انواع پیل سوختی چگونه کار می کند

پیل سوختی یک وسیله تبدیل انرژی الکتروشیمیایی است که هیدروژن و اکسیژن را از طریق یک واکنش شیمیایی به الکتریسیته تبدیل می کند. در نتیجه این فرآیند آب تشکیل می شود و مقدار زیادی گرما آزاد می شود. پیل سوختی بسیار شبیه باتری است که می توان آن را شارژ کرد و سپس از آن استفاده کرد انرژی الکتریکی.
ویلیام آر گروو را مخترع پیل سوختی می دانند که در سال 1839 آن را اختراع کرد. در این پیل سوختی از محلول اسید سولفوریک به عنوان الکترولیت و هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می شد که با اکسیژن ترکیب می شد. یک عامل اکسید کننده لازم به ذکر است که تا همین اواخر از پیل های سوختی فقط در آزمایشگاه ها و فضاپیماها استفاده می شد.
در آینده، پیل‌های سوختی قادر خواهند بود با بسیاری دیگر از سیستم‌های تبدیل انرژی (از جمله توربین‌های گاز در نیروگاه‌ها)، موتورهای احتراق داخلی در خودروها و باتری‌های الکتریکی در دستگاه‌های قابل حمل رقابت کنند. موتورها احتراق داخلیسوخت را بسوزانید و از فشار ایجاد شده در اثر انبساط گازهای آزاد شده در حین احتراق استفاده کنید کارهای مکانیکی. باتری ها انرژی الکتریکی را ذخیره می کنند، سپس آن را به انرژی شیمیایی تبدیل می کنند که در صورت لزوم می توان آن را دوباره به انرژی الکتریکی تبدیل کرد. سلول های سوختی به طور بالقوه بسیار کارآمد هستند. در سال 1824، دانشمند فرانسوی کارنو ثابت کرد که چرخه های فشرده سازی-انبساط یک موتور احتراق داخلی نمی تواند بازده تبدیل انرژی حرارتی (که انرژی شیمیایی سوختن سوخت است) را به انرژی مکانیکی بالاتر از 50٪ تضمین کند. یک پیل سوختی هیچ قسمت متحرکی ندارد (حداقل نه در خود سلول) و بنابراین از قانون کارنو تبعیت نمی کند. به طور طبیعی، آنها بیش از 50 درصد راندمان خواهند داشت و به ویژه در بارهای کم موثر هستند. بنابراین، خودروهای پیل سوختی در شرایط رانندگی در دنیای واقعی آماده هستند (و قبلاً ثابت شده‌اند) مصرف سوخت بیشتری نسبت به خودروهای معمولی دارند.
پیل سوختی یک جریان الکتریکی با ولتاژ ثابت تولید می کند که می تواند برای به حرکت درآوردن موتور الکتریکی، روشنایی و سایر سیستم های الکتریکی در خودرو استفاده شود. چندین نوع وجود دارد سلول های سوختی، در فرآیندهای شیمیایی مورد استفاده متفاوت است. پیل های سوختی معمولا بر اساس نوع الکترولیت مورد استفاده طبقه بندی می شوند. برخی از انواع پیل‌های سوختی برای نیروی محرکه نیروگاه امیدوارکننده هستند، در حالی که برخی دیگر ممکن است برای دستگاه‌های کوچک قابل حمل یا برای تامین انرژی خودروها مفید باشند.
پیل سوختی قلیایی یکی از اولین سلول هایی است که ساخته شده است. آنها از دهه 1960 در برنامه فضایی ایالات متحده مورد استفاده قرار گرفتند. چنین پیل های سوختی بسیار حساس به آلودگی هستند و بنابراین به هیدروژن و اکسیژن بسیار خالص نیاز دارند. آنها همچنین بسیار گران هستند، به این معنی که این نوع پیل سوختی احتمالاً در خودروها استفاده گسترده ای نخواهد داشت.
پیل های سوختی مبتنی بر اسید فسفریک می توانند در تاسیسات ثابت کم مصرف کاربرد داشته باشند. آنها در دماهای نسبتاً بالا کار می کنند و بنابراین گرم شدن طولانی مدت طول می کشد، که همچنین باعث می شود استفاده از آنها در اتومبیل ها ناکارآمد باشد.
پیل‌های سوختی اکسید جامد برای ژنراتورهای بزرگ برق ثابت که می‌توانند برق کارخانه‌ها یا جوامع را تامین کنند، مناسب‌تر هستند. این نوع پیل سوختی با سرعت بسیار بالایی کار می کند دمای بالا(حدود 1000 درجه سانتیگراد). دمای بالای کار مشکلات خاصی را ایجاد می کند، اما از طرف دیگر یک مزیت وجود دارد - بخار تولید شده توسط سلول سوختی می تواند به توربین ها ارسال شود تا برق بیشتری تولید کند. به طور کلی، این کارایی کلی سیستم را بهبود می بخشد.
یکی از سیستم های امیدوار کننده، سلول سوختی غشای تبادل پروتون (PEMFC - Protone Exchange Membrane Fuel Cell) است. که در در حال حاضراین نوع پیل سوختی امیدوارکننده ترین است زیرا می تواند ماشین ها، اتوبوس ها و سایر وسایل نقلیه را تامین کند.

