यह लेख ईंधन कोशिकाओं के संचालन के सिद्धांत, उनके डिजाइन, वर्गीकरण, फायदे और नुकसान, गुंजाइश, दक्षता, निर्माण का इतिहास और उपयोग के लिए आधुनिक संभावनाओं पर अधिक विस्तार से चर्चा करता है। लेख के दूसरे भाग में, जो एबीओके पत्रिका के अगले अंक में प्रकाशित होगा, उन सुविधाओं के उदाहरण प्रदान करता है जहां विभिन्न प्रकार के ईंधन कोशिकाओं का उपयोग गर्मी और बिजली (या केवल बिजली) के स्रोतों के रूप में किया जाता था।
परिचय
ईंधन सेल ऊर्जा उत्पन्न करने का एक बहुत ही कुशल, विश्वसनीय, टिकाऊ और पर्यावरण के अनुकूल तरीका है।
प्रारंभ में केवल अंतरिक्ष उद्योग में उपयोग किया जाता था, ईंधन कोशिकाओं का अब विभिन्न क्षेत्रों में तेजी से उपयोग किया जाता है - स्थिर बिजली संयंत्र, इमारतों के लिए गर्मी और बिजली के स्वायत्त स्रोत, वाहन इंजन, लैपटॉप और मोबाइल फोन के लिए बिजली की आपूर्ति। इनमें से कुछ उपकरण प्रयोगशाला प्रोटोटाइप हैं, कुछ पूर्व-श्रृंखला परीक्षण से गुजर रहे हैं या प्रदर्शन उद्देश्यों के लिए उपयोग किए जाते हैं, लेकिन कई मॉडल बड़े पैमाने पर उत्पादित होते हैं और वाणिज्यिक परियोजनाओं में उपयोग किए जाते हैं।
एक ईंधन सेल (इलेक्ट्रोकेमिकल जनरेटर) एक ऐसा उपकरण है जो ठोस, तरल और गैसीय ईंधन के दहन का उपयोग करने वाली पारंपरिक तकनीकों के विपरीत, सीधे विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया के दौरान ईंधन (हाइड्रोजन) की रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है। पर्यावरण के दृष्टिकोण से ईंधन का प्रत्यक्ष विद्युत रासायनिक रूपांतरण बहुत ही कुशल और आकर्षक है, क्योंकि संचालन के दौरान प्रदूषकों की न्यूनतम मात्रा निकलती है, और कोई मजबूत शोर और कंपन नहीं होता है।
व्यावहारिक दृष्टिकोण से, एक ईंधन सेल एक पारंपरिक गैल्वेनिक बैटरी जैसा दिखता है। अंतर इस तथ्य में निहित है कि शुरू में बैटरी को चार्ज किया जाता है, अर्थात। "ईंधन" से भरा। ऑपरेशन के दौरान, "ईंधन" की खपत होती है और बैटरी को छुट्टी दे दी जाती है। बैटरी के विपरीत, एक ईंधन सेल विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए बाहरी स्रोत से आपूर्ति किए गए ईंधन का उपयोग करता है (चित्र 1)।
विद्युत ऊर्जा के उत्पादन के लिए न केवल शुद्ध हाइड्रोजन का उपयोग किया जा सकता है, बल्कि अन्य हाइड्रोजन युक्त कच्चे माल, जैसे प्राकृतिक गैस, अमोनिया, मेथनॉल या गैसोलीन का भी उपयोग किया जा सकता है। साधारण वायु का उपयोग ऑक्सीजन के स्रोत के रूप में किया जाता है, जो प्रतिक्रिया के लिए भी आवश्यक है।
जब शुद्ध हाइड्रोजन का उपयोग ईंधन के रूप में किया जाता है, तो प्रतिक्रिया उत्पाद, विद्युत ऊर्जा के अलावा, गर्मी और पानी (या जल वाष्प) होते हैं, अर्थात वातावरण में कोई गैस उत्सर्जित नहीं होती है जो वायु प्रदूषण का कारण बनती है या ग्रीनहाउस प्रभाव का कारण बनती है। यदि एक हाइड्रोजन युक्त फीडस्टॉक, जैसे कि प्राकृतिक गैस, का उपयोग ईंधन के रूप में किया जाता है, तो अन्य गैसें, जैसे कार्बन और नाइट्रोजन के ऑक्साइड, प्रतिक्रिया का उप-उत्पाद होंगे, लेकिन इसकी मात्रा उसी को जलाने की तुलना में बहुत कम है। प्राकृतिक गैस की मात्रा।
हाइड्रोजन के उत्पादन के लिए ईंधन के रासायनिक रूपांतरण की प्रक्रिया को सुधार कहा जाता है, और संबंधित उपकरण को सुधारक कहा जाता है।
ईंधन कोशिकाओं के फायदे और नुकसान
आंतरिक दहन इंजनों की तुलना में ईंधन सेल अधिक ऊर्जा कुशल होते हैं क्योंकि ईंधन कोशिकाओं के लिए ऊर्जा दक्षता पर कोई थर्मोडायनामिक सीमा नहीं होती है। ईंधन कोशिकाओं की दक्षता 50% है, जबकि आंतरिक दहन इंजन की दक्षता 12-15% है, और भाप टरबाइन बिजली संयंत्रों की दक्षता 40% से अधिक नहीं है। गर्मी और पानी के उपयोग से ईंधन सेल की दक्षता और भी बढ़ जाती है।
इसके विपरीत, उदाहरण के लिए, आंतरिक दहन इंजन, ईंधन कोशिकाओं की दक्षता तब भी बहुत अधिक रहती है, जब वे पूरी शक्ति से काम नहीं कर रहे होते हैं। इसके अलावा, ईंधन कोशिकाओं की शक्ति को केवल अलग-अलग ब्लॉक जोड़कर बढ़ाया जा सकता है, जबकि दक्षता में बदलाव नहीं होता है, यानी बड़े इंस्टॉलेशन छोटे लोगों की तरह ही कुशल होते हैं। ये परिस्थितियाँ ग्राहक की इच्छा के अनुसार उपकरणों की संरचना के बहुत लचीले चयन की अनुमति देती हैं और अंततः उपकरण की लागत में कमी लाती हैं।
ईंधन कोशिकाओं का एक महत्वपूर्ण लाभ उनकी पर्यावरण मित्रता है। ईंधन कोशिकाओं से वायु उत्सर्जन इतना कम है कि संयुक्त राज्य के कुछ क्षेत्रों में उन्हें सरकारी वायु गुणवत्ता एजेंसियों से विशेष परमिट की आवश्यकता नहीं होती है।
ईंधन कोशिकाओं को सीधे इमारत में रखा जा सकता है, इस प्रकार ऊर्जा के परिवहन के दौरान होने वाले नुकसान को कम किया जा सकता है, और प्रतिक्रिया से उत्पन्न गर्मी का उपयोग इमारत को गर्मी या गर्म पानी की आपूर्ति के लिए किया जा सकता है। गर्मी और बिजली की आपूर्ति के स्वायत्त स्रोत दूरदराज के क्षेत्रों और उन क्षेत्रों में बहुत फायदेमंद हो सकते हैं जहां बिजली की कमी और इसकी उच्च लागत होती है, लेकिन साथ ही हाइड्रोजन युक्त कच्चे माल (तेल, प्राकृतिक गैस) के भंडार होते हैं। .
