كفاءة خلايا الوقود. خلايا وقود الهيدروجين. أنواع خلايا الوقود

خلية وقود الهيدروجين من نيسان

تتحسن الإلكترونيات المحمولة كل عام، وأصبحت أكثر انتشارًا وأكثر سهولة في الوصول إليها: أجهزة المساعد الرقمي الشخصي، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، والأجهزة المحمولة والرقمية، وإطارات الصور، وما إلى ذلك. ويتم تحديث جميعها باستمرار بميزات جديدة، وشاشات أكبر، واتصالات لاسلكية، ومعالجات أقوى، بينما يتناقص عددها الحجم . . إن تقنيات الطاقة، على عكس تكنولوجيا أشباه الموصلات، لا تسير على قدم وساق.

أصبحت البطاريات والمراكم المتاحة لتشغيل إنجازات الصناعة غير كافية، وبالتالي فإن مسألة المصادر البديلة حادة للغاية. تعتبر خلايا الوقود الاتجاه 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 والحاضر والمستقبل

تحظى خلايا الوقود باهتمام شركات صناعة السيارات، كما يهتم بها صانعو المركبات الفضائية. وفي عام 1965، تم اختبارها من قبل أمريكا على مركبة جيميني 5 التي تم إطلاقها في الفضاء، ثم على مركبة أبولو لاحقًا. يتم استثمار ملايين الدولارات في أبحاث خلايا الوقود حتى اليوم، عندما تكون هناك مشاكل مرتبطة بالتلوث البيئي، وزيادة انبعاثات غازات الدفيئة الناتجة عن احتراق الوقود الأحفوري، والتي لا تنتهي احتياطياتها أيضًا.

تعمل خلية الوقود، والتي يشار إليها غالبًا باسم المولد الكهروكيميائي، بالطريقة الموضحة أدناه.

كونها مثل البطاريات والبطاريات، خلية كلفانية، ولكن مع اختلاف تخزين المواد الفعالة فيها بشكل منفصل. يأتون إلى الأقطاب الكهربائية عند استخدامها. على القطب السالب يحترق الوقود الطبيعي أو أي مادة يتم الحصول عليها منه، والتي يمكن أن تكون غازية (الهيدروجين، على سبيل المثال، وأول أكسيد الكربون) أو سائلة، مثل الكحول. في القطب الموجب، كقاعدة عامة، يتفاعل الأكسجين.

لكن مبدأ العمل البسيط المظهر 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، نأمل أن تنال خيالك.

يمكن صنع خلية وقود منخفضة الطاقة بيديك حتى في مختبر المدرسة. من الضروري 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 (خمس حجرات بالداخل) أرق قليلاً - 3 سم، وللصق زجاج شبكي، يتم استخدام غراء التركيبة التالية: يتم إذابة ستة جرامات من رقائق زجاج شبكي في مائة جرام من الكلوروفورم أو ثنائي كلورو إيثان (يعملون تحت غطاء محرك السيارة) ).

في الجدار الخارجي، من الضروري الآن حفر حفرة تحتاج فيها إلى إدخال أنبوب تصريف زجاجي بقطر 5-6 سم من خلال سدادة مطاطية.

يعلم الجميع أنه في الجدول الدوري في الزاوية اليسرى السفلية توجد المعادن الأكثر نشاطًا، والفلزات عالية النشاط موجودة في الجدول في الزاوية اليمنى العليا، 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، في المقصورات الثانية والرابعة، نسكب الكربون المنشط من قناع الغاز (بين القسم الأول والثاني، وكذلك الثالث والرابع)، والذي سيكون بمثابة أقطاب كهربائية. بحيث لا يتسرب الفحم من خلال الثقوب، يمكن وضعه في نسيج النايلون (جوارب النايلون النسائية مناسبة). في

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

يبقى فقط لشحن العنصر. لهذا، هناك حاجة إلى الفودكا، والتي يجب تخفيفها بالماء بنسبة 1: 1. ثم أضف بعناية ثلاثمائة إلى ثلاثمائة وخمسين جرامًا من البوتاسيوم الكاوي. بالنسبة للإلكتروليت، يتم إذابة 70 جرامًا من البوتاسيوم الكاوي في 200 جرام من الماء.

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

فيديو: خلية الوقود أو البطارية الأبدية في المنزل

ولجعل القوة أكبر، ظل العلماء يعملون على هذه المشكلة لفترة طويلة. توجد خلايا وقود الميثانول والإيثانول على فولاذ التطوير النشط. لكن لسوء الحظ، لا توجد حتى الآن طريقة لوضعها موضع التنفيذ.

لماذا يتم اختيار خلية الوقود كمصدر بديل للطاقة؟

تم اختيار خلية الوقود كمصدر بديل للطاقة، حيث أن المنتج النهائي لاحتراق الهيدروجين فيها هو الماء. تكمن المشكلة فقط في 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 كويسلر وبالارد حافلات وسيارات تعمل بخلايا الوقود بقوة تصل إلى 50 كيلووات. لكن المشاكل المرتبطة بسلامتها وموثوقيتها وتكلفتها - لم يتم حلها بعد. كما ذكرنا سابقاً، على عكس مصادر الطاقة التقليدية – البطاريات والبطاريات، في هذه الحالة يتم إمداد المؤكسد والوقود من الخارج، وما خلية الوقود إلا وسيط في التفاعل المستمر لحرق الوقود وتحويل الطاقة المنبعثة إلى كهرباء . يحدث "الاحتراق" فقط إذا كان العنصر يعطي تيارًا للحمل، مثل مولد كهربائي يعمل بالديزل، ولكن بدون مولد وديزل، 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 تعليق آمال كبيرة على استخدام تقنيات النانو والمواد النانويةمما سيساعد على تصغير خلايا الوقود مع زيادة قوتها. كانت هناك تقارير تفيد بأنه تم إنشاء محفزات فائقة الكفاءة، بالإضافة إلى تصميمات خلايا الوقود التي لا تحتوي على أغشية. فيها، جنبا إلى جنب مع المؤكسد، يتم توفير الوقود (الميثان، على سبيل المثال) للعنصر. والحلول مثيرة للاهتمام، حيث يستخدم الأكسجين المذاب في الماء كعامل مؤكسد، وتستخدم الشوائب العضوية المتراكمة في المياه الملوثة كوقود. هذه هي ما يسمى خلايا الوقود الحيوي.

خلايا الوقود، وفقا للخبراء، يمكن أن تدخل السوق الشامل في السنوات المقبلة

فوائد خلايا الوقود/الخلايا

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

تشبه خلية الوقود البطارية من حيث أنها تولد تيارًا مباشرًا من خلال تفاعل كيميائي. تشتمل خلية الوقود على أنود وكاثود وإلكتروليت. ومع ذلك، على عكس البطاريات، لا تستطيع خلايا الوقود تخزين الطاقة الكهربائية، ولا تفريغها، ولا تحتاج إلى إعادة شحن الكهرباء. يمكن لخلايا/خلايا الوقود توليد 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 والنفط 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. تولد 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. المنتجات الوحيدة المنبعثة أثناء التشغيل هي الماء على شكل بخار وكمية صغيرة من ثاني أكسيد الكربون، والذي لا ينبعث على الإطلاق إذا تم استخدام الهيدروجين النقي كوقود. يتم تجميع خلايا/خلايا الوقود في مجموعات ومن ثم إلى وحدات وظيفية فردية.

تاريخ تطور خلية الوقود/الخلية

في الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي، نشأ أحد أكبر التحديات التي تواجه خلايا الوقود نتيجة حاجة الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (ناسا) الأمريكية إلى مصادر الطاقة اللازمة للقيام بمهام فضائية طويلة الأمد. تستخدم خلية/خلية الوقود القلوية التابعة لناسا الهيدروجين والأكسجين كوقود، وتجمع الاثنين في تفاعل كهروكيميائي. الناتج هو ثلاثة منتجات ثانوية للتفاعل المفيد في رحلات الفضاء: الكهرباء لتشغيل المركبة الفضائية، والمياه لأنظمة الشرب والتبريد، والحرارة للحفاظ على دفء 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 القلوية، وبحلول عام 1939 تم بناء خلية تستخدم أقطابًا كهربائية عالية الضغط مطلية بالنيكل. خلال الحرب العالمية الثانية، تم تطوير خلايا/خلايا الوقود لغواصات البحرية البريطانية، وفي عام 1958 تم تقديم مجموعة وقود تتكون من خلايا/خلايا وقود قلوية يزيد قطرها عن 25 سم.

زاد الاهتمام في الخمسينيات والستينيات وأيضًا في الثمانينيات عندما شهد العالم الصناعي نقصًا في زيت الوقود. وفي الفترة نفسها، أصبحت دول العالم أيضًا قلقة بشأن مشكلة تلوث الهواء ودرست طرقًا لتوليد الكهرباء الصديقة للبيئة. في الوقت الحاضر، تشهد تكنولوجيا خلايا الوقود/الخلايا تطورًا سريعًا.

كيف تعمل خلايا الوقود/الخلايا

تقوم خلايا/خلايا الوقود بتوليد الكهرباء والحرارة من خلال تفاعل كهروكيميائي مستمر باستخدام المنحل بالكهرباء والكاثود والأنود.

يتم فصل الأنود والكاثود بواسطة إلكتروليت يقوم بتوصيل البروتونات. بعد دخول الهيدروجين إلى الأنود ودخول الأكسجين إلى الكاثود، يبدأ تفاعل كيميائي، ونتيجة لذلك يتولد تيار كهربائي وحرارة وماء.

على محفز الأنود، ينفصل الهيدروجين الجزيئي ويفقد الإلكترونات. يتم توصيل أيونات الهيدروجين (البروتونات) من خلال المنحل بالكهرباء إلى الكاثود، بينما يتم تمرير الإلكترونات من خلال المنحل بالكهرباء ومن خلال دائرة كهربائية خارجية، مما يخلق تيارًا مباشرًا يمكن استخدامه لتشغيل المعدات. في محفز الكاثود، يتحد جزيء الأكسجين مع إلكترون (يتم توفيره من الاتصالات الخارجية) وبروتون وارد، ويشكل الماء، وهو منتج التفاعل الوحيد (في شكل بخار و / أو سائل).

وفيما يلي رد الفعل المقابل:

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

أنواع وتنوع خلايا/خلايا الوقود

كما هو الحال مع وجود أنواع 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. لا تحتاج خلايا الوقود ذات الحرارة المرتفعة إلى هذا الإجراء الإضافي، حيث يمكنها "تحويل الوقود داخليًا" عند درجات حرارة مرتفعة، مما يعني عدم وجود حاجة للاستثمار في البنية التحتية للهيدروجين.

خلايا الوقود/الخلايا على 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 من الوقود الصناعي والمصادر الأخرى.

يختلف تشغيل RCFC عن خلايا الوقود الأخرى. تستخدم هذه الخلايا إلكتروليتًا 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 حركة الأيونات في المنحل بالكهرباء، تعمل خلايا الوقود التي تحتوي على إلكتروليت الكربونات المنصهرة في درجات حرارة عالية (650 درجة مئوية). وتتراوح 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.

تفاعل الأنود: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
التفاعل عند الكاثود: CO 2 + 1 / 2O 2 + 2e - \u003d\u003e CO 3 2-
تفاعل العناصر العامة: 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. عند 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 لمختلف الأغراض الصناعية والتجارية.

درجات حرارة التفاعل العالية في المنحل بالكهرباء لها أيضًا مزاياها. يستغرق استخدام درجات الحرارة المرتفعة وقتًا طويلاً للوصول إلى ظروف التشغيل المثالية، ويتفاعل النظام بشكل أبطأ مع التغيرات في استهلاك الطاقة. تسمح هذه الخصائص باستخدام أنظمة خلايا الوقود التي تحتوي على إلكتروليت الكربونات المنصهرة في ظروف طاقة ثابتة. تمنع درجات الحرارة المرتفعة تلف خلية الوقود بواسطة أول أكسيد الكربون.

خلايا الوقود الكربونية المنصهرة مناسبة للاستخدام في المنشآت الثابتة الكبيرة. يتم إنتاج محطات الطاقة الحرارية التي تبلغ قدرتها الكهربائية 3.0 ميجاوات صناعيًا. ويجري تطوير محطات بقدرة إنتاجية تصل إلى 110 ميجاوات.

خلايا الوقود/الخلايا المعتمدة على حمض الفوسفوريك (PFC)

كانت خلايا الوقود المعتمدة على حمض الفوسفوريك (الأورثوفوسفوريك) هي أول خلايا وقود للاستخدام التجاري.

