طرح منبع تغذیه با پیل سوختی. نحوه عملکرد پیل های سوختی چطور بود

اخیرا بحث پیل های سوختی بر سر زبان ها افتاده است. و این جای تعجب نیست، با ظهور این فناوری در دنیای الکترونیک، تولد جدیدی پیدا کرده است. رهبران جهانی در زمینه میکروالکترونیک برای ارائه نمونه‌های اولیه محصولات آینده خود که نیروگاه‌های کوچک خودشان را یکپارچه می‌کنند، رقابت می‌کنند. از یک طرف، این باید اتصال را شل کند دستگاه های تلفن همراهبه "سوکت"، و از سوی دیگر افزایش عمر خود را عمر باتری.

علاوه بر این، برخی از آنها بر اساس اتانول کار می کنند، بنابراین توسعه این فناوری ها به نفع تولید کنندگان نوشیدنی های الکلی است - در ده سال دیگر، صف هایی از "افراد فناوری اطلاعات" پشت سر "دوز" بعدی برای آنها ایستاده است. لپ تاپ در کارخانه شراب سازی صف می کشد.

ما نمی توانیم از "تب" سلول های سوختی که صنعت های-تک را فرا گرفته است دور بمانیم، و سعی خواهیم کرد بفهمیم که این فناوری چه نوع جانوری است، با چه چیزی خورده می شود و چه زمانی باید انتظار داشته باشیم که به آن برسد. "کترینگ". در این مطلب، مسیر پیل های سوختی را از لحظه کشف این فناوری تا به امروز در نظر خواهیم گرفت. ما همچنین سعی خواهیم کرد چشم انداز اجرا و توسعه آنها را در آینده ارزیابی کنیم.

چطور بود

برای اولین بار، اصل یک دستگاه پیل سوختی توسط کریستین فردریش شونبین در سال 1838 تشریح شد و یک سال بعد، مجله فیلسوفیک مقاله او را در این زمینه منتشر کرد. با این حال، اینها فقط مطالعات نظری بودند. اولین پیل سوختی فعال نور را در سال 1843 در آزمایشگاه دانشمند ولزی الاصل، سر ویلیام رابرت گروو دید. هنگام ایجاد آن، مخترع از موادی مشابه آنچه در باتری های اسید فسفریک مدرن استفاده می شود استفاده کرد. متعاقبا، پیل سوختی سر گروو توسط دبلیو توماس گراب بهبود یافت. در سال 1955، این شیمیدان که برای شرکت افسانه ای جنرال الکتریک کار می کرد، از یک غشای تبادل یونی پلی استایرن سولفونه شده به عنوان الکترولیت در پیل سوختی استفاده کرد. تنها سه سال بعد، همکارش لئونارد نیدراخ فناوری قرار دادن پلاتین روی غشاء را پیشنهاد کرد که به عنوان یک کاتالیزور در فرآیند اکسیداسیون هیدروژن و جذب اکسیژن عمل می کند.

"پدر" پیل های سوختی کریستین شونبین

این اصول اساس نسل جدیدی از پیل های سوختی را تشکیل دادند که به نام سازندگان آنها عناصر "گراب-نیدراخ" نامیده می شوند. جنرال الکتریک در این مسیر به توسعه خود ادامه داد، که در آن با کمک ناسا و غول هواپیمایی مک دانل هواپیما، اولین پیل سوختی تجاری ایجاد شد. فناوری جدید در خارج از کشور مورد توجه قرار گرفت. و قبلاً در سال 1959 ، فرانسیس بیکن بریتانیایی (فرانسیس توماس بیکن) یک پیل سوختی ثابت با قدرت 5 کیلو وات معرفی کرد. طرح های ثبت شده او متعاقباً توسط آمریکایی ها مجوز گرفت و در فضاپیمای ناسا در سیستم های برق و تامین آب آشامیدنی مورد استفاده قرار گرفت. در همان سال، هری ایریگ آمریکایی اولین تراکتور پیل سوختی (قدرت کل 15 کیلووات) را ساخت. از هیدروکسید پتاسیم به عنوان الکترولیت در باتری ها و هیدروژن و اکسیژن فشرده به عنوان معرف استفاده شد.

برای اولین بار، تولید پیل‌های سوختی ثابت برای مقاصد تجاری توسط UTC Power، که سیستم‌های قدرت پشتیبان را برای بیمارستان‌ها، دانشگاه‌ها و مراکز تجاری ارائه می‌کرد، راه اندازی شد. این شرکت که در این زمینه پیشتاز جهانی است، همچنان محلول های مشابه با توان تا 200 کیلووات تولید می کند. همچنین تامین کننده اصلی سلول های سوختی ناسا است. محصولات آن به طور گسترده در طول برنامه فضایی آپولو مورد استفاده قرار گرفتند و هنوز هم به عنوان بخشی از برنامه شاتل فضایی مورد تقاضا هستند. UTC Power همچنین سلول های سوختی "مصرف مصرف کننده" را برای طیف گسترده ای از کاربردهای خودرو ارائه می دهد. او اولین کسی بود که پیل سوختی ایجاد کرد که به شما امکان می‌دهد جریان را دریافت کنید دمای منفیاز طریق استفاده از غشای تبادل پروتون.

چگونه کار می کند

محققان مواد مختلفی را به عنوان معرف آزمایش کردند. با این حال، اصول اساسی عملکرد سلول های سوختی، با وجود ویژگی های عملکردی متفاوت، بدون تغییر باقی می مانند. هر پیل سوختی یک وسیله تبدیل انرژی الکتروشیمیایی است. از مقدار معینی سوخت (در سمت آند) و یک اکسید کننده (در سمت کاتد) الکتریسیته تولید می کند. واکنش در حضور یک الکترولیت (ماده‌ای حاوی یون‌های آزاد و رفتار رسانای الکتریکی) انجام می‌شود. اصولاً در هر دستگاهی معرف هایی وارد آن و محصولات واکنش آنها می شود که پس از انجام واکنش الکتروشیمیایی حذف می شوند. الکترولیت در این مورد فقط به عنوان واسطه ای برای برهمکنش واکنش دهنده ها عمل می کند و در پیل سوختی تغییر نمی کند. بر اساس چنین طرحی، تا زمانی که مواد لازم برای واکنش وجود داشته باشد، یک پیل سوختی ایده آل باید کار کند.

در اینجا پیل های سوختی را نباید با باتری های معمولی اشتباه گرفت. در حالت اول مقداری "سوخت" برای تولید برق مصرف می شود که بعداً نیاز به پر کردن مجدد دارد. در مورد سلول های گالوانیکی، الکتریسیته در یک سیستم شیمیایی بسته ذخیره می شود. در مورد باتری ها، اعمال جریان اجازه می دهد تا واکنش الکتروشیمیایی معکوس رخ دهد و معرف ها به حالت اولیه خود (یعنی شارژ آن) باز گردند. ترکیبات مختلفی از سوخت و اکسید کننده امکان پذیر است. به عنوان مثال، یک پیل سوختی هیدروژنی از هیدروژن و اکسیژن (یک عامل اکسید کننده) به عنوان واکنش دهنده استفاده می کند. اغلب بی کربنات ها و الکل ها به عنوان سوخت استفاده می شوند و هوا، کلر و دی اکسید کلر به عنوان اکسیدان عمل می کنند.

واکنش کاتالیزوری که در پیل سوختی انجام می‌شود، الکترون‌ها و پروتون‌ها را از سوخت خارج می‌کند و الکترون‌های متحرک جریان الکتریکی تشکیل می‌دهند. سلول های سوختی معمولاً از پلاتین یا آلیاژهای آن به عنوان کاتالیزور برای سرعت بخشیدن به واکنش استفاده می کنند. یکی دیگر از فرآیندهای کاتالیزوری، الکترون ها را با ترکیب آنها با پروتون ها و یک عامل اکسید کننده باز می گرداند و در نتیجه محصولات واکنش (انتشار) تشکیل می شود. به عنوان یک قاعده، این انتشارات مواد ساده هستند: آب و دی اکسید کربن.

در یک پیل سوختی غشای تبادل پروتون معمولی (PEMFC)، یک غشای رسانای پروتون پلیمری دو طرف آند و کاتد را جدا می‌کند. از سمت کاتد، هیدروژن به کاتالیزور آند منتشر می شود، جایی که الکترون ها و پروتون ها متعاقبا از آن آزاد می شوند. سپس پروتون ها از غشاء به کاتد عبور می کنند و الکترون ها که نمی توانند پروتون ها را دنبال کنند (غشاء عایق الکتریکی است)، از طریق مدار بار خارجی (سیستم منبع تغذیه) هدایت می شوند. در سمت کاتالیزور کاتدی، اکسیژن با پروتون هایی که از غشاء عبور کرده اند و الکترون هایی که از مدار بار خارجی وارد می شوند واکنش می دهد. در نتیجه این واکنش، آب (به صورت بخار یا مایع) به دست می آید. به عنوان مثال، محصولات واکنش در پیل های سوختی با استفاده از سوخت های هیدروکربنی (متانول، سوخت دیزل) آب و دی اکسید کربن است.

پیل های سوختی تقریباً در همه انواع از تلفات الکتریکی رنج می برند که هم به دلیل مقاومت طبیعی کنتاکت ها و عناصر پیل سوختی و هم به دلیل اضافه ولتاژ الکتریکی (انرژی اضافی مورد نیاز برای انجام) است. واکنش اولیه). در برخی موارد، نمی توان به طور کامل از این ضررها جلوگیری کرد، و گاهی اوقات "بازی ارزش شمع را ندارد"، اما اغلب می توان آنها را به حداقل قابل قبول کاهش داد. راه حل این مشکل استفاده از مجموعه هایی از این دستگاه ها است که در آن سلول های سوختی بسته به نیاز سیستم منبع تغذیه، می توانند به صورت موازی (جریان بالاتر) یا سری (ولتاژ بالاتر) متصل شوند.

انواع پیل سوختی

انواع بسیاری از پیل های سوختی وجود دارد، اما ما سعی خواهیم کرد به طور خلاصه در مورد رایج ترین آنها صحبت کنیم.

سلول های سوختی قلیایی (AFC)

پیل‌های سوختی قلیایی یا قلیایی که به نام «پدر بریتانیایی» سلول‌های بیکن نیز نامیده می‌شوند، یکی از پیشرفته‌ترین فناوری‌های پیل سوختی هستند. همین وسایل بود که به انسان کمک کرد پا بر روی ماه بگذارد. به طور کلی، ناسا از اواسط دهه 1960 از پیل های سوختی از این نوع استفاده کرده است. AFC ها هیدروژن و اکسیژن خالص را برای تولید آب آشامیدنی، گرما و برق مصرف می کنند. تا حد زیادی با توجه به این واقعیت که این فناوری به خوبی توسعه یافته است، یکی از بالاترین نرخ های بازده را در بین سیستم های مشابه (حدود 70٪ پتانسیل) دارد.

با این حال، این فناوری معایبی نیز دارد. با توجه به ویژگی های استفاده از یک ماده قلیایی مایع به عنوان الکترولیت که دی اکسید کربن را مسدود نمی کند، امکان واکنش هیدروکسید پتاسیم (یکی از گزینه های الکترولیت مورد استفاده) با این جزء هوای معمولی وجود دارد. نتیجه می تواند یک ترکیب سمی از کربنات پتاسیم باشد. برای جلوگیری از این امر، لازم است از اکسیژن خالص یا تمیز کردن هوا از دی اکسید کربن استفاده شود. طبیعتاً این روی هزینه چنین دستگاه هایی تأثیر می گذارد. با این حال، با وجود این، AFC ها ارزان ترین سلول های سوختی هستند که امروزه تولید می شوند.

پیل های سوختی مستقیم بوروهیدرید (DBFC)

این زیرگروه از پیل های سوختی قلیایی از بوروهیدرید سدیم به عنوان سوخت استفاده می کند. با این حال، برخلاف AFC های هیدروژنی معمولی، این فناوری یک مزیت قابل توجه دارد - عدم خطر تولید ترکیبات سمی پس از تماس با دی اکسید کربن. اما محصول واکنش آن ماده بوراکس است که کاربرد فراوانی دارد مواد شویندهو صابون بوراکس نسبتا غیر سمی است.

DBFC ها را می توان حتی ارزان تر از پیل های سوختی سنتی ساخت زیرا به کاتالیزورهای پلاتین گران قیمت نیاز ندارند. علاوه بر این، چگالی انرژی بالاتری دارند. تخمین زده می شود که تولید یک کیلوگرم سدیم بوروهیدرید 50 دلار هزینه داشته باشد، اما اگر تولید انبوه سازماندهی شود و بوراکس فرآوری شود، می توان این نوار را 50 برابر کاهش داد.

سلول های سوختی هیدرید فلزی (MHFC)

این زیر کلاس از سلول های سوختی قلیایی در حال حاضر به طور فعال در حال مطالعه است. از ویژگی های این دستگاه ها قابلیت ذخیره شیمیایی هیدروژن در داخل پیل سوختی است. پیل سوختی بوروهیدرید مستقیم نیز همین توانایی را دارد، اما برخلاف آن، MHFC با هیدروژن خالص پر شده است.

از جمله ویژگی های متمایز این پیل های سوختی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• توانایی شارژ مجدد از انرژی الکتریکی؛
• کار در دمای پایین - تا -20 درجه سانتیگراد؛
• ماندگاری طولانی؛
• شروع سریع "سرد"؛
• توانایی کار برای مدتی بدون منبع خارجی هیدروژن (برای دوره جایگزینی سوخت).

علیرغم این واقعیت که بسیاری از شرکت ها در حال کار بر روی ایجاد MHFC های تولید انبوه هستند، کارایی نمونه های اولیه در مقایسه با فناوری های رقیب به اندازه کافی بالا نیست. یکی از بهترین چگالی جریان برای این پیل‌های سوختی 250 میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع است که پیل‌های سوختی PEMFC معمولی چگالی جریان 1 آمپر بر سانتی‌متر مربع را ارائه می‌کنند.

سلول های سوختی الکترو گالوانیکی (EGFC)

واکنش شیمیایی در EGFC با مشارکت هیدروکسید پتاسیم و اکسیژن صورت می گیرد. این یک جریان الکتریکی بین آند سرب و کاتد روکش طلا ایجاد می کند. ولتاژ خروجی از پیل سوختی الکتروگالوانیکی با مقدار اکسیژن نسبت مستقیم دارد. این ویژگی باعث شده است که EGFC به طور گسترده به عنوان یک دستگاه تست اکسیژن در تجهیزات غواصی و تجهیزات پزشکی استفاده شود. اما دقیقاً به دلیل این وابستگی، پیل‌های سوختی هیدروکسید پتاسیم یک دوره عملکرد مؤثر بسیار محدود دارند (تا زمانی که غلظت اکسیژن بالا باشد).