فرآیندهای شیمیایی در پیل سوختی

سلول های سوختی از فرآیند الکتروشیمیایی برای ترکیب هیدروژن با اکسیژن به دست آمده از هوا استفاده می کنند. همانطور که در باتری هاسلول های سوختی از الکترودها (رسانای الکتریکی جامد) در یک الکترولیت (یک محیط رسانای الکتریکی) استفاده می کنند. هنگامی که مولکول های هیدروژن با الکترود منفی (آند) تماس پیدا می کنند، الکترود دوم به پروتون و الکترون جدا می شود. پروتون ها از طریق یک غشای تبادل پروتون (POEM) به الکترود مثبت (کاتد) پیل سوختی می روند و الکتریسیته تولید می کنند. اتفاق می افتد ترکیب شیمیاییمولکول های هیدروژن و اکسیژن برای تشکیل آب به عنوان محصول جانبی این واکنش. تنها نوع انتشار از پیل سوختی بخار آب است.
الکتریسیته تولید شده توسط سلول های سوختی را می توان در پیشرانه الکتریکی خودرو (شامل یک مبدل قدرت الکتریکی و موتور آسنکرونجریان متناوب) برای تولید انرژی مکانیکی برای رانندگی یک وسیله نقلیه. وظیفه مبدل برق این است که جریان مستقیم تولید شده توسط پیل های سوختی را به جریان متناوب تبدیل کند که موتور کشش خودرو را به کار می اندازد.

نمودار یک پیل سوختی با غشای تبادل پروتون:
1 - آند؛
2 - غشای تبادل پروتون (PEM);
3 - کاتالیزور (قرمز)؛
4 - کاتد

پیل سوختی غشای تبادل پروتون (PEMFC) یکی از ساده ترین واکنش ها را در بین هر پیل سوختی به کار می برد.

پیل سوختی تک سلولی

بیایید به نحوه عملکرد پیل سوختی نگاه کنیم. آند، پایانه منفی پیل سوختی، الکترون‌هایی را هدایت می‌کند که از مولکول‌های هیدروژن آزاد می‌شوند تا بتوان از آنها در مدار الکتریکی خارجی استفاده کرد. برای انجام این کار، کانال هایی در آن حک شده و هیدروژن را به طور مساوی در کل سطح کاتالیزور توزیع می کند. کاتد (قطب مثبت پیل سوختی) دارای کانال هایی است که اکسیژن را در سطح کاتالیزور توزیع می کند. همچنین الکترون ها را از حلقه بیرونی (مدار) به کاتالیزور هدایت می کند، جایی که می توانند با یون های هیدروژن و اکسیژن ترکیب شوند و آب را تشکیل دهند. الکترولیت یک غشای تبادل پروتون است. این ماده خاصی است که شبیه پلاستیک معمولی است، اما این توانایی را دارد که به یون های دارای بار مثبت اجازه عبور داده و عبور الکترون ها را مسدود کند.
کاتالیزور - مواد خاصکه واکنش بین اکسیژن و هیدروژن را تسهیل می کند. کاتالیزور معمولاً از پودر پلاتین ساخته می شود که در یک لایه بسیار نازک روی کاغذ یا پارچه کربن اعمال می شود. کاتالیزور باید خشن و متخلخل باشد تا سطح آن حداکثر با هیدروژن و اکسیژن تماس پیدا کند. سمت پوشیده شده با پلاتین کاتالیزور در مقابل غشای تبادل پروتون (PEM) قرار دارد.
گاز هیدروژن (H2) تحت فشار آند به پیل سوختی عرضه می شود. هنگامی که یک مولکول H2 با پلاتین روی کاتالیزور تماس پیدا می کند، به دو قسمت، دو یون (H+) و دو الکترون (e–) تقسیم می شود. الکترون ها از طریق آند هدایت می شوند، جایی که آنها از یک حلقه خارجی (مدار) عبور می کنند و کارهای مفیدی را انجام می دهند (مانند راندن یک موتور الکتریکی) و به سمت کاتد پیل سوختی باز می گردند.
در همین حال، در سمت کاتد پیل سوختی، گاز اکسیژن (O 2) از طریق کاتالیزور عبور می کند، جایی که دو اتم اکسیژن را تشکیل می دهد. هر یک از این اتم ها دارای بار منفی قوی هستند که دو یون H+ را در سراسر غشاء جذب می کند، جایی که آنها با یک اتم اکسیژن و دو الکترون از مدار بیرونی ترکیب می شوند و یک مولکول آب (H 2 O) تشکیل می دهند.
این واکنش در یک پیل سوختی تقریباً 0.7 وات نیرو تولید می کند. برای بالا بردن توان به سطح مورد نیاز، بسیاری از پیل‌های سوختی جداگانه باید ترکیب شوند تا یک پشته پیل سوختی تشکیل شود.
پیل های سوختی POM در دمای نسبتاً پایین (حدود 80 درجه سانتیگراد) کار می کنند، به این معنی که می توان آنها را به سرعت به دمای عملیاتی رساند و نیازی به آن ندارند. سیستم های گران قیمتخنک کننده پیشرفت مداوم در فناوری و مواد به کار رفته در این سلول‌ها، قدرت آنها را به سطحی نزدیک‌تر کرده است که باتری چنین پیل‌های سوختی که بخش کوچکی از صندوق عقب خودرو را اشغال می‌کند، می‌تواند انرژی مورد نیاز برای راندن خودرو را تامین کند.
در طول سال‌های گذشته، اکثر خودروسازان پیشرو در جهان سرمایه‌گذاری زیادی در توسعه طرح‌های خودرویی که از سلول‌های سوختی استفاده می‌کنند، انجام داده‌اند. بسیاری قبلاً خودروهای پیل سوختی را با ویژگی‌های قدرت و عملکرد رضایت‌بخش نشان داده‌اند، اگرچه بسیار گران بودند.
بهبود طراحی چنین خودروهایی بسیار فشرده است.

