إدخال التقنيات المستدامة: خلايا الوقود. خلايا الوقود

فوائد خلايا / خلايا الوقود

خلية الوقود/ خلية هو جهاز يولد بكفاءة تيارًا مباشرًا وحرارة من وقود غني بالهيدروجين من خلال تفاعل كهروكيميائي.

تشبه خلية الوقود البطارية من حيث أنها تولد تيارًا مباشرًا من خلال تفاعل كيميائي. تشتمل خلية الوقود على أنود وكاثود وإلكتروليت. ومع ذلك ، على عكس البطاريات ، لا يمكن تخزين خلايا / خلايا الوقود طاقة كهربائيةلا تفريغ ولا تحتاج للكهرباء لإعادة الشحن. يمكن لخلايا / خلايا الوقود أن تولد الكهرباء باستمرار طالما أنها مزودة بالوقود والهواء.

على عكس مولدات الطاقة الأخرى مثل المحركات الاحتراق الداخليأو التوربينات التي تعمل بالغاز والفحم والنفط وما إلى ذلك ، لا تحرق خلايا / خلايا الوقود الوقود. هذا يعني عدم وجود دوارات صاخبة عالية الضغط ، ولا ضوضاء عادم عالية ، ولا اهتزاز. تولد خلايا / خلايا الوقود الكهرباء من خلال تفاعل كهروكيميائي صامت. ميزة أخرى لخلايا / خلايا الوقود هي أنها تحول الطاقة الكيميائية للوقود مباشرة إلى كهرباء وحرارة وماء.

تتميز خلايا الوقود بكفاءة عالية ولا تنتج كميات كبيرة من غازات الدفيئة مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان وأكسيد النيتروز. المنتجات الوحيدة المنبعثة أثناء التشغيل هي الماء على شكل بخار وكمية صغيرة من ثاني أكسيد الكربون ، والتي لا تنبعث على الإطلاق إذا تم استخدام الهيدروجين النقي كوقود. يتم تجميع خلايا / خلايا الوقود في مجموعات ثم في وحدات وظيفية فردية.

تاريخ خلية الوقود / تطور الخلية

في الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي ، نشأ أحد أكبر التحديات التي تواجه خلايا الوقود من حاجة إدارة الطيران والفضاء الأمريكية (ناسا) لمصادر الطاقة للمهام الفضائية طويلة الأمد. تستخدم خلية / خلية الوقود القلوية التابعة لناسا الهيدروجين والأكسجين كوقود ، وتجمع بين الاثنين في تفاعل كهروكيميائي. الناتج هو ثلاثة نواتج ثانوية للتفاعل مفيد في رحلات الفضاء - الكهرباء لتشغيل المركبة الفضائية ، والمياه لأنظمة الشرب والتبريد ، والحرارة لإبقاء رواد الفضاء دافئين.

يعود اكتشاف خلايا الوقود إلى بداية القرن التاسع عشر. تم الحصول على أول دليل على تأثير خلايا الوقود في عام 1838.

في أواخر الثلاثينيات من القرن الماضي ، بدأ العمل على خلايا الوقود القلوية ، وبحلول عام 1939 تم بناء خلية تستخدم أقطابًا كهربائية عالية الضغط مطلية بالنيكل. خلال الحرب العالمية الثانية ، تم تطوير خلايا / خلايا الوقود لغواصات البحرية البريطانية وفي عام 1958 تم إدخال مجموعة وقود تتكون من خلايا / خلايا وقود قلوية قطرها يزيد قليلاً عن 25 سم.

زاد الاهتمام في الخمسينيات والستينيات ، وكذلك في الثمانينيات ، عندما العالم الصناعيعانوا من نقص الوقود البترولي. في نفس الفترة ، أصبحت دول العالم أيضًا قلقة بشأن مشكلة تلوث الهواء ودراسة طرق لتوليد الكهرباء الصديقة للبيئة. في الوقت الحاضر ، تخضع تقنية خلايا / خلايا الوقود لتطور سريع.

كيف تعمل خلايا الوقود

تولد خلايا / خلايا الوقود الكهرباء والحرارة من خلال تفاعل كهروكيميائي مستمر باستخدام إلكتروليت وكاثود وأنود.

يتم فصل القطب الموجب والكاثود بواسطة إلكتروليت ينقل البروتونات. بعد أن يدخل الهيدروجين في القطب الموجب ويدخل الأكسجين في الكاثود ، يبدأ تفاعل كيميائي ينتج عنه تيار كهربائي وحرارة وماء.

على محفز الأنود ، ينفصل الهيدروجين الجزيئي ويفقد الإلكترونات. يتم توصيل أيونات الهيدروجين (البروتونات) عبر الإلكتروليت إلى القطب السالب ، بينما يتم تمرير الإلكترونات عبر الإلكتروليت وعبر دائرة كهربائية خارجية ، مما ينتج عنه تيار مباشر يمكن استخدامه لتشغيل المعدات. في محفز الكاثود ، يتحد جزيء الأكسجين مع الإلكترون (الذي يتم توفيره من الاتصالات الخارجية) والبروتون الوارد ، ويشكل الماء ، وهو منتج التفاعل الوحيد (في شكل بخار و / أو سائل).

يوجد أدناه رد الفعل المقابل:

تفاعل الأنود: 2H 2 => 4H + 4e -
رد فعل عند الكاثود: O 2 + 4H + 4e - => 2H 2 O
تفاعل العنصر العام: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

أنواع وأنواع خلايا / خلايا الوقود

مثلما توجد أنواع مختلفة من محركات الاحتراق الداخلي ، هناك أنواع مختلفة من خلايا الوقود - الاختيار نوع مناسبتعتمد خلية الوقود على تطبيقه.

تنقسم خلايا الوقود إلى درجة حرارة عالية ودرجة حرارة منخفضة. تتطلب خلايا الوقود ذات درجة الحرارة المنخفضة هيدروجينًا نقيًا 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. لا تحتاج خلايا الوقود ذات درجة الحرارة المرتفعة إلى هذا الإجراء الإضافي ، حيث يمكنها "تحويل الوقود داخليًا" عند درجات حرارة مرتفعة ، مما يعني أنه لا توجد حاجة للاستثمار في البنية التحتية للهيدروجين.

خلايا / 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.

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 وتحقيقها درجة عاليةتنقل الأيونات في المنحل بالكهرباء ، تعمل خلايا الوقود مع المنحل بالكهرباء المصهور 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 القطب الموجب 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 / 2O 2 + 2e - => CO 3 2-
تفاعل العنصر العام: H 2 (g) + 1 / 2O 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 لمختلف التطبيقات الصناعية والتجارية.

درجات حرارة التفاعل العالية في المنحل بالكهرباء لها مزاياها أيضًا. يستغرق استخدام 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. درجات الحرارة المرتفعة تمنع تلف خلية الوقود عن طريق أول أكسيد الكربون.

خلايا وقود الكربونات المنصهرة مناسبة للاستخدام في المنشآت الثابتة الكبيرة. يتم إنتاج محطات توليد الطاقة الحرارية التي تبلغ طاقتها الكهربائية 3.0 ميغاواط صناعيًا. يجري تطوير محطات بقدرة إنتاج تصل إلى 110 ميغاواط.

خلايا الوقود / الخلايا القائمة على حمض الفوسفوريك (PFC)

كانت خلايا الوقود القائمة على حامض الفوسفوريك (orthophosphoric) هي خلايا الوقود الأولى للاستخدام التجاري.

تستخدم خلايا الوقود القائمة على حمض الفوسفوريك (orthophosphoric) إلكتروليتًا 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 ، حيث ينقسم الهيدروجين المزود إلى القطب الموجب إلى بروتونات وإلكترونات. تمر البروتونات عبر المنحل بالكهرباء 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 2 H 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 ، ويعمل هذا النوع من الخلايا مع الوقود الطبيعي المعدل. تصميم بسيطومن مزايا هذا النوع من خلايا الوقود أيضًا انخفاض تقلب الإلكتروليت وزيادة الاستقرار.

يتم إنتاج محطات توليد الطاقة الحرارية التي تنتج طاقة كهربائية تصل إلى 500 كيلوواط صناعيًا. اجتازت منشآت 11 ميغاواط الاختبارات ذات الصلة. يجري تطوير محطات بقدرة إنتاج تصل إلى 100 ميغاواط.

خلايا / 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 لأيونات الأكسجين (O 2-).

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 - \ u003d \ u003e 2O 2-
تفاعل العنصر العام: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

تعد كفاءة الطاقة الكهربائية المتولدة هي الأعلى بين جميع خلايا الوقود - حوالي 60-70٪. تسمح درجات حرارة التشغيل العالية 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 75٪.

تعمل خلايا وقود الأكسيد الصلب في درجات حرارة عالية جدًا (600 درجة مئوية إلى 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 / الخلايا ذات أكسدة الميثانول المباشرة (DOMTE)

إن تقنية استخدام خلايا الوقود مع الأكسدة المباشرة للميثانول تمر بفترة من التطور النشط. لقد نجحت في ترسيخ مكانتها في مجال تشغيل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة ، وكذلك لإنشاء مصادر طاقة محمولة. 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 ، مما يؤدي إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون وأيونات الهيدروجين والإلكترونات ، والتي يتم توجيهها من خلال دائرة كهربائية خارجية ، ويتم توليد 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 / 2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
تفاعل العنصر العام: CH 3 OH + 3 / 2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

ميزة هذا النوع من خلايا الوقود هي صغر حجمها ، نتيجة استخدام الوقود السائل ، وعدم الحاجة إلى استخدام المحول.

خلايا / خلايا الوقود القلوية (AFC)

تعد خلايا الوقود القلوية من أكثر العناصر كفاءة المستخدمة 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 - => 4 OH -
رد الفعل العام للنظام: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

تكمن ميزة مركبات الكربون الكلورية فلورية في أن خلايا الوقود هذه هي الأرخص إنتاجًا ، لأن المحفز المطلوب على الأقطاب الكهربائية يمكن أن يكون أيًا من المواد الأرخص من تلك المستخدمة كمحفزات لخلايا الوقود الأخرى. تعمل SCFCs في درجات 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 CH4 ، والتي تعتبر آمنة لخلايا الوقود الأخرى وحتى الوقود لبعضها ، ضارة بـ SFCs.

خلايا / 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 / خلايا الوقود الحمضية الصلبة (SCFC)

في خلايا الوقود الحمضية الصلبة ، لا يحتوي المنحل بالكهرباء (CsHSO 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 تسخينها ، 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.

