Информации

Дали водород е присутен во биогасот и дали спонтано се запали?

Дали водород е присутен во биогасот и дали спонтано се запали?



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Дали водород е присутен во биогасот? Бидејќи е многу запалив, дали може да ги запали другите гасови како метан?


Составот на биогасот во голема мера зависи од неговиот извор и микробот што ферментира. Но, генерално, содржи водород околу 0-1%. Дури и да содржи големи количини, смесата би била запалива, но не би се запалила без надворешен запалител, што може да биде мало флуктуација на топлината ако смесата е премногу нестабилна. Но, генерално, запаливиот гас не почнува сам да гори.


Температурата на автоматско палење на запалива мешавина на водород во воздухот е 500 степени C извор - Википедија. Нема да се запали спонтано, некој дел од него мора прво да ја достигне таа температура преку искра, пламен или друг извор на топлина. Штом се запали, и метанот секако ќе изгори.


Биогас: вовед

Биогасот е претежно метан (околу 60%) со јаглерод диоксид (околу 40%) и малку водород и водород сулфид. Направено е од анаеробни бактерии кои ја разградуваат органската материја во отсуство на кислород (кога органската материја е натопена - т.е. кашеста маса). Процесот се јавува и на депониите и во дигестивниот систем на луѓето и другите животни (да, прдежот се биогас).

Биогасот природно се генерира во калта на дното на мочуриштата и се нарекува барски гас и може да предизвика мал пламен над водата, поради бактериски произведените гасови кои спонтано се палат. и осветлување на метанот.

Мал експериментален дигестер за биогас. Отпадниот материјал се става во барабанот за масло, капакот од неопренови се крева кога гасот е полн со гас се внесува во контејнер (наопаку пластичен барабан со заптивка за вода) кој се крева како што влегува повеќе гас. Кога е полна, гасот може да се исклучи и да се користи преку мал прстен за гас.

Но, можеме сами да го направиме од растителен и животински отпад, па дури и човечкиот отпад мекиот материјал е подобар од гранчиња / дрвенест материјал. Биогасот може да се согорува за да се придвижи генератор, или во помал обем, за готвење или палење гасни светилки. Исто така, развиени се мотори за биогас за транспорт.

Опремата во која органската материја анаеробно се распаѓа се нарекува дигестор, а има и некаков вид контејнер за складирање на произведениот гас. Суровиот биогас може да се ‘прочисти’ со тоа што ќе помине низ гасена вар, која го отстранува најголемиот дел од CO 2 и ја зголемува неговата калориска вредност.

Експеримент со мини биогас, кој работи на истиот принцип како и дигесторот погоре.

Двата главни типа на дигестори се континуираните и сериските. Континуираните дигестори имаат постојан пропус на материјал, а сериските дигестори го извлекуваат гасот од содржана серија на материјал, кој потоа се празни и се додава нова серија.

Дигесторите за биогас веќе се широко користени во земјите во развој, особено во Индија и Кина, бидејќи огревното дрво за готвење станува малку. Во Индија и Кина има милиони мали семејни растенија. На Запад, дигесторите имаат тенденција да бидат од поголеми размери, земајќи кашеста маса од животни и човечки отпадни води. Но, тие можат да бидат и во домашни размери, за поединци кои сакаат да ја намалат нивната зависност од фосилни горива.

Малиот дигестор за биогас, кој работи на животинско ѓубриво и кујнски отпад, кој произведува гас за готвење и истекува компост за градината и користи внатрешна цевка за складирање на гасот!

Кои се придобивките од биогасот?

Ги намалува емисиите на CO 2

Затоа што е замена за природниот гас. Бидејќи CO 2 од биогасот е од неодамна живата растителна материја (дури и ако се хранела со животни), тој е дел од циклусот - т.е. на.

Ги намалува емисиите на метан

Земјоделството за животни е одговорно за околу 40% од метанот што се ослободува во атмосферата од човековата активност. Кога метанот се согорува, тој ослободува CO 2 , но метанот е околу 30 пати посилен како стакленички гас од CO 2 , па затоа е добра идеја да го согорите наместо да го ослободите. Како и да е, подобро е органскиот отпад да се одвојува и да се става во анаеробен дигестор наместо да се собира метан од депониите и би заштедило повеќе енергија доколку целиот органски отпад, вклучително и хартијата, се рециклира наместо да се депонира - плус тоа би го спречило истекувањето. на загадувачи во подземните води и почвата.

Поедноставен пресек на еден вид дигестор што се користи за отпад од животинско и човечко потекло низ цела Кина и на далечниот исток. Во овој систем може да се вгради тоалет. Слика: Tkarcher, CC BY-SA

Ја намалува употребата на ресурси

На биогасот не му требаат милиони милји цевки за да се испорача, а не треба да се течни и да се испорачува низ целиот свет, со сите ресурси и енергија што ги вклучуваат овие работи. Плус заштедува дрвја (за огревно дрво). Природниот гас е конечен, па нема да трае вечно - и веројатно ќе има војни за него кога ќе истече.

Малку поголем дигестор, исполнет со животинско ѓубриво собрано од локалните мали стопанства, со филтер од челична волна за отстранување на водород сулфид и резервоари за складирање гас со заптивка за вода плус демонстрација на готвење со гас.

Создава два обновливи ресурси

Тињата од отпадни води и кашеста маса од животинско потекло обично завршуваат како ѓубриво во секој случај, па затоа е подобро прво да се добие гориво од него и да се спречи истекувањето и емисиите на метан во исто време - а сепак добивате ѓубриво на крајот од процесот. Тоа е алката што недостасува за оние кои сакаат да се префрлат од фосилните горива - многу луѓе ги греат своите домови на дрва, а водата со соларна енергија, а електричната енергија ја добиваат од ветер и сончева светлина - но готвењето е проблем што е премногу скапо со електрична енергија. а агите се скапи, потребно е долго време да се запалат и ќе ви го загреат просторот во лето. Гасот е најдобар за готвење, но со биогасот може да се направи без сметки за гас.

Забелешка: како и кај другите биогорива, мислиме дека суровина (суровини) треба да биде отпаден материјал. Не мислиме дека е добра идеја да се издвојат големи површини земја за одгледување горива кога поголемиот дел од светот нема доволно храна (иако отпадот од прехранбените култури е во ред). Видете часовник за биогориво. Исто така, дигесторите од големи размери треба да се напојуваат со големи операции како фабрички фарми или постројки за отпадни води. Тие носат свои проблеми, како што се хормоните, суровоста кон животните и енергетски интензивен транспорт и хемикалии. Сметаме дека најдоброто решение е обично најмалиот можен размер – во овој случај фармата или домашната скала.

Додавање отпад од храна во мал дигестор.

Што можам да направам?

Поставување

Сериски дигестори базирани на некој вид барабан/контејнер се изводливи на домашна скала. Континуираните дигестори се популарни во Азија – влезна и излезна јама со бетонски или челичен контејнер за гас. Можете да изградите своја - да прочитате книга, да ја видите нашата страница со врски или да присуствувате на курс.

Како да се изгради домашен/фарма биогас дигестор.

Димензионирање

Во Индија, за 8-члено семејство со неколку животни (да речеме 8-10 крави), се препорачува дигестор од 10 m³, со складирање на гас од 2 m³. Но, типично мало семејство дигестор ќе биде околу еден кубен метар. За готвење и осветлување, не ви треба многу. Секој кг биоразградлив материјал ќе дава околу 0,4 m³ (400l) гас, а на гасните светилки им требаат околу 100l на час. 2 гасни прстени за неколку часа дневно ќе користат помеѓу 1-2 m³, па ако имате стока, плус кујнски и човечки отпад, можете да го направите тоа лесно. Кога станува збор за возење на секаков вид мотор (на пример, генератор или пумпа), тоа е поинаква работа и е многу подалеку од домашната скала. Колку долго ќе го оставите материјалот во сериски дигестор зависи од температурата (2 недели на 50°C до 2 месеци на 15°C). Просекот е околу 1 месец, па измерите колку материјал ќе додавате секој ден и помножете го со 30 за да ја пресметате големината на дигесторот.

Дигестор за биогас на семејна фарма во Индија, нема причина да не може успешно да се користи и на Запад.

Она што ние не го поддржуваме е изградбата на огромни дигестори за преземање огромни количества пченка, одгледувана специјално за да се хранат дигесторите. Видете овде и овде за повеќе за ова. Ова не значи дека биогасот е лоша идеја, тој е само „мало е убаво“ прашање, најдобро се користи за преземање отпад за производство на енергија и компост на фармата. Проблемот е скалата, а не технологијата. Од втората од тие две статии:

“Првиот и најочигледен проблем е тоа што значи одземање на земјиштето од производството на храна. Постројка за биогас со капацитет од еден мегават ‘потребни се 20.000-25.000 тони [пченка] годишно, што претставува 450-500 хектари земја’. Размислете, кога ќе го прочитате тоа, дека просечниот капацитет на офшор ветерна турбина е четири мегавати. Четиристотини и педесет хектари земја или еден бетонски столб во морското дно - може ли да се посомнева која е подобрата опција?”

Врела вода со биогас.

Користете

Внесувањето на отпадот мора да биде кашеста маса - затоа додадете вода ако е премногу цврста. Обидете се да ја одржите температурата што е можно повисоко, тоа создава малку топлина, но во постудените земји на дигесторот ќе му треба изолација, па дури и малку дополнителна топлина во зима (што може да се обезбеди од дел од биогасот). Стаклена градина е добро место за тоа.

Безбедност

Метанот е експлозивен - видете ја веб-страницата на Универзитетот Аделаида за безбедносни размислувања.

Додека сте тука, зошто да не ги погледнете другите 25+ теми за комунални услуги што се достапни? И не заборавајте да ја посетите нашата страница со главни теми за да истражите над 200 аспекти на живеење со мал ефект и нашата почетна страница за да дознаете повеќе за тоа зошто го правиме она што го правиме.

Ние би сакале да ги слушнеме вашите коментари, совети и совети на оваа тема, и ако поставите прашање, ќе се обидеме да побараме специјалист во нашата мрежа да одговори на тоа.


Биоводород

23.2.1 Биоводород со гасификација

Покрај производството на биоводород од биогас, тој може да се произведува и преку гасификација на биомаса, слично на производството на био-SNG. Треба да се користи метод на гасификација што произведува гас со поголема содржина на водород. Во спротивно, потребна е дополнителна реформа на пареа за да се претвори метанот во водород. Поместувањето на воден гас се користи за да се зголеми приносот на водород. Потоа преостанатиот CO 2 се отстранува со адсорпција со замав на притисок или со сепарација на керамичката мембрана, што остава биоводород, кој треба да се користи како автомобилско гориво. За да се користи на овој начин, треба да се компресира или течно или складира во метални хидриди. Водородот може да се користи или во мотори со внатрешно согорување или во горивни ќелии. Бидејќи возилата со горивни ќелии сè уште не се комерцијално достапни и дистрибутивната инфраструктура за водород не може да се реализира на краток рок, биоводородот се смета за подолгорочна опција за транспортниот сектор. Главните предизвици за понатамошен развој на биоводородот се слични на оние на другите биогорива добиени од гасификација (освен SNG).

Суперкритичната гасификација, опција за производство на SNG, е исто така корисна технологија за производство на биоводород. Меѓутоа, во тој случај, неопходна е реформа на пареа за да се претвори формираниот метан во водород, што го прави процесот поскап. Друга опција за производство на водород од влажна биомаса, која исто така сè уште е на лабораториско ниво, е технологијата наречена темна и фотоферментација. Водородот може да се произведе директно со анаеробна дигестија (биогас). Темната ферментација е сличен процес, но со неа се манипулира на таков начин што саканиот краен производ водород се произведува директно без формирање на метан, додека водородот вообичаено е среден производ во анаеробното варење. За време на темната ферментација, покрај водородот, се произведуваат и органски киселини, кои можат да се претворат во водород со процес наречен фотоферментација.


Дали водород е присутен во биогасот и дали спонтано се запали? - Биологија

Ферментацијата на метан е разноврсна биотехнологија способна да ги конвертира речиси сите видови полимерни материјали во метан и јаглерод диоксид под анаеробни услови. Ова се постигнува како резултат на последователно биохемиско разложување на полимерите до метан и јаглерод диоксид во средина во која различни микроорганизми кои вклучуваат ферментативни микроби (ацидогени) кои произведуваат водород, микроби кои формираат ацетат (ацетогени) и микроби кои произведуваат метан (метаногените) хармонично растат и произведуваат намалени крајни производи. Анаеробите играат важна улога во воспоставувањето стабилна средина во различни фази на ферментација на метанот.

Ферментацијата на метан нуди ефективно средство за намалување на загадувањето, супериорно од она што се постигнува преку конвенционалните аеробни процеси. Иако се практикува со децении, интересот за анаеробна ферментација неодамна се фокусираше на неговата употреба во економското обновување на горивниот гас од индустриските и земјоделските вишоци.

Биохемијата и микробиологијата на анаеробното разградување на полимерните материјали до метан и улогите на различните вклучени микроорганизми, се дискутирани овде. Се разгледува неодамнешниот напредок во молекуларната биологија на метаногените, се опишуваат нови дигестори и се дискутираат подобрувањата во работата на различни видови биореактори.