ईंधन कोशिकाओं के लाभ भी ईंधन की उपलब्धता, विश्वसनीयता (ईंधन सेल में कोई गतिमान भाग नहीं हैं), स्थायित्व और संचालन में आसानी हैं।
आज ईंधन कोशिकाओं की मुख्य कमियों में से एक उनकी अपेक्षाकृत उच्च लागत है, लेकिन इस कमी को जल्द ही दूर किया जा सकता है - अधिक से अधिक कंपनियां ईंधन कोशिकाओं के वाणिज्यिक नमूनों का उत्पादन करती हैं, उनमें लगातार सुधार हो रहा है, और उनकी लागत कम हो रही है।
ईंधन के रूप में शुद्ध हाइड्रोजन का सबसे कुशल उपयोग, हालांकि, इसके उत्पादन और परिवहन के लिए एक विशेष बुनियादी ढांचे के निर्माण की आवश्यकता होगी। वर्तमान में, सभी वाणिज्यिक डिजाइन प्राकृतिक गैस और इसी तरह के ईंधन का उपयोग करते हैं। मोटर वाहन साधारण गैसोलीन का उपयोग कर सकते हैं, जो गैस स्टेशनों के मौजूदा विकसित नेटवर्क को बनाए रखने की अनुमति देगा। हालांकि, इस तरह के ईंधन के उपयोग से वातावरण में हानिकारक उत्सर्जन होता है (यद्यपि बहुत कम) और ईंधन सेल को जटिल बनाता है (और इसलिए इसकी लागत बढ़ जाती है)। भविष्य में, पर्यावरण के अनुकूल अक्षय ऊर्जा स्रोतों (उदाहरण के लिए, सौर ऊर्जा या पवन ऊर्जा) का उपयोग करने की संभावना को इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में पानी को विघटित करने और फिर परिणामी ईंधन को ईंधन सेल में परिवर्तित करने पर विचार किया जा रहा है। एक बंद चक्र में काम करने वाले ऐसे संयुक्त संयंत्र पूरी तरह से पर्यावरण के अनुकूल, विश्वसनीय, टिकाऊ और ऊर्जा के कुशल स्रोत हो सकते हैं।
ईंधन कोशिकाओं की एक अन्य विशेषता यह है कि वे एक ही समय में विद्युत और तापीय ऊर्जा दोनों का उपयोग करते समय सबसे अधिक कुशल होते हैं। हालांकि, हर सुविधा पर तापीय ऊर्जा के उपयोग की संभावना उपलब्ध नहीं है। केवल विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए ईंधन कोशिकाओं का उपयोग करने के मामले में, उनकी दक्षता कम हो जाती है, हालांकि यह "पारंपरिक" प्रतिष्ठानों की दक्षता से अधिक है।
ईंधन कोशिकाओं का इतिहास और आधुनिक उपयोग
1839 में ईंधन कोशिकाओं के संचालन के सिद्धांत की खोज की गई थी। अंग्रेजी वैज्ञानिक विलियम रॉबर्ट ग्रोव (1811-1896) ने पाया कि इलेक्ट्रोलिसिस की प्रक्रिया - विद्युत प्रवाह के माध्यम से पानी का हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में अपघटन - प्रतिवर्ती है, अर्थात हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को बिना जलाए पानी के अणुओं में जोड़ा जा सकता है, लेकिन गर्मी और विद्युत प्रवाह की रिहाई के साथ। ग्रोव ने उस उपकरण को बुलाया जिसमें इस तरह की प्रतिक्रिया को "गैस बैटरी" किया गया था, जो कि पहला ईंधन सेल था।
ईंधन सेल प्रौद्योगिकियों का सक्रिय विकास द्वितीय विश्व युद्ध के बाद शुरू हुआ, और यह एयरोस्पेस उद्योग से जुड़ा हुआ है। उस समय, एक कुशल और विश्वसनीय, लेकिन साथ ही ऊर्जा के काफी कॉम्पैक्ट स्रोत के लिए खोज की गई थी। 1960 के दशक में, नासा के विशेषज्ञों (नेशनल एरोनॉटिक्स एंड स्पेस एडमिनिस्ट्रेशन, नासा) ने अपोलो (चंद्रमा के लिए मानवयुक्त उड़ानें), अपोलो-सोयुज, जेमिनी और स्काईलैब कार्यक्रमों के अंतरिक्ष यान के लिए एक शक्ति स्रोत के रूप में ईंधन कोशिकाओं को चुना। । अपोलो ने बिजली, गर्मी और पानी का उत्पादन करने के लिए क्रायोजेनिक हाइड्रोजन और ऑक्सीजन का उपयोग करते हुए तीन 1.5 किलोवाट यूनिट (2.2 किलोवाट पीक पावर) का इस्तेमाल किया। प्रत्येक स्थापना का द्रव्यमान 113 किग्रा था। ये तीन कोशिकाएं समानांतर में काम करती थीं, लेकिन एक इकाई द्वारा उत्पन्न ऊर्जा सुरक्षित वापसी के लिए पर्याप्त थी। 18 उड़ानों के दौरान, ईंधन कोशिकाओं ने बिना किसी विफलता के कुल 10,000 घंटे जमा किए हैं। वर्तमान में, अंतरिक्ष यान "स्पेस शटल" में ईंधन कोशिकाओं का उपयोग किया जाता है, जो 12 W की शक्ति के साथ तीन इकाइयों का उपयोग करता है, जो अंतरिक्ष यान पर सभी विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करता है (चित्र 2)। विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप प्राप्त पानी का उपयोग पीने के पानी के साथ-साथ शीतलन उपकरण के लिए भी किया जाता है।
हमारे देश में एस्ट्रोनॉटिक्स में इस्तेमाल के लिए फ्यूल सेल बनाने पर भी काम चल रहा था। उदाहरण के लिए, सोवियत बुरान अंतरिक्ष यान को शक्ति प्रदान करने के लिए ईंधन कोशिकाओं का उपयोग किया गया था।
