خلايا الوقود: الأنواع ومبدأ التشغيل والميزات

2024 مؤلف: Howard Calhoun | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-02 13:49

الهيدروجين وقود نظيف لأنه ينتج الماء فقط ويوفر طاقة نظيفة باستخدام مصادر الطاقة المتجددة. يمكن تخزينه في خلية وقود تنتج الكهرباء باستخدام جهاز تحويل كهروكيميائي. الهيدروجين هو مصدر الطاقة الثورية في المستقبل ، لكن تطوره لا يزال محدودًا للغاية. الأسباب: الطاقة التي يصعب إنتاجها ، والفعالية من حيث التكلفة وتوازن الطاقة المشكوك فيه بسبب طبيعة التصميم المكثفة للطاقة. لكن خيار الطاقة هذا يقدم وجهات نظر مثيرة للاهتمام فيما يتعلق بتخزين الطاقة ، خاصة عندما يتعلق الأمر بالمصادر المتجددة.

رواد خلايا الوقود

تم توضيح المفهوم بشكل فعال من قبل همفري ديفي في أوائل القرن التاسع عشر. تبع ذلك العمل الرائد لكريستيان فريدريش شونباين في عام 1838. في أوائل الستينيات ، بدأت ناسا ، بالتعاون مع شركاء صناعيين ، في تطوير المولداتمن هذا النوع لرحلات الفضاء المأهولة. نتج عن هذا أول كتلة من PEMFC.

قام باحث آخر في جنرال إلكتريك ، ليونارد نيدراش ، بترقية PEMFC من Grubb باستخدام البلاتين كمحفز. تم تطوير Grubb-Niedrach بشكل أكبر بالتعاون مع NASA واستخدمه برنامج Gemini الفضائي في أواخر الستينيات. طورت خلايا الوقود الدولية (IFC ، لاحقًا UTC Power) جهاز 1.5 كيلو واط لرحلات الفضاء أبولو. قاموا بتوفير الكهرباء وكذلك مياه الشرب لرواد الفضاء خلال مهمتهم. قامت مؤسسة التمويل الدولية لاحقًا بتطوير وحدات 12 كيلوواط المستخدمة لتوفير الطاقة على متن جميع رحلات المركبات الفضائية.

ابتكر Grulle عنصر السيارات لأول مرة في الستينيات. استخدمت جنرال موتورز يونيون كاربايد في السيارة "إلكتروفان". تم استخدامه فقط كسيارة شركة ، ولكن كان بإمكانه السفر لمسافة تصل إلى 120 ميلاً على خزان ممتلئ والوصول إلى سرعات تصل إلى 70 ميلاً في الساعة. جرب Kordesch و Grulke دراجة نارية تعمل بالهيدروجين في عام 1966. لقد كانت خلية هجينة مع بطارية NiCad جنبًا إلى جنب والتي حققت 1.18 لتر / 100 كم. هذه الخطوة لديها تكنولوجيا متطورة للدراجات الإلكترونية وتسويق الدراجات النارية الإلكترونية.

في عام 2007 ، تم تسويق مصادر الوقود في مجموعة متنوعة من المجالات ، وبدأ بيعها للمستخدمين النهائيين بضمانات مكتوبة وقدرات خدمة ، أي تلبية متطلبات ومعايير اقتصاد السوق. وهكذا ، بدأ عدد من قطاعات السوق بالتركيز على الطلب. على وجه الخصوص ، الآلاف من القوة المساعدةتم تسويق وحدات PEMFC و DMFC (APU) في تطبيقات الترفيه: القوارب والألعاب ومجموعات التدريب.

أظهر Horizon في أكتوبر 2009 أول نظام إلكتروني تجاري Dynario يعمل على خراطيش الميثانول. يمكن لخلايا وقود Horizon شحن الهواتف المحمولة وأنظمة GPS والكاميرات أو مشغلات الموسيقى الرقمية.