خودروی پیل سوختی از یک نیروگاه واقع در زیر کف خودرو استفاده می کند

NECAR V بر اساس یک خودروی کلاس A مرسدس بنز ساخته شده است که کل نیروگاه به همراه سلول های سوختی در زیر کف خودرو قرار دارد. این راه حل طراحی امکان قرار دادن چهار سرنشین و چمدان در خودرو را فراهم می کند. در اینجا نه هیدروژن، بلکه از متانول به عنوان سوخت خودرو استفاده می شود. متانول با استفاده از یک ریفرمر (دستگاهی که متانول را به هیدروژن تبدیل می کند) به هیدروژن لازم برای تامین انرژی پیل سوختی تبدیل می شود. استفاده از یک اصلاح کننده در داخل خودرو امکان استفاده از تقریباً هر هیدروکربنی را به عنوان سوخت فراهم می کند که به شما امکان می دهد با استفاده از شبکه موجود پمپ بنزین خودروی پیل سوختی را سوخت گیری کنید. در تئوری، پیل های سوختی چیزی جز برق و آب تولید نمی کنند. تبدیل سوخت (بنزین یا متانول) به هیدروژن مورد نیاز یک پیل سوختی تا حدودی جذابیت زیست محیطی چنین خودرویی را کاهش می دهد.
هوندا که از سال 1989 در پیل های سوختی فعالیت می کند، در سال 2003 دسته کوچکی از خودروهای هوندا FCX-V4 را با سلول های سوختی مبادله پروتون غشایی بالارد تولید کرد. این پیل‌های سوختی 78 کیلووات توان الکتریکی تولید می‌کنند و موتورهای الکتریکی کششی با قدرت 60 کیلووات و گشتاور 272 نیوتن‌متر برای به حرکت درآوردن چرخ‌های محرک استفاده می‌شوند. یک خودروی پیل سوختی در مقایسه با خودروی سنتی، وزنی تقریباً معادل دارد. 40٪ کمتر، که تضمین می کند پویایی عالی دارد، و تامین هیدروژن فشرده به آن اجازه می دهد تا 355 کیلومتر دویدن داشته باشد.

هوندا FCX از انرژی الکتریکی تولید شده توسط سلول های سوختی برای رانندگی استفاده می کند.
هوندا FCX اولین خودروی پیل سوختی جهان است که گواهینامه دولتی در ایالات متحده دریافت کرده است. این خودرو دارای گواهینامه ZEV - Zero Emission Vehicle است. هوندا هنوز قصد فروش این خودروها را ندارد، اما در حال اجاره حدود 30 خودرو در هر واحد است. کالیفرنیا و توکیو، جایی که زیرساخت های سوخت گیری هیدروژن در حال حاضر وجود دارد.

خودروی مفهومی Hy Wire جنرال موتورز دارای پیشرانه پیل سوختی است

جنرال موتورز در حال انجام تحقیقات گسترده ای در زمینه توسعه و ایجاد خودروهای سلول سوختی است.

شاسی ماشین های وایر

خودروی مفهومی GM Hy Wire 26 اختراع ثبت کرده است. اساس خودرو یک پلت فرم کاربردی با ضخامت 150 میلی متر است. در داخل این پلت فرم مخازن هیدروژن، یک پیشرانه پیل سوختی و سیستم های کنترل خودرو با استفاده از آخرین فناوری های درایو با سیم قرار دارند. شاسی خودروی Hy Wire یک پلت فرم نازک است که تمام عناصر ساختاری اصلی خودرو را در بر می گیرد: مخازن هیدروژن، سلول های سوختی، باتری ها، موتورهای الکتریکی و سیستم های کنترل. این رویکرد طراحی امکان تغییر بدنه خودرو را در حین کار میسر می کند.این شرکت همچنین در حال آزمایش نمونه اولیه خودروهای پیل سوختی Opel و طراحی کارخانه ای برای تولید پیل سوختی است.

طراحی مخزن سوخت هیدروژن مایع "ایمن".:
1 - دستگاه پرکن؛
2 - مخزن خارجی;
3 - پشتیبانی می کند.
4 - سنسور سطح;
5 - مخزن داخلی;
6 - خط پر کردن؛
7 - عایق و خلاء;
8 - بخاری؛
9 - جعبه نصب

BMW به مشکل استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت خودروها توجه زیادی دارد. ب ام و همراه با Magna Steyer که به دلیل کارش در زمینه استفاده از هیدروژن مایع در اکتشافات فضایی مشهور است، مخزن سوختی برای هیدروژن مایع ساخته است که می تواند در خودروها استفاده شود.

