پیل سوختی وسیله ای است که به طور موثر گرما و جریان مستقیم را از طریق یک واکنش الکتروشیمیایی تولید می کند و از سوخت غنی از هیدروژن استفاده می کند. اصل کارکرد آن شبیه به باتری است. از نظر ساختاری، پیل سوختی توسط یک الکترولیت نشان داده می شود. چه چیز خاصی در مورد آن وجود دارد؟ برخلاف همان باتری ها، سلول های سوختیروی هیدروژن انباشته نمی شود انرژی الکتریکی، برای شارژ مجدد نیازی به برق ندارند و تخلیه نمی کنند. سلول ها تا زمانی که هوا و سوخت دارند به تولید برق ادامه می دهند.

ویژگی های خاص

تفاوت پیل های سوختی با سایر مولدهای برق در این است که در حین کار سوخت نمی سوزانند. با توجه به این ویژگی، آنها نیازی به روتور ندارند فشار بالا، صدای بلند یا لرزش ساطع نکنید. الکتریسیته در پیل های سوختی از طریق یک واکنش الکتروشیمیایی بی صدا تولید می شود. انرژی شیمیایی سوخت در چنین دستگاه هایی مستقیماً به آب، گرما و برق تبدیل می شود.

پیل های سوختی بسیار کارآمد هستند و تولید نمی کنند مقدار زیادگازهای گلخانه ای. محصول انتشاری در حین کار سلول مقدار کمی آب به صورت بخار و دی اکسید کربنکه در صورت استفاده از هیدروژن خالص به عنوان سوخت آزاد نمی شود.

تاریخچه ظهور

در دهه‌های 1950 و 1960، نیاز نوظهور ناسا به منابع انرژی برای مأموریت‌های فضایی طولانی‌مدت، یکی از حیاتی‌ترین چالش‌ها را برای سلول‌های سوختی که در آن زمان وجود داشت، برانگیخت. سلول های قلیایی از اکسیژن و هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می کنند که از طریق یک واکنش الکتروشیمیایی به محصولات جانبی مفید در طول پرواز فضایی - برق، آب و گرما - تبدیل می شوند.

سلول های سوختی برای اولین بار در اوایل XIXقرن - در سال 1838. در همان زمان، اولین اطلاعات در مورد اثربخشی آنها ظاهر شد.

کار بر روی سلول های سوختی با استفاده از الکترولیت های قلیایی در اواخر دهه 1930 آغاز شد. سلول های دارای الکترودهای نیکل اندود تحت فشار بالا تا سال 1939 اختراع نشدند. در طول جنگ جهانی دوم، سلول های سوختی متشکل از سلول های قلیایی با قطر حدود 25 سانتی متر برای زیردریایی های بریتانیا ساخته شد.

علاقه به آنها در دهه 1950-1980 افزایش یافت که مشخصه آن کمبود سوخت نفت بود. کشورهای سراسر جهان در تلاش برای توسعه سازگار با محیط زیست شروع به رسیدگی به آلودگی هوا و مسائل زیست محیطی کرده اند راه های امندریافت برق فناوری تولید پیل سوختی در حال حاضر در حال توسعه فعال است.

اصل عملیات

گرما و الکتریسیته توسط سلول های سوختی در نتیجه یک واکنش الکتروشیمیایی شامل یک کاتد، آند و یک الکترولیت تولید می شود.

کاتد و آند توسط یک الکترولیت رسانای پروتون از هم جدا می شوند. پس از ورود اکسیژن به کاتد و ورود هیدروژن به آند، یک واکنش شیمیایی آغاز می شود که در نتیجه گرما، جریان و آب ایجاد می شود.

بر روی کاتالیزور آند تجزیه می شود که منجر به از دست دادن الکترون می شود. یون های هیدروژن از طریق الکترولیت وارد کاتد می شوند و در همان زمان الکترون ها از قسمت بیرونی عبور می کنند. شبکه برقو ایجاد جریان مستقیم، که برای تغذیه تجهیزات استفاده می شود. یک مولکول اکسیژن روی کاتالیزور کاتدی با یک الکترون و یک پروتون ورودی ترکیب می شود و در نهایت آب را تشکیل می دهد که تنها محصول واکنش است.

انواع

انتخاب نوع خاصی از پیل سوختی به کاربرد آن بستگی دارد. تمام سلول های سوختی به دو دسته اصلی تقسیم می شوند - درجه حرارت بالا و دمای پایین. دومی از هیدروژن خالص به عنوان سوخت استفاده می کند. چنین دستگاه هایی معمولاً نیازمند پردازش سوخت اولیه به هیدروژن خالص هستند. این فرآیند با استفاده از تجهیزات ویژه انجام می شود.

پیل های سوختی با دمای بالا به این نیاز ندارند زیرا سوخت را در آن تبدیل می کنند دماهای بالا، که نیاز به ایجاد زیرساخت هیدروژنی را از بین می برد.

اصل عملکرد پیل های سوختی هیدروژنی مبتنی بر تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی بدون فرآیندهای احتراق بی اثر و تبدیل انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی است.

مفاهیم کلی

پیل‌های سوختی هیدروژنی دستگاه‌های الکتروشیمیایی هستند که از طریق احتراق "سرد" بسیار کارآمد سوخت، الکتریسیته تولید می‌کنند. انواع مختلفی از این دستگاه ها وجود دارد. امیدوارکننده ترین فناوری سلول های سوختی هیدروژن-هوا مجهز به غشای تبادل پروتون PEMFC در نظر گرفته می شود.

غشای پلیمری رسانای پروتون برای جداسازی دو الکترود - کاتد و آند - طراحی شده است. هر یک از آنها توسط یک ماتریس کربن با یک کاتالیزور بر روی آن نشان داده شده است. بر روی کاتالیزور آند تجزیه می شود و الکترون می دهد. کاتیون ها از طریق غشاء به کاتد هدایت می شوند، اما الکترون ها به مدار خارجی منتقل می شوند زیرا غشاء برای انتقال الکترون طراحی نشده است.

یک مولکول اکسیژن روی کاتالیزور کاتدی با یک الکترون از مدار الکتریکی و یک پروتون ورودی ترکیب می شود و در نهایت آب را تشکیل می دهد که تنها محصول واکنش است.

از پیل های سوختی هیدروژنی برای ساخت واحدهای غشایی-الکترودی استفاده می شود که به عنوان عناصر اصلی تولید کننده سیستم انرژی عمل می کنند.

مزایای پیل های سوختی هیدروژنی

از جمله آنها عبارتند از:

• افزایش ظرفیت گرمایی ویژه
• محدوده دمای عملیاتی گسترده
• بدون لرزش، صدا یا لکه حرارتی.
• قابلیت اطمینان شروع سرد
• بدون تخلیه خود، که ذخیره انرژی طولانی مدت را تضمین می کند.
• استقلال نامحدود به لطف قابلیت تنظیم شدت انرژی با تغییر تعداد کارتریج های سوخت.
• ارائه تقریباً هر شدت انرژی با تغییر ظرفیت ذخیره سازی هیدروژن.
• عمر طولانی.
• عملکرد بی صدا و سازگار با محیط زیست.
• سطح بالاشدت انرژی.
• تحمل ناخالصی های خارجی در هیدروژن.

منطقه برنامه

پیل های سوختی هیدروژنی به دلیل کارایی بالا در زمینه های مختلفی استفاده می شوند:

• شارژرهای قابل حمل
• سیستم های تامین برق پهپادها
• منابع تغذیه بدون وقفه.
• سایر دستگاه ها و تجهیزات.

چشم انداز انرژی هیدروژن

استفاده گسترده از سلول های سوختی پراکسید هیدروژن تنها پس از ایجاد امکان پذیر خواهد بود راه موثربدست آوردن هیدروژن ایده‌های جدیدی برای استفاده فعال از این فناوری مورد نیاز است و امید زیادی به مفهوم سلول‌های سوخت زیستی و فناوری نانو است. برخی از شرکت ها نسبتاً اخیراً کاتالیزورهای مؤثری را بر اساس فلزات مختلف منتشر کرده اند ، در عین حال اطلاعاتی در مورد ایجاد سلول های سوختی بدون غشاء ظاهر شده است که امکان کاهش قابل توجه هزینه های تولید و ساده سازی طراحی چنین دستگاه هایی را فراهم کرده است. مزایا و ویژگی های پیل های سوختی هیدروژنی از ضرر اصلی آنها - هزینه بالا، به ویژه در مقایسه با دستگاه های هیدروکربنی - بیشتر نیست. ایجاد یک نیروگاه هیدروژنی حداقل به 500 هزار دلار نیاز دارد.

چگونه یک پیل سوختی هیدروژنی را مونتاژ کنیم؟

پیل سوختی نیست قدرت بالاشما می توانید آن را خودتان در یک آزمایشگاه معمولی خانه یا مدرسه ایجاد کنید. مواد مورد استفاده عبارتند از یک ماسک گاز قدیمی، قطعات پلکسی گلاس، محلول آبی اتیل الکل و قلیایی.