تستخدم خلايا الوقود المعتمدة على حمض الفوسفوريك (الأرثوفوسفوريك) إلكتروليتًا يعتمد على حمض الفوسفوريك (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. تمر البروتونات عبر المنحل بالكهرباء وتتحد مع الأكسجين الموجود في الهواء عند الكاثود لتكوين الماء. يتم توجيه الإلكترونات على طول دائرة كهربائية خارجية، ويتم توليد تيار كهربائي. وفيما يلي التفاعلات التي تولد الكهرباء والحرارة.

التفاعل عند الأنود: 2H 2 => 4H + + 4e -
التفاعل عند الكاثود: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H 2 O
رد فعل العنصر العام: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

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

يعد الأداء العالي لمحطات الطاقة الحرارية التي تعتمد على خلايا الوقود المعتمدة على حمض الفوسفوريك (الأرثوفوسفوريك) في الإنتاج المشترك للحرارة والكهرباء أحد مزايا هذا النوع من خلايا الوقود. تستخدم المصانع أول أكسيد الكربون بتركيز يبلغ حوالي 1.5%، مما يوسع نطاق اختيار الوقود بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك فإن ثاني أكسيد الكربون لا يؤثر على الإلكتروليت وعمل خلية الوقود، فهذا النوع من الخلايا يعمل بالوقود الطبيعي المصلح. يعد البناء البسيط وانخفاض معدل تقلب الإلكتروليت وزيادة الاستقرار من مزايا هذا النوع من خلايا الوقود.

يتم إنتاج محطات الطاقة الحرارية ذات طاقة كهربائية تصل إلى 500 كيلووات صناعيًا. لقد اجتازت التركيبات بقدرة 11 ميجاوات الاختبارات ذات الصلة. ويجري تطوير محطات بقدرة إنتاجية تصل إلى 100 ميجاوات.

خلايا/خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFC)

خلايا وقود الأكسيد الصلب هي خلايا الوقود ذات أعلى درجة حرارة تشغيل. يمكن أن تتراوح درجة حرارة التشغيل من 600 درجة مئوية إلى 1000 درجة مئوية، مما يسمح باستخدام أنواع مختلفة من الوقود دون معالجة مسبقة خاصة. للتعامل مع درجات الحرارة المرتفعة هذه، يكون الإلكتروليت المستخدم عبارة عن أكسيد فلز صلب رفيع ذو قاعدة سيراميكية، وغالبًا ما يكون عبارة عن سبيكة من الإيتريوم والزركونيوم، وهو موصل لأيونات الأكسجين (O 2-).

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 المنحل بالكهرباء وتتحد مع الهيدروجين لتكوين أربعة إلكترونات حرة. يتم توجيه 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 - \u003d\u003e 2O 2-
رد فعل العنصر العام: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

تعد كفاءة الطاقة الكهربائية المولدة هي الأعلى بين جميع خلايا الوقود - حوالي 60-70٪. تسمح درجات حرارة التشغيل المرتفعة بتوليد الحرارة والطاقة معًا لتوليد بخار عالي الضغط. يؤدي الجمع بين خلية وقود ذات درجة حرارة عالية وتوربين إلى 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، ويكون النظام أبطأ في الاستجابة للتغيرات في استهلاك الطاقة. عند درجات حرارة التشغيل المرتفعة هذه، لا يلزم وجود محول لاستعادة الهيدروجين من الوقود، مما يسمح لمحطة الطاقة الحرارية بالعمل باستخدام وقود غير نقي نسبيًا من تغويز الفحم أو غازات النفايات، وما شابه. كما أن خلية الوقود هذه ممتازة لتطبيقات الطاقة العالية، بما في ذلك محطات الطاقة المركزية الصناعية والكبيرة. وحدات منتجة صناعيًا بقدرة كهربائية تبلغ 100 كيلووات.

خلايا الوقود/الخلايا ذات أكسدة الميثانول المباشرة (DOMTE)

تمر تقنية استخدام خلايا الوقود مع الأكسدة المباشرة للميثانول بفترة من التطور النشط. لقد نجحت في ترسيخ نفسها في مجال تشغيل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وكذلك إنشاء مصادر طاقة محمولة. ما يهدف التطبيق المستقبلي لهذه العناصر.

يشبه هيكل خلايا الوقود ذات الأكسدة المباشرة للميثانول خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتون (MOFEC)، أي. يتم استخدام البوليمر كإلكتروليت، ويستخدم أيون الهيدروجين (البروتون) كحامل للشحنة. ومع ذلك، يتأكسد الميثانول السائل (CH 3 OH) في وجود الماء عند القطب الموجب، مما يؤدي إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون وأيونات الهيدروجين والإلكترونات، والتي يتم توجيهها عبر دائرة كهربائية خارجية، ويتم 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
تفاعل العناصر العامة: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

ويمتاز هذا النوع من خلايا الوقود بصغر حجمه، وذلك بسبب استخدام الوقود السائل، وعدم الحاجة إلى استخدام محول.

خلايا/خلايا الوقود القلوية (AFC)

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

تستخدم خلايا الوقود القلوية إلكتروليتًا، أي 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 SFC هو أيون هيدروكسيد (OH-) ينتقل من الكاثود إلى الأنود، حيث يتفاعل مع الهيدروجين لإنتاج الماء والإلكترونات. يعود الماء الناتج عند الأنود إلى الكاثود، مما يؤدي مرة أخرى إلى توليد أيونات الهيدروكسيد هناك. نتيجة لهذه السلسلة من التفاعلات التي تحدث في خلية الوقود، يتم إنتاج الكهرباء، وكمنتج ثانوي، يتم إنتاج الحرارة:

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

تتمثل ميزة مركبات الكربون الفلورية الفلورية في أن خلايا الوقود هذه هي الأرخص في التصنيع، حيث أن المحفز المطلوب في الأقطاب الكهربائية يمكن أن يكون أيًا من المواد الأرخص من تلك المستخدمة كمحفزات لخلايا الوقود الأخرى. تعمل مركبات الكربون الكلورية فلورية في درجات حرارة منخفضة نسبيًا وهي من بين خلايا الوقود الأكثر كفاءة - ويمكن لهذه الخصائص أن تساهم على التوالي في توليد الطاقة بشكل أسرع وكفاءة عالية في استهلاك الوقود.

إحدى السمات المميزة لـ SHTE هي حساسيتها العالية لثاني أكسيد الكربون، والذي يمكن احتواؤه في الوقود أو الهواء. يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الإلكتروليت، ويسممه بسرعة، ويقلل بشكل كبير من كفاءة خلية الوقود. ولذلك فإن استخدام مركبات SFC يقتصر على الأماكن المغلقة مثل المركبات الفضائية والمركبات تحت الماء، ويجب أن تعمل على الهيدروجين والأكسجين النقي. علاوة على ذلك، فإن الجزيئات مثل CO وH2O وCH4، والتي تعتبر آمنة لخلايا الوقود الأخرى وحتى الوقود لبعضها، تضر بالمركبات الفلورية الفلورية.

خلايا / خلايا وقود البوليمر بالكهرباء (PETE)

في حالة خلايا وقود البوليمر بالكهرباء، يتكون غشاء البوليمر من ألياف بوليمر مع مناطق مائية يوجد فيها توصيل أيونات الماء (H 2 O + (بروتون، أحمر) مرتبط بجزيء الماء). تمثل جزيئات الماء مشكلة بسبب بطء التبادل الأيوني. لذلك، يلزم وجود تركيز عالٍ من الماء في الوقود وفي أقطاب العادم، مما يحد من درجة حرارة التشغيل إلى 100 درجة مئوية.

خلايا/خلايا الوقود الحمضي الصلب (SCFC)

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 SO 4 2- أوكسي 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 مضغوطين بإحكام لضمان الاتصال الجيد. عند تسخينه، يتبخر المكون العضوي، ويخرج عبر المسام الموجودة في الأقطاب الكهربائية، مع الاحتفاظ بقدرة الاتصالات العديدة بين الوقود (أو الأكسجين في الطرف الآخر من الخلية)، والكهارل والأقطاب الكهربائية.

وحدات خلايا الوقود المختلفة. بطارية خلية الوقود

1. بطارية خلايا الوقود
2. معدات أخرى لدرجة الحرارة العالية (مولد البخار المتكامل، غرفة الاحتراق، مبدل توازن الحرارة)
3. عزل مقاوم للحرارة

وحدة خلايا الوقود

تحليل مقارن لأنواع وأصناف خلايا الوقود

عادةً ما يتم بناء محطات التدفئة والطاقة البلدية المبتكرة الموفرة للطاقة على خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFCs)، وخلايا وقود البوليمر بالكهرباء (PEFCs)، وخلايا وقود حمض الفوسفوريك (PCFCs)، وخلايا وقود غشاء التبادل البروتوني (MPFCs)، وخلايا الوقود القلوية ( APFCs). عادة ما يكون لديهم الخصائص التالية:

وينبغي التعرف على خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFC) باعتبارها الأكثر ملاءمة، والتي:

• تعمل عند درجة حرارة أعلى، مما يقلل من الحاجة إلى المعادن الثمينة باهظة الثمن (مثل البلاتين).
• يمكن أن تعمل على أنواع مختلفة من الوقود الهيدروكربوني، وخاصة على الغاز الطبيعي
• تتمتع بوقت بدء تشغيل أطول وبالتالي فهي أكثر ملاءمة للتشغيل على المدى الطويل
• إثبات كفاءة عالية في توليد الطاقة (تصل إلى 70%)
• ونظرًا لدرجات حرارة التشغيل المرتفعة، يمكن دمج الوحدات مع أنظمة استعادة الحرارة، مما يرفع كفاءة النظام الإجمالية إلى 85%
• لديها انبعاثات تقترب من الصفر، وتعمل بصمت ولها متطلبات تشغيل منخفضة مقارنة بتقنيات توليد الطاقة الحالية

نوع خلية الوقود	درجة حرارة العمل	كفاءة توليد الطاقة	نوع الوقود	منطقة التطبيق
آر تي إي	550-700 درجة مئوية	50-70%		المنشآت المتوسطة والكبيرة
FKTE	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
بومتي	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 أنه يمكن توصيل محطات الطاقة الحرارية الصغيرة بشبكة إمداد الغاز التقليدية، فإن خلايا الوقود لا تتطلب نظامًا منفصلاً لإمداد الهيدروجين. عند استخدام محطات الطاقة الحرارية الصغيرة المعتمدة على خلايا وقود الأكسيد الصلب، يمكن دمج الحرارة المتولدة في المبادلات الحرارية لتسخين المياه وتهوية الهواء، مما يزيد من الكفاءة الإجمالية للنظام. هذه التكنولوجيا المبتكرة هي الأنسب لتوليد الطاقة بكفاءة دون الحاجة إلى بنية تحتية باهظة الثمن وتكامل الأدوات المعقدة.

تطبيقات خلايا الوقود/الخلايا

تطبيق خلايا/خلايا الوقود في أنظمة الاتصالات

مع الانتشار السريع لأنظمة الاتصالات اللاسلكية حول العالم، فضلاً عن الفوائد الاجتماعية والاقتصادية المتزايدة لتكنولوجيا الهاتف المحمول، أصبحت الحاجة إلى طاقة احتياطية موثوقة وفعالة من حيث التكلفة أمراً بالغ الأهمية. تشكل خسائر الشبكة 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 طاقة احتياطية قصيرة المدى ومولدات الديزل والبروبان لتوفير طاقة احتياطية أطول. تعد البطاريات مصدرًا رخيصًا نسبيًا للطاقة الاحتياطية لمدة تتراوح من ساعة إلى ساعتين. ومع ذلك، فإن البطاريات ليست مناسبة لفترات احتياطية أطول لأن صيانتها باهظة الثمن، ولا يمكن الاعتماد عليها بعد الاستخدام لفترة طويلة، كما أنها حساسة لدرجات الحرارة، كما تشكل خطراً على البيئة بعد التخلص منها. يمكن لمولدات الديزل والبروبان توفير طاقة احتياطية مستمرة. ومع ذلك، يمكن أن تكون المولدات غير موثوقة، وتتطلب صيانة واسعة النطاق، وتطلق مستويات عالية من الملوثات والغازات الدفيئة في الغلاف الجوي.

