پیل سوختی – پیل سوختی (Fuel Cell). پیل های سوختی چگونه پیل های سوختی هیدروژنی کار می کنند

کارآفرین Danila Shaposhnikov می گوید که او متعهد شده است که این محصول را از آزمایشگاه به بازار عرضه کند. استارت‌آپ AT Energy سلول‌های سوختی هیدروژنی می‌سازد که به پهپادها اجازه می‌دهد چندین برابر بیشتر از آنچه اکنون می‌توانند پرواز کنند.

کارآفرین Danila Shaposhnikov به دانشمندان یوری دوبروولسکی و سرگئی نفدکین کمک می کند تا اختراع خود را تجاری کنند - سلول های سوختی هیدروژنی فشرده که می توانند چندین ساعت بدون ترس از یخبندان و رطوبت کار کنند. شرکتی که آنها ایجاد کردند، AT Energy، قبلاً حدود 100 میلیون روبل جمع آوری کرده است. سرمایه گذاری کرده و در حال آماده شدن برای تسخیر بازار 7 میلیارد دلاری پهپادهای جهانی است که تاکنون عمدتاً از باتری های لیتیوم یونی استفاده می کند.

از آزمایشگاه به بازار

این تجارت با آشنایی شاپوشنیکوف با دو دکترای علوم در زمینه انرژی و الکتروشیمی - دوبروولسکی از مؤسسه مسائل فیزیک شیمی آکادمی علوم روسیه در چرنوگولووکا و نفدکین که رئیس مرکز انرژی هیدروژن در مسکو است، آغاز شد. موسسه انرژی. اساتید ایده ای داشتند که چگونه پیل سوختی با دمای پایین بسازند، اما نمی دانستند چگونه اختراع خود را به بازار عرضه کنند. شاپوشنیکوف در مصاحبه ای با RBC به یاد می آورد: "من به عنوان یک کارآفرین-سرمایه گذار عمل کردم که ریسک آوردن یک محصول را از آزمایشگاه به بازار به عهده گرفت."

در آگوست 2012، شاپوشنیکوف، دوبروولسکی و نفدکین شرکت انرژی AT (AT Energy LLC) را ثبت کردند و شروع به تهیه نمونه های اولیه کردند. این شرکت یک درخواست ارائه کرد و ساکن Skolkovo شد. در طول سال 2013، در پایگاه اجاره ای موسسه در Chernogolovka، بنیانگذاران AT Energy تلاش کردند تا عمر مفید باتری های مبتنی بر سلول سوختی را به شدت افزایش دهند. شاپوشنیکوف می‌گوید: «چرنوگولووکا یک شهر علمی است، یافتن و جذب دستیاران آزمایشگاه، مهندسان و الکتروشیمی‌دانان در آنجا بسیار آسان است. سپس AT Energy به پارک فناوری Chernogolovsky نقل مکان کرد. در آنجا اولین محصول ظاهر شد - یک سلول سوختی برای هواپیماهای بدون سرنشین.

"قلب" سلول سوختی توسعه یافته توسط AT Energy یک واحد الکترودی غشایی است که در آن یک واکنش الکتروشیمیایی رخ می دهد: هوا با اکسیژن از یک طرف تامین می شود، گاز هیدروژن فشرده از طرف دیگر تامین می شود و در نتیجه انرژی تولید می شود. واکنش شیمیایی اکسیداسیون هیدروژن

برای یک محصول واقعی، AT Energy توانست دو کمک بلاعوض Skolkovo (به مبلغ تقریباً 47 میلیون روبل) دریافت کند و همچنین حدود 1 میلیون دلار سرمایه گذاری جذب کند. این پروژه توسط صندوق North Energy Ventures (دریافت 13.8٪ از AT Energy، شریک آن خود Shaposhnikov است)، صندوق سرمایه گذاری Phystech Ventures (13.8٪) که توسط فارغ التحصیلان موسسه فیزیک و فناوری مسکو تأسیس شده است، و توسعه دهنده مورتون (10٪)؛ شاپوشنیکوف و دوبروولسکی در حال حاضر مستقیماً 26.7٪ از AT Energy و Nefedkin - 9٪ (همه طبق ثبت نام واحد دولتی اشخاص حقوقی) دارند.

AT Energy در اعداد
حدود 1 00 میلیون روبل- مقدار کل سرمایه گذاری های جذب شده
3-30 کیلوگرم- تعداد زیادی پهپاد که AT Energy برای آنها سیستم های قدرت می سازد
7 میلیارد دلاردر سال - حجم بازار جهانی هواپیماهای بدون سرنشین در سال 2015
90 میلیون دلار- حجم بازار پهپادهای نظامی روسیه در سال 2014
5 میلیون دلار- حجم بازار هواپیماهای بدون سرنشین غیرنظامی روسیه در سال 2014
2.6 میلیارد دلار- حجم بازار جهانی پیل سوختی در سال 2014
منبع: داده های شرکت، Business Insider، Markets & Markets

طولانی تر، حتی طولانی تر پرواز می کند

امروزه تقریباً 80 درصد از پهپادهای جهان از موتورهای الکتریکی استفاده می کنند که با باتری های لیتیوم یونی یا لیتیوم پلیمری کار می کنند. "بزرگترین مشکل باتری ها این است که ظرفیت انرژی آنها به دلیل اندازه آنها محدود است. اگر دوبرابر انرژی می خواهید، یک باتری دیگر و دیگری و غیره نصب کنید. و در پهپادها، مهمترین پارامتر جرم آن است.

وزن پهپاد محموله آن را تعیین می کند - تعداد وسایلی که می توان روی آن آویزان کرد (به عنوان مثال، دوربین ها، تصاویر حرارتی، دستگاه های اسکن و غیره)، و همچنین زمان پرواز. امروزه هواپیماهای بدون سرنشین معمولا بین نیم ساعت تا یک ساعت و نیم پرواز می کنند. شاپوشنیکوف می گوید: «این برای نیم ساعت جالب نیست. "معلوم شد که به محض اینکه آن را در هوا بلند کردید، زمان تعویض باتری فرا رسیده است." علاوه بر این، باتری‌های لیتیوم یونی در دماهای پایین به طرز عجیبی رفتار می‌کنند. شاپوشنیکوف ادعا می کند که سلول های سوختی توسعه یافته توسط AT Energy به پهپادها اجازه می دهد تا پنج برابر بیشتر پرواز کنند: از دو ساعت و نیم تا چهار ساعت و از یخبندان (تا منفی 20 درجه) نمی ترسند.

AT Energy مواد مصرفی و قطعات باتری های خود را در روسیه و خارج از کشور خریداری می کند. شاپوشنیکوف توضیح می‌دهد: «برای پیشرفت‌های علمی، سری‌های کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرند، بنابراین ما هنوز نمی‌توانیم به تولیدکنندگان بالقوه روسی قطعات مورد نیاز خود یک افق برنامه‌ریزی بدهیم تا بتوانند تولید خود را بومی‌سازی کنند.»

در سال 2014، AT Energy اولین قراردادهای خود را تکمیل کرد: 20 سیستم باتری بر اساس سلول های سوختی خود را به ارتش عرضه کرد (شاپوشنیکف نام مشتری را ذکر نمی کند). آنها همچنین به پهپادهای شرکت AFM-Servers مجهز بودند که در هنگام فیلمبرداری المپیک سوچی از آنها استفاده می کردند. شاپوشنیکوف به یاد می‌آورد: «یکی از اهداف این شرکت آزمایش سیستم‌های ما بر روی پهپادها بود و برای ما اهمیتی نداشت که برای آن پول به ما پرداخت کنند یا نه. تا به امروز، AT Energy تعدادی قرارداد و پیش قرارداد امضا کرده است که درآمد احتمالی آن، به گفته شاپوشنیکوف، 100 میلیون روبل است. (عمدتا با سازمان های دولتی).