بدنه یک پیل سوختی هیدروژنی با دستان خود از پلکسی گلاس با ضخامت حداقل پنج میلی متر ساخته شده است. پارتیشن های بین محفظه ها می توانند نازک تر باشند - حدود 3 میلی متر. پلکسی گلاس با چسب مخصوص ساخته شده از کلروفرم یا دی کلرواتان و براده های پلکسی گلاس به هم چسبانده می شود. تمام کارها فقط با کارکرد هود انجام می شود.

سوراخی به قطر 5-6 سانتی متر در دیواره بیرونی محفظه حفر می شود که در آن یک درپوش لاستیکی و یک لوله تخلیه شیشه ای وارد می شود. کربن فعالاز ماسک گاز به قسمت دوم و چهارم محفظه پیل سوختی ریخته می شود - از آن به عنوان الکترود استفاده می شود.

سوخت در اولین محفظه گردش می کند، در حالی که اتاق پنجم پر از هوا است که از آن اکسیژن تامین می شود. الکترولیت که بین الکترودها ریخته می شود با محلول پارافین و بنزین آغشته می شود تا از ورود آن به محفظه هوا جلوگیری کند. صفحات مسی با سیم های لحیم شده به آنها روی لایه زغال سنگ قرار می گیرند که از طریق آن جریان تخلیه می شود.

پیل سوختی هیدروژنی مونتاژ شده با ودکای رقیق شده با آب به نسبت 1:1 شارژ می شود. پتاسیم کاستیک با دقت به مخلوط حاصل اضافه می شود: 70 گرم پتاسیم در 200 گرم آب حل می شود.

قبل از آزمایش پیل سوختی هیدروژنی، سوخت در محفظه اول و الکترولیت در محفظه سوم ریخته می شود. قرائت یک ولت متر متصل به الکترودها باید از 0.7 تا 0.9 ولت متغیر باشد. برای اطمینان از عملکرد مداوم عنصر، سوخت مصرف شده باید حذف شود و سوخت جدید باید از طریق یک لوله لاستیکی ریخته شود. با فشردن لوله، میزان عرضه سوخت تنظیم می شود. چنین سلول های سوختی هیدروژنی که در خانه مونتاژ می شوند، قدرت کمی دارند.

خیلی زود (به طور دقیق تر، در آغاز ماجراجویی جذاب خود)، شخصیت اصلی به پناهگاه Forerunner که بسیار نزدیک به سرزمین های قبیله نورا قرار دارد، برخورد می کند. در داخل این پناهگاه باستانی، پشت دری قدرتمند و با تکنولوژی بالا، زره هایی وجود خواهد داشت که از دور نه تنها مناسب، بلکه بسیار جذاب به نظر می رسند. این زره «Shield Weaver» نام دارد و در واقع بهترین تجهیزات بازی است. بنابراین، بلافاصله سؤالات زیادی مطرح می شود: "چگونه زره شیلد ویور را پیدا و به دست آوریم؟"، "از کجا سوخت پیدا کنیم؟"، "چگونه درهای پناهگاه را باز کنیم؟" و بسیاری سوالات دیگر مرتبط با همین موضوع. بنابراین، برای باز کردن درهای پناهگاه و به دست آوردن زره مورد علاقه، باید پنج سلول سوختی را پیدا کنید که به نوبه خود در سراسر جهان بازی پراکنده خواهند شد. در زیر به شما خواهم گفت که کجا و چگونه پیل های سوختی را برای حل پازل در حین جستجو و در زرادخانه باستانی پیدا کنید.

: راهنمای ارائه شده نه تنها دارای متن کامل است، بلکه تصاویری نیز به هر پیل سوختی متصل شده است و در پایان یک ویدیو وجود دارد. همه اینها به منظور تسهیل جستجوی شما ایجاد شده است، بنابراین اگر نقطه ای در متن مشخص نیست، توصیه می کنم تصاویر و ویدیو را تماشا کنید.

. سوخت اول - "قلب مادر"

کجا و چگونه اولین پیل سوختی - محل سوخت را پیدا کنیم.

بنابراین، آلوی قادر خواهد بود اولین پیل سوختی (یا به عبارت ساده تر، سوخت) را مدت ها قبل از ورود به جهان پیدا کند. جهان بازدر تکلیف "رحم مادر". نکته این است که پس از انجام وظیفه "Initiation" (که اتفاقاً به داستان نیز مربوط می شود) شخصیت اصلی خود را در مکانی به نام "قلب مادر" می یابد که مکانی مقدس برای قبیله نورا و اقامتگاه ماتریارک ها

به محض اینکه دختر از رختخواب خارج شد ، به طور متوالی از چندین اتاق (اتاق) عبور کنید ، جایی که در یکی از آنها با درب مهر و موم شده ای روبرو می شوید که به سادگی نمی توانید آن را باز کنید. در این لحظه ، اکیداً توصیه می کنم به اطراف نگاه کنید ، زیرا در کنار قهرمان (یا نزدیک درها - هر کدام راحت تر است) یک شفت تهویه وجود دارد که با شمع های سوزان تزئین شده است (به طور کلی ، اینجا جایی است که باید بروید) .

پس از عبور از قسمت معینی از مسیر در امتداد شفت تهویه، قهرمان خود را پشت یک در قفل شده پیدا می کند. به کف کنار بلوک دیوار و شمع های با هدف مرموز نگاه کنید - اولین سلول سوختی در این مکان قرار دارد.

: حتماً به خاطر داشته باشید که اگر قبل از ورود به دنیای باز اولین پیل سوختی را برنمی‌دارید، پس از آن فقط در مراحل بعدی گذر می‌توانید به این مکان برسید. اما برای دقیق تر، پس از انجام ماموریت "قلب نورا"، بنابراین توصیه می کنم همین الان سوخت را بردارید.

. سوخت دوم - "ویرانه"

کجا و چگونه می توان دومین پیل سوختی - محل سوخت را پیدا کرد.

اولین چیزی که هنگام جستجوی سوخت دوم باید بدانید: شخصیت اصلی قبلاً در این مکان بود که مدت ها پیش در کودکی (در همان ابتدای بازی) به خرابه سقوط کرد. بنابراین پس از انجام وظیفه "Initiation"، باید دوران کودکی عمیق خود را به یاد بیاورید و یک بار دیگر برای دریافت سلول سوختی دوم به این مکان بروید.

در زیر چندین تصویر (اسکرین شات) وجود دارد. تصویر اول ورودی خرابه ها (به رنگ قرمز) را نشان می دهد. در داخل خرابه ها باید به سطح اول برسید - این قسمت پایین سمت راست است که برجسته می شود رنگ بنفشروی نقشه. علاوه بر این، دری نیز وجود خواهد داشت که دختر می تواند با نیزه خود آن را باز کند.

به محض اینکه آلوی از درها عبور کرد، از پله ها بالا بروید و در اولین فرصت به سمت راست بپیچید: آلوی در جوانی عمیق خود نمی توانست از میان استالاکتیت ها بخزد، اما اکنون "اسباب بازی" های مفیدی دارد که می تواند با هر کاری کنار بیاید. . بنابراین، نیزه خود را بیرون بیاورید و از آن برای شکستن استالاکتیت ها استفاده کنید. به زودی مسیر روشن خواهد شد، بنابراین تنها چیزی که باقی می‌ماند این است که پیل سوختی را که روی میز قرار دارد بردارید و به سراغ پیل بعدی بروید. اگر هر لحظه از قسمت مشخص نیست، تصاویر به ترتیب در زیر پیوست می شوند.

. سوخت سوم - "محدودیت استاد"

کجا و چگونه می توان سومین پیل سوختی - محل سوخت را پیدا کرد.

وقت رفتن به شمال است. در طول تلاش "Master's Limit"، آلوی باید خرابه های غول پیکر Forerunners را به دقت کاوش و مطالعه کند. بنابراین در این خرابه های سطح دوازدهم سلول سوختی بعدی و سوم پنهان خواهد شد.

بنابراین، شما باید نه تنها به سطح بالایی این خرابه ها صعود کنید، بلکه کمی بالاتر از آنجا نیز صعود کنید. زمان گرانبها را هدر ندهید و در امتداد قسمت باقیمانده از ساختمان بالاتر بروید. بالا بروید تا زمانی که خود را بر روی سکوی کوچکی بیابید که به روی همه بادها باز است. سپس همه چیز ساده است، زیرا در بالا عنصر سوم سوخت وجود خواهد داشت: بدون پازل، بدون معما یا راز. بنابراین سوخت را بردارید، پایین بروید و ادامه دهید.

. سوخت چهارم - "گنج مرگ"

کجا و چگونه می توان چهارمین پیل سوختی - محل سوخت را پیدا کرد.

خبر خوب این است که این پیل سوختی نیز در قسمت شمالی نقشه Horizon: Zero Dawn قرار دارد، اما کمی به سرزمین های قبیله نورا نزدیکتر است. شخصیت اصلی دوباره در طول ماموریت داستانی بعدی خود را در این قسمت از نقشه خواهد یافت. اما قبل از رسیدن به پیل سوختی ماقبل آخر، Aloy باید منبع تغذیه درب مهر و موم شده را که در سطح سوم محل قرار دارد، بازگرداند. علاوه بر این، برای انجام این کار باید یک پازل کوچک و نه خیلی پیچیده را حل کنید. این پازل شامل بلوک‌ها و تنظیم‌کننده‌ها می‌شود (دو بلوک از چهار رگولاتور در سطح زیر درها وجود دارد). بنابراین، برای شروع، توصیه می کنم با بلوک چپ تنظیم کننده ها برخورد کنید: تنظیم کننده اول باید به سمت بالا بلند شود (نگاه کنید)، دومی - به راست، سومی - به سمت چپ، چهارمی - پایین.

