تقنيات تصنيع خلايا الوقود الكهروكيميائية ذات درجات الحرارة المنخفضة. خلية وقود منفصلة

خلايا الوقود المستخدمة في قيادة السيارات عبارة عن محولات كهروكيميائية للطاقة الموجودة في الوقود مباشرة إلى كهرباء. في خلية وقود أوكسي هيدروجين ، يخضع الهيدروجين لتفاعل "احتراق بارد" مع الأكسجين ، والذي ينتج الماء ويولد الكهرباء. لا تحتوي خلايا الوقود على أجزاء متحركة ، وتعمل بدون احتكاك ميكانيكي ، ومستويات ضوضاء منخفضة وبدون انبعاثات ملوثة.

المحتوى

مبدأ عمل خلايا الوقود

تتكون خلية الوقود من عنصرين (الأنود والكاثود) يفصل بينهما إلكتروليت ( انظر الشكل. "مبدأ تشغيل خلية الوقود من النوع PEM"). المنحل بالكهرباء منيع للإلكترونات. ترتبط الأقطاب الكهربائية ببعضها البعض بواسطة دائرة كهربائية خارجية.

تستخدم المركبات بشكل أساسي خلايا الوقود مع غشاء بوليمر كإلكتروليت ، ويسمى أيضًا تبادل البروتون ( حركة العين السريعة) (انظر الشكل. "هيكل نوع خلية الوقود PEM"). يتم وصف مبدأ تشغيل خلايا الوقود أدناه باستخدام مثال خلايا من هذا النوع.

في خلية وقود PEM ، يتم توجيه الهيدروجين إلى القطب الموجب حيث يتأكسد. ينتج هذا أيونات ح + (البروتونات) والإلكترونات (انظر الشكل 1 ، أ).

الأنود: 2 H 2 - »4 H + 4 e - .

يمكن اعتبار الإلكتروليت غشاء بوليمر موصل للبروتون. المنحل بالكهرباء نافذ للبروتونات ، لكن ليس للإلكترونات. تمر بروتونات H + المنتجة عند الأنود عبر الغشاء وتصل إلى القطب السالب. لكي تمر البروتونات عبر الغشاء ، يجب ترطيبها بدرجة كافية. يتم إرسال الأكسجين إلى القطب السالب ، حيث يتم تقليله ( انظر الشكل. ب ، "مبدأ تشغيل خلية وقود PEM"). يحدث الاسترداد بسبب مرور الإلكترونات من القطب الموجب إلى الكاثود عبر دائرة كهربائية خارجية.

كاثود: O 2 + 4 e - -> 2 O 2- .

في الخطوة التالية من التفاعل ، الأيونات حوالي 2- تتفاعل مع البروتونات لتكوين الماء.

كاثود: 4 H + 2 O 2- -> 2 H 2 O .

نتيجة التفاعل العام الذي يحدث في خلية الوقود ، يتكون الماء من الهيدروجين والأكسجين ( انظر الشكل. ج ، "مبدأ تشغيل خلية وقود PEM"). على عكس تفاعل الأكسجين الهيدروجين ، حيث يتفاعل الهيدروجين والأكسجين بشكل انفجاري مع بعضهما البعض ، يحدث التفاعل هنا على شكل "حرق بارد" حيث تحدث خطوات التفاعل بشكل منفصل عند الأنود والكاثود.

رد الفعل العام: 2 H 2 + O 2 -> 2 H 2 O .

التفاعلات الموصوفة أعلاه تستمر في الطلاءات التحفيزية للأقطاب الكهربائية. المحفز الأكثر استخدامًا هو البلاتين.

الجهد النظري لعنصر واحد

الجهد النظري لخلية وقود الهيدروجين والأكسجين عند 25 درجة مئوية هو 1.23 فولت. هذه القيمة مشتقة من جهود القطب القياسية. ومع ذلك ، من الناحية العملية ، أثناء تشغيل العنصر ، لا يتم الوصول إلى هذا الجهد ؛ يتراوح من 0.5 إلى 1.0 فولت ويمكن تفسير فقد الجهد من خلال المقاومة الداخلية للعنصر أو القيود التي يفرضها الانتشار الغازي ( انظر الشكل. "الخصائص الكهربائية لخلية الوقود"). يعتمد الجهد بشكل أساسي على درجة الحرارة ، ونسب القياس المتكافئ للهيدروجين والأكسجين إلى كمية الكهرباء المنتجة ، والضغط الجزئي للهيدروجين والأكسجين ، وكثافة التيار.

تستخدم المركبات بطاريات خلايا الوقود بسعة من 5 إلى 100 كيلو واط. من أجل الحصول على الفولتية العالية المطلوبة للتطبيق التقني للخلايا ، يتم توصيل الخلايا في سلسلة في بطاريات (انظر الشكل 4 "هيكل مكدس خلايا الوقود"). يمكن أن تشمل البطاريات من 40 إلى 450 خلية ، أي يتراوح جهد التشغيل الأقصى بين 40 و 450 فولت.

يتم تحقيق قيم تيار كهربائي عالية بسبب مساحة السطح المناسبة للغشاء. يصل تيار الخرج لبطاريات خلايا الوقود للسيارات إلى 500 أ.

مبدأ تشغيل نظام خلايا الوقود

يتطلب استخدام مكدس خلايا الوقود أنظمة فرعية لتزويد الهيدروجين والأكسجين ( انظر الشكل 5 "محرك كهربائي بنظام خلايا الوقود"). من حيث المبدأ ، يمكن تنفيذ هذه الأنظمة بعدة طرق. يتم استخدام الخيار الموضح هنا في كثير من الحالات.

نظام إمداد الهيدروجين لخلايا الوقود

يتم تخزين إمدادات الهيدروجين في أسطوانة ضغط عالي (700 بار). بمساعدة المخفض ، يتم تقليل ضغط الهيدروجين إلى حوالي 10 بار ، ويدخل الهيدروجين إلى حاقن الغاز.

الحاقن هو صمام ذو ملف لولبي يتم من خلاله ضبط ضغط الهيدروجين على جانب الأنود. على عكس الوقود عن طريق الحقن في محركات الاحتراق الداخلي ، يجب أن يوفر حاقن الهيدروجين تدفقًا ثابتًا للكتلة. معدل تدفق الهيدروجين النموذجي بقوة 100 كيلو واط هو 2.1 جم / ثانية. أقصى ضغط للهيدروجين 2.5 بار.

يتطلب تشغيل مكدس خلايا الوقود تدفقًا ثابتًا للهيدروجين في جانب الأنود (مقياس التجانس). لهذا الغرض ، يتم تنظيم إعادة تدوير الهيدروجين في النظام.

يتم طرد الغازات الغريبة المدمرة للأنود على جانب الأنود باستمرار من خلال صمام نزيف الملف اللولبي. هذا يمنع تراكم الغازات الأجنبية التي تترك الأسطوانة أو غازات الانتشار (النيتروجين وبخار الماء) من جانب الكاثود. يتم تثبيت الصمام على مخرج البطارية ، على جانب الأنود. لتصريف المياه الزائدة في مسار الأنود ، يتم استخدام صمام مفتوح بتيار كهربائي صفر.

الهيدروجين ، الذي ينفد حتماً أثناء تصريف المياه ، يخفف بقوة بالهواء أو يتحول إلى ماء بشكل محفز.

إمداد خلايا الوقود بالأكسجين

يتم أخذ الأكسجين المطلوب للتفاعل الكهروكيميائي من الهواء المحيط. معدل التدفق الكتلي المطلوب للأكسجين ، والذي ، اعتمادًا على الطاقة المطلوبة للبطارية ، يصل إلى 100 جرام / ثانية ، يتم توفيره بواسطة ضاغط. يتم ضغط الأكسجين بواسطة الضاغط إلى 2.5 بار كحد أقصى ويتم تغذيته إلى جانب الكاثود لخلية الوقود. يتم التحكم في ضغط خلية الوقود عن طريق صمام التحكم الديناميكي بالضغط المثبت في مسار غاز العادم أسفل خلية الوقود.

لضمان ترطيب غشاء البوليمر بشكل كافٍ ، يتم ترطيب الهواء المزود للخلية إما عن طريق غشاء إضافي أو عن طريق حقن الماء المكثف.

التوازن الحراري لخلايا الوقود

الكفاءة الكهربائية خلايا الوقود حوالي 50٪. بمعنى آخر ، تولد عملية تحويل الطاقة الكيميائية نفس كمية الطاقة الحرارية تقريبًا مثل كمية الطاقة الكهربائية. يجب تبديد هذه الحرارة. تبلغ درجة حرارة تشغيل خلايا وقود PEM حوالي 85 درجة مئوية ، وهي أقل من درجة حرارة محركات الاحتراق الداخلي. على الرغم من الكفاءة العالية ، يجب تكبير المبرد ومروحة الرادياتير ، عند استخدامهما في مركبة تعمل بخلايا الوقود.

لأن المبرد المستخدم على اتصال مباشر بخلايا الوقود ، يجب أن يكون غير موصل للكهرباء (منزوع الأيونات). يتم توفير دوران المبرد بواسطة مضخة كهربائية. يصل معدل تدفق سائل التبريد إلى 12000 لتر / ساعة. يوزع صمام التحكم في درجة الحرارة تدفق سائل التبريد بين المبرد والممر الجانبي.

يستخدم النظام سائل تبريد عبارة عن خليط من الماء منزوع الأيونات والإيثيلين جلايكول. يجب إزالة الأيونات من سائل التبريد على السيارة. لهذا الغرض ، يتم تمريره من خلال مبادل أيوني مملوء براتنج خاص ويتم تنقيته في عملية إزالة الأيونات. يجب أن تكون موصلية المبرد أقل من 5 µS / cm.

كفاءة نظام خلايا الوقود

بالإضافة إلى كون كومة خلايا الوقود جاهزة لتوصيل الطاقة بسرعة في ظل ظروف التشغيل المثلى ، فمن المهم ضمان الكفاءة العالية. أنظمة.

على ال أرز. "كفاءة مكدس خلايا الوقود ونظام خلايا الوقود"يتم إعطاء مقارنة الكفاءة. مداخن خلايا الوقود بكفاءة النظام بأكمله. يتم استهلاك جزء من الكهرباء بواسطة المكونات الإضافية مثل الضاغط ، مما يقلل من الكفاءة الإجمالية. أنظمة. ومع ذلك ، فإن أنظمة خلايا الوقود أكثر كفاءة من محركات الاحتراق الداخلي ، خاصة عند التشغيل في نطاق الحمولة الجزئية.