عمليات إنتاج الهيدروجين

خلايا وقود الهيدروجين هي مواد تحتوي على الهيدروجين كوقود. وقود الهيدروجين هو وقود عديم الانبعاثات يطلق الطاقة أثناء الاحتراق أو من خلال التفاعلات الكهروكيميائية. تنتج خلايا الوقود والبطاريات الكهرباء من خلال تفاعل كيميائي ، لكن الأول ينتج الطاقة طالما يوجد وقود ، وبالتالي لا تفقد الشحنة أبدًا.

العمليات الحرارية لإنتاج الهيدروجين عادةً ما تتضمن إصلاحًا بالبخار ، وهي عملية ذات درجة حرارة عالية حيث يتفاعل البخار مع مصدر هيدروكربوني لإطلاق الهيدروجين. يمكن إصلاح العديد من أنواع الوقود الطبيعي لإنتاج الهيدروجين.

اليوم يتم إنتاج ما يقرب من 95٪ من الهيدروجين من إعادة تشكيل الغاز. ينقسم الماء إلى أكسجين وهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي ، في جهاز يعمل مثل خلية وقود Horizon الصفرية في الاتجاه المعاكس.

العمليات القائمة على الطاقة الشمسية

يستخدمون الضوء كعامل لإنتاج الهيدروجين. موجودعدة عمليات تعتمد على الألواح الشمسية:

1. الضوئية ؛
2. الكهروضوئية ؛
3. مشمس ؛
4. حراري كيميائي.

تستخدم العمليات الحيوية الضوئية نشاط التمثيل الضوئي الطبيعي للبكتيريا والطحالب الخضراء.

العمليات الكهروكيميائية الضوئية هي أشباه موصلات متخصصة لفصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين.

يستخدم إنتاج الهيدروجين الشمسي الكيميائي الحراري طاقة شمسية مركزة لتفاعل فصل الماء جنبًا إلى جنب مع الأنواع الأخرى مثل أكاسيد المعادن.

تستخدم العمليات البيولوجية الميكروبات مثل البكتيريا والطحالب الدقيقة ويمكن أن تنتج الهيدروجين من خلال التفاعلات البيولوجية. في تحويل الكتلة الحيوية الميكروبية ، تحلل الميكروبات المواد العضوية مثل الكتلة الحيوية ، بينما في العمليات الحيوية الضوئية ، تستخدم الميكروبات ضوء الشمس كمصدر.

مكونات الجيل

أجهزة العناصر مصنوعة من عدة أجزاء. لكل منها ثلاثة مكونات رئيسية:

• الأنود ؛
• كاثود ؛
• المنحل بالكهرباء موصل.

في حالة خلايا وقود Horizon ، حيث يتكون كل قطب من مادة ذات مساحة سطح عالية مشربة بمحفز من سبيكة البلاتين ، فإن مادة الإلكتروليت هي غشاء وتعمل كموصل أيوني. يتم توليد الكهرباء من خلال تفاعلين كيميائيين أساسيين. للعناصر باستخدام نقيH_2.

ينقسم غاز الهيدروجين عند الأنود إلى بروتونات وإلكترونات. يُنقل الأول عبر غشاء الإلكتروليت ، ويتدفق الأخير حوله ، ويولد تيارًا كهربائيًا. تتحد الأيونات المشحونة (H + و e -) مع O_{2عند الكاثود ، وتطلق الماء والحرارة. تعمل القضايا البيئية العديدة التي تؤثر على العالم اليوم على تعبئة المجتمع لتحقيق التنمية المستدامة والتقدم نحو حماية الكوكب. هنا في السياق ، العامل الرئيسي هو استبدال موارد الطاقة الأساسية الفعلية بأخرى يمكنها تلبية الاحتياجات البشرية بالكامل.}

العناصر المعنية هي مجرد جهاز ، وبفضله يجد هذا الجانب الحل الأكثر ترجيحًا ، حيث أنه من الممكن الحصول على الطاقة الكهربائية من وقود نظيف بكفاءة عالية وبدون انبعاثات ثاني أكسيد الكربون_2.