پس از آن، به بلوک سمت راست بروید. به دو رگولاتور اول دست نزنید، اما رگولاتور سوم و چهارم باید خاموش شوند. بنابراین، یک سطح بالا بروید - اینجا آخرین بلوک تنظیم کننده است. ترتیب صحیح این خواهد بود: 1 - بالا، 2 - پایین، 3 - چپ، 4 - راست.

هنگامی که همه چیز را به درستی انجام دادید، رنگ کنترل ها از سفید به فیروزه ای تغییر می کند. بنابراین منبع تغذیه مجدداً برقرار خواهد شد. بنابراین، به درها برگردید و آن را باز کنید. در خارج از درها، پیل سوختی ماقبل آخری از قهرمان استقبال می کند، بنابراین او می تواند به سراغ سوخت بعدی و آخری برود.

. سوخت پنجم - "GAIA Prime"

کجا و چگونه می توان پنجمین پیل سوختی - محل سوخت را پیدا کرد.

بالاخره آخرین پیل سوختی. و باز هم فقط در طول گذر از خط داستانی به دست می آید. این بار شخصیت اصلی باید به خرابه هایی به نام "GAIA Prime" برود. در این مرحله توجه لازم است توجه ویژه، زمانی که خود را نزدیک سطح سوم می بینید. نکته این است که در یک لحظه دختر با پرتگاه جذابی روبرو می شود که می تواند با استفاده از طناب در آن فرود آید، اگرچه نباید به آنجا برود.

قبل از پرتگاه، باید به سمت چپ بپیچید و ابتدا یک غار پنهان از دید را کشف کنید: اگر با دقت از دامنه کوه پایین بروید، می توانید وارد آن شوید. به داخل بروید و سپس تا انتها به جلو حرکت کنید. در آخرین اتاق در اتاق سمت راست قفسه ای وجود دارد که در نهایت آخرین پیل سوختی روی آن قرار می گیرد. به همراه او، اکنون می توانید با خیال راحت به پناهگاه بازگردید و تمام قفل ها را باز کنید تا تجهیزات مجلل به دست آورید.

. چگونه وارد آرسنال باستان شویم؟

خوب، اکنون تنها چیزی که باقی می ماند بازگشت به آرسنال باستانی برای دریافت پاداش مورد انتظار است. اگر راهروهای زرادخانه را به خاطر ندارید، به تصاویر زیر نگاه کنید، که به شما کمک می کند کل مسیر را به خاطر بسپارید.

وقتی به مکان درستو به پایین بروید، سلول های سوختی را در سلول های خالی قرار دهید. این باعث روشن شدن رگولاتورها می‌شود، بنابراین یک معمای جدید برای باز کردن درها وجود دارد. بنابراین، اولین تنظیم کننده باید به سمت بالا هدایت شود، دومی به سمت راست، سومی به پایین، چهارمی به سمت چپ، پنجمی به بالا. هنگامی که همه کارها را به درستی انجام دادید، درها باز می شوند، اما هنوز به پایان نرسیده است.

بعد باید قفل (یا بست) زره را باز کنید - این یک پازل ساده دیگر مربوط به تنظیم کننده ها است که در آن باید از سلول های سوختی باقی مانده استفاده کنید. دستگیره اول باید به سمت راست، دومی به چپ، سومی به بالا، چهارمی به راست، پنجمی دوباره به سمت چپ چرخانده شود.

بالاخره بعد از این همه عذاب طولانی، گرفتن زره امکان پذیر خواهد بود. "Shield Weaver" یک وسیله بسیار خوب است که شخصیت اصلی را برای مدتی عملاً آسیب ناپذیر می کند. مهمترین چیز این است که به طور مداوم رنگ زره را زیر نظر داشته باشید: اگر زره سفید سوسو بزند، همه چیز مرتب است. اگر قرمز باشد، سپر از بین رفته است.

بوم شناسی دانش علم و فناوری: انرژی هیدروژنی یکی از صنایع بسیار کارآمد است و سلول های سوختی به آن اجازه می دهند در خط مقدم فناوری های نوآورانه باقی بماند.

پیل سوختی وسیله ای است که به طور موثر جریان مستقیم و گرما را از سوخت غنی از هیدروژن از طریق یک واکنش الکتروشیمیایی تولید می کند.

پیل سوختی شبیه باتری است که از طریق یک واکنش شیمیایی جریان مستقیم تولید می کند. باز هم مانند باتری، پیل سوختی شامل یک آند، یک کاتد و یک الکترولیت است. با این حال، برخلاف باتری‌ها، پیل‌های سوختی نمی‌توانند انرژی الکتریکی را ذخیره کنند و برای شارژ مجدد نیازی به تخلیه یا برق ندارند. پیل های سوختی تا زمانی که منبع سوخت و هوا داشته باشند می توانند به طور مداوم برق تولید کنند. اصطلاح صحیح برای توصیف یک پیل سوختی کارآمد، سیستمی از سلول ها است، زیرا برای عملکرد صحیح به برخی از سیستم های کمکی نیاز دارد.

برخلاف سایر مولدهای برق مانند موتورها احتراق داخلییا توربین هایی که روی گاز، زغال سنگ، نفت کوره و غیره کار می کنند، پیل های سوختی سوخت نمی سوزانند. این بدان معناست که روتورهای پرفشار پر سر و صدا، صدای بلند اگزوز، بدون لرزش. پیل های سوختی از طریق یک واکنش الکتروشیمیایی بی صدا الکتریسیته تولید می کنند. یکی دیگر از ویژگی های پیل های سوختی این است که انرژی شیمیایی سوخت را مستقیماً به برق، گرما و آب تبدیل می کنند.

پیل های سوختی کارایی بالایی دارند و مقادیر زیادی گازهای گلخانه ای مانند دی اکسید کربن، متان و اکسید نیتروژن تولید نمی کنند. تنها انتشار گازهای گلخانه ای آب به شکل بخار و مقدار کمی دی اکسید کربن است که در صورت استفاده از هیدروژن خالص به عنوان سوخت، به هیچ وجه آزاد نمی شود. سلول های سوختی در مجموعه ها و سپس به ماژول های عملکردی منفرد مونتاژ می شوند.

اصل عملکرد پیل های سوختی

پیل های سوختی از طریق یک واکنش الکتروشیمیایی با استفاده از الکترولیت، کاتد و آند، الکتریسیته و گرما تولید می کنند.

آند و کاتد توسط یک الکترولیت که پروتون ها را هدایت می کند از هم جدا می شوند. پس از رسیدن هیدروژن به آند و اکسیژن به کاتد، یک واکنش شیمیایی آغاز می شود که در نتیجه آن برق، گرما و آب. در کاتالیزور آند، هیدروژن مولکولی تجزیه می شود و الکترون ها را از دست می دهد. یون‌های هیدروژن (پروتون‌ها) از طریق الکترولیت به کاتد هدایت می‌شوند، در حالی که الکترون‌ها از الکترولیت عبور می‌کنند و از طریق یک مدار الکتریکی خارجی حرکت می‌کنند و جریان مستقیمی را ایجاد می‌کنند که می‌تواند برای تغذیه تجهیزات استفاده شود. در کاتالیزور کاتد، یک مولکول اکسیژن با یک الکترون (که از ارتباطات خارجی تامین می شود) و یک پروتون ورودی ترکیب می شود و آب را تشکیل می دهد که تنها محصول واکنش (به شکل بخار و/یا مایع) است.

در زیر واکنش مربوطه نشان داده شده است:

واکنش در آند: 2H2 => 4H+ + 4e-
واکنش در کاتد: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
واکنش کلی عنصر: 2H2 + O2 => 2H2O

انواع پیل سوختی

همانطور که انواع مختلفی از موتورهای احتراق داخلی وجود دارد، وجود دارد انواع مختلفپیل سوختی – انتخاب نوع مناسب پیل سوختی به کاربرد آن بستگی دارد.پیل های سوختی به دو دسته دمای بالا و دمای پایین تقسیم می شوند. پیل های سوختی دمای پایین به هیدروژن نسبتا خالص به عنوان سوخت نیاز دارند.

این اغلب به این معنی است که برای تبدیل سوخت اولیه (مانند گاز طبیعی) به هیدروژن خالص، پردازش سوخت مورد نیاز است. این فرآیند مصرف می کند انرژی اضافیو نیاز به تجهیزات خاصی دارد. پیل‌های سوختی با دمای بالا به این روش اضافی نیاز ندارند، زیرا می‌توانند سوخت را در دماهای بالا تبدیل داخلی کنند، به این معنی که نیازی به سرمایه‌گذاری در زیرساخت هیدروژن نیست.

سلول های سوختی کربنات مذاب (MCFC).