سلامة خلايا الوقود في السيارة

من أجل ضمان السلامة ، تم تثبيت العديد من أجهزة استشعار تركيز الهيدروجين في السيارة. الهيدروجين هو غاز عديم اللون والرائحة ، وبتركيز حجمي يبلغ حوالي 4٪ ، يحول الهواء إلى خليط قابل للاشتعال. يمكن لأجهزة الاستشعار الكشف عن تركيز الهيدروجين ابتداء من 1٪.

مبدأ تشغيل محرك سيارة خلية الوقود

مركبات خلايا الوقود هي مركبات كهربائية يتم فيها توليد الطاقة الكهربائية لتشغيل المحرك الكهربائي بواسطة نظام خلايا الوقود.

لعدد من الأسباب ، يُنصح بتضمين بطارية جر في النظام:

• هذا يسمح بتخزين الطاقة أثناء الكبح المتجدد ؛
• هذا يحسن الخصائص الديناميكية للمحرك ؛
• من خلال تغيير توزيع الحمل بين نظام خلايا الوقود وبطارية الجر ، يمكن زيادة الكفاءة بشكل أكبر. قطع.

نظرًا لأن بطارية الجر هي مصدر إضافي للطاقة ، تُعرف هذه المركبات باسم المركبات الهجينة التي تعمل بخلايا الوقود. تختلف نسبة طاقة بطارية الجر إلى الطاقة الإجمالية (درجة التهجين) تبعًا لتطبيق النظام.

عادةً ما تُستخدم أنظمة خلايا الوقود كمصدر رئيسي للطاقة لمحرك الأقراص. تُعرف هذه المركبات باسم المركبات الهجينة التي تعمل بخلايا الوقود ( FCHV). عادةً ما تتمتع أنظمة خلايا الوقود بتصنيف طاقة يتراوح من 60 إلى 100 كيلو وات. بطاريات الجر لها طاقة مقدرة تصل إلى 30 كيلو واط بسعة 1-2 كيلو واط في الساعة.

بدلاً من ذلك ، قد يكون لبطارية الجر معدل طاقة وقدرة أعلى بكثير ويتم شحنها من نظام خلايا الوقود حسب الحاجة. في هذه الحالة ، يكفي أن يكون لديك مكدس خلايا وقود بقوة اسمية من 10 إلى 30 كيلو واط. تُعرف المركبات التي تحتوي على تكوين مصدر الطاقة هذا باسم مركبات خلايا الوقود ذات النطاق الممتد ( إف سي ريكس).

يتم توزيع الكهرباء بين نظام خلايا الوقود وبطارية الجر والمحرك الكهربائي بواسطة واحد أو أكثر من محولات DC / DC. يتم عرض التكوينات المختلفة لهذه المحولات ، والتي يعتمد اختيارها على التطبيق ، في أرز. ". تكوينات محولات الجهد في أنظمة قيادة خلايا الوقود ». اعتمادًا على التكوين ، يكون جهد إمداد محرك الأقراص مطابقًا لجهد أحد مصدري الطاقة ( انظر الشكل. أو ب) ، أو معزولة عن جهد بطارية الجر ومكدس خلايا الوقود ( انظر الشكل. مع).

نظام الدفع الكهربائي

يشتمل نظام الدفع الكهربائي على وحدة إلكترونية للطاقة (محول) ومحرك كهربائي. المحرك الكهربائي عبارة عن آلة كهربائية متزامنة أو غير متزامنة ، يتم تشغيلها بواسطة محول بطريقة للحصول على عزم الدوران المطلوب. نظرًا لأن المحرك الكهربائي يتمتع بتصنيف طاقة عالية (حوالي 100 كيلو وات) ، يمكن أن يصل جهد التشغيل إلى 450 فولت. في صناعة السيارات ، يتم استخدام مصطلحات "الجهد العالي" و "النظام الكهربائي عالي الجهد". يتم عزل النظام الكهربائي للجهد العالي عن أرضية السيارة.

أثناء كبح السيارة ، ينتقل المحرك الكهربائي إلى وضع المولد ويولد تيارًا كهربائيًا. يتم تخزين الكهرباء في بطارية الجر.

بمساعدة المحول ، يتم تحويل الجهد العالي للتيار المستمر إلى جهد تيار متردد متعدد الأطوار ، يتم تعديل اتساعه وفقًا لعزم الدوران المطلوب. كقاعدة عامة ، يتم استخدام المحولات ذات مراحل الإخراج على الترانزستورات ثنائية القطب المعزولة ( IGBT).

بطارية الجر

اعتمادًا على درجة التهجين ، يتم استخدام بطاريات عالية السعة أو عالية الطاقة بجهد من 150 إلى 400 فولت. تستخدم البطاريات عالية السعة بطاريات هيدريد معدن النيكل أو بطاريات الليثيوم أيون ، بينما البطاريات عالية الطاقة فقط الليثيوم أيون البطاريات. يراقب نظام مراقبة بطارية الجر حالة الشحن وقدرة البطارية.

بطارية الجر DC / DC المحول

ينظم محول جهد التيار المستمر لبطارية الجر تيار الشحن لبطارية الجر وتيار الخرج (حتى 300 أمبير) ) . تسمح بعض تكوينات النظام بالاستغناء عن هذا المحول.

كومة خلايا الوقود DC / DC المحول

محول DC / DC آخر هو محول جهد خلية الوقود ، والذي ينظم تيار الخرج حتى 500 أ. بعض تكوينات النظام لا تتطلب هذا المحول.

محول جهد تيار مستمر 12 فولت

تمامًا مثل السيارات التقليدية ، تحتوي المركبات التي تعمل بخلايا الوقود على نظام كهربائي بجهد 12 فولت ، ويتم تحويل 12 فولت من الجهد العالي. لهذا الغرض ، يتم توصيل محول جهد تيار مستمر بين النظامين. لأسباب تتعلق بالسلامة ، يتم عزل هذا المحول كهربائيًا. تعمل بشكل أحادي أو ثنائي الاتجاه ولها تصنيف طاقة يصل إلى 3 كيلو واط.

وجهات نظر نظام محرك خلية الوقود

أثبتت أنظمة محرك خلايا الوقود بالفعل قيمتها في الاستخدام اليومي. ومع ذلك ، للاستخدام التجاري في أنظمة قيادة السيارات ، تحتاج خلايا الوقود إلى التحسين من حيث الاقتصاد والإنتاج الضخم.

يؤدي تبسيط النظام إلى انخفاض التكاليف وموثوقية أعلى. يتمثل أحد الاتجاهات في تطوير أغشية بوليمرية جديدة لخلايا الوقود التي لا تتطلب ترطيب الغازات المتكونة أثناء التفاعل وفي نفس الوقت تسمح بزيادة درجة حرارة التشغيل.

بالإضافة إلى ذلك ، من الضروري تقليل تكلفة جميع المكونات بشكل كبير. في هذا الصدد ، هناك إمكانية كبيرة لتقليل كمية البلاتين في الطبقة التحفيزية لخلية الوقود.

في المقال التالي سأتحدث عنه .

لن يفاجأ أحد بألواح الطاقة الشمسية أو طواحين الهواء التي تولد الكهرباء في جميع مناطق العالم. لكن التوليد من هذه الأجهزة ليس ثابتًا ومن الضروري تركيب مصادر طاقة احتياطية ، أو الاتصال بالشبكة لتلقي الكهرباء خلال الفترة التي لا تولد فيها مرافق الطاقة المتجددة الكهرباء. ومع ذلك ، هناك مصانع تم تطويرها في القرن التاسع عشر تستخدم أنواع الوقود "البديلة" لتوليد الكهرباء ، أي لا تحرق الغاز أو المنتجات النفطية. هذه التركيبات هي خلايا وقود.

تاريخ الخلق

تم اكتشاف خلايا الوقود (FC) أو خلايا الوقود في وقت مبكر من 1838-1839 بواسطة William Grove (Grow ، Grove) عندما كان يدرس التحليل الكهربائي للماء.

المرجع: التحليل الكهربائي للماء هو عملية تحلل الماء تحت تأثير تيار كهربائي إلى جزيئات الهيدروجين والأكسجين.

عند فصل البطارية عن الخلية الإلكتروليتية ، تفاجأ عندما اكتشف أن الأقطاب الكهربائية بدأت في امتصاص الغاز المنطلق وتوليد التيار. أصبح اكتشاف عملية الاحتراق الكهروكيميائي "البارد" للهيدروجين حدثًا مهمًا في صناعة الطاقة. في وقت لاحق قام بإنشاء مجمع Grove. يحتوي هذا الجهاز على قطب بلاتيني مغمور في حمض النيتريك وقطب كهربي من الزنك في كبريتات الزنك. يولد تيارًا مقداره 12 أمبير وبجهد 8 فولت. ينمو نفسه يسمى هذا البناء "بطارية رطبة". ثم صنع بطارية باستخدام قطبين من البلاتين. كان أحد طرفي كل قطب كهربيًا في حامض الكبريتيك ، بينما تم إغلاق الأطراف الأخرى في حاويات من الهيدروجين والأكسجين. كان هناك تيار مستقر بين الأقطاب الكهربائية ، وتزايدت كمية الماء داخل الحاويات. كان Grow قادرًا على تحلل وتحسين المياه في هذا الجهاز.

"Grow's Battery"

(المصدر: الجمعية الملكية للمتحف الوطني للتاريخ الطبيعي)

مصطلح "خلية الوقود" ("خلية الوقود" الإنجليزية) ظهر فقط في عام 1889 بواسطة L. Mond و
Ch. لانجر الذي حاول إنشاء جهاز لتوليد الكهرباء من الهواء وغاز الفحم.

