การใช้เซลล์เชื้อเพลิง องค์ประกอบที่สี่ สถานที่ – สมบัติแห่งความตาย เควส - สมบัติแห่งความตาย

เซลล์เชื้อเพลิงเป็นอุปกรณ์แปลงพลังงานไฟฟ้าเคมีที่แปลงไฮโดรเจนและออกซิเจนเป็นไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาเคมี จากกระบวนการนี้ น้ำจึงก่อตัวขึ้นและปล่อยความร้อนจำนวนมากออกมา เซลล์เชื้อเพลิงมีลักษณะคล้ายกับแบตเตอรี่ที่สามารถชาร์จแล้วใช้พลังงานไฟฟ้าที่เก็บไว้ได้
William R. Grove ถือเป็นผู้ประดิษฐ์เซลล์เชื้อเพลิงซึ่งประดิษฐ์มันขึ้นมาในปี พ.ศ. 2382 ในเซลล์เชื้อเพลิงนี้มีการใช้สารละลายกรดซัลฟิวริกเป็นอิเล็กโทรไลต์และไฮโดรเจนถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงซึ่งรวมกับออกซิเจนใน สารออกซิไดซ์ ควรสังเกตว่าจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ เซลล์เชื้อเพลิงถูกใช้เฉพาะในห้องปฏิบัติการและบนยานอวกาศเท่านั้น
ในอนาคต เซลล์เชื้อเพลิงจะสามารถแข่งขันกับระบบอื่น ๆ มากมายในการแปลงพลังงาน (รวมถึงกังหันก๊าซในโรงไฟฟ้า) ของเครื่องยนต์สันดาปภายในในรถยนต์และ แบตเตอรี่ไฟฟ้าในอุปกรณ์พกพา เครื่องยนต์สันดาปภายในจะเผาไหม้เชื้อเพลิงและใช้แรงดันที่สร้างขึ้นโดยการขยายตัวของก๊าซเผาไหม้เพื่อทำงานทางกล แบตเตอรี่จะเก็บพลังงานไฟฟ้าไว้ แล้วแปลงเป็นพลังงานเคมี ซึ่งสามารถแปลงกลับเป็นพลังงานไฟฟ้าได้หากจำเป็น เซลล์เชื้อเพลิงอาจมีประสิทธิภาพมาก ย้อนกลับไปในปี 1824 นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Carnot พิสูจน์ว่าวงจรการอัดและการขยายตัวของเครื่องยนต์สันดาปภายในไม่สามารถรับประกันประสิทธิภาพของการแปลงพลังงานความร้อน (ซึ่งเป็นพลังงานเคมีของการเผาไหม้เชื้อเพลิง) ให้เป็นพลังงานกลที่สูงกว่า 50% เซลล์เชื้อเพลิงไม่มีส่วนที่เคลื่อนไหว (อย่างน้อยก็ไม่ใช่ภายในเซลล์) ดังนั้นจึงไม่เป็นไปตามกฎของการ์โนต์ โดยปกติแล้วจะมีประสิทธิภาพมากกว่า 50% และมีประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่โหลดต่ำ ดังนั้น รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงจึงมีแนวโน้มที่จะ (และได้รับการพิสูจน์แล้วว่า) มีประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงมากกว่ารถยนต์ทั่วไปในสภาพการขับขี่จริง
เซลล์เชื้อเพลิงผลิตกระแสไฟฟ้าแรงดันคงที่ซึ่งสามารถใช้เพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้า ไฟส่องสว่าง และระบบไฟฟ้าอื่นๆ ในรถยนต์ เซลล์เชื้อเพลิงมีหลายประเภท ขึ้นอยู่กับกระบวนการทางเคมีที่ใช้ เซลล์เชื้อเพลิงมักจะจำแนกตามประเภทของอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ เซลล์เชื้อเพลิงบางประเภทมีแนวโน้มที่จะใช้ขับเคลื่อนโรงไฟฟ้า ในขณะที่เซลล์เชื้อเพลิงบางประเภทอาจมีประโยชน์สำหรับอุปกรณ์พกพาขนาดเล็กหรือสำหรับการจ่ายไฟให้กับรถยนต์
เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์เป็นหนึ่งในเซลล์แรกๆ ที่พัฒนาขึ้น พวกมันถูกใช้ในโครงการอวกาศของสหรัฐอเมริกามาตั้งแต่ปี 1960 เซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวไวต่อการปนเปื้อนมาก ดังนั้นจึงต้องใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนที่บริสุทธิ์มาก อีกทั้งยังมีราคาแพงมาก ซึ่งหมายความว่าเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้ไม่น่าจะมีการใช้อย่างแพร่หลายในรถยนต์
เซลล์เชื้อเพลิงที่มีกรดฟอสฟอริกสามารถนำไปใช้ในการติดตั้งแบบติดตั้งกับที่ซึ่งใช้พลังงานต่ำได้ พวกเขาทำงานค่อนข้างมาก อุณหภูมิสูงจึงต้องใช้เวลาในการอุ่นเครื่องนานจนทำให้ใช้งานในรถยนต์ไม่ได้ผลด้วย
เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์เหมาะกว่าสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบอยู่กับที่ขนาดใหญ่ที่สามารถจ่ายพลังงานให้กับโรงงานหรือ การตั้งถิ่นฐาน. เซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้ทำงานที่อุณหภูมิสูงมาก (ประมาณ 1,000 °C) อุณหภูมิการทำงานที่สูงทำให้เกิดปัญหาบางอย่าง แต่ในทางกลับกัน มีข้อดีตรงที่ไอน้ำที่ผลิตโดยเซลล์เชื้อเพลิงสามารถส่งไปยังกังหันเพื่อสร้าง ปริมาณมากไฟฟ้า. โดยรวมแล้วสิ่งนี้จะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ
หนึ่งในระบบที่มีแนวโน้มมากที่สุดคือเซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC - Protone Exchange Membrane Fuel Cell) ปัจจุบันเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้มีแนวโน้มมากที่สุดเนื่องจากสามารถจ่ายไฟให้กับรถยนต์ รถโดยสาร และยานพาหนะอื่นๆ ได้

กระบวนการทางเคมีในเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงใช้กระบวนการเคมีไฟฟ้าเพื่อรวมไฮโดรเจนกับออกซิเจนที่ได้รับจากอากาศ เช่นเดียวกับแบตเตอรี่ เซลล์เชื้อเพลิงใช้อิเล็กโทรด (ของแข็ง ตัวนำไฟฟ้า) ซึ่งอยู่ในอิเล็กโทรไลต์ (ตัวกลางนำไฟฟ้า) เมื่อโมเลกุลไฮโดรเจนสัมผัสกับขั้วลบ (ขั้วบวก) ขั้วหลังจะถูกแยกออกเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน โปรตอนผ่านเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (POEM) ไปยังขั้วบวก (แคโทด) ของเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า การผสมผสานทางเคมีของโมเลกุลไฮโดรเจนและออกซิเจนเกิดขึ้นเพื่อสร้างน้ำเป็นผลพลอยได้จากปฏิกิริยานี้ การปล่อยก๊าซเรือนกระจกประเภทเดียวจากเซลล์เชื้อเพลิงคือไอน้ำ
ไฟฟ้าที่ผลิตได้จากเซลล์เชื้อเพลิงสามารถนำไปใช้ในระบบส่งกำลังไฟฟ้าของยานพาหนะได้ (ประกอบด้วยเครื่องแปลงกำลังไฟฟ้าและ มอเตอร์แบบอะซิงโครนัส AC) ที่จะได้รับ พลังงานกลขับรถ. หน้าที่ของเครื่องแปลงพลังงานคือการแปลงกระแสไฟฟ้าตรงที่ผลิตโดยเซลล์เชื้อเพลิงให้เป็น กระแสสลับซึ่งมอเตอร์ฉุดลากของยานพาหนะทำงาน

แผนภาพของเซลล์เชื้อเพลิงที่มีเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน:
1 - ขั้วบวก;
2 - เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM);
3 - ตัวเร่งปฏิกิริยา (สีแดง);
4 - แคโทด

เซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC) ใช้ปฏิกิริยาที่ง่ายที่สุดอย่างหนึ่งของเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงเซลล์เดียว