پیل‌های سوختی الکترولیت کربنات مذاب، پیل‌های سوختی با دمای بالا هستند. دمای عملیاتی بالا امکان استفاده مستقیم از گاز طبیعی بدون پردازنده سوخت و گاز کم سوخت را فراهم می کند ارزش حرارتیسوخت های حاصل از فرآیندهای تولید و سایر منابع. این فرآیند در اواسط دهه 1960 توسعه یافت. از آن زمان، فناوری تولید، عملکرد و قابلیت اطمینان بهبود یافته است.

عملکرد RCFC با سایر پیل های سوختی متفاوت است. این سلول ها از الکترولیت ساخته شده از مخلوط نمک های کربنات مذاب استفاده می کنند. در حال حاضر از دو نوع مخلوط استفاده می شود: کربنات لیتیوم و کربنات پتاسیم یا کربنات لیتیوم و کربنات سدیم. برای ذوب نمک های کربنات و دستیابی به درجه بالایی از تحرک یون در الکترولیت، سلول های سوختی با الکترولیت کربنات مذاب در دمای بالا (650 درجه سانتیگراد) کار می کنند. راندمان بین 60-80 درصد متغیر است.

هنگامی که تا دمای 650 درجه سانتیگراد گرم می شود، نمک ها به رسانایی برای یون های کربنات (CO32-) تبدیل می شوند. این یون ها از کاتد به آند عبور می کنند و در آنجا با هیدروژن ترکیب می شوند و آب، دی اکسید کربن و الکترون های آزاد را تشکیل می دهند. این الکترون ها از طریق یک مدار الکتریکی خارجی به کاتد فرستاده می شوند و جریان الکتریکی و گرما را به عنوان محصول جانبی تولید می کنند.

واکنش در آند: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
واکنش در کاتد: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
واکنش کلی عنصر: H2 (g) + 1/2O2 (g) + CO2 (کاتد) => H2O (g) + CO2 (آند)

دمای بالای عملکرد پیل های سوختی الکترولیت کربنات مذاب دارای مزایای خاصی است. در دماهای بالا، اصلاح داخلی رخ می دهد گاز طبیعی، از بین بردن نیاز به پردازنده سوخت. علاوه بر این، از مزایای آن می توان به قابلیت استفاده از مصالح ساختمانی استاندارد مانند ورق فلز اشاره کرد فولاد ضد زنگو کاتالیزور نیکل روی الکترودها. گرمای هدر رفته را می توان برای تولید بخار با فشار بالا برای اهداف مختلف صنعتی و تجاری استفاده کرد.

دمای واکنش بالا در الکترولیت نیز مزایای خود را دارد. استفاده از دماهای بالا به زمان قابل توجهی برای دستیابی به شرایط عملیاتی بهینه نیاز دارد و سیستم به تغییرات مصرف انرژی کندتر پاسخ می دهد. این ویژگی ها امکان استفاده از تاسیسات پیل سوختی با الکترولیت کربنات مذاب را در شرایط توان ثابت می دهد. دمای بالا از آسیب دیدن پیل سوختی توسط مونوکسید کربن، "مسمومیت" و غیره جلوگیری می کند.

پیل های سوختی با الکترولیت کربنات مذاب برای استفاده در تاسیسات ثابت بزرگ مناسب هستند. نیروگاه های حرارتی با توان خروجی الکتریکی 2.8 مگاوات به صورت تجاری تولید می شوند. تاسیسات با توان خروجی تا 100 مگاوات در حال توسعه هستند.

پیل های سوختی اسید فسفریک (PAFC).

پیل های سوختی اسید فسفریک (ارتوفسفریک) اولین پیل های سوختی برای استفاده تجاری بودند. این فرآیند در اواسط دهه 1960 توسعه یافت و از دهه 1970 مورد آزمایش قرار گرفت. از آن زمان، ثبات و عملکرد افزایش یافته و هزینه کاهش یافته است.

پیل های سوختی اسید فسفریک (ارتوفسفریک) از الکترولیت مبتنی بر اسید ارتوفسفریک (H3PO4) در غلظت های تا 100٪ استفاده می کنند. رسانایی یونی اسید فسفریک در دماهای پایین کم است، به همین دلیل این پیل های سوختی در دماهای 150 تا 220 درجه سانتی گراد استفاده می شوند.

حامل بار در پیل های سوختی از این نوع هیدروژن (H+، پروتون) است. فرآیند مشابهی در سلول‌های سوختی غشای تبادل پروتون (PEMFC) رخ می‌دهد که در آن هیدروژن عرضه شده به آند به پروتون و الکترون تقسیم می‌شود. پروتون ها از طریق الکترولیت حرکت می کنند و با اکسیژن هوا در کاتد ترکیب می شوند و آب را تشکیل می دهند. الکترون ها از طریق یک مدار الکتریکی خارجی فرستاده می شوند و در نتیجه جریان الکتریکی ایجاد می کنند. در زیر واکنش هایی وجود دارد که جریان الکتریکی و گرما تولید می کنند.

واکنش در آند: 2H2 => 4H+ + 4e-
واکنش در کاتد: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
واکنش کلی عنصر: 2H2 + O2 => 2H2O

راندمان پیل های سوختی مبتنی بر اسید فسفریک (ارتوفسفریک) در هنگام تولید انرژی الکتریکی بیش از 40 درصد است. با تولید ترکیبی گرما و برق، راندمان کلی حدود 85٪ است. علاوه بر این، با توجه به دمای عملیاتی، گرمای اتلاف را می توان برای گرم کردن آب و تولید بخار فشار اتمسفر استفاده کرد.

عملکرد بالای نیروگاه های حرارتی با استفاده از پیل های سوختی بر پایه اسید فسفریک (ارتوفسفریک) در تولید ترکیبی انرژی حرارتی و الکتریکی از مزایای این نوع پیل های سوختی است. این واحدها از مونوکسید کربن با غلظت حدود 1.5 درصد استفاده می کنند که به طور قابل توجهی انتخاب سوخت را افزایش می دهد. علاوه بر این، CO2 بر الکترولیت و عملکرد پیل سوختی تأثیر نمی گذارد؛ این نوع پیل با سوخت طبیعی اصلاح شده کار می کند. طراحی سادهدرجه پایین فرار الکترولیت و افزایش پایداری نیز از مزایای این نوع پیل سوختی است.

نیروگاه های حرارتی با توان خروجی الکتریکی تا 400 کیلووات به صورت تجاری تولید می شوند. تاسیسات 11 مگاواتی تست های مناسب را پشت سر گذاشته اند. تاسیسات با توان خروجی تا 100 مگاوات در حال توسعه هستند.

سلول های سوختی غشای تبادل پروتون (PEMFCs)

پیل های سوختی غشای تبادل پروتون بهترین نوع پیل سوختی برای تولید برق در نظر گرفته می شوند وسیله نقلیه، که می تواند جایگزین موتورهای احتراق داخلی بنزینی و دیزلی شود. این سلول های سوختی اولین بار توسط ناسا برای برنامه جمینی استفاده شد. امروزه تاسیسات MOPFC با توان 1 وات تا 2 کیلو وات در حال توسعه و نمایش هستند.

این پیل‌های سوختی از یک غشای پلیمری جامد (یک لایه پلاستیکی نازک) به عنوان الکترولیت استفاده می‌کنند. وقتی این پلیمر با آب اشباع می شود، به پروتون ها اجازه عبور می دهد اما الکترون ها را هدایت نمی کند.

سوخت هیدروژن است و حامل بار یک یون هیدروژن (پروتون) است. در آند، مولکول هیدروژن به یک یون هیدروژن (پروتون) و الکترون تقسیم می شود. یون های هیدروژن از طریق الکترولیت به کاتد می گذرد و الکترون ها در اطراف دایره بیرونی حرکت می کنند و انرژی الکتریکی تولید می کنند. اکسیژنی که از هوا گرفته می شود به کاتد می رسد و با الکترون ها و یون های هیدروژن ترکیب می شود و آب را تشکیل می دهد. واکنش های زیر در الکترودها رخ می دهد:

واکنش در آند: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
واکنش در کاتد: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
واکنش کلی عنصر: 2H2 + O2 => 2H2O

در مقایسه با انواع دیگر پیل‌های سوختی، سلول‌های سوختی غشای تبادل پروتون انرژی بیشتری برای حجم یا وزن پیل سوختی معین تولید می‌کنند. این ویژگی باعث می شود تا آنها جمع و جور و سبک باشند. علاوه بر این، دمای کار کمتر از 100 درجه سانتیگراد است که به شما اجازه می دهد تا به سرعت کار را شروع کنید. این ویژگی‌ها و همچنین توانایی تغییر سریع انرژی خروجی، تنها برخی از ویژگی‌هایی است که این سلول‌های سوختی را به کاندیدای اصلی برای استفاده در وسایل نقلیه تبدیل می‌کند.

مزیت دیگر این است که الکترولیت جامد است تا مایع. نگهداری گازها در کاتد و آند با استفاده از الکترولیت جامد آسان تر است و بنابراین تولید چنین پیل های سوختی ارزان تر است. در مقایسه با سایر الکترولیت ها، هنگام استفاده از الکترولیت جامد، هیچ مشکلی مانند جهت گیری، مشکلات کمتربه دلیل وقوع خوردگی که منجر به دوام بیشتر عنصر و اجزای آن می شود.