آزمایشات ایمنی استفاده از مخزن سوخت هیدروژن مایع را تایید کرده است

این شرکت یک سری آزمایش برای ایمنی سازه با استفاده از روش های استاندارد انجام داد و قابلیت اطمینان آن را تأیید کرد.
در سال 2002، در نمایشگاه خودرو در فرانکفورت آم ماین (آلمان)، مینی کوپر هیدروژن که از هیدروژن مایع به عنوان سوخت استفاده می کند، به نمایش گذاشته شد. باک بنزین این خودرو همان فضای باک بنزین معمولی را اشغال می کند. هیدروژن در این خودرو برای پیل های سوختی استفاده نمی شود، بلکه به عنوان سوخت موتور احتراق داخلی استفاده می شود.

اولین خودروی تولیدی جهان با پیل سوختی به جای باتری

در سال 2003، BMW از تولید اولین خودروی تولیدی با سلول سوختی، BMW 750 hL خبر داد. به جای باتری سنتی از باتری پیل سوختی استفاده می شود. این خودرو دارای یک موتور احتراق داخلی 12 سیلندر است که با هیدروژن کار می کند و پیل سوختی به عنوان جایگزینی برای باتری های معمولی عمل می کند و به کولر و سایر مصرف کنندگان برق اجازه می دهد زمانی که خودرو برای مدت طولانی بدون موتور کار می کند، کار کنند.

پر کردن هیدروژن توسط یک ربات انجام می شود، راننده در این فرآیند دخالت ندارد

همین شرکت BMW همچنین دستگاه‌های سوخت‌گیری رباتیکی را توسعه داده است که سوخت‌گیری سریع و ایمن خودروها را با هیدروژن مایع فراهم می‌کند.
ظاهر در سال های گذشته مقدار زیادتحولات با هدف ایجاد خودروهایی با استفاده از سوخت‌های جایگزین و پیشرانه‌های جایگزین نشان می‌دهد که موتورهای احتراق داخلی که در قرن گذشته بر خودروها تسلط داشته‌اند، سرانجام جای خود را به طراحی‌های تمیزتر، کارآمدتر و بی‌صداتر خواهند داد. توزیع گسترده آنها در این لحظهمحدود به مشکلات فنی نیست، بلکه مشکلات اقتصادی و اجتماعی است. برای استفاده گسترده از آنها، ایجاد زیرساخت خاصی برای توسعه تولید ضروری است انواع جایگزینسوخت، ایجاد و توزیع پمپ بنزین های جدید و غلبه بر تعدادی موانع روانی. استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت خودرو مستلزم پرداختن به مسائل مربوط به ذخیره سازی، تحویل و توزیع، با اقدامات ایمنی جدی است.
هیدروژن از نظر تئوری در مقادیر نامحدود موجود است، اما تولید آن بسیار انرژی بر است. علاوه بر این، برای تبدیل خودروها به سوخت هیدروژنی، لازم است دو تغییر بزرگ در سیستم قدرت ایجاد شود: اول، تغییر عملکرد آن از بنزین به متانول، و سپس، طی مدتی، به هیدروژن. مدتی طول می کشد تا این مشکل حل شود.

سلول سوختی ( سلول سوختی) وسیله ای است که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. این در اصل شبیه به یک باتری معمولی است، اما از این جهت متفاوت است که عملکرد آن نیاز به تامین مداوم مواد از خارج برای وقوع واکنش الکتروشیمیایی دارد. هیدروژن و اکسیژن به سلول های سوختی می رسد و خروجی آن برق، آب و گرما است. از مزایای آنها می توان به سازگاری با محیط زیست، قابلیت اطمینان، دوام و سهولت کار اشاره کرد. برخلاف باتری‌های معمولی، مبدل‌های الکتروشیمیایی می‌توانند تا زمانی که سوخت تامین می‌شود، تقریباً به طور نامحدود کار کنند. تا زمانی که به طور کامل شارژ نشوند، لازم نیست ساعت ها شارژ شوند. علاوه بر این، سلول‌ها می‌توانند باتری را در زمانی که خودرو پارک شده و موتور خاموش است، شارژ کنند.

پرکاربردترین پیل‌های سوختی در خودروهای هیدروژنی، پیل‌های سوختی غشایی پروتون (PEMFCs) و سلول‌های سوختی اکسید جامد (SOFCs) هستند.

یک پیل سوختی غشای تبادل پروتون به شرح زیر عمل می کند. بین آند و کاتد یک غشاء خاص و یک کاتالیزور با پوشش پلاتین وجود دارد. هیدروژن به آند و اکسیژن (مثلاً از هوا) به کاتد می رسد. در آند، هیدروژن با کمک یک کاتالیزور به پروتون و الکترون تجزیه می شود. پروتون های هیدروژن از غشاء عبور کرده و به کاتد می رسند و الکترون ها به مدار خارجی منتقل می شوند (غشاء اجازه عبور آنها را نمی دهد). اختلاف پتانسیل به دست آمده منجر به تولید جریان الکتریکی می شود. در سمت کاتد، پروتون های هیدروژن توسط اکسیژن اکسید می شوند. در نتیجه بخار آب ظاهر می شود که عنصر اصلی گازهای خروجی اگزوز خودرو است. با دارا بودن راندمان بالا، سلول های PEM دارای یک اشکال قابل توجه هستند - عملکرد آنها به هیدروژن خالص نیاز دارد که ذخیره سازی آن یک مشکل نسبتاً جدی است.