من أجل إزالة القيود المفروضة على حلول الطاقة الاحتياطية التقليدية، تم تطوير تقنية مبتكرة لخلايا الوقود الخضراء. 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 تكلفة عمر مثل هذه المحطة أقل من تكلفة المولد. إن انخفاض التكلفة لكل خلية وقود هو نتيجة لزيارة صيانة واحدة فقط سنويًا وزيادة إنتاجية المصنع بشكل ملحوظ. ففي نهاية المطاف، تعد 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، والتي تتراوح من 250 واط إلى 15 كيلو واط، وتوفر العديد من الميزات المبتكرة التي لا مثيل لها:

• مصداقية- عدد قليل من الأجزاء المتحركة ولا يوجد تفريغ احتياطي
• توفير الطاقة
• الصمت– مستوى ضوضاء منخفض
• استقرار– نطاق التشغيل من -40 درجة مئوية إلى +50 درجة مئوية
• القدرة على التكيف– التركيب الخارجي والداخلي (الحاوية/الحاوية الواقية)
• قوة عالية- ما يصل إلى 15 كيلو واط
• حاجة إلى صيانة منخفضة– الحد الأدنى من الصيانة السنوية
• اقتصاد- تكلفة إجمالية جذابة للملكية
• الطاقة النظيفة– انبعاثات منخفضة مع الحد الأدنى من التأثير البيئي

يستشعر النظام جهد ناقل التيار المستمر في جميع الأوقات ويقبل الأحمال الحرجة بسلاسة إذا انخفض جهد ناقل التيار المستمر إلى ما دون نقطة الضبط المحددة من قبل المستخدم. يعمل النظام بالهيدروجين، الذي يدخل إلى كومة خلايا الوقود بإحدى طريقتين - إما من مصدر تجاري للهيدروجين، أو من وقود سائل من الميثانول والماء، باستخدام نظام الإصلاح الموجود على متن الطائرة.

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

توفر خلايا الوقود كفاءة فائقة في استخدام الطاقة، وزيادة موثوقية النظام، وأداء أكثر قابلية للتنبؤ به في نطاق واسع من المناخات، وعمر خدمة موثوق مقارنة بحزم بطاريات حمض الرصاص الحمضية القياسية الصناعية. كما أن تكاليف دورة الحياة أقل أيضًا بسبب انخفاض متطلبات الصيانة والاستبدال بشكل ملحوظ. توفر خلايا الوقود فوائد بيئية للمستخدم النهائي حيث أن تكاليف التخلص ومخاطر المسؤولية المرتبطة بخلايا حمض الرصاص تشكل مصدر قلق متزايد.

يمكن أن يتأثر أداء البطاريات الكهربائية سلبًا بمجموعة واسعة من العوامل مثل مستوى الشحن ودرجة الحرارة والدورات والعمر الافتراضي 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 عند توفير الوقود، مثل مولد توربينات الغاز، ولكنها 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 ذو المدة الممتدة هو خليط من الميثانول والماء. الميثانول هو وقود تجاري متاح على نطاق واسع وله حاليًا العديد من الاستخدامات، بما في ذلك غسالة الزجاج الأمامي والزجاجات البلاستيكية والمواد المضافة للمحركات والدهانات المستحلبة. الميثانول سهل النقل، قابل للامتزاج مع الماء، وله قابلية جيدة للتحلل البيولوجي وخالي من الكبريت. درجة تجمده منخفضة (-71 درجة مئوية) ولا يتحلل أثناء التخزين الطويل.

تطبيق خلايا/خلايا الوقود في شبكات الاتصالات

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

مع وجود عدد قليل من الأجزاء المتحركة وعدم تقليل الطاقة الاحتياطية، توفر تقنية خلايا الوقود المبتكرة حلاً جذابًا مقارنة بأنظمة الطاقة الاحتياطية المتوفرة حاليًا.

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

تعتبر مجموعة مصادر طاقة خلايا الوقود مثالية لدعم شبكات الاتصالات الآمنة. 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 الطاقة الاحتياطية الموثوقية التي تحتاجها لضمان عدم انقطاع الطاقة.

توفر وحدات خلايا الوقود التي تعمل على خليط الوقود السائل من الميثانول والماء مصدر طاقة احتياطيًا موثوقًا به لمدة طويلة تصل إلى عدة أيام. بالإضافة إلى ذلك، تتميز هذه الوحدات بمتطلبات صيانة منخفضة بشكل كبير مقارنة بالمولدات والبطاريات، مما يتطلب زيارة صيانة واحدة فقط سنويًا.

خصائص التطبيق النموذجية لاستخدام تركيبات خلايا الوقود في شبكات البيانات:

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

توفر التركيبات الاحتياطية لخلايا الوقود العديد من المزايا للبنى التحتية لشبكات البيانات الهامة مقارنة بالبطاريات التقليدية أو مولدات الديزل، مما يسمح بزيادة الاستخدام في الموقع:

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

تطبيق خلايا الوقود/خلايا الوقود في الأنظمة الأمنية

إن أنظمة أمن واتصالات المباني الأكثر تصميمًا بعناية لا يمكن الاعتماد عليها إلا بقدر القوة التي تزودها بالطاقة. في حين أن معظم الأنظمة تشتمل على نوع من أنظمة الطاقة الاحتياطية غير المنقطعة لفقدان الطاقة على المدى القصير، إلا أنها لا توفر حالات انقطاع التيار الكهربائي الأطول التي يمكن أن تحدث بعد الكوارث الطبيعية أو الهجمات الإرهابية. قد تكون هذه مشكلة حرجة للعديد من الشركات والوكالات الحكومية.

الأنظمة الحيوية مثل مراقبة الدوائر التلفزيونية المغلقة وأنظمة التحكم في الوصول (قارئات بطاقات الهوية، وأجهزة إغلاق 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 بديل موثوق لإمدادات الطاقة المستمرة.

مولدات الديزل صاخبة، ويصعب تحديد موقعها، وتدرك جيدًا مشكلات الموثوقية والصيانة الخاصة بها. وفي المقابل، فإن التركيب الاحتياطي لخلية الوقود يكون هادئًا وموثوقًا ولا يصدر أي انبعاثات أو منخفض جدًا، كما أنه من السهل تركيبه على السطح أو خارج المبنى. لا يتم تفريغها أو فقدان الطاقة في وضع الاستعداد. فهو يضمن استمرار تشغيل الأنظمة الحيوية، حتى بعد توقف المؤسسة عن العمل وهجر الناس 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 غير المسبوقة، وعلى وجه الخصوص، مستوى عالٍ من توفير الطاقة.

توفر وحدات الطاقة الاحتياطية لخلايا الوقود العديد من المزايا للتطبيقات المهمة مثل أنظمة الأمن وإدارة المباني مقارنة بالبطاريات التقليدية أو مولدات الديزل. تحل تكنولوجيا الوقود السائل مشكلة تخزين الهيدروجين وتوفر طاقة احتياطية غير محدودة تقريبًا.

تطبيق خلايا/خلايا الوقود في التدفئة المنزلية وتوليد الطاقة

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

ويبين الشكل أدناه الخسارة في كفاءة توليد الكهرباء عندما يتم توليدها بواسطة محطة الطاقة الحرارية المشتركة ونقلها إلى المنازل عبر شبكات النقل التقليدية المستخدمة حالياً. تشمل خسائر الكفاءة في توليد المناطق الخسائر من محطة توليد الكهرباء، ونقل الجهد المنخفض والعالي، وخسائر التوزيع.

يوضح الشكل نتائج دمج محطات الطاقة الحرارية الصغيرة: يتم توليد الكهرباء بكفاءة توليد تصل إلى 60% عند نقطة الاستخدام. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للأسرة استخدام الحرارة الناتجة عن خلايا الوقود لتسخين المياه والمساحة، مما يزيد من الكفاءة الإجمالية لمعالجة طاقة الوقود ويحسن 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 البترولي المصاحب لها الكثير من العيوب، وأهمها أنها غير مجدية اقتصاديًا. ويتم حرق الغاز البترولي المصاحب مما يسبب ضرراً كبيراً للبيئة وصحة الإنسان.

إن محطات توليد الطاقة والحرارة التي تعمل بخلايا الوقود المبتكرة والتي تستخدم غاز البترول 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 ومستدام على تركيبة متغيرة من غاز البترول المصاحب. بسبب التفاعل الكيميائي عديم اللهب الذي يقوم عليه 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، التفاضلية، زيادة الحمل.
3. لتركيب وربط محطات الطاقة الحرارية على خلايا الوقود، لا يتطلب تنفيذها نفقات رأسمالية، لأن يتم تركيب الوحدات بسهولة في مواقع غير مجهزة بالقرب من الحقول، كما أنها سهلة التشغيل وموثوقة وفعالة.
4. لا تتطلب الأتمتة العالية وجهاز التحكم عن بعد الحديث التواجد المستمر للموظفين في المصنع.
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. وبالإضافة إلى ذلك، فإن محطات الطاقة الحرارية التي تعمل بخلايا الوقود لا تصدر ضوضاء، ولا تهتز، لا تنبعث منها انبعاثات ضارة في الغلاف الجوي

أقوم بإدخال خرطوم الحشو المناسب في عنق فتحة تعبئة الوقود وأديره نصف دورة لإغلاق الاتصال. تشير النقرة على مفتاح التبديل ووميض مؤشر LED الموجود في محطة التعبئة مع نقش ضخم h3 إلى بدء التزود بالوقود. دقيقة - والخزان ممتلئ، يمكنك الذهاب!

ملامح الجسم الأنيقة، والتعليق المنخفض للغاية، والبقع منخفضة المستوى تعطي سلالة سباق حقيقية. من خلال الغطاء الشفاف يمكنك رؤية تعقيدات خطوط الأنابيب والكابلات. لقد رأيت بالفعل حلاً مماثلاً في مكان ما ... أوه نعم، في Audi R8، يكون المحرك مرئيًا أيضًا من خلال النافذة الخلفية. لكن أودي تستخدم البنزين التقليدي، وهذه السيارة تعمل بالهيدروجين. مثل BMW Hydrogen 7، ولكن على عكس الأخير، لا يوجد محرك احتراق داخلي هنا. الأجزاء المتحركة الوحيدة هي جهاز التوجيه ودوار المحرك الكهربائي. ويتم توفير الطاقة لها بواسطة خلية الوقود. تم إصدار هذه السيارة من قبل شركة Horizon Fuel Cell Technologies السنغافورية المتخصصة في تطوير وإنتاج خلايا الوقود. في عام 2009، قدمت شركة Riversimple البريطانية بالفعل سيارة هيدروجينية للمناطق الحضرية تعمل بخلايا الوقود Horizon Fuel Cell Technologies. وقد تم تطويره بالتعاون مع جامعتي أكسفورد وكرانفيلد. لكن Horizon H-racer 2.0 هو تطوير منفرد.

تتكون خلية الوقود من قطبين كهربائيين مساميين مطليين بطبقة محفزة ويفصل بينهما غشاء تبادل البروتون. يتم تحويل الهيدروجين الموجود في محفز الأنود إلى بروتونات وإلكترونات، والتي تصل عبر الأنود ودائرة كهربائية خارجية إلى الكاثود، حيث يتحد الهيدروجين والأكسجين مرة أخرى لتكوين الماء.

"يذهب!" - بأسلوب جاجارين، رئيس التحرير يدفعني بمرفقه. ولكن ليس بهذه السرعة: تحتاج أولاً إلى "تسخين" خلية الوقود عند التحميل الجزئي. أقوم بتبديل مفتاح التبديل إلى وضع "الإحماء" ("الإحماء") وانتظر الوقت المخصص. وبعد ذلك، في حالة حدوث ذلك، أقوم بملء الخزان إلى أقصى حد. الآن دعنا نذهب: الآلة تتحرك بسلاسة مع المحرك وتتحرك للأمام. الديناميكيات مثيرة للإعجاب، على الرغم من أن ما يمكن توقعه من السيارة الكهربائية هو أن اللحظة ثابتة بأي سرعة. على الرغم من أنه ليس لفترة طويلة - فإن خزان الهيدروجين الكامل يدوم بضع دقائق فقط (تعد شركة Horizon بإصدار نسخة جديدة في المستقبل القريب، حيث لا يتم تخزين الهيدروجين كغاز مضغوط، ولكن يتم الاحتفاظ به بواسطة مادة مسامية في جهاز امتصاص) . نعم، وبصراحة، يتم التحكم فيه ليس جيدًا - لا يوجد سوى زرين في جهاز التحكم عن بعد. لكن على أية حال، من المؤسف أن هذه ليست سوى لعبة يتم التحكم فيها عن طريق الراديو وتكلفنا 150 دولارًا. لا نمانع في قيادة سيارة تعمل بخلايا الوقود الحقيقية كمحطة لتوليد الطاقة.

الخزان عبارة عن حاوية مطاطية مرنة داخل غلاف صلب، ويتمدد عند التزود بالوقود ويعمل كمضخة وقود، حيث "يضغط" الهيدروجين في خلية الوقود. من أجل عدم "إعادة ملء" الخزان، يتم توصيل أحد التركيبات بأنبوب بلاستيكي بصمام تخفيف الضغط في حالات الطوارئ.

