على غرار وجود أنواع مختلفة من محركات الاحتراق الداخلي ، هناك أنواع مختلفة من خلايا الوقود - يعتمد اختيار النوع المناسب من خلايا الوقود على تطبيقه.
خلايا الوقودتنقسم إلى درجة حرارة عالية ودرجة حرارة منخفضة. خلايا وقود ذات درجة حرارة منخفضةتتطلب الهيدروجين النقي نسبيًا كوقود. هذا يعني غالبًا أن معالجة الوقود مطلوبة لتحويل الوقود الأساسي (مثل الغاز الطبيعي) إلى هيدروجين نقي. تستهلك هذه العملية طاقة إضافية وتتطلب معدات خاصة. خلايا وقود عالية الحرارةلا تحتاج إلى هذا الإجراء الإضافي ، حيث يمكنها "التحويل الداخلي" للوقود عند درجات حرارة مرتفعة ، مما يعني أنه لا توجد حاجة للاستثمار في البنية التحتية للهيدروجين.
خلايا الوقود على الكربونات المنصهرة (MCFC)
خلايا الوقود بالكهرباء المنصهرة عبارة عن خلايا وقود عالية الحرارة. تسمح درجة حرارة التشغيل العالية بالاستخدام المباشر للغاز الطبيعي بدون معالج وقود وغاز وقود منخفض السعرات الحرارية عمليات الانتاجومن مصادر أخرى. تم تطوير هذه العملية في منتصف الستينيات. منذ ذلك الوقت ، تم تحسين تكنولوجيا التصنيع والأداء والموثوقية.
يختلف تشغيل RCFC عن خلايا الوقود الأخرى. تستخدم هذه الخلايا إلكتروليت من خليط من أملاح الكربونات المنصهرة. حاليًا ، يتم استخدام نوعين من المخاليط: كربونات الليثيوم وكربونات البوتاسيوم أو كربونات الليثيوم وكربونات الصوديوم. لإذابة أملاح الكربونات وتحقيق درجة عالية من تنقل الأيونات في المنحل بالكهرباء ، تعمل خلايا الوقود ذات المنحل بالكهرباء المنصهرة في درجات حرارة عالية (650 درجة مئوية). تتراوح الكفاءة بين 60-80٪.
عند تسخينها لدرجة حرارة 650 درجة مئوية ، تصبح الأملاح موصلاً لأيونات الكربونات (CO 3 2-). تمر هذه الأيونات من القطب السالب إلى الأنود حيث تتحد مع الهيدروجين لتكوين الماء وثاني أكسيد الكربون والإلكترونات الحرة. يتم إرسال هذه الإلكترونات عبر دائرة كهربائية خارجية إلى الكاثود ، لتوليد التيار الكهربائي والحرارة كمنتج ثانوي.
تفاعل الأنود: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
التفاعل عند الكاثود: CO 2 + 1/2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
تفاعل العنصر العام: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (cathode) => H 2 O (g) + CO 2 (anode)
درجات حرارة التشغيل العالية لخلايا وقود الكربونات المنصهرة لها مزايا معينة. في درجات الحرارة المرتفعة ، يتم إصلاح الغاز الطبيعي داخليًا ، مما يلغي الحاجة إلى معالج الوقود. بالإضافة إلى ذلك ، تشمل المزايا القدرة على استخدام مواد البناء القياسية ، مثل ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ ومحفز النيكل على الأقطاب الكهربائية. يمكن استخدام الحرارة المهدرة لتوليد بخار عالي الضغط لمجموعة متنوعة من التطبيقات الصناعية والتجارية.
درجات حرارة التفاعل العالية في المنحل بالكهرباء لها مزاياها أيضًا. يستغرق تطبيق درجات الحرارة المرتفعة وقتًا طويلاً للوصول إلى ظروف التشغيل المثلى ، ويتفاعل النظام بشكل أبطأ مع التغيرات في استهلاك الطاقة. تسمح هذه الخصائص باستخدام أنظمة خلايا الوقود مع إلكتروليت الكربونات المنصهر في ظروف طاقة ثابتة. تمنع درجات الحرارة المرتفعة تلف خلايا الوقود عن طريق أول أكسيد الكربون ، "التسمم" ، إلخ.
خلايا وقود الكربونات المنصهرة مناسبة للاستخدام في المنشآت الثابتة الكبيرة. يتم إنتاج محطات توليد الطاقة الحرارية التي تبلغ طاقتها الكهربائية 2.8 ميجاوات صناعيًا. يجري تطوير محطات بقدرة إنتاج تصل إلى 100 ميغاواط.
خلايا وقود حامض الفوسفوريك (PFC)
كانت خلايا الوقود القائمة على حامض الفوسفوريك (orthophosphoric) هي خلايا الوقود الأولى للاستخدام التجاري. تم تطوير هذه العملية في منتصف الستينيات وتم اختبارها منذ السبعينيات. منذ ذلك الحين ، تم زيادة الاستقرار والأداء والتكلفة.
تستخدم خلايا الوقود القائمة على حمض الفوسفوريك (orthophosphoric) إلكتروليت يعتمد على حمض الفوسفوريك (H 3 PO 4) بتركيز يصل إلى 100٪. تكون الموصلية الأيونية لحمض الفوسفوريك منخفضة في درجات الحرارة المنخفضة ، ولهذا السبب تستخدم خلايا الوقود هذه في درجات حرارة تصل إلى 150-220 درجة مئوية.
حامل الشحنة في خلايا الوقود من هذا النوع هو الهيدروجين (H + ، بروتون). تحدث عملية مماثلة في خلايا وقود غشاء تبادل البروتونات (MEFCs) ، حيث ينقسم الهيدروجين المزود إلى القطب الموجب إلى بروتونات وإلكترونات. تمر البروتونات عبر الإلكتروليت وتتحد مع الأكسجين من الهواء عند القطب السالب لتكوين الماء. يتم توجيه الإلكترونات على طول دائرة كهربائية خارجية ، ويتم توليد تيار كهربائي. فيما يلي التفاعلات التي تولد الكهرباء والحرارة.
رد فعل عند الأنود: 2H 2 => 4H + + 4e -
رد فعل عند الكاثود: O 2 (g) + 4H + + 4e - \ u003d \ u003e 2H 2 O
تفاعل العنصر العام: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
تزيد كفاءة خلايا الوقود المعتمدة على حامض الفوسفوريك (orthophosphoric) عن 40٪ عند توليد الطاقة الكهربائية. في الإنتاج المشترك للحرارة والكهرباء ، تبلغ الكفاءة الإجمالية حوالي 85٪. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لدرجات حرارة التشغيل ، يمكن استخدام الحرارة المهدرة لتسخين المياه وتوليد البخار عند الضغط الجوي.
يعد الأداء العالي لمحطات الطاقة الحرارية على خلايا الوقود المعتمدة على حامض الفوسفوريك (orthophosphoric) في الإنتاج المشترك للحرارة والكهرباء أحد مزايا هذا النوع من خلايا الوقود. تستخدم المصانع أول أكسيد الكربون بتركيز حوالي 1.5٪ ، مما يوسع بشكل كبير من اختيار الوقود. بالإضافة إلى ذلك ، لا يؤثر ثاني أكسيد الكربون على المنحل بالكهرباء وتشغيل خلية الوقود ؛ يعمل هذا النوع من الخلايا مع الوقود الطبيعي المعدل. تصميم بسيطيعد انخفاض تقلب الإلكتروليت وزيادة الاستقرار من مزايا هذا النوع من خلايا الوقود.
يتم إنتاج محطات الطاقة الحرارية التي تنتج طاقة كهربائية تصل إلى 400 كيلوواط صناعيًا. اجتازت منشآت 11 ميغاواط الاختبارات ذات الصلة. يجري تطوير محطات بقدرة إنتاج تصل إلى 100 ميغاواط.
خلايا الوقود بغشاء التبادل البروتوني (PME)
تعتبر خلايا وقود غشاء التبادل البروتوني أفضل أنواع خلايا الوقود لتوليد الطاقة في السيارة ، والتي يمكن أن تحل محل محركات الاحتراق الداخلي للبنزين والديزل. تم استخدام خلايا الوقود هذه لأول مرة بواسطة ناسا لبرنامج الجوزاء. اليوم ، يتم تطوير وعرض التركيبات على MOPFC بقوة 1 واط إلى 2 كيلو واط.
تستخدم خلايا الوقود هذه غشاء بوليمر صلب (غشاء بلاستيكي رقيق) كإلكتروليت. عند تشريبه بالماء ، يمرر هذا البوليمر البروتونات ، لكنه لا يوصل الإلكترونات.
الوقود هو الهيدروجين ، وحامل الشحنة هو أيون الهيدروجين (بروتون). عند الأنود ، يتم فصل جزيء الهيدروجين إلى أيون هيدروجين (بروتون) وإلكترونات. تمر أيونات الهيدروجين عبر الإلكتروليت إلى القطب السالب ، وتنتقل الإلكترونات حول الدائرة الخارجية وتنتج طاقة كهربائية. يتم تغذية الأكسجين ، المأخوذ من الهواء ، إلى القطب السالب ويتحد مع الإلكترونات وأيونات الهيدروجين لتكوين الماء. تحدث التفاعلات التالية على الأقطاب الكهربائية:
رد فعل عند الأنود: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
رد فعل عند الكاثود: O 2 + 2H 2 O + 4e - \ u003d \ u003e 4OH -
تفاعل العنصر العام: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
بالمقارنة مع الأنواع الأخرى من خلايا الوقود ، تنتج خلايا وقود غشاء تبادل البروتون مزيدًا من الطاقة لحجم أو وزن معين لخلية الوقود. تتيح هذه الميزة أن تكون مدمجة وخفيفة الوزن. بالإضافة إلى ذلك ، درجة حرارة التشغيل أقل من 100 درجة مئوية ، مما يسمح لك ببدء التشغيل بسرعة. هذه الخصائص ، بالإضافة إلى القدرة على تغيير خرج الطاقة بسرعة ، ليست سوى بعض الميزات التي تجعل خلايا الوقود هذه مرشحًا رئيسيًا للاستخدام في المركبات.
ميزة أخرى هي أن المنحل بالكهرباء مادة صلبة وليست سائلة. يكون الاحتفاظ بالغازات عند الكاثود والأنود أسهل مع إلكتروليت صلب ، وبالتالي فإن إنتاج خلايا الوقود هذه أرخص. بالمقارنة مع الإلكتروليتات الأخرى ، فإن استخدام إلكتروليت صلب لا يسبب مشاكل مثل الاتجاه ، فهناك مشاكل أقل بسبب حدوث التآكل ، مما يؤدي إلى استدامة أطول للخلية ومكوناتها.
خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFC)
خلايا وقود الأكسيد الصلب هي خلايا الوقود ذات أعلى درجة حرارة تشغيل. يمكن أن تتراوح درجة حرارة التشغيل من 600 درجة مئوية إلى 1000 درجة مئوية ، مما يسمح باستخدام أنواع مختلفة من الوقود دون معالجة مسبقة خاصة. للتعامل مع درجات الحرارة المرتفعة هذه ، يكون الإلكتروليت المستخدم عبارة عن أكسيد معدن صلب رقيق قائم على السيراميك ، وغالبًا ما يكون سبيكة من الإيتريوم والزركونيوم ، وهو موصل للأكسجين (O 2 -) أيونات. تتطور تقنية استخدام خلايا وقود الأكسيد الصلب منذ أواخر الخمسينيات. ولها تكوينان: مستو وأنبوبي.
