لن تفاجئ أحدا بعد الآن سواء بالألواح الشمسية أو توربينات الرياح التي تولد الكهرباء في جميع مناطق العالم. لكن خرج هذه الأجهزة ليس ثابتا ومن الضروري تركيب مصادر طاقة احتياطية أو الاتصال بالشبكة للحصول على الكهرباء خلال الفترة التي لا تقوم فيها مصادر الطاقة المتجددة بتوليد الكهرباء. لكن هناك منشآت، تم تطويرها في القرن التاسع عشر، تستخدم الوقود “البديل” لتوليد الكهرباء، أي لا تحرق الغاز أو المنتجات النفطية. هذه المنشآت هي خلايا الوقود.

تاريخ الخلق

تم اكتشاف خلايا الوقود (FC) أو خلايا الوقود في عام 1838-1839 على يد ويليام جروف (جروف، جروف)، عندما كان يدرس التحليل الكهربائي للماء.

مساعدة: التحليل الكهربائي للماء هو عملية تحلل الماء تحت تأثير التيار الكهربائي إلى جزيئات الهيدروجين والأكسجين

بعد فصل البطارية عن الخلية الإلكتروليتية، تفاجأ عندما اكتشف أن الأقطاب الكهربائية بدأت في امتصاص الغاز المنطلق وتوليد التيار. كان اكتشاف عملية الاحتراق الكهروكيميائي "البارد" للهيدروجين حدثًا مهمًا في صناعة الطاقة. قام فيما بعد بإنشاء بطارية جروف. يحتوي هذا الجهاز على قطب كهربائي من البلاتين مغمور في حمض النيتريك وقطب كهربائي من الزنك في كبريتات الزنك. لقد ولد تيارًا قدره 12 أمبير وجهد 8 فولت. ينمو نفسه يسمى هذا التصميم "البطارية الرطبة". ثم قام بإنشاء بطارية باستخدام قطبين كهربائيين من البلاتين. كان أحد طرفي كل قطب كهربائي في حامض الكبريتيك، وتم إغلاق الأطراف الأخرى في حاويات تحتوي على الهيدروجين والأكسجين. كان هناك تيار مستقر بين الأقطاب الكهربائية، وزادت كمية الماء داخل الحاويات. كان جرو قادرًا على تحلل وتحسين الماء الموجود في هذا الجهاز.

"نمو البطارية"

(المصدر: الجمعية الملكية للمتحف الوطني للتاريخ الطبيعي)

ظهر مصطلح "خلية الوقود" (بالإنجليزية "Fuel Cell") في عام 1889 فقط من قبل L. Mond و
C. لانجر الذي حاول إنشاء جهاز لتوليد الكهرباء من الهواء وغاز الفحم.

كيف يعمل هذا؟

تعتبر خلية الوقود جهازًا بسيطًا نسبيًا. يحتوي على قطبين: الأنود (القطب السالب) والكاثود (القطب الموجب). يحدث تفاعل كيميائي في الأقطاب الكهربائية. ولتسريع العملية، يتم طلاء سطح الأقطاب الكهربائية بمادة محفزة. تم تجهيز FCs بعنصر آخر - غشاء.يتم تحويل الطاقة الكيميائية للوقود مباشرة إلى كهرباء بفضل عمل الغشاء. إنه يفصل بين غرفتي العنصر الذي يتم توفير الوقود والمؤكسد فيه. يسمح الغشاء فقط للبروتونات، التي يتم إنتاجها نتيجة لتقسيم الوقود، بالمرور من غرفة إلى أخرى عند قطب كهربائي مطلي بمحفز (ثم تنتقل الإلكترونات عبر دائرة خارجية). وفي الغرفة الثانية، تتحد البروتونات مع الإلكترونات (وذرات الأكسجين) لتكوين الماء.

مبدأ عمل خلية وقود الهيدروجين

وعلى المستوى الكيميائي فإن عملية تحويل طاقة الوقود إلى طاقة كهربائية تشبه عملية الاحتراق التقليدية (الأكسدة).

أثناء الاحتراق الطبيعي للأكسجين، تحدث أكسدة الوقود العضوي، وتتحول الطاقة الكيميائية للوقود إلى طاقة حرارية. دعونا نرى ما يحدث أثناء أكسدة الهيدروجين بالأكسجين في بيئة إلكتروليتية وبوجود أقطاب كهربائية.

من خلال إمداد الهيدروجين إلى قطب كهربائي موجود في بيئة قلوية، يحدث تفاعل كيميائي:

2H2 + 4OH - → 4H2O + 4e -

كما ترون، نحصل على الإلكترونات التي تمر عبر الدائرة الخارجية، وتصل إلى القطب المعاكس، الذي يتدفق إليه الأكسجين وحيث يحدث التفاعل:

4e- + يا 2 + 2 ح 2 يا → 4أوه -

يمكن ملاحظة أن التفاعل الناتج 2H 2 + O 2 → H 2 O هو نفسه أثناء الاحتراق الطبيعي، ولكن تنتج خلية الوقود تيارًا كهربائيًا وبعض الحرارة.

أنواع خلايا الوقود

من المعتاد تصنيف خلايا الوقود حسب نوع المنحل بالكهرباء المستخدم في التفاعل:

لاحظ أن خلايا الوقود يمكنها أيضًا استخدام الفحم وأول أكسيد الكربون والكحوليات والهيدرازين والمواد العضوية الأخرى كوقود، والهواء وبيروكسيد الهيدروجين والكلور والبروم وحمض النيتريك وما إلى ذلك كعوامل مؤكسدة.

كفاءة خلايا الوقود

ومن سمات خلايا الوقود لا توجد قيود صارمة على الكفاءةمثل المحركات الحرارية.

المساعدة: الكفاءةدورة كارنو هي أعلى كفاءة ممكنة بين جميع المحركات الحرارية التي لها نفس درجات الحرارة الدنيا والقصوى.

ولذلك فإن كفاءة خلايا الوقود من الناحية النظرية يمكن أن تكون أعلى من 100%. ابتسم الكثيرون وفكروا: "لقد تم اختراع آلة الحركة الدائمة". لا، هنا يجب أن نعود إلى دورة الكيمياء المدرسية. تعتمد خلية الوقود على تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. هذا هو المكان الذي تحدث فيه المعجزات. يمكن لبعض التفاعلات الكيميائية عند حدوثها أن تمتص الحرارة من البيئة.

مساعدة: التفاعلات الماصة للحرارة هي تفاعلات كيميائية مصحوبة بامتصاص الحرارة. بالنسبة للتفاعلات الماصة للحرارة، فإن التغيرات في المحتوى الحراري والطاقة الداخلية لها قيم موجبة (Δح >0, Δ ش >0)، وبالتالي تحتوي منتجات التفاعل على طاقة أكبر من مكونات البداية.

مثال على هذا التفاعل هو أكسدة الهيدروجين، والذي يستخدم في معظم خلايا الوقود. ولذلك، من الناحية النظرية، يمكن أن تكون الكفاءة أكثر من 100٪. لكن اليوم، تسخن خلايا الوقود أثناء التشغيل ولا يمكنها امتصاص الحرارة من البيئة.

مساعدة: هذا القيد يفرضه القانون الثاني للديناميكا الحرارية. إن عملية انتقال الحرارة من الجسم "البارد" إلى الجسم "الساخن" غير ممكنة.

بالإضافة إلى ذلك، هناك خسائر مرتبطة بعمليات عدم التوازن. مثل: الخسائر الأومية بسبب التوصيل النوعي للكهارل والأقطاب الكهربائية، واستقطاب التنشيط والتركيز، وخسائر الانتشار. ونتيجة لذلك، يتم تحويل جزء من الطاقة المتولدة في خلايا الوقود إلى حرارة. ولذلك فإن خلايا الوقود ليست آلات ذات حركة دائمة وكفاءتها أقل من 100%. لكن كفاءتها أكبر من كفاءة الآلات الأخرى. اليوم تصل كفاءة خلايا الوقود إلى 80%.

مرجع:وفي الأربعينيات، قام المهندس الإنجليزي تي بيكون بتصميم وبناء بطارية خلية وقود بقدرة إجمالية تبلغ 6 كيلووات وكفاءة 80%، تعمل بالهيدروجين النقي والأكسجين، لكن نسبة القدرة إلى الوزن للبطارية تحولت إلى كانت صغيرة جدًا - كانت هذه العناصر غير مناسبة للاستخدام العملي ومكلفة للغاية (المصدر: http://www.powerinfo.ru/).

مشاكل خلايا الوقود

تستخدم جميع خلايا الوقود تقريبًا الهيدروجين كوقود، لذلك يطرح السؤال المنطقي: "أين يمكنني الحصول عليه؟"

ويبدو أنه تم اكتشاف خلية الوقود نتيجة للتحليل الكهربائي، لذا من الممكن استخدام الهيدروجين المنطلق نتيجة التحليل الكهربائي. ولكن دعونا ننظر إلى هذه العملية بمزيد من التفصيل.

وفقًا لقانون فاراداي: كمية المادة التي تتأكسد عند الأنود أو المخفضة عند الكاثود تتناسب مع كمية الكهرباء التي تمر عبر المنحل بالكهرباء. وهذا يعني أنه للحصول على المزيد من الهيدروجين، عليك إنفاق المزيد من الكهرباء. تعمل الطرق الحالية للتحليل الكهربائي للمياه بكفاءة أقل من واحد. ثم نستخدم الهيدروجين الناتج في خلايا الوقود، حيث تكون كفاءته أيضًا أقل من الوحدة. ولذلك، فإننا سوف ننفق المزيد من الطاقة مما يمكننا إنتاجه.

وبطبيعة الحال، يمكنك استخدام الهيدروجين المنتج من الغاز الطبيعي. تظل هذه الطريقة لإنتاج الهيدروجين هي الأرخص والأكثر شعبية. حاليًا، يأتي حوالي 50% من الهيدروجين المنتج في جميع أنحاء العالم من الغاز الطبيعي. ولكن هناك مشكلة في تخزين ونقل الهيدروجين. الهيدروجين ذو كثافة منخفضة ( لتر واحد من الهيدروجين يزن 0.0846 جم)، لذلك لنقلها لمسافات طويلة يجب ضغطها. وهذه تكاليف طاقة ومال إضافية. أيضا، لا ننسى السلامة.

ومع ذلك، هناك أيضًا حل هنا - يمكن استخدام الوقود الهيدروكربوني السائل كمصدر للهيدروجين. على سبيل المثال، الكحول الإيثيلي أو الميثيل. صحيح أن هذا يتطلب جهازًا إضافيًا خاصًا - محول الوقود الذي عند درجات الحرارة المرتفعة (بالنسبة للميثانول سيكون حوالي 240 درجة مئوية) يحول الكحول إلى خليط من الغازات H 2 و CO 2. ولكن في هذه الحالة، من الصعب بالفعل التفكير في قابلية النقل - من الجيد استخدام مثل هذه الأجهزة كمولدات ثابتة أو سيارات، ولكن بالنسبة للمعدات المحمولة المدمجة، فأنت بحاجة إلى شيء أقل حجمًا.

محفز

لتعزيز التفاعل في خلية الوقود، عادةً ما تتم معالجة سطح الأنود باستخدام محفز. حتى وقت قريب، كان البلاتين يستخدم كمحفز. ولذلك، كانت تكلفة خلية الوقود مرتفعة. ثانيا، البلاتين معدن نادر نسبيا. وفقا للخبراء، مع الإنتاج الصناعي لخلايا الوقود، سوف تنفد الاحتياطيات المؤكدة من البلاتين خلال 15-20 سنة. لكن العلماء في جميع أنحاء العالم يحاولون استبدال البلاتين بمواد أخرى. وبالمناسبة، فقد حقق بعضهم نتائج جيدة. لذلك استبدل العلماء الصينيون البلاتين بأكسيد الكالسيوم (المصدر: www.cheburek.net).

استخدام خلايا الوقود

تم اختبار أول خلية وقود في تكنولوجيا السيارات في عام 1959. واستخدم جرار أليس تشامبرز 1008 بطارية لتشغيله. كان الوقود عبارة عن خليط من الغازات، وخاصة البروبان والأكسجين.

المصدر: http://www.planetseed.com/

منذ منتصف الستينيات، وفي ذروة "سباق الفضاء"، أصبح مبتكرو المركبات الفضائية مهتمين بخلايا الوقود. إن عمل الآلاف من العلماء والمهندسين سمح لنا بالوصول إلى مستوى جديد، وفي عام 1965. تم اختبار خلايا الوقود في الولايات المتحدة على متن المركبة الفضائية جيميني 5، وبعد ذلك على المركبة الفضائية أبولو للرحلات إلى القمر وبرنامج المكوك. في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، تم تطوير خلايا الوقود في NPO Kvant، لاستخدامها أيضًا في الفضاء (المصدر: http://www.powerinfo.ru/).

وبما أن المنتج النهائي لاحتراق الهيدروجين في خلية الوقود هو الماء، فهي تعتبر الأنظف من حيث التأثير البيئي. ولذلك، بدأت خلايا الوقود تكتسب شعبية على خلفية الاهتمام العام بالبيئة.

وبالفعل، قامت شركات تصنيع السيارات مثل هوندا وفورد ونيسان ومرسيدس بنز بإنتاج سيارات تعمل بخلايا وقود الهيدروجين.

مرسيدس بنز - Ener-G-Force مدعوم بالهيدروجين

عند استخدام سيارات الهيدروجين، يتم حل مشكلة تخزين الهيدروجين. إن بناء محطات غاز الهيدروجين سيجعل من الممكن التزود بالوقود في أي مكان. علاوة على ذلك، فإن تزويد السيارة بالوقود بالهيدروجين أسرع من شحن سيارة كهربائية في محطة وقود. لكن عند تنفيذ مثل هذه المشاريع واجهنا مشكلة مشابهة لمشكلة السيارات الكهربائية. الناس على استعداد للتحول إلى سيارة الهيدروجين إذا كانت هناك بنية تحتية لهم. وسيبدأ بناء محطات الوقود إذا كان هناك عدد كاف من المستهلكين. لذلك، وصلنا مرة أخرى إلى معضلة البيضة والدجاجة.

وتستخدم خلايا الوقود على نطاق واسع في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. لقد مر الوقت بالفعل عندما تم شحن الهاتف مرة واحدة في الأسبوع. الآن يتم شحن الهاتف كل يوم تقريبًا، ويعمل الكمبيوتر المحمول لمدة 3-4 ساعات بدون شبكة. لذلك، قرر مصنعو تكنولوجيا الهاتف المحمول تصنيع خلية وقود بالهواتف وأجهزة الكمبيوتر المحمولة للشحن والتشغيل. على سبيل المثال شركة توشيبا عام 2003. أظهر نموذجًا أوليًا نهائيًا لخلية وقود الميثانول. وتنتج طاقة تبلغ حوالي 100 ميجاوات. عبوة واحدة مكونة من مكعبين من الميثانول المركز (99.5%) تكفي لمدة 20 ساعة من تشغيل مشغل MP3. مرة أخرى، عرضت شركة Toshiba نفسها بطارية لتشغيل أجهزة الكمبيوتر المحمولة بحجم 275 × 75 × 40 ملم، مما يسمح للكمبيوتر بالعمل لمدة 5 ساعات بشحنة واحدة.

لكن بعض الشركات المصنعة ذهبت إلى أبعد من ذلك. أصدرت شركة PowerTrekk شاحنًا يحمل نفس الاسم. PowerTrekk هو أول شاحن مياه في العالم. إنه سهل الاستخدام للغاية. يتطلب PowerTrekk إضافة الماء لتوفير الكهرباء الفورية عبر سلك USB. تحتوي خلية الوقود هذه على مسحوق السيليكون وسيليسيد الصوديوم (NaSi) عند مزجها مع الماء، يولد المزيج الهيدروجين. يتم خلط الهيدروجين مع الهواء في خلية الوقود نفسها، ويقوم بتحويل الهيدروجين إلى كهرباء من خلال التبادل الغشائي للبروتونات، بدون مراوح أو مضخات. يمكنك شراء هذا الشاحن المحمول مقابل 149 يورو (

تمثل خلايا الوقود (المولدات الكهروكيميائية) وسيلة فعالة للغاية ومتينة وموثوقة وصديقة للبيئة لتوليد الطاقة. في البداية، تم استخدامها فقط في صناعة الفضاء، ولكن اليوم يتم استخدام المولدات الكهروكيميائية بشكل متزايد في مجالات مختلفة: إمدادات الطاقة للهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، ومحركات المركبات، ومصادر الطاقة المستقلة للمباني، ومحطات الطاقة الثابتة. تعمل بعض هذه الأجهزة كنماذج أولية مختبرية، بينما يتم استخدام البعض الآخر لأغراض العرض التوضيحي أو يخضع لاختبارات ما قبل الإنتاج. ومع ذلك، يتم استخدام العديد من النماذج بالفعل في المشاريع التجارية ويتم إنتاجها بكميات كبيرة.

جهاز

خلايا الوقود هي أجهزة كهروكيميائية قادرة على توفير معدل تحويل مرتفع للطاقة الكيميائية الموجودة إلى طاقة كهربائية.

يشتمل جهاز خلية الوقود على ثلاثة أجزاء رئيسية:

1. قسم توليد الطاقة.
2. وحدة المعالجة المركزية؛
3. محول الجهد.

الجزء الرئيسي من خلية الوقود هو قسم توليد الطاقة، وهو عبارة عن بطارية مصنوعة من خلايا وقود فردية. يتم تضمين محفز البلاتين في هيكل أقطاب خلية الوقود. وباستخدام هذه الخلايا، يتم إنشاء تيار كهربائي مستمر.

يتميز أحد هذه الأجهزة بالخصائص التالية: عند جهد 155 فولت، يتم إنتاج 1400 أمبير. أبعاد البطارية: 0.9 متر عرضًا وارتفاعًا، و2.9 مترًا طولًا. وتتم العملية الكهروكيميائية فيها عند درجة حرارة 177 درجة مئوية، الأمر الذي يتطلب تسخين البطارية وقت بدء التشغيل، وكذلك إزالة الحرارة أثناء تشغيلها. ولهذا الغرض، يتم تضمين دائرة مياه منفصلة في خلية الوقود، ويتم تجهيز البطارية بلوحات تبريد خاصة.

تقوم عملية الوقود بتحويل الغاز الطبيعي إلى الهيدروجين، وهو أمر ضروري للتفاعل الكهروكيميائي. العنصر الرئيسي في معالج الوقود هو المصلح. فيه يتفاعل الغاز الطبيعي (أو أي وقود آخر يحتوي على الهيدروجين) عند ضغط مرتفع ودرجة حرارة عالية (حوالي 900 درجة مئوية) مع بخار الماء تحت تأثير محفز النيكل.

للحفاظ على درجة الحرارة المطلوبة للمصلح يوجد موقد. يتم إنشاء البخار المطلوب للإصلاح من المكثفات. يتم توليد تيار مباشر غير مستقر في بطارية خلية الوقود ويتم استخدام محول الجهد لتحويله.

يوجد أيضًا في كتلة محول الجهد:

• أجهزة التحكم.
• دوائر تعشيق الأمان التي تغلق خلية الوقود أثناء الأعطال المختلفة.

مبدأ التشغيل

تتكون أبسط خلية ذات غشاء لتبادل البروتونات من غشاء بوليمر يقع بين الأنود والكاثود، بالإضافة إلى محفزات الكاثود والأنود. يستخدم غشاء البوليمر كإلكتروليت.

• يشبه غشاء تبادل البروتونات مركبًا عضويًا صلبًا رقيقًا ذو سماكة صغيرة. يعمل هذا الغشاء كإلكتروليت في وجود الماء، فهو يفصل المادة إلى أيونات سالبة وإيجابية.
• تبدأ الأكسدة عند الأنود، ويحدث الاختزال عند الكاثود. يتكون الكاثود والأنود في خلية PEM من مادة مسامية؛ وهو عبارة عن خليط من جزيئات البلاتين والكربون. يعمل البلاتين كمحفز، مما يعزز تفاعل التفكك. يتم جعل الكاثود والأنود مساميين بحيث يمر الأكسجين والهيدروجين من خلالهما بحرية.
• يقع الأنود والكاثود بين لوحين معدنيين، وهما يزودان الكاثود والأنود بالأكسجين والهيدروجين، ويزيلان الطاقة الكهربائية والحرارة والماء.
• ومن خلال القنوات الموجودة في اللوحة، تدخل جزيئات الهيدروجين إلى القطب الموجب، حيث تتحلل الجزيئات إلى ذرات.
• نتيجة للامتصاص الكيميائي تحت تأثير المحفز، تتحول ذرات الهيدروجين إلى أيونات هيدروجين موجبة الشحنة H+، أي بروتونات.
• تنتشر البروتونات إلى الكاثود من خلال الغشاء، ويذهب تدفق الإلكترونات إلى الكاثود من خلال دائرة كهربائية خارجية خاصة. ويرتبط به حمل، أي أنه مستهلك للطاقة الكهربائية.
• الأكسجين، الذي يتم توفيره للكاثود، عند التعرض، يدخل في تفاعل كيميائي مع الإلكترونات من الدائرة الكهربائية الخارجية وأيونات الهيدروجين من غشاء تبادل البروتون. ونتيجة لهذا التفاعل الكيميائي يظهر الماء.

التفاعل الكيميائي الذي يحدث في أنواع أخرى من خلايا الوقود (على سبيل المثال، مع المنحل بالكهرباء الحمضية في شكل حمض الأرثوفوسفوريك H3PO4) مطابق تمامًا لتفاعل الجهاز مع غشاء تبادل البروتون.

صِنف

حاليًا، هناك عدة أنواع من خلايا الوقود معروفة، والتي تختلف في تكوين المنحل بالكهرباء المستخدم:

• خلايا الوقود المعتمدة على حمض الأرثوفوسفوريك أو حمض الفوسفوريك (PAFC، خلايا وقود حمض الفوسفوريك).
• الأجهزة ذات غشاء تبادل البروتونات (PEMFC، خلايا وقود غشاء تبادل البروتون).
• خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFC، خلايا وقود الأكسيد الصلب).
• مولدات كهروكيميائية تعتمد على الكربونات المنصهرة (MCFC، خلايا وقود الكربونات المنصهرة).

حاليًا، أصبحت المولدات الكهروكيميائية التي تستخدم تقنية PAFC أكثر انتشارًا.

طلب

اليوم، تُستخدم خلايا الوقود في المكوك الفضائي، وهي مركبة فضائية قابلة لإعادة الاستخدام. يستخدمون وحدات 12 واط. إنهم يولدون كل الكهرباء الموجودة على المركبة الفضائية. يتم استخدام الماء الذي يتكون أثناء التفاعل الكهروكيميائي للشرب، بما في ذلك معدات التبريد.

كما تم استخدام المولدات الكهروكيميائية لتشغيل المركبة الفضائية السوفيتية بوران، وهي مركبة قابلة لإعادة الاستخدام.

وتستخدم خلايا الوقود أيضا في التطبيقات المدنية.

• المنشآت الثابتة بقدرة 5-250 كيلوواط وما فوق. يتم استخدامها كمصادر مستقلة للحرارة وإمدادات الطاقة للمباني الصناعية والعامة والسكنية، وإمدادات الطاقة الاحتياطية والطوارئ، وإمدادات الطاقة غير المنقطعة.
• وحدات محمولة بقدرة 1-50 كيلو واط. يتم استخدامها للأقمار الصناعية والسفن الفضائية. يتم إنشاء المثيلات لعربات الجولف، والكراسي المتحركة، وثلاجات السكك الحديدية والبضائع، ولافتات الطرق.
• المنشآت المتنقلة بقدرة 25-150 كيلو واط. وقد بدأ استخدامها في السفن العسكرية والغواصات، بما في ذلك السيارات والمركبات الأخرى. تم بالفعل إنشاء نماذج أولية من قبل عمالقة السيارات مثل رينو ونيوبلان وتويوتا وفولكس فاجن وهيونداي ونيسان وفاز وجنرال موتورز وهوندا وفورد وغيرها.
• الأجهزة الدقيقة بقوة 1-500 واط. يجدون التطبيق في أجهزة الكمبيوتر المحمولة المتقدمة، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، والأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية، والهواتف المحمولة، والأجهزة العسكرية الحديثة.