المحفزات البلاتينية

البلاتين نشط للغاية في أكسدة الهيدروجين ويستمر في كونه أكثر مواد الحفاز الكهربائي شيوعًا. أحد المجالات الرئيسية لأبحاث Horizon التي تستخدم خلايا الوقود المختزلة بالبلاتين هو في صناعة السيارات ، حيث يتم التخطيط في المستقبل القريب للمحفزات الهندسية المصنوعة من جزيئات البلاتين النانوية المدعومة بالكربون الموصل. تتمتع هذه المواد بميزة الجسيمات النانوية شديدة التشتت ، ومساحة السطح التحفيزية العالية (ESA) ، والحد الأدنى من نمو الجسيمات في درجات الحرارة المرتفعة ، حتى عند مستويات تحميل أعلى من Pt.

السبائك المحتوية على Pt مفيدة للأجهزة التي تعمل على مصادر وقود متخصصة مثل الميثانول أو إعادة التشكيل (H₂ ، CO₂ ، CO و N_{2). أظهرت سبائك Pt / Ru أداءً محسنًا على محفزات Pt الكهروكيميائية النقية من حيث أكسدة الميثانول وعدم وجود احتمال للتسمم بأول أكسيد الكربون. يعد Pt 3 Co محفزًا آخر مهمًا (خاصة بالنسبة لكاثودات خلايا الوقود Horizon) وقد أظهر تحسنًا في كفاءة تفاعل تقليل الأكسجين بالإضافة إلى ثبات عالٍ.}

Pt / C و Pt 3 محفزات Co / C تظهر جزيئات نانوية شديدة التشتت على ركائز الكربون السطحية. هناك العديد من المتطلبات الأساسية التي يجب مراعاتها عند اختيار المنحل بالكهرباء لخلية الوقود:

1. موصلية عالية للبروتون.
2. درجة عالية من الاستقرار الكيميائي والحراري.
3. نفاذية غاز منخفضة

مصدر طاقة الهيدروجين

الهيدروجين هو أبسط العناصر وأكثرها وفرة في الكون. إنه مكون مهم من مكونات الماء والنفط والغاز الطبيعي وكل العالم الحي. على الرغم من بساطته ووفرته ، نادرًا ما يوجد الهيدروجين في حالته الغازية الطبيعية على الأرض. يتم دمجها دائمًا تقريبًا مع عناصر أخرى. ويمكن اشتقاقه من النفط والغاز الطبيعي والكتلة الحيوية أو بفصل المياه باستخدام الطاقة الشمسية أو الكهربائية.

بمجرد تكوين الهيدروجين في صورة H₂، يمكن إطلاق الطاقة الموجودة في الجزيء عن طريق التفاعلمع O₂. يمكن تحقيق ذلك باستخدام محركات الاحتراق الداخلي أو خلايا وقود الهيدروجين. في نفوسهم ، يتم تحويل الطاقة H_{2إلى تيار كهربائي مع فقدان طاقة منخفض. وبالتالي ، فإن الهيدروجين هو ناقل للطاقة لنقل وتخزين وتوصيل الطاقة المنتجة من مصادر أخرى.}

مرشحات لوحدات الطاقة

الحصول على عناصر الطاقة البديلة مستحيل بدون استخدام مرشحات خاصة. تساعد المرشحات الكلاسيكية في تطوير وحدات الطاقة للعناصر في بلدان مختلفة من العالم بسبب الكتل عالية الجودة. يتم توفير المرشحات لتحضير الوقود مثل الميثانول لتطبيقات الخلايا.