اولین دستگاه های تایید شدهآزمایشات غلظت اکسیژن EGFC در سال 2005 به طور گسترده در دسترس قرار گرفت، اما در آن زمان محبوبیت زیادی به دست نیاورد. دو سال بعد عرضه شد، یک مدل به طور قابل توجهی اصلاح شده بسیار موفق تر بود و حتی جایزه ای برای "نوآوری" در نمایشگاه تخصصی غواصان در فلوریدا دریافت کرد. در حال حاضر سازمان هایی مانند NOAA (اداره ملی اقیانوسی و جوی) و DDRC (مرکز تحقیقات بیماری های غواصی) از آنها استفاده می کنند.

پیل های سوختی مستقیم اسید فرمیک (DFAFC)

این پیل‌های سوختی زیرگروهی از دستگاه‌های اسید فرمیک مستقیم PEMFC هستند. این پیل‌های سوختی با توجه به ویژگی‌های خاص خود، شانس زیادی در آینده دارند تا به ابزار اصلی تأمین انرژی الکترونیکی قابل حمل مانند لپ‌تاپ، تلفن همراه و غیره تبدیل شوند.

مانند متانول، اسید فرمیک مستقیماً بدون مرحله خالص سازی به پیل سوختی وارد می شود. همچنین ذخیره سازی این ماده بسیار ایمن تر از مثلاً هیدروژن است و علاوه بر این، شرایط ذخیره سازی خاصی لازم نیست: اسید فرمیک مایعی است در دمای معمولی. علاوه بر این، این فناوری دو مزیت غیرقابل انکار نسبت به پیل های سوختی متانول مستقیم دارد. اول، برخلاف متانول، اسید فرمیک از طریق غشاء نفوذ نمی کند. بنابراین، بازده DFAFC، طبق تعریف، باید بالاتر باشد. ثانیاً، در صورت کاهش فشار، اسید فرمیک چندان خطرناک نیست (متانول می تواند باعث کوری شود و با دوز قوی باعث مرگ شود).

جالب اینجاست که تا همین اواخر، بسیاری از دانشمندان این فناوری را آینده ای عملی نمی دیدند. دلیلی که محققان را بر آن داشت تا سال ها به اسید فرمیک پایان دهند، اضافه ولتاژ الکتروشیمیایی بالا بود که منجر به تلفات الکتریکی. اما نتایج آزمایشات اخیر نشان داده است که دلیل این ناکارآمدی استفاده از پلاتین به عنوان کاتالیزور بوده است که به طور سنتی برای این منظور در پیل های سوختی بسیار استفاده می شده است. پس از اینکه دانشمندان دانشگاه ایلینویز تعدادی آزمایش را با مواد دیگر انجام دادند، مشخص شد که هنگام استفاده از پالادیوم به عنوان کاتالیزور، بهره‌وری DFAFC بیشتر از سلول‌های سوختی متانول مستقیم است. در حال حاضر، حقوق این فناوری متعلق به شرکت آمریکایی Tekion است که خط تولید Formira Power Pack خود را برای دستگاه‌های میکروالکترونیک ارائه می‌کند. این سیستم یک "دوبلکس" متشکل از یک باتری ذخیره سازی و سلول سوختی واقعی است. پس از اتمام عرضه معرف های موجود در کارتریج که باتری را شارژ می کند، کاربر به سادگی آن را با یک باتری جدید جایگزین می کند. بنابراین، کاملاً مستقل از "سوکت" می شود. با توجه به وعده های سازنده، زمان بین شارژ دو برابر خواهد شد، علیرغم این واقعیت که این فناوری تنها 10-15٪ بیشتر از باتری های معمولی هزینه دارد. تنها مانع جدی بر سر راه این فناوری ممکن است این باشد که توسط یک شرکت متوسط ​​پشتیبانی می‌شود و رقبای بزرگ‌تری که فناوری‌های خود را ارائه می‌کنند، که حتی ممکن است در بسیاری از موارد از DFAFC پایین‌تر باشد، به سادگی تحت فشار قرار گیرد. مولفه های.

پیل های سوختی مستقیم متانول (DMFC)

این سلول های سوختی زیرمجموعه ای از دستگاه های غشای تبادل پروتون هستند. آنها از متانول شارژ شده در پیل سوختی بدون تصفیه بیشتر استفاده می کنند. با این حال، متیل الکل بسیار راحت تر ذخیره می شود و قابل انفجار نیست (اگرچه قابل اشتعال است و می تواند باعث کوری شود). در عین حال، ظرفیت انرژی متانول به طور قابل توجهی بالاتر از هیدروژن فشرده است.

با این حال، با توجه به این واقعیت که متانول قادر به نفوذ از طریق غشا است، بازده DMFC با حجم زیاد سوخت پایین است. اگرچه به همین دلیل برای حمل و نقل و نصب بزرگ مناسب نیستند، اما به عنوان جایگزین باتری برای دستگاه های تلفن همراه عالی هستند.

سلول های سوختی متانول فرآوری شده (RMFC)

تفاوت پیل های سوختی متانول فرآوری شده با DMFC ها تنها در این است که متانول را قبل از تولید برق به هیدروژن و دی اکسید کربن تبدیل می کنند. این اتفاق در دستگاه خاصی به نام پردازنده سوخت رخ می دهد. پس از این مرحله مقدماتی (واکنش در دمای بالای 250 درجه سانتیگراد انجام می شود)، هیدروژن تحت یک واکنش اکسیداسیون قرار می گیرد که منجر به تشکیل آب و الکتریسیته می شود.

استفاده از متانول در RMFC به این دلیل است که حامل طبیعی هیدروژن است و در دمای به اندازه کافی پایین (در مقایسه با سایر مواد) می توان آن را به هیدروژن و دی اکسید کربن تجزیه کرد. بنابراین، این فناوری از DMFC پیشرفته تر است. پیل های سوختی متانول فرآوری شده کارآمدتر، فشرده تر و در دمای زیر صفر کار می کنند.

پیل های سوختی مستقیم اتانول (DEFC)

نماینده دیگری از کلاس سلول های سوختی با شبکه تبادل پروتون. همانطور که از نام آن پیداست، اتانول با دور زدن مراحل تصفیه اضافی یا تجزیه به مواد ساده تر وارد پیل سوختی می شود. اولین مزیت این دستگاه ها استفاده از الکل اتیلیک به جای متانول سمی است. این بدان معناست که برای توسعه این سوخت نیازی به سرمایه گذاری زیادی ندارید.

چگالی انرژی الکل تقریبا 30 درصد بیشتر از متانول است. علاوه بر این، می توان آن را در مقادیر زیادی از زیست توده به دست آورد. به منظور کاهش هزینه پیل های سوختی اتانول، جستجوی فعالی برای مواد جایگزینکاتالیزور. پلاتین، که به طور سنتی در سلول های سوختی برای این اهداف استفاده می شود، بسیار گران است و مانع مهمی برای پذیرش انبوه این فناوری ها است. راه حل این مشکل می تواند کاتالیزورهای ساخته شده از مخلوط آهن، مس و نیکل باشد که نتایج چشمگیری را در سیستم های آزمایشی نشان می دهد.

سلول های سوختی هوا روی (ZAFC)

ZAFC از اکسیداسیون روی با اکسیژن هوا برای تولید برق استفاده می کند. ساخت این پیل‌های سوختی ارزان است و چگالی انرژی نسبتاً بالایی ارائه می‌کنند. در حال حاضر، آنها در سمعک ها و ماشین های الکتریکی آزمایشی استفاده می شوند.

در سمت آند مخلوطی از ذرات روی با یک الکترولیت و در سمت کاتد آب و اکسیژن هوا وجود دارد که با یکدیگر واکنش داده و هیدروکسیل را تشکیل می دهند (مولکول آن یک اتم اکسیژن و یک اتم هیدروژن است که بین آنها پیوند کووالانسی وجود دارد). در نتیجه واکنش هیدروکسیل با مخلوط روی، الکترون ها آزاد می شوند و به کاتد می روند. حداکثر ولتاژولتاژی که توسط چنین پیل های سوختی ارائه می شود 1.65 ولت است، اما، به عنوان یک قاعده، به طور مصنوعی به 1.4-1.35 ولت کاهش می یابد و دسترسی هوا به سیستم را محدود می کند. محصولات نهایی این واکنش الکتروشیمیایی اکسید روی و آب است.

استفاده از این فناوری هم در باتری ها (بدون شارژ مجدد) و هم در پیل های سوختی امکان پذیر است. در حالت دوم، محفظه سمت آند تمیز می شود و دوباره با خمیر روی پر می شود. به طور کلی، فناوری ZAFC ثابت کرده است که باتری های ساده و قابل اعتمادی هستند. مزیت غیر قابل انکار آنها توانایی کنترل واکنش تنها با تنظیم هوای پیل سوختی است. بسیاری از محققان پیل های سوختی روی-هوا را به عنوان منبع اصلی انرژی در آینده برای وسایل نقلیه الکتریکی در نظر می گیرند.

سلول های سوختی میکروبی (MFC)

ایده استفاده از باکتری ها به نفع بشر جدید نیست، اگرچه به تازگی این ایده ها محقق شده است. در حال حاضر، موضوع استفاده تجاری از بیوتکنولوژی برای تولید محصولات مختلف (به عنوان مثال، تولید هیدروژن از زیست توده)، خنثی سازی مواد مضرو تولید برق پیل‌های سوختی میکروبی که به سلول‌های سوختی بیولوژیکی نیز گفته می‌شود، یک سیستم الکتروشیمیایی بیولوژیکی هستند که از طریق استفاده از باکتری‌ها برق تولید می‌کنند. این فناوری بر پایه کاتابولیسم (تجزیه یک مولکول پیچیده به یک مولکول ساده تر با آزاد شدن انرژی) موادی مانند گلوکز، استات (نمک اسید استیک)، بوتیرات (نمک اسید بوتیریک) یا فاضلاب است. به دلیل اکسیداسیون آنها، الکترون ها آزاد می شوند که به آند منتقل می شوند و پس از آن جریان الکتریکی تولید شده از طریق هادی به کاتد می گذرد.

در چنین پیل های سوختی معمولاً از واسطه ها برای بهبود نفوذپذیری الکترون ها استفاده می شود. مشکل اینجاست که موادی که نقش واسطه را بازی می کنند گران و سمی هستند. اما در مورد استفاده از باکتری های فعال الکتروشیمیایی نیازی به واسطه نیست. چنین سلول های سوختی میکروبی "بدون فرستنده" اخیراً شروع به ایجاد کرده اند، و بنابراین، به دور از تمام خواص آنها به خوبی مطالعه شده است.

علیرغم موانعی که MFC هنوز بر آنها غلبه نکرده است، این فناوری پتانسیل بسیار زیادی دارد. اولاً، یافتن "سوخت" دشوار نیست. و چه چیزی بیشتر، امروز مسئله تمیز کردن است فاضلابو دفع بسیاری از زباله ها بسیار ضروری است. استفاده از این فناوری می تواند هر دوی این مشکلات را حل کند. ثانیا، از نظر تئوری کارایی آن می تواند بسیار بالا باشد. یک چالش بزرگ برای مهندسان سلول سوختی میکروبی، و عنصر اصلی و حیاتیاین دستگاه، میکروب ها و در حالی که میکروبیولوژیست ها، که کمک های مالی زیادی برای تحقیق دریافت می کنند، خوشحال می شوند، نویسندگان داستان های علمی تخیلی نیز دست های خود را می مالند و موفقیت کتاب هایی در مورد عواقب "انتشار" میکروارگانیسم های اشتباه را پیش بینی می کنند. به طور طبیعی، خطر بیرون آوردن چیزی وجود دارد که نه تنها ضایعات غیر ضروری را "هضم" می کند، بلکه چیز ارزشمندی را نیز به همراه دارد. بنابراین، در اصل، مانند هر بیوتکنولوژی جدید، مردم نسبت به ایده حمل یک جعبه آلوده به باکتری در جیب خود محتاط هستند.

کاربرد

نیروگاه های ثابت خانگی و صنعتی

سلول های سوختی به طور گسترده ای به عنوان منابع انرژی در انواع سیستم های خودمختار مانند فضاپیماها، ایستگاه های هواشناسی از راه دور، تاسیسات نظامی و غیره استفاده می شوند. مزیت اصلی چنین سیستم منبع تغذیه، قابلیت اطمینان بسیار بالای آن در مقایسه با سایر فناوری ها است. به دلیل کمبود پیل سوختی قطعات متحرکو هر مکانیزم، قابلیت اطمینان سیستم های منبع تغذیه می تواند به 99.99٪ برسد. به علاوه در صورت استفاده از هیدروژن به عنوان معرف می توان به وزن بسیار کمی دست یافت که یکی از مهمترین معیارها در مورد تجهیزات فضایی است.

اخیراً نیروگاه های حرارتی و نیروگاهی ترکیبی به طور گسترده ای در ساختمان های مسکونیو دفاتر ویژگی این سیستم ها این است که دائماً برق تولید می کنند که اگر بلافاصله مصرف نشود برای گرم کردن آب و هوا استفاده می شود. علیرغم این واقعیت که راندمان الکتریکی چنین تأسیساتی تنها 15-20٪ است، این نقطه ضعف با این واقعیت جبران می شود که از برق استفاده نشده برای تولید گرما استفاده می شود. به طور کلی راندمان انرژی چنین سیستم های ترکیبی حدود 80 درصد است. یکی از بهترین معرف ها برای چنین پیل های سوختی اسید فسفریک است. این واحدها بازده انرژی 90% (35-50% برق و مابقی انرژی حرارتی) را ارائه می دهند.

حمل و نقل

سیستم های انرژی مبتنی بر پیل های سوختی نیز به طور گسترده ای در حمل و نقل مورد استفاده قرار می گیرند. به هر حال، آلمانی ها جزو اولین کسانی بودند که پیل سوختی را روی وسایل نقلیه نصب کردند. بنابراین اولین قایق تجاری جهان مجهز به چنین تنظیماتی هشت سال پیش آغاز به کار کرد. این کشتی کوچک که "Hydra" نام دارد و برای حمل حداکثر 22 مسافر طراحی شده است، در ژوئن 2000 در نزدیکی پایتخت سابق آلمان به آب انداخته شد. هیدروژن (پیل سوختی قلیایی) به عنوان یک معرف حامل انرژی عمل می کند. به لطف استفاده از پیل‌های سوختی قلیایی (قلیایی)، این دستگاه قادر به تولید جریان در دمای 10- درجه سانتیگراد است و از آب نمک "ترسی" ندارد. قایق «هیدرا» که توسط یک موتور الکتریکی 5 کیلوواتی هدایت می شود، می تواند تا 6 گره دریایی (حدود 12 کیلومتر در ساعت) سرعت بگیرد.