كيف تعمل؟

خلية الوقود هي جهاز بسيط نسبيًا. له قطبان: القطب الموجب (القطب السالب) والقطب السالب (القطب الموجب). يحدث تفاعل كيميائي على الأقطاب الكهربائية. لتسريعها ، يتم طلاء سطح الأقطاب الكهربائية بمحفز. خلايا الوقود مجهزة بعنصر آخر - غشاء.يحدث تحويل الطاقة الكيميائية للوقود مباشرة إلى كهرباء بسبب عمل الغشاء. يفصل بين غرفتي العنصر الذي يتم توفير الوقود والمؤكسد فيهما. يسمح الغشاء فقط للبروتونات ، التي يتم الحصول عليها نتيجة انقسام الوقود ، بالمرور من حجرة إلى أخرى على قطب كهربائي مغطى بمحفز (ثم تمر الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية). في الحجرة الثانية ، تتحد البروتونات مع الإلكترونات (وذرات الأكسجين) لتكوين الماء.

مبدأ عمل خلية وقود الهيدروجين

على المستوى الكيميائي ، تشبه عملية تحويل طاقة الوقود إلى طاقة كهربائية عملية الاحتراق (الأكسدة) المعتادة.

أثناء الاحتراق الطبيعي للأكسجين ، يتأكسد الوقود العضوي ، وتتحول الطاقة الكيميائية للوقود إلى طاقة حرارية. دعونا نرى ما يحدث عندما يتأكسد الهيدروجين بالأكسجين في وسط إلكتروليت وفي وجود أقطاب كهربائية.

من خلال توفير الهيدروجين لقطب كهربائي موجود في بيئة قلوية ، يستمر تفاعل كيميائي:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

كما ترون ، نحصل على إلكترونات ، تمر عبر الدائرة الخارجية ، تدخل القطب المعاكس ، الذي يدخل إليه الأكسجين وحيث يحدث التفاعل:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

يمكن ملاحظة أن التفاعل الناتج 2H 2 + O 2 → H 2 O هو نفسه كما في الاحتراق التقليدي ، ولكن تولد خلية الوقود الكهرباء وبعض الحرارة.

أنواع خلايا الوقود

يتم تصنيف FC وفقًا لنوع المنحل بالكهرباء المستخدم في التفاعل:

وتجدر الإشارة إلى أنه يمكن أيضًا استخدام الفحم وأول أكسيد الكربون والكحوليات والهيدرازين والمواد العضوية الأخرى كوقود في خلايا الوقود ، ويمكن أيضًا استخدام الهواء ، وبيروكسيد الهيدروجين ، والكلور ، والبروم ، وحمض النيتريك ، وما إلى ذلك كعوامل مؤكسدة.

كفاءة خلايا الوقود

سمة من سمات خلايا الوقود لا حدود صارمة على الكفاءةمثل محرك حراري.

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

لذلك ، يمكن أن تكون كفاءة خلايا الوقود من الناحية النظرية أعلى من 100٪. ابتسم الكثيرون وفكروا ، "لقد تم اختراع آلة الحركة الدائمة." لا ، الأمر يستحق العودة إلى دورة الكيمياء المدرسية. تعتمد خلية الوقود على تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. هذا هو المكان الذي تحدث فيه المعجزات. يمكن لبعض التفاعلات الكيميائية في العملية امتصاص الحرارة من البيئة.

المرجع: التفاعلات الماصة للحرارة هي تفاعلات كيميائية مصحوبة بامتصاص الحرارة. للتفاعلات الماصة للحرارة ، يكون للتغيير في المحتوى الحراري والطاقة الداخلية قيم موجبة (Δح >0, Δ يو > 0) ، وبالتالي ، تحتوي منتجات التفاعل على طاقة أكثر من المكونات الأصلية.

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

المرجع: يفرض هذا القيد القانون الثاني للديناميكا الحرارية. إن عملية نقل الحرارة من الجسم "البارد" إلى الجسم "الساخن" غير ممكنة.

بالإضافة إلى ذلك ، هناك خسائر مرتبطة بعمليات عدم التوازن. مثل: الخسائر الأومية بسبب التوصيل المحدد للكهارل والأقطاب الكهربائية ، استقطاب التنشيط والتركيز ، خسائر الانتشار. نتيجة لذلك ، يتم تحويل جزء من الطاقة المتولدة في خلايا الوقود إلى حرارة. لذلك ، فإن خلايا الوقود ليست آلات دائمة الحركة وكفاءتها أقل من 100٪. لكن كفاءتها أكبر من كفاءة الآلات الأخرى. اليوم كفاءة خلايا الوقود تصل إلى 80٪.

المرجعي:في الأربعينيات ، صمم المهندس الإنجليزي T. Bacon وبنى بطارية خلية وقود بطاقة إجمالية 6 كيلوواط وكفاءة 80٪ ، تعمل على الهيدروجين والأكسجين النقيين ، لكن نسبة الطاقة إلى الوزن للبطارية تحولت كانت صغيرة جدًا - كانت هذه الخلايا غير مناسبة للاستخدام العملي ومكلفة للغاية (المصدر: http://www.powerinfo.ru/).

مشاكل خلايا الوقود

تستخدم جميع خلايا الوقود تقريبًا الهيدروجين كوقود ، لذا فإن السؤال المنطقي هو: "من أين يمكنني الحصول عليه؟"

يبدو أنه تم اكتشاف خلية وقود نتيجة التحليل الكهربائي ، لذا يمكنك استخدام الهيدروجين الناتج عن التحليل الكهربائي. لكن دعونا نلقي نظرة فاحصة على هذه العملية.

وفقًا لقانون فاراداي: تتناسب كمية المادة التي تتأكسد عند القطب الموجب أو تنخفض عند الكاثود مع كمية الكهرباء التي مرت عبر الإلكتروليت. هذا يعني أنه للحصول على المزيد من الهيدروجين ، تحتاج إلى إنفاق المزيد من الكهرباء. تعمل الطرق الحالية لتحليل الماء بكفاءة أقل من الوحدة. ثم نستخدم الهيدروجين الناتج في خلايا الوقود ، حيث تكون الكفاءة أيضًا أقل من الوحدة. لذلك ، سننفق طاقة أكثر مما نستطيع إنتاجه.

بالطبع ، يمكن أيضًا استخدام الهيدروجين المشتق من الغاز الطبيعي. تظل طريقة إنتاج الهيدروجين هذه هي الأرخص والأكثر شيوعًا. حاليًا ، يتم الحصول على حوالي 50 ٪ من الهيدروجين المنتج في جميع أنحاء العالم من الغاز الطبيعي. لكن هناك مشكلة في تخزين ونقل الهيدروجين. الهيدروجين منخفض الكثافة ( يزن لتر واحد من الهيدروجين 0.0846 جرام) ، لذلك من أجل نقلها لمسافات طويلة ، يجب ضغطها. وهذه تكاليف إضافية للطاقة والنقد. أيضا ، لا تنسى السلامة.

ومع ذلك ، يوجد أيضًا حل هنا - يمكن استخدام وقود الهيدروكربون السائل كمصدر للهيدروجين. على سبيل المثال ، كحول الإيثيل أو الميثيل. صحيح ، هناك حاجة بالفعل إلى جهاز إضافي خاص هنا - محول وقود ، عند درجة حرارة عالية (بالنسبة للميثانول سيكون في مكان ما حوالي 240 درجة مئوية) لتحويل الكحول إلى خليط غازي H 2 و CO 2. ولكن في هذه الحالة ، من الصعب بالفعل التفكير في قابلية النقل - فهذه الأجهزة جيدة للاستخدام كمولدات ثابتة أو مولدات للسيارات ، ولكن بالنسبة للمعدات المتنقلة المدمجة ، فأنت بحاجة إلى شيء أقل حجمًا.

عامل حفاز

لتعزيز التفاعل في خلية الوقود ، يكون سطح الأنود عادة محفزًا. حتى وقت قريب ، كان البلاتين يستخدم كعامل مساعد. لذلك ، كانت تكلفة خلية الوقود مرتفعة. ثانيًا ، البلاتين معدن نادر نسبيًا. وفقًا للخبراء ، في الإنتاج الصناعي لخلايا الوقود ، ستنفد احتياطيات البلاتين المستكشفة في غضون 15-20 عامًا. لكن العلماء في جميع أنحاء العالم يحاولون استبدال البلاتين بمواد أخرى. بالمناسبة ، حقق بعضهم نتائج جيدة. لذلك استبدل العلماء الصينيون البلاتين بأكسيد الكالسيوم (المصدر: www.cheburek.net).

استخدام خلايا الوقود

لأول مرة ، تم اختبار خلية وقود في تكنولوجيا السيارات في عام 1959. استخدم جرار Alice-Chambers 1008 بطاريات للعمل. كان الوقود عبارة عن مزيج من الغازات ، خاصة البروبان والأكسجين.

المصدر: http://www.planetseed.com/

منذ منتصف الستينيات ، في ذروة "سباق الفضاء" ، أصبح مبتكرو المركبات الفضائية مهتمين بخلايا الوقود. أتاح عمل آلاف العلماء والمهندسين إمكانية الوصول إلى مستوى جديد ، وفي عام 1965. تم اختبار خلايا الوقود في الولايات المتحدة على مركبة الفضاء جيميني 5 ، وبعد ذلك على مركبة أبولو الفضائية للرحلات إلى القمر وتحت برنامج المكوك. في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، تم تطوير خلايا الوقود في NPO Kvant ، أيضًا للاستخدام في الفضاء (المصدر: http://www.powerinfo.ru/).

نظرًا لأن المنتج النهائي لاحتراق الهيدروجين في خلية الوقود هو الماء ، فهي تعتبر الأكثر نظافة من حيث التأثير البيئي. لذلك ، بدأت خلايا الوقود تكتسب شعبيتها على خلفية الاهتمام العام بالبيئة.

بالفعل في الوقت الحاضر ، صنعت شركات تصنيع السيارات مثل هوندا وفورد ونيسان ومرسيدس بنز سيارات تعمل بخلايا وقود الهيدروجين.

مرسيدس بنز - Ener-G-Force مدعوم بالهيدروجين

عند استخدام السيارات على الهيدروجين ، يتم حل مشكلة تخزين الهيدروجين. سيسمح بناء محطات تعبئة الهيدروجين بإعادة التزود بالوقود في أي مكان. علاوة على ذلك ، فإن ملء السيارة بالهيدروجين يكون أسرع من شحن سيارة كهربائية في محطة وقود. لكن عند تنفيذ مثل هذه المشاريع ، واجهوا مشكلة مثل مشكلة السيارات الكهربائية. الناس على استعداد "للانتقال" إلى سيارة تعمل بالهيدروجين إذا كانت هناك بنية تحتية لهم. وسيبدأ بناء محطات الوقود إذا كان هناك عدد كافٍ من المستهلكين. لذلك ، وصلنا مرة أخرى إلى معضلة البيض والدجاج.