1960 के दशक के मध्य में ईंधन कोशिकाओं के व्यावसायिक उपयोग के तरीकों का विकास शुरू हुआ। इन विकासों को आंशिक रूप से सरकारी संगठनों द्वारा वित्त पोषित किया गया था।
वर्तमान में, ईंधन कोशिकाओं के उपयोग के लिए प्रौद्योगिकियों का विकास कई दिशाओं में होता है। यह ईंधन कोशिकाओं (केंद्रीकृत और विकेन्द्रीकृत ऊर्जा आपूर्ति दोनों के लिए) पर स्थिर बिजली संयंत्रों का निर्माण है, वाहनों के बिजली संयंत्र (ईंधन कोशिकाओं पर कारों और बसों के नमूने हमारे देश में बनाए गए हैं) (चित्र 3), और विभिन्न मोबाइल उपकरणों (लैपटॉप, मोबाइल फोन, आदि) के लिए बिजली की आपूर्ति भी (चित्र 4)।
विभिन्न क्षेत्रों में ईंधन सेल के उपयोग के उदाहरण तालिका में दिए गए हैं। एक।
स्वायत्त गर्मी और इमारतों की बिजली आपूर्ति के लिए डिजाइन किए गए ईंधन कोशिकाओं के पहले वाणिज्यिक मॉडल में से एक पीसी 25 मॉडल ए था जिसे ओएनएसआई कॉर्पोरेशन (अब यूनाइटेड टेक्नोलॉजीज, इंक।) द्वारा निर्मित किया गया था। 200 kW की नाममात्र शक्ति वाला यह ईंधन सेल फॉस्फोरिक एसिड (फॉस्फोरिक एसिड फ्यूल सेल, PAFC) पर आधारित इलेक्ट्रोलाइट वाली कोशिकाओं के प्रकार से संबंधित है। मॉडल के नाम पर "25" नंबर का मतलब है डिजाइन का सीरियल नंबर। अधिकांश पिछले मॉडल प्रायोगिक या परीक्षण के टुकड़े थे, जैसे कि 12.5 kW "PC11" मॉडल जो 1970 के दशक में दिखाई दिया। नए मॉडलों ने एकल ईंधन सेल से ली गई शक्ति में वृद्धि की, और उत्पादित ऊर्जा की प्रति किलोवाट लागत को भी कम किया। वर्तमान में, सबसे कुशल वाणिज्यिक मॉडलों में से एक PC25 मॉडल C ईंधन सेल है। मॉडल "ए" की तरह, यह एक पूरी तरह से स्वचालित 200 kW PAFC प्रकार का ईंधन सेल है जिसे सीधे सेवित वस्तु पर गर्मी और बिजली के एक स्वतंत्र स्रोत के रूप में स्थापना के लिए डिज़ाइन किया गया है। इस तरह के ईंधन सेल को भवन के बाहर स्थापित किया जा सकता है। बाह्य रूप से, यह 5.5 मीटर लंबा, 3 मीटर चौड़ा और 3 मीटर ऊंचा एक समानांतर चतुर्भुज है, जिसका वजन 18,140 किलोग्राम है। पिछले मॉडलों से अंतर एक बेहतर सुधारक और एक उच्च वर्तमान घनत्व है।
| तालिका नंबर एक ईंधन कोशिकाओं का दायरा |
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कुछ प्रकार के ईंधन कोशिकाओं में, रासायनिक प्रक्रिया को उलटा किया जा सकता है: इलेक्ट्रोड में संभावित अंतर को लागू करके, पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विघटित किया जा सकता है, जो झरझरा इलेक्ट्रोड पर एकत्र किए जाते हैं। जब एक लोड जुड़ा होता है, तो ऐसा पुनर्योजी ईंधन सेल विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करना शुरू कर देगा।
ईंधन कोशिकाओं के उपयोग के लिए एक आशाजनक दिशा अक्षय ऊर्जा स्रोतों, जैसे फोटोवोल्टिक पैनल या पवन टरबाइन के संयोजन के साथ उनका उपयोग है। यह तकनीक आपको वायु प्रदूषण से पूरी तरह बचने की अनुमति देती है। एक समान प्रणाली बनाने की योजना है, उदाहरण के लिए, ओबेरलिन में एडम जोसेफ लुईस प्रशिक्षण केंद्र में (देखें एबीओके, 2002, नंबर 5, पृष्ठ 10)। वर्तमान में, इस भवन में सौर पैनलों का उपयोग ऊर्जा स्रोतों में से एक के रूप में किया जाता है। नासा के विशेषज्ञों के साथ मिलकर, इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा पानी से हाइड्रोजन और ऑक्सीजन का उत्पादन करने के लिए फोटोवोल्टिक पैनलों का उपयोग करने के लिए एक परियोजना विकसित की गई थी। फिर हाइड्रोजन का उपयोग ईंधन कोशिकाओं में बिजली और गर्म पानी उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। यह इमारत को बादल के दिनों और रात में सभी प्रणालियों के प्रदर्शन को बनाए रखने की अनुमति देगा।
ईंधन कोशिकाओं के संचालन का सिद्धांत
आइए एक उदाहरण के रूप में प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन, पीईएम) के साथ सबसे सरल तत्व का उपयोग करके ईंधन सेल के संचालन के सिद्धांत पर विचार करें। इस तरह के तत्व में एनोड और कैथोड उत्प्रेरक के साथ एनोड (पॉजिटिव इलेक्ट्रोड) और कैथोड (नकारात्मक इलेक्ट्रोड) के बीच रखा गया एक बहुलक झिल्ली होता है। एक बहुलक झिल्ली का उपयोग इलेक्ट्रोलाइट के रूप में किया जाता है। पीईएम तत्व का आरेख अंजीर में दिखाया गया है। 5.