ملء العمود

افعلها بنفسك

يأتي Horizon H-racer 2.0 كمجموعة SKD (افعلها بنفسك)، ويمكنك شراؤها، على سبيل المثال، من Amazon. ومع ذلك، ليس من الصعب تجميعها - ما عليك سوى وضع خلية الوقود في مكانها وتثبيتها بالمسامير، وتوصيل الخراطيم بخزان الهيدروجين، وخلية الوقود، وعنق الحشو، وصمام الطوارئ، وكل ما تبقى هو وضع الجزء العلوي من الجسم في مكانه، دون أن ننسى المصدات الأمامية والخلفية. تأتي المجموعة مع محطة تعبئة تستقبل الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء. يتم تشغيله بواسطة بطاريتين AA، وإذا كنت تريد أن تكون الطاقة "نظيفة" تمامًا - من الألواح الشمسية (يتم تضمينها أيضًا).

www.popmech.ru

كيف تصنع خلية وقود بيديك؟

وبطبيعة الحال، فإن أبسط حل لمشكلة ضمان التشغيل المستمر للأنظمة الخالية من الوقود هو شراء مصدر ثانوي جاهز للطاقة على أساس هيدروليكي أو أي أساس آخر، ولكن في هذه الحالة بالتأكيد لن يكون من الممكن تجنبه تكاليف إضافية، وفي هذه العملية يكون من الصعب للغاية التفكير في أي فكرة للهروب من الفكر الإبداعي. بالإضافة إلى ذلك، فإن صنع خلية وقود بيديك ليس بالأمر الصعب على الإطلاق كما قد تظن للوهلة الأولى، وإذا رغبت في ذلك، حتى السيد الأكثر خبرة يمكنه التعامل مع المهمة. بالإضافة إلى ذلك، ستكون المكافأة الأكثر من ممتعة هي التكلفة المنخفضة لإنشاء هذا العنصر، لأنه على الرغم من كل فوائده وأهميته، سيكون من الآمن تمامًا التعامل مع الوسائل المرتجلة المتاحة.

في الوقت نفسه، فإن الفروق الدقيقة الوحيدة التي يجب مراعاتها قبل إكمال المهمة هي أنه يمكنك إنشاء جهاز منخفض الطاقة للغاية بيديك، ويجب ترك تنفيذ عمليات التثبيت الأكثر تقدمًا وتعقيدًا للمتخصصين المؤهلين . أما بالنسبة لترتيب العمل وتسلسل الإجراءات، أولا وقبل كل شيء، يجب أن تكتمل الحالة، ومن الأفضل استخدام زجاج شبكي سميك الجدران (5 سم على الأقل). من أجل لصق جدران العلبة وتركيب الأقسام الداخلية، والتي من الأفضل استخدام زجاج شبكي أرق (3 ملليمترات كافية)، يعد استخدام غراء مركبين مثاليًا، على الرغم من الرغبة القوية، يمكن إجراء لحام عالي الجودة يتم ذلك بشكل مستقل باستخدام النسب التالية: لكل 100 جرام من الكلوروفورم - 6 جرام نشارة من نفس زجاج شبكي.

في هذه الحالة، يجب أن يتم تنفيذ العملية حصرا تحت غطاء محرك السيارة. من أجل تجهيز العلبة بما يسمى بنظام الصرف، من الضروري حفر ثقب في جدارها الأمامي بعناية، حيث يتطابق قطرها تمامًا مع أبعاد السدادة المطاطية، والتي تعمل كنوع من الحشية بين العلبة وأنبوب التصريف الزجاجي. أما بالنسبة لأبعاد الأنبوب نفسه، فمن المثالي توفير عرض يساوي خمسة أو ستة ملليمترات، على الرغم من أن كل هذا يتوقف على نوع الهيكل المصمم. من المرجح أن يفاجأ القراء المحتملون لهذه المقالة إلى حد ما بقناع الغاز القديم المدرج في قائمة العناصر الضرورية لصنع خلية الوقود. وفي الوقت نفسه، تكمن الفائدة الكاملة لهذا الجهاز في الكربون المنشط الموجود في حجرات جهاز التنفس الصناعي، والذي يمكن استخدامه لاحقًا كأقطاب كهربائية.

نظرًا لأننا نتحدث عن اتساق مسحوقي، لتحسين التصميم، فستحتاج إلى جوارب من النايلون، حيث يمكنك بسهولة صنع كيس ووضع الفحم هناك، وإلا فسوف ينسكب ببساطة من الحفرة. أما بالنسبة لوظيفة التوزيع، فيتركز الوقود في الحجرة الأولى، في حين أن الأكسجين اللازم للعمل الطبيعي لخلية الوقود، على العكس من ذلك، سوف يدور في الحجرة الخامسة الأخيرة. يجب أن يتم تشريب المنحل بالكهرباء نفسه، الموجود بين الأقطاب الكهربائية، بمحلول خاص (البنزين مع البارافين بنسبة 125 إلى 2 ملليلتر)، ويجب أن يتم ذلك حتى قبل وضع المنحل بالكهرباء الهوائي في الحجرة الرابعة. ولضمان التوصيل المناسب، يتم وضع ألواح نحاسية بأسلاك ملحومة مسبقًا فوق الفحم، والتي من خلالها سيتم نقل الكهرباء من الأقطاب الكهربائية.

يمكن اعتبار هذه المرحلة من التصميم بأمان المرحلة النهائية، وبعد ذلك يتم شحن الجهاز النهائي، والذي يحتاج إلى المنحل بالكهرباء. من أجل تحضيره من الضروري خلط أجزاء متساوية من الكحول الإيثيلي مع الماء المقطر والبدء في الإدخال التدريجي للبوتاسيوم الكاوي بمعدل 70 جرامًا لكل كوب من السائل. يتكون الاختبار الأول للجهاز المُصنع من التعبئة المتزامنة للحاويتين الأولى (سائل الوقود) والثالثة (المنحل بالكهرباء المصنوع من الكحول الإيثيلي والبوتاس الكاوي) لجسم زجاج شبكي.

www.uznay-kak.ru

خلايا وقود الهيدروجين | لافينت

لفترة طويلة أردت أن أخبركم عن اتجاه آخر لشركة Alfaintek. هذا هو تطوير وبيع وخدمة خلايا وقود الهيدروجين. أريد أن أشرح على الفور الوضع مع خلايا الوقود هذه في روسيا.

ونظرا للتكلفة العالية إلى حد ما والغياب التام لمحطات الهيدروجين لشحن خلايا الوقود هذه، فمن غير المتوقع بيعها في روسيا. ومع ذلك، في أوروبا، وخاصة في فنلندا، تكتسب خلايا الوقود هذه شعبية كل عام. ما هو السر؟ دعونا نلقي نظرة. هذا الجهاز صديق للبيئة وسهل التشغيل وفعال. يتعلق الأمر بمساعدة الشخص حيث يحتاج إلى الطاقة الكهربائية. يمكنك اصطحابها معك على الطريق أو في نزهة على الأقدام أو استخدامها في الريف أو في الشقة كمصدر مستقل للكهرباء.

يتم توليد الكهرباء في خلية الوقود عن طريق التفاعل الكيميائي للهيدروجين من أسطوانة مع هيدريد المعدن والأكسجين من الهواء. الأسطوانة ليست قابلة للانفجار ويمكن تخزينها في خزانتك لسنوات، في انتظار الأجنحة. ربما تكون هذه إحدى المزايا الرئيسية لتقنية تخزين الهيدروجين. يعد تخزين الهيدروجين أحد المشاكل الرئيسية في تطوير وقود الهيدروجين. خلايا وقود جديدة فريدة وخفيفة الوزن تعمل على تحويل الهيدروجين إلى كهرباء تقليدية بطريقة آمنة وهادئة وخالية من الانبعاثات.

يمكن استخدام هذا النوع من الكهرباء في الأماكن التي لا توجد بها كهرباء مركزية، أو كمصدر للطاقة في حالات الطوارئ.

وعلى عكس البطاريات التقليدية التي تحتاج إلى شحن وفي نفس الوقت فصلها عن المستهلك للكهرباء أثناء عملية الشحن، تعمل خلية الوقود كجهاز “ذكي”. توفر هذه التقنية طاقة متواصلة طوال فترة الاستخدام بأكملها بفضل الوظيفة الفريدة المتمثلة في الحفاظ على الطاقة عند تغيير خزان الوقود، مما يسمح للمستخدم بعدم إيقاف تشغيل المستهلك أبدًا. وفي حالة مغلقة، يمكن تخزين خلايا الوقود لعدة سنوات دون فقدان الهيدروجين وتقليل قوتها.

تم تصميم خلية الوقود للعلماء والباحثين، ومسؤولي إنفاذ القانون، ورجال الإنقاذ، وأصحاب السفن والمراسي، وأي شخص يحتاج إلى مصدر طاقة موثوق به في حالة الطوارئ. يمكنك الحصول على جهد 12 فولت أو 220 فولت ومن ثم سيكون لديك طاقة كافية لاستخدام تلفزيون ونظام استريو وثلاجة وماكينة صنع القهوة وغلاية ومكنسة كهربائية ومثقاب وموقد صغير وأجهزة كهربائية أخرى.

يمكن بيع خلايا الوقود الهيدروسيلية كوحدة واحدة أو كبطاريات مكونة من 2-4 خلايا. يمكن دمج عنصرين أو أربعة عناصر إما لزيادة الطاقة أو زيادة التيار.

وقت تشغيل الأجهزة المنزلية بخلايا الوقود

	الأجهزة الكهربائية	وقت العمل يوميا (دقيقة)	سلبيات. الطاقة في اليوم (W*h)	زمن التشغيل بخلايا الوقود
	غلاية كهربائية
	صانع القهوة
	صفيحة ميكروية
	تلفزيون
	1 لمبة 60 وات
	1 لمبة 75 وات
	3 لمبات 60 وات
	حاسوب محمول
	ثلاجة
	مصباح توفير الطاقة

* - العمل المستمر

يتم شحن خلايا الوقود بالكامل في محطات الهيدروجين الخاصة. ولكن ماذا لو كنت مسافرًا بعيدًا عنهم ولا توجد طريقة لإعادة شحن طاقتك؟ خاصة بالنسبة لمثل هذه الحالات، قام متخصصو Alfaintek بتطوير أسطوانات تخزين الهيدروجين، والتي ستعمل بها خلايا الوقود لفترة أطول.

يتم إنتاج نوعين من الأسطوانات: NS-MN200 وNS-MN1200، والأسطوانة المجمعة NS-MN200 لها حجم أكبر قليلاً من علبة كوكا كولا، وتحمل 230 لترًا من الهيدروجين، وهو ما يعادل 40 أمبير (12 فولت)، وتزن فقط 2.5 كجم. تحتوي الأسطوانة ذات الهيدريد المعدني NS-MH1200 على 1200 لتر من الهيدروجين، وهو ما يعادل 220 أمبير (12 فولت). وزن الاسطوانة 11 كجم.

تعد تقنية هيدريد المعدن طريقة آمنة وسهلة لتخزين ونقل واستخدام الهيدروجين. عند تخزينه كهيدريد فلز، يكون الهيدروجين في صورة مركب كيميائي وليس في شكل غازي. تتيح هذه الطريقة الحصول على كثافة طاقة عالية بدرجة كافية. وميزة استخدام هيدريد المعدن أن الضغط داخل الاسطوانة لا يتجاوز 2-4 بار، والاسطوانة غير قابلة للانفجار ويمكن تخزينها لسنوات دون تقليل حجم المادة. وبما أن الهيدروجين يتم تخزينه على شكل هيدريد معدني، فإن نقاء الهيدروجين الذي يتم الحصول عليه من الأسطوانة يكون عاليًا جدًا، 99.999%. يمكن استخدام أسطوانات تخزين الهيدروجين على شكل هيدريد معدني ليس فقط مع خلايا الوقود HC 100,200,400، ولكن أيضًا في الحالات الأخرى التي تكون فيها الحاجة إلى الهيدروجين النقي. يمكن توصيل الأسطوانات بسهولة بخلية وقود أو أي جهاز آخر باستخدام موصل توصيل سريع وخرطوم مرن.

ومن المؤسف أن خلايا الوقود هذه لا تباع في روسيا. ولكن من بين سكاننا هناك الكثير من الأشخاص الذين يحتاجون إليها. حسنا، دعونا ننتظر ونرى، انظر وسوف يكون لدينا. وفي غضون ذلك، سوف نشتري المصابيح الكهربائية الموفرة للطاقة التي فرضتها الدولة.