سلول های سوختی اکسید جامد (SOFC)

پیل های سوختی اکسید جامد بالاترین دمای عملیاتی پیل های سوختی هستند. دمای عملیاتی می تواند از 600 درجه سانتیگراد تا 1000 درجه سانتیگراد متغیر باشد که امکان استفاده از انواع مختلف سوخت را بدون پیش تصفیه خاص فراهم می کند. برای کنترل چنین دماهای بالایی، الکترولیت مورد استفاده یک اکسید فلزی جامد نازک روی یک پایه سرامیکی است که اغلب آلیاژی از ایتریم و زیرکونیوم است که رسانای یون‌های اکسیژن (O2-) است. فناوری پیل سوختی اکسید جامد از اواخر دهه 1950 در حال توسعه بوده است. و دارای دو پیکربندی مسطح و لوله ای است.

الکترولیت جامد انتقال مهر و موم شده گاز از یک الکترود به الکترود دیگر را فراهم می کند، در حالی که الکترولیت های مایع در یک بستر متخلخل قرار دارند. حامل بار در پیل های سوختی از این نوع، یون اکسیژن (O2-) است. در کاتد، مولکول های اکسیژن هوا به یک یون اکسیژن و چهار الکترون جدا می شوند. یون های اکسیژن از الکترولیت عبور می کنند و با هیدروژن ترکیب می شوند و چهار الکترون آزاد ایجاد می کنند. الکترون ها از طریق یک مدار الکتریکی خارجی فرستاده می شوند و جریان الکتریکی تولید می کنند و گرمای هدر می دهند.

واکنش در آند: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
واکنش در کاتد: O2 + 4e- => 2O2-
واکنش کلی عنصر: 2H2 + O2 => 2H2O

راندمان انرژی الکتریکی تولید شده در بین تمام سلول های سوختی بالاترین است - حدود 60٪. علاوه بر این، دمای عملیاتی بالا امکان تولید ترکیبی انرژی حرارتی و الکتریکی را برای تولید بخار با فشار بالا فراهم می کند. ترکیب پیل سوختی با دمای بالا با توربین، ایجاد یک پیل سوختی هیبریدی را ممکن می سازد تا بازده تولید انرژی الکتریکی را تا 70 درصد افزایش دهد.

پیل‌های سوختی اکسید جامد در دماهای بسیار بالا (600 تا 1000 درجه سانتی‌گراد) کار می‌کنند و در نتیجه زمان قابل‌توجهی برای رسیدن به شرایط عملیاتی بهینه و واکنش کندتر سیستم به تغییرات مصرف انرژی می‌گذرد. در چنین دماهای عملیاتی بالا، هیچ مبدلی برای بازیابی هیدروژن از سوخت مورد نیاز نیست و به نیروگاه حرارتی اجازه می دهد تا با سوخت های نسبتا ناخالص ناشی از تبدیل به گاز زغال سنگ یا گازهای زائد و غیره کار کند. پیل سوختی همچنین برای کاربردهای با قدرت بالا، از جمله نیروگاه های صنعتی و بزرگ مرکزی بسیار عالی است. ماژول هایی با توان خروجی الکتریکی 100 کیلووات به صورت تجاری تولید می شوند.

پیل های سوختی اکسیداسیون مستقیم متانول (DOMFC)

فن آوری استفاده از سلول های سوختی با اکسیداسیون مستقیم متانول در حال گذراندن دوره ای از توسعه فعال است. او با موفقیت خود را در زمینه تغذیه تثبیت کرده است تلفن های همراه، لپ تاپ ها و همچنین برای ایجاد منابع قابل حمل برق. این همان چیزی است که هدف استفاده آینده از این عناصر است.

طراحی پیل‌های سوختی با اکسیداسیون مستقیم متانول شبیه پیل‌های سوختی با غشای تبادل پروتون (MEPFC) است. پلیمر به عنوان الکترولیت و یون هیدروژن (پروتون) به عنوان حامل بار استفاده می شود. با این حال، متانول مایع (CH3OH) در حضور آب در آند اکسید می‌شود و CO2، یون‌های هیدروژن و الکترون‌ها را آزاد می‌کند که از طریق یک مدار الکتریکی خارجی فرستاده می‌شوند و در نتیجه جریان الکتریکی ایجاد می‌شود. یون‌های هیدروژن از الکترولیت عبور می‌کنند و با اکسیژن هوا و الکترون‌های مدار خارجی واکنش می‌دهند تا آب را در آند تشکیل دهند.

واکنش در آند: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
واکنش در کاتد: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
واکنش کلی عنصر: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

توسعه این پیل های سوختی در اوایل دهه 1990 آغاز شد. با توسعه کاتالیزورهای بهبود یافته و سایر نوآوری های اخیر، تجمع قدرت، تراکم قدرتو راندمان تا 40 درصد.

این عناصر در محدوده دمایی 50-120 درجه سانتیگراد آزمایش شدند. به دلیل دمای پایین عملیاتی و عدم نیاز به مبدل، پیل‌های سوختی اکسیداسیون متانول مستقیم هستند بهترین نامزدبرای استفاده در تلفن های همراه و سایر کالاهای مصرفی و همچنین در موتورهای خودرو. مزیت این نوع پیل های سوختی اندازه کوچک آنها به دلیل استفاده از سوخت مایع و عدم نیاز به استفاده از مبدل می باشد.

سلول های سوختی قلیایی (ALFC)

پیل‌های سوختی قلیایی (AFC) یکی از فناوری‌های مورد مطالعه است که از اواسط دهه 1960 استفاده شده است. توسط ناسا در برنامه های آپولو و شاتل فضایی. در این فضاپیما، سلول های سوختی انرژی الکتریکی و آب آشامیدنی تولید می کنند. پیل‌های سوختی قلیایی یکی از کارآمدترین پیل‌هایی هستند که برای تولید برق مورد استفاده قرار می‌گیرند و راندمان تولید برق تا 70 درصد می‌رسد.

پیل های سوختی قلیایی از یک الکترولیت، محلول آبی هیدروکسید پتاسیم، که در یک ماتریکس متخلخل و تثبیت شده موجود است، استفاده می کنند. غلظت هیدروکسید پتاسیم ممکن است بسته به دمای عملکرد پیل سوختی متفاوت باشد که از 65 درجه سانتیگراد تا 220 درجه سانتیگراد متغیر است. حامل بار در SHTE یون هیدروکسیل (OH-) است که از کاتد به آند حرکت می کند و در آنجا با هیدروژن واکنش می دهد و آب و الکترون تولید می کند. آب تولید شده در آند به کاتد باز می گردد و دوباره در آنجا یون های هیدروکسیل تولید می کند. در نتیجه این سلسله واکنش هایی که در پیل سوختی انجام می شود، الکتریسیته و به عنوان یک محصول جانبی، گرما تولید می شود:

واکنش در آند: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
واکنش در کاتد: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
واکنش عمومی سیستم: 2H2 + O2 => 2H2O

مزیت SHTE این است که این پیل‌های سوختی ارزان‌ترین تولید هستند، زیرا کاتالیزور مورد نیاز روی الکترودها می‌تواند هر یک از مواد ارزان‌تر از موادی باشد که به عنوان کاتالیزور برای سایر پیل‌های سوختی استفاده می‌شوند. بعلاوه، SFCها در دماهای نسبتاً پایین کار می‌کنند و جزو کارآمدترین پیل‌های سوختی هستند - چنین ویژگی‌هایی در نتیجه می‌توانند به تولید سریع‌تر نیرو و راندمان سوخت بالا کمک کنند.

یکی از ویژگی های مشخصه SHTE - حساسیت بالا به CO2، که ممکن است در سوخت یا هوا موجود باشد. CO2 با الکترولیت واکنش نشان می دهد، به سرعت آن را مسموم می کند و کارایی پیل سوختی را بسیار کاهش می دهد. بنابراین، استفاده از SHTE محدود به فضاهای بسته است، مانند فضا و وسایل نقلیه زیر آب، آنها باید با هیدروژن و اکسیژن خالص کار کنند. علاوه بر این، مولکول هایی مانند CO، H2O و CH4 که برای سایر پیل های سوختی ایمن هستند و حتی به عنوان سوخت برای برخی از آنها عمل می کنند، برای SHFC مضر هستند.

سلول های سوختی الکترولیت پلیمری (PEFC)

در مورد سلول های سوختی الکترولیت پلیمری، غشای پلیمری از الیاف پلیمری با نواحی آبی تشکیل شده است که در آن یون های آب رسانا H2O+ (پروتون، قرمز) به مولکول آب متصل می شوند. مولکول های آب به دلیل تبادل یونی کند مشکل ایجاد می کنند. بنابراین، غلظت بالایی از آب هم در سوخت و هم در الکترودهای خروجی مورد نیاز است که دمای کار را به 100 درجه سانتیگراد محدود می کند.

سلول های سوختی اسید جامد (SFC)

در سلول های سوختی اسید جامد، الکترولیت (CsHSO4) حاوی آب نیست. بنابراین دمای عملیاتی 100-300 درجه سانتیگراد است. چرخش آنیون های اکسی SO42 به پروتون ها (قرمز) اجازه می دهد تا همانطور که در شکل نشان داده شده است حرکت کنند.

