المسؤول | 2 يونيو 2017 | التعليقات: 1

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

تكنولوجيا الهيدروجين خلايا الوقودليس جديدا. 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 الآن تركيبها في مكوكات فضائية ، 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 ، بينما تنتقل الإلكترونات حول خلايا الوقود لتصل 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 اختبار سلامة تخزين الهيدروجين ، وجد أن تخزين الهيدروجين في خلايا الوقود أكثر أمانًامن تخزين البنزين في خزان وقود السيارة.

كم تكلفة خلايا وقود الهيدروجين الحديثة؟؟ تقدم الشركات حاليًا الهيدروجين أنظمة الوقودإنتاج الطاقة بتكلفة حوالي 3000 دولار للكيلوواط. بحوث التسويقوجدت أنه عندما تنخفض التكلفة إلى 1500 دولار للكيلوواط ، سيكون المستهلكون في سوق الطاقة الجماعية 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.

تصنيع وتجميع واختبار واختبار خلايا / خلايا الوقود (الهيدروجين)
صنعت في مصانع في الولايات المتحدة وكندا

خلايا / خلايا الوقود (الهيدروجين)

تعمل شركة Intech GmbH / LLC Intech GmbH في سوق الخدمات الهندسية منذ عام 1997 ، وهي المسؤول لسنوات عديدة عن المعدات الصناعية المختلفة ، وتلفت انتباهك إلى خلايا / خلايا الوقود (الهيدروجين) المختلفة.

خلية / خلية وقود هي

فوائد خلايا / خلايا الوقود

خلية / خلية الوقود هي جهاز يولد بكفاءة تيارًا مباشرًا وحرارة من وقود غني بالهيدروجين عن طريق الكهرباء تفاعل كيميائي.

تشبه خلية الوقود البطارية في 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 عن حاجة الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (ناسا) لمصادر الطاقة للبعثات 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 المفيد 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 مطلية بالنيكل عالية الضغط. خلال الحرب العالمية الثانية ، تم تطوير خلايا / خلايا الوقود لغواصات البحرية البريطانية وفي عام 1958 تم إدخال مجموعة وقود تتكون من خلايا / خلايا وقود قلوية قطرها يزيد قليلاً عن 25 سم.

زاد الاهتمام في الخمسينيات والستينيات وكذلك في الثمانينيات عندما 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 يقوم بتوصيل البروتونات. بعد أن يدخل الهيدروجين الأنود ، ويدخل الأكسجين في الكاثود ، يبدأ تفاعل كيميائي ، ونتيجة لذلك كهرباءوالحرارة والماء.

على محفز الأنود ، ينفصل الهيدروجين الجزيئي ويفقد الإلكترونات. يتم توصيل أيونات الهيدروجين (البروتونات) عبر الإلكتروليت إلى القطب السالب ، بينما يتم تمرير الإلكترونات عبر الإلكتروليت وتمر عبر الجزء الخارجي دائرة كهربائية، مما يخلق تيارًا مباشرًا 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 العالية بالاستخدام المباشر للغاز الطبيعي بدون معالج وقود وغاز الوقود منخفض القيمة الحراريةالوقود عمليات الانتاجومن مصادر أخرى.

يختلف تشغيل RCFC عن خلايا الوقود الأخرى. تستخدم هذه الخلايا إلكتروليت من خليط من أملاح الكربونات المنصهرة. حاليًا ، يتم استخدام نوعين من المخاليط: كربونات الليثيوم وكربونات البوتاسيوم أو كربونات الليثيوم وكربونات الصوديوم. لإذابة أملاح الكربونات وتحقيق درجة عالية من تنقل الأيونات في الإلكتروليت ، 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 الأنود 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 حرارة عالية ، يحدث الإصلاح الداخلي غاز طبيعي، 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 لمجموعة متنوعة من الأغراض 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 البروتون ، حيث يتم تقسيم الهيدروجين المزود إلى القطب الموجب إلى بروتونات وإلكترونات. تمر البروتونات عبر الإلكتروليت وتتحد مع الأكسجين من الهواء عند القطب السالب لتكوين الماء. يتم توجيه الإلكترونات عبر 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 وتقلب الإلكتروليت المنخفض والاستقرار المتزايد هي أيضًا مزايا هذا النوع من خلايا الوقود.

يتم إنتاج محطات 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 تختلف 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.

التفاعل 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

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 - 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 ، ويطلق ثاني أكسيد الكربون ، وأيونات الهيدروجين والإلكترونات ، والتي يتم توجيهها من خلال دائرة كهربائية خارجية ، ويتولد 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 هو صغر حجمها ، نتيجة استخدام الوقود السائل ، وعدم الحاجة إلى استخدام المحول.

خلايا / خلايا الوقود القلوية (AFC)

تعد خلايا الوقود القلوية من أكثر الخلايا كفاءة 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-) يتحرك 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

ميزة مركبات الكربون الكلورية فلورية هي أن خلايا الوقود هذه هي الأرخص في التصنيع ، لأن المحفز المطلوب على الأقطاب الكهربائية يمكن أن يكون أي مادة أرخص من تلك المستخدمة كمحفزات لخلايا الوقود الأخرى. تعمل SCFCs في درجات حرارة منخفضة نسبيًا وهي من بين خلايا الوقود الأكثر 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 تسخينه ، 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.

عادةً ما تُبنى محطات الطاقة والتدفئة 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:

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 من أجل أنواع مختلفةالوقود الهيدروكربوني ، الغاز الطبيعي بشكل أساسي
• تتمتع بوقت 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 ذلك نظام منفصلتوريد الهيدروجين. عند استخدام محطات طاقة حرارية صغيرة تعتمد على خلايا وقود الأكسيد الصلب ، يمكن دمج الحرارة المتولدة في المبادلات الحرارية لتسخين المياه وهواء التهوية ، مما يزيد من الكفاءة الكلية للنظام. هذه التقنية 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 ، والفوائد 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 قدرة الشبكة المحدودة 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 لطاقة احتياطية أطول. تعد البطاريات مصدرًا رخيصًا نسبيًا للطاقة الاحتياطية لمدة ساعة إلى ساعتين. ومع ذلك ، فإن البطاريات ليست مناسبة لفترات احتياطية أطول لأن صيانتها باهظة الثمن ، وتصبح غير موثوقة بعد فترات طويلة من الاستخدام ، كما أنها حساسة لدرجة الحرارة وخطرة على الحياة. بيئةبعد التخلص منها. يمكن لمولدات الديزل والبروبان توفير طاقة احتياطية مستمرة. ومع ذلك ، يمكن أن تكون المولدات غير موثوقة ، وتتطلب صيانة مكثفة ، وتطلق مستويات عالية من الملوثات وغازات الاحتباس الحراري في الغلاف الجوي.

من أجل القضاء على قيود حلول الطاقة الاحتياطية التقليدية ، تم تطوير تقنية مبتكرة لخلايا الوقود الخضراء. تتميز خلايا الوقود بأنها موثوقة وهادئة وتحتوي على أجزاء متحركة أقل من المولد ، ولها نطاق درجة حرارة تشغيل أوسع من البطارية من -40 درجة مئوية إلى +50 درجة مئوية ، ونتيجة لذلك ، توفر مستويات عالية للغاية من توفير الطاقة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تكلفة عمر هذا المصنع أقل من تكلفة المولد. تأتي التكلفة المنخفضة لكل خلية وقود نتيجة 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 الحيوية لشبكات الاتصالات للاتصالات اللاسلكية والدائمة وعريضة النطاق 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. 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 ومتغيرات أخرى. ستختلف الطاقة المتوفرة 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 عبارة عن خليط من الميثانول والماء. الميثانول متاح على نطاق واسع ، ويتم إنتاجه في النطاق الصناعيوقود يستخدم حاليًا في العديد من الاستخدامات ، من بينها غسالات الزجاج الأمامي ، والزجاجات البلاستيكية ، والمواد المضافة للمحرك ، 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 به لفترة طويلة من الوقت ، بغض النظر عن درجة حرارة أو عمر نظام الطاقة الاحتياطية.

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

تطبيق خلايا الوقود / الخلايا في شبكات البيانات

يعتبر تزويد 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 بخليط 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 مقارنةً بالبطاريات التقليدية أو مولدات الديزل ، مما يسمح بزيادة الاستخدام في الموقع:

1. تحل تقنية الوقود السائل مشكلة تخزين الهيدروجين وتوفر طاقة احتياطية غير محدودة تقريبًا.
2. بفضل التشغيل الهادئ ، والوزن الخفيف ، ومقاومة التغيرات في درجات الحرارة 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 / خلايا الوقود 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.

تتعرض الأنظمة الحيوية مثل أنظمة المراقبة والتحكم في الدخول (قارئات بطاقات الهوية ، وأجهزة إغلاق الأبواب ، وتقنية التعرف على المقاييس الحيوية ، وما إلى ذلك) ، وأنظمة إنذار الحريق الأوتوماتيكي وأنظمة إطفاء الحرائق ، وأنظمة التحكم في المصاعد وشبكات الاتصالات ، للخطر في حالة عدم وجود مصدر بديل موثوق به لإمدادات الطاقة المستمرة.

تتميز مولدات الديزل بالضوضاء ، ويصعب تحديد موقعها ، وهي معروفة جيدًا بموثوقيتها و اعمال صيانة. على 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 يقوم بتفريغ الطاقة أو فقدها 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 وطويلة الأمد (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 للتطبيقات الهامة 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 الوقود / الخلايا 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 والوقود المتجدد المتاح 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.

تنتج هذه الوحدات الموفرة للطاقة حرارة للمساحة وتسخين المياه ، فضلاً عن الكهرباء التي يمكن استخدامها في المنزل وإعادتها إلى شبكة الطاقة. يمكن أن تشمل مصادر توليد الطاقة الموزعة الخلايا الكهروضوئية (الشمسية) وتوربينات الرياح الدقيقة. هذه التقنيات مرئية ومعروفة على نطاق واسع ، لكن تشغيلها يعتمد على الظروف الجوية ولا يمكنها توليد الكهرباء باستمرار على مدار السنة. من حيث الطاقة ، يمكن أن تختلف محطات الطاقة الحرارية من أقل من 1 كيلوواط إلى 6 ميغاواط وأكثر.

