كفاءة خلايا الوقود. خلايا وقود الهيدروجين. أنواع خلايا الوقود

خلية وقود الهيدروجين في نيسان

تتحسن الإلكترونيات المحمولة كل عام ، وتصبح أكثر انتشارًا ويمكن الوصول إليها بشكل أكبر: أجهزة المساعد الرقمي الشخصي وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة المحمولة والرقمية وإطارات الصور وما إلى ذلك ، يتم تحديثها جميعًا باستمرار بميزات جديدة وشاشات أكبر واتصالات لاسلكية ومعالجات أقوى مع تناقص في الحجم. تقنيات الطاقة ، على عكس تكنولوجيا أشباه الموصلات ، لا تسير بسرعة فائقة.

أصبحت البطاريات والمراكم المتاحة لتشغيل إنجازات الصناعة غير كافية ، لذا فإن مسألة المصادر البديلة حادة للغاية. خلايا الوقود هي إلى حد بعيد الاتجاه الواعد. تم اكتشاف مبدأ تشغيلهم في عام 1839 من قبل ويليام جروف ، الذي قام بتوليد الكهرباء عن طريق تغيير التحليل الكهربائي للماء.

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

خلايا الوقود تهم مصنعي السيارات ، كما يهتم بها مبتكرو المركبات الفضائية. في عام 1965 ، تم اختبارهم حتى من قبل أمريكا على الجوزاء 5 التي تم إطلاقها في الفضاء ، وبعد ذلك على أبولو. يتم استثمار ملايين الدولارات في أبحاث خلايا الوقود حتى اليوم ، عندما تكون هناك مشاكل مرتبطة بالتلوث البيئي ، وزيادة انبعاثات غازات الاحتباس الحراري من احتراق الوقود الأحفوري ، والاحتياطيات منها أيضًا ليست بلا حدود.

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

كونها ، مثل البطاريات والمراكم ، خلية كلفانية ، ولكن مع اختلاف المواد الفعالة يتم تخزينها 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 ليس من السهل ترجمة مبدأ العمل البسيط المظهر إلى واقع.

خلية وقود DIY

فيديو: خلية وقود الهيدروجين DIY

لسوء الحظ ، ليس لدينا صور لما يجب أن يبدو عليه عنصر الوقود هذا ، نأمل أن تكون 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 (ببساطة أكثر ، الفودكا) ، والذي سيكون بمثابة "وقود" لخلية الوقود.

بادئ ذي بدء ، أنت بحاجة إلى مبيت لخلية الوقود ، وهو الأفضل مصنوعًا من زجاج شبكي ، بسمك لا يقل عن خمسة ملليمترات. يمكن جعل الأقسام الداخلية (خمس مقصورات بالداخل) أرق قليلاً - 3 سم. بالنسبة للالتصاق بالزجاج الشبكي ، يتم استخدام غراء التركيب التالي: يتم إذابة ستة جرامات من رقائق زجاج شبكي في مائة جرام من الكلوروفورم أو ثنائي كلورو الإيثان (تعمل تحت غطاء محرك السيارة ).

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

يعلم الجميع أنه في الجدول الدوري في الزاوية اليسرى السفلية توجد المعادن الأكثر نشاطًا ، وتوجد أشباه الفلزات عالية النشاط في الجدول في الزاوية اليمنى العليا ، أي. تزداد القدرة على التبرع بالإلكترونات من أعلى إلى أسفل ومن اليمين إلى اليسار. العناصر التي يمكن ، في ظل ظروف معينة ، أن تظهر على شكل معادن أو أشباه فلزات موجودة في وسط الجدول.

الآن ، في الجزأين الثاني والرابع ، نسكب الكربون المنشط من قناع الغاز (بين القسم الأول والثاني ، وكذلك الثالث والرابع) ، والذي سيكون بمثابة أقطاب كهربائية. حتى لا ينسكب الفحم من خلال الفتحات ، يمكن وضعه في قماش نايلون (ستعمل جوارب النايلون النسائية). في

سوف يتم تداول الوقود في الغرفة الأولى ، في الغرفة الخامسة يجب أن يكون هناك مورد أكسجين - الهواء. سيكون هناك إلكتروليت بين الأقطاب الكهربائية ، ومن أجل منعه من التسرب إلى غرفة الهواء ، من الضروري نقعه بمحلول من البارافين في البنزين (نسبة 2 جرام من البارافين إلى نصف كوب من البنزين) قبل ملء الحجرة الرابعة بالفحم لإلكتروليت الهواء. على طبقة من الفحم ، تحتاج إلى وضع ألواح نحاسية (مضغوطة قليلاً) ، والتي يتم لحام الأسلاك بها. من خلالهم ، سيتم تحويل التيار من الأقطاب الكهربائية.

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

خلية الوقود جاهزة للاختبار.أنت الآن بحاجة إلى صب الوقود في نفس الوقت في الحجرة الأولى ، والإلكتروليت في الغرفة الثالثة. يجب أن يظهر الفولتميتر الموصول بالأقطاب الكهربائية من 07 فولت إلى 0.9. لضمان التشغيل المستمر للعنصر ، من الضروري تصريف الوقود المستهلك (تصريفه في كوب) وإضافة وقود جديد (من خلال أنبوب مطاطي). يتم التحكم في معدل التغذية عن طريق ضغط الأنبوب. هذه هي الطريقة التي يبدو بها تشغيل خلية الوقود في ظروف المختبر ، والتي تكون قوتها صغيرة بشكل مفهوم.

فيديو: خلية وقود أو بطارية أبدية في المنزل

لجعل القوة أكبر ، عمل العلماء على هذه المشكلة لفترة طويلة. توجد خلايا وقود الميثانول والإيثانول على فولاذ التطوير النشط. ولكن ، للأسف ، لا توجد طريقة حتى الآن لتطبيقها.

لماذا يتم اختيار خلية الوقود كمصدر بديل للطاقة

تم اختيار خلية وقود كمصدر طاقة بديل ، لأن المنتج النهائي لاحتراق الهيدروجين فيه هو الماء. تكمن المشكلة فقط في إيجاد طريقة غير مكلفة وفعالة لإنتاج الهيدروجين. الأموال الضخمة المستثمرة في تطوير مولدات الهيدروجين وخلايا الوقود لا يمكن أن تفشل في أن تؤتي ثمارها ، لذا فإن الاختراق التكنولوجي والاستخدام الحقيقي لها في الحياة اليومية هو مجرد مسألة وقت.

بالفعل اليوم وحوش صناعة السيارات:تعرض جنرال موتورز وهوندا ودريملر كويسلر وبالارد حافلات وسيارات تعمل بخلايا وقود بقوة تصل إلى 50 كيلو واط. لكن المشاكل المرتبطة بسلامتها وموثوقيتها وتكلفتها - لم يتم حلها بعد. كما ذكرنا سابقًا ، على عكس مصادر الطاقة التقليدية - البطاريات والبطاريات ، في هذه الحالة ، يتم توفير المؤكسد والوقود من الخارج ، وتكون خلية الوقود مجرد وسيط في التفاعل المستمر لحرق الوقود وتحويل الطاقة المنبعثة إلى كهرباء . يحدث "الاحتراق" فقط إذا أعطى العنصر تيارًا للحمل ، مثل مولد كهربائي يعمل بالديزل ، ولكن بدون مولد وديزل ، وأيضًا بدون ضوضاء ودخان وسخونة زائدة. في الوقت نفسه ، تكون الكفاءة أعلى بكثير ، حيث لا توجد آليات وسيطة.

فيديو: سيارة تعمل بخلايا وقود الهيدروجين

يتم وضع آمال كبيرة على استخدام التقنيات النانوية والمواد النانوية، مما 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. في نفوسهم ، جنبا إلى جنب مع المؤكسد ، يتم توفير الوقود (الميثان ، على سبيل المثال) إلى العنصر. الحلول مثيرة للاهتمام ، حيث يتم استخدام الأكسجين المذاب في الماء كعامل مؤكسد ، والشوائب العضوية المتراكمة في المياه الملوثة تستخدم كوقود. هذه هي خلايا الوقود الحيوي المزعومة.

يمكن لخلايا الوقود ، وفقًا للخبراء ، أن تدخل السوق الشامل في السنوات القادمة

فوائد خلايا / خلايا الوقود

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

تشبه خلية الوقود البطارية من حيث أنها تولد تيارًا مباشرًا من خلال تفاعل كيميائي. تشتمل خلية الوقود على أنود وكاثود وإلكتروليت. ومع ذلك ، على عكس البطاريات ، لا يمكن لخلايا / خلايا الوقود تخزين الطاقة الكهربائية ولا تفريغها ولا تتطلب الكهرباء لإعادة شحنها. يمكن لخلايا / خلايا الوقود أن تولد الكهرباء باستمرار طالما أنها مزودة بالوقود والهواء.

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

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

تاريخ خلية الوقود / تطور الخلية

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

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

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

ازداد الاهتمام في الخمسينيات والستينيات وكذلك في الثمانينيات عندما واجه العالم الصناعي نقصًا في زيت الوقود. في نفس الفترة ، أصبحت دول العالم أيضًا قلقة بشأن مشكلة تلوث الهواء ودراسة طرق لتوليد الكهرباء الصديقة للبيئة. في الوقت الحاضر ، تخضع تقنية خلايا / خلايا الوقود لتطور سريع.

كيف تعمل خلايا / خلايا الوقود

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

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

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

يوجد أدناه رد الفعل المقابل:

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

أنواع وأنواع خلايا / خلايا الوقود

على غرار وجود أنواع مختلفة من محركات الاحتراق الداخلي ، هناك أنواع مختلفة من خلايا الوقود - يعتمد اختيار النوع المناسب من خلايا الوقود على تطبيقه.

تنقسم خلايا الوقود إلى درجة حرارة عالية ودرجة حرارة منخفضة. تتطلب خلايا الوقود ذات درجة الحرارة المنخفضة هيدروجينًا نقيًا نسبيًا كوقود. هذا يعني غالبًا أن معالجة الوقود مطلوبة لتحويل الوقود الأساسي (مثل الغاز الطبيعي) إلى هيدروجين نقي. تستهلك هذه العملية طاقة إضافية وتتطلب معدات خاصة. لا تحتاج خلايا الوقود ذات درجة الحرارة المرتفعة إلى هذا الإجراء الإضافي ، حيث يمكنها "تحويل الوقود داخليًا" عند درجات حرارة مرتفعة ، مما يعني أنه لا توجد حاجة للاستثمار في البنية التحتية للهيدروجين.