قایق "هیدرا"

سلول های سوختی (به ویژه با نیروی هیدروژن) در حمل و نقل زمینی بسیار گسترده تر شده اند. به طور کلی، هیدروژن برای مدت طولانی به عنوان سوخت برای موتورهای خودرو مورد استفاده قرار گرفته است و اصولاً یک موتور احتراق داخلی معمولی را می توان به راحتی برای استفاده از این سوخت جایگزین تبدیل کرد. با این حال، احتراق متعارف هیدروژن کارایی کمتری نسبت به تولید الکتریسیته توسط واکنش شیمیایی بین هیدروژن و اکسیژن دارد. و در حالت ایده آل، هیدروژن، اگر در پیل های سوختی استفاده شود، برای طبیعت کاملاً ایمن خواهد بود یا به قول خودشان "دوستانه با محیط زیست" است، زیرا هیچ دی اکسید کربن یا سایر مواد در طی واکنش شیمیایی که "گلخانه" را لمس می کند، آزاد نمی شود. اثر".

درست است، در اینجا، همانطور که انتظار می رود، چندین "اما" بزرگ وجود دارد. واقعیت این است که بسیاری از فناوری های تولید هیدروژن از منابع تجدید ناپذیر (گاز طبیعی، زغال سنگ، فرآورده های نفتی) برای آنها بی ضرر نیستند. محیطزیرا مقادیر زیادی دی اکسید کربن آزاد می کنند. از نظر تئوری، اگر از منابع تجدیدپذیر برای به دست آوردن آن استفاده شود، پس انتشارات مضراصلا نخواهد بود با این حال، در این مورد، هزینه به طور قابل توجهی افزایش می یابد. به گفته بسیاری از کارشناسان، به همین دلایل، پتانسیل هیدروژن به عنوان جایگزینی برای بنزین یا گاز طبیعی بسیار محدود است. در حال حاضر جایگزین های ارزان تری وجود دارد و به احتمال زیاد، سلول های سوختی در اولین عنصر جدول تناوبی قادر به تبدیل شدن به یک پدیده انبوه در وسایل نقلیه نیستند.

خودروسازان کاملاً فعالانه با هیدروژن به عنوان منبع انرژی آزمایش می کنند. و دلیل اصلی این امر موضع نسبتاً سخت اتحادیه اروپا در رابطه با انتشارات مضر در جو است. شرکت دایملر AG، فیات و فورد موتور، با تحریک محدودیت‌های فزاینده‌ای سخت‌گیرانه در اروپا، چشم‌انداز خود را از آینده سلول‌های سوختی در ساختمان خودرو ارائه کردند و آنها را تجهیز کردند. مدل های پایه. یکی دیگر از غول های خودروسازی اروپایی، فولکس واگن، در حال آماده سازی خودروی پیل سوختی خود است. شرکت های ژاپنی و کره جنوبی از آنها عقب نمانده اند. با این حال، همه روی این فناوری شرط بندی نمی کنند. بسیاری از افراد ترجیح می دهند موتورهای احتراق داخلی را تغییر دهند یا آنها را با موتورهای الکتریکی با باتری ترکیب کنند. تویوتا، مزدا و بی ام و این مسیر را طی کردند. در مورد شرکت های آمریکایی، جنرال موتورز علاوه بر فورد با مدل فوکوس خود، چندین خودروی پیل سوختی نیز ارائه کرد. همه این تعهدات به طور فعال توسط بسیاری از دولت ها تشویق می شوند. به عنوان مثال، در ایالات متحده قانونی وجود دارد که طبق آن یک خودروی هیبریدی جدید که وارد بازار می شود از مالیات معاف است که می تواند مبلغ بسیار مناسبی باشد، زیرا معمولاً چنین خودروهایی گران تر از همتایان خود با احتراق داخلی سنتی هستند. موتورها بنابراین، هیبریدی ها به عنوان یک خرید حتی جذاب تر می شوند. البته در حال حاضر این قانون فقط برای مدل هایی که وارد بازار می شوند تا رسیدن به سطح فروش 60000 خودرو اعمال می شود و پس از آن به طور خودکار سود لغو می شود.

الکترونیک

چندی پیش، سلول های سوختی شروع به استفاده روزافزون در لپ تاپ ها کردند. تلفن های همراهو موبایل های دیگر لوازم برقیاوه دلیل این امر افزایش سریع پرخوری دستگاه هایی بود که برای عمر باتری طولانی طراحی شده بودند. در نتیجه استفاده از صفحه نمایش های لمسی بزرگ در گوشی ها، قابلیت های صوتی قدرتمند و ارائه پشتیبانی از Wi-Fi، بلوتوث و سایر پروتکل های ارتباطی بی سیم فرکانس بالا، ظرفیت باتری مورد نیاز نیز تغییر کرده است. و اگرچه باتری‌ها از زمان اولین تلفن‌های همراه، از نظر ظرفیت و فشردگی راه زیادی را طی کرده‌اند (در غیر این صورت، امروزه هواداران با این سلاح با عملکرد ارتباطی اجازه ورود به استادیوم‌ها را نمی‌دادند)، اما هنوز هم به سرعت عمل نمی‌کنند. با کوچک‌سازی مدارهای الکترونیکی و یا با تمایل تولیدکنندگان، ویژگی‌های بیشتر و بیشتری را در محصولات خود ایجاد می‌کنند. یکی دیگر از معایب قابل توجه باتری های فعلی، زمان شارژ طولانی آنها است. همه چیز منجر به این واقعیت می شود که ویژگی های بیشتر در یک پخش کننده رسانه ای تلفن یا جیبی برای افزایش استقلال مالک آن طراحی شده است ( اینترنت بیسیم, سیستم های ناوبریو غیره)، هر چه این دستگاه بیشتر به "سوکت" وابسته شود.

در مورد لپ تاپ هایی که بسیار کوچکتر از لپ تاپ هایی هستند که در حداکثر اندازه محدود هستند، چیزی برای گفتن وجود ندارد. طاقچه ای از لپ تاپ های فوق کارآمد برای مدت طولانی تشکیل شده است که به هیچ وجه برای عملکرد مستقل در نظر گرفته نشده اند، مگر برای چنین انتقال از یک دفتر به دفتر دیگر. و حتی مقرون به صرفه ترین اعضای دنیای لپ تاپ برای ارائه یک روز کامل عمر باتری تلاش می کنند. بنابراین، مسئله یافتن جایگزینی برای باتری‌های سنتی، که گران‌تر نیست، بلکه بسیار کارآمدتر باشد، بسیار حاد است. و نمایندگان برجسته صنعت اخیراً این مشکل را حل کرده اند. چندی پیش، سلول های سوختی متانول تجاری معرفی شدند که تحویل انبوه آن ها می تواند از اوایل سال آینده آغاز شود.

محققان بنا به دلایلی متانول را به هیدروژن انتخاب کردند. ذخیره سازی متانول بسیار ساده تر است زیرا نیازی به فشار بالا یا خاصی ندارد رژیم دما. متیل الکل مایعی در دمای -97.0 تا 64.7 درجه سانتیگراد است. در این حالت، انرژی ویژه موجود در حجم N ام متانول، مرتبه ای بزرگتر از همان حجم هیدروژن در فشار بالا است. فن آوری پیل سوختی متانول مستقیم، که به طور گسترده در دستگاه های الکترونیکی متحرک استفاده می شود، شامل استفاده از متانول پس از پر کردن محفظه پیل سوختی، دور زدن فرآیند تبدیل کاتالیزوری (از این رو نام "متانول مستقیم" است). این نیز مزیت اصلی این فناوری است.

با این حال، همانطور که انتظار می رود، همه این مزایا دارای معایبی بودند که به طور قابل توجهی دامنه کاربرد آن را محدود می کرد. با توجه به اینکه این فناوری هنوز به طور کامل توسعه نیافته است، مشکل حل نشده باقی مانده است. راندمان بالا، کارآیی بالاسلول های سوختی مشابه ناشی از "نشت" متانول از طریق مواد غشایی. علاوه بر این، آنها ویژگی های دینامیکی چشمگیر ندارند. تصمیم گیری با دی اکسید کربن تولید شده در آند آسان نیست. دستگاه های مدرن DMFC قادر به تولید انرژی بالا نیستند، اما ظرفیت انرژی بالایی برای حجم کمی از ماده دارند. این بدان معنی است که اگرچه انرژی زیادی هنوز در دسترس نیست، سلول های سوختی متانول مستقیم می توانند آن را برای مدت طولانی تولید کنند. این به آنها اجازه نمی دهد، به دلیل قدرت کم، پیدا کنند کاربرد مستقیمدر وسایل نقلیه، اما آنها را تقریبا راه حل ایده آلبرای دستگاه های تلفن همراه که عمر باتری در آنها حیاتی است.

آخرین روندها

اگرچه سلول های سوختی برای وسایل نقلیه برای مدت طولانی تولید شده اند، اما تاکنون این راه حل ها فراگیر نشده اند. دلایل زیادی برای این وجود دارد. و اصلی ترین آنها عدم مصلحت اقتصادی و عدم تمایل تولید کنندگان به تولید سوخت مقرون به صرفه است. تلاش برای تحمیل روند طبیعی انتقال به منابع انرژی تجدید پذیر، همانطور که می توان انتظار داشت، به هیچ چیز خوبی منجر نشد. البته دلیلش رشد شدیدقیمت محصولات کشاورزی نه در این واقعیت پنهان است که آنها در مقیاس انبوه به سوخت های زیستی تبدیل شده اند، بلکه در این واقعیت است که بسیاری از کشورهای آفریقایی و آسیایی قادر به تولید محصولات کافی حتی برای تامین نیاز داخلی نیستند. محصولات

بدیهی است که رد استفاده از سوخت های زیستی منجر به بهبود قابل توجهی در وضعیت بازار مواد غذایی جهان نخواهد شد، بلکه برعکس، ممکن است به کشاورزان اروپایی و آمریکایی ضربه بزند که برای اولین بار در سال های متمادی دریافت کرده اند. فرصتی برای کسب درآمد خوب اما نمی توان جنبه اخلاقی این موضوع را نادیده گرفت، پر کردن "نان" در مخازن زمانی که میلیون ها نفر از گرسنگی می کشند زشت است. بنابراین، به ویژه، سیاستمداران اروپایی اکنون در مورد بیوتکنولوژی خونسردتر خواهند بود، که قبلاً با تجدید نظر در استراتژی انتقال به منابع انرژی تجدید پذیر تأیید شده است.

در این شرایط، میکروالکترونیک باید امیدوارکننده‌ترین زمینه کاربرد پیل‌های سوختی باشد. اینجاست که پیل های سوختی بیشترین شانس را برای به دست آوردن جایگاه دارند. اولاً، افرادی که تلفن های همراه می خرند، بیش از مثلاً خریداران اتومبیل، مایل به آزمایش هستند. و ثانیاً آنها آماده اند پول خرج کنند و قاعدتاً از "نجات جهان" بیزار نیستند. موفقیت چشمگیر نسخه قرمز "بونو" آی پاد نانو می تواند تاییدی بر این امر باشد، بخشی از پول فروش آن به صلیب سرخ رسید.

نسخه "بونو" اپل آی پاد نانو

در میان کسانی که توجه خود را به سلول‌های سوختی برای لوازم الکترونیکی قابل حمل معطوف کردند، شرکت‌هایی هستند که قبلاً در ایجاد سلول‌های سوختی تخصص داشتند و اکنون به سادگی حوزه جدیدی را برای کاربرد آنها باز کرده‌اند و همچنین تولیدکنندگان پیشرو میکروالکترونیک. به عنوان مثال، اخیراً MTI Micro که تجارت خود را برای تولید سلول های سوختی متانول برای دستگاه های الکترونیکی متحرک تغییر داده است، اعلام کرد که تولید انبوه خود را در سال 2009 آغاز خواهد کرد. او همچنین اولین دستگاه جی پی اس پیل سوختی متانولی جهان را معرفی کرد. به گفته نمایندگان این شرکت، در آینده ای نزدیک محصولات آن به طور کامل جایگزین باتری های لیتیوم یون سنتی خواهد شد. درست است که در ابتدا ارزان نخواهند بود، اما این مشکل با هر فناوری جدید همراه است.

برای شرکتی مانند سونی که اخیراً نوع DMFC خود را از دستگاه‌های مجهز به رسانه به نمایش گذاشته است، این فناوری‌ها جدید هستند، اما در مورد گم نشدن در بازار جدید امیدوارکننده جدی هستند. به نوبه خود، شارپ از این هم فراتر رفت و با نمونه اولیه پیل سوختی خود، اخیراً رکورد جهانی ظرفیت انرژی ویژه 0.3 وات بر سانتی متر مکعب متانول را به ثبت رساند. حتی دولت های بسیاری از کشورها با شرکت های تولید کننده این پیل های سوختی ملاقات کردند. بنابراین فرودگاه های ایالات متحده آمریکا، کانادا، بریتانیا، ژاپن و چین، علیرغم سمی بودن و اشتعال پذیری متانول، محدودیت های قبلی در حمل و نقل آن در کابین را لغو کردند. البته این فقط برای پیل های سوختی تایید شده با حداکثر ظرفیت 200 میلی لیتر مجاز است. با این وجود، این یک بار دیگر علاقه نه تنها مشتاقان، بلکه دولت ها را به این تحولات تأیید می کند.

درست است، تولیدکنندگان همچنان در تلاش هستند تا آن را ایمن کنند و سلول های سوختی را عمدتاً به عنوان یک سیستم قدرت پشتیبان ارائه دهند. یکی از این راه حل ها ترکیب پیل سوختی و باتری است: تا زمانی که سوخت وجود دارد، باتری را دائما شارژ می کند و پس از تمام شدن آن، کاربر به سادگی کارتریج خالی را با یک ظرف جدید متانول جایگزین می کند. یکی دیگر از روند محبوب، ایجاد شارژرهای پیل سوختی است. آنها را می توان در حال حرکت استفاده کرد. در عین حال می توانند باتری ها را خیلی سریع شارژ کنند. به عبارت دیگر، شاید در آینده هرکسی چنین «سوکتی» را در جیب خود حمل کند. این رویکرد ممکن است به ویژه در مورد تلفن های همراه مرتبط باشد. به نوبه خود، لپ تاپ ها ممکن است در آینده قابل پیش بینی به سلول های سوختی داخلی دست یابند، که اگر به طور کامل جایگزین شارژ از "سوکت" نشوند، حداقل به یک جایگزین جدی برای آن تبدیل می شوند.