يوفر المنحل بالكهرباء الصلب انتقالًا محكمًا للغاز من قطب كهربائي إلى آخر ، بينما توجد الإلكتروليتات السائلة في ركيزة مسامية. حامل الشحنة في خلايا الوقود من هذا النوع هو أيون الأكسجين (O 2 -). عند الكاثود ، يتم فصل جزيئات الأكسجين من الهواء إلى أيون أكسجين وأربعة إلكترونات. تمر أيونات الأكسجين عبر المنحل بالكهرباء وتتحد مع الهيدروجين لتكوين أربعة إلكترونات حرة. يتم توجيه الإلكترونات عبر دائرة كهربائية خارجية ، مما يؤدي إلى توليد تيار كهربائي وحرارة مهدرة.
رد فعل عند الأنود: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
رد فعل عند الكاثود: O 2 + 4e - => 2O 2 -
تفاعل العنصر العام: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
كفاءة الطاقة الكهربائية المتولدة هي الأعلى بين جميع خلايا الوقود - حوالي 60٪. بالإضافة إلى ذلك ، تسمح درجات حرارة التشغيل المرتفعة بتوليد الحرارة والطاقة معًا لتوليد بخار عالي الضغط. يؤدي الجمع بين خلية وقود عالية الحرارة مع التوربينات إلى إنشاء خلية وقود هجينة لزيادة كفاءة توليد الطاقة بنسبة تصل إلى 70٪.
تعمل خلايا وقود الأكسيد الصلب في درجات حرارة عالية جدًا (600 درجة مئوية - 1000 درجة مئوية) ، مما يؤدي إلى وقت طويل للوصول إلى ظروف التشغيل المثلى ، ويكون النظام أبطأ في الاستجابة للتغيرات في استهلاك الطاقة. في درجات حرارة التشغيل المرتفعة هذه ، لا يلزم أي محول لاستعادة الهيدروجين من الوقود ، مما يسمح لمحطة الطاقة الحرارية بالعمل بوقود غير نقي نسبيًا من تغويز الفحم أو غازات النفايات ، وما شابه. أيضًا ، تعتبر خلية الوقود هذه ممتازة لتطبيقات الطاقة العالية ، بما في ذلك محطات الطاقة المركزية الصناعية والكبيرة. وحدات منتجة صناعياً بطاقة كهربائية ناتجة 100 كيلو وات.
خلايا الوقود مع أكسدة الميثانول المباشرة (DOMTE)
إن تقنية استخدام خلايا الوقود مع الأكسدة المباشرة للميثانول تمر بفترة من التطور النشط. نجحت في ترسيخ نفسها في مجال التغذية الهواتف المحمولة، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة ، وكذلك لإنشاء مصادر محمولة للكهرباء. إلى ماذا يهدف التطبيق المستقبلي لهذه العناصر.
يشبه هيكل خلايا الوقود مع الأكسدة المباشرة للميثانول خلايا الوقود بغشاء تبادل البروتون (MOFEC) ، أي يستخدم البوليمر كإلكتروليت ، ويستخدم أيون الهيدروجين (بروتون) كحامل شحنة. ومع ذلك ، يتأكسد الميثانول السائل (CH 3 OH) في وجود الماء عند الأنود ، ويطلق ثاني أكسيد الكربون ، وأيونات الهيدروجين والإلكترونات ، والتي يتم توجيهها من خلال دائرة كهربائية خارجية ، ويتولد تيار كهربائي. تمر أيونات الهيدروجين عبر الإلكتروليت وتتفاعل مع الأكسجين من الهواء والإلكترونات من الدائرة الخارجية لتكوين الماء عند الأنود.
التفاعل عند الأنود: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
التفاعل عند الكاثود: 3/2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
تفاعل العنصر العام: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O
بدأ تطوير خلايا الوقود هذه في أوائل التسعينيات. بعد تطوير المحفزات المحسنة ، وبفضل الابتكارات الحديثة الأخرى ، تمت زيادة كثافة الطاقة وكفاءتها بنسبة تصل إلى 40٪.
تم اختبار هذه العناصر في نطاق درجة حرارة 50-120 درجة مئوية. مع درجات حرارة التشغيل المنخفضة وعدم الحاجة إلى محول ، فإن خلايا وقود الميثانول المباشر هي أفضل مرشح للتطبيقات التي تتراوح من الهواتف المحمولة والمنتجات الاستهلاكية الأخرى إلى محركات السيارات. ميزة هذا النوع من خلايا الوقود هي صغر حجمها ، نتيجة استخدام الوقود السائل ، وعدم الحاجة إلى استخدام المحول.
خلايا الوقود القلوية (AFC)
تعد خلايا الوقود القلوية (ALFCs) واحدة من أكثر التقنيات التي تمت دراستها وقد تم استخدامها منذ منتصف الستينيات. من قبل وكالة ناسا في برامج أبولو ومكوك الفضاء. على متن هذه المركبات الفضائية ، تنتج خلايا الوقود طاقة كهربائية و يشرب الماء. تعد خلايا الوقود القلوية من أكثر العناصر كفاءة في توليد الكهرباء ، حيث تصل كفاءة توليد الطاقة إلى 70٪.
تستخدم خلايا الوقود القلوية إلكتروليت ، أي محلول مائي من هيدروكسيد البوتاسيوم ، موجود في مصفوفة مسامية ومستقرة. قد يختلف تركيز هيدروكسيد البوتاسيوم اعتمادًا على درجة حرارة التشغيل لخلية الوقود ، والتي تتراوح من 65 درجة مئوية إلى 220 درجة مئوية. حامل الشحنة في SFC هو أيون هيدروكسيد (OH-) ينتقل من الكاثود إلى الأنود حيث يتفاعل مع الهيدروجين لإنتاج الماء والإلكترونات. يعود الماء الناتج عند الأنود إلى القطب السالب ، مرة أخرى يولد أيونات الهيدروكسيد هناك. نتيجة لهذه السلسلة من التفاعلات التي تحدث في خلية الوقود ، يتم إنتاج الكهرباء وكمنتج ثانوي ، يتم إنتاج الحرارة:
رد فعل عند الأنود: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
رد فعل عند الكاثود: O 2 + 2H 2 O + 4e - \ u003d \ u003e 4OH -
رد الفعل العام للنظام: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
ميزة مركبات الكربون الكلورية فلورية هي أن خلايا الوقود هذه هي الأرخص في التصنيع ، حيث أن المحفز المطلوب على الأقطاب الكهربائية يمكن أن يكون أي مادة أرخص من تلك المستخدمة كمحفزات لخلايا الوقود الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، تعمل مركبات الكربون الهيدروكلورية فلورية في درجة حرارة منخفضة نسبيًا وهي من بين أكثر خلايا الوقود كفاءة - يمكن أن تساهم هذه الخصائص على التوالي في توليد طاقة أسرع وكفاءة عالية في استهلاك الوقود.
إحدى السمات المميزة لـ SHTE هي حساسيتها العالية لثاني أكسيد الكربون ، والتي يمكن احتواؤها في الوقود أو الهواء. يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع المنحل بالكهرباء ويسمه بسرعة ويقلل بشكل كبير من كفاءة خلية الوقود. لذلك ، يقتصر استخدام مركبات الكربون الهيدروفلورية على الأماكن المغلقة مثل المركبات الفضائية وتحت الماء ، ويجب أن تعمل على الهيدروجين والأكسجين النقيين. علاوة على ذلك ، فإن جزيئات مثل CO و H 2 O و CH 4 ، والتي تعتبر آمنة لخلايا الوقود الأخرى وحتى الوقود لبعضها ، ضارة بـ SFC.
خلايا وقود البوليمر المنحل بالكهرباء (PETE)
في حالة خلايا وقود البوليمر المنحل بالكهرباء ، يتكون غشاء البوليمر من ألياف بوليمر ذات مناطق مائية يوجد فيها توصيل أيونات الماء H 2 O + (بروتون ، أحمر) متصلة بجزيء الماء. تمثل جزيئات الماء مشكلة بسبب بطء التبادل الأيوني. لذلك ، يتطلب الأمر تركيزًا عاليًا من الماء في كل من الوقود وعلى أقطاب العادم ، مما يحد من درجة حرارة التشغيل إلى 100 درجة مئوية.
خلايا الوقود الحمضية الصلبة (SCFC)
في خلايا الوقود الحمضية الصلبة ، لا يحتوي المنحل بالكهرباء (C s H SO 4) على الماء. وبالتالي فإن درجة حرارة التشغيل هي 100-300 درجة مئوية. يسمح دوران أنيون SO 4 2- أوكسي للبروتونات (الحمراء) بالتحرك كما هو موضح في الشكل. عادةً ما تكون خلية الوقود الحمضي الصلب عبارة عن شطيرة يتم فيها وضع طبقة رقيقة جدًا من مركب الحمض الصلب بين قطبين مضغوطين بإحكام لضمان اتصال جيد. عند تسخينه ، يتبخر المكون العضوي ، تاركًا من خلال المسام في الأقطاب الكهربائية ، محتفظًا بقدرة الاتصالات العديدة بين الوقود (أو الأكسجين في الطرف الآخر من الخلية) ، والإلكتروليت والأقطاب الكهربائية.
| نوع خلية الوقود | درجة حرارة العمل | كفاءة توليد الطاقة | نوع الوقود | منطقة التطبيق |
|---|---|---|---|---|
| RKTE | 550-700 درجة مئوية | 50-70% | المنشآت المتوسطة والكبيرة | |
| FKTE | 100 - 220 درجة مئوية | 35-40% | هيدروجين نقي | المنشآت الكبيرة |
| MOPTE | 30-100 درجة مئوية | 35-50% | هيدروجين نقي | المنشآت الصغيرة |
| SOFC | 450-1000 درجة مئوية | 45-70% | معظم أنواع الوقود الهيدروكربوني | المنشآت الصغيرة والمتوسطة والكبيرة |
| بومت | 20-90 درجة مئوية | 20-30% | الميثانول | الوحدات المحمولة |
| SHTE | 50 - 200 درجة مئوية | 40-65% | هيدروجين نقي | أبحاث الفضاء |
| بيت | 30-100 درجة مئوية | 35-50% | هيدروجين نقي | المنشآت الصغيرة |
الجزء الأول
تتناول هذه المقالة بمزيد من التفصيل مبدأ تشغيل خلايا الوقود ، وتصميمها ، وتصنيفها ، ومزاياها وعيوبها ، ونطاقها ، وكفاءتها ، وتاريخ الإنشاء ، وآفاق الاستخدام الحديثة. في الجزء الثاني من المقال، الذي سيتم نشره في العدد القادم من مجلة ABOK ، يقدم أمثلة على المرافق التي تم فيها استخدام أنواع مختلفة من خلايا الوقود كمصادر للحرارة والكهرباء (أو الكهرباء فقط).
مقدمة
تعد خلايا الوقود وسيلة فعالة للغاية وموثوقة ودائمة وصديقة للبيئة لتوليد الطاقة.
تستخدم خلايا الوقود في البداية فقط في صناعة الفضاء ، وتستخدم الآن بشكل متزايد في مجموعة متنوعة من المجالات - مثل محطات الطاقة الثابتة ، والمصادر المستقلة للحرارة والطاقة للمباني ، ومحركات المركبات ، وإمدادات الطاقة لأجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة. بعض هذه الأجهزة عبارة عن نماذج أولية معملية ، وبعضها يخضع لاختبار ما قبل السلسلة أو يستخدم لأغراض توضيحية ، ولكن يتم إنتاج العديد من الطرز بكميات كبيرة واستخدامها في المشاريع التجارية.