الخصائص

• يتم إطلاق بعض الطاقة الناتجة عن التفاعل الكيميائي في كل خلية وقود على شكل حرارة. التبريد مطلوب. في الدائرة الخارجية، يؤدي تدفق الإلكترونات إلى إنشاء تيار مباشر يُستخدم لبذل شغل. يؤدي إيقاف حركة أيونات الهيدروجين أو فتح الدائرة الخارجية إلى توقف التفاعل الكيميائي.
• يتم تحديد كمية الكهرباء التي تنتجها خلايا الوقود من خلال ضغط الغاز ودرجة الحرارة والأبعاد الهندسية ونوع خلية الوقود. ولزيادة كمية الكهرباء الناتجة عن التفاعل، يمكن جعل خلايا الوقود أكبر حجمًا، ولكن عمليًا يتم استخدام عدة خلايا، والتي يتم دمجها في بطاريات.
• يمكن عكس العملية الكيميائية في بعض أنواع خلايا الوقود. أي أنه عند تطبيق فرق الجهد على الأقطاب الكهربائية، يمكن أن يتحلل الماء إلى أكسجين وهيدروجين، والذي سيتم جمعه على الأقطاب الكهربائية المسامية. عند تشغيل الحمل، ستولد خلية الوقود هذه طاقة كهربائية.

الآفاق

في الوقت الحالي، تتطلب المولدات الكهروكيميائية تكاليف أولية كبيرة لاستخدامها كمصدر رئيسي للطاقة. ومع إدخال أغشية أكثر استقرارا ذات موصلية عالية، ومحفزات فعالة ورخيصة، ومصادر بديلة للهيدروجين، ستصبح خلايا الوقود جذابة اقتصاديا للغاية وسيتم تنفيذها في كل مكان.

• سيتم تشغيل السيارات بخلايا الوقود، ولن يكون هناك محركات احتراق داخلي على الإطلاق. سيتم استخدام الماء أو الهيدروجين في الحالة الصلبة كمصدر للطاقة. ستكون عملية التزود بالوقود بسيطة وآمنة، وستكون القيادة صديقة للبيئة - ولن يتم إنتاج سوى بخار الماء.
• سيكون لجميع المباني مولدات طاقة محمولة خاصة بها تعمل بخلايا الوقود.
• ستحل المولدات الكهروكيميائية محل جميع البطاريات وسيتم تركيبها في أي أجهزة إلكترونية وأجهزة منزلية.

المزايا والعيوب

كل نوع من خلايا الوقود له عيوبه ومزاياه. بعضها يتطلب وقودًا عالي الجودة، والبعض الآخر لديه تصميم معقد ويتطلب درجات حرارة تشغيل عالية.

وبشكل عام يمكن ملاحظة المزايا التالية لخلايا الوقود:

• السلامة البيئية؛
• لا تحتاج المولدات الكهروكيميائية إلى إعادة الشحن؛
• تستطيع المولدات الكهروكيميائية توليد الطاقة باستمرار، ولا تهتم بالظروف الخارجية؛
• المرونة في الحجم وقابلية النقل.

ومن بين العيوب ما يلي:

• الصعوبات الفنية في تخزين الوقود ونقله؛
• العناصر غير الكاملة للجهاز: المحفزات والأغشية وما إلى ذلك.

خلية الوقود ( خلية الوقود) هو جهاز يحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. وهي تشبه من حيث المبدأ البطارية التقليدية، ولكنها تختلف من حيث أن تشغيلها يتطلب إمدادًا ثابتًا بالمواد من الخارج حتى يحدث التفاعل الكهروكيميائي. يتم تزويد خلايا الوقود بالهيدروجين والأكسجين، ويكون الناتج هو الكهرباء والماء والحرارة. وتشمل مزاياها الصداقة البيئية والموثوقية والمتانة وسهولة التشغيل. على عكس البطاريات التقليدية، يمكن للمحولات الكهروكيميائية أن تعمل عمليا إلى أجل غير مسمى طالما يتم توفير الوقود. ليس من الضروري أن يتم شحنها لساعات حتى يتم شحنها بالكامل. علاوة على ذلك، يمكن للخلايا نفسها شحن البطارية أثناء وقوف السيارة مع إيقاف تشغيل المحرك.

خلايا الوقود الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في مركبات الهيدروجين هي خلايا وقود غشاء البروتون (PEMFCs) وخلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFCs).

تعمل خلية الوقود ذات غشاء التبادل البروتوني على النحو التالي. يوجد بين الأنود والكاثود غشاء خاص ومحفز مطلي بالبلاتين. يتم توفير الهيدروجين إلى الأنود، والأكسجين (على سبيل المثال، من الهواء) إلى الكاثود. عند الأنود، يتحلل الهيدروجين إلى بروتونات وإلكترونات بمساعدة محفز. تمر بروتونات الهيدروجين عبر الغشاء وتصل إلى الكاثود، ويتم نقل الإلكترونات إلى الدائرة الخارجية (لا يسمح الغشاء لها بالمرور). يؤدي فرق الجهد الناتج إلى توليد تيار كهربائي. على الجانب الكاثود، تتأكسد بروتونات الهيدروجين بواسطة الأكسجين. ونتيجة لذلك يظهر بخار الماء وهو العنصر الأساسي في غازات عوادم السيارات. تتمتع خلايا PEM بكفاءة عالية، ولها عيب واحد مهم - حيث يتطلب تشغيلها هيدروجينًا نقيًا، ويعد تخزينه مشكلة خطيرة إلى حد ما.

إذا تم العثور على مثل هذا المحفز الذي يحل محل البلاتين باهظ الثمن في هذه الخلايا، فسيتم على الفور إنشاء خلية وقود رخيصة لتوليد الكهرباء، مما يعني أن العالم سوف يتخلص من الاعتماد على النفط.

خلايا الأكسيد الصلب

تعتبر خلايا SOFC ذات الأكسيد الصلب أقل تطلبًا بكثير على نقاء الوقود. بالإضافة إلى ذلك، وبفضل استخدام مصلح POX (الأكسدة الجزئية)، 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، وتحت تأثير درجة الحرارة أيضًا وباستخدام SOFC مباشرة (المكون من مادة خزفية مسامية تعتمد على أكسيد الزركونيوم)، يتأكسد الهيدروجين بواسطة الأكسجين الموجود في الهواء. بعد الحصول على الهيدروجين من البنزين، تستمر العملية حسب السيناريو الموضح أعلاه، مع فارق واحد فقط: خلية الوقود SOFC، على عكس الأجهزة التي تعمل بالهيدروجين، أقل حساسية للشوائب الموجودة في الوقود الأصلي. لذا فإن جودة البنزين لا ينبغي أن تؤثر على أداء خلية الوقود.

تعتبر درجة حرارة التشغيل المرتفعة لـ SOFC (650-800 درجة) عيبًا كبيرًا؛ وتستغرق عملية الإحماء حوالي 20 دقيقة. لكن الحرارة الزائدة ليست مشكلة، حيث يتم إزالتها بالكامل عن طريق الهواء المتبقي وغازات العادم التي ينتجها المصلح وخلية الوقود نفسها. يسمح ذلك بدمج نظام SOFC في السيارة كجهاز منفصل في هيكل معزول حرارياً.

يتيح لك الهيكل المعياري تحقيق الجهد المطلوب عن طريق توصيل مجموعة من الخلايا القياسية على التوالي. وربما الأهم من وجهة نظر تنفيذ مثل هذه الأجهزة، أن SOFC لا يحتوي على أقطاب كهربائية باهظة الثمن تعتمد على البلاتين. إن التكلفة العالية لهذه العناصر هي إحدى العقبات التي تعترض تطوير ونشر تكنولوجيا PEMFC.

أنواع خلايا الوقود

يوجد حاليًا الأنواع التالية من خلايا الوقود:

• الاتحاد الآسيوي.- خلية الوقود القلوية (خلية الوقود القلوية)؛
• PAFC- خلية وقود حمض الفوسفوريك (خلية وقود حمض الفوسفوريك)؛
• بي إم إف سي- خلية الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات (خلية وقود تحتوي على غشاء تبادل البروتونات)؛
• DMFC- خلية وقود الميثانول المباشرة (خلية وقود ذات تحلل مباشر للميثانول)؛
• ماكفك- خلية وقود الكربونات المنصهرة (خلية وقود الكربونات المنصهرة)؛
• SOFC– خلية وقود الأكسيد الصلب (خلية وقود الأكسيد الصلب).

مزايا خلايا/خلايا الوقود

خلية/خلية الوقود عبارة عن جهاز ينتج بكفاءة تيارًا مباشرًا وحرارة من الوقود الغني بالهيدروجين من خلال تفاعل كهروكيميائي.

تشبه خلية الوقود البطارية من حيث أنها تنتج تيارًا مباشرًا من خلال تفاعل كيميائي. تشتمل خلية الوقود على أنود وكاثود وإلكتروليت. ومع ذلك، على عكس البطاريات، لا تستطيع خلايا الوقود تخزين الطاقة الكهربائية ولا تفرغ أو تحتاج إلى كهرباء لإعادة الشحن. يمكن لخلايا الوقود أن تنتج الكهرباء بشكل مستمر طالما أن لديها إمدادات من الوقود والهواء.

على عكس مولدات الطاقة الأخرى، مثل محركات الاحتراق الداخلي أو التوربينات التي تعمل بالغاز والفحم وزيت الوقود وما إلى ذلك، فإن خلايا/خلايا الوقود لا تحرق الوقود. وهذا يعني عدم وجود دوّارات ذات ضغط عالٍ مزعجة، ولا ضجيج عالٍ للعادم، ولا اهتزاز. تنتج خلايا/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 الغازات الدفيئة مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان وأكسيد النيتروز. منتجات الانبعاثات الوحيدة أثناء التشغيل هي الماء على شكل بخار وكمية صغيرة من ثاني أكسيد الكربون، والذي لا يتم إطلاقه على الإطلاق إذا تم استخدام الهيدروجين النقي كوقود. يتم تجميع عناصر/خلايا الوقود في مجموعات ومن ثم إلى وحدات وظيفية فردية.

تاريخ تطور خلايا/خلايا الوقود

في الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي، نشأ أحد التحديات الأكثر إلحاحًا لخلايا الوقود من حاجة الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (ناسا) إلى مصادر الطاقة للمهام الفضائية طويلة الأمد. تستخدم خلية الوقود القلوية التابعة لناسا الهيدروجين والأكسجين كوقود من خلال الجمع بين العنصرين الكيميائيين في تفاعل كهروكيميائي. الناتج هو ثلاثة منتجات ثانوية مفيدة للتفاعل في رحلات الفضاء: الكهرباء لتشغيل المركبة الفضائية، والمياه لأنظمة الشرب والتبريد، والحرارة لتدفئة رواد الفضاء.

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

في أواخر ثلاثينيات القرن العشرين، بدأ العمل على خلايا الوقود باستخدام إلكتروليت قلوي، وبحلول عام 1939، تم بناء خلية تستخدم أقطابًا كهربائية عالية الضغط ومطلية بالنيكل. خلال الحرب العالمية الثانية، تم تطوير خلايا/خلايا الوقود لغواصات البحرية البريطانية وفي عام 1958 تم تقديم مجموعة وقود تتكون من خلايا/خلايا وقود قلوية يبلغ قطرها ما يزيد قليلاً عن 25 سم.

وتزايد الاهتمام في الخمسينيات والستينيات، وكذلك في الثمانينات، عندما شهد العالم الصناعي نقصًا في الوقود البترولي. وخلال نفس الفترة، أصبحت دول العالم أيضًا قلقة بشأن مشكلة تلوث الهواء وفكرت في طرق توليد الكهرباء بطريقة صديقة للبيئة. تشهد تكنولوجيا خلايا الوقود حاليا تطورا سريعا.

مبدأ تشغيل خلايا/خلايا الوقود

تنتج خلايا الوقود الكهرباء والحرارة نتيجة للتفاعل الكهروكيميائي الذي يحدث باستخدام المنحل بالكهرباء والكاثود والأنود.

يتم فصل الأنود والكاثود بواسطة إلكتروليت يقوم بتوصيل البروتونات. بعد تدفق الهيدروجين إلى الأنود والأكسجين إلى الكاثود، يبدأ تفاعل كيميائي، ونتيجة لذلك يتم توليد التيار الكهربائي والحرارة والماء.

عند محفز الأنود، ينفصل الهيدروجين الجزيئي ويفقد الإلكترونات. يتم توصيل أيونات الهيدروجين (البروتونات) عبر المنحل بالكهرباء إلى الكاثود، بينما تمر الإلكترونات عبر المنحل بالكهرباء وتنتقل عبر دائرة كهربائية خارجية، مما يؤدي إلى إنشاء تيار مباشر يمكن استخدامه لتشغيل المعدات. في المحفز 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).

وفيما يلي رد الفعل المقابل:

التفاعل عند الأنود: 2H 2 => 4H+ + 4e -
التفاعل عند الكاثود: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
رد الفعل العام للعنصر: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

أنواع وتنوع عناصر/خلايا الوقود

كما أن هناك أنواعًا مختلفة من محركات الاحتراق الداخلي، هناك أنواع مختلفة من خلايا الوقود - ويعتمد 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. وهذا يعني غالبًا أن معالجة الوقود مطلوبة لتحويل الوقود الأساسي (مثل الغاز الطبيعي) إلى هيدروجين نقي. تستهلك هذه العملية طاقة إضافية وتتطلب معدات خاصة. ولا تحتاج خلايا الوقود ذات الحرارة المرتفعة إلى هذا الإجراء الإضافي لأنها تستطيع "تحويل الوقود داخليًا" عند درجات حرارة مرتفعة، مما يعني عدم وجود حاجة للاستثمار في البنية التحتية للهيدروجين.

خلايا/خلايا وقود الكربونات المنصهرة (MCFC)

خلايا وقود الكربونات المنصهرة هي خلايا وقود ذات درجة حرارة عالية. تسمح درجة حرارة التشغيل المرتفعة بالاستخدام المباشر للغاز الطبيعي بدون معالج الوقود وغاز الوقود ذو القيمة الحرارية المنخفضة الناتج عن العمليات الصناعية والمصادر الأخرى.

يختلف تشغيل RCFC عن خلايا الوقود الأخرى. تستخدم هذه الخلايا إلكتروليتًا مصنوعًا من خليط من أملاح الكربونات المنصهرة. وحالياً يتم استخدام نوعين من المخاليط: كربونات الليثيوم وكربونات البوتاسيوم أو كربونات الليثيوم وكربونات الصوديوم. لإذابة أملاح الكربونات وتحقيق درجة عالية من الحركة الأيونية في المنحل بالكهرباء، تعمل خلايا الوقود التي تحتوي على إلكتروليت الكربونات المنصهرة في درجات حرارة عالية (650 درجة مئوية). تتراوح الكفاءة بين 60-80%.

عند تسخينها إلى درجة حرارة 650 درجة مئوية، تصبح الأملاح موصلة لأيونات الكربونات (CO 3 2-). تمر هذه الأيونات من الكاثود إلى الأنود، حيث تتحد مع الهيدروجين لتكوين الماء وثاني أكسيد الكربون والإلكترونات الحرة. يتم إرسال هذه الإلكترونات عبر دائرة كهربائية خارجية إلى الكاثود، مما يولد تيارًا كهربائيًا وحرارة كمنتج ثانوي.

التفاعل عند الأنود: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
التفاعل عند الكاثود: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
التفاعل العام للعنصر: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (الكاثود) => H 2 O (g) + CO 2 (الأنود)

تتمتع درجات حرارة التشغيل المرتفعة لخلايا الوقود المنحل بالكهرباء المنصهرة بمزايا معينة. في درجات الحرارة المرتفعة، يتم إصلاح الغاز الطبيعي داخليًا، مما يلغي الحاجة إلى معالج الوقود. وبالإضافة إلى ذلك، تشمل المزايا القدرة على استخدام مواد البناء القياسية مثل صفائح الفولاذ المقاوم للصدأ ومحفز النيكل على الأقطاب الكهربائية. يمكن استخدام الحرارة المهدرة لتوليد بخار عالي الضغط لمجموعة متنوعة من الأغراض الصناعية والتجارية.

درجات حرارة التفاعل العالية في المنحل بالكهرباء لها أيضًا مزاياها. يتطلب استخدام درجات الحرارة المرتفعة وقتًا طويلاً لتحقيق ظروف التشغيل المثالية، ويستجيب النظام بشكل أبطأ للتغيرات في استهلاك الطاقة. تسمح هذه الخصائص باستخدام تركيبات خلايا الوقود التي تحتوي على إلكتروليت الكربونات المنصهرة في ظل ظروف طاقة ثابتة. تمنع درجات الحرارة المرتفعة أول أكسيد الكربون من إتلاف خلية الوقود.

تعتبر خلايا الوقود التي تحتوي على إلكتروليت الكربونات المنصهرة مناسبة للاستخدام في المنشآت الثابتة الكبيرة. يتم إنتاج محطات توليد الطاقة الحرارية بقدرة إنتاجية كهربائية تبلغ 3.0 ميجاوات تجاريًا. ويجري تطوير المنشآت التي تصل طاقتها الإنتاجية إلى 110 ميجاوات.

خلايا/خلايا وقود حمض الفوسفوريك (PAFC)

كانت خلايا الوقود الحمضية الفوسفورية (الأرثوفوسفوريك) أول خلايا وقود للاستخدام التجاري.

تستخدم خلايا الوقود الحمضية الفوسفوريك (الأرثوفوسفوريك) إلكتروليتًا يعتمد على حمض الأرثوفوسفوريك (H 3 PO 4) بتركيز يصل إلى 100٪. تكون الموصلية الأيونية لحمض الفوسفوريك منخفضة عند درجات الحرارة المنخفضة، ولهذا السبب يتم استخدام خلايا الوقود هذه عند درجات حرارة تصل إلى 150-220 درجة مئوية.

حامل الشحنة في خلايا الوقود من هذا النوع هو الهيدروجين (H+، البروتون). تحدث عملية مماثلة في خلايا وقود غشاء تبادل البروتونات، حيث ينقسم الهيدروجين المزود إلى الأنود إلى بروتونات وإلكترونات. تنتقل البروتونات عبر المنحل بالكهرباء وتتحد مع الأكسجين الموجود في الهواء عند الكاثود لتكوين الماء. يتم إرسال الإلكترونات عبر دائرة كهربائية خارجية، وبالتالي توليد تيار كهربائي. وفيما يلي التفاعلات التي تولد التيار الكهربائي والحرارة.

التفاعل عند الأنود: 2H 2 => 4H + + 4e -
التفاعل عند الكاثود: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2 H 2 O
رد الفعل العام للعنصر: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

وتبلغ كفاءة خلايا الوقود المعتمدة على حمض الفوسفوريك (الأرثوفوسفوريك) أكثر من 40% عند توليد الطاقة الكهربائية. ومع الإنتاج المشترك للحرارة والكهرباء، تبلغ الكفاءة الإجمالية حوالي 85%. بالإضافة إلى ذلك، ونظرًا لدرجات حرارة التشغيل، يمكن استخدام الحرارة المهدرة لتسخين المياه وتوليد بخار الضغط الجوي.

يعد الأداء العالي لمحطات الطاقة الحرارية التي تستخدم خلايا الوقود المعتمدة على حمض الفوسفوريك (الأرثوفوسفوريك) في الإنتاج المشترك للطاقة الحرارية والكهربائية أحد مزايا هذا النوع من خلايا الوقود. تستخدم الوحدات أول أكسيد الكربون بتركيز حوالي 1.5%، مما يوسع بشكل كبير اختيار الوقود. بالإضافة إلى ذلك، لا يؤثر ثاني أكسيد الكربون على الإلكتروليت، ويعمل هذا النوع من الخلايا بالوقود الطبيعي المصلح. يعد التصميم البسيط والدرجة المنخفضة من تقلب الإلكتروليت وزيادة الاستقرار من مزايا هذا النوع من خلايا الوقود.

يتم إنتاج محطات توليد الطاقة الحرارية ذات قدرة إنتاجية كهربائية تصل إلى 500 كيلووات تجاريًا. لقد اجتازت المنشآت بقدرة 11 ميجاوات الاختبارات المناسبة. ويجري تطوير المنشآت التي تصل طاقتها الإنتاجية إلى 100 ميجاوات.

خلايا/خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFC)

خلايا وقود الأكسيد الصلب هي خلايا الوقود ذات درجة حرارة التشغيل الأعلى. 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 رفيع على قاعدة خزفية، وغالبًا ما يكون عبارة عن سبيكة من الإيتريوم والزركونيوم، وهو موصل لأيونات الأكسجين (O2-).

يوفر الإلكتروليت 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 (O2-). عند الكاثود، يتم فصل جزيئات الأكسجين من الهواء إلى أيون أكسجين وأربعة إلكترونات. تمر أيونات الأكسجين عبر الإلكتروليت وتتحد مع الهيدروجين لتكوين أربعة إلكترونات حرة. يتم إرسال الإلكترونات عبر دائرة كهربائية خارجية، مما يؤدي إلى توليد تيار كهربائي وحرارة ضائعة.

التفاعل عند الأنود: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
التفاعل عند الكاثود: O 2 + 4e - => 2O 2-
رد الفعل العام للعنصر: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

تعد كفاءة الطاقة الكهربائية المنتجة هي الأعلى بين جميع خلايا الوقود - حوالي 60-70٪. تسمح درجات حرارة التشغيل المرتفعة بالإنتاج المشترك للطاقة الحرارية والكهربائية لتوليد بخار عالي الضغط. إن الجمع بين خلية وقود عالية الحرارة وتوربينة يجعل من الممكن إنشاء خلية وقود هجينة لزيادة كفاءة توليد الطاقة الكهربائية بنسبة تصل إلى 75%.

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 المثالية واستجابة أبطأ للنظام للتغيرات في استهلاك الطاقة. في درجات حرارة التشغيل المرتفعة هذه، لا يلزم وجود محول لاستعادة الهيدروجين من الوقود، مما يسمح لمحطة الطاقة الحرارية بالعمل باستخدام أنواع الوقود غير النقي نسبيًا الناتجة عن تغويز الفحم أو غازات النفايات، وما إلى ذلك. تعتبر خلية الوقود أيضًا ممتازة لتطبيقات الطاقة العالية، بما في ذلك محطات الطاقة المركزية الصناعية والكبيرة. يتم إنتاج الوحدات ذات قدرة خرج كهربائية تبلغ 100 كيلووات تجاريًا.

خلايا/خلايا وقود أكسدة الميثانول المباشرة (DOMFC)

تمر تقنية استخدام خلايا الوقود مع أكسدة الميثانول المباشرة بفترة من التطور النشط. لقد أثبتت نفسها بنجاح في مجال تشغيل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وكذلك في إنشاء مصادر طاقة محمولة. وهذا هو ما يهدف إليه الاستخدام المستقبلي لهذه العناصر.

يشبه تصميم خلايا الوقود ذات الأكسدة المباشرة للميثانول خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات (MEPFC)، أي. يتم استخدام البوليمر كإلكتروليت، ويستخدم أيون الهيدروجين (البروتون) كحامل للشحنة. ومع ذلك، يتأكسد الميثانول السائل (CH 3 OH) في وجود الماء عند الأنود، ويطلق ثاني أكسيد الكربون وأيونات الهيدروجين والإلكترونات، والتي يتم إرسالها عبر دائرة كهربائية خارجية، وبالتالي توليد تيار كهربائي. تمر أيونات الهيدروجين عبر المنحل بالكهرباء 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
التفاعل العام للعنصر: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

وميزة هذا النوع من خلايا الوقود هو صغر حجمها، وذلك بسبب استخدام الوقود السائل، وعدم الحاجة إلى استخدام محول.