به طور معمول، یک پیل سوختی اسید جامد ساندویچی است که در آن یک لایه بسیار نازک از ترکیب اسید جامد بین دو الکترود قرار می گیرد که برای اطمینان از تماس خوب به یکدیگر فشرده شده اند. هنگامی که گرم می شود، جزء آلی تبخیر می شود و از طریق منافذ الکترودها خارج می شود و توانایی تماس های متعدد بین سوخت (یا اکسیژن در انتهای دیگر عناصر)، الکترولیت و الکترودها را حفظ می کند.

نوع پیل سوختی	دمای کاری	راندمان تولید برق	نوع سوخت	منطقه برنامه
RKTE	550-700 درجه سانتیگراد	50-70%		تاسیسات متوسط ​​و بزرگ
FCTE	100-220 درجه سانتیگراد	35-40%	هیدروژن خالص	تاسیسات بزرگ
MOPTE	30-100 درجه سانتیگراد	35-50%	هیدروژن خالص	تاسیسات کوچک
SOFC	450-1000 درجه سانتیگراد	45-70%	اکثر سوخت های هیدروکربنی	تاسیسات کوچک، متوسط ​​و بزرگ
PEMFC	20-90 درجه سانتی گراد	20-30%	متانول	واحدهای قابل حمل
SHTE	50-200 درجه سانتیگراد	40-65%	هیدروژن خالص	تحقیقات فضایی
پیت	30-100 درجه سانتیگراد	35-50%	هیدروژن خالص	تاسیسات کوچک

به ما بپیوندید در

لوازم الکترونیکی سیار هر سال، اگر نگوییم ماهانه، در دسترس تر و گسترده تر می شوند. در اینجا لپ تاپ ها، رایانه های شخصی، دوربین های دیجیتال، تلفن های همراه و انبوهی از دستگاه های مفید و نه چندان کاربردی دیگر را خواهید یافت. و همه این دستگاه‌ها دائماً ویژگی‌های جدید، پردازنده‌های قوی‌تر، صفحه‌نمایش‌های رنگی بزرگ‌تر، ارتباطات بی‌سیم را به دست می‌آورند، در حالی که در عین حال اندازه آنها کاهش می‌یابد. اما، بر خلاف فن‌آوری‌های نیمه‌رسانا، فناوری‌های قدرت برای کل این انبار سیار با سرعتی جهشی پیشرفت نمی‌کنند.

باتری‌های معمولی و باتری‌های قابل شارژ به وضوح برای تامین انرژی آخرین پیشرفت‌ها در صنعت الکترونیک برای هر دوره زمانی قابل توجهی ناکافی هستند. و بدون باتری های قابل اعتماد و بزرگ، تمام نقطه حرکت و بی سیم از بین می رود. بنابراین صنعت کامپیوتر بیشتر و بیشتر فعالانه روی این مشکل کار می کند منابع جایگزینتغذیه. و امیدوار کننده ترین جهت امروز اینجاست سلول های سوختی.

اصل اصلی عملکرد سلول های سوختی توسط دانشمند بریتانیایی سر ویلیام گرو در سال 1839 کشف شد. او به عنوان پدر «پیل سوختی» شناخته می شود. ویلیام گروو با تغییر برای استخراج هیدروژن و اکسیژن، الکتریسیته تولید کرد. پس از جدا کردن باتری از سلول الکترولیتی، گرو با شگفتی متوجه شد که الکترودها شروع به جذب گاز آزاد شده و تولید جریان کردند. باز کردن یک فرآیند احتراق "سرد" الکتروشیمیایی هیدروژنبه یک رویداد مهم در صنعت انرژی تبدیل شد و متعاقباً الکتروشیمیدانان مشهوری مانند استوالد و نرنست نقش عمده ای در توسعه مبانی نظری و اجرای عملی پیل های سوختی ایفا کردند و آینده بزرگی را برای آنها پیش بینی کردند.

خودم اصطلاح "پیل سوختی"بعداً ظاهر شد - در سال 1889 توسط لودویگ موند و چارلز لانگر پیشنهاد شد که در تلاش بودند دستگاهی برای تولید برق از هوا و گاز زغال سنگ ایجاد کنند.

در طی احتراق طبیعی در اکسیژن، اکسیداسیون سوخت آلی رخ می دهد و انرژی شیمیایی سوخت به طور غیر موثر به انرژی حرارتی. اما معلوم شد که انجام واکنش اکسیداسیون، به عنوان مثال، هیدروژن با اکسیژن، در یک محیط الکترولیت و در حضور الکترودها، برای به دست آوردن جریان الکتریکی امکان پذیر است. به عنوان مثال، با تامین هیدروژن به یک الکترود واقع در یک محیط قلیایی، الکترون ها را به دست می آوریم:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

که با عبور از مدار خارجی، به الکترود مقابل می رسند، که اکسیژن به آن جریان می یابد و واکنش در آنجا انجام می شود: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

می توان مشاهده کرد که واکنش حاصله 2H2 + O2 → H2O مانند احتراق معمولی است، اما در یک سلول سوختی، یا در غیر این صورت - در ژنراتور الکتروشیمیایینتیجه جریان الکتریکی با راندمان بالا و حرارت جزئی است. توجه داشته باشید که پیل های سوختی همچنین می توانند از زغال سنگ، مونوکسید کربن، الکل ها، هیدرازین و سایر مواد آلی به عنوان سوخت و هوا، پراکسید هیدروژن، کلر، برم، اسید نیتریک و غیره به عنوان عوامل اکسید کننده استفاده کنند.

توسعه پیل های سوختی هم در خارج از کشور و هم در روسیه و سپس در اتحاد جماهیر شوروی به شدت ادامه یافت. در میان دانشمندانی که سهم بزرگی در مطالعه پیل های سوختی داشتند، ما به V. Jaco، P. Yablochkov، F. Bacon، E. Bauer، E. Justi، K. Cordesh اشاره می کنیم. در اواسط قرن گذشته، حمله جدیدی به مشکلات پیل سوختی آغاز شد. این تا حدی به دلیل ظهور ایده ها، مواد و فناوری های جدید در نتیجه تحقیقات دفاعی است.

یکی از دانشمندانی که گام بزرگی در توسعه سلول های سوختی برداشت، P. M. Spiridonov بود. عناصر هیدروژن-اکسیژن Spiridonovچگالی جریان 30 میلی آمپر بر سانتی‌متر مربع را داد که در آن زمان یک دستاورد بزرگ در نظر گرفته شد. در دهه چهل، O. Davtyan یک تاسیسات برای احتراق الکتروشیمیایی گاز ژنراتور به دست آمده از گاز سازی زغال سنگ ایجاد کرد. داوتیان به ازای هر متر مکعب حجم المنت 5 کیلووات برق دریافت می کرد.

بود اولین پیل سوختی الکترولیت جامد. بازده بالایی داشت اما به مرور زمان الکترولیت غیرقابل استفاده شد و نیاز به تعویض داشت. متعاقباً، داوتیان، در اواخر دهه پنجاه، یک تأسیسات قدرتمند ایجاد کرد که تراکتور را به حرکت در می آورد. در همان سال‌ها، مهندس انگلیسی تی بیکن، باتری پیل‌های سوختی را با قدرت کل 6 کیلووات و بازده 80 درصد طراحی و ساخت که با هیدروژن و اکسیژن خالص کار می‌کرد، اما نسبت قدرت به وزن باتری خیلی کوچک بود - چنین عناصری برای آنها نامناسب بودند کاربرد عملیو خیلی گران است

در سال های بعد، زمان تنهایی ها گذشت. سازندگان به سلول های سوختی علاقه مند شدند فضاپیما. از اواسط دهه 60 میلیون ها دلار در تحقیقات پیل سوختی سرمایه گذاری شده است. کار هزاران دانشمند و مهندس به ما اجازه داد تا به سطح جدیدی برسیم و در سال 1965م. سلول های سوختی در ایالات متحده بر روی فضاپیمای جمینی 5 و بعداً در فضاپیمای آپولو برای پرواز به ماه و تحت برنامه شاتل آزمایش شدند.

در اتحاد جماهیر شوروی، سلول های سوختی در NPO Kvant توسعه یافتند، همچنین برای استفاده در فضا. در آن سالها ، مواد جدید قبلاً ظاهر شده بود - الکترولیت های پلیمری جامد بر اساس غشاهای تبادل یونی, انواع جدید کاتالیزور, الکترود. با این حال، چگالی جریان عملیاتی کوچک بود - در محدوده 100-200 میلی آمپر بر سانتی متر مربع، و محتوای پلاتین روی الکترودها چندین گرم در سانتی متر مربع بود. مشکلات زیادی در رابطه با دوام، پایداری و ایمنی وجود داشت.