ملاحظة. ويبدو أن الموضوع قد ذهب أخيرا إلى غياهب النسيان. بعد سنوات عديدة من كتابة هذا المقال، لم يخرج أي شيء. ربما، بالطبع، أنا لا أبحث في كل مكان، لكن ما يلفت انتباهي ليس ممتعًا على الإطلاق. التكنولوجيا والفكرة جيدة، لكن التطوير لم يتم العثور عليه بعد.

lavent.ru

خلية الوقود هي المستقبل الذي يبدأ اليوم!

تعتبر بداية القرن الحادي والعشرين علم البيئة أحد أهم المهام العالمية. وأول ما يجب الاهتمام به في ظل الظروف الحالية هو البحث عن مصادر الطاقة البديلة واستخدامها. إنهم قادرون على منع تلوث البيئة من حولنا، وكذلك التخلي تماما عن التكلفة المتزايدة باستمرار للوقود الهيدروكربوني.

بالفعل اليوم، تم استخدام مصادر الطاقة مثل الخلايا الشمسية وتوربينات الرياح. لكن لسوء الحظ، يرتبط افتقارهم بالاعتماد على الطقس، وكذلك على الموسم والوقت من اليوم. لهذا السبب، يتم التخلي تدريجياً عن استخدامها في صناعة الملاحة الفضائية والطائرات والسيارات، وللاستخدام الثابت فهي مجهزة بمصادر طاقة ثانوية - البطاريات.

ومع ذلك، فإن الحل الأفضل هو خلية الوقود، لأنها لا تتطلب إعادة شحن الطاقة بشكل مستمر. هذا جهاز قادر على معالجة وتحويل أنواع مختلفة من الوقود (البنزين والكحول والهيدروجين وما إلى ذلك) مباشرة إلى طاقة كهربائية.

تعمل خلية الوقود وفق المبدأ التالي: يتم إمدادها بالوقود من الخارج، والذي يتأكسد بالأكسجين، وتتحول الطاقة المنطلقة في هذه الحالة إلى كهرباء. يضمن مبدأ التشغيل هذا التشغيل الأبدي تقريبًا.

ابتداءً من نهاية القرن التاسع عشر، قام العلماء بدراسة خلية الوقود بشكل مباشر، وقاموا باستمرار بتطوير تعديلات جديدة عليها. لذلك، اليوم، اعتمادًا على ظروف التشغيل، هناك القلوية أو القلوية (AFC)، والبوروهيدرات المباشر (DBFC)، والكهرباء الجلفانية (EGFC)، والميثانول المباشر (DMFC)، والزنك والهواء (ZAFC)، والميكروبي (MFC)، ومن المعروف أيضًا نماذج حمض الفورميك (DFAFC) وهيدريد المعدن (MHFC).

واحدة من أكثر الواعدة هي خلية وقود الهيدروجين. إن استخدام الهيدروجين في محطات توليد الطاقة يصاحبه إطلاق كبير للطاقة، ويكون عادم مثل هذا الجهاز عبارة عن بخار ماء نقي أو ماء شرب، وهو ما لا يشكل أي خطر على البيئة.

وقد أثار الاختبار الناجح لخلايا الوقود من هذا النوع على المركبات الفضائية مؤخرًا اهتمامًا كبيرًا بين الشركات المصنعة للإلكترونيات والمعدات المختلفة. على سبيل المثال، قدمت شركة PolyFuel خلية وقود هيدروجينية مصغرة لأجهزة الكمبيوتر المحمولة. لكن التكلفة العالية جدًا لمثل هذا الجهاز وصعوبة إعادة التزود بالوقود دون عوائق يحدان من الإنتاج الصناعي والتوزيع على نطاق واسع. تقوم شركة هوندا أيضًا بإنتاج خلايا وقود السيارات منذ أكثر من 10 سنوات. ومع ذلك، فإن هذا النوع من وسائل النقل لا يتم طرحه للبيع، ولكن فقط للاستخدام الرسمي لموظفي الشركة. السيارات تحت اشراف مهندسين .

يتساءل الكثيرون عما إذا كان من الممكن تجميع خلية وقود بيديك. بعد كل شيء، ستكون الميزة الكبيرة لجهاز محلي الصنع استثمارا صغيرا، على عكس النموذج الصناعي. للحصول على نموذج مصغر، ستحتاج إلى 30 سم من سلك النيكل المطلي بالبلاتينيوم، وقطعة صغيرة من البلاستيك أو الخشب، ومشبك بطارية 9 فولت والبطارية نفسها، وشريط لاصق شفاف، وكوب من الماء وفولتميتر. سيسمح لك هذا الجهاز برؤية وفهم جوهر العمل، ولكن، بالطبع، لن يعمل على توليد الكهرباء للسيارة.

fb.ru

خلايا الوقود الهيدروجيني: القليل من التاريخ | هيدروجين

في عصرنا، مشكلة النقص في موارد الطاقة التقليدية وتدهور بيئة الكوكب ككل بسبب استخدامها حادة بشكل خاص. ولهذا السبب، تم في السنوات الأخيرة إنفاق قدر كبير من الموارد المالية والفكرية على تطوير بدائل واعدة محتملة للوقود الهيدروكربوني. ويمكن أن يصبح الهيدروجين بديلاً كهذا في المستقبل القريب جداً، إذ أن استخدامه في محطات توليد الطاقة يصاحبه إطلاق كمية كبيرة من الطاقة، وتكون العوادم عبارة عن بخار ماء، أي أنها لا تشكل خطراً على البيئة.

على الرغم من بعض الصعوبات التقنية التي لا تزال قائمة في إدخال خلايا الوقود المعتمدة على الهيدروجين، فقد أعرب العديد من مصنعي السيارات عن تقديرهم للوعد الذي توفره هذه التكنولوجيا ويعملون بالفعل بنشاط على تطوير نماذج أولية للمركبات ذات الإنتاج الضخم القادرة على استخدام الهيدروجين كوقود رئيسي. في عام 2011، قدمت شركة Daimler AG نماذج مفاهيمية من مرسيدس-بنز مزودة بمحطات طاقة هيدروجينية. وبالإضافة إلى ذلك، أعلنت شركة Hyndayi الكورية رسميًا أنها لا تنوي تطوير سيارات كهربائية بعد الآن، ولكنها ستركز كل جهودها على تطوير سيارة هيدروجينية بأسعار معقولة.

على الرغم من أن فكرة استخدام الهيدروجين كوقود ليست فكرة جامحة بالنسبة للكثيرين، إلا أن معظمهم لا يفهمون كيفية عمل خلايا وقود الهيدروجين وما هو اللافت للنظر فيها.

ولفهم أهمية هذه التكنولوجيا، نقترح الرجوع إلى تاريخ خلايا الوقود الهيدروجيني.

أول من وصف إمكانية استخدام الهيدروجين في خلية الوقود هو الألماني كريستيان فريدريش. في عام 1838، نشر عمله في مجلة علمية معروفة في ذلك الوقت.

في العام التالي، قام القاضي من مدينة أولس، السير ويليام روبرت جروف، بإنشاء نموذج أولي لبطارية هيدروجين قابلة للاستخدام. ومع ذلك، كانت قوة الجهاز صغيرة جدًا حتى بمعايير ذلك الوقت، لذلك لم يكن هناك شك في استخدامه العملي.

أما مصطلح "خلية الوقود" فيعود الفضل في وجوده إلى العالمين لودفيج موند وتشارلز لانجر، اللذين حاولا في عام 1889 إنشاء خلية وقود تعمل بالهواء وغاز فرن فحم الكوك. وفقًا لآخرين، تم استخدام هذا المصطلح لأول مرة بواسطة William White Jaques، الذي قرر أولًا استخدام حمض الفوسفوريك في المنحل بالكهرباء.

وفي عشرينيات القرن العشرين أجريت في ألمانيا عدد من الدراسات، وكانت نتيجتها اكتشاف خلايا وقود الأكسيد الصلب وطرق استخدام دورة الكربونات. ومن الجدير بالذكر أن هذه التقنيات تستخدم بفعالية في عصرنا.

في عام 1932، بدأ المهندس فرانسيس تي بيكون العمل على دراسة خلايا الوقود المباشرة المعتمدة على الهيدروجين. قبله، استخدم العلماء مخططًا ثابتًا - حيث تم وضع أقطاب البلاتين المسامية في حمض الكبريتيك. يكمن العيب الواضح لمثل هذا المخطط في المقام الأول في تكلفته العالية غير المبررة بسبب استخدام البلاتين. بالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام حامض الكبريتيك الكاوي يشكل تهديدًا لصحة الباحثين، وأحيانًا حياتهم. قرر بيكون تحسين الدائرة واستبدل البلاتين بالنيكل، واستخدم تركيبة قلوية كمحلول كهربائي.

بفضل العمل الإنتاجي لتحسين تقنيته، قدم بيكون بالفعل في عام 1959 لعامة الناس خلية وقود الهيدروجين الأصلية الخاصة به، والتي أنتجت 5 كيلووات ويمكنها تشغيل آلة لحام. أطلق على الجهاز المقدم اسم "Bacon Cell".

وفي أكتوبر من نفس العام، تم إنشاء جرار فريد يعمل بالهيدروجين وينتج قوة عشرين حصانًا.

وفي ستينيات القرن العشرين قامت شركة جنرال إلكتريك الأمريكية بتحسين المخطط الذي وضعه بيكون وتطبيقه على برنامجي أبولو وناسا جيميني الفضائيين. توصل المتخصصون من وكالة ناسا إلى استنتاج مفاده أن استخدام المفاعل النووي مكلف للغاية وصعب من الناحية الفنية وغير آمن. وبالإضافة إلى ذلك، كان من الضروري التخلي عن استخدام البطاريات مع الألواح الشمسية نظراً لأبعادها الكبيرة. كان حل المشكلة هو خلايا الوقود الهيدروجينية، القادرة على تزويد المركبة الفضائية بالطاقة، وطاقمها بالمياه النظيفة.

تم بناء أول حافلة تستخدم الهيدروجين كوقود في عام 1993. وقد تم بالفعل تقديم نماذج أولية لسيارات الركاب التي تعمل بخلايا وقود الهيدروجين في عام 1997 من قبل ماركات السيارات العالمية مثل تويوتا ودايملر بنز.

ومن الغريب بعض الشيء أن الوقود الواعد الصديق للبيئة، الذي تم تنفيذه في السيارة منذ خمسة عشر عامًا، لم ينتشر بعد على نطاق واسع. هناك أسباب كثيرة لذلك، ربما يكون أهمها سياسيًا وصارمًا في إنشاء البنية التحتية المناسبة. دعونا نأمل أن يظل للهيدروجين كلمته وأن يكون منافسًا كبيرًا للسيارات الكهربائية.

powercraft.org

تم الإنشاء بتاريخ 14.07.2012 20:44 المؤلف: أليكسي نوركين

لا يمكن لمجتمعنا المادي بدون طاقة أن يتطور فحسب، بل حتى أن يوجد بشكل عام. من أين تأتي الطاقة؟ حتى وقت قريب، استخدم الناس طريقة واحدة فقط للحصول عليها، لقد حاربنا الطبيعة، وحرق الجوائز المستخرجة في صناديق النار، أولا في المنزل، ثم في القاطرات البخارية ومحطات الطاقة الحرارية القوية.

لا توجد ملصقات على الكيلوواط/ساعة التي يستهلكها الشخص العادي الحديث تشير إلى عدد السنوات التي عملت فيها الطبيعة حتى يتمكن الشخص المتحضر من الاستمتاع بفوائد التكنولوجيا، وعدد السنوات التي لا يزال يتعين عليه العمل فيها للتخفيف من الضرر الذي يلحق بالإنسان. لها بهذه الحضارة. ومع ذلك، فإن الفهم ينضج في المجتمع الذي سينتهي عاجلا أم آجلا. يبتكر الناس بشكل متزايد طرقًا لتوفير الطاقة لتلبية احتياجاتهم بأقل قدر من الضرر للطبيعة.

خلايا الوقود الهيدروجيني هي الكأس المقدسة للطاقة النظيفة. فهي تعالج الهيدروجين، وهو أحد العناصر المشتركة في الجدول الدوري، ولا ينبعث منها سوى الماء، وهو المادة الأكثر شيوعًا على الكوكب. الصورة الوردية يفسدها عدم حصول الناس على الهيدروجين كمادة. يوجد الكثير منه، ولكن فقط في حالة مقيدة، واستخراجه أصعب بكثير من ضخ الزيت من الأحشاء أو استخراج الفحم.

أحد الخيارات لإنتاج الهيدروجين النظيف والصديق للبيئة هو خلايا الوقود الميكروبية (MTBs)، التي تستخدم الكائنات الحية الدقيقة لتحليل الماء إلى أكسجين وهيدروجين. هنا أيضًا، ليس كل شيء على ما يرام. تقوم الميكروبات بعمل ممتاز في إنتاج الوقود النظيف، ولكن لتحقيق الكفاءة المطلوبة عمليا، يحتاج MTB إلى محفز يعمل على تسريع أحد التفاعلات الكيميائية للعملية.