Ферментацијата на метанот е последица на низа метаболички интеракции меѓу различни групи на микроорганизми. Опис на микроорганизмите вклучени во ферментацијата на метанот, врз основа на анализа на бактерии изолирани од дигесторите за отпадна тиња и од руменот на некои животни, е сумиран на Сл. 4-1. Првата група на микроорганизми лачат ензими кои ги хидролизираат полимерните материјали до мономери како што се гликозата и амино киселините, кои последователно се претвораат во повисоки испарливи масни киселини, H 2 и оцетна киселина (сл. 4-1 фаза 1). Во втората фаза, ацетогените бактерии кои произведуваат водород ги претвораат повисоките испарливи масни киселини, на пр., пропионската и масленската киселина, произведени, во H2, CO2 и оцетна киселина. Конечно, третата група, метаногените бактерии го претвораат H 2 , CO 2 и ацетат во CH 4 и CO 2 .

Полимерните материјали како што се липидите, протеините и јаглехидратите примарно се хидролизираат со екстрацелуларни, хидролази, излачувани од микробите присутни во Фаза 1 (сл. 4-1). Хидролитичките ензими (липази, протеази, целулази, амилази, итн.) ги хидролизираат нивните соодветни полимери во помали молекули, првенствено мономерни единици, кои потоа се консумираат од микробите. Во метан ферментација на отпадни води кои содржат високи концентрации на органски полимери, хидролитичката активност релевантна за секој полимер е од огромно значење, бидејќи хидролизата на полимер може да стане чекор со ограничување на брзината за производство на поедноставни бактериски супстрати кои ќе се користат во следните чекори на разградување .

Липазите ги претвораат липидите во масни киселини со долг синџир. Пријавена е густина на населеност од 10 4 - 10 5 липолитички бактерии на ml дигестер течност. Се чини дека клостридиите и микрококите се одговорни за повеќето произведувачи на екстрацелуларна липаза. Произведените масни киселини со долг ланец дополнително се разградуваат со п-оксидација за да се добие ацетил CoA.

Протеините генерално се хидролизираат до аминокиселини од протеази, секретирани од Bacteroides, Butyrivibrio, Clostridium, Fusobacterium, Selenomonas и Streptococcus. Произведените амино киселини потоа се разградуваат до масни киселини како што се ацетат, пропионат и бутират и до амонијак како што се наоѓаат во Clostridium, Peptococcus, Selenomonas, Campylobacter и Bacteroides.

Полисахаридите како целулоза, скроб и пектин се хидролизираат со целулази, амилази и пектинази. Поголемиот дел од микробните целулази се составени од три вида: (а) ендо-(3-l,4-глуканази (б) егзо-pl,4-глуканази (в) целобијаза или р-глукозидаза. Овие три ензими делуваат синергистички на целулозата ефикасно хидролизирајќи ја нејзината кристална структура, за да произведе гликоза Микробиската хидролиза на сиров скроб во гликоза бара амилолитичка активност, која се состои од 5 видови амилази: (а) а-амилази кои ендоклираат a ±1-4 врски (б) р-амилази кои егзокливаат ±1-4 врски (в) амилоглукозидази кои ги отцепуваат врските ±l-4 и ±l-6 (г) ензими за разгранување кои делуваат на врските ±l-6 (д) малтаза која делува на малтоза ослободувачки од гликоза, се разградуваат со P. вклучувајќи пектинестерази и деполимерази.Ксиланите се разградуваат со ²-ендо-ксиланаза и ²-ксилозидаза за да се произведе ксилоза.

Хексозите и пентозите генерално се конвертираат во C2 и C3 посредници и во редуцирани носители на електрони (на пример, NADH) преку заеднички патишта. Повеќето анаеробни бактерии се подложени на метаболизам на хексоза преку патеката Емден-Мајерхоф-Парнас (EMP) која произведува пируват како посредник заедно со NADH. Така генерираните пирувати и NADH се трансформираат во ендопроизводи на ферментација како што се лактат, пропионат, ацетат и етанол со други ензимски активности кои огромно варираат кај микробните видови.

Така, при хидролиза и ацидогенеза (сл. 4-1 Фаза 1), шеќерите, амино киселините и масните киселини произведени со микробиолошка деградација на биополимерите сукцесивно се метаболизираат со ендопроизводи на ферментација како што се лактат, пропионат, ацетат и етанол од други ензимски активности кои се разликуваат неверојатно со микробни видови.

Така, при хидролиза и ацидогенеза (Сл. 4-1 Фаза 1), шеќерите, муницијалните киселини и масните киселини произведени со микробиолошка деградација на биополимерите сукцесивно се метаболизираат од групи бактерии и примарно се ферментираат до ацетат, пропионат, бутират, лактат, етанол, јаглерод диоксид и водород (2).

Иако некои ацетати (20%) и H 2 (4%) се директно произведени со ацидогена ферментација на шеќери и амино киселини, двата производи првенствено се изведени од ацетогенезата и дехидрогенизацијата на повисоки испарливи масни киселини (сл. 4-1 Фаза 2 ).

Задолжителните ацетогени бактерии кои произведуваат H 2 се способни да произведуваат ацетат и H 2 од повисоките масни киселини. Само Syntrophobacter wolinii, пропионат разградувач (3) и Sytrophomonos wolfei, разградувач на бутирати (4) досега се изолирани поради технички тешкотии вклучени во изолацијата на чистите соеви, бидејќи произведениот H2 сериозно го инхибира растот на овие соеви. Употребата на техники за ко-култура кои ги инкорпорираат потрошувачите на H2, како што се метаногените и бактериите што редуцираат сулфати, затоа може да го олесни разјаснувањето на биохемиското разградување на масните киселини.

Целокупните реакции на распаѓање за масни киселини со долг ланец се претставени во табелите 4-1 и 4-2. Производството на H2 од ацетогени е генерално енергетски неповолно поради високите барања за слободна енергија (a ”G o, > 0 Табела 4-1 и 4-2).Меѓутоа, со комбинација на бактерии кои консумираат H2 (Табела 4-2, 4-3), системите за ко-култура обезбедуваат поволни услови за распаѓање на масните киселини до ацетат и CH4 или H2S (a ”G o , < 0). Покрај разградувањето на масни киселини со долг синџир, етанолот и лактатот исто така се претвораат во ацетат и H2 со помош на ацетоген и Clostridium formicoaceticum, соодветно.

Ефектот на парцијалниот притисок на H 2 врз слободната енергија поврзана со конверзијата на етанол, пропионат, ацетат и H 2 / CO 2 за време на ферментацијата на метанот е прикажан на Сл. 4-2. Екстремно низок парцијален притисок од H 2 (10 -5 atm) се чини дека е значаен фактор за деградација на пропионат до CH4. Таков низок парцијален притисок може да се постигне во ко-култура со бактерии што консумираат H2 како што е претходно опишано (Табела 4-2,4-3).

Метаногените се физиолошки обединети како произведувачи на метан во анаеробната дигестија (Сл. 4-1 Фаза 3). Иако ацетатот и H2/CO2 се главните супстрати достапни во природната средина, форматот, метанолот, метиламините и CO, исто така, се претвораат во CH4 (Табела 4-3).

Табела 4-1 Предложени реакции вклучени во катаболизмот на масни киселини од Syntrophomonas wolfei

+ 2 H 2 O 2 CH 3 COO - + 2H 2 + H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 4 H 2 O 3 CH 3 COO - + 4H 2 + 2H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 6 H 2 O 4 CH 3 COO - + 6H 2 + 3H +

+1 H 2 O CH 3 CH 2 COO - + CH 3 COO - +2 H 2 + H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 4 H 2 O CH 3 CH 2 COO - + 2 CH 3 COO - +4 H 2 + 2H +

CH 3 CHCH 2 CH 2 CH 2 COO -
|
CH 3

+ 2 H 2 O CH 3 CHCH 2 COO - + CH 3 COO - + 2H 2 + H +
|
CH 3

Табела 4-2 Промени во слободната енергија за реакции кои вклучуваат анаеробна оксидација во чисти култури или во ко-култури со H2 -Користење на метаногени или Desulfovibrio spp.

1. Ацетогени бактерии кои редуцираат протон (H2-произведуваат).

A. CH 3 CH 2 CH 2 COO - + 2H 2 O 2 CH 3 COO - + 2H 2 + H +

B. CH 3 CH 2 COO - + 3H 2 O CH 3 COO - + HCO 3 - + H + + 3H 2

2. H 2 -со користење на метаногени и десулфовибрии

C. 4H 2 + HCO 3 - + H + CH 4 + 3 H 2 O

D. 4H 2 + S0 4 2- + H + HS - + 4 H 2 O

A + C 2 CH 3 CH 2 CH 2 COO - + HCO 3 - + H 2 O 4 CH 3 COO - + H + + CH 4

A + D 2 CH 3 CH 2 CH 2 COO - + S0 4 2- 4 CH 3 COO - + H + + HS -

B + C 4 CH 3 CH 2 COO - + 12H 2 4 CH 3 COO - + HCO 3 - + H + + 3 CH 4

B + D 4 CH 3 CH 2 COO - + 3 S0 4 2 " 4 CH 3 COO - + 4 HCO 3 - + H + + 3 HS -

Табела 4-3 Реакции на метаногени кои даваат енергија

CO 2 + 4 H 2 ® CH 4 + 2H 2 O

HCO 3 - + 4 H 2 + H + ® CH 4 + 3 H 2 O

CH 3 COO - + H 2 O ® CH 4 + HCO 3 -

HCOO - + H + ® 0,25 CH 4 + 0,75 CO 2 + 0,5 H 2 O

CO + 0,5 H 2 O & reg 0,25 CH 4 + 0,75 CO 2

CH 3 OH ® 0,75 CH 4 + 0,25 CO 2 + 0,5 H 2 O

CH 3 NH 3 + + 0,5 H 2 O & reg 0,75 CH 4 + 0,25 CO 2 + NH 4 +

(CH 3 ) 2 NH 2 + + H 2 O & reg 1,5 CH 4 + 0,5 CO 2 + NH 4 +

(CH 3 ) 2 NCH 2 CH 3 H + + H 2 O ® 1,5 CH 4 + 0,5 CO 2 + + H 3 NCH 2 CH 3

(CH 3 ) 3 NH+ 1,5H 2 O ® 2,25 CH 4 + 0,75 CO 2 + NH 4 +

Бидејќи метаногените, како задолжителни анаероби, бараат редокс потенцијал помал од -300 mV за раст, нивната изолација и одгледување беше донекаде неостварлива поради техничките потешкотии што се среќаваа при ракување со нив во услови целосно без O2. Сепак, како резултат на значително подобрените техники за изолација на метаноген развиени од Hungate (6), сега се изолирани повеќе од 40 видови чисти метаногени. Метаногените може да се поделат во две групи: H 2 /CO 2 - и потрошувачи на ацетати. Иако некои од потрошувачите на H2/CO2 се способни да користат формат, ацетатот се консумира од ограничен број на соеви, како што е Methanosarcina spp. и Methanothrix spp. (сега, Methanosaeta), кои не се способни да користат формат. Бидејќи големо количество ацетат се произведува во природната средина (сл. 4-1), метаносарцината и метанотрикс играат важна улога во завршувањето на анаеробната дигестија и во акумулирањето на H2, што ги инхибира ацетогените и метаногените. Метаногените кои консумираат H2 се исто така важни за одржување на ниски нивоа на атмосферски H2.

Метаногените кои трошат H 2 / CO 2 го намалуваат CO 2 како акцептор на електрони преку формил, метенил и метил нивоата преку асоцијација со необични коензими, за конечно да произведат CH 4 (7) (сл. 4-3). Целокупната ацетокластична реакција може да се изрази како:

Бидејќи мал дел од CO 2 е исто така формиран од јаглерод добиен од метил групата, постои сомневање дека намалениот потенцијал произведен од метил групата може да го намали CO 2 на CH 4 (8).

Врз основа на анализа на хомологната секвенца на 16S rRNAs, метаногените се класифицирани во едно од трите примарни царства на живи организми: Археите (Archaebacteria). Археите исто така вклучуваат големи групи на организми како што се термофили и халофили. Иако археите поседуваат прокариотска клеточна структура и организација, тие споделуваат заедничка карактеристика со еукариотите: хомологни секвенци во rRNA и tRNA, присуство на ин-они во нивните геноми, слична организација на подединица на РНК полимераза, имунолошки хомологии и системи за транслација.

Технологијата за рекомбинантна ДНК е една од најмоќните техники за карактеризирање на биохемиската и генетската регулација на метаногенезата. Ова бара избор на генетски маркери, ефикасен систем на генетска трансформација и векторски систем за генетска рекомбинација како предуслови.

Генетски означените соеви се предуслови за генетски студии: овие соеви може да се користат за развој на систем за генетска размена во метаногени врз основа на ефикасен систем за селекција. Бидејќи растот на M. thermoautotrophicum е инхибиран од флуороурацил, соеви отпорни на аналогни беа изолирани со спонтана мутација. Други мутанти отпорни на DL-етионин или 2-бромоетан сулфонат (аналог на коензим М), покрај автотрофните мутанти, беа добиени со мутаген третман. Добиени се и неколку автотрофни соеви за ацетокластичниот метаноген, M. voltae. Овие мутантни соеви се наведени во Табела 4-4.