مرحله بعدی توسعه سریع سلول های سوختی در دهه 90 آغاز شد. قرن گذشته و تا امروز ادامه دارد. ناشی از نیاز به منابع انرژی کارآمد جدید در ارتباط از یک سو با مشکل زیست محیطی جهانی افزایش انتشار گازهای گلخانه ای ناشی از احتراق سوخت های فسیلی و از سوی دیگر با کاهش ذخایر چنین سوختی است. . از آنجایی که محصول نهایی احتراق هیدروژن در یک پیل سوختی آب است، از نظر تأثیر بر روی آنها تمیزترین آنها محسوب می شوند. محیط. مشکل اصلی فقط پیدا کردن یک و موثر است راه ارزانبدست آوردن هیدروژن

میلیاردها دلار سرمایه گذاری مالی در توسعه سلول های سوختی و ژنراتورهای هیدروژنی باید به یک پیشرفت فناوری منجر شود و استفاده از آنها در زندگی روزمره را به واقعیت تبدیل کند: در سلول های تلفن های همراه، در اتومبیل ها، در نیروگاه ها. در حال حاضر، غول‌های خودروسازی مانند بالارد، هوندا، دایملر کرایسلر و جنرال موتورز خودروها و اتوبوس‌هایی را به نمایش می‌گذارند که با سلول‌های سوختی با قدرت 50 کیلووات کار می‌کنند. تعدادی از شرکت ها توسعه یافته اند نیروگاه های نمایشی با استفاده از پیل های سوختی با الکترولیت اکسید جامد تا توان 500 کیلووات. اما، با وجود پیشرفت قابل توجهی در بهبود ویژگی های پیل های سوختی، بسیاری از مشکلات مربوط به هزینه، قابلیت اطمینان و ایمنی آنها هنوز باید حل شود.

در پیل سوختی، برخلاف باتری ها و آکومولاتورها، هم سوخت و هم اکسیدکننده از بیرون به آن عرضه می شود. پیل سوختی تنها یک واسطه در واکنش و در است شرایط ایده آلمی تواند تقریبا برای همیشه کار کند. زیبایی این فناوری این است که سلول در واقع سوخت را می سوزاند و مستقیماً انرژی آزاد شده را به الکتریسیته تبدیل می کند. هنگامی که سوخت مستقیماً می سوزد، توسط اکسیژن اکسید می شود و گرمای آزاد شده برای انجام کارهای مفید استفاده می شود.

در یک پیل سوختی، مانند باتری‌ها، واکنش‌های اکسیداسیون سوخت و کاهش اکسیژن از نظر مکانی از هم جدا می‌شوند و فرآیند "احتراق" تنها در صورتی اتفاق می‌افتد که سلول جریان را به بار برساند. درست مثل این است دیزل ژنراتور برق، فقط بدون دیزل و ژنراتور. و همچنین بدون دود، سر و صدا، گرمای بیش از حد و با موارد دیگر بازدهی بالا. مورد دوم با این واقعیت توضیح داده می شود که اولاً هیچ واسطه ای وجود ندارد دستگاه های مکانیکیو ثانیاً پیل سوختی موتور حرارتی نیست و در نتیجه از قانون کارنو تبعیت نمی کند (یعنی بازده آن با اختلاف دما مشخص نمی شود).

اکسیژن به عنوان یک عامل اکسید کننده در سلول های سوختی استفاده می شود. علاوه بر این، از آنجایی که اکسیژن کافی در هوا وجود دارد، نیازی به نگرانی در مورد تامین یک عامل اکسید کننده نیست. در مورد سوخت، هیدروژن است. بنابراین، واکنش در پیل سوختی انجام می شود:

2H2 + O2 → 2H2O + برق + گرما.

نتیجه انرژی مفید و بخار آب است. ساده ترین در طراحی آن است پیل سوختی غشای تبادل پروتون(شکل 1 را ببینید). این کار به شرح زیر است: هیدروژن وارد شده به عنصر تحت عمل یک کاتالیزور به الکترون ها و یون های هیدروژن با بار مثبت H+ تجزیه می شود. سپس یک غشاء خاص وارد بازی می شود که نقش یک الکترولیت را در یک باتری معمولی بازی می کند. با توجه به آن ترکیب شیمیاییبه پروتون ها اجازه عبور می دهد اما الکترون ها را حفظ می کند. بنابراین، الکترون‌های انباشته شده روی آند یک بار منفی اضافی ایجاد می‌کنند و یون‌های هیدروژن یک بار مثبت روی کاتد ایجاد می‌کنند (ولتاژ در سراسر عنصر حدود 1 ولت است).

برای ایجاد توان بالا، یک پیل سوختی از سلول های زیادی مونتاژ می شود. اگر یک عنصر را به یک بار متصل کنید، الکترون ها از طریق آن به کاتد جریان می یابند و جریانی ایجاد می کنند و فرآیند اکسیداسیون هیدروژن با اکسیژن را تکمیل می کنند. ریزذرات پلاتین که روی فیبر کربن رسوب می‌کنند معمولاً به عنوان کاتالیزور در چنین پیل‌های سوختی استفاده می‌شوند. با توجه به ساختار خود، چنین کاتالیزوری اجازه می دهد تا گاز و الکتریسیته به خوبی از آن عبور کنند. این غشاء معمولاً از پلیمر حاوی گوگرد Nafion ساخته می شود. ضخامت غشا یک دهم میلی متر است. در طول واکنش، البته گرما نیز آزاد می شود، اما نه چندان، بنابراین دمای عملیاتی در منطقه 40-80 درجه سانتیگراد حفظ می شود.

عکس. 1. اصل عملکرد پیل سوختی

انواع دیگری از پیل های سوختی وجود دارد که عمدتاً در نوع الکترولیت مورد استفاده متفاوت است. تقریباً همه آنها به هیدروژن به عنوان سوخت نیاز دارند، بنابراین این سؤال منطقی مطرح می شود: از کجا می توان آن را تهیه کرد. البته، استفاده از هیدروژن فشرده از سیلندرها امکان پذیر است، اما مشکلاتی در ارتباط با حمل و نقل و ذخیره سازی این گاز بسیار قابل اشتعال تحت فشار بالا بلافاصله ایجاد می شود. البته، هیدروژن را می توان به شکل متصل شده مانند باتری های هیدرید فلزی استفاده کرد. اما وظیفه استخراج و انتقال آن همچنان باقی است، زیرا زیرساخت های سوخت گیری هیدروژنی وجود ندارد.

با این حال، یک راه حل نیز در اینجا وجود دارد - سوخت هیدروکربن مایع می تواند به عنوان منبع هیدروژن استفاده شود. مثلا اتیل یا متیل الکل. درست است، این به یک دستگاه اضافی خاص نیاز دارد - مبدل سوخت، زمانی که درجه حرارت بالا(برای متانول این حدود 240 درجه سانتیگراد است) الکل ها را به مخلوطی از گازهای H2 و CO2 تبدیل می کند. اما در این مورد، در حال حاضر فکر کردن در مورد قابل حمل بودن دشوارتر است - چنین دستگاه هایی برای استفاده به عنوان ثابت یا خوب هستند، اما برای تجهیزات جمع و جور موبایل به چیزی کمتر حجیم نیاز دارید.

و در اینجا دقیقاً به دستگاهی می رسیم که تقریباً همه بزرگترین تولید کنندگان الکترونیک با نیروی وحشتناک در حال توسعه آن هستند - پیل سوختی متانول(شکل 2).

شکل 2. اصل عملکرد یک پیل سوختی متانول

تفاوت اساسی بین سلول های سوختی هیدروژن و متانول در کاتالیزور مورد استفاده است. کاتالیزور موجود در پیل سوختی متانول اجازه می دهد تا پروتون ها مستقیماً از مولکول الکل حذف شوند. بنابراین، مشکل سوخت حل می شود - متیل الکل برای آن انبوه تولید می شود صنایع شیمیایی، نگهداری و حمل و نقل آن آسان است و شارژ پیل سوختی متانول به سادگی تعویض کارتریج سوخت است. درست است، یک نقطه ضعف قابل توجه وجود دارد - متانول سمی است. علاوه بر این، راندمان یک پیل سوختی متانولی به طور قابل توجهی کمتر از یک پیل هیدروژنی است.

برنج. 3. پیل سوختی متانول

وسوسه انگیزترین گزینه استفاده از آن به عنوان سوخت است اتانولخوشبختانه، تولید و توزیع مشروبات الکلی با هر ترکیب و قدرتی در سراسر جهان به خوبی جا افتاده است. با این حال، متأسفانه راندمان پیل‌های سوختی اتانولی حتی از بازده متانولی نیز کمتر است.

همانطور که در طول سالیان متمادی توسعه در زمینه پیل سوختی ذکر شده است، انواع مختلفی از سلول های سوختی ساخته شده اند. پیل های سوختی بر اساس نوع الکترولیت و سوخت طبقه بندی می شوند.

1. الکترولیت هیدروژن-اکسیژن پلیمر جامد.

2. پیل سوختی متانول پلیمری جامد.

3. سلول های الکترولیت قلیایی.

4. پیل های سوختی اسید فسفریک.

5. عناصر سوخت بر اساس کربنات های مذاب.

6. پیل های سوختی اکسید جامد.

در حالت ایده‌آل، راندمان پیل‌های سوختی بسیار بالا است، اما در شرایط واقعی، تلفات مرتبط با فرآیندهای غیرتعادلی وجود دارد، مانند: تلفات اهمی ناشی از رسانایی خاص الکترولیت و الکترودها، قطبش فعال‌سازی و غلظت، و تلفات انتشار. در نتیجه بخشی از انرژی تولید شده در پیل های سوختی به گرما تبدیل می شود. تلاش متخصصان در جهت کاهش این تلفات است.