มาดูกันว่าเซลล์เชื้อเพลิงทำงานอย่างไร ขั้วบวกซึ่งเป็นขั้วลบของเซลล์เชื้อเพลิงนำอิเล็กตรอนที่เป็นอิสระจากโมเลกุลไฮโดรเจนเพื่อให้สามารถนำไปใช้ในวงจรไฟฟ้าภายนอกได้ ในการทำเช่นนี้มีการสลักช่องไว้เพื่อกระจายไฮโดรเจนให้ทั่วพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างเท่าเทียมกัน แคโทด (ขั้วบวกของเซลล์เชื้อเพลิง) มีช่องสลักที่กระจายออกซิเจนผ่านพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา นอกจากนี้ยังนำอิเล็กตรอนกลับจากวงนอก (วงจร) ไปยังตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งพวกมันสามารถรวมตัวกับไฮโดรเจนไอออนและออกซิเจนเพื่อสร้างน้ำ อิเล็กโทรไลต์เป็นเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน นี่เป็นวัสดุพิเศษที่คล้ายกับพลาสติกธรรมดา แต่มีความสามารถในการให้ไอออนที่มีประจุบวกผ่านและปิดกั้นการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน
ตัวเร่ง - วัสดุพิเศษซึ่งเอื้อให้เกิดปฏิกิริยาระหว่างออกซิเจนกับไฮโดรเจน ตัวเร่งปฏิกิริยามักทำจากผงแพลทินัมทาในชั้นบางๆ ลงบนกระดาษคาร์บอนหรือผ้า ตัวเร่งปฏิกิริยาจะต้องหยาบและมีรูพรุนเพื่อให้พื้นผิวสัมผัสกับไฮโดรเจนและออกซิเจนได้สูงสุด ด้านที่เคลือบด้วยแพลตตินัมของตัวเร่งปฏิกิริยาจะอยู่ด้านหน้าเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM)
ก๊าซไฮโดรเจน (H2) จะถูกส่งไปยังเซลล์เชื้อเพลิงภายใต้แรงกดดันจากขั้วบวก เมื่อโมเลกุล H2 สัมผัสกับแพลตตินัมบนตัวเร่งปฏิกิริยา มันจะแยกออกเป็นสองส่วน คือ ไอออนสองตัว (H+) และอิเล็กตรอนสองตัว (e–) อิเล็กตรอนถูกดำเนินการผ่านขั้วบวก โดยที่พวกมันจะผ่านวงจรภายนอก (วงจร) โดยทำหน้าที่ งานที่มีประโยชน์(เช่น การขับมอเตอร์ไฟฟ้า) และกลับจากด้านแคโทดของเซลล์เชื้อเพลิง
ในขณะเดียวกัน ที่ด้านแคโทดของเซลล์เชื้อเพลิง ก๊าซออกซิเจน (O 2 ) จะถูกบังคับผ่านตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งจะสร้างอะตอมออกซิเจนสองอะตอม อะตอมเหล่านี้แต่ละอะตอมมีประจุลบแรง ซึ่งดึงดูดไอออน H+ สองตัวผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ โดยพวกมันจะรวมตัวกับอะตอมออกซิเจนและอิเล็กตรอนสองตัวจากวงจรด้านนอกเพื่อสร้างโมเลกุลของน้ำ (H 2 O)
ปฏิกิริยานี้ในเซลล์เชื้อเพลิงเซลล์เดียวให้พลังงานประมาณ 0.7 วัตต์ ในการเพิ่มพลังงานให้ถึงระดับที่ต้องการ เซลล์เชื้อเพลิงจำนวนมากจะต้องรวมกันเพื่อสร้างกองเซลล์เชื้อเพลิง
เซลล์เชื้อเพลิง POM ทำงานที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำ (ประมาณ 80°C) ซึ่งหมายความว่าเซลล์เชื้อเพลิงสามารถขึ้นสู่อุณหภูมิการทำงานได้อย่างรวดเร็ว และไม่จำเป็นต้องใช้ระบบทำความเย็นที่มีราคาแพง การปรับปรุงเทคโนโลยีและวัสดุอย่างต่อเนื่องที่ใช้ในเซลล์เหล่านี้ทำให้พลังงานเข้าใกล้มากขึ้นจนแบตเตอรี่ของเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวซึ่งครอบครองส่วนเล็กๆ ท้ายรถ สามารถให้พลังงานที่จำเป็นในการขับเคลื่อนรถยนต์ได้
ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา ผู้ผลิตรถยนต์ชั้นนำของโลกส่วนใหญ่ลงทุนอย่างมากในการพัฒนาการออกแบบรถยนต์ที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิง หลายคนได้สาธิตรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงที่มีกำลังและสมรรถนะที่น่าพอใจแล้ว แม้ว่าจะมีราคาค่อนข้างแพงก็ตาม
การปรับปรุงการออกแบบรถยนต์ดังกล่าวมีความเข้มข้นมาก

รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงใช้โรงไฟฟ้าที่ตั้งอยู่ใต้พื้นรถ

NECAR V มีพื้นฐานมาจากรถยนต์ Mercedes-Benz A-class โดยมีโรงไฟฟ้าทั้งหมดพร้อมเซลล์เชื้อเพลิงอยู่ใต้พื้นรถ นี้ โซลูชั่นที่สร้างสรรค์ทำให้สามารถรองรับผู้โดยสารและสัมภาระได้ 4 คนในรถ ที่นี่ไม่ใช่ไฮโดรเจน แต่เมทานอลถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์ เมทานอลซึ่งใช้รีฟอร์มเมอร์ (อุปกรณ์ที่แปลงเมทานอลเป็นไฮโดรเจน) จะถูกแปลงเป็นไฮโดรเจนที่จำเป็นในการจ่ายพลังงานให้กับเซลล์เชื้อเพลิง การใช้รีฟอร์มเมอร์บนรถยนต์ทำให้สามารถใช้ไฮโดรคาร์บอนเกือบทุกชนิดเป็นเชื้อเพลิงได้ ซึ่งช่วยให้คุณสามารถเติมเชื้อเพลิงรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงโดยใช้เครือข่ายปั๊มน้ำมันที่มีอยู่ ตามทฤษฎีแล้ว เซลล์เชื้อเพลิงไม่ได้ผลิตอะไรเลยนอกจากไฟฟ้าและน้ำ การแปลงเชื้อเพลิง (น้ำมันเบนซินหรือเมทานอล) เป็นไฮโดรเจนที่จำเป็นสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงช่วยลดความน่าดึงดูดด้านสิ่งแวดล้อมของรถยนต์ประเภทนี้ได้บ้าง
ฮอนด้า ซึ่งเกี่ยวข้องกับเซลล์เชื้อเพลิงมาตั้งแต่ปี 1989 ได้ผลิตรถยนต์ Honda FCX-V4 ชุดเล็กๆ ในปี 2003 โดยใช้เซลล์เชื้อเพลิงแลกเปลี่ยนโปรตอนประเภทเมมเบรนบัลลาร์ด เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ 78 กิโลวัตต์ และใช้มอเตอร์ฉุดไฟฟ้าที่มีกำลัง 60 กิโลวัตต์ และแรงบิด 272 นิวตันเมตร ในการขับเคลื่อนล้อขับเคลื่อน รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิง เปรียบเทียบกับรถยนต์ โครงการแบบดั้งเดิมมีมวลน้อยกว่าประมาณ 40% ซึ่งให้ไดนามิกที่ยอดเยี่ยม และการสำรองไฮโดรเจนที่ถูกบีบอัดทำให้วิ่งได้ไกลถึง 355 กม.