एक प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली (पीईएम) एक पतली (सादे कागज की लगभग 2-7 शीट मोटी) ठोस कार्बनिक यौगिक है। यह झिल्ली इलेक्ट्रोलाइट के रूप में कार्य करती है: यह पानी की उपस्थिति में पदार्थ को सकारात्मक और नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए आयनों में अलग करती है।
एनोड पर एक ऑक्सीडेटिव प्रक्रिया होती है, और कैथोड पर एक कमी प्रक्रिया होती है। पीईएम सेल में एनोड और कैथोड एक झरझरा पदार्थ से बने होते हैं, जो कार्बन और प्लैटिनम के कणों का मिश्रण होता है। प्लेटिनम एक उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है जो पृथक्करण प्रतिक्रिया को बढ़ावा देता है। एनोड और कैथोड को उनके माध्यम से क्रमशः हाइड्रोजन और ऑक्सीजन के मुक्त मार्ग के लिए झरझरा बनाया जाता है।
एनोड और कैथोड दो धातु प्लेटों के बीच रखे जाते हैं, जो एनोड और कैथोड को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की आपूर्ति करते हैं, और गर्मी और पानी, साथ ही विद्युत ऊर्जा को हटाते हैं।
हाइड्रोजन अणु प्लेट में चैनलों के माध्यम से एनोड तक जाते हैं, जहां अणु अलग-अलग परमाणुओं में विघटित होते हैं (चित्र 6)।
चित्र 5 () प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (PEM) फ्यूल सेल का योजनाबद्ध आरेख |
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चित्र 6 () प्लेट में चैनलों के माध्यम से हाइड्रोजन अणु एनोड में प्रवेश करते हैं, जहां अणु अलग-अलग परमाणुओं में विघटित हो जाते हैं |
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चित्र 7 () उत्प्रेरक की उपस्थिति में रासायनिक अधिशोषण के परिणामस्वरूप हाइड्रोजन परमाणु प्रोटॉन में परिवर्तित हो जाते हैं |
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आंकड़ा 8 () सकारात्मक रूप से आवेशित हाइड्रोजन आयन झिल्ली के माध्यम से कैथोड तक फैलते हैं, और इलेक्ट्रॉन प्रवाह कैथोड को एक बाहरी विद्युत सर्किट के माध्यम से निर्देशित किया जाता है जिससे लोड जुड़ा होता है। |
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चित्र 9 () कैथोड को आपूर्ति की गई ऑक्सीजन, उत्प्रेरक की उपस्थिति में, प्रोटॉन-विनिमय झिल्ली से हाइड्रोजन आयनों और बाहरी विद्युत सर्किट से इलेक्ट्रॉनों के साथ रासायनिक प्रतिक्रिया में प्रवेश करती है। पानी एक रासायनिक प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप बनता है |
फिर, एक उत्प्रेरक की उपस्थिति में रासायनिक अधिशोषण के परिणामस्वरूप, हाइड्रोजन परमाणु, प्रत्येक एक इलेक्ट्रॉन ई-दान करते हैं, धनावेशित हाइड्रोजन आयनों H+, यानी प्रोटॉन (चित्र 7) में परिवर्तित हो जाते हैं।
सकारात्मक रूप से आवेशित हाइड्रोजन आयन (प्रोटॉन) झिल्ली के माध्यम से कैथोड तक फैलते हैं, और इलेक्ट्रॉन प्रवाह एक बाहरी विद्युत सर्किट के माध्यम से कैथोड को निर्देशित किया जाता है जिससे लोड (विद्युत ऊर्जा का उपभोक्ता) जुड़ा होता है (चित्र 8)।
कैथोड को आपूर्ति की गई ऑक्सीजन, उत्प्रेरक की उपस्थिति में, प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली से हाइड्रोजन आयनों (प्रोटॉन) और बाहरी विद्युत सर्किट (चित्र 9) से इलेक्ट्रॉनों के साथ रासायनिक प्रतिक्रिया में प्रवेश करती है। रासायनिक अभिक्रिया के फलस्वरूप जल का निर्माण होता है।
अन्य प्रकार के ईंधन सेल में रासायनिक प्रतिक्रिया (उदाहरण के लिए, एक अम्लीय इलेक्ट्रोलाइट के साथ, जो फॉस्फोरिक एसिड एच 3 पीओ 4 का एक समाधान है) एक प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली के साथ ईंधन सेल में रासायनिक प्रतिक्रिया के समान है।
किसी भी ईंधन सेल में, रासायनिक प्रतिक्रिया की ऊर्जा का हिस्सा गर्मी के रूप में जारी किया जाता है।
बाहरी परिपथ में इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह एक प्रत्यक्ष धारा है जिसका उपयोग कार्य करने के लिए किया जाता है। बाहरी सर्किट को खोलने या हाइड्रोजन आयनों की गति को रोकने से रासायनिक प्रतिक्रिया रुक जाती है।
