`` Popüler bilim '' Arabaların su ile çalışabilmesinin sırrı-hidrojen yakıt hücresini anlamak için bir makale
Bu makale sensör teknolojisinden üretilmiştir, yazar Mao Fuli, teşekkürler.
Nanyang Daily 23 Mayıs'ta su-hidrojen motorunun resmi olarak şehirdeki montaj hattının dışında olduğunu ve bu da araca monteli suyun gerçek zamanlı olarak hidrojen üretebileceği anlamına geldiğini bildirdi. Sadece sürmek için su ekleyin. Rapor fizik ve kimyada pek çok sağduyuya meydan okuduğu için netizenlerden büyük ilgi gördü ve ilgili konular da Weibo'nun sıcak arama listesinde yer aldı.
Bu kadar mucizevi bir "siyah teknoloji" gerçek mi? "Hidrojen aracı" nasıl çalıştı? Gazeteciler tarafından sorulan Jinhua Youth Automobile Manufacturing Co., Ltd., "Hidroliz yoluyla hidrojen üretimi için araçlar sadece su eklemekle kalmıyor, aynı zamanda bir reaksiyon. Araştırdığımız katalizörün etkisi altında, madde su ile reaksiyona girerek gerçek zamanlı olarak hidrojen üretiyor. Hidrojen, hidrojen yakıt hücresi aracılığıyla elektrik üretiyor ve motor, aracı hareket ettirmek için kullanıyor. "
Arabanın çalışmasına izin veren şeyin su olmadığı, ancak su eklendikten sonra bir dizi reaksiyonla hidrojen üretildiği ortaya çıktı. Arabanın gerçek gücü hidrojen yakıt hücresinden geliyor.
Hidrojen yakıt hücresinin çalışma prensibi
Yakıt hücresinin adı "yakıt" kelimesine sahip olmasına ve hidrojen, oksijenle şiddetli bir şekilde yanmasına rağmen, yakıt hücresi enerji elde etmek için yanmayı kullanmaz, ancak hidrojen ile oksijen arasındaki kimyasal reaksiyon sırasında bir elektrik akımı oluşturmak için yük transferini kullanır. Evet, bu süreçteki en kritik teknoloji, hidrojeni ayırmak için özel bir "elektrolit membran" kullanmaktır.Tüm süreç, sivrisineklerin perdelerden geçemediği, ancak daha küçük tozların ...
Hidrojen molekülleri boyut olarak küçük olduğundan, filmdeki küçük deliklerden karşı tarafa geçebilirler, ancak deliklerden geçme sürecinde elektronlar moleküllerden sıyrılır, sadece pozitif yüklü hidrojen protonlarının geçmesi için kalır ve hidrojen protonları filme çekilir. Diğer taraftaki elektrot oksijen moleküllerine bağlanır. Elektrolit membranın her iki tarafındaki elektrot plakaları, hidrojeni hidrojen iyonlarına (pozitif elektrik) ve elektronlara ayırır ve oksijeni oksijen iyonlarına (negatif elektrik) ve elektronlara böler.Elektronlar, elektrot plakaları, iki hidrojen iyonu ve bir oksijen arasında bir akım oluşturur İyonlar, reaksiyon israfı olan saf su oluşturmak için birleşir. Yani özünde, tüm operasyon süreci enerji üretim sürecidir.
Bir yakıt hücresinin özü, şekilde gösterildiği gibi esas olarak üç parçadan, yani anot, katot ve elektrolitten oluşan, su elektrolizi için "ters" bir cihazdır. Anot, bir hidrojen elektrotudur ve katot, bir oksijen elektrotudur. Genellikle, hem anot hem de katot, elektrot üzerinde meydana gelen elektrokimyasal reaksiyonu hızlandırmak için belirli miktarda katalizör içerir ve elektrolit, iki elektrot arasındadır. Hidrojen yakıt hücresi enerji üretim süreci aşağıdaki gibidir:
1. Hidrojen anoda borudan veya gaz kılavuz plakasından ulaşır;
2. Anot katalizörünün etkisi altında, 1 hidrojen molekülü 2 hidrojen protona ayrışır ve 2 elektron salar. Anot reaksiyonu:
3. Pilin diğer ucunda, oksijen (veya hava) bir boru veya bir gaz kılavuz plakası vasıtasıyla katoda ulaşır.Katot katalizörünün etkisi altında, oksijen molekülleri ve hidrojen iyonları, su üretmek için dış devre yoluyla katoda ulaşan elektronlarla reaksiyona girer. Katot reaksiyonu :
Genel kimyasal reaksiyon:
Elektronlar, harici bir devrede doğru akım oluşturur. Bu nedenle, yakıt hücresinin anot ve katodu sürekli olarak hidrojen ve oksijen ile beslendiği sürece, harici devrenin yükü sürekli olarak elektrik enerjisi ile çıkarılabilir.
