ILM-FAN VA INNOVATSIYA
ILMIY-AMALIY KONFERENSIYASI
in-academy.uz/index.php/si
97
PROTON ALMASHINUVCHAN MEMBRANALI VODOROD YOQILG‘I
ELEMENTLARINI QO‘LLASHDAGI MUAMMOLAR VA ILMIY IZLANISHLAR
TAHLILI
Abduraimov Sanjar Mirzasulton o‘g‘li
Qayta tiklanuvchi energiya manbalari milliy ilmiy tadqiqot instituti
Katta ilmiy xodimi (sanjar903@umail.uz)
Abduraimova Zuxra Baxtiyor qizi
O‘zbekiston Respublikasi Fanlar Akademiyasi Materialshunoslik instituti
https://doi.org/10.5281/zenodo.13822337
Annotatsiya:
Maqolada dunyoda va O‘zbekistonda vodorod energetikasida
qo‘llaniladigan texnologiyalar va yoqilg‘i elementlarining turlari, ishlash mohiyati va ularda
uchrayotgan eng muhim muammolar tahlili yoritilgan. Yoqilg‘i elementlarining eng keng
qo‘llanilayotgan turlari va ularning tarkibiy qismlarining vazifalari haqida to‘xtalib o‘tilgan.
Proton almashinuvchan membranali yoqilg‘i elementlarini yurtimizda qo‘llash va ishlab
chiqarish imkoniyatlari baholangan. Yoqilg‘i elementlari ustida olib borilayotgan dastlabki
izlanishlar va ularning tahlili keltirilgan.
Kalit so‘zlar:
vodorod, yoqilg‘i elementi, bipolyar plita.
Kirish
Bugungi kunda O‘zbekiston Respublikasi issiqxona gazlari miqdorini kamaytirishga
qaratilgan bir qator xalqaro konvensiyalarga a’zo va ularda belgilangan talablarni bajarishda
xalqaro maydonda namuna sifatida ko‘rsatilmoqda. Bunga misol tariqasida hozirda
O‘zbekiston Respublikasi hududida 2 197 MW soat elektr energiyasi qayta tiklanuvchi
energiya manbalariga asoslangan stansiyalar hisobiga to‘g‘ri kelayotganini aytish mumkin [1].
Dunyo miqyosida CO
2
gazining miqdorini kamaytirish bo‘yicha nafaqat qayta tiklanuvchi
energiya manbalari balki vodorod energetikasiga o‘tish choralari ham sezilarli darajada o‘z
ta‘sirini ko‘rsatishni boshladi. Jumladan Xitoy, AQSH, Yevropa Ittifoqi, Rossiya, Yaponiya va
Hindiston oltiligi vodorod energetikasini qo‘llash borasida yetakchi ekanligini barchamiz
guvohi bo‘lib turibmiz [2].
Vodorod energetikasini asosiy uchta qismga bo‘ladigan bo‘lsak, bular:
-
ishlab chiqarish turlariga ko‘ra (kulrang, havorang, jigarrang, sariq, binafsha va yashil
vodorod),
-
saqlash turlariga ko‘ra (gaz, suyuq va qattiq agregat holatlarda)
-
qo‘llash (kimyoviy, issiqlik va elektr energiyasini olishda).
Vodoroddan elektr energiyasi ishlab chiqarishda yoqilg‘i elementlari eng muhim
texnologiya hisoblanadi. Uning ishlash mohiyati haqida qisqacha to‘xtalib o‘tamiz. Yoqilg‘i
elementi vodorod va kislorodning elektrokimyoviy reaksiyasini tashkil etib beruvchi qurilma
hisoblanadi. Soddaroq tushuntiradigan bo‘lsak suvni elektrolizlash jarayonining teskarisi
hisoblanadi.
Yoqilg‘i elementi - elektrokimyoviy reaksiya orqali vodorodga boy yoqilg‘idan to‘g‘ridan-
to‘g‘ri doimiy tok va issiqlikni ishlab chiqaradigan qurilma.