خلايا/خلايا الوقود القلوية (ALFC)

تعتبر خلايا الوقود القلوية من أكثر الخلايا كفاءة المستخدمة في توليد الكهرباء، حيث تصل كفاءة توليد الطاقة إلى 70%.

تستخدم خلايا الوقود القلوية إلكتروليتًا، وهو محلول مائي من هيدروكسيد البوتاسيوم، موجود في مصفوفة مسامية وثابتة. قد يختلف تركيز هيدروكسيد البوتاسيوم حسب درجة حرارة التشغيل لخلية الوقود، والتي تتراوح من 65 درجة مئوية إلى 220 درجة مئوية. حامل الشحنة في SHTE هو أيون الهيدروكسيل (OH -)، الذي ينتقل من الكاثود إلى الأنود، حيث يتفاعل مع الهيدروجين، وينتج الماء والإلكترونات. ويعود الماء الناتج عند الأنود إلى الكاثود، مما يؤدي مرة أخرى إلى توليد أيونات الهيدروكسيل هناك. نتيجة لهذه السلسلة من التفاعلات التي تحدث في خلية الوقود، يتم إنتاج الكهرباء والحرارة كمنتج ثانوي:

التفاعل عند الأنود: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
التفاعل عند الكاثود: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
رد الفعل العام للنظام: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

ميزة SHTE هي أن خلايا الوقود هذه هي الأرخص في الإنتاج، حيث أن المحفز المطلوب على الأقطاب الكهربائية يمكن أن يكون أي من المواد الأرخص من تلك المستخدمة كمحفزات لخلايا الوقود الأخرى. تعمل خلايا الوقود المفردة (SFC) في درجات حرارة منخفضة نسبيًا وهي من بين خلايا الوقود الأكثر كفاءة - وبالتالي يمكن لهذه الخصائص أن تساهم في توليد الطاقة بشكل أسرع وكفاءة عالية في استهلاك الوقود.

إحدى السمات المميزة لـ SHTE هي حساسيتها العالية لثاني أكسيد الكربون، والذي قد يكون موجودًا في الوقود أو الهواء. يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الإلكتروليت، ويسممه بسرعة، ويقلل بشكل كبير من كفاءة خلية الوقود. لذلك، يقتصر استخدام SHTE على الأماكن المغلقة، مثل المركبات الفضائية والمركبات تحت الماء، ويجب أن تعمل بالهيدروجين النقي والأكسجين. علاوة على ذلك، فإن الجزيئات مثل CO وH2O وCH4، والتي تعتبر آمنة لخلايا الوقود الأخرى، بل وتعمل كوقود لبعضها، تعتبر ضارة بـ SHFC.

خلايا الوقود البوليمرية بالكهرباء (PEFC)

في حالة خلايا وقود البوليمر بالكهرباء، يتكون غشاء البوليمر من ألياف بوليمر مع مناطق مائية حيث يتم توصيل أيونات الماء H2O+ (البروتون، الأحمر) بجزيء الماء). تشكل جزيئات الماء مشكلة بسبب بطء التبادل الأيوني. لذلك، يلزم وجود تركيز عالٍ من الماء في الوقود وفي أقطاب المخرج، مما يحد من درجة حرارة التشغيل إلى 100 درجة مئوية.

خلايا/خلايا الوقود الحمضي الصلب (SFC)

في خلايا الوقود الحمضي الصلب، لا يحتوي المنحل بالكهرباء (CsHSO 4) على الماء. وبالتالي فإن درجة حرارة التشغيل هي 100-300 درجة مئوية. إن دوران أنيونات الأوكسي SO 4 2- يسمح 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 كهربائيين يتم ضغطهما معًا بإحكام لضمان الاتصال الجيد. عند تسخينه، يتبخر المكون العضوي، ويخرج عبر المسام الموجودة في الأقطاب الكهربائية، مما يحافظ على قدرة الاتصالات المتعددة بين الوقود (أو الأكسجين في الطرف الآخر من العنصر)، والكهارل والأقطاب الكهربائية.

وحدات خلايا الوقود المختلفة. بطارية خلايا الوقود

1. بطارية خلايا الوقود
2. المعدات الأخرى التي تعمل في درجات حرارة عالية (مولد بخار متكامل، غرفة احتراق، مبدل توازن الحرارة)
3. عزل مقاوم للحرارة

وحدة خلايا الوقود

تحليل مقارن لأنواع وأصناف خلايا الوقود

عادةً ما يتم بناء محطات الحرارة والطاقة البلدية المبتكرة الموفرة للطاقة على خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFC)، وخلايا وقود البوليمر بالكهرباء (PEFC)، وخلايا وقود حمض الفوسفوريك (PAFC)، وخلايا وقود غشاء التبادل البروتوني (PEMFC)، وخلايا الوقود القلوية ( آلفك). عادة ما تكون لها الخصائص التالية:

ينبغي اعتبار خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFC) هي الأنسب، والتي:

• تعمل في درجات حرارة أعلى، مما يقلل الحاجة إلى المعادن الثمينة باهظة الثمن (مثل البلاتين)
• يمكن أن تعمل على أنواع مختلفة من الوقود الهيدروكربوني، وخاصة الغاز الطبيعي
• لديها وقت أطول لبدء التشغيل، وبالتالي فهي أكثر ملاءمة للعمل على المدى الطويل
• إثبات كفاءة عالية في توليد الطاقة (تصل إلى 70%)
• ونظرًا لدرجات حرارة التشغيل المرتفعة، يمكن دمج الوحدات مع أنظمة نقل الحرارة، مما يصل بكفاءة النظام الإجمالية إلى 85%
• تتميز بانبعاثات صفرية تقريبًا، وتعمل بصمت ولها متطلبات تشغيل منخفضة مقارنة بتقنيات توليد الطاقة الحالية

نوع خلية الوقود	درجة حرارة التشغيل	كفاءة توليد الطاقة	نوع الوقود	نطاق التطبيق
آر تي إي	550-700 درجة مئوية	50-70%		المنشآت المتوسطة والكبيرة
FCTE	100-220 درجة مئوية	35-40%	الهيدروجين النقي	المنشآت الكبيرة
موبتي	30-100 درجة مئوية	35-50%	الهيدروجين النقي	المنشآت الصغيرة
SOFC	450-1000 درجة مئوية	45-70%	معظم أنواع الوقود الهيدروكربوني	المنشآت الصغيرة والمتوسطة والكبيرة
بي إم إف سي	20-90 درجة مئوية	20-30%	الميثانول	محمول
شتي	50-200 درجة مئوية	40-70%	الهيدروجين النقي	أبحاث الفضاء
بيت	30-100 درجة مئوية	35-50%	الهيدروجين النقي	المنشآت الصغيرة

وبما أن محطات الطاقة الحرارية الصغيرة يمكن توصيلها بشبكة إمدادات الغاز التقليدية، فإن خلايا الوقود لا تتطلب نظام منفصل لإمداد الهيدروجين. عند استخدام محطات الطاقة الحرارية الصغيرة المعتمدة على خلايا وقود الأكسيد الصلب، يمكن دمج الحرارة المتولدة في المبادلات الحرارية لتسخين الماء وتهوية الهواء، مما يزيد من الكفاءة الإجمالية للنظام. تعتبر هذه التكنولوجيا المبتكرة هي الأنسب لتوليد الكهرباء بكفاءة دون الحاجة إلى بنية تحتية باهظة الثمن وتكامل الأدوات المعقدة.

تطبيق خلايا الوقود / الخلايا

تطبيق خلايا/خلايا الوقود في أنظمة الاتصالات

نظرًا للانتشار السريع لأنظمة الاتصالات اللاسلكية في جميع أنحاء 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 شبكة الكهرباء على مدار العام بسبب سوء الأحوال الجوية أو الكوارث الطبيعية أو قدرة الشبكة المحدودة تحديًا مستمرًا لمشغلي الشبكة.

تشتمل حلول النسخ الاحتياطي للطاقة التقليدية في مجال الاتصالات على البطاريات (خلية بطارية الرصاص الحمضية الخاضعة للتنظيم) لتوفير الطاقة الاحتياطية على المدى القصير ومولدات الديزل والبروبان لتوفير الطاقة الاحتياطية على المدى الطويل. تعتبر البطاريات مصدرًا رخيصًا نسبيًا للطاقة الاحتياطية لمدة تتراوح بين ساعة وساعتين. ومع ذلك، فإن البطاريات ليست مناسبة للطاقة الاحتياطية على المدى الطويل لأن صيانتها باهظة الثمن، وتصبح غير موثوقة بعد فترات طويلة من الاستخدام، كما أنها حساسة لدرجات الحرارة، كما تشكل خطراً على البيئة بعد التخلص منها. يمكن لمولدات الديزل والبروبان توفير طاقة احتياطية على المدى الطويل. ومع ذلك، يمكن أن تكون المولدات غير موثوقة، وتتطلب صيانة مكثفة، وتنبعث منها مستويات عالية من الملوثات والغازات الدفيئة.

للتغلب على القيود المفروضة على حلول الطاقة الاحتياطية التقليدية، تم تطوير تكنولوجيا خلايا الوقود الخضراء المبتكرة. تتميز خلايا الوقود بأنها موثوقة وهادئة وتحتوي على أجزاء متحركة أقل من المولدات، 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 تكاليف مثل هذا التثبيت على مدى الحياة أقل من تكاليف المولد. ينتج انخفاض تكاليف خلايا الوقود عن زيارة صيانة واحدة فقط سنويًا وزيادة إنتاجية المصنع بشكل ملحوظ. في نهاية المطاف، تعتبر خلية الوقود حلاً تكنولوجيًا صديقًا للبيئة بأقل تأثير على البيئة.

توفر وحدات خلايا الوقود طاقة احتياطية للبنى التحتية لشبكات الاتصالات الحيوية للاتصالات اللاسلكية والدائمة وعريضة النطاق في نظام الاتصالات، تتراوح من 250 واط إلى 15 كيلو واط، وتوفر العديد من الميزات المبتكرة التي لا مثيل لها:

• مصداقية- عدد قليل من الأجزاء المتحركة وعدم وجود تفريغ في وضع الاستعداد
• توفير الطاقة
• الصمت– مستوى ضوضاء منخفض
• الاستدامة– نطاق التشغيل من -40 درجة مئوية إلى +50 درجة مئوية
• القدرة على التكيف- التركيب في الخارج والداخل (حاوية / حاوية واقية)
• قوة عالية- ما يصل إلى 15 كيلو واط
• متطلبات صيانة منخفضة– الحد الأدنى من الصيانة السنوية
• اقتصادية- تكلفة إجمالية جذابة للملكية
• الطاقة الخضراء– انبعاثات منخفضة مع الحد الأدنى من التأثير على البيئة

يستشعر النظام جهد ناقل التيار المستمر في جميع الأوقات ويقبل الأحمال الحرجة بسلاسة إذا انخفض جهد ناقل التيار المستمر إلى أقل من نقطة محددة يحددها المستخدم. يعمل النظام بالهيدروجين، الذي يتم توفيره لمجموعة خلايا الوقود بإحدى طريقتين - إما من مصدر هيدروجين صناعي أو من وقود سائل من الميثانول والماء، باستخدام نظام إصلاح متكامل.

يتم إنتاج الكهرباء بواسطة مكدس خلايا الوقود على شكل تيار مباشر. يتم نقل طاقة التيار المستمر إلى محول، والذي يحول طاقة التيار المستمر غير المنظمة القادمة من مجموعة خلايا الوقود إلى طاقة تيار مستمر منظمة عالية الجودة للأحمال المطلوبة. يمكن أن توفر تركيبات خلايا الوقود طاقة احتياطية لعدة أيام حيث أن المدة محدودة فقط بكمية وقود الهيدروجين أو الميثانول/الماء المتوفر.

توفر خلايا الوقود توفيرًا فائقًا للطاقة، وموثوقية محسنة للنظام، وأداء أكثر قابلية للتنبؤ به في نطاق واسع من المناخات، ومتانة تشغيلية موثوقة مقارنة بحزم بطاريات الرصاص الحمضية القياسية الصناعية التي تنظمها الصمامات. كما أن التكاليف مدى الحياة أقل أيضًا بسبب انخفاض متطلبات الصيانة والاستبدال بشكل كبير. توفر خلايا الوقود فوائد بيئية للمستخدم النهائي حيث أن تكاليف التخلص ومخاطر المسؤولية المرتبطة بخلايا الرصاص الحمضية تشكل مصدر قلق متزايد.

يمكن أن يتأثر أداء البطاريات الكهربائية سلبًا بمجموعة واسعة من العوامل مثل مستوى الشحن ودرجة الحرارة ودورة الحياة ومتغيرات أخرى. وتختلف الطاقة المقدمة تبعا لهذه العوامل وليس من السهل التنبؤ بها. لا يتأثر أداء خلية الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات (PEMFC) نسبيًا بهذه العوامل ويمكن أن يوفر طاقة حرجة طالما يتوفر الوقود. تعد زيادة القدرة على التنبؤ فائدة مهمة عند الانتقال إلى خلايا الوقود لتطبيقات الطاقة الاحتياطية ذات المهام الحرجة.

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

الوقود المستخدم لتشغيل محول الوقود طويل الأمد هو خليط وقود من الميثانول والماء. الميثانول هو وقود متاح على نطاق واسع ويتم إنتاجه تجاريًا وله حاليًا العديد من الاستخدامات، بما في ذلك غسالات الزجاج الأمامي والزجاجات البلاستيكية والمواد المضافة للمحركات والدهانات المستحلبة وغيرها. يتم نقل الميثانول بسهولة، ويمكن خلطه بالماء، وله قابلية جيدة للتحلل الحيوي ولا يحتوي على الكبريت. لديه نقطة تجمد منخفضة (-71 درجة مئوية) ولا يتحلل أثناء التخزين على المدى الطويل.

تطبيق خلايا/خلايا الوقود في شبكات الاتصالات

تتطلب شبكات الاتصالات الآمنة حلول طاقة احتياطية موثوقة يمكن أن تعمل لساعات أو أيام في حالات الطوارئ إذا لم تعد شبكة الطاقة متوفرة.

مع وجود عدد قليل من الأجزاء المتحركة وعدم فقدان الطاقة الاحتياطية، توفر تقنية خلايا الوقود المبتكرة حلاً جذابًا لأنظمة الطاقة الاحتياطية الحالية.

الحجة الأكثر إقناعًا لاستخدام تكنولوجيا خلايا الوقود في شبكات الاتصالات هي زيادة الموثوقية والسلامة بشكل عام. أثناء أحداث مثل انقطاع التيار الكهربائي والزلازل والعواصف والأعاصير، من المهم أن تستمر الأنظمة في العمل ويتم تزويدها بطاقة احتياطية موثوقة على مدى فترة طويلة من الزمن، بغض النظر عن درجة الحرارة أو عمر نظام الطاقة الاحتياطية.

يعد خط أجهزة الطاقة المعتمدة على خلايا الوقود مثاليًا لدعم شبكات الاتصالات السرية. بفضل مبادئ تصميمها الموفرة للطاقة، فإنها توفر طاقة احتياطية موثوقة وصديقة للبيئة مع مدة ممتدة (تصل إلى عدة أيام) للاستخدام في نطاق الطاقة من 250 واط إلى 15 كيلو واط.

تطبيق خلايا/خلايا الوقود في شبكات البيانات

إن إمدادات الطاقة الموثوقة لشبكات البيانات، مثل شبكات البيانات عالية السرعة والألياف الضوئية، لها أهمية رئيسية في جميع أنحاء العالم. تحتوي المعلومات المنقولة عبر هذه الشبكات على بيانات مهمة لمؤسسات مثل البنوك أو شركات الطيران أو المراكز الطبية. إن انقطاع التيار الكهربائي في مثل هذه الشبكات لا يشكل خطرا على المعلومات المرسلة فحسب، بل يؤدي أيضا، كقاعدة عامة، إلى خسائر مالية كبيرة. توفر تركيبات خلايا الوقود الموثوقة والمبتكرة التي توفر مصدر طاقة احتياطيًا الموثوقية اللازمة لضمان إمداد الطاقة دون انقطاع.

توفر وحدات خلايا الوقود، التي تعمل بخليط الوقود السائل من الميثانول والماء، طاقة احتياطية موثوقة لمدة طويلة تصل إلى عدة أيام. بالإضافة إلى ذلك، خفضت هذه الوحدات متطلبات الصيانة بشكل كبير مقارنة بالمولدات والبطاريات، حيث لا تتطلب سوى زيارة صيانة واحدة سنويًا.

خصائص موقع التطبيق النموذجية لاستخدام تركيبات خلايا الوقود في شبكات البيانات:

• التطبيقات ذات كميات استهلاك الطاقة من 100 واط إلى 15 كيلو واط
• التطبيقات التي تتطلب عمر بطارية أكبر من 4 ساعات
• أجهزة إعادة الإرسال في أنظمة الألياف الضوئية (التسلسل الهرمي للأنظمة الرقمية المتزامنة، الإنترنت عالي السرعة، الصوت عبر بروتوكول الإنترنت ...)
• عقد الشبكة لنقل البيانات بسرعة عالية
• عقد نقل WiMAX

توفر تركيبات الطاقة الاحتياطية لخلايا الوقود فوائد عديدة للبنى التحتية لشبكات البيانات الحيوية مقارنة بالبطاريات التقليدية أو مولدات الديزل، مما يسمح بزيادة الاستخدام في الموقع:

1. تحل تقنية الوقود السائل مشكلة وضع الهيدروجين وتوفر طاقة احتياطية غير محدودة تقريبًا.
2. بفضل تشغيلها الهادئ ووزنها المنخفض ومقاومتها للتغيرات في درجات الحرارة وتشغيلها الخالي من الاهتزازات، يمكن تركيب خلايا الوقود خارج المباني أو في المباني الصناعية/الحاويات أو على أسطح المنازل.
3. الاستعدادات لاستخدام النظام في الموقع سريعة واقتصادية، وتكاليف التشغيل منخفضة.
4. الوقود قابل للتحلل الحيوي ويوفر حلاً صديقًا للبيئة للبيئات الحضرية.

تطبيق خلايا الوقود/خلايا الوقود في الأنظمة الأمنية

إن أنظمة أمن واتصالات المباني الأكثر تصميمًا بعناية لا يمكن الاعتماد عليها إلا بقدر موثوقية مصدر الطاقة الذي يدعمها. في حين أن معظم الأنظمة تشتمل على نوع من أنظمة الطاقة الاحتياطية غير المنقطعة لفقدان الطاقة على المدى القصير، إلا أنها لا تستوعب انقطاع التيار الكهربائي على المدى الطويل الذي يمكن أن يحدث بعد الكوارث الطبيعية أو الهجمات الإرهابية. قد تكون هذه مشكلة حرجة للعديد من الشركات والوكالات الحكومية.

الأنظمة الحيوية مثل أنظمة مراقبة الدخول والتحكم في الدوائر التلفزيونية المغلقة (قارئات بطاقات الهوية، وأجهزة قفل الأبواب، وتكنولوجيا تحديد الهوية البيومترية، وما إلى ذلك)، وأنظمة إنذار الحريق وإطفاء الحرائق الأوتوماتيكية، وأنظمة التحكم في المصاعد وشبكات الاتصالات، معرضة للخطر في غياب مصدر طاقة بديل موثوق وطويل الأمد.

تُحدث مولدات الديزل الكثير من الضوضاء، ويصعب تحديد موقعها، كما أنها تعاني من مشكلات معروفة في الموثوقية والصيانة. في المقابل، فإن تركيب خلايا الوقود التي توفر طاقة احتياطية يكون هادئًا وموثوقًا وينتج انبعاثات صفرية أو منخفضة جدًا، ويمكن تركيبه بسهولة على السطح أو خارج المبنى. لا يتم تفريغها أو فقدان الطاقة في وضع الاستعداد. فهو يضمن استمرار تشغيل الأنظمة الحيوية، حتى بعد توقف المنشأة عن العمل وإخلاء المبنى.

تعمل تركيبات خلايا الوقود المبتكرة على حماية الاستثمارات الباهظة الثمن في التطبيقات المهمة. إنها توفر طاقة احتياطية موثوقة وصديقة للبيئة مع مدة ممتدة (تصل إلى عدة أيام) للاستخدام في نطاق الطاقة من 250 واط إلى 15 كيلو واط، بالإضافة إلى العديد من الميزات التي لا مثيل لها، وخاصة المستويات العالية لتوفير الطاقة.

توفر تركيبات الطاقة الاحتياطية لخلايا الوقود العديد من المزايا لاستخدامها في التطبيقات ذات المهام الحرجة مثل أنظمة الأمن والتحكم في البناء مقارنة بالمولدات التقليدية التي تعمل بالبطاريات أو التي تعمل بالديزل. تحل تقنية الوقود السائل مشكلة وضع الهيدروجين وتوفر طاقة احتياطية غير محدودة تقريبًا.

تطبيق خلايا/خلايا الوقود في التدفئة البلدية وتوليد الطاقة

توفر خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFCs) محطات طاقة حرارية موثوقة وموفرة للطاقة وخالية من الانبعاثات لتوليد الكهرباء والحرارة من الغاز الطبيعي ومصادر الوقود المتجددة المتاحة على نطاق واسع. تُستخدم هذه التركيبات المبتكرة في مجموعة متنوعة من الأسواق، بدءًا من توليد الطاقة المنزلية وحتى إمدادات الطاقة عن بُعد، بالإضافة إلى إمدادات الطاقة الإضافية.

تطبيق خلايا/خلايا الوقود في شبكات التوزيع

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

ويوضح الشكل أدناه الفقد في كفاءة توليد الكهرباء عندما يتم توليدها في محطة توليد حرارية ونقلها إلى المنازل عبر شبكات نقل الطاقة التقليدية المستخدمة حالياً. تشمل خسائر الكفاءة في التوليد المركزي الخسائر من محطة توليد الكهرباء، ونقل الجهد المنخفض والجهد العالي، 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 الناتجة عن خلايا الوقود لتسخين المياه والمساحة، مما يزيد من الكفاءة الإجمالية لمعالجة طاقة الوقود ويزيد من توفير الطاقة.

استخدام خلايا الوقود لحماية البيئة - استغلال الغاز البترولي المصاحب

من أهم المهام في صناعة النفط هو استغلال الغاز البترولي المصاحب. إن الطرق الحالية لاستخدام الغاز النفطي المصاحب لها الكثير من العيوب، وأهمها أنها غير مجدية اقتصاديًا. يتم حرق الغاز النفطي المصاحب، مما يسبب أضرارا جسيمة للبيئة وصحة الإنسان.

محطات الطاقة الحرارية المبتكرة التي تستخدم خلايا الوقود التي تستخدم الغاز البترولي المصاحب كوقود تفتح الطريق أمام حل جذري وفعال من حيث التكلفة لمشاكل استخدام الغاز البترولي المصاحب.