تطبيق خلايا الوقود في شبكات التوزيع

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

يوضح الشكل أدناه الخسارة في كفاءة توليد الطاقة عندما يتم إنشاؤها بواسطة محطات 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 لحل 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: يوفر غياب الأجزاء المتحركة والاحتكاك وأنظمة التزييت فوائد اقتصادية كبيرة من تشغيل تركيبات خلايا الوقود.
6. استهلاك المياه: لا شيء في درجات حرارة محيطة تصل إلى +30 درجة مئوية وقليلة في درجات الحرارة المرتفعة.
7. مخرج المياه: لا يوجد.
8. بالإضافة إلى ذلك ، لا تصدر محطات الطاقة الحرارية لخلايا الوقود ضوضاء ولا تهتز ،

تعد خلايا الوقود وسيلة لتحويل طاقة وقود الهيدروجين كهربائياً إلى كهرباء ، والمنتج الثانوي الوحيد لهذه العملية هو الماء.

عادة ما يتم اشتقاق وقود الهيدروجين المستخدم حاليًا في خلايا الوقود من إعادة التكوين البخاري للميثان (أي تحويل الهيدروكربونات بالبخار والحرارة إلى ميثان) ، على الرغم من أنه قد يكون هناك نهج أكثر اخضرارًا ، مثل التحليل الكهربائي للمياه باستخدام الطاقة الشمسية.

المكونات الرئيسية لخلية الوقود هي:

• الأنود الذي يتأكسد فيه الهيدروجين ؛
• الكاثود ، حيث يتم تقليل الأكسجين ؛
• غشاء بوليمر بالكهرباء يتم من خلاله نقل البروتونات أو أيونات الهيدروكسيد (اعتمادًا على الوسط) - لا يسمح بمرور الهيدروجين والأكسجين ؛
• تدفق الأكسجين والهيدروجين ، وهما المسؤولان عن إيصال هذه الغازات إلى القطب.

من أجل تشغيل السيارة ، على سبيل المثال ، يتم تجميع العديد من خلايا الوقود في بطارية ، وتعتمد كمية الطاقة التي توفرها هذه البطارية على المساحة الإجمالية للأقطاب الكهربائية وعدد الخلايا الموجودة فيها. تتولد الطاقة في خلية الوقود على النحو التالي: يتأكسد الهيدروجين عند القطب الموجب ، وتُرسل الإلكترونات منه إلى القطب السالب ، حيث يتم تقليل الأكسجين. تتمتع الإلكترونات التي يتم الحصول عليها من أكسدة الهيدروجين عند القطب الموجب بقدرة كيميائية أعلى من الإلكترونات التي تقلل الأكسجين عند القطب السالب. هذا الاختلاف بين الإمكانات الكيميائية للإلكترونات يجعل من الممكن استخراج الطاقة من خلايا الوقود.

تاريخ الخلق

يعود تاريخ خلايا الوقود إلى ثلاثينيات القرن الماضي ، عندما صمم ويليام آر جروف أول خلية وقود هيدروجين. تستخدم هذه الخلية حامض الكبريتيك كإلكتروليت. حاول جروف إيداع النحاس من محلول مائي من كبريتات النحاس على سطح من الحديد. لاحظ أنه تحت تأثير تيار إلكتروني ، يتحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين. بعد هذا الاكتشاف ، أظهر جروف وكريستيان شوينباين ، الكيميائي بجامعة بازل (سويسرا) ، والذي عمل بالتوازي معه ، في نفس الوقت في عام 1839 إمكانية توليد الطاقة في خلية وقود الهيدروجين والأكسجين باستخدام إلكتروليت حمضي. هذه المحاولات المبكرة ، على الرغم من كونها بدائية في طبيعتها ، جذبت انتباه العديد من معاصريهم ، بما في ذلك مايكل فاراداي.

استمر البحث في خلايا الوقود ، وفي الثلاثينيات من القرن الماضي ، بدأ F.T. قدم بيكون مكونًا جديدًا لخلية الوقود القلوية (أحد أنواع خلايا الوقود) - غشاء التبادل الأيوني لتسهيل نقل أيونات الهيدروكسيد.

من أشهر الأمثلة التاريخية على استخدام خلايا الوقود القلوية استخدامها كمصدر رئيسي للطاقة أثناء الرحلات الفضائية في برنامج أبولو.

تم اختيارها من قبل وكالة ناسا لقوة تحملها واستقرارها التقني. لقد استخدموا غشاءًا موصلًا للهيدروكسيد كان متفوقًا في الكفاءة على أخته لتبادل البروتونات.

منذ ما يقرب من قرنين من الزمان منذ إنشاء أول نموذج أولي لخلية الوقود ، تم بذل الكثير من العمل لتحسينها. بشكل عام ، تعتمد الطاقة النهائية التي يتم الحصول عليها من خلية الوقود على حركية تفاعل الأكسدة والاختزال ، والمقاومة الداخلية للخلية ، وانتقال كتلة الغازات والأيونات المتفاعلة إلى المكونات النشطة تحفيزيًا. على مر السنين ، تم إجراء العديد من التحسينات على الفكرة الأصلية ، مثل:

1) استبدال أسلاك البلاتين بأقطاب من الكربون بجسيمات نانوية من البلاتين ؛ 2) اختراع أغشية عالية التوصيل والانتقائية ، مثل Nafion ، لتسهيل نقل الأيونات ؛ 3) الجمع بين الطبقة المحفزة ، على سبيل المثال ، الجسيمات النانوية البلاتينية الموزعة على قاعدة كربونية ، مع أغشية التبادل الأيوني ، مما ينتج عنه وحدة غشاء - قطب كهربائي مع مقاومة داخلية دنيا ؛ 4) استخدام وتحسين مجالات التدفق لتوصيل الهيدروجين والأكسجين إلى السطح الحفاز ، بدلاً من تخفيفها مباشرة في المحلول.

أدت هذه التحسينات وغيرها في النهاية إلى تقنية كانت فعالة بما يكفي لاستخدامها في سيارات مثل Toyota Mirai.

خلايا الوقود مع أغشية تبادل الهيدروكسيد

تجري جامعة ديلاوير بحثًا حول تطوير خلايا الوقود بأغشية تبادل الهيدروكسيد - HEMFCs (خلايا وقود غشاء تبادل الهيدروكسيد). خلايا الوقود التي تحتوي على أغشية تبادل الهيدروكسيد بدلاً من أغشية تبادل البروتونات - PEMFCs (خلايا وقود غشاء تبادل البروتون) - تواجه أقل واحدة من المشاكل الكبيرة لـ PEMFCs - مشكلة استقرار المحفز ، نظرًا لأن الكثير كمية كبيرةتكون محفزات الفلزات الأساسية مستقرة في البيئات القلوية عنها في البيئات الحمضية. إن استقرار المحفزات في المحاليل القلوية أعلى نظرًا لحقيقة أن انحلال المعادن يطلق طاقة أكثر عند درجة حموضة منخفضة مقارنة مع درجة حموضة عالية. تم تخصيص معظم العمل في هذا المختبر أيضًا لتطوير محفزات أنوديك وكاثودية جديدة لأكسدة الهيدروجين وتفاعلات تقليل الأكسجين لتسريعها بشكل أكثر كفاءة. بالإضافة إلى ذلك ، يقوم المختبر بتطوير أغشية جديدة لتبادل الهيدروكسيد ، حيث لم يتم بعد تحسين الموصلية والمتانة لهذه الأغشية من أجل التنافس مع أغشية تبادل البروتون.

ابحث عن محفزات جديدة

يتم تفسير سبب فقد الجهد الزائد في تفاعل اختزال الأكسجين بعلاقات المقياس الخطي بين المنتجات الوسيطة لهذا التفاعل. في الآلية التقليدية المكونة من أربعة إلكترونات لهذا التفاعل ، يتم تقليل الأكسجين بالتتابع ، مما ينتج عنه منتجات وسيطة - OOH * ، O * و OH * ، لتكوين الماء في النهاية (H2O) على السطح الحفاز. نظرًا لأن طاقات الامتزاز للمنتجات الوسيطة على محفز فردي مرتبطة ارتباطًا وثيقًا ببعضها البعض ، لم يتم العثور على محفز ، على الأقل من الناحية النظرية ، لن يكون له خسائر في الجهد الزائد. على الرغم من أن معدل هذا التفاعل منخفض ، فإن التغيير من وسط حمضي إلى وسط قلوي ، كما هو الحال في HEMFC ، لا يؤثر عليه كثيرًا. ومع ذلك ، فإن معدل تفاعل أكسدة الهيدروجين انخفض إلى النصف تقريبًا ، وهذه الحقيقة تحفز البحث الهادف إلى إيجاد سبب هذا الانخفاض واكتشاف محفزات جديدة.

مزايا خلايا الوقود

على عكس الوقود الهيدروكربوني ، تعتبر خلايا الوقود صديقة للبيئة أكثر ، إن لم تكن مثالية ، ولا تنتج غازات الاحتباس الحراري نتيجة لأنشطتها. علاوة على ذلك ، فإن وقودهم (الهيدروجين) متجدد من حيث المبدأ ، حيث يمكن الحصول عليه عن طريق التحلل المائي للماء. وبالتالي ، فإن خلايا وقود الهيدروجين تعد في المستقبل بأن تصبح جزءًا كاملاً من عملية إنتاج الطاقة ، حيث يتم استخدام الطاقة الشمسية وطاقة الرياح لإنتاج وقود الهيدروجين ، والذي يستخدم بعد ذلك في خلية وقود لإنتاج الماء. وبالتالي ، فإن الدورة مغلقة ولا تترك بصمة كربونية.

على عكس البطاريات القابلة لإعادة الشحن ، تتمتع خلايا الوقود بميزة أنها لا تحتاج إلى إعادة الشحن - يمكنها البدء على الفور في توفير الطاقة بمجرد الحاجة إليها. أي ، إذا تم تطبيقها ، على سبيل المثال ، في مجال المركبات ، فلن يكون هناك أي تغييرات تقريبًا من جانب المستهلك. على عكس الطاقة الشمسية وطاقة الرياح ، يمكن لخلايا الوقود إنتاج الطاقة بشكل مستمر وهي أقل اعتمادًا على الظروف الخارجية. في المقابل ، لا تتوفر الطاقة الحرارية الأرضية إلا في مناطق جغرافية معينة ، في حين أن خلايا الوقود مرة أخرى لا تعاني من هذه المشكلة.