شاپوشنیکف نتایج مالی AT Energy را فاش نمی کند. طبق گزارش Kontur.Focus، در سال 2014 این شرکت 12.4 میلیون روبل درآمد داشته است. و ضرر خالص 1.2 میلیون روبل. به گفته شاپوشنیکوف، هزینه پیل‌های سوختی تا توان 0.5 کیلووات تولید شده توسط AT Energy بسته به نوع پهپاد، وظایفی که با آن مواجه است، مدت زمان پرواز و سایر پارامترها از 10 تا 25 هزار دلار متغیر است.

به گفته شاپوشنیکوف، کاهش ارزش روبل، ورود این شرکت به بازار جهانی را آسان‌تر می‌کند. او می‌گوید: «ما هدف خودمان را ایجاد رابطه با بازیکنان غربی در سال 2016 و ساخت اولین محصولات برای انواع اصلی پهپادهای خارجی در سال 2017 قرار دادیم.

سرمایه گذار

"AT Energy موفق به ایجاد یک پیل سوختی با ویژگی های منحصر به فرد شد"

اولگ پرتسوفسکی، مدیر عملیات خوشه فناوری های کارآمد انرژی بنیاد اسکولکوف

آنها توانستند دستگاهی بسازند که در دمای زیر صفر کار کند، در حالی که بسیار فشرده و ارزان است. برای پروژه های علمی فشرده، چهار سال زمان کوتاهی است، بنابراین به نظر ما با سرعت عادی پیش می روند. پهپادها یکی از بدیهی ترین و امیدوارکننده ترین مناطق برای استفاده از سلول های سوختی هستند. با تعویض منبع تغذیه، پهپاد قادر خواهد بود زمان پرواز خود را با همان مشخصات جرم-بعدی چندین برابر افزایش دهد. همچنین بازاری برای منبع تغذیه مستقل وجود دارد، به عنوان مثال برای شبکه های سلولی، جایی که نیاز زیادی به منابع تغذیه کم مصرف در مناطق دورافتاده که شبکه های الکتریکی وصل نیستند وجود دارد.

«ایجاد محصول رقابتی و ورود به این بازار ریسک سرمایه گذاری قابل توجهی دارد»

سرگئی فیلیمونوف، رئیس صندوق سرمایه گذاری شرکتی GS Venture (به عنوان بخشی از GS Group)

بازار سلول‌های سوختی با ظرفیت بالا بسیار گسترده‌تر و پیچیده‌تر از صنعت هواپیماهای بدون سرنشین است. اما پیل های سوختی باید با تعدادی از منابع انرژی موجود چه از نظر کارایی و چه از نظر هزینه رقابت کنند. ایجاد یک محصول رقابتی و ورود به این بازار ریسک سرمایه گذاری قابل توجهی دارد. برای GS Venture، حوزه پهپادها و پیل‌های سوختی بسیار جالب است، اما صندوق آماده سرمایه‌گذاری در یک استارت‌آپ نیست، فقط به این دلیل که این شرکت در یک منطقه در حال توسعه فعالیت می‌کند و هدف آن بازاری در حال رشد است.

مشتریان

"این بهترین فناوری در بازار است، اما بسیار گران است"

اولگ پانفیلنوک، بنیانگذار و مدیر عامل Copter Express

«AT Energy دارای فناوری بسیار قوی است. ترکیبی از "پیل سوختی به علاوه یک سیلندر هیدروژن" امکان دستیابی به شدت انرژی قابل اعتماد را فراهم می کند که به طور قابل توجهی بالاتر از باتری های لیتیوم پلیمر یا لیتیوم یون است. ما قبلاً یک پهپاد نقشه برداری با قطر حدود 1 متر برای پرواز بر روی یک منطقه بزرگ طراحی کرده ایم - اگر سلول های سوختی هیدروژنی را روی آن قرار دهید، تا چهار ساعت پرواز خواهد کرد. راحت و کارآمد خواهد بود؛ لازم نیست چندین بار دستگاه را برای شارژ مجدد بنشینید.

در حال حاضر این قطعا بهترین فناوری موجود در بازار است، اما یک مشکل وجود دارد: برای ما بسیار گران است. یک باتری از AT Energy می تواند حدود 500 هزار روبل هزینه داشته باشد. - مرتبه بزرگی بالاتر از باتری لیتیوم پلیمری. بله، یک و نیم برابر ارزان تر از آنالوگ های خارجی است، اما ما به ده نیاز داریم. ما نظامی نیستیم که بودجه داشته باشیم، ما یک شرکت تجاری هستیم و حاضر نیستیم پول کلان بپردازیم. برای ارتش، ویژگی‌های یک پهپاد مهم‌تر از هزینه آن است، اما برای تجارت، برعکس، اگر بدتر، اما ارزان‌تر باشد، بهتر است.

"زمان پرواز یک پهپاد مهم ترین عامل برای بسیاری از ماموریت ها است."

ماکسیم شینکویچ، مدیرعامل گروه شرکت‌های سیستم‌های بدون سرنشین

ما با AT Energy بسیار آشنا هستیم و با آنها قرارداد همکاری امضا کرده ایم. ما اخیراً توسعه یک مولتی کوپتر جدید بزرگتر با باری تا 2 کیلوگرم را تکمیل کرده ایم که به سلول های سوختی شرکت AT Energy مجهز شده و از 2.5 تا 4 ساعت بر روی آنها پرواز می کند. با استفاده از باتری های لیتیومی، چنین پهپادی تنها 30 دقیقه پرواز می کند. این پهپاد می تواند برای اهداف غیرنظامی و نظامی استفاده شود - این یک سیستم نظارت تصویری برای جستجو و نجات افراد است، ما در حال حاضر آماده راه اندازی آن به صورت سری هستیم. ما در حال حاضر اولین مشتری غیرنظامی را برای آن داریم و به محض اینکه آن را در عمل نشان دهیم، قراردادهای دیگری ظاهر می شود.

یکی از مشکلات اصلی در استفاده انبوه از پیل های سوختی، نبود شبکه ای از جایگاه ها برای شارژ آنهاست. آنها از باتری ها گران تر هستند (در نتیجه هزینه استفاده از پهپاد 15٪ افزایش می یابد، اما در ازای آن بیش از دو برابر زمان پرواز دریافت می کنید. زمان پرواز پهپاد مهمترین عامل برای بسیاری از کاربردها است.

ناتالیا سوورووا

همانطور که انواع مختلفی از موتورهای احتراق داخلی وجود دارد، انواع مختلفی از پیل سوختی نیز وجود دارد - انتخاب نوع مناسب پیل سوختی به کاربرد آن بستگی دارد.

پیل های سوختی به دو دسته دمای بالا و دمای پایین تقسیم می شوند. سلول های سوختی با دمای پایینبه 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 انرژی بیشتری مصرف می کند و به تجهیزات خاصی نیاز دارد. سلول های سوختی با دمای بالابه این روش اضافی نیاز ندارند، زیرا آنها می توانند "تبدیل داخلی" سوخت را در دماهای بالا انجام دهند، به این معنی که نیازی به سرمایه گذاری 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 سوختی با ارزش حرارتی پایین از فرآیندهای صنعتی و سایر منابع را فراهم می کند. 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 تبدیل می شوند (CO 3 2-). 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: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
واکنش در کاتد: CO 2 + 1/2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
واکنش کلی عنصر: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (کاتد) => H 2 O (g) + CO 2 (آند)

دمای بالای عملکرد پیل های سوختی الکترولیت کربنات مذاب دارای مزایای خاصی است. در دماهای بالا، گاز طبیعی به صورت داخلی اصلاح می شود و نیاز به پردازنده سوخت را از بین می برد. علاوه بر این، از مزایای آن می توان به قابلیت استفاده از مصالح ساختمانی استاندارد مانند ورق های فولادی ضد زنگ و کاتالیزور نیکل بر روی الکترودها اشاره کرد. 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 اورتوفسفریک (H 3 PO 4) با غلظت 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: 2H 2 => 4H + + 4e -
واکنش در کاتد: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2H 2 O
واکنش کلی عنصر: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

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، CO 2 بر الکترولیت و عملکرد پیل سوختی تأثیر نمی گذارد؛ این نوع سلول با سوخت طبیعی اصلاح شده کار می کند. طراحی ساده، درجه فرار کم 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 (PEMFC)

سلول های سوختی غشای تبادل پروتون بهترین نوع پیل سوختی برای تولید نیروی خودرو در نظر گرفته می شود 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: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
واکنش در کاتد: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
واکنش کلی عنصر: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

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 الکترولیت‌ها، یک الکترولیت جامد چالش‌های جهت‌گیری یکسان و مشکلات خوردگی کمتری را ایجاد نمی‌کند و در نتیجه طول عمر سلول و اجزای آن بیشتر می‌شود.