اگر چنین کاتالیزوری پیدا شود که جایگزین پلاتین گران قیمت در این سلول ها شود، آنگاه یک پیل سوختی ارزان قیمت برای تولید الکتریسیته فورا ایجاد می شود که به این معنی است که جهان از وابستگی به نفت خلاص خواهد شد.

سلول های اکسید جامد

سلول‌های SOFC اکسید جامد برای خلوص سوخت بسیار کمتر نیاز دارند. علاوه بر این، به لطف استفاده از یک اصلاح کننده POX (اکسیداسیون جزئی)، چنین سلول هایی می توانند بنزین معمولی را به عنوان سوخت مصرف کنند. فرآیند تبدیل مستقیم بنزین به برق به شرح زیر است. در یک دستگاه خاص - یک اصلاح کننده، در دمای حدود 800 درجه سانتیگراد، بنزین تبخیر شده و به عناصر تشکیل دهنده آن تجزیه می شود.

این باعث آزاد شدن هیدروژن و دی اکسید کربن می شود. علاوه بر این، همچنین تحت تأثیر دما و با استفاده از SOFC به طور مستقیم (متشکل از یک ماده سرامیکی متخلخل مبتنی بر اکسید زیرکونیوم)، هیدروژن توسط اکسیژن موجود در هوا اکسید می شود. پس از به دست آوردن هیدروژن از بنزین، فرآیند طبق سناریویی که در بالا توضیح داده شد، تنها با یک تفاوت ادامه می‌یابد: پیل سوختی SOFC، بر خلاف دستگاه‌هایی که بر روی هیدروژن کار می‌کنند، نسبت به ناخالصی‌های موجود در سوخت اصلی حساسیت کمتری دارد. بنابراین کیفیت بنزین نباید بر عملکرد پیل سوختی تأثیر بگذارد.

دمای عملیاتی بالای SOFC (650-800 درجه) یک نقطه ضعف قابل توجه است؛ فرآیند گرم کردن حدود 20 دقیقه طول می کشد. اما گرمای اضافی مشکلی ایجاد نمی کند، زیرا به طور کامل توسط هوای باقی مانده و گازهای خروجی تولید شده توسط ریفرمر و خود پیل سوختی حذف می شود. این به سیستم SOFC اجازه می دهد تا در یک خودرو به شکل یکپارچه شود دستگاه مستقلدر یک مسکن عایق حرارتی

ساختار مدولار به شما امکان می دهد با اتصال مجموعه ای از سلول های استاندارد به صورت سری، به ولتاژ مورد نیاز دست یابید. و، شاید مهمتر از نقطه نظر اجرای چنین دستگاه هایی، SOFC حاوی الکترودهای بسیار گران قیمت بر پایه پلاتین نیست. هزینه بالای این عناصر است که یکی از موانع توسعه و انتشار فناوری PEMFC است.

انواع پیل سوختی

در حال حاضر انواع پیل سوختی زیر وجود دارد:

• A.F.C.– پیل سوختی قلیایی (پیل سوختی قلیایی)؛
• PAFC– پیل سوختی اسید فسفریک (پیل سوختی اسید فسفریک)؛
• PEMFC– پیل سوختی غشای تبادل پروتون (پیل سوختی با غشای مبادله پروتون)؛
• DMFC– پیل سوختی مستقیم متانول (پیل سوختی با تجزیه مستقیم متانول).
• MCFC– سلول سوختی کربنات مذاب (پیل سوختی کربنات مذاب)؛
• SOFC– پیل سوختی اکسید جامد (پیل سوختی اکسید جامد).

سلول سوختییک دستگاه الکتروشیمیایی شبیه به یک سلول گالوانیکی است، اما تفاوت آن با آن در این است که مواد برای واکنش الکتروشیمیایی از بیرون به آن عرضه می شود - برخلاف مقدار محدود انرژی ذخیره شده در یک سلول گالوانیکی یا باتری.

برنج. 1. برخی از سلول های سوختی

پیل‌های سوختی انرژی شیمیایی سوخت را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند و فرآیندهای احتراق ناکارآمدی را که با تلفات زیاد اتفاق می‌افتند دور می‌زنند. آنها هیدروژن و اکسیژن را از طریق یک واکنش شیمیایی به الکتریسیته تبدیل می کنند. در نتیجه این فرآیند آب تشکیل می شود و مقدار زیادی گرما آزاد می شود. پیل سوختی بسیار شبیه باتری است که می تواند شارژ شود و سپس از انرژی الکتریکی ذخیره شده استفاده کند. مخترع پیل سوختی ویلیام آر گروو است که در سال 1839 آن را اختراع کرد. این پیل سوختی از محلول اسید سولفوریک به عنوان الکترولیت و هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می کرد که در یک عامل اکسید کننده با اکسیژن ترکیب می شد. تا همین اواخر، پیل های سوختی فقط در آزمایشگاه ها و فضاپیماها استفاده می شد.