هذا المحفز هو المعدن الثمين البلاتيني، الذي تجعل تكلفته استخدام MTB غير مبرر اقتصاديًا ومستحيلًا عمليًا.

وجد علماء من جامعة ويسكونسن ميلووكي بديلاً لمحفز باهظ الثمن. وبدلاً من البلاتين، اقترحوا استخدام أعواد نانوية رخيصة مصنوعة من مزيج من الكربون والنيتروجين والحديد. يتكون المحفز الجديد من قضبان الجرافيت مع النيتروجين الذي يتم إدخاله في الطبقة السطحية ونوى كربيد الحديد. خلال اختبار المنتج الجديد الذي دام ثلاثة أشهر، أظهر المحفز قدرات أعلى من تلك التي يتمتع بها البلاتين. وتبين أن تشغيل الأنابيب النانوية أكثر استقرارًا وقابلية للتحكم.

والأهم من ذلك أن من بنات أفكار علماء الجامعة أرخص بكثير. وبالتالي، فإن تكلفة محفزات البلاتين تبلغ حوالي 60% من تكلفة MTB، في حين أن تكلفة الأنابيب النانوية تبلغ 5% من سعرها الحالي.

وفقًا لمبتكر الأنابيب النانوية الحفزية، البروفيسور يوهونج تشين (Junhong Chen): "خلايا الوقود قادرة على تحويل الوقود مباشرة إلى كهرباء. ومعهم، يمكن توصيل الكهرباء من المصادر المتجددة إلى حيث تكون هناك حاجة إليها، وهي نظيفة وفعالة ومستدامة.

والآن ينشغل البروفيسور تشين وفريقه من الباحثين بدراسة الخصائص الدقيقة للمحفز. هدفهم هو إعطاء اختراعهم تركيزًا عمليًا، لجعله مناسبًا للإنتاج والاستخدام بكميات كبيرة.

بحسب جيزماج

www.facepla.net

خلايا وقود الهيدروجين وأنظمة الطاقة

قد تصبح السيارة التي تعمل بالطاقة المائية حقيقة قريباً وسيتم تركيب خلايا الوقود الهيدروجيني في العديد من المنازل...

تكنولوجيا خلايا الوقود الهيدروجينية ليست جديدة. بدأ الأمر في عام 1776 عندما اكتشف هنري كافنديش لأول مرة الهيدروجين أثناء إذابة المعادن في الأحماض المخففة. تم اختراع أول خلية وقود هيدروجينية في عام 1839 على يد ويليام جروف. ومنذ ذلك الحين، تم تحسين خلايا الوقود الهيدروجيني تدريجيًا، ويتم تركيبها الآن في المكوكات الفضائية، لتزويدها بالطاقة وتكون بمثابة مصدر للمياه. اليوم، تكنولوجيا خلايا الوقود الهيدروجيني على وشك الوصول إلى السوق الشامل، في السيارات والمنازل والأجهزة المحمولة.

في خلية الوقود الهيدروجيني، يتم تحويل الطاقة الكيميائية (على شكل هيدروجين وأكسجين) مباشرة (بدون احتراق) إلى طاقة كهربائية. تتكون خلية الوقود من الكاثود والأقطاب الكهربائية والأنود. يتم تغذية الهيدروجين إلى القطب الموجب، حيث ينقسم إلى بروتونات وإلكترونات. البروتونات والإلكترونات لها طرق مختلفة للوصول إلى الكاثود. تنتقل البروتونات عبر القطب إلى الكاثود، وتنتقل الإلكترونات حول خلايا الوقود للوصول إلى الكاثود. وتولد هذه الحركة طاقة كهربائية قابلة للاستخدام فيما بعد. وعلى الجانب الآخر، تتحد بروتونات وإلكترونات الهيدروجين مع الأكسجين لتكوين الماء.

تعد المحللات الكهربائية إحدى طرق استخلاص الهيدروجين من الماء. هذه العملية هي في الأساس عكس ما يحدث عندما تعمل خلية وقود الهيدروجين. يتكون المحلل الكهربائي من أنود وخلية كهروكيميائية وكاثود. يتم تطبيق الماء والجهد على الأنود، الذي يقسم الماء إلى هيدروجين وأكسجين. يمر الهيدروجين عبر الخلية الكهروكيميائية إلى الكاثود ويتم تغذية الأكسجين مباشرة إلى الكاثود. ومن هناك يمكن استخلاص الهيدروجين والأكسجين وتخزينهما. خلال الأوقات التي لا تكون هناك حاجة لإنتاج الكهرباء، يمكن سحب الغاز المتراكم من المخزن وإعادته عبر خلية الوقود.

يستخدم هذا النظام الهيدروجين كوقود، وربما يكون هذا هو سبب وجود العديد من الأساطير حول سلامته. بعد انفجار هيندنبورغ، أصبح الكثير من الناس بعيدين عن العلم وحتى بعض العلماء يعتقدون أن استخدام الهيدروجين أمر خطير للغاية. لكن الأبحاث الحديثة أثبتت أن سبب هذه المأساة يرجع إلى نوع المادة التي استخدمت في البناء، وليس إلى الهيدروجين الذي تم ضخه داخله. وبعد إجراء اختبارات على سلامة تخزين الهيدروجين، تبين أن تخزين الهيدروجين في خلايا الوقود أكثر أماناً من تخزين البنزين في خزان وقود السيارة.

ما هي تكلفة خلايا الوقود الهيدروجينية الحديثة؟ وتقدم الشركات حاليًا أنظمة وقود الهيدروجين لإنتاج الطاقة بحوالي 3000 دولار لكل كيلووات. أثبتت أبحاث السوق أنه عندما تنخفض التكلفة إلى 1500 دولار لكل كيلووات، سيكون المستهلكون في سوق الطاقة الشامل جاهزين للتحول إلى هذا النوع من الوقود.

لا تزال مركبات خلايا الوقود الهيدروجينية أكثر تكلفة من مركبات محركات الاحتراق الداخلي، لكن الشركات المصنعة تستكشف طرقًا لرفع السعر إلى مستوى مماثل. في بعض المناطق النائية حيث لا توجد خطوط كهرباء، قد يكون استخدام الهيدروجين كوقود أو مصدر طاقة مستقل في المنزل أكثر اقتصادا الآن من، على سبيل المثال، بناء البنية التحتية لحاملات الطاقة التقليدية.

لماذا لا تزال خلايا الوقود الهيدروجينية غير مستخدمة على نطاق واسع؟ في الوقت الحالي، تعتبر تكلفتها العالية هي المشكلة الرئيسية لتوزيع خلايا وقود الهيدروجين. أنظمة وقود الهيدروجين ببساطة ليس لديها طلب كبير في الوقت الحالي. ومع ذلك، فإن العلم لا يقف ساكنا وفي المستقبل القريب يمكن أن تصبح السيارة التي تعمل بالمياه حقيقة واقعة.

www.tesla-tehnika.biz

يقول رجل الأعمال دانيلا شابوشنيكوف إنه تعهد بإحضار المنتج إلى السوق من المختبر. تقوم شركة Startup AT Energy بتصنيع خلايا وقود الهيدروجين التي ستسمح للطائرات بدون طيار بالتحليق عدة مرات أطول مما هي عليه الآن.

تساعد رائدة الأعمال دانيلا شابوشنيكوف العلماء يوري دوبروفولسكي وسيرجي نيفيدكين في تسويق اختراعهم - خلايا وقود الهيدروجين المدمجة التي يمكنها العمل لعدة ساعات دون خوف من الصقيع والرطوبة. لقد اجتذبت شركة AT Energy التي أنشأوها بالفعل حوالي 100 مليون روبل. وتستعد الشركة لغزو السوق العالمية للطائرات بدون طيار التي تبلغ قيمتها 7 مليارات دولار، والتي تستخدم حتى الآن بشكل أساسي بطاريات الليثيوم أيون.

من المختبر إلى السوق

بدأ العمل من خلال معرفة شابوشنيكوف باثنين من أطباء العلوم في مجال الطاقة والكيمياء الكهربائية - دوبروفولسكي من معهد مشاكل الفيزياء الكيميائية التابع للأكاديمية الروسية للعلوم في تشيرنوغولوفكا ونيفيدكين، الذي يرأس مركز الطاقة الهيدروجينية في موسكو. معهد هندسة الطاقة. كانت لدى الأساتذة فكرة عن كيفية صنع خلايا وقود منخفضة الحرارة، لكنهم لم يفهموا كيفية طرح اختراعهم في السوق. يتذكر شابوشنيكوف في مقابلة مع RBC: "لقد تصرفت كرجل أعمال ومستثمر خاطر بجلب المنتج إلى السوق من المختبر".

في أغسطس 2012، قام شابوشنيكوف ودوبروفولسكي ونيفيدكين بالتسجيل في شركة AT Energy (AT Energy LLC) وبدأوا في إعداد النماذج الأولية. تقدمت الشركة بطلب وأصبحت من سكان سكولكوفو. طوال عام 2013، في قاعدة المعهد المستأجرة في تشيرنوغولوفكا، عمل مؤسسو AT Energy على زيادة عمر بطاريات خلايا الوقود بشكل جذري. يقول شابوشنيكوف: "تشيرنوغولوفكا مدينة علمية، ومن السهل جدًا العثور على مساعدين مختبريين ومهندسين وكيميائيين كهربائيين وإشراكهم هناك". ثم انتقلت AT Energy إلى منطقة تشيرنوغولوفسكي الصناعية. هناك ظهر المنتج الأول - خلية وقود للطائرات بدون طيار.

إن "قلب" خلية الوقود التي طورتها شركة AT Energy عبارة عن كتلة قطبية غشائية يحدث فيها تفاعل كهروكيميائي: من ناحية، يتم توفير الهواء بالأكسجين، ومن ناحية أخرى، الهيدروجين الغازي المضغوط، نتيجة تفاعل كيميائي لأكسدة الهيدروجين، يتم توليد الطاقة.

بالنسبة لمنتج حقيقي، تمكنت AT Energy من الحصول على منحتين من Skolkovo (إجمالي ما يقرب من 47 مليون روبل)، بالإضافة إلى جذب حوالي مليون دولار من الاستثمارات. آمن صندوق North Energy Ventures بالمشروع (حصل على 13.8٪ من AT Energy، وشابوشنيكوف نفسه شريكها)، وصندوق Phystech Ventures الاستثماري (13.8٪)، الذي أسسه خريجو معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا، ومطور Morton (10%); يمتلك شابوشنيكوف ودوبروفولسكي مباشرة الآن 26.7٪ من AT Energy، ونيفيدكين - 9٪ (كل ذلك وفقًا لسجل الدولة الموحد للكيانات القانونية).

في الطاقة بالأرقام

حوالي 1 00 مليون روبل— المبلغ الإجمالي للاستثمارات التي تم جذبها

3-30 كجم- كتلة الطائرات بدون طيار التي تصنع لها شركة AT Energy أنظمة الطاقة

7 مليارات دولارسنويًا - حجم سوق الطائرات بدون طيار العالمية في عام 2015

90 مليون دولار- حجم السوق الروسية للطائرات العسكرية بدون طيار في عام 2014

5 ملايين دولار- حجم السوق المدنية الروسية للطائرات بدون طيار في عام 2014

2.6 مليار دولار– حجم سوق خلايا الوقود العالمية في عام 2014

المصدر: بيانات الشركة، Business Insider، الأسواق والأسواق

تطير لفترة أطول، وحتى لفترة أطول

واليوم، يستخدم ما يقرب من 80% من الطائرات بدون طيار في العالم محركات كهربائية تعمل ببطاريات الليثيوم أيون أو بطاريات الليثيوم بوليمر. "المشكلة الأكبر في البطاريات هي أن حجمها محدود. إذا كنت تريد ضعف الطاقة، ضع بطارية أخرى، وأخرى، وهكذا. ويوضح شابوشنيكوف أن العامل الأكثر أهمية في الطائرات بدون طيار هو كتلتها.

تحدد كتلة الطائرة بدون طيار حمولتها - عدد الأجهزة التي يمكن تعليقها عليها (على سبيل المثال، الكاميرات، وأجهزة التصوير الحراري، وأجهزة المسح الضوئي، وما إلى ذلك)، وكذلك وقت الرحلة. حتى الآن، تطير الطائرات بدون طيار في الغالب من نصف ساعة إلى ساعة ونصف. يقول شابوشنيكوف: "لم يكن الأمر مثيراً للاهتمام لمدة نصف ساعة". "اتضح أنه بمجرد رفعه في الهواء، فقد حان الوقت لتغيير البطارية." بالإضافة إلى ذلك، تتصرف بطاريات الليثيوم أيون بشكل متقلب عند درجات الحرارة المنخفضة. يدعي شابوشنيكوف أن خلايا الوقود التي تم تطويرها في AT Energy تسمح للطائرات بدون طيار بالتحليق لفترة أطول بما يصل إلى خمس مرات: من ساعتين ونصف إلى أربع ساعات، ولا تخاف من الصقيع (حتى 20 درجة تحت الصفر).