خلايا وقود الهيدروجين هي واحدة من أكثر الخلايا الواعدة مصادر بديلةالطاقة بفضل قابليتها للنقل والمرونة من حيث الحجم.

تعقيد تخزين الهيدروجين

بالإضافة إلى مشاكل عيوب الأغشية الحالية والمحفزات ، ترتبط الصعوبات التقنية الأخرى لخلايا الوقود بتخزين وقود الهيدروجين ونقله. يحتوي الهيدروجين على طاقة نوعية منخفضة جدًا لكل وحدة حجم (كمية الطاقة لكل وحدة حجم عند درجة حرارة وضغط معينين) وبالتالي يجب تخزينه عند ضغط مرتفع جدًا لاستخدامه في المركبات. خلاف ذلك ، سيكون حجم الحاوية لتخزين الكمية المطلوبة من الوقود كبيرًا بشكل مستحيل. بسبب قيود تخزين الهيدروجين هذه ، بذلت محاولات لإيجاد طرق لإنتاج الهيدروجين من شيء آخر غير شكله الغازي ، كما هو الحال في خلايا وقود الهيدريد المعدني. ومع ذلك ، فإن تطبيقات خلايا الوقود الاستهلاكية الحالية ، مثل Toyota Mirai ، تستخدم الهيدروجين فوق الحرج (الهيدروجين عند درجات حرارة أعلى من 33 كلفن والضغوط فوق 13.3 الغلاف الجوي ، أي أعلى من القيم الحرجة) ، وهذا هو الخيار الأكثر ملاءمة الآن.

آفاق المنطقة

بسبب الصعوبات التقنية الحالية ومشاكل الحصول على الهيدروجين من المياه باستخدام الطاقة الشمسية ، في المستقبل القريب ، من المرجح أن يركز البحث بشكل أساسي على إيجاد مصادر بديلة للهيدروجين. تتمثل إحدى الأفكار الشائعة في استخدام الأمونيا (نيتريد الهيدروجين) مباشرة في خلية الوقود بدلاً من الهيدروجين ، أو لإنتاج الهيدروجين من الأمونيا. والسبب في ذلك هو أن الأمونيا أقل طلبًا من حيث الضغط ، مما يجعلها أكثر ملاءمة للتخزين والتحرك. بالإضافة إلى ذلك ، تعتبر الأمونيا جذابة كمصدر للهيدروجين لأنها لا تحتوي على الكربون. هذا يحل مشكلة تسمم المحفز بسبب بعض ثاني أكسيد الكربون في الهيدروجين المنتج من الميثان.

في المستقبل ، قد تجد خلايا الوقود تطبيقات واسعة في تكنولوجيا المركبات وتوليد الطاقة الموزعة ، كما هو الحال في المناطق السكنية. على الرغم من حقيقة أن استخدام خلايا الوقود كمصدر رئيسي للطاقة في الوقت الحالي يتطلب الكثير مالومع ذلك ، إذا تم العثور على محفزات أرخص وأكثر كفاءة وأغشية مستقرة ذات موصلية عالية ومصادر بديلة للهيدروجين ، فقد تصبح خلايا وقود الهيدروجين جذابة للغاية من الناحية الاقتصادية.

خلية الوقود عبارة عن جهاز تحويل طاقة كهروكيميائية يحول الهيدروجين والأكسجين إلى كهرباء من خلال تفاعل كيميائي. نتيجة لهذه العملية ، يتكون الماء ويتم إطلاق كمية كبيرة من الحرارة. تشبه خلية الوقود إلى حد بعيد البطارية التي يمكن شحنها ثم استخدامها لتخزين الطاقة الكهربائية.
مخترع خلية الوقود هو William R. Grove ، الذي اخترعها مرة أخرى في عام 1839. في خلية الوقود هذه ، تم استخدام محلول حمض الكبريتيك كإلكتروليت ، وتم استخدام الهيدروجين كوقود ، والذي تم دمجه مع الأكسجين في وسط مؤكسد . وتجدر الإشارة إلى أنه حتى وقت قريب ، كانت خلايا الوقود تستخدم فقط في المختبرات وعلى المركبات الفضائية.
في المستقبل ، ستكون خلايا الوقود قادرة على التنافس مع العديد من أنظمة تحويل الطاقة الأخرى (بما في ذلك توربينات الغاز في محطات الطاقة) ، ومحركات الاحتراق الداخلي في السيارات والبطاريات الكهربائية في الأجهزة المحمولة. تعمل محركات الاحتراق الداخلي على حرق الوقود واستخدام الضغط الناتج عن تمدد غازات الاحتراق لأداء الأعمال الميكانيكية. تخزن البطاريات الطاقة الكهربائية ثم تحولها إلى طاقة كيميائية ، والتي يمكن تحويلها مرة أخرى إلى طاقة كهربائية إذا لزم الأمر. من المحتمل أن تكون خلايا الوقود فعالة للغاية. في عام 1824 ، أثبت العالم الفرنسي كارنو أن دورات التمدد الانضغاطي لمحرك الاحتراق الداخلي لا يمكن أن تضمن كفاءة تحويل الطاقة الحرارية (وهي الطاقة الكيميائية لوقود الاحتراق) إلى طاقة ميكانيكية تزيد عن 50٪. لا تحتوي خلية الوقود على أجزاء متحركة (على الأقل ليس داخل الخلية نفسها) ، وبالتالي فهي لا تخضع لقانون كارنو. وبطبيعة الحال ، ستتمتع بكفاءة تزيد عن 50٪ وتكون فعالة بشكل خاص في الأحمال المنخفضة. وبالتالي ، فإن مركبات خلايا الوقود مهيأة لتكون (وقد أثبتت بالفعل أنها) أكثر كفاءة في استهلاك الوقود من المركبات التقليدية في ظروف القيادة الحقيقية.
تولد خلية الوقود تيارًا كهربائيًا مستمرًا يمكن استخدامه لقيادة محرك كهربائي وتركيبات الإضاءة والأنظمة الكهربائية الأخرى في السيارة. هناك عدة أنواع من خلايا الوقود تختلف في العمليات الكيميائية المستخدمة. عادة ما يتم تصنيف خلايا الوقود حسب نوع المنحل بالكهرباء الذي تستخدمه. تعد بعض أنواع خلايا الوقود واعدة لتطبيقات محطات الطاقة ، بينما قد يكون البعض الآخر مفيدًا للأجهزة المحمولة الصغيرة أو لقيادة السيارات.
خلية الوقود القلوية هي واحدة من أقدم العناصر المتقدمة. لقد تم استخدامها من قبل برنامج الفضاء الأمريكي منذ الستينيات. خلايا الوقود هذه معرضة جدًا للتلوث ، وبالتالي تتطلب هيدروجينًا وأكسجينًا نقيًا جدًا. بالإضافة إلى ذلك ، فهي باهظة الثمن ، وبالتالي من غير المرجح أن يجد هذا النوع من خلايا الوقود تطبيقًا واسعًا في السيارات.
يمكن استخدام خلايا الوقود القائمة على حمض الفوسفوريك في التركيبات الثابتة منخفضة الطاقة. تعمل في درجات حرارة عالية إلى حد ما ، وبالتالي تستغرق وقتًا طويلاً لتسخينها ، مما يجعلها أيضًا غير فعالة للاستخدام في السيارات.
خلايا وقود الأكسيد الصلب مناسبة بشكل أفضل لمولدات الطاقة الثابتة الكبيرة التي يمكن أن توفر الكهرباء للمصانع أو المجتمعات. يعمل هذا النوع من خلايا الوقود في درجات حرارة عالية جدًا (حوالي 1000 درجة مئوية). تخلق درجة حرارة التشغيل المرتفعة مشكلات معينة ، ولكن من ناحية أخرى ، هناك ميزة - يمكن إرسال البخار الذي تنتجه خلية الوقود إلى التوربينات لتوليد المزيد من الكهرباء. بشكل عام ، هذا يحسن الكفاءة الكلية للنظام.
واحدة من أكثر الأنظمة الواعدة هي خلية وقود غشاء تبادل البروتون - POMFC (PEMFC - خلية وقود غشاء تبادل البروتون). في الوقت الحالي ، يعد هذا النوع من خلايا الوقود هو الأكثر واعدة لأنه يمكن أن يدفع السيارات والحافلات والمركبات الأخرى.

العمليات الكيميائية في خلية الوقود

تستخدم خلايا الوقود عملية كهروكيميائية للجمع بين الهيدروجين والأكسجين من الهواء. مثل البطاريات ، تستخدم خلايا الوقود أقطابًا كهربائية (موصلات كهربائية صلبة) في إلكتروليت (وسط موصل كهربائيًا). عندما تتلامس جزيئات الهيدروجين مع القطب السالب (الأنود) ، يتم فصل الأخير إلى بروتونات وإلكترونات. تمر البروتونات عبر غشاء تبادل البروتون (PEM) إلى القطب الموجب (الكاثود) لخلية الوقود ، وتنتج الكهرباء. هناك مزيج كيميائي من جزيئات الهيدروجين والأكسجين مع تكوين الماء ، كمنتج ثانوي لهذا التفاعل. النوع الوحيد من الانبعاثات من خلية الوقود هو بخار الماء.
يمكن استخدام الكهرباء التي تنتجها خلايا الوقود في مجموعة نقل الحركة الكهربائية للمركبة (التي تتكون من محول طاقة كهربائية ومحرك تحريضي يعمل بالتيار المتردد) لتوفير طاقة ميكانيكية لدفع السيارة. تتمثل وظيفة محول الطاقة في تحويل التيار المباشر الناتج عن خلايا الوقود إلى تيار متناوب ، والذي يستخدمه محرك الجر في السيارة.