برنج. 2.

برخلاف سایر مولدهای برق، مانند موتورهای احتراق داخلی یا توربین هایی که با 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 محصولات انتشار یافته از عملکرد پیل سوختی، آب به صورت بخار و مقدار کمی است دی اکسید کربنکه در صورت استفاده از هیدروژن خالص به عنوان سوخت اصلا آزاد نمی شود. سلول های سوختی در مجموعه ها و سپس به ماژول های عملکردی منفرد مونتاژ می شوند.

پیل های سوختی هیچ بخش متحرکی ندارند (حداقل نه در خود سلول) و بنابراین از قانون کارنو تبعیت نمی کنند. یعنی بازدهی بیش از 50 درصد خواهند داشت و به ویژه در بارهای کم موثر هستند. بنابراین، خودروهای پیل سوختی می‌توانند (و قبلاً ثابت شده‌اند) در شرایط رانندگی در دنیای واقعی، نسبت به خودروهای معمولی کارآمدتر سوخت باشند.

پیل سوختی تولید جریان الکتریکی ولتاژ مستقیم را فراهم می کند که می تواند برای به حرکت درآوردن موتور الکتریکی، دستگاه های سیستم روشنایی و سایر موارد استفاده شود. سیستم های الکتریکیدر ماشین.

انواع مختلفی از سلول های سوختی وجود دارد که در فرآیندهای شیمیایی مورد استفاده متفاوت است. پیل های سوختی معمولا بر اساس نوع الکترولیت مورد استفاده طبقه بندی می شوند.

برخی از انواع پیل‌های سوختی برای نیروی محرکه نیروگاه امیدوارکننده هستند، در حالی که برخی دیگر برای دستگاه‌های قابل حمل یا رانندگی خودروها امیدوارکننده هستند.

1. پیل های سوختی قلیایی (ALFC)

پیل سوختی قلیایی- این یکی از اولین عناصر توسعه یافته است. پیل‌های سوختی قلیایی (AFC) یکی از فناوری‌های مورد مطالعه است که از اواسط دهه 60 قرن بیستم توسط ناسا در برنامه‌های آپولو و شاتل فضایی استفاده شد. روی اینها سفینه های فضاییسلول های سوختی انرژی الکتریکی و آب آشامیدنی تولید می کنند.

برنج. 3.

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. علاوه بر این، SHTE ها در دمای نسبتاً پایین کار می کنند و از کارآمدترین ها هستند.

یکی از ویژگی های مشخصه SHTE حساسیت بالای آن به CO2 است 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 است فضاهای بستهمانند فضاپیماها و وسایل نقلیه زیر آب، آنها با هیدروژن و اکسیژن خالص کار می کنند.

2. سلول های سوختی کربنات مذاب (MCFC)

سلول های سوختی با الکترولیت کربنات مذابپیل های سوختی با دمای بالا هستند. دمای عملیاتی بالا اجازه استفاده مستقیم را می دهد گاز طبیعیبدون پردازنده سوخت و گاز سوخت با ارزش حرارتی سوخت پایین فرآیندهای تولیدو از منابع دیگر این فرآیند در اواسط دهه 60 قرن بیستم توسعه یافت. از آن زمان، فناوری تولید، عملکرد و قابلیت اطمینان بهبود یافته است.

برنج. 4.

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 در امتداد خارجی هدایت می شوند مدار الکتریکیبازگشت به کاتد، که تولید می کند برقو گرما به عنوان یک محصول جانبی.

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. مزیت این است که توانایی استفاده از مواد استاندارد (ورق فولاد ضد زنگو کاتالیزور نیکل روی الکترودها). از گرمای هدر رفته می توان برای تولید بخار با فشار بالا استفاده کرد. دمای واکنش بالا در الکترولیت نیز مزایای خود را دارد. استفاده از دماهای بالا به زمان طولانی 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.

3. پیل های سوختی اسید فسفریک (PAFC)

پیل های سوختی بر پایه اسید فسفریک (ارتوفسفریک).اولین پیل سوختی برای استفاده تجاری شد. این فرآیند در اواسط دهه 60 قرن بیستم توسعه یافت، آزمایشات از دهه 70 قرن بیستم انجام شده است. نتیجه افزایش پایداری و عملکرد و کاهش هزینه بود.

برنج. 5.

پیل های سوختی اسید فسفریک (ارتوفسفریک) از الکترولیت بر اساس استفاده می کنند اسید فسفریک(H3PO4) با غلظت تا 100٪. رسانایی یونی اسید اورتوفسفریک پایین است دمای پایینبنابراین از این پیل های سوختی در دمای 150-220 درجه سانتی گراد استفاده می شود.

حامل شارژ در پیل های سوختی از این نوعهیدروژن (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. طراحی سادهدرجه پایین فرار الکترولیت ها و افزایش پایداری نیز از مزایای چنین پیل های سوختی است.