Иако некои гени на метаноген, како што се биосинтетичките гени на аминокиселини и пурини, гени за машини за транскрипција и преведување, и структурни протеински гени, се клонирани, овде се избрани гени кои ги кодираат ензимите вклучени во метаногенезата како „гени на метан“.

Метил CoM редуктаза (MR Сл. 4-3) сочинува приближно 10% од вкупниот протеин во метаногените култури. Важноста и изобилството на МР неизбежно го фокусираше првичното внимание на разјаснување на неговата структура и механизмите што ја насочуваат неговата синтеза и регулација. MR-кодирачките гени се клонирани и секвенционирани од Methanococcus vanielli, M. voltae, Methanosarcina barkeri, Methanobacterium thermoautotrophicum и M. fervidus.

Формилметанофуран трансфераза (FTR) го катализира трансферот на формална група од формилметанофуран (MFR) до тетрахидрометанофуран (H 4 MPT) (Сл. 4-3, 4-2). FTR-кодирачкиот ген од M. thermoautotrophicum е клониран, секвенциониран и функционално изразен во E. coli. Формат дехидрогеназа (FDH) понекогаш може да претставува 2 до 3% од вкупните растворливи протеини во метаногените култури. Двата гени кои ги кодираат подединиците a ± и a ² на FDH се клонирани и секвенционирани од M formicicum. Дополнително, клонирани се и гените што ја кодираат F 420-редукциската хидрогеназа (сл. 4-3), фередоксинот и ATP-азата.

Табела 4-4 Ауксотрофни и отпорни на лекови мутанти применливи за експерименти за пренос на гени


Содржини

HCCI моторите имаат долга историја, иако HCCI не е толку широко имплементиран како палењето со искра или дизел вбризгувањето. Тоа е во суштина циклус на согорување Ото. HCCI беше популарен пред да се користи електронското палење со искра. Еден пример е моторот со топла сијалица кој користел топла комора за испарување за да помогне во мешањето на горивото со воздухот. Дополнителната топлина во комбинација со компресија предизвика услови за согорување. Друг пример е „дизел“ модел на авионски мотор.

Методи Уреди

Мешавина од гориво и воздух се запали кога концентрацијата и температурата на реактантите се доволно високи. Концентрацијата и/или температурата може да се зголемат на неколку различни начини:

  • Зголемување на односот на компресија
  • Предзагревање на индукционите гасови
  • Присилна индукција
  • Задржани или повторно индуцирани издувни гасови

Откако ќе се запали, согорувањето се случува многу брзо. Кога автоматското палење се случува прерано или со премногу хемиска енергија, согорувањето е пребрзо и високиот притисок во цилиндарот може да го уништи моторот. Поради оваа причина, HCCI вообичаено се работи со посно целокупни смеси на гориво.

Предности Уреди

  • Бидејќи HCCI моторите се посно гориво, тие можат да работат со коефициенти на компресија слични на дизел (>15), со што се постигнуваат 30% повисоки ефикасни од конвенционалните бензински мотори SI. [2]
  • Хомогеното мешање на гориво и воздух доведува до почисто согорување и помали емисии. Бидејќи врвните температури се значително пониски отколку кај типичните SI мотори, нивоата на NOx се речиси занемарливи. Дополнително, техниката не произведува саѓи. [3]
  • HCCI моторите можат да работат на бензин, дизел гориво и повеќето алтернативни горива. [4]
  • HCCI ги избегнува загубите на гас, што дополнително ја подобрува ефикасноста. [5]

Недостатоци Уреди

  • Постигнување на способност за ладен старт.
  • Високите стапки на ослободување на топлина и зголемување на притисокот придонесуваат за абење на моторот.
  • Тешко е да се контролира самозапалувањето, за разлика од настанот на палење кај SI и дизел моторите, кои се контролираат со свеќички и вбризгувачи на гориво во цилиндарот, соодветно. [6]
  • Моторите HCCI имаат мал опсег на вртежен момент, ограничен при ниски оптоварувања поради ограничувањата на слабата запаливост и високите оптоварувања поради ограничувањата на притисокот во цилиндарот. [7] (CO) и јаглеводороди (HC) пред-катализатор емисиите се повисоки од типичниот мотор со палење со искра, предизвикани од нецелосна оксидација (поради брзото согорување и ниските температури во цилиндарот) и заробените гасови од пукнатините, соодветно. [8]

Контрола на уредување

HCCI е потешко да се контролира од другите мотори со согорување, како што се SI и дизелот. Во типичен бензински мотор, искра се користи за запалување на претходно измешаното гориво и воздух. Кај дизел моторите, согорувањето започнува кога горивото се вбризгува во претходно компримиран воздух. Во двата случаи, времето на согорување е експлицитно контролирано. Меѓутоа, кај HCCI моторот, хомогената мешавина на гориво и воздух се компресираат и согорувањето започнува секогаш кога ќе се постигне доволен притисок и температура. Ова значи дека ниту еден добро дефиниран иницијатор за согорување не обезбедува директна контрола. Моторите мора да бидат дизајнирани така што условите за палење се случуваат во посакуваното време. За да се постигне динамично работење, контролниот систем мора да управува со условите што предизвикуваат согорување. Опциите вклучуваат однос на компресија, индуцирана температура на гас, индуциран притисок на гас, однос гориво-воздух или количина на задржан или повторно индуциран издув. Неколку контролни пристапи се дискутирани подолу.

Сооднос на компресија Уреди

Два стапки на компресија се значајни. На геометриски однос на компресија може да се смени со подвижен клип на врвот на главата на цилиндерот. Овој систем се користи во мотори на авиони со дизел модели. На ефективен сооднос на компресија може да се намали од геометрискиот однос со затворање на доводниот вентил или многу доцна или многу рано со променливо активирање на вентилот (променливо време на вентилот што го овозможува Милеровиот циклус). И двата пристапи бараат енергија за да се постигне брз одговор. Дополнително, имплементацијата е скапа, но е ефективна. [9] Ефектот на односот на компресија врз согорувањето на HCCI исто така е опширно проучен. [10]

Индукциска температура Уреди

Настанот на самозапалување на HCCI е многу чувствителен на температура. Наједноставниот метод за контрола на температурата користи отпорни грејачи за да ја менува влезната температура, но овој пристап е премногу бавен за да се промени на фреквенција од циклус до циклус. [11] Друга техника е брзо термичко управување (FTM). Тоа се постигнува со менување на температурата на влезното полнење со мешање на топли и ладни струи на воздух. Доволно е брз за да овозможи контрола од циклус до циклус. [12] Исто така е скапо да се имплементира и има ограничен опсег поврзан со енергијата на активаторот.

Процент на издувни гасови Уреди

Издувните гасови се многу жешки ако се задржат или повторно се индуцираат од претходниот циклус на согорување или се ладат ако се рециркулираат низ доводот како кај конвенционалните EGR системи. Издувните гасови имаат двојни ефекти врз согорувањето на HCCI. Го разредува свежото полнење, го одложува палењето и ја намалува хемиската енергија и моќноста на моторот. Производите со топло согорување обратно ја зголемуваат температурата на гасот во цилиндерот и го унапредуваат палењето. Експериментално е прикажана контрола на времето на согорување HCCI мотори кои користат EGR. [13]

Активирање на вентилот Уреди

Променливо активирање на вентилот (VVA) го проширува оперативниот регион HCCI давајќи подобра контрола врз обвивката температура-притисок-време во комората за согорување. VVA може да го постигне ова преку:

  • Контрола на ефективниот однос на компресија: VVA на доводот може да ја контролира точката во која се затвора доводниот вентил. Забавувајќи го минатото на дното на мртвата точка (BDC), го менува односот на компресија, менувајќи го обвивката притисок-време во цилиндарот.
  • Контрола на количината на врел издувен гас што се задржува во комората за согорување: VVA може да го контролира количеството на врел EGR во комората за согорување, било со повторно отворање на вентилот или со промени во преклопувањето на вентилот. Балансирањето на процентот на оладениот надворешен EGR со топлиот внатрешен EGR генериран од системот VVA, овозможува да се контролира температурата во цилиндарот.

Додека електро-хидрауличните и VVA системи без камери нудат контрола врз настанот на вентилот, компонентата за таквите системи моментално е комплицирана и скапа. Механичките системи со променливо подигање и времетраење, сепак, иако се посложени од стандардните вентили, се поевтини и помалку комплицирани. Релативно е едноставно да се конфигурираат такви системи за да се постигне потребната контрола над кривата на подигнување на вентилот.

Мешавина на гориво Уреди

Друг начин да се прошири опсегот на работа е да се контролира почетокот на палењето и брзината на ослободување на топлина [14] [15] со манипулирање со самото гориво. Ова обично се врши со мешање на повеќе горива „во лет“ за истиот мотор. [16] Примерите вклучуваат мешање на комерцијални бензин и дизел горива, [17] усвојување природен гас [18] или етанол. [19] Ова може да се постигне на повеќе начини:

  • Мешање нагоре: Горивата се мешаат во течна фаза, едно со низок отпор на палење (како што е дизелот) и второ со поголем отпор (бензин). Времето на палење варира во зависност од односот на овие горива.
  • Мешање во комората: Едното гориво може да се вбризгува во доводниот канал (вбризгување на приклучокот), а другото директно во цилиндерот.

Директно вбризгување: PCCI или PPCI Combustion Edit

Согорувањето со директно вбризгување со компресија (CIDI) е добро воспоставено средство за контролирање на времето на палење и стапката на ослободување на топлина и е прифатено во согорувањето на дизел моторите. Палење со компресија со делумно претходно мешано полнење (PPCI) познато и како Палење со компресија со претходно измешано полнење (PCCI) е компромис кој нуди контрола на согорувањето CIDI со намалените емисии на издувни гасови на HCCI, особено пониска саѓи. [20] Стапката на ослободување на топлина се контролира со подготовка на запаливата смеса на таков начин што согорувањето се случува во подолг временски период што ја прави помалку подложна на тропање. Ова се прави со темпирање на настанот на вбризгување така што опсегот на односот воздух/гориво се шири низ цилиндарот за согорување кога ќе започне палењето. Палењето се случува во различни региони на комората за согорување во различни времиња - забавување на стапката на ослободување на топлина. Оваа мешавина е дизајнирана да го минимизира бројот на џебови богати со гориво, намалувајќи го формирањето саѓи. [21] Усвојувањето на висок EGR и дизел горива со поголема отпорност на палење (повеќе „како бензин“) овозможува подолго време на мешање пред палењето и со тоа помалку богати џебови кои произведуваат саѓи и NO
x [20] [21]

Врвен притисок и стапка на ослободување топлина Уреди

Во типичен ICE, согорувањето се случува преку пламен. Оттука, во секој момент во времето, само дел од вкупното гориво гори. Ова резултира со ниски врвни притисоци и ниски стапки на ослободување на енергија. Меѓутоа, во HCCI, целата мешавина на гориво/воздух се запали и гори во многу помал временски интервал, што резултира со високи врвни притисоци и високи стапки на ослободување на енергија. За да ги издржи повисоките притисоци, моторот треба да биде структурно посилен. Предложени се неколку стратегии за намалување на стапката на согорување и максималниот притисок. Мешањето на горивата, со различни својства на самозапалување, може да ја намали брзината на согорувањето. [22] Сепак, ова бара значителна инфраструктура за имплементација. Друг пристап користи разредување (т.е. со издувни гасови) за да се намали притисокот и стапките на согорување (и излезот). [23]

Во поделена комора за согорување пристап [1], постојат две комори за согорување кои соработуваат: мала помошна и голема главна мрежа.
Во помошната комора за согорување се користи висок сооднос на компресија.
Умерен сооднос на компресија се користи во главната комора за согорување каде што хомогена смеса воздух-гориво е компресирана/загреана во близина, но под прагот на автоматско палење.
Високиот сооднос на компресија во помошната комора за согорување предизвикува автоматско палење на хомогената чиста мешавина воздух-гориво во неа (не е потребна свеќа) изгорениот гас пука - низ некои „порти за пренос“, непосредно пред TDC - во главното согорување комората што го активира неговото автоматско палење.
Моторот не треба да биде структурно посилен.

Моќ Уредување

Во ICE, моќноста може да се зголеми со внесување на повеќе гориво во комората за согорување. Овие мотори можат да издржат зголемување на моќноста бидејќи брзината на ослободување на топлина кај овие мотори е бавна. Меѓутоа, кај HCCI моторите, зголемувањето на односот гориво/воздух резултира со повисоки максимални притисоци и стапки на ослободување на топлина. Дополнително, многу остварливи стратегии за контрола на HCCI бараат термичко претходно загревање на горивото, што ја намалува густината, а со тоа и масата на полнежот воздух/гориво во комората за согорување, намалувајќи ја моќноста. Овие фактори го прават предизвик зголемувањето на моќноста кај HCCI моторите.