خلية الوقود (المولد الكهروكيميائي) هي جهاز يحول الطاقة الكيميائية للوقود (الهيدروجين) إلى طاقة كهربائية في عملية تفاعل كهروكيميائي بشكل مباشر ، على عكس التقنيات التقليدية التي تستخدم احتراق الوقود الصلب والسائل والغازي. يعتبر التحويل الكهروكيميائي المباشر للوقود فعالاً وجذاباً للغاية من وجهة نظر بيئية ، حيث يتم إطلاق الحد الأدنى من الملوثات أثناء التشغيل ، ولا توجد ضوضاء واهتزازات قوية.
من الناحية العملية ، تشبه خلية الوقود البطارية الجلفانية التقليدية. يكمن الاختلاف في حقيقة أن البطارية مشحونة في البداية ، أي مليئة "بالوقود". أثناء التشغيل ، يتم استهلاك "الوقود" وتفريغ البطارية. على عكس البطارية ، تستخدم خلية الوقود الوقود الذي يتم توفيره من مصدر خارجي لتوليد الطاقة الكهربائية (الشكل 1).
لإنتاج الطاقة الكهربائية ، لا يمكن استخدام الهيدروجين النقي فحسب ، بل يمكن أيضًا استخدام المواد الخام الأخرى المحتوية على الهيدروجين ، مثل الغاز الطبيعي أو الأمونيا أو الميثانول أو البنزين. يستخدم الهواء العادي كمصدر للأكسجين ، وهو ضروري أيضًا للتفاعل.
عند استخدام الهيدروجين النقي كوقود ، فإن منتجات التفاعل ، بالإضافة إلى الطاقة الكهربائية ، هي الحرارة والماء (أو بخار الماء) ، أي لا تنبعث غازات في الغلاف الجوي تسبب تلوث الهواء أو تسبب تأثير الاحتباس الحراري. إذا تم استخدام مادة أولية تحتوي على الهيدروجين ، مثل الغاز الطبيعي ، كوقود ، فإن الغازات الأخرى ، مثل أكاسيد الكربون والنيتروجين ، ستكون منتجًا ثانويًا للتفاعل ، ولكن كميتها أقل بكثير مما كانت عليه عند حرق نفس الشيء كمية الغاز الطبيعي.
تسمى عملية التحويل الكيميائي للوقود من أجل إنتاج الهيدروجين الإصلاح ، والجهاز المقابل يسمى المصلح.
مزايا وعيوب خلايا الوقود
تعد خلايا الوقود أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من محركات الاحتراق الداخلي لأنه لا توجد قيود ديناميكية حرارية على كفاءة الطاقة لخلايا الوقود. كفاءة خلايا الوقود 50٪ ، بينما كفاءة محركات الاحتراق الداخلي 12-15٪ ، وكفاءة محطات التوربينات البخارية لا تتعدى 40٪. باستخدام الحرارة والماء ، يتم زيادة كفاءة خلايا الوقود.
على عكس محركات الاحتراق الداخلي ، على سبيل المثال ، تظل كفاءة خلايا الوقود عالية جدًا حتى عندما لا تعمل بكامل طاقتها. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن زيادة قوة خلايا الوقود ببساطة عن طريق إضافة كتل منفصلة ، بينما لا تتغير الكفاءة ، أي أن التركيبات الكبيرة فعالة مثل المنشآت الصغيرة. تسمح هذه الظروف باختيار مرن للغاية لتكوين المعدات وفقًا لرغبات العميل وتؤدي في النهاية إلى خفض تكاليف المعدات.
من المزايا المهمة لخلايا الوقود ملاءمتها للبيئة. انبعاثات الملوثات في الهواء من تشغيل خلايا الوقود منخفضة جدًا لدرجة أنها في بعض مناطق الولايات المتحدة لا تتطلب تصريحًا خاصًا من وكالات الحكومةضبط جودة بيئة الهواء.
يمكن وضع خلايا الوقود مباشرة في المبنى ، وبالتالي تقليل فقد نقل الطاقة ، ويمكن استخدام الحرارة المتولدة نتيجة التفاعل لتزويد المبنى بالحرارة أو الماء الساخن. يمكن أن تكون المصادر المستقلة للحرارة وإمدادات الطاقة مفيدة للغاية في المناطق النائية وفي المناطق التي تتميز بنقص الكهرباء وارتفاع تكلفتها ، ولكن في نفس الوقت هناك احتياطيات من المواد الخام المحتوية على الهيدروجين (النفط والغاز الطبيعي) .
تتمثل مزايا خلايا الوقود أيضًا في توفر الوقود والموثوقية (لا توجد أجزاء متحركة في خلية الوقود) والمتانة وسهولة التشغيل.
واحدة من العيوب الرئيسية لخلايا الوقود اليوم هي تكلفتها المرتفعة نسبيًا ، ولكن هذا العيب قد يتم التغلب عليه قريبًا حيث أن المزيد من الشركات تنتج عينات تجاريةخلايا الوقود ، يتم تحسينها باستمرار ، وتقل تكلفتها.
ومع ذلك ، فإن الاستخدام الأكثر كفاءة للهيدروجين النقي كوقود ، سيتطلب إنشاء بنية تحتية خاصة لإنتاجه ونقله. حاليًا ، تستخدم جميع التصاميم التجارية الغاز الطبيعي وأنواع الوقود المماثلة. يمكن للسيارات استخدام البنزين العادي ، مما سيسمح بالحفاظ على الشبكة الحالية المتطورة لمحطات الوقود. ومع ذلك ، فإن استخدام مثل هذا الوقود يؤدي إلى انبعاثات ضارة في الغلاف الجوي (وإن كانت منخفضة جدًا) ويعقد (وبالتالي يزيد من تكلفة) خلية الوقود. في المستقبل ، إمكانية استخدام مصادر الطاقة المتجددة الصديقة للبيئة (على سبيل المثال ، طاقة شمسيةأو طاقة الرياح) لتحليل الماء إلى هيدروجين وأكسجين عن طريق التحليل الكهربائي ، ثم تحويل الوقود الناتج إلى خلية وقود. يمكن أن تكون هذه المصانع المدمجة التي تعمل في دورة مغلقة مصدرًا للطاقة صديقًا للبيئة تمامًا وموثوقًا ودائمًا وفعالًا.
ميزة أخرى لخلايا الوقود هي أنها أكثر كفاءة عند استخدام كل من الطاقة الكهربائية والحرارية في نفس الوقت. ومع ذلك ، فإن إمكانية استخدام الطاقة الحرارية غير متوفرة في كل منشأة. في حالة استخدام خلايا الوقود لتوليد الطاقة الكهربائية فقط ، تنخفض كفاءتها بالرغم من أنها تفوق كفاءة التركيبات "التقليدية".
التاريخ والاستخدامات الحديثة لخلايا الوقود
تم اكتشاف مبدأ تشغيل خلايا الوقود في عام 1839. اكتشف العالم الإنجليزي ويليام روبرت جروف (1811-1896) أن عملية التحليل الكهربائي - تحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين بواسطة تيار كهربائي - يمكن عكسها ، أي يمكن دمج الهيدروجين والأكسجين في جزيئات الماء دون احتراق ، ولكن مع إطلاق الحرارة والتيار الكهربائي. أطلق جروف على الجهاز الذي تم فيه مثل هذا التفاعل "بطارية غاز" ، والتي كانت أول خلية وقود.
بدأ التطوير النشط لتقنيات خلايا الوقود بعد الحرب العالمية الثانية ، وهو مرتبط بصناعة الطيران. في ذلك الوقت ، تم إجراء عمليات بحث عن مصدر طاقة فعال وموثوق ، ولكن في نفس الوقت مضغوط تمامًا. في الستينيات من القرن الماضي ، اختار خبراء ناسا (الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء ، ناسا) خلايا الوقود كمصدر طاقة للمركبة الفضائية أبولو (الرحلات المأهولة إلى القمر) ، أبولو سويوز ، جيميني وبرامج سكايلاب. استخدمت أبولو ثلاث وحدات بقدرة 1.5 كيلو وات (2.2 كيلو وات ذروة الطاقة) باستخدام الهيدروجين والأكسجين المبردين لإنتاج الكهرباء والحرارة والماء. كانت كتلة كل تركيب 113 كجم. تعمل هذه الخلايا الثلاث بشكل متوازٍ ، لكن الطاقة التي تولدها وحدة واحدة كانت كافية لعودة آمنة. خلال 18 رحلة ، تراكمت خلايا الوقود ما مجموعه 10000 ساعة دون أي أعطال. حاليًا ، تُستخدم خلايا الوقود في مكوك الفضاء "مكوك الفضاء" ، الذي يستخدم ثلاث وحدات بقوة 12 واط ، والتي تولد كل الطاقة الكهربائية على متن المركبة الفضائية (الشكل 2). يتم استخدام المياه التي يتم الحصول عليها نتيجة تفاعل كهروكيميائي كمياه شرب ، وكذلك لمعدات التبريد.
في بلدنا ، كان العمل جاريًا أيضًا لإنشاء خلايا وقود لاستخدامها في الملاحة الفضائية. على سبيل المثال ، تم استخدام خلايا الوقود في الطاقة السفينة السوفيتيةقابلة لإعادة الاستخدام "بوران".
بدأ تطوير طرق للاستخدام التجاري لخلايا الوقود في منتصف الستينيات. تم تمويل هذه التطورات جزئياً من قبل المؤسسات الحكومية.
في الوقت الحالي ، يسير تطوير تقنيات استخدام خلايا الوقود في عدة اتجاهات. هذا هو إنشاء محطات طاقة ثابتة على خلايا الوقود (لكل من إمدادات الطاقة المركزية واللامركزية) ، ومحطات توليد الطاقة للمركبات (تم إنشاء عينات من السيارات والحافلات على خلايا الوقود ، بما في ذلك في بلدنا) (الشكل 3) ، و أيضًا مزودات الطاقة لمختلف الأجهزة المحمولة (أجهزة الكمبيوتر المحمولة ، والهواتف المحمولة ، وما إلى ذلك) (الشكل 4).
يتم إعطاء أمثلة على استخدام خلايا الوقود في مختلف المجالات في الجدول. واحد.
أحد النماذج التجارية الأولى لخلايا الوقود المصممة لتزويد المباني بالحرارة والطاقة المستقلة كان طراز PC25 A الذي تصنعه شركة ONSI (الآن United Technologies ، Inc.). تنتمي خلية الوقود هذه بقوة اسمية تبلغ 200 كيلو وات إلى نوع الخلايا التي تحتوي على إلكتروليت يعتمد على حمض الفوسفوريك (خلايا وقود حمض الفوسفوريك ، PAFC). الرقم "25" في اسم النموذج يعني الرقم التسلسلي للتصميم. كانت معظم النماذج السابقة عبارة عن قطع تجريبية أو اختبارية ، مثل طراز "PC11" الذي يبلغ 12.5 كيلو وات والذي ظهر في السبعينيات. زادت النماذج الجديدة من الطاقة المأخوذة من خلية وقود واحدة ، كما خفضت التكلفة لكل كيلوواط من الطاقة المنتجة. حاليًا ، أحد أكثر النماذج التجارية كفاءة هو خلية الوقود PC25 Model C. مثل الطراز "A" ، هذه خلية وقود أوتوماتيكية بالكامل من نوع PAFC بقدرة 200 كيلو وات مصممة للتركيب مباشرة على الجسم الذي يتم خدمته كمصدر مستقل للحرارة والكهرباء. يمكن تركيب خلية الوقود هذه خارج المبنى. ظاهريًا ، يبلغ طوله 5.5 مترًا وعرضه 3 مترًا وارتفاعه 3 مترًا ويزن 18140 كجم. الفرق عن النماذج السابقة هو محسن محسن وكثافة تيار أعلى.
| الجدول 1 نطاق خلايا الوقود |
|||||||||||||||
|
في بعض أنواع خلايا الوقود ، يمكن عكس العملية الكيميائية: من خلال تطبيق فرق جهد على الأقطاب الكهربائية ، يمكن أن يتحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين ، يتم تجميعهما على أقطاب كهربائية مسامية. عندما يتم توصيل الحمل ، ستبدأ خلية الوقود المتجدد هذه في توليد طاقة كهربائية.