وحدات خلايا وقود مختلفة. بطارية خلايا الوقود

1. بطارية خلايا الوقود
2. معدات أخرى ذات درجة حرارة عالية (مولد بخار متكامل ، غرفة احتراق ، مغير توازن الحرارة)
3. العزل المقاوم للحرارة

وحدة خلية الوقود

تحليل مقارن لأنواع وأنواع خلايا الوقود

عادةً ما يتم بناء محطات الطاقة والتدفئة البلدية المبتكرة الموفرة للطاقة على خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFCs) وخلايا وقود الإلكتروليت البوليمر (PEFCs) وخلايا وقود حمض الفوسفوريك (PCFCs) وخلايا وقود غشاء تبادل البروتون (MPFCs) وخلايا الوقود القلوية ( APFCs). عادة ما يكون لديهم الخصائص التالية:

يجب التعرف على خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFC) على أنها الأكثر ملاءمة ، والتي:

• تعمل عند درجة حرارة أعلى ، مما يقلل من الحاجة إلى المعادن الثمينة باهظة الثمن (مثل البلاتين)
• يمكن أن تعمل على أنواع مختلفة من الوقود الهيدروكربوني ، وخاصة الغاز الطبيعي
• لديك المزيد من الوقتالبدء وبالتالي فهي مناسبة بشكل أفضل على المدى الطويل
• إظهار الكفاءة العالية لتوليد الطاقة (تصل إلى 70٪)
• نظرًا لارتفاع درجات حرارة التشغيل ، يمكن دمج الوحدات مع أنظمة استرداد الحرارة ، وبذلك تصل كفاءة النظام الإجمالية إلى 85٪
• لها انبعاثات قريبة من الصفر ، وتعمل بصمت ولها متطلبات تشغيل منخفضة مقارنة بتقنيات توليد الطاقة الحالية

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	محمول
SHTE	50 - 200 درجة مئوية	40-70%	هيدروجين نقي	أبحاث الفضاء
بيت	30-100 درجة مئوية	35-50%	هيدروجين نقي	المنشآت الصغيرة

نظرًا لأنه يمكن توصيل محطات الطاقة الحرارية الصغيرة بشبكة إمداد الغاز التقليدية ، فإن خلايا الوقود لا تتطلب نظام إمداد هيدروجين منفصل. عند استخدام محطات طاقة حرارية صغيرة تعتمد على خلايا وقود الأكسيد الصلب ، يمكن دمج الحرارة المتولدة في المبادلات الحرارية لتسخين المياه وتهوية الهواء ، مما يزيد من الكفاءة الكلية للنظام. هذه التكنولوجيا المبتكرةالأنسب لتوليد الطاقة بكفاءة دون الحاجة إلى بنية تحتية باهظة الثمن وتكامل معقد للأجهزة.

تطبيقات خلايا / خلايا الوقود

استخدام خلايا الوقود / الخلايا في أنظمة الاتصالات

مع الانتشار السريع لأنظمة الاتصالات اللاسلكية حول العالم ، فضلاً عن الفوائد الاجتماعية والاقتصادية المتزايدة لتكنولوجيا الهاتف المحمول ، أصبحت الحاجة إلى طاقة احتياطية موثوقة وفعالة من حيث التكلفة أمرًا بالغ الأهمية. تشكل خسائر الشبكة على مدار العام بسبب سوء الأحوال الجوية أو الكوارث الطبيعية أو محدودية سعة الشبكة تحديًا دائمًا لمشغلي الشبكة.

تشمل حلول النسخ الاحتياطي التقليدية لطاقة الاتصالات البطاريات (خلية بطارية الرصاص الحمضية المنظمة بالصمام) للطاقة الاحتياطية قصيرة الأجل ومولدات الديزل والبروبان للحصول على طاقة احتياطية أطول. تعد البطاريات مصدرًا رخيصًا نسبيًا للطاقة الاحتياطية لمدة ساعة إلى ساعتين. ومع ذلك ، فإن البطاريات ليست مناسبة لفترات احتياطية أطول لأن صيانتها باهظة الثمن ، وتصبح غير موثوقة بعد فترات طويلة من الاستخدام ، وحساسة لدرجات الحرارة ، وخطرة على الحياة. بيئةبعد التخلص منها. يمكن لمولدات الديزل والبروبان توفير طاقة احتياطية مستمرة. ومع ذلك ، يمكن أن تكون المولدات غير موثوقة ، وتتطلب صيانة مكثفة ، وتطلق مستويات عالية من الملوثات وغازات الاحتباس الحراري في الغلاف الجوي.

من أجل القضاء على قيود حلول الطاقة الاحتياطية التقليدية ، تم تطوير تقنية مبتكرة لخلايا الوقود الخضراء. تتميز خلايا الوقود بأنها موثوقة وهادئة وتحتوي على أجزاء متحركة أقل من المولد ، ولها نطاق درجة حرارة تشغيل أوسع من البطارية من -40 درجة مئوية إلى +50 درجة مئوية ، ونتيجة لذلك ، توفر مستويات عالية للغاية من توفير الطاقة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تكلفة عمر هذا المصنع أقل من تكلفة المولد. ينتج انخفاض تكاليف خلايا الوقود عن زيارة صيانة واحدة فقط سنويًا وزيادة إنتاجية المصنع بشكل ملحوظ. بعد كل شيء ، خلية الوقود صديقة للبيئة حل تكنولوجيبأقل تأثير على البيئة.

توفر وحدات خلايا الوقود طاقة احتياطية للبنى التحتية الأساسية لشبكات الاتصالات اللاسلكية والدائمة و موجة عريضةفي نظام الاتصالات السلكية واللاسلكية ، والتي تتراوح من 250W إلى 15kW ، فإنها توفر العديد من الميزات المبتكرة التي لا تضاهى:

• الموثوقية- أجزاء متحركة قليلة ولا يوجد تفريغ احتياطي
• توفير الطاقة
• الصمت- مستوى ضوضاء منخفض
• المزيد- نطاق التشغيل من -40 درجة مئوية إلى +50 درجة مئوية
• القدرة على التكيف- تركيب خارجي وداخلي (حاوية / حاوية واقية)
• قوة عالية- ما يصل إلى 15 كيلو واط
• تحتاج إلى صيانة منخفضة- الحد الأدنى من الصيانة السنوية
• اقتصاد- التكلفة الإجمالية الجذابة للملكية
• الطاقة النظيفة- انبعاثات منخفضة مع الحد الأدنى من التأثير البيئي

يستشعر النظام جهد ناقل التيار المستمر طوال الوقت ويقبل بسلاسة الأحمال الحرجة إذا انخفض جهد ناقل التيار المستمر عن نقطة ضبط يحددها المستخدم. يعمل النظام على الهيدروجين ، الذي يدخل كومة خلايا الوقود بإحدى طريقتين - إما من مصدر تجاري للهيدروجين ، أو من وقود سائل من الميثانول والماء ، باستخدام نظام إصلاح داخلي.

يتم إنتاج الكهرباء بواسطة مكدس خلايا الوقود في شكل تيار مباشر. يتم إرسال طاقة التيار المستمر إلى محول يقوم بتحويل طاقة التيار المستمر غير المنظمة من مكدس خلايا الوقود إلى طاقة تيار مستمر منظمة عالية الجودة للأحمال المطلوبة. يمكن أن يوفر تركيب خلية الوقود طاقة احتياطية لعدة أيام ، حيث أن المدة محدودة فقط بكمية الهيدروجين أو الميثانول / وقود الماء المتاح في المخزون.

توفر خلايا الوقود كفاءة طاقة فائقة ، وموثوقية متزايدة للنظام ، وأداء أكثر قابلية للتنبؤ في مجموعة واسعة من المناخات ، وعمر خدمة موثوق به مقارنة بحزم بطاريات الرصاص الحمضية التي تنظمها الصمامات القياسية في الصناعة. كما أن تكاليف دورة الحياة أقل بسبب متطلبات الصيانة والاستبدال الأقل بشكل ملحوظ. توفر خلايا الوقود فوائد بيئية للمستخدم النهائي حيث أن تكاليف التخلص ومخاطر المسؤولية المرتبطة بخلايا حمض الرصاص تشكل مصدر قلق متزايد.

يمكن أن يتأثر أداء البطاريات الكهربائية سلبًا بمجموعة واسعة من العوامل مثل مستوى الشحن ودرجة الحرارة والدورات والعمر والمتغيرات الأخرى. ستختلف الطاقة المقدمة اعتمادًا على هذه العوامل وليس من السهل التنبؤ بها. لا يتأثر أداء خلية وقود غشاء تبادل البروتون (PEMFC) نسبيًا بهذه العوامل ويمكن أن توفر طاقة حرجة طالما يتوفر الوقود. تعد زيادة القدرة على التنبؤ ميزة مهمة عند الانتقال إلى خلايا الوقود لتطبيقات الطاقة الاحتياطية ذات المهام الحرجة.

تولد خلايا الوقود الطاقة فقط عندما يتم توفير الوقود ، مثل مولد التوربينات الغازية ، ولكن لا تحتوي على أجزاء متحركة في منطقة التوليد. لذلك ، على عكس المولد ، فهي لا تخضع للتآكل السريع ولا تتطلب صيانة وتزييتًا مستمرين.

الوقود المستخدم لتشغيل محول الوقود ذو المدة الممتدة هو خليط من الميثانول والماء. الميثانول هو وقود منتَج تجاريًا متوفرًا على نطاق واسع وله حاليًا العديد من التطبيقات ، بما في ذلك غسالات الزجاج الأمامي ، زجاجات بلاستيكية، إضافات المحرك ، دهانات المستحلب. الميثانول سهل النقل ، وامتزاج بالماء ، وقابلية جيدة للتحلل الحيوي وخالي من الكبريت. لديها نقطة تجمد منخفضة (-71 درجة مئوية) ولا تتحلل أثناء التخزين الطويل.

تطبيق خلايا الوقود في شبكات الاتصال

تتطلب شبكات الأمان حلول طاقة احتياطية موثوقة يمكن أن تستمر لساعات أو أيام في حالة الطوارئ إذا أصبحت شبكة الطاقة غير متوفرة.

توفر تقنية خلايا الوقود المبتكرة حلاً جذابًا مقارنةً بأنظمة الطاقة الاحتياطية المتوفرة حاليًا ، مع وجود أجزاء متحركة قليلة وعدم وجود تقليل للطاقة الاحتياطية.

السبب الأكثر إقناعًا لاستخدام تقنية خلايا الوقود في شبكات الاتصالات هو زيادة الموثوقية والأمان بشكل عام. أثناء أحداث مثل انقطاع التيار الكهربائي والزلازل والعواصف والأعاصير ، من المهم أن تستمر الأنظمة في العمل وأن يكون لديها مصدر طاقة احتياطي موثوق لفترة طويلة من الوقت ، بغض النظر عن درجة حرارة أو عمر نظام الطاقة الاحتياطية.