رسم تخطيطي لخلية وقود مع غشاء تبادل البروتون:
1 - الأنود
2 - غشاء تبادل البروتون (REM) ؛
3 - محفز (أحمر) ؛
4 - الكاثود

تستخدم خلية وقود غشاء التبادل البروتوني (PEMFC) أحد أبسط التفاعلات لأي خلية وقود.

خلية وقود منفصلة

ضع في اعتبارك كيف تعمل خلية الوقود. يقوم القطب الموجب ، وهو القطب السالب لخلية الوقود ، بتوصيل الإلكترونات التي يتم تحريرها من جزيئات الهيدروجين بحيث يمكن استخدامها في دائرة كهربائية خارجية (دائرة). للقيام بذلك ، يتم حفر القنوات فيه ، وتوزيع الهيدروجين بالتساوي على كامل سطح المحفز. يحتوي الكاثود (القطب الموجب لخلية الوقود) على قنوات توزع الأكسجين على سطح المحفز. كما أنه يعيد الإلكترونات من الدائرة الخارجية (الدائرة) إلى المحفز ، حيث يمكن أن تتحد مع أيونات الهيدروجين والأكسجين لتكوين الماء. المنحل بالكهرباء هو غشاء تبادل البروتون. هذه مادة خاصة ، شبيهة بالبلاستيك العادي ، ولكن لها القدرة على تمرير أيونات موجبة الشحنة ومنع مرور الإلكترونات.
المحفز عبارة عن مادة خاصة تسهل التفاعل بين الأكسجين والهيدروجين. عادة ما يتم تصنيع المحفز من مسحوق البلاتين المترسب في طبقة رقيقة جدًا على ورق أو قطعة قماش كربون. يجب أن يكون المحفز خشنًا ومساميًا بحيث يمكن أن يتلامس سطحه مع الهيدروجين والأكسجين قدر الإمكان. يقع الجانب المطلي بالبلاتين من المحفز أمام غشاء تبادل البروتون (POM).
يتم توفير غاز الهيدروجين (H 2) لخلية الوقود تحت ضغط من جانب الأنود. عندما يتلامس جزيء H2 مع البلاتين الموجود في المحفز ، فإنه ينقسم إلى جزأين ، أيونين (H +) وإلكترونين (e–). يتم توصيل الإلكترونات من خلال الأنود حيث تمر عبر دائرة خارجية (دائرة) تقوم بعمل مفيد (مثل قيادة محرك كهربائي) والعودة من جانب الكاثود لخلية الوقود.
وفي الوقت نفسه ، من جانب الكاثود لخلية الوقود ، يتم دفع غاز الأكسجين (O 2) عبر المحفز حيث يشكل ذرتين من الأكسجين. كل من هذه الذرات لها شحنة سالبة قوية تجذب اثنين من أيونات H + عبر الغشاء ، حيث تتحد مع ذرة أكسجين وإلكترونين من الحلقة الخارجية (سلسلة) لتكوين جزيء ماء (H 2 O).
ينتج هذا التفاعل في خلية وقود واحدة قوة تبلغ حوالي 0.7 واط. من أجل رفع الطاقة إلى المستوى المطلوب ، من الضروري دمج العديد من خلايا الوقود الفردية لتشكيل مجموعة خلايا وقود.
تعمل خلايا الوقود POM عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا (حوالي 80 درجة مئوية) ، مما يعني أنه يمكن تسخينها بسرعة إلى درجة حرارة التشغيل ولا تتطلب أنظمة تبريد باهظة الثمن. أدى التحسين المستمر في التكنولوجيا والمواد المستخدمة في هذه الخلايا إلى جعل قوتها أقرب إلى المستوى الذي يمكن أن توفر فيه بطارية من خلايا الوقود هذه ، التي تشغل جزءًا صغيرًا من صندوق السيارة ، الطاقة اللازمة لقيادة السيارة.
على مدى السنوات الماضية ، استثمر معظم مصنعي السيارات الرائدين في العالم بشكل كبير في تطوير تصميمات السيارات باستخدام خلايا الوقود. لقد أظهر الكثيرون بالفعل مركبات تعمل بخلايا الوقود ذات قوة وخصائص ديناميكية مرضية ، على الرغم من أنها كانت باهظة الثمن.
تحسين تصميم هذه السيارات مكثف للغاية.

مركبة تعمل بخلايا الوقود ، تستخدم محطة طاقة تقع تحت أرضية السيارة

تعتمد مركبة NECAR V على سيارة Mercedes-Benz A-class ، مع محطة الطاقة بالكامل ، جنبًا إلى جنب مع خلايا الوقود ، الموجودة أسفل أرضية السيارة. مثل هذا الحل البناء يجعل من الممكن استيعاب أربعة ركاب وأمتعة في السيارة. هنا ، ليس الهيدروجين ، لكن الميثانول يستخدم كوقود للسيارة. يتم تحويل الميثانول بمساعدة مصلح (جهاز يحول الميثانول إلى هيدروجين) إلى هيدروجين ، وهو أمر ضروري لتشغيل خلية الوقود. يتيح استخدام المصلح على متن السيارة إمكانية استخدام أي هيدروكربون تقريبًا كوقود ، مما يجعل من الممكن إعادة التزود بالوقود في سيارة تعمل بخلايا الوقود باستخدام شبكة محطات الوقود الحالية. من الناحية النظرية ، لا تنتج خلايا الوقود شيئًا سوى الكهرباء والماء. إن تحويل الوقود (البنزين أو الميثانول) إلى الهيدروجين المطلوب لخلية الوقود يقلل إلى حد ما من الجاذبية البيئية لمثل هذه السيارة.
أنتجت هوندا ، التي تعمل في مجال خلايا الوقود منذ عام 1989 ، مجموعة صغيرة من سيارات هوندا FCX-V4 في عام 2003 بخلايا وقود تبادل البروتونات. نوع الغشاءشركة بالارد. تولد خلايا الوقود هذه 78 كيلو واط الطاقة الكهربائية، ومحركات جر كهربائية بقوة 60 كيلوواط وعزم دوران 272 نيوتن متر لقيادة عجلات القيادة. السيارة التي تعمل بخلايا الوقود ، مقارنة بالسيارات التقليدية ، يقل وزنها عن 40٪ ، مما يوفر لها ديناميكيات ممتازة ، وإمداد الهيدروجين المضغوط يعطي إمكانية الجري حتى 355 كم.

تستخدم Honda FCX طاقة خلايا الوقود لدفع نفسها.
هوندا FCX هي أول سيارة تعمل بخلايا الوقود في العالم تحصل على شهادة حكومية في الولايات المتحدة. السيارة حاصلة على شهادة ZEV - سيارة خالية من الانبعاثات (خالية من التلوث). لن تبيع هوندا هذه السيارات بعد ، لكنها تستأجر حوالي 30 سيارة لكل وحدة. كاليفورنيا وطوكيو ، حيث توجد بالفعل بنية تحتية لتزويد وقود الهيدروجين.

تحتوي السيارة الاختبارية Hy Wire من جنرال موتورز على محطة طاقة تعمل بخلايا الوقود

تجري جنرال موتورز بحثًا كبيرًا حول تطوير وإنشاء مركبات تعمل بخلايا الوقود.

هيكل السيارة هاي واير

حصلت السيارة الاختبارية GM Hy Wire على 26 براءة اختراع. أساس السيارة عبارة عن منصة وظيفية بسمك 150 مم. داخل المنصة توجد اسطوانات الهيدروجين ومحطة طاقة تعمل بخلايا الوقود وأنظمة التحكم في السيارة باستخدام أحدث التقنياتالتحكم الإلكتروني بالأسلاك. هيكل سيارة Hy Wire عبارة عن منصة رفيعة تحتوي على جميع العناصر الهيكلية الرئيسية للسيارة: أسطوانات الهيدروجين وخلايا الوقود والبطاريات والمحركات الكهربائية وأنظمة التحكم. هذا النهج في التصميم يجعل من الممكن تغيير أجسام السيارات أثناء التشغيل ، كما تقوم الشركة باختبار مركبات خلايا الوقود التجريبية أوبل وتصميم مصنع لإنتاج خلايا الوقود.

تصميم خزان وقود "آمن" للهيدروجين المسال:
1 - جهاز التعبئة ؛
2 - الخزان الخارجي ؛
3 - يدعم
4 - مستشعر المستوى
5 - خزان داخلي ؛
6 - خط التعبئة ؛
7 - العزل والفراغ.
8 - سخان
9 - صندوق التثبيت

تولي شركة BMW اهتمامًا كبيرًا لمشكلة استخدام الهيدروجين كوقود للسيارات. بالتعاون مع Magna Steyer ، المشهورة بعملها على استخدام الهيدروجين المسال في أبحاث الفضاء ، طورت BMW خزان وقود الهيدروجين المسال الذي يمكن استخدامه في السيارات.

أكدت الاختبارات سلامة استخدام خزان وقود بهيدروجين سائل

أجرت الشركة سلسلة من الاختبارات على سلامة الهيكل وفق الأساليب المعيارية وأكدت موثوقيتها.
في عام 2002 ، في معرض فرانكفورت للسيارات (ألمانيا) ، تم عرض ميني كوبر هيدروجين ، والذي يستخدم الهيدروجين المسال كوقود. خزان الوقودتشغل هذه السيارة نفس مساحة خزان الغاز التقليدي. لا يستخدم الهيدروجين في هذه السيارة لخلايا الوقود ، بل يستخدم كوقود لمحركات الاحتراق الداخلي.

أول سيارة منتجة بكميات كبيرة في العالم بخلية وقود بدلاً من بطارية

في عام 2003 ، أعلنت شركة BMW عن إطلاق أول سيارة تعمل بخلايا الوقود ذات الإنتاج الضخم ، وهي BMW 750 hL. يتم استخدام بطارية خلايا الوقود بدلاً من البطارية التقليدية. تحتوي هذه السيارة على محرك احتراق داخلي مكون من 12 أسطوانة يعمل بالهيدروجين ، وتعمل خلية الوقود كبديل للبطارية التقليدية ، مما يسمح لمكيف الهواء والمستهلكين الآخرين بالعمل عندما تكون السيارة متوقفة لفترة طويلة مع إيقاف تشغيل المحرك.