تستخدم خلايا الوقود على نطاق واسع في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. لقد ولت الأيام التي كان يتم فيها شحن الهاتف مرة واحدة في الأسبوع. الآن يتم شحن الهاتف ، كل يوم تقريبًا ، ويعمل اللابتوب بدون شبكة لمدة 3-4 ساعات. لذلك ، قررت الشركات المصنعة لتكنولوجيا الهواتف المحمولة تصنيع خلية وقود مع الهواتف وأجهزة الكمبيوتر المحمولة للشحن والعمل. على سبيل المثال ، توشيبا في عام 2003 أظهر نموذجًا أوليًا نهائيًا لخلية وقود الميثانول. يعطي قوة تبلغ حوالي 100 ميغاواط. تكفي إعادة تعبئة 2 مكعبات من الميثانول المركز (99.5٪) لمدة 20 ساعة من تشغيل مشغل MP3. مرة أخرى ، أظهرت نفس "Toshiba" عنصر إمداد طاقة للكمبيوتر المحمول مقاس 275 × 75 × 40 مم ، مما يسمح للكمبيوتر بالعمل لمدة 5 ساعات بشحنة واحدة.

لكن بعض الشركات المصنعة ذهبت إلى أبعد من ذلك. أصدر PowerTrekk شاحنًا يحمل نفس الاسم. PowerTrekk هو أول شاحن مياه في العالم. من السهل جدا استخدامه. يحتاج PowerTrekk إلى إضافة الماء لتوفير طاقة فورية من خلال كابل USB. تحتوي خلية الوقود هذه على مسحوق سليكون وسيليسيد الصوديوم (NaSi) عند مزجها بالماء ، وهذا المزيج يولد الهيدروجين. يمتزج الهيدروجين مع الهواء في خلية الوقود نفسها ، ويحول الهيدروجين إلى كهرباء من خلال تبادل البروتون الغشائي ، بدون مراوح أو مضخات. يمكنك شراء هذا الشاحن المحمول مقابل 149 يورو (

في الحياة الحديثة ، توجد مصادر الطاقة الكيميائية في كل مكان حولنا: بطاريات في المصابيح الكهربائية ، وبطاريات في الهواتف المحمولة ، وخلايا وقود الهيدروجين ، والتي تُستخدم بالفعل في بعض السيارات. قد يؤدي التطور السريع للتقنيات الكهروكيميائية إلى حقيقة أنه في المستقبل القريب ، بدلاً من السيارات التي تعمل بالبنزين ، سنكون محاطين فقط بالسيارات الكهربائية ، ولن يتم تفريغ الهواتف بسرعة ، وسيكون لكل منزل خلية وقود كهربائية خاصة به. مولد كهرباء. أحد البرامج المشتركة لجامعة الأورال الفيدرالية مع معهد الكيمياء الكهربية عالية الحرارة التابع لفرع الأورال التابع لأكاديمية العلوم الروسية ، بالشراكة التي ننشر معها هذا المقال ، مكرس لتحسين كفاءة التخزين الكهروكيميائي ومولدات الطاقة .

يوجد اليوم العديد من أنواع البطاريات المختلفة ، والتي يصعب التنقل بينها بشكل متزايد. ليس من الواضح للجميع كيف تختلف البطارية عن المكثف الفائق ولماذا يمكن استخدام خلية وقود الهيدروجين دون خوف من الإضرار بالبيئة. في هذا المقال ، سنتحدث عن كيفية استخدام التفاعلات الكيميائية لتوليد الكهرباء ، وما الفرق بين الأنواع الرئيسية لمصادر التيار الكيميائي الحديثة ، وما هي الآفاق التي تفتح أمام الطاقة الكهروكيميائية.

الكيمياء كمصدر للكهرباء

أولاً ، دعونا نلقي نظرة على سبب استخدام الطاقة الكيميائية لتوليد الكهرباء على الإطلاق. الشيء هو أنه في تفاعلات الأكسدة والاختزال ، تنتقل الإلكترونات بين أيونيين مختلفين. إذا تم فصل نصفي التفاعل الكيميائي في الفضاء بحيث تحدث الأكسدة والاختزال بشكل منفصل عن بعضهما البعض ، فمن الممكن التأكد من أن الإلكترون الذي ينفصل عن أيون واحد لا يقع على الفور في الثاني ، ولكن أولاً يسير على طول الطريق المحدد سلفا لذلك. يمكن استخدام هذا التفاعل كمصدر للتيار الكهربائي.

تم تنفيذ هذا المفهوم لأول مرة في القرن الثامن عشر من قبل الفيزيولوجي الإيطالي لويجي جالفاني. يعتمد عمل الخلية الجلفانية التقليدية على تفاعلات الاختزال والأكسدة للمعادن ذات النشاط المختلف. على سبيل المثال ، الخلية الكلاسيكية هي خلية كلفانية يتأكسد فيها الزنك ويقلل النحاس. تحدث تفاعلات الاختزال والأكسدة ، على التوالي ، عند الكاثود والأنود. وحتى لا تقع أيونات النحاس والزنك في "منطقة غريبة" ، حيث يمكن أن تتفاعل مع بعضها البعض بشكل مباشر ، يتم عادةً وضع غشاء خاص بين الأنود والكاثود. نتيجة لذلك ، ينشأ فرق جهد بين الأقطاب الكهربائية. إذا قمت بتوصيل الأقطاب الكهربائية ، على سبيل المثال ، بمصباح كهربائي ، فإن التيار يبدأ في التدفق في الدائرة الكهربائية الناتجة ويضيء المصباح الكهربائي.

رسم تخطيطي لخلية كلفانية

ويكيميديا ​​كومنز

بالإضافة إلى مواد الأنود والكاثود ، فإن عنصرًا مهمًا لمصدر التيار الكيميائي هو الإلكتروليت ، حيث تتحرك الأيونات داخله وعلى حدوده تستمر جميع التفاعلات الكهروكيميائية مع الأقطاب الكهربائية. في هذه الحالة ، لا يجب أن يكون المنحل بالكهرباء سائلًا - يمكن أن يكون بوليمر ومادة خزفية.

العيب الرئيسي للخلية الجلفانية هو وقت التشغيل المحدود. بمجرد أن ينتهي التفاعل (أي أنه يتم استهلاك الأنود التدريجي بالكامل بالكامل) ، سيتوقف هذا العنصر ببساطة عن العمل.

البطاريات القلوية الاصبع

قابلة للشحن

كانت الخطوة الأولى نحو توسيع قدرات المصادر الكيميائية الحالية هي إنشاء بطارية - مصدر حالي يمكن إعادة شحنه وبالتالي إعادة استخدامه. للقيام بذلك ، اقترح العلماء ببساطة استخدام تفاعلات كيميائية قابلة للعكس. بعد تفريغ البطارية بالكامل لأول مرة ، بمساعدة مصدر تيار خارجي ، يمكن بدء رد الفعل الذي حدث فيها في الاتجاه المعاكس. سيؤدي ذلك إلى استعادة الحالة الأصلية بحيث يمكن استخدام البطارية مرة أخرى بعد إعادة الشحن.

بطارية حمض الرصاص للسيارات

حتى الآن ، تم إنشاء العديد من أنواع البطاريات المختلفة ، والتي تختلف في نوع التفاعل الكيميائي الذي يحدث فيها. أكثر أنواع البطاريات شيوعًا هي بطاريات الرصاص الحمضية (أو الرصاص ببساطة) ، والتي تعتمد على تفاعل الأكسدة والاختزال للرصاص. تتمتع هذه الأجهزة بعمر خدمة طويل إلى حد ما ، ويصل استهلاكها للطاقة إلى 60 واط / ساعة لكل كيلوغرام. حتى أن بطاريات الليثيوم أيون الأكثر شيوعًا مؤخرًا تعتمد على تفاعل الليثيوم والاختزال. تتجاوز كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم أيون الحديثة الآن 250 واط / ساعة لكل كيلوغرام.

بطارية ليثيوم أيون للهاتف المحمول

تتمثل المشاكل الرئيسية لبطاريات الليثيوم أيون في كفاءتها المنخفضة في درجات الحرارة المنخفضة ، والشيخوخة السريعة وزيادة الانفجار. ونظرًا لحقيقة أن معدن الليثيوم يتفاعل بنشاط كبير مع الماء لتكوين غاز الهيدروجين ويتم إطلاق الأكسجين عند احتراق البطارية ، فمن الصعب جدًا استخدام الاحتراق التلقائي لبطارية ليثيوم أيون مع طرق إطفاء الحرائق التقليدية. من أجل تحسين سلامة مثل هذه البطارية وتسريع وقت الشحن ، يقترح العلماء مادة الكاثود التي تمنع تكوين هياكل الليثيوم المتغصنة ، وإضافة مواد إلى المنحل بالكهرباء التي تشكل هياكل قابلة للانفجار ، والمكونات التي تشتعل في المراحل المبكرة .

المنحل بالكهرباء الصلبة

كطريقة أخرى أقل وضوحًا لزيادة كفاءة وسلامة البطاريات ، اقترح الكيميائيون ألا يقتصروا على الإلكتروليتات السائلة في مصادر التيار الكيميائي ، ولكن لإنشاء مصدر تيار بحالة صلبة تمامًا. في مثل هذه الأجهزة ، لا توجد مكونات سائلة على الإطلاق ، ولكن هناك بنية ذات طبقات من الأنود الصلب ، والكاثود الصلب ، والإلكتروليت الصلب بينهما. يؤدي المنحل بالكهرباء في نفس الوقت وظيفة الغشاء. يمكن أن تكون ناقلات الشحنة في الإلكتروليت الصلب عبارة عن أيونات مختلفة ، اعتمادًا على تكوينها والتفاعلات التي تحدث على القطب الموجب والكاثود. لكنها دائمًا ما تكون أيونات صغيرة بما يكفي يمكنها التحرك بحرية نسبيًا عبر البلورة ، على سبيل المثال ، H + البروتونات ، أيونات Li + الليثيوم ، أو O2- أيونات الأكسجين.