تعد مجموعة مصادر طاقة خلايا الوقود مثالية لدعم شبكات الاتصالات الآمنة. بفضل مبادئ تصميم توفير الطاقة ، فإنها توفر طاقة احتياطية صديقة للبيئة وموثوقة مع مدة طويلة (تصل إلى عدة أيام) للاستخدام في نطاق الطاقة من 250 واط إلى 15 كيلو واط.

تطبيق خلايا الوقود / الخلايا في شبكات البيانات

يُعد مصدر الطاقة الموثوق لشبكات البيانات ، مثل شبكات البيانات عالية السرعة والألياف الضوئية الأساسية ، ذا أهمية رئيسية في جميع أنحاء العالم. تحتوي المعلومات المنقولة عبر هذه الشبكات على بيانات مهمة للمؤسسات مثل البنوك وشركات الطيران أو المراكز الطبية. انقطاع التيار الكهربائي في مثل هذه الشبكات لا يشكل فقط خطرا على المعلومات المنقولة، ولكن أيضًا ، كقاعدة عامة ، يؤدي إلى خسائر مالية كبيرة. توفر تركيبات خلايا الوقود الموثوقة والمبتكرة التي توفر طاقة احتياطية الموثوقية التي تحتاجها لضمان عدم انقطاع الطاقة.

توفر وحدات خلايا الوقود التي تعمل على خليط وقود سائل من الميثانول والماء مصدر طاقة احتياطي موثوق به مع مدة طويلة تصل إلى عدة أيام. بالإضافة إلى ذلك ، تتميز هذه الوحدات بمتطلبات صيانة منخفضة بشكل كبير مقارنة بالمولدات والبطاريات ، وتتطلب زيارة صيانة واحدة فقط في السنة.

خصائص التطبيق النموذجية لاستخدام تركيبات خلايا الوقود في شبكات البيانات:

• التطبيقات ذات مدخلات الطاقة من 100 واط إلى 15 كيلو واط
• التطبيقات مع متطلبات عمر البطارية> 4 ساعات
• أجهزة إعادة الإرسال في أنظمة الألياف الضوئية (التسلسل الهرمي للأنظمة الرقمية المتزامنة ، والإنترنت عالي السرعة ، والصوت عبر IP ...)
• عقد الشبكة لنقل البيانات عالية السرعة
• عقد نقل WiMAX

توفر التركيبات الاحتياطية لخلية الوقود مزايا عديدة للبنى التحتية الحيوية لشبكة البيانات مقارنة بمولدات البطاريات أو الديزل التقليدية ، مما يسمح بزيادة الاستخدام في الموقع:

1. تحل تقنية الوقود السائل مشكلة تخزين الهيدروجين وتوفر طاقة احتياطية غير محدودة تقريبًا.
2. نظرًا لتشغيلها الهادئ ، ووزنها الخفيف ، ومقاومتها لدرجات الحرارة القصوى والتشغيل الخالي من الاهتزازات تقريبًا ، يمكن تركيب خلايا الوقود في الهواء الطلق ، في المباني / الحاويات الصناعية أو على أسطح المنازل.
3. الاستعدادات في الموقع لاستخدام النظام سريعة واقتصادية ، وتكلفة التشغيل منخفضة.
4. الوقود قابل للتحلل البيولوجي ويمثل حلاً صديقًا للبيئة للبيئة الحضرية.

تطبيق خلايا الوقود / الخلايا في أنظمة الأمن

أكثر أنظمة الاتصالات وأمن المباني المصممة بعناية لا يمكن الاعتماد عليها إلا بقدر القوة التي تمدها بالطاقة. في حين أن معظم الأنظمة تتضمن نوعًا من أنظمة الطاقة الاحتياطية غير المنقطعة لفقدان الطاقة على المدى القصير ، إلا أنها لا توفر انقطاع التيار الكهربائي الأطول الذي يمكن أن يحدث بعد الكوارث الطبيعية أو الهجمات الإرهابية. قد تكون هذه قضية حاسمة للعديد من الشركات والوكالات الحكومية.

الأنظمة الحيوية مثل أنظمة المراقبة والتحكم في الدخول (أجهزة قراءة بطاقات الهوية ، وأجهزة إغلاق الأبواب ، وتكنولوجيا تحديد الهوية ، وما إلى ذلك) ، وإنذار الحريق الأوتوماتيكي وأنظمة إطفاء الحرائق ، وأنظمة التحكم في المصاعد وشبكات الاتصالات ، معرضة للخطر في حالة عدم وجود مصدر بديل موثوق به لإمدادات الطاقة المستمرة.

مولدات الديزل صاخبة ، ويصعب تحديد موقعها ، ومعروفة جيدًا بموثوقيتها و اعمال صيانة. وعلى النقيض من ذلك ، فإن التركيب الاحتياطي لخلية الوقود هادئ وموثوق ولا يصدر عنه أي انبعاثات أو انبعاثات منخفضة للغاية ويسهل تثبيته على سطح المبنى أو خارجه. لا يتم تفريغ أو فقدان الطاقة في وضع الاستعداد. يضمن استمرار تشغيل الأنظمة الحيوية ، حتى بعد توقف المؤسسة عن العمل وهجر الناس المبنى.

تحمي تركيبات خلايا الوقود المبتكرة الاستثمارات باهظة الثمن في التطبيقات الهامة. إنها توفر طاقة احتياطية صديقة للبيئة وموثوقة مع مدة ممتدة (تصل إلى عدة أيام) للاستخدام في نطاق الطاقة من 250 واط إلى 15 كيلو واط ، جنبًا إلى جنب مع العديد من الميزات غير المسبوقة ، وعلى وجه الخصوص ، مستوى عالٍ من توفير الطاقة.

توفر وحدات الطاقة الاحتياطية لخلية الوقود مزايا عديدة لتطبيقات المهام الحرجة مثل أنظمة الأمن وإدارة المباني على مولدات البطاريات أو الديزل التقليدية. تحل تقنية الوقود السائل مشكلة تخزين الهيدروجين وتوفر طاقة احتياطية غير محدودة تقريبًا.

استخدام خلايا / خلايا الوقود في التدفئة المنزلية وتوليد الطاقة

تُستخدم خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFCs) لبناء محطات طاقة حرارية موثوقة وموفرة للطاقة وخالية من الانبعاثات لتوليد الكهرباء والحرارة من مصادر الغاز الطبيعي والوقود المتجدد المتاحة على نطاق واسع. تُستخدم هذه الوحدات المبتكرة في مجموعة متنوعة من الأسواق ، من توليد الطاقة المحلية إلى إمدادات الطاقة إلى المناطق النائية ، فضلاً عن مصادر الطاقة الإضافية.

تطبيق خلايا الوقود في شبكات التوزيع

تم تصميم محطات الطاقة الحرارية الصغيرة للعمل في شبكة توليد طاقة موزعة تتكون من عدد كبير من مجموعات المولدات الصغيرة بدلاً من محطة طاقة مركزية واحدة.

يوضح الشكل أدناه الخسارة في كفاءة توليد الطاقة عندما يتم توليدها في محطة CHP ونقلها إلى المنازل من خلال شبكات النقل التقليدية المستخدمة في هذه اللحظة. تشمل خسائر الكفاءة في توليد المناطق الخسائر من محطة الطاقة ، ونقل الجهد المنخفض والعالي ، وخسائر التوزيع.

يوضح الشكل نتائج دمج محطات الطاقة الحرارية الصغيرة: يتم توليد الكهرباء بكفاءة توليد تصل إلى 60٪ عند نقطة الاستخدام. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للأسرة استخدام الحرارة المتولدة من خلايا الوقود لتسخين المياه والأماكن ، مما يزيد من الكفاءة الكلية لمعالجة طاقة الوقود ويحسن توفير الطاقة.

استخدام خلايا الوقود لحماية البيئة - استخدام الغازات البترولية المصاحبة

من أهم المهام في صناعة النفط استخدام الغاز البترولي المصاحب. الأساليب الحالية لاستخدام الغاز البترولي المصاحب لها الكثير من العيوب ، أهمها أنها غير مجدية اقتصاديًا. يتم حرق الغاز البترولي المصاحب ، مما يسبب ضررًا كبيرًا للبيئة وصحة الإنسان.

محطات توليد الطاقة والحرارة المبتكرة التي تستخدم غاز البترول المصاحب كوقود تفتح الطريق أمام حل جذري وفعال من حيث التكلفة لمشاكل استخدام الغاز البترولي المصاحب.

1. تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لمنشآت خلايا الوقود في أنها يمكن أن تعمل بشكل موثوق ومستدام في حالة التوصيل غاز البترولتكوين متغير. بسبب التفاعل الكيميائي عديم اللهب الكامن وراء تشغيل خلية الوقود ، فإن انخفاض النسبة المئوية ، على سبيل المثال ، الميثان يؤدي فقط إلى انخفاض مماثل في خرج الطاقة.
2. المرونة فيما يتعلق بالحمل الكهربائي للمستهلكين ، التفاضلية ، زيادة الحمل.
3. لتركيب وربط محطات الطاقة الحرارية على خلايا الوقود ، لا يتطلب تنفيذها نفقات رأسمالية ، لأن يتم تركيب الوحدات بسهولة على مواقع غير مجهزة بالقرب من الحقول ، وهي سهلة التشغيل وموثوقة وفعالة.
4. لا تتطلب الأتمتة العالية والتحكم عن بعد الحديث التواجد المستمر للعاملين في المصنع.
5. البساطة والكمال التقني للتصميم: غياب الأجزاء المتحركة والاحتكاك وأنظمة التشحيم يوفر فوائد اقتصادية كبيرة من تشغيل تركيبات خلايا الوقود.
6. استهلاك المياه: لا شيء في درجات حرارة محيطة تصل إلى +30 درجة مئوية ولا يكاد يذكر في درجات الحرارة المرتفعة.
7. مخرج المياه: لا يوجد.
8. بالإضافة إلى ذلك ، لا تصدر محطات الطاقة الحرارية لخلايا الوقود ضوضاء ولا تهتز ، لا تنبعث منها انبعاثات ضارة في الغلاف الجوي

يتم تشغيلها بواسطة مركبة فضائية من الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء الأمريكية (ناسا). أنها توفر الطاقة لأجهزة الكمبيوتر من البنك الوطني الأول في أوماها. يتم استخدامها في بعض حافلات المدينة العامة في شيكاغو.

هذه كلها خلايا وقود. خلايا الوقود هي أجهزة كهروكيميائية تولد الكهرباء بدون عملية احتراق - بوسائل كيميائية ، تشبه إلى حد كبير البطاريات. الفرق الوحيد هو أنهم يستخدمون مواد كيميائية أخرى ، الهيدروجين والأكسجين ، ونتاج التفاعل الكيميائي هو الماء. يمكن أيضًا استخدام الغاز الطبيعي ولكن ، بالطبع ، لا يمكن تجنب مستوى معين من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون عند استخدام الوقود الهيدروكربوني.