يتمثل الاتجاه الواعد لاستخدام خلايا الوقود في استخدامها مع مصادر الطاقة المتجددة ، مثل الألواح الكهروضوئية أو توربينات الرياح. تتيح لك هذه التقنية تجنب تلوث الهواء تمامًا. تم التخطيط لإنشاء نظام مماثل ، على سبيل المثال ، في مركز تدريب آدم جوزيف لويس في أوبرلين (انظر ABOK ، 2002 ، رقم 5 ، ص 10). حاليًا ، كأحد مصادر الطاقة في هذا المبنى ، الألواح الشمسية. بالتعاون مع متخصصي وكالة ناسا ، تم تطوير مشروع لاستخدام الألواح الكهروضوئية لإنتاج الهيدروجين والأكسجين من الماء عن طريق التحليل الكهربائي. ثم يتم استخدام الهيدروجين في خلايا الوقود لتوليد الكهرباء والماء الساخن. سيسمح ذلك للمبنى بالحفاظ على أداء جميع الأنظمة خلال الأيام الملبدة بالغيوم وفي الليل.
مبدأ عمل خلايا الوقود
دعونا ننظر في مبدأ تشغيل خلية الوقود باستخدام أبسط عنصر مع غشاء تبادل البروتون (غشاء تبادل البروتون ، PEM) كمثال. يتكون هذا العنصر من غشاء بوليمر يوضع بين القطب الموجب (القطب الموجب) والكاثود (القطب السالب) مع محفزات الأنود والكاثود. يستخدم غشاء البوليمر كإلكتروليت. يظهر الرسم التخطيطي لعنصر PEM في الشكل. 5.
غشاء تبادل البروتونات (PEM) عبارة عن مركب عضوي صلب رفيع (حوالي 2-7 ورقات سميكة من الورق العادي). يعمل هذا الغشاء كإلكتروليت: فهو يفصل المادة إلى أيونات موجبة وسالبة الشحنة في وجود الماء.
تحدث عملية الأكسدة عند القطب الموجب ، وتحدث عملية الاختزال عند القطب السالب. يتكون الأنود والكاثود في خلية PEM من مادة مسامية ، وهي مزيج من جزيئات الكربون والبلاتين. يعمل البلاتين كمحفز يعزز تفاعل التفكك. يصنع القطب الموجب والكاثود مساميًا للمرور الحر للهيدروجين والأكسجين عبرهما ، على التوالي.
يتم وضع القطب الموجب والكاثود بين لوحين معدنيين ، يزودان الهيدروجين والأكسجين بالقطب الموجب والكاثود ، ويزيلان الحرارة والماء ، وكذلك الطاقة الكهربائية.
تمر جزيئات الهيدروجين عبر القنوات الموجودة في اللوحة إلى القطب الموجب ، حيث تتحلل الجزيئات إلى ذرات فردية (الشكل 6).
الشكل 5 () رسم تخطيطي لخلية وقود غشاء تبادل البروتون (PEM) |
|
الشكل 6 () تدخل جزيئات الهيدروجين عبر القنوات الموجودة في الصفيحة الأنود ، حيث تتحلل الجزيئات إلى ذرات فردية |
|
الشكل 7 () نتيجة الامتصاص الكيميائي في وجود محفز ، يتم تحويل ذرات الهيدروجين إلى بروتونات |
|
الشكل 8 () تنتشر أيونات الهيدروجين موجبة الشحنة عبر الغشاء إلى الكاثود ، ويتم توجيه تدفق الإلكترون إلى الكاثود من خلال دائرة كهربائية خارجية يتصل بها الحمل. |
|
الشكل 9 () يدخل الأكسجين المزود للكاثود ، في وجود محفز ، في تفاعل كيميائي مع أيونات الهيدروجين من غشاء تبادل البروتون والإلكترونات من الدائرة الكهربائية الخارجية. يتكون الماء نتيجة تفاعل كيميائي |
بعد ذلك ، نتيجة للامتصاص الكيميائي في وجود محفز ، تتحول ذرات الهيدروجين ، التي تتبرع كل منها بإلكترون واحد ، إلى أيونات هيدروجين موجبة الشحنة H + ، أي البروتونات (الشكل 7).
تنتشر أيونات الهيدروجين موجبة الشحنة (البروتونات) عبر الغشاء إلى الكاثود ، ويتم توجيه تدفق الإلكترون إلى الكاثود من خلال دائرة كهربائية خارجية يتصل بها الحمل (مستهلك الطاقة الكهربائية) (الشكل 8).
يدخل الأكسجين المزود للكاثود ، في وجود محفز ، في تفاعل كيميائي مع أيونات الهيدروجين (البروتونات) من غشاء تبادل البروتون والإلكترونات من الدائرة الكهربائية الخارجية (الشكل 9). نتيجة لتفاعل كيميائي ، يتكون الماء.
التفاعل الكيميائي في خلية وقود من أنواع أخرى (على سبيل المثال ، مع إلكتروليت حمضي ، وهو محلول حمض الفوسفوريك H 3 PO 4) مطابق تمامًا للتفاعل الكيميائي في خلية وقود مع غشاء تبادل بروتون.
في أي خلية وقود ، يتم إطلاق جزء من طاقة تفاعل كيميائي كحرارة.
إن تدفق الإلكترونات في الدائرة الخارجية هو تيار مباشر يستخدم للقيام بالعمل. يؤدي فتح الدائرة الخارجية أو إيقاف حركة أيونات الهيدروجين إلى إيقاف التفاعل الكيميائي.
تعتمد كمية الطاقة الكهربائية التي تنتجها خلية الوقود على نوع خلية الوقود والأبعاد الهندسية ودرجة الحرارة وضغط الغاز. توفر خلية وقود واحدة EMF أقل من 1.16 فولت. ومن الممكن زيادة حجم خلايا الوقود ، ولكن في الممارسة العملية ، يتم استخدام عدة خلايا متصلة بالبطاريات (الشكل 10).
جهاز خلية الوقود
لنفكر في جهاز خلية الوقود في مثال طراز PC25 Model C. يظهر مخطط خلية الوقود في الشكل. أحد عشر.
تتكون خلية الوقود "PC25 Model C" من ثلاثة أجزاء رئيسية: معالج الوقود وقسم توليد الطاقة الفعلي ومحول الجهد.
الجزء الرئيسي من خلية الوقود - قسم توليد الطاقة - عبارة عن كومة تتكون من 256 خلية وقود فردية. تشتمل تركيبة أقطاب خلايا الوقود على محفز بلاتيني. من خلال هذه الخلايا ، يتم توليد تيار كهربائي مباشر يبلغ 1400 أمبير بجهد 155 فولت. تبلغ أبعاد البطارية حوالي 2.9 م في الطول و 0.9 م في العرض والارتفاع.
نظرًا لأن العملية الكهروكيميائية تحدث عند درجة حرارة 177 درجة مئوية ، فمن الضروري تسخين البطارية في وقت بدء التشغيل وإزالة الحرارة منها أثناء التشغيل. للقيام بذلك ، تشتمل خلية الوقود على دائرة مياه منفصلة ، والبطارية مزودة بألواح تبريد خاصة.
يسمح لك معالج الوقود بتحويل الغاز الطبيعي إلى هيدروجين ، وهو أمر ضروري للتفاعل الكهروكيميائي. هذه العملية تسمى الإصلاح. العنصر الرئيسي لمعالج الوقود هو المصلح. في المصلح ، يتفاعل الغاز الطبيعي (أو أي وقود آخر يحتوي على الهيدروجين) مع البخار عند درجة حرارة عالية (900 درجة مئوية) وضغط مرتفع في وجود محفز نيكل. تحدث التفاعلات الكيميائية التالية:
CH 4 (ميثان) + H 2 O 3H 2 + CO
(ماص للحرارة التفاعل ، مع امتصاص الحرارة) ؛
ثاني أكسيد الكربون + H 2 O H 2 + CO 2
(يكون التفاعل طاردًا للحرارة ، مع إطلاق حرارة).
يتم التعبير عن رد الفعل الكلي بالمعادلة:
CH 4 (ميثان) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2
(ماص للحرارة التفاعل ، مع امتصاص الحرارة).
لتوفير درجة الحرارة العالية المطلوبة لتحويل الغاز الطبيعي ، يتم إرسال جزء من الوقود المستهلك من مكدس خلايا الوقود إلى الموقد الذي يحافظ على وحدة الإصلاح عند درجة الحرارة المطلوبة.
يتم توليد البخار المطلوب لإعادة التشكيل من المكثفات المتكونة أثناء تشغيل خلية الوقود. في هذه الحالة ، يتم استخدام الحرارة المنبعثة من مكدس خلايا الوقود (الشكل 12).
يولد كومة خلايا الوقود تيارًا مباشرًا متقطعًا ، يتميز بجهد منخفض وتيار مرتفع. يستخدم محول الجهد لتحويله إلى تيار متردد صناعي قياسي. بالإضافة إلى ذلك ، تشتمل وحدة محول الجهد على أجهزة تحكم متنوعة ودوائر قفل أمان تسمح بإيقاف تشغيل خلية الوقود في حالة حدوث أعطال مختلفة.
في خلية الوقود هذه ، يمكن تحويل ما يقرب من 40٪ من الطاقة الموجودة في الوقود إلى طاقة كهربائية. تقريبًا نفس الشيء ، يمكن تحويل حوالي 40٪ من طاقة الوقود إلى طاقة حرارية، والذي يستخدم بعد ذلك كمصدر حرارة للتدفئة وإمدادات المياه الساخنة وأغراض مماثلة. وبالتالي ، يمكن أن تصل الكفاءة الإجمالية لمثل هذا المصنع إلى 80٪.
من المزايا المهمة لمصدر الحرارة والكهرباء هذا إمكانية تشغيله تلقائيًا. للصيانة ، لا يحتاج أصحاب المنشأة التي تم تركيب خلية الوقود عليها إلى صيانة موظفين مدربين تدريباً خاصاً - صيانة دوريةيمكن تنفيذها من قبل موظفي المنظمة المشغلة.
أنواع خلايا الوقود
حاليًا ، تُعرف عدة أنواع من خلايا الوقود ، والتي تختلف في تكوين الإلكتروليت المستخدم. الأنواع الأربعة التالية هي الأكثر انتشارًا (الجدول 2):
1. خلايا الوقود مع غشاء تبادل البروتون (خلايا وقود غشاء التبادل البروتوني ، PEMFC).
2. خلايا الوقود على أساس حامض الفوسفوريك (خلايا وقود حمض الفوسفوريك ، PAFC).
3. خلايا الوقود القائمة على الكربونات المنصهرة (خلايا وقود الكربونات المنصهرة ، MCFC).
4. خلايا وقود الأكسيد الصلب (خلايا وقود الأكسيد الصلب ، SOFC). حاليًا ، تم بناء أكبر أسطول من خلايا الوقود على أساس تقنية PAFC.
واحدة من السمات الرئيسية أنواع مختلفةخلية الوقود هي درجة حرارة التشغيل. من نواح كثيرة ، فإن درجة الحرارة هي التي تحدد نطاق خلايا الوقود. على سبيل المثال ، تعتبر درجات الحرارة المرتفعة أمرًا بالغ الأهمية لأجهزة الكمبيوتر المحمولة ، لذلك يتم تطوير خلايا وقود غشاء تبادل البروتونات ذات درجات حرارة تشغيل منخفضة لهذا الجزء من السوق.