خلايا / خلايا الوقود على الكربونات المنصهرة (MCFC)

خلايا الوقود بالكهرباء المنصهرة عبارة عن خلايا وقود عالية الحرارة. تسمح درجة حرارة التشغيل المرتفعة بالاستخدام المباشر للغاز الطبيعي بدون معالج وقود وغاز وقود منخفض السعرات الحرارية من وقود العمليات ومصادر أخرى.

يختلف تشغيل RCFC عن خلايا الوقود الأخرى. تستخدم هذه الخلايا إلكتروليت من خليط من أملاح الكربونات المنصهرة. حاليًا ، يتم استخدام نوعين من المخاليط: كربونات الليثيوم وكربونات البوتاسيوم أو كربونات الليثيوم وكربونات الصوديوم. لإذابة أملاح الكربونات وتحقيق درجة عالية من تنقل الأيونات في المنحل بالكهرباء ، تعمل خلايا الوقود ذات المنحل بالكهرباء المنصهرة في درجات حرارة عالية (650 درجة مئوية). تتراوح الكفاءة بين 60-80٪.

عند تسخينها لدرجة حرارة 650 درجة مئوية ، تصبح الأملاح موصلاً لأيونات الكربونات (CO 3 2-). تمر هذه الأيونات من القطب السالب إلى القطب الموجب حيث تتحد مع الهيدروجين لتكوين الماء وثاني أكسيد الكربون والإلكترونات الحرة. يتم إرسال هذه الإلكترونات عبر دائرة كهربائية خارجية إلى الكاثود ، لتوليد التيار الكهربائي والحرارة كمنتج ثانوي.

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

درجات حرارة التشغيل العالية لخلايا وقود الكربونات المنصهرة لها مزايا معينة. في درجات الحرارة المرتفعة ، يتم إصلاح الغاز الطبيعي داخليًا ، مما يلغي الحاجة إلى معالج الوقود. بالإضافة إلى ذلك ، تشمل المزايا القدرة على استخدام مواد البناء القياسية ، مثل ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ ومحفز النيكل على الأقطاب الكهربائية. يمكن استخدام الحرارة المهدرة لتوليد بخار عالي الضغط لمختلف التطبيقات الصناعية والتجارية.

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

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

خلايا الوقود / الخلايا القائمة على حمض الفوسفوريك (PFC)

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

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

حامل الشحنة في خلايا الوقود من هذا النوع هو الهيدروجين (H + ، بروتون). تحدث عملية مماثلة في خلايا وقود غشاء تبادل البروتونات ، حيث ينقسم الهيدروجين المزود إلى القطب الموجب إلى بروتونات وإلكترونات. تمر البروتونات عبر المنحل بالكهرباء وتتحد مع الأكسجين من الهواء عند القطب السالب لتكوين الماء. يتم توجيه الإلكترونات على طول دائرة كهربائية خارجية ، ويتم توليد تيار كهربائي. فيما يلي التفاعلات التي تولد الكهرباء والحرارة.

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

تزيد كفاءة خلايا الوقود المعتمدة على حامض الفوسفوريك (orthophosphoric) عن 40٪ عند توليد الطاقة الكهربائية. في الإنتاج المشترك للحرارة والكهرباء ، تبلغ الكفاءة الإجمالية حوالي 85٪. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لدرجات حرارة التشغيل ، يمكن استخدام الحرارة المهدرة لتسخين المياه وتوليد البخار عند الضغط الجوي.

يعد الأداء العالي لمحطات الطاقة الحرارية على خلايا الوقود المعتمدة على حامض الفوسفوريك (orthophosphoric) في الإنتاج المشترك للحرارة والكهرباء أحد مزايا هذا النوع من خلايا الوقود. تستخدم المصانع أول أكسيد الكربون بتركيز حوالي 1.5٪ ، مما يوسع بشكل كبير من اختيار الوقود. بالإضافة إلى ذلك ، لا يؤثر ثاني أكسيد الكربون على المنحل بالكهرباء وتشغيل خلية الوقود ، ويعمل هذا النوع من الخلايا مع الوقود الطبيعي المعدل. البناء البسيط ، وانخفاض تقلب الإلكتروليت وزيادة الاستقرار هي أيضًا مزايا هذا النوع من خلايا الوقود.

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

خلايا / خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFC)

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

يوفر المنحل بالكهرباء الصلب انتقالًا محكمًا للغاز من قطب كهربائي إلى آخر ، بينما توجد الإلكتروليتات السائلة في ركيزة مسامية. حامل الشحنة في خلايا الوقود من هذا النوع هو أيون الأكسجين (O 2-). عند الكاثود ، يتم فصل جزيئات الأكسجين من الهواء إلى أيون أكسجين وأربعة إلكترونات. تمر أيونات الأكسجين عبر المنحل بالكهرباء وتتحد مع الهيدروجين لتكوين أربعة إلكترونات حرة. يتم توجيه الإلكترونات عبر دائرة كهربائية خارجية ، مما يؤدي إلى توليد تيار كهربائي وحرارة مهدرة.

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

تعد كفاءة الطاقة الكهربائية المتولدة هي الأعلى بين جميع خلايا الوقود - حوالي 60-70٪. تسمح درجات حرارة التشغيل العالية بتوليد الحرارة والطاقة معًا لتوليد بخار عالي الضغط. يؤدي الجمع بين خلية وقود عالية الحرارة مع التوربينات إلى إنشاء خلية وقود هجينة لزيادة كفاءة توليد الطاقة بنسبة تصل إلى 75٪.

تعمل خلايا وقود الأكسيد الصلب في درجات حرارة عالية جدًا (600 درجة مئوية إلى 1000 درجة مئوية) ، مما يؤدي إلى وقت طويل للوصول إلى ظروف التشغيل المثلى ، ويكون النظام أبطأ في الاستجابة للتغيرات في استهلاك الطاقة. في درجات حرارة التشغيل المرتفعة هذه ، لا يلزم أي محول لاستعادة الهيدروجين من الوقود ، مما يسمح لمحطة الطاقة الحرارية بالعمل بوقود غير نقي نسبيًا من تغويز الفحم أو غازات النفايات ، وما شابه. أيضًا ، تعتبر خلية الوقود هذه ممتازة لتطبيقات الطاقة العالية ، بما في ذلك محطات الطاقة المركزية الصناعية والكبيرة. وحدات منتجة صناعياً بطاقة كهربائية ناتجة 100 كيلو وات.

خلايا الوقود / الخلايا ذات أكسدة الميثانول المباشرة (DOMTE)

إن تقنية استخدام خلايا الوقود مع الأكسدة المباشرة للميثانول تمر بفترة من التطور النشط. لقد نجحت في ترسيخ مكانتها في مجال تشغيل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة ، وكذلك لإنشاء مصادر طاقة محمولة. إلى ماذا يهدف التطبيق المستقبلي لهذه العناصر.

يشبه هيكل خلايا الوقود مع الأكسدة المباشرة للميثانول خلايا الوقود بغشاء تبادل البروتون (MOFEC) ، أي يستخدم البوليمر كإلكتروليت ، ويستخدم أيون الهيدروجين (بروتون) كحامل شحنة. ومع ذلك ، يتأكسد الميثانول السائل (CH 3 OH) في وجود الماء عند الأنود ، مما يؤدي إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون وأيونات الهيدروجين والإلكترونات ، والتي يتم توجيهها من خلال دائرة كهربائية خارجية ، ويتم توليد تيار كهربائي. تمر أيونات الهيدروجين عبر الإلكتروليت وتتفاعل مع الأكسجين من الهواء والإلكترونات من الدائرة الخارجية لتكوين الماء عند الأنود.

التفاعل عند الأنود: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
التفاعل عند الكاثود: 3 / 2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
تفاعل العنصر العام: CH 3 OH + 3 / 2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

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

خلايا / خلايا الوقود القلوية (AFC)

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

تستخدم خلايا الوقود القلوية إلكتروليت ، أي محلول مائي من هيدروكسيد البوتاسيوم ، موجود في مصفوفة مسامية ومستقرة. قد يختلف تركيز هيدروكسيد البوتاسيوم اعتمادًا على درجة حرارة التشغيل لخلية الوقود ، والتي تتراوح من 65 درجة مئوية إلى 220 درجة مئوية. حامل الشحنة في SFC هو أيون هيدروكسيد (OH-) ينتقل من الكاثود إلى الأنود حيث يتفاعل مع الهيدروجين لإنتاج الماء والإلكترونات. يعود الماء الناتج عند الأنود إلى القطب السالب ، مرة أخرى يولد أيونات الهيدروكسيد هناك. نتيجة لهذه السلسلة من التفاعلات التي تحدث في خلية الوقود ، يتم إنتاج الكهرباء وكمنتج ثانوي ، يتم إنتاج الحرارة:

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

تكمن ميزة مركبات الكربون الكلورية فلورية في أن خلايا الوقود هذه هي الأرخص إنتاجًا ، لأن المحفز المطلوب على الأقطاب الكهربائية يمكن أن يكون أيًا من المواد الأرخص من تلك المستخدمة كمحفزات لخلايا الوقود الأخرى. تعمل SCFCs في درجات حرارة منخفضة نسبيًا وهي من بين أكثر خلايا الوقود كفاءة - يمكن أن تساهم هذه الخصائص على التوالي في توليد طاقة أسرع وكفاءة عالية في استهلاك الوقود.

إحدى السمات المميزة لـ SHTE هي حساسيتها العالية لثاني أكسيد الكربون ، والتي يمكن احتواؤها في الوقود أو الهواء. يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع المنحل بالكهرباء ويسمه بسرعة ويقلل بشكل كبير من كفاءة خلية الوقود. لذلك ، يقتصر استخدام مركبات الكربون الهيدروفلورية على الأماكن المغلقة مثل المركبات الفضائية وتحت الماء ، ويجب أن تعمل على الهيدروجين والأكسجين النقيين. علاوة على ذلك ، فإن جزيئات مثل CO و H 2 O و CH4 ، والتي تعتبر آمنة لخلايا الوقود الأخرى وحتى الوقود لبعضها ، ضارة بـ SFCs.