نظرًا لأن خلايا الوقود يمكن أن تعمل بكفاءة عالية وبدون انبعاثات ضارة ، فإنها تحمل وعدًا كبيرًا كمصدر طاقة مستدام من شأنه أن يساعد في تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وغيرها من الملوثات. العقبة الرئيسية أمام الاستخدام الواسع لخلايا الوقود هي تكلفتها العالية مقارنة بالأجهزة الأخرى التي تولد الكهرباء أو تدفع المركبات.

تاريخ التطور

أظهر السير ويليام جروفز أول خلايا وقود في عام 1839. أظهر غروفز أن عملية التحليل الكهربائي - تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين تحت تأثير تيار كهربائي - قابلة للعكس. بمعنى أنه يمكن دمج الهيدروجين والأكسجين كيميائياً لتكوين الكهرباء.

بعد أن تم إثبات ذلك ، سارع العديد من العلماء لدراسة خلايا الوقود باجتهاد ، لكن اختراع محرك الاحتراق الداخلي وتطوير البنية التحتية لاستخراج احتياطيات النفط في النصف الثاني من القرن التاسع عشر ترك تطوير خلايا الوقود بعيدًا عن الركب. حتى أكثر تقييد تطوير خلايا الوقود تكلفتها العالية.

جاءت الطفرة في تطوير خلايا الوقود في الخمسينيات من القرن الماضي ، عندما لجأت إليها ناسا فيما يتعلق بالحاجة إلى مولد كهربائي مضغوط للرحلات الفضائية. تم استثمار الأموال المناسبة ، ونتيجة لذلك ، تم تنفيذ رحلات أبولو وجيميني على خلايا الوقود. تعمل المركبات الفضائية أيضًا على خلايا الوقود.

خلايا الوقود لا تزال إلى حد كبير التكنولوجيا التجريبية، ولكن بالفعل العديد من الشركات تبيعها في السوق التجاري. في السنوات العشر الماضية فقط ، تم إحراز تقدم كبير في تكنولوجيا خلايا الوقود التجارية.

كيف تعمل خلية الوقود

تشبه خلايا الوقود البطاريات - فهي تولد الكهرباء من خلال تفاعل كيميائي. في المقابل ، تحرق محركات الاحتراق الداخلي الوقود وبالتالي تولد الحرارة ، والتي يتم تحويلها بعد ذلك إلى طاقة ميكانيكية. ما لم يتم استخدام الحرارة من غازات العادم بطريقة ما (على سبيل المثال ، للتدفئة أو تكييف الهواء) ، فيمكن القول أن كفاءة محرك الاحتراق الداخلي منخفضة نوعًا ما. على سبيل المثال ، من المتوقع أن تكون كفاءة خلايا الوقود عند استخدامها في مركبة - مشروع قيد التطوير حاليًا - أكثر من ضعف كفاءة محركات البنزين النموذجية المستخدمة في السيارات اليوم.

على الرغم من أن البطاريات وخلايا الوقود تولد الكهرباء كيميائيًا ، إلا أنها تؤدي وظيفتين مختلفتين تمامًا. البطاريات هي أجهزة طاقة مخزنة: الكهرباء التي تولدها هي نتيجة تفاعل كيميائي لمادة موجودة بالفعل داخلها. لا تخزن خلايا الوقود الطاقة ، ولكنها تحول بعض الطاقة من الوقود الخارجي إلى كهرباء. في هذا الصدد ، تشبه خلية الوقود محطة طاقة تقليدية.

هناك عدة أنواع مختلفة من خلايا الوقود. تتكون أبسط خلية وقود من غشاء خاص يعرف بالإلكتروليت. يتم ترسيب الأقطاب الكهربائية المسحوقة على جانبي الغشاء. هذا التصميم - إلكتروليت محاط بقطبين - هو عنصر منفصل. يتدفق الهيدروجين إلى جانب واحد (الأنود) والأكسجين (الهواء) إلى الجانب الآخر (القطب السالب). كل قطب له تفاعل كيميائي مختلف.

في القطب الموجب ، يتحلل الهيدروجين إلى خليط من البروتونات والإلكترونات. في بعض خلايا الوقود ، تُحاط الأقطاب الكهربائية بمحفز ، عادة ما يكون مصنوعًا من البلاتين أو معادن نبيلة أخرى ، مما يعزز تفاعل التفكك:

2H2 ==> 4H + + 4e-.

H2 = جزيء هيدروجين ثنائي الذرة ، شكل ، في

حيث يوجد الهيدروجين كغاز ؛

H + = الهيدروجين المتأين ، أي بروتون.

ه- = إلكترون.

يعتمد تشغيل خلية الوقود على حقيقة أن الإلكتروليت يمر بالبروتونات عبر نفسه (باتجاه القطب السالب) ، لكن الإلكترونات لا تمر. تتحرك الإلكترونات نحو القطب السالب على طول الدائرة الموصلة الخارجية. حركة الإلكترونات هذه عبارة عن تيار كهربائي يمكن استخدامه لتشغيل جهاز خارجي متصل بخلية الوقود ، مثل محرك كهربائي أو مصباح كهربائي. يشار إلى هذا الجهاز عادة باسم "تحميل".

على جانب الكاثود لخلية الوقود ، فإن البروتونات (التي مرت عبر الإلكتروليت) والإلكترونات (التي مرت عبر الحمل الخارجي) "تتحد" وتتفاعل مع الأكسجين المزود للكاثود لتكوين الماء ، H2O:

4H + + 4e- + O2 ==> 2H2O.

يتم كتابة التفاعل الكلي في خلية الوقود على النحو التالي:

2H2 + O2 ==> 2H2O.

في عملهم ، تستخدم خلايا الوقود وقود الهيدروجين والأكسجين من الهواء. يمكن توفير الهيدروجين مباشرة أو عن طريق فصله عن مصدر وقود خارجي مثل الغاز الطبيعي أو البنزين أو الميثانول. في حالة وجود مصدر خارجي ، يجب تحويله كيميائيًا لاستخراج الهيدروجين. هذه العملية تسمى "الإصلاح". يمكن أيضًا الحصول على الهيدروجين من الأمونيا ، والموارد البديلة مثل الغاز من مدافن نفايات المدينة ومن محطات معالجة الغاز. مياه الصرف الصحي، وكذلك عن طريق التحليل الكهربائي للماء ، حيث تُستخدم الكهرباء لتحليل الماء إلى هيدروجين وأكسجين. حاليًا ، تستخدم معظم تقنيات خلايا الوقود المستخدمة في النقل الميثانول.

تم تطوير وسائل مختلفة لإصلاح الوقود لإنتاج الهيدروجين لخلايا الوقود. طورت وزارة الطاقة الأمريكية مصنعًا للوقود داخل جهاز إصلاح البنزين لتزويد خلية وقود قائمة بذاتها بالهيدروجين. أظهر باحثون في مختبر المحيط الهادئ الشمالي الغربي الوطني في الولايات المتحدة مُصلح وقود مدمج يبلغ عُشر حجم حزمة الطاقة. قامت المرافق الأمريكية ، Northwest Power Systems ، ومختبر Sandia الوطني بعرض مُصلِح للوقود يحول وقود الديزل إلى هيدروجين لخلايا الوقود.

بشكل فردي ، تنتج خلايا الوقود حوالي 0.7-1.0 فولت لكل منها. لزيادة الجهد ، يتم تجميع العناصر في "سلسلة" ، أي اتصال تسلسلي. لإنشاء المزيد من التيار ، يتم توصيل مجموعات من العناصر المتتالية بشكل متوازٍ. إذا جمعت شلالات خلايا الوقود مع محطة وقود ، ونظام تبريد وإمداد بالهواء ، ونظام تحكم ، فستحصل على محرك خلية وقود. يمكن لهذا المحرك القيادة عربة، محطة طاقة ثابتة أو مولد كهربائي محمول 6. تأتي محركات خلايا الوقود بأحجام متنوعة حسب التطبيق ونوع خلية الوقود والوقود المستخدم. على سبيل المثال ، كل من محطات الطاقة الثابتة الأربعة المنفصلة بقدرة 200 كيلو وات المثبتة في البنك في أوماها هي تقريبًا بحجم مقطورة شاحنة.

التطبيقات

يمكن استخدام خلايا الوقود في كل من الأجهزة الثابتة والمتحركة. استجابة لتشديد لوائح الانبعاثات الأمريكية ، قام صانعو السيارات بما في ذلك دايملر كرايسلر وتويوتا وفورد وجنرال موتورز وفولكس فاجن وهوندا ونيسان بتجربة وعرض مركبات تعمل بخلايا الوقود. ومن المتوقع أن تضرب أولى المركبات التجارية التي تعمل بخلايا الوقود على الطرق في عام 2004 أو 2005.

كان معلمًا رئيسيًا في تاريخ تقنية خلايا الوقود هو العرض التوضيحي في يونيو 1993 لحافلة مدينة تجريبية بطول 32 قدمًا من Ballard Power System بمحرك يعمل بخلية وقود الهيدروجين بقدرة 90 كيلو وات. منذ ذلك الحين ، كثير أنواع مختلفةوأجيال مختلفة من سيارات الركاب التي تعمل بخلايا الوقود أنواع مختلفةالوقود. منذ نهاية عام 1996 ، تم استخدام ثلاث عربات جولف تعمل بخلايا وقود الهيدروجين في بالم ديزرت في كاليفورنيا. على طرق شيكاغو ، إلينوي. فانكوفر، كولومبيا البريطانية؛ وأوسلو ، النرويج تختبر حافلات المدينة التي تعمل بخلايا الوقود. يجري اختبار سيارات الأجرة القلوية التي تعمل بخلايا الوقود في شوارع لندن.

كما يتم عرض التركيبات الثابتة التي تستخدم تقنية خلايا الوقود ، لكنها لم تستخدم على نطاق واسع بعد. تطبيق تجاري. يستخدم البنك الوطني الأول في أوماها في نبراسكا نظام خلايا الوقود لتشغيل أجهزة الكمبيوتر لأن النظام أكثر موثوقية من نظام التيار الكهربائي القديم المزود ببطارية احتياطية. الأكبر في العالم النظام التجاريسيتم قريبا تركيب خلية وقود 1.2 ميغاواط في مركز بريد في ألاسكا. كما يتم اختبار وعرض أجهزة الكمبيوتر المحمولة التي تعمل بخلايا الوقود وأنظمة التحكم المستخدمة في محطات معالجة مياه الصرف الصحي وآلات البيع.