تقوم شركة AT Energy بشراء المواد الاستهلاكية والمكونات لبطارياتها في روسيا وخارجها. يوضح شابوشنيكوف: "بالنسبة للتطورات العلمية، يتم ضمنيًا سلسلة صغيرة، لذلك لا يمكننا حتى الآن إعطاء المصنعين الروس المحتملين للمكونات التي نحتاجها إلى أفق تخطيط حتى يتمكنوا من توطين إنتاجهم".

في عام 2014، نفذت شركة AT Energy العقود الأولى: حيث قامت بتزويد الجيش بـ 20 نظام بطارية تعتمد على خلايا الوقود الخاصة بها (لم يذكر شابوشنيكوف اسم العميل). كما تم تجهيزهم بطائرات بدون طيار تابعة لشركة AFM-Servers، والتي استخدمتها عند تصوير دورة الألعاب الأولمبية في سوتشي. يتذكر شابوشنيكوف قائلاً: "كان أحد أهداف الشركة هو اختبار أنظمتنا على طائرات بدون طيار، ولم نهتم إذا كنا ندفع مقابل ذلك أم لا". حتى الآن، وقعت شركة AT Energy عددًا من العقود والعقود المسبقة، والتي تبلغ إيراداتها المحتملة، وفقًا لشابوشنيكوف، 100 مليون روبل. (بشكل رئيسي مع الوكالات الحكومية).

لم يكشف شابوشنيكوف عن النتائج المالية لشركة AT Energy. وفقًا لـ Kontur.Fokus، بلغت إيرادات الشركة في عام 2014 12.4 مليون روبل. وخسارة صافية قدرها 1.2 مليون روبل. وتتراوح تكلفة خلايا الوقود التي تصل طاقتها إلى 0.5 كيلوواط والتي تنتجها شركة AT Energy، بحسب شابوشنيكوف، من 10 إلى 25 ألف دولار، حسب نوع الطائرة بدون طيار ومهامها ومدة الرحلة وغيرها من المعالم.

إن انخفاض قيمة الروبل، بحسب شابوشنيكوف، سيسهل على الشركة دخول السوق العالمية. ويقول: "لقد وضعنا لأنفسنا هدفًا في عام 2016 يتمثل في إقامة علاقات مع اللاعبين الغربيين، وفي عام 2017 لتصنيع المنتجات الأولى للأنواع الرئيسية من الطائرات بدون طيار الأجنبية".

مستثمر

"نجحت شركة AT Energy في إنشاء خلية وقود ذات خصائص فريدة"

أوليغ بيرتسوفسكي، مدير العمليات لمجموعة تقنيات كفاءة الطاقة في مؤسسة سكولكوفو

"لقد تمكنوا من صنع جهاز يعمل في درجات حرارة سلبية، في حين أنه صغير الحجم وغير مكلف للغاية. بالنسبة للمشاريع كثيفة المعرفة، فإن الأربع سنوات هي فترة زمنية قصيرة، لذا فهي تتحرك بوتيرة طبيعية، في رأينا. تعد الطائرات بدون طيار واحدة من التطبيقات الواضحة والأكثر واعدة لخلايا الوقود. من خلال استبدال مصدر الطاقة، ستكون الطائرة بدون طيار قادرة على زيادة وقت الرحلة عدة مرات بنفس خصائص الكتلة والأبعاد. هناك أيضًا سوق لإمدادات الطاقة المستقلة، على سبيل المثال للشبكات الخلوية، حيث توجد حاجة كبيرة لمصادر طاقة منخفضة الطاقة في المناطق النائية حيث لا توجد شبكات كهربائية.

"إن إنشاء منتج تنافسي ودخول هذا السوق ينطوي على مخاطر استثمارية كبيرة"

سيرجي فيليمونوف، رئيس صندوق GS Venture Corporate Venture Fund (جزء من GS Group)

"إن سوق خلايا الوقود عالية السعة أوسع بكثير وأكثر تعقيدًا من مجال الطائرات بدون طيار. لكن خلايا الوقود سيتعين عليها التنافس مع عدد من مصادر الطاقة الحالية، سواء من حيث الكفاءة أو التكلفة. ينطوي إنشاء منتج تنافسي ودخول هذا السوق على مخاطر استثمارية كبيرة. بالنسبة لشركة GS Venture، تعد مجالات الطائرات بدون طيار وخلايا الوقود مثيرة للاهتمام للغاية، لكن الصندوق ليس مستعدًا للاستثمار في شركة ناشئة لمجرد أن هذه الشركة تعمل في مجال ناشئ وتستهدف سوقًا سريعة النمو.

العملاء

"هذه هي أفضل التقنيات المتوفرة في السوق، ولكنها باهظة الثمن"

أوليغ بانفيلينوك، المؤسس والرئيس التنفيذي لشركة Copter Express

"تمتلك شركة AT Energy تقنية قوية جدًا. تتيح مجموعة "خلية الوقود بالإضافة إلى خزان الهيدروجين" تحقيق قدرة طاقة موثوقة، أعلى بكثير من بطاريات الليثيوم بوليمر أو بطاريات الليثيوم أيون. لقد صممنا بالفعل طائرة بدون طيار لرسم الخرائط، يبلغ قطرها حوالي متر واحد، لتطير فوق مساحة كبيرة - إذا وضعت عليها خلايا وقود الهيدروجين، فسوف تطير لمدة تصل إلى أربع ساعات. سيكون الأمر مناسبًا وفعالًا، فلن تضطر إلى زرع الجهاز عدة مرات لإعادة الشحن.

في الوقت الحالي، إنها بالتأكيد أفضل تقنية في السوق، ولكن هناك مشكلة واحدة: أنها باهظة الثمن بالنسبة لنا. يمكن أن تكلف بطارية واحدة من AT Energy حوالي 500 ألف روبل. - ترتيب أعلى من بطارية الليثيوم بوليمر. نعم، إنها أرخص مرة ونصف من نظائرها الأجنبية، لكننا نحتاج إلى عشرة. نحن لسنا عسكريين، لدينا ميزانيات، نحن شركة تجارية ولسنا مستعدين لدفع أموال كبيرة. بالنسبة للجيش، فإن خصائص الطائرة بدون طيار أكثر أهمية من تكلفتها، ولكن بالنسبة للتجارة، على العكس من ذلك، من الأفضل أن نجعلها أسوأ، ولكن أرخص.

"إن وقت طيران الطائرة بدون طيار للعديد من المهام هو العامل الأكثر أهمية"

مكسيم شينكيفيتش، الرئيس التنفيذي لمجموعة شركات الأنظمة غير المأهولة

"نحن على دراية كبيرة بشركة AT Energy وقد وقعنا اتفاقية تعاون معهم. لقد انتهينا مؤخرًا من تطوير طائرة متعددة المروحيات كبيرة الحجم جديدة بحمولة تصل إلى 2 كجم، والتي سيتم تجهيزها بخلايا الوقود من AT Energy وسوف تطير من 2.5 إلى 4 ساعات. على بطاريات الليثيوم، يمكن لهذه الطائرة بدون طيار أن تطير لمدة 30 دقيقة فقط. يمكن استخدام هذه الطائرة بدون طيار للأغراض المدنية والعسكرية على حد سواء - فهي نظام مراقبة بالفيديو للبحث عن الأشخاص وإنقاذهم، ونحن مستعدون بالفعل لإطلاقها في سلسلة. لدينا بالفعل أول عميل مدني لها، وبمجرد أن نعرضها أثناء العمل، ستظهر عقود أخرى.

إحدى المشاكل الرئيسية في الاستخدام الشامل لخلايا الوقود هي عدم وجود شبكة من المحطات لشحنها. إنها أكثر تكلفة من البطاريات (مما يؤدي إلى زيادة بنسبة 15% في تكلفة استخدام الطائرة بدون طيار)، ولكن في المقابل تحصل على أكثر من ضعف مدة الرحلة. يعد وقت طيران الطائرة بدون طيار للعديد من المهام هو العامل الأكثر أهمية.

ناتاليا سوفوروفا

خلايا الوقود خلايا الوقود هي مصادر الطاقة الكيميائية. وهي تقوم بالتحويل المباشر لطاقة الوقود إلى كهرباء، متجاوزة عمليات الاحتراق غير الفعالة وعالية الخسارة. هذا الجهاز الكهروكيميائي، نتيجة لاحتراق الوقود "البارد" عالي الكفاءة، يولد الكهرباء مباشرة.

أثبت علماء الكيمياء الحيوية أن خلية وقود الهيدروجين والأكسجين البيولوجية "مدمجة" في كل خلية حية (انظر الفصل الثاني).

مصدر الهيدروجين في الجسم هو الغذاء - الدهون والبروتينات والكربوهيدرات. وفي المعدة والأمعاء والخلايا، يتحلل في النهاية إلى مونومرات، والتي بدورها، بعد سلسلة من التحولات الكيميائية، تعطي الهيدروجين المرتبط بالجزيء الحامل.

يدخل الأكسجين من الهواء إلى الدم عبر الرئتين، ويتحد مع الهيموجلوبين وينتقل إلى جميع الأنسجة. إن عملية دمج الهيدروجين مع الأكسجين هي أساس الطاقة الحيوية في الجسم. هنا، في ظل الظروف المعتدلة (درجة حرارة الغرفة، الضغط الطبيعي، البيئة المائية)، يتم تحويل الطاقة الكيميائية ذات الكفاءة العالية إلى حرارية، ميكانيكية (حركة العضلات)، كهرباء (منحدر كهربائي)، ضوء (حشرات ينبعث منها ضوء).

كرر الإنسان مرة أخرى جهاز الحصول على الطاقة التي خلقتها الطبيعة. وفي الوقت نفسه، تشير هذه الحقيقة إلى آفاق الاتجاه. جميع العمليات في الطبيعة عقلانية للغاية، لذا فإن الخطوات نحو الاستخدام الحقيقي لخلايا الوقود تبعث الأمل في مستقبل الطاقة.

يعود اكتشاف خلية وقود الهيدروجين والأكسجين في عام 1838 إلى العالم الإنجليزي دبليو جروف. أثناء التحقيق في تحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين، اكتشف أثرًا جانبيًا - أنتج المحلل الكهربائي تيارًا كهربائيًا.

ما الذي يحترق في خلية الوقود؟
يتكون الوقود الأحفوري (الفحم والغاز والنفط) في الغالب من الكربون. أثناء الاحتراق، تفقد ذرات الوقود إلكترونات، وتكتسبها ذرات أكسجين الهواء. لذلك، في عملية الأكسدة، يتم دمج ذرات الكربون والأكسجين في منتجات الاحتراق - جزيئات ثاني أكسيد الكربون. وهذه العملية قوية: حيث تكتسب ذرات وجزيئات المواد المشاركة في الاحتراق سرعات عالية، مما يؤدي إلى زيادة درجة حرارتها. يبدأون في إصدار الضوء - يظهر اللهب.

التفاعل الكيميائي لاحتراق الكربون له الشكل:

ج + O2 = ثاني أكسيد الكربون + الحرارة

وفي عملية الاحتراق تتحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية نتيجة لتبادل الإلكترونات بين ذرات الوقود والمؤكسد. يحدث هذا التبادل بشكل عشوائي.

الاحتراق هو تبادل الإلكترونات بين الذرات، والتيار الكهربائي هو الحركة الموجهة للإلكترونات. إذا اضطرت الإلكترونات إلى بذل شغل أثناء التفاعل الكيميائي، فإن درجة حرارة عملية الاحتراق ستنخفض. في FC، يتم أخذ الإلكترونات من المواد المتفاعلة عند أحد القطبين، وتتخلى عن طاقتها في شكل تيار كهربائي، وتنضم إلى المواد المتفاعلة في القطب الآخر.

أساس أي HIT هو قطبين متصلين بواسطة المنحل بالكهرباء. تتكون خلية الوقود من أنود وكاثود وإلكتروليت (انظر الفصل الثاني). يتأكسد عند الأنود، أي. يتبرع بالإلكترونات، وعامل الاختزال (وقود CO أو H2)، وتدخل الإلكترونات الحرة من الأنود إلى الدائرة الخارجية، ويتم الاحتفاظ بالأيونات الموجبة في واجهة الأنود والكهارل (CO+، H+). من الطرف الآخر من السلسلة، تقترب الإلكترونات من الكاثود، حيث يحدث تفاعل الاختزال (إضافة الإلكترونات بواسطة عامل الأكسدة O2–). يتم بعد ذلك نقل الأيونات المؤكسدة بواسطة المنحل بالكهرباء إلى الكاثود.