خلايا وقود الهيدروجين

القدرة على إعادة الشحن والتدابير الأمنية الخاصة تجعل البطاريات مصدرًا واعدًا للتيار أكثر بكثير من البطاريات التقليدية ، ولكن مع ذلك ، تحتوي كل بطارية على كمية محدودة من الكواشف بالداخل ، وبالتالي إمدادات محدودة من الطاقة ، وفي كل مرة يجب إعادة شحن البطارية لاستئناف أدائها.

لجعل البطارية "غير محدودة" ، من الممكن استخدامها كمصدر للطاقة ليس تلك المواد الموجودة داخل الخلية ، ولكن الوقود الذي يتم ضخه بشكل خاص من خلالها. أفضل ما في الأمر هو أن المادة البسيطة قدر الإمكان في التركيب والصديقة للبيئة والمتوفرة بكثرة على الأرض هي الأنسب لكونها وقودًا.

أنسب مادة من هذا النوع هي غاز الهيدروجين. إن تأكسدها بأكسجين الهواء لتكوين الماء (وفقًا للتفاعل 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) هو تفاعل بسيط للأكسدة والاختزال ، ويمكن أيضًا استخدام نقل الإلكترون بين الأيونات كمصدر حالي. رد الفعل الجاري في هذه الحالة هو نوع من رد الفعل العكسي لتفاعل التحليل الكهربائي للماء (حيث ، تحت تأثير تيار كهربائي ، يتحلل الماء إلى أكسجين وهيدروجين) ، ولأول مرة تم اقتراح مثل هذا المخطط مرة أخرى في منتصف القرن التاسع عشر.

ولكن على الرغم من حقيقة أن الدائرة تبدو بسيطة للغاية ، فإن إنشاء جهاز فعال يعتمد على هذا المبدأ ليس مهمة تافهة على الإطلاق. للقيام بذلك ، من الضروري فصل تدفقات الأكسجين والهيدروجين في الفضاء ، وضمان نقل الأيونات الضرورية عبر الإلكتروليت ، وتقليل فقد الطاقة المحتمل في جميع مراحل التشغيل.

رسم تخطيطي لتشغيل خلية وقود الهيدروجين

مخطط خلية وقود الهيدروجين العاملة مشابه جدًا لمخطط مصدر التيار الكيميائي ، ولكنه يحتوي على قنوات إضافية لتزويد الوقود والمؤكسد وإزالة منتجات التفاعل والغازات الزائدة. الأقطاب الكهربائية في هذا العنصر عبارة عن محفزات موصلة مسامية. يتم توفير الوقود الغازي (الهيدروجين) إلى القطب الموجب ، ويتم توفير عامل مؤكسد (أكسجين من الهواء) إلى الكاثود ، وعند حدود كل من الأقطاب الكهربائية مع الإلكتروليت ، يحدث نصف تفاعلها (أكسدة الهيدروجين والحد من الأكسجين ، على التوالي). في هذه الحالة ، اعتمادًا على نوع خلية الوقود ونوع الإلكتروليت ، يمكن أن يستمر تكوين الماء نفسه إما في مساحة القطب الموجب أو القطب السالب.

خلية وقود الهيدروجين تويوتا

جوزيف برنت / فليكر

إذا كان المنحل بالكهرباء عبارة عن بوليمر موصل للبروتون أو غشاء خزفي ، محلول حمض أو قلوي ، فإن حامل الشحنة في الإلكتروليت هو أيونات الهيدروجين. في هذه الحالة ، يتأكسد الهيدروجين الجزيئي عند الأنود إلى أيونات الهيدروجين ، والتي تمر عبر المنحل بالكهرباء وتتفاعل مع الأكسجين هناك. إذا كان أيون الأكسجين O 2 - هو حامل الشحنة ، كما في حالة أكسيد صلب بالكهرباء ، يتم تقليل الأكسجين إلى أيون عند الكاثود ، ويمر هذا الأيون عبر الإلكتروليت ويؤكسد الهيدروجين عند القطب الموجب لتكوين ماء وخالي الإلكترونات.

بالإضافة إلى تفاعل أكسدة الهيدروجين لخلايا الوقود ، تم اقتراح استخدام أنواع أخرى من التفاعلات. على سبيل المثال ، بدلاً من الهيدروجين ، يمكن أن يكون الوقود المختزل هو الميثانول ، الذي يتأكسد بالأكسجين إلى ثاني أكسيد الكربون والماء.

كفاءة خلايا الوقود

على الرغم من جميع مزايا خلايا وقود الهيدروجين (مثل الملاءمة البيئية والكفاءة غير المحدودة فعليًا والحجم الصغير وكثافة الطاقة العالية) ، إلا أن لها أيضًا عددًا من العيوب. وتشمل هذه ، أولاً وقبل كل شيء ، التقادم التدريجي للمكونات وصعوبات تخزين الهيدروجين. يعمل العلماء اليوم على كيفية القضاء على أوجه القصور هذه.

يُقترح حاليًا تحسين كفاءة خلايا الوقود عن طريق تغيير تركيبة الإلكتروليت ، وخصائص القطب المحفز ، وهندسة النظام (التي تضمن إمداد غازات الوقود إلى النقطة المطلوبة وتقليل الآثار الجانبية). لحل مشكلة تخزين غاز الهيدروجين ، يتم استخدام المواد التي تحتوي على البلاتين ، لتشبع منها ، على سبيل المثال ، أغشية الجرافين.

نتيجة لذلك ، من الممكن تحقيق زيادة في استقرار خلية الوقود وعمر مكوناتها الفردية. يصل الآن معامل تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية في هذه الخلايا إلى 80 بالمائة ، ويمكن أن يكون أعلى في ظل ظروف معينة.

ترتبط الآفاق الهائلة لطاقة الهيدروجين بإمكانية دمج خلايا الوقود في بطاريات كاملة ، وتحويلها إلى مولدات كهربائية ذات طاقة عالية. حتى الآن ، المولدات الكهربائية التي تعمل على خلايا وقود الهيدروجين لديها طاقة تصل إلى عدة مئات من الكيلوات وتستخدم كمصادر للطاقة للمركبات.

التخزين الكهروكيميائي البديل

بالإضافة إلى مصادر التيار الكهروكيميائية الكلاسيكية ، تُستخدم أنظمة غير عادية أيضًا كأجهزة تخزين الطاقة. أحد هذه الأنظمة هو المكثف الفائق (أو الأيونيستور) - وهو جهاز يحدث فيه فصل الشحنة وتراكمها بسبب تكوين طبقة مزدوجة بالقرب من سطح مشحون. في واجهة الإلكتروليت في مثل هذا الجهاز ، تصطف الأيونات ذات العلامات المختلفة في طبقتين ، تسمى "الطبقة الكهربائية المزدوجة" ، وتشكل نوعًا من المكثف الرقيق جدًا. يتم تحديد سعة مثل هذا المكثف ، أي مقدار الشحنة المتراكمة ، من خلال مساحة السطح المحددة لمادة القطب الكهربائي ؛ لذلك ، من المفيد أخذ المواد المسامية ذات مساحة السطح القصوى المحددة كمواد لـ المكثفات الفائقة.

Ionistors هي الأبطال بين مصادر التيار الكيميائي لتفريغ الشحنات من حيث معدل الشحن ، وهي ميزة لا شك فيها لهذا النوع من الأجهزة. لسوء الحظ ، هم أيضًا حاملي الأرقام القياسية من حيث سرعة التفريغ. كثافة طاقة الأيونات أقل بثماني مرات مقارنة ببطاريات الرصاص و 25 مرة أقل من بطاريات الليثيوم أيون. لا تستخدم المؤيونات التقليدية "ذات الطبقة المزدوجة" تفاعلًا كهروكيميائيًا في جوهرها ، ويتم تطبيق مصطلح "مكثف" عليها بدقة أكبر. ومع ذلك ، في تلك الإصدارات من الأيونات ، التي تعتمد على تفاعل كهروكيميائي ويمتد تراكم الشحنة إلى عمق القطب ، من الممكن تحقيق أوقات تفريغ أعلى مع الحفاظ على معدل شحن سريع. تهدف جهود مطوري المكثفات الفائقة إلى إنشاء أجهزة هجينة مزودة ببطاريات تجمع بين مزايا المكثفات الفائقة ، ومعدل الشحن المرتفع في المقام الأول ، ومزايا البطاريات - كثافة عالية للطاقة ووقت تفريغ طويل. تخيل في المستقبل القريب بطارية أيونية سيتم شحنها في غضون دقيقتين وتشغيل جهاز كمبيوتر محمول أو هاتف ذكي لمدة يوم أو أكثر!

على الرغم من حقيقة أن كثافة الطاقة للمكثفات الفائقة الآن لا تزال أقل بعدة مرات من كثافة الطاقة للبطاريات ، إلا أنها تُستخدم في الإلكترونيات الاستهلاكية ومحركات المركبات المختلفة ، بما في ذلك معظمها.

* * *

وبالتالي ، يوجد اليوم عدد كبير من الأجهزة الكهروكيميائية ، كل منها واعد لتطبيقاته المحددة. لتحسين كفاءة هذه الأجهزة ، يحتاج العلماء إلى حل عدد من المشكلات ، الأساسية والتكنولوجية. يتم التعامل مع معظم هذه المهام في إطار أحد المشاريع المتقدمة في جامعة الأورال الفيدرالية ، لذلك سألنا مكسيم أنانييف ، مدير معهد الكيمياء الكهربية عالية الحرارة بفرع الأورال التابع لأكاديمية العلوم الروسية ، الأستاذ. قسم تكنولوجيا الإنتاج الكهروكيميائية بمعهد التكنولوجيا الكيميائية بجامعة الأورال الفيدرالية ، للحديث عن الخطط والآفاق الفورية لتطوير خلايا الوقود الحديثة.

N + 1: هل هناك بديل لبطاريات Li-Ion الأكثر شيوعًا في المستقبل القريب؟

مكسيم أنانييف:تهدف الجهود الحديثة لمطوري البطاريات إلى استبدال نوع حامل الشحن في المنحل بالكهرباء من الليثيوم إلى الصوديوم والبوتاسيوم والألمنيوم. نتيجة لاستبدال الليثيوم ، سيكون من الممكن تقليل تكلفة البطارية ، على الرغم من زيادة خصائص الوزن والحجم بشكل متناسب. بمعنى آخر ، لنفس الخصائص الكهربائية ، ستكون بطارية أيون الصوديوم أكبر وأثقل من بطارية ليثيوم أيون.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن أحد المجالات النامية الواعدة لتحسين البطاريات هو إنشاء مصادر طاقة كيميائية هجينة تعتمد على مزيج من بطاريات الأيونات المعدنية مع قطب كهربائي ، كما هو الحال في خلايا الوقود. بشكل عام ، فإن اتجاه إنشاء أنظمة هجينة ، كما تم توضيحه بالفعل في مثال المكثفات الفائقة ، سيسمح لنا على ما يبدو برؤية مصادر الطاقة الكيميائية ذات الخصائص الاستهلاكية العالية في السوق في المستقبل القريب.