"إيجابيات وسلبيات"

تتمتع خلايا الوقود بعدد من المزايا. في حين أن كفاءة محركات الاحتراق الداخلي الحديثة هي فقط 12-15٪ ، فإن هذا المعامل لخلايا الوقود هو 50٪. يمكن أن تظل كفاءة خلايا الوقود كما هي مستوى عال، حتى عندما لا يتم استخدامها بكامل طاقتها المقدرة ، والتي تعد ميزة كبيرة على محركات البنزين.

تعني الطبيعة المعيارية لتصميم خلية الوقود أنه يمكن زيادة قدرة محطة توليد طاقة خلايا الوقود ببساطة عن طريق إضافة بضع مراحل أخرى. وهذا يضمن تقليل عامل الاستغلال الناقص للقدرة إلى الحد الأدنى ، مما يسمح بمطابقة أفضل بين العرض والطلب. نظرًا لأن كفاءة مجموعة خلايا الوقود يتم تحديدها من خلال أداء الخلايا الفردية ، فإن محطات توليد الطاقة الصغيرة التي تعمل بخلايا الوقود تعمل بكفاءة مثل تلك الكبيرة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام الحرارة المهدرة من أنظمة خلايا الوقود الثابتة لتسخين المياه والأماكن ، مما يزيد من كفاءة الطاقة.

عند استخدام خلايا الوقود ، لا توجد انبعاثات ضارة عمليًا. عندما يعمل المحرك على الهيدروجين النقي ، يتم تكوين الحرارة وبخار الماء النقي فقط كمنتجات ثانوية. لذلك على المركبات الفضائية ، يشرب رواد الفضاء الماء ، الذي يتكون نتيجة تشغيل خلايا الوقود الموجودة على متنها. يعتمد تكوين الانبعاثات على طبيعة مصدر الهيدروجين. ينتج عن استخدام الميثانول انبعاثات صفرية من أكاسيد النيتروجين وأول أكسيد الكربون وانبعاثات هيدروكربونية صغيرة فقط. تزداد الانبعاثات كلما انتقلت من الهيدروجين إلى الميثانول إلى البنزين ، على الرغم من أن الانبعاثات ستظل منخفضة جدًا حتى مع البنزين. على أي حال ، فإن استبدال محركات الاحتراق الداخلي التقليدية الحالية بخلايا الوقود من شأنه أن يؤدي إلى انخفاض إجمالي في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين.

يوفر استخدام خلايا الوقود مرونة البنية التحتية للطاقة ، وخلق ميزات إضافيةلتوليد الطاقة اللامركزية. إن تعدد مصادر الطاقة اللامركزية يجعل من الممكن تقليل خسائر النقل وتطوير أسواق مبيعات الطاقة (وهو أمر مهم بشكل خاص للمناطق النائية والريفية التي لا تتوفر فيها خطوط الكهرباء). بمساعدة خلايا الوقود ، يمكن للأفراد المقيمين أو الأحياء تزويد أنفسهم بمعظم الكهرباء وبالتالي زيادة كفاءة استخدامها بشكل كبير.

توفر خلايا الوقود الطاقة جودة عاليةوزيادة الموثوقية. فهي متينة ، ولا تحتوي على أجزاء متحركة ، وتنتج قدرًا ثابتًا من الطاقة.

ومع ذلك ، تحتاج تقنية خلايا الوقود إلى مزيد من التحسين من أجل تحسين الأداء وخفض التكاليف وبالتالي جعل خلايا الوقود قادرة على المنافسة مع تقنيات الطاقة الأخرى. وتجدر الإشارة إلى أنه عند النظر في خصائص تكلفة تقنيات الطاقة ، يجب إجراء مقارنات على أساس جميع المكونات. الخصائص التكنولوجيةبما في ذلك تكاليف التشغيل الرأسمالية وانبعاثات الملوثات وجودة الطاقة والمتانة وإيقاف التشغيل والمرونة.

على الرغم من أن غاز الهيدروجين هو أفضل وقود ، إلا أن البنية التحتية أو قاعدة النقل له غير موجودة بعد. على المدى القصير ، يمكن استخدام أنظمة إمداد الوقود الأحفوري الحالية (محطات الوقود ، إلخ) لتزويد محطات الطاقة بمصادر الهيدروجين في شكل بنزين أو ميثانول أو غاز طبيعي. وهذا من شأنه أن يلغي الحاجة إلى محطات مخصصة لتعبئة الهيدروجين ، ولكنه يتطلب تزويد كل مركبة بمحول من الوقود الأحفوري إلى الهيدروجين ("المصلح"). عيب هذا النهج هو أنه يستخدم الوقود الأحفوري وبالتالي ينتج عنه انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. الميثانول ، المرشح الرئيسي حاليًا ، ينتج انبعاثات أقل من البنزين ، لكنه يتطلب خزانًا سعة أكبر في السيارة لأنه يشغل مساحة مضاعفة لنفس محتوى الطاقة.

على عكس أنظمة إمداد الوقود الأحفوري ، فإن أنظمة الطاقة الشمسية وطاقة الرياح (باستخدام الكهرباء لتوليد الهيدروجين والأكسجين من الماء) وأنظمة التحويل الضوئي المباشر (باستخدام مواد شبه موصلة أو إنزيمات لإنتاج الهيدروجين) يمكن أن تزود الهيدروجين بدون خطوة إصلاح ، وبالتالي ، بهذه الطريقة ، الانبعاثات من المواد الضارة ، التي لوحظت عند استخدام خلايا وقود الميثانول أو البنزين ، يمكن تجنبها. يمكن تخزين الهيدروجين وتحويله إلى كهرباء في خلية الوقود حسب الحاجة. من الآن فصاعدًا ، من المرجح أن يكون ربط خلايا الوقود بهذه الأنواع من مصادر الطاقة المتجددة استراتيجية فعالة لتوفير مصدر طاقة منتج وصديق للبيئة ومتعدد الاستخدامات.

توصيات IEER هي للحكومات المحلية وحكومات الولايات وحكومات الولايات لتخصيص جزء من ميزانيات مشتريات النقل لمركبات خلايا الوقود وأنظمة خلايا الوقود الثابتة لتوفير التدفئة والكهرباء لبعض المباني الأساسية أو الجديدة. سيساهم ذلك في تطوير التكنولوجيا الحيوية وتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.

في حياة عصريةمصادر التيار الكيميائي تحيط بنا في كل مكان: هذه بطاريات في مصابيح يدوية ، بطاريات في الهواتف المحمولةوخلايا وقود الهيدروجين المستخدمة بالفعل في بعض المركبات. يمكن أن يؤدي التطور السريع للتقنيات الكهروكيميائية إلى حقيقة أنه في المستقبل القريب ، بدلاً من السيارات ذات المحركات التي تعمل بالبنزين ، سنكون محاطين فقط بالسيارات الكهربائية ، ولن تنفد الهواتف بسرعة ، وسيكون لكل منزل خلية وقود خاصة به. مولد كهربائي. أحد البرامج المشتركة لجامعة الأورال الفيدرالية مع معهد الكيمياء الكهربية عالية الحرارة التابع لفرع الأورال التابع لأكاديمية العلوم الروسية ، بالشراكة التي ننشر معها هذا المقال ، مكرس لزيادة كفاءة التخزين الكهروكيميائي ومولدات الطاقة .

اليوم ، هناك العديد من أنواع البطاريات المختلفة ، والتي يصعب التنقل بينها بشكل متزايد. ليس من الواضح للجميع كيف تختلف البطارية عن المكثف الفائق ولماذا يمكن استخدام خلية وقود الهيدروجين دون خوف من الإضرار بالبيئة. في هذا المقال ، سنتحدث عن كيفية استخدام التفاعلات الكيميائية لتوليد الكهرباء ، وما الفرق بين الأنواع الرئيسية لمصادر التيار الكيميائي الحديثة ، وما هي الآفاق التي تفتح أمام الطاقة الكهروكيميائية.

الكيمياء كمصدر للكهرباء

أولاً ، دعونا نلقي نظرة على سبب استخدام الطاقة الكيميائية لتوليد الكهرباء على الإطلاق. الشيء هو أنه في تفاعلات الأكسدة والاختزال ، تنتقل الإلكترونات بين أيونيين مختلفين. إذا تم فصل نصفي التفاعل الكيميائي في الفضاء بحيث تحدث الأكسدة والاختزال بشكل منفصل عن بعضهما البعض ، فمن الممكن التأكد من أن الإلكترون الذي ينفصل عن أيون واحد لا يقع على الفور في الثاني ، ولكن أولاً يسير على طول الطريق المحدد سلفا لذلك. يمكن استخدام هذا التفاعل كمصدر للتيار الكهربائي.

تم تطبيق هذا المفهوم لأول مرة في القرن الثامن عشر من قبل الفيزيولوجي الإيطالي لويجي جالفاني. يعتمد عمل الخلية الجلفانية التقليدية على تفاعلات الاختزال والأكسدة للمعادن ذات النشاط المختلف. على سبيل المثال ، الخلية الكلاسيكية هي خلية كلفانية يتأكسد فيها الزنك ويقلل النحاس. تحدث تفاعلات الاختزال والأكسدة ، على التوالي ، عند الكاثود والأنود. وحتى لا تقع أيونات النحاس والزنك في "منطقة غريبة" ، حيث يمكن أن تتفاعل مع بعضها البعض بشكل مباشر ، يتم عادةً وضع غشاء خاص بين الأنود والكاثود. نتيجة لذلك ، ينشأ فرق جهد بين الأقطاب الكهربائية. إذا قمت بتوصيل الأقطاب الكهربائية ، على سبيل المثال ، بمصباح كهربائي ، فإن التيار يبدأ في التدفق في الدائرة الكهربائية الناتجة ويضيء المصباح الكهربائي.

رسم تخطيطي لخلية كلفانية

ويكيميديا ​​كومنز

بالإضافة إلى مواد الأنود والكاثود ، فإن أحد المكونات المهمة لمصدر التيار الكيميائي هو الإلكتروليت ، حيث تتحرك الأيونات داخله وعلى حدوده تستمر جميع التفاعلات الكهروكيميائية مع الأقطاب الكهربائية. في هذه الحالة ، لا يجب أن يكون المنحل بالكهرباء سائلًا - يمكن أن يكون بوليمر ومادة خزفية.

العيب الرئيسي للخلية الجلفانية هو وقت التشغيل المحدود. بمجرد أن ينتهي التفاعل (أي أنه يتم استهلاك الأنود المتحلل تدريجيًا بالكامل) ، سيتوقف هذا العنصر ببساطة عن العمل.