ईंधन सेल द्वारा उत्पादित विद्युत ऊर्जा की मात्रा ईंधन सेल के प्रकार, ज्यामितीय आयाम, तापमान, गैस के दबाव पर निर्भर करती है। एक अलग ईंधन सेल 1.16 V से कम का EMF प्रदान करता है। ईंधन कोशिकाओं के आकार को बढ़ाना संभव है, लेकिन व्यवहार में कई कोशिकाओं का उपयोग किया जाता है, जो बैटरी से जुड़ी होती हैं (चित्र 10)।
ईंधन सेल डिवाइस
आइए PC25 मॉडल C मॉडल के उदाहरण पर फ्यूल सेल डिवाइस पर विचार करें। ईंधन सेल की योजना को अंजीर में दिखाया गया है। ग्यारह।
ईंधन सेल "पीसी25 मॉडल सी" में तीन मुख्य भाग होते हैं: ईंधन प्रोसेसर, वास्तविक बिजली उत्पादन अनुभाग और वोल्टेज कनवर्टर।
ईंधन सेल का मुख्य भाग - बिजली उत्पादन खंड - 256 व्यक्तिगत ईंधन कोशिकाओं से बना एक ढेर है। ईंधन सेल इलेक्ट्रोड की संरचना में प्लैटिनम उत्प्रेरक शामिल है। इन कोशिकाओं के माध्यम से 155 वोल्ट के वोल्टेज पर 1,400 एम्पीयर का प्रत्यक्ष विद्युत प्रवाह उत्पन्न होता है। बैटरी के आयाम लगभग 2.9 मीटर लंबाई और 0.9 मीटर चौड़ाई और ऊंचाई में हैं।
चूंकि विद्युत रासायनिक प्रक्रिया 177 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर होती है, इसलिए स्टार्ट-अप के समय बैटरी को गर्म करना और ऑपरेशन के दौरान उसमें से गर्मी निकालना आवश्यक है। ऐसा करने के लिए, ईंधन सेल में एक अलग जल सर्किट शामिल है, और बैटरी विशेष शीतलन प्लेटों से सुसज्जित है।
ईंधन प्रोसेसर आपको प्राकृतिक गैस को हाइड्रोजन में बदलने की अनुमति देता है, जो एक विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक है। इस प्रक्रिया को सुधार कहा जाता है। ईंधन प्रोसेसर का मुख्य तत्व सुधारक है। सुधारक में, प्राकृतिक गैस (या अन्य हाइड्रोजन युक्त ईंधन) उच्च तापमान (900 डिग्री सेल्सियस) पर भाप के साथ प्रतिक्रिया करता है और निकल उत्प्रेरक की उपस्थिति में उच्च दबाव होता है। निम्नलिखित रासायनिक प्रतिक्रियाएं होती हैं:
सीएच 4 (मीथेन) + एच 2 ओ 3 एच 2 + सीओ
(गर्मी अवशोषण के साथ एंडोथर्मिक प्रतिक्रिया);
सीओ + एच 2 ओ एच 2 + सीओ 2
(प्रतिक्रिया ऊष्मा के निकलने के साथ ऊष्माक्षेपी होती है)।
समग्र प्रतिक्रिया समीकरण द्वारा व्यक्त की जाती है:
सीएच 4 (मीथेन) + 2 एच 2 ओ 4 एच 2 + सीओ 2
(गर्मी अवशोषण के साथ एंडोथर्मिक प्रतिक्रिया)।
प्राकृतिक गैस रूपांतरण के लिए आवश्यक उच्च तापमान प्रदान करने के लिए, ईंधन सेल स्टैक से खर्च किए गए ईंधन का एक हिस्सा बर्नर को भेजा जाता है जो वांछित तापमान पर सुधारक को बनाए रखता है।
सुधार के लिए आवश्यक भाप ईंधन सेल के संचालन के दौरान बनने वाले कंडेनसेट से उत्पन्न होती है। इस मामले में, ईंधन सेल स्टैक से निकाली गई गर्मी का उपयोग किया जाता है (चित्र 12)।
ईंधन सेल स्टैक एक आंतरायिक प्रत्यक्ष धारा उत्पन्न करता है, जो कम वोल्टेज और उच्च धारा की विशेषता है। इसे औद्योगिक मानक एसी में बदलने के लिए एक वोल्टेज कनवर्टर का उपयोग किया जाता है। इसके अलावा, वोल्टेज कनवर्टर इकाई में विभिन्न नियंत्रण उपकरण और सुरक्षा इंटरलॉक सर्किट शामिल हैं जो विभिन्न विफलताओं की स्थिति में ईंधन सेल को बंद करने की अनुमति देते हैं।
ऐसे ईंधन सेल में, ईंधन में लगभग 40% ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सकता है। लगभग उतनी ही मात्रा, ईंधन ऊर्जा का लगभग 40%, ऊष्मीय ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सकता है, जिसे बाद में हीटिंग, गर्म पानी की आपूर्ति और इसी तरह के उद्देश्यों के लिए गर्मी स्रोत के रूप में उपयोग किया जाता है। इस प्रकार, ऐसे संयंत्र की कुल दक्षता 80% तक पहुंच सकती है।
गर्मी और बिजली के ऐसे स्रोत का एक महत्वपूर्ण लाभ इसके स्वचालित संचालन की संभावना है। रखरखाव के लिए, जिस सुविधा पर ईंधन सेल स्थापित है, उसके मालिकों को विशेष रूप से प्रशिक्षित कर्मियों को बनाए रखने की आवश्यकता नहीं है - ऑपरेटिंग संगठन के कर्मचारियों द्वारा आवधिक रखरखाव किया जा सकता है।
ईंधन सेल प्रकार