Една техника е да се користат горива со различни својства на самозапалување. Ова ја намалува стапката на ослободување топлина и врвните притисоци и овозможува да се зголеми односот на еквивалентност. Друг начин е термичко раслојување на полнењето така што различните точки во компримираното полнење имаат различни температури и горат во различно време, намалувајќи ја стапката на ослободување топлина и овозможувајќи зголемување на моќноста. [24] Трет начин е да се работи моторот во HCCI режим само при услови на делумно оптоварување и да се работи како дизел или SI мотор при повисоки услови на оптоварување. [25]

Уредување на емисии

Бидејќи HCCI работи на посни мешавини, максималната температура е многу пониска од онаа што се среќава кај SI и дизел моторите. Оваа ниска максимална температура го намалува формирањето на NO
x , но доведува и до нецелосно согорување на горивото, особено во близина на ѕидовите на комората за согорување. Ова произведува релативно високи емисии на јаглерод моноксид и јаглеводороди. Оксидирачкиот катализатор може да ги отстрани регулираните видови, бидејќи издувните гасови сè уште се богати со кислород.

Разлика од чукање Уреди

Тропање или ѕвонење на моторот се случува кога спонтано се запалат некои од неизгорените гасови пред пламенот во SI моторот. Овој гас се компресира додека пламенот се шири и притисокот во комората за согорување се зголемува. Високиот притисок и соодветната висока температура на неизгорените реактанти може да предизвикаат нивно спонтано палење. Ова предизвикува ударен бран да поминува од крајниот гасен регион и експанзиониот бран да премине во крајниот гасен регион. Двата брана се рефлектираат од границите на комората за согорување и комуницираат за да произведат стоечки бранови со висока амплитуда, со што се формира примитивен термоакустична направа каде што резонанцијата се засилува со зголеменото ослободување на топлина за време на патувањето на бранот слично на цевката Ријке.

Сличен процес на палење се јавува во HCCI. Меѓутоа, наместо дел од смесата на реактантот да се запали со компресија пред предниот дел на пламенот, палењето кај HCCI моторите се јавува поради компресија на клипот повеќе или помалку истовремено во најголемиот дел од компримираното полнење. Се појавуваат мали или никакви разлики во притисокот помеѓу различните региони на гасот, со што се елиминира секој ударен бран и чукање, но брзиот пораст на притисокот е сè уште присутен и пожелен од точката на барање максимална ефикасност од речиси идеалното изохорично додавање топлина.

Симулација на HCCI мотори Уреди

Пресметковните модели за симулирање на стапките на согорување и ослободување топлина на HCCI моторите бараат детални хемиски модели. [17] [26] Ова е во голема мера затоа што палењето е почувствително на хемиската кинетика отколку на процесите на турбуленции/прскање или искри како што се типични кај SI и дизел моторите. Пресметковните модели ја покажаа важноста да се земе предвид фактот дека смесата во цилиндарот е всушност хомогена, особено во однос на температурата. Оваа хомогеност е поттикната од турбулентно мешање и пренос на топлина од ѕидовите на комората за согорување. Количината на температурна стратификација ја диктира брзината на ослободување на топлина, а со тоа и тенденцијата за чукање. [27] Ова ја ограничува корисноста од разгледување на смесата во цилиндарот како единечна зона, што резултира со интеграција на 3D шифри за пресметковна динамика на течности како што е KIVA CFD кодот на Националната лабораторија Лос Аламос и побрзо решавање на кодови за моделирање на функцијата за густина на веројатност. [28] [29]

Почнувајќи од 2017 година, не беа произведени HCCI мотори на комерцијално ниво. Сепак, неколку производители на автомобили имаа функционални HCCI прототипови.

  • Мотоциклот Honda EXP-2 од 1994 година користеше „ARC-combustion“. Овој двотактен мотор користи издувен вентил за да го имитира режимот HCCI. Хонда продаде CRM 250 AR.
  • Во 2007–2009 година, General Motors го демонстрираше HCCI со модифициран мотор Ecotec од 2,2 L, инсталиран во Opel Vectra и Saturn Aura. [30] Моторот работи во HCCI режим со брзини под 60 милји на час (97 км/ч) или при крстарење, префрлување на конвенционален SI кога гасот е отворен и произведува економично гориво од 43 милји по царски галон (6,6 л/100 км 36 mpg- САД) и емисии на јаглерод диоксид од околу 150 грама на километар, што се подобрува на 37 милји по царски галон (7,6 L/100 km 31 mpg- САД) и 180 g/km од конвенционалната верзија со директно вбризгување од 2,2 L. [31] GM истражува и помали Family 0 мотори за HCCI апликации. GM го користеше KIVA во развојот на бензински мотори со директно вбризгување, стратификувано полнење, како и бензински мотор со брзо горење и хомогено полнење. [29] разви прототип на мотор наречен DiesOtto, со контролирано автоматско палење. Тој беше прикажан во неговиот концепт автомобил F 700 на саемот за автомобили во Франкфурт во 2007 година. [32] развиваат два типа мотори за работа на HCCI. Првиот, наречен Комбиниран систем за согорување или CCS, е базиран на 2.0-литарски дизел мотор на VW Group, но користи хомогено полнење на доводот. Потребно е синтетичко гориво за да се постигне максимална корист. Вториот се нарекува палење со компресија на бензин или GCI, тој користи HCCI при крстосување и палење со искра при забрзување. Двата мотори се демонстрирани во прототипите на Туран. [33]
  • Во ноември 2011 година, Hyundai го објави развојот на моторот GDCI (палење со компресија со директно вбризгување на бензин) во соработка со Delphi Automotive. [34] Моторот целосно ги елиминираше приклучоците за палење и наместо тоа ги користи и компресорот и турбополначот за да го одржи притисокот во цилиндерот. Моторот е планиран за комерцијално производство во блиска иднина. [35]
  • Во октомври 2005 година, Wall Street Journal објави дека Хонда развива HCCI мотор како дел од обидот да произведе хибриден автомобил од следната генерација. [36]
  • Oxy-Gen Combustion, компанија за чиста технологија со седиште во Велика Британија, произведе концептен мотор HCCI со полно оптоварување со помош на Michelin и Shell. [37]
  • SkyActiv-G Generation 2 на Mazda има сооднос на компресија од 18:1 за да се овозможи користење на согорување HCCI. [38] Наречен модел на мотор SKYACTIV-X е најавена од Mazda во август 2017 година како а голем напредок во технологијата на моторот. [39]
  • Mazda презема истражување со HCCI со мотори Wankel. [40]

До денес, неколку прототипови на мотори работат во HCCI режим, но истражувањето на HCCI резултираше со напредок во развојот на горивото и моторот. Примерите вклучуваат:


Температура на автоматско палење

Температурата на автоматско палење (AIT) на опасниот материјал во објектот мора да се знае за да се заврши неговата EAC. NFPA 497 обезбедува AIT вредности за различни запаливи материи.

Типична класификација на области за гасот пропан би била: Класа I, Оддел 2, Група D, 450C AIT. Еве:

  • Класа I укажува на присуство на пареа.
  • Поделбата 2 покажува дека пареата е присутна само во ненормални услови.
  • Групата Д покажува дека пропанот е член на оваа група.
  • 450C е температурата на автоматско палење на пропанот.

Откако ќе се класифицира областа, NEC обезбедува многу специфични и строги барања за електричната опрема и поврзаните жици што може да се инсталираат во таа област. Барањата се наменети да се спречи електричната опрема да биде извор на палење за запалива смеса. Според тоа, самата инсталација мора да биде отпорна на експлозија.

Очигледно, EAC на објектот мора да биде познат пред да може да се специфицира, дизајнира или инсталира која било електрична опрема. На многу проекти за напојување со CTG, механичка опрема за специјална намена со долго време на производство (мотори и инструменти и контролни системи и компоненти, на пример) мора да се специфицира и нарача рано. Ненавремено да се одреди EAC за објектот и таквата опрема може да резултира со небезбедни инсталации, преработка, конфузија, одложувања и пречекорувања на трошоците.


Содржини

Првите референци за водородни горивни ќелии се појавија во 1838 година. Во писмо од октомври 1838 година, но објавено во изданието од декември 1838 година Филозофско списание и списание за наука во Лондон и Единбург, велшкиот физичар и адвокат Сер Вилијам Гроув напиша за развојот на неговите први сурови горивни ќелии. Тој користел комбинација од лим од железо, бакар и порцелански плочи и раствор од сулфат од бакар и разредена киселина. [6] [7] Во писмото до истата публикација напишано во декември 1838 година, но објавено во јуни 1839 година, германскиот физичар Кристијан Фридрих Шенбајн разговарал за првата сурова горивна ќелија што ја измислил. Неговото писмо разговараше за струјата генерирана од водород и кислород растворен во вода. [8] Гроув подоцна го скицирал неговиот дизајн, во 1842 година, во истото списание. Горивната ќелија што ја направи користеше слични материјали на денешната горивни ќелии со фосфорна киселина. [9] [10]

Британците кои го зајакнаа слетувањето на Месечината, Архива на БиБиСи. [11]

Во 1932 година, англискиот инженер Френсис Томас Бејкон успешно разви стационарна горивни ќелии од 5 kW. [11] Алкалната горивни ќелии (AFC), позната и како горивни ќелии на Бекон по нејзиниот пронаоѓач, е една од најразвиените технологии на горивни ќелии, која НАСА ја користи од средината на 1960-тите. [11] [12]

Во 1955 година, W. Thomas Grubb, хемичар кој работи за General Electric Company (GE), дополнително го модифицирал оригиналниот дизајн на горивни ќелии со користење на сулфонирана полистиренска мембрана за јонска размена како електролит. Три години подоцна, друг хемичар од ГЕ, Леонард Нидрах, смислил начин на депонирање на платина на мембраната, која служела како катализатор за неопходните реакции на оксидација на водород и намалување на кислородот. Ова стана познато како „горивни ќелии Граб-Нидрах“. [13] [14] GE продолжи да ја развива оваа технологија со НАСА и McDonnell Aircraft, што доведе до нејзина употреба за време на проектот Gemini. Ова беше прва комерцијална употреба на горивни ќелии. Во 1959 година, тим предводен од Хари Ајриг изгради трактор со горивни ќелии од 15 kW за Алис-Чалмерс, кој беше демонстриран низ САД на државните саеми. Овој систем користел калиум хидроксид како електролит и компримиран водород и кислород како реактанти. Подоцна во 1959 година, Бејкон и неговите колеги демонстрираа практична единица од пет киловати способна да напојува машина за заварување. Во 1960-тите, Pratt & Whitney ги лиценцираше американските патенти на Бејкон за употреба во американската вселенска програма за снабдување со електрична енергија и вода за пиење (водородот и кислородот се лесно достапни од резервоарите на вселенското летало). Во 1991 година, првиот автомобил со водородни горивни ќелии беше развиен од Роџер Билингс. [15] [16]

UTC Power беше првата компанија која произведуваше и комерцијализираше голем, стационарен систем за горивни ќелии за употреба како електрана за когенерација во болници, универзитети и големи деловни згради. [17]

Како признание за индустријата на горивни ќелии и улогата на Америка во развојот на горивни ќелии, Сенатот на САД го призна 8 октомври 2015 година како Национален ден на водород и горивни ќелии, поминувајќи го S. RES 217. Датумот беше избран како признавање на атомската тежина на водородот (1.008 ). [18]

Горивните ќелии доаѓаат во многу варијанти, меѓутоа, сите тие работат на ист општ начин. Тие се составени од три соседни сегменти: анодата, електролитот и катодата. Две хемиски реакции се случуваат на интерфејсите на трите различни сегменти. Нето резултатот од двете реакции е дека горивото се троши, се создава вода или јаглерод диоксид и се создава електрична струја, која може да се користи за напојување на електрични уреди, вообичаено наречени оптоварување.

На анодата катализаторот го оксидира горивото, обично водородот, претворајќи го горивото во позитивно наелектризиран јон и негативно наелектризиран електрон. Електролитот е супстанца специјално дизајнирана така што јоните можат да минуваат низ него, но електроните не. Ослободените електрони патуваат низ жица создавајќи електрична струја. Јоните патуваат низ електролитот до катодата. Откако ќе стигнат до катодата, јоните повторно се соединуваат со електроните и двата реагираат со трета хемикалија, обично кислород, за да се создаде вода или јаглерод диоксид.

Дизајнерските карактеристики на горивни ќелии вклучуваат:

  • Електролитната супстанција, која обично ги дефинира тип на горивни ќелии и може да се направи од голем број супстанции како калиум хидроксид, сол карбонати и фосфорна киселина. [19]
  • Горивото што се користи. Најчестото гориво е водородот.
  • Анодниот катализатор, обично фина платина во прав, го разложува горивото на електрони и јони.
  • Катодниот катализатор, често никелот, ги претвора јоните во отпадни хемикалии, а водата е најчестиот вид на отпад. [20]
  • Слоеви за дифузија на гас кои се дизајнирани да се спротивстават на оксидација. [20]

Типична горивни ќелии произведува напон од 0,6 до 0,7 V при целосно номинално оптоварување. Напонот се намалува како што се зголемува струјата, поради неколку фактори:

За да се испорача саканата количина на енергија, горивните ќелии може да се комбинираат во серија за да се добие поголем напон, а паралелно да се овозможи поголема струја. Таквиот дизајн се нарекува а магацинот на горивни ќелии. Површината на ќелијата исто така може да се зголеми, за да се овозможи поголема струја од секоја ќелија.