بالنسبة لتزويد المباني بالطاقة المستقلة ، يلزم وجود خلايا وقود ذات سعة عالية مثبتة ، وفي الوقت نفسه ، من الممكن استخدام الطاقة الحرارية ، وبالتالي ، يمكن أيضًا استخدام خلايا الوقود من أنواع أخرى لهذه الأغراض.
خلايا وقود غشاء التبادل البروتوني (PEMFC)
تعمل خلايا الوقود هذه في درجات حرارة تشغيل منخفضة نسبيًا (60-160 درجة مئوية). تتميز بكثافة طاقة عالية ، وتسمح لك بضبط طاقة الإخراج بسرعة ، ويمكن تشغيلها بسرعة. عيب هذا النوع من العناصر هو المتطلبات العالية لجودة الوقود ، لأن الوقود الملوث يمكن أن يتلف الغشاء. الطاقة الاسمية لخلايا الوقود من هذا النوع هي 1-100 كيلو واط.
تم تطوير خلايا وقود غشاء التبادل البروتوني في الأصل بواسطة شركة جنرال إلكتريك في الستينيات لصالح وكالة ناسا. يستخدم هذا النوع من خلايا الوقود مادة إلكتروليت بوليمرية صلبة تسمى غشاء تبادل البروتون (PEM). يمكن للبروتونات أن تتحرك عبر غشاء تبادل البروتون ، لكن الإلكترونات لا يمكنها المرور من خلاله ، مما يؤدي إلى فرق جهد بين القطب السالب والأنود. نظرًا لبساطتها وموثوقيتها ، تم استخدام خلايا الوقود هذه كمصدر للطاقة على الإنسان سفينة فضائيةتَوأَم.
يستخدم هذا النوع من خلايا الوقود كمصدر للطاقة لمجموعة متنوعة من الأجهزة ، بما في ذلك النماذج الأولية والنماذج الأولية ، من الهواتف المحمولة إلى الحافلات وأنظمة الطاقة الثابتة. تسمح درجة حرارة التشغيل المنخفضة باستخدام هذه الخلايا لتشغيل أنواع مختلفة من المعقدات الأجهزة الإلكترونية. أقل كفاءة هو استخدامها كمصدر للحرارة وإمدادات الطاقة للمباني العامة والصناعية ، حيث تتطلب كميات كبيرة من الطاقة الحرارية. في الوقت نفسه ، تعد هذه العناصر واعدة كمصدر مستقل لإمداد الطاقة للمباني السكنية الصغيرة مثل الأكواخ المبنية في مناطق ذات مناخ حار.
| الجدول 2 أنواع خلايا الوقود |
||||||||||||||||||||
|
خلايا وقود حامض الفوسفوريك (PAFC)
تم إجراء اختبارات خلايا الوقود من هذا النوع في أوائل السبعينيات. نطاق درجة حرارة التشغيل - 150-200 درجة مئوية. المجال الرئيسي للتطبيق هو المصادر المستقلة للحرارة وإمدادات الطاقة ذات الطاقة المتوسطة (حوالي 200 كيلو واط).
المنحل بالكهرباء المستخدم في خلايا الوقود هذه هو محلول حمض الفوسفوريك. الأقطاب الكهربائية مصنوعة من الورق المطلي بالكربون ، حيث يتم تشتيت محفز البلاتين.
تبلغ الكفاءة الكهربائية لخلايا الوقود PAFC 37-42٪. ومع ذلك ، نظرًا لأن خلايا الوقود هذه تعمل عند درجة حرارة عالية بدرجة كافية ، فمن الممكن استخدام البخار المتولد نتيجة للتشغيل. في هذه الحالة ، يمكن أن تصل الكفاءة الإجمالية إلى 80٪.
لتوليد الطاقة ، يجب تحويل المادة الأولية المحتوية على الهيدروجين إلى هيدروجين نقي من خلال عملية إعادة التشكيل. على سبيل المثال ، إذا تم استخدام البنزين كوقود ، فيجب إزالة مركبات الكبريت ، حيث يمكن للكبريت إتلاف محفز البلاتين.
كانت خلايا الوقود PAFC هي أول خلايا وقود تجارية لها ما يبررها اقتصاديًا. كان النموذج الأكثر شيوعًا هو خلية الوقود PC25 بقدرة 200 كيلو وات التي تصنعها شركة ONSI (الآن United Technologies، Inc.) (الشكل 13). على سبيل المثال ، تُستخدم هذه العناصر كمصدر للحرارة والكهرباء في مركز شرطة في سنترال بارك بنيويورك أو كمصدر إضافي للطاقة لمبنى كوندي ناست وفور تايمز سكوير. يتم اختبار أكبر محطة من هذا النوع كمحطة طاقة 11 ميجاوات في اليابان.
تستخدم خلايا الوقود التي تعتمد على حمض الفوسفوريك أيضًا كمصدر للطاقة في المركبات. على سبيل المثال ، في عام 1994 ، قامت H-Power Corp. وجامعة جورج تاون ووزارة الطاقة الأمريكية بتجهيز حافلة بمحطة طاقة 50 كيلو وات.
خلايا الوقود الكربونية المنصهرة (MCFC)
تعمل خلايا الوقود من هذا النوع في درجات حرارة عالية جدًا - 600-700 درجة مئوية. تسمح درجات حرارة التشغيل هذه باستخدام الوقود مباشرة في الخلية نفسها ، دون الحاجة إلى مصلح منفصل. هذه العملية تسمى "الإصلاح الداخلي". إنه يسمح بتبسيط تصميم خلية الوقود بشكل كبير.
تتطلب خلايا الوقود القائمة على الكربونات المنصهرة وقتًا كبيرًا لبدء التشغيل ولا تسمح بضبط طاقة الخرج بسرعة ، لذا فإن مجال تطبيقها الرئيسي هو مصادر ثابتة كبيرة للحرارة والكهرباء. ومع ذلك ، فهي تتميز بكفاءة عالية في تحويل الوقود - 60٪ كفاءة كهربائية وما يصل إلى 85٪ كفاءة إجمالية.
في هذا النوع من خلايا الوقود ، يتكون المحلول الكهربائي من كربونات البوتاسيوم وأملاح كربونات الليثيوم التي يتم تسخينها إلى حوالي 650 درجة مئوية. في ظل هذه الظروف ، تكون الأملاح في حالة منصهرة ، وتشكل إلكتروليتًا. عند القطب الموجب ، يتفاعل الهيدروجين مع أيونات ثاني أكسيد الكربون ، مكونًا الماء وثاني أكسيد الكربون وإطلاق الإلكترونات التي يتم إرسالها إلى الدائرة الخارجية ، وفي القطب السالب يتفاعل الأكسجين مع ثاني أكسيد الكربون والإلكترونات من الدائرة الخارجية ، مكونًا أيونات ثاني أكسيد الكربون مرة أخرى.
تم إنشاء عينات مختبرية من خلايا الوقود من هذا النوع في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي بواسطة العالمين الهولنديين ج. في الستينيات ، عمل المهندس فرانسيس تي بيكون ، وهو سليل كاتب وعالم إنجليزي شهير من القرن السابع عشر ، على هذه العناصر ، ولهذا السبب يُشار أحيانًا إلى خلايا وقود MCFC باسم عناصر بيكون. استخدمت برامج Apollo و Apollo-Soyuz و Scylab التابعة لناسا فقط خلايا الوقود كمصدر للطاقة (الشكل 14). في نفس السنوات ، اختبرت الإدارة العسكرية الأمريكية عدة عينات من خلايا وقود MCFC المصنعة من قبل شركة Texas Instruments ، حيث تم استخدام درجات الجيش من البنزين كوقود. في منتصف السبعينيات ، بدأت وزارة الطاقة الأمريكية البحث لتطوير خلية وقود كربونية منصهرة ثابتة مناسبة للتطبيقات العملية. في التسعينيات ، تم تشغيل عدد من الوحدات التجارية التي تصل طاقتها إلى 250 كيلوواط ، مثل المحطة الجوية البحرية الأمريكية ميرامار في كاليفورنيا. في عام 1996 ، تم إنشاء شركة FuelCell Energy، Inc. بدأت في التشغيل التجريبيمصنع ما قبل السلسلة بقدرة 2 ميجاوات في سانتا كلارا ، كاليفورنيا.
خلايا وقود أكسيد الحالة الصلبة (SOFC)
تتميز خلايا وقود أكسيد الحالة الصلبة بالبساطة في التصميم وتعمل في درجات حرارة عالية جدًا - 700-1000 درجة مئوية. تسمح درجات الحرارة المرتفعة هذه باستخدام وقود "متسخ" نسبيًا وغير مكرر. تحدد نفس الميزات الموجودة في خلايا الوقود القائمة على الكربونات المنصهرة مجالًا مشابهًا للتطبيق - مصادر ثابتة كبيرة للحرارة والكهرباء.
تختلف خلايا وقود الأكسيد الصلب هيكليًا عن خلايا الوقود المعتمدة على تقنيات PAFC و MCFC. يصنع الأنود والكاثود والإلكتروليت من درجات خاصة من السيراميك. في أغلب الأحيان ، يتم استخدام خليط من أكسيد الزركونيوم وأكسيد الكالسيوم كإلكتروليت ، ولكن يمكن استخدام أكاسيد أخرى. يشكل المنحل بالكهرباء شبكة بلورية مغطاة على كلا الجانبين بمادة قطب مسامية. من الناحية الهيكلية ، تصنع هذه العناصر في شكل أنابيب أو ألواح مسطحة ، مما يجعل من الممكن استخدام التقنيات المستخدمة على نطاق واسع في صناعة الإلكترونيات في تصنيعها. نتيجة لذلك ، يمكن لخلايا وقود أكسيد الحالة الصلبة أن تعمل في درجات حرارة عالية جدًا ، مما يجعلها مفيدة لتوليد الطاقة الكهربائية والحرارية.
في درجات حرارة التشغيل العالية ، تتشكل أيونات الأكسجين عند الكاثود ، والتي تنتقل عبر الشبكة البلورية إلى القطب الموجب ، حيث تتفاعل مع أيونات الهيدروجين ، وتشكل الماء وتطلق الإلكترونات الحرة. في هذه الحالة ، يتم إطلاق الهيدروجين من الغاز الطبيعي مباشرة في الخلية ، أي ليست هناك حاجة لمصلح منفصل.
تم وضع الأسس النظرية لإنشاء خلايا وقود أكسيد الحالة الصلبة في أواخر ثلاثينيات القرن الماضي ، عندما أجرى العلماء السويسريون باور (إميل باور) وبريس (إتش. برييس) تجارب على الزركونيوم والإيتريوم والسيريوم واللانثانوم والتنغستن ، باستخدامها. كالكهارل.
تم إنشاء النماذج الأولية لخلايا الوقود هذه في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي من قبل عدد من الشركات الأمريكية والهولندية. سرعان ما تخلت معظم هذه الشركات عن إجراء المزيد من الأبحاث بسبب الصعوبات التكنولوجية ، ولكن إحداها ، Westinghouse Electric Corp. (الآن "Siemens Westinghouse Power Corporation") ، استمر العمل. تقبل الشركة حاليًا الطلبات المسبقة لنموذج تجاري لخلية وقود أكسيد صلب طوبولوجيا أنبوبي متوقع هذا العام (الشكل 15). جزء السوق من هذه العناصر هو التركيبات الثابتة لإنتاج الحرارة والطاقة الكهربائية بسعة 250 كيلوواط إلى 5 ميغاواط.