Yoqilg‘i elementi akkumulyatorga o‘xshaydi, u kimyoviy reaksiya orqali doimiy tok
oqimini hosil qiladi. Yoqilg‘i elementi anod, katod va elektrolitni o‘z ichiga oladi. Biroq,
batareyalardan farqli o‘laroq, yoqilg‘i elementlari elektr energiyasini to‘play olmaydi,
ILM-FAN VA INNOVATSIYA
ILMIY-AMALIY KONFERENSIYASI
in-academy.uz/index.php/si
98
zaryadsizlanmaydi va zaryadlash uchun elektr energiyasini talab qilmaydi. Yoqilg‘i
elementlari yoqilg‘i va havo ta’minotiga ega bo‘lgan holda doimiy ravishda elektr energiyasini
ishlab chiqara oladi.
Gaz, ko‘mir, mazut va boshqalar bilan ishlaydigan ichki yonuv dvigatellari yoki
turbinalar kabi boshqa elektr energiyasi generatorlaridan farqli o‘laroq, yoqilg‘i elementlari
yoqilg‘ini yondirmaydi. Yoqilg‘i elementlari shovqinsiz elektrokimyoviy reaksiya orqali elektr
energiyasini ishlab chiqaradi. Yoqilg‘i elementlarining yana bir xususiyati shundaki, ular
yoqilg‘ining kimyoviy energiyasini to‘g‘ridan-to‘g‘ri elektr, issiqlik va suvga aylantiradi.
Yoqilg‘i elementi qanday ishlaydi?
Yoqilg‘i elementlari elektrolit, katod va anod yordamida sodir bo‘ladigan
elektrokimyoviy reaksiyadan elektr va issiqlik hosil qiladi.
Anod va katod, protonlarni o‘tkazuvchan elektrolit bilan ajratilib turadigan holda
o‘rnatiladi. Anodga vodorod va katodga kislorod kiritilgandan so‘ng kimyoviy reaksiya
boshlanadi, natijada elektr toki, issiqlik va suv hosil bo‘ladi.
1-rasm. Polimer elektrolitli yoqilg‘i elementining ishlash prinsipi.
Bunda anodda katalizator yordamida molekulyar vodorod dissotsiatsiyalanadi va
elektronlarini yo‘qotadi. Natijada vodorod ionlari (protonlar) elektrolitlar orqali katodga,
elektronlari esa elektrodlar orqali o‘tib, tashqi elektr zanjiriga o‘tib, uskunani quvvatlantirish
uchun ishlatilishi mumkin bo‘lgan doimiy tok oqimini hosil qiladi [3]. Katodda katalizator
yordamida kislorod molekulasi elektron (tashqi manbadan) va elektrolitda kelayotgan
vodorod protoni bilan birikib, yagona reaksiya mahsuloti (bug‘ yoki suyuqlik shaklida)
bo‘lgan suvni hosil qiladi.
Ichki yonish dvigatellarining har xil turlari mavjud bo‘lganidek, yoqilg‘i elementlarining
ham quyidagi turlari mavjud – bunda yoqilg‘i elementini tanlash uning qo‘llanilish sohasiga
bog‘liq.
ILM-FAN VA INNOVATSIYA
ILMIY-AMALIY KONFERENSIYASI
in-academy.uz/index.php/si
99
Yoqilg‘i elementlari yuqori haroratli va past haroratli turlarga bo‘linadi. Past haroratli
yoqilg‘i hujayralariga yoqilg‘i sifatida nisbatan toza vodorodni talab qiladi. Bu ko‘pincha
yoqilg‘ini qayta ishlab, birlamchi yoqilg‘i (tabiiy gaz) ni toza vodorodga aylantirish zarurligini
anglatadi. Ushbu jarayon qo‘shimcha energiya sarf qiladi va maxsus jihozlarni talab qiladi.
Yuqori haroratli yoqilg‘i elementlari bu qo‘shimcha protseduraga muhtoj emas, chunki ular
yoqilg‘ini yuqori haroratda "ichki konvertatsiyalashi" mumkin, ya’ni vodorodning tuzilishini
o‘zgartirishga sarmoya kiritishga hojat qolmaydi.
1-jadval.