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 (O 2 -) 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 (O 2 -) 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: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
واکنش در کاتد: O 2 + 4e - => 2O 2 -
واکنش کلی عنصر: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

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. این شرکت با موفقیت خود را در زمینه تامین انرژی تلفن های همراه، لپ تاپ ها و همچنین برای ایجاد منابع برق قابل حمل ثابت کرده است. 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 (CH 3 OH) در حضور آب در آند اکسید می شود و CO 2، یون های هیدروژن و الکترون ها را آزاد می کند که از طریق یک مدار الکتریکی خارجی فرستاده می شوند و در نتیجه جریان الکتریکی ایجاد می شود. 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: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
واکنش در کاتد: 3 / 2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
واکنش کلی عنصر: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O

توسعه این پیل های سوختی در اوایل دهه 1990 آغاز شد. با توسعه کاتالیزورهای بهبود یافته و سایر نوآوری های اخیر، چگالی توان و راندمان به 40 درصد افزایش یافته است.

این عناصر در محدوده دمایی 50-120 درجه سانتیگراد آزمایش شدند. با دمای کار پایین و بدون نیاز به مبدل، پیل‌های سوختی اکسیداسیون متانول مستقیم، کاندیدای اصلی برای کاربرد در تلفن‌های همراه و سایر محصولات مصرفی و موتورهای خودرو هستند. 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: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
واکنش در کاتد: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
واکنش کلی سیستم: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

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 بالای آن به CO 2 است که ممکن است در سوخت یا هوا موجود باشد. CO 2 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، H 2 O و CH 4 که برای سایر پیل های سوختی ایمن هستند و برای برخی از آنها حتی به عنوان سوخت 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 سلولهای سوختی اسید جامد، الکترولیت (Cs HSO 4) حاوی آب نیست. بنابراین دمای عملیاتی 100-300 درجه سانتیگراد است. چرخش آنیون های اکسی SO 4 2- اجازه می دهد تا پروتون ها (قرمز) 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 عنصر)، 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

در زندگی مدرن، منابع شیمیایی جریان در همه جا ما را احاطه کرده اند: اینها باتری در چراغ قوه، باتری در تلفن های همراه، سلول های سوخت هیدروژنی هستند که قبلاً در برخی از اتومبیل ها استفاده می شود. توسعه سریع فناوری های الکتروشیمیایی ممکن است منجر به این واقعیت شود که در آینده نزدیک به جای خودروهای بنزینی، تنها با وسایل نقلیه برقی محاصره خواهیم شد، تلفن ها دیگر به سرعت تخلیه نمی شوند و هر خانه برق سلول سوختی خود را خواهد داشت. ژنراتور یکی از برنامه های مشترک دانشگاه فدرال اورال و موسسه الکتروشیمی با دمای بالا شعبه اورال آکادمی علوم روسیه به افزایش کارایی دستگاه های ذخیره سازی الکتروشیمیایی و مولدهای الکتریسیته اختصاص یافته است که با مشارکت ما در حال انتشار آن هستیم. این مقاله.

امروزه انواع مختلفی از باتری ها وجود دارد که به طور فزاینده ای کار با آنها دشوار می شود. برای همه مشخص نیست که چگونه یک باتری با یک ابرخازن متفاوت است و چرا می توان از پیل سوختی هیدروژنی بدون ترس از آسیب رساندن به محیط زیست استفاده کرد. در این مقاله ما در مورد چگونگی استفاده از واکنش های شیمیایی برای تولید الکتریسیته صحبت خواهیم کرد، تفاوت بین انواع اصلی منابع جریان شیمیایی مدرن چیست و چه چشم اندازی برای انرژی الکتروشیمیایی باز می شود.

شیمی به عنوان منبع الکتریسیته

ابتدا بیایید بفهمیم که چرا اصلاً می توان از انرژی شیمیایی برای تولید برق استفاده کرد. موضوع این است که در طی واکنش های ردوکس، الکترون ها بین دو یون مختلف منتقل می شوند. اگر دو نیمه یک واکنش شیمیایی از هم فاصله داشته باشند به طوری که اکسیداسیون و احیا به طور جداگانه از یکدیگر انجام شود، می توان مطمئن شد که الکترونی که یک یون را ترک می کند بلافاصله به یون دوم نمی رسد، بلکه ابتدا از امتداد یک یون عبور می کند. مسیر از پیش تعیین شده برای آن از این واکنش می توان به عنوان منبع جریان الکتریکی استفاده کرد.

این مفهوم برای اولین بار در قرن 18 توسط فیزیولوژیست ایتالیایی لوئیجی گالوانی اجرا شد. عمل یک سلول گالوانیکی سنتی بر اساس واکنش های احیا و اکسیداسیون فلزات با فعالیت های مختلف است. به عنوان مثال، یک سلول کلاسیک یک سلول گالوانیکی است که در آن روی اکسید شده و مس احیا می شود. واکنش های احیا و اکسیداسیون به ترتیب در کاتد و آند انجام می شود. و برای جلوگیری از ورود یون‌های مس و روی به «منطقه خارجی»، جایی که می‌توانند مستقیماً با یکدیگر واکنش نشان دهند، معمولاً یک غشاء خاص بین آند و کاتد قرار می‌گیرد. در نتیجه، اختلاف پتانسیل بین الکترودها ایجاد می شود. اگر الکترودها را مثلاً به یک لامپ وصل کنید، جریان در مدار الکتریکی حاصل شروع به جریان می کند و لامپ روشن می شود.

نمودار سلول گالوانیکی

اشتراکات ویکی مدیا

علاوه بر مواد آند و کاتد، جزء مهم منبع جریان شیمیایی، الکترولیت است که یون ها در داخل آن حرکت می کنند و در مرز آن، تمام واکنش های الکتروشیمیایی با الکترودها انجام می شود. در این مورد، الکترولیت لازم نیست مایع باشد - می تواند یک ماده پلیمری یا سرامیکی باشد.

عیب اصلی سلول گالوانیکی زمان کار محدود آن است. به محض اینکه واکنش کامل شود (یعنی کل آند به تدریج در حال حل شدن کاملاً مصرف شود) چنین عنصری به سادگی از کار می افتد.

باتری های قلیایی AA

قابل شارژ

اولین قدم برای گسترش قابلیت‌های منابع جریان شیمیایی، ایجاد باتری بود - منبع جریانی که می‌توان آن را دوباره شارژ کرد و در نتیجه دوباره از آن استفاده کرد. برای انجام این کار، دانشمندان به سادگی استفاده از واکنش های شیمیایی برگشت پذیر را پیشنهاد کردند. پس از تخلیه کامل باتری برای اولین بار، با استفاده از یک منبع جریان خارجی، می توان واکنشی را که در آن اتفاق افتاد در جهت مخالف شروع کرد. با این کار آن را به حالت اولیه باز می گرداند تا پس از شارژ مجدد، باتری دوباره مورد استفاده قرار گیرد.