أظهرت خلايا الوقود من نوع SOFC موثوقية عالية جدًا. على سبيل المثال ، سجلت خلية وقود نموذجية من شركة سيمنز ويستنجهاوس 16600 ساعة وتستمر في العمل ، مما يجعلها أطول خلية وقود مستمرة في العالم.
يسمح وضع التشغيل ذو درجة الحرارة العالية والضغط العالي لخلايا وقود SOFC بإنشاء محطات هجينة ، حيث تعمل انبعاثات خلايا الوقود على تشغيل توربينات الغاز المستخدمة لتوليد الكهرباء. أول مصنع هجين من هذا القبيل قيد التشغيل في إيرفين ، كاليفورنيا. تبلغ الطاقة المقدرة لهذه المحطة 220 كيلو واط ، منها 200 كيلو واط من خلية الوقود و 20 كيلو واط من مولد التوربينات الصغيرة.
اتخذت الولايات المتحدة عدة مبادرات لتطوير خلايا وقود الهيدروجين والبنية التحتية والتقنيات لجعل مركبات خلايا الوقود عملية واقتصادية بحلول عام 2020. وقد تم تخصيص أكثر من مليار دولار لهذه الأغراض.
تولد خلايا الوقود الكهرباء بهدوء وكفاءة دون تلوث بيئة. على عكس مصادر طاقة الوقود الأحفوري ، فإن المنتجات الثانوية لخلايا الوقود هي الحرارة والماء. كيف تعمل؟
في هذه المقالة ، سنراجع بإيجاز كل من الملفات الموجودة تقنيات الوقوداليوم ، بالإضافة إلى الحديث عن تصميم وتشغيل خلايا الوقود ، قارنها بأشكال أخرى من إنتاج الطاقة. سنناقش أيضًا بعض العقبات التي يواجهها الباحثون في جعل خلايا الوقود عملية وبأسعار معقولة للمستهلكين.
خلايا الوقود أجهزة تحويل الطاقة الكهروكيميائية. تحويل خلية الوقود مواد كيميائية، الهيدروجين والأكسجين في الماء ، في العملية التي تولد الكهرباء.
الجهاز الكهروكيميائي الآخر الذي نعرفه جميعًا هو البطارية. تحتوي البطارية بداخلها على جميع العناصر الكيميائية اللازمة وتحول هذه المواد إلى كهرباء. هذا يعني أن البطارية "تموت" في النهاية وأنك تتخلص منها أو تعيد شحنها.
في خلية الوقود ، يتم إدخال المواد الكيميائية فيها باستمرار حتى لا "تموت" أبدًا. سيتم توليد الكهرباء طالما أن المواد الكيميائية تدخل الخلية. تستخدم معظم خلايا الوقود المستخدمة اليوم الهيدروجين والأكسجين.
الهيدروجين هو العنصر الأكثر شيوعًا في مجرتنا. ومع ذلك ، لا يوجد الهيدروجين عمليًا على الأرض في شكله الأولي. يجب على المهندسين والعلماء استخراج الهيدروجين النقي من مركبات الهيدروجين ، بما في ذلك الوقود الأحفوري أو الماء. لاستخراج الهيدروجين من هذه المركبات ، تحتاج إلى إنفاق الطاقة على شكل حرارة أو كهرباء.
اختراع خلايا الوقود
اخترع السير ويليام جروف أول خلية وقود في عام 1839. عرف غروف أن الماء يمكن تقسيمه إلى هيدروجين وأكسجين عن طريق تشغيل تيار كهربائي خلاله (وهي عملية تسمى التحليل الكهربائي). واقترح أنه يمكن الحصول على الكهرباء والمياه بالترتيب العكسي. لقد ابتكر خلية وقود بدائية وأطلق عليها اسم بطارية غاز جلفاني. بعد تجربة اختراعه الجديد ، أثبت جروف فرضيته. بعد خمسين عامًا ، صاغ العالمان لودفيج موند وتشارلز لانجر المصطلح خلايا الوقودعند محاولة بناء نموذج عملي لتوليد الطاقة.
سوف تتنافس خلية الوقود مع العديد من أجهزة تحويل الطاقة الأخرى ، بما في ذلك التوربينات الغازية في محطات الطاقة الحضرية ، ومحركات الاحتراق الداخلي في السيارات ، والبطاريات بجميع أنواعها. محركات الاحتراق الداخلي ، مثل توربينات الغاز ، تحترق أنواع مختلفةالوقود واستخدام الضغط الناتج عن تمدد الغازات لأداء الأعمال الميكانيكية. تحول البطاريات الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية عند الحاجة. تحتاج خلايا الوقود إلى أداء هذه المهام بكفاءة أكبر.
توفر خلية الوقود جهدًا مباشرًا (تيار مباشر) يمكن استخدامه لتشغيل المحركات الكهربائية والإضاءة والأجهزة الكهربائية الأخرى.
هناك عدة أنواع مختلفة من خلايا الوقود ، كل منها يستخدم عمليات كيميائية مختلفة. عادة ما يتم تصنيف خلايا الوقود وفقًا لها درجة حرارة التشغيلو يكتببالكهرباء،التي يستخدمونها. بعض أنواع خلايا الوقود مناسبة تمامًا للاستخدام في محطات الطاقة الثابتة. قد يكون البعض الآخر مفيدًا للأجهزة المحمولة الصغيرة أو لتشغيل السيارات. تشمل الأنواع الرئيسية لخلايا الوقود ما يلي:
خلية وقود غشاء تبادل البوليمر (PEMFC)
يعتبر PEMFC هو المرشح الأكثر احتمالا لتطبيقات النقل. يحتوي PEMFC على طاقة عالية ودرجة حرارة تشغيل منخفضة نسبيًا (في حدود 60 إلى 80 درجة مئوية). تعني درجة حرارة التشغيل المنخفضة أن خلايا الوقود يمكن أن ترتفع درجة حرارتها بسرعة لبدء توليد الكهرباء.
خلية وقود الأكسيد الصلب (SOFC)
تعد خلايا الوقود هذه أكثر ملاءمة لمولدات الطاقة الثابتة الكبيرة التي يمكن أن توفر الكهرباء للمصانع أو المدن. يعمل هذا النوع من خلايا الوقود في درجات حرارة عالية جدًا (700 إلى 1000 درجة مئوية). تعتبر درجة الحرارة المرتفعة مشكلة موثوقية لأن بعض خلايا الوقود يمكن أن تتعطل بعد عدة دورات من التشغيل والإيقاف. ومع ذلك ، فإن خلايا وقود الأكسيد الصلب مستقرة جدًا في التشغيل المستمر. في الواقع ، أثبتت مركبات الكربون الهيدروكلورية فلورية أطول عمر تشغيلي لأي خلية وقود في ظل ظروف معينة. تتميز درجة الحرارة المرتفعة أيضًا بأنه يمكن توجيه البخار الناتج عن خلايا الوقود إلى التوربينات وتوليد المزيد من الكهرباء. هذه العملية تسمى التوليد المشترك للحرارة والكهرباءويحسن كفاءة النظام بشكل عام.
خلية الوقود القلوية (AFC)
إنه أحد أقدم تصميمات خلايا الوقود ، ويستخدم منذ الستينيات. تعتبر مركبات الكربون الهيدروجينية شديدة التأثر بالتلوث لأنها تتطلب الهيدروجين والأكسجين النقيين. بالإضافة إلى ذلك ، فهي باهظة الثمن ، لذلك من غير المرجح أن يتم وضع هذا النوع من خلايا الوقود في الإنتاج الضخم.
خلية وقود الكربونات المنصهرة (MCFC)
مثل SOFCs ، فإن خلايا الوقود هذه مناسبة أيضًا لمحطات الطاقة الكبيرة الثابتة والمولدات. تعمل عند 600 درجة مئوية حتى تتمكن من توليد البخار ، والذي بدوره يمكن استخدامه لتوليد المزيد من الطاقة. لديهم درجة حرارة تشغيل أقل من خلايا وقود الأكسيد الصلب ، مما يعني أنها لا تحتاج إلى مثل هذه المواد المقاومة للحرارة. هذا يجعلها أرخص قليلا.
خلية وقود حامض الفوسفوريك (PAFC)
خلية وقود حامض الفوسفوريكلديه القدرة على استخدامها في أنظمة الطاقة الثابتة الصغيرة. يعمل عند درجة حرارة أعلى من خلية وقود غشاء تبادل البوليمر ، لذلك يستغرق وقتًا أطول للتسخين ، مما يجعله غير مناسب للاستخدام في السيارات.
خلايا وقود الميثانول خلية وقود الميثانول المباشر (DMFC)
خلايا وقود الميثانول قابلة للمقارنة مع PEMFC من حيث درجة حرارة التشغيل ، ولكنها ليست فعالة. بالإضافة إلى ذلك ، تتطلب DMFCs الكثير من البلاتين كعامل مساعد ، مما يجعل خلايا الوقود هذه باهظة الثمن.
خلية وقود مع غشاء تبادل بوليمر
تعد خلية وقود غشاء تبادل البوليمر (PEMFC) واحدة من أكثر تقنيات خلايا الوقود الواعدة. يستخدم PEMFC أحد أبسط ردود الفعل لأي خلية وقود. ضع في اعتبارك ما تتكون منه.
1. لكن العقدة - الطرف السلبي لخلية الوقود. إنها توصل الإلكترونات المنبعثة من جزيئات الهيدروجين ، وبعد ذلك يمكن استخدامها في دائرة خارجية. إنه محفور بقنوات يتم من خلالها توزيع غاز الهيدروجين بالتساوي على سطح المحفز.
2.إلى ذرة - يحتوي الطرف الموجب لخلية الوقود أيضًا على قنوات لتوزيع الأكسجين على سطح المحفز. كما أنها تنقل الإلكترونات من السلسلة الخارجية للمحفز حيث يمكن أن تتحد مع أيونات الهيدروجين والأكسجين لتكوين الماء.
3.غشاء تبادل المنحل بالكهرباء والبروتون. إنها مادة تمت معالجتها بشكل خاص وتوصل فقط الأيونات الموجبة الشحنة وتحجب الإلكترونات. في PEMFC ، يجب ترطيب الغشاء ليعمل بشكل صحيح ويظل مستقرًا.
4. عامل حفازهي مادة خاصة تعزز تفاعل الأكسجين والهيدروجين. عادة ما تكون مصنوعة من جزيئات البلاتين النانوية المترسبة بشكل رقيق للغاية على ورق الكربون أو القماش. يحتوي المحفز على بنية سطحية بحيث يمكن تعريض أقصى مساحة من البلاتين للهيدروجين أو الأكسجين.
يوضح الشكل دخول غاز الهيدروجين (H2) تحت الضغط إلى خلية الوقود من جانب الأنود. عندما يتلامس جزيء H2 مع البلاتين على المحفز ، فإنه ينقسم إلى اثنين من أيونات H + وإلكترونين. تمر الإلكترونات عبر الأنود حيث يتم استخدامها في دائرة خارجية (أداء عمل مفيد، مثل دوران المحرك) والعودة إلى جانب الكاثود لخلية الوقود.
في هذه الأثناء ، على جانب الكاثود لخلية الوقود ، يمر الأكسجين (O2) من الهواء عبر المحفز حيث يشكل ذرتين من الأكسجين. كل من هذه الذرات لها شحنة سالبة قوية. تجذب هذه الشحنة السالبة أيوني H + عبر الغشاء حيث تتحد مع ذرة أكسجين وإلكترونين من الدائرة الخارجية لتكوين جزيء ماء (H2O).