البطاريات القلوية الاصبع

قابلة للشحن

كانت الخطوة الأولى نحو توسيع قدرات المصادر الكيميائية الحالية هي إنشاء بطارية - مصدر حالي يمكن إعادة شحنه وبالتالي إعادة استخدامه. للقيام بذلك ، اقترح العلماء ببساطة استخدام تفاعلات كيميائية قابلة للعكس. بعد تفريغ البطارية بالكامل لأول مرة ، بمساعدة مصدر تيار خارجي ، يمكن بدء رد الفعل الذي حدث فيها في الاتجاه المعاكس. سيؤدي ذلك إلى استعادة الحالة الأصلية بحيث يمكن استخدام البطارية مرة أخرى بعد إعادة الشحن.

بطارية حمض الرصاص للسيارات

حتى الآن ، تم إنشاء العديد من أنواع البطاريات المختلفة ، والتي تختلف في نوع التفاعل الكيميائي الذي يحدث فيها. أكثر أنواع البطاريات شيوعًا هي بطاريات الرصاص الحمضية (أو الرصاص ببساطة) ، والتي تعتمد على تفاعل الأكسدة والاختزال للرصاص. تتمتع هذه الأجهزة بعمر خدمة طويل إلى حد ما ، ويصل استهلاكها للطاقة إلى 60 واط / ساعة لكل كيلوغرام. حتى أن بطاريات الليثيوم أيون الأكثر شيوعًا مؤخرًا تعتمد على تفاعل الليثيوم والاختزال. تتجاوز كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم أيون الحديثة الآن 250 واط / ساعة لكل كيلوغرام.

بطارية ليثيوم أيون للهاتف المحمول

تتمثل المشاكل الرئيسية لبطاريات الليثيوم أيون في كفاءتها المنخفضة في درجات الحرارة المنخفضة والشيخوخة السريعة وزيادة الانفجار. ونظرًا لحقيقة أن معدن الليثيوم يتفاعل بنشاط كبير مع الماء لتكوين غاز الهيدروجين ويتم إطلاق الأكسجين عند احتراق البطارية ، فإن الاحتراق التلقائي لبطارية ليثيوم أيون يصعب جدًا استخدامه مع طرق إطفاء الحرائق التقليدية. من أجل تحسين سلامة مثل هذه البطارية وتسريع وقت الشحن ، يقترح العلماء مادة الكاثود التي تمنع تكوين هياكل الليثيوم المتغصنة ، وإضافة مواد إلى المنحل بالكهرباء التي تشكل هياكل قابلة للانفجار ، والمكونات التي تشتعل في المراحل المبكرة .

المنحل بالكهرباء الصلبة

كطريقة أخرى أقل وضوحًا لتحسين كفاءة وسلامة البطاريات ، اقترح الكيميائيون ألا يقتصروا على الإلكتروليتات السائلة في مصادر الطاقة الكيميائية ، ولكن لإنشاء مصدر طاقة صلب تمامًا. في مثل هذه الأجهزة ، لا توجد مكونات سائلة على الإطلاق ، ولكن هناك بنية ذات طبقات من الأنود الصلب ، والكاثود الصلب ، والإلكتروليت الصلب بينهما. يؤدي المنحل بالكهرباء في نفس الوقت وظيفة الغشاء. يمكن أن تكون ناقلات الشحنة في الإلكتروليت الصلب عبارة عن أيونات مختلفة ، اعتمادًا على تكوينها والتفاعلات التي تحدث على الأنود والكاثود. لكنها دائمًا ما تكون أيونات صغيرة بما يكفي يمكنها التحرك بحرية نسبيًا عبر البلورة ، على سبيل المثال ، H + البروتونات ، أيونات Li + الليثيوم ، أو O2- أيونات الأكسجين.

خلايا وقود الهيدروجين

القدرة على إعادة الشحن والتدابير الأمنية الخاصة تجعل البطاريات مصدرًا واعدًا للتيار أكثر بكثير من البطاريات التقليدية ، ولكن مع ذلك ، تحتوي كل بطارية على كمية محدودة من الكواشف بالداخل ، وبالتالي إمدادات محدودة من الطاقة ، وفي كل مرة يجب إعادة شحن البطارية لاستئناف أدائها.

لجعل البطارية "غير محدودة" ، من الممكن استخدامها كمصدر للطاقة ليس تلك المواد الموجودة داخل الخلية ، ولكن الوقود الذي يتم ضخه بشكل خاص من خلالها. أفضل ما في الأمر هو أن المادة البسيطة قدر الإمكان في التركيب والصديقة للبيئة والمتوفرة بكثرة على الأرض هي الأنسب لكونها وقودًا.

أنسب مادة من هذا النوع هي غاز الهيدروجين. إن تأكسدها مع الأكسجين الجوي لتكوين الماء (وفقًا للتفاعل 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) هو تفاعل بسيط للاختزال ، ويمكن أيضًا استخدام نقل الإلكترون بين الأيونات كمصدر حالي. رد الفعل الجاري في هذه الحالة هو نوع من رد الفعل العكسي لتفاعل التحليل الكهربائي للماء (حيث ، تحت تأثير تيار كهربائي ، يتحلل الماء إلى أكسجين وهيدروجين) ، ولأول مرة تم اقتراح مثل هذا المخطط مرة أخرى في منتصف القرن التاسع عشر.

ولكن على الرغم من أن الدائرة تبدو بسيطة للغاية ، فإن إنشاء جهاز فعال يعتمد على هذا المبدأ ليس مهمة تافهة على الإطلاق. للقيام بذلك ، من الضروري فصل تدفقات الأكسجين والهيدروجين في الفضاء ، وضمان نقل الأيونات الضرورية عبر الإلكتروليت ، وتقليل فقد الطاقة المحتمل في جميع مراحل التشغيل.

رسم تخطيطي لتشغيل خلية وقود الهيدروجين

مخطط خلية وقود الهيدروجين العاملة مشابه جدًا لمخطط مصدر التيار الكيميائي ، ولكنه يحتوي على قنوات إضافية لتزويد الوقود والمؤكسد وإزالة منتجات التفاعل والغازات الزائدة. الأقطاب الكهربائية في هذا العنصر عبارة عن محفزات موصلة مسامية. يتم توفير الوقود الغازي (الهيدروجين) إلى القطب الموجب ، ويتم توفير عامل مؤكسد (أكسجين من الهواء) إلى الكاثود ، وعند حدود كل من الأقطاب الكهربائية مع الإلكتروليت ، يحدث نصف تفاعلها (أكسدة الهيدروجين والحد من الأكسجين ، على التوالي). في هذه الحالة ، اعتمادًا على نوع خلية الوقود ونوع الإلكتروليت ، يمكن أن يستمر تكوين الماء نفسه إما في مساحة القطب الموجب أو القطب السالب.

خلية وقود تويوتا الهيدروجين

جوزيف برنت / فليكر

إذا كان المنحل بالكهرباء عبارة عن بوليمر موصل للبروتون أو غشاء خزفي ، محلول حمض أو قلوي ، فإن حامل الشحنة في الإلكتروليت هو أيونات الهيدروجين. في هذه الحالة ، يتأكسد الهيدروجين الجزيئي عند الأنود إلى أيونات الهيدروجين ، والتي تمر عبر المنحل بالكهرباء وتتفاعل مع الأكسجين هناك. إذا كان أيون الأكسجين O 2 - هو حامل الشحنة ، كما في حالة أكسيد صلب بالكهرباء ، يتم تقليل الأكسجين إلى أيون عند الكاثود ، ويمر هذا الأيون عبر الإلكتروليت ويؤكسد الهيدروجين عند الأنود لتكوين ماء وخالي الإلكترونات.

بالإضافة إلى تفاعل أكسدة الهيدروجين لخلايا الوقود ، تم اقتراح استخدام أنواع أخرى من التفاعلات. على سبيل المثال ، بدلاً من الهيدروجين ، يمكن أن يكون الوقود المختزل هو الميثانول ، الذي يتأكسد بالأكسجين إلى ثاني أكسيد الكربون والماء.

كفاءة خلايا الوقود

على الرغم من جميع مزايا خلايا وقود الهيدروجين (مثل الملاءمة البيئية والكفاءة غير المحدودة فعليًا والحجم الصغير وكثافة الطاقة العالية) ، إلا أن لها أيضًا عددًا من العيوب. وتشمل هذه ، أولاً وقبل كل شيء ، التقادم التدريجي للمكونات وصعوبات تخزين الهيدروجين. يعمل العلماء اليوم على كيفية القضاء على أوجه القصور هذه.

يُقترح حاليًا زيادة كفاءة خلايا الوقود عن طريق تغيير تركيبة المنحل بالكهرباء ، وخصائص القطب المحفز ، وهندسة النظام (التي تضمن إمداد غازات الوقود إلى النقطة المطلوبة وتقليل الآثار الجانبية). لحل مشكلة تخزين غاز الهيدروجين ، يتم استخدام المواد التي تحتوي على البلاتين ، لتشبع منها ، على سبيل المثال ، أغشية الجرافين.

نتيجة لذلك ، من الممكن تحقيق زيادة في استقرار خلية الوقود وعمر مكوناتها الفردية. يصل معامل تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية في هذه الخلايا الآن إلى 80٪ ، ويمكن أن يكون أعلى في ظل ظروف معينة.

ترتبط الآفاق الهائلة لطاقة الهيدروجين بإمكانية دمج خلايا الوقود في بطاريات كاملة ، وتحويلها إلى مولدات كهربائية ذات طاقة عالية. حتى الآن ، تتمتع المولدات الكهربائية التي تعمل بخلايا وقود الهيدروجين بقدرة تصل إلى عدة مئات من الكيلوواط وتستخدم كمصادر طاقة للمركبات.

التخزين الكهروكيميائي البديل

بالإضافة إلى مصادر التيار الكهروكيميائية الكلاسيكية ، تُستخدم أنظمة غير عادية أيضًا كأجهزة تخزين الطاقة. أحد هذه الأنظمة هو المكثف الفائق (أو الأيونيستور) - وهو جهاز يحدث فيه فصل الشحنة وتراكمها بسبب تكوين طبقة مزدوجة بالقرب من سطح مشحون. في واجهة الإلكتروليت في مثل هذا الجهاز ، تصطف الأيونات ذات العلامات المختلفة في طبقتين ، تسمى "الطبقة الكهربائية المزدوجة" ، وتشكل نوعًا من المكثف الرقيق جدًا. يتم تحديد سعة مثل هذا المكثف ، أي مقدار الشحنة المتراكمة ، من خلال مساحة السطح المحددة لمادة القطب الكهربي ؛ لذلك ، من المفيد أخذ المواد المسامية ذات مساحة السطح القصوى المحددة كمواد لـ المكثفات الفائقة.