वर्तमान में, कई प्रकार के ईंधन सेल ज्ञात हैं, जो उपयोग किए गए इलेक्ट्रोलाइट की संरचना में भिन्न होते हैं। निम्नलिखित चार प्रकार सबसे व्यापक हैं (तालिका 2):
1. प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन के साथ फ्यूल सेल (प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल, PEMFC)।
2. ऑर्थोफोस्फोरिक (फॉस्फोरिक) एसिड (फॉस्फोरिक एसिड फ्यूल सेल, पीएएफसी) पर आधारित ईंधन सेल।
3. पिघले हुए कार्बोनेट (पिघला हुआ कार्बोनेट ईंधन सेल, एमसीएफसी) पर आधारित ईंधन सेल।
4. सॉलिड ऑक्साइड फ्यूल सेल (सॉलिड ऑक्साइड फ्यूल सेल, SOFC)। वर्तमान में, ईंधन कोशिकाओं का सबसे बड़ा बेड़ा PAFC तकनीक के आधार पर बनाया गया है।
विभिन्न प्रकार के ईंधन कोशिकाओं की प्रमुख विशेषताओं में से एक ऑपरेटिंग तापमान है। कई मायनों में, यह तापमान है जो ईंधन कोशिकाओं के दायरे को निर्धारित करता है। उदाहरण के लिए, लैपटॉप के लिए उच्च तापमान महत्वपूर्ण हैं, इसलिए इस बाजार खंड के लिए कम ऑपरेटिंग तापमान वाले प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल विकसित किए जा रहे हैं।
इमारतों की स्वायत्त बिजली आपूर्ति के लिए, उच्च स्थापित क्षमता के ईंधन कोशिकाओं की आवश्यकता होती है, और साथ ही, थर्मल ऊर्जा का उपयोग करना संभव होता है, इसलिए इन उद्देश्यों के लिए अन्य प्रकार के ईंधन कोशिकाओं का भी उपयोग किया जा सकता है।
प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल (PEMFC)
ये ईंधन सेल अपेक्षाकृत कम ऑपरेटिंग तापमान (60-160 डिग्री सेल्सियस) पर काम करते हैं। वे उच्च शक्ति घनत्व की विशेषता रखते हैं, आपको आउटपुट पावर को जल्दी से समायोजित करने की अनुमति देते हैं, और जल्दी से चालू किया जा सकता है। इस प्रकार के तत्वों का नुकसान ईंधन की गुणवत्ता के लिए उच्च आवश्यकताएं हैं, क्योंकि दूषित ईंधन झिल्ली को नुकसान पहुंचा सकता है। इस प्रकार की ईंधन कोशिकाओं की नाममात्र शक्ति 1-100 kW है।
प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल मूल रूप से नासा के लिए 1960 के दशक में जनरल इलेक्ट्रिक कॉर्पोरेशन द्वारा विकसित किए गए थे। इस प्रकार का ईंधन सेल एक ठोस अवस्था पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करता है जिसे प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (PEM) कहा जाता है। प्रोटॉन प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली के माध्यम से आगे बढ़ सकते हैं, लेकिन इलेक्ट्रॉन इसके माध्यम से नहीं गुजर सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप कैथोड और एनोड के बीच संभावित अंतर होता है। उनकी सादगी और विश्वसनीयता के कारण, ऐसे ईंधन कोशिकाओं का उपयोग जेमिनी मानवयुक्त अंतरिक्ष यान पर एक शक्ति स्रोत के रूप में किया गया था।
इस प्रकार के ईंधन सेल का उपयोग विभिन्न प्रकार के उपकरणों के लिए एक शक्ति स्रोत के रूप में किया जाता है, जिसमें प्रोटोटाइप और प्रोटोटाइप शामिल हैं, मोबाइल फोन से लेकर बसों और स्थिर बिजली प्रणालियों तक। कम ऑपरेटिंग तापमान ऐसी कोशिकाओं को विभिन्न प्रकार के जटिल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को बिजली देने के लिए उपयोग करने की अनुमति देता है। सार्वजनिक और औद्योगिक भवनों के लिए गर्मी और बिजली आपूर्ति के स्रोत के रूप में उनका उपयोग कम कुशल है, जहां बड़ी मात्रा में तापीय ऊर्जा की आवश्यकता होती है। साथ ही, ऐसे तत्व छोटे आवासीय भवनों जैसे गर्म जलवायु वाले क्षेत्रों में बने कॉटेज के लिए बिजली आपूर्ति के स्वायत्त स्रोत के रूप में वादा कर रहे हैं।
| तालिका 2 ईंधन सेल प्रकार |
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फॉस्फोरिक एसिड ईंधन सेल (पीएएफसी)
इस प्रकार की ईंधन कोशिकाओं का परीक्षण 1970 के दशक की शुरुआत में ही किया जा चुका था। ऑपरेटिंग तापमान रेंज - 150-200 डिग्री सेल्सियस। आवेदन का मुख्य क्षेत्र मध्यम शक्ति (लगभग 200 किलोवाट) की गर्मी और बिजली आपूर्ति के स्वायत्त स्रोत हैं।