ينتج هذا التفاعل في خلية وقود واحدة حوالي 0.7 فولت فقط. من أجل رفع الجهد إلى مستوى معقول ، يجب دمج العديد من خلايا الوقود الفردية لتشكيل مجموعة خلايا وقود. تُستخدم الألواح ثنائية القطب لربط خلية وقود بأخرى وتخضع للأكسدة مع تقليل الإمكانات. المشكلة الكبيرة في الصفائح ثنائية القطب هي استقرارها. يمكن أن تتآكل الصفائح المعدنية ثنائية القطب وتقلل المنتجات الثانوية (أيونات الحديد والكروم) من كفاءة أغشية خلايا الوقود والأقطاب الكهربائية. لذلك ، تستخدم خلايا الوقود ذات درجة الحرارة المنخفضة معادن خفيفة ، وجرافيت ، ومركبات مركبة من الكربون والمواد المتصلبة بالحرارة (مادة التصلد بالحرارة هي نوع من البلاستيك يظل صلبًا حتى عند تعرضه لدرجات حرارة عالية) في شكل مادة صفائح ثنائية القطب.
كفاءة خلايا الوقود
يعد تقليل التلوث أحد الأهداف الرئيسية لخلية الوقود. من خلال مقارنة سيارة تعمل بخلية وقود مع سيارة تعمل بمحرك بنزين وسيارة تعمل بالبطارية ، يمكنك أن ترى كيف يمكن لخلايا الوقود تحسين كفاءة السيارات.
نظرًا لأن جميع أنواع السيارات الثلاثة تحتوي على العديد من المكونات نفسها ، فسوف نتجاهل هذا الجزء من السيارة ونقارنه إجراءات مفيدةلدرجة إنتاج الطاقة الميكانيكية. لنبدأ بسيارة خلايا الوقود.
إذا تم تشغيل خلية الوقود بواسطة الهيدروجين النقي ، يمكن أن تصل كفاءتها إلى 80 بالمائة. وبالتالي ، فإنه يحول 80 في المائة من محتوى الطاقة للهيدروجين إلى كهرباء. ومع ذلك ، لا يزال يتعين علينا تحويل الطاقة الكهربائية إلى عمل ميكانيكي. يتم تحقيق ذلك من خلال محرك كهربائي وعاكس. تبلغ كفاءة المحرك + العاكس أيضًا حوالي 80 بالمائة. هذا يعطي كفاءة إجمالية تقارب 80 * 80/100 = 64 بالمائة. يقال إن سيارة هوندا النموذجية FCX تتمتع بكفاءة طاقة بنسبة 60 بالمائة.
إذا لم يكن مصدر الوقود على شكل هيدروجين نقي ، إذن عربةسيحتاج أيضا إلى مصلح. يقوم المصلحون بتحويل الهيدروكربون أو الوقود الكحولي إلى هيدروجين. إنها تولد الحرارة وتنتج ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون بالإضافة إلى الهيدروجين. يستخدمون لتنقية الهيدروجين الناتج أجهزة مختلفةلكن هذا التنظيف غير كاف ويقلل من كفاءة خلية الوقود. لذلك ، قرر الباحثون التركيز على خلايا الوقود للمركبات التي تعمل بالهيدروجين النقي ، على الرغم من المشاكل المرتبطة بإنتاج وتخزين الهيدروجين.
كفاءة محرك بنزين وسيارة على البطاريات الكهربائية
كفاءة السيارة التي تعمل بالبنزين منخفضة بشكل مدهش. كل الحرارة التي تخرج على شكل عادم أو يمتصها المبرد هي طاقة مهدرة. يستخدم المحرك أيضًا الكثير من الطاقة لتشغيل مختلف المضخات والمراوح والمولدات التي تحافظ على تشغيله. وبالتالي ، تبلغ الكفاءة الإجمالية لمحرك بنزين السيارات حوالي 20 بالمائة. وبالتالي ، يتم تحويل ما يقرب من 20 بالمائة فقط من محتوى الطاقة الحرارية للبنزين إلى أعمال ميكانيكية.
تتمتع السيارة الكهربائية التي تعمل بالبطارية بكفاءة عالية إلى حد ما. البطارية فعالة بنسبة 90 بالمائة تقريبًا (تولد معظم البطاريات بعض الحرارة أو تتطلب تسخينًا) ، والمحرك + العاكس فعال بنسبة 80 بالمائة تقريبًا. هذا يعطي كفاءة إجمالية تقارب 72 بالمائة.
لكن هذا ليس كل شيء. لكي تتحرك السيارة الكهربائية ، يجب أولاً توليد الكهرباء في مكان ما. إذا كانت محطة طاقة تستخدم عملية احتراق الوقود الأحفوري (بدلاً من الطاقة النووية أو الكهرومائية أو الشمسية أو طاقة الرياح) ، فإن حوالي 40 بالمائة فقط من الوقود الذي تستهلكه المحطة تم تحويله إلى كهرباء. بالإضافة إلى ذلك ، تتطلب عملية شحن السيارة تحويل طاقة التيار المتردد (AC) إلى طاقة التيار المباشر (DC). تبلغ كفاءة هذه العملية حوالي 90 بالمائة.
الآن ، إذا نظرنا إلى الدورة بأكملها ، فإن كفاءة السيارة الكهربائية هي 72 بالمائة للسيارة نفسها ، و 40 بالمائة لمحطة الطاقة ، و 90 بالمائة لشحن السيارة. هذا يعطي كفاءة إجمالية تبلغ 26 بالمائة. تختلف الكفاءة الإجمالية بشكل كبير اعتمادًا على محطة الطاقة المستخدمة لشحن البطارية. إذا تم توليد الكهرباء لسيارة ، على سبيل المثال ، عن طريق محطة كهرومائية ، فإن كفاءة السيارة الكهربائية ستكون حوالي 65 بالمائة.
يقوم العلماء بالبحث عن التصاميم وتحسينها لمواصلة تحسين كفاءة خلايا الوقود. أحد الأساليب الجديدة هو الجمع بين خلايا الوقود والمركبات التي تعمل بالبطارية. يتم تطوير السيارة النموذجية ليتم تشغيلها بواسطة مجموعة نقل الحركة الهجينة التي تعمل بخلايا الوقود. يستخدم بطارية الليثيوم لتشغيل السيارة بينما تقوم خلية الوقود بإعادة شحن البطارية.
من المحتمل أن تكون المركبات التي تعمل بخلايا الوقود فعالة مثل السيارة التي تعمل بالبطارية والتي يتم شحنها من محطة طاقة خالية من الوقود الأحفوري. لكن تحقيق مثل هذه الإمكانات العملية و طريقة يسهل الوصول إليهاقد يكون من الصعب.
لماذا نستخدم خلايا الوقود؟
السبب الرئيسي هو كل ما يتعلق بالنفط. يجب على أمريكا استيراد ما يقرب من 60 في المائة من نفطها. بحلول عام 2025 ، من المتوقع أن ترتفع الواردات إلى 68٪. يستخدم الأمريكيون ثلثي النفط يوميًا للنقل. حتى لو كانت كل سيارة في الشارع سيارة هجينة ، بحلول عام 2025 ، لا يزال يتعين على الولايات المتحدة استخدام نفس كمية الزيت التي استهلكها الأمريكيون في عام 2000. في الواقع ، تستهلك أمريكا ربع إجمالي النفط المنتج في العالم ، على الرغم من أن 4.6٪ فقط من سكان العالم يعيشون هنا.
يتوقع الخبراء أن تستمر أسعار النفط في الارتفاع خلال العقود القليلة القادمة مع نضوب المصادر الأرخص ثمناً. شركات النفطيجب أن تتطور حقول النفطفي ظروف متزايدة الصعوبة ، مما أدى إلى ارتفاع أسعار النفط.
تمتد المخاوف إلى أبعد من ذلك بكثير الأمن الاقتصادي. يتم إنفاق الكثير من عائدات بيع النفط على دعم الإرهاب الدولي ، والأحزاب السياسية الراديكالية ، والوضع غير المستقر في المناطق المنتجة للنفط.
ينتج عن استخدام النفط وأنواع الوقود الأحفوري الأخرى للطاقة التلوث. من الأفضل للجميع إيجاد بديل - حرق الوقود الأحفوري للحصول على الطاقة.
خلايا الوقود هي بديل جذاب للاعتماد على الزيت. تنتج خلايا الوقود المياه النظيفة كمنتج ثانوي بدلاً من التلوث. بينما ركز المهندسون مؤقتًا على إنتاج الهيدروجين من مصادر أحفورية مختلفة مثل البنزين أو الغاز الطبيعي ، يتم استكشاف طرق متجددة وصديقة للبيئة لإنتاج الهيدروجين في المستقبل. ستكون العملية الواعدة بالطبع هي الحصول على الهيدروجين من الماء.
الاعتماد على النفط والاحتباس الحراري مشكلة دولية. تشارك العديد من البلدان في تطوير البحث والتطوير لتكنولوجيا خلايا الوقود.
من الواضح أن العلماء والمصنعين لديهم الكثير من العمل قبل أن تصبح خلايا الوقود بديلاً. الأساليب الحديثةإنتاج الطاقة. ومع ذلك ، وبدعم من العالم بأسره والتعاون العالمي ، يمكن لنظام طاقة قابل للحياة يعتمد على خلايا الوقود أن يصبح حقيقة واقعة في غضون عقدين من الزمن.
خلية الوقود ( خلية الوقود) هو جهاز يحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. إنه مشابه من حيث المبدأ للبطارية التقليدية ، ولكنه يختلف من حيث أن تشغيله يتطلب إمدادًا ثابتًا بالمواد من الخارج لحدوث تفاعل كهروكيميائي. يتم توفير الهيدروجين والأكسجين لخلايا الوقود ، والمخرج هو الكهرباء والماء والحرارة. تشمل مزاياها الصداقة البيئية والموثوقية والمتانة وسهولة التشغيل. على عكس البطاريات التقليدية ، يمكن أن تعمل المحولات الكهروكيميائية تقريبًا إلى أجل غير مسمى طالما يتوفر الوقود. لا يلزم شحنها لساعات حتى يتم شحنها بالكامل. علاوة على ذلك ، يمكن للخلايا نفسها شحن البطارية أثناء توقف السيارة والمحرك مغلق.
خلايا وقود غشاء البروتون (PEMFC) وخلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFC) هي الأكثر استخدامًا في مركبات الهيدروجين.
تعمل خلية الوقود بغشاء تبادل البروتون على النحو التالي. يوجد بين الأنود والكاثود غشاء خاص ومحفز مطلي بالبلاتين. يدخل الهيدروجين الأنود ، ويدخل الأكسجين في الكاثود (على سبيل المثال ، من الهواء). في القطب الموجب ، يتحلل الهيدروجين إلى بروتونات وإلكترونات بمساعدة عامل حفاز. تمر بروتونات الهيدروجين عبر الغشاء وتدخل الكاثود ، بينما تُعطى الإلكترونات للدائرة الخارجية (الغشاء لا يسمح لها بالمرور). يؤدي فرق الجهد الناتج عن ذلك إلى ظهور تيار كهربائي. على جانب الكاثود ، تتأكسد بروتونات الهيدروجين بالأكسجين. نتيجة لذلك ، يتم إنتاج بخار الماء ، وهو العنصر الرئيسي لغازات عوادم السيارات. تمتلك خلايا PEM كفاءة عالية ، ولها عيب واحد مهم - فهي تتطلب هيدروجينًا نقيًا لتشغيلها ، والذي يعد تخزينه مشكلة خطيرة إلى حد ما.
إذا تم العثور على مثل هذا المحفز الذي سيحل محل البلاتين باهظ الثمن في هذه الخلايا ، فسيتم على الفور إنشاء خلية وقود رخيصة لتوليد الكهرباء ، مما يعني أن العالم سيتخلص من الاعتماد على النفط.