Ionistors هي الأبطال بين مصادر التيار الكيميائي لتفريغ الشحنات من حيث معدل الشحن ، وهي ميزة لا شك فيها لهذا النوع من الأجهزة. لسوء الحظ ، هم أيضًا حاملو سجلات من حيث سرعة التفريغ. كثافة طاقة الأيونات أقل بثماني مرات مقارنة ببطاريات الرصاص و 25 مرة أقل من بطاريات الليثيوم أيون. لا تستخدم المؤيونات الكلاسيكية "ذات الطبقة المزدوجة" تفاعلًا كهروكيميائيًا في جوهرها ، ويتم تطبيق مصطلح "مكثف" عليها بدقة أكبر. ومع ذلك ، في تلك الإصدارات من الأيونات ، التي تعتمد على تفاعل كهروكيميائي ويمتد تراكم الشحنة إلى عمق القطب ، من الممكن تحقيق أوقات تفريغ أعلى مع الحفاظ على معدل شحن سريع. تهدف جهود مطوري المكثفات الفائقة إلى إنشاء أجهزة هجينة مزودة ببطاريات تجمع بين مزايا المكثفات الفائقة ، ومعدل الشحن المرتفع في المقام الأول ، ومزايا البطاريات - كثافة الطاقة العالية ووقت التفريغ الطويل. تخيل في المستقبل القريب بطارية أيونية سيتم شحنها في غضون دقيقتين وتشغيل جهاز كمبيوتر محمول أو هاتف ذكي لمدة يوم أو أكثر!

على الرغم من حقيقة أن كثافة الطاقة للمكثفات الفائقة الآن لا تزال أقل بعدة مرات من كثافة طاقة البطاريات ، إلا أنها تُستخدم في مستهلكى الكترونياتومحركات المركبات المختلفة ، بما في ذلك معظمها.

* * *

وبالتالي ، يوجد اليوم عدد كبير من الأجهزة الكهروكيميائية ، كل منها واعد لتطبيقاته المحددة. لتحسين كفاءة هذه الأجهزة ، يحتاج العلماء إلى حل عدد من المشكلات ، الأساسية والتكنولوجية. يتم التعامل مع معظم هذه المهام في إطار أحد المشاريع المتقدمة في جامعة الأورال الفيدرالية ، لذلك سألنا مكسيم أنانييف ، مدير معهد الكيمياء الكهربية عالية الحرارة بفرع الأورال التابع لأكاديمية العلوم الروسية ، أستاذ قسم تكنولوجيا الإنتاج الكهروكيميائية بمعهد التكنولوجيا الكيميائية بجامعة الأورال الفيدرالية ، للحديث عن الخطط والآفاق الفورية لتطوير خلايا الوقود الحديثة.

N + 1: هل يوجد بديل لبطاريات Li-Ion الأكثر شيوعًا في المستقبل القريب؟

مكسيم أنانييف:تهدف الجهود الحديثة لمطوري البطاريات إلى استبدال نوع حامل الشحن في المنحل بالكهرباء من الليثيوم إلى الصوديوم والبوتاسيوم والألمنيوم. نتيجة لاستبدال الليثيوم ، سيكون من الممكن تقليل تكلفة البطارية ، على الرغم من زيادة خصائص الوزن والحجم بشكل متناسب. بمعنى آخر ، لنفس الخصائص الكهربائية ، ستكون بطارية أيون الصوديوم أكبر وأثقل من بطارية ليثيوم أيون.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن أحد المجالات النامية الواعدة لتحسين البطاريات هو إنشاء مصادر طاقة كيميائية هجينة تعتمد على مزيج من بطاريات الأيونات المعدنية مع قطب كهربائي ، كما هو الحال في خلايا الوقود. بشكل عام ، اتجاه إنشاء أنظمة هجينة ، كما تم توضيحه بالفعل في مثال المكثفات الفائقة ، على ما يبدو ، في المستقبل القريب سيجعل من الممكن رؤية مصادر الطاقة الكيميائية ذات الخصائص الاستهلاكية العالية في السوق.

تقوم جامعة أورال الفيدرالية ، جنبًا إلى جنب مع شركاء أكاديميين وصناعيين من روسيا والعالم ، بتنفيذ ستة مشاريع عملاقة تركز على مجالات الاختراق بحث علمي. أحد هذه المشاريع هو "تقنيات المنظور لهندسة الطاقة الكهروكيميائية من التصميم الكيميائي للمواد الجديدة إلى الجيل الجديد من الأجهزة الكهروكيميائية لحفظ الطاقة وتحويلها".

تعمل مجموعة علماء الوحدة الأكاديمية الاستراتيجية (SAU) في كلية UrFU للعلوم الطبيعية والرياضيات ، والتي تضم ماكسيم أنانييف ، في تصميم وتطوير مواد وتقنيات جديدة ، بما في ذلك خلايا الوقود ، والخلايا الإلكتروليتية ، وبطاريات الجرافين المعدنية ، والكهروكيميائية. أنظمة تخزين الطاقة والمكثفات الفائقة.

البحث و عمل علمييتم إجراؤها بالتعاون المستمر مع معهد الكيمياء الكهربائية عالية الحرارة ، فرع الأورال التابع لأكاديمية العلوم الروسية وبدعم من الشركاء.

ما هي خلايا الوقود التي يتم تطويرها حاليًا ولديها أكبر إمكانات؟

واحدة من أكثر أنواع خلايا الوقود الواعدة هي خلايا البروتون الخزفية. لها مزايا أكثر من خلايا الوقود البوليمرية مع غشاء تبادل البروتون وخلايا الأكسيد الصلب ، حيث يمكنها العمل بإمداد مباشر من الوقود الهيدروكربوني. يعمل هذا على تبسيط تصميم محطة توليد الطاقة بشكل كبير استنادًا إلى خلايا وقود البروتون والسيراميك ونظام التحكم ، وبالتالي يزيد من موثوقية التشغيل. صحيح أن هذا النوع من خلايا الوقود تاريخيًا أقل تطورًا في الوقت الحالي ، لكن البحث العلمي الحديث يسمح لنا بالأمل في إمكانات عالية لهذه التكنولوجيا في المستقبل.

ما هي المشاكل المتعلقة بخلايا الوقود التي يتم التعامل معها في جامعة الأورال الفيدرالية الآن؟

يعمل علماء UrFU الآن ، جنبًا إلى جنب مع معهد الكيمياء الكهربية ذات درجة الحرارة العالية (IHTE) التابع لفرع الأورال التابع لأكاديمية العلوم الروسية ، على إنشاء أجهزة كهروكيميائية عالية الكفاءة ومولدات طاقة مستقلة للتطبيقات في الطاقة الموزعة. يعني إنشاء محطات توليد الطاقة للطاقة الموزعة في البداية تطوير أنظمة هجينة تعتمد على مولد طاقة كهربائية وجهاز تخزين ، وهما بطاريات. في الوقت نفسه ، تعمل خلية الوقود باستمرار ، مما يوفر الحمل خلال ساعات الذروة ، وفي وضع الخمول ، تقوم بشحن البطارية ، والتي يمكن أن تكون بمثابة احتياطي في حالة الاستهلاك العالي للطاقة وفي حالات الطوارئ.

حقق الكيميائيون من جامعة الأورال الفيدرالية و IHTE أكبر نجاح في تطوير خلايا وقود الأكسيد الصلب والبروتون الخزفي. منذ عام 2016 ، في جبال الأورال ، بالتعاون مع State Corporation Rosatom ، تم إنشاء أول إنتاج روسي لمحطات الطاقة القائمة على خلايا وقود الأكسيد الصلب. اجتاز تطوير علماء الأورال بالفعل اختبارات "ميدانية" في محطة الحماية الكاثودية لخط أنابيب الغاز في الموقع التجريبي لشركة Uraltransgaz LLC. تعمل محطة توليد الكهرباء ذات الطاقة المقدرة 1.5 كيلوواط لأكثر من 10 آلاف ساعة وأظهرت إمكانات عالية لاستخدام مثل هذه الأجهزة.

في إطار المختبر المشترك لجامعة Ural Federal و IHTE ، يتم تطوير أجهزة كهروكيميائية تعتمد على غشاء خزفي موصل بالبروتون. سيسمح هذا في المستقبل القريب بتقليل درجات حرارة التشغيل لخلايا وقود الأكسيد الصلب من 900 إلى 500 درجة مئوية والتخلي عن الإصلاح الأولي للوقود الهيدروكربوني ، وبالتالي إنشاء مولدات كهروكيميائية فعالة من حيث التكلفة وقادرة على العمل في ظل ظروف تطوير البنية التحتية لإمدادات الغاز في روسيا.

الكسندر دوبوف

علم البيئة المعرفية: العلم والتكنولوجيا: تعتبر طاقة الهيدروجين من أكثر الصناعات كفاءة ، وخلايا الوقود تسمح لها بالبقاء في طليعة التقنيات المبتكرة.

خلية الوقود هي جهاز يولد بكفاءة تيارًا مباشرًا وحرارة من وقود غني بالهيدروجين من خلال تفاعل كهروكيميائي.

تشبه خلية الوقود البطارية من حيث أنها تولد تيارًا مباشرًا من خلال تفاعل كيميائي. مرة أخرى ، مثل البطارية ، تشتمل خلية الوقود على أنود ، وكاثود ، وإلكتروليت. ومع ذلك ، على عكس البطاريات ، لا يمكن لخلايا الوقود تخزين الطاقة الكهربائية ولا تفريغها ولا تتطلب الكهرباء لإعادة شحنها. يمكن لخلايا الوقود أن تولد الكهرباء باستمرار طالما أنها مزودة بالوقود والهواء. المصطلح الصحيحلوصف خلية وقود عاملة ، فهي عبارة عن نظام من العناصر ، حيث أن بعض الأنظمة المساعدة مطلوبة للتشغيل الكامل.

على عكس مولدات الطاقة الأخرى مثل محركات الاحتراق الداخلي أو التوربينات التي تعمل بالغاز والفحم والزيت وما إلى ذلك ، فإن خلايا الوقود لا تحرق الوقود. هذا يعني عدم وجود دوارات صاخبة عالية الضغط ، ولا ضوضاء عادم عالية ، ولا اهتزازات. تولد خلايا الوقود الكهرباء من خلال تفاعل كهروكيميائي صامت. ميزة أخرى لخلايا الوقود هي أنها تحول الطاقة الكيميائية للوقود مباشرة إلى كهرباء وحرارة وماء.