عادةً ما تشتمل التطبيقات الخاصة بوحدات الطاقة هذه على إمدادات الطاقة في المواقع البعيدة ، والطاقة الاحتياطية للإمدادات الحيوية ، ووحدات APU في المركبات الصغيرة والتطبيقات البحرية مثل Project Pa-X-ell وهو مشروع لاختبار الخلايا على سفن الركاب.

علب فلاتر الفولاذ المقاوم للصدأ التي تحل مشاكل الترشيح. في هذه التطبيقات الصعبة ، تحدد الشركات المصنعة لخلايا الوقود بدون فجر فلاتر فلاتر كلاسيكية من الفولاذ المقاوم للصدأ نظرًا لمرونة الإنتاج ومعايير الجودة العالية والتسليم السريع والأسعار التنافسية.

منصة تكنولوجيا الهيدروجين

تأسست Horizon Fuel Cell Technologies في سنغافورة عام 2003 ولديها اليوم 5 شركات فرعية دولية. مهمة الشركة هيلإحداث فرق في خلايا الوقود من خلال العمل على مستوى العالم لتحقيق تسويق سريع ، وخفض تكاليف التكنولوجيا ، وإزالة الحواجز القديمة أمام إمدادات الهيدروجين. بدأت الشركة بمنتجات صغيرة وبسيطة تتطلب كميات قليلة من الهيدروجين استعدادًا لتطبيقات أكبر وأكثر تعقيدًا. باتباع الإرشادات الصارمة وخارطة الطريق ، أصبحت Horizon بسرعة أكبر شركة مصنعة للخلايا السائبة في العالم تقل عن 1000 واط ، وتخدم العملاء في أكثر من 65 دولة مع أوسع مجموعة مختارة من المنتجات التجارية في الصناعة.

تتكون منصة تكنولوجيا Horizon من: PEM - خلايا وقود Horizon Zero dawn (وقود دقيق ومداخن) وموادها ، وإمدادات الهيدروجين (التحليل الكهربائي ، والإصلاح والتحلل المائي) ، وأجهزة تخزين الهيدروجين والأجهزة.

أطلقت Horizon أول مولد هيدروجين محمول وشخصي في العالم. يمكن أن تولد محطة HydroFill الهيدروجين عن طريق تحلل الماء في خزان وتخزينه في خراطيش HydroStick. تحتوي على سبيكة ماصة من غاز الهيدروجين لتوفير تخزين صلب. يمكن بعد ذلك إدخال الخراطيش في شاحن MiniPak الذي يمكنه التعامل مع عناصر فلتر الوقود الصغيرة.

الأفق أو الهيدروجين المنزلي

تطلق Horizon Technologies نظام شحن الهيدروجين وتخزين الطاقة للاستخدام المنزلي ، مما يوفر الطاقة في المنزل لشحن الأجهزة المحمولة. تميزت Horizon في عام 2006 بلعبة "H-racer" ، وهي سيارة صغيرة تعمل بالهيدروجين وحصلت على جائزة "أفضل اختراع" لهذا العام. عروض هورايزونقم بإضفاء اللامركزية على تخزين الطاقة في المنزل من خلال محطة شحن الهيدروجين Hydrofill الخاصة بها ، والتي يمكنها إعادة شحن البطاريات الصغيرة المحمولة والقابلة لإعادة الاستخدام. لا يتطلب مصنع الهيدروجين هذا سوى الماء لتشغيله وتوليد الطاقة.

يمكن توفير العمل من خلال الشبكة أو الألواح الشمسية أو توربينات الرياح. ومن هناك يتم استخلاص الهيدروجين من خزان المياه بالمحطة وتخزينه في صورة صلبة في خلايا سبيكة معدنية صغيرة. تعد محطة Hydrofill ، التي تباع بالتجزئة بحوالي 500 دولار ، حلاً رائدًا للهواتف. أين تجد خلايا وقود Hydrofill بهذا السعر ليس بالأمر الصعب للمستخدمين ، ما عليك سوى طلب الطلب المناسب على الإنترنت.