خلايا الأكسيد الصلب
خلايا SOFC للأكسيد الصلب أقل طلبًا على نقاء الوقود. بالإضافة إلى ذلك ، بفضل استخدام مصلح POX (أكسدة جزئية - أكسدة جزئية) ، يمكن لهذه الخلايا أن تستهلك البنزين العادي كوقود. تتم عملية تحويل البنزين مباشرة إلى كهرباء على النحو التالي. في جهاز خاص - مصلح ، عند درجة حرارة حوالي 800 درجة مئوية ، يتبخر البنزين ويتحلل إلى العناصر المكونة له.
هذا يطلق الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون. علاوة على ذلك ، أيضًا تحت تأثير درجة الحرارة وبمساعدة SOFC مباشرة (تتكون من مسامية مادة السيراميكعلى أساس أكسيد الزركونيوم) ، يتأكسد الهيدروجين بواسطة الأكسجين الموجود في الهواء. بعد الحصول على الهيدروجين من البنزين ، تستمر العملية أكثر وفقًا للسيناريو الموضح أعلاه ، مع اختلاف واحد فقط: خلية وقود SOFC ، على عكس الأجهزة التي تعمل على الهيدروجين ، أقل حساسية للشوائب الغريبة في الوقود الأصلي. لذلك يجب ألا تؤثر جودة البنزين على أداء خلية الوقود.
تعتبر درجة حرارة التشغيل العالية لـ SOFC (650-800 درجة) عيبًا كبيرًا ، وتستغرق عملية الإحماء حوالي 20 دقيقة. ومع ذلك ، فإن الحرارة الزائدة ليست مشكلة ، حيث يتم إزالتها تمامًا بواسطة الهواء المتبقي وغازات العادم التي ينتجها المصلح وخلية الوقود نفسها. يتيح ذلك دمج نظام SOFC في السيارة كجهاز مستقل في مبيت معزول حراريًا.
يسمح لك الهيكل المعياري بتحقيق الجهد المطلوب بواسطة اتصال تسلسليمجموعة من الخلايا القياسية. وربما الأهم من ذلك ، من وجهة نظر إدخال مثل هذه الأجهزة ، أنه لا توجد أقطاب كهربائية باهظة الثمن تعتمد على البلاتين في SOFC. إن التكلفة العالية لهذه العناصر هي إحدى العقبات في تطوير ونشر تقنية PEMFC.
أنواع خلايا الوقود
حاليًا ، هناك أنواع من خلايا الوقود:
- ايه اف سي- خلية الوقود القلوية (خلية وقود قلوية) ؛
- PAFC- خلية وقود حامض الفوسفوريك (خلية وقود حامض الفوسفوريك) ؛
- بيمفك- خلية وقود غشاء التبادل البروتوني (خلية وقود مع غشاء تبادل البروتون) ؛
- DMFC- خلية وقود الميثانول المباشرة (خلية وقود مع تحلل الميثانول المباشر) ؛
- MCFC- خلية وقود الكربونات المنصهرة (خلية وقود من الكربونات المنصهرة) ؛
- SOFC- خلية الوقود المؤكسدة الصلبة (خلية وقود الأكسيد الصلب).
كان السير ويليام جروف يعرف الكثير عن التحليل الكهربائي ، لذلك افترض أنه من خلال هذه العملية (التي تقسم الماء إلى مكونه من الهيدروجين والأكسجين عن طريق توصيل الكهرباء من خلاله) يمكنه أن ينتج إذا تم عكسه. بعد الحساب على الورق ، ذهب إلى المرحلة التجريبية وتمكن من إثبات أفكاره. تم تطوير الفرضية المثبتة من قبل العلماء لودفيج موند ومساعده تشارلز لانجر ، وقاموا بتحسين التكنولوجيا وفي عام 1889 أعطوها اسمًا يتضمن كلمتين - "خلية الوقود".
الآن أصبحت هذه العبارة راسخة في الحياة اليومية لسائقي السيارات. لقد سمعت بالتأكيد مصطلح "خلية الوقود" أكثر من مرة. في الأخبار على الإنترنت ، على التلفزيون ، تومض الكلمات الجديدة بشكل متزايد. يشيرون عادةً إلى قصص حول أحدث المركبات الهجينة أو برامج التطوير لهذه المركبات الهجينة.
على سبيل المثال ، قبل 11 عامًا ، تم إطلاق برنامج "مبادرة وقود الهيدروجين" في الولايات المتحدة الأمريكية. ركز البرنامج على تطوير خلايا وقود الهيدروجين وتقنيات البنية التحتية اللازمة لجعل مركبات خلايا الوقود عملية ومجدية اقتصاديًا بحلول عام 2020. بالمناسبة ، خلال هذا الوقت تم تخصيص أكثر من مليار دولار للبرنامج ، مما يشير إلى رهان جدي قامت به السلطات الأمريكية.
على الجانب الآخر من المحيط ، كان مصنعو السيارات أيضًا في حالة تأهب ، حيث بدأوا أو يواصلوا أبحاثهم على سيارات خلايا الوقود. ، بل واستمر في العمل على بناء تقنية خلايا وقود قوية.
تم تحقيق أكبر نجاح في هذا المجال بين جميع شركات صناعة السيارات العالمية من قبل اثنين من صانعي السيارات اليابانيين ، و. نماذج خلايا الوقود الخاصة بهم في إنتاج كامل بالفعل ، في حين أن منافسيهم يقفون خلفهم مباشرة.
لذلك ، فإن خلايا الوقود في صناعة السيارات موجودة لتبقى. ضع في اعتبارك مبادئ التكنولوجيا وتطبيقاتها في السيارات الحديثة.
مبدأ تشغيل خلية الوقود
في الواقع، . من الناحية الفنية ، يمكن تعريف خلية الوقود على أنها جهاز كهروكيميائي لتحويل الطاقة. يحول جزيئات الهيدروجين والأكسجين إلى ماء ، ينتج الكهرباء ، التيار المباشر ، في هذه العملية.
هناك أنواع عديدة من خلايا الوقود ، بعضها مستخدم بالفعل في السيارات ، والبعض الآخر يتم اختباره في البحث. يستخدم معظمهم الهيدروجين والأكسجين كعناصر كيميائية رئيسية ضرورية للتحويل.
يحدث إجراء مماثل في بطارية تقليدية ، والفرق الوحيد هو أنها تحتوي بالفعل على جميع المواد الكيميائية اللازمة للتحويل "على متنها" ، بينما يمكن "شحن" خلية الوقود من مصدر خارجي ، بسبب عملية " قد يستمر إنتاج "الكهرباء. بالإضافة إلى بخار الماء والكهرباء ، هناك منتج ثانوي آخر للإجراء هو الحرارة المتولدة.
تحتوي خلية وقود الهيدروجين والأكسجين بغشاء تبادل البروتون على غشاء بوليمر موصل للبروتون يفصل بين قطبين ، أنود وكاثود. عادة ما يكون كل قطب كربون صفيحة كربون (مصفوفة) مع محفز مترسب - بلاتين أو سبيكة من البلاتينويد ، والتركيبات الأخرى.
على محفز الأنود ، ينفصل الهيدروجين الجزيئي ويفقد الإلكترونات. يتم توصيل الكاتيونات الهيدروجينية من خلال الغشاء إلى الكاثود ، ولكن تُعطى الإلكترونات للدائرة الخارجية ، لأن الغشاء لا يسمح بمرور الإلكترونات.
في محفز الكاثود ، يتحد جزيء الأكسجين مع إلكترون (يتم توفيره من الاتصالات الخارجية) وبروتون وارد ويشكل الماء ، وهو منتج التفاعل الوحيد (في شكل بخار و / أو سائل).
wikipedia.org
التطبيق في السيارات
من بين جميع أنواع خلايا الوقود ، أصبحت خلايا الوقود القائمة على أغشية تبادل البروتون أو ، كما يطلق عليها في الغرب ، خلية وقود غشاء تبادل البوليمر (PEMFC) ، أفضل مرشح للاستخدام في المركبات. الأسباب الرئيسية لذلك هي كثافة الطاقة العالية ودرجة حرارة التشغيل المنخفضة نسبيًا ، وهذا بدوره يعني أنه لا يستغرق الكثير من الوقت لتشغيل خلايا الوقود. سوف يسخنون بسرعة ويبدأون في إنتاج الكمية المطلوبة من الكهرباء. كما أنه يستخدم واحدًا من أبسط ردود الفعل لجميع أنواع خلايا الوقود.
تم تصنيع السيارة الأولى بهذه التكنولوجيا في عام 1994 عندما قدمت مرسيدس بنز MB100 بناءً على NECAR1 (السيارة الكهربائية الجديدة 1). بصرف النظر عن خرج الطاقة المنخفض (50 كيلوواط فقط) ، كان أكبر عيب في هذا المفهوم هو أن خلية الوقود احتلت الحجم الكامل لحاوية شحن الشاحنة.
أيضًا ، من وجهة نظر السلامة السلبية ، كانت فكرة رهيبة للإنتاج بالجملة ، نظرًا للحاجة إلى تركيب خزان ضخم مليء بالهيدروجين المضغوط القابل للاشتعال على متنه.
على مدى العقد التالي ، تطورت التكنولوجيا وأصبح أحد أحدث مفاهيم خلايا الوقود من مرسيدس بقوة 115 حصانًا. (85 كيلوواط) ومدى حوالي 400 كيلو متر قبل التزود بالوقود. بالطبع ، لم يكن الألمان الرواد الوحيدين في تطوير خلايا الوقود في المستقبل. لا تنسى اليابانيتين تويوتا و. كانت شركة هوندا واحدة من أكبر لاعبي السيارات ، حيث قدمت سيارة إنتاج بها محطة توليد الكهرباءعلى خلايا وقود الهيدروجين. بدأت مبيعات التأجير لـ FCX Clarity في الولايات المتحدة في صيف عام 2008 ؛ وبعد ذلك بقليل ، انتقل بيع السيارة إلى اليابان. 
وذهبت تويوتا إلى أبعد من ذلك مع Mirai ، التي يبدو أن نظام خلايا وقود الهيدروجين المتطور لديها قادر على منح السيارة المستقبلية مسافة 520 كيلومترًا على خزان واحد يمكن إعادة التزود به بالوقود في أقل من خمس دقائق ، تمامًا مثل الخزان التقليدي. أرقام استهلاك الوقود ستذهل أي متشكك ، فهي لا تصدق حتى بالنسبة للسيارة التي بها محطة طاقة كلاسيكية ، فهي تستهلك 3.5 لتر بغض النظر عما إذا كانت السيارة مستخدمة في المدينة أو على الطريق السريع أو في الدورة المركبة.
مرت ثماني سنوات. هوندا وضع ذلك الوقت في الاستخدام الجيد. الجيل الثاني من هوندا FCX Clarity معروض للبيع الآن. مداخن خلايا الوقود الخاصة بها أكثر إحكاما بنسبة 33٪ من الطراز الأول ، مع زيادة كثافة الطاقة بنسبة 60٪. تقول هوندا إن خلية الوقود ومجموعة نقل الحركة المدمجة في خلية الوقود Clarity قابلة للمقارنة في الحجم مع محرك V6 ، مما يترك مساحة داخلية كافية لخمسة ركاب وأمتعتهم.
المدى المقدر هو 500 كم ، ويجب أن يكون السعر المبدئي للعناصر الجديدة ثابتًا عند 60.000 دولار. مكلفة؟ على العكس من ذلك ، فهي رخيصة جدًا. في أوائل عام 2000 ، بلغت تكلفة السيارات المزودة بهذه التقنيات 100000 دولار.