Yoqilg‘i elementi turi
Ishchi
harorati
Elektr
energiyasini
ishlab chiqarish
samaradorligi
Yoqilg‘i turi Qo‘llanilish
sohasi
Karbonat eritmali
yoqilg‘i elementi
550–700°C
50-70%
Ko‘pgina
uglevodorod
yoqilg‘ilari
O‘rta va
katta
qurilmalar
Fosfor kislotali
yoqilg‘i elementi
100–220°C
35-40%
Toza
vodorod
Katta
qurilmalar
Qattiq oksidli yoqilg‘i
elementi
450–
1000°C
45-70%
Ko‘pgina
uglevodorod
yoqilg‘ilari
Kichik, o‘rta
va katta
qurilmalar
Metanolni
oksidlovchi yoqilg‘i
elementi
20-90°C
20-30%
Metanol
Portativ
Ishqoriy yoqilg‘i
elementi
50–200°C
40-70%
Toza
vodorod
Kosmik
izlanishlar
Polimer elektrolitli
yoqilg‘i elementlari
30-100°C
35-50%
Toza
vodorod
Kichik
qurilmalar
Jadvalda ko‘rib turganingizdek qo‘llashga qulay bo‘lgan vodorod yoqilg‘i elementi
sifatida polimer elektrolitli yoqilg‘i elementlari ajralib turibti. Chunki polimer elektrolitli
yoqilg‘i elementlari xona xaroratida ishlaydi va turli portativ (avtomobil, xo‘jalik texnikalari
va yana boshqa ko‘chib yuruvchi) qurilmalarda qo‘llash imkoniyati keng [4].
Portotiv vodorod yoqilg‘i elementi quydagi elementlardan tashkil topgan bo‘lib (2-rasm)
yacheyka markazida joylashgan (5) membrana u polimerdan tayyorlangan, uning asosiy
vazifasi kimyoviy jarayon natijasida o‘z tanasidan faqat vodorod ionlarini o‘tkazib yoqilg‘i
(H
2
) va oksidlovchi gazlarni (O
2
) o‘tkazmaslik. Membrananing ikki qarama qarshi tomonida
esa platina bilan qoplangan titan karbididan tayyorlangan g‘ovak keramik material
joylashgan, ular o‘z tanasida gaz singib o‘tkazuvchan xossaga ega bo‘lgani uchun gazdiffuzion
qatlam deyiladi. Bundan tashqari ular yuzalari platina bilan qoplangani uchun kimyoviy
jarayonda (4) anod va (6) katod vazifalarini xam bajaradi. Bunda yacheykaga uzatilgan
gazsimon vodorod gaz diffuzion qatlam orqali (4) andodda oksidalanadi (OH
-
), (6) katodda
esa havo bilan birga kirib kelgan kislorod (O
2
), membranadan kirib kelgan vodorod (H
+
) ioni
bilan birlashib suv molekulasini hosil qiladi.
ILM-FAN VA INNOVATSIYA
ILMIY-AMALIY KONFERENSIYASI
in-academy.uz/index.php/si
100
1 - Bipolyar plastina; 2 - gaz uchun kanal; 3 - gaz diffuzion qatlam; 4 - katod qatlam;
5 - polimer membrana; 6 - anod qatlam; 7 - gaz singdiruvchan qatlam; 8 – kislorod
uchun kanal.
2 - rasm. Polimer membranali vodorod yoqilg‘i elementining bitta yacheykasining
tuzilishi.
Gaz diffuzion qatlam (GDQ) quydagi asosiy xossalarga ega bo‘lishi zarur: yacheykada
elektrokimyoviy reaksiyani to‘liq amalga oshishi uchun reagentlarni (H
2
va O
2
) (5)
membrananing butun yuzai bo‘ylab teng va ravon harakatlanishini ta‘minlashi; hosil bo‘lgan
reaksiya maxsulotini – suvni reaksiya hududidan o‘z vaqtida chiqarib yuborishi; bipolyar (1)
plastina bilan ishonchli va mustaxkam elektr kontaktga ega bo‘lishi talab etiladi. Bu esa
qatlamlar orasida zarur miqdordagi tok (1A/sm
2
) oqib o‘tishini ta’minlaydi.
Zamonaviy yoqilg‘i elementlarida membrane elektrod blok (MEB) larni bir-biriga siqib
turish vazifasini bipolyar plastinalar bajaradi. Bipolyar plastinalarning (BP) asosiy vazifasi
MEBni vodorod, kislorod gazi bilan ta’minlab turish va reaksiya maxsuloti suvni hamda anod
va katodda hosil bo‘lgan elektr energiyani istemolchi simlarga uzatishdan iborat.