تقوم جامعة أورال الفيدرالية ، جنبًا إلى جنب مع شركاء أكاديميين وصناعيين من روسيا والعالم ، بتنفيذ ستة مشاريع عملاقة تركز على مجالات البحث العلمي المتقدمة. أحد هذه المشاريع هو "تقنيات المنظور للطاقة الكهروكيميائية من التصميم الكيميائي للمواد الجديدة إلى الجيل الجديد من الأجهزة الكهروكيميائية للحفاظ على الطاقة وتحويلها".

تشارك مجموعة من العلماء من الوحدة الأكاديمية الاستراتيجية (SAU) كلية العلوم الطبيعية والرياضيات في UrFU ، والتي تضم ماكسيم أنانييف ، في تصميم وتطوير مواد وتقنيات جديدة ، بما في ذلك خلايا الوقود ، والخلايا الإلكتروليتية ، وبطاريات الجرافين المعدنية ، والكهروكيميائية أنظمة تخزين الطاقة والمكثفات الفائقة.

يتم إجراء البحث والعمل العلمي بالتعاون المستمر مع معهد الكيمياء الكهربية ذات درجة الحرارة العالية التابع لفرع الأورال التابع لأكاديمية العلوم الروسية وبدعم من الشركاء.

ما هي خلايا الوقود التي يتم تطويرها حاليًا ولديها أكبر إمكانات؟

واحدة من أكثر أنواع خلايا الوقود الواعدة هي خلايا البروتون الخزفية. لها مزايا أكثر من خلايا الوقود البوليمرية مع غشاء تبادل البروتون وخلايا الأكسيد الصلب ، حيث يمكنها العمل بإمداد مباشر من الوقود الهيدروكربوني. يعمل هذا على تبسيط تصميم محطة توليد الطاقة بشكل كبير استنادًا إلى خلايا وقود البروتون والسيراميك ونظام التحكم ، وبالتالي يزيد من موثوقية التشغيل. صحيح أن هذا النوع من خلايا الوقود تاريخيًا أقل تطورًا في الوقت الحالي ، لكن البحث العلمي الحديث يسمح لنا بالأمل في إمكانات عالية لهذه التكنولوجيا في المستقبل.

ما هي المشاكل المتعلقة بخلايا الوقود التي يتم التعامل معها في جامعة الأورال الفيدرالية الآن؟

يعمل الآن علماء UrFU ، جنبًا إلى جنب مع معهد الكيمياء الكهربية ذات درجة الحرارة العالية (IHTE) التابع لفرع الأورال التابع لأكاديمية العلوم الروسية ، على إنشاء أجهزة كهروكيميائية عالية الكفاءة ومولدات طاقة مستقلة للتطبيقات في الطاقة الموزعة. يعني إنشاء محطات توليد الطاقة للطاقة الموزعة في البداية تطوير أنظمة هجينة تعتمد على مولد طاقة كهربائية وجهاز تخزين ، وهما بطاريات. في الوقت نفسه ، تعمل خلية الوقود باستمرار ، مما يوفر الحمل خلال ساعات الذروة ، وفي وضع الخمول ، تقوم بشحن البطارية ، والتي يمكن أن تعمل كاحتياطي في حالة الاستهلاك العالي للطاقة وفي حالات الطوارئ.

حقق الكيميائيون من جامعة الأورال الفيدرالية و IHTE أكبر نجاح في تطوير خلايا وقود الأكسيد الصلب والبروتون الخزفي. منذ عام 2016 ، في جبال الأورال ، بالتعاون مع State Corporation Rosatom ، تم إنشاء أول إنتاج روسي لمحطات الطاقة القائمة على خلايا وقود الأكسيد الصلب. اجتاز تطوير علماء الأورال بالفعل اختبارات "ميدانية" في محطة الحماية الكاثودية لخط أنابيب الغاز في الموقع التجريبي لشركة Uraltransgaz LLC. تعمل محطة توليد الكهرباء ذات الطاقة المقدرة 1.5 كيلووات لأكثر من 10 آلاف ساعة وأظهرت إمكانات عالية لاستخدام مثل هذه الأجهزة.

في إطار المختبر المشترك لجامعة Ural Federal و IHTE ، يتم تطوير أجهزة كهروكيميائية تعتمد على غشاء خزفي موصل بالبروتون. سيسمح هذا في المستقبل القريب بتقليل درجات حرارة التشغيل لخلايا وقود الأكسيد الصلب من 900 إلى 500 درجة مئوية والتخلي عن الإصلاح الأولي للوقود الهيدروكربوني ، وبالتالي إنشاء مولدات كهروكيميائية فعالة من حيث التكلفة قادرة على العمل في ظروف تطوير البنية التحتية لإمدادات الغاز في روسيا.

الكسندر دوبوف

تعتبر مهمة Ancient Armory من أكثر المهام الجانبية إثارة للاهتمام والمكافأة في Horizon Zero Dawn. كمكافأة لإكماله ، ستتلقى زي Shield Weaver. في رأينا هذا هو أفضل درع في اللعبة. إنها تحمي Aloy بمجال قوة يمتص كل الأضرار القادمة حتى نفاد الشحنة. ستتلقى هذه المهمة عندما تجد أول خلية وقود أو مخبأ المدرعات القديم نفسه. يجب أن أقول إن الحصول عليها أسهل بكثير من القيام بذلك.

أين تجد جميع خلايا الوقود في Horizon Zero Dawn؟

هناك إجمالي 5 عناصر وقود في اللعبة ستلتقي بها أثناء مرور مهام القصة. من السهل تفويت بعضها ، لكن لا تقلق بشأن ذلك. يمكنك دائمًا العودة إليهم لاحقًا. إذا ماتت ، فسيتعين عليك الذهاب إلى خلية الوقود مرة أخرى. لا يحفظ في مخزونك على الفور ، فأنت بحاجة للوصول إلى نقطة التفتيش. ضعه بمخيلتك. يتم تمييز جميع العناصر بأيقونة خضراء ساطعة ، لذلك من غير المحتمل أن تشاهدها عندما تكون بالقرب منك. يتم استخدام أول عنصرين لفتح الباب. هناك حاجة لثلاثة أخرى لفتح جهاز الدرع نفسه.

أول خلية وقود

وهي تقع في موقع الأم العظيمة ومتاحة أثناء مرور مهمة "رحم الجبل". من المهم جدًا عدم تفويتها أثناء هذا المسعى ، لأنه بعد مغادرة المنطقة ، سيتم حظر البوابة التي يمكنها الوصول إلى هذا الموقع وستفتح في المرة القادمة فقط في نهاية اللعبة ، بعد الانتهاء من "قلب المخبأ" " مهمة.

من السهل العثور على خلية الوقود هذه إذا كنت تعرف مكان البحث. لذلك ، فإن أول شيء يجب فعله هو الوصول إلى علامة Aloy الموضحة في لقطة الشاشة أدناه. سيكون أمامك مباشرة باب به مفتاح. نفتحه ونمضي قدما. نفتح أيضًا الباب المجاور ونجد أنفسنا في غرفة كبيرة. نحن هنا نحتاج إلى الانعطاف يمينًا والركض نحو باب بقفل لا يمكننا فتحه.

ومع ذلك ، إذا نظرت حولك ، ستلاحظ مكانة كبيرة على اليسار بها شموع بداخلها. اصعد إليه وتحرك للأمام على طول المنجم حتى تصطدم بخلية وقود.

خلية الوقود الثانية

يمكن العثور على هذا العنصر في الأنقاض التي تسلقها ألوي عندما كان طفلاً. في مرحلة الطفولة ، لن يكون من الممكن التقاطها ، لذلك سيتعين عليك العودة لاحقًا. اذهب إلى العلامة الخضراء وانظر حولك. مدخل الأنقاض حفرة في الأرض. النزول بحذر.

السماح بمرور الأنقاض أمر بسيط بما فيه الكفاية ، لذلك من غير المحتمل أن تضيع. في الواقع ، تحتاج إلى الوصول إلى العلامة الموضحة في لقطة الشاشة أدناه. هناك سترى غرفة أمامك ، مدخلها مغلق بتشكيلات صخرية مدببة. اكسرهم بفتح رمحك وستجد عنصر الوقود الثاني.

خلية الوقود الثالثة

للعثور على خلية الوقود التالية في Horizon Zero Dawn ، سيتعين عليك قراءة القصة. نحن بحاجة إلى حد سيد المهمة. لا تنس الرجوع إلى هذا الدليل عند الوصول إليه. خلال هذه المهمة ، سيكون عليك تسلق مبنى شاهق جدًا. في مرحلة ما ، ستخبرك اللعبة بشيء مثل: "اعثر على مكتب Faro للحصول على مزيد من المعلومات حول Dr. Sobek."

في هذه اللحظة ، تحتاج إلى الالتفاف والعثور على جدار خلفك ، يمكنك من خلاله الصعود. اذهب طوال الطريق وستكون خلية الوقود في انتظارك على الأرض تمامًا في أعلى البرج (الطابق الثاني عشر).

خلية الوقود الرابعة

يمكن العثور على هذا العنصر خلال مهمة "كنز الموت" في سراديب الموتى.

أولاً ، قم بالوصول إلى العلامة في المستوى الثالث ، كما هو موضح في لقطة الشاشة أدناه. سيكون أمامك باب مغلق. لفتحه ، عليك أن تذهب يسارا وتقفز لأسفل. هناك سوف تجد ثلاثة ألغاز قفل تويست. يوجد بالقرب من كل منها خزانة يخفي فيها حل المشكلة. فقط امسحه ضوئيًا. توجد لغتان في مستوى واحد أسفل الباب ، والآخر في نفس المستوى. عندما تحل الثلاثة ، سيفتح الباب أعلاه وستتلقى خلية الوقود الخاصة بك.