خلايا / خلايا وقود البوليمر المنحل بالكهرباء (PETE)

في حالة خلايا وقود البوليمر المنحل بالكهرباء ، يتكون غشاء البوليمر من ألياف بوليمر ذات مناطق مائية يوجد فيها توصيل أيونات الماء (H 2 O + (بروتون ، أحمر) متصلة بجزيء الماء). تمثل جزيئات الماء مشكلة بسبب بطء التبادل الأيوني. لذلك ، يتطلب الأمر تركيزًا عاليًا من الماء في كل من الوقود وعلى أقطاب العادم ، مما يحد من درجة حرارة التشغيل إلى 100 درجة مئوية.

خلايا / خلايا الوقود الحمضية الصلبة (SCFC)

في خلايا الوقود الحمضية الصلبة ، لا يحتوي المنحل بالكهرباء (CsHSO 4) على الماء. وبالتالي فإن درجة حرارة التشغيل هي 100-300 درجة مئوية. يسمح دوران أنيون SO 4 2- أوكسي للبروتونات (الحمراء) بالتحرك كما هو موضح في الشكل. عادةً ما تكون خلية الوقود الحمضي الصلب عبارة عن شطيرة يتم فيها وضع طبقة رقيقة جدًا من مركب الحمض الصلب بين قطبين مضغوطين بإحكام لضمان اتصال جيد. عند تسخينها ، يتبخر المكون العضوي ، تاركًا من خلال المسام في الأقطاب الكهربائية ، محتفظًا بقدرة الاتصالات العديدة بين الوقود (أو الأكسجين في الطرف الآخر من الخلية) ، والإلكتروليت والأقطاب الكهربائية.

وحدات خلايا وقود مختلفة. بطارية خلايا الوقود

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

وحدة خلية الوقود

تحليل مقارن لأنواع وأنواع خلايا الوقود

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

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

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

نوع خلية الوقود	درجة حرارة العمل	كفاءة توليد الطاقة	نوع الوقود	منطقة التطبيق
RKTE	550-700 درجة مئوية	50-70%		المنشآت المتوسطة والكبيرة
FKTE	100 - 220 درجة مئوية	35-40%	هيدروجين نقي	المنشآت الكبيرة
MOPTE	30-100 درجة مئوية	35-50%	هيدروجين نقي	المنشآت الصغيرة
SOFC	450-1000 درجة مئوية	45-70%	معظم أنواع الوقود الهيدروكربوني	المنشآت الصغيرة والمتوسطة والكبيرة
بومت	20-90 درجة مئوية	20-30%	الميثانول	محمول
SHTE	50 - 200 درجة مئوية	40-70%	هيدروجين نقي	أبحاث الفضاء
بيت	30-100 درجة مئوية	35-50%	هيدروجين نقي	المنشآت الصغيرة

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

تطبيقات خلايا / خلايا الوقود

استخدام خلايا الوقود / الخلايا في أنظمة الاتصالات

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

الوقود المستخدم لتشغيل محول الوقود ذو المدة الممتدة هو خليط من الميثانول والماء. الميثانول هو وقود تجاري متاح على نطاق واسع وله حاليًا العديد من الاستخدامات ، بما في ذلك غسالات الزجاج الأمامي والزجاجات البلاستيكية وإضافات المحرك ودهانات المستحلب. الميثانول سهل النقل ، وامتزاج بالماء ، وقابلية جيدة للتحلل الحيوي وخالي من الكبريت. لديها نقطة تجمد منخفضة (-71 درجة مئوية) ولا تتحلل أثناء التخزين الطويل.

تطبيق خلايا الوقود في شبكات الاتصال

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

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

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

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

تطبيق خلايا الوقود في شبكات البيانات

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

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

خصائص التطبيق النموذجية لاستخدام تركيبات خلايا الوقود في شبكات البيانات:

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

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

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

تطبيق خلايا الوقود / الخلايا في أنظمة الأمن

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

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

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

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

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

استخدام خلايا / خلايا الوقود في التدفئة المنزلية وتوليد الطاقة

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

تطبيق خلايا الوقود في شبكات التوزيع

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

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

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

استخدام خلايا الوقود لحماية البيئة - استخدام الغازات البترولية المصاحبة

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

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

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

أقوم بإدخال تركيب خرطوم الحشو في عنق حشو الوقود وأديره نصف لفة لإغلاق الاتصال. نقرة على مفتاح التبديل ووميض LED في محطة التعبئة بنقش ضخم h3 يشير إلى أن التزود بالوقود قد بدأ. دقيقة - والخزان ممتلئ ، يمكنك الذهاب!

منحنيات الجسم الأنيقة ، والتعليق المنخفض للغاية ، والبقع المنخفضة تمنح سلالة سباق حقيقية. من خلال الغطاء الشفاف يمكنك رؤية تعقيدات خطوط الأنابيب والكابلات. لقد رأيت بالفعل في مكان ما حلاً مشابهًا ... أوه نعم ، في Audi R8 ، يظهر المحرك أيضًا من خلال النافذة الخلفية. لكن في Audi إنه بنزين تقليدي ، 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 من خلال خلية وقود. تم إصدار هذه السيارة من قبل الشركة السنغافورية Horizon Fuel Cell Technologies ، المتخصصة في تطوير وإنتاج خلايا الوقود. في عام 2009 ، قدمت شركة Riversimple البريطانية بالفعل سيارة تعمل بالهيدروجين في المناطق الحضرية مدعومة بخلايا وقود Horizon Fuel Cell Technologies. تم تطويره بالتعاون مع جامعتي أكسفورد وكرانفيلد. لكن Horizon H-racer 2.0 هو تطور منفرد.

تتكون خلية الوقود من قطبين مساميين مطليين بطبقة محفز ويفصل بينهما غشاء تبادل البروتون. يتم تحويل الهيدروجين الموجود على محفز الأنود إلى بروتونات وإلكترونات ، والتي من خلال الأنود والدائرة الكهربائية الخارجية تصل إلى القطب السالب ، حيث يتحد الهيدروجين والأكسجين لتكوين الماء.

"يذهب!" - بأسلوب غاغارين ، يدفعني رئيس التحرير بمرفقه. لكن ليس بهذه السرعة: تحتاج أولاً إلى "تسخين" خلية الوقود عند التحميل الجزئي. أقوم بتبديل مفتاح التبديل إلى وضع "التسخين" ("التسخين") وانتظر الوقت المخصص. ثم ، فقط في حالة ، أقوم بتعبئة الخزان بالكامل. الآن دعنا نذهب: الآلة ، التي تطن بسلاسة بالمحرك ، تتحرك إلى الأمام. الديناميكيات مثيرة للإعجاب ، على الرغم من ما يمكن توقعه من سيارة كهربائية - اللحظة ثابتة بأي سرعة. على الرغم من أنه ليس لفترة طويلة - يستمر خزان الهيدروجين الكامل لبضع دقائق فقط (تعد 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 ، ويتم التحكم فيه ، بصراحة ، ليس جيدًا - لا يوجد سوى زرين على جهاز التحكم عن بُعد. لكن على أي حال ، من المؤسف أن هذه مجرد لعبة يتم التحكم فيها عن طريق الراديو تكلفنا 150 دولارًا. لن نمانع في قيادة سيارة تعمل بخلايا وقود حقيقية كمحطة طاقة.

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

عمود التعبئة

افعلها بنفسك

يأتي Horizon H-racer 2.0 كمجموعة SKD (افعلها بنفسك) ، يمكنك شراؤها ، على سبيل المثال ، من Amazon. ومع ذلك ، ليس من الصعب تجميعها - فقط ضع خلية الوقود في مكانها وثبتها بالمسامير ، وقم بتوصيل الخراطيم بخزان الهيدروجين وخلية الوقود وعنق الحشو وصمام الطوارئ ، وكل ما تبقى هو وضع الجزء العلوي من الجسم في مكانه ، مع عدم نسيان المصدات الأمامية والخلفية. تأتي العدة 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؟

بالطبع ، أبسط حل لمشكلة ضمان التشغيل المستمر للأنظمة الخالية من الوقود هو شراء مصدر طاقة ثانوي جاهز على أساس هيدروليكي أو أي أساس آخر ، ولكن في هذه الحالة بالتأكيد لن يكون من الممكن تجنبه تكاليف إضافية ، وفي هذه العملية من الصعب جدًا التفكير في أي فكرة عن هروب الفكر الإبداعي. بالإضافة إلى ذلك ، فإن صنع خلية وقود بيديك ليس بالأمر الصعب على الإطلاق كما قد تعتقد للوهلة الأولى ، وإذا رغبت في ذلك ، يمكن حتى للسيد الأقل خبرة التعامل مع المهمة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن التكلفة المنخفضة لإنشاء هذا العنصر هي أكثر من مكافأة ممتعة ، لأنه على الرغم من كل مزاياها وأهميتها ، سيكون من الآمن تمامًا الحصول عليها بالوسائل المرتجلة المتاحة.

في الوقت نفسه ، فإن الفارق الدقيق الوحيد الذي يجب أخذه في الاعتبار قبل إكمال المهمة هو أنه يمكنك صنع جهاز منخفض الطاقة للغاية بيديك ، كما يجب ترك تنفيذ عمليات التثبيت الأكثر تقدمًا وتعقيدًا للمتخصصين المؤهلين. . بالنسبة لترتيب العمل وتسلسل الإجراءات ، أولاً وقبل كل شيء ، يجب إكمال العلبة ، والتي من الأفضل استخدام زجاج شبكي سميك الجدران (لا يقل عن 5 سم). من أجل لصق جدران العلبة وتركيب الأقسام الداخلية ، والتي من الأفضل استخدام زجاج شبكي أرق (3 ملليمترات كافية) ، فمن المثالي استخدام الغراء المركب ، على الرغم من الرغبة القوية ، يمكن أن يكون لحام عالي الجودة يتم بشكل مستقل باستخدام النسب التالية: لكل 100 جرام من الكلوروفورم - 6 جرام نشارة من نفس زجاج شبكي.