Bipolyar plitalar nafaqat yoqilg‘ini yacheykaga yetkazib berishi, balki hosil bo‘lgan
reaksiya mahsulotlarini tashqariga olib chiqishi, reaksiya jarayonida o‘zi ta’sirlashishmasligi,
gidrofob bo‘lishi, yuqori elektr o‘tkazuvchan bo‘lishi, egilishga, cho‘zilishga mustahkam,
qattiq, vodorod gazini o‘tkazmaydigan material bo‘lishi talab etiladi.
Bugungi kunda O‘zbekiston Respublikasi Energetika vazirligi huzuridagi Qayta
tiklanuvchi energiya manbalari milliy ilmiy tadqiqot instituti, Toshkent Davlat Tehnika
Universiteti va Materialshunoslik instituti hamkorligida proton almashinuvchi membranali
yoqilg‘i elementlarining bipolyar plitalarini sintez qilish bo‘yicha ilmiy izlanishlar olib borish
rejalashtirilmoqda. Izlanishlarni amalga oshirishning birinchi bosqichi sifatida, Xitoy Xalq
ILM-FAN VA INNOVATSIYA
ILMIY-AMALIY KONFERENSIYASI
in-academy.uz/index.php/si
101
Respublikasi ishlab chiqarilgan proton almashinuvchi membranali yoqilg‘i elementlari
o‘rganildi.
3-rasm. Bipolyar plita hususiyatlarini tavsiflovchi asosiy xossalar.
Bugungi kunda bipolyar plastinalar uchun istiqbolli sanalayotgan nisbatan yangi
materiallar sifatida termik kengaytirilgan grafit (TKG) va penografit (PG) qo‘llanilmoqda.
Ushbu turdagi materiallar grafit akseptor bog‘lanish orqali termik ishlov berib sintez qilinadi.
MDH va dunyo mamlakatlari olimlarining izlanishlarini taxlil qilgan holda shuni aytish
mumkinki, kengaytirilgan grafitni sintez qilishida asosan kislotali usul qo‘llaniladi. Bunday
material sintez qilishning birinchi bosqichi grafit-oltingugurt kislota-oksidlovchi tizimida
kimyoviy ishlov berish bilan boshlanadi. Ikkinchi bosqichda ushbu birikmani gidroliz jarayoni
amalga oshiriladi. Uchinchi bosqichda esa tezkor termik qizitish (ko‘pirtirsh) operasiyasi
bajariladi. Shundan so‘ng qator unikal xossalarga ega bo‘ladi, bular: zichligining pastligi,
yuqori solishtirma yuzaga egaligi, bog‘lovchi birikmalarsiz oson presslanishi, agressiv
muhitlarga chidamliligi, yuqori elektr o‘tkazuvchanligi.
Kengaytirilgan grafitdan tayyorlangan folgalarning kamchiliklari ham mavjud. Bunday
folgalar gaz o‘tkazuvchan, ayniqsa vodorodni, solishtirma elektr va issiqlik o‘tkazuvchanligida
anizatropiyaga ega ya’ni, folgaga perpendikulyar yo‘nalishda kam parallel yo‘nalishda baland
ko‘rsatgichlarni qayd etadi. Kompozitlar bilan solishtirganda folgalarni mana shu yo‘nalish
effekti orqaga tortmoqda [5]. Biroq grafit folgalar yupqaligi sababli ko‘ndalang qarshilik
ko‘rsatgichi Bo‘yicha avzalliklarga ega. Ya’ni yupqa bipolyar plastinalar evaziga kichik
o‘lchamda ammo samarador yoqilg‘i elementlarini tayyorlash mumkinligi taxmin qilinmoqda.
Biroq grafit folgalarning yumshoqligi va kontakt kuchlarga nisbatan qarshiligining kamligi
bois yoqilg‘i elementi konstruksiyasining talablariga javob bera olmayapti.
Grafit folgalar yoqilg‘i elementida ko‘p qavatli konstruksiya qurish imkonini beradi.