خلية الوقود الخامسة

يمكن العثور على آخر خلية وقود في Horizon Zero Dawn أثناء مهمة Fallen Mountain في GAIA Prime.

قم بالوصول إلى الموقع في المستوى الثالث المحدد في لقطة الشاشة أدناه. سيكون أمامك مكان تحتاج إلى النزول منه عبر الحبل. بدلاً من ذلك ، انعطف يسارًا وشق طريقك بحذر إلى أسفل جانب الجبل. هناك سترى مدخل الكهف. في النهاية ، سيكون العنصر الأخير في انتظارك.

اتخذت الولايات المتحدة عدة مبادرات لتطوير خلايا وقود الهيدروجين والبنية التحتية والتقنيات لجعل مركبات خلايا الوقود عملية واقتصادية بحلول عام 2020. وقد تم تخصيص أكثر من مليار دولار لهذه الأغراض.

تولد خلايا الوقود الكهرباء بهدوء وكفاءة دون تلويث البيئة. على عكس مصادر طاقة الوقود الأحفوري ، فإن المنتجات الثانوية لخلايا الوقود هي الحرارة والماء. كيف تعمل؟

في هذه المقالة ، سنراجع بإيجاز كل تقنية من تقنيات الوقود الحالية ، بالإضافة إلى الحديث عن تصميم وتشغيل خلايا الوقود ، ومقارنتها بأشكال أخرى من إنتاج الطاقة. سنناقش أيضًا بعض العقبات التي يواجهها الباحثون في جعل خلايا الوقود عملية وبأسعار معقولة للمستهلكين.

خلايا الوقود أجهزة تحويل الطاقة الكهروكيميائية. تقوم خلية الوقود بتحويل المواد الكيميائية والهيدروجين والأكسجين إلى ماء في عملية توليد الكهرباء.

الجهاز الكهروكيميائي الآخر الذي نعرفه جميعًا هو البطارية. تحتوي البطارية بداخلها على جميع العناصر الكيميائية اللازمة وتحول هذه المواد إلى كهرباء. هذا يعني أن البطارية "تموت" في النهاية وأنك تتخلص منها أو تعيد شحنها.

في خلية الوقود ، يتم إدخال المواد الكيميائية فيها باستمرار حتى لا "تموت" أبدًا. سيتم توليد الكهرباء طالما أن المواد الكيميائية تدخل الخلية. تستخدم معظم خلايا الوقود المستخدمة اليوم الهيدروجين والأكسجين.

الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في مجرتنا. ومع ذلك ، لا يوجد الهيدروجين عمليًا على الأرض في شكله الأولي. يجب على المهندسين والعلماء استخراج الهيدروجين النقي من مركبات الهيدروجين ، بما في ذلك الوقود الأحفوري أو الماء. لاستخراج الهيدروجين من هذه المركبات ، تحتاج إلى إنفاق الطاقة على شكل حرارة أو كهرباء.

اختراع خلايا الوقود

اخترع السير ويليام جروف أول خلية وقود في عام 1839. عرف غروف أن الماء يمكن تقسيمه إلى هيدروجين وأكسجين عن طريق تشغيل تيار كهربائي خلاله (وهي عملية تسمى التحليل الكهربائي). واقترح أنه يمكن الحصول على الكهرباء والمياه بالترتيب العكسي. لقد خلق خلية وقود بدائية وأطلق عليها اسم بطارية غاز جلفاني. بعد تجربة اختراعه الجديد ، أثبت جروف فرضيته. بعد خمسين عامًا ، صاغ العالمان لودفيج موند وتشارلز لانجر المصطلح خلايا الوقودعند محاولة بناء نموذج عملي لتوليد الطاقة.

سوف تتنافس خلية الوقود مع العديد من أجهزة تحويل الطاقة الأخرى ، بما في ذلك التوربينات الغازية في محطات الطاقة الحضرية ، ومحركات الاحتراق الداخلي في السيارات ، والبطاريات بجميع أنواعها. تعمل محركات الاحتراق الداخلي ، مثل توربينات الغاز ، على حرق أنواع مختلفة من الوقود واستخدام الضغط الناتج عن تمدد الغازات لأداء الأعمال الميكانيكية. تحول البطاريات الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية عند الحاجة. تحتاج خلايا الوقود إلى أداء هذه المهام بكفاءة أكبر.

توفر خلية الوقود جهدًا (تيارًا مباشرًا) يمكن استخدامه لتشغيل المحركات الكهربائية والإضاءة والأجهزة الكهربائية الأخرى.

هناك عدة أنواع مختلفة من خلايا الوقود ، كل منها يستخدم عمليات كيميائية مختلفة. عادة ما يتم تصنيف خلايا الوقود وفقًا لها درجة حرارة التشغيلو يكتببالكهرباء،التي يستخدمونها. بعض أنواع خلايا الوقود مناسبة تمامًا للاستخدام في محطات الطاقة الثابتة. قد يكون البعض الآخر مفيدًا للأجهزة المحمولة الصغيرة أو لتشغيل السيارات. تشمل الأنواع الرئيسية لخلايا الوقود ما يلي:

خلية وقود غشاء تبادل البوليمر (PEMFC)

يعتبر PEMFC هو المرشح الأكثر احتمالا لتطبيقات النقل. يحتوي PEMFC على طاقة عالية ودرجة حرارة تشغيل منخفضة نسبيًا (في حدود 60 إلى 80 درجة مئوية). تعني درجة حرارة التشغيل المنخفضة أن خلايا الوقود يمكن أن تسخن بسرعة لبدء توليد الكهرباء.

خلية وقود الأكسيد الصلب (SOFC)

تعد خلايا الوقود هذه أكثر ملاءمة لمولدات الطاقة الثابتة الكبيرة التي يمكن أن توفر الكهرباء للمصانع أو المدن. يعمل هذا النوع من خلايا الوقود في درجات حرارة عالية جدًا (700 إلى 1000 درجة مئوية). تعتبر درجة الحرارة المرتفعة مشكلة موثوقية لأن بعض خلايا الوقود يمكن أن تتعطل بعد عدة دورات من التشغيل والإيقاف. ومع ذلك ، فإن خلايا وقود الأكسيد الصلب مستقرة جدًا في التشغيل المستمر. في الواقع ، أثبتت مركبات الكربون الهيدروكلورية فلورية أطول عمر تشغيلي لأي خلية وقود في ظل ظروف معينة. تتميز درجة الحرارة المرتفعة أيضًا بأنه يمكن توجيه البخار الناتج عن خلايا الوقود إلى التوربينات وتوليد المزيد من الكهرباء. هذه العملية تسمى التوليد المشترك للحرارة والكهرباءويحسن كفاءة النظام بشكل عام.

خلية الوقود القلوية (AFC)

إنه أحد أقدم تصميمات خلايا الوقود ، وقد استخدم منذ الستينيات. تعتبر مركبات الكربون الهيدروجينية شديدة التأثر بالتلوث لأنها تتطلب الهيدروجين والأكسجين النقيين. بالإضافة إلى ذلك ، فهي باهظة الثمن ، لذلك من غير المرجح أن يتم وضع هذا النوع من خلايا الوقود في الإنتاج الضخم.

خلية وقود الكربونات المنصهرة (MCFC)

مثل SOFCs ، فإن خلايا الوقود هذه مناسبة أيضًا لمحطات الطاقة الكبيرة الثابتة والمولدات. تعمل عند 600 درجة مئوية حتى تتمكن من توليد البخار ، والذي بدوره يمكن استخدامه لتوليد المزيد من الطاقة. لديهم درجة حرارة تشغيل أقل من خلايا وقود الأكسيد الصلب ، مما يعني أنها لا تحتاج إلى مثل هذه المواد المقاومة للحرارة. هذا يجعلها أرخص قليلا.

خلية وقود حامض الفوسفوريك (PAFC)

خلية وقود حامض الفوسفوريكلديه القدرة على استخدامها في أنظمة الطاقة الثابتة الصغيرة. يعمل عند درجة حرارة أعلى من خلية وقود غشاء تبادل البوليمر ، لذلك يستغرق وقتًا أطول للتسخين ، مما يجعله غير مناسب لاستخدام السيارات.

خلايا وقود الميثانول خلية وقود الميثانول المباشر (DMFC)

خلايا وقود الميثانول قابلة للمقارنة مع PEMFC من حيث درجة حرارة التشغيل ، ولكنها ليست فعالة. بالإضافة إلى ذلك ، تتطلب DMFCs الكثير من البلاتين كعامل مساعد ، مما يجعل خلايا الوقود هذه باهظة الثمن.

خلية وقود مع غشاء تبادل بوليمر

تعد خلية وقود غشاء تبادل البوليمر (PEMFC) واحدة من أكثر تقنيات خلايا الوقود الواعدة. يستخدم PEMFC أحد أبسط ردود الفعل لأي خلية وقود. ضع في اعتبارك ما تتكون منه.

1. لكن العقدة - الطرف السلبي لخلية الوقود. إنها توصل الإلكترونات المنبعثة من جزيئات الهيدروجين ، وبعد ذلك يمكن استخدامها في دائرة خارجية. إنه محفور بقنوات يتم من خلالها توزيع غاز الهيدروجين بالتساوي على سطح المحفز.

2.ل ذرة - يحتوي الطرف الموجب لخلية الوقود أيضًا على قنوات لتوزيع الأكسجين على سطح المحفز. كما أنها تنقل الإلكترونات من السلسلة الخارجية للمحفز ، حيث يمكن أن تتحد مع أيونات الهيدروجين والأكسجين لتكوين الماء.

3.غشاء تبادل المنحل بالكهرباء والبروتون. إنها مادة تمت معالجتها بشكل خاص وتوصل فقط الأيونات الموجبة الشحنة وتحجب الإلكترونات. في PEMFC ، يجب ترطيب الغشاء ليعمل بشكل صحيح ويظل مستقرًا.

4. عامل حفازهي مادة خاصة تعزز تفاعل الأكسجين والهيدروجين. عادة ما تكون مصنوعة من جزيئات البلاتين النانوية المترسبة بشكل رقيق للغاية على ورق الكربون أو القماش. يحتوي المحفز على بنية سطحية بحيث يمكن تعريض أقصى مساحة من البلاتين للهيدروجين أو الأكسجين.