في هذه الحالة ، يجب أن تتم العملية حصريًا تحت الغطاء. لتجهيز العلبة بما يسمى بنظام التصريف ، من الضروري حفر ثقب في جدارها الأمامي بعناية ، يتطابق قطرها تمامًا مع أبعاد السدادة المطاطية ، والتي تعمل كنوع من الحشية بين العلبة وأنبوب الصرف الزجاجي. أما بالنسبة لأبعاد الأنبوب نفسه ، فهو مثالي لتوفير عرض يساوي خمسة أو ستة ملليمترات ، على الرغم من أن كل هذا يتوقف على نوع الهيكل الذي يتم تصميمه. من المرجح أن يفاجأ القراء المحتملون لهذه المقالة إلى حد ما بقناع الغاز القديم المدرج في قائمة العناصر الضرورية لصنع خلية وقود. وفي الوقت نفسه ، تكمن الفائدة الكاملة لهذا الجهاز في الكربون المنشط الموجود في حجيرات جهاز التنفس الصناعي الخاص به ، والذي يمكن استخدامه لاحقًا كأقطاب كهربائية.

نظرًا لأننا نتحدث عن تناسق مسحوق ، لتحسين التصميم ، فستحتاج إلى جوارب نايلون ، يمكنك من خلالها بسهولة صنع كيس ووضع الفحم هناك ، وإلا فسوف ينسكب ببساطة من الحفرة. بالنسبة لوظيفة التوزيع ، يتركز الوقود في الغرفة الأولى ، بينما الأكسجين اللازم للتشغيل الطبيعي لخلية الوقود ، على العكس من ذلك ، سوف يدور في الحجرة الخامسة الأخيرة. يجب تشريب المنحل بالكهرباء نفسه ، الموجود بين الأقطاب الكهربائية ، بمحلول خاص (بنزين مع بارافين بنسبة 125 إلى 2 مليلتر) ، ويجب القيام بذلك حتى قبل وضع إلكتروليت الهواء في الحجرة الرابعة. لضمان 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 الأخيرة ، وبعد ذلك يتم شحن الجهاز النهائي ، والتي تحتاج إلى إلكتروليت. من أجل تحضيره ، من الضروري خلط أجزاء متساوية من الكحول الإيثيلي مع الماء المقطر والمضي قدمًا في الإدخال التدريجي للبوتاسيوم الكاوية بمعدل 70 جرامًا لكل كوب من السائل. يتكون الاختبار الأول للجهاز المُصنَّع من الملء المتزامن للحاويات الأولى (سائل الوقود) والثالث (الإلكتروليت المصنوع من الكحول الإيثيلي والبوتاس الكاوي) لجسم زجاجي شبكي.

www.uznay-kak.ru

خلايا وقود الهيدروجين | لافينت

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

نظرًا للتكلفة العالية إلى حد ما والغياب التام لمحطات الهيدروجين لشحن خلايا الوقود هذه ، لا يُتوقع بيعها في روسيا. ومع ذلك ، في أوروبا ، وخاصة في فنلندا ، تكتسب خلايا الوقود هذه شعبية كل عام. ما هو السر؟ دعونا نرى. هذا الجهاز صديق للبيئة وسهل التشغيل وفعال. يتعلق الأمر بمساعدة شخص يحتاج إلى طاقة كهربائية. يمكنك أن تأخذها معك على الطريق ، في نزهة ، واستخدامها في الريف ، في الشقة كمصدر مستقل للكهرباء.

يتم توليد الكهرباء في خلية الوقود عن طريق التفاعل الكيميائي للهيدروجين من اسطوانة مع هيدريد المعدن والأكسجين من الهواء. الأسطوانة غير قابلة للانفجار ويمكن تخزينها في خزانتك لسنوات ، في انتظار الأجنحة. ربما تكون هذه إحدى المزايا الرئيسية لتقنية تخزين الهيدروجين. يعتبر تخزين الهيدروجين أحد المشاكل الرئيسية في تطوير وقود الهيدروجين. خلايا وقود جديدة وفريدة من نوعها 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 يوجد بها كهرباء مركزية ، أو كمصدر طاقة طارئ.

على عكس البطاريات التقليدية ، التي يجب شحنها وفصلها في نفس الوقت عن مستهلك الكهرباء أثناء عملية الشحن ، تعمل خلية الوقود كجهاز "ذكي". توفر هذه التقنية طاقة غير منقطعة طوال فترة الاستخدام بأكملها نظرًا للوظيفة الفريدة المتمثلة في الحفاظ على الطاقة عند تغيير خزان الوقود ، مما يسمح للمستخدم بعدم إيقاف تشغيل المستهلك مطلقًا. في علبة مغلقة ، يمكن تخزين خلايا الوقود لعدة سنوات دون فقد الهيدروجين وتقليل قوتها.

تم تصميم خلية الوقود للعلماء والباحثين وإنفاذ القانون ورجال الإنقاذ وأصحاب السفن والمرسى وأي شخص يحتاج إلى مصدر طاقة موثوق في حالة الطوارئ. يمكنك الحصول على جهد 12 فولت أو 220 فولت وبعد ذلك سيكون لديك طاقة كافية لاستخدام جهاز تلفزيون ونظام ستيريو وثلاجة وماكينة صنع القهوة وغلاية ومكنسة كهربائية ومثقاب وموقد صغير وأجهزة كهربائية أخرى.

يمكن بيع خلايا الوقود الهيدروجينية كوحدة واحدة أو كبطاريات 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 في اليوم (دقيقة)	سلبيات. الطاقة في اليوم (W * h)	وقت التشغيل مع خلايا الوقود
	غلاية كهربائية
	صانع القهوة
	صفيحة ميكروسكوبية
	التلفاز
	1 لمبة 60 وات
	1 لمبة 75 وات
	3 لمبات 60 وات
	حاسوب محمول
	ثلاجة
	مصباح توفير الطاقة

* - العمل المستمر

خلايا الوقود مشحونة بالكامل في محطات الهيدروجين الخاصة. ولكن ماذا لو كنت مسافرًا بعيدًا عنهم ولا توجد طريقة لإعادة الشحن؟ خاصة في مثل هذه الحالات ، طور متخصصو Alfaintek أسطوانات لتخزين الهيدروجين ، والتي ستعمل بها خلايا الوقود لفترة أطول.

يتم إنتاج نوعين من الأسطوانات: NS-MN200 و NS-MN1200. تتميز NS-MN200 المجمعة بحجم أكبر قليلاً من علبة Coca-Cola ، فهي تحتوي على 230 لترًا من الهيدروجين ، وهو ما يعادل 40Ah (12V) ، ويزن فقط 2.5 كجم أسطوانة بهيدريد معدني NS-MH1200 تحمل 1200 لتر من الهيدروجين ، وهو ما يعادل 220 أمبير (12 فولت). وزن الاسطوانة 11 كجم.

تقنية هيدريد المعدن طريقة آمنة وسهلة لتخزين ونقل واستخدام الهيدروجين. عند تخزينه على شكل هيدريد فلز ، يكون الهيدروجين في شكل مركب كيميائي وليس في شكل غازي. تتيح هذه الطريقة الحصول على كثافة طاقة عالية بدرجة كافية. ميزة استخدام هيدريد المعدن هو أن الضغط داخل الاسطوانة لا يتعدى 2-4 بار ، الاسطوانة غير قابلة للانفجار ويمكن تخزينها لسنوات دون تقليل حجم المادة. نظرًا لأنه يتم تخزين الهيدروجين على شكل هيدريد معدني ، فإن نقاء الهيدروجين الناتج من الأسطوانة مرتفع جدًا ، 99.999٪. يمكن استخدام أسطوانات تخزين الهيدروجين على شكل هيدريد معدني ليس فقط مع خلايا الوقود HC 100200.400 ، ولكن أيضًا في حالات أخرى تتطلب الهيدروجين النقي. يمكن توصيل الأسطوانات بسهولة بخلية وقود أو أي جهاز آخر بموصل توصيل سريع وخرطوم مرن.

إنه لأمر مؤسف أن خلايا الوقود هذه لا تباع في روسيا. لكن من بين سكاننا هناك الكثير من الأشخاص الذين يحتاجون إليها. حسنًا ، دعنا ننتظر ونرى ، انظر وسنحصل. في غضون ذلك ، سنقوم بشراء المصابيح الموفرة للطاقة التي تفرضها الدولة.

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

lavent.ru

خلية الوقود هي المستقبل الذي يبدأ اليوم!

تعتبر بداية القرن الحادي والعشرين أن علم البيئة من أهم المهام العالمية. وأول ما يجب الانتباه إليه في ظل الظروف الحالية هو البحث عن مصادر الطاقة البديلة واستخدامها. إنهم قادرون على منع تلوث البيئة من حولنا ، فضلاً عن التخلي تمامًا عن التكلفة المتزايدة باستمرار للوقود القائم على الهيدروكربونات.

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

ومع ذلك ، فإن أفضل حل هو خلية الوقود ، لأنها لا تتطلب إعادة شحن ثابتة للطاقة. هذا جهاز قادر على معالجة أنواع مختلفة من الوقود وتحويلها (بنزين ، كحول ، هيدروجين ، إلخ) مباشرة إلى طاقة كهربائية.

تعمل خلية الوقود وفقًا للمبدأ التالي: يتم توفير الوقود من الخارج ، والذي يتأكسد بالأكسجين ، وتتحول الطاقة المنبعثة في هذه الحالة إلى كهرباء. يضمن مبدأ العملية هذا عملية أبدية تقريبًا.

بدءًا من نهاية القرن التاسع عشر ، درس العلماء خلية الوقود مباشرةً ، وطوروا باستمرار تعديلات جديدة عليها. لذلك ، اليوم ، اعتمادًا على ظروف التشغيل ، هناك قلوية أو قلوية (AFC) ، بوروهيدرات مباشر (DBFC) ، كهرومغلفاني (EGFC) ، ميثانول مباشر (DMFC) ، زنك هواء (ZAFC) ، ميكروبي (MFC) ، نماذج حمض الفورميك (DFAFC) وهيدريد المعدن (MHFC) معروفة أيضًا.