Горивни ќелии на мембрана за размена на протон (PEMFCs) Уредување

Во архетипскиот дизајн на горивни ќелии на мембрана за размена на протон водород-оксид, полимерната мембрана што спроведува протон (обично нафион) содржи раствор од електролит што ги одвојува страните на анодата и катодата. [25] [26] Ова беше наречено а горивни ќелии со цврст полимер електролит (SPEFC) во раните 1970-ти, пред механизмот за размена на протони да биде добро разбран. (Забележете дека синонимите полимерна електролитна мембрана и 'механизам за размена на протони резултира со истиот акроним.)

На страната на анодата, водородот дифузира до анодниот катализатор каде подоцна се дисоцира на протони и електрони. Овие протони често реагираат со оксиданти, предизвикувајќи тие да станат она што вообичаено се нарекуваат мулти-олесни протонски мембрани. Протоните се спроведуваат низ мембраната до катодата, но електроните се принудени да патуваат во надворешно коло (напојување) бидејќи мембраната е електрично изолирана. На катодниот катализатор, молекулите на кислород реагираат со електроните (кои патувале низ надворешното коло) и протоните за да формираат вода.

Покрај овој тип на чист водород, постојат јаглеводородни горива за горивни ќелии, вклучувајќи дизел, метанол (види: горивни ќелии со директно метанол и горивни ќелии со индиректен метанол) и хемиски хидриди. Отпадните производи со овие видови гориво се јаглерод диоксид и вода. Кога се користи водород, CO2 се ослободува кога метанот од природниот гас се комбинира со пареа, во процес наречен реформирање на пареа метан, за да се произведе водород. Ова може да се случи на различна локација од горивната ќелија, потенцијално дозволувајќи им на водородната горивни ќелии да се користи во затворени простории - на пример, во вилушкари.

Различните компоненти на PEMFC се

  1. биполарни плочи, , ,
  2. мембрана и
  3. потребниот хардвер како струјни колектори и дихтунзи. [27]

Материјалите што се користат за различни делови на горивните ќелии се разликуваат по тип. Биполарните плочи можат да бидат направени од различни видови материјали, како што се метал, обложен метал, графит, флексибилен графит, C-C композит, јаглерод-полимер композити итн. срцето на PEMFC и обично е направено од мембрана за размена на протон, сместена помеѓу две карбонски хартии обложени со катализатор. Платина и/или сличен вид на благородни метали обично се користат како катализатор за PEMFC. Електролитот може да биде полимерна мембрана.

Проблеми со дизајнот на горивни ќелии на мембрана за размена на протон Уреди

Горивни ќелии со фосфорна киселина (PAFC) Уредување

Горивните ќелии со фосфорна киселина (PAFC) првпат беа дизајнирани и воведени во 1961 година од страна на G. V. Elmore и H. A. Tanner. Во овие ќелии, фосфорната киселина се користи како непроводен електролит за да помине позитивни водородни јони од анодата до катодата. Овие клетки најчесто работат на температури од 150 до 200 степени Целзиусови. Оваа висока температура ќе предизвика загуба на топлина и енергија доколку топлината не се отстрани и не се искористи правилно. Оваа топлина може да се користи за производство на пареа за системи за климатизација или кој било друг систем што троши топлинска енергија. [37] Користењето на оваа топлина во когенерација може да ја зголеми ефикасноста на горивни ќелии со фосфорна киселина од 40 до 50% до околу 80%. [37] Фосфорната киселина, електролитот што се користи во PAFC, е непроводлива течна киселина која ги принудува електроните да патуваат од анода до катода преку надворешно електрично коло. Бидејќи стапката на производство на водородни јони на анодата е мала, платината се користи како катализатор за да се зголеми оваа стапка на јонизација. Клучен недостаток на овие ќелии е употребата на киселински електролит. Ова ја зголемува корозијата или оксидацијата на компонентите изложени на фосфорна киселина. [38]

Горивни ќелии со цврста киселина (SAFC) Уредување

Горивните ќелии со цврста киселина (SAFC) се карактеризираат со употреба на цврст киселински материјал како електролит. При ниски температури, цврстите киселини имаат подредена молекуларна структура како и повеќето соли. На потопли температури (помеѓу 140 и 150 °C за CsHSO4), некои цврсти киселини се подложени на фазна транзиција за да станат многу нарушени „суперпротонски“ структури, што ја зголемува спроводливоста за неколку реда на големина. Првите доказ за концепт SAFC беа развиени во 2000 година користејќи цезиум водород сулфат (CsHSO4). [39] Сегашните SAFC системи користат цезиум дихидроген фосфат (CsH2ПО4) и покажаа животен век во илјадници часови. [40]

Алкални горивни ќелии (AFC) Уредување

Алкалната горивни ќелии или горивни ќелии водород-кислород беше дизајнирана и првпат јавно демонстрирана од Френсис Томас Бејкон во 1959 година. Се користеше како примарен извор на електрична енергија во вселенската програма Аполо. [41] Ќелијата се состои од две порозни јаглеродни електроди импрегнирани со соодветен катализатор како што се Pt, Ag, CoO итн. Просторот помеѓу двете електроди е исполнет со концентриран раствор на KOH или NaOH кој служи како електролит. Х2 гас и О2 гас се меурчиња во електролитот преку порозните јаглеродни електроди. Така, целокупната реакција вклучува комбинација на водороден гас и кислороден гас за да се формира вода. Ќелијата работи постојано додека не се исцрпи снабдувањето со реактантот. Овој тип на ќелии работи ефикасно во температурен опсег 343-413 K и обезбедува потенцијал од околу 0,9 V. [42] AAEMFC е тип на AFC кој користи цврст полимер електролит наместо воден калиум хидроксид (KOH) и тој е супериорен до воден AFC.

Горивни ќелии со висока температура Уреди

Горивни ќелии со цврст оксид Уреди

Горивните ќелии со цврст оксид (SOFCs) користат цврст материјал, најчесто керамички материјал наречен цирконија стабилизирана со итриа (YSZ), како електролит. Бидејќи SOFC се направени целосно од цврсти материјали, тие не се ограничени на конфигурацијата на рамна рамнина на други видови горивни ќелии и често се дизајнирани како валани цевки. Тие бараат високи работни температури (800–1000 °C) и можат да се користат на различни горива, вклучително и природен гас. [5]

SOFC се единствени бидејќи во нив, негативно наелектризираните јони на кислород патуваат од катодата (позитивната страна на горивната ќелија) до анодата (негативната страна на горивната ќелија) наместо позитивно наелектризираните водородни јони кои патуваат од анодата до катодата, како што е случајот кај сите други видови горивни ќелии. Кислородниот гас се внесува низ катодата, каде што апсорбира електрони за да создаде кислородни јони. Кислородните јони потоа патуваат низ електролитот за да реагираат со водороден гас на анодата. Реакцијата на анодата произведува електрична енергија и вода како нуспроизводи. Јаглеродниот диоксид, исто така, може да биде нуспроизвод во зависност од горивото, но емисиите на јаглерод од системот SOFC се помали од оние од постројката за согорување на фосилни горива. [43] Хемиските реакции за системот SOFC може да се изразат на следниов начин: [44]

Анодна реакција: 2 ч2 + 2O 2− → 2H2O + 4e − Катодна реакција: О2 + 4e − → 2O 2− Целокупната клеточна реакција: 2 ч2 + О2 → 2ч2О

Системите SOFC можат да работат на други горива освен чист водороден гас. Меѓутоа, бидејќи водородот е неопходен за реакциите наведени погоре, избраното гориво мора да содржи атоми на водород. За да работи горивната ќелија, горивото мора да се претвори во чист водороден гас. SOFC се способни внатрешно да ги реформираат лесните јаглеводороди како што се метан (природен гас), [45] пропан и бутан. [46] Овие горивни ќелии се во рана фаза на развој. [47]

Постојат предизвици во SOFC системите поради нивните високи работни температури. Еден таков предизвик е потенцијалот на јаглеродна прашина да се акумулира на анодата, што го успорува внатрешниот процес на реформирање. Истражувањето за решавање на ова прашање на „јаглерод коксирање“ на Универзитетот во Пенсилванија покажа дека употребата на бакарна база на кермет (материјали отпорни на топлина направени од керамика и метал) може да го намали коксирањето и губењето на перформансите. [48] ​​Друг недостаток на SOFC системите е бавното време на стартување, што ги прави SOFC помалку корисни за мобилни апликации. И покрај овие недостатоци, високата работна температура дава предност со тоа што ја отстранува потребата од катализатор на благородни метали како што е платината, а со тоа ги намалува трошоците. Дополнително, отпадната топлина од SOFC системите може да се зароби и повторно да се користи, зголемувајќи ја теоретската вкупна ефикасност на дури 80-85%. [5]

Високата работна температура во голема мера се должи на физичките својства на електролитот YSZ. Како што се намалува температурата, така се намалува и јонската спроводливост на YSZ. Затоа, за да се добијат оптимални перформанси на горивната ќелија, потребна е висока работна температура. Според нивната веб-страница, Ceres Power, производител на горивни ќелии со SOFC во Велика Британија, развил метод за намалување на работната температура на нивниот систем SOFC на 500–600 степени Целзиусови. Тие го замениле најчесто користениот електролит YSZ со електролит CGO (цериум гадолиниум оксид). Пониската работна температура им овозможува да користат нерѓосувачки челик наместо керамика како подлога на ќелијата, што ги намалува трошоците и времето на стартување на системот. [49]

Горивни ќелии со стопен карбонат (MCFC) Измени

Стопените карбонатни горивни ќелии (MCFC) бараат висока работна температура, 650 °C (1.200 °F), слична на SOFC. MCFC користат сол на литиум калиум карбонат како електролит, а оваа сол се втечнува на високи температури, овозможувајќи движење на полнежот во ќелијата - во овој случај, негативни карбонатни јони. [50]

Како SOFCs, MCFCs се способни да конвертираат фосилно гориво во гас богат со водород во анодата, елиминирајќи ја потребата од надворешно производство на водород. Процесот на реформи создава CO
2 емисии. Горивата компатибилни со MCFC вклучуваат природен гас, биогас и гас произведен од јаглен. Водородот во гасот реагира со карбонатните јони од електролитот за да произведе вода, јаглерод диоксид, електрони и мали количини на други хемикалии. Електроните патуваат низ надворешно коло создавајќи електрична енергија и се враќаат во катодата. Таму, кислородот од воздухот и јаглеродниот диоксид рециклиран од анодата реагираат со електроните за да формираат карбонатни јони кои го надополнуваат електролитот, завршувајќи го колото. [50] Хемиските реакции за MCFC систем може да се изразат на следниов начин: [51]

Анодна реакција: CO3 2− + H2 → Х2O + CO2 + 2e − Катодна реакција: CO2 + ½ O2 + 2e − → CO3 2− Целокупната клеточна реакција: Х2 + ½ O2 → Х2О

Како и кај SOFC, недостатоците на MCFC вклучуваат бавно време на стартување поради нивната висока работна температура. Ова ги прави системите MCFC несоодветни за мобилни апликации, а оваа технологија најверојатно ќе се користи за стационарни горивни ќелии. Главниот предизвик на технологијата MCFC е краткиот животен век на ќелиите. Високите температури и карбонатниот електролит доведуваат до корозија на анодата и катодата. Овие фактори ја забрзуваат деградацијата на компонентите на MCFC, намалувајќи ја издржливоста и животот на клетките. Истражувачите го решаваат овој проблем со истражување на материјали отпорни на корозија за компонентите, како и дизајни на горивни ќелии кои можат да го зголемат животниот век на ќелијата без да ги намалат перформансите. [5]

MCFCs имаат неколку предности во однос на другите технологии на горивни ќелии, вклучувајќи ја нивната отпорност на нечистотии. Тие не се склони кон „јаглеродно коксирање“, што се однесува на акумулација на јаглерод на анодата што резултира со намалени перформанси со забавување на внатрешниот процес на реформирање на горивото. Затоа, горивата богати со јаглерод како гасовите направени од јаглен се компатибилни со системот. Одделот за енергетика на Соединетите држави тврди дека јагленот, сам по себе, може да биде дури и опција за гориво во иднина, под претпоставка дека системот може да биде отпорен на нечистотии како сулфур и честички кои произлегуваат од претворањето на јагленот во водород. [5] MCFC, исто така, имаат релативно висока ефикасност. Тие можат да достигнат ефикасност од гориво до електрична енергија од 50%, значително повисока од ефикасноста од 37-42% на постројка со горивни ќелии со фосфорна киселина. Ефикасноста може да биде до 65% кога горивната ќелија е поврзана со турбина и 85% ако топлината се заробува и се користи во системот за комбинирана топлина и моќност (CHP). [50]

FuelCell Energy, производител на горивни ќелии со седиште во Конектикат, развива и продава горивни ќелии MCFC. Компанијата вели дека нивните производи MCFC се движат од 300 kW до 2,8 MW системи кои постигнуваат 47% електрична ефикасност и можат да ја користат технологијата ЦХП за да добијат повисоки вкупни ефикасности. Еден производ, DFC-ERG, е комбиниран со гасна турбина и, според компанијата, постигнува електрична ефикасност од 65%. [52]