باتری سرب اسید خودرو

امروزه انواع مختلفی از باتری ها ساخته شده اند که در نوع واکنش شیمیایی که در آنها رخ می دهد با هم تفاوت دارند. متداول ترین نوع باتری ها باتری های سرب اسیدی (یا به سادگی سرب) هستند که بر اساس واکنش اکسیداسیون و کاهش سرب هستند. چنین دستگاه هایی عمر مفید نسبتاً طولانی دارند و شدت انرژی آنها تا 60 وات ساعت بر کیلوگرم است. حتی اخیراً باتری‌های لیتیوم یونی بر اساس واکنش کاهش اکسیداسیون لیتیوم محبوب‌تر هستند. شدت انرژی باتری های لیتیوم یون مدرن اکنون از 250 وات ساعت بر کیلوگرم فراتر رفته است.

باتری لیتیوم یون برای تلفن همراه

مشکلات اصلی باتری های لیتیوم یونی، راندمان پایین آنها در دمای پایین، پیری سریع و افزایش خطر انفجار است. و با توجه به این واقعیت که فلز لیتیوم به طور بسیار فعال با آب واکنش می دهد تا گاز هیدروژن را تشکیل دهد و با سوختن باتری اکسیژن آزاد می شود، احتراق خود به خود باتری لیتیوم یون با روش های اطفاء حریق سنتی بسیار دشوار است. به منظور افزایش ایمنی چنین باتری و سرعت بخشیدن به زمان شارژ شدن آن، دانشمندان ماده کاتدی را پیشنهاد می کنند که از تشکیل ساختارهای لیتیومی دندریتی جلوگیری می کند و موادی را به الکترولیت اضافه می کند که باعث تشکیل ساختارهای انفجاری و اجزای مشتعل می شود. مراحل اولیه.

الکترولیت جامد

به عنوان یکی دیگر از راه‌های کمتر آشکار برای افزایش کارایی و ایمنی باتری‌ها، شیمیدانان پیشنهاد کرده‌اند که منابع جریان شیمیایی را به الکترولیت‌های مایع محدود نکنیم، بلکه یک منبع جریان کاملاً جامد ایجاد کنیم. در چنین دستگاه هایی به هیچ وجه اجزای مایع وجود ندارد، بلکه ساختار لایه ای از یک آند جامد، یک کاتد جامد و یک الکترولیت جامد بین آنها وجود دارد. الکترولیت به طور همزمان عملکرد یک غشا را انجام می دهد. حامل های بار در یک الکترولیت جامد بسته به ترکیب آن و واکنش هایی که در آند و کاتد انجام می شود، می توانند یون های مختلفی باشند. اما آنها همیشه یونهای به اندازه کافی کوچک هستند که می توانند نسبتا آزادانه در سراسر کریستال حرکت کنند، به عنوان مثال پروتون های H +، یون های لیتیوم Li + یا یون های اکسیژن O 2-.

پیل های سوختی هیدروژنی

قابلیت شارژ مجدد و اقدامات ایمنی ویژه باعث می‌شود باتری‌ها نسبت به باتری‌های معمولی منابع جریان بسیار امیدوارکننده‌تری داشته باشند، اما همچنان هر باتری حاوی مقدار محدودی معرف و در نتیجه منبع محدودی از انرژی است و هر بار باتری باید دوباره شارژ شود تا دوباره به حالت اولیه بازگردد. عملکرد.

برای ایجاد یک باتری "بی پایان"، می توانید از موادی که در داخل سلول هستند، بلکه از سوختی که مخصوصاً از طریق آن پمپ می شود، به عنوان منبع انرژی استفاده کنید. بهترین انتخاب برای چنین سوختی، ماده ای است که تا حد امکان از نظر ترکیب ساده، سازگار با محیط زیست و به وفور در زمین موجود باشد.

مناسب ترین ماده از این نوع گاز هیدروژن است. اکسیداسیون آن توسط اکسیژن اتمسفر برای تشکیل آب (طبق واکنش 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) یک واکنش ردوکس ساده است و انتقال الکترون ها بین یون ها نیز می تواند به عنوان منبع جریان مورد استفاده قرار گیرد. واکنشی که رخ می دهد نوعی واکنش معکوس به الکترولیز آب است (که در آن آب تحت تأثیر جریان الکتریکی به اکسیژن و هیدروژن تجزیه می شود) و چنین طرحی برای اولین بار در اواسط قرن نوزدهم ارائه شد. .

اما با وجود این واقعیت که مدار بسیار ساده به نظر می رسد، ایجاد یک دستگاه کارآمد بر اساس این اصل به هیچ وجه کار بی اهمیتی نیست. برای انجام این کار، جداسازی جریان های اکسیژن و هیدروژن در فضا، اطمینان از انتقال یون های لازم از طریق الکترولیت و کاهش تلفات احتمالی انرژی در تمام مراحل کار ضروری است.

نمودار شماتیک عملکرد یک پیل سوختی هیدروژنی

مدار یک پیل سوختی هیدروژنی در حال کار بسیار شبیه مدار منبع جریان شیمیایی است، اما حاوی کانال های اضافی برای تامین سوخت و اکسید کننده و حذف محصولات واکنش و گازهای اضافی عرضه شده است. الکترودهای موجود در چنین عنصری کاتالیزورهای رسانای متخلخل هستند. یک سوخت گازی (هیدروژن) به آند و یک عامل اکسید کننده (اکسیژن از هوا) به کاتد می رسد و در مرز هر الکترود با الکترولیت، نیمه واکنش خود را انجام می دهد (اکسایش هیدروژن و کاهش اکسیژن، به ترتیب). در این حالت بسته به نوع پیل سوختی و نوع الکترولیت، تشکیل آب خود می تواند یا در آند یا در فضای کاتد رخ دهد.

پیل سوختی هیدروژنی تویوتا

جوزف برنت / فلیکر

اگر الکترولیت یک پلیمر رسانای پروتون یا غشای سرامیکی، محلول اسیدی یا قلیایی باشد، حامل بار در الکترولیت یون های هیدروژن است. در این حالت، در آند، هیدروژن مولکولی به یون های هیدروژن اکسید می شود که از الکترولیت عبور می کند و با اکسیژن در آنجا واکنش می دهد. اگر حامل بار یون اکسیژن O 2- باشد، مانند الکترولیت اکسید جامد، اکسیژن در کاتد به یون کاهش می یابد، این یون از الکترولیت عبور می کند و هیدروژن را در آند اکسید می کند تا آب و آزاد شود. الکترون ها

علاوه بر واکنش اکسیداسیون هیدروژن، استفاده از انواع دیگر واکنش ها برای پیل های سوختی پیشنهاد شده است. به عنوان مثال، به جای هیدروژن، سوخت کاهنده می تواند متانول باشد که توسط اکسیژن به دی اکسید کربن و آب اکسید می شود.

کارایی پیل سوختی

علیرغم تمام مزایای پیل های سوختی هیدروژنی (مانند سازگاری با محیط زیست، راندمان تقریبا نامحدود، اندازه فشرده و شدت انرژی بالا)، آنها همچنین دارای معایبی هستند. اینها، اول از همه، پیری تدریجی اجزا و مشکلات در ذخیره سازی هیدروژن است. این دقیقاً چگونگی از بین بردن این کاستی ها است که امروزه دانشمندان روی آن کار می کنند.

در حال حاضر پیشنهاد می شود با تغییر ترکیب الکترولیت، خواص الکترود کاتالیزور و هندسه سیستم (که تامین گازهای سوختی به نقطه مورد نظر را تضمین می کند و عوارض جانبی را کاهش می دهد) راندمان پیل های سوختی افزایش یابد. برای حل مشکل ذخیره گاز هیدروژن، از مواد حاوی پلاتین استفاده می شود که برای اشباع آن، به عنوان مثال، غشاهای گرافن.