شحن الهيدروجين للسيارة

مثل السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات ، تستخدم تلك التي تعمل بالهيدروجين الكهرباء أيضًا لقيادة السيارة. ولكن بدلاً من تخزين هذه الكهرباء في بطاريات تستغرق ساعات لشحنها ، تولد الخلايا الطاقة على متن السيارة عن طريق تفاعل الهيدروجين والأكسجين. يحدث التفاعل في وجود إلكتروليت - موصل غير معدني ، حيث يتم نقل التدفق الكهربائي عن طريق حركة الأيونات في الأجهزة حيث تم تجهيز خلايا الوقود الصفرية Horizon بأغشية تبادل البروتون. تعمل على النحو التالي:

1. يتم إمداد غاز الهيدروجين إلى القطب الموجب "-" للخلية ، ويتم توجيه الأكسجين إلى القطب الموجب.
2. على الأنود المحفز من البلاتين ،يتخلص من الإلكترونات من ذرات الهيدروجين ، تاركًا أيونات "+" وإلكترونات حرة. تمر الأيونات فقط عبر الغشاء الواقع بين الأنود والكاثود.
3. تولد الإلكترونات تيارًا كهربائيًا بالتحرك على طول دائرة خارجية. عند الكاثود ، تتحد الإلكترونات وأيونات الهيدروجين مع الأكسجين لإنتاج الماء المتدفق خارج الخلية.

حتى الآن ، هناك شيئان أعاقا الإنتاج على نطاق واسع للمركبات التي تعمل بالهيدروجين: التكلفة وإنتاج الهيدروجين. حتى وقت قريب ، كان محفز البلاتين ، الذي يقسم الهيدروجين إلى أيون وإلكترون ، باهظ التكلفة.

قبل بضع سنوات ، كانت تكلفة خلايا وقود الهيدروجين حوالي 1000 دولار لكل كيلوواط من الطاقة ، أو حوالي 100000 دولار للسيارة. تم إجراء دراسات مختلفة لتقليل تكلفة المشروع ، بما في ذلك استبدال محفز البلاتين بسبيكة نيكل بلاتينيوم أكثر كفاءة 90 مرة. في العام الماضي ، ذكرت وزارة الطاقة الأمريكية أن تكلفة النظام قد انخفضت إلى 61 دولارًا للكيلوواط ، ولا تزال غير قادرة على المنافسة في صناعة السيارات.

التصوير المقطعي بالأشعة السينية

تُستخدم طريقة الاختبار غير المتلفة هذه لدراسة بنية عنصر من طبقتين. طرق أخرى شائعة الاستخدام لدراسة الهيكل:

• قياس المسام اقتحام الزئبق ؛
• مجهر القوة الذرية ؛
• قياس الخصائص البصرية.

تظهر النتائج أن توزيع المسامية له أساس متين لحساب التوصيل الحراري والكهربائي والنفاذية وتعريف. يعد قياس مسامية العناصر أمرًا صعبًا للغاية بسبب هندستها الرقيقة والقابلة للانضغاط وغير المتجانسة. تظهر النتيجة أن المسامية تقل مع ضغط GDL.

الهيكل المسامي له تأثير كبير على نقل الكتلة في القطب. أجريت التجربة تحت ضغوط ضغط ساخنة مختلفة تراوحت من 0.5 إلى 10 ميجا باسكال. يعتمد الأداء بشكل أساسي على المعدن البلاتيني ، حيث تكون تكلفته عالية جدًا. يمكن زيادة الانتشار من خلال استخدام مواد رابطة كيميائية. بالإضافة إلى ذلك ، تؤثر التغيرات في درجات الحرارة على عمر ومتوسط أداء العنصر. معدل تحلل PEMFCs ذات درجة الحرارة المرتفعة منخفض في البداية ثم يزداد بسرعة. يستخدم هذا لتحديد تكوين الماء.