Електрични горивни ќелии за складирање Уреди

Електричната горивни ќелии за складирање е конвенционална батерија што се полни со влез на електрична енергија, користејќи го конвенционалниот електро-хемиски ефект. Сепак, батеријата дополнително вклучува влезови на водород (и кислород) за алтернативно хемиско полнење на батеријата. [53]

Споредба на типови на горивни ќелии Уреди

Име на горивни ќелии Електролит Квалификувана моќност (W) Работна температура (°C) Ефикасност Статус Цена (USD/W)
Ќелија Систем
Горивни ќелии од метал хидрид Воден алкален раствор > −20
(50% Пврв @ 0 °C)
Комерцијални / Истражувачки
Електро-галванска горивни ќелии Воден алкален раствор < 40 Комерцијални / Истражувачки
Горивни ќелии со директна мравја киселина (DFAFC) Полимерна мембрана (јономер) < 50 W < 40 Комерцијални / Истражувачки
Цинк-воздушна батерија Воден алкален раствор < 40 Масовно производство
Микробен горивни ќелии Полимерна мембрана или хуминска киселина < 40 Истражување
Микробиолошки горивни ќелии на нагорна линија (UMFC) < 40 Истражување
Регенеративна горивни ќелии Полимерна мембрана (јономер) < 50 Комерцијални / Истражувачки
Директна горивни ќелии со борохидрид Воден алкален раствор 70 Комерцијални
Алкална горивни ќелии Воден алкален раствор 10–200 kW < 80 60–70% 62% Комерцијални / Истражувачки
Директна горивни ќелии со метанол Полимерна мембрана (јономер) 100 mW – 1 kW 90–120 20–30% 10–25% [54] Комерцијални / Истражувачки 125
Реформирана горивни ќелии со метанол Полимерна мембрана (јономер) 5 W – 100 kW 250–300 (реформатор)
125–200 (PBI)
50–60% 25–40% Комерцијални / Истражувачки
Горивни ќелии со директен етанол Полимерна мембрана (јономер) < 140 mW/cm² > 25
? 90–120
Истражување
горивни ќелии на мембрана за размена на протон Полимерна мембрана (јономер) 1 W – 500 kW 50-100 (Нафион) [55]
120-200 (PBI) [56]
50–70% 30–50% [54] Комерцијални / Истражувачки 50–100
Редокс горивни ќелии (RFC) Течни електролити со редокс шатл и полимерна мембрана (јономер) 1 kW – 10 MW Истражување
Горивни ќелии на фосфорна киселина Стопена фосфорна киселина (H3ПО4) < 10 MW 150–200 55% 40% [54]
Когенератор: 90%
Комерцијални / Истражувачки 4.00–4.50
Горивни ќелии со цврста киселина H + -спроводлива оксијанска сол (цврста киселина) 10 W – 1 kW 200–300 55–60% 40–45% Комерцијални / Истражувачки
Стопена карбонатна горивни ќелии Растопен алкален карбонат 100 MW 600–650 55% 45–55% [54] Комерцијални / Истражувачки
Тубуларни горивни ќелии со цврст оксид (TSOFC) O 2− -спроводен керамички оксид < 100 MW 850–1100 60–65% 55–60% Комерцијални / Истражувачки
Протонска керамичка горивни ќелии H + -проводен керамички оксид 700 Истражување
Директна јаглеродна горивни ќелии Неколку различни 700–850 80% 70% Комерцијални / Истражувачки
Планарна горивни ќелии со цврст оксид O 2− -спроводен керамички оксид < 100 MW 500–1100 60–65% 55–60% [54] Комерцијални / Истражувачки
Ензимски биогориво клетки Секое што нема да го денатурира ензимот < 40 Истражување
Горивни ќелии со магнезиум-воздух Солена вода −20 до 55 90% Комерцијални / Истражувачки

Речник на термини во табела:

Теоретска максимална ефикасност Уреди

Енергетската ефикасност на систем или уред што ја конвертира енергијата се мери со односот на количината на корисна енергија испуштена од системот („излезна енергија“) до вкупната количина на енергија што се внесува („влезна енергија“) или по корисна излезна енергија како процент од вкупната влезна енергија. Во случај на горивни ќелии, корисната излезна енергија се мери во електрична енергија произведена од системот. Влезна енергија е енергијата складирана во горивото. Според Министерството за енергетика на САД, горивните ќелии обично се енергетски ефикасни помеѓу 40 и 60%. [61] Ова е повисоко од некои други системи за производство на енергија. На пример, типичниот мотор со внатрешно согорување на автомобилот е енергетски ефикасен околу 25%. [62] Во системите за комбинирана топлина и електрична енергија (CHP), топлината произведена од горивната ќелија се зафаќа и се користи, зголемувајќи ја ефикасноста на системот до 85-90%. [5]

Теоретската максимална ефикасност на кој било тип на систем за производство на електрична енергија никогаш не е постигната во пракса и не ги зема предвид другите чекори во производството на електрична енергија, како што се производство, транспорт и складирање на гориво и претворање на електричната енергија во механичка моќност. Сепак, оваа пресметка овозможува споредба на различни видови на производство на електрична енергија. Теоретската максимална ефикасност на горивни ќелии се приближува до 100%, [63] додека теоретската максимална ефикасност на моторите со внатрешно согорување е приближно 58%. [64]

Во пракса Уреди

Во возило со горивни ќелии, ефикасноста од резервоар до тркало е поголема од 45% при мали оптоварувања [65] и покажува просечни вредности од околу 36% кога се користи циклус на возење како NEDC (Новиот европски возен циклус) како тест процедура . [66] Споредливата вредност на NEDC за возило со дизел е 22%. Во 2008 година, Honda објави демонстративно електрично возило со горивни ќелии (Honda FCX Clarity) со оџак гориво што тврди дека е 60% ефикасност од резервоар до тркало. [67]

Исто така, важно е да се земат предвид загубите поради производство на гориво, транспорт и складирање. Возилата со горивни ќелии кои работат на компримиран водород може да имаат ефикасност од централа до тркало од 22% ако водородот се складира како гас под висок притисок и 17% ако се складира како течен водород. [68] Горивните ќелии не можат да складираат енергија како батерија, [69] освен како водород, но во некои апликации, како што се самостојни електрани засновани на прекинати извори како што се енергијата од сонцето или ветерот, тие се комбинираат со електролизатори и системи за складирање да формира систем за складирање на енергија. Почнувајќи од 2019 година, 90% од водородот се користел за рафинирање на нафта, хемикалии и производство на вештачки ѓубрива, а 98% од водородот се произведува со реформирање на метан на пареа, што емитира јаглерод диоксид. [70] Целокупната ефикасност (електрична енергија во водород и назад кон електрична енергија) на таквите постројки (познати како ефикасност на повратен пат), користењето на чист водород и чист кислород може да биде „од 35 до 50 проценти“, во зависност од густината на гасот и други услови. [71] Системот за електролизатор/горивни ќелии може да складира неопределени количини водород и затоа е погоден за долгорочно складирање.

Горивните ќелии со цврст оксид произведуваат топлина од рекомбинација на кислород и водород. Керамиката може да работи до 800 степени Целзиусови. Оваа топлина може да се зароби и да се користи за загревање на вода во микро комбинирана апликација за топлина и моќност (m-CHP). Кога топлината е зафатена, вкупната ефикасност може да достигне 80-90% во единицата, но не ги зема предвид загубите во производството и дистрибуцијата. Единиците ЦХП се развиваат денес за европскиот домашен пазар.

Професорот Џереми П. Мејерс, во списанието Electrochemical Society Интерфејс во 2008 година, напиша: „Иако горивните ќелии се ефикасни во однос на моторите со согорување, тие не се толку ефикасни како батериите, првенствено поради неефикасноста на реакцијата на намалување на кислородот (и . реакцијата на еволуција на кислородот, доколку водородот се формира со електролиза на вода). како магацини, и каде водородот се смета за прифатлив реактант, [PEM горивни ќелии] станува се поатрактивен избор [ако размената на батерии е незгодно]“. [72] Во 2013 година воените организации ги проценуваа горивните ќелии за да утврдат дали тие би можеле значително да ја намалат тежината на батеријата што ја носат војниците. [73]

Моќ Уредување

Стационарни горивни ќелии се користат за комерцијално, индустриско и станбено примарно и резервно производство на енергија. Горивните ќелии се многу корисни како извори на енергија во оддалечените локации, како што се вселенски летала, оддалечени метеоролошки станици, големи паркови, комуникациски центри, рурални локации вклучувајќи истражувачки станици и во одредени воени апликации. Систем со горивни ќелии што работи на водород може да биде компактен и лесен и да нема големи подвижни делови. Бидејќи горивните ќелии немаат подвижни делови и не вклучуваат согорување, во идеални услови тие можат да постигнат до 99,9999% сигурност. [74] Ова е еднакво на помалку од една минута прекин во период од шест години. [74]

Бидејќи системите за електролиза на горивни ќелии не складираат гориво сами по себе, туку се потпираат на надворешни единици за складирање, тие можат успешно да се применат во складирање енергија од големи размери, а еден пример се руралните области. [75] Постојат многу различни типови на стационарни горивни ќелии, така што ефикасноста варира, но повеќето се помеѓу 40% и 60% енергетски ефикасни. [5] Меѓутоа, кога отпадната топлина на горивната ќелија се користи за загревање на зграда во систем за когенерација, оваа ефикасност може да се зголеми до 85%. [5] Ова е значително поефикасно од традиционалните електрани на јаглен, кои се енергетски ефикасни само околу една третина. [76] Претпоставувајќи го производството во обем, горивните ќелии би можеле да заштедат 20-40% од трошоците за енергија кога се користат во системи за комбинирано производство. [77] Горивните ќелии се исто така многу почисти од традиционалното производство на енергија, електраната со горивни ќелии што користи природен гас како извор на водород би создала помалку од една унца загадување (освен CO
2) за секои 1.000 kW·h произведени, во споредба со 25 фунти загадувачи генерирани од конвенционалните системи за согорување. [78] Горивните ќелии, исто така, произведуваат 97% помалку емисии на азотни оксиди од конвенционалните електрани на јаглен.

Една таква пилот програма работи на островот Стјуарт во државата Вашингтон. Таму, Иницијативата за енергија на островот Стјуарт [79] изгради целосен систем со затворена јамка: соларни панели напојуваат електролизатор, кој произведува водород. Водородот се складира во резервоар од 500 американски галони (1.900 L) со брзина од 200 фунти по квадратен инч (1.400 kPa) и работи со горивни ќелии ReliOn за да обезбеди целосна електрична поддршка до резиденцијата надвор од мрежата. Друга затворена системска јамка беше откриена кон крајот на 2011 година во Хемпстед, Њујорк. [80]

Горивните ќелии може да се користат со гас со низок квалитет од депонии или станици за третман на отпадни води за да се генерира енергија и да се намалат емисиите на метан. Се вели дека постројката со горивни ќелии од 2,8 MW во Калифорнија е најголемата од овој тип. [81] Се развиваат горивни ќелии во мали размери (под-5 kWhr) за употреба во станбено распоредување надвор од мрежата. [82]

Когенерација Уредување

Системите за горивни ќелии за комбинирана топлина и моќност (CHP), вклучувајќи микро комбинирани системи за топлина и моќност (MicroCHP) се користат за генерирање и електрична и топлинска енергија за домовите (види домашна горивни ќелии), канцелариски згради и фабрики. Системот генерира постојана електрична енергија (продавање на вишокот на енергија назад во мрежата кога не се троши), а во исто време произведува топол воздух и вода од отпадната топлина. Како резултат, системите за ТЕ-ТО имаат потенцијал да заштедат примарна енергија бидејќи можат да ја искористат отпадната топлина која генерално се отфрла од системите за конверзија на топлинска енергија. [83] Типичен опсег на капацитет на домашните горивни ќелии е 1-3 kWел, 4–8 kWти. [84] [85] Системите за ЦХП поврзани со апсорпциони чилери ја користат нивната отпадна топлина за ладење. [86]

Отпадната топлина од горивните ќелии може да се пренасочи во текот на летото директно во земјата, обезбедувајќи дополнително ладење, додека отпадната топлина во текот на зимата може да се пумпа директно во зградата. Универзитетот во Минесота ги поседува правата на патент за овој тип на систем [87] [88]

Системите за когенерација можат да достигнат 85% ефикасност (40-60% електрични, а остатокот како термички). [5] Горивните ќелии со фосфорна киселина (PAFC) го сочинуваат најголемиот сегмент од постоечките ЦХП производи ширум светот и можат да обезбедат комбинирана ефикасност близу 90%. [89] [90] Растопен карбонат (MCFC) и горивни ќелии со цврст оксид (SOFC) исто така се користат за комбинирано производство на топлина и електрична енергија и имаат ефикасност на електрична енергија околу 60%. [91] Недостатоците на системите за когенерација вклучуваат бавно зголемување и намалување на стапките, високата цена и краток век на траење. [92] [93] Исто така, нивната потреба да имаат резервоар за складирање топла вода за да се изедначи производството на топлинска топлина беше сериозен недостаток на домашниот пазар каде што просторот во домашните имоти е на голема премија. [94]