Honda FCX ใช้พลังงานไฟฟ้าที่สร้างโดยเซลล์เชื้อเพลิงในการขับขี่
Honda FCX เป็นรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงคันแรกของโลกที่ได้รับการรับรองจากรัฐบาลในสหรัฐอเมริกา รถได้รับการรับรองตามมาตรฐาน ZEV - Zero Emission Vehicle ฮอนด้ายังไม่ขายรถยนต์เหล่านี้ แต่จะปล่อยเช่าประมาณ 30 คันต่อหน่วย แคลิฟอร์เนียและโตเกียวซึ่งมีโครงสร้างพื้นฐานการเติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจนอยู่แล้ว

รถยนต์แนวคิด Hy Wire ของ General Motors มีระบบส่งกำลังเซลล์เชื้อเพลิง

เจนเนอรัล มอเตอร์ส กำลังดำเนินการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับการพัฒนาและการสร้างรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิง

โครงรถไฮไวร์

รถแนวคิด GM Hy Wire ได้รับการจดสิทธิบัตร 26 ฉบับ พื้นฐานของรถคือแพลตฟอร์มการทำงานที่มีความหนา 150 มม. ภายในชานชาลาประกอบด้วยถังไฮโดรเจน โรงไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิง และระบบควบคุมยานพาหนะที่ใช้ เทคโนโลยีใหม่ล่าสุด การควบคุมอิเล็กทรอนิกส์โดยสาย แชสซีของรถยนต์ Hy Wire นั้นเป็นแพลตฟอร์มแบบบางที่บรรจุองค์ประกอบหลักทั้งหมดของโครงสร้างของยานพาหนะ: ถังไฮโดรเจน เซลล์เชื้อเพลิง แบตเตอรี่ มอเตอร์ไฟฟ้า และระบบควบคุม วิธีการออกแบบนี้ทำให้สามารถเปลี่ยนตัวถังรถได้ในระหว่างการใช้งาน นอกจากนี้ บริษัทยังกำลังทดสอบรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงต้นแบบของ Opel และออกแบบโรงงานผลิตเซลล์เชื้อเพลิงอีกด้วย

การออกแบบถังเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหลวที่ "ปลอดภัย":
1 - อุปกรณ์เติม;
2 - ถังภายนอก
3 - รองรับ;
เซ็นเซอร์ 4 ระดับ;
5 - ถังภายใน;
6 - สายการบรรจุ;
7 - ฉนวนและสุญญากาศ;
8 - เครื่องทำความร้อน;
9 - กล่องติดตั้ง

BMW ให้ความสำคัญกับปัญหาการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์เป็นอย่างมาก BMW ร่วมมือกับ Magna Steyer ซึ่งมีชื่อเสียงในด้านการใช้ไฮโดรเจนเหลวในการสำรวจอวกาศ โดยได้พัฒนาถังเชื้อเพลิงสำหรับไฮโดรเจนเหลวที่สามารถใช้ในรถยนต์ได้

การทดสอบยืนยันความปลอดภัยในการใช้ถังเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหลว

บริษัทได้ทำการทดสอบความปลอดภัยของโครงสร้างโดยใช้วิธีมาตรฐานและยืนยันความน่าเชื่อถือ
ในปี 2545 ที่งานมอเตอร์โชว์ที่เมืองแฟรงก์เฟิร์ต อัมไมน์ (เยอรมนี) ได้มีการจัดแสดง Mini Cooper Hydrogen ซึ่งใช้ไฮโดรเจนเหลวเป็นเชื้อเพลิง ถังน้ำมันของรถคันนี้กินพื้นที่เท่ากับถังแก๊สทั่วไป ไฮโดรเจนในรถคันนี้ไม่ได้ใช้สำหรับเซลล์เชื้อเพลิง แต่เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายใน

รถยนต์โปรดักชั่นคันแรกของโลกที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงแทนแบตเตอรี่

ในปี พ.ศ. 2546 BMW ได้ประกาศการผลิตรถยนต์ที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงรุ่นแรก นั่นคือ BMW 750 hL แบตเตอรี่เซลล์เชื้อเพลิงถูกใช้แทนแบตเตอรี่แบบเดิม รถคันนี้มีเครื่องยนต์สันดาปภายใน 12 สูบที่ใช้ไฮโดรเจน และเซลล์เชื้อเพลิงทำหน้าที่เป็นทางเลือกแทนแบตเตอรี่ทั่วไป ช่วยให้เครื่องปรับอากาศและผู้ใช้ไฟฟ้าอื่นๆ ทำงานเมื่อจอดรถเป็นเวลานานโดยที่เครื่องยนต์ไม่ทำงาน

หุ่นยนต์จะทำการเติมไฮโดรเจน โดยคนขับไม่เกี่ยวข้องกับกระบวนการนี้

บริษัท BMW เดียวกันนี้ยังได้พัฒนาเครื่องจ่ายเชื้อเพลิงแบบหุ่นยนต์ที่ช่วยให้การเติมเชื้อเพลิงรถยนต์ด้วยไฮโดรเจนเหลวรวดเร็วและปลอดภัย
การเกิดขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาของการพัฒนาจำนวนมากที่มุ่งสร้างรถยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงทางเลือกและระบบส่งกำลังทางเลือก แสดงให้เห็นว่าเครื่องยนต์สันดาปภายในซึ่งครองรถยนต์มาตลอดศตวรรษที่ผ่านมา จะหลีกทางให้การออกแบบที่สะอาดขึ้น มีประสิทธิภาพมากขึ้น และเงียบลงในที่สุด การยอมรับอย่างแพร่หลายในปัจจุบันไม่ได้ถูกจำกัดโดยทางเทคนิค แต่เกิดจากปัญหาทางเศรษฐกิจและสังคม สำหรับการใช้งานอย่างแพร่หลาย จำเป็นต้องสร้างโครงสร้างพื้นฐานบางอย่างสำหรับการพัฒนาการผลิตเชื้อเพลิงทางเลือก การสร้างและการจำหน่ายปั๊มน้ำมันแห่งใหม่ และเพื่อเอาชนะอุปสรรคทางจิตวิทยาหลายประการ การใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงของยานพาหนะจะต้องจัดการกับปัญหาการจัดเก็บ การจัดส่ง และการจัดจำหน่าย โดยมีมาตรการด้านความปลอดภัยที่ร้ายแรง
ตามทฤษฎีแล้ว ไฮโดรเจนมีอยู่ใน ปริมาณไม่จำกัดแต่การผลิตนั้นใช้พลังงานมาก นอกจากนี้ ในการแปลงรถยนต์ให้ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจน จำเป็นต้องดำเนินการสองประการ การเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ระบบจ่ายไฟ: ขั้นแรกให้ถ่ายโอนการทำงานของมันจากน้ำมันเบนซินไปเป็นเมทานอล จากนั้นจึงเปลี่ยนเป็นไฮโดรเจนเป็นระยะเวลาหนึ่ง จะใช้เวลาสักระยะก่อนที่ปัญหานี้จะได้รับการแก้ไข

เซลล์เชื้อเพลิงเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าเคมีที่คล้ายกับเซลล์กัลวานิก แต่แตกต่างตรงที่สารสำหรับปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีถูกส่งจากภายนอก ตรงกันข้ามกับปริมาณพลังงานที่จำกัดที่เก็บอยู่ในเซลล์กัลวานิกหรือแบตเตอรี่

ข้าว. 1. เซลล์เชื้อเพลิงบางชนิด

เซลล์เชื้อเพลิงแปลงพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงให้เป็นพลังงานไฟฟ้า โดยผ่านกระบวนการเผาไหม้ที่ไม่มีประสิทธิภาพที่เกิดขึ้นด้วย การสูญเสียครั้งใหญ่. พวกมันแปลงไฮโดรเจนและออกซิเจนเป็นไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาเคมี จากกระบวนการนี้ น้ำจึงก่อตัวขึ้นและปล่อยความร้อนจำนวนมากออกมา เซลล์เชื้อเพลิงมีลักษณะคล้ายกับแบตเตอรี่ที่สามารถชาร์จแล้วใช้พลังงานไฟฟ้าที่เก็บไว้ได้ ผู้ประดิษฐ์เซลล์เชื้อเพลิงถือเป็นวิลเลียม อาร์. โกรฟ ซึ่งประดิษฐ์มันขึ้นมาในปี 1839 เซลล์เชื้อเพลิงนี้ใช้สารละลายกรดซัลฟิวริกเป็นอิเล็กโทรไลต์ และใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง ซึ่งรวมกับออกซิเจนในตัวออกซิไดซ์ จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ เซลล์เชื้อเพลิงถูกนำมาใช้เฉพาะในห้องปฏิบัติการและบนยานอวกาศเท่านั้น

ข้าว. 2.