بنابراین، بر اساس پیش بینی بزرگترین شرکت شیمیایی آلمان BASF که اخیراً از ساخت مرکز توسعه پیل سوختی خود در ژاپن خبر داده است، تا سال 2010 بازار این دستگاه ها یک میلیارد دلار خواهد بود. در عین حال، تحلیلگران آن رشد بازار پیل سوختی را به 20 میلیارد دلار تا سال 2020 پیش بینی می کنند. به هر حال، در این مرکز BASF قصد دارد سلول های سوختی را برای وسایل الکترونیکی قابل حمل (به ویژه لپ تاپ ها) و سیستم های انرژی ثابت توسعه دهد. مکان این شرکت به طور تصادفی انتخاب نشده است - خریداران اصلی این فناوری ها شرکت آلمانیشرکت های محلی را می بیند.

به جای نتیجه گیری

البته از پیل های سوختی انتظار داشته باشید که جایگزین شوند سیستم موجودمنبع تغذیه ارزشش را ندارد حداقل برای آینده قابل پیش بینی. این یک شمشیر دولبه است: نیروگاه های قابل حمل به دلیل عدم تلفات مربوط به تحویل برق به مصرف کننده مطمئناً کارآمدتر هستند، اما همچنین قابل توجه است که آنها می توانند به رقیبی جدی برای منبع تغذیه متمرکز تبدیل شوند. سیستم تنها در صورتی که یک سیستم تامین سوخت متمرکز برای این تاسیسات ایجاد شود. یعنی «سوکت» در نهایت باید با یک لوله خاص جایگزین شود که معرف های لازم را برای هر خانه و هر گوشه و کناری تامین می کند. و این کاملاً آزادی و استقلال از منابع جاری خارجی نیست که سازندگان پیل سوختی در مورد آن صحبت می کنند.

این دستگاه ها از نظر سرعت شارژ یک مزیت غیرقابل انکار دارند - من به سادگی کارتریج متانول را در دوربین عوض کردم (در موارد شدید، جام جک دانیل را باز کردم) و دوباره از پله های لوور بالا رفتم. از طرف دیگر، اگر مثلاً یک تلفن معمولی دو ساعت شارژ می شود و هر 2-3 روز یکبار نیاز به شارژ دارد ، پس بعید است که جایگزینی به شکل تعویض کارتریج که فقط در فروشگاه های تخصصی فروخته می شود ، حتی هر دو هفته یک بار ، اینقدر مورد تقاضا باشد. توسط یک کاربر انبوه. اگر یک ظرف هرمتیک چند صد میلی لیتری سوخت به دست مصرف کننده نهایی برسد، قیمت آن زمان رشد قابل توجهی خواهد داشت. فقط مقیاس تولید می تواند با این افزایش قیمت مقابله کند، اما آیا مقیاس تقاضا در بازار وجود دارد؟و تا زمانی که نوع سوخت بهینه انتخاب نشود، حل این مشکل بسیار مشکل خواهد بود.

از سوی دیگر، ترکیبی از شارژ سنتی پلاگین، سلول‌های سوختی و دیگر سیستم‌های تامین انرژی جایگزین (مثلاً پنل‌های خورشیدی) می‌تواند راه‌حلی برای مشکل تنوع بخشیدن به منابع انرژی و تغییر به انواع محیطی باشد. با این حال، برای گروه خاصی از محصولات الکترونیکی، سلول های سوختی می توانند به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرند. این امر با این واقعیت تأیید می شود که کانن اخیراً پیل سوختی خود را برای دوربین های دیجیتال ثبت کرده و استراتژی را برای گنجاندن این فناوری ها در راه حل های خود اعلام کرده است. در مورد لپ‌تاپ‌ها، اگر سلول‌های سوختی در آینده نزدیک به آن‌ها برسند، به احتمال زیاد فقط به عنوان یک سیستم قدرت پشتیبان. اکنون، به عنوان مثال، ما عمدتاً در مورد ماژول های شارژ خارجی صحبت می کنیم که علاوه بر این به یک لپ تاپ متصل می شوند.

اما این فناوری ها چشم انداز بزرگی برای توسعه در دراز مدت دارند. به ویژه با توجه به تهدید قحطی نفتی که ممکن است در چند دهه آینده رخ دهد. در این شرایط مهم‌تر از آن نیست که تولید پیل‌های سوختی چقدر ارزان خواهد بود، بلکه مهم‌تر از آن است که بدون توجه به صنعت پتروشیمی و اینکه آیا می‌تواند نیاز آن را پوشش دهد، تولید سوخت برای آنها چقدر خواهد بود.

از نقطه نظر انرژی "سبز"، سلول های سوختی هیدروژن دارای راندمان بسیار بالایی هستند - 60%. برای مقایسه: بهره وری از بهترین هاموتورهای احتراق داخلی 35-40٪ است. برای نیروگاه های خورشیدیضریب فقط 15-20٪ است، اما به شدت به آن بستگی دارد شرایط آب و هوایی. راندمان بهترین مزارع بادی پره ای به 40 درصد می رسد که قابل مقایسه با ژنراتورهای بخار است، اما توربین های بادی نیز به شرایط آب و هوایی مناسب نیاز دارند. خدمات گران قیمت.

همانطور که می بینیم، با توجه به این پارامتر، انرژی هیدروژن جذاب ترین منبع انرژی است، اما هنوز هم تعدادی از مشکلات وجود دارد که مانع از کاربرد انبوه آن می شود. مهمترین آنها فرآیند تولید هیدروژن است.

مشکلات معدن

انرژی هیدروژن سازگار با محیط زیست است، اما مستقل نیست. برای کارکرد، یک پیل سوختی به هیدروژن نیاز دارد که در زمین یافت نمی شود شکل خالص. هیدروژن باید به دست آید، اما تمام روش های موجود در حال حاضر یا بسیار گران هستند یا ناکارآمد.

کارآمدترین روش از نظر مقدار هیدروژن تولید شده در واحد انرژی مصرف شده، رفرمینگ گاز طبیعی با بخار است. متان با بخار آب در فشار 2 مگاپاسکال (حدود 19 اتمسفر، یعنی فشار در عمق حدود 190 متر) و دمای حدود 800 درجه ترکیب می شود و در نتیجه گاز تبدیل شده با محتوای هیدروژن 55-75٪ ایجاد می شود. اصلاح بخار نیاز به کارخانه های عظیمی دارد که فقط در تولید قابل استفاده هستند.

کوره لوله ای برای رفرمینگ بخار متان ارگونومیک ترین راه برای تولید هیدروژن نیست. منبع: CTK-Euro

روش راحت تر و ساده تر، الکترولیز آب است. هنگامی که جریان الکتریکی از آب تصفیه شده عبور می کند، یک سری واکنش های الکتروشیمیایی رخ می دهد که منجر به تشکیل هیدروژن می شود. یکی از معایب قابل توجه این روش مصرف بالای انرژی مورد نیاز برای واکنش است. یعنی وضعیت کمی عجیب به نظر می رسد: برای به دست آوردن انرژی هیدروژن، به ... انرژی نیاز دارید. به منظور جلوگیری از هزینه های غیر ضروری در حین الکترولیز و صرفه جویی در منابع ارزشمند، برخی از شرکت ها به دنبال توسعه سیستم های "برق - هیدروژن - الکتریسیته" با چرخه کامل هستند که در آن تولید انرژی بدون تجدید مجدد خارجی ممکن می شود. نمونه ای از چنین سیستمی توسعه Toshiba H2One است.

نیروگاه سیار توشیبا H2One

ما نیروگاه کوچک سیار H2One را توسعه داده ایم که آب را به هیدروژن و هیدروژن را به انرژی تبدیل می کند. از پنل های خورشیدی برای حفظ الکترولیز استفاده می کند و انرژی اضافی در باتری ها ذخیره می شود و عملکرد سیستم را در غیاب نور خورشید تضمین می کند. هیدروژن حاصل یا مستقیماً به پیل های سوختی می رسد یا در یک مخزن یکپارچه ذخیره می شود. الکترولایزر H2One تا 2 متر مکعب هیدروژن در ساعت تولید می کند و در خروجی تا 55 کیلو وات توان تولید می کند. برای تولید 1 متر مکعب هیدروژن، ایستگاه تا 2.5 متر مکعب آب نیاز دارد.

تا کنون، ایستگاه H2One قادر به تامین برق یک شرکت بزرگ یا کل شهر نیست، اما انرژی آن برای عملکرد مناطق یا سازمان های کوچک کافی است. به لطف تحرک آن، می توان از آن به عنوان یک راه حل موقت در مواقع بلایای طبیعی یا قطع برق نیز استفاده کرد. علاوه بر این، برخلاف دیزل ژنراتور که برای عملکرد عادی به سوخت نیاز دارد، یک نیروگاه هیدروژنی فقط به آب نیاز دارد.

در حال حاضر توشیبا H2One تنها در چند شهر ژاپن استفاده می شود - برای مثال، برق و آب گرم ایستگاه راه آهن در شهر کاوازاکی را تامین می کند.

نصب سیستم H2One در کاوازاکی

آینده هیدروژنی

اکنون سلول های سوختی هیدروژنی انرژی لازم برای پاوربانک های قابل حمل، اتوبوس های شهری با ماشین و حمل و نقل ریلی را فراهم می کنند. (در پست بعدی بیشتر در مورد استفاده از هیدروژن در صنعت خودرو توضیح خواهیم داد).سلول های سوختی هیدروژنی به طور غیرمنتظره ای یک راه حل عالی برای کوادکوپترها بود - با همان جرم باتری، تامین هیدروژن تا پنج برابر زمان پرواز طولانی تر را فراهم می کند. در این حالت، یخ زدگی به هیچ وجه بر راندمان تأثیر نمی گذارد. پهپادهای آزمایشی سلول سوختی تولید شده توسط شرکت روسی AT Energy برای فیلمبرداری در المپیک سوچی استفاده شد.

مشخص شد که در بازی های المپیک آتی توکیو، هیدروژن در اتومبیل ها، در تولید برق و گرما استفاده می شود و همچنین به منبع اصلی انرژی برای دهکده المپیک تبدیل خواهد شد. برای انجام این کار، به سفارش Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. در شهر نامیه ژاپن، یکی از بزرگترین ایستگاه های تولید هیدروژن در جهان در حال ساخت است. این ایستگاه تا 10 مگاوات انرژی به دست آمده از منابع "سبز" مصرف می کند و تا 900 تن هیدروژن در سال از طریق الکترولیز تولید می کند.

انرژی هیدروژن "ذخایر آینده" ماست، زمانی که سوخت های فسیلی باید به طور کامل کنار گذاشته شوند و منابع انرژی تجدیدپذیر قادر به پوشش نیازهای بشر نخواهند بود. بر اساس پیش بینی Markets&Markets، حجم تولید جهانی هیدروژن که اکنون به 115 میلیارد دلار می رسد، تا سال 2022 به 154 میلیارد دلار افزایش خواهد یافت. اما در آینده نزدیک بعید است که معرفی انبوه این فناوری اتفاق بیفتد. حل تعدادی از مشکلات مربوط به تولید و بهره برداری از نیروگاه های ویژه، برای کاهش هزینه آنها. هنگامی که موانع تکنولوژیکی برطرف شوند، انرژی هیدروژن به سطح جدیدی می رسد و شاید به اندازه انرژی سنتی یا آبی امروزی گسترده شود.

پیل سوختی یک وسیله تبدیل انرژی الکتروشیمیایی است که هیدروژن و اکسیژن را از طریق یک واکنش شیمیایی به الکتریسیته تبدیل می کند. در نتیجه این فرآیند آب تشکیل می شود و مقدار زیادی گرما آزاد می شود. پیل سوختی بسیار شبیه باتری است که می توان آن را شارژ کرد و سپس از آن استفاده کرد انرژی الکتریکی.
مخترع پیل سوختی William R. Grove است که آن را در سال 1839 اختراع کرد. در این پیل سوختی از محلول اسید سولفوریک به عنوان الکترولیت و هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می شد که با اکسیژن در یک محیط اکسید کننده ترکیب می شد. . لازم به ذکر است که تا همین اواخر، سلول های سوختی فقط در آزمایشگاه ها و فضاپیماها استفاده می شد.
در آینده، سلول های سوختی قادر خواهند بود با بسیاری از سیستم های دیگر برای تبدیل انرژی (از جمله توربین گاز در نیروگاه ها) موتورهای احتراق داخلی در خودرو و باتری های برقیدر دستگاه های قابل حمل موتورهای احتراق داخلی سوخت را می سوزانند و از فشار ایجاد شده در اثر انبساط گازهای احتراق برای انجام کارهای مکانیکی استفاده می کنند. باتری ها انرژی الکتریکی را ذخیره می کنند و سپس آن را به انرژی شیمیایی تبدیل می کنند که در صورت نیاز می توان آن را دوباره به انرژی الکتریکی تبدیل کرد. به طور بالقوه، سلول های سوختی بسیار کارآمد هستند. در سال 1824، دانشمند فرانسوی کارنو ثابت کرد که چرخه های فشرده سازی-انبساط یک موتور احتراق داخلی نمی تواند کارایی تبدیل انرژی حرارتی (که انرژی شیمیایی سوختن سوخت است) را به انرژی مکانیکی بالاتر از 50٪ تضمین کند. یک پیل سوختی هیچ بخش متحرکی ندارد (حداقل در داخل خود پیل) و بنابراین از قانون کارنو تبعیت نمی کند. به طور طبیعی، آنها بیش از 50 درصد راندمان خواهند داشت و به ویژه در بارهای کم موثر هستند. بنابراین، خودروهای پیل سوختی آماده هستند (و قبلاً ثابت شده اند) نسبت به خودروهای معمولی در مصرف سوخت کارآمدتر باشند. شرایط واقعیجنبش.
پیل سوختی جریان الکتریکی DC تولید می کند که می تواند برای به حرکت درآوردن موتور الکتریکی، وسایل روشنایی و سایر سیستم های الکتریکی در یک وسیله نقلیه استفاده شود. انواع مختلفی از سلول های سوختی وجود دارد که در فرآیندهای شیمیایی مورد استفاده متفاوت است. پیل های سوختی معمولاً بر اساس نوع الکترولیت مورد استفاده طبقه بندی می شوند. برخی از انواع پیل‌های سوختی برای کاربردهای نیروگاهی امیدوارکننده هستند، در حالی که برخی دیگر ممکن است برای دستگاه‌های کوچک قابل حمل یا برای رانندگی خودروها مفید باشند.
پیل سوختی قلیایی یکی از اولین عناصر توسعه یافته است. آنها از دهه 1960 توسط برنامه فضایی ایالات متحده مورد استفاده قرار گرفته اند. چنین پیل های سوختی بسیار حساس به آلودگی هستند و بنابراین به هیدروژن و اکسیژن بسیار خالص نیاز دارند. علاوه بر این، آنها بسیار گران هستند و بنابراین بعید است که این نوع پیل سوختی در خودروها کاربرد گسترده ای پیدا کند.
از پیل های سوختی بر پایه اسید فسفریک می توان استفاده کرد تاسیسات ثابتکم قدرت. آنها در دماهای نسبتاً بالا کار می کنند و بنابراین گرم شدن طولانی مدت طول می کشد و همین امر آنها را برای استفاده در اتومبیل ناکارآمد می کند.
پیل‌های سوختی اکسید جامد برای ژنراتورهای بزرگ برق ثابت که می‌توانند برق کارخانه‌ها یا جوامع را تامین کنند، مناسب‌تر هستند. این نوع پیل سوختی در دمای بسیار بالا (حدود 1000 درجه سانتیگراد) کار می کند. دمای بالای کار مشکلات خاصی را ایجاد می کند، اما از طرف دیگر، یک مزیت وجود دارد - بخار تولید شده توسط پیل سوختی می تواند به توربین ها ارسال شود تا برق بیشتری تولید کند. به طور کلی، این کارایی کلی سیستم را بهبود می بخشد.
یکی از امیدوار کننده ترین سیستم ها، سلول سوختی غشای تبادل پروتون - POMFC (PEMFC - سلول سوختی غشایی تبادل پروتون) است. در حال حاضر، این نوع پیل سوختی امیدوارکننده ترین است زیرا می تواند اتومبیل ها، اتوبوس ها و سایر وسایل نقلیه را به حرکت درآورد.