Консултантите на Delta-ee изјавија во 2013 година дека со 64% ​​од глобалната продажба, микро-комбинираната топлина и енергија со горивни ќелии ги поминаа конвенционалните системи во продажба во 2012 година. [73] Јапонскиот проект ENE FARM ќе помине 100.000 FC mCHP системи во 2014 година, 34.213 PEMFC и 2.224 SOFC беа инсталирани во периодот 2012–2014 година, 30.000 единици на LNG и 6.000 на LPG. [95]

Електрични возила со горивни ќелии (FCEV) Уреди

Автомобили Уредување

До крајот на 2019 година, околу 18.000 FCEV беа изнајмени или продадени ширум светот. [96] Воведени се три електрични возила со горивни ќелии за комерцијален закуп и продажба: Honda Clarity, Toyota Mirai и Hyundai ix35 FCEV. Дополнителни демонстративни модели вклучуваат Honda FCX Clarity и Mercedes-Benz F-Cell. [97] До демонстрациите во јуни 2011 година, FCEV поминале повеќе од 4.800.000 km (3.000.000 mi), со повеќе од 27.000 полнење гориво. [98] Електричните возила со горивни ќелии имаат просечен опсег од 314 милји помеѓу полнењето гориво. [99] Може да се наполнат гориво за помалку од 5 минути. [100] Програмата за технологија за горивни ќелии на Министерството за енергетика на САД наведува дека од 2011 година, горивните ќелии постигнале 53-59% ефикасност при една четвртина моќност и 42-53% ефикасност на возилото со целосна моќност, [101] и издржливост од над 120.000 km (75.000 mi) со помалку од 10% деградација.[102] Во симулациската анализа на Well-to-Wheels од 2017 година која „не ги опфати економските и пазарните ограничувања“, Џенерал Моторс и неговите партнери процениле дека по помината милја, електрично возило со горивни ќелии работи на компримиран гасовит водород произведен од природен гас може да користи околу 40% помалку енергија и да испушта 45% помалку стакленички гасови од возило со внатрешно согорување. [103]

Во 2015 година, Toyota го претстави своето прво возило со горивни ќелии, Mirai, по цена од 57.000 долари. [104] Hyundai го претстави ограниченото производство Hyundai ix35 FCEV според договор за закуп. [105] Во 2016 година, Хонда започна да ја издава Honda Clarity Fuel Cell. [106] Во 2020 година, Toyota ја претстави втората генерација на својот бренд Mirai, подобрувајќи ја ефикасноста на горивото и проширувајќи го опсегот во споредба со оригиналниот модел на Sedan 2014 година. [107]

Критика Уреди

Некои коментатори веруваат дека автомобилите со водородни горивни ќелии никогаш нема да станат економски конкурентни со другите технологии [108] [109] [110] или дека ќе бидат потребни децении за да станат профитабилни. [72] [111] Илон Маск, извршен директор на производителот на батериски електрични возила Тесла Моторс, изјави во 2015 година дека горивните ќелии за употреба во автомобили никогаш нема да бидат комерцијално исплатливи поради неефикасноста на производството, транспортот и складирањето на водородот и запаливоста на гас, меѓу другите причини. [112]

Во 2012 година, Lux Research, Inc. издаде извештај во кој се вели: „Сонот за економија на водород... не е поблиску“. Тој заклучи дека „Капиталните трошоци. Анализата заклучи дека, до 2030 година, стационарниот пазар на PEM ќе достигне 1 милијарда долари, додека пазарот на возила, вклучувајќи ги и виљушкарите, ќе достигне вкупно 2 милијарди долари. [111] Други анализи го наведуваат недостатокот на обемна водородна инфраструктура во САД како тековен предизвик за комерцијализацијата на електричните возила со горивни ќелии. [65]

Во 2014 година, Џозеф Ром, авторот на Возбуда за водород (2005), рече дека FCV сè уште не ги надминале високите трошоци за гориво, недостатокот на инфраструктура за испорака на гориво и загадувањето предизвикано од производството на водород. „Ќе бидат потребни неколку чуда за да се надминат сите тие проблеми истовремено во следните децении. [113] Тој заклучил дека обновливата енергија не може економски да се користи за производство на водород за флота на FCV „ниту сега, ниту во иднина“. [108] Аналитичарот на Greentech Media дојде до слични заклучоци во 2014 година. [114] Во 2015 година, Чиста техника наведе некои од недостатоците на возилата со водородни горивни ќелии. [115] Така направи Автомобил гас. [116]

Видео од 2019 година од Реално инженерство истакна дека, и покрај воведувањето возила што работат на водород, користењето на водородот како гориво за автомобилите не помага да се намалат емисиите на јаглерод од транспортот. 95% од водородот кој сè уште се произведува од фосилни горива ослободува јаглерод диоксид, а производството на водород од вода е процес кој троши енергија. За складирање на водородот е потребна повеќе енергија или за да се излади до течна состојба или за да се стави во резервоари под висок притисок, а испораката на водород до станиците за гориво бара повеќе енергија и може да ослободи повеќе јаглерод. Водородот потребен за поместување на FCV на километар чини приближно 8 пати повеќе од електричната енергија потребна за движење на BEV на исто растојание. [117] Проценката од 2020 година заклучи дека возилата со водород сè уште се ефикасни само 38%, додека ЕВ со батерии се 80% ефикасни. [118]

Автобуси Уреди

Од август 2011 година [ажурирање], имаше околу 100 автобуси со горивни ќелии во служба низ целиот свет. [119] Повеќето од нив биле произведени од UTC Power, Toyota, Ballard, Hydrogenics и Proton Motor. Автобусите на UTC извозеа повеќе од 970.000 км (600.000 милји) до 2011 година. [103] [121]

Од 2019 година, NREL оценуваше неколку тековни и планирани проекти за автобуси со горивни ќелии во САД [122]

Вилушкари Уреди

Виљушкар со горивни ќелии (исто така наречен камион за подигање со горивни ќелии) е индустриски вилушкар со погон на горивни ќелии што се користи за подигање и транспорт на материјали. Во 2013 година имало над 4.000 вилушкари со горивни ќелии користени за ракување со материјали во САД, [123] од кои 500 добиле средства од DOE (2012). [124] [125] Флотите со горивни ќелии се управувани од различни компании, вклучувајќи ги Sysco Foods, FedEx Freight, GENCO (во Wegmans, Coca-Cola, Kimberly Clark и Whole Foods) и H-E-B Grocers. [126] Европа демонстрираше 30 вилушкари со горивни ќелии со Hylift и ги прошири со HyLIFT-EUROPE на 200 единици, [127] со други проекти во Франција [128] [129] и Австрија. [130] Pike Research проектирал во 2011 година дека виљушкарите со погон на горивни ќелии ќе бидат најголемиот двигател на побарувачката на водородно гориво до 2020 година. [131]

Повеќето компании во Европа и САД не користат вилушкари на нафтен погон, бидејќи овие возила работат во затворени простории каде што емисиите мора да се контролираат и наместо тоа користат електрични вилушкари. [132] [133] Виљушкарите со погон на горивни ќелии можат да обезбедат придобивки во однос на виљушкарите на батерии бидејќи може да се наполнат гориво за 3 минути и може да се користат во складишта во ладилници, каде што нивните перформанси не се влошуваат поради пониските температури. Единиците FC често се дизајнирани како замена за капка. [134] [135]

Мотоцикли и велосипеди Уреди

Во 2005 година, британскиот производител на горивни ќелии со погон на водород, Intelligent Energy (IE), го произведе првиот работен мотоцикл со водород наречен ENV (Emission Neutral Vehicle). Мотоциклот содржи доволно гориво за да работи четири часа и да патува 160 km (100 mi) во урбана област, со максимална брзина од 80 km/h (50 mph). [136] Во 2004 година Хонда разви мотоцикл со горивни ќелии што го користеше Honda FC Stack. [137] [138]

Други примери на мотоцикли [139] и велосипеди [140] кои користат водородни горивни ќелии го вклучуваат скутерот на тајванската компанија APFCT [141] користејќи го системот за гориво од италијанската Acta SpA [142] и скутерот Suzuki Burgman со горивни ќелии IE што добија ЕУ Одобрување за целото тип на возило во 2011 година. [143] Suzuki Motor Corp. и IE објавија заедничко вложување за да се забрза комерцијализацијата на возилата со нулта емисија. [144]

Авиони Уреди

Во 2003 година, летал првиот авион во светот со пропелер кој се напојувал целосно од горивни ќелии. Горивната ќелија беше дизајн на оџак што овозможи горивната ќелија да се интегрира со аеродинамичните површини на авионот. [145] Беспилотните летала со горивни ќелии (UAV) вклучуваат UAV со горивни ќелии Horizon што постави рекордно летно растојание за мал UAV во 2007 година. авион со екипаж кој се напојува само со горивни ќелии и лесни батерии. Авионот за демонстрација на горивни ќелии, како што беше наречен, користеше мембрана за размена на протони (PEM) хибриден систем за горивни ќелии/литиум-јонска батерија за напојување на електричен мотор, кој беше споен со конвенционален пропелер. [147]

Во 2009 година, Ion Tiger на Поморската истражувачка лабораторија (NRL's) користеше горивна ќелија на водород и леташе 23 часа и 17 минути. [148] Горивните ќелии, исто така, се тестираат и се смета дека обезбедуваат помошна моќност во авионите, заменувајќи ги генераторите на фосилни горива кои претходно биле користени за палење на моторите и за напојување на одборот за потребите за електрична енергија, притоа намалувајќи ги емисиите на јаглерод. [149] [150] [ неуспешна верификација ] Во 2016 година, беспилотно летало Raptor E1 изврши успешен пробен лет користејќи горивна ќелија која беше полесна од литиум-јонската батерија што ја замени. Летот траел 10 минути на височина од 80 метри (260 стапки), иако горивната ќелија наводно имала доволно гориво за да лета два часа. Горивото беше содржано во приближно 100 цврсти пелети од 1 квадратен сантиметар (0,16 квадратни инчи) составени од сопствена хемикалија во патрон без притисок. Пелетите се физички робусни и работат на температури до 50 °C (122 °F). Ќелијата беше од Arcola Energy. [151]

Lockheed Martin Skunk Works Stalker е електричен UAV кој се напојува со горивни ќелии со цврст оксид. [152]

Чамци Уреди

Првиот брод со горивни ќелии во светот HYDRA користеше AFC систем со нето моќност од 6,5 kW. Амстердам воведе чамци со погон на горивни ќелии кои ги превезуваат луѓето низ градските канали. [153]

Подморници Уреди

Подморниците од типот 212 на германската и италијанската морнарица користат горивни ќелии за да останат потопени со недели без потреба да излезат на површина.

U212A е ненуклеарна подморница развиена од германското поморско бродоградилиште Howaldtswerke Deutsche Werft. [154] Системот се состои од девет PEM горивни ќелии, кои обезбедуваат помеѓу 30 kW и 50 kW секоја. Бродот молчи, што му дава предност во откривањето на други подморници. [155] Еден поморски труд има теоретизирано за можноста за хибрид на нуклеарно-горивни ќелии при што горивната ќелија се користи кога се потребни тивки операции и потоа се надополнува од Нуклеарниот реактор (и водата). [156]

Преносливи енергетски системи Уреди

Преносливите системи со горивни ќелии генерално се класифицирани како тешки под 10 kg и обезбедуваат моќност помала од 5 kW. [157] Потенцијалната пазарна големина за помалите горивни ќелии е доста голема со до 40% годишно потенцијална стапка на раст и пазарна големина од околу 10 милијарди долари, што води голем дел од истражувањата да бидат посветени на развојот на преносливи енергетски ќелии. . [158] На овој пазар се идентификувани две групи. Првиот е пазарот на микрогоривни ќелии, во опсег од 1-50 W за моќност на помали електронски уреди. Вториот е опсегот на генератори од 1-5 kW за производство на електрична енергија од поголем обем (на пр. воени пунктови, оддалечени нафтени полиња).