4. Elektrot ile elektrolit arasındaki arayüzde, yüzey akımın akmadığını ve dengede olduğunu okuduğunda, elektrot üzerinde oksidasyon-indirgeme reaksiyonları meydana gelir ve elektrolizin denge voltajı Ster formülü ile elde edilebilir.
Hidrojen yakıt hücresi sistemi yapısı
Hidrojen yakıt hücresi sistemi, bir elektrik yığını (çekirdek), bir hidrojen besleme sirkülasyon sistemi, bir hava besleme sirkülasyon sistemi, bir su ve ısı yönetim sistemi, bir elektrik kontrol sistemi ve birbiriyle koordineli olarak akıllı bir izleme sisteminden oluşur.
Hidrojen yakıt hücresi sisteminin temel bileşenleri
1. Galvanik kazık su soğutmalı kazık ve hava soğutmalı kazık olarak ikiye ayrılır. Genel olarak, küçük güç ve hacme sahip Shanghai Panye ve Jiangsu Qingneng tarafından üretilenler gibi minyatür ekipmanlarda hava soğutmalı bacalar kullanılır.
2. Genellikle gaz difüzyon katmanı, proton değişim membranı ve sıcak presleme yoluyla katalizörden yapılan Membran Elektrot Meclisleri, hidrojen yakıt hücresi teknolojisinin özünü oluşturur. Şu anda, Çin'deki membran elektrotlarının maksimum güç yoğunluğu 1.0W / cm2'dir ve bu, uluslararası 1.8W / cm2 seviyesinin hala çok gerisindedir.
3. Katalizör (Yakıt hücresi katalizörü), elektrot değişim arayüzünde yük transfer reaksiyonunu hızlandıran katalitik etkiye sahiptir ve iyi iletkenlik, korozyon direnci ve yüksek katalitik aktivite özelliklerine sahiptir. Platin (Pt), hidrojen yakıt hücresi yığınlarında en yaygın kullanılan katalizördür, ancak platin azdır ve fiyatı yüksektir (193 yuan / g) Düşük platin ve platin olmayan katalizörler, bir sonraki katalizör araştırma ve geliştirmesinin odak noktası haline gelmiştir.
4. Proton Değişim Membranı (Proton Değişim Membranı), hidrojen yakıt hücresinin kalbidir.Elektrolit için hidrojen iyon kanalları sağlama ve reaksiyon gazlarını doğrudan hareket etmelerini önlemek için iki kutuptan izole etme gibi ikili bir role sahiptir. Türleri şunları içerir: perflorosülfonik asit membran, perflorlu olmayan membran, florlanmamış membran ve kompozit membran Perflorosülfonik asit membran ana akımdır ve ana tedarikçi DuPont'dur.
5. Bipolar Plaka, pilin performansını ve maliyetini etkileyen ve hidrojen yakıt hücrelerinin sanayileşmesini kısıtlayan darboğazlardan biri olan proton değişim membranlı hidrojen yakıt hücresinin temel bileşenidir. Türleri metal çift kutuplu plakalar, grafit çift kutuplu plakalar ve kompozit iki kutuplu plakalar olarak ikiye ayrılır. Şimdiye kadar en yaygın kullanılan grafit çift kutuplu levha grafit çift kutuplu levhadır ancak hazırlama ve işleme teknolojisi karmaşıktır, maliyeti yüksektir ve seri üretime uygun değildir.
6. Hava kompresörü, nemlendirici, hidrojen sirkülasyon sistemi, DC / DC (doğru akım-doğru akım dönüştürücü) dahil olmak üzere hidrojen yakıt hücresi sistemi aksesuarları. Şu anda, hava kompresörleri ve DC / DC'ler için yerli ürünler var, ancak Çin'de nemlendiriciler ve hidrojen sirkülasyon sistemleri boş durumda ve hepsi ithalata dayanıyor.