منبع اصلی تلفات اهمی و همچنین دلیل گرانی پیل های سوختی، غشاهای تبادل کاتیونی سولفونیک پرفلورینه هستند. اکنون جستجو برای پلیمرهای رسانای پروتون جایگزین و ارزان‌تر در حال انجام است. از آنجایی که رسانایی این غشاها (الکترولیت‌های جامد) تنها در حضور آب به مقدار قابل قبولی (10 اهم بر سانتی‌متر) می‌رسد، گازهای عرضه‌شده به پیل سوختی باید در دستگاه مخصوصی مرطوب شوند که این امر باعث افزایش هزینه‌ها نیز می‌شود. سیستم. الکترودهای انتشار گاز کاتالیزوری عمدتاً از پلاتین و برخی فلزات نجیب دیگر استفاده می کنند و تاکنون جایگزینی برای آنها پیدا نشده است. اگرچه محتوای پلاتین در سلول های سوختی چندین میلی گرم بر سانتی متر مربع است، اما برای باتری های بزرگ مقدار آن به ده ها گرم می رسد.

هنگام طراحی سلول های سوختی، توجه زیادی به سیستم حذف گرما می شود، زیرا در تراکم جریان بالا (تا 1A/cm2) سیستم خود گرم می شود. برای خنک کردن، از آب استفاده می شود که در سلول سوختی از طریق کانال های ویژه و در قدرت های کم - دمیدن هوا در گردش است.

بنابراین، سیستم مدرنعلاوه بر خود باتری پیل سوختی، یک ژنراتور الکتروشیمیایی با بسیاری از وسایل کمکی مانند: پمپ ها، کمپرسور برای تامین هوا، تزریق هیدروژن، رطوبت ساز گاز، واحد خنک کننده، سیستم نظارت بر نشت گاز، "بیش از حد رشد" دارد. مبدل جریان مستقیمهمه اینها به این واقعیت منجر می شود که هزینه یک سیستم پیل سوختی در سال 2004-2005 2-3 هزار دلار در کیلووات بوده است. به گفته کارشناسان، سلول های سوختی برای استفاده در نیروگاه های حمل و نقل و ثابت با قیمت 50 تا 100 دلار در هر کیلووات در دسترس خواهند بود.

برای معرفی پیل های سوختی به زندگی روزمره، همراه با قطعات ارزان تر، باید منتظر قطعات جدید باشیم ایده های اصلیو رویکردها. به ویژه، امیدهای زیادی به استفاده از نانومواد و فناوری نانو بسته شده است. به عنوان مثال، چندین شرکت اخیراً اعلام کرده‌اند که کاتالیزورهای فوق‌العاده کارآمد، به‌ویژه برای الکترودهای اکسیژن، بر اساس خوشه‌هایی از نانوذرات از فلزات مختلف ایجاد کرده‌اند. علاوه بر این، گزارش‌هایی از طراحی‌های پیل سوختی بدون غشاء وجود دارد که در آن سوخت مایع (مانند متانول) همراه با یک اکسیدکننده به پیل سوختی وارد می‌شود. همچنین مفهوم در حال توسعه سلول‌های سوخت زیستی که در آب‌های آلوده کار می‌کنند و اکسیژن محلول هوا را به عنوان اکسیدکننده و ناخالصی‌های آلی را به عنوان سوخت مصرف می‌کنند، جالب است.

به گفته کارشناسان، سلول های سوختی در سال های آینده وارد بازار انبوه خواهند شد. در واقع، توسعه دهندگان یکی پس از دیگری بر مشکلات فنی غلبه می کنند، موفقیت ها را گزارش می دهند و نمونه های اولیه سلول های سوختی را ارائه می دهند. به عنوان مثال، توشیبا یک نمونه اولیه از پیل سوختی متانول را به نمایش گذاشت. اندازه آن 22x56x4.5mm است و توانی در حدود 100mW تولید می کند. یک بار مجدد 2 مکعب متانول غلیظ (99.5%) برای 20 ساعت کارکرد دستگاه پخش MP3 کافی است. توشیبا یک پیل سوختی تجاری برای تامین انرژی تلفن های همراه منتشر کرده است. باز هم، همان توشیبا سلولی را برای تغذیه لپ‌تاپ‌هایی با ابعاد 275x75x40 میلی‌متر نشان داد که به کامپیوتر اجازه می‌دهد با یک بار شارژ به مدت 5 ساعت کار کند.

یکی دیگر از شرکت های ژاپنی، فوجیتسو، فاصله چندانی با توشیبا ندارد. در سال 2004، او همچنین عنصری را معرفی کرد که در محلول آبی 30 درصد متانول عمل می کند. این پیل سوختی با یک بار شارژ 300 میلی لیتری به مدت 10 ساعت کار می کرد و توان 15 وات تولید می کرد.

کاسیو در حال توسعه یک پیل سوختی است که در آن متانول ابتدا به مخلوطی از گازهای H2 و CO2 در یک مبدل سوخت مینیاتوری تبدیل می شود و سپس به پیل سوختی وارد می شود. در طول نمایش، نمونه اولیه کاسیو یک لپ تاپ را به مدت 20 ساعت تغذیه کرد.

سامسونگ در زمینه سلول های سوختی نیز نشان خود را نشان داد - در سال 2004، نمونه اولیه 12 واتی خود را که برای تامین انرژی یک لپ تاپ طراحی شده بود، به نمایش گذاشت. به طور کلی، سامسونگ قصد دارد از سلول های سوختی عمدتاً در گوشی های هوشمند نسل چهارم استفاده کند.

باید گفت که شرکت های ژاپنی به طور کلی رویکرد بسیار دقیقی برای توسعه سلول های سوختی داشتند. در سال 2003، شرکت‌هایی مانند کانن، کاسیو، فوجیتسو، هیتاچی، سانیو، شارپ، سونی و توشیبا برای توسعه یک استاندارد سلول سوختی واحد برای لپ‌تاپ‌ها، تلفن‌های همراه، رایانه‌های شخصی و غیره متحد شدند. لوازم برقی. شرکت های آمریکایی که تعداد زیادی از آنها نیز در این بازار وجود دارد، بیشتر تحت قرارداد با ارتش کار می کنند و سلول های سوختی را برای برقی سازی سربازان آمریکایی توسعه می دهند.

آلمانی ها خیلی عقب نیستند - شرکت Smart Fuel Cell سلول های سوختی را برای تامین انرژی یک دفتر سیار می فروشد. این دستگاه Smart Fuel Cell C25 نام دارد و دارای ابعاد 150x112x65 میلی متر است و می تواند تا 140 وات ساعت در هر پر شود. این مقدار برای تامین انرژی لپ تاپ به مدت تقریبی 7 ساعت کافی است. سپس کارتریج را می توان تعویض کرد و می توانید به کار خود ادامه دهید. اندازه کارتریج متانول 99x63x27 میلی متر و وزن آن 150 گرم است. وزن این سیستم 1.1 کیلوگرم است، بنابراین نمی توان آن را کاملاً قابل حمل نامید، اما هنوز کاملاً کامل است و دستگاه مناسب. این شرکت همچنین در حال توسعه یک ماژول سوخت برای تامین انرژی دوربین های فیلمبرداری حرفه ای است.

به طور کلی، پیل های سوختی تقریباً وارد بازار الکترونیک موبایل شده اند. سازندگان هنوز باید آخرین مشکلات فنی را قبل از شروع تولید انبوه حل کنند.

ابتدا باید مسئله کوچک سازی سلول های سوختی حل شود. از این گذشته، هرچه پیل سوختی کوچکتر باشد، توان کمتری تولید می کند - بنابراین کاتالیزورها و الکترودهای جدیدی دائماً در حال توسعه هستند که حداکثر کردن را ممکن می کند. سطح کار. اینجاست که آخرین پیشرفت ها در زمینه نانوتکنولوژی و نانومواد (مثلاً نانولوله ها) بسیار مفید است. دوباره، برای کوچک کردن لوله‌کشی عناصر (پمپ‌های سوخت و آب، سیستم‌های خنک‌کننده و تبدیل سوخت)، دستاوردهای میکروالکترومکانیک به طور فزاینده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.

دومین مشکل مهمی که باید برطرف شود قیمت است. از این گذشته، پلاتین بسیار گران قیمت به عنوان کاتالیزور در بیشتر پیل های سوختی استفاده می شود. باز هم، برخی از تولیدکنندگان در تلاش هستند تا از فناوری‌های سیلیکونی به خوبی تثبیت شده استفاده کنند.

در مورد سایر زمینه‌های استفاده از پیل‌های سوختی، سلول‌های سوختی در حال حاضر کاملاً در آنجا مستقر شده‌اند، اگرچه هنوز در بخش انرژی یا حمل‌ونقل به جریان اصلی تبدیل نشده‌اند. در حال حاضر، بسیاری از خودروسازان خودروهای مفهومی خود را با سلول های سوختی ارائه کرده اند. اتوبوس های پیل سوختی در چندین شهر در سراسر جهان در حال تردد هستند. Canadian Ballard Power Systems تولید می کند کل خطژنراتورهای ثابت با توان 1 تا 250 کیلووات. در عین حال، ژنراتورهای کیلوواتی برای تامین فوری یک آپارتمان با برق، گرما و آب گرم طراحی شده اند.