يوضح الشكل دخول غاز الهيدروجين (H2) تحت الضغط إلى خلية الوقود من جانب الأنود. عندما يتلامس جزيء H2 مع البلاتين على المحفز ، فإنه ينقسم إلى اثنين من أيونات H + وإلكترونين. تمر الإلكترونات عبر الأنود ، حيث يتم استخدامها في الدوائر الخارجية (تقوم بعمل مفيد ، مثل تدوير المحرك) وتعود إلى جانب الكاثود لخلية الوقود.

في هذه الأثناء ، على جانب الكاثود لخلية الوقود ، يمر الأكسجين (O2) من الهواء عبر المحفز حيث يشكل ذرتين من الأكسجين. كل من هذه الذرات لها شحنة سالبة قوية. تجذب هذه الشحنة السالبة أيوني H + عبر الغشاء حيث تتحد مع ذرة أكسجين وإلكترونين من الدائرة الخارجية لتكوين جزيء ماء (H2O).

ينتج هذا التفاعل في خلية وقود واحدة حوالي 0.7 فولت فقط. من أجل رفع الجهد إلى مستوى معقول ، يجب دمج العديد من خلايا الوقود الفردية لتشكيل مجموعة خلايا وقود. تُستخدم الألواح ثنائية القطب لربط خلية وقود بأخرى وتخضع للأكسدة مع تقليل الإمكانات. المشكلة الكبيرة في الصفائح ثنائية القطب هي استقرارها. يمكن أن تتآكل الصفائح المعدنية ثنائية القطب وتقلل المنتجات الثانوية (أيونات الحديد والكروم) من كفاءة أغشية خلايا الوقود والأقطاب الكهربائية. لذلك ، تستخدم خلايا الوقود ذات درجة الحرارة المنخفضة معادن خفيفة ، وجرافيت ، ومركبات مركبة من الكربون والمواد المتصلبة بالحرارة (مادة التصلد بالحرارة هي نوع من البلاستيك يظل صلبًا حتى عند تعرضه لدرجات حرارة عالية) في شكل مادة صفائح ثنائية القطب.

كفاءة خلايا الوقود

يعد تقليل التلوث أحد الأهداف الرئيسية لخلية الوقود. من خلال مقارنة سيارة تعمل بخلية وقود مع سيارة تعمل بمحرك بنزين وسيارة تعمل بالبطارية ، يمكنك أن ترى كيف يمكن لخلايا الوقود أن تحسن كفاءة السيارات.

نظرًا لأن جميع أنواع السيارات الثلاثة تحتوي على العديد من المكونات نفسها ، فسوف نتجاهل هذا الجزء من السيارة ونقارن الكفاءات حتى النقطة التي يتم فيها إنتاج الطاقة الميكانيكية. لنبدأ بسيارة خلايا الوقود.

إذا تم تشغيل خلية الوقود بواسطة الهيدروجين النقي ، يمكن أن تصل كفاءتها إلى 80 بالمائة. وبالتالي ، فإنه يحول 80 في المائة من محتوى الطاقة للهيدروجين إلى كهرباء. ومع ذلك ، لا يزال يتعين علينا تحويل الطاقة الكهربائية إلى عمل ميكانيكي. يتم تحقيق ذلك من خلال محرك كهربائي وعاكس. تبلغ كفاءة المحرك + العاكس أيضًا حوالي 80 بالمائة. هذا يعطي كفاءة إجمالية تقارب 80 * 80/100 = 64 بالمائة. يقال إن سيارة هوندا النموذجية FCX تتمتع بكفاءة طاقة بنسبة 60 بالمائة.

إذا لم يكن مصدر الوقود على شكل هيدروجين نقي ، فستحتاج السيارة أيضًا إلى مصلح. المصلحون يحولون الهيدروكربون أو الوقود الكحولي إلى هيدروجين. إنها تولد الحرارة وتنتج ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون بالإضافة إلى الهيدروجين. يتم استخدام أجهزة مختلفة لتنقية الهيدروجين الناتج ، ولكن هذا التنقية غير كافٍ ويقلل من كفاءة خلية الوقود. لذلك ، قرر الباحثون التركيز على خلايا الوقود للمركبات التي تعمل بالهيدروجين النقي ، على الرغم من المشاكل المرتبطة بإنتاج وتخزين الهيدروجين.

كفاءة محرك بنزين وسيارة على البطاريات الكهربائية

إن كفاءة السيارة التي تعمل بالبنزين منخفضة بشكل مدهش. كل الحرارة التي تخرج على شكل عادم أو يمتصها المبرد هي طاقة مهدرة. يستخدم المحرك أيضًا الكثير من الطاقة لتشغيل مختلف المضخات والمراوح والمولدات التي تحافظ على تشغيله. وبالتالي ، تبلغ الكفاءة الإجمالية لمحرك بنزين السيارات حوالي 20 بالمائة. وبالتالي ، يتم تحويل ما يقرب من 20 بالمائة فقط من محتوى الطاقة الحرارية للبنزين إلى أعمال ميكانيكية.

تتمتع السيارة الكهربائية التي تعمل بالبطارية بكفاءة عالية إلى حد ما. البطارية فعالة بنسبة 90 بالمائة تقريبًا (تولد معظم البطاريات بعض الحرارة أو تتطلب تسخينًا) ، والمحرك + العاكس فعال بنسبة 80 بالمائة تقريبًا. هذا يعطي كفاءة إجمالية تقارب 72 بالمائة.

لكن هذا ليس كل شيء. لكي تتحرك السيارة الكهربائية ، يجب أولاً توليد الكهرباء في مكان ما. إذا كانت محطة طاقة تستخدم عملية احتراق الوقود الأحفوري (بدلاً من الطاقة النووية أو الكهرومائية أو الشمسية أو طاقة الرياح) ، فإن حوالي 40 بالمائة فقط من الوقود الذي تستهلكه المحطة تم تحويله إلى كهرباء. بالإضافة إلى ذلك ، تتطلب عملية شحن السيارة تحويل طاقة التيار المتردد (AC) إلى طاقة التيار المباشر (DC). تبلغ كفاءة هذه العملية حوالي 90 بالمائة.

الآن ، إذا نظرنا إلى الدورة بأكملها ، فإن كفاءة السيارة الكهربائية هي 72 بالمائة للسيارة نفسها ، و 40 بالمائة لمحطة الطاقة ، و 90 بالمائة لشحن السيارة. هذا يعطي كفاءة إجمالية تبلغ 26 بالمائة. تختلف الكفاءة الإجمالية بشكل كبير اعتمادًا على محطة الطاقة المستخدمة لشحن البطارية. إذا تم توليد الكهرباء لسيارة ، على سبيل المثال ، عن طريق محطة كهرومائية ، فإن كفاءة السيارة الكهربائية ستكون حوالي 65 بالمائة.

يقوم العلماء بالبحث عن التصاميم وتحسينها لمواصلة تحسين كفاءة خلايا الوقود. أحد الأساليب الجديدة هو الجمع بين خلايا الوقود والمركبات التي تعمل بالبطارية. يتم تطوير السيارة النموذجية ليتم تشغيلها بواسطة مجموعة نقل الحركة الهجينة التي تعمل بخلايا الوقود. يستخدم بطارية ليثيوم لتشغيل السيارة بينما تقوم خلية وقود بإعادة شحن البطارية.

من المحتمل أن تكون المركبات التي تعمل بخلايا الوقود فعالة مثل السيارة التي تعمل بالبطارية والتي يتم شحنها من محطة طاقة خالية من الوقود الأحفوري. لكن تحقيق مثل هذه الإمكانات بطريقة عملية ويمكن الوصول إليها قد يكون صعبًا.

لماذا نستخدم خلايا الوقود؟

السبب الرئيسي هو كل ما يتعلق بالنفط. يجب على أمريكا استيراد ما يقرب من 60 في المائة من نفطها. بحلول عام 2025 ، من المتوقع أن ترتفع الواردات إلى 68٪. يستخدم الأمريكيون ثلثي النفط يوميًا للنقل. حتى لو كانت كل سيارة في الشارع سيارة هجينة ، بحلول عام 2025 ، لا يزال يتعين على الولايات المتحدة استخدام نفس كمية الزيت التي استهلكها الأمريكيون في عام 2000. في الواقع ، تستهلك أمريكا ربع إجمالي النفط المنتج في العالم ، على الرغم من أن 4.6٪ فقط من سكان العالم يعيشون هنا.

يتوقع الخبراء أن تستمر أسعار النفط في الارتفاع خلال العقود القليلة المقبلة مع نضوب المصادر الأرخص ثمناً. يتعين على شركات النفط تطوير حقول النفط في ظروف متزايدة الصعوبة ، مما سيؤدي إلى ارتفاع أسعار النفط.

تمتد المخاوف إلى ما هو أبعد من الأمن الاقتصادي. يتم إنفاق الكثير من عائدات بيع النفط على دعم الإرهاب الدولي ، والأحزاب السياسية المتطرفة ، والوضع غير المستقر في المناطق المنتجة للنفط.

ينتج عن استخدام النفط وأنواع الوقود الأحفوري الأخرى للطاقة التلوث. من الأفضل للجميع إيجاد بديل - حرق الوقود الأحفوري للحصول على الطاقة.

خلايا الوقود هي بديل جذاب للاعتماد على الزيت. تنتج خلايا الوقود المياه النظيفة كمنتج ثانوي بدلاً من التلوث. بينما ركز المهندسون مؤقتًا على إنتاج الهيدروجين من مصادر أحفورية مختلفة مثل البنزين أو الغاز الطبيعي ، يتم استكشاف طرق متجددة وصديقة للبيئة لإنتاج الهيدروجين في المستقبل. ستكون العملية الواعدة بالطبع هي الحصول على الهيدروجين من الماء.

الاعتماد على النفط والاحتباس الحراري مشكلة دولية. تشارك العديد من البلدان في تطوير البحث والتطوير لتكنولوجيا خلايا الوقود.

من الواضح أن العلماء والمصنعين لديهم الكثير من العمل للقيام به قبل أن تصبح خلايا الوقود بديلاً لأساليب إنتاج الطاقة الحالية. ومع ذلك ، وبدعم من العالم بأسره والتعاون العالمي ، يمكن لنظام طاقة قابل للحياة يعتمد على خلايا الوقود أن يصبح حقيقة واقعة في غضون عقدين من الزمن.