مشاكل التسويق

لكي تصبح منافسًا من حيث التكلفة ، يجب خفض تكاليف خلايا الوقود إلى النصف وإطالة عمر البطارية بالمثل. ومع ذلك ، لا تزال تكاليف التشغيل اليوم أعلى بكثير ، حيث تتراوح تكاليف إنتاج الهيدروجين بين 2.5 دولار و 3 دولارات ، ومن غير المرجح أن تكلف إمدادات الهيدروجين أقل من 4 دولارات للكيلوغرام. لكي تتنافس الخلية بشكل فعال مع البطاريات ، يجب أن يكون لها وقت شحن قصير وتقليل عملية استبدال البطارية.

حاليًا ، ستكلف تقنية خلايا الوقود البوليمرية 49 دولارًا أمريكيًا / كيلوواط عندما يتم إنتاجها بكميات كبيرة (500000 وحدة على الأقل سنويًا). ومع ذلك ، من أجل التنافس مع السياراتالاحتراق الداخلي ، يجب أن تصل خلايا وقود السيارات إلى حوالي 36 دولارًا / كيلوواط ساعة. يمكن تحقيق التوفير عن طريق تقليل تكاليف المواد (على وجه الخصوص ، استخدام البلاتين) ، وزيادة كثافة الطاقة ، وتقليل تعقيد النظام وزيادة المتانة. هناك العديد من التحديات لتسويق التكنولوجيا على نطاق واسع ، بما في ذلك التغلب على عدد من الحواجز التقنية.

تحديات المستقبل التقنية

تعتمد تكلفة المكدس على المادة والتقنية وتقنيات التصنيع. لا يعتمد اختيار المواد على ملاءمة المادة للوظيفة فحسب ، بل يعتمد أيضًا على قابلية التشغيل. المهام الرئيسية للعناصر:

1. تقليل حمل المحفز الكهربائي وزيادة النشاط
2. تحسين المتانة وتقليل التدهور
3. تحسين تصميم القطب.
4. تحسين تحمل الشوائب عند الأنود
5. اختيار المواد للمكونات. يعتمد بشكل أساسي على التكلفة دون التضحية بالأداء.
6. التسامح مع خطأ النظام.
7. يعتمد أداء العنصر بشكل أساسي على قوة الغشاء.

معلمات GDL الرئيسية التي تؤثر على أداء الخلية هي نفاذية الكاشف ، والتوصيل الكهربائي ، والتوصيل الحراري ، والدعم الميكانيكي. سمك GDL هو عامل مهم. يوفر الغشاء الأكثر سمكًا حماية أفضل وقوة ميكانيكية ومسارات انتشار أطول ومستويات مقاومة حرارية وكهربائية أكبر.

الاتجاهات التقدمية

من بين أنواع العناصر المختلفة ، تعمل PEMFC على تكييف المزيد من تطبيقات الهاتف المحمول (السيارات وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة وما إلى ذلك) ، وبالتالي فهي تحظى باهتمام متزايد لمجموعة واسعة من الشركات المصنعة. في الواقع ، تتمتع PEMFC بالعديد من المزايا مثل درجة حرارة التشغيل المنخفضة ، واستقرار كثافة التيار العالي ، والوزن الخفيف ، والاكتناز ، وإمكانية التكلفة المنخفضة والحجم ، وعمر الخدمة الطويل ، وبدء التشغيل السريع ، والملاءمة للتشغيل المتقطع.

تقنية PEMFC مناسبة تمامًا لمجموعة متنوعة من الأحجام وتستخدم أيضًا مع مجموعة متنوعة من الوقود عند معالجتها بشكل صحيح لإنتاج الهيدروجين. على هذا النحو ، فإنه يجد استخدامًا من مقياس subwatt الصغير وصولاً إلى مقياس ميغاواط. 88٪ من إجمالي الشحنات في 2016-2018 كانت PEMFC.