เซลล์เชื้อเพลิงไม่เหมือนกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอื่นๆ เช่น เครื่องยนต์สันดาปภายในหรือกังหันที่ขับเคลื่อนด้วยก๊าซ ถ่านหิน น้ำมันเชื้อเพลิง ฯลฯ เซลล์เชื้อเพลิงไม่เผาผลาญเชื้อเพลิง ซึ่งหมายความว่าไม่มีโรเตอร์ที่มีเสียงดัง ความดันสูง,เสียงดังท่อไอเสีย,แรงสั่นสะเทือน. เซลล์เชื้อเพลิงผลิตกระแสไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีแบบเงียบ คุณสมบัติอีกประการหนึ่งของเซลล์เชื้อเพลิงคือพวกมันแปลงพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงเป็นไฟฟ้า ความร้อน และน้ำโดยตรง

เซลล์เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพสูงและไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจกจำนวนมาก เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน และไนตรัสออกไซด์ ผลิตภัณฑ์ที่ปล่อยออกมาจากการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงมีเพียงน้ำในรูปของไอน้ำและมีปริมาณเล็กน้อย คาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งจะไม่ถูกปล่อยออกมาเลยหากใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์เป็นเชื้อเพลิง เซลล์เชื้อเพลิงจะถูกประกอบเป็นชุดประกอบ จากนั้นจึงแยกเป็นโมดูลการทำงานแต่ละโมดูล

เซลล์เชื้อเพลิงไม่มีส่วนที่เคลื่อนไหว (อย่างน้อยก็ไม่ใช่ภายในเซลล์) ดังนั้นจึงไม่เป็นไปตามกฎของการ์โนต์ นั่นคือจะมีประสิทธิภาพมากกว่า 50% และมีประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่โหลดต่ำ ดังนั้น รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงจึงสามารถ (และได้รับการพิสูจน์แล้วว่า) มีประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงมากกว่ารถยนต์ทั่วไปในสภาพการขับขี่ในโลกแห่งความเป็นจริง

เซลล์เชื้อเพลิงผลิตกระแสไฟฟ้าแรงดันคงที่ซึ่งสามารถใช้เพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้า ไฟส่องสว่าง และระบบไฟฟ้าอื่นๆ ในรถยนต์

เซลล์เชื้อเพลิงมีหลายประเภท ขึ้นอยู่กับกระบวนการทางเคมีที่ใช้ เซลล์เชื้อเพลิงมักจะจำแนกตามประเภทของอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้

เซลล์เชื้อเพลิงบางประเภทมีแนวโน้มที่จะใช้ขับเคลื่อนโรงไฟฟ้า ในขณะที่เซลล์เชื้อเพลิงบางประเภทมีแนวโน้มว่าจะใช้กับอุปกรณ์พกพาหรือรถยนต์

1. เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ (ALFC)

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์- นี่เป็นหนึ่งในองค์ประกอบแรกๆ ที่ได้รับการพัฒนา เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ (AFC) เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่ได้รับการศึกษามากที่สุด ซึ่งใช้มาตั้งแต่กลางทศวรรษที่ 60 ของศตวรรษที่ 20 โดย NASA ในโครงการ Apollo และ Space Shuttle บนยานอวกาศเหล่านี้ เซลล์เชื้อเพลิงจะผลิตพลังงานไฟฟ้าและน้ำดื่ม

ข้าว. 3.

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์เป็นหนึ่งในเซลล์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดที่ใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้า โดยมีประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าสูงถึง 70%

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ใช้อิเล็กโทรไลต์ ซึ่งเป็นสารละลายที่เป็นน้ำของโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ ซึ่งบรรจุอยู่ในเมทริกซ์ที่มีรูพรุนและมีความเสถียร ความเข้มข้นของโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์อาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งอยู่ในช่วงตั้งแต่ 65°C ถึง 220°C ตัวพาประจุใน SHTE คือไฮดรอกซิลไอออน (OH-) ซึ่งเคลื่อนที่จากแคโทดไปยังขั้วบวก ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจน ทำให้เกิดน้ำและอิเล็กตรอน น้ำที่ผลิตได้จากขั้วบวกจะเคลื่อนกลับไปยังแคโทด ทำให้เกิดไฮดรอกซิลไอออนที่นั่นอีกครั้ง จากผลของปฏิกิริยาชุดนี้ที่เกิดขึ้นในเซลล์เชื้อเพลิง กระแสไฟฟ้าและความร้อนจึงเกิดขึ้น:

ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

ปฏิกิริยาที่แคโทด: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

ปฏิกิริยาทั่วไประบบ: 2H2 + O2 => 2H2O

ข้อดีของ SHTE ก็คือเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้มีราคาถูกที่สุดในการผลิต เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต้องการบนอิเล็กโทรดอาจเป็นสารใดๆ ที่มีราคาถูกกว่าที่ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงอื่นๆ นอกจากนี้ SHTE ยังทำงานที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำและมีประสิทธิภาพมากที่สุดอีกด้วย

คุณลักษณะเฉพาะอย่างหนึ่งของ SHTE คือความไวสูงต่อ CO2 ซึ่งอาจบรรจุอยู่ในเชื้อเพลิงหรืออากาศ CO2 ทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์ ทำให้อิเล็กโทรไลต์เป็นพิษอย่างรวดเร็ว และลดประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงลงอย่างมาก ดังนั้น การใช้ SHTE จึงจำกัดเฉพาะพื้นที่ปิด เช่น อวกาศและยานพาหนะใต้น้ำ ซึ่งทำงานด้วยไฮโดรเจนและออกซิเจนบริสุทธิ์

2. เซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอเนตหลอมเหลว (MCFC)

เซลล์เชื้อเพลิงที่มีอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวเป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิสูง อุณหภูมิการทำงานที่สูงทำให้สามารถใช้ก๊าซธรรมชาติได้โดยตรงโดยไม่ต้องใช้ตัวประมวลผลเชื้อเพลิง และก๊าซเชื้อเพลิงที่มีค่าความร้อนของเชื้อเพลิงต่ำ กระบวนการผลิตและจากแหล่งอื่นๆ กระบวนการนี้ได้รับการพัฒนาในช่วงกลางทศวรรษที่ 60 ของศตวรรษที่ยี่สิบ ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา เทคโนโลยีการผลิต ประสิทธิภาพ และความน่าเชื่อถือได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้น

ข้าว. 4.

การทำงานของ RCFC แตกต่างจากเซลล์เชื้อเพลิงอื่นๆ เซลล์เหล่านี้ใช้อิเล็กโทรไลต์ที่ทำจากส่วนผสมของเกลือคาร์บอเนตหลอมเหลว ปัจจุบันมีการใช้สารผสมสองประเภท: ลิเธียมคาร์บอเนตและโพแทสเซียมคาร์บอเนตหรือลิเธียมคาร์บอเนตและโซเดียมคาร์บอเนต ในการละลายเกลือคาร์บอเนตและให้การเคลื่อนที่ของไอออนในอิเล็กโทรไลต์ในระดับสูง เซลล์เชื้อเพลิงที่มีอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวจะทำงานที่อุณหภูมิสูง (650°C) ประสิทธิภาพแตกต่างกันไประหว่าง 60-80%

เมื่อถูกความร้อนถึงอุณหภูมิ 650°C เกลือจะกลายเป็นตัวนำสำหรับคาร์บอเนตไอออน (CO32-) ไอออนเหล่านี้จะผ่านจากแคโทดไปยังแอโนด โดยจะรวมตัวกับไฮโดรเจนเพื่อสร้างน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และอิเล็กตรอนอิสระ อิเล็กตรอนเหล่านี้จะถูกส่งผ่านวงจรไฟฟ้าภายนอกกลับไปยังแคโทด ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าและความร้อนเป็นผลพลอยได้

ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

ปฏิกิริยาที่แคโทด: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

ปฏิกิริยาทั่วไปของธาตุ: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(แคโทด) => H2O(g) + CO2(แอโนด)

อุณหภูมิการทำงานที่สูงของเซลล์เชื้อเพลิงอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวมีข้อดีบางประการ ข้อดีคือสามารถใช้วัสดุมาตรฐานได้ (แผ่นสแตนเลสและตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลบนอิเล็กโทรด) ความร้อนทิ้งสามารถนำไปใช้ผลิตไอน้ำแรงดันสูงได้ อุณหภูมิปฏิกิริยาที่สูงในอิเล็กโทรไลต์ก็มีข้อดีเช่นกัน การใช้อุณหภูมิสูงต้องใช้เวลานานเพื่อให้ได้สภาวะการทำงานที่เหมาะสม และระบบจะตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงในการใช้พลังงานได้ช้ากว่า คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้สามารถใช้การติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงกับอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวภายใต้สภาวะพลังงานคงที่ อุณหภูมิสูงป้องกันความเสียหายต่อเซลล์เชื้อเพลิงจากคาร์บอนมอนอกไซด์ "พิษ" ฯลฯ

เซลล์เชื้อเพลิงที่มีอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวเหมาะสำหรับใช้ในการติดตั้งแบบอยู่กับที่ขนาดใหญ่ โรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่มีกำลังผลิตไฟฟ้า 2.8 เมกะวัตต์ผลิตเชิงพาณิชย์ กำลังพัฒนาการติดตั้งที่มีกำลังขับสูงถึง 100 เมกะวัตต์

3. เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (PAFC)

เซลล์เชื้อเพลิงขึ้นอยู่กับกรดฟอสฟอริก (ออร์โธฟอสฟอริก)กลายเป็นเซลล์เชื้อเพลิงชนิดแรกที่ใช้ในเชิงพาณิชย์ กระบวนการนี้ได้รับการพัฒนาในช่วงกลางทศวรรษที่ 60 ของศตวรรษที่ 20 มีการทดสอบตั้งแต่ช่วงทศวรรษที่ 70 ของศตวรรษที่ 20 ผลลัพธ์ที่ได้คือความเสถียรและประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น รวมถึงต้นทุนที่ลดลง

ข้าว. 5.

เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (ออร์โธฟอสฟอริก) ใช้อิเล็กโทรไลต์ที่มีกรดออร์โธฟอสฟอริก (H3PO4) เป็นส่วนประกอบหลักที่ความเข้มข้นสูงถึง 100% การนำไอออนิกของกรดฟอสฟอริกจะต่ำที่อุณหภูมิต่ำ ดังนั้นเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้จึงถูกใช้ที่อุณหภูมิสูงถึง 150-220 °C

ตัวพาประจุในเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้คือไฮโดรเจน (H+, โปรตอน) กระบวนการที่คล้ายกันนี้เกิดขึ้นในเซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC) ซึ่งไฮโดรเจนที่จ่ายให้กับขั้วบวกจะถูกแบ่งออกเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน โปรตอนเดินทางผ่านอิเล็กโทรไลต์และรวมกับออกซิเจนจากอากาศที่แคโทดเพื่อสร้างน้ำ อิเล็กตรอนถูกส่งผ่านวงจรไฟฟ้าภายนอก ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ด้านล่างนี้เป็นปฏิกิริยาที่ก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้าและความร้อน

ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก: 2H2 => 4H+ + 4e

ปฏิกิริยาที่แคโทด: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

ปฏิกิริยาทั่วไปของธาตุ: 2H2 + O2 => 2H2O

ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้กรดฟอสฟอริก (ออร์โธฟอสฟอริก) มากกว่า 40% เมื่อสร้าง พลังงานไฟฟ้า. ด้วยการผลิตความร้อนและไฟฟ้ารวมกัน ประสิทธิภาพโดยรวมอยู่ที่ประมาณ 85% นอกจากนี้ เมื่อพิจารณาถึงอุณหภูมิการทำงานแล้ว ความร้อนเหลือทิ้งยังสามารถใช้เพื่อทำให้น้ำร้อนและสร้างไอน้ำความดันบรรยากาศได้

ประสิทธิภาพสูงของโรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงที่มีกรดฟอสฟอริก (ออร์โธฟอสฟอริก) ในการผลิตพลังงานความร้อนและไฟฟ้าแบบรวมถือเป็นหนึ่งในข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้ หน่วยนี้ใช้คาร์บอนมอนอกไซด์ที่มีความเข้มข้นประมาณ 1.5% ซึ่งช่วยเพิ่มทางเลือกในการใช้เชื้อเพลิงได้อย่างมาก การออกแบบที่เรียบง่ายความผันผวนของอิเล็กโทรไลต์ในระดับต่ำและความเสถียรที่เพิ่มขึ้นก็เป็นข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงเช่นกัน

โรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่มีกำลังไฟฟ้าสูงสุดถึง 400 กิโลวัตต์ผลิตเชิงพาณิชย์ การติดตั้งที่มีกำลังการผลิต 11 เมกะวัตต์ได้ผ่านการทดสอบที่เหมาะสมแล้ว กำลังพัฒนาการติดตั้งที่มีกำลังขับสูงถึง 100 เมกะวัตต์

4. เซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC)

เซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนถือเป็นเซลล์เชื้อเพลิงชนิดที่ดีที่สุดสำหรับการผลิตไฟฟ้า ยานพาหนะซึ่งสามารถทดแทนเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบเบนซินและดีเซลได้ เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ถูกใช้ครั้งแรกโดย NASA สำหรับโครงการราศีเมถุน การติดตั้งที่ใช้ MOPFC ที่มีกำลังตั้งแต่ 1 W ถึง 2 kW ได้รับการพัฒนาและสาธิตแล้ว

ข้าว. 6.

อิเล็กโทรไลต์ในเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้เป็นเมมเบรนโพลีเมอร์แข็ง (ฟิล์มบางของพลาสติก) เมื่ออิ่มตัวด้วยน้ำ โพลีเมอร์นี้จะยอมให้โปรตอนผ่านได้แต่ไม่นำอิเล็กตรอน

เชื้อเพลิงคือไฮโดรเจน และตัวพาประจุคือไฮโดรเจนไอออน (โปรตอน) ที่ขั้วบวก โมเลกุลไฮโดรเจนจะถูกแบ่งออกเป็นไฮโดรเจนไอออน (โปรตอน) และอิเล็กตรอน ไอออนไฮโดรเจนผ่านอิเล็กโทรไลต์ไปยังแคโทด และอิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบวงกลมด้านนอกและผลิตพลังงานไฟฟ้า ออกซิเจนซึ่งนำมาจากอากาศจะถูกส่งไปยังแคโทดและรวมกับอิเล็กตรอนและไฮโดรเจนไอออนเพื่อสร้างน้ำ ปฏิกิริยาต่อไปนี้เกิดขึ้นที่ขั้วไฟฟ้า: ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eปฏิกิริยาที่แคโทด: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH ปฏิกิริยาโดยรวมของเซลล์: 2H2 + O2 => 2H2O เมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์ชนิดอื่น เซลล์เชื้อเพลิง เซลล์เชื้อเพลิงที่มีเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนจะผลิตพลังงานมากขึ้นตามปริมาตรหรือน้ำหนักของเซลล์เชื้อเพลิงที่กำหนด คุณสมบัตินี้ช่วยให้มีขนาดกะทัดรัดและน้ำหนักเบา นอกจากนี้อุณหภูมิในการทำงานยังต่ำกว่า 100°C ซึ่งช่วยให้คุณเริ่มการทำงานได้อย่างรวดเร็ว คุณลักษณะเหล่านี้ตลอดจนความสามารถในการเปลี่ยนพลังงานที่ส่งออกได้อย่างรวดเร็ว เป็นเพียงส่วนน้อยที่ทำให้เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้เป็นตัวเลือกหลักสำหรับใช้ในยานพาหนะ

ข้อดีอีกประการหนึ่งคืออิเล็กโทรไลต์เป็นของแข็งมากกว่าของเหลว การเก็บก๊าซไว้ที่แคโทดและแอโนดทำได้ง่ายกว่าโดยใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง ดังนั้นเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวจึงมีราคาถูกกว่าในการผลิต ด้วยอิเล็กโทรไลต์แข็ง ไม่มีปัญหาการวางแนวและปัญหาการกัดกร่อนน้อยลง ส่งผลให้เซลล์และส่วนประกอบมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น

ข้าว. 7.

5. เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC)

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์เป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิการทำงานสูงสุด อุณหภูมิในการทำงานอาจแตกต่างกันตั้งแต่ 600°C ถึง 1000°C ทำให้สามารถใช้งานได้ หลากหลายชนิดเชื้อเพลิงโดยไม่ต้องพิเศษ ก่อนการรักษา. ในการจัดการกับอุณหภูมิสูงเช่นนี้ อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้คือโลหะออกไซด์แข็งบางๆ บนฐานเซรามิก ซึ่งมักเป็นโลหะผสมของอิตเทรียมและเซอร์โคเนียม ซึ่งเป็นตัวนำของไอออนออกซิเจน (O2-) เทคโนโลยีการใช้เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ได้รับการพัฒนามาตั้งแต่ปลายทศวรรษที่ 50 ของศตวรรษที่ 20 และมีสองรูปแบบ: ระนาบและท่อ

อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งช่วยให้ก๊าซเปลี่ยนจากอิเล็กโทรดหนึ่งไปยังอีกอิเล็กโทรดแบบปิดผนึกได้ ในขณะที่อิเล็กโทรไลต์ของเหลวจะอยู่ในซับสเตรตที่มีรูพรุน ตัวพาประจุในเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้คือออกซิเจนไอออน (O2-) ที่แคโทด โมเลกุลออกซิเจนจากอากาศจะถูกแยกออกเป็นออกซิเจนไอออนและอิเล็กตรอนสี่ตัว ไอออนออกซิเจนจะผ่านอิเล็กโทรไลต์และรวมกับไฮโดรเจน ทำให้เกิดอิเล็กตรอนอิสระ 4 ตัว อิเล็กตรอนถูกส่งผ่านวงจรไฟฟ้าภายนอก ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าและความร้อนเหลือทิ้ง

ข้าว. 8.

ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

ปฏิกิริยาที่แคโทด: O2 + 4e- => 2O2-

ปฏิกิริยาทั่วไปของธาตุ: 2H2 + O2 => 2H2O

ประสิทธิภาพการผลิตพลังงานไฟฟ้าสูงที่สุดในบรรดาเซลล์เชื้อเพลิงทั้งหมด - ประมาณ 60% นอกจากนี้ อุณหภูมิการทำงานที่สูงยังช่วยให้สามารถผลิตพลังงานความร้อนและพลังงานไฟฟ้ารวมกันเพื่อสร้างไอน้ำแรงดันสูงได้ การรวมเซลล์เชื้อเพลิงอุณหภูมิสูงเข้ากับกังหันทำให้สามารถสร้างเซลล์เชื้อเพลิงไฮบริดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตพลังงานไฟฟ้าได้สูงสุดถึง 70%

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ทำงานที่อุณหภูมิสูงมาก (600°C-1000°C) ส่งผลให้ต้องใช้เวลาอย่างมากในการบรรลุสภาวะการทำงานที่เหมาะสมที่สุด และการตอบสนองของระบบต่อการเปลี่ยนแปลงในการใช้พลังงานช้าลง ที่อุณหภูมิการทำงานที่สูงเช่นนี้ ไม่จำเป็นต้องมีตัวแปลงเพื่อนำไฮโดรเจนกลับมาจากเชื้อเพลิง ทำให้โรงไฟฟ้าพลังความร้อนทำงานกับเชื้อเพลิงที่ไม่บริสุทธิ์ซึ่งเป็นผลมาจากการเปลี่ยนสภาพเป็นแก๊สของถ่านหินหรือก๊าซเสีย เป็นต้น เซลล์เชื้อเพลิงยังยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งานด้านพลังงานสูง รวมถึงโรงงานอุตสาหกรรมและโรงไฟฟ้ากลางขนาดใหญ่ โมดูลที่มีกำลังไฟฟ้าเอาต์พุต 100 kW ได้รับการผลิตเชิงพาณิชย์

6. เซลล์เชื้อเพลิงออกซิเดชันเมธานอลโดยตรง (DOMFC)

เซลล์เชื้อเพลิงออกซิเดชันเมธานอลโดยตรงพวกเขาถูกนำมาใช้อย่างประสบความสำเร็จในด้านการจ่ายไฟให้กับโทรศัพท์มือถือแล็ปท็อปรวมถึงการสร้างแหล่งพลังงานแบบพกพาซึ่งเป็นเป้าหมายของการใช้องค์ประกอบดังกล่าวในอนาคต

การออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงที่มีการออกซิเดชันโดยตรงของเมทานอลจะคล้ายกับการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงที่มีเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (MEPFC) กล่าวคือ โพลีเมอร์ถูกใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ และใช้ไฮโดรเจนไอออน (โปรตอน) เป็นตัวพาประจุ แต่เมทานอลเหลว (CH3OH) จะออกซิไดซ์เมื่อมีน้ำอยู่ที่ขั้วบวก และปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ ไอออนไฮโดรเจน และอิเล็กตรอน ซึ่งถูกส่งผ่านวงจรไฟฟ้าภายนอก ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ไอออนไฮโดรเจนจะผ่านอิเล็กโทรไลต์และทำปฏิกิริยากับออกซิเจนจากอากาศและอิเล็กตรอนจากวงจรภายนอกเพื่อสร้างน้ำที่ขั้วบวก

ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eปฏิกิริยาที่แคโทด: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O ปฏิกิริยาทั่วไปขององค์ประกอบ: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O การพัฒนาดังกล่าว เซลล์เชื้อเพลิงเริ่มดำเนินการตั้งแต่ต้นทศวรรษที่ 90 ของศตวรรษที่ 20 และพลังและประสิทธิภาพเฉพาะเพิ่มขึ้นเป็น 40%

องค์ประกอบเหล่านี้ได้รับการทดสอบในช่วงอุณหภูมิ 50-120°C เนื่องจากอุณหภูมิในการทำงานต่ำและไม่ต้องใช้ตัวแปลง เซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวจึงเป็นตัวเลือกหลักสำหรับใช้ในโทรศัพท์มือถือและผลิตภัณฑ์อุปโภคบริโภคอื่นๆ เช่นเดียวกับในเครื่องยนต์ของรถยนต์ ข้อได้เปรียบของพวกเขาคือขนาดที่เล็ก

7. เซลล์เชื้อเพลิงโพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์ (PEFC)

ในกรณีของเซลล์เชื้อเพลิงโพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์ เมมเบรนโพลีเมอร์ประกอบด้วยเส้นใยโพลีเมอร์ที่มีบริเวณน้ำซึ่งมีไอออนของน้ำที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า H2O+ (โปรตอน สีแดง) เกาะติดกับโมเลกุลของน้ำ โมเลกุลของน้ำก่อให้เกิดปัญหาเนื่องจากการแลกเปลี่ยนไอออนช้า ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้น้ำที่มีความเข้มข้นสูงทั้งในน้ำมันเชื้อเพลิงและที่อิเล็กโทรดทางออก ซึ่งจะจำกัดอุณหภูมิการทำงานไว้ที่ 100°C

8. เซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นกรดแข็ง (SFC)

ในเซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นกรดแข็ง อิเล็กโทรไลต์ (CsHSO4) ไม่มีน้ำ อุณหภูมิในการทำงานจึงอยู่ที่ 100-300°C การหมุนของออกซิเจน SO42 ทำให้โปรตอน (สีแดง) เคลื่อนที่ได้ดังแสดงในรูป โดยปกติแล้วเซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นกรดแข็งจะเป็นแซนด์วิชซึ่งมีอยู่มาก ชั้นบางสารประกอบกรดแข็งจะอยู่ระหว่างอิเล็กโทรดที่ถูกบีบอัดแน่นสองตัวเพื่อให้แน่ใจว่ามีการสัมผัสที่ดี เมื่อถูกความร้อน ส่วนประกอบอินทรีย์จะระเหยออกไปทางรูพรุนในอิเล็กโทรด โดยคงความสามารถในการสัมผัสหลายครั้งระหว่างเชื้อเพลิง (หรือออกซิเจนที่ปลายอีกด้านหนึ่งขององค์ประกอบ) อิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรด

ข้าว. 9.

9. การเปรียบเทียบลักษณะที่สำคัญที่สุดของเซลล์เชื้อเพลิง

ลักษณะของเซลล์เชื้อเพลิง

ประเภทเซลล์เชื้อเพลิง	อุณหภูมิในการทำงาน	ประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้า	ประเภทเชื้อเพลิง	ขอบเขตการใช้งาน
				การติดตั้งขนาดกลางและขนาดใหญ่
			ไฮโดรเจนบริสุทธิ์	การติดตั้ง
			ไฮโดรเจนบริสุทธิ์	การติดตั้งขนาดเล็ก
			เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนส่วนใหญ่	งานติดตั้งขนาดเล็ก กลาง และใหญ่
				แบบพกพา การติดตั้ง
			ไฮโดรเจนบริสุทธิ์	ช่องว่าง ค้นคว้า
			ไฮโดรเจนบริสุทธิ์	การติดตั้งขนาดเล็ก

ข้าว. 10.

10. การใช้เซลล์เชื้อเพลิงในรถยนต์

ข้าว. สิบเอ็ด

ข้าว. 12.