فرآیندهای شیمیایی در پیل سوختی

سلول های سوختی از فرآیند الکتروشیمیایی برای ترکیب هیدروژن با اکسیژن هوا استفاده می کنند. مانند باتری‌ها، پیل‌های سوختی از الکترودها (رسانای الکتریکی جامد) در یک الکترولیت (یک محیط رسانای الکتریکی) استفاده می‌کنند. هنگامی که مولکول های هیدروژن با الکترود منفی (آند) تماس پیدا می کنند، الکترود دوم به پروتون و الکترون جدا می شود. پروتون ها از طریق غشای تبادل پروتون (POM) به الکترود مثبت (کاتد) پیل سوختی می روند و الکتریسیته تولید می کنند. ترکیب شیمیایی مولکول های هیدروژن و اکسیژن با تشکیل آب به عنوان محصول جانبی این واکنش وجود دارد. تنها نوع انتشار گازهای گلخانه ای از پیل سوختی بخار آب است.
الکتریسیته تولید شده توسط پیل های سوختی را می توان در پیشرانه الکتریکی خودرو (شامل یک مبدل قدرت الکتریکی و موتور القایی AC) برای به دست آوردن انرژی مکانیکیبرای رانندگی وسیله نقلیه وظیفه مبدل قدرت تبدیل جریان مستقیم تولید شده توسط پیل های سوختی به جریان متناوب است که توسط موتور کششی خودرو استفاده می شود.

نمودار شماتیک یک پیل سوختی با غشای مبادله پروتون:
1 - آند؛
2 - غشای تبادل پروتون (REM);
3 - کاتالیزور (قرمز)؛
4 - کاتد

پیل سوختی غشایی تبادل پروتون (PEMFC) یکی از ساده‌ترین واکنش‌ها را در بین هر پیل سوختی استفاده می‌کند.

پیل سوختی جدا

نحوه عملکرد پیل سوختی را در نظر بگیرید. آند، قطب منفی پیل سوختی، الکترون‌ها را هدایت می‌کند که از مولکول‌های هیدروژن آزاد می‌شوند تا بتوان از آنها در یک مدار الکتریکی خارجی (مدار) استفاده کرد. برای انجام این کار، کانال هایی در آن حک شده و هیدروژن را به طور مساوی در کل سطح کاتالیزور توزیع می کند. کاتد (قطب مثبت پیل سوختی) دارای کانال های حکاکی شده ای است که اکسیژن را روی سطح کاتالیزور توزیع می کند. همچنین الکترون ها را از مدار بیرونی (مدار) به کاتالیزور هدایت می کند، جایی که می توانند با یون های هیدروژن و اکسیژن ترکیب شوند و آب را تشکیل دهند. الکترولیت یک غشای تبادل پروتون است. این یک ماده خاص، شبیه به پلاستیک معمولی است، اما با توانایی عبور یون های دارای بار مثبت و مسدود کردن عبور الکترون ها.
کاتالیزور - مواد خاص، که واکنش بین اکسیژن و هیدروژن را تسهیل می کند. کاتالیزور معمولاً از پودر پلاتین ساخته می شود که در یک لایه بسیار نازک روی کاغذ یا پارچه کربنی رسوب می کند. کاتالیزور باید ناصاف و متخلخل باشد تا سطح آن تا حد امکان با هیدروژن و اکسیژن تماس پیدا کند. سمت پوشیده شده از پلاتین کاتالیزور در مقابل غشای تبادل پروتون (POM) قرار دارد.
گاز هیدروژن (H 2 ) تحت فشار از سمت آند به پیل سوختی عرضه می شود. هنگامی که مولکول H2 با پلاتین روی کاتالیزور تماس پیدا می کند، به دو قسمت، دو یون (H+) و دو الکترون (e–) تقسیم می شود. الکترون‌ها از طریق آند هدایت می‌شوند، جایی که از یک مدار خارجی (مدار) عبور می‌کنند و کار مفیدی انجام می‌دهند (مثلاً راندن یک موتور الکتریکی) و از سمت کاتد پیل سوختی باز می‌گردند.
در همین حال، از سمت کاتد پیل سوختی، گاز اکسیژن (O 2 ) از طریق کاتالیزور عبور می کند، جایی که دو اتم اکسیژن را تشکیل می دهد. هر یک از این اتم ها دارای بار منفی قوی هستند که دو یون H+ را در سراسر غشاء جذب می کند، جایی که با یک اتم اکسیژن و دو الکترون از حلقه بیرونی (زنجیره) ترکیب می شوند و یک مولکول آب (H 2 O) را تشکیل می دهند.
این واکنش در یک پیل سوختی تنها قدرتی معادل 0.7 وات تولید می کند. به منظور بالا بردن توان به سطح مورد نیاز، لازم است تعداد زیادی پیل سوختی منفرد را با هم ترکیب کنیم تا یک پشته پیل سوختی تشکیل شود.
پیل های سوختی POM در دمای نسبتاً پایین (حدود 80 درجه سانتیگراد) کار می کنند، به این معنی که می توان آنها را به سرعت تا دمای عملیاتی گرم کرد و به سیستم های خنک کننده گران قیمت نیاز ندارد. پیشرفت مداوم در فناوری و مواد به کار رفته در این سلول‌ها، قدرت آنها را به سطحی نزدیک کرده است که باتری چنین پیل‌های سوختی که بخش کوچکی از صندوق عقب خودرو را اشغال می‌کند، می‌تواند انرژی مورد نیاز برای رانندگی خودرو را تامین کند.
در طول سال‌های گذشته، اکثر خودروسازان پیشرو جهان سرمایه‌گذاری هنگفتی در توسعه طرح‌های خودرو با استفاده از سلول‌های سوختی کرده‌اند. بسیاری قبلاً خودروهای پیل سوختی با قدرت و دینامیک رضایت بخش را نشان داده اند، اگرچه بسیار گران بودند.
بهبود طراحی چنین خودروهایی بسیار فشرده است.

خودروی پیل سوختی، از نیروگاهی استفاده می کند که در زیر کف خودرو قرار دارد

خودروی NECAR V بر اساس خودروی کلاس A مرسدس بنز است که کل نیروگاه به همراه سلول های سوختی در زیر کف خودرو قرار دارد. چنین راه حل سازندهامکان قرار دادن چهار سرنشین و چمدان در خودرو را فراهم می کند. در اینجا نه هیدروژن، بلکه متانول به عنوان سوخت خودرو استفاده می شود. متانول با کمک یک ریفرمر (دستگاهی که متانول را به هیدروژن تبدیل می کند) به هیدروژن تبدیل می شود که برای تامین انرژی پیل سوختی ضروری است. استفاده از یک ریفورماتور در خودرو امکان استفاده از تقریباً هر هیدروکربنی را به عنوان سوخت فراهم می کند، که امکان سوخت گیری خودروی پیل سوختی را با استفاده از شبکه پمپ بنزین موجود فراهم می کند. از نظر تئوری، پیل های سوختی چیزی جز برق و آب تولید نمی کنند. تبدیل سوخت (بنزین یا متانول) به هیدروژن مورد نیاز پیل سوختی تا حدودی جذابیت زیست محیطی چنین خودرویی را کاهش می دهد.
هوندا که از سال 1989 در تجارت پیل سوختی فعالیت می کند، در سال 2003 دسته کوچکی از خودروهای هوندا FCX-V4 را با سلول های سوختی تبادل پروتون تولید کرد. نوع غشاییشرکت بالارد این پیل‌های سوختی 78 کیلووات توان الکتریکی تولید می‌کنند و موتورهای کششی با قدرت 60 کیلووات و گشتاور 272 نیوتن متر برای به حرکت درآوردن چرخ‌های محرک استفاده می‌شوند و دینامیک بسیار خوبی دارند و تامین هیدروژن فشرده کارکرد را ممکن می‌سازد. تا 355 کیلومتر

هوندا FCX از نیروی پیل سوختی برای حرکت خود استفاده می کند.
هوندا FCX اولین خودروی پیل سوختی جهان است که گواهینامه دولتی در ایالات متحده دریافت کرده است. این خودرو دارای گواهی ZEV است - وسیله نقلیه آلایندگی صفر (خودروی آلودگی صفر). هوندا هنوز قصد فروش این خودروها را ندارد، اما در هر واحد حدود 30 خودرو اجاره می کند. کالیفرنیا و توکیو، جایی که زیرساخت های سوخت هیدروژن در حال حاضر وجود دارد.

خودروی مفهومی Hy Wire جنرال موتورز دارای یک نیروگاه پیل سوختی است

تحقیقات گسترده ای در مورد توسعه و ایجاد وسایل نقلیه سلول سوختی توسط جنرال موتورز انجام می شود.

شاسی خودروهای سیمی

خودروی مفهومی جنرال موتورز Hy Wire 26 پتنت دریافت کرده است. اساس خودرو یک پلت فرم کاربردی با ضخامت 150 میلی متر است. در داخل پلت فرم سیلندرهای هیدروژن، یک نیروگاه پیل سوختی و سیستم های کنترل خودرو استفاده می شود جدیدترین فناوری هاکنترل الکترونیکی با سیم شاسی ماشین Hy Wire یک پلت فرم نازک است که شامل تمام عناصر ساختاری اصلی خودرو است: سیلندرهای هیدروژن، سلول های سوختی، باتری ها، موتورهای الکتریکی و سیستم های کنترل. این رویکرد طراحی، تغییر بدنه خودرو را در حین کار امکان پذیر می کند.این شرکت همچنین خودروهای پیل سوختی آزمایشی Opel را آزمایش می کند و یک کارخانه تولید پیل سوختی طراحی می کند.

طراحی مخزن سوخت "ایمن" برای هیدروژن مایع:
1 - دستگاه پرکن؛
2 - مخزن بیرونی؛
3 - پشتیبانی می کند.
4 - سنسور سطح;
5 - مخزن داخلی;
6 - خط پر کردن.
7 - ایزوله و خلاء;
8 - بخاری؛
9 - جعبه نصب

مشکل استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت خودروها توسط BMW بسیار مورد توجه قرار گرفته است. ب ام و همراه با Magna Steyer که به دلیل کار خود در زمینه استفاده از هیدروژن مایع در تحقیقات فضایی مشهور است، مخزن سوخت هیدروژن مایع را توسعه داده است که می تواند در خودروها استفاده شود.

آزمایشات ایمنی استفاده از مخزن سوخت با هیدروژن مایع را تایید کرده است

این شرکت یک سری آزمایش بر روی ایمنی سازه طبق روش های استاندارد انجام داد و قابلیت اطمینان آن را تأیید کرد.
در سال 2002، در نمایشگاه خودرو فرانکفورت (آلمان)، مینی کوپر هیدروژن به نمایش گذاشته شد که از هیدروژن مایع به عنوان سوخت استفاده می کند. باک بنزین این خودرو همان فضای باک بنزین معمولی را اشغال می کند. هیدروژن در این خودرو برای پیل سوختی استفاده نمی شود، بلکه به عنوان سوخت موتورهای احتراق داخلی استفاده می شود.

اولین خودروی تولید انبوه جهان با پیل سوختی به جای باتری

در سال 2003، BMW اولین خودروی سلول سوختی تولید انبوه را به نام BMW 750 hL معرفی کرد. به جای باتری سنتی از باتری پیل سوختی استفاده می شود. این خودرو دارای یک موتور احتراق داخلی 12 سیلندر است که با هیدروژن کار می کند و پیل سوختی به عنوان جایگزینی برای باتری های معمولی عمل می کند و به کولر گازی و سایر مصرف کنندگان اجازه می دهد زمانی که خودرو برای مدت طولانی پارک شده و موتور خاموش است کار کنند.