1. إحدى المزايا الرئيسية لتركيبات خلايا الوقود هي أنها يمكن أن تعمل بشكل موثوق وثابت على الغاز النفطي المصاحب ذو التركيبة المتغيرة. بسبب التفاعل الكيميائي عديم اللهب الكامن وراء تشغيل خلية الوقود، فإن انخفاض نسبة الميثان، على سبيل المثال، يؤدي فقط إلى انخفاض مماثل في إنتاج الطاقة.
2. المرونة فيما يتعلق بالحمل الكهربائي للمستهلكين، والانخفاض، وزيادة الحمل.
3. لتركيب وربط محطات الطاقة الحرارية على خلايا الوقود، لا يتطلب تنفيذها نفقات رأسمالية، لأن يمكن تركيب الوحدات بسهولة في مواقع غير معدة بالقرب من الحقول، كما أنها سهلة التشغيل وموثوقة وفعالة.
4. لا تتطلب الأتمتة العالية وجهاز التحكم عن بعد الحديث وجودًا دائمًا للموظفين في التثبيت.
5. البساطة والكمال الفني للتصميم: يوفر غياب الأجزاء المتحركة والاحتكاك وأنظمة التشحيم فوائد اقتصادية كبيرة من تشغيل تركيبات خلايا الوقود.
6. استهلاك المياه: لا شيء في درجات الحرارة المحيطة حتى +30 درجة مئوية ولا يكاد يذكر في درجات الحرارة المرتفعة.
7. مخرج المياه : لا يوجد
8. بالإضافة إلى ذلك فإن محطات الطاقة الحرارية التي تستخدم خلايا الوقود لا تصدر ضوضاء ولا تهتز، لا تنتج انبعاثات ضارة في الغلاف الجوي

خلية وقود الهيدروجين من نيسان

تتحسن الإلكترونيات المحمولة كل عام، وأصبحت أكثر انتشارًا ويمكن الوصول إليها: أجهزة المساعد الرقمي الشخصي، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، والأجهزة المحمولة والرقمية، وإطارات الصور، وما إلى ذلك. ويتم تحديث جميعها باستمرار بوظائف جديدة، وشاشات أكبر، واتصالات لاسلكية، ومعالجات أقوى، مع انخفاض حجمها. . إن تكنولوجيات الطاقة، على النقيض من تكنولوجيا أشباه الموصلات، لا تتقدم بسرعة فائقة.

أصبحت البطاريات والمراكم الموجودة لتشغيل إنجازات الصناعة غير كافية، وبالتالي فإن مسألة المصادر البديلة حادة للغاية. تعتبر خلايا الوقود المجال الواعد إلى حد بعيد. تم اكتشاف مبدأ عملها في عام 1839 من قبل ويليام جروف، الذي قام بتوليد الكهرباء عن طريق تغيير التحليل الكهربائي للمياه.

فيديو: وثائقي، خلايا الوقود للنقل: الماضي، الحاضر، المستقبل

تحظى خلايا الوقود باهتمام شركات تصنيع السيارات، كما يهتم بها مصممو السفن الفضائية. في عام 1965، تم اختبارهم حتى من قبل أمريكا على المركبة الفضائية الجوزاء 5، التي تم إطلاقها في الفضاء، وفي وقت لاحق أبولو. ولا تزال ملايين الدولارات تُستثمر في أبحاث خلايا الوقود حتى يومنا هذا، في ظل المشاكل المرتبطة بالتلوث البيئي وزيادة انبعاثات الغازات الدفيئة الناتجة عن احتراق الوقود الأحفوري، الذي لا تنتهي احتياطياته أيضًا.

تعمل خلية الوقود، والتي تسمى غالبًا بالمولد الكهروكيميائي، بالطريقة الموضحة أدناه.

كونه مثل البطاريات والبطاريات، عنصر كلفاني، ولكن مع اختلاف تخزين المواد الفعالة فيه بشكل منفصل. يتم توفيرها للأقطاب الكهربائية عند استخدامها. يحترق الوقود الطبيعي أو أي مادة يتم الحصول عليها منه على القطب السالب، والذي يمكن أن يكون غازيًا (مثل الهيدروجين وأول أكسيد الكربون) أو سائلًا مثل الكحول. يتفاعل الأكسجين عادة عند القطب الموجب.

لكن مبدأ التشغيل الذي يبدو بسيطًا ليس من السهل ترجمته إلى واقع.

خلية الوقود DIY

فيديو: اصنع بنفسك خلية وقود الهيدروجين

لسوء الحظ، ليس لدينا صور لما يجب أن يبدو عليه عنصر الوقود هذا، فنحن نعتمد على خيالك.

يمكنك صنع خلية وقود منخفضة الطاقة بيديك حتى في مختبر المدرسة. تحتاج إلى تخزين قناع غاز قديم وعدة قطع من زجاج شبكي وقلوي ومحلول مائي من الكحول الإيثيلي (بشكل أكثر بساطة الفودكا) والذي سيكون بمثابة "وقود" لخلية الوقود.

بادئ ذي بدء، تحتاج إلى السكن لخلية الوقود، والتي من الأفضل أن تكون مصنوعة من زجاج شبكي، لا يقل سمكها عن خمسة ملليمترات. يمكن جعل الأقسام الداخلية (توجد خمس حجرات بالداخل) أرق قليلاً - 3 سم لغراء زجاج شبكي، استخدم غراء التركيبة التالية: يتم إذابة ستة جرامات من نشارة زجاج شبكي في مائة جرام من الكلوروفورم أو ثنائي كلورو إيثان (يتم تنفيذ العمل). من تحت غطاء محرك السيارة).

أنت الآن بحاجة إلى حفر ثقب في الجدار الخارجي، حيث تحتاج إلى إدخال أنبوب تصريف زجاجي بقطر 5-6 سم من خلال سدادة مطاطية.

يعلم الجميع أنه في الجدول الدوري، توجد المعادن الأكثر نشاطًا في الزاوية اليسرى السفلية، بينما توجد أشباه الفلزات النشطة للغاية في الزاوية اليمنى العليا من الجدول، أي. وتزداد القدرة على منح الإلكترونات من الأعلى إلى الأسفل ومن اليمين إلى اليسار. العناصر التي يمكن، في ظل ظروف معينة، أن تظهر نفسها كمعادن أو أشباه فلزات موجودة في وسط الجدول.

الآن نسكب الكربون المنشط من قناع الغاز في الجزأين الثاني والرابع (بين القسم الأول والثاني، وكذلك الثالث والرابع)، والذي سيكون بمثابة أقطاب كهربائية. لمنع تسرب الفحم من خلال الثقوب، يمكنك وضعه في نسيج النايلون (جوارب النايلون النسائية مناسبة). في

سيتم تعميم الوقود في الغرفة الأولى، وفي الخامس يجب أن يكون هناك مورد للأكسجين - الهواء. سيكون هناك إلكتروليت بين الأقطاب الكهربائية، ومن أجل منعه من التسرب إلى غرفة الهواء، قبل ملء الحجرة الرابعة بالفحم الخاص بإلكتروليت الهواء، تحتاج إلى نقعه بمحلول البارافين في البنزين (نسبة 2 جرام من البارافين إلى نصف كوب من البنزين). تحتاج إلى وضع ألواح نحاسية (عن طريق الضغط قليلاً) على طبقة الفحم التي يتم لحام الأسلاك بها. من خلالها، سيتم تحويل التيار من الأقطاب الكهربائية.

كل ما تبقى هو شحن العنصر. للقيام بذلك، تحتاج إلى الفودكا، والتي يجب تخفيفها بالماء 1: 1. ثم أضف بعناية ثلاثمائة إلى ثلاثمائة وخمسين جرامًا من البوتاسيوم الكاوي. بالنسبة للإلكتروليت، يتم إذابة 70 جرامًا من هيدروكسيد البوتاسيوم في 200 جرام من الماء.

خلية الوقود جاهزة للاختبار.أنت الآن بحاجة إلى صب الوقود في الغرفة الأولى والكهارل في الغرفة الثالثة في نفس الوقت. يجب أن يظهر الفولتميتر المتصل بالأقطاب الكهربائية من 07 فولت إلى 0.9. لضمان التشغيل المستمر للعنصر، من الضروري إزالة الوقود المستهلك (استنزافه في كوب) وإضافة وقود جديد (من خلال أنبوب مطاطي). يتم ضبط معدل التغذية عن طريق الضغط على الأنبوب. هذا ما يبدو عليه عمل خلية الوقود في ظروف المختبر، والتي تكون قوتها منخفضة بشكل مفهوم.

فيديو: خلية الوقود أو البطارية الأبدية في المنزل

ولضمان قدر أكبر من القوة، ظل العلماء يعملون على هذه المشكلة لفترة طويلة. يحتوي الفولاذ النشط قيد التطوير على خلايا وقود الميثانول والإيثانول. لكن لسوء الحظ، لم يتم تطبيقها بعد.

لماذا يتم اختيار خلية الوقود كمصدر بديل للطاقة؟

تم اختيار خلية الوقود كمصدر بديل للطاقة، حيث أن المنتج النهائي لاحتراق الهيدروجين فيها هو الماء. المشكلة الوحيدة هي إيجاد طريقة غير مكلفة وفعالة لإنتاج الهيدروجين. إن الأموال الهائلة المستثمرة في تطوير مولدات الهيدروجين وخلايا الوقود لا يمكن إلا أن تؤتي ثمارها، وبالتالي فإن التقدم التكنولوجي واستخدامها الحقيقي في الحياة اليومية ليس سوى مسألة وقت.

بالفعل اليوم وحوش صناعة السيارات:تعرض جنرال موتورز وهوندا ودريملر كويلر وبالارد حافلات وسيارات تعمل بخلايا الوقود تصل قوتها إلى 50 كيلووات. لكن المشاكل المرتبطة بسلامتها وموثوقيتها وتكلفتها لم يتم حلها بعد. كما سبق ذكره، على عكس مصادر الطاقة التقليدية - البطاريات والمراكم، في هذه الحالة يتم توفير المؤكسد والوقود من الخارج، وخلية الوقود ليست سوى وسيط في التفاعل المستمر لحرق الوقود وتحويل الطاقة المنبعثة إلى كهرباء. يحدث "الاحتراق" فقط إذا كان العنصر يزود الحمل بالتيار، مثل مولد كهربائي يعمل بالديزل، ولكن بدون مولد ومحرك ديزل، وأيضًا بدون ضوضاء ودخان وارتفاع درجة الحرارة. وفي الوقت نفسه، تكون الكفاءة أعلى بكثير، حيث لا توجد آليات وسيطة.

فيديو: سيارة تعمل بخلايا وقود الهيدروجين

يتم وضع آمال كبيرة على استخدام تكنولوجيا النانو والمواد النانويةمما سيساعد على تصغير خلايا الوقود مع زيادة قوتها. كانت هناك تقارير تفيد بأنه تم إنشاء محفزات فائقة الكفاءة، بالإضافة إلى تصميمات لخلايا الوقود التي لا تحتوي على أغشية. فيها، يتم توفير الوقود (الميثان، على سبيل المثال) للعنصر مع المؤكسد. تستخدم المحاليل المثيرة للاهتمام الأكسجين المذاب في الهواء كمؤكسد، والشوائب العضوية التي تتراكم في المياه الملوثة كوقود. هذه هي ما يسمى عناصر الوقود الحيوي.

خلايا الوقود، وفقا للخبراء، قد تدخل السوق الشامل في السنوات المقبلة.

تقوم خلايا الوقود الهيدروجيني بتحويل الطاقة الكيميائية للوقود إلى كهرباء، متجاوزة عمليات الاحتراق غير الفعالة وتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية، والتي تنطوي على خسائر كبيرة. خلية وقود الهيدروجين هي الكهروكيميائيةيقوم الجهاز بتوليد الكهرباء مباشرة نتيجة احتراق الوقود "البارد" عالي الكفاءة. تعد خلية الوقود ذات غشاء تبادل بروتون الهيدروجين والهواء (PEMFC) واحدة من أكثر تقنيات خلايا الوقود الواعدة.

قبل ثماني سنوات، تم اكتشاف ستة مضخات تعمل بالديزل السائل في أوروبا الغربية؛ يجب أن يكونوا مائتي قبل النهاية. نحن بعيدون كل البعد عن آلاف محطات الشحن السريع التي تفقس في كل مكان لتشجيع انتشار الدفع الكهربائي. وهذا هو المكان الذي يؤلمك فيه الفرك. ومن الأفضل أن نعلن عن الجرافين.

البطاريات لم تكن لها كلمتها الأخيرة

هناك ما هو أكثر من الاستقلالية، وهذا هو السبب في أن تحديد أوقات الشحن يؤدي إلى إبطاء اعتماد السيارات الكهربائية. ومع ذلك، فقد ذكر في مذكرة هذا الشهر لعملائه أن البطاريات لها حدود، وتقتصر على هذا النوع من المجسات عند الفولتية العالية جدًا. سيتم إخبار توماس براخمان أنه لا يزال يتعين بناء شبكة توزيع الهيدروجين. الحجة هي أنه يمسح يده، مذكرا بأن مضاعفة محطات الشحن السريع مكلفة للغاية أيضا، بسبب المقطع العرضي العالي للكابلات النحاسية ذات الجهد العالي. "من الأسهل والأرخص نقل الهيدروجين المسال بالشاحنات من الخزانات المدفونة بالقرب من مواقع الإنتاج."

يفصل غشاء بوليمر موصل للبروتون بين القطبين الكهربائيين، الأنود والكاثود. كل قطب كهربائي عبارة عن صفيحة كربونية (مصفوفة) مطلية بمحفز. عند محفز الأنود، ينفصل الهيدروجين الجزيئي وينتج عنه إلكترونات. يتم توصيل كاتيونات الهيدروجين عبر الغشاء إلى الكاثود، ولكن يتم إدخال الإلكترونات إلى الدائرة الخارجية، لأن الغشاء لا يسمح للإلكترونات بالمرور.

الهيدروجين ليس ناقلًا نقيًا للكهرباء بعد

أما بالنسبة لتكلفة البطارية نفسها، وهي معلومة حساسة للغاية، فلا يشك توماس براخمان في أنه يمكن تخفيضها بشكل كبير مع زيادة الكفاءة. "البلاتين هو العنصر الذي يكلف أكثر." لسوء الحظ، يأتي كل الهيدروجين تقريبًا من مصادر الطاقة الأحفورية. علاوة على ذلك، فإن الهيدروجين هو مجرد ناقل للطاقة، وليس مصدرا، يستهلك منه جزء لا يستهان به أثناء إنتاجه وتسييله ومن ثم تحويله إلى كهرباء.

في المحفز الكاثود، يتحد جزيء الأكسجين مع إلكترون (يتم إمداده من الدائرة الكهربائية) وبروتون وارد ويشكل الماء، وهو المنتج الوحيد للتفاعل (على شكل بخار و/أو سائل).

تُستخدم خلايا وقود الهيدروجين في تصنيع وحدات الأقطاب الكهربية الغشائية، والتي تعد عنصر التوليد الرئيسي لنظام الطاقة.

سيارة المستقبل تتصرف وكأنها سيارة حقيقية

أصبح رصيد البطارية أعلى بثلاث مرات تقريبًا، على الرغم من الخسائر الناجمة عن الحرارة في السائقين. وللأسف، السيارة المعجزة لن تصل إلى طرقاتنا إلا ضمن المظاهرات العامة. براخمان، الذي يذكرنا بأن الصمت الطبيعي للسيارة الكهربائية يعزز الانطباع بالعيش في عالم صاخب. على الرغم من كل الصعوبات، فإن دواسة التوجيه والفرامل توفر الاتساق الطبيعي.

بطارية مصغرة ولكن تحسين الأداء

الأداة الذكية مرئية، وتنشر الشاشة المركزية صور الكاميرا الموضوعة في المرآة اليمنى بمجرد تنشيط إشارة الانعطاف. لم يعد معظم عملائنا الأمريكيين يطلبون ذلك، وهذا يسمح لنا بإبقاء الأسعار منخفضة - وهو ما يبرره كبير المهندسين، الذي يقدم تعريفة أقل من ذلك. في الواقع، من المفيد الحديث عن مجموعة خلايا الوقود نظرًا لوجود 358 خلية تعمل معًا. يتم ضغط الخزان الرئيسي بسعة 117 لترًا على الجدار الخلفي للمقعد، مما يمنع طيه، بينما يتم إخفاء الخزان الثاني بسعة 24 لترًا تحت المقعد.

مميزات خلايا الوقود الهيدروجيني مقارنة بالحلول التقليدية:

- زيادة كثافة الطاقة النوعية (500 ÷ 1000 واط ساعة/كجم)،

- نطاق درجة حرارة التشغيل الممتد (-40 درجة مئوية / +40 درجة مئوية)،

- غياب بقعة الحرارة والضوضاء والاهتزاز،

- الموثوقية في البداية الباردة،

- فترة تخزين الطاقة غير محدودة عمليا (بدون تفريغ ذاتي)،

أول خلية وقود ثنائية الأشواط

وعلى الرغم من حجمها الصغير، فإن خلية الوقود الجديدة هذه تحول الهيدروجين إلى تيار كهربائي بشكل أسرع وأفضل من سابقتها. فهو يوصل الأكسجين إلى عناصر الوبر بمعدل كان يعتبر في السابق غير متوافق مع متانتها. من الأفضل إخلاء المياه الزائدة التي كانت تحد من معدل التدفق في السابق. ونتيجة لذلك، تزداد قوة كل عنصر بمقدار النصف، وتصل الكفاءة إلى 60%.

ويرجع ذلك إلى وجود بطارية ليثيوم أيون بقدرة 1.7 كيلووات في الساعة - تقع أسفل المقاعد الأمامية، مما يسمح بتوصيل تيار إضافي في ظل تسارعات قوية. أو أن الحكم الذاتي المتوقع هو 460 كم، وهو ما يتوافق بشكل مثالي مع ما تدعي الشركة المصنعة.

- القدرة على تغيير كثافة طاقة النظام عن طريق تغيير عدد خراطيش الوقود، مما يوفر استقلالية غير محدودة تقريبًا،

القدرة على توفير أي كثافة طاقة معقولة تقريبًا للنظام عن طريق تغيير سعة تخزين الهيدروجين،

- كثافة الطاقة العالية،

- التسامح مع الشوائب في الهيدروجين،

لكن ألف جزء يسهل تدفق الهواء ويحسن التبريد. حتى أكثر من سابقتها، تُظهر هذه السيارة الكهربائية أن خلية الوقود تقع في الأمام والوسط. تحدي كبير للصناعة وقادتنا. وفي الوقت نفسه، من الذكي جدًا أن يعرف أي خلية وقود أو بطارية ستكون لها الغلبة.

خلية الوقود عبارة عن جهاز لتحويل الطاقة الكهروكيميائية يمكنه إنتاج الكهرباء في شكل تيار مباشر من خلال الجمع بين الوقود والمؤكسد في تفاعل كيميائي لإنتاج منتج نفايات، عادةً ما يكون أكسيد الوقود.

- عمر خدمة طويل،

- الصداقة البيئية والتشغيل الهادئ.

أنظمة إمداد الطاقة المعتمدة على خلايا وقود الهيدروجين للطائرات بدون طيار:

تركيب خلايا الوقود على المركبات غير المأهولةفبدلاً من البطاريات التقليدية، تعمل على مضاعفة مدة الرحلة ووزن الحمولة، وزيادة موثوقية الطائرة، وتوسيع نطاق درجة حرارة إطلاق الطائرات بدون طيار وتشغيلها، مما يقلل الحد الأقصى إلى -40 درجة مئوية. بالمقارنة مع محركات الاحتراق الداخلي، فإن الأنظمة المعتمدة على خلايا الوقود صامتة، وخالية من الاهتزازات، وتعمل في درجات حرارة منخفضة، ويصعب اكتشافها أثناء الطيران، ولا تنتج انبعاثات ضارة، ويمكنها أداء المهام بكفاءة بدءًا من المراقبة بالفيديو وحتى تسليم الحمولة.

تحتوي كل خلية وقود على قطبين أحدهما موجب والآخر سلبي، ويحدث التفاعل الذي ينتج الكهرباء عند الأقطاب الكهربائية في وجود إلكتروليت، الذي يحمل الجزيئات المشحونة من قطب كهربائي إلى قطب كهربائي، بينما تدور الإلكترونات في أسلاك خارجية تقع بين القطبين لخلق الكهرباء.

يمكن لخلية الوقود توليد الكهرباء بشكل مستمر طالما يتم الحفاظ على التدفق المطلوب من الوقود والمؤكسد. تنتج بعض خلايا الوقود بضعة واطات فقط، في حين أن بعضها الآخر يمكن أن ينتج عدة مئات من الكيلووات، في حين من المرجح أن توجد بطاريات أصغر في أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة، لكن خلايا الوقود مكلفة للغاية بحيث لا يمكن أن تصبح مولدات صغيرة تستخدم لإنتاج الكهرباء للمنازل والشركات.

تكوين نظام إمدادات الطاقة للطائرات بدون طيار:

الأبعاد الاقتصادية لخلايا الوقود

استخدام الهيدروجين كمصدر للوقود ينطوي على تكاليف كبيرة. ولهذا السبب، أصبح الهيدروجين الآن مصدرًا غير اقتصادي، خاصة أنه يمكن استخدام مصادر أخرى أقل تكلفة. يمكن أن تختلف تكاليف إنتاج الهيدروجين لأنها تعكس تكلفة الموارد التي يتم استخراجه منها.

مصادر وقود البطارية

يتم تصنيف خلايا الوقود عمومًا إلى الفئات التالية: خلايا وقود الهيدروجين، وخلايا الوقود العضوية، وخلايا الوقود المعدنية، وبطاريات الأكسدة والاختزال. عندما يتم استخدام الهيدروجين كمصدر للوقود، يتم تحويل الطاقة الكيميائية إلى كهرباء أثناء عملية التحلل المائي العكسي لإنتاج الماء والحرارة فقط كنفايات. خلية الوقود الهيدروجيني منخفضة جدًا، ولكن يمكن أن تحتوي على نسبة عالية أو أقل من إنتاج الهيدروجين، خاصة إذا تم إنتاجها من الوقود الأحفوري.

• - بطارية خلية الوقود،
• - بطارية Li-Po عازلة لتغطية أحمال الذروة قصيرة المدى،
• - الكترونية نظام التحكم ,
• - نظام الوقود يتكون من اسطوانة بها هيدروجين مضغوط أو مصدر صلب للهيدروجين.

يستخدم نظام الوقود أسطوانات ومخفضات خفيفة الوزن وعالية القوة لضمان أقصى قدر من الإمداد بالهيدروجين المضغوط على متن الطائرة. يُسمح باستخدام أحجام مختلفة من الأسطوانات (من 0.5 إلى 25 لترًا) مع مخفضات توفر استهلاك الهيدروجين المطلوب.

تنقسم بطاريات الهيدروجين إلى فئتين: بطاريات ذات درجة حرارة منخفضة وبطاريات ذات درجة حرارة عالية، حيث يمكن للبطاريات ذات درجة الحرارة المرتفعة أيضًا استخدام الوقود الأحفوري مباشرة. وتتكون الأخيرة من الهيدروكربونات مثل الزيت أو البنزين أو الكحول أو الكتلة الحيوية.

تشمل مصادر الوقود الأخرى في البطاريات، على سبيل المثال لا الحصر، الكحوليات والزنك والألومنيوم والمغنيسيوم والمحاليل الأيونية والعديد من الهيدروكربونات. وتشمل العوامل المؤكسدة الأخرى، على سبيل المثال لا الحصر، الهواء والكلور وثاني أكسيد الكلور. حاليا، هناك عدة أنواع من خلايا الوقود.

خصائص نظام إمداد الطاقة للطائرات بدون طيار:

أجهزة الشحن المحمولة المعتمدة على خلايا الوقود الهيدروجيني:

أجهزة الشحن المحمولة المعتمدة على خلايا وقود الهيدروجين هي أجهزة مدمجة يمكن مقارنتها من حيث الوزن والأبعاد بأجهزة شحن البطاريات الموجودة والتي يتم استخدامها بنشاط في العالم.

تحتاج التكنولوجيا المحمولة المنتشرة في العالم الحديث إلى إعادة شحن بشكل منتظم. تعتبر الأنظمة المحمولة التقليدية عديمة الفائدة عمليا في درجات الحرارة المنخفضة، وبعد أداء وظيفتها تتطلب أيضًا إعادة الشحن باستخدام (الشبكات الكهربائية)، مما يقلل أيضًا من كفاءتها واستقلالية الجهاز.