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

4. سلول های سوختی غشای تبادل پروتون (PEMFC)

سلول های سوختی غشای تبادل پروتونبهترین نوع پیل سوختی برای تولید نیرو برای وسایل نقلیه محسوب می شوند که می توانند جایگزین موتورهای احتراق داخلی بنزینی و دیزلی شوند. این سلول های سوختی اولین بار توسط ناسا برای برنامه جمینی استفاده شد. تاسیسات مبتنی بر MOPFC با توان 1 وات تا 2 کیلو وات توسعه یافته و نشان داده شده است.

برنج. 6.

الکترولیت موجود در این پیل‌های سوختی یک غشای پلیمری جامد (یک لایه پلاستیکی نازک) است. 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 سلول: 2H2 + O2 => 2H2O در مقایسه با انواع دیگر پیل‌های سوختی، سلول‌های سوختی با غشای تبادل پروتون انرژی بیشتری برای حجم یا وزن معین پیل سوختی 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 مواردی هستند که این سلول‌های سوختی را به کاندیدای اصلی برای استفاده در وسایل نقلیه تبدیل می‌کنند.

مزیت دیگر این است که الکترولیت جامد است تا مایع. نگه داشتن گازها در کاتد و آند با استفاده از الکترولیت جامد آسان تر است، بنابراین تولید چنین سلول های سوختی ارزان تر است. با یک الکترولیت جامد، هیچ مشکل جهت گیری وجود ندارد و مشکلات خوردگی کمتری وجود دارد که باعث افزایش طول عمر سلول و اجزای آن می شود.

برنج. 7.

5. پیل های سوختی اکسید جامد (SOFC)

سلول های سوختی اکسید جامدبالاترین دمای عملیاتی سلول های سوختی هستند. دمای کاریمی تواند از 600 درجه سانتیگراد تا 1000 درجه سانتیگراد متغیر باشد که امکان استفاده را فراهم می کند انواع مختلفسوخت بدون خاصیت پیش فرآوری. 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. فن آوری استفاده از سلول های سوختی اکسید جامد از اواخر دهه 50 قرن بیستم در حال توسعه است و دارای دو پیکربندی است: مسطح و لوله ای.

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.

برنج. 8.

واکنش در آند: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

واکنش در کاتد: O2 + 4e- => 2O2-

واکنش کلی عنصر: 2H2 + O2 => 2H2O

راندمان تولید انرژی الکتریکی 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.

پیل های سوختی اکسید جامد در دماهای بسیار بالا (600 درجه سانتیگراد تا 1000 درجه سانتیگراد) کار می کنند، در نتیجه زمان قابل توجهی برای رسیدن به شرایط عملیاتی بهینه و پاسخ کندتر سیستم به تغییرات مصرف انرژی لازم است. 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. این پیل سوختی همچنین برای استفاده بسیار عالی است قدرت بالااز جمله نیروگاه های صنعتی و بزرگ مرکزی. ماژول هایی با توان خروجی الکتریکی 100 کیلووات به صورت تجاری تولید می شوند.

6. پیل های سوختی اکسیداسیون مستقیم متانول (DOMFC)

پیل های سوختی اکسیداسیون مستقیم متانولآنها با موفقیت در زمینه تأمین انرژی تلفن های همراه، لپ تاپ ها و همچنین برای ایجاد منابع برق قابل حمل استفاده می شوند، که هدف آینده استفاده از چنین عناصری است.

طراحی پیل‌های سوختی با اکسیداسیون مستقیم متانول مشابه طراحی پیل‌های سوختی با غشای تبادل پروتون (MEPFC) است. پلیمر به عنوان الکترولیت و یون هیدروژن (پروتون) به عنوان حامل بار استفاده می شود. اما 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 تولید می‌کنند. 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 چنین پیل های سوختی از اوایل دهه 90 قرن بیستم ساخته شده و قدرت و بازده ویژه آنها به 40 درصد افزایش یافته است.

این عناصر در محدوده دمایی 50-120 درجه سانتیگراد آزمایش شدند. این پیل‌های سوختی به دلیل دمای پایین عملکرد و عدم نیاز به مبدل، بهترین گزینه برای هر دوی این پیل‌ها هستند. تلفن های همراهو سایر کالاهای مصرفی و همچنین در موتورهای خودرو. مزیت آنها نیز اندازه کوچک آنهاست.

7. 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.

8. پیل سوختی اسید جامد (SFC)

در سلول های سوختی اسید جامد، الکترولیت (CsHSO4) حاوی آب نیست. بنابراین دمای عملیاتی 100-300 درجه سانتیگراد است. چرخش اکسیانیون های 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 محکم فشرده شده قرار می‌گیرد تا تامین شود. تماس خوب. 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.

برنج. 9.

9. مقایسه مهم ترین ویژگی های پیل های سوختی

ویژگی های پیل های سوختی

نوع پیل سوختی	دمای عملیاتی	راندمان تولید برق	نوع سوخت	دامنه کاربرد
				تاسیسات متوسط ​​و بزرگ
			هیدروژن خالص	تاسیسات
			هیدروژن خالص	تاسیسات کوچک
			اکثر سوخت های هیدروکربنی	تاسیسات کوچک، متوسط ​​و بزرگ
				قابل حمل تاسیسات
			هیدروژن خالص	فضا تحقیق کرد
			هیدروژن خالص	تاسیسات کوچک

برنج. 10.