سوخت گیری هیدروژن توسط یک ربات انجام می شود، راننده در این فرآیند دخالت ندارد

همین شرکت BMW همچنین توزیع کننده های سوخت رباتیکی را توسعه داده است که سوخت گیری سریع و ایمن خودروها را با هیدروژن مایع فراهم می کند.
ظهور تعداد زیادی از پیشرفت‌ها در سال‌های اخیر با هدف ایجاد وسایل نقلیه با استفاده از سوخت‌های جایگزین و نیروگاه‌های جایگزین نشان می‌دهد که موتورهای احتراق داخلی که در قرن گذشته بر خودروها تسلط داشتند، سرانجام جای خود را به طراحی‌های تمیزتر، کارآمدتر و بی‌صدا خواهند داد. استفاده گسترده از آنها در حال حاضر نه به دلیل مشکلات فنی، بلکه بیشتر به دلیل مشکلات اقتصادی و اجتماعی متوقف شده است. برای استفاده گسترده از آنها، ایجاد زیرساخت خاصی برای توسعه تولید ضروری است گونه های جایگزینسوخت، ایجاد و توزیع پمپ بنزین های جدید و غلبه بر تعدادی از موانع روانی. استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت خودرو مستلزم رسیدگی به مسائل مربوط به ذخیره‌سازی، تحویل و توزیع است که اقدامات ایمنی جدی در آن وجود دارد.
از نظر تئوری، هیدروژن در دسترس است مقدار نامحدود، اما تولید آن بسیار انرژی بر است. علاوه بر این، برای تبدیل خودروها به سوخت هیدروژنی، باید دو تغییر بزرگ در سیستم قدرت ایجاد شود: اول انتقال عملکرد آن از بنزین به متانول و سپس برای مدتی به هیدروژن. مدتی طول می کشد تا این مشکل حل شود.

کارشناسان انرژی خاطرنشان می کنند که در اکثر کشورهای توسعه یافته علاقه به سرعت در حال رشد به منابع انرژی پراکنده با ظرفیت نسبتاً کوچک وجود دارد. مزایای اصلی این نیروگاه های مستقل هزینه های سرمایه متوسط ​​در طول ساخت، راه اندازی سریع، تعمیر و نگهداری نسبتا ساده و عملکرد زیست محیطی خوب است. با یک سیستم منبع تغذیه مستقل، سرمایه گذاری در خطوط برق و پست ها مورد نیاز نیست. محل منابع مستقلانرژی مستقیماً در نقاط مصرف نه تنها تلفات شبکه را از بین می برد، بلکه قابلیت اطمینان منبع تغذیه را نیز افزایش می دهد.

منابع انرژی خودکفا مانند توربین های گاز کوچک (توربین های گاز)، موتورهای احتراق داخلی، توربین های بادی و پنل های خورشیدی نیمه هادی به خوبی شناخته شده اند.

برخلاف موتورهای احتراق داخلی یا توربین های زغال سنگ/گاز، پیل های سوختی سوخت نمی سوزانند. آنها انرژی شیمیایی سوخت را از طریق یک واکنش شیمیایی به الکتریسیته تبدیل می کنند. بنابراین، پیل های سوختی مقادیر زیادی گازهای گلخانه ای آزاد شده در طی احتراق سوخت تولید نمی کنند، مانند دی اکسید کربن (CO2)، متان (CH4) و اکسید نیتروژن (NOx). انتشارات پیل سوختی عبارت است از آب به شکل بخار و سطوح کم دی اکسید کربن (یا عدم انتشار CO2) زمانی که هیدروژن به عنوان سوخت برای سلول ها استفاده می شود. علاوه بر این، پیل‌های سوختی بی‌صدا عمل می‌کنند، زیرا شامل روتورهای پرفشار پر سر و صدا نمی‌شوند و هیچ صدای اگزوز یا لرزش در حین کار وجود ندارد.

پیل سوختی انرژی شیمیایی سوخت را با یک واکنش شیمیایی با اکسیژن یا عامل اکسید کننده دیگر به الکتریسیته تبدیل می کند. پیل های سوختی از یک آند (سمت منفی)، یک کاتد (سمت مثبت) و یک الکترولیت تشکیل شده اند که به بارها اجازه می دهد بین دو طرف پیل سوختی حرکت کنند (شکل: مدارسلول های سوختی).

الکترون ها از طریق مدار خارجی از آند به کاتد حرکت می کنند و الکتریسیته DC ایجاد می کنند. با توجه به اینکه تفاوت اصلی بین انواع پیل های سوختی در الکترولیت است، پیل های سوختی بر اساس نوع الکترولیت مورد استفاده تقسیم بندی می شوند. پیل های سوختی با دمای بالا و دمای پایین (TEPM، PMTE). هیدروژن رایج ترین سوخت است، اما گاهی اوقات می توان از هیدروکربن هایی مانند گاز طبیعی و الکل ها (مثلاً متانول) نیز استفاده کرد. تفاوت پیل‌های سوختی با باتری‌ها در این است که به منبع ثابت سوخت و اکسیژن/هوا برای ادامه واکنش شیمیایی نیاز دارند و تا زمانی که عرضه می‌شوند، الکتریسیته تولید می‌کنند.

پیل های سوختی نسبت به منابع انرژی معمولی مانند موتورهای احتراق داخلی یا باتری ها دارای مزایای زیر هستند:

• پیل های سوختی کارایی بیشتری نسبت به موتورهای دیزلی یا گازی دارند.
• بیشتر پیل های سوختی در مقایسه با موتورهای احتراق داخلی بی صدا هستند. بنابراین برای ساختمان هایی با شرایط خاص مانند بیمارستان ها مناسب هستند.
• سلول های سوختی منجر به آلودگی ناشی از سوزاندن سوخت های فسیلی نمی شوند. برای مثال، تنها محصول جانبی پیل‌های سوختی هیدروژنی آب است.
• اگر هیدروژن از الکترولیز آب تهیه شده توسط یک منبع انرژی تجدید پذیر به دست آید، در هنگام استفاده از پیل های سوختی، هیچ گاز گلخانه ای در کل چرخه آزاد نمی شود.
• پیل های سوختی به سوخت های معمولی مانند نفت یا گاز نیاز ندارند، بنابراین می توان وابستگی اقتصادی به کشورهای تولید کننده نفت را از بین برد و امنیت انرژی بیشتری را به دست آورد.
• سلول های سوختی به شبکه های برق وابسته نیستند، زیرا هیدروژن را می توان در هر جایی که آب و برق در دسترس باشد تولید کرد و سوخت تولید شده را می توان توزیع کرد.
• هنگام استفاده از پیل های سوختی ثابت برای تولید انرژی در نقطه مصرف، می توان از شبکه های انرژی غیرمتمرکز استفاده کرد که به طور بالقوه پایدارتر هستند.
• پیل‌های سوختی با دمای پایین (LEPM، PMFC) دارای سطح انتقال حرارت پایینی هستند که آن‌ها را برای کاربردهای مختلف ایده‌آل می‌کند.
• پیل های سوختی با دمای بالاتر فرآیندی با کیفیت بالا تولید می کنند انرژی حرارتیهمراه با برق، و برای تولید همزمان (مانند تولید همزمان گرما و برق برای ساختمان های مسکونی) مناسب هستند.
• زمان کار بسیار طولانی‌تر از زمان کارکرد باتری‌ها است، زیرا فقط سوخت بیشتری برای افزایش زمان کار مورد نیاز است و افزایش بهره‌وری کارخانه مورد نیاز نیست.
• برخلاف باتری‌ها، پیل‌های سوختی هنگام سوخت‌گیری، «اثر حافظه» دارند.
• تعمیر و نگهداری از پیل های سوختی ساده است زیرا قطعات متحرک بزرگی ندارند.

متداول‌ترین سوخت پیل‌های سوختی هیدروژن است، زیرا آلاینده‌های مضر منتشر نمی‌کند. با این حال می توان از سوخت های دیگری نیز استفاده کرد و پیل های سوختی گاز طبیعی را کارآمد در نظر گرفت. جایگزینزمانی که گاز طبیعی با قیمت های رقابتی در دسترس باشد. در پیل های سوختی، جریان سوخت و اکسیدان ها از الکترودهایی عبور می کند که توسط یک الکترولیت از هم جدا می شوند. این باعث یک واکنش شیمیایی می شود که الکتریسیته تولید می کند. نیازی به سوزاندن سوخت یا افزودن انرژی حرارتی نیست، که معمولاً در روش های سنتی تولید برق وجود دارد. هنگام استفاده از هیدروژن خالص طبیعی به عنوان سوخت، و اکسیژن به عنوان یک عامل اکسید کننده، در نتیجه واکنشی که در پیل سوختی رخ می دهد، آب، انرژی حرارتی و الکتریسیته تولید می شود. پیل‌های سوختی هنگام استفاده با سوخت‌های دیگر، آلاینده‌های بسیار پایینی را منتشر می‌کنند و برق با کیفیت بالا و قابل اعتماد تولید می‌کنند.

مزایای پیل سوختی گاز طبیعی به شرح زیر است:

• منافع برای محیط زیست- پیل سوختی روشی پاک برای تولید برق از سوخت های فسیلی است. در حالی که سلول های سوختی که با هیدروژن و اکسیژن خالص کار می کنند فقط آب، برق و گرما تولید می کنند. انواع دیگر پیل های سوختی مقادیر ناچیزی از ترکیبات گوگردی و سطوح بسیار کم دی اکسید کربن منتشر می کنند. با این حال، دی اکسید کربن ساطع شده از سلول های سوختی متمرکز است و به راحتی می توان آن را به جای رها شدن در جو حفظ کرد.
• بهره وری- پیل‌های سوختی انرژی موجود در سوخت‌های فسیلی را بسیار کارآمدتر از روش‌های معمول تولید برق با سوخت سوخت به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. این بدان معناست که برای تولید همان مقدار برق به سوخت کمتری نیاز است. با توجه به آزمایشگاه ملی فناوری انرژی 58، می توان سلول های سوختی (در ترکیب با توربین های گاز طبیعی) تولید کرد که در محدوده توان 1 تا 20 مگاوات با راندمان 70 درصد کار می کنند. این کارایی بسیار بالاتر از بازدهی است که می توان با آن به دست آورد روش های سنتیتولید انرژی در محدوده توان مشخص شده
• تولید با توزیع- سلول های سوختی را می توان در اندازه های بسیار کوچک تولید کرد. این اجازه می دهد تا آنها را در مکان هایی قرار دهید که به برق نیاز است. این امر در مورد تاسیسات مسکونی، تجاری، صنعتی و حتی وسایل نقلیه صدق می کند.
• قابلیت اطمینان- پیل‌های سوختی دستگاه‌هایی کاملاً محصور و بدون قطعات متحرک یا ماشین آلات پیچیده هستند. این آنها را به منابع قابل اعتماد برق تبدیل می کند که می توانند ساعت ها کار کنند. علاوه بر این، آنها منابع تقریبا بی صدا و ایمن برق هستند. همچنین در سلول های سوختی هیچ موجی از برق وجود ندارد. این بدان معناست که می توان از آنها در مواردی استفاده کرد که به یک منبع برق دائمی و قابل اعتماد نیاز است.

تا همین اواخر، سلول‌های سوختی (FC) که مولدهای الکتروشیمیایی هستند که قادر به تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی، دور زدن فرآیندهای احتراق، تبدیل انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی و دومی به الکتریسیته هستند، محبوبیت کمتری داشتند. انرژی الکتریکی در پیل های سوختی به دلیل واکنش شیمیایی بین عامل کاهنده و عامل اکسید کننده تولید می شود که به طور مداوم به الکترودها عرضه می شود. عامل کاهنده اغلب هیدروژن است، عامل اکسید کننده اکسیژن یا هوا است. ترکیبی از پشته پیل سوختی و دستگاه هایی برای تامین معرف ها، حذف محصولات واکنش و گرما (که می توان از آنها استفاده کرد) یک ژنراتور الکتروشیمیایی است.
در دهه آخر قرن بیستم، زمانی که قابلیت اطمینان منبع تغذیه و مسائل زیست محیطی از اهمیت ویژه ای برخوردار بود، بسیاری از شرکت ها در اروپا، ژاپن و ایالات متحده شروع به توسعه و تولید انواع مختلفی از سلول های سوختی کردند.
ساده ترین آنها پیل های سوختی قلیایی هستند که توسعه این نوع منابع انرژی مستقل از آنها آغاز شد. دمای کاریدر این پیل های سوختی 80-95 درجه سانتی گراد است، الکترولیت محلول 30٪ پتاسیم سوزاننده است. پیل های سوختی قلیایی با هیدروژن خالص کار می کنند.
به تازگی بطور گستردهیک پیل سوختی PEM با غشاهای تبادل پروتون (با یک الکترولیت پلیمری) دریافت کرد. دمای عملیاتی در این فرآیند نیز 80-95 درجه سانتیگراد است، اما یک غشای تبادل یونی جامد با اسید پرفلوئوروسولفونیک به عنوان الکترولیت استفاده می شود.
مسلماً از نظر تجاری جذاب ترین پیل سوختی اسید فسفریک PAFC است که بازدهی 40% در تولید الکتریسیته به تنهایی و -85% در استفاده از گرمای تولید شده را به دست می آورد. دمای کار این پیل سوختی 175 تا 200 درجه سانتیگراد است، الکترولیت آن کاربید سیلیکون آغشته به اسید فسفریک مایع است که با تفلون پیوند خورده است.

بسته سلولی مجهز به دو الکترود گرافیتی متخلخل و اسید ارتو فسفریک به عنوان الکترولیت است. الکترودها با کاتالیزور پلاتین پوشیده شده اند. در ریفرمر، گاز طبیعی هنگام برهمکنش با بخار به هیدروژن و CO وارد می شود که علاوه بر این به CO2 در مبدل اکسید می شود. علاوه بر این، مولکول های هیدروژن، تحت تأثیر یک کاتالیزور، در آند به یون های H تجزیه می شوند. الکترون های آزاد شده در این واکنش از طریق بار به کاتد هدایت می شوند. در کاتد، آنها با یون های هیدروژن منتشر شده از طریق الکترولیت و با یون های اکسیژن که در نتیجه اکسیداسیون کاتالیزوری اکسیژن هوا در کاتد تشکیل می شوند واکنش می دهند و در نهایت آب را تشکیل می دهند.
پیل های سوختی با کربنات مذاب از نوع MCFC نیز به انواع امیدوار کننده پیل های سوختی تعلق دارند. این پیل سوختی هنگام کار بر روی متان دارای راندمان 50 تا 57 درصد برای الکتریسیته است. دمای عملیاتی 540-650 درجه سانتیگراد، الکترولیت - کربنات مذاب پتاسیم و قلیایی سدیم در یک پوسته - ماتریسی از اکسید لیتیوم آلومینیوم LiA102.
و در نهایت، امیدوار کننده ترین عنصر سوخت SOFC است. این یک پیل سوختی اکسید جامد است که از هر سوخت گازی استفاده می کند و برای تاسیسات نسبتا بزرگ مناسب ترین است. راندمان انرژی آن 50 تا 55 درصد است و در صورت استفاده در نیروگاه های سیکل ترکیبی تا 65 درصد. دمای عملیاتی 980-1000 درجه سانتیگراد، الکترولیت - زیرکونیوم جامد، تثبیت شده با ایتریم.