يكتسب كل جزيء هيدروجين إلكترونين. ينتقل أيون H من القطب الموجب إلى الكاثود ويسبب تيارًا كهربائيًا عن طريق نقل إلكترون. كيف قد تبدو خلايا الوقود للطائرات؟ واليوم، تُجرى اختبارات على الطائرات لمحاولة التحليق بها باستخدام بطارية خلايا وقود هجينة من نوع ليثيوم أيون. وتكمن الفائدة الحقيقية لخلية الوقود في انخفاض وزنها: فهي أخف وزنا، مما يساعد على تقليل وزن الطائرة وبالتالي استهلاك الوقود.

ولكن في الوقت الحالي، فإن الطيران بطائرة تعمل بخلايا الوقود غير ممكن لأنه لا يزال به العديد من العيوب. صورة لخلية الوقود. ما هي عيوب خلية الوقود؟ أولًا، إذا كان الهيدروجين شائعًا، فإن استخدامه بكميات كبيرة سيكون مشكلة. في الواقع، إنه متاح ليس فقط على الأرض. ويوجد في الماء المحتوي على الأكسجين والأمونيا. لذلك، من الضروري تحليل الماء كهربائيًا للحصول عليه، وهذه الطريقة ليست منتشرة بعد.

لا تتطلب أنظمة خلايا الوقود الهيدروجينية سوى استبدال خرطوشة الوقود المدمجة، وبعد ذلك يصبح الجهاز جاهزًا للاستخدام على الفور.

مميزات الشواحن المحمولة:

مصادر الطاقة غير المنقطعة المعتمدة على خلايا وقود الهيدروجين:

تم تصميم أنظمة إمداد الطاقة المضمونة المعتمدة على خلايا وقود الهيدروجين لتنظيم إمدادات الطاقة الاحتياطية وإمدادات الطاقة المؤقتة. توفر أنظمة إمداد الطاقة المضمونة المعتمدة على خلايا وقود الهيدروجين مزايا كبيرة مقارنة بالحلول التقليدية لتنظيم إمدادات الطاقة المؤقتة والاحتياطية باستخدام البطاريات ومولدات الديزل.

الهيدروجين غاز، مما يجعل من الصعب احتوائه ونقله. ومن المخاطر الأخرى المرتبطة باستخدام الهيدروجين خطر الانفجار، فهو غاز قابل للاشتعال. فما يزود البطارية لإنتاجها على نطاق واسع يتطلب مصدرا آخر للطاقة، سواء كان نفطا أو غازا أو فحما، أو طاقة نووية، مما يجعل توازنها البيئي أسوأ بكثير من الكيروسين ويصنع كومة من البلاتين، وهو معدن أكثر ندرة. وأغلى من الذهب.

توفر خلية الوقود الطاقة عن طريق أكسدة الوقود عند الأنود وتقليل المؤكسد عند الكاثود. يعود الفضل في اكتشاف مبدأ خلية الوقود والتطبيقات الأولى في المختبر باستخدام حمض الكبريتيك ككهارل إلى الكيميائي ويليام جروف.

خصائص نظام إمدادات الطاقة غير المنقطعة:

خلية الوقودهو جهاز كهروكيميائي يشبه الخلية الجلفانية، لكنه يختلف عنها في أن المواد اللازمة للتفاعل الكهروكيميائي يتم إمدادها بها من الخارج - على عكس الكمية المحدودة من الطاقة المخزنة في الخلية أو البطارية الغلفانية.

في الواقع، تتمتع خلايا الوقود ببعض المزايا: فالخلايا التي تستخدم الهيدروجين وثاني أكسيد الهيدروجين ينبعث منها بخار الماء فقط: وبالتالي فهي تقنية نظيفة. هناك عدة أنواع من خلايا الوقود، اعتماداً على طبيعة الإلكتروليت، وطبيعة الوقود، والأكسدة المباشرة أو غير المباشرة، ودرجة حرارة التشغيل.

ويلخص الجدول التالي الخصائص الرئيسية لهذه الأجهزة المختلفة. وتبحث العديد من البرامج الأوروبية عن بوليمرات أخرى، مثل مشتقات البوليبنزيميدازول، والتي تكون أكثر استقرارًا وأرخص ثمنًا. يمثل ضغط البطارية أيضًا تحديًا مستمرًا، مع أغشية يتراوح حجمها بين 15 و50 ميكرون، وأنودات كربونية مسامية، وألواح ثنائية القطب من الفولاذ المقاوم للصدأ. يمكن أيضًا تحسين متوسط ​​العمر المتوقع، فمن ناحية، تعتبر آثار أول أكسيد الكربون في حدود بضعة أجزاء في المليون في الهيدروجين سمومًا حقيقية للمحفز، ومن ناحية أخرى، يعد التحكم في الماء في البوليمر أمرًا إلزاميًا.

أرز. 1. بعض خلايا الوقود

تقوم خلايا الوقود بتحويل الطاقة الكيميائية للوقود إلى كهرباء، متجاوزة عمليات الاحتراق غير الفعالة التي تحدث مع خسائر كبيرة. يقومون بتحويل الهيدروجين والأكسجين إلى كهرباء من خلال تفاعل كيميائي. ونتيجة لهذه العملية، يتكون الماء ويتم إطلاق كمية كبيرة من الحرارة. تشبه خلية الوقود إلى حد كبير البطارية التي يمكن شحنها ثم استخدام الطاقة الكهربائية المخزنة. يعتبر مخترع خلية الوقود هو ويليام ر. جروف الذي اخترعها في عام 1839. استخدمت خلية الوقود هذه محلول حمض الكبريتيك كإلكتروليت والهيدروجين كوقود، والذي تم دمجه مع الأكسجين في عامل مؤكسد. حتى وقت قريب، كانت خلايا الوقود تستخدم فقط في المختبرات وفي المركبات الفضائية.

على عكس مولدات الطاقة الأخرى، مثل محركات الاحتراق الداخلي أو التوربينات التي تعمل بالغاز والفحم وزيت الوقود وغيرها، فإن خلايا الوقود لا تحرق الوقود. وهذا يعني عدم وجود دوارات عالية الضغط صاخبة، ولا ضجيج عالٍ للعادم، ولا اهتزازات. تنتج 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 الغازات الدفيئة مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان وأكسيد النيتروز. والانبعاثات الوحيدة من خلايا الوقود هي الماء على شكل بخار وكمية صغيرة من ثاني أكسيد الكربون، الذي لا يتم إطلاقه على الإطلاق إذا تم استخدام الهيدروجين النقي كوقود. يتم تجميع خلايا الوقود في مجموعات ومن ثم إلى وحدات وظيفية فردية.

لا تحتوي خلايا الوقود على أجزاء متحركة (على الأقل ليس داخل الخلية نفسها)، وبالتالي لا تخضع لقانون كارنو. أي أنها ستكون ذات كفاءة أكبر من 50% وتكون فعالة بشكل خاص عند الأحمال المنخفضة. وبالتالي، يمكن أن تصبح السيارات التي تعمل بخلايا الوقود (وقد أثبتت بالفعل) أنها أكثر كفاءة في استهلاك الوقود من السيارات التقليدية في ظروف القيادة في العالم الحقيقي.

تنتج خلية الوقود تيارًا كهربائيًا ثابت الجهد يمكن استخدامه لتشغيل المحرك الكهربائي والإضاءة والأنظمة الكهربائية الأخرى في السيارة.

هناك عدة أنواع من خلايا الوقود، تختلف في العمليات الكيميائية المستخدمة. عادة ما يتم تصنيف خلايا الوقود حسب نوع المنحل بالكهرباء الذي تستخدمه.

بعض أنواع خلايا الوقود واعدة لدفع محطات توليد الطاقة، في حين أن البعض الآخر واعد للأجهزة المحمولة أو لقيادة السيارات.

1. خلايا الوقود القلوية (ALFC)

خلية الوقود القلوية- هذا هو أحد العناصر الأولى التي تم تطويرها. تعد خلايا الوقود القلوية (AFC) واحدة من أكثر التقنيات التي تمت دراستها، والتي استخدمتها وكالة ناسا منذ منتصف الستينيات من القرن العشرين في برامج أبولو ومكوك الفضاء. على متن هذه المركبات الفضائية، تنتج خلايا الوقود الطاقة الكهربائية والمياه الصالحة للشرب.

تعتبر خلايا الوقود القلوية من أكثر الخلايا كفاءة المستخدمة في توليد الكهرباء، حيث تصل كفاءة توليد الطاقة إلى 70%.

تستخدم خلايا الوقود القلوية إلكتروليتًا، وهو محلول مائي من هيدروكسيد البوتاسيوم، موجود في مصفوفة مسامية وثابتة. قد يختلف تركيز هيدروكسيد البوتاسيوم حسب درجة حرارة التشغيل لخلية الوقود، والتي تتراوح من 65 درجة مئوية إلى 220 درجة مئوية. حامل الشحنة في SHTE هو أيون الهيدروكسيل (OH-)، الذي ينتقل من الكاثود إلى الأنود، حيث يتفاعل مع الهيدروجين، وينتج الماء والإلكترونات. ويعود الماء الناتج عند الأنود إلى الكاثود، مما يؤدي مرة أخرى إلى توليد أيونات الهيدروكسيل هناك. نتيجة لهذه السلسلة من التفاعلات التي تحدث في خلية الوقود، يتم إنتاج الكهرباء والحرارة كمنتج ثانوي:

التفاعل عند الأنود: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

التفاعل عند الكاثود: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

رد الفعل العام للنظام: 2H2 + O2 => 2H2O

ميزة SHTE هي أن خلايا الوقود هذه هي الأرخص في الإنتاج، حيث أن المحفز المطلوب على الأقطاب الكهربائية يمكن أن يكون أي من المواد الأرخص من تلك المستخدمة كمحفزات لخلايا الوقود الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، تعمل SHTEs في درجات حرارة منخفضة نسبيًا وهي من بين الأكثر كفاءة.

إحدى السمات المميزة لـ SHTE هي حساسيتها العالية لثاني أكسيد الكربون، والذي قد يكون موجودًا في الوقود أو الهواء. يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الإلكتروليت، ويسممه بسرعة، ويقلل بشكل كبير من كفاءة خلية الوقود. ولذلك فإن استخدام SHTE يقتصر على الأماكن المغلقة، مثل المركبات الفضائية والمركبات تحت الماء، فهي تعمل بالهيدروجين النقي والأكسجين.

2. خلايا الوقود الكربونية المنصهرة (MCFC)

خلايا الوقود مع المنحل بالكهرباء كربونات المنصهرةهي خلايا وقود ذات درجة حرارة عالية. تسمح درجة حرارة التشغيل المرتفعة بالاستخدام المباشر للغاز الطبيعي بدون معالج الوقود وغاز الوقود ذو القيمة الحرارية المنخفضة الناتج عن العمليات الصناعية والمصادر الأخرى. تم تطوير هذه العملية في منتصف الستينيات من القرن العشرين. ومنذ ذلك الحين، تم تحسين تكنولوجيا الإنتاج والأداء والموثوقية.

يختلف تشغيل RCFC عن خلايا الوقود الأخرى. تستخدم هذه الخلايا إلكتروليتًا مصنوعًا من خليط من أملاح الكربونات المنصهرة. وحالياً يتم استخدام نوعين من المخاليط: كربونات الليثيوم وكربونات البوتاسيوم أو كربونات الليثيوم وكربونات الصوديوم. لإذابة أملاح الكربونات وتحقيق درجة عالية من الحركة الأيونية في المنحل بالكهرباء، تعمل خلايا الوقود التي تحتوي على إلكتروليت الكربونات المنصهرة في درجات حرارة عالية (650 درجة مئوية). تتراوح الكفاءة بين 60-80%.

عند تسخينها إلى درجة حرارة 650 درجة مئوية، تصبح الأملاح موصلة لأيونات الكربونات (CO32-). تمر هذه الأيونات من الكاثود إلى الأنود، حيث تتحد مع الهيدروجين لتكوين الماء وثاني أكسيد الكربون والإلكترونات الحرة. يتم إرسال هذه الإلكترونات عبر دائرة كهربائية خارجية إلى الكاثود، مما يولد تيارًا كهربائيًا وحرارة كمنتج ثانوي.

التفاعل عند الأنود: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

التفاعل عند الكاثود: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

التفاعل العام للعنصر: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(الكاثود) => H2O(g) + CO2(الأنود)

تتمتع درجات حرارة التشغيل المرتفعة لخلايا الوقود المنحل بالكهرباء المنصهرة بمزايا معينة. الميزة هي القدرة على استخدام المواد القياسية (صفائح الفولاذ المقاوم للصدأ ومحفز النيكل على الأقطاب الكهربائية). يمكن استخدام الحرارة المهدرة لإنتاج بخار عالي الضغط. درجات حرارة التفاعل العالية في المنحل بالكهرباء لها أيضًا مزاياها. ويتطلب استخدام درجات الحرارة المرتفعة وقتا طويلا لتحقيق ظروف التشغيل المثلى، ويستجيب النظام بشكل أبطأ للتغيرات في استهلاك الطاقة. تسمح هذه الخصائص باستخدام تركيبات خلايا الوقود التي تحتوي على إلكتروليت الكربونات المنصهرة في ظل ظروف طاقة ثابتة. تمنع درجات الحرارة المرتفعة تلف خلية الوقود بسبب أول أكسيد الكربون و"التسمم" وما إلى ذلك.

تعتبر خلايا الوقود التي تحتوي على إلكتروليت الكربونات المنصهرة مناسبة للاستخدام في المنشآت الثابتة الكبيرة. يتم إنتاج محطات توليد الطاقة الحرارية بقدرة إنتاجية كهربائية تبلغ 2.8 ميجاوات تجاريًا. ويجري تطوير المنشآت التي تصل طاقتها الإنتاجية إلى 100 ميجاوات.

3. خلايا وقود حمض الفوسفوريك (PAFC)

خلايا الوقود المعتمدة على حمض الفوسفوريك (الأرثوفوسفوريك).أصبحت خلايا الوقود الأولى للاستخدام التجاري. تم تطوير هذه العملية في منتصف الستينيات من القرن العشرين، وتم إجراء الاختبارات منذ السبعينيات من القرن العشرين. وكانت النتيجة زيادة الاستقرار والأداء وانخفاض التكلفة.

تستخدم خلايا الوقود الحمضية الفوسفورية (الأرثوفوسفوريك) إلكتروليتًا يعتمد على حمض الأرثوفوسفوريك (H3PO4) بتركيزات تصل إلى 100%. تكون الموصلية الأيونية لحمض الفوسفوريك منخفضة عند درجات الحرارة المنخفضة، لذلك يتم استخدام خلايا الوقود هذه عند درجات حرارة تصل إلى 150-220 درجة مئوية.

حامل الشحنة في خلايا الوقود من هذا النوع هو الهيدروجين (H+، البروتون). تحدث عملية مماثلة في خلايا وقود غشاء تبادل البروتونات (PEMFCs)، حيث ينقسم الهيدروجين المزود إلى الأنود إلى بروتونات وإلكترونات. تنتقل البروتونات عبر المنحل بالكهرباء وتتحد مع الأكسجين الموجود في الهواء عند الكاثود لتكوين الماء. يتم إرسال الإلكترونات عبر دائرة كهربائية خارجية، وبالتالي توليد تيار كهربائي. وفيما يلي التفاعلات التي تولد التيار الكهربائي والحرارة.

التفاعل عند الأنود: 2H2 => 4H+ + 4e

التفاعل عند الكاثود: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

التفاعل العام للعنصر: 2H2 + O2 => 2H2O

وتبلغ كفاءة خلايا الوقود المعتمدة على حمض الفوسفوريك (الأرثوفوسفوريك) أكثر من 40% عند توليد الطاقة الكهربائية. ومع الإنتاج المشترك للحرارة والكهرباء، تبلغ الكفاءة الإجمالية حوالي 85%. بالإضافة إلى ذلك، ونظرًا لدرجات حرارة التشغيل، يمكن استخدام الحرارة المهدرة لتسخين المياه وتوليد بخار الضغط الجوي.

يعد الأداء العالي لمحطات الطاقة الحرارية التي تستخدم خلايا الوقود المعتمدة على حمض الفوسفوريك (الأرثوفوسفوريك) في الإنتاج المشترك للطاقة الحرارية والكهربائية أحد مزايا هذا النوع من خلايا الوقود. تستخدم الوحدات أول أكسيد الكربون بتركيز حوالي 1.5%، مما يوسع بشكل كبير اختيار الوقود. يعد التصميم البسيط والدرجة المنخفضة من تقلب الإلكتروليت وزيادة الاستقرار من مزايا خلايا الوقود هذه أيضًا.

ويتم إنتاج محطات توليد الطاقة الحرارية بقدرة إنتاجية تصل إلى 400 كيلووات تجاريًا. لقد اجتازت المنشآت التي تبلغ قدرتها 11 ميجاوات الاختبارات المناسبة. ويجري تطوير المنشآت التي تصل طاقتها الإنتاجية إلى 100 ميجاوات.

4. خلايا وقود غشاء التبادل البروتوني (PEMFC)

خلايا الوقود ذات غشاء التبادل البروتونيتعتبر أفضل أنواع خلايا الوقود لتوليد الطاقة للمركبات، حيث يمكن أن تحل محل محركات الاحتراق الداخلي التي تعمل بالبنزين والديزل. تم استخدام خلايا الوقود هذه لأول مرة بواسطة وكالة ناسا لبرنامج جيميني. لقد تم تطوير وتجربة التركيبات المعتمدة على MOPFC بقدرة تتراوح من 1 وات إلى 2 كيلو وات.

المنحل بالكهرباء الموجود في خلايا الوقود هذه عبارة عن غشاء بوليمر صلب (طبقة رقيقة من البلاستيك). عند تشبعه بالماء، يسمح هذا البوليمر للبروتونات بالمرور لكنه لا يوصل الإلكترونات.

الوقود هو الهيدروجين، وحامل الشحنة هو أيون الهيدروجين (البروتون). عند الأنود، ينقسم جزيء الهيدروجين إلى أيون هيدروجين (بروتون) وإلكترونات. تمر أيونات الهيدروجين عبر المنحل بالكهرباء إلى الكاثود، وتتحرك الإلكترونات حول الدائرة الخارجية وتنتج طاقة كهربائية. يتم تزويد الأكسجين المأخوذ من الهواء إلى الكاثود ويتحد مع الإلكترونات وأيونات الهيدروجين لتكوين الماء. تحدث التفاعلات التالية عند الأقطاب الكهربائية: التفاعل عند الأنود: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e التفاعل عند الكاثود: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH التفاعل الكلي للخلية: 2H2 + O2 => 2H2O مقارنة بالأنواع الأخرى من خلايا الوقود، خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتون تنتج المزيد من الطاقة لحجم أو وزن معين من خلية الوقود. هذه الميزة تسمح لها بأن 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 إنتاج الطاقة بسرعة، ليست سوى عدد قليل من العوامل التي تجعل خلايا الوقود هذه مرشحًا رئيسيًا للاستخدام في المركبات.

ميزة أخرى هي أن المنحل بالكهرباء هو مادة صلبة وليس سائلة. من الأسهل الاحتفاظ بالغازات عند الكاثود والأنود باستخدام إلكتروليت صلب، لذلك فإن إنتاج خلايا الوقود هذه أرخص. مع الإلكتروليت الصلب، لا توجد مشكلات في الاتجاه ومشاكل تآكل أقل، مما يزيد من طول عمر الخلية ومكوناتها.

5. خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFC)

خلايا وقود الأكسيد الصلبهي خلايا الوقود ذات درجة حرارة التشغيل الأعلى. 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 رفيع على قاعدة خزفية، وغالبًا ما يكون عبارة عن سبيكة من الإيتريوم والزركونيوم، وهو موصل لأيونات الأكسجين (O2-). لقد تطورت تقنية استخدام خلايا وقود الأكسيد الصلب منذ أواخر الخمسينيات من القرن العشرين ولها شكلان: مستو وأنبوبي.

يوفر الإلكتروليت 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 (O2-). عند الكاثود، يتم فصل جزيئات الأكسجين من الهواء إلى أيون أكسجين وأربعة إلكترونات. تمر أيونات الأكسجين عبر الإلكتروليت وتتحد مع الهيدروجين لتكوين أربعة إلكترونات حرة. يتم إرسال الإلكترونات عبر دائرة كهربائية خارجية، مما يؤدي إلى توليد تيار كهربائي وحرارة ضائعة.

التفاعل عند الأنود: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

التفاعل عند الكاثود: O2 + 4e- => 2O2-

التفاعل العام للعنصر: 2H2 + O2 => 2H2O

تعد كفاءة إنتاج الطاقة الكهربائية هي الأعلى بين جميع خلايا الوقود - حوالي 60٪. بالإضافة إلى ذلك، تسمح درجات حرارة التشغيل المرتفعة بالإنتاج المشترك للطاقة الحرارية والكهربائية لتوليد بخار عالي الضغط. إن الجمع بين خلية وقود عالية الحرارة وتوربينة يجعل من الممكن 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 - 1000 درجة مئوية)، مما يؤدي إلى استغراق وقت كبير للوصول إلى ظروف التشغيل المثالية ويكون النظام أبطأ في الاستجابة للتغيرات في استهلاك الطاقة. في درجات حرارة التشغيل المرتفعة هذه، لا يلزم وجود محول لاستعادة الهيدروجين من الوقود، مما يسمح لمحطة الطاقة الحرارية بالعمل باستخدام أنواع الوقود غير النقي نسبيًا الناتجة عن تغويز الفحم أو غازات النفايات، وما إلى ذلك. تعتبر خلية الوقود أيضًا ممتازة لتطبيقات الطاقة العالية، بما في ذلك محطات الطاقة المركزية الصناعية والكبيرة. يتم إنتاج الوحدات ذات قدرة خرج كهربائية تبلغ 100 كيلووات تجاريًا.

6. خلايا وقود أكسدة الميثانول المباشرة (DOMFC)

خلايا وقود أكسدة الميثانول المباشرةيتم استخدامها بنجاح في مجال تشغيل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، وكذلك لإنشاء مصادر طاقة محمولة، وهو ما يهدف إليه الاستخدام المستقبلي لهذه العناصر.

يشبه تصميم خلايا الوقود ذات الأكسدة المباشرة للميثانول تصميم خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات (MEPFC)، أي. يتم استخدام البوليمر كإلكتروليت، ويستخدم أيون الهيدروجين (البروتون) كحامل للشحنة. لكن الميثانول السائل (CH3OH) يتأكسد في وجود الماء عند الأنود، ويطلق ثاني أكسيد الكربون وأيونات الهيدروجين والإلكترونات، والتي يتم إرسالها عبر دائرة كهربائية خارجية، وبالتالي توليد تيار كهربائي. تمر أيونات الهيدروجين عبر المنحل بالكهرباء وتتفاعل مع الأكسجين من الهواء والإلكترونات من الدائرة الخارجية لتكوين الماء عند الأنود.

التفاعل عند الأنود: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e التفاعل عند الكاثود: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O التفاعل العام للعنصر: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O تطوير مثل هذا تم تنفيذ خلايا الوقود منذ بداية التسعينيات من القرن العشرين وتمت زيادة قوتها وكفاءتها النوعية إلى 40٪.

تم اختبار هذه العناصر في نطاق درجة حرارة 50-120 درجة مئوية. ونظرًا لانخفاض درجات حرارة التشغيل وعدم الحاجة إلى محول، فإن خلايا الوقود هذه تعتبر مرشحًا رئيسيًا للاستخدام في الهواتف المحمولة والمنتجات الاستهلاكية الأخرى، وكذلك في محركات السيارات. ميزتها هي أيضًا صغر حجمها.