در نتیجه می توان پایداری پیل سوختی و طول عمر اجزای جداگانه آن را افزایش داد. اکنون ضریب تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی در چنین عناصری به 80 درصد می رسد و در شرایط خاص می تواند از این هم بیشتر شود.

چشم انداز عظیم انرژی هیدروژن با امکان ترکیب سلول های سوختی به باتری های کامل و تبدیل آنها به ژنراتورهای الکتریکی با قدرت بالا مرتبط است. در حال حاضر، ژنراتورهای الکتریکی که با پیل‌های سوختی هیدروژنی کار می‌کنند، تا چند صد کیلووات قدرت دارند و به عنوان منبع انرژی برای وسایل نقلیه استفاده می‌شوند.

ذخیره سازی الکتروشیمیایی جایگزین

علاوه بر منابع جریان الکتروشیمیایی کلاسیک، سیستم‌های غیرمعمول تری نیز به عنوان وسایل ذخیره‌سازی انرژی استفاده می‌شوند. یکی از این سیستم ها یک ابرخازن (یا یونیستور) است - دستگاهی که در آن جداسازی و تجمع بار به دلیل تشکیل یک لایه دوگانه در نزدیکی یک سطح باردار اتفاق می افتد. در رابط الکترود-الکترولیت در چنین دستگاهی، یون های علائم مختلف در دو لایه، به اصطلاح "لایه الکتریکی مضاعف" ردیف می شوند و نوعی خازن بسیار نازک را تشکیل می دهند. ظرفیت چنین خازن، یعنی مقدار بار انباشته شده، با سطح ویژه مواد الکترود تعیین می شود، بنابراین، استفاده از مواد متخلخل با حداکثر سطح ویژه به عنوان ماده ای مفید است. ابرخازنها.

یونیستورها از نظر سرعت شارژ در بین منابع جریان شیمیایی شارژ-دشارژ رکورددار هستند که مزیت بدون شک این نوع دستگاه ها می باشد. متاسفانه آنها رکورد سرعت تخلیه را نیز دارند. چگالی انرژی یونیستورها هشت برابر کمتر از باتری‌های سرب و ۲۵ برابر کمتر از باتری‌های لیتیوم یون است. یونیستورهای کلاسیک "دولایه" از واکنش الکتروشیمیایی به عنوان پایه خود استفاده نمی کنند و اصطلاح "خازن" با دقت بیشتری برای آنها به کار می رود. با این حال، در نسخه‌هایی از یونیستورها که مبتنی بر واکنش الکتروشیمیایی هستند و تجمع بار تا عمق الکترود گسترش می‌یابد، می‌توان با حفظ نرخ شارژ سریع، به زمان‌های تخلیه بالاتری دست یافت. تلاش توسعه دهندگان ابرخازن ها با هدف ایجاد دستگاه های هیبریدی با باتری هایی است که مزایای ابرخازن ها، در درجه اول سرعت شارژ بالا، و مزایای باتری ها - شدت انرژی بالا و زمان تخلیه طولانی را ترکیب می کند. در آینده ای نزدیک یک یونیستور باتری را تصور کنید که ظرف چند دقیقه شارژ می شود و یک لپ تاپ یا تلفن هوشمند را برای یک روز یا بیشتر تغذیه می کند!

علیرغم این واقعیت که اکنون چگالی انرژی ابرخازن ها هنوز چندین برابر چگالی انرژی باتری ها است، آنها در لوازم الکترونیکی مصرفی و برای موتورهای وسایل نقلیه مختلف از جمله بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند.

* * *

بنابراین، امروزه تعداد زیادی دستگاه الکتروشیمیایی وجود دارد که هر کدام برای کاربردهای خاص خود امیدوارکننده هستند. برای بهبود کارایی این دستگاه‌ها، دانشمندان نیاز به حل تعدادی از مشکلات اساسی و فنی دارند. اکثر این وظایف در چارچوب یکی از پروژه های پیشرفت در دانشگاه فدرال اورال انجام می شود، بنابراین ما از ماکسیم آنیف، مدیر موسسه الکتروشیمی دمای بالا شعبه اورال آکادمی علوم روسیه، پروفسور پرسیدیم. از گروه فناوری تولید الکتروشیمیایی مؤسسه فناوری شیمیایی دانشگاه فدرال اورال، برای صحبت در مورد برنامه‌های فوری و چشم‌انداز توسعه سلول‌های سوختی مدرن.

N+1: آیا جایگزینی برای محبوب ترین باتری های لیتیوم یون در حال حاضر در آینده نزدیک وجود دارد؟

ماکسیم آنانیف:تلاش های مدرن توسعه دهندگان باتری در جهت جایگزینی نوع حامل بار در الکترولیت از لیتیوم به سدیم، پتاسیم و آلومینیوم است. در نتیجه جایگزینی لیتیوم، کاهش هزینه باتری امکان پذیر خواهد بود، اگرچه ویژگی های وزن و اندازه به نسبت افزایش می یابد. به عبارت دیگر، با همان مشخصات الکتریکی، یک باتری سدیم یونی در مقایسه با باتری لیتیوم یونی بزرگتر و سنگین تر خواهد بود.

علاوه بر این، یکی از زمینه‌های در حال توسعه امیدوارکننده برای بهبود باتری‌ها، ایجاد منابع انرژی شیمیایی ترکیبی مبتنی بر ترکیب باتری‌های یون فلزی با الکترود هوا، مانند سلول‌های سوختی است. به طور کلی، جهت ایجاد سیستم های هیبریدی، همانطور که قبلاً با مثال ابرخازن ها نشان داده شد، ظاهراً در آینده نزدیک امکان مشاهده منابع انرژی شیمیایی در بازار با ویژگی های مصرف کننده بالا را فراهم خواهد کرد.

دانشگاه فدرال اورال، همراه با شرکای دانشگاهی و صنعتی در روسیه و جهان، امروز شش پروژه بزرگ را اجرا می‌کند که بر حوزه‌های پیشرفت علمی متمرکز است. یکی از این پروژه‌ها «فناوری‌های پیشرفته انرژی الکتروشیمیایی از طراحی شیمیایی مواد جدید تا دستگاه‌های الکتروشیمیایی نسل جدید برای حفظ و تبدیل انرژی» است.

گروهی از دانشمندان واحد دانشگاهی استراتژیک (SAE) دانشکده علوم طبیعی و ریاضی UrFU، که شامل ماکسیم آنایف است، در طراحی و توسعه مواد و فناوری‌های جدید، از جمله سلول‌های سوختی، سلول‌های الکترولیتی، فلز-گرافن مشغول هستند. باتری ها، سیستم های ذخیره انرژی الکتروشیمیایی و ابرخازن ها.

تحقیقات و کارهای علمی با همکاری دائمی با موسسه الکتروشیمی دمای بالا شعبه اورال آکادمی علوم روسیه و با حمایت شرکا انجام می شود.

کدام سلول های سوختی در حال حاضر در حال توسعه هستند و بیشترین پتانسیل را دارند؟

یکی از امیدوارکننده‌ترین انواع پیل‌های سوختی، عناصر پروتون-سرامیکی هستند. آنها نسبت به سلول های سوختی پلیمری با غشای تبادل پروتون و عناصر اکسید جامد برتری دارند، زیرا می توانند با تامین مستقیم سوخت هیدروکربنی کار کنند. این به طور قابل توجهی طراحی یک نیروگاه مبتنی بر سلول های سوختی پروتون-سرامیکی و سیستم کنترل را ساده می کند و بنابراین قابلیت اطمینان عملیاتی را افزایش می دهد. درست است، این نوع پیل سوختی در حال حاضر از نظر تاریخی کمتر توسعه یافته است، اما تحقیقات علمی مدرن به ما اجازه می دهد تا به پتانسیل بالای این فناوری در آینده امیدوار باشیم.