इन ईंधन कोशिकाओं में प्रयुक्त इलेक्ट्रोलाइट फॉस्फोरिक एसिड का एक समाधान है। इलेक्ट्रोड कार्बन के साथ लेपित कागज से बने होते हैं, जिसमें एक प्लैटिनम उत्प्रेरक फैलाया जाता है।
पीएएफसी ईंधन कोशिकाओं की विद्युत दक्षता 37-42% है। हालांकि, चूंकि ये ईंधन सेल पर्याप्त रूप से उच्च तापमान पर काम करते हैं, इसलिए ऑपरेशन के परिणामस्वरूप उत्पन्न भाप का उपयोग करना संभव है। इस मामले में, समग्र दक्षता 80% तक पहुंच सकती है।
ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए, हाइड्रोजन युक्त फीडस्टॉक को सुधार प्रक्रिया के माध्यम से शुद्ध हाइड्रोजन में परिवर्तित किया जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, यदि गैसोलीन का उपयोग ईंधन के रूप में किया जाता है, तो सल्फर यौगिकों को हटा दिया जाना चाहिए, क्योंकि सल्फर प्लैटिनम उत्प्रेरक को नुकसान पहुंचा सकता है।
पीएएफसी ईंधन सेल आर्थिक रूप से उचित होने वाले पहले वाणिज्यिक ईंधन सेल थे। सबसे आम मॉडल ONSI Corporation (अब यूनाइटेड टेक्नोलॉजीज, इंक.) (चित्र 13) द्वारा निर्मित 200 kW PC25 ईंधन सेल था। उदाहरण के लिए, इन तत्वों का उपयोग न्यूयॉर्क के सेंट्रल पार्क में एक पुलिस स्टेशन में गर्मी और बिजली के स्रोत के रूप में या कोंडे नास्ट बिल्डिंग और फोर टाइम्स स्क्वायर के लिए ऊर्जा के अतिरिक्त स्रोत के रूप में किया जाता है। इस प्रकार के सबसे बड़े संयंत्र का जापान में स्थित 11 मेगावाट बिजली संयंत्र के रूप में परीक्षण किया जा रहा है।
फॉस्फोरिक एसिड पर आधारित ईंधन सेल का उपयोग वाहनों में ऊर्जा स्रोत के रूप में भी किया जाता है। उदाहरण के लिए, 1994 में, H-Power Corp., जॉर्ज टाउन विश्वविद्यालय और अमेरिकी ऊर्जा विभाग ने 50 kW बिजली संयंत्र के साथ एक बस को सुसज्जित किया।
पिघला हुआ कार्बोनेट ईंधन सेल (एमसीएफसी)
इस प्रकार के ईंधन सेल बहुत उच्च तापमान - 600-700 डिग्री सेल्सियस पर काम करते हैं। ये ऑपरेटिंग तापमान एक अलग सुधारक की आवश्यकता के बिना, ईंधन को सीधे सेल में ही इस्तेमाल करने की अनुमति देते हैं। इस प्रक्रिया को "आंतरिक सुधार" कहा जाता है। यह ईंधन सेल के डिजाइन को काफी सरल बनाने की अनुमति देता है।
पिघले हुए कार्बोनेट पर आधारित ईंधन कोशिकाओं को एक महत्वपूर्ण स्टार्ट-अप समय की आवश्यकता होती है और उत्पादन शक्ति को जल्दी से समायोजित करने की अनुमति नहीं देते हैं, इसलिए उनके आवेदन का मुख्य क्षेत्र गर्मी और बिजली के बड़े स्थिर स्रोत हैं। हालांकि, वे उच्च ईंधन रूपांतरण दक्षता द्वारा प्रतिष्ठित हैं - 60% विद्युत दक्षता और समग्र दक्षता 85% तक।
इस प्रकार के ईंधन सेल में, इलेक्ट्रोलाइट में पोटेशियम कार्बोनेट और लिथियम कार्बोनेट लवण होते हैं जिन्हें लगभग 650 ° C तक गर्म किया जाता है। इन परिस्थितियों में, लवण एक गलित अवस्था में होते हैं, जिससे एक इलेक्ट्रोलाइट बनता है। एनोड पर, हाइड्रोजन सीओ 3 आयनों के साथ संपर्क करता है, पानी, कार्बन डाइऑक्साइड बनाता है और बाहरी सर्किट में भेजे गए इलेक्ट्रॉनों को छोड़ता है, और कैथोड पर, ऑक्सीजन बाहरी सर्किट से कार्बन डाइऑक्साइड और इलेक्ट्रॉनों के साथ बातचीत करता है, फिर से सीओ 3 आयन बनाता है।
इस प्रकार के ईंधन कोशिकाओं के प्रयोगशाला नमूने 1950 के दशक के अंत में डच वैज्ञानिकों जी. 1960 के दशक में, 17वीं शताब्दी के एक प्रसिद्ध अंग्रेजी लेखक और वैज्ञानिक के वंशज, इंजीनियर फ्रांसिस टी. बेकन ने इन तत्वों के साथ काम किया, यही वजह है कि एमसीएफसी ईंधन कोशिकाओं को कभी-कभी बेकन तत्वों के रूप में जाना जाता है। नासा के अपोलो, अपोलो-सोयुज और साइलैब कार्यक्रमों ने ऐसे ईंधन कोशिकाओं का उपयोग एक शक्ति स्रोत के रूप में किया (चित्र 14)। उसी वर्षों में, अमेरिकी सैन्य विभाग ने टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स द्वारा निर्मित एमसीएफसी ईंधन कोशिकाओं के कई नमूनों का परीक्षण किया, जिसमें सेना के ग्रेड गैसोलीन को ईंधन के रूप में इस्तेमाल किया गया था। 1970 के दशक के मध्य में, अमेरिकी ऊर्जा विभाग ने व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त एक स्थिर पिघला हुआ कार्बोनेट ईंधन सेल विकसित करने के लिए अनुसंधान शुरू किया। 1990 के दशक में, 250 kW तक की रेटिंग वाले कई व्यावसायिक प्रतिष्ठानों को परिचालन में लाया गया, जैसे कि कैलिफ़ोर्निया में यूएस नेवल एयर स्टेशन मिरामार। 1996 में, फ्यूलसेल एनर्जी, इंक। सांता क्लारा, कैलिफ़ोर्निया में 2 मेगावाट का प्री-सीरीज़ प्लांट चालू किया गया।