เมื่อคุณเล่นเกม Horizon: Zero Dawn คุณอาจบังเอิญพบกับสิ่งที่เรียกว่า "เซลล์เชื้อเพลิง" ซึ่งปรากฏในรายการสินค้าคงคลังพิเศษ แต่มีไว้เพื่ออะไรและใครควรขายให้? ในความเป็นจริงไม่มีใครจำเป็นต้องขายพวกเขา เซลล์เชื้อเพลิงจะต้องเปิดใช้งานทางเข้าคลังแสงโบราณซึ่งมีชุดเกราะที่ดีที่สุดในเกม เรามาพูดถึงว่าจะมองหาองค์ประกอบได้ที่ไหนและจะเข้าสู่คลังแสงโบราณได้อย่างไร:

จะหาเซลล์เชื้อเพลิงได้ที่ไหน

• เราสามารถค้นหาเซลล์เชื้อเพลิงเซลล์ที่สามได้ในงาน "Master's Limit" เป็นไปได้ที่จะค้นหาไอเท็มในภายหลัง แต่เนื่องจากประวัติศาสตร์ของเกมได้นำเรามาที่นี่ จึงไม่ใช่เรื่องผิดที่จะคว้าคุณค่าในตอนนี้ ยิ่งกว่านั้นเส้นทางไปยังสถานที่ซึ่งธาตุนั้นอยู่นั้นไม่ได้อยู่ใกล้กัน

  ดังนั้นเมื่อได้รับภารกิจ "Master's Limit" แล้ว Aloy จึงต้องไปทางเหนือของแผนที่เพื่อไปยังซากปรักหักพังของอารยธรรมโบราณ

  

  ส่วนใหญ่ ภารกิจก็จะผ่านไปภายในอาคารต้องวิ่งไปตามทางเดินที่ยุ่งยากแล้วปีนขึ้นไปด้านบนตามปล่องลิฟต์ ที่นี่เราเพียงแค่เดินไปตามเส้นทางที่เกมเสนอให้เราจนกว่า Aloy จะออกไป ในเนื้อเรื่องเราจะต้องศึกษาอุปกรณ์อันชาญฉลาด แต่เราจะรอสักพัก

  

  ควรให้ความสนใจกับยอดแหลมสูงซึ่งคุณสามารถเห็นองค์ประกอบสีเหลืองที่ Aloy สามารถปีนขึ้นไปได้

  

  เราปีนขึ้นไปถึงจุดสูงสุด ซึ่งเซลล์เชื้อเพลิงอันล้ำค่าจะรอเราอยู่บนแท่นเล็กๆ

  

  คุณจะต้องลงไปโดยใช้เชือกที่ติดอยู่กับชานชาลา จากนั้นคุณสามารถเคลื่อนตัวไปตามโครงเรื่องได้อย่างปลอดภัยจนถึงงาน "สมบัติแห่งความตาย"

• เซลล์เชื้อเพลิงที่ห้าสุดท้ายสามารถพบได้อีกครั้งในซากปรักหักพังทางตอนเหนือในภารกิจเรื่อง "Fallen Mountain"

  

  เมื่อได้รับภารกิจแล้วเราก็ไปที่ซากปรักหักพังของ GAIA Prime เราก้าวไปในทิศทางที่เกมนำเราอย่างกล้าหาญจนกระทั่งเรามาถึงสถานที่นี้:

  

  อย่าคิดที่จะกระโดดลงมาจากลำแสงนี้ด้วยซ้ำ! ที่นี่เราต้องเลี้ยวซ้าย ที่นั่นเราจะเห็นความกดขี่เล็กน้อยในหินซึ่งเป็นจุดที่เราต้องไป

ข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์

เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์เป็นอุปกรณ์ที่ผลิตกระแสตรงและความร้อนจากเชื้อเพลิงที่อุดมด้วยไฮโดรเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า

เซลล์เชื้อเพลิงมีลักษณะคล้ายกับแบตเตอรี่โดยผลิตกระแสตรงผ่านปฏิกิริยาเคมี เซลล์เชื้อเพลิงประกอบด้วยขั้วบวก แคโทด และอิเล็กโทรไลต์ อย่างไรก็ตาม เซลล์เชื้อเพลิงไม่สามารถเก็บพลังงานไฟฟ้าได้ และไม่คายประจุหรือต้องใช้ไฟฟ้าในการชาร์จ ซึ่งต่างจากแบตเตอรี่ตรงที่ เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์เชื้อเพลิงสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่องตราบเท่าที่มีเชื้อเพลิงและอากาศจ่าย

เซลล์/เซลล์เชื้อเพลิงไม่เหมือนกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอื่นๆ เช่น เครื่องยนต์สันดาปภายในหรือกังหันที่ขับเคลื่อนด้วยก๊าซ ถ่านหิน น้ำมันเชื้อเพลิง ฯลฯ ซึ่งหมายความว่าไม่มีโรเตอร์แรงดันสูงที่มีเสียงดัง ไม่มีเสียงดังจากไอเสีย และไม่สั่นสะเทือน เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ผลิตกระแสไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าแบบเงียบ คุณสมบัติอีกประการหนึ่งของเซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ก็คือ พวกมันแปลงพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงให้เป็นไฟฟ้า ความร้อน และน้ำโดยตรง

เซลล์เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพสูงและไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจกจำนวนมาก เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน และไนตรัสออกไซด์ ผลิตภัณฑ์ที่ปล่อยออกมาระหว่างการทำงานมีเพียงน้ำในรูปของไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนเล็กน้อย ซึ่งจะไม่ถูกปล่อยออกมาเลยหากใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์เป็นเชื้อเพลิง องค์ประกอบ/เซลล์เชื้อเพลิงจะถูกประกอบเข้าเป็นชุดประกอบ จากนั้นจึงประกอบเป็นโมดูลการทำงานแยกกัน

ประวัติความเป็นมาของการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์

ในช่วงทศวรรษปี 1950 และ 1960 หนึ่งในความท้าทายเร่งด่วนที่สุดสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงเกิดขึ้นจากความต้องการแหล่งพลังงานสำหรับภารกิจอวกาศระยะยาวขององค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ (NASA) เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ของ NASA ใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนเป็นเชื้อเพลิง โดยผสมผสานทั้งสองเซลล์เข้าด้วยกัน องค์ประกอบทางเคมีในปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า ผลลัพธ์ที่ได้คือผลพลอยได้ที่เป็นประโยชน์ 3 ประการจากปฏิกิริยาในการบินในอวกาศ ได้แก่ ไฟฟ้าสำหรับยานอวกาศ น้ำสำหรับดื่มและระบบทำความเย็น และความร้อนสำหรับอุ่นนักบินอวกาศ

การค้นพบเซลล์เชื้อเพลิงมีขึ้นตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 19 หลักฐานแรกของผลกระทบของเซลล์เชื้อเพลิงได้รับในปี พ.ศ. 2381

ในช่วงปลายทศวรรษ 1930 งานเริ่มต้นกับเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอิเล็กโทรไลต์อัลคาไลน์ และในปี 1939 เซลล์ที่ใช้อิเล็กโทรดชุบนิกเกิลแรงดันสูงก็ถูกสร้างขึ้น ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ได้รับการพัฒนาสำหรับเรือดำน้ำของกองทัพเรืออังกฤษ และในปี พ.ศ. 2501 ได้มีการนำส่วนประกอบเชื้อเพลิงที่ประกอบด้วยเซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์/เซลล์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 25 ซม. ขึ้นไป

ความสนใจเพิ่มขึ้นในทศวรรษ 1950 และ 1960 และในทศวรรษ 1980 เมื่อโลกอุตสาหกรรมประสบปัญหาการขาดแคลนเชื้อเพลิงปิโตรเลียม ในช่วงเวลาเดียวกัน ประเทศต่างๆ ในโลกก็เริ่มมีความกังวลเกี่ยวกับปัญหามลพิษทางอากาศและพิจารณาวิธีการผลิตไฟฟ้าในลักษณะที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงกำลังอยู่ระหว่างการพัฒนาอย่างรวดเร็ว

หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์

เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ผลิตไฟฟ้าและความร้อนเนื่องจากปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าเกิดขึ้นโดยใช้อิเล็กโทรไลต์ แคโทด และแอโนด

แอโนดและแคโทดถูกแยกออกจากกันด้วยอิเล็กโทรไลต์ที่นำโปรตอน หลังจากที่ไฮโดรเจนไหลไปยังขั้วบวกและออกซิเจนไปยังแคโทด ปฏิกิริยาทางเคมีก็เริ่มต้นขึ้น ซึ่งเป็นผลมาจากกระแสไฟฟ้า ความร้อน และน้ำที่เกิดขึ้น