يتم إعادة التزود بالوقود بالهيدروجين بواسطة روبوت ، ولا يشارك السائق في هذه العملية

قامت نفس الشركة BMW أيضًا بتطوير موزعات وقود آلية توفر إعادة تعبئة سريعة وآمنة للسيارات باستخدام الهيدروجين المسال.
يشير ظهور عدد كبير من التطورات في السنوات الأخيرة بهدف إنشاء مركبات تستخدم أنواعًا بديلة من الوقود ومحطات الطاقة البديلة إلى أن محركات الاحتراق الداخلي ، التي هيمنت على السيارات خلال القرن الماضي ، ستفسح المجال في النهاية لتصميمات أنظف وأكثر كفاءة وصامتة. استخدامها على نطاق واسع في الوقت الحاضر معوق ليس بسبب المشاكل التقنية ، ولكن بالأحرى من المشاكل الاقتصادية والاجتماعية. لاستخدامها على نطاق واسع ، من الضروري إنشاء بنية تحتية معينة لتطوير الإنتاج الأنواع البديلةالوقود ، وإنشاء وتوزيع محطات وقود جديدة وتذليل عدد من الحواجز النفسية. سيتطلب استخدام الهيدروجين كوقود للمركبة معالجة قضايا التخزين والتسليم والتوزيع ، مع اتخاذ تدابير سلامة جادة.
من الناحية النظرية ، يتوفر الهيدروجين بكميات غير محدودة ، لكن إنتاجه كثيف للغاية للطاقة. بالإضافة إلى ذلك ، من أجل تحويل السيارات للعمل على وقود الهيدروجين ، يجب إجراء تغييرين كبيرين في نظام الطاقة: أولاً ، نقل تشغيلها من البنزين إلى الميثانول ، ثم إلى الهيدروجين لبعض الوقت. سوف يمر بعض الوقت قبل أن يتم حل هذه المشكلة.

وصف:

تتناول هذه المقالة بمزيد من التفصيل هيكلها وتصنيفها ومزاياها وعيوبها ونطاقها وفعاليتها وتاريخ الإنشاء وآفاق الاستخدام الحديثة.

استخدام خلايا الوقود لتزويد المباني بالطاقة

الجزء 1

تتناول هذه المقالة بمزيد من التفصيل مبدأ تشغيل خلايا الوقود ، وتصميمها ، وتصنيفها ، ومزاياها وعيوبها ، ونطاقها ، وكفاءتها ، وتاريخ الإنشاء ، وآفاق الاستخدام الحديثة. في الجزء الثاني من المقال، الذي سيتم نشره في العدد القادم من مجلة ABOK ، يقدم أمثلة على المرافق التي تم فيها استخدام أنواع مختلفة من خلايا الوقود كمصادر للحرارة والكهرباء (أو للكهرباء فقط).

مقدمة

خلايا الوقود هي وسيلة فعالة للغاية وموثوقة ودائمة وصديقة للبيئة لتوليد الطاقة.

تستخدم في البداية فقط في صناعة الفضاء ، والآن يتم استخدام خلايا الوقود بشكل متزايد في مجموعة متنوعة من المجالات - كمحطات طاقة ثابتة ، مصادر غير متصلة بالإنترنتإمداد التدفئة والطاقة للمباني ومحركات السيارات وإمدادات الطاقة لأجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة. بعض هذه الأجهزة عبارة عن نماذج أولية معملية ، وبعضها يخضع لاختبار ما قبل السلسلة أو يستخدم لأغراض توضيحية ، ولكن يتم إنتاج العديد من الطرز بكميات كبيرة واستخدامها في المشاريع التجارية.

مبدأ عمل خلايا الوقود

خلية الوقود (المولد الكهروكيميائي) هي جهاز يحول الطاقة الكيميائية للوقود (الهيدروجين) إلى طاقة كهربائية أثناء تفاعل كهروكيميائي بشكل مباشر ، على عكس التقنيات التقليدية التي تستخدم احتراق الوقود الصلب والسائل والغازي. يعتبر التحويل الكهروكيميائي المباشر للوقود فعالاً وجذاباً للغاية من وجهة نظر بيئية ، حيث يتم إطلاق الحد الأدنى من الملوثات أثناء التشغيل ، ولا توجد ضوضاء واهتزازات قوية.

من الناحية العملية ، تشبه خلية الوقود البطارية الجلفانية التقليدية. يكمن الاختلاف في حقيقة أن البطارية مشحونة في البداية ، أي مليئة "بالوقود". أثناء التشغيل ، يتم استهلاك "الوقود" وتفريغ البطارية. على عكس البطارية ، تستخدم خلية الوقود الوقود الذي يتم توفيره من مصدر خارجي لتوليد الطاقة الكهربائية (الشكل 1).

لإنتاج الطاقة الكهربائية ، لا يمكن استخدام الهيدروجين النقي فحسب ، بل يمكن أيضًا استخدام المواد الخام الأخرى المحتوية على الهيدروجين ، مثل الغاز الطبيعي أو الأمونيا أو الميثانول أو البنزين. يستخدم الهواء العادي كمصدر للأكسجين ، وهو ضروري أيضًا للتفاعل.

عند استخدام الهيدروجين النقي كوقود ، فإن منتجات التفاعل ، بالإضافة إلى الطاقة الكهربائية ، هي الحرارة والماء (أو بخار الماء) ، أي لا تنبعث غازات في الغلاف الجوي تسبب تلوث الهواء أو تسبب تأثير الاحتباس الحراري. إذا تم استخدام مادة أولية تحتوي على الهيدروجين ، مثل الغاز الطبيعي ، كوقود ، فإن الغازات الأخرى ، مثل أكاسيد الكربون والنيتروجين ، ستكون منتجًا ثانويًا للتفاعل ، ولكن كميتها أقل بكثير مما كانت عليه عند حرق نفس الشيء كمية الغاز الطبيعي.

تسمى عملية التحويل الكيميائي للوقود من أجل إنتاج الهيدروجين الإصلاح ، والجهاز المقابل يسمى المصلح.

مزايا وعيوب خلايا الوقود

تعد خلايا الوقود أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من محركات الاحتراق الداخلي لأنه لا يوجد قيود ديناميكية حرارية على كفاءة الطاقة لخلايا الوقود. كفاءة خلايا الوقود 50٪ ، بينما كفاءة محركات الاحتراق الداخلي 12-15٪ ، وكفاءة محطات التوربينات البخارية لا تتعدى 40٪. باستخدام الحرارة والماء ، يتم زيادة كفاءة خلايا الوقود.

على عكس محركات الاحتراق الداخلي ، على سبيل المثال ، تظل كفاءة خلايا الوقود عالية جدًا حتى عندما لا تعمل بكامل طاقتها. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن زيادة قوة خلايا الوقود ببساطة عن طريق إضافة كتل منفصلة ، بينما لا تتغير الكفاءة ، أي أن التركيبات الكبيرة فعالة مثل التركيبات الصغيرة. تسمح هذه الظروف باختيار مرن للغاية لتكوين المعدات وفقًا لرغبات العميل وتؤدي في النهاية إلى خفض تكاليف المعدات.

من المزايا المهمة لخلايا الوقود ملاءمتها للبيئة. انبعاثات الهواء من خلايا الوقود منخفضة جدًا لدرجة أنها في بعض مناطق الولايات المتحدة لا تتطلب تصاريح خاصة من وكالات جودة الهواء الحكومية.

يمكن وضع خلايا الوقود مباشرة في المبنى ، وبالتالي تقليل الخسائر أثناء نقل الطاقة ، ويمكن استخدام الحرارة الناتجة عن التفاعل لتزويد المبنى بالحرارة أو الماء الساخن. يمكن أن تكون المصادر المستقلة للحرارة وإمدادات الطاقة مفيدة للغاية في المناطق النائية وفي المناطق التي تتميز بنقص الكهرباء وارتفاع تكلفتها ، ولكن في نفس الوقت هناك احتياطيات من المواد الخام المحتوية على الهيدروجين (النفط والغاز الطبيعي) .

تتمثل مزايا خلايا الوقود أيضًا في توفر الوقود والموثوقية (لا توجد أجزاء متحركة في خلية الوقود) والمتانة وسهولة التشغيل.

تتمثل إحدى عيوب خلايا الوقود الرئيسية اليوم في تكلفتها المرتفعة نسبيًا ، ولكن يمكن التغلب على هذا القصور قريبًا - ينتج المزيد والمزيد من الشركات عينات تجارية من خلايا الوقود ، ويتم تحسينها باستمرار ، وتقل تكلفتها.

ومع ذلك ، فإن الاستخدام الأكثر كفاءة للهيدروجين النقي كوقود ، سيتطلب إنشاء بنية تحتية خاصة لتوليدها ونقلها. حاليًا ، تستخدم جميع التصاميم التجارية الغاز الطبيعي وأنواع الوقود المماثلة. يمكن للسيارات استخدام البنزين العادي ، مما سيسمح بالحفاظ على الشبكة الحالية المتطورة لمحطات الوقود. ومع ذلك ، فإن استخدام مثل هذا الوقود يؤدي إلى انبعاثات ضارة في الغلاف الجوي (وإن كانت منخفضة جدًا) ويعقد (وبالتالي يزيد من تكلفة) خلية الوقود. في المستقبل ، يتم النظر في إمكانية استخدام مصادر الطاقة المتجددة الصديقة للبيئة (على سبيل المثال ، الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح) لتحليل الماء إلى هيدروجين وأكسجين عن طريق التحليل الكهربائي ، ثم تحويل الوقود الناتج في خلية وقود. يمكن أن تكون هذه المصانع المدمجة التي تعمل في دورة مغلقة مصدرًا للطاقة صديقًا للبيئة تمامًا وموثوقًا ودائمًا وفعالًا.

ميزة أخرى لخلايا الوقود هي أنها أكثر كفاءة عند استخدام كل من الطاقة الكهربائية والحرارية في نفس الوقت. ومع ذلك ، فإن إمكانية استخدام الطاقة الحرارية غير متوفرة في كل منشأة. في حالة استخدام خلايا الوقود لتوليد الطاقة الكهربائية فقط ، تنخفض كفاءتها بالرغم من أنها تفوق كفاءة التركيبات "التقليدية".