7. خلايا وقود البوليمر بالكهرباء (PEFC)

في حالة خلايا وقود البوليمر بالكهرباء، يتكون غشاء البوليمر من ألياف بوليمر مع مناطق مائية حيث ترتبط أيونات الماء التوصيلية H2O+ (البروتون، الأحمر) بجزيء الماء. تشكل جزيئات الماء مشكلة بسبب بطء التبادل الأيوني. لذلك، يلزم وجود تركيز عالٍ من الماء في الوقود وفي أقطاب المخرج، مما يحد من درجة حرارة التشغيل إلى 100 درجة مئوية.

8. خلايا الوقود الحمضية الصلبة (SFC)

في خلايا الوقود الحمضي الصلب، لا يحتوي المنحل بالكهرباء (CsHSO4) على الماء. وبالتالي فإن درجة حرارة التشغيل هي 100-300 درجة مئوية. يسمح دوران أيونات الأكسجين SO42 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 كهربائيين يتم ضغطهما معًا بإحكام لضمان الاتصال الجيد. عند تسخينه، يتبخر المكون العضوي، ويخرج عبر المسام الموجودة في الأقطاب الكهربائية، مما يحافظ على قدرة الاتصالات المتعددة بين الوقود (أو الأكسجين في الطرف الآخر من العنصر)، والكهارل والأقطاب الكهربائية.

9. مقارنة أهم خصائص خلايا الوقود

خصائص خلايا الوقود

نوع خلية الوقود	درجة حرارة التشغيل	كفاءة توليد الطاقة	نوع الوقود	نطاق التطبيق
				المنشآت المتوسطة والكبيرة
			الهيدروجين النقي	المنشآت
			الهيدروجين النقي	المنشآت الصغيرة
			معظم أنواع الوقود الهيدروكربوني	المنشآت الصغيرة والمتوسطة والكبيرة
				محمول المنشآت
			الهيدروجين النقي	فضاء بحثت
			الهيدروجين النقي	المنشآت الصغيرة

10. استخدام خلايا الوقود في السيارات

في ضوء الأحداث الأخيرة المتعلقة بارتفاع درجة الحرارة والحرائق وحتى انفجارات أجهزة الكمبيوتر المحمولة بسبب خطأ بطاريات الليثيوم أيون، لا يسع المرء إلا أن يتذكر التقنيات البديلة الجديدة، والتي، وفقًا لمعظم الخبراء، ستكون قادرة في المستقبل على استكمالها أو استبدالها البطاريات القابلة لإعادة الشحن التقليدية اليوم. نحن نتحدث عن مصادر جديدة للطاقة – خلايا الوقود.

وفقا للقانون التجريبي الذي صاغه أحد مؤسسي شركة إنتل، جوردون مور، قبل 40 عاما، فإن أداء المعالج يتضاعف كل 18 شهرا. البطاريات لا تستطيع مواكبة الرقائق. قدرتها، وفقا للخبراء، تزيد بنسبة 10٪ فقط سنويا.

تعمل خلية الوقود على أساس غشاء خلوي (مسامي)، يفصل بين فراغي الأنود والكاثود في خلية الوقود. يتم تغليف هذا الغشاء على كلا الجانبين بالمحفزات المناسبة. يتم إمداد الأنود بالوقود، وفي هذه الحالة يتم استخدام محلول الميثانول (كحول الميثيل). نتيجة للتفاعل الكيميائي لتحلل الوقود، يتم تشكيل شحنات مجانية تخترق الغشاء إلى الكاثود. وبذلك يتم إغلاق الدائرة الكهربائية، وينشأ فيها تيار كهربائي لتشغيل الجهاز. يُسمى هذا النوع من خلايا الوقود بخلية وقود الميثانول المباشر (DMFC). بدأ تطوير خلايا الوقود منذ فترة طويلة، ولكن النتائج الأولى التي أدت إلى الحديث عن المنافسة الحقيقية مع بطاريات الليثيوم أيون، لم يتم الحصول عليها إلا في العامين الماضيين.

في عام 2004، كان هناك حوالي 35 مصنعًا لمثل هذه الأجهزة في السوق، ولكن لم يتمكن سوى عدد قليل من الشركات من إعلان نجاح كبير في هذا المجال. في يناير، قدمت فوجيتسو تطورها - يبلغ سمك البطارية 15 ملم وتحتوي على 300 ملغ من محلول الميثانول بنسبة 30 بالمائة. سمحت له قوة 15 واط بتشغيل الكمبيوتر المحمول لمدة 8 ساعات. وبعد شهر، كانت شركة صغيرة، PolyFuel، أول من أعلن عن الإنتاج التجاري للأغشية نفسها التي يجب أن تكون مجهزة بإمدادات الطاقة بالوقود. وفي شهر مارس بالفعل، عرضت شركة توشيبا نموذجًا أوليًا لجهاز كمبيوتر محمول يعمل بالوقود. ذكرت الشركة المصنعة أن مثل هذا الكمبيوتر المحمول يمكن أن يستمر خمس مرات أطول من الكمبيوتر المحمول الذي يستخدم بطارية تقليدية.

وفي عام 2005، أعلنت شركة LG Chem عن إنشاء خلية وقود خاصة بها. تم إنفاق حوالي 5 سنوات و 5 مليارات دولار على تطويره. ونتيجة لذلك، أصبح من الممكن إنشاء جهاز بقوة 25 واط ووزن 1 كجم، متصل بجهاز كمبيوتر محمول عبر واجهة USB وضمان تشغيله لمدة 10 ساعات. وقد شهد عام 2006 أيضاً عدداً من التطورات المثيرة للاهتمام. على وجه الخصوص، أظهر المطورون الأمريكيون من شركة Ultracell خلية وقود توفر قوة تبلغ 25 واط ومجهزة بثلاث خراطيش قابلة للاستبدال تحتوي على 67 بالمائة من الميثانول. إنه قادر على تشغيل الكمبيوتر المحمول لمدة 24 ساعة. كان وزن البطارية حوالي كيلوغرام، ووزن كل خرطوشة حوالي 260 جرامًا.

بالإضافة إلى قدرتها على توفير سعة أكبر من بطاريات الليثيوم أيون، فإن بطاريات الميثانول غير قابلة للانفجار. تشمل العيوب تكلفتها العالية إلى حد ما والحاجة إلى تغيير خراطيش الميثانول بشكل دوري.

حتى لو لم تحل بطاريات الوقود محل البطاريات التقليدية، فمن المرجح أن يتم استخدامها مع هذه البطاريات. ووفقا للخبراء، فإن سوق خلايا الوقود في عام 2006 سيبلغ حوالي 600 مليون دولار، وهو رقم متواضع إلى حد ما. ومع ذلك، بحلول عام 2010، يتوقع الخبراء زيادة بمقدار ثلاثة أضعاف - ما يصل إلى 1.9 مليار دولار.

مناقشة مقال "بطاريات الكحول تحل محل بطاريات الليثيوم"

zemoneng

يا إلهي، لقد وجدت معلومات عن هذا الجهاز في إحدى المجلات النسائية.
حسنًا، سأقول بضع كلمات حول هذا:
1: الإزعاج هو أنه بعد 6-10 ساعات من التشغيل، سيتعين عليك البحث عن خرطوشة جديدة، وهي باهظة الثمن. لماذا يجب أن أنفق المال على هذا الهراء؟
2: بقدر ما أفهم، بعد تلقي الطاقة من كحول الميثيل، يجب إطلاق الماء. الكمبيوتر المحمول والماء شيئان غير متوافقين.
3: لماذا تكتبين في المجلات النسائية؟ إذا حكمنا من خلال التعليقات "لا أعرف شيئًا" و"ما هذا؟"، فإن هذه المقالة ليست على مستوى موقع مخصص للجمال.

وصف:

تتناول هذه المقالة بمزيد من التفصيل تصميمها وتصنيفها ومزاياها وعيوبها ونطاق التطبيق وفعاليتها وتاريخ إنشائها وآفاق الاستخدام الحديثة.

استخدام خلايا الوقود لتشغيل المباني

الجزء 1

تتناول هذه المقالة بمزيد من التفصيل مبدأ تشغيل خلايا الوقود وتصميمها وتصنيفها ومزاياها وعيوبها ونطاق التطبيق وكفاءتها وتاريخ إنشائها وآفاق الاستخدام الحديثة. في الجزء الثاني من المقال، والذي سيتم نشره في العدد القادم من مجلة ABOK، يقدم أمثلة على المنشآت التي تم فيها استخدام أنواع مختلفة من خلايا الوقود كمصادر للحرارة وإمدادات الطاقة (أو مصدر الطاقة فقط).

يمكن تخزين الماء حتى في كلا الاتجاهين بشكل مضغوط ومسال، ولكن هذا أيضًا طين، وكلاهما ناتج عن مشاكل فنية كبيرة. ويرجع ذلك إلى الضغوط العالية ودرجات الحرارة المنخفضة للغاية بسبب التميع. ولهذا السبب، على سبيل المثال، يجب تصميم حامل موزع وقود المياه بشكل مختلف عما اعتدنا عليه؛ حيث تربط نهاية خط التعبئة الذراع الآلي بصمام في السيارة. يعد التوصيل والتعبئة أمرًا خطيرًا للغاية، وبالتالي فمن الأفضل أن يحدث بدون حضور بشري.

مقدمة

تعتبر خلايا الوقود وسيلة فعالة للغاية وموثوقة ومتينة وصديقة للبيئة لتوليد الطاقة.

كانت خلايا الوقود تستخدم في البداية فقط في صناعة الفضاء، ولكنها تستخدم الآن بشكل متزايد في مجموعة متنوعة من المجالات - مثل محطات الطاقة الثابتة، وإمدادات الحرارة والطاقة للمباني، ومحركات المركبات، وإمدادات الطاقة لأجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة. بعض هذه الأجهزة عبارة عن نماذج أولية مختبرية، وبعضها يخضع لاختبارات ما قبل الإنتاج أو يتم استخدامها لأغراض العرض التوضيحي، ولكن العديد من النماذج يتم إنتاجها بكميات كبيرة واستخدامها في المشاريع التجارية.

يتم اختبار مثل هذا الجهاز في مطار ميونيخ، حاول القيادة هنا بسيارات وحافلات فردية. يعد قطع عدد كبير من الأميال أمرًا رائعًا، ولكنه من الناحية العملية لا يقل أهمية عن عدد الكيلوجرامات التي ستتكلفها، ومقدار المساحة التي سيشغلها خزان الوقود القوي المعزول في السيارة. بعض المشاكل الأخرى مع الماء: - تكوين حمام هوائي معقد - مشكلة في الكراجات ومحلات تصليح السيارات وغيرها. - بفضل الجزيء الصغير الذي يخترق كل عنق الزجاجة والبراغي والصمامات - يتطلب الضغط والتسييل استهلاكًا كبيرًا للطاقة.

خلية الوقود (المولد الكهروكيميائي) هي جهاز يقوم بتحويل الطاقة الكيميائية للوقود (الهيدروجين) إلى طاقة كهربائية مباشرة من خلال تفاعل كهروكيميائي، على عكس التقنيات التقليدية التي تستخدم احتراق الوقود الصلب والسائل والغازي. يعد التحويل الكهروكيميائي المباشر للوقود فعالاً وجذابًا للغاية من وجهة نظر بيئية، نظرًا لأن عملية التشغيل تنتج الحد الأدنى من الملوثات ولا يوجد ضوضاء أو اهتزازات قوية.

إن الضغوط الخاصة والضغط ومجموعة تدابير السلامة الضرورية لها قيمة جيدة جداً في التقييم في نهاية الماء، مقارنة بالوقود الهيدروكربوني السائل، الذي يتم إنتاجه باستخدام حاويات خفيفة الوزن بدون ضغط. لذلك، ربما تساهم الظروف العاجلة للغاية في متعته الحقيقية.

في المستقبل القريب، لا يزال مصنعو السيارات يبحثون عن وقود سائل أرخص وأقل خطورة نسبيًا. قد يكون المنصهر الساخن هو الميثانول، والذي يمكن استخلاصه بسهولة نسبية. مشكلته الرئيسية والوحيدة هي السمية، من ناحية أخرى، مثل الماء، يمكن استخدام الميثان في محركات الاحتراق الداخلي وفي نوع معين من سلسلة الوقود. كما أن لديها بعض المزايا في محركات الاحتراق الداخلي، بما في ذلك من حيث الانبعاثات.

ومن الناحية العملية، تشبه خلية الوقود البطارية الفولتية التقليدية. الفرق هو أن البطارية مشحونة في البداية، أي مملوءة بـ"الوقود". أثناء التشغيل، يتم استهلاك "الوقود" وتفريغ البطارية.

وفي هذا الصدد، يمكن أن ترتفع المياه إلى مستوى منافسة غير متوقعة نسبيًا لكنها قادرة. خلية الوقود هي مصدر للتيار الناتج عن تفاعل كهروكيميائي. وعلى عكس جميع البطاريات المعروفة لدينا، يتم تغذيتها بالكواشف ويتم تفريغ النفايات باستمرار، لذلك، على عكس البطارية، فهي لا تنضب فعليًا. على الرغم من وجود العديد من الأنواع المختلفة، إلا أن الرسم البياني التالي لخلية وقود الهيدروجين يساعدنا على فهم كيفية عملها.

يتم تغذية الوقود إلى القطب الموجب، حيث يتم أكسدته. يدخل الأكسجين O2 إلى القطب السالب ويمكن تقليله.

بل كان من الممكن تطوير خلية وقود تحرق الفحم مباشرة. وبما أن عمل العلماء من مختبر لورانس ليفرمور، الذي تمكن من اختبار خلية وقود تحول الفحم مباشرة إلى كهرباء، يمكن أن يكون علامة فارقة مهمة للغاية في تطور الطاقة، فسوف نتوقف عند بضع كلمات. يتم خلط تربة الفحم التي يصل حجمها إلى 1 ميكرون عند درجة حرارة 750-850 درجة مئوية مع كربونات الليثيوم أو الصوديوم أو البوتاسيوم المنصهرة.

لإنتاج الطاقة الكهربائية، لا يمكن استخدام الهيدروجين النقي فحسب، بل يمكن أيضًا استخدام مواد خام أخرى تحتوي على الهيدروجين، على سبيل المثال، الغاز الطبيعي أو الأمونيا أو الميثانول أو البنزين. يُستخدم الهواء العادي كمصدر للأكسجين، وهو ضروري أيضًا للتفاعل.

عند استخدام الهيدروجين النقي كوقود فإن نواتج التفاعل بالإضافة إلى الطاقة الكهربائية هي الحرارة والماء (أو بخار الماء)، أي أن الغازات التي تسبب تلوث الهواء أو تسبب ظاهرة الاحتباس الحراري لا تنبعث إلى الغلاف الجوي. إذا تم استخدام مادة خام تحتوي على الهيدروجين، مثل الغاز الطبيعي، كوقود، فإن الغازات الأخرى مثل أكاسيد الكربون والنيتروجين ستكون نتيجة ثانوية للتفاعل، ولكن الكمية أقل بكثير مما هي عليه عند حرق نفس الكمية من المواد الطبيعية. غاز.

ثم يتم كل شيء بالطريقة القياسية وفقًا للرسم البياني أعلاه: يتفاعل الأكسجين الموجود في الهواء مع الكربون ويتحول إلى ثاني أكسيد الكربون، ويتم إطلاق الطاقة على شكل كهرباء. على الرغم من أننا نعرف عدة أنواع مختلفة من خلايا الوقود، إلا أنها جميعها تعمل وفقًا للمبدأ الموصوف. هذا نوع من الاحتراق المتحكم فيه. عندما نخلط الهيدروجين مع الأكسجين نحصل على خليط انشطاري ينفجر ليشكل الماء. يتم إطلاق الطاقة على شكل حرارة. ولخلية وقود الهيدروجين نفس التفاعل، ويكون المنتج أيضًا ماء، ولكن يتم إطلاق الطاقة على شكل كهرباء.

تسمى عملية تحويل الوقود كيميائيًا لإنتاج الهيدروجين بالإصلاح، ويسمى الجهاز المقابل بالمصلح.

مزايا وعيوب خلايا الوقود

تعتبر خلايا الوقود أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من محركات الاحتراق الداخلي لأنه لا يوجد أي قيود على كفاءة الطاقة الديناميكية الحرارية لخلايا الوقود. وتبلغ كفاءة خلايا الوقود 50%، أما كفاءة محركات الاحتراق الداخلي فتبلغ 12-15%، ولا تتجاوز كفاءة محطات توليد الطاقة التوربينية البخارية 40%. وباستخدام الحرارة والماء، تزداد كفاءة خلايا الوقود بشكل أكبر.

والميزة الكبرى لخلية الوقود هي أنها تنتج الكهرباء من الوقود بطريقة أو بأخرى بشكل مباشر، دون الحاجة إلى محطة حرارية وسيطة، وبالتالي تكون الانبعاثات أقل وكفاءة أعلى. تصل إلى 70%، بينما نحقق كمعيار تحويل الفحم إلى كهرباء بنسبة 40%. لماذا لا نبني خلايا وقود عملاقة بدلاً من محطات الطاقة؟ تعد خلية الوقود جهازًا معقدًا إلى حد ما يعمل في درجات حرارة عالية، وبالتالي فإن المتطلبات الخاصة بمواد الإلكترود والكهارل نفسها مرتفعة.

وعلى 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 بمجرد إضافة وحدات فردية، بينما لا تتغير الكفاءة، أي أن المنشآت الكبيرة لا تقل كفاءة عن المنشآت الصغيرة. تتيح هذه الظروف إمكانية اختيار تركيبة المعدات بمرونة شديدة وفقًا لرغبات العميل وتؤدي في النهاية إلى تقليل تكاليف المعدات.

ثم تضاءل الاهتمام مرة أخرى عندما أصبح من الواضح أن الاستخدام الأوسع كان يتجاوز قدرات التكنولوجيا في ذلك الوقت. ومع ذلك، على مدار الثلاثين عامًا الماضية، لم يتوقف التطوير، وظهرت مواد ومفاهيم جديدة، وتغيرت أولوياتنا - فنحن الآن نولي اهتمامًا أكبر لحماية البيئة أكثر من ذلك الحين. ولذلك، فإننا نشهد شيئًا من النهضة في خلايا الوقود، والتي يتم استخدامها بشكل متزايد في العديد من المجالات. هناك 200 جهاز من هذا القبيل في جميع أنحاء العالم. على سبيل المثال، تعمل كجهاز نسخ احتياطي حيث يمكن أن يتسبب فشل الشبكة في حدوث مشكلات خطيرة - على سبيل المثال، في المستشفيات أو المؤسسات العسكرية.

الميزة المهمة لخلايا الوقود هي ملاءمتها للبيئة. إن انبعاثات خلايا الوقود منخفضة جدًا لدرجة أن تشغيلها في بعض مناطق الولايات المتحدة لا يتطلب موافقة خاصة من الجهات التنظيمية الحكومية لجودة الهواء.

يمكن وضع خلايا الوقود مباشرة في المبنى، مما يقلل من الخسائر أثناء نقل الطاقة، ويمكن استخدام الحرارة المتولدة نتيجة التفاعل لتوفير الحرارة أو الماء الساخن للمبنى. يمكن أن تكون مصادر الحرارة والكهرباء المستقلة مفيدة جدًا في المناطق النائية وفي المناطق التي تتميز بنقص الكهرباء وارتفاع تكلفتها، ولكن في الوقت نفسه هناك احتياطيات من المواد الخام المحتوية على الهيدروجين (النفط والغاز الطبيعي).

يتم استخدامها في الأماكن النائية جدًا حيث يكون نقل الوقود أسهل من تمديد الكابل. وقد يبدأون أيضًا في التنافس مع محطات الطاقة. هذه هي أقوى وحدة مثبتة في العالم.

تعمل كل شركات صناعة السيارات الكبرى تقريبًا على مشروع سيارة كهربائية تعمل بخلايا الوقود. يبدو أن هذا مفهوم واعد أكثر بكثير من السيارة الكهربائية التقليدية التي تعمل بالبطارية، لأنها لا تتطلب وقتًا طويلاً للشحن كما أن تغيير البنية التحتية المطلوبة ليس واسع النطاق.

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 العالية نسبيا، ولكن يمكن التغلب على هذا العيب قريبا - المزيد والمزيد من الشركات تنتج عينات تجارية من خلايا الوقود، ويتم تحسينها باستمرار، وتتناقص تكلفتها.

وتتجلى الأهمية المتزايدة لخلايا الوقود أيضاً في حقيقة مفادها أن إدارة بوش أعادت النظر مؤخراً في توجهها نحو تطوير السيارات، وأن الأموال التي أنفقتها على تطوير السيارات التي تقطع أفضل مسافة ممكنة تحول الآن إلى مشاريع خلايا الوقود. إن تمويل التنمية لا يبقى ببساطة في أيدي الدولة.

وبطبيعة الحال، لا يقتصر مفهوم القيادة الجديد على سيارات الركاب، ولكن يمكننا أن نجده أيضًا في وسائل النقل الجماعي. تنقل الحافلات التي تعمل بخلايا الوقود الركاب في شوارع عدة مدن. إلى جانب محركات السيارات، هناك عدد من المحركات الأصغر حجمًا في السوق، مثل أجهزة الكمبيوتر التي تعمل بالطاقة وكاميرات الفيديو والهواتف المحمولة. في الصورة نرى خلية وقود لتشغيل جهاز إنذار المرور.

الطريقة الأكثر فعالية هي استخدام الهيدروجين النقي كوقود، لكن هذا سيتطلب إنشاء بنية تحتية خاصة لإنتاجه ونقله.

حاليًا، تستخدم جميع التصميمات التجارية الغاز الطبيعي وأنواع الوقود المماثلة. يمكن للسيارات استخدام البنزين العادي، مما سيسمح بالحفاظ على شبكة محطات الوقود المتطورة الحالية.

طور الكيميائيون محفزًا يمكن أن يحل محل البلاتين الباهظ الثمن في خلايا الوقود. وبدلا من ذلك، يستخدم حوالي مائتي ألف من الحديد الرخيص. تقوم خلايا الوقود بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. الإلكترونات الموجودة في الجزيئات المختلفة لها طاقات مختلفة. يمكن استخدام فرق الطاقة بين جزيء وآخر كمصدر للطاقة. ما عليك سوى العثور على تفاعل تنتقل فيه الإلكترونات من الأعلى إلى الأدنى. مثل هذه التفاعلات هي المصدر الرئيسي للطاقة للكائنات الحية.

ميزة أخرى لخلايا الوقود هي أنها تكون أكثر كفاءة عند استخدام الطاقة الكهربائية والحرارية في وقت واحد. ومع ذلك، ليس كل منشأة لديها الفرصة لاستخدام الطاقة الحرارية. وإذا تم استخدام خلايا الوقود فقط لتوليد الطاقة الكهربائية، فإن كفاءتها تنخفض، رغم أنها تتجاوز كفاءة المنشآت “التقليدية”.

وأشهرها هو التنفس، الذي يحول السكريات إلى ثاني أكسيد الكربون والماء. في خلية وقود الهيدروجين، تتحد جزيئات الهيدروجين ذات ذرتين مع الأكسجين لتكوين الماء. يستخدم فرق الطاقة بين الإلكترونات الموجودة في الهيدروجين والماء لتوليد الكهرباء. ربما تكون خلايا الهيدروجين هي الأكثر استخدامًا لقيادة السيارات اليوم. كما أن توسعها الهائل يمنع الربط الصغير.

لكي يحدث تفاعل غني بالطاقة، يلزم وجود محفز. المحفزات هي جزيئات تزيد من احتمالية حدوث التفاعل. وبدون محفز، يمكن أن يعمل أيضًا، ولكن في كثير من الأحيان بشكل أقل أو ببطء أكبر. تستخدم خلايا الهيدروجين البلاتين الثمين كمحفز.

التاريخ والاستخدام الحديث 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 من خلال تيار كهربائي - قابلة للعكس، أي يمكن دمج الهيدروجين والأكسجين في جزيئات الماء دون احتراق، ولكن مع إطلاقها. للحرارة والتيار الكهربائي. أطلق جروف على الجهاز الذي يمكن أن يحدث فيه مثل هذا التفاعل اسم "بطارية الغاز"، والتي كانت أول خلية وقود.