در حال حاضر در دانشگاه فدرال اورال به چه مشکلاتی مربوط به پیل های سوختی رسیدگی می شود؟

اکنون دانشمندان UrFU، همراه با مؤسسه الکتروشیمی با دمای بالا (IVTE) شعبه اورال آکادمی علوم روسیه، در حال کار بر روی ایجاد دستگاه‌های الکتروشیمیایی بسیار کارآمد و ژنراتورهای برق مستقل برای کاربرد در انرژی توزیع شده هستند. ایجاد نیروگاه برای انرژی توزیع شده در ابتدا مستلزم توسعه سیستم های هیبریدی مبتنی بر یک ژنراتور برق و یک دستگاه ذخیره سازی است که باتری ها هستند. در عین حال، پیل سوختی به طور مداوم کار می کند و بار را در ساعات اوج بار تأمین می کند و در حالت بیکار باتری را شارژ می کند که خود می تواند هم در صورت مصرف انرژی بالا و هم در مواقع اضطراری به عنوان یک ذخیره عمل کند.

بزرگترین موفقیت های شیمیدانان UrFU و IVTE در توسعه سلول های سوختی اکسید جامد و پروتون سرامیکی به دست آمده است. از سال 2016، در اورال، همراه با شرکت دولتی Rosatom، اولین تولید نیروگاه در روسیه بر اساس سلول های سوختی اکسید جامد ایجاد شده است. توسعه دانشمندان Ural قبلاً آزمایش‌های "تمام مقیاس" را در ایستگاه حفاظت کاتدی خط لوله گاز در سایت آزمایشی Uraltransgaz LLC گذرانده است. نیروگاه با توان نامی 1.5 کیلووات بیش از 10 هزار ساعت کار کرد و پتانسیل بالایی را برای استفاده از چنین وسایلی نشان داد.

در چارچوب آزمایشگاه مشترک UrFU و IVTE، توسعه دستگاه های الکتروشیمیایی مبتنی بر غشای سرامیکی رسانای پروتون در حال انجام است. این امر در آینده نزدیک کاهش دمای عملیاتی پیل‌های سوختی اکسید جامد را از 900 به 500 درجه سانتیگراد و کنار گذاشتن اصلاح اولیه سوخت‌های هیدروکربنی ممکن می‌سازد، در نتیجه ژنراتورهای الکتروشیمیایی مقرون به صرفه ایجاد می‌کند که قادر به کار در شرایط توسعه‌یافته هستند. زیرساخت های تامین گاز در روسیه

الکساندر دوبوف

سلول سوختی- چیه؟ کی و چگونه ظاهر شد؟ چرا این مورد نیاز است و چرا امروزه اغلب در مورد آنها صحبت می کنند؟ کاربردها، ویژگی ها و خواص آن چیست؟ پیشرفت غیرقابل توقف نیاز به پاسخ به همه این سوالات دارد!

پیل سوختی چیست؟

سلول سوختی- منبع جریان شیمیایی یا مولد الکتروشیمیایی است؛ وسیله ای است برای تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی. در زندگی مدرن، منابع انرژی شیمیایی در همه جا مورد استفاده قرار می گیرند و باتری تلفن های همراه، لپ تاپ، PDA و همچنین باتری در اتومبیل ها، منابع تغذیه بدون وقفه و غیره هستند. مرحله بعدی در توسعه این منطقه، توزیع گسترده پیل های سوختی خواهد بود و این یک واقعیت انکارناپذیر است.

تاریخچه پیل های سوختی

تاریخچه پیل‌های سوختی داستان دیگری در مورد این است که چگونه خواص ماده، زمانی که در زمین کشف شد، کاربرد گسترده‌ای در فضا پیدا کرد و در آغاز هزاره از آسمان به زمین بازگشت.

همه چیز در سال 1839 شروع شد، زمانی که شیمیدان آلمانی کریستین شونبین اصول پیل سوختی را در مجله فلسفی منتشر کرد. در همان سال، ویلیام رابرت گروو، یک انگلیسی و فارغ التحصیل دانشگاه آکسفورد، پیل گالوانیکی را طراحی کرد که بعداً سلول گالوانیکی گروو نامیده شد و به عنوان اولین پیل سوختی نیز شناخته شد. نام "پیل سوختی" به این اختراع در سالگرد آن - در سال 1889 داده شد. لودویگ موند و کارل لنگر نویسندگان این اصطلاح هستند.

کمی قبل از آن، در سال 1874، ژول ورن، در رمان جزیره اسرارآمیز خود، وضعیت فعلی انرژی را پیش بینی کرد و نوشت: "آب روزی به عنوان سوخت استفاده می شود، هیدروژن و اکسیژنی که از آن تشکیل شده است استفاده می شود."

در همین حال، تکنولوژی جدید منبع تغذیه به تدریج بهبود یافت و از دهه 50 قرن بیستم، یک سال بدون اعلام آخرین اختراعات در این زمینه نمی گذرد. در سال 1958، اولین تراکتور با پیل سوختی در ایالات متحده در سال 1959 ظاهر شد. منبع تغذیه 5 کیلووات برای دستگاه جوش و غیره آزاد شد. در دهه 70، فناوری هیدروژن به فضا پرتاب شد: هواپیماها و موتورهای موشکی با نیروی هیدروژن ظاهر شدند. در دهه 60، RSC Energia سلول های سوختی را برای برنامه قمری شوروی توسعه داد. برنامه Buran نیز بدون آنها نمی تواند کار کند: سلول های سوختی قلیایی 10 کیلووات توسعه یافته است. و در اواخر قرن، سلول های سوختی از ارتفاع صفر عبور کردند - از آنها برای تامین انرژی زیردریایی آلمانی استفاده شد. با بازگشت به زمین، اولین لوکوموتیو در سال 2009 در ایالات متحده به بهره برداری رسید. به طور طبیعی، روی سلول های سوختی.

در تمام تاریخ شگفت انگیز پیل های سوختی، نکته جالب این است که چرخ همچنان اختراع بشر است که در طبیعت مشابهی ندارد. واقعیت این است که در طراحی و اصل عملکرد آنها، سلول های سوختی شبیه به یک سلول بیولوژیکی هستند که در اصل یک پیل سوختی هیدروژن-اکسیژن مینیاتوری است. در نتیجه انسان بار دیگر چیزی را اختراع کرد که طبیعت میلیون ها سال از آن استفاده می کرد.

اصل عملکرد پیل های سوختی

اصل عملکرد پیل‌های سوختی حتی از برنامه درسی شیمی مدرسه نیز آشکار است، و دقیقاً این چیزی بود که در آزمایش‌های ویلیام گروو در سال 1839 بیان شد. مسئله این است که فرآیند الکترولیز آب (تفکیک آب) برگشت پذیر است.همانطور که درست است که وقتی جریان الکتریکی از آب عبور می‌کند، آب به هیدروژن و اکسیژن تقسیم می‌شود، عکس آن نیز صادق است: هیدروژن و اکسیژن را می‌توان برای تولید آب و برق ترکیب کرد. در آزمایش گروو، دو الکترود در محفظه‌ای قرار داده شدند که بخش‌های محدودی از هیدروژن و اکسیژن خالص تحت فشار وارد می‌شد. به دلیل حجم کم گاز و همچنین به دلیل خواص شیمیایی الکترودهای کربن، واکنش کندی در محفظه با آزاد شدن گرما، آب و از همه مهمتر ایجاد اختلاف پتانسیل بین الکترودها رخ داد.