واحدة من أكثر الخلايا الواعدة هي خلية وقود الهيدروجين. يترافق استخدام الهيدروجين في محطات توليد الطاقة مع إطلاق كبير للطاقة ، وعادم مثل هذا الجهاز عبارة عن بخار ماء نقي أو مياه شرب لا تشكل أي خطر على البيئة.

أثار الاختبار الناجح لخلايا الوقود من هذا النوع على المركبات الفضائية مؤخرًا اهتمامًا كبيرًا بين مصنعي الإلكترونيات والمعدات المختلفة. على سبيل المثال ، قدمت شركة PolyFuel خلية وقود هيدروجين مصغرة لأجهزة الكمبيوتر المحمولة. لكن التكلفة الباهظة لمثل هذا الجهاز وصعوبة التزود بالوقود دون عوائق تحد من الإنتاج الصناعي والتوزيع الواسع. تقوم هوندا أيضًا بإنتاج خلايا وقود السيارات لأكثر من 10 سنوات. ومع ذلك ، لا يتم طرح هذا النوع من النقل للبيع ، ولكن فقط للاستخدام الرسمي لموظفي الشركة. السيارات تحت إشراف المهندسين.

يتساءل الكثيرون عما إذا كان من الممكن تجميع خلية وقود بيديك. بعد كل شيء ، ستكون ميزة كبيرة للأجهزة محلية الصنع استثمارًا صغيرًا ، على عكس النموذج الصناعي. بالنسبة للنموذج المصغر ، ستحتاج إلى 30 سم من سلك النيكل المطلي بالبلاتين ، وقطعة صغيرة من البلاستيك أو الخشب ، ومقطع لبطارية 9 فولت والبطارية نفسها ، وشريط لاصق شفاف ، وكوب من الماء ، وجهاز قياس الفولتميتر. سيسمح لك هذا الجهاز برؤية وفهم جوهر العمل ، لكنه ، بالطبع ، لن يعمل لتوليد الكهرباء للسيارة.

fb.ru

خلايا وقود الهيدروجين: القليل من التاريخ | هيدروجين

في عصرنا ، مشكلة النقص في موارد الطاقة التقليدية وتدهور بيئة الكوكب ككل بسبب استخدامها هي مشكلة حادة بشكل خاص. لهذا السبب ، في السنوات الأخيرة ، تم إنفاق موارد مالية وفكرية كبيرة على تطوير بدائل واعدة محتملة للوقود الهيدروكربوني. يمكن أن يصبح الهيدروجين بديلاً في المستقبل القريب جدًا ، نظرًا لأن استخدامه في محطات الطاقة يكون مصحوبًا بإطلاق كمية كبيرة من الطاقة ، والعوادم عبارة عن بخار ماء ، أي أنها لا تشكل خطراً على البيئة.

على الرغم من بعض الصعوبات التقنية التي لا تزال موجودة في إدخال خلايا الوقود القائمة على الهيدروجين ، فقد أعرب العديد من مصنعي السيارات عن تقديرهم للوعد الذي تنطوي عليه التكنولوجيا وهم بالفعل يطورون نماذج أولية للمركبات ذات الإنتاج الضخم القادرة على استخدام الهيدروجين كوقود رئيسي. في عام 2011 ، قدمت شركة Daimler AG نماذج تصورية من مرسيدس-بنز مع محطات توليد الطاقة الهيدروجينية. بالإضافة إلى ذلك ، أعلنت شركة Hyndayi الكورية رسميًا أنها لا تنوي تطوير سيارات كهربائية بعد الآن ، وستركز كل الجهود على تطوير سيارة هيدروجين ميسورة التكلفة.

على الرغم من أن فكرة استخدام الهيدروجين كوقود ليست فكرة جامحة بالنسبة للكثيرين ، إلا أن معظمهم لا يفهم كيف تعمل خلايا وقود الهيدروجين وما هو ملحوظ عنها.

لفهم أهمية التكنولوجيا ، نقترح الرجوع إلى تاريخ خلايا وقود الهيدروجين.

أول شخص وصف إمكانية استخدام الهيدروجين في خلية وقود كان كريستيان فريدريش ، ألماني. في عام 1838 ، نشر أعماله في مجلة علمية معروفة في ذلك الوقت.

في العام التالي ، ابتكر قاضٍ من أولس ، السير ويليام روبرت جروف ، نموذجًا أوليًا لبطارية هيدروجين قابلة للتطبيق. ومع ذلك ، كانت قوة الجهاز صغيرة جدًا حتى وفقًا لمعايير ذلك الوقت ، لذلك لم يكن هناك شك في استخدامه العملي.

أما مصطلح "خلية الوقود" فهو مدين بوجوده للعلماء لودفيج موند وتشارلز لانجر ، اللذين حاولا في عام 1889 إنشاء خلية وقود تعمل على الهواء وغاز فحم الكوك. وفقًا لآخرين ، تم استخدام المصطلح لأول مرة بواسطة William White Jaques ، الذي قرر أولاً استخدام حمض الفوسفوريك في المنحل بالكهرباء.

في عشرينيات القرن الماضي ، تم إجراء عدد من الدراسات في ألمانيا ، نتج عنها اكتشاف خلايا وقود الأكسيد الصلب وطرق استخدام دورة الكربونات. من الجدير بالذكر أن هذه التقنيات مستخدمة بشكل فعال في عصرنا.

في عام 1932 ، بدأ المهندس فرانسيس تي بيكون العمل على دراسة خلايا الوقود مباشرة المعتمدة على الهيدروجين. قبله ، استخدم العلماء مخططًا راسخًا - تم وضع أقطاب بلاتينية مسامية في حمض الكبريتيك. يكمن العيب الواضح لمثل هذا المخطط ، أولاً وقبل كل شيء ، في تكلفته العالية غير المبررة بسبب استخدام البلاتين. بالإضافة إلى ذلك ، فإن استخدام حامض الكبريتيك الكاوية يشكل تهديدًا لصحة الباحثين ، وأحيانًا على حياتهم. قرر بيكون تحسين الدائرة واستبدال البلاتين بالنيكل ، واستخدم تركيبة قلوية مثل المنحل بالكهرباء.

بفضل العمل الإنتاجي لتحسين تقنيته ، قدم بيكون بالفعل في عام 1959 للجمهور خلية وقود الهيدروجين الأصلية الخاصة به ، والتي أنتجت 5 كيلوواط ويمكنها تشغيل آلة لحام. وأطلق على الجهاز المعروض اسم "خلية بيكون".

في أكتوبر من نفس العام ، تم إنشاء جرار فريد يعمل بالهيدروجين وينتج عشرين حصانا.

في الستينيات من القرن العشرين ، تم تحسين الشركة الأمريكية جنرال إلكتريك ، المخطط الذي طوره بيكون ، وتطبيقه على برامج الفضاء أبولو وناسا الجوزاء. توصل المتخصصون من وكالة ناسا إلى استنتاج مفاده أن استخدام المفاعل النووي مكلف للغاية وصعب تقنيًا وغير آمن. بالإضافة إلى ذلك ، كان من الضروري التخلي عن استخدام البطاريات مع الألواح الشمسية نظرًا لأبعادها الكبيرة. كان حل المشكلة هو خلايا وقود الهيدروجين ، القادرة على إمداد المركبة الفضائية بالطاقة ، وطاقمها بالماء النظيف.

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 علامات تجارية عالمية للسيارات مثل Toyota و Daimler Benz.

من الغريب بعض الشيء أن الوقود الواعد الصديق للبيئة ، والذي تم تنفيذه قبل خمسة عشر عامًا في سيارة ، لم ينتشر بعد. هناك أسباب عديدة لذلك ، ربما يكون أهمها سياسيًا ودقة في إنشاء بنية تحتية مناسبة. دعونا نأمل أن يظل الهيدروجين يقول كلامه وسيكون منافسًا كبيرًا للسيارات الكهربائية. (odnaknopka)

Energycraft.org

تم إنشاؤه في 14.07.2012 20:44 المؤلف: أليكسي نوركين

إن مجتمعنا المادي بدون طاقة لا يمكن أن يتطور فحسب ، بل يوجد أيضًا بشكل عام. من أين تأتي الطاقة؟ حتى وقت قريب ، استخدم الناس طريقة واحدة فقط للحصول عليها ، قاتلنا مع الطبيعة ، وحرقنا الجوائز المستخرجة في صناديق الاحتراق ، أولاً في المنزل ، ثم في القاطرات البخارية ومحطات الطاقة الحرارية القوية.

لا توجد ملصقات على الكيلوواط / ساعة التي يستهلكها الشخص العادي الحديث والتي من شأنها أن تشير إلى عدد السنوات التي عملت فيها الطبيعة حتى يتمكن الشخص المتحضر من الاستمتاع بفوائد التكنولوجيا ، وكم عدد السنوات التي لا يزال يتعين عليها العمل فيها للتخفيف من الضرر الناجم عن ذلك. لها من قبل هذه الحضارة. ومع ذلك ، فإن الفهم ينضج في المجتمع أنه عاجلاً أم آجلاً سينتهي الشاعرة الوهمية. على نحو متزايد ، يبتكر الناس طرقًا لتوفير الطاقة لاحتياجاتهم مع الحد الأدنى من الأضرار التي تلحق بالطبيعة.

خلايا وقود الهيدروجين هي الكأس المقدسة للطاقة النظيفة. إنهم يعالجون الهيدروجين ، وهو أحد العناصر الشائعة في الجدول الدوري ، ولا ينبعث منهم سوى الماء ، المادة الأكثر شيوعًا على الكوكب. الصورة الوردية أفسدتها عدم قدرة الناس على الوصول إلى الهيدروجين كمادة. يوجد الكثير منها ، ولكن فقط في حالة مقيدة ، واستخراجها أصعب بكثير من ضخ النفط من الأحشاء أو استخراج الفحم.