في FC، يتم جمع ثلاث مراحل من النظام الفيزيائي الكيميائي معا:

الغاز (الوقود، المؤكسد)؛
المنحل بالكهرباء (موصل الأيونات) ؛
قطب معدني (موصل للإلكترونات).
في خلايا الوقود، يتم تحويل طاقة تفاعل الأكسدة والاختزال إلى طاقة كهربائية، ويتم فصل عمليتي الأكسدة والاختزال مكانيًا بواسطة المنحل بالكهرباء. لا تشارك الأقطاب الكهربائية والكهارل في التفاعل، ولكن في التصاميم الحقيقية تصبح ملوثة بشوائب الوقود مع مرور الوقت. يمكن أن يستمر الاحتراق الكهروكيميائي عند درجات حرارة منخفضة وبدون خسائر تقريبًا. على الشكل. توضح الصفحة p087 الحالة التي يدخل فيها خليط من الغازات (CO وH2) إلى خلية الوقود، أي. يمكنه حرق الوقود الغازي (انظر الفصل 1). وهكذا، تبين أن TE "آكلة اللحوم".

إن استخدام خلايا الوقود معقد بسبب حقيقة أنه يجب "تحضير" الوقود لها. بالنسبة لخلايا الوقود، يتم الحصول على الهيدروجين عن طريق تحويل الوقود العضوي أو تغويز الفحم. ولذلك، فإن المخطط التفصيلي لمحطة توليد الطاقة على خلية الوقود، بالإضافة إلى بطاريات خلية الوقود، ومحول التيار المستمر إلى التيار المتردد (انظر الفصل 3) والمعدات المساعدة، يتضمن وحدة إنتاج الهيدروجين.

اتجاهان لتطوير FC

هناك مجالان لتطبيق خلايا الوقود: الطاقة المستقلة والواسعة النطاق.

بالنسبة للاستخدام المستقل، فإن الخصائص المحددة وسهولة الاستخدام هي الخصائص الرئيسية. تكلفة الطاقة المولدة ليست المؤشر الرئيسي.

بالنسبة لتوليد الطاقة بكميات كبيرة، تعد الكفاءة عاملاً حاسماً. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون المنشآت متينة، ولا تحتوي على مواد باهظة الثمن، وأن تستخدم الوقود الطبيعي بأقل تكاليف إعداد.

يتم تقديم أعظم الفوائد من خلال استخدام خلايا الوقود في السيارة. هنا، كما هو الحال في أي مكان آخر، سيكون لضغط خلايا الوقود تأثيره. ومع الاستلام المباشر للكهرباء من الوقود، سيبلغ توفير الأخير حوالي 50%.

ولأول مرة، صاغ فكرة استخدام خلايا الوقود في هندسة الطاقة على نطاق واسع العالم الألماني دبليو أوزوالد في عام 1894. وفي وقت لاحق، تم تطوير فكرة إنشاء مصادر فعالة للطاقة المستقلة تعتمد على خلية الوقود.

وبعد ذلك جرت محاولات متكررة لاستخدام الفحم كمادة فعالة في خلايا الوقود. في ثلاثينيات القرن العشرين، أنشأ الباحث الألماني إي. باور نموذجًا أوليًا مختبريًا لخلية وقود تحتوي على إلكتروليت صلب للأكسدة الأنودية المباشرة للفحم. وفي الوقت نفسه، تمت دراسة خلايا وقود الأكسجين والهيدروجين.

في عام 1958، في إنجلترا، أنشأ F. Bacon أول مصنع للأكسجين والهيدروجين بسعة 5 كيلو واط. لكنها كانت مرهقة بسبب استخدام ضغط الغاز العالي (2 ... 4 ميجا باسكال).

منذ عام 1955، قامت شركة K. Kordesh بتطوير خلايا وقود الأكسجين والهيدروجين ذات درجة الحرارة المنخفضة في الولايات المتحدة الأمريكية. لقد استخدموا أقطاب الكربون مع محفزات البلاتين. في ألمانيا، عمل E. Yust على إنشاء محفزات غير البلاتين.

بعد عام 1960، تم إنشاء عينات توضيحية وإعلانية. تم العثور على أول تطبيق عملي لخلايا الوقود على مركبة أبولو الفضائية. كانت محطات الطاقة الرئيسية لتشغيل المعدات الموجودة على متن الطائرة وزودت رواد الفضاء بالمياه والحرارة.

كانت مجالات الاستخدام الرئيسية لمنشآت FC خارج الشبكة هي التطبيقات العسكرية والبحرية. وفي نهاية الستينيات، انخفض حجم الأبحاث المتعلقة بخلايا الوقود، وبعد الثمانينيات، زاد مرة أخرى فيما يتعلق بالطاقة واسعة النطاق.

قامت VARTA بتطوير FCs باستخدام أقطاب نشر الغاز على الوجهين. تسمى الأقطاب الكهربائية من هذا النوع "يانوس". قامت شركة Siemens بتطوير أقطاب كهربائية ذات كثافة طاقة تصل إلى 90 واط/كجم. وفي الولايات المتحدة، يتم تنفيذ العمل على خلايا الأكسجين والهيدروجين من قبل شركة United Technology Corp.

في صناعة الطاقة واسعة النطاق، يعد استخدام خلايا الوقود لتخزين الطاقة على نطاق واسع، على سبيل المثال، إنتاج الهيدروجين (انظر الفصل 1)، أمرًا واعدًا للغاية. (الشمس والرياح) متفرقتان (انظر الفصل 4). إن استخدامها الجاد، الذي لا غنى عنه في المستقبل، لا يمكن تصوره بدون بطاريات واسعة النطاق تخزن الطاقة بشكل أو بآخر.

إن مشكلة التراكم أصبحت ذات صلة بالفعل اليوم: فالتقلبات اليومية والأسبوعية في حمل أنظمة الطاقة تقلل بشكل كبير من كفاءتها وتتطلب ما يسمى بقدرات المناورة. أحد خيارات تخزين الطاقة الكهروكيميائية هو خلية الوقود مع المحلل الكهربائي وحوامل الغاز*.

* حامل غاز [ غاز + انجليزي . حامل] - مخزن لكميات كبيرة من الغاز.

الجيل الأول من TE

وصلت خلايا الوقود متوسطة الحرارة من الجيل الأول، والتي تعمل عند درجة حرارة 200...230 درجة مئوية بالوقود السائل أو الغاز الطبيعي أو الهيدروجين التقني*، إلى أعلى مستويات الكمال التكنولوجي. المنحل بالكهرباء فيها هو حمض الفوسفوريك، الذي يملأ مصفوفة الكربون المسامية. الأقطاب الكهربائية مصنوعة من الكربون والمحفز هو البلاتين (يستخدم البلاتين بكميات في حدود بضعة جرامات لكل كيلووات من الطاقة).

* الهيدروجين التجاري هو منتج لتحويل الوقود الأحفوري يحتوي على شوائب بسيطة من أول أكسيد الكربون.

تم تشغيل إحدى محطات الطاقة هذه في ولاية كاليفورنيا في عام 1991. وتتكون من ثمانية عشر بطارية تزن كل منها 18 طنًا ويتم وضعها في علبة يبلغ قطرها ما يزيد قليلاً عن 2 متر وارتفاعها حوالي 5 أمتار، وقد تم التفكير في إجراء استبدال البطارية باستخدام هيكل إطار يتحرك على طول القضبان.

سلمت الولايات المتحدة محطتين لتوليد الطاقة إلى اليابان. تم إطلاق أولها في أوائل عام 1983. يتوافق الأداء التشغيلي للمحطة مع الأداء المحسوب. عملت بحمولة تتراوح بين 25 إلى 80٪ من القيمة الاسمية. وصلت الكفاءة إلى 30...37% - وهذا قريب من محطات الطاقة الحرارية الكبيرة الحديثة. زمن بدء تشغيله من الحالة الباردة هو من 4 ساعات إلى 10 دقائق، ومدة تغيير الطاقة من الصفر إلى الكامل هي 15 ثانية فقط.

يتم الآن في أجزاء مختلفة من الولايات المتحدة اختبار محطات توليد الطاقة والحرارة الصغيرة المدمجة بقدرة 40 كيلووات مع عامل استخدام للوقود يبلغ حوالي 80٪. يمكنها تسخين المياه حتى 130 درجة مئوية ويتم وضعها في المغاسل والمجمعات الرياضية ونقاط الاتصال وما إلى ذلك. لقد عملت حوالي مائة منشأة بالفعل لما مجموعه مئات الآلاف من الساعات. تسمح الصداقة البيئية لمحطات توليد الطاقة التي تعمل بالفلوريد (FC) بوضعها مباشرة في المدن.

أول محطة لتوليد الكهرباء بالوقود في نيويورك بقدرة 4.5 ميجاوات، تشغل مساحة 1.3 هكتار. أما الآن، بالنسبة للمحطات الجديدة التي تبلغ طاقتها ضعفين ونصف، هناك حاجة إلى موقع بمساحة 30x60 م، ويجري بناء العديد من محطات الطاقة التجريبية بقدرة 11 ميجاوات. مدة البناء (7 أشهر) والمساحة (30 × 60 م) التي تشغلها محطة توليد الكهرباء ملفتة للنظر. العمر التشغيلي المقدر لمحطات الطاقة الجديدة هو 30 عامًا.

الجيل الثاني والثالث TE

تم بالفعل تصميم محطات معيارية بقدرة 5 ميجاوات مع خلايا وقود متوسطة الحرارة من الجيل الثاني بأفضل الخصائص. أنها تعمل في درجات حرارة 650...700 درجة مئوية. تصنع أنوداتها من جزيئات ملبدة من النيكل والكروم، والكاثودات مصنوعة من الألومنيوم الملبد والمؤكسد، والكهارل عبارة عن ذوبان خليط من كربونات الليثيوم والبوتاسيوم. تساعد درجة الحرارة المرتفعة على حل مشكلتين كهروكيميائيتين رئيسيتين:

تقليل "تسمم" المحفز بأول أكسيد الكربون؛
زيادة كفاءة عملية اختزال المؤكسد عند الكاثود.
وستكون خلايا الوقود عالية الحرارة من الجيل الثالث التي تحتوي على إلكتروليت من الأكاسيد الصلبة (بشكل أساسي ثاني أكسيد الزركونيوم) أكثر كفاءة. درجة حرارة التشغيل الخاصة بهم تصل إلى 1000 درجة مئوية. وتقترب كفاءة محطات توليد الطاقة التي تستخدم خلايا الوقود هذه من 50%. هنا، تكون منتجات تغويز الفحم الصلب التي تحتوي على نسبة كبيرة من أول أكسيد الكربون مناسبة أيضًا كوقود. وبنفس القدر من الأهمية، يمكن استخدام الحرارة المهدرة من المحطات ذات درجات الحرارة المرتفعة لإنتاج البخار لتشغيل توربينات المولدات الكهربائية.

يعمل فيستينجاوس في مجال خلايا وقود الأكسيد الصلب منذ عام 1958. وتقوم بتطوير محطات توليد كهرباء بقدرة 25 ... 200 كيلووات، حيث يمكن استخدام الوقود الغازي من الفحم. ويجري الآن إعداد المنشآت التجريبية بقدرة عدة ميغاوات للاختبار. وتقوم شركة أمريكية أخرى، هي إنجلجورد، بتصميم خلايا وقود بقدرة 50 كيلووات تعمل بالميثانول مع حمض الفوسفوريك كإلكتروليت.

تشارك المزيد والمزيد من الشركات في جميع أنحاء العالم في إنتاج خلايا الوقود. وشكلت شركة يونايتد تكنولوجي الأمريكية وتوشيبا اليابانية الشركة الدولية لخلايا الوقود. وفي أوروبا، يعمل الكونسورتيوم البلجيكي الهولندي إلينكو، وشركة سيمنز الألمانية الغربية، وشركة فيات الإيطالية، وشركة جونسون ميتجو البريطانية في مجال خلايا الوقود.

فيكتور لافروس.

إذا أعجبتك هذه المادة، فنحن نقدم لك مجموعة مختارة من أفضل المواد الموجودة على موقعنا وفقًا لقرائنا. يمكنك العثور على مجموعة مختارة - TOP حول التقنيات الصديقة للبيئة والعلوم الجديدة والاكتشافات العلمية حيث يكون ذلك أكثر ملاءمة لك