Hidrojen yakıt hücresinin avantajları
1. Temiz ve güvenli elektrik üretim cihazı: Enerji santralleri, fabrikalar ve otomobillerden yayılan büyük miktarlarda çeşitli maddeler, hava kirliliğinin ve küresel ısınmanın ana nedenleridir. Yakıt hücresi, kullanımda olan bu kazanların ve içten yanmalı motorların yerini alabilir.
2. Çok yakıtlı sistem: Yeryüzünde, hidrojenin çoğu bileşikler biçiminde bulunur. Örneğin: hidroksit (su) ve hidrokarbonlar. Yakıt pilleri için hammadde olarak kullanılabilen hidrokarbonlar, çoğunlukla doğal gaz, sıvılaştırılmış gaz, petrol ve kömür gibi fosil yakıtlardan gelir. Çeşitli yakıt hücrelerinin kullanım ve koşullarına göre en uygun yakıt seçilebilir ve kullanılabilir.
3. Yüksek verimli güç üretim cihazı.
4. Merkezi olmayan güç üretim cihazı: En büyük ölçek, ticari enerji üretimi için termal veya nükleer enerji üretiminin yerini alabilir. Devasa ekipmanlara gerek yok, iletim sistemini değiştirmeye gerek yok; nükleer enerjiye kıyasla kaza riski daha az. Büyük şehirlerin banliyölerinde inşa edilebilir. Konut bölgelerinde, ofis binalarında, fabrikalarda ve hatta şehrin merkezinde daha küçük ölçekler inşa edilebilir. Uzun mesafeli güç aktarımının neden olduğu kaybı azaltabilir. Kişisel kullanım için ultra küçük yakıt hücreleri, dizüstü bilgisayarlar ve cep telefonları için güç kaynağı olarak kullanılabilir.
Hidrojen enerjisinin özellikleri
1. Hidrojen tüm elementler arasında en hafif ağırlığa sahiptir.Standart koşullar altında yoğunluğu 0.0899g / L'dir; -252.7 at'de sıvı hale gelebilir.Basınç onlarca MPa'ya yükseltilirse sıvı hidrojen haline gelebilir. Erimiş metal;
2. Hidrojen, tüm gazlar arasında en iyi termal iletkenliğe sahiptir ve çoğu gazdan 10 kat daha yüksektir Bu nedenle, enerji endüstrisinde hidrojen için mükemmel bir ısı transfer taşıyıcısıdır;
3. Hidrojen doğadaki en yaygın elementtir.Evren kütlesinin% 75'ini oluşturduğu tahmin edilmektedir.Havada bulunan hidrojene ek olarak, esas olarak suda bileşikler halinde depolanır ve su yeryüzünde en yaygın bulunan maddedir. , Deniz suyundaki hidrojenin tamamı çıkarılırsa, ürettiği ısı 9.000 kat daha fazladır;
4. Nükleer yakıt dışında hidrojenin kalorifik değeri, benzinin kalorifik değerinin 3 katı olan 142351 kJ / kg ile tüm fosil yakıtlar, fosil yakıtlar ve biyoyakıtlar arasında en yüksek olanıdır;
5. Hidrojen yakıtı iyi yeni enerjiye, hızlı ateşlemeye, hava ile karıştırıldığında geniş yanma aralığına, yüksek ateşleme noktasına ve hızlı yakıt hızına sahiptir;
6. Hidrojenin kendisi toksik değildir.Diğer yakıtlarla karşılaştırıldığında, hidrojen yakıldığında en temiz olanıdır.Su ve az miktarda hidrojen nitrür dışında çevreye zararlı kirleticiler üretmez ve az miktarda hidrojen nitrür uygun şekilde işlenmez. Çevre kirliliği ve yanma sonucu oluşan su hidrojen olmaya devam edebilir ve defalarca geri dönüştürülebilir;
6. Hidrojen enerjisi kullanımının pek çok şekli vardır: Sadece yanma yoluyla ısı enerjisi üretmekle kalmaz, aynı zamanda termik jeneratörlerde mekanik işler üretemez, aynı zamanda yakıt pilleri için enerji malzemesi olarak kullanılabilir veya yapısal malzemeler için katı hidrojene dönüştürülebilir ve kömür ve petrol yerine hidrojen kullanılabilir. , Zhongda'daki mevcut teknoloji ve ekipmanı değiştirmeye gerek yok, mevcut içten yanmalı motor küçük bir değişiklik ile kullanılabilir;
7. Hidrojen, farklı depolama ve nakliye gereksinimlerine ve çeşitli uygulama ortamlarına uyum sağlayabilen gaz, sıvı veya katı metal oksitler olarak görünebilir.