أحد خيارات إنتاج الهيدروجين النظيف والصديق للبيئة هو خلايا الوقود الميكروبية (MTBs) ، التي تستخدم الكائنات الحية الدقيقة لتحليل الماء إلى أكسجين وهيدروجين. هنا أيضًا ، ليس كل شيء سلسًا. تقوم الميكروبات بعمل ممتاز في إنتاج وقود نظيف ، ولكن لتحقيق الكفاءة المطلوبة في الممارسة العملية ، تحتاج MTB إلى محفز يسرع أحد التفاعلات الكيميائية للعملية.

هذا المحفز هو البلاتين المعدني الثمين ، وتكلفته تجعل استخدام MTB غير مبرر اقتصاديًا ومستحيل عمليًا.

وجد علماء من جامعة ويسكونسن-ميلووكي بديلاً لمحفز باهظ الثمن. بدلاً من البلاتين ، اقترحوا استخدام نانورودات رخيصة مصنوعة من مزيج من الكربون والنيتروجين والحديد. يتكون المحفز الجديد من قضبان الجرافيت مع إدخال النيتروجين في الطبقة السطحية ولب كربيد الحديد. خلال اختبار الجدة الذي دام ثلاثة أشهر ، أظهر المحفز قدرات أعلى من تلك الموجودة في البلاتين. تبين أن تشغيل nanorods أكثر استقرارًا ويمكن التحكم فيه.

والأهم من ذلك ، أن من بنات أفكار علماء الجامعات أرخص بكثير. وبالتالي ، فإن تكلفة المحفزات البلاتينية تبلغ حوالي 60٪ من تكلفة MTB ، بينما تبلغ تكلفة nanorods 5٪ من سعرها الحالي.

وفقًا لمبدع nanorods الحفازة ، البروفيسور Yuhong Chen (Junhong Chen): "خلايا الوقود قادرة على تحويل الوقود مباشرة إلى كهرباء. جنبًا إلى جنب معهم ، يمكن توصيل الكهرباء من المصادر المتجددة إلى حيث تكون هناك حاجة إليها ، وهو أمر نظيف وفعال ومستدام. "

الآن ينشغل البروفيسور تشين وفريقه من الباحثين بدراسة الخصائص الدقيقة للعامل الحفاز. هدفهم هو إعطاء اختراعهم تركيزًا عمليًا ، لجعله مناسبًا للإنتاج والاستخدام بالجملة.

بحسب جيزماج

www.facepla.net

خلايا وقود الهيدروجين وأنظمة الطاقة

قد تصبح السيارة التي تعمل بالماء حقيقة واقعة قريبًا وسيتم تركيب خلايا وقود الهيدروجين في العديد من المنازل ...

تقنية خلايا وقود الهيدروجين ليست جديدة. بدأت في عام 1776 عندما اكتشف هنري كافنديش لأول مرة الهيدروجين أثناء إذابة المعادن في الأحماض المخففة. اخترع ويليام جروف أول خلية وقود هيدروجين في عام 1839. منذ ذلك الحين ، تم تحسين خلايا وقود الهيدروجين تدريجياً ويتم تركيبها الآن في مكوك الفضاء ، لتزويدها بالطاقة وتعمل كمصدر للمياه. اليوم ، أصبحت تقنية خلايا وقود الهيدروجين على وشك الوصول إلى السوق الشامل ، في السيارات والمنازل والأجهزة المحمولة.

في خلية وقود الهيدروجين ، يتم تحويل الطاقة الكيميائية (على شكل هيدروجين وأكسجين) مباشرة (بدون احتراق) إلى طاقة كهربائية. تتكون خلية الوقود من كاثود وأقطاب وأنود. يتم تغذية القطب الموجب بالهيدروجين ، حيث ينقسم إلى بروتونات وإلكترونات. البروتونات والإلكترونات لها طرق مختلفة للكاثود. تنتقل البروتونات عبر القطب إلى القطب السالب ، وتنتقل الإلكترونات حول خلايا الوقود للوصول إلى القطب السالب. تولد هذه الحركة طاقة كهربائية قابلة للاستخدام لاحقًا. على الجانب الآخر ، تتحد بروتونات الهيدروجين والإلكترونات مع الأكسجين لتكوين الماء.

المحلل الكهربائي طريقة واحدة لاستخراج 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 القطب الموجب ، والذي يقسم الماء إلى هيدروجين وأكسجين. يمر الهيدروجين عبر الخلية الكهروكيميائية إلى الكاثود ويتم تغذية الأكسجين مباشرة إلى الكاثود. من هناك ، يمكن استخراج الهيدروجين والأكسجين وتخزينهما. في الأوقات التي لا يلزم فيها إنتاج الكهرباء ، يمكن سحب الغاز المتراكم من المخزن وإعادته عبر خلية الوقود.

يستخدم هذا النظام الهيدروجين كوقود ، وهذا على الأرجح سبب وجود العديد من الأساطير حول سلامته. بعد انفجار هيندنبورغ ، بدأ الكثير من الناس بعيدين عن العلم وحتى بعض العلماء يعتقدون أن استخدام الهيدروجين خطير للغاية. ومع ذلك ، فقد أظهرت الأبحاث الحديثة أن سبب هذه المأساة كان بسبب نوع المادة التي تم استخدامها في البناء ، وليس إلى الهيدروجين الذي تم ضخه في الداخل. بعد إجراء اختبارات سلامة تخزين الهيدروجين ، وجد أن تخزين الهيدروجين في خلايا الوقود أكثر أمانًا من تخزين البنزين في خزان وقود السيارة.

كم تكلفة خلايا وقود الهيدروجين الحديثة؟ تقدم الشركات حاليًا أنظمة وقود الهيدروجين لإنتاج الطاقة بحوالي 3000 دولار للكيلوواط. أثبتت أبحاث السوق أنه عندما تنخفض التكلفة إلى 1500 دولار للكيلوواط ، فإن المستهلكين في سوق الطاقة الشامل سيكونون مستعدين للتحول إلى هذا النوع من الوقود.

لا تزال مركبات خلايا الوقود الهيدروجينية أغلى ثمناً 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 لشركات الطاقة التقليدية.

لماذا لا تزال خلايا وقود الهيدروجين غير مستخدمة على نطاق واسع؟ في الوقت الحالي ، يعد ارتفاع تكلفتها هو المشكلة الرئيسية لتوزيع خلايا وقود الهيدروجين. أنظمة وقود الهيدروجين ببساطة ليس لديها طلب جماعي في الوقت الحالي. ومع ذلك ، فإن العلم لا يقف مكتوفي الأيدي ، وفي المستقبل القريب يمكن أن تصبح السيارة التي تسير على الماء 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 تفعله الآن.

تساعد رائدة الأعمال دانيلا شابوشنيكوف العلماء يوري دوبروفولسكي وسيرجي نيفيدكين على تسويق اختراعهم - خلايا وقود الهيدروجين المدمجة التي يمكن أن تعمل لعدة ساعات دون خوف من الصقيع والرطوبة. جذبت شركة AT Energy التي أنشأتها بالفعل حوالي 100 مليون روبل. استثمارات وتستعد لغزو السوق العالمية للمركبات الجوية غير المأهولة التي تبلغ تكلفتها 7 مليارات دولار ، والتي تستخدم حتى الآن بطاريات الليثيوم أيون بشكل أساسي.

من المختبر إلى السوق

بدأ العمل من خلال معرفة شابوشنيكوف بطبيبين للعلوم في مجال الطاقة والكيمياء الكهربية - دوبروفولسكي من معهد مشاكل الفيزياء الكيميائية التابع لأكاديمية العلوم الروسية في تشيرنوغولوفكا ونيفيدكين ، الذي يرأس مركز طاقة الهيدروجين في موسكو معهد هندسة القوى. كان 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 عملت كمستثمر رائد أعمال خاطرت بإحضار المنتج إلى السوق من المختبر".

في أغسطس 2012 ، سجل شابوشنيكوف ودوبروفولسكي ونيفيدكين AT Energy (AT Energy LLC) وبدأوا في إعداد النماذج الأولية. تقدمت الشركة بطلب وأصبحت من سكان سكولكوفو. طوال عام 2013 ، في القاعدة المستأجرة للمعهد في تشيرنوغولوفكا ، عمل مؤسسو AT Energy على زيادة عمر بطاريات خلايا الوقود بشكل جذري. يقول شابوشنيكوف: "تشيرنوغولوفكا هي مدينة علمية ، ومن السهل جدًا العثور على مساعدي المختبرات والمهندسين والكيمياء الكهربية وإشراكهم فيها". ثم انتقلت AT Energy إلى المنطقة الصناعية Chernogolovsky. هناك ، ظهر المنتج الأول - خلية وقود للطائرات بدون طيار.

"قلب" خلية الوقود التي طورتها AT Energy عبارة عن كتلة غشائية-قطب كهربائي يحدث فيها تفاعل كهروكيميائي: من ناحية ، يتم توفير الهواء مع الأكسجين ، ومن ناحية أخرى ، يتم توفير الهيدروجين الغازي المضغوط ، نتيجة تفاعل كيميائي لأكسدة الهيدروجين ، يتم توليد الطاقة.

بالنسبة لمنتج حقيقي ، تمكنت AT Energy من الحصول على منحتين من Skolkovo (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 ، وشريكه هو Shaposhnikov نفسه) ، وصندوق Phystech Ventures (13.8٪) ، الذي أسسه خريجو معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا ، ومطور Morton (10٪) ؛ يمتلك كل من Shaposhnikov و Dobrovolsky الآن 26.7 ٪ من AT Energy ، و Nefedkin - 9 ٪ (الكل - وفقًا لسجل الدولة الموحد للكيانات القانونية).

ال الطاقة بالأرقام

حوالي 1 00 مليون روبل- إجمالي حجم الاستثمارات التي تم جذبها

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

7 مليارات دولارفي العام - حجم السوق العالمية للطائرات بدون طيار في عام 2015

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

5 ملايين دولار- حجم السوق المدني الروسي للطائرات بدون طيار عام 2014

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

المصدر: بيانات الشركة ، Business Insider ، الأسواق والأسواق

تحلق لفترة أطول ، بل لفترة أطول

اليوم ، ما يقرب من 80٪ من الطائرات بدون طيار في العالم تستخدم محركات كهربائية تعمل ببطاريات الليثيوم أيون أو بطاريات الليثيوم بوليمر. "أكبر مشكلة في البطاريات هي أن لها قيود على الحجم. إذا كنت تريد ضعف الطاقة ، ضع بطارية أخرى ، وأخرى ، وهكذا. وفي الطائرات بدون طيار ، العامل الأكثر أهمية هو كتلتها "، يشرح شابوشنيكوف.