ساده ترین پیل سوختی شامل یک غشای ویژه است که به عنوان الکترولیت استفاده می شود و در دو طرف آن الکترودهای پودری اعمال می شود. هیدروژن به یک طرف (آند) و اکسیژن (هوا) به طرف دیگر (کاتد) می رود. واکنش های شیمیایی مختلف در هر الکترود رخ می دهد. در آند، هیدروژن به مخلوطی از پروتون و الکترون تجزیه می شود. در برخی از پیل‌های سوختی، الکترودها توسط یک کاتالیزور احاطه شده‌اند که معمولاً از پلاتین یا سایر فلزات نجیب ساخته شده است که واکنش تجزیه را افزایش می‌دهد:

2H 2 → 4H + + 4e -

که در آن H2 یک مولکول هیدروژن دو اتمی است (شکلی که در آن هیدروژن به صورت گاز وجود دارد). H + - هیدروژن یونیزه (پروتون)؛ e - - الکترون.

در سمت کاتد پیل سوختی، پروتون‌ها (که از الکترولیت عبور کرده‌اند) و الکترون‌ها (که از بار خارجی عبور کرده‌اند) دوباره ترکیب می‌شوند و با اکسیژن عرضه‌شده به کاتد واکنش می‌دهند و آب تشکیل می‌دهند:

4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O

واکنش کلدر پیل سوختی به این صورت نوشته شده است:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

عملکرد یک پیل سوختی بر این واقعیت استوار است که الکترولیت اجازه می دهد تا پروتون ها از آن عبور کنند (به سمت کاتد)، اما الکترون ها این کار را نمی کنند. الکترون ها در طول یک مدار رسانای خارجی به کاتد حرکت می کنند. این حرکت الکترون ها یک جریان الکتریکی است که می تواند برای به حرکت درآوردن یک وسیله خارجی متصل به پیل سوختی (یک بار، مانند یک لامپ) استفاده شود:

سلول های سوختی از سوخت هیدروژن و اکسیژن برای کار استفاده می کنند. ساده ترین راه با اکسیژن است - از هوا گرفته می شود. هیدروژن را می توان مستقیماً از یک ظرف خاص یا با جداسازی آن از یک منبع سوخت خارجی (گاز طبیعی، بنزین یا متیل الکل - متانول) تامین کرد. در مورد منبع خارجی، برای استخراج هیدروژن باید از نظر شیمیایی تبدیل شود. در حال حاضر، بیشتر فناوری‌های پیل سوختی در حال توسعه برای دستگاه‌های قابل حمل از متانول استفاده می‌کنند.

ویژگی های پیل های سوختی

سلول های سوختی مشابه باتری های موجود هستند به این معنا که در هر دو مورد انرژی الکتریکی از انرژی شیمیایی به دست می آید. اما تفاوت های اساسی نیز وجود دارد:
- آنها فقط تا زمانی کار می کنند که سوخت و اکسید کننده از یک منبع خارجی تامین شود (یعنی نمی توانند انرژی الکتریکی را ذخیره کنند).
- ترکیب شیمیایی الکترولیت در حین کار تغییر نمی کند (پیل سوختی نیازی به شارژ مجدد ندارد)
- آنها کاملاً مستقل از برق هستند (در حالی که باتری های معمولی انرژی را از شبکه اصلی ذخیره می کنند).
هر پیل سوختی ایجاد می کند ولتاژ در 1که در. ولتاژ بالاتر با اتصال سری آنها به دست می آید. افزایش قدرت (جریان) از طریق اتصال موازی آبشارهای سلول های سوختی متصل به سری انجام می شود.
در پیل های سوختی هیچ محدودیت جدی در کارایی وجود نداردمانند موتورهای حرارتی (بازده چرخه کارنو بالاترین بازده ممکن در بین تمام موتورهای حرارتی با حداقل و حداکثر دما یکسان است).
بازدهی بالااز طریق تبدیل مستقیم انرژی سوخت به برق حاصل می شود. هنگامی که مجموعه دیزل ژنراتور ابتدا سوخت را می سوزاند، بخار یا گاز حاصل، یک توربین یا شفت موتور احتراق داخلی را می چرخاند که به نوبه خود یک ژنراتور الکتریکی را می چرخاند. نتیجه حداکثر بازدهی 42٪ است، اما بیشتر اوقات حدود 35-38٪ است. علاوه بر این، به دلیل پیوندهای زیاد، و همچنین به دلیل محدودیت های ترمودینامیکی در حداکثر بازده موتورهای حرارتی، بعید است که راندمان موجود بیشتر شود. برای پیل های سوختی موجود راندمان 60-80٪,
کارایی تقریبا به ضریب بار بستگی ندارد,
ظرفیت چندین برابر استنسبت به باتری های موجود،
کامل بدون انتشارات مضر برای محیط زیست. فقط بخار آب خالص و انرژی حرارتی آزاد می شود (بر خلاف دیزل ژنراتورها که اگزوزهای آلاینده دارند و نیاز به حذف آنها دارند).

انواع پیل سوختی

سلول های سوختی طبقه بندی شدهبا توجه به خصوصیات زیر:

با توجه به سوخت مصرفی
با فشار و دمای عملیاتی،
با توجه به ماهیت برنامه

به طور کلی موارد زیر متمایز می شوند: انواع پیل های سوختی:

سلول های سوختی اکسید جامد (SOFC)؛
پیل سوختی با پیل سوختی غشایی مبادله پروتون (PEMFC).
پیل سوختی برگشت پذیر (RFC)؛
پیل سوختی مستقیم متانول (DMFC)؛
سلول های سوختی کربنات مذاب (MCFC)؛
پیل های سوختی اسید فسفریک (PAFC)؛
پیل های سوختی قلیایی (AFC).

یکی از انواع پیل سوختی که در دماها و فشارهای معمولی با استفاده از هیدروژن و اکسیژن کار می کند، سلول غشایی تبادل یونی است. آب حاصل، الکترولیت جامد را حل نمی کند، به سمت پایین جریان می یابد و به راحتی حذف می شود.

مشکلات پیل سوختی

مشکل اصلی پیل های سوختی مربوط به نیاز به هیدروژن "بسته بندی شده" است که می توان آزادانه آن را خریداری کرد. بدیهی است که مشکل باید با گذشت زمان حل شود، اما در حال حاضر وضعیت لبخند خفیفی برانگیخته است: اول چه چیزی می آید - مرغ یا تخم مرغ؟ سلول های سوختی هنوز به اندازه کافی برای ساخت کارخانه های هیدروژن توسعه نیافته اند، اما پیشرفت آنها بدون این کارخانه ها غیرقابل تصور است. در اینجا به مشکل منبع هیدروژن اشاره می کنیم. در حال حاضر هیدروژن از گاز طبیعی تولید می شود، اما افزایش هزینه های انرژی باعث افزایش قیمت هیدروژن نیز می شود. در عین حال، در هیدروژن حاصل از گاز طبیعی، وجود CO و H 2 S (سولفید هیدروژن) اجتناب ناپذیر است که کاتالیزور را مسموم می کند.
کاتالیزورهای معمولی پلاتین از یک فلز بسیار گران قیمت و غیر قابل تعویض - پلاتین استفاده می کنند. اما قرار است این مشکل با استفاده از کاتالیزورهای مبتنی بر آنزیم ها که ماده ای ارزان و به راحتی تولید می شوند، حل شود.
گرمای تولید شده نیز مشکل ساز است. اگر گرمای تولید شده به کانال های مفید هدایت شود - برای تولید انرژی حرارتی برای سیستم گرمایشی، استفاده از آن به عنوان گرمای اتلاف در ماشین های تبرید جذبی و غیره، راندمان به شدت افزایش می یابد.

سلول های سوختی متانول (DMFC): کاربردهای واقعی

امروزه بیشترین علاقه عملی، پیل های سوختی مستقیم مبتنی بر متانول (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) است. لپ‌تاپ Portege M100 که روی پیل سوختی DMFC کار می‌کند به شکل زیر است:

یک مدار سلولی معمولی DMFC، علاوه بر آند، کاتد و غشاء، شامل چندین جزء اضافی است: یک کارتریج سوخت، یک سنسور متانول، یک پمپ گردش سوخت، یک پمپ هوا، یک مبدل حرارتی و غیره.