نفس التفاعل الذي يحدث في خلايا الهيدروجين يحدث أيضًا في الخلايا الحية. الإنزيمات عبارة عن جزيئات كبيرة نسبيًا تتكون من أحماض أمينية يمكن دمجها مثل مكعبات الليغو. يحتوي كل إنزيم على ما يسمى بالموقع النشط، حيث يتم تسريع التفاعل. غالبًا ما توجد جزيئات أخرى غير الأحماض الأمينية في الموقع النشط.

وفي حالة حمض الهيدروجين، فهو الحديد. تمكن فريق من الكيميائيين، بقيادة موريس بولوك من مختبر المحيط الهادئ التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، من محاكاة التفاعل في موقع الهدرجة النشط. مثل الإنزيم، الهدرجة كافية للبلاتين مع الحديد. يمكنه تقسيم 0.66 إلى 2 جزيء هيدروجين في الثانية. ويتراوح فرق الجهد من 160 إلى 220 ألف فولت. كلاهما مشابه لمحفزات البلاتين الحالية المستخدمة في خلايا الهيدروجين. يتم التفاعل في درجة حرارة الغرفة.

بدأ التطوير النشط لتقنيات استخدام خلايا الوقود بعد الحرب العالمية الثانية، ويرتبط بصناعة الطيران. في هذا الوقت، كان البحث جاريًا عن مصدر طاقة فعال وموثوق، ولكنه في نفس الوقت مضغوط تمامًا. في الستينيات، اختار المتخصصون في وكالة ناسا (الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء، ناسا) خلايا الوقود كمصدر للطاقة للمركبة الفضائية أبولو (الرحلات المأهولة إلى القمر)، وبرامج أبولو سويوز، وجيميني، وسكاي لاب. استخدمت مركبة أبولو الفضائية ثلاث محطات بقدرة 1.5 كيلووات (ذروة 2.2 كيلووات) تستخدم الهيدروجين المبرد والأكسجين لإنتاج الكهرباء والحرارة والماء. كانت كتلة كل تركيب 113 كجم. تعمل هذه الخلايا الثلاث بالتوازي، لكن الطاقة المولدة من وحدة واحدة كانت كافية للعودة الآمنة.

كيلوغرام واحد من الحديد يكلف 0.5 كرونة تشيكية. ولذلك فإن الحديد أرخص 200 ألف مرة من البلاتين. وفي المستقبل، قد تكون خلايا الوقود أرخص. البلاتين الباهظ الثمن ليس هو السبب الوحيد لعدم استخدامه، على الأقل ليس على نطاق واسع. التعامل معها صعب وخطير.

إذا تم استخدام غرف الهيدروجين بكميات كبيرة لقيادة السيارات، فسيتعين عليها بناء نفس البنية التحتية مثل البنزين والديزل. بالإضافة إلى ذلك، هناك حاجة إلى النحاس لإنتاج المحركات الكهربائية التي تشغل السيارات التي تعمل بالهيدروجين. لكن هذا لا يعني أن خلايا الوقود عديمة الفائدة. عندما يكون هناك نفط، ربما لا يكون لدينا خيار سوى القيادة باستخدام الهيدروجين.

وفي بلدنا، تم أيضًا العمل على إنشاء خلايا وقود لاستخدامها في الملاحة الفضائية. على سبيل المثال، تم استخدام خلايا الوقود لتشغيل المركبة الفضائية السوفيتية القابلة لإعادة الاستخدام بوران.

بدأ تطوير طرق الاستخدام التجاري لخلايا الوقود في منتصف الستينيات. تم تمويل هذه التطورات جزئيًا من قبل المنظمات الحكومية.

حاليًا، يجري تطوير تقنيات استخدام خلايا الوقود في عدة اتجاهات. هذا هو إنشاء محطات طاقة ثابتة على خلايا الوقود (سواء لإمدادات الطاقة المركزية أو اللامركزية)، ومحطات توليد الطاقة للمركبات (تم إنشاء عينات من السيارات والحافلات على خلايا الوقود، بما في ذلك في بلدنا) (الشكل 3)، و وأيضًا مصادر الطاقة لمختلف الأجهزة المحمولة (أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة وما إلى ذلك) (الشكل 4).

وترد في الجدول أمثلة على استخدام خلايا الوقود في مختلف المجالات. 1.

كان أحد نماذج خلايا الوقود التجارية الأولى المصممة لإمدادات الحرارة والطاقة المستقلة للمباني هو PC25 Model A، الذي تم تصنيعه بواسطة شركة ONSI (الآن United Technologies، Inc.).

خلية الوقود هذه بقدرة اسمية تبلغ 200 كيلوواط هي نوع من الخلايا التي تحتوي على إلكتروليت يعتمد على حمض الفوسفوريك (خلايا وقود حمض الفوسفوريك، PAFC). الرقم "25" في اسم الموديل يعني الرقم التسلسلي للتصميم. كانت معظم النماذج السابقة عبارة عن وحدات تجريبية أو اختبارية، مثل طراز "PC11" بقدرة 12.5 كيلووات الذي تم طرحه في السبعينيات. وزادت النماذج الجديدة من الطاقة المستخرجة من خلية الوقود الفردية، كما خفضت تكلفة كيلووات من الطاقة المنتجة. حاليًا، إحدى النماذج التجارية الأكثر كفاءة هي خلية الوقود PC25 Model C. مثل الطراز A، فهي عبارة عن خلية وقود PAFC أوتوماتيكية بالكامل بقدرة 200 كيلووات، مصممة للتركيب مباشرة في الموقع المخدوم كمصدر مستقل للحرارة وإمدادات الطاقة.

يمكن تركيب خلية الوقود هذه خارج المبنى. خارجيًا، يبلغ طوله 5.5 مترًا وعرضه 3 أمتار وارتفاعه، ويزن 18.140 كجم. الفرق عن النماذج السابقة هو مصلح محسّن وكثافة تيار أعلى. الجدول 1 مجال تطبيق خلايا الوقود منطقة التطبيقات الاسمي قوة أمثلة على الاستخدام ثابتة المنشآت الاسمي 5-250 كيلوواط و أعلى مصادر مستقلة للحرارة وإمدادات الطاقة للمباني السكنية والعامة والصناعية، وإمدادات الطاقة غير المنقطعة، ومصادر إمدادات الطاقة الاحتياطية والطوارئ الاسمي محمول 1-50 كيلو واط لافتات الطرق وشاحنات السكك الحديدية المبردة والبضائع والكراسي المتحركة وعربات الغولف وسفن الفضاء والأقمار الصناعية متحرك 25-150 كيلو واط

في بعض أنواع خلايا الوقود، يمكن عكس العملية الكيميائية: من خلال تطبيق فرق الجهد على الأقطاب الكهربائية، يمكن تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين، اللذين يتجمعان على الأقطاب الكهربائية المسامية. عندما يتم توصيل الحمل، ستبدأ خلية الوقود المتجددة هذه في توليد الطاقة الكهربائية.

الاتجاه الواعد لاستخدام خلايا الوقود هو استخدامها مع مصادر الطاقة المتجددة، على سبيل المثال، الألواح الكهروضوئية أو محطات طاقة الرياح. تتيح لنا هذه التكنولوجيا تجنب تلوث الهواء تمامًا. ومن المخطط إنشاء نظام مماثل، على سبيل المثال، في مركز تدريب آدم جوزيف لويس في أوبرلين (انظر ABOK، 2002، رقم 5، ص 10). حاليًا، يتم استخدام الألواح الشمسية كأحد مصادر الطاقة في هذا المبنى. تم بالتعاون مع متخصصين في وكالة ناسا تطوير مشروع لاستخدام الألواح الكهروضوئية لإنتاج الهيدروجين والأكسجين من الماء عن طريق التحليل الكهربائي. ثم يتم استخدام الهيدروجين في خلايا الوقود لإنتاج الطاقة الكهربائية و. سيسمح ذلك للمبنى بالحفاظ على وظائف جميع الأنظمة خلال الأيام الملبدة بالغيوم وفي الليل.

مبدأ تشغيل خلايا الوقود

لنفكر في مبدأ تشغيل خلية الوقود باستخدام مثال عنصر بسيط مع غشاء تبادل البروتون (غشاء تبادل البروتون، PEM). تتكون هذه الخلية من غشاء بوليمر يوضع بين القطب الموجب (القطب الموجب) والكاثود (القطب السالب) بالإضافة إلى محفزات الأنود والكاثود.

يستخدم غشاء البوليمر كإلكتروليت. يظهر الرسم التخطيطي لعنصر PEM في الشكل. 5.

غشاء تبادل البروتون (PEM) عبارة عن مركب عضوي صلب رقيق (حوالي 2-7 ورقة سميكة). يعمل هذا الغشاء بمثابة إلكتروليت: فهو يفصل المادة إلى أيونات موجبة وسالبة الشحنة في وجود الماء.

تحدث عملية الأكسدة عند الأنود، وتحدث عملية الاختزال عند الكاثود.

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 ذات غشاء تبادل البروتونات (خلية PEM)
	الشكل 6. () تمر جزيئات الهيدروجين عبر القنوات الموجودة في اللوحة إلى القطب الموجب، حيث تتحلل الجزيئات إلى ذرات فردية
	الشكل 7. () ونتيجة للامتصاص الكيميائي في وجود عامل محفز، تتحول ذرات الهيدروجين إلى بروتونات
	الشكل 8. () تنتشر أيونات الهيدروجين الموجبة الشحنة عبر الغشاء إلى الكاثود، ويتم توجيه تدفق الإلكترونات إلى الكاثود من خلال دائرة كهربائية خارجية يتصل بها الحمل
	الشكل 9. () يدخل الأكسجين المزود إلى الكاثود، في وجود محفز، في تفاعل كيميائي مع أيونات الهيدروجين من غشاء تبادل البروتونات والإلكترونات من الدائرة الكهربائية الخارجية. نتيجة للتفاعل الكيميائي، يتكون الماء

ثم، نتيجة للامتصاص الكيميائي في وجود محفز، يتم تحويل ذرات الهيدروجين، التي تتخلى كل منها عن إلكترون واحد، إلى أيونات هيدروجين موجبة الشحنة H +، أي بروتونات (الشكل 7).

تنتشر أيونات الهيدروجين (البروتونات) المشحونة إيجابياً عبر الغشاء إلى الكاثود، ويتم توجيه تدفق الإلكترونات إلى الكاثود من خلال دائرة كهربائية خارجية يتصل بها الحمل (مستهلك الطاقة الكهربائية) (الشكل 8).

يدخل الأكسجين الذي يتم توفيره للكاثود، في وجود محفز، في تفاعل كيميائي مع أيونات الهيدروجين (البروتونات) من غشاء تبادل البروتونات والإلكترونات من الدائرة الكهربائية الخارجية (الشكل 9). نتيجة للتفاعل الكيميائي، يتكون الماء.

التفاعل الكيميائي في الأنواع الأخرى من خلايا الوقود (على سبيل المثال، مع المنحل بالكهرباء الحمضي، والذي يستخدم محلول حمض الأرثوفوسفوريك H 3 PO 4) مطابق تمامًا للتفاعل الكيميائي في خلية الوقود ذات غشاء تبادل البروتون.

في أي خلية وقود، يتم إطلاق بعض الطاقة الناتجة عن التفاعل الكيميائي على شكل حرارة.

إن تدفق الإلكترونات في الدائرة الخارجية هو تيار مباشر يستخدم لبذل شغل. فتح الدائرة الخارجية أو إيقاف حركة أيونات الهيدروجين يوقف التفاعل الكيميائي.

تعتمد كمية الطاقة الكهربائية التي تنتجها خلية الوقود على نوع خلية الوقود، الأبعاد الهندسية، درجة الحرارة، ضغط الغاز. توفر خلية الوقود المنفصلة مجالًا كهرومغناطيسيًا أقل من 1.16 فولت. ويمكن زيادة حجم خلايا الوقود، ولكن عمليًا يتم استخدام عدة عناصر متصلة بالبطاريات (الشكل 10).

تصميم خلايا الوقود

دعونا نلقي نظرة على تصميم خلية الوقود باستخدام PC25 Model C كمثال.

يظهر مخطط خلية الوقود في الشكل. 11.

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 بطارية مكونة من 256 خلية وقود فردية. تحتوي أقطاب خلايا الوقود على محفز البلاتين. تنتج هذه الخلايا تيارًا كهربائيًا ثابتًا قدره 1400 أمبير عند 155 فولت. تبلغ أبعاد البطارية حوالي 2.9 مترًا في الطول و0.9 مترًا في العرض والارتفاع.

وبما أن العملية الكهروكيميائية تتم عند درجة حرارة 177 درجة مئوية، فمن الضروري تسخين البطارية عند بدء التشغيل وإزالة الحرارة منها أثناء التشغيل.

ولتحقيق ذلك، تشتمل خلية الوقود على دائرة مائية منفصلة، ​​كما تم تجهيز البطارية بلوحات تبريد خاصة.

يقوم معالج الوقود بتحويل الغاز الطبيعي إلى الهيدروجين اللازم للتفاعل الكهروكيميائي. هذه العملية تسمى الإصلاح. العنصر الرئيسي في معالج الوقود هو المصلح. في المصلح، يتفاعل الغاز الطبيعي (أو أي وقود آخر يحتوي على الهيدروجين) مع بخار الماء عند درجة حرارة عالية (900 درجة مئوية) وضغط مرتفع في وجود محفز النيكل. وفي هذه الحالة تحدث التفاعلات الكيميائية التالية:

CH 4 (الميثان) + H2O3H2 + CO

(التفاعل ماص للحرارة، مع امتصاص الحرارة)؛

CO + H2OH2 + CO2

(التفاعل طارد للحرارة، ويطلق الحرارة).

يتم التعبير عن التفاعل الكلي بالمعادلة:

CH 4 (الميثان) + 2H2O4H2 + CO2

(التفاعل ماص للحرارة، مع امتصاص الحرارة).

تنتج مجموعة خلايا الوقود تيارًا مباشرًا متقطعًا ذو جهد منخفض وتيار مرتفع. يتم استخدام محول الجهد لتحويله إلى تيار متردد قياسي في الصناعة. بالإضافة إلى ذلك، تشتمل وحدة محول الجهد على أجهزة تحكم مختلفة ودوائر تعشيق أمان تسمح بإيقاف تشغيل خلية الوقود في حالة حدوث أعطال مختلفة.

وفي خلية الوقود هذه، يمكن تحويل حوالي 40% من طاقة الوقود إلى طاقة كهربائية. ويمكن تحويل نفس الكمية تقريبًا، أي حوالي 40% من طاقة الوقود، إلى طاقة حرارية، والتي يتم استخدامها بعد ذلك كمصدر حرارة للتدفئة وإمدادات المياه الساخنة وأغراض مماثلة. وبالتالي، فإن الكفاءة الإجمالية لمثل هذا التثبيت يمكن أن تصل إلى 80٪.

من المزايا المهمة لمصدر الحرارة والكهرباء هذا إمكانية التشغيل التلقائي. للصيانة، لا يحتاج أصحاب المنشأة التي تم تركيب خلية الوقود فيها إلى صيانة موظفين مدربين تدريباً خاصاً - يمكن إجراء الصيانة الدورية من قبل موظفي منظمة التشغيل.

أنواع خلايا الوقود

حاليا، هناك عدة أنواع من خلايا الوقود معروفة، والتي تختلف في تكوين المنحل بالكهرباء المستخدم. الأنواع الأربعة التالية هي الأكثر انتشارًا (الجدول 2):

1. خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتون (خلايا وقود غشاء تبادل البروتون، PEMFC).

2. خلايا الوقود المعتمدة على حمض الأرثوفوسفوريك (خلايا الوقود بحمض الفوسفوريك، PAFC).

3. خلايا الوقود المعتمدة على الكربونات المنصهرة (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFC).

حاليًا، يعتمد أكبر أسطول من خلايا الوقود على تقنية PAFC.

إحدى الخصائص الرئيسية للأنواع المختلفة من خلايا الوقود هي درجة حرارة التشغيل. في كثير من النواحي، فإن درجة الحرارة هي التي تحدد مجال تطبيق خلايا الوقود. على سبيل المثال، تعد درجات الحرارة المرتفعة أمرًا بالغ الأهمية لأجهزة الكمبيوتر المحمولة، لذلك يتم تطوير خلايا وقود غشاء تبادل البروتونات ذات درجات حرارة التشغيل المنخفضة لهذا القطاع من السوق.

خلايا وقود غشاء التبادل البروتوني (PEMFC)

تعمل خلايا الوقود هذه عند 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 يلحق الضرر بالغشاء. الطاقة المقدرة لهذا النوع من خلايا الوقود 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 إلكتروليت بوليمر صلب يسمى غشاء تبادل البروتون (PEM). يمكن للبروتونات أن تتحرك عبر غشاء تبادل البروتونات، لكن لا تستطيع الإلكترونات المرور عبره، مما يؤدي إلى فرق الجهد بين الكاثود والأنود. وبسبب بساطتها وموثوقيتها، تم استخدام خلايا الوقود هذه كمصدر للطاقة في مركبة جيميني الفضائية المأهولة.

يُستخدم هذا النوع من خلايا الوقود كمصدر للطاقة لمجموعة واسعة من الأجهزة المختلفة، بما في ذلك النماذج الأولية والنماذج الأولية، بدءًا من الهواتف المحمولة وحتى الحافلات وأنظمة الطاقة الثابتة. تسمح درجة حرارة التشغيل المنخفضة باستخدام هذه الخلايا لتشغيل أنواع مختلفة من الأجهزة الإلكترونية المعقدة. واستخدامها أقل فعالية كمصدر للحرارة وإمدادات الكهرباء للمباني العامة والصناعية، حيث تتطلب كميات كبيرة من الطاقة الحرارية. وفي الوقت نفسه، تعد هذه العناصر واعدة كمصدر مستقل لإمدادات الطاقة للمباني السكنية الصغيرة، مثل المنازل الريفية المبنية في المناطق ذات المناخ الحار.

الجدول 2 أنواع خلايا الوقود

نوع العنصر العمال درجة حرارة، درجة مئوية مخرجات الكفاءة كهربائي طاقة)،٪ المجموع كفاءة، ٪ خلايا الوقود مع غشاء تبادل البروتونات (بيمفك) 60–160 30–35 50–70 خلايا الوقود على أساس الفوسفور حمض (الفوسفوريك) (PAFC) 150–200 35 70–80 خلايا الوقود على أساس كربونات منصهرة (MCFC) 600–700 45–50 70–80 أكسيد صلب خلايا الوقود (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

خلايا وقود حمض الفوسفوريك (PAFC)

تم إجراء اختبارات خلايا الوقود من هذا النوع بالفعل في أوائل السبعينيات. نطاق درجة حرارة التشغيل - 150-200 درجة مئوية. مجال التطبيق الرئيسي هو مصادر مستقلة للحرارة وإمدادات الكهرباء ذات الطاقة المتوسطة (حوالي 200 كيلوواط).

تستخدم خلايا الوقود هذه محلول حمض الفوسفوريك كالكهارل. الأقطاب الكهربائية مصنوعة من ورق مطلي بالكربون حيث يتم تشتيت محفز البلاتين.

تبلغ الكفاءة الكهربائية لخلايا الوقود PAFC 37-42%. ومع ذلك، بما أن خلايا الوقود هذه تعمل عند درجة حرارة عالية إلى حد ما، فمن الممكن استخدام البخار الناتج نتيجة التشغيل. في هذه الحالة، يمكن أن تصل الكفاءة الإجمالية إلى 80٪.

لإنتاج الطاقة، يجب تحويل المواد الخام المحتوية على الهيدروجين إلى هيدروجين نقي من خلال عملية الإصلاح. على سبيل المثال، إذا تم استخدام البنزين كوقود، فمن الضروري إزالة المركبات المحتوية على الكبريت، لأن الكبريت يمكن أن يلحق الضرر بمحفز البلاتين.

كانت خلايا الوقود PAFC أول خلايا وقود تجارية يتم استخدامها اقتصاديًا. كان النموذج الأكثر شيوعًا هو خلية الوقود PC25 بقدرة 200 كيلووات التي صنعتها شركة ONSI (الآن United Technologies, Inc.) (الشكل 13). على سبيل المثال، يتم استخدام هذه العناصر كمصدر للطاقة الحرارية والكهربائية في مركز الشرطة في سنترال بارك في نيويورك أو كمصدر إضافي للطاقة في مبنى كوندي ناست وفور تايمز سكوير.

يتم اختبار أكبر تركيب من هذا النوع كمحطة طاقة بقدرة 11 ميجاوات تقع في اليابان.

كما تستخدم خلايا وقود حمض الفوسفوريك كمصدر للطاقة في المركبات. على سبيل المثال، في عام 1994، قامت شركة H-Power Corp وجامعة جورج تاون ووزارة الطاقة الأمريكية بتجهيز حافلة بمحطة طاقة بقدرة 50 كيلووات.

خلايا وقود الكربونات المنصهرة (MCFC)

تتطلب خلايا الوقود المعتمدة على الكربونات المنصهرة وقتًا طويلاً لبدء التشغيل ولا تسمح بتعديل سريع لطاقة الخرج، لذا فإن مجال تطبيقها الرئيسي هو مصادر ثابتة كبيرة للطاقة الحرارية والكهربائية. ومع ذلك، فهي تتميز بكفاءة عالية في تحويل الوقود - كفاءة كهربائية تصل إلى 60% وكفاءة إجمالية تصل إلى 85%.

في هذا النوع من خلايا الوقود، يتكون الإلكتروليت من أملاح كربونات البوتاسيوم وكربونات 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 ويطلق الإلكترونات، التي يتم إرسالها إلى الدائرة الخارجية، وعند الكاثود، يتفاعل الأكسجين مع ثاني أكسيد الكربون والإلكترونات من الدائرة الخارجية، مكونًا مرة أخرى أيونات ثاني أكسيد الكربون. .

تم إنشاء عينات مختبرية من خلايا الوقود من هذا النوع في أواخر الخمسينيات من قبل العلماء الهولنديين ج.إتش.جي.برويرز وجي.أ.أ.كيتيلار. في ستينيات القرن الماضي، عمل المهندس فرانسيس تي بيكون، وهو سليل الكاتب وعالم اللغة الإنجليزية الشهير في القرن السابع عشر، مع هذه الخلايا، ولهذا السبب تسمى خلايا الوقود MCFC أحيانًا بخلايا بيكون. وفي برامج ناسا أبولو وأبولو سويوز وسيلاب، تم استخدام خلايا الوقود هذه كمصدر لإمدادات الطاقة (الشكل 14). خلال هذه السنوات نفسها، قامت الوزارة العسكرية الأمريكية باختبار عدة عينات من خلايا الوقود MCFC التي تنتجها شركة Texas Instruments، والتي تستخدم البنزين العسكري كوقود. في منتصف السبعينيات، بدأت وزارة الطاقة الأمريكية أبحاثًا لإنشاء خلية وقود ثابتة من الكربونات المنصهرة مناسبة للتطبيقات العملية. في التسعينيات، تم إدخال عدد من المنشآت التجارية بقدرة تصل إلى 250 كيلووات، على سبيل المثال في محطة ميرامار الجوية البحرية الأمريكية في كاليفورنيا. في عام 1996، شركة FuelCell Energy, Inc.

أطلقت محطة ما قبل الإنتاج بقدرة 2 ميجاوات في سانتا كلارا، كاليفورنيا.

تتميز خلايا وقود أكسيد الحالة الصلبة بتصميم بسيط وتعمل في درجات حرارة عالية جدًا - 700-1000 درجة مئوية. تسمح درجات الحرارة المرتفعة هذه باستخدام الوقود "القذر" وغير المكرر نسبيًا.