تحدد كتلة الطائرة بدون طيار حمولتها - عدد الأجهزة التي يمكن تعليقها عليها (على سبيل المثال ، الكاميرات وأجهزة التصوير الحراري وأجهزة المسح وما إلى ذلك) ، بالإضافة إلى وقت الرحلة. حتى الآن ، تطير الطائرات بدون طيار في الغالب من نصف ساعة إلى ساعة ونصف. يقول شابوشنيكوف: "لن يكون الأمر ممتعًا لمدة نصف ساعة". "اتضح أنه بمجرد رفعها في الهواء ، فقد حان الوقت بالفعل لتغيير البطارية." بالإضافة إلى ذلك ، تعمل بطاريات الليثيوم أيون بشكل متقلب في درجات حرارة منخفضة. يدعي شابوشنيكوف أن خلايا الوقود التي تم تطويرها في AT Energy تسمح للطائرات بدون طيار بالطيران لما يصل إلى خمس مرات أطول: من ساعتين ونصف إلى أربع ساعات ، ولا يخافون من الصقيع (حتى 20 درجة تحت الصفر).

تشتري AT Energy المواد الاستهلاكية والمكونات لبطارياتها في كل من روسيا والخارج. يوضح شابوشنيكوف: "بالنسبة للتطورات العلمية ، هناك ضمنيًا السلاسل الصغيرة ، لذلك لا يمكننا حتى الآن إعطاء المصنعين الروس المحتملين للمكونات التي نحتاجها أفقًا للتخطيط حتى يتمكنوا من توطين إنتاجهم".

في عام 2014 ، أوفت AT Energy بالعقود الأولى: فقد زودت الجيش بـ 20 نظامًا للبطاريات على أساس خلايا الوقود الخاصة بها (لم يذكر Shaposhnikov اسم العميل). كما تم تجهيزهم بطائرات بدون طيار تابعة لشركة AFM-Servers ، والتي استخدمتها عند تصوير أولمبياد سوتشي. يتذكر شابوشنيكوف قائلاً: "كان أحد أهداف الشركة هو اختبار أنظمتنا على الطائرات بدون طيار ، ولم نهتم بما إذا كنا قد دفعنا مقابل ذلك أم لا". حتى الآن ، وقعت AT Energy عددًا من العقود والعقود المسبقة ، والتي تبلغ إيراداتها المحتملة ، وفقًا لشابوشنيكوف ، 100 مليون روبل. (بشكل رئيسي مع الوكالات الحكومية).

لا يكشف شابوشنيكوف عن النتائج المالية لشركة AT Energy. وفقًا لـ Kontur.Fokus ، حققت الشركة في عام 2014 إيرادات قدرها 12.4 مليون روبل. وخسارة صافية قدرها 1.2 مليون روبل. وتتراوح تكلفة خلايا الوقود التي تصل سعتها إلى 0.5 كيلوواط التي تنتجها شركة AT Energy ، وفقًا لشابوشنيكوف ، من 10 إلى 25 ألف دولار ، اعتمادًا على نوع الطائرة بدون طيار ومهامها ومدة الرحلة وغيرها من المعايير.

ووفقًا لشابوشنيكوف ، فإن تخفيض قيمة الروبل سيسهل على الشركة دخول السوق العالمية. يقول: "لقد وضعنا لأنفسنا هدفًا في عام 2016 لإقامة علاقات مع لاعبين غربيين ، وفي عام 2017 لصنع المنتجات الأولى للأنواع الرئيسية من الطائرات الأجنبية بدون طيار".

مستثمر

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

أوليج بيرتسوفسكي ، مدير العمليات بمجموعة تقنيات كفاءة الطاقة في مؤسسة سكولكوفو

"لقد تمكنوا من صنع جهاز يعمل في درجات حرارة سالبة ، بينما يكون مضغوطًا للغاية وغير مكلف. بالنسبة للمشاريع كثيفة المعرفة ، فإن أربع سنوات هي فترة زمنية قصيرة ، لذا فهي تسير بوتيرة طبيعية ، في رأينا. الطائرات بدون طيار هي واحدة من التطبيقات الواعدة والواعدة لخلايا الوقود. من خلال استبدال مصدر الطاقة ، ستكون الطائرة بدون طيار قادرة على زيادة وقت الطيران عدة مرات بنفس خصائص الكتلة والأبعاد. هناك أيضًا سوق لإمدادات الطاقة الذاتية ، على سبيل المثال للشبكات الخلوية ، حيث توجد حاجة كبيرة لمصادر طاقة منخفضة الطاقة في المناطق النائية حيث لا توجد شبكات كهربائية ".

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

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

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

العملاء

"هذه أفضل تقنية متوفرة في السوق ، لكنها باهظة الثمن"

أوليج بانفيلينوك ، المؤسس والرئيس التنفيذي لشركة Copter Express

تتمتع AT Energy بتكنولوجيا قوية للغاية. تسمح تركيبة "خلية الوقود بالإضافة إلى خزان الهيدروجين" بتحقيق سعة 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 خلايا وقود الهيدروجين عليها ، فسوف تطير لمدة تصل إلى أربع ساعات. سيكون مناسبًا وفعالًا ، فلن تضطر إلى زرع الجهاز عدة مرات لإعادة الشحن.

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

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

مكسيم شينكيفيتش ، الرئيس التنفيذي لمجموعة شركات Unmanned Systems

نحن على دراية تامة بشركة AT Energy وقد وقعنا اتفاقية تعاون معهم. لقد أكملنا مؤخرًا تطوير طائرة هليكوبتر جديدة كبيرة الحجم تصل حمولتها إلى 2 كجم ، والتي ستكون مجهزة بخلايا وقود من AT Energy وستطير من 2.5 إلى 4 ساعات. على بطاريات الليثيوم ، تطير هذه الطائرة بدون طيار لمدة 30 دقيقة فقط. يمكن استخدام هذه الطائرة بدون طيار للأغراض المدنية والعسكرية - إنها نظام مراقبة بالفيديو للبحث عن الأشخاص وإنقاذهم ، ونحن مستعدون بالفعل لإطلاقها في سلسلة. لدينا بالفعل أول عميل مدني لذلك ، بمجرد أن نعرضه في العمل ، ستظهر عقود أخرى.

تتمثل إحدى المشكلات الرئيسية في الاستخدام الجماعي لخلايا الوقود في عدم وجود شبكة من المحطات لشحنها. إنها أغلى من البطاريات (مما يؤدي إلى زيادة بنسبة 15٪ في تكلفة الطائرات بدون طيار التي تستخدمها) ، ولكن في المقابل تحصل على أكثر من ضعف مدة الرحلة. وقت طيران الطائرة بدون طيار للعديد من المهام هو العامل الأكثر أهمية ".

ناتاليا سوفوروفا

خلايا الوقود خلايا الوقود هي مصادر طاقة كيميائية. إنهم يقومون بالتحويل المباشر لطاقة الوقود إلى كهرباء ، متجاوزين عمليات الاحتراق غير الفعالة وعالية الفاقد. هذا الجهاز الكهروكيميائي ، نتيجة الاحتراق عالي الكفاءة "البارد" للوقود ، يولد الكهرباء مباشرة.

لقد أثبت علماء الكيمياء الحيوية أن خلية وقود الهيدروجين والأكسجين البيولوجية "مدمجة" في كل خلية حية (انظر الفصل 2).

مصدر الهيدروجين في الجسم هو الغذاء - الدهون والبروتينات والكربوهيدرات. في 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. عملية الجمع بين الهيدروجين والأكسجين هي أساس الطاقة الحيوية في الجسم. هنا ، في ظل ظروف معتدلة (درجة حرارة الغرفة ، الضغط الطبيعي ، البيئة المائية) ، يتم تحويل الطاقة الكيميائية ذات الكفاءة العالية إلى حرارية ، ميكانيكية (حركة عضلية) ، كهرباء (منحدر كهربائي) ، ضوء (الحشرات ينبعث منها ضوء).

كرر الإنسان مرة أخرى الجهاز للحصول على الطاقة التي أنشأتها الطبيعة. في الوقت نفسه ، تشير هذه الحقيقة إلى احتمالات الاتجاه. جميع العمليات في الطبيعة منطقية للغاية ، لذا فإن الخطوات نحو الاستخدام الحقيقي لخلايا الوقود تلهم الأمل في مستقبل الطاقة.

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

ما الذي يحترق في خلية الوقود؟
الوقود الأحفوري (الفحم والغاز والنفط) هو في الغالب الكربون. أثناء الاحتراق ، تفقد ذرات الوقود الإلكترونات ، وتكتسبها ذرات الأكسجين في الهواء. لذلك في عملية الأكسدة ، يتم دمج ذرات الكربون والأكسجين في منتجات الاحتراق - جزيئات ثاني أكسيد الكربون. هذه العملية قوية: ذرات وجزيئات المواد المشاركة في الاحتراق تكتسب سرعات عالية ، وهذا يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارتها. يبدأون في إصدار الضوء - يظهر لهب.

التفاعل الكيميائي لاحتراق الكربون له الشكل:

C + O2 = CO2 + حرارة

في عملية الاحتراق ، يتم تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية بسبب تبادل الإلكترونات بين ذرات الوقود والمؤكسد. يحدث هذا التبادل بشكل عشوائي.

الاحتراق هو تبادل الإلكترونات بين الذرات ، والتيار الكهربائي هو الحركة الموجهة للإلكترونات. إذا أُجبرت الإلكترونات ، في عملية تفاعل كيميائي ، على القيام بعمل ما ، فإن درجة حرارة عملية الاحتراق ستنخفض. في FC ، تؤخذ الإلكترونات من المواد المتفاعلة في أحد القطبين ، وتتخلى عن طاقتها في شكل تيار كهربائي ، وتنضم إلى المتفاعلات في القطب الآخر.