Микрогоривните ќелии се првенствено насочени кон навлегување на пазарот за телефони и лаптопи. Ова првенствено може да се припише на поволната енергетска густина што ја обезбедуваат горивните ќелии во однос на литиум-јонската батерија за целиот систем. За батерија, овој систем го вклучува полначот како и самата батерија. За горивната ќелија, овој систем би ја вклучил ќелијата, потребното гориво и периферните додатоци. Земајќи го предвид целосниот систем, се покажа дека горивните ќелии обезбедуваат 530 Wh/kg во споредба со 44 Wh/kg за литиум-јонските батерии. [158] Сепак, иако тежината на системите со горивни ќелии нудат посебна предност, сегашните трошоци не се во нивна корист. додека батерискиот систем генерално ќе чини околу 1,20 долари по Wh, системите со горивни ќелии чинат околу 5 долари по Wh, што ги става во значителна неповолна положба. [158]

Како што се зголемуваат потребите за енергија за мобилните телефони, горивните ќелии би можеле да станат многу поатрактивни опции за поголемо производство на енергија. Побарувачката за подолго време на телефоните и компјутерите е нешто што често го бараат потрошувачите, така што горивните ќелии би можеле да почнат да напредуваат на пазарите на лаптопи и мобилни телефони. Цената ќе продолжи да се намалува бидејќи развојот на горивните ќелии продолжува да се забрзува. Тековните стратегии за подобрување на микро горивни ќелии се преку употреба на јаглеродни наноцевки. Тоа беше прикажано од Гиришкумар и сор. дека депонирањето наноцевки на површините на електродите овозможува значително поголема површина што ја зголемува стапката на намалување на кислородот. [159]

Горивните ќелии за употреба во операции од поголем обем, исто така, ветуваат многу. Преносливите енергетски системи кои користат горивни ќелии може да се користат во секторот за одмор (т.е. RVs, кабини, морски), индустрискиот сектор (т.е. енергија за оддалечени локации вклучувајќи и локации за гас/нафта, комуникациски кули, безбедност, метеоролошки станици) и во воениот сектор. SFC Energy е германски производител на директни горивни ќелии со метанол за различни преносливи енергетски системи. [160] Ensol Systems Inc. е интегратор на преносни енергетски системи, користејќи SFC Energy DMFC. [161] Клучната предност на горивни ќелии на овој пазар е големото производство на енергија по тежина. Иако горивните ќелии може да бидат скапи, за оддалечените локации за кои е потребна сигурна енергија горивните ќелии имаат голема моќност. За 72-часовна екскурзија, споредбата во тежината е значителна, со горивни ќелии со тежина од само 15 фунти во споредба со 29 килограми батерии потребни за истата енергија. [157]

Други апликации Уреди

  • Обезбедувањето енергија за базни станици или локации за ќелии[162][163] се еден вид систем на горивни ќелии, кој може да вклучува осветлување, генератори и друг апарат, за да се обезбедат резервни ресурси во криза или кога редовните системи не успеваат. Тие наоѓаат употреба во широк спектар на поставки од станбени домови до болници, научни лаборатории, центри за податоци, [164]
  • телекомуникациска [165] опрема и модерни поморски бродови.
  • Непрекинато напојување (UPS-от) обезбедува напојување за итни случаи и, во зависност од топологијата, обезбедува регулација на линијата, како и за поврзаната опрема со напојување од посебен извор кога електричната енергија не е достапна. За разлика од генераторот на подготвеност, тој може да обезбеди моментална заштита од моментален прекин на напојувањето. , спарување на горивната ќелија или со ICE или со батерија. за апликации каде што полнењето со наизменична струја можеби не е лесно достапно.
  • Преносливи приклучоци за полнење за мала електроника (на пр. спојка за појас што полни мобилен телефон или PDA). , лаптопи и таблети.
  • Мали апарати за греење [166] , постигнати со исцрпување на кислородот и автоматско одржување на исцрпувањето на кислородот во контејнер за транспорт, кој содржи, на пример, свежа риба. [167] , каде што количината на напон генериран од горивната ќелија се користи за одредување на концентрацијата на гориво (алкохол) во примерокот. [168] , електрохемиски сензор.

Станици за гориво Уреди

Според FuelCellsWorks, индустриска групација, на крајот на 2019 година, 330 станици за полнење гориво со водород беа отворени за јавноста ширум светот. [169] Од јуни 2020 година, имало 178 јавно достапни водородни станици во функција во Азија. [170] 114 од нив биле во Јапонија. [171] Имаше најмалку 177 станици во Европа, а околу половина од нив беа во Германија. [172] [173] Имаше 44 јавно достапни станици во САД, од кои 42 беа лоцирани во Калифорнија. [174]

Изградбата на станица за гориво со водород чини меѓу 1 и 4 милиони долари. [175]

Во 2012 година, приходите од индустријата за горивни ќелии надминаа пазарна вредност од 1 милијарда американски долари ширум светот, при што азиските пацифички земји испорачуваат повеќе од 3/4 од системите на горивни ќелии ширум светот. [176] Сепак, од јануари 2014 година, ниту едно јавно претпријатие во индустријата сè уште не станало профитабилно. [177] Имаше 140.000 купишта горивни ќелии испорачани на глобално ниво во 2010 година, за разлика од 11.000 пратки во 2007 година, а од 2011 до 2012 година пратките на горивни ќелии ширум светот имаа годишна стапка на раст од 85%. [178] Танака Кикинзоку ги прошири своите производствени капацитети во 2011 година. држави, Германија, Јапонија и Јужна Кореја. [180] Одделот за енергија Алијансата за конверзија на енергија во цврста состојба откри дека, од јануари 2011 година, стационарни горивни ќелии генерирале енергија од приближно 724 до 775 долари по инсталиран киловат. [181] Во 2011 година, Блум Енерџи, главен снабдувач на горивни ќелии, рече дека нејзините горивни ќелии генерираат енергија од 9-11 центи по киловат-час, вклучувајќи ја цената на горивото, одржувањето и хардверот. [182] [183]

Индустриските групи предвидуваат дека има доволно ресурси на платина за идна побарувачка, [184] и во 2007 година, истражувањето во Националната лабораторија Брукхевен сугерираше дека платината може да се замени со облога од злато-паладиум, која може да биде помалку подложна на труење и со тоа да ја подобри горивната ќелија цел живот. [185] Друг метод би користел железо и сулфур наместо платина. Ова би ја намалило цената на горивни ќелии (бидејќи платината во обична горивни ќелии чини околу 1.500 УСД, а истото количество железо чини само околу 1,50 УСД). Концептот беше развиен од коалиција на Центарот Џон Инес и Универзитетот во Милано-Бикока. [186] PEDOT катодите се имуни на труење со моноксид. [187]

Во 2016 година, Samsung „одлучи да се откаже од деловните проекти поврзани со горивни ќелии, бидејќи изгледите на пазарот не се добри“. [188]


Табела со температури на пламен за различни горива

  • Хемија
    • Физичка хемија
    • Основи
    • Хемиски закони
    • Молекули
    • Периодичен систем
    • Проекти и експерименти
    • Научен метод
    • Биохемија
    • Медицинска хемија
    • Хемија во секојдневниот живот
    • Познати хемичари
    • Активности за деца
    • Кратенки и акроними
    • д-р, биомедицински науки, Универзитетот во Тенеси во Ноксвил
    • Б.А., физика и математика, колеџ Хестингс

    Ова е список на температури на пламенот за различни вообичаени горива. Температурите на адијабатски пламен за обичните гасови се обезбедени за воздух и кислород. (За овие вредности, почетната температура на воздухот, гасот и кислородот е 20 °C.) MAPP е мешавина од гасови, главно метил ацетилен и пропадиен со други јаглеводороди. Ќе добиете најмногу за вашата пари, релативно кажано, од ацетилен во кислород (3100°C) и или ацетилен (2400°C), водород (2045°C) или пропан (1980°C) во воздухот.


    Методи во метаболизмот на метанот, Дел А

    Катарина Шлегел, Фолкер Милер, во Методи во ензимологијата, 2011 година

    1. Вовед

    Метаногените археи растат на ограничен број C1 супстрати, како што се метанол, метиламини, формат, а некои исто така можат да користат ацетат (Депенмаер, 2002 Фери, 1997 Тауер et al., 2008). Централно место за сите тие патишта е патот Вуд-Љундал (Ljungdahl, 1994 Ragsdale, 2008). За време на растот на Х2 + CO2, СО2 прво се врзува за метанофуран и со тоа се редуцира до формална група (Сл. 12.1). Оваа енергонска реакција е катализирана од формалметанофуран дехидрогеназата и управувана од електрохемискиот јонски градиент низ мембраната (Kaesler и Schönheit, 1989 Winner и Gottschalk, 1989). Формилската група се пренесува во тетрахидрометаноптерин (H4MPT) и сведена на метил група. Оваа метил група се пренесува во кофактор М (CoM-SH) преку метил-H4MPT: HS-CoM метилтрансфераза. Оваа егзергонска реакција (ΔГ0′ = − 29 kJ/mol) се користи за пренос на 1,7 Na + /CH4 преку мембраната и на тој начин генерира примарен и електроген Na + градиент низ мембраната (Becher et al., 1992б Готшалк и Тауер, 2001 Лиенард et al., 1996 Милер et al., 1987). Во следниот чекор, метил-КоМ подлежи на нуклеофилен напад од тиолатниот анјон на HS-CoB (коензим Б, 7-тиохептаноил-o-фошо-л-треонин), со што се ослободува CH4 и генерирање на дисулфид на CoM и CoB, т.н хетеродисулфид. Хетеродисулфидот е крајниот акцептор на електрони во метаногенезата и е редуциран и со тоа се расцепува со мембрана врзана хетеродисулфидна редуктаза. Електроните неопходни за оваа реакција се обезбедени од Ф420 (за време на растот на метилирани супстрати), мембрана врзана хидрогеназа (за време на раст на H2 + CO2) или фердоксин (за време на растот на ацетат) и се пренесува преку синџир за транспорт на електрони. Во оваа реакција, три до четири H + се префрлаат преку мембраната ( Blaut et al., 1987 Депенмаер et al., 1990 ).

    Слика 12.1. Јонски струи за време на метаногенезата од H2 + CO2. Ве молиме имајте предвид дека овој модел ја опишува само патеката во M. mazei и M. barkeri. M. acetivorans не содржи хидрогенази. (1) Ech/Eha хидрогеназа (2) Na + /H + антипортер (3) метил-H4MPT коензим М метилтрансфераза (4) H2: хетеродисулфид оксидоредуктазен систем (5) А1АО АТП синтаза МФ, метанофуран H4MPT, тетрахидрометаноптерин CoM-SH, коензим M CoB-SH, коензим B Fd, феродоксин.

    За време на растот на супстрати кои содржат метил-група, метил групите се канализираат до CoM-SH со специфични метилтрансферази. Една четвртина од метил групата се оксидира до CO2 да се добијат редуктивните еквиваленти за да се редуцираат другите 75% на метан (Депенмаер, 2002 van der Meijden et al., 1983 Сл. 12.2). Метаногенезата од ацетат започнува со активирање на ацетат во ацетил-CoA, проследено со оксидација на ацетил-CoA во CO2 и метил група поврзана со коензим која е редуцирана до CH4 со електрони добиени за време на реакцијата на оксидација (Ferry, 1997 Terlesky and Ferry, 1988 Thauer, 1990).

    Слика 12.2. Јонски струи за време на метаногенезата од метанол. Ве молиме имајте предвид дека овој модел ја опишува само патеката во M. mazei и M. barkeri. M. acetivorans не содржи Ech хидрогеназа туку Rnf комплекс. Електроните на водородот произведен од хидрогеназата Ech/Eha конечно се пренесуваат во хетеродисулфид редуктаза. Сè уште е прашање на дебата дали ова се случува преку растворлив F420 редуцирајќи ја хидрогеназата или директно со H2: систем на хетеродисулфид оксидоредуктаза. (1) Ech/Eha хидрогеназа (2) Na + /H + антипортер (3) метил-H4MPT-коензим М метилтрансфераза (4) F420: хетеродисулфид оксидоредуктазен систем (5) А1АО АТП синтаза МФ, метанофуран H4MPT, тетрахидрометаноптерин CoM-SH, коензим M CoB-SH, коензим B Fd, феродоксин.

    Заедничка карактеристика на метаногенезата пронајдена кај сите досега истражувани метаногени е нејзината потреба од Na +. Na + е неопходен не само за растење на клетките, туку и за одмор на клетките за метаногенеза, што укажува на вклученост на Na + во еден од чекорите на патеката (Müller et al., 1986, 1988 Перски et al., 1981, 1982). Навистина, се покажа дека метил-H4SPT:HS-CoM-метилтрансфераза е примарна пумпа на Na + (Becher et al., 1992a Милер et al., 1987). Освен мотивот Na + метил-H4MPT: HS-CoM-метилтрансфераза, системот на хетеродисулфид редуктаза е протонски мотив. Така, метаногените се единствените организми кои генерираат примарен градиент на протон и натриум јонски градиент во исто време. Како двете јонски мотивациски сили се поврзани со синтезата на АТП е сè уште прашање на дебата, но А1АО АТП синтазата е од суштинско значење за синтезата на АТП (Deppenmeier и Müller, 2008 Müller and Grüber, 2003 Pisa et al., 2007 Саум et al., 2009 ).

    Во ова поглавје, опишуваме како се анализира зависноста на растот и метаногенезата на Na +, како се мери транспортот на Na + во клеточните суспензии и како се мери синтезата на АТП, како и хидролизата на АТП.


    Однесување на електрони

    На субмолекуларно ниво, причината за разликата во енергетските нивоа помеѓу реактантите и производите лежи во електронските конфигурации. Атомите на водород имаат по еден електрон. Тие се комбинираат во молекули од два, така што можат да поделат два електрони (по еден). Ова е затоа што највнатрешната електронска обвивка е во пониска енергетска состојба (а со тоа и постабилна) кога е окупирана од два електрони. Атомите на кислород имаат по осум електрони. Тие се комбинираат заедно во молекули од два со споделување на четири електрони, така што нивните најнадворешни електронски обвивки се целосно окупирани од по осум електрони. Сепак, многу постабилно порамнување на електроните се јавува кога два атоми на водород делат електрон со еден атом на кислород. Потребна е само мала количина на енергија за да се „испукаат“ електроните на реактантите „надвор“ од нивните орбити за да можат повторно да се усогласат во енергетски постабилното порамнување, формирајќи нова молекула, H2O.


    Погледнете го видеото: Daļiņu paātrināšana - Ūdeņraža H protonu iegūšana (Август 2022).