تتميز خلايا الوقود بكفاءة عالية ولا تنتج كميات كبيرة من غازات الدفيئة مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان وأكسيد النيتروز. المنتجات الوحيدة المنبعثة من خلايا الوقود هي الماء على شكل بخار وكمية صغيرة من ثاني أكسيد الكربون ، والتي لا تنبعث على الإطلاق إذا تم استخدام الهيدروجين النقي كوقود. يتم تجميع خلايا الوقود في مجموعات ثم في وحدات وظيفية فردية.

مبدأ عمل خلايا الوقود

تولد خلايا الوقود الكهرباء والحرارة بسبب التفاعل الكهروكيميائي المستمر ، باستخدام إلكتروليت وكاثود وأنود.

يتم فصل القطب الموجب والكاثود بواسطة إلكتروليت ينقل البروتونات. بعد أن يدخل الهيدروجين في القطب الموجب ويدخل الأكسجين في الكاثود ، يبدأ تفاعل كيميائي ينتج عنه تيار كهربائي وحرارة وماء. على محفز الأنود ، ينفصل الهيدروجين الجزيئي ويفقد الإلكترونات. يتم توصيل أيونات الهيدروجين (البروتونات) عبر الإلكتروليت إلى القطب السالب ، بينما يتم تمرير الإلكترونات عبر الإلكتروليت وعبر دائرة كهربائية خارجية ، مما ينتج عنه تيار مباشر يمكن استخدامه لتشغيل المعدات. في محفز الكاثود ، يتحد جزيء الأكسجين مع الإلكترون (الذي يتم توفيره من الاتصالات الخارجية) والبروتون الوارد ، ويشكل الماء ، وهو منتج التفاعل الوحيد (في شكل بخار و / أو سائل).

يوجد أدناه رد الفعل المقابل:

تفاعل الأنود: 2H2 => 4H + 4e-
التفاعل عند الكاثود: O2 + 4H + + 4e- => 2H2O
تفاعل العنصر العام: 2H2 + O2 => 2H2O

أنواع خلايا الوقود

على غرار وجود أنواع مختلفة من محركات الاحتراق الداخلي ، هناك أنواع مختلفة من خلايا الوقود - يعتمد اختيار النوع المناسب من خلايا الوقود على تطبيقه.تنقسم خلايا الوقود إلى درجة حرارة عالية ودرجة حرارة منخفضة. تتطلب خلايا الوقود ذات درجة الحرارة المنخفضة هيدروجينًا نقيًا 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. لا تحتاج خلايا الوقود ذات درجة الحرارة المرتفعة إلى هذا الإجراء الإضافي ، حيث يمكنها "تحويل الوقود داخليًا" عند درجات حرارة مرتفعة ، مما يعني أنه لا توجد حاجة للاستثمار في البنية التحتية للهيدروجين.

عناصر الوقود على الكربونات المنصهرة (MCFC).

خلايا الوقود بالكهرباء المنصهرة عبارة عن خلايا وقود عالية الحرارة. تسمح درجة حرارة التشغيل المرتفعة بالاستخدام المباشر للغاز الطبيعي بدون معالج وقود وغاز وقود منخفض السعرات الحرارية من وقود العمليات ومصادر 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 موصلًا لأيونات الكربونات (CO32-). تمر هذه الأيونات من القطب السالب إلى القطب الموجب 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: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
رد فعل عند الكاثود: CO2 + 1 / 2O2 + 2e- => CO32-
تفاعل العنصر العام: H2 (g) + 1 / 2O2 (g) + CO2 (cathode) => H2O (g) + CO2 (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 لمختلف التطبيقات الصناعية والتجارية.

درجات حرارة التفاعل العالية في المنحل بالكهرباء لها مزاياها أيضًا. يستغرق استخدام 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 الطاقة الحرارية التي تبلغ طاقتها الكهربائية 2.8 ميجاوات صناعيًا. يجري تطوير محطات بقدرة إنتاج تصل إلى 100 ميغاواط.

خلايا الوقود على أساس حمض 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) إلكتروليتًا يعتمد على حمض الفوسفوريك (H3PO4) 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 بالقطب الموجب إلى بروتونات وإلكترونات. تمر البروتونات عبر المنحل بالكهرباء 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.

تفاعل الأنود: 2H2 => 4H + 4e-
التفاعل عند الكاثود: O2 (g) + 4H + + 4e- => 2H2O
تفاعل العنصر العام: 2H2 + O2 => 2H2O

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 ، ويعمل هذا النوع من الخلايا مع الوقود الطبيعي المعدل. البناء البسيط ، وانخفاض تقلب الإلكتروليت وزيادة الاستقرار هي أيضًا مزايا هذا النوع من خلايا الوقود.

يتم إنتاج محطات الطاقة الحرارية التي تنتج طاقة كهربائية تصل إلى 400 كيلو واط 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 رفيع) مثل المنحل بالكهرباء. عند تشريبه بالماء ، يمر هذا البوليمر بالبروتونات ، لكنه لا يوصل الإلكترونات.

الوقود هو الهيدروجين ، وحامل الشحنة هو أيون الهيدروجين (بروتون). في القطب الموجب ، يتم فصل جزيء الهيدروجين إلى أيون هيدروجين (بروتون) وإلكترونات. تمر أيونات الهيدروجين عبر الإلكتروليت إلى القطب السالب ، بينما تتحرك الإلكترونات حول الدائرة الخارجية وتنتج طاقة كهربائية. يتم تغذية الأكسجين ، المأخوذ من الهواء ، إلى الكاثود ويتحد مع الإلكترونات وأيونات الهيدروجين لتكوين الماء. تحدث التفاعلات التالية على الأقطاب الكهربائية:

تفاعل الأنود: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
رد فعل عند الكاثود: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
تفاعل العنصر العام: 2H2 + O2 => 2H2O

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 تصنيع خلايا الوقود هذه أرخص. بالمقارنة مع الإلكتروليتات الأخرى ، فإن استخدام الإلكتروليت الصلب لا يسبب مشاكل مثل الاتجاه ، وهناك 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 معدني صلب رقيق قائم على السيراميك ، وغالبًا ما يكون سبيكة من الإيتريوم والزركونيوم ، وهو موصل لأيونات الأكسجين (O2-). 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 (О2-). 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.

تفاعل الأنود: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
رد فعل عند الكاثود: O2 + 4e- => 2O2-
تفاعل العنصر العام: 2H2 + O2 => 2H2O

كفاءة الطاقة الكهربائية المتولدة هي الأعلى من 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 الكهربائية بنسبة تصل إلى 70٪.

تعمل خلايا وقود الأكسيد الصلب في درجات حرارة عالية جدًا (600 درجة مئوية إلى 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. لقد نجحت في ترسيخ مكانتها في مجال تشغيل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة ، وكذلك لإنشاء مصادر طاقة محمولة. 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 (CH3OH) في وجود الماء عند الأنود ، مما يؤدي إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون وأيونات الهيدروجين والإلكترونات ، والتي يتم توجيهها من خلال دائرة كهربائية خارجية ، ويتم توليد تيار كهربائي. تمر أيونات الهيدروجين عبر الإلكتروليت وتتفاعل مع الأكسجين من الهواء والإلكترونات من الدائرة الخارجية لتكوين الماء عند الأنود.

تفاعل الأنود: CH3OH + H2O => CO2 + 6H + + 6e-
التفاعل عند الكاثود: 3 / 2O2 + 6H + + 6e- => 3H2O
تفاعل العنصر العام: CH3OH + 3 / 2O2 => CO2 + 2H2O

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 سفن الفضاءخلايا الوقود تنتج الكهرباء و يشرب الماء. تعد خلايا الوقود القلوية من أكثر العناصر كفاءة المستخدمة 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:

تفاعل الأنود: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
رد فعل عند الكاثود: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
رد الفعل العام للنظام: 2H2 + O2 => 2H2O

تكمن ميزة مركبات الكربون الكلورية فلورية في أن خلايا الوقود هذه هي الأرخص إنتاجًا ، لأن المحفز المطلوب على الأقطاب الكهربائية يمكن أن يكون أيًا من المواد الأرخص 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 SFC 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 H2O و CH4 ، والتي تعتبر آمنة لخلايا الوقود الأخرى وحتى الوقود لبعضها ، ضارة بـ SFCs.

خلايا وقود البوليمر المنحل بالكهرباء (PETE)

في حالة خلايا وقود البوليمر بالكهرباء ، يتكون غشاء البوليمر من ألياف بوليمر مع مناطق مائية يتم فيها توصيل أيونات الماء H2O + (بروتون ، أحمر) 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 (CsHSO4) على الماء. وبالتالي فإن درجة حرارة التشغيل هي 100-300 درجة مئوية. يسمح دوران أنيون SO42-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 ، ويترك من خلال المسام الموجودة في الأقطاب الكهربائية ، ويحتفظ 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

انضم إلينا على

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 تلويث البيئة. على عكس مصادر طاقة الوقود الأحفوري ، فإن المنتجات الثانوية لخلايا الوقود هي الحرارة والماء. كيف تعمل؟

في هذه المقالة ، سنراجع بإيجاز كل تقنية من تقنيات الوقود الموجودة اليوم ، بالإضافة إلى الحديث عن تصميم وتشغيل خلايا الوقود ، ومقارنتها 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. تقوم خلية الوقود بتحويل المواد الكيميائية والهيدروجين والأكسجين إلى ماء في عملية توليد الكهرباء.

الجهاز الكهروكيميائي الآخر الذي نعرفه جميعًا هو البطارية. تحتوي البطارية على كل ما يلزم العناصر الكيميائيةداخل نفسها وتحويل هذه المواد إلى كهرباء. هذا يعني أن البطارية "تموت" في النهاية وأنك تتخلص منها أو تعيد شحنها.

في خلية الوقود ، يتم إدخال مواد كيميائية فيها باستمرار حتى لا "تموت" أبدًا. سيتم توليد الكهرباء طالما كان هناك تدفق مواد كيميائيةفي العنصر. تستخدم معظم خلايا الوقود المستخدمة اليوم الهيدروجين والأكسجين.

الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة 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 صنع 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 (تيارًا مباشرًا) 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 ، وقد استخدم 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 لاستخدام السيارات.

خلايا وقود الميثانول خلية وقود الميثانول المباشر (DMFC)

خلايا وقود الميثانول قابلة للمقارنة مع PEMFC من حيث درجة حرارة التشغيل ، ولكنها ليست بنفس الكفاءة. 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 ، وغرافيت ، 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 ونقارن إجراءات مفيدةلدرجة إنتاج الطاقة الميكانيكية. لنبدأ بسيارة خلايا الوقود.

إذا كانت خلية الوقود تعمل بالهيدروجين 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 في استخدام الطاقة بنسبة 60 بالمائة.

إذا لم يكن مصدر الوقود على شكل هيدروجين نقي ، فستحتاج السيارة أيضًا 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 تيار مباشر (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 الكمية من 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 من أجل 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.