روی انجیر 2 یک باتری SOFC 24 سلولی را نشان می دهد که توسط شرکت زیمنس Westinghouse Power (SWP - آلمان) ساخته شده است. این باتری اساس یک ژنراتور الکتروشیمیایی است که با گاز طبیعی تغذیه می شود. اولین آزمایشات نمایشی یک نیروگاه از این نوع با توان 400 وات در اوایل سال 1986 انجام شد. در سال های بعد، طراحی سلول های سوختی اکسید جامد بهبود یافت و قدرت آنها افزایش یافت.

آزمایشات نمایشی واحد 100 کیلوواتی که در سال 1999 به بهره برداری رسید موفق ترین بود. بدین ترتیب امکان بهره برداری از نیروگاه به مدت حداقل 40 هزار ساعت با افت قابل قبول توان آن به اثبات رسید.

در سال 2001، یک نیروگاه جدید مبتنی بر عناصر اکسید جامد ساخته شد که در آن مشغول به کار بود فشار جو. یک باتری (ژنراتور الکتروشیمیایی) با ظرفیت نیروگاه 250 کیلووات با تولید ترکیبی برق و حرارت شامل 2304 عنصر لوله ای اکسید جامد. علاوه بر این، این نیروگاه شامل یک اینورتر، یک احیاگر، یک بخاری سوخت (گاز طبیعی)، یک محفظه احتراق برای گرم کردن هوا، یک مبدل حرارتی برای گرم کردن آب با استفاده از گرمای گازهای دودکش و سایر تجهیزات کمکی بود. در همان زمان، ابعاد کلی نصب کاملاً متوسط ​​بود: 2.6x3.0x10.8 متر.
برخی از پیشرفت ها در توسعه سلول های سوختی بزرگ توسط متخصصان ژاپنی به دست آمده است. کار تحقیقاتیدر اوایل سال 1972 در ژاپن شروع شد، اما پیشرفت قابل توجهی تنها در اواسط دهه 1990 حاصل شد. ماژول های پیل سوختی آزمایشی دارای توان 50 تا 1000 کیلووات بودند که 2/3 آنها با گاز طبیعی کار می کردند.
در سال 1994، یک کارخانه پیل سوختی 1 مگاواتی در ژاپن ساخته شد. با ضریب راندمان کل (با تولید بخار و آب گرم) معادل 71 درصد، تأسیسات دارای ضریب راندمان برای تأمین برق حداقل 36 درصد بود. از سال 1995، طبق گزارش های مطبوعاتی، یک نیروگاه پیل سوختی اسید فسفریک 11 مگاواتی در توکیو راه اندازی شده است و تا سال 2000 کل خروجی پیل سوختی به 40 مگاوات رسیده است.

تمامی تاسیسات ذکر شده در بالا به کلاس صنعتی تعلق دارند. توسعه دهندگان آنها دائماً در تلاش هستند تا قدرت واحدها را به منظور بهبود ویژگی های هزینه (هزینه های خاص به ازای هر کیلووات ظرفیت نصب شده و هزینه برق تولیدی) افزایش دهند. اما چندین شرکت وجود دارند که هدف متفاوتی را تعیین می کنند: توسعه ساده ترین تاسیسات برای مصرف داخلی، از جمله منابع تغذیه فردی. و در این زمینه دستاوردهای قابل توجهی وجود دارد:

• Plug Power LLC یک واحد پیل سوختی 7 کیلوواتی را برای تامین انرژی خانه توسعه داد.
• H Power Corporation شارژرهای باتری 50 تا 100 واتی را تولید می کند که در حمل و نقل استفاده می شوند.
• شرکت کارآموز. Fuel Cells LLC خودروهای 50-300W و منابع تغذیه شخصی تولید می کند.
• Analytic Power Inc. منبع تغذیه شخصی 150 واتی برای ارتش ایالات متحده و همچنین منبع تغذیه خانگی 3 کیلووات تا 10 کیلووات سلول سوختی ایجاد کرده است.

مزایای پیل‌های سوختی که شرکت‌های متعددی را به سرمایه‌گذاری هنگفت در توسعه خود تشویق می‌کند چیست؟
ژنراتورهای الکتروشیمیایی علاوه بر قابلیت اطمینان بالا، ضریب راندمان بالایی نیز دارند که آنها را از نیروگاه های توربین بخار و حتی از نیروگاه هایی با توربین های گازی چرخه ساده متمایز می کند. یکی از مزیت های مهم پیل های سوختی سهولت استفاده از آنها به عنوان منابع انرژی پراکنده است: طراحی مدولار به شما امکان می دهد هر تعداد را به صورت سری وصل کنید. عناصر فردیبا تشکیل باتری - کیفیت ایده آل برای تولید برق.

اما مهمترین استدلال به نفع پیل های سوختی عملکرد زیست محیطی آنهاست. انتشار گازهای گلخانه ای NOX و CO از این تاسیسات به قدری کم است که به عنوان مثال، مقامات کیفیت هوای شهرستان در مناطق (جایی که مقررات کنترل محیطی در ایالات متحده سختگیرانه ترین هستند) حتی به این تجهیزات در همه الزامات مربوط به حفاظت اشاره نمی کنند. از جو

متأسفانه، مزایای متعدد پیل‌های سوختی در حال حاضر نمی‌تواند بیش از تنها عیب آنها - هزینه بالا باشد. برای مثال، در ایالات متحده آمریکا، هزینه‌های سرمایه خاص برای ساخت یک نیروگاه، حتی با رقابتی‌ترین پیل‌های سوختی، تقریباً 3500 دلار در کیلووات است. . اگرچه دولت یارانه 1000 دلاری به ازای هر کیلووات ساعت برای تحریک تقاضا برای این فناوری ارائه می دهد، هزینه ساخت چنین تاسیساتی همچنان بسیار بالا است. به خصوص در مقایسه با هزینه های سرمایه ای برای ساخت یک مینی-CHP با توربین های گازی یا موتورهای احتراق داخلی در محدوده توان مگاوات، که تقریباً 500 دلار در کیلووات است.

در سال های اخیر، پیشرفت هایی در کاهش هزینه های تاسیسات FC صورت گرفته است. ساخت نیروگاه با پیل سوختی بر پایه اسید فسفریک با ظرفیت 0.2-1.0 مگاوات که در بالا ذکر شد، 1700 دلار / کیلووات هزینه داشت. هزینه تولید انرژی در چنین تاسیساتی در آلمان، با استفاده از آنها برای 6000 ساعت در سال، 7.5-10 سنت / کیلووات ساعت محاسبه می شود. نیروگاه 200 کیلوواتی PC25 که توسط Hessische EAG (دارمشتات) اداره می شود نیز عملکرد اقتصادی خوبی دارد: هزینه برق شامل استهلاک، سوخت و هزینه های تعمیر و نگهداری نیروگاه، در مجموع 15 سنت در کیلووات ساعت است. همین شاخص برای TPP در زغال سنگ قهوه ای در شرکت برق 5.6 سنت / کیلووات ساعت، در زغال سنگ - 4.7 سنت / کیلووات ساعت، برای نیروگاه های سیکل ترکیبی - 4.7 سنت / کیلووات ساعت و برای نیروگاه های دیزل - 10.3 سنت / کیلووات ساعت بود.

ساخت یک نیروگاه پیل سوختی بزرگتر (N=1564 کیلووات)، که از سال 1997 در کلن فعالیت می کرد، به هزینه های سرمایه ای خاص 1500-1750 USD/kW نیاز داشت، اما هزینه پیل های سوختی واقعی تنها 400 USD/kW بود.

همه موارد فوق نشان می دهد که سلول های سوختی نوع امیدوارکننده ای از تجهیزات تولید انرژی هم برای صنعت و هم برای تاسیسات مستقل در بخش خانگی هستند. راندمان بالای استفاده از گاز و عملکرد عالی محیطی دلیلی برای این باور است که پس از تصمیم گیری مهمترین وظیفه- کاهش هزینه - این نوع تجهیزات قدرت در بازار سیستم های تامین برق و گرمایش مستقل مورد تقاضا خواهد بود.

مشابه وجود انواع مختلف موتورهای احتراق داخلی، انواع مختلفی از پیل سوختی وجود دارد - انتخاب نوع پیل سوختی مناسب به کاربرد آن بستگی دارد.

پیل های سوختی به دو دسته دمای بالا و دمای پایین تقسیم می شوند. سلول های سوختی با دمای پایینبه هیدروژن نسبتا خالص به عنوان سوخت نیاز دارند. این اغلب به این معنی است که برای تبدیل سوخت اولیه (مانند گاز طبیعی) به هیدروژن خالص، پردازش سوخت مورد نیاز است. این فرآیند انرژی بیشتری مصرف می کند و به تجهیزات خاصی نیاز دارد. سلول های سوختی با دمای بالانیازی به این روش اضافی ندارند، زیرا آنها می توانند سوخت را در دماهای بالا "به صورت داخلی" تبدیل کنند، که به این معنی است که نیازی به سرمایه گذاری در زیرساخت هیدروژن نیست.

سلول های سوختی روی کربنات مذاب (MCFC)

پیل‌های سوختی الکترولیت کربنات مذاب، پیل‌های سوختی با دمای بالا هستند. دمای عملیاتی بالا امکان استفاده مستقیم از گاز طبیعی بدون پردازنده سوخت و گاز سوختی با ارزش حرارتی پایین از سوخت های فرآیندی و سایر منابع را فراهم می کند. این فرآیند در اواسط دهه 1960 توسعه یافت. از آن زمان، فناوری ساخت، عملکرد و قابلیت اطمینان بهبود یافته است.

عملکرد RCFC با سایر پیل های سوختی متفاوت است. این سلول ها از الکترولیت حاصل از مخلوط نمک های کربنات مذاب استفاده می کنند. در حال حاضر از دو نوع مخلوط استفاده می شود: کربنات لیتیوم و کربنات پتاسیم یا کربنات لیتیوم و کربنات سدیم. برای ذوب نمک های کربناته و دستیابی به درجه بالایی از تحرک یون ها در الکترولیت، سلول های سوختی با الکترولیت کربنات مذاب در دمای بالا (650 درجه سانتی گراد) کار می کنند. راندمان بین 60-80 درصد متغیر است.

هنگامی که تا دمای 650 درجه سانتیگراد گرم می شود، نمک ها به رسانایی برای یون های کربنات تبدیل می شوند (CO 3 2-). این یون ها از کاتد به آند عبور می کنند و در آنجا با هیدروژن ترکیب می شوند و آب، دی اکسید کربن و الکترون های آزاد را تشکیل می دهند. این الکترون ها از طریق یک مدار الکتریکی خارجی به کاتد فرستاده می شوند و جریان الکتریکی و گرما را به عنوان محصول جانبی تولید می کنند.

واکنش آند: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
واکنش در کاتد: CO 2 + 1 / 2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
واکنش عنصر عمومی: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (کاتد) => H 2 O (g) + CO 2 (آند)

دمای عملیاتی بالای پیل های سوختی الکترولیت کربنات مذاب دارای مزایای خاصی است. در دماهای بالا، گاز طبیعی به صورت داخلی اصلاح می شود و نیاز به پردازنده سوخت را از بین می برد. علاوه بر این، از مزایای آن می توان به قابلیت استفاده از مصالح استاندارد ساختمانی مانند ورق اشاره کرد فولاد ضد زنگو کاتالیزور نیکل روی الکترودها. گرمای هدر رفته را می توان برای تولید بخار فشار بالا برای کاربردهای مختلف صنعتی و تجاری استفاده کرد.

دمای واکنش بالا در الکترولیت نیز مزایای خود را دارد. اعمال دماهای بالا برای رسیدن به شرایط عملیاتی بهینه زمان قابل توجهی را می طلبد و سیستم نسبت به تغییرات مصرف انرژی کندتر واکنش نشان می دهد. این ویژگی ها امکان استفاده از سیستم های پیل سوختی با الکترولیت کربنات مذاب را در شرایط توان ثابت می دهد. دمای بالا از آسیب پیل سوختی توسط مونوکسید کربن، "مسمومیت" و غیره جلوگیری می کند.

پیل های سوختی کربنات مذاب برای استفاده در تاسیسات ثابت بزرگ مناسب هستند. نیروگاه های حرارتی تولید صنعتی با خروجی برق 2.8 مگاوات نیروگاه هایی با توان خروجی تا 100 مگاوات در حال توسعه هستند.

پیل های سوختی اسید فسفریک (PFC)

پیل های سوختی مبتنی بر اسید فسفریک (ارتوفسفریک) اولین پیل های سوختی برای استفاده تجاری بودند. این فرآیند در اواسط دهه 1960 توسعه یافت و از دهه 1970 مورد آزمایش قرار گرفت. از آن زمان، ثبات، عملکرد و هزینه افزایش یافته است.

سلول های سوختی مبتنی بر اسید فسفریک (ارتوفسفریک) از الکترولیت مبتنی بر اسید ارتوفسفریک (H 3 PO 4) با غلظت تا 100٪ استفاده می کنند. رسانایی یونی اسید فسفریک در دماهای پایین کم است، به همین دلیل از این پیل های سوختی در دمای 150 تا 220 درجه سانتی گراد استفاده می شود.

حامل بار در پیل های سوختی از این نوع هیدروژن (H + , پروتون) است. فرآیند مشابهی در سلول‌های سوختی غشای تبادل پروتون (MEFC) رخ می‌دهد که در آن هیدروژن عرضه شده به آند به پروتون و الکترون تقسیم می‌شود. پروتون ها از الکترولیت عبور می کنند و با اکسیژن هوا در کاتد ترکیب می شوند و آب را تشکیل می دهند. الکترون ها در امتداد یک مدار الکتریکی خارجی هدایت می شوند و جریان الکتریکی تولید می شود. در زیر واکنش هایی که الکتریسیته و گرما تولید می کنند آورده شده است.

واکنش در آند: 2H 2 => 4H + + 4e -
واکنش در کاتد: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2H 2 O
واکنش عنصر عمومی: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

راندمان پیل های سوختی مبتنی بر اسید فسفریک (ارتوفسفریک) در هنگام تولید انرژی الکتریکی بیش از 40 درصد است. در تولید ترکیبی گرما و برق، راندمان کلی حدود 85 درصد است. علاوه بر این، با توجه به دمای عملیاتی، گرمای هدر رفته را می توان برای گرم کردن آب و تولید بخار در فشار اتمسفر استفاده کرد.