تحدد نفس ميزات خلايا الوقود المعتمدة على الكربونات المنصهرة مجالًا مشابهًا للتطبيق - مصادر ثابتة كبيرة للطاقة الحرارية والكهربائية.

تختلف خلايا وقود الأكسيد الصلب هيكليًا عن خلايا الوقود المعتمدة على تقنيات PAFC وMCFC. الأنود والكاثود والكهارل مصنوعة من درجات خاصة من السيراميك. المنحل بالكهرباء الأكثر استخدامًا هو خليط من أكسيد الزركونيوم وأكسيد الكالسيوم، ولكن يمكن استخدام أكاسيد أخرى.

يشكل الإلكتروليت شبكة بلورية مطلية على كلا الجانبين بمادة قطب كهربائي مسامية. من الناحية الهيكلية، يتم تصنيع هذه العناصر على شكل أنابيب أو ألواح مسطحة، مما يجعل من الممكن استخدام التقنيات المستخدمة على نطاق واسع في صناعة الإلكترونيات في إنتاجها. ونتيجة لذلك، يمكن لخلايا وقود أكسيد الحالة الصلبة أن تعمل في درجات حرارة عالية جدًا، مما يجعلها مفيدة لإنتاج الطاقة الكهربائية والحرارية.

تم إنشاء النماذج الأولية لخلايا الوقود هذه في أواخر الخمسينيات من قبل عدد من الشركات الأمريكية والهولندية. وسرعان ما تخلت معظم هذه الشركات عن إجراء المزيد من الأبحاث بسبب الصعوبات التكنولوجية، لكن إحدى هذه الشركات، وهي شركة Westinghouse Electric Corp. (الآن شركة سيمنز وستنجهاوس للطاقة)، ​​واصل العمل. تقبل الشركة حاليًا الطلبات المسبقة لنموذج تجاري لخلية وقود أكسيد الحالة الصلبة الأنبوبية، ومن المتوقع أن تكون متاحة هذا العام (الشكل 15). الجزء السوقي من هذه العناصر هو المنشآت الثابتة لإنتاج الطاقة الحرارية والكهربائية بقدرة تتراوح من 250 كيلووات إلى 5 ميجاوات.

لقد أثبتت خلايا الوقود SOFC موثوقية عالية جدًا.

على سبيل المثال، حقق النموذج الأولي لخلية الوقود التي صنعتها شركة Siemens Westinghouse 16600 ساعة من التشغيل ويستمر في العمل، مما يجعلها أطول عمر مستمر لخلية الوقود في العالم.

خلية الوقودهو جهاز كهروكيميائي يشبه الخلية الجلفانية، لكنه يختلف عنها في أن المواد اللازمة للتفاعل الكهروكيميائي يتم إمدادها بها من الخارج - على عكس الكمية المحدودة من الطاقة المخزنة في الخلية أو البطارية الغلفانية.

أرز. 1. بعض خلايا الوقود

تقوم خلايا الوقود بتحويل الطاقة الكيميائية للوقود إلى كهرباء، متجاوزة عمليات الاحتراق غير الفعالة التي تحدث مع خسائر كبيرة. يقومون بتحويل الهيدروجين والأكسجين إلى كهرباء من خلال تفاعل كيميائي. ونتيجة لهذه العملية، يتكون الماء ويتم إطلاق كمية كبيرة من الحرارة. تشبه خلية الوقود إلى حد كبير البطارية التي يمكن شحنها ثم استخدام الطاقة الكهربائية المخزنة. يعتبر مخترع خلية الوقود هو ويليام ر. جروف الذي اخترعها في عام 1839. استخدمت خلية الوقود هذه محلول حمض الكبريتيك كإلكتروليت والهيدروجين كوقود، والذي تم دمجه مع الأكسجين في عامل مؤكسد. حتى وقت قريب، كانت خلايا الوقود تستخدم فقط في المختبرات وفي المركبات الفضائية.

على عكس مولدات الطاقة الأخرى، مثل محركات الاحتراق الداخلي أو التوربينات التي تعمل بالغاز والفحم وزيت الوقود وغيرها، فإن خلايا الوقود لا تحرق الوقود. وهذا يعني عدم وجود دوارات عالية الضغط صاخبة، ولا ضجيج عالٍ للعادم، ولا اهتزازات. تنتج 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 الغازات الدفيئة مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان وأكسيد النيتروز. والانبعاثات الوحيدة من خلايا الوقود هي الماء على شكل بخار وكمية صغيرة من ثاني أكسيد الكربون، الذي لا يتم إطلاقه على الإطلاق إذا تم استخدام الهيدروجين النقي كوقود. يتم تجميع خلايا الوقود في مجموعات ومن ثم إلى وحدات وظيفية فردية.

لا تحتوي خلايا الوقود على أجزاء متحركة (على الأقل ليس داخل الخلية نفسها)، وبالتالي لا تخضع لقانون كارنو. أي أنها ستكون ذات كفاءة أكبر من 50% وتكون فعالة بشكل خاص عند الأحمال المنخفضة. وبالتالي، يمكن أن تصبح السيارات التي تعمل بخلايا الوقود (وقد أثبتت بالفعل) أنها أكثر كفاءة في استهلاك الوقود من السيارات التقليدية في ظروف القيادة في العالم الحقيقي.

يسمح وضع التشغيل ذو درجة الحرارة العالية والضغط العالي لخلايا الوقود SOFC بإنشاء محطات هجينة تعمل فيها انبعاثات خلايا الوقود على تشغيل توربينات الغاز المستخدمة لتوليد الطاقة الكهربائية. يتم تشغيل أول تركيب هجين في إيرفين، كاليفورنيا. تبلغ الطاقة المقدرة لهذا التثبيت 220 كيلووات، منها 200 كيلووات من خلية الوقود و20 كيلووات من مولد التوربينات الدقيقة.

هناك عدة أنواع من خلايا الوقود، تختلف في العمليات الكيميائية المستخدمة. عادة ما يتم تصنيف خلايا الوقود حسب نوع المنحل بالكهرباء الذي تستخدمه.

بعض أنواع خلايا الوقود واعدة لدفع محطات توليد الطاقة، في حين أن البعض الآخر واعد للأجهزة المحمولة أو لقيادة السيارات.

1. خلايا الوقود القلوية (ALFC)

خلية الوقود القلوية- هذا هو أحد العناصر الأولى التي تم تطويرها. تعد خلايا الوقود القلوية (AFC) واحدة من أكثر التقنيات التي تمت دراستها، والتي استخدمتها وكالة ناسا منذ منتصف الستينيات من القرن العشرين في برامج أبولو ومكوك الفضاء. على متن هذه المركبات الفضائية، تنتج خلايا الوقود الطاقة الكهربائية والمياه الصالحة للشرب.

تنتج خلية الوقود تيارًا كهربائيًا ثابت الجهد يمكن استخدامه لتشغيل المحرك الكهربائي والإضاءة والأنظمة الكهربائية الأخرى في السيارة.

تستخدم خلايا الوقود القلوية إلكتروليتًا، وهو محلول مائي من هيدروكسيد البوتاسيوم، موجود في مصفوفة مسامية وثابتة. قد يختلف تركيز هيدروكسيد البوتاسيوم حسب درجة حرارة التشغيل لخلية الوقود، والتي تتراوح من 65 درجة مئوية إلى 220 درجة مئوية. حامل الشحنة في SHTE هو أيون الهيدروكسيل (OH-)، الذي ينتقل من الكاثود إلى الأنود، حيث يتفاعل مع الهيدروجين، وينتج الماء والإلكترونات. ويعود الماء الناتج عند الأنود إلى الكاثود، مما يؤدي مرة أخرى إلى توليد أيونات الهيدروكسيل هناك. نتيجة لهذه السلسلة من التفاعلات التي تحدث في خلية الوقود، يتم إنتاج الكهرباء والحرارة كمنتج ثانوي:

التفاعل عند الأنود: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

التفاعل عند الكاثود: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

رد الفعل العام للنظام: 2H2 + O2 => 2H2O

ميزة SHTE هي أن خلايا الوقود هذه هي الأرخص في الإنتاج، حيث أن المحفز المطلوب على الأقطاب الكهربائية يمكن أن يكون أي من المواد الأرخص من تلك المستخدمة كمحفزات لخلايا الوقود الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، تعمل SHTEs في درجات حرارة منخفضة نسبيًا وهي من بين الأكثر كفاءة.

إحدى السمات المميزة لـ SHTE هي حساسيتها العالية لثاني أكسيد الكربون، والذي قد يكون موجودًا في الوقود أو الهواء. يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الإلكتروليت، ويسممه بسرعة، ويقلل بشكل كبير من كفاءة خلية الوقود. ولذلك فإن استخدام SHTE يقتصر على الأماكن المغلقة، مثل المركبات الفضائية والمركبات تحت الماء، فهي تعمل بالهيدروجين النقي والأكسجين.

2. خلايا الوقود الكربونية المنصهرة (MCFC)

خلايا الوقود مع المنحل بالكهرباء كربونات المنصهرةهي خلايا وقود ذات درجة حرارة عالية. تسمح درجة حرارة التشغيل المرتفعة بالاستخدام المباشر للغاز الطبيعي بدون معالج الوقود وغاز الوقود ذو القيمة الحرارية المنخفضة الناتج عن العمليات الصناعية والمصادر الأخرى. تم تطوير هذه العملية في منتصف الستينيات من القرن العشرين. ومنذ ذلك الحين، تم تحسين تكنولوجيا الإنتاج والأداء والموثوقية.

يختلف تشغيل RCFC عن خلايا الوقود الأخرى. تستخدم هذه الخلايا إلكتروليتًا مصنوعًا من خليط من أملاح الكربونات المنصهرة. وحالياً يتم استخدام نوعين من المخاليط: كربونات الليثيوم وكربونات البوتاسيوم أو كربونات الليثيوم وكربونات الصوديوم. لإذابة أملاح الكربونات وتحقيق درجة عالية من الحركة الأيونية في المنحل بالكهرباء، تعمل خلايا الوقود التي تحتوي على إلكتروليت الكربونات المنصهرة في درجات حرارة عالية (650 درجة مئوية). تتراوح الكفاءة بين 60-80%.

عند تسخينها إلى درجة حرارة 650 درجة مئوية، تصبح الأملاح موصلة لأيونات الكربونات (CO32-). تمر هذه الأيونات من الكاثود إلى الأنود، حيث تتحد مع الهيدروجين لتكوين الماء وثاني أكسيد الكربون والإلكترونات الحرة. يتم إرسال هذه الإلكترونات عبر دائرة كهربائية خارجية إلى الكاثود، مما يولد تيارًا كهربائيًا وحرارة كمنتج ثانوي.

التفاعل عند الأنود: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

التفاعل عند الكاثود: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

التفاعل العام للعنصر: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(الكاثود) => H2O(g) + CO2(الأنود)

تتمتع درجات حرارة التشغيل المرتفعة لخلايا الوقود المنحل بالكهرباء المنصهرة بمزايا معينة. الميزة هي القدرة على استخدام المواد القياسية (صفائح الفولاذ المقاوم للصدأ ومحفز النيكل على الأقطاب الكهربائية). يمكن استخدام الحرارة المهدرة لإنتاج بخار عالي الضغط. درجات حرارة التفاعل العالية في المنحل بالكهرباء لها أيضًا مزاياها. ويتطلب استخدام درجات الحرارة المرتفعة وقتا طويلا لتحقيق ظروف التشغيل المثلى، ويستجيب النظام بشكل أبطأ للتغيرات في استهلاك الطاقة. تسمح هذه الخصائص باستخدام تركيبات خلايا الوقود التي تحتوي على إلكتروليت الكربونات المنصهرة في ظل ظروف طاقة ثابتة. تمنع درجات الحرارة المرتفعة تلف خلية الوقود بسبب أول أكسيد الكربون و"التسمم" وما إلى ذلك.

تعتبر خلايا الوقود التي تحتوي على إلكتروليت الكربونات المنصهرة مناسبة للاستخدام في المنشآت الثابتة الكبيرة. يتم إنتاج محطات توليد الطاقة الحرارية بقدرة إنتاجية كهربائية تبلغ 2.8 ميجاوات تجاريًا. ويجري تطوير المنشآت التي تصل طاقتها الإنتاجية إلى 100 ميجاوات.

3. خلايا وقود حمض الفوسفوريك (PAFC)

خلايا الوقود المعتمدة على حمض الفوسفوريك (الأرثوفوسفوريك).أصبحت خلايا الوقود الأولى للاستخدام التجاري. تم تطوير هذه العملية في منتصف الستينيات من القرن العشرين، وتم إجراء الاختبارات منذ السبعينيات من القرن العشرين. وكانت النتيجة زيادة الاستقرار والأداء وانخفاض التكلفة.

تعتبر خلايا الوقود القلوية من أكثر العناصر كفاءة المستخدمة في توليد الكهرباء، حيث تصل كفاءة توليد الطاقة إلى 70%.

حامل الشحنة في خلايا الوقود من هذا النوع هو الهيدروجين (H+، البروتون). تحدث عملية مماثلة في خلايا وقود غشاء تبادل البروتونات (PEMFCs)، حيث ينقسم الهيدروجين المزود إلى الأنود إلى بروتونات وإلكترونات. تنتقل البروتونات عبر المنحل بالكهرباء وتتحد مع الأكسجين الموجود في الهواء عند الكاثود لتكوين الماء. يتم إرسال الإلكترونات عبر دائرة كهربائية خارجية، وبالتالي توليد تيار كهربائي. وفيما يلي التفاعلات التي تولد التيار الكهربائي والحرارة.

التفاعل عند الأنود: 2H2 => 4H+ + 4e

التفاعل عند الكاثود: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

التفاعل العام للعنصر: 2H2 + O2 => 2H2O

وتبلغ كفاءة خلايا الوقود المعتمدة على حمض الفوسفوريك (الأرثوفوسفوريك) أكثر من 40% عند توليد الطاقة الكهربائية. ومع الإنتاج المشترك للحرارة والكهرباء، تبلغ الكفاءة الإجمالية حوالي 85%. بالإضافة إلى ذلك، ونظرًا لدرجات حرارة التشغيل، يمكن استخدام الحرارة المهدرة لتسخين المياه وتوليد بخار الضغط الجوي.

يعد الأداء العالي لمحطات الطاقة الحرارية التي تستخدم خلايا الوقود المعتمدة على حمض الفوسفوريك (الأرثوفوسفوريك) في الإنتاج المشترك للطاقة الحرارية والكهربائية أحد مزايا هذا النوع من خلايا الوقود. تستخدم الوحدات أول أكسيد الكربون بتركيز حوالي 1.5%، مما يوسع بشكل كبير اختيار الوقود. يعد التصميم البسيط والدرجة المنخفضة من تقلب الإلكتروليت وزيادة الاستقرار من مزايا خلايا الوقود هذه أيضًا.

ويتم إنتاج محطات توليد الطاقة الحرارية بقدرة إنتاجية تصل إلى 400 كيلووات تجاريًا. لقد اجتازت المنشآت التي تبلغ قدرتها 11 ميجاوات الاختبارات المناسبة. ويجري تطوير المنشآت التي تصل طاقتها الإنتاجية إلى 100 ميجاوات.

4. خلايا وقود غشاء التبادل البروتوني (PEMFC)

خلايا الوقود ذات غشاء التبادل البروتونيتعتبر أفضل أنواع خلايا الوقود لتوليد الطاقة للمركبات، حيث يمكن أن تحل محل محركات الاحتراق الداخلي التي تعمل بالبنزين والديزل. تم استخدام خلايا الوقود هذه لأول مرة بواسطة وكالة ناسا لبرنامج جيميني. لقد تم تطوير وتجربة التركيبات المعتمدة على MOPFC بقدرة تتراوح من 1 وات إلى 2 كيلو وات.

المنحل بالكهرباء الموجود في خلايا الوقود هذه عبارة عن غشاء بوليمر صلب (طبقة رقيقة من البلاستيك). عند تشبعه بالماء، يسمح هذا البوليمر للبروتونات بالمرور لكنه لا يوصل الإلكترونات.

الوقود هو الهيدروجين، وحامل الشحنة هو أيون الهيدروجين (البروتون). عند الأنود، ينقسم جزيء الهيدروجين إلى أيون هيدروجين (بروتون) وإلكترونات. تمر أيونات الهيدروجين عبر المنحل بالكهرباء إلى الكاثود، وتتحرك الإلكترونات حول الدائرة الخارجية وتنتج طاقة كهربائية. يتم تزويد الأكسجين المأخوذ من الهواء إلى الكاثود ويتحد مع الإلكترونات وأيونات الهيدروجين لتكوين الماء. تحدث التفاعلات التالية عند الأقطاب الكهربائية: التفاعل عند الأنود: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e التفاعل عند الكاثود: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH التفاعل الكلي للخلية: 2H2 + O2 => 2H2O مقارنة بالأنواع الأخرى من خلايا الوقود، خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتون تنتج المزيد من الطاقة لحجم أو وزن معين من خلية الوقود. هذه الميزة تسمح لها بأن 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 إنتاج الطاقة بسرعة، ليست سوى عدد قليل من العوامل التي تجعل خلايا الوقود هذه مرشحًا رئيسيًا للاستخدام في المركبات.

ميزة أخرى هي أن المنحل بالكهرباء هو مادة صلبة وليس سائلة. من الأسهل الاحتفاظ بالغازات عند الكاثود والأنود باستخدام إلكتروليت صلب، لذلك فإن إنتاج خلايا الوقود هذه أرخص. مع الإلكتروليت الصلب، لا توجد مشكلات في الاتجاه ومشاكل تآكل أقل، مما يزيد من طول عمر الخلية ومكوناتها.

5. خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFC)

خلايا وقود الأكسيد الصلبهي خلايا الوقود ذات درجة حرارة التشغيل الأعلى. 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 رفيع على قاعدة خزفية، وغالبًا ما يكون عبارة عن سبيكة من الإيتريوم والزركونيوم، وهو موصل لأيونات الأكسجين (O2-). لقد تطورت تقنية استخدام خلايا وقود الأكسيد الصلب منذ أواخر الخمسينيات من القرن العشرين ولها شكلان: مستو وأنبوبي.

يوفر الإلكتروليت 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 (O2-). عند الكاثود، يتم فصل جزيئات الأكسجين من الهواء إلى أيون أكسجين وأربعة إلكترونات. تمر أيونات الأكسجين عبر الإلكتروليت وتتحد مع الهيدروجين لتكوين أربعة إلكترونات حرة. يتم إرسال الإلكترونات عبر دائرة كهربائية خارجية، مما يؤدي إلى توليد تيار كهربائي وحرارة ضائعة.

التفاعل عند الأنود: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

التفاعل عند الكاثود: O2 + 4e- => 2O2-

التفاعل العام للعنصر: 2H2 + O2 => 2H2O

تعد كفاءة إنتاج الطاقة الكهربائية هي الأعلى بين جميع خلايا الوقود - حوالي 60٪. بالإضافة إلى ذلك، تسمح درجات حرارة التشغيل المرتفعة بالإنتاج المشترك للطاقة الحرارية والكهربائية لتوليد بخار عالي الضغط. إن الجمع بين خلية وقود عالية الحرارة وتوربينة يجعل من الممكن 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 - 1000 درجة مئوية)، مما يؤدي إلى استغراق وقت كبير للوصول إلى ظروف التشغيل المثالية ويكون النظام أبطأ في الاستجابة للتغيرات في استهلاك الطاقة. في درجات حرارة التشغيل المرتفعة هذه، لا يلزم وجود محول لاستعادة الهيدروجين من الوقود، مما يسمح لمحطة الطاقة الحرارية بالعمل باستخدام أنواع الوقود غير النقي نسبيًا الناتجة عن تغويز الفحم أو غازات النفايات، وما إلى ذلك. تعتبر خلية الوقود أيضًا ممتازة لتطبيقات الطاقة العالية، بما في ذلك محطات الطاقة المركزية الصناعية والكبيرة. يتم إنتاج الوحدات ذات قدرة خرج كهربائية تبلغ 100 كيلووات تجاريًا.

6. خلايا وقود أكسدة الميثانول المباشرة (DOMFC)

خلايا وقود أكسدة الميثانول المباشرةيتم استخدامها بنجاح في مجال تشغيل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، وكذلك لإنشاء مصادر طاقة محمولة، وهو ما يهدف إليه الاستخدام المستقبلي لهذه العناصر.

يشبه تصميم خلايا الوقود ذات الأكسدة المباشرة للميثانول تصميم خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات (MEPFC)، أي. يتم استخدام البوليمر كإلكتروليت، ويستخدم أيون الهيدروجين (البروتون) كحامل للشحنة. لكن الميثانول السائل (CH3OH) يتأكسد في وجود الماء عند الأنود، ويطلق ثاني أكسيد الكربون وأيونات الهيدروجين والإلكترونات، والتي يتم إرسالها عبر دائرة كهربائية خارجية، وبالتالي توليد تيار كهربائي. تمر أيونات الهيدروجين عبر المنحل بالكهرباء وتتفاعل مع الأكسجين من الهواء والإلكترونات من الدائرة الخارجية لتكوين الماء عند الأنود.

التفاعل عند الأنود: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e التفاعل عند الكاثود: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O التفاعل العام للعنصر: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O تطوير مثل هذا تم تنفيذ خلايا الوقود منذ بداية التسعينيات من القرن العشرين وتمت زيادة قوتها وكفاءتها النوعية إلى 40٪.

تم اختبار هذه العناصر في نطاق درجة حرارة 50-120 درجة مئوية. ونظرًا لانخفاض درجات حرارة التشغيل وعدم الحاجة إلى محول، فإن خلايا الوقود هذه تعتبر مرشحًا رئيسيًا للاستخدام في الهواتف المحمولة والمنتجات الاستهلاكية الأخرى، وكذلك في محركات السيارات. ميزتها هي أيضًا صغر حجمها.

7. خلايا وقود البوليمر بالكهرباء (PEFC)

في حالة خلايا وقود البوليمر بالكهرباء، يتكون غشاء البوليمر من ألياف بوليمر مع مناطق مائية حيث ترتبط أيونات الماء التوصيلية H2O+ (البروتون، الأحمر) بجزيء الماء. تشكل جزيئات الماء مشكلة بسبب بطء التبادل الأيوني. لذلك، يلزم وجود تركيز عالٍ من الماء في الوقود وفي أقطاب المخرج، مما يحد من درجة حرارة التشغيل إلى 100 درجة مئوية.

8. خلايا الوقود الحمضية الصلبة (SFC)

في خلايا الوقود الحمضي الصلب، لا يحتوي المنحل بالكهرباء (CsHSO4) على الماء. وبالتالي فإن درجة حرارة التشغيل هي 100-300 درجة مئوية. يسمح دوران أيونات الأكسجين SO42 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 كهربائيين يتم ضغطهما معًا بإحكام لضمان الاتصال الجيد. عند تسخينه، يتبخر المكون العضوي، ويخرج عبر المسام الموجودة في الأقطاب الكهربائية، مما يحافظ على قدرة الاتصالات المتعددة بين الوقود (أو الأكسجين في الطرف الآخر من العنصر)، والكهارل والأقطاب الكهربائية.

9. مقارنة أهم خصائص خلايا الوقود

خصائص خلايا الوقود

نوع خلية الوقود	درجة حرارة التشغيل	كفاءة توليد الطاقة	نوع الوقود	نطاق التطبيق
				المنشآت المتوسطة والكبيرة
			الهيدروجين النقي	المنشآت
			الهيدروجين النقي	المنشآت الصغيرة
			معظم أنواع الوقود الهيدروكربوني	المنشآت الصغيرة والمتوسطة والكبيرة
				محمول المنشآت
			الهيدروجين النقي	فضاء بحثت
			الهيدروجين النقي	المنشآت الصغيرة

10. استخدام خلايا الوقود في السيارات