التاريخ والاستخدامات الحديثة لخلايا الوقود

تم اكتشاف مبدأ تشغيل خلايا الوقود في عام 1839. اكتشف العالم الإنجليزي ويليام روبرت جروف (1811-1896) أن عملية التحليل الكهربائي - تحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين عن طريق تيار كهربائي - يمكن عكسها ، أي يمكن دمج الهيدروجين والأكسجين في جزيئات الماء دون احتراق ، ولكن مع إطلاق الحرارة والتيار الكهربائي. أطلق جروف على الجهاز الذي تم فيه مثل هذا التفاعل "بطارية غاز" ، والتي كانت أول خلية وقود.

بدأ التطوير النشط لتقنيات خلايا الوقود بعد الحرب العالمية الثانية ، وهو مرتبط بصناعة الطيران. في ذلك الوقت ، أجريت عمليات بحث عن مصدر طاقة فعال وموثوق ، ولكن في نفس الوقت مضغوط تمامًا. في الستينيات ، اختار متخصصو وكالة ناسا (الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء ، ناسا) خلايا الوقود كمصدر للطاقة للمركبات الفضائية لأبولو (الرحلات المأهولة إلى القمر) ، أبولو سويوز ، جيميني وبرامج سكايلاب. استخدمت أبولو ثلاث وحدات بقدرة 1.5 كيلو وات (2.2 كيلو وات ذروة الطاقة) باستخدام الهيدروجين والأكسجين المبردين لإنتاج الكهرباء والحرارة والماء. كانت كتلة كل تركيب 113 كجم. تعمل هذه الخلايا الثلاث بشكل متوازٍ ، لكن الطاقة التي تولدها وحدة واحدة كانت كافية لعودة آمنة. خلال 18 رحلة ، تراكمت خلايا الوقود ما مجموعه 10000 ساعة دون أي أعطال. حاليًا ، تُستخدم خلايا الوقود في مكوك الفضاء "مكوك الفضاء" ، والذي يستخدم ثلاث وحدات بقوة 12 واط ، والتي تولد كل الطاقة الكهربائية على متن المركبة الفضائية (الشكل 2). يتم استخدام المياه التي يتم الحصول عليها نتيجة تفاعل كهروكيميائي كمياه شرب ، وكذلك لمعدات التبريد.

في بلدنا ، كان العمل جاريًا أيضًا لإنشاء خلايا وقود لاستخدامها في الملاحة الفضائية. على سبيل المثال ، تم استخدام خلايا الوقود لتشغيل مكوك الفضاء السوفيتي بوران.

بدأ تطوير طرق للاستخدام التجاري لخلايا الوقود في منتصف الستينيات. تم تمويل هذه التطورات جزئياً من قبل المؤسسات الحكومية.

في الوقت الحالي ، يسير تطوير تقنيات استخدام خلايا الوقود في عدة اتجاهات. هذا هو إنشاء محطات طاقة ثابتة على خلايا الوقود (لكل من إمدادات الطاقة المركزية واللامركزية) ، ومحطات توليد الطاقة للمركبات (تم إنشاء عينات من السيارات والحافلات على خلايا الوقود ، بما في ذلك في بلدنا) (الشكل 3) ، و أيضًا مزودات الطاقة لمختلف الأجهزة المحمولة (أجهزة الكمبيوتر المحمولة ، والهواتف المحمولة ، وما إلى ذلك) (الشكل 4).

ويرد في الجدول أمثلة على استخدام خلايا الوقود في مختلف المجالات. واحد.

أحد النماذج التجارية الأولى لخلايا الوقود المصممة لتزويد المباني بالحرارة والطاقة المستقلة كان طراز PC25 A الذي تصنعه شركة ONSI (الآن United Technologies، Inc.). تنتمي خلية الوقود هذه بقوة اسمية تبلغ 200 كيلو وات إلى نوع الخلايا التي تحتوي على إلكتروليت يعتمد على حمض الفوسفوريك (خلايا وقود حمض الفوسفوريك ، PAFC). الرقم "25" في اسم النموذج يعني الرقم التسلسلي للتصميم. كانت معظم النماذج السابقة عبارة عن قطع تجريبية أو اختبارية ، مثل طراز "PC11" الذي يبلغ 12.5 كيلو وات والذي ظهر في السبعينيات. زادت النماذج الجديدة من الطاقة المأخوذة من خلية وقود واحدة ، كما خفضت التكلفة لكل كيلوواط من الطاقة المنتجة. حاليًا ، أحد أكثر النماذج التجارية كفاءة هو خلية الوقود PC25 Model C. مثل الطراز "A" ، هذه خلية وقود أوتوماتيكية بالكامل من نوع PAFC بقدرة 200 كيلو وات مصممة للتركيب مباشرة على الجسم الذي تتم خدمته كمصدر مستقل للحرارة والكهرباء. يمكن تركيب خلية الوقود هذه خارج المبنى. ظاهريًا ، يبلغ طوله 5.5 مترًا وعرضه 3 مترًا وارتفاعه 3 مترًا ويزن 18140 كجم. يتمثل الاختلاف عن النماذج السابقة في مُصلِح مُحسَّن وكثافة تيار أعلى.

الجدول 1 نطاق خلايا الوقود

منطقة التطبيقات مصنفة قوة أمثلة على استخدام ملفات ثابت المنشآت 5-250 كيلوواط و أعلى المصادر المستقلة للتدفئة وإمدادات الطاقة للمباني السكنية والعامة والصناعية ، وإمدادات الطاقة غير المنقطعة ، وإمدادات الطاقة الاحتياطية والطوارئ محمول المنشآت 1–50 كيلوواط لافتات الطرق والشاحنات المبردة والسكك الحديدية والكراسي المتحركة وعربات الجولف والمركبات الفضائية والأقمار الصناعية التليفون المحمول المنشآت 25-150 كيلوواط السيارات (تم إنشاء النماذج الأولية ، على سبيل المثال ، بواسطة DaimlerCrysler و FIAT و Ford و General Motors و Honda و Hyundai و Nissan و Toyota و Volkswagen و VAZ) والحافلات (مثل MAN و Neoplan و Renault) وغيرها من المركبات والسفن الحربية والغواصات الأجهزة الدقيقة 1-500 واط الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة المساعد الرقمي الشخصي والأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية المختلفة والأجهزة العسكرية الحديثة

في بعض أنواع خلايا الوقود ، يمكن عكس العملية الكيميائية: من خلال تطبيق فرق جهد على الأقطاب الكهربائية ، يمكن أن يتحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين ، يتم تجميعهما على أقطاب كهربائية مسامية. عندما يتم توصيل الحمل ، ستبدأ خلية الوقود المتجدد هذه في توليد طاقة كهربائية.

يتمثل الاتجاه الواعد لاستخدام خلايا الوقود في استخدامها مع مصادر الطاقة المتجددة ، مثل الألواح الكهروضوئية أو توربينات الرياح. تتيح لك هذه التقنية تجنب تلوث الهواء تمامًا. تم التخطيط لإنشاء نظام مماثل ، على سبيل المثال ، في مركز تدريب آدم جوزيف لويس في أوبرلين (انظر ABOK ، 2002 ، رقم 5 ، ص 10). حاليًا ، تُستخدم الألواح الشمسية كأحد مصادر الطاقة في هذا المبنى. بالتعاون مع متخصصي وكالة ناسا ، تم تطوير مشروع لاستخدام الألواح الكهروضوئية لإنتاج الهيدروجين والأكسجين من الماء عن طريق التحليل الكهربائي. ثم يتم استخدام الهيدروجين في خلايا الوقود لتوليد الطاقة الكهربائية و ماء ساخن. سيسمح ذلك للمبنى بالحفاظ على أداء جميع الأنظمة خلال الأيام الملبدة بالغيوم وفي الليل.

مبدأ عمل خلايا الوقود

دعونا نفكر في مبدأ تشغيل خلية الوقود باستخدام أبسط عنصر مع غشاء تبادل البروتون (غشاء تبادل البروتون ، PEM) كمثال. يتكون هذا العنصر من غشاء بوليمر يوضع بين القطب الموجب (القطب الموجب) والكاثود (القطب السالب) مع محفزات الأنود والكاثود. يستخدم غشاء البوليمر كإلكتروليت. يظهر الرسم التخطيطي لعنصر PEM في الشكل. 5.

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

تحدث عملية الأكسدة عند القطب الموجب ، وتحدث عملية الاختزال عند القطب السالب. يتكون الأنود والكاثود في خلية PEM من مادة مسامية ، وهي مزيج من جزيئات الكربون والبلاتين. يعمل البلاتين كمحفز يعزز تفاعل التفكك. يصنع القطب الموجب والكاثود مساميًا للمرور الحر للهيدروجين والأكسجين عبرهما ، على التوالي.

يتم وضع القطب الموجب والكاثود بين لوحين معدنيين ، يزودان الهيدروجين والأكسجين بالقطب الموجب والكاثود ، ويزيلان الحرارة والماء ، وكذلك الطاقة الكهربائية.

تمر جزيئات الهيدروجين عبر القنوات الموجودة في اللوحة إلى القطب الموجب ، حيث تتحلل الجزيئات إلى ذرات فردية (الشكل 6).

	الشكل 5 () رسم تخطيطي لخلية وقود غشاء تبادل البروتون (PEM)
	الشكل 6 () تدخل جزيئات الهيدروجين عبر القنوات الموجودة في اللوحة إلى القطب الموجب ، حيث تتحلل الجزيئات إلى ذرات فردية
	الشكل 7 () نتيجة الامتصاص الكيميائي في وجود محفز ، يتم تحويل ذرات الهيدروجين إلى بروتونات
	الشكل 8 () تنتشر أيونات الهيدروجين موجبة الشحنة عبر الغشاء إلى الكاثود ، ويتم توجيه تدفق الإلكترون إلى الكاثود من خلال دائرة كهربائية خارجية يتصل بها الحمل.
	الشكل 9 () يدخل الأكسجين المزود للكاثود ، في وجود محفز ، في تفاعل كيميائي مع أيونات الهيدروجين من غشاء تبادل البروتون والإلكترونات من الدائرة الكهربائية الخارجية. يتكون الماء نتيجة تفاعل كيميائي

بعد ذلك ، نتيجة الامتصاص الكيميائي في وجود محفز ، يتم تحويل ذرات الهيدروجين ، التي تتبرع كل منها بإلكترون واحد ، إلى أيونات هيدروجين موجبة الشحنة H + ، أي البروتونات (الشكل 7).