به عنوان مثال، زمان کار یک لپ تاپ در مقایسه با باتری ها 4 برابر (تا 20 ساعت)، یک تلفن همراه - تا 100 ساعت در حالت فعال و تا شش ماه در حالت آماده به کار برنامه ریزی شده است. شارژ مجدد با افزودن بخشی از متانول مایع انجام می شود.

وظیفه اصلی یافتن گزینه هایی برای استفاده از محلول متانول با بالاترین غلظت آن است. مشکل این است که متانول یک سم نسبتاً قوی است که در دوزهای چند ده گرمی کشنده است. اما غلظت متانول به طور مستقیم بر مدت زمان کار تاثیر می گذارد. اگر قبلاً از محلول متانول 3-10٪ استفاده می شد، تلفن های همراه و PDA ها با استفاده از محلول 50٪ قبلاً ظاهر شده اند و در سال 2008، در شرایط آزمایشگاهی، متخصصان MTI MicroFuel Cells و کمی بعد توشیبا سلول های سوختی را به دست آوردند. روی متانول خالص

سلول های سوختی آینده هستند!

در نهایت، آینده آشکار پیل‌های سوختی با این واقعیت نشان می‌دهد که سازمان بین‌المللی IEC (کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک)، که استانداردهای صنعتی دستگاه‌های الکترونیکی را تعیین می‌کند، قبلاً از ایجاد یک کارگروه برای توسعه استاندارد بین‌المللی پیل‌های سوختی مینیاتوری خبر داده است. .

پیل سوختی چیست؟

تاریخچه پیل های سوختی

در همین حال، تکنولوژی جدید منبع تغذیه به تدریج بهبود یافت و از دهه 50 قرن بیستم، یک سال بدون اعلام آخرین اختراعات در این زمینه نمی گذرد. در سال 1958، اولین تراکتور با پیل سوختی در ایالات متحده در سال 1959 ظاهر شد. منبع تغذیه 5 کیلووات برای دستگاه جوش و غیره آزاد شد. در دهه 70، فناوری هیدروژن به فضا پرتاب شد: هواپیماها و موتورهای موشکی با نیروی هیدروژن ظاهر شدند. در دهه 60، RSC Energia سلول های سوختی را برای برنامه قمری شوروی توسعه داد. برنامه Buran نیز بدون آنها نمی تواند کار کند: سلول های سوختی قلیایی 10 کیلووات توسعه یافته است. و در اواخر قرن، سلول های سوختی از ارتفاع صفر از سطح دریا عبور کردند - بر اساس آنها، منبع تغذیهزیردریایی آلمانی با بازگشت به زمین، اولین لوکوموتیو در سال 2009 در ایالات متحده به بهره برداری رسید. به طور طبیعی، روی سلول های سوختی.

اصل عملکرد پیل های سوختی

2H 2 → 4H + + 4e -

4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O

واکنش کلدر پیل سوختی به این صورت نوشته شده است:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

ویژگی های پیل های سوختی

سلول های سوختی مشابه باتری های موجود هستند به این معنا که در هر دو مورد انرژی الکتریکی از انرژی شیمیایی به دست می آید. اما تفاوت های اساسی نیز وجود دارد:

آنها فقط تا زمانی کار می کنند که سوخت و اکسید کننده از یک منبع خارجی تامین شود (یعنی نمی توانند انرژی الکتریکی را ذخیره کنند).
ترکیب شیمیایی الکترولیت در حین کار تغییر نمی کند (پیل سوختی نیازی به شارژ مجدد ندارد)
آنها کاملاً مستقل از برق هستند (در حالی که باتری های معمولی انرژی را از شبکه اصلی ذخیره می کنند).

هر پیل سوختی ایجاد می کند ولتاژ 1 ولت. ولتاژ بالاتر با اتصال سری آنها به دست می آید. افزایش قدرت (جریان) از طریق اتصال موازی آبشارهای سلول های سوختی متصل به سری انجام می شود.

در پیل های سوختی هیچ محدودیت جدی در کارایی وجود نداردمانند موتورهای حرارتی (بازده چرخه کارنو بالاترین بازده ممکن در بین تمام موتورهای حرارتی با حداقل و حداکثر دما یکسان است).

بازدهی بالااز طریق تبدیل مستقیم انرژی سوخت به برق حاصل می شود. هنگامی که مجموعه دیزل ژنراتور ابتدا سوخت را می سوزاند، بخار یا گاز حاصل، یک توربین یا شفت موتور احتراق داخلی را می چرخاند که به نوبه خود یک ژنراتور الکتریکی را می چرخاند. نتیجه حداکثر بازدهی 42٪ است، اما بیشتر اوقات حدود 35-38٪ است. علاوه بر این، به دلیل پیوندهای زیاد، و همچنین به دلیل محدودیت های ترمودینامیکی در حداکثر بازده موتورهای حرارتی، بعید است که راندمان موجود بیشتر شود. برای پیل های سوختی موجود راندمان 60-80٪,

کارایی تقریبا به ضریب بار بستگی ندارد,

ظرفیت چندین برابر استنسبت به باتری های موجود،

کامل بدون انتشارات مضر برای محیط زیست. فقط بخار آب خالص و انرژی حرارتی آزاد می شود (بر خلاف دیزل ژنراتورها که اگزوزهای آلاینده دارند و نیاز به حذف آنها دارند).

انواع پیل سوختی

سلول های سوختی طبقه بندی شدهبا توجه به خصوصیات زیر:

با توجه به سوخت مصرفی

با فشار و دمای عملیاتی،

با توجه به ماهیت برنامه

به طور کلی موارد زیر متمایز می شوند: انواع پیل های سوختی:

سلول های سوختی اکسید جامد (SOFC)؛

پیل سوختی با پیل سوختی غشایی مبادله پروتون (PEMFC).

پیل سوختی برگشت پذیر (RFC)؛

پیل سوختی مستقیم متانول (DMFC)؛

سلول های سوختی کربنات مذاب (MCFC)؛

پیل های سوختی اسید فسفریک (PAFC)؛

پیل های سوختی قلیایی (AFC).

مشکلات پیل سوختی

مشکل اصلی پیل های سوختی مربوط به نیاز به هیدروژن "بسته بندی شده" است که می توان آزادانه آن را خریداری کرد. بدیهی است که مشکل باید با گذشت زمان حل شود، اما در حال حاضر وضعیت لبخند خفیفی برانگیخته است: اول چه چیزی می آید - مرغ یا تخم مرغ؟ سلول های سوختی هنوز به اندازه کافی برای ساخت کارخانه های هیدروژن توسعه نیافته اند، اما پیشرفت آنها بدون این کارخانه ها غیرقابل تصور است. در اینجا به مشکل منبع هیدروژن اشاره می کنیم. در حال حاضر هیدروژن از گاز طبیعی تولید می شود، اما افزایش هزینه های انرژی باعث افزایش قیمت هیدروژن نیز می شود. در عین حال، در هیدروژن حاصل از گاز طبیعی، وجود CO و H 2 S (سولفید هیدروژن) اجتناب ناپذیر است که کاتالیزور را مسموم می کند.

کاتالیزورهای معمولی پلاتین از یک فلز بسیار گران قیمت و غیر قابل تعویض - پلاتین استفاده می کنند. اما قرار است این مشکل با استفاده از کاتالیزورهای مبتنی بر آنزیم ها که ماده ای ارزان و به راحتی تولید می شوند، حل شود.

گرمای تولید شده نیز مشکل ساز است. راندمان به شدت افزایش می یابد اگر گرمای تولید شده به یک کانال مفید هدایت شود - برای تولید انرژی حرارتی برای سیستم گرمایش، استفاده از آن به عنوان گرمای اتلاف در جذب. ماشین های تبریدو غیره

سلول های سوختی متانول (DMFC): کاربردهای واقعی

سلول های سوختی آینده هستند!