ที่ตัวเร่งปฏิกิริยาแอโนด โมเลกุลไฮโดรเจนจะแยกตัวและสูญเสียอิเล็กตรอน ไฮโดรเจนไอออน (โปรตอน) ถูกส่งผ่านอิเล็กโทรไลต์ไปยังแคโทด ในขณะที่อิเล็กตรอนถูกส่งผ่านอิเล็กโทรไลต์และเดินทางผ่านวงจรไฟฟ้าภายนอก ทำให้เกิดกระแสตรงที่สามารถนำไปใช้กับอุปกรณ์จ่ายไฟได้ ที่ตัวเร่งปฏิกิริยาแคโทด โมเลกุลออกซิเจนจะรวมตัวกับอิเล็กตรอน (ซึ่งได้มาจากการสื่อสารภายนอก) และโปรตอนที่เข้ามา และก่อตัวเป็นน้ำ ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาชนิดเดียว (ในรูปของไอและ/หรือของเหลว)

ด้านล่างนี้เป็นปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้อง:

ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก: 2H 2 => 4H+ + 4e -
ปฏิกิริยาที่แคโทด: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
ปฏิกิริยาทั่วไปของธาตุ: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

ประเภทและความหลากหลายขององค์ประกอบ/เซลล์เชื้อเพลิง

เช่นเดียวกับเครื่องยนต์สันดาปภายในประเภทต่างๆ เซลล์เชื้อเพลิงก็มีให้เลือกหลายประเภท ประเภทที่เหมาะสมเซลล์เชื้อเพลิงขึ้นอยู่กับการใช้งาน

เซลล์เชื้อเพลิงแบ่งออกเป็นอุณหภูมิสูงและอุณหภูมิต่ำ เซลล์เชื้อเพลิงอุณหภูมิต่ำต้องการไฮโดรเจนที่ค่อนข้างบริสุทธิ์เป็นเชื้อเพลิง ซึ่งมักหมายความว่าจำเป็นต้องมีการประมวลผลเชื้อเพลิงเพื่อแปลงเชื้อเพลิงหลัก (เช่น ก๊าซธรรมชาติ) ให้เป็นไฮโดรเจนบริสุทธิ์ กระบวนการนี้ใช้พลังงานเพิ่มเติมและต้องใช้อุปกรณ์พิเศษ เซลล์เชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิสูงไม่จำเป็นต้องมีขั้นตอนเพิ่มเติมนี้ เนื่องจากสามารถดำเนินการ "การแปลงภายใน" ของเชื้อเพลิงได้ที่ อุณหภูมิที่สูงขึ้นซึ่งหมายความว่าไม่จำเป็นต้องลงทุนเงินในโครงสร้างพื้นฐานของไฮโดรเจน

เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์หลอมเหลวคาร์บอเนต (MCFC)

เซลล์เชื้อเพลิงอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวเป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิสูง อุณหภูมิการทำงานที่สูงทำให้สามารถใช้ก๊าซธรรมชาติได้โดยตรงโดยไม่ต้องใช้ตัวประมวลผลเชื้อเพลิง และก๊าซเชื้อเพลิงที่มีค่าความร้อนต่ำจากกระบวนการทางอุตสาหกรรมและแหล่งอื่นๆ

การทำงานของ RCFC แตกต่างจากเซลล์เชื้อเพลิงอื่นๆ เซลล์เหล่านี้ใช้อิเล็กโทรไลต์ที่ทำจากส่วนผสมของเกลือคาร์บอเนตหลอมเหลว ปัจจุบันมีการใช้สารผสมสองประเภท: ลิเธียมคาร์บอเนตและโพแทสเซียมคาร์บอเนตหรือลิเธียมคาร์บอเนตและโซเดียมคาร์บอเนต ในการละลายเกลือคาร์บอเนตและให้การเคลื่อนที่ของไอออนในอิเล็กโทรไลต์ในระดับสูง เซลล์เชื้อเพลิงที่มีอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวจะทำงานที่อุณหภูมิสูง (650°C) ประสิทธิภาพแตกต่างกันไประหว่าง 60-80%

เมื่อถูกความร้อนถึงอุณหภูมิ 650°C เกลือจะกลายเป็นตัวนำสำหรับไอออนคาร์บอเนต (CO 3 2-) ไอออนเหล่านี้จะผ่านจากแคโทดไปยังแอโนด โดยจะรวมตัวกับไฮโดรเจนเพื่อสร้างน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และอิเล็กตรอนอิสระ อิเล็กตรอนเหล่านี้จะถูกส่งผ่านวงจรไฟฟ้าภายนอกกลับไปยังแคโทด ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าและความร้อนเป็นผลพลอยได้

ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
ปฏิกิริยาที่แคโทด: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
ปฏิกิริยาทั่วไปของธาตุ: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (แคโทด) => H 2 O (g) + CO 2 (ขั้วบวก)

อุณหภูมิการทำงานที่สูงของเซลล์เชื้อเพลิงอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวมีข้อดีบางประการ ที่อุณหภูมิสูง ก๊าซธรรมชาติจะได้รับการปฏิรูปภายใน ทำให้ไม่ต้องใช้ตัวประมวลผลเชื้อเพลิง นอกจากนี้ ข้อดียังรวมถึงความสามารถในการใช้วัสดุก่อสร้างมาตรฐาน เช่น แผ่นเหล็กสแตนเลส และตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลบนอิเล็กโทรด ความร้อนเหลือทิ้งสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างไอน้ำแรงดันสูงเพื่อวัตถุประสงค์ทางอุตสาหกรรมและการพาณิชย์ที่หลากหลาย

อุณหภูมิปฏิกิริยาที่สูงในอิเล็กโทรไลต์ก็มีข้อดีเช่นกัน การใช้อุณหภูมิสูงต้องใช้เวลามากเพื่อให้ได้สภาวะการทำงานที่เหมาะสม และระบบจะตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงในการใช้พลังงานได้ช้ากว่า คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้สามารถใช้การติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงกับอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวภายใต้สภาวะพลังงานคงที่ อุณหภูมิสูงจะป้องกันไม่ให้คาร์บอนมอนอกไซด์ทำลายเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงที่มีอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวเหมาะสำหรับใช้ในการติดตั้งแบบอยู่กับที่ขนาดใหญ่ โรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่มีกำลังผลิตไฟฟ้า 3.0 เมกะวัตต์ผลิตเชิงพาณิชย์ กำลังพัฒนาการติดตั้งที่มีกำลังขับสูงถึง 110 เมกะวัตต์

เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์กรดฟอสฟอริก (PAFC)

เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (ออร์โธฟอสฟอริก) เป็นเซลล์เชื้อเพลิงชนิดแรกที่ใช้เชิงพาณิชย์

เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (ออร์โธฟอสฟอริก) ใช้อิเล็กโทรไลต์ที่มีกรดออร์โธฟอสฟอริก (H 3 PO 4) ซึ่งมีความเข้มข้นสูงถึง 100% ค่าการนำไฟฟ้าไอออนิกของกรดฟอสฟอริกจะต่ำที่อุณหภูมิต่ำ ด้วยเหตุนี้เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้จึงถูกใช้ที่อุณหภูมิสูงถึง 150–220°C

ตัวพาประจุในเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้คือไฮโดรเจน (H+, โปรตอน) กระบวนการที่คล้ายกันนี้เกิดขึ้นในเซลล์เชื้อเพลิงที่มีเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน ซึ่งไฮโดรเจนที่จ่ายให้กับขั้วบวกจะถูกแบ่งออกเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน โปรตอนเดินทางผ่านอิเล็กโทรไลต์และรวมกับออกซิเจนจากอากาศที่แคโทดเพื่อสร้างน้ำ อิเล็กตรอนถูกส่งผ่านวงจรไฟฟ้าภายนอก ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ด้านล่างนี้เป็นปฏิกิริยาที่ก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้าและความร้อน

ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก: 2H 2 => 4H + + 4e -
ปฏิกิริยาที่แคโทด: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2 H 2 O
ปฏิกิริยาทั่วไปของธาตุ: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้กรดฟอสฟอริก (ออร์โธฟอสฟอริก) มากกว่า 40% เมื่อสร้างพลังงานไฟฟ้า ด้วยการผลิตความร้