Yana bir avzalligi uning solishtirma og‘irligi kichik. Bu esa yoqilg‘i elementining massasini
ham kamaytiradi. Yuqorida aytib o‘tganimizdek hozirda ishlab chiqarilayotgan yoqilg‘i
elementining 80% massasi bipolyar plastinalar hisobiga to‘g‘ri keladi. Folgalarga mexanik
ishlov berish ya’ni texnologik jihatdan juda qulay, ya’ni seriyali ishlab chiqarishda
muammolar bo‘lmaydi. Biroq grafit folgalarni yoqilg‘i elementlarida real qo‘llash uchun
ILM-FAN VA INNOVATSIYA
ILMIY-AMALIY KONFERENSIYASI
in-academy.uz/index.php/si
102
ularning mexanik xossalarini va gaz o‘tkazuvchanlik xossalarini talab darajasiga yetkazish
kerak. Bu ikki masalaning yechimini bugungi kunda polimer bog‘lovchiga shimdirish yo‘li
bilan yechim topish ustida olimlar izlanmoqda. Polimer bog‘lovchi sifatida: aldegidli, furanli,
akrilli va epoksidli fenollar tajriba qilinmoqda. Bunday folgalardan tayyorlangan plastinalarga
turli usullar yordamida kanallar ochish mumkin. Masalan, grafit folgaga boshqa kanallar rasmi
tushirilgan trafaret grafit folgani laminasiya qilinadi. Ikkala qatlam bir-biriga bog‘lanishi
uchun listlar orasiga karbonlovchi adgeziv modda surtiladi. Bundan tashqari kanallarni
shtampovka orqali ham ochish mumkin, faqat bunda folganing mexanik xossalari yuqori
bo‘lishi talab etiladi.
AQSh energetika vazirligining transport vositalarida qo‘llash uchun bipolyar plitalarga
qo‘ygan maqsadli talablari 2-jadvalda keltirilgan.
2-jadval.
Parametrlari
O’lchov birligi
2015 yilgi
maqsadlari
2020 yilgi
maqsadlari
2025 yilga
maqsadlari
Narxi
USD∙kWnet
-1
7
3
2
Plita og’irligi
kg∙kWnet
-1
<0.4
0.4
0.18
Plitadan H
2
gazini o’tish
koeffitsienti
Std cm
3
∙s
-1
∙cm
-2
∙Pa
80
o
C, 3 atm, 100%
RH nisbiy namlik
0
<1.3 x 10
-14
<2 x 10
-16
Anod korroziyasi
µA∙cm
-2
No active peak
1 ва No active
peak
1 ва No active
peak
Katod
korroziyasi
µA∙cm
-2
<0.1
<1
<1
Elektr
o’tkazuvchanlik
S∙cm
-1
>100
100
>100
Yuza qarshiligi
Ω∙cm
2
0.006
0.01
<0.01
Egilishga
mustahkamligi
MPa
>34
>25
>40
AQSH energetika vazirligi yoqilg‘i elementlari bo‘yicha qator standartlar ishlab chiqqan
bo‘lib, ularning har besh yilga mo‘ljallangan maqsadli talablari bor. Biroq bu talablarning
barchasiga bir vaqtda javob bera oladigan bipolyar plitalarni ishlab chiqarish bironta ham
ishlab chiqaruvchiga nasib etmagan. Sababi bipolyar plitalarning funksiyalarining ko‘pligida.
Ko‘p funksiyalarga javob beruvchi materiallarni sintez qilishda, zarur barcha xossalarni
chuqur tahlil qilish talab etiladi.
References:
1.
https://minenergy.uz/uz/news/view/1709
2.
https://minenergy.uz/uz/news/view/2648
3.
Kang F, Zhang T-Y, Leng Y. Electrochemical behavior graphite in electrolyte of sulfuric
and acetic acid. Carbon 1997;35:1167–73.
4.
Chen GH, Wu DJ, Weng WC, He B, Yan WL. Preparation of polystyrene–graphite
conducting nanocomposites via intercalation polymerization. Polym Int 2001;50(9):980–5.
5.
Toyada M, Inagaki M. Heavy oil sorption using exfoliated graphite new application of
exfoliated graphite to protect heavy oil pollution. Carbon 2000;38(2):199–21095.