सॉलिड स्टेट ऑक्साइड फ्यूल सेल (SOFC)
सॉलिड-स्टेट ऑक्साइड ईंधन सेल डिजाइन में सरल हैं और बहुत उच्च तापमान - 700-1000 डिग्री सेल्सियस पर काम करते हैं। इस तरह के उच्च तापमान अपेक्षाकृत "गंदे", अपरिष्कृत ईंधन के उपयोग की अनुमति देते हैं। पिघले हुए कार्बोनेट पर आधारित ईंधन कोशिकाओं में समान विशेषताएं आवेदन के समान क्षेत्र को निर्धारित करती हैं - गर्मी और बिजली के बड़े स्थिर स्रोत।
ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल संरचनात्मक रूप से PAFC और MCFC प्रौद्योगिकियों पर आधारित ईंधन कोशिकाओं से भिन्न होते हैं। एनोड, कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट विशेष ग्रेड के सिरेमिक से बने होते हैं। अक्सर, ज़िरकोनियम ऑक्साइड और कैल्शियम ऑक्साइड का मिश्रण इलेक्ट्रोलाइट के रूप में उपयोग किया जाता है, लेकिन अन्य ऑक्साइड का उपयोग किया जा सकता है। इलेक्ट्रोलाइट एक झरझरा इलेक्ट्रोड सामग्री के साथ दोनों तरफ लेपित क्रिस्टल जाली बनाता है। संरचनात्मक रूप से, ऐसे तत्व ट्यूब या फ्लैट बोर्ड के रूप में बनाए जाते हैं, जिससे उनके निर्माण में इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली तकनीकों का उपयोग करना संभव हो जाता है। नतीजतन, सॉलिड-स्टेट ऑक्साइड ईंधन सेल बहुत अधिक तापमान पर काम कर सकते हैं, जिससे वे विद्युत और तापीय बिजली उत्पादन दोनों के लिए फायदेमंद हो सकते हैं।
उच्च परिचालन तापमान पर, कैथोड पर ऑक्सीजन आयन बनते हैं, जो क्रिस्टल जाली के माध्यम से एनोड में चले जाते हैं, जहां वे हाइड्रोजन आयनों के साथ बातचीत करते हैं, पानी बनाते हैं और मुक्त इलेक्ट्रॉनों को छोड़ते हैं। ऐसे में प्राकृतिक गैस से हाइड्रोजन को सीधे सेल में छोड़ा जाता है, यानी अलग से रिफॉर्मर की जरूरत नहीं है।
सॉलिड-स्टेट ऑक्साइड ईंधन कोशिकाओं के निर्माण के लिए सैद्धांतिक नींव 1930 के दशक के अंत में रखी गई थी, जब स्विस वैज्ञानिकों बाउर (एमिल बाउर) और प्रीस (एच। प्रीस) ने ज़िरकोनियम, येट्रियम, सेरियम, लैंथेनम और टंगस्टन के साथ प्रयोग किया था। इलेक्ट्रोलाइट्स के रूप में।
इस तरह के ईंधन कोशिकाओं के पहले प्रोटोटाइप 1950 के दशक के अंत में कई अमेरिकी और डच कंपनियों द्वारा बनाए गए थे। इनमें से अधिकांश कंपनियों ने जल्द ही तकनीकी कठिनाइयों के कारण आगे के शोध को छोड़ दिया, लेकिन उनमें से एक, वेस्टिंगहाउस इलेक्ट्रिक कार्पोरेशन। (अब "सीमेंस वेस्टिंगहाउस पावर कॉर्पोरेशन"), काम जारी रखा। कंपनी वर्तमान में इस वर्ष अपेक्षित ट्यूबलर टोपोलॉजी सॉलिड ऑक्साइड फ्यूल सेल के एक वाणिज्यिक मॉडल के लिए प्री-ऑर्डर स्वीकार कर रही है (चित्र 15)। ऐसे तत्वों का बाजार खंड 250 किलोवाट से 5 मेगावाट की क्षमता वाली गर्मी और विद्युत ऊर्जा के उत्पादन के लिए स्थिर प्रतिष्ठान है।
SOFC प्रकार की ईंधन कोशिकाओं ने बहुत अधिक विश्वसनीयता दिखाई है। उदाहरण के लिए, सीमेंस वेस्टिंगहाउस ईंधन सेल प्रोटोटाइप ने 16,600 घंटे लॉग इन किया है और यह काम करना जारी रखता है, जिससे यह दुनिया में सबसे लंबे समय तक निरंतर ईंधन सेल जीवन बना रहा है।
SOFC ईंधन कोशिकाओं का उच्च तापमान, उच्च दबाव संचालन मोड हाइब्रिड संयंत्रों के निर्माण की अनुमति देता है, जिसमें ईंधन सेल उत्सर्जन बिजली उत्पन्न करने के लिए उपयोग किए जाने वाले गैस टर्बाइनों को चलाता है। इस तरह का पहला हाइब्रिड प्लांट इरविन, कैलिफोर्निया में चल रहा है। इस संयंत्र की रेटेड शक्ति 220 kW है, जिसमें से 200 kW ईंधन सेल से और 20 kW माइक्रोटर्बाइन जनरेटर से है।