Yukarıdaki özellikler, hidrojen enerjisinin diğer enerji kaynaklarına göre büyük avantajlara sahip olduğunu gösteriyor Uzmanlar, hidrojen enerjisi kullanımının gelecekteki insan enerji krizine nihai çözüm olacağını söyledi. Küresel enerji tükenmesinin ciddi bir sorunu ile karşı karşıya kalan hidrojen enerjisi, dünyanın dört bir yanındaki ülkelerde araştırmaların odak noktalarından biri haline geliyor. Hidrojen enerjisinin yaygın olarak kullanılmamasının nedeni, esas olarak hidrojen enerjisi teknolojisinin hala birçok zorluk ve zorluklarla karşılaşmasıdır: Birincisi, hidrojen enerjisi üretiminin yüksek maliyeti. Hidrojen doğrudan sudan kaldırılırsa, çok maliyetli ve ekonomik olarak rekabetçi olmayan elektroliz teknolojisine ihtiyaç vardır; ikincisi, hidrojen depolama ve nakliye, teknik ve güvenlik engelleri vardır; trihidrojen enerjisinin kullanımı, destekleyici altyapı gerektirir ve bu tesislerin tümü Çok fazla sermaye yatırımına ihtiyacınız var. Hidrojen enerjisinin kullanımı ekonomik ve teknolojik kısıtlamalara tabi olsa da, uzun vadede hidrojen enerjisi sonunda insan toplumunda ana akım enerji kaynaklarından biri haline gelecektir.
Hidrojen yakıt hücrelerinin geliştirilmesinde karşılaşılan zorluklar
1. Hidrojen üretimi
Genel endüstriyel hidrojen üretim yöntemleri arasında suyun elektrolizi, Tayvan hidrokarbonlarının fosil yakıtlarından hidrojen üretimi, güneş fotoelektrokimyasal ayrışma, termokimyasal hidrojen üretimi ve hafif ve mikrobiyal hidrojen üretimi yer alır, ancak düşük maliyetli ve kirlilik içermeyen bir yöntem yoktur. , Üretim süreci olgun ve teknoloji mükemmel.Bu aynı zamanda teknik araştırmamızın yönü ve hedefidir.
2. Hidrojenin depolanması
Genel depolama yöntemleri arasında atmosferik hidrojen depolaması, yüksek basınçlı hidrojen depolaması ve sıvı hidrojen depolaması bulunur. Metal hidrit hidrojen depolama ve adsorpsiyon depolaması, hidrojen özellikle hafif, renksiz ve kokusuz olduğundan ve havadaki sızıntısı ve patlama sınırına ulaşmanın kolay olduğu yerlerde patlayacak, bu nedenle hidrojen depolaması üretimden sonra başka bir teknik sorun haline geldi.
3. Hidrojenin taşınması
Hidrojen, ister gaz halinde hidrojen isterse sıvı hidrojen olsun, iyi taşınabilirliğe sahip olmasına rağmen, kullanımları sırasında göz ardı edilemeyecek pratik sorunlar vardır. Birincisi, hidrojen son derece hafiftir. Taşıma ve kullanım sırasında. Birim enerji nispeten büyük bir hacmi kaplar ve bu da otomobilleri çalıştırmak için belirli zorluklar ortaya çıkarır. İkincisi, hidrojenin sızması özellikle kolaydır.Vakumla kapatılmış bir yakıt tankında bile sızıntı oranı her 24 saatte bir% 2 iken, benzin genellikle her ay% 1 sızıntı yapar.Bu nedenle, hidrojen saklama kapları ve neon boru hatları için, bağlantılar, Vanalar için özel sızdırmazlık önlemleri alınmalıdır. Üçüncüsü, sıvı hidrojenin sıcaklığı son derece düşüktür, ciltte bir damla olduğu müddetçe şiddetli donma meydana gelir, bu nedenle nakliye ve kullanım sırasında çok dikkatli olunmalıdır. Çeşitli güvenlik önlemlerine özel dikkat gösterilmelidir.