عملکرد بالای نیروگاه های حرارتی بر روی پیل های سوختی مبتنی بر اسید فسفریک (ارتوفسفریک) در تولید ترکیبی حرارت و برق از مزایای این نوع پیل های سوختی است. گیاهان از مونوکسید کربن با غلظت حدود 1.5٪ استفاده می کنند که انتخاب سوخت را به شدت افزایش می دهد. علاوه بر این، CO 2 بر الکترولیت و عملکرد پیل سوختی تأثیر نمی گذارد، این نوع سلول با سوخت طبیعی اصلاح شده کار می کند. طراحی سادهفراریت الکترولیت کم و افزایش پایداری نیز از مزایای این نوع پیل سوختی است.

نیروگاه های حرارتی با توان الکتریکی خروجی تا 400 کیلووات به صورت صنعتی تولید می شوند. تاسیسات 11 مگاواتی تست های مربوطه را گذرانده اند. نیروگاه هایی با توان خروجی تا 100 مگاوات در حال توسعه هستند.

سلول های سوختی با غشای مبادله پروتون (PME)

سلول های سوختی غشای تبادل پروتون بهترین نوع پیل سوختی برای تولید برق خودرو در نظر گرفته می شوند که می توانند جایگزین موتورهای احتراق داخلی بنزینی و دیزلی شوند. این سلول های سوختی اولین بار توسط ناسا برای برنامه جمینی مورد استفاده قرار گرفت. امروزه نصب بر روی MOPFC با توان 1 وات تا 2 کیلووات در حال توسعه و نمایش است.

این سلول های سوختی از یک غشای پلیمری جامد (فیلم پلاستیکی نازک) به عنوان الکترولیت استفاده می کنند. هنگامی که این پلیمر با آب آغشته می شود، از پروتون ها عبور می کند، اما الکترون ها را هدایت نمی کند.

سوخت هیدروژن است و حامل بار یک یون هیدروژن (پروتون) است. در آند، مولکول هیدروژن به یون هیدروژن (پروتون) و الکترون ها جدا می شود. یون های هیدروژن از طریق الکترولیت به کاتد می گذرند، در حالی که الکترون ها در اطراف دایره بیرونی حرکت می کنند و انرژی الکتریکی تولید می کنند. اکسیژنی که از هوا گرفته می شود به کاتد می رسد و با الکترون ها و یون های هیدروژن ترکیب می شود و آب را تشکیل می دهد. واکنش های زیر روی الکترودها انجام می شود:

واکنش در آند: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
واکنش در کاتد: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
واکنش عنصر عمومی: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

در مقایسه با انواع دیگر پیل‌های سوختی، سلول‌های سوختی غشای مبادله پروتون قدرت بیشتری را برای حجم یا وزن پیل سوختی معین تولید می‌کنند. این ویژگی به آنها اجازه می دهد جمع و جور و سبک وزن باشند. علاوه بر این، دمای کار کمتر از 100 درجه سانتیگراد است که به شما اجازه می دهد تا به سرعت کار را شروع کنید. این ویژگی ها و همچنین توانایی تغییر سریع انرژی خروجی، تنها برخی از ویژگی هایی است که این سلول های سوختی را به کاندیدای اصلی برای استفاده در وسایل نقلیه تبدیل می کند.

مزیت دیگر این است که الکترولیت یک ماده جامد است نه مایع. نگه داشتن گازها در کاتد و آند با الکترولیت جامد آسان تر است و بنابراین ساخت چنین پیل های سوختی ارزان تر است. در مقایسه با سایر الکترولیت ها، هنگام استفاده از الکترولیت جامد، هیچ مشکلی مانند جهت گیری وجود ندارد. مشکلات کمتربه دلیل ظاهر شدن خوردگی که منجر به دوام بیشتر عنصر و اجزای آن می شود.

سلول های سوختی اکسید جامد (SOFC)

پیل های سوختی اکسید جامد پیل های سوختی با بالاترین دمای کاری هستند. دمای کار می تواند از 600 درجه سانتیگراد تا 1000 درجه سانتیگراد متغیر باشد که امکان استفاده از انواع مختلف سوخت را بدون نیاز به خاصیت خاص فراهم می کند. پیش فرآوری. برای کنترل این دماهای بالا، الکترولیت مورد استفاده یک اکسید فلزی جامد با پایه سرامیکی نازک است که اغلب آلیاژی از ایتریم و زیرکونیوم است که رسانای یون‌های اکسیژن (O 2 -) است. فن آوری استفاده از سلول های سوختی اکسید جامد از اواخر دهه 1950 در حال توسعه بوده است. و دارای دو پیکربندی مسطح و لوله ای است.

یک الکترولیت جامد یک انتقال گاز هرمتیک از یک الکترود به الکترود دیگر را فراهم می کند، در حالی که الکترولیت های مایع در یک بستر متخلخل قرار دارند. حامل بار در پیل های سوختی از این نوع، یون اکسیژن (O 2 -) است. در کاتد، مولکول های اکسیژن از هوا به یک یون اکسیژن و چهار الکترون جدا می شوند. یون های اکسیژن از الکترولیت عبور می کنند و با هیدروژن ترکیب می شوند و چهار الکترون آزاد تشکیل می دهند. الکترون ها از طریق یک مدار الکتریکی خارجی هدایت می شوند و جریان الکتریکی و گرمای اتلاف تولید می کنند.

واکنش در آند: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
واکنش در کاتد: O 2 + 4e - => 2O 2 -
واکنش عنصر عمومی: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

راندمان انرژی الکتریکی تولید شده در بین تمام سلول های سوختی بالاترین است - حدود 60٪. علاوه بر این، دمای عملیاتی بالا امکان تولید ترکیبی حرارت و برق را برای تولید بخار با فشار بالا فراهم می کند. ترکیب یک پیل سوختی با دمای بالا با یک توربین، یک پیل سوختی هیبریدی ایجاد می کند افزایش کاراییتولید انرژی الکتریکی تا 70 درصد

پیل‌های سوختی اکسید جامد در دماهای بسیار بالا (600 درجه سانتی‌گراد تا 1000 درجه سانتی‌گراد) کار می‌کنند، در نتیجه زمان زیادی برای رسیدن به شرایط عملیاتی بهینه می‌گذرد، و سیستم در پاسخ به تغییرات مصرف انرژی کندتر عمل می‌کند. در چنین دماهای عملیاتی بالا، هیچ مبدلی برای بازیابی هیدروژن از سوخت مورد نیاز نیست، و به نیروگاه حرارتی اجازه می دهد تا با سوخت های نسبتا ناخالص ناشی از گاز شدن زغال سنگ یا گازهای زائد و مانند آن کار کند. همچنین این پیل سوختی برای کاربردهای با قدرت بالا از جمله نیروگاه های صنعتی و بزرگ مرکزی بسیار عالی است. ماژول های تولید صنعتی با توان الکتریکی خروجی 100 کیلو وات.

سلول های سوختی با اکسیداسیون مستقیم متانول (DOMTE)

فن آوری استفاده از سلول های سوختی با اکسیداسیون مستقیم متانول در حال گذراندن دوره ای از توسعه فعال است. این شرکت با موفقیت خود را در زمینه تامین انرژی تلفن های همراه، لپ تاپ ها و همچنین برای ایجاد منابع برق قابل حمل تثبیت کرده است. کاربرد این عناصر در آینده چه هدفی دارد.

ساختار پیل‌های سوختی با اکسیداسیون مستقیم متانول مشابه سلول‌های سوختی با غشای تبادل پروتون (MOFEC) است. یک پلیمر به عنوان الکترولیت و یک یون هیدروژن (پروتون) به عنوان حامل بار استفاده می شود. با این حال، متانول مایع (CH 3 OH) در حضور آب در آند اکسید می شود و CO 2، یون های هیدروژن و الکترون ها را آزاد می کند که از طریق یک مدار الکتریکی خارجی هدایت می شوند و جریان الکتریکی تولید می شود. یون های هیدروژن از الکترولیت عبور می کنند و با اکسیژن هوا و الکترون های مدار خارجی واکنش می دهند تا آب را در آند تشکیل دهند.

واکنش در آند: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
واکنش در کاتد: 3 / 2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
واکنش عنصر عمومی: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O

توسعه این پیل های سوختی در اوایل دهه 1990 آغاز شد. پس از توسعه کاتالیزورهای بهبود یافته و سایر نوآوری های اخیر، چگالی توان و راندمان تا 40 درصد افزایش یافته است.

این عناصر در محدوده دمایی 50-120 درجه سانتیگراد آزمایش شدند. به دلیل دمای پایین عملیاتی و عدم نیاز به مبدل، پیل های سوختی با اکسیداسیون مستقیم متانول بهترین نامزدبرای استفاده در تلفن های همراه و سایر کالاهای مصرفی و همچنین در موتورهای خودرو. مزیت این نوع پیل های سوختی اندازه کوچک آنها به دلیل استفاده از سوخت مایعو نیازی به استفاده از مبدل نیست.

سلول های سوختی قلیایی (AFC)

پیل‌های سوختی قلیایی (ALFC) یکی از فناوری‌های مورد مطالعه است که از اواسط دهه 1960 مورد استفاده قرار گرفته است. توسط ناسا در برنامه های آپولو و شاتل فضایی. در این فضاپیما، سلول های سوختی برق و آب آشامیدنی تولید می کنند. پیل‌های سوختی قلیایی یکی از کارآمدترین پیل‌هایی هستند که برای تولید برق مورد استفاده قرار می‌گیرند و راندمان تولید برق تا 70 درصد می‌رسد.

پیل های سوختی قلیایی از الکترولیت استفاده می کنند، یعنی محلول آبی هیدروکسید پتاسیم که در یک ماتریکس متخلخل و تثبیت شده قرار دارد. غلظت هیدروکسید پتاسیم ممکن است بسته به دمای عملکرد پیل سوختی متفاوت باشد که از 65 درجه سانتیگراد تا 220 درجه سانتیگراد متغیر است. حامل بار در SFC یک یون هیدروکسید (OH-) است که از کاتد به آند حرکت می کند و در آنجا با هیدروژن واکنش می دهد و آب و الکترون تولید می کند. آب تولید شده در آند به کاتد باز می گردد و دوباره در آنجا یون های هیدروکسید تولید می کند. در نتیجه این سلسله واکنش هایی که در پیل سوختی انجام می شود، الکتریسیته تولید می شود و به عنوان محصول جانبی، گرما:

واکنش در آند: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
واکنش در کاتد: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
واکنش عمومی سیستم: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

مزیت SFCها این است که این پیل‌های سوختی ارزان‌ترین تولید هستند، زیرا کاتالیزور مورد نیاز روی الکترودها می‌تواند هر یک از مواد ارزان‌تر از موادی باشد که به عنوان کاتالیزور برای سایر پیل‌های سوختی استفاده می‌شوند. علاوه بر این، SCFCها در دمای نسبتاً پایین کار می‌کنند و جزو کارآمدترین پیل‌های سوختی هستند - چنین ویژگی‌هایی به ترتیب می‌توانند به تولید انرژی سریع‌تر و راندمان سوخت بالا کمک کنند.

یکی از ویژگی های SHTE حساسیت بالای آن به CO 2 است که می تواند در سوخت یا هوا موجود باشد. CO 2 با الکترولیت واکنش نشان می دهد، به سرعت آن را مسموم می کند و کارایی پیل سوختی را بسیار کاهش می دهد. بنابراین، استفاده از SFCها محدود به فضاهای بسته مانند فضا و وسایل نقلیه زیر آب است، آنها باید بر روی هیدروژن و اکسیژن خالص کار کنند. علاوه بر این، مولکول هایی مانند CO، H 2 O و CH 4 که برای سایر پیل های سوختی و حتی سوخت برای برخی از آنها بی خطر هستند، برای SFC مضر هستند.

سلول های سوختی الکترولیت پلیمری (PETE)

در مورد سلول های سوختی الکترولیت پلیمری، غشای پلیمری از الیاف پلیمری با نواحی آبی تشکیل شده است که در آن ها رسانایی یون های آب H 2 O + (پروتون، قرمز) متصل به مولکول آب وجود دارد. مولکول های آب به دلیل تبادل یونی کند مشکل ایجاد می کنند. بنابراین، غلظت بالایی از آب هم در سوخت و هم در الکترودهای اگزوز مورد نیاز است که دمای کار را به 100 درجه سانتیگراد محدود می کند.

سلول های سوختی اسید جامد (SCFC)

در سلولهای سوختی اسید جامد، الکترولیت (Cs HSO 4 ) حاوی آب نیست. بنابراین دمای عملیاتی 100-300 درجه سانتیگراد است. چرخش آنیون های اکسی SO 4 2- به پروتون ها (قرمز) اجازه می دهد همانطور که در شکل نشان داده شده است حرکت کنند. به عنوان یک قاعده، یک سلول سوختی اسید جامد یک ساندویچ است که در آن بسیار وجود دارد لایه ی نازکترکیب اسید جامد بین دو الکترود محکم فشرده برای اطمینان از تماس خوب قرار می گیرد. هنگامی که گرم می شود، جزء آلی تبخیر می شود و از طریق منافذ الکترودها خارج می شود و توانایی تماس های متعدد بین سوخت (یا اکسیژن در انتهای دیگر سلول)، الکترولیت و الکترودها را حفظ می کند.

نوع پیل سوختی	دمای کاری	راندمان تولید برق	نوع سوخت	منطقه برنامه
RKTE	550-700 درجه سانتیگراد	50-70%		تاسیسات متوسط ​​و بزرگ
FKTE	100-220 درجه سانتیگراد	35-40%	هیدروژن خالص	تاسیسات بزرگ
MOPTE	30-100 درجه سانتیگراد	35-50%	هیدروژن خالص	تاسیسات کوچک
SOFC	450-1000 درجه سانتیگراد	45-70%	اکثر سوخت های هیدروکربنی	تاسیسات کوچک، متوسط ​​و بزرگ
POMTE	20-90 درجه سانتی گراد	20-30%	متانول	واحدهای قابل حمل
SHTE	50-200 درجه سانتیگراد	40-65%	هیدروژن خالص	تحقیقات فضایی
پیت	30-100 درجه سانتیگراد	35-50%	هیدروژن خالص	تاسیسات کوچک