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

يدخل الأكسجين المزود للكاثود ، في وجود محفز ، في تفاعل كيميائي مع أيونات الهيدروجين (البروتونات) من غشاء تبادل البروتون والإلكترونات من الدائرة الكهربائية الخارجية (الشكل 9). نتيجة لتفاعل كيميائي ، يتكون الماء.

التفاعل الكيميائي في خلية وقود من أنواع أخرى (على سبيل المثال ، مع إلكتروليت حمضي ، وهو محلول حمض الفوسفوريك H 3 PO 4) مطابق تمامًا للتفاعل الكيميائي في خلية وقود مع غشاء تبادل البروتون.

في أي خلية وقود ، يتم إطلاق جزء من طاقة تفاعل كيميائي كحرارة.

إن تدفق الإلكترونات في الدائرة الخارجية هو تيار مباشر يستخدم لأداء العمل. يؤدي فتح الدائرة الخارجية أو إيقاف حركة أيونات الهيدروجين إلى إيقاف التفاعل الكيميائي.

تعتمد كمية الطاقة الكهربائية التي تنتجها خلية الوقود على نوع خلية الوقود والأبعاد الهندسية ودرجة الحرارة وضغط الغاز. توفر خلية وقود واحدة EMF أقل من 1.16 فولت. ومن الممكن زيادة حجم خلايا الوقود ، ولكن في الممارسة العملية ، يتم استخدام عدة خلايا متصلة بالبطاريات (الشكل 10).

جهاز خلية الوقود

لنفكر في جهاز خلية الوقود على مثال طراز PC25 Model C. يظهر مخطط خلية الوقود في الشكل. أحد عشر.

تتكون خلية الوقود "PC25 Model C" من ثلاثة أجزاء رئيسية: معالج الوقود وقسم توليد الطاقة الفعلي ومحول الجهد.

الجزء الرئيسي من خلية الوقود - قسم توليد الطاقة - عبارة عن كومة تتكون من 256 خلية وقود فردية. تشتمل تركيبة أقطاب خلايا الوقود على محفز بلاتيني. من خلال هذه الخلايا ، يتم توليد تيار كهربائي مباشر يبلغ 1400 أمبير بجهد 155 فولت. تبلغ أبعاد البطارية حوالي 2.9 م في الطول و 0.9 م في العرض والارتفاع.

نظرًا لأن العملية الكهروكيميائية تحدث عند درجة حرارة 177 درجة مئوية ، فمن الضروري تسخين البطارية وقت بدء التشغيل وإزالة الحرارة منها أثناء التشغيل. للقيام بذلك ، تشتمل خلية الوقود على دائرة مياه منفصلة ، والبطارية مزودة بألواح تبريد خاصة.

يسمح لك معالج الوقود بتحويل الغاز الطبيعي إلى هيدروجين ، وهو أمر ضروري للتفاعل الكهروكيميائي. هذه العملية تسمى الإصلاح. العنصر الرئيسي لمعالج الوقود هو المصلح. في المصلح ، يتفاعل الغاز الطبيعي (أو أي وقود آخر يحتوي على الهيدروجين) مع البخار عند درجة حرارة عالية (900 درجة مئوية) وضغط مرتفع في وجود محفز نيكل. تحدث التفاعلات الكيميائية التالية:

CH 4 (ميثان) + H 2 O 3H 2 + CO

(ماص للحرارة التفاعل ، مع امتصاص الحرارة) ؛

ثاني أكسيد الكربون + H 2 O H 2 + CO 2

(يكون التفاعل طاردًا للحرارة ، مع إطلاق حرارة).

يتم التعبير عن رد الفعل الكلي بالمعادلة:

CH 4 (ميثان) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(ماص للحرارة التفاعل ، مع امتصاص الحرارة).

لتوفير درجة الحرارة العالية المطلوبة لتحويل الغاز الطبيعي ، يتم إرسال جزء من الوقود المستهلك من كومة خلايا الوقود إلى الموقد الذي يحافظ على وحدة الإصلاح عند درجة الحرارة المطلوبة.

يتم توليد البخار المطلوب لإعادة التشكيل من المكثفات المتكونة أثناء تشغيل خلية الوقود. في هذه الحالة ، يتم استخدام الحرارة المنبعثة من مكدس خلايا الوقود (الشكل 12).

يولد كومة خلايا الوقود تيارًا مباشرًا متقطعًا ، يتميز بجهد منخفض وتيار مرتفع. يستخدم محول الجهد لتحويله إلى تيار متردد صناعي قياسي. بالإضافة إلى ذلك ، تشتمل وحدة محول الجهد على العديد من أجهزة التحكم ودوائر قفل الأمان التي تسمح بإيقاف تشغيل خلية الوقود في حالة حدوث أعطال مختلفة.

في خلية الوقود هذه ، يمكن تحويل ما يقرب من 40٪ من الطاقة الموجودة في الوقود إلى طاقة كهربائية. تقريبًا نفس الشيء ، يمكن تحويل حوالي 40٪ من طاقة الوقود إلى طاقة حرارية، والذي يستخدم بعد ذلك كمصدر حرارة للتدفئة وإمدادات المياه الساخنة ولأغراض مماثلة. وبالتالي ، يمكن أن تصل الكفاءة الإجمالية لمثل هذا المصنع إلى 80٪.

من المزايا المهمة لمثل هذا المصدر للحرارة والكهرباء إمكانية وجوده عملية تلقائية. للصيانة ، لا يحتاج مالكو المنشأة التي تم تركيب خلية الوقود عليها إلى صيانة موظفين مدربين تدريباً خاصاً - يمكن إجراء الصيانة الدورية بواسطة موظفي المؤسسة المشغلة.

أنواع خلايا الوقود

حاليًا ، تُعرف عدة أنواع من خلايا الوقود ، والتي تختلف في تكوين الإلكتروليت المستخدم. الأنواع الأربعة التالية هي الأكثر انتشارًا (الجدول 2):

1. خلايا الوقود مع غشاء تبادل البروتون (خلايا وقود غشاء التبادل البروتوني ، PEMFC).

2. خلايا الوقود على أساس حامض الفوسفوريك (خلايا وقود حمض الفوسفوريك ، PAFC).

3. خلايا الوقود القائمة على الكربونات المنصهرة (خلايا وقود الكربونات المنصهرة ، MCFC).

4. خلايا وقود الأكسيد الصلب (خلايا وقود الأكسيد الصلب ، SOFC). حاليًا ، تم بناء أكبر أسطول من خلايا الوقود على أساس تقنية PAFC.

درجة حرارة التشغيل هي إحدى الخصائص الرئيسية للأنواع المختلفة من خلايا الوقود. من نواح كثيرة ، فإن درجة الحرارة هي التي تحدد نطاق خلايا الوقود. على سبيل المثال ، تعتبر درجات الحرارة المرتفعة أمرًا بالغ الأهمية لأجهزة الكمبيوتر المحمولة ، لذلك يتم تطوير خلايا وقود غشاء تبادل البروتونات ذات درجات حرارة تشغيل منخفضة لهذا الجزء من السوق.

بالنسبة لتزويد المباني بالطاقة المستقلة ، يلزم وجود خلايا وقود ذات سعة مركبة عالية ، وفي الوقت نفسه ، من الممكن استخدام الطاقة الحرارية ، وبالتالي ، يمكن أيضًا استخدام خلايا الوقود من أنواع أخرى لهذه الأغراض.

خلايا وقود غشاء التبادل البروتوني (PEMFC)

تعمل خلايا الوقود هذه في درجات حرارة تشغيل منخفضة نسبيًا (60-160 درجة مئوية). تتميز بكثافة طاقة عالية ، وتسمح لك بضبط طاقة الإخراج بسرعة ، ويمكن تشغيلها بسرعة. عيب هذا النوع من العناصر هو المتطلبات العالية لجودة الوقود ، لأن الوقود الملوث يمكن أن يتلف الغشاء. الطاقة الاسمية لخلايا الوقود من هذا النوع هي 1-100 كيلو واط.

تم تطوير خلايا وقود غشاء التبادل البروتوني في الأصل بواسطة شركة جنرال إلكتريك في الستينيات لصالح وكالة ناسا. يستخدم هذا النوع من خلايا الوقود مادة إلكتروليت بوليمرية صلبة تسمى غشاء تبادل البروتون (PEM). يمكن أن تتحرك البروتونات عبر غشاء تبادل البروتون ، لكن لا يمكن للإلكترونات المرور خلالها ، مما يؤدي إلى فرق جهد بين القطب السالب والأنود. نظرًا لبساطتها وموثوقيتها ، تم استخدام خلايا الوقود هذه كمصدر للطاقة على مركبة الفضاء المأهولة الجوزاء.

يستخدم هذا النوع من خلايا الوقود كمصدر للطاقة لمجموعة متنوعة من الأجهزة ، بما في ذلك النماذج الأولية والنماذج الأولية ، من الهواتف المحمولة إلى الحافلات وأنظمة الطاقة الثابتة. تسمح درجة حرارة التشغيل المنخفضة باستخدام هذه الخلايا لتشغيل أنواع مختلفة من الأجهزة الإلكترونية المعقدة. أقل كفاءة هو استخدامها كمصدر للحرارة وإمدادات الطاقة للمباني العامة والصناعية ، حيث تتطلب كميات كبيرة من الطاقة الحرارية. في الوقت نفسه ، تعد هذه العناصر واعدة كمصدر مستقل لإمداد الطاقة للمباني السكنية الصغيرة مثل الأكواخ المبنية في مناطق ذات مناخ حار.