أساس أي HIT هو قطبان متصلان بواسطة إلكتروليت. تتكون خلية الوقود من أنود ، وكاثود ، وإلكتروليت (انظر الفصل 2). يتأكسد عند الأنود ، أي يتبرع بالإلكترونات ، والعامل المختزل (وقود CO أو H2) ، والإلكترونات الحرة من الأنود تدخل الدائرة الخارجية ، ويتم الاحتفاظ بالأيونات الموجبة في واجهة الأنود بالكهرباء (CO + ، H +). من الطرف الآخر للسلسلة ، تقترب الإلكترونات من الكاثود ، حيث يحدث تفاعل الاختزال (إضافة الإلكترونات بواسطة عامل الأكسدة O2–). ثم يتم نقل الأيونات المؤكسدة بواسطة المنحل بالكهرباء إلى القطب السالب.

في FC ، يتم الجمع بين ثلاث مراحل من النظام الفيزيائي الكيميائي:

غاز (وقود ، مؤكسد) ؛
المنحل بالكهرباء (موصل الأيونات) ؛
قطب كهربائي معدني (موصل للإلكترونات).
في خلايا الوقود ، يتم تحويل طاقة تفاعل الأكسدة والاختزال إلى طاقة كهربائية ، ويتم فصل عمليات الأكسدة والاختزال مكانيًا بواسطة إلكتروليت. لا تشارك الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت في التفاعل ، لكن في التصميمات الحقيقية تصبح ملوثة بشوائب الوقود بمرور الوقت. يمكن أن يستمر الاحتراق الكهروكيميائي في درجات حرارة منخفضة وعمليًا دون خسائر. على التين. يوضح p087 الحالة التي يدخل فيها خليط من الغازات (CO و H2) إلى خلية الوقود ، أي يمكنه حرق الوقود الغازي (انظر الفصل 1). وهكذا ، تبين أن TE "آكلة اللحوم".

استخدام خلايا الوقود معقد بسبب حقيقة أن الوقود يجب أن يكون "مهيأ" لها. بالنسبة لخلايا الوقود ، يتم الحصول على الهيدروجين عن طريق تحويل الوقود العضوي أو تغويز الفحم. لذلك ، فإن مخطط الكتلة لمحطة توليد الطاقة على خلية وقود ، بالإضافة إلى بطاريات خلية الوقود ، ومحول DC-to-AC (انظر الفصل 3) والمعدات المساعدة ، يتضمن وحدة إنتاج الهيدروجين.

اتجاهين لتطوير FC

هناك مجالان لتطبيق خلايا الوقود: الطاقة المستقلة والواسعة النطاق.

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

بالنسبة لتوليد الطاقة الكبيرة ، تعد الكفاءة عاملاً حاسمًا. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تكون التركيبات متينة ، ولا تحتوي على مواد باهظة الثمن ، وتستخدم أنواعًا من الوقود الطبيعي بأقل تكاليف تحضير.

يتم تقديم أكبر الفوائد من خلال استخدام خلايا الوقود في السيارة. هنا ، كما هو الحال في أي مكان آخر ، سيكون لانضغاط خلايا الوقود تأثير. مع الاستلام المباشر للكهرباء من الوقود ، سيكون توفير الأخير حوالي 50٪.

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

بعد ذلك ، جرت محاولات متكررة لاستخدام الفحم كمادة فعالة في خلايا الوقود. في الثلاثينيات من القرن الماضي ، ابتكر الباحث الألماني إي. باور نموذجًا أوليًا مختبريًا لخلية وقود تحتوي على إلكتروليت صلب لأكسدة أنوديك مباشرة للفحم. في 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 ، طور K. Kordesh خلايا وقود الأكسجين والهيدروجين منخفضة الحرارة في الولايات المتحدة الأمريكية. استخدموا أقطاب الكربون مع محفزات البلاتين. في ألمانيا ، عمل E. Yust على إنشاء محفزات غير بلاتينية.

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

كانت مجالات الاستخدام الرئيسية لمنشآت FC خارج الشبكة هي التطبيقات العسكرية والبحرية. في نهاية الستينيات ، انخفض حجم الأبحاث حول خلايا الوقود ، وبعد الثمانينيات ، زاد حجمها مرة أخرى فيما يتعلق بالطاقة على نطاق واسع.

قامت VARTA بتطوير FCs باستخدام أقطاب انتشار الغاز على الوجهين. أقطاب من هذا النوع تسمى "جانوس". طورت شركة Siemens أقطابًا كهربائية بكثافة طاقة تصل إلى 90 واط / كجم. في الولايات المتحدة ، يتم تنفيذ العمل على خلايا الأكسجين والهيدروجين بواسطة 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) ، واعدًا للغاية. (الشمس والرياح) مشتتة (انظر الفصل 4). إن استخدامها الجاد ، الذي لا غنى عنه في المستقبل ، لا يمكن تصوره بدون بطاريات ضخمة تخزن الطاقة بشكل أو بآخر.

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

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

الجيل الأول من TE

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

* الهيدروجين التجاري هو منتج تحويل للوقود الأحفوري يحتوي على شوائب ثانوية من أول أكسيد الكربون.

تم تشغيل إحدى محطات الطاقة هذه في ولاية كاليفورنيا في عام 1991. تتكون من ثمانية عشر بطارية تزن كل منها 18 طنًا ويتم وضعها في علبة يبلغ قطرها أكثر من 2 مترًا وارتفاعها حوالي 5 أمتار.تم التفكير في إجراء استبدال البطارية باستخدام هيكل إطار يتحرك على طول القضبان.

سلمت الولايات المتحدة محطتين لتوليد الطاقة إلى اليابان إلى اليابان. تم إطلاق أولها في أوائل عام 1983. يتوافق الأداء التشغيلي للمحطة مع الأداء المحسوب. عملت بحمل 25 إلى 80٪ من الاسمي. بلغت الكفاءة 30 ... 37٪ - وهذا قريب من محطات الطاقة الحرارية الكبيرة الحديثة. وقت بدء التشغيل من الحالة الباردة من 4 ساعات إلى 10 دقائق ، ومدة تغيير الطاقة من صفر إلى كامل هي 15 ثانية فقط.

الآن في أجزاء مختلفة من الولايات المتحدة ، يتم اختبار محطات صغيرة للتدفئة والطاقة بسعة 40 كيلوواط مع عامل استخدام للوقود يبلغ حوالي 80٪. يمكنهم تسخين المياه حتى 130 درجة مئوية ويتم وضعها في المغاسل والمجمعات الرياضية ونقاط الاتصال وما إلى ذلك. عملت بالفعل حوالي مائة منشأة لما مجموعه مئات الآلاف من الساعات. تسمح الصداقة البيئية لمحطات توليد الطاقة بالتبديل بالتبادل بوضعها مباشرة في المدن.

احتلت أول محطة لتوليد الطاقة بالوقود في نيويورك ، بسعة 4.5 ميجاوات ، مساحة 1.3 هكتار. الآن ، بالنسبة للمحطات الجديدة التي تبلغ سعتها ضعفين ونصف ، هناك حاجة إلى موقع بحجم 30 × 60 مترًا ، ويتم بناء العديد من محطات الطاقة التجريبية بقدرة 11 ميجاوات. وقت البناء (7 أشهر) والمساحة (30x60 م) التي تشغلها محطة توليد الكهرباء ملفت للنظر. العمر الافتراضي التقديري لمحطات الطاقة الجديدة هو 30 عامًا.

الجيل الثاني والثالث TE

يتم بالفعل تصميم أفضل الخصائص لمحطات معيارية بسعة 5 ميجاوات مع خلايا وقود متوسطة الحرارة من الجيل الثاني. تعمل في درجات حرارة 650 ... 700 درجة مئوية. تصنع أنوداتها من جزيئات متكلسة من النيكل والكروم ، وتصنع الكاثودات من الألمنيوم المتكلس والمؤكسد ، والإلكتروليت عبارة عن خليط من كربونات الليثيوم والبوتاسيوم. تساعد درجات الحرارة المرتفعة في حل مشكلتين كهربائيتين رئيسيتين:

تقليل "تسمم" العامل الحفاز بأول أكسيد الكربون ؛
زيادة كفاءة عملية اختزال المؤكسد عند الكاثود.
ستكون خلايا الوقود عالية الحرارة من الجيل الثالث مع إلكتروليت من الأكاسيد الصلبة (بشكل أساسي ثاني أكسيد الزركونيوم) أكثر كفاءة. درجة حرارة التشغيل تصل إلى 1000 درجة مئوية. كفاءة محطات توليد الطاقة مع خلايا الوقود هذه تقترب من 50٪. هنا ، منتجات تغويز الفحم الصلب مع محتوى كبير من أول أكسيد الكربون مناسبة أيضًا كوقود. بنفس القدر من الأهمية ، يمكن استخدام الحرارة المهدرة من محطات درجة الحرارة العالية لإنتاج البخار لتشغيل التوربينات للمولدات الكهربائية.

تعمل فيستنجاوس في مجال خلايا وقود الأكسيد الصلب منذ عام 1958. تقوم بتطوير محطات توليد الطاقة بقدرة 25 ... 200 كيلوواط ، حيث يمكن استخدام الوقود الغازي من الفحم. يجري تحضير منشآت تجريبية بقدرة عدة ميغاوات للاختبار. تقوم شركة أمريكية أخرى ، Engelgurd ، بتصميم خلايا وقود بقدرة 50 كيلو وات تعمل على الميثانول مع حمض الفوسفوريك كإلكتروليت.

المزيد والمزيد من الشركات في جميع أنحاء العالم تشارك في إنشاء خلايا الوقود. شكلت شركة American United Technology وشركة Toshiba اليابانية شركة خلايا الوقود الدولية. في أوروبا ، يعمل الكونسورتيوم البلجيكي الهولندي Elenko ، وشركة Siemens الألمانية الغربية ، وشركة Fiat الإيطالية ، والبريطانية Jonson Metju في خلايا الوقود.

فيكتور لافروس.

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