10. استفاده از پیل سوختی در خودروها

برنج. یازده

برنج. 12.

همانطور که در Horizon: Zero Dawn پیش می روید، ممکن است به طور تصادفی به سلول های سوختی که در اقلام ویژه موجودی ظاهر می شوند، برخورد کرده باشید. اما آنها برای چه هستند و باید آنها را به چه کسی بفروشند؟ در واقع هیچ کس نیازی به فروش آنها ندارد. سلول های سوختی برای فعال کردن ورودی اسلحه خانه باستانی که بهترین زره های بازی را در خود دارد، مورد نیاز است. بنابراین، بیایید در مورد مکان جستجوی عناصر و نحوه ورود به زرادخانه باستانی صحبت کنیم:

کجا پیل های سوختی پیدا کنیم

• ما می توانیم سومین سلول سوختی را در کار "محدودیت استاد" پیدا کنیم. پیدا کردن آیتم بعداً امکان پذیر خواهد بود، اما از آنجایی که تاریخچه بازی ما را به اینجا رسانده است، گرفتن ارزش در حال حاضر گناه نیست. علاوه بر این، مسیر به جایی که عنصر در آن قرار دارد به هیچ وجه نزدیک نیست.

  بنابراین، با دریافت وظیفه "محدودیت استاد"، آلوی باید به شمال نقشه، به خرابه های یک تمدن باستانی برود.

  

  بیشتر ماموریت در داخل ساختمان انجام می شود، جایی که ما باید از طریق راهروهای دشوار بدویم و در امتداد چاه آسانسور به سمت بالا صعود کنیم. در اینجا ما به سادگی در مسیری حرکت می کنیم که بازی دقیقاً به ما ارائه می دهد تا زمانی که Aloy خارج شود. در طرح، ما باید دستگاه مبتکرانه را مطالعه کنیم، اما مدتی صبر می کنیم.

  

  بهتر است به مناره مرتفعی توجه کنید که روی آن می توانید عناصر زرد رنگی را ببینید که آلوی می تواند از آنها بالا برود.

  

  ما به بالای آن صعود می کنیم، جایی که یک سلول سوختی گرانبها روی یک سکوی کوچک منتظر ما خواهد بود.

  

  شما باید با استفاده از طناب متصل به سکو به پایین بروید. و سپس می توانید با خیال راحت در امتداد طرح تا انجام وظیفه "گنج مرگ" حرکت کنید.

• آخرین پیل سوختی پنجم را می توان دوباره در خرابه های شمال در ماموریت داستانی "کوه سقوط کرده" پیدا کرد.

  

  پس از دریافت وظیفه، به سمت خرابه های GAIA Prime می رویم. ما شجاعانه به سمتی حرکت می کنیم که بازی ما را هدایت می کند تا به این مکان برسیم:

  

  حتی به پریدن از این پرتو به پایین فکر نکنید! در اینجا باید به چپ بپیچیم. در آنجا یک فرورفتگی کوچک در سنگ خواهیم دید، جایی که باید برویم.

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 باتری ها، پیل های سوختی هیدروژنی انرژی الکتریکی را ذخیره نمی کنند، برای شارژ مجدد نیازی به برق ندارند و تخلیه نمی شوند. 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، نیازی به روتورهای پرفشار ندارند و صدای بلند یا لرزش منتشر نمی کنند. 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 مقادیر زیادی گازهای گلخانه ای تولید نمی کنند. محصول انتشاری در حین کار سلول مقدار کمی آب به صورت بخار و دی اکسید کربن است که 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 هایی با الکترودهای نیکل اندود در زیر فشار بالاتنها در سال 1939 اختراع شد. 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 شروع به رسیدگی به آلودگی هوا کرده اند محیط، به دنبال توسعه راه های سازگار با محیط زیست برای تولید برق است. 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 رسیدن اکسیژن به کاتد و هیدروژن به آند، شروع به کار می کند واکنش شیمیاییکه حاصل آن گرما، جریان و آب است.

بر روی کاتالیزور آند تجزیه می شود که منجر به از دست دادن الکترون می شود. یون‌های هیدروژن از طریق الکترولیت وارد کاتد می‌شوند، در حالی که الکترون‌ها از شبکه الکتریکی خارجی عبور می‌کنند و جریان مستقیمی ایجاد می‌کنند که برای تغذیه تجهیزات استفاده می‌شود. 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 آنها سوخت را در دمای بالا تبدیل می کنند و نیاز به زیرساخت هیدروژن را از بین می برند.

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.
• بلند مدتعمل.
• عملکرد بی صدا و سازگار با محیط زیست.
• سطح بالاشدت انرژی.
• تحمل ناخالصی های خارجی در هیدروژن.

منطقه برنامه

با تشکر از بازدهی بالااز پیل های سوختی هیدروژنی استفاده می شود مناطق مختلف:

• شارژرهای قابل حمل
• سیستم های تغذیه پهپاد
• منابع منبع تغذیه اضطراری.
• 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؟

می توانید خودتان در یک آزمایشگاه معمولی خانه یا مدرسه یک پیل سوختی کم مصرف 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.