الجدول 2 أنواع خلايا الوقود

نوع العنصر عمال درجة الحرارة، ° С انتاج الكفاءة الكهرباء طاقة)، ​​٪ المجموع نجاعة، ٪ خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتون (بيمفك) 60–160 30–35 50–70 خلايا الوقود على أساس orthophosphoric حمض (فوسفوريك) (PAFC) 150–200 35 70–80 خلايا الوقود على أساس كربونات منصهرة (MCFC) 600–700 45–50 70–80 أكسيد الحالة الصلبة خلايا الوقود (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

خلايا وقود حامض الفوسفوريك (PAFC)

تم بالفعل إجراء اختبارات خلايا الوقود من هذا النوع في أوائل السبعينيات. نطاق درجة حرارة التشغيل - 150-200 درجة مئوية. المجال الرئيسي للتطبيق هو المصادر المستقلة للحرارة وإمدادات الطاقة ذات الطاقة المتوسطة (حوالي 200 كيلو واط).

المنحل بالكهرباء المستخدم في خلايا الوقود هذه هو محلول حمض الفوسفوريك. الأقطاب الكهربائية مصنوعة من الورق المطلي بالكربون ، حيث يتم تشتيت محفز البلاتين.

تبلغ الكفاءة الكهربائية لخلايا وقود PAFC 37-42٪. ومع ذلك ، نظرًا لأن خلايا الوقود هذه تعمل عند درجة حرارة عالية بدرجة كافية ، فمن الممكن استخدام البخار المتولد نتيجة للتشغيل. في هذه الحالة ، يمكن أن تصل الكفاءة الإجمالية إلى 80٪.

لتوليد الطاقة ، يجب تحويل المادة الأولية المحتوية على الهيدروجين إلى هيدروجين نقي من خلال عملية إعادة التشكيل. على سبيل المثال ، إذا تم استخدام البنزين كوقود ، فيجب إزالة مركبات الكبريت ، حيث يمكن للكبريت إتلاف محفز البلاتين.

كانت خلايا الوقود PAFC هي أول خلايا وقود تجارية لها ما يبررها اقتصاديًا. كان النموذج الأكثر شيوعًا هو خلية الوقود PC25 بقدرة 200 كيلو وات التي تصنعها شركة ONSI (الآن United Technologies، Inc.) (الشكل 13). على سبيل المثال ، تُستخدم هذه العناصر كمصدر للحرارة والكهرباء في مركز للشرطة في سنترال بارك بنيويورك أو كمصدر إضافي للطاقة لمبنى كوندي ناست وفور تايمز سكوير. أكثر منصة كبيرةمن هذا النوع يتم اختباره كمحطة طاقة 11 ميجاوات في اليابان.

تستخدم خلايا الوقود التي تعتمد على حمض الفوسفوريك أيضًا كمصدر للطاقة في المركبات. على سبيل المثال ، في عام 1994 ، قامت شركة H-Power Corp ، وجامعة جورج تاون ، ووزارة الطاقة الأمريكية بتجهيز حافلة بمحطة طاقة 50 كيلو وات.

خلايا الوقود الكربونية المنصهرة (MCFC)

تعمل خلايا الوقود من هذا النوع في درجات حرارة عالية جدًا - 600-700 درجة مئوية. تسمح درجات حرارة التشغيل هذه باستخدام الوقود مباشرة في الخلية نفسها ، دون الحاجة إلى مصلح منفصل. هذه العملية تسمى "الإصلاح الداخلي". إنه يسمح بتبسيط تصميم خلية الوقود بشكل كبير.

تتطلب خلايا الوقود القائمة على الكربونات المنصهرة وقتًا كبيرًا لبدء التشغيل ولا تسمح بضبط طاقة الخرج بسرعة ، لذا فإن مجال تطبيقها الرئيسي هو مصادر ثابتة كبيرة للحرارة والكهرباء. ومع ذلك ، فهي تتميز بكفاءة عالية في تحويل الوقود - 60٪ كفاءة كهربائية وما يصل إلى 85٪ كفاءة إجمالية.

في هذا النوع من خلايا الوقود ، يتكون المحلول الكهربائي من كربونات البوتاسيوم وأملاح كربونات الليثيوم التي يتم تسخينها إلى حوالي 650 درجة مئوية. في ظل هذه الظروف ، تكون الأملاح في حالة منصهرة ، وتشكل إلكتروليتًا. عند القطب الموجب ، يتفاعل الهيدروجين مع أيونات ثاني أكسيد الكربون ، مكونًا الماء وثاني أكسيد الكربون وإطلاق الإلكترونات التي يتم إرسالها إلى الدائرة الخارجية ، وفي القطب السالب يتفاعل الأكسجين مع ثاني أكسيد الكربون والإلكترونات من الدائرة الخارجية ، مكونًا أيونات ثاني أكسيد الكربون مرة أخرى.

تم إنشاء عينات مختبرية من خلايا الوقود من هذا النوع في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي بواسطة العالمين الهولنديين ج. في الستينيات ، عمل المهندس فرانسيس تي بيكون ، وهو سليل كاتب وعالم إنجليزي شهير من القرن السابع عشر ، على هذه العناصر ، ولهذا السبب يُشار أحيانًا إلى خلايا وقود MCFC باسم عناصر بيكون. استخدمت برامج Apollo و Apollo-Soyuz و Scylab التابعة لوكالة ناسا مثل خلايا الوقود كمصدر للطاقة (الشكل 14). في نفس السنوات ، اختبرت الإدارة العسكرية الأمريكية عدة عينات من خلايا وقود MCFC المصنعة من قبل شركة Texas Instruments ، حيث تم استخدام درجات الجيش من البنزين كوقود. في منتصف السبعينيات ، بدأت وزارة الطاقة الأمريكية البحث لتطوير خلية وقود كربونية منصهرة ثابتة مناسبة للتطبيقات العملية. في التسعينيات ، تم تشغيل عدد من الوحدات التجارية التي تصل قوتها إلى 250 كيلوواط ، مثل المحطة الجوية البحرية الأمريكية ميرامار في كاليفورنيا. في عام 1996 ، تم إنشاء شركة FuelCell Energy، Inc. بتكليف من 2 ميغاواط مصنع ما قبل السلسلة في سانتا كلارا ، كاليفورنيا.

خلايا وقود أكسيد الحالة الصلبة (SOFC)

تتميز خلايا وقود أكسيد الحالة الصلبة بالبساطة في التصميم وتعمل في درجات حرارة عالية جدًا - 700-1000 درجة مئوية. تسمح درجات الحرارة المرتفعة هذه باستخدام وقود "متسخ" نسبيًا وغير مكرر. تحدد نفس الميزات الموجودة في خلايا الوقود القائمة على الكربونات المنصهرة مجالًا مشابهًا للتطبيق - مصادر ثابتة كبيرة للحرارة والكهرباء.

تختلف خلايا وقود الأكسيد الصلب هيكليًا عن خلايا الوقود المعتمدة على تقنيات PAFC و MCFC. يصنع القطب الموجب والكاثود والإلكتروليت من درجات خاصة من السيراميك. في أغلب الأحيان ، يتم استخدام خليط من أكسيد الزركونيوم وأكسيد الكالسيوم كإلكتروليت ، ولكن يمكن استخدام أكاسيد أخرى. يشكل المنحل بالكهرباء شبكة بلورية مغلفة على كلا الجانبين بمادة قطب مسامية. من الناحية الهيكلية ، تصنع هذه العناصر على شكل أنابيب أو ألواح مسطحة ، مما يجعل من الممكن استخدام التقنيات المستخدمة على نطاق واسع في صناعة الإلكترونيات في تصنيعها. نتيجة لذلك ، يمكن أن تعمل خلايا وقود أكسيد الحالة الصلبة في درجات حرارة عالية جدًا ، بحيث يمكن استخدامها لإنتاج كل من الطاقة الكهربائية والحرارية.

في درجات حرارة التشغيل العالية ، تتشكل أيونات الأكسجين عند الكاثود ، والتي تنتقل عبر الشبكة البلورية إلى القطب الموجب ، حيث تتفاعل مع أيونات الهيدروجين ، وتشكل الماء وتطلق الإلكترونات الحرة. في هذه الحالة ، يتم إطلاق الهيدروجين من الغاز الطبيعي مباشرة في الخلية ، أي ليست هناك حاجة لمصلح منفصل.

تم وضع الأسس النظرية لإنشاء خلايا وقود أكسيد الحالة الصلبة في أواخر ثلاثينيات القرن الماضي ، عندما أجرى العلماء السويسريون باور (إميل باور) وبريس (إتش. برييس) تجارب باستخدام الزركونيوم والإيتريوم والسيريوم واللانثانوم والتنغستن ، باستخدامها. كالكهارل.

تم إنشاء النماذج الأولية لخلايا الوقود هذه في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي من قبل عدد من الشركات الأمريكية والهولندية. سرعان ما تخلت معظم هذه الشركات عن المزيد من البحث بسبب الصعوبات التكنولوجية ، ولكن إحداها ، Westinghouse Electric Corp. (الآن "Siemens Westinghouse Power Corporation") ، واصل العمل. تقبل الشركة حاليًا الطلبات المسبقة لنموذج تجاري لخلية وقود أكسيد صلب طوبولوجيا أنبوبي متوقع هذا العام (الشكل 15). جزء السوق من هذه العناصر هو منشآت ثابتةلانتاج طاقة حرارية وكهربائية بقدرة 250 كيلوواط الى 5 ميغاواط.

أظهرت خلايا الوقود من نوع SOFC موثوقية عالية جدًا. على سبيل المثال ، سجل نموذج أولي لخلية الوقود من شركة سيمنز ويستنجهاوس 16600 ساعة ويستمر في العمل ، مما يجعله أطول عمر لخلية الوقود في العالم.

يسمح وضع التشغيل ذو درجة الحرارة العالية والضغط العالي لخلايا وقود SOFC بإنشاء محطات هجينة ، حيث تعمل انبعاثات خلايا الوقود على تشغيل توربينات الغاز المستخدمة لتوليد الكهرباء. أول مصنع هجين من هذا القبيل قيد التشغيل في ايرفين ، كاليفورنيا. تبلغ الطاقة المقدرة لهذه المحطة 220 كيلوواط ، منها 200 كيلوواط من خلية الوقود و 20 كيلوواط من مولد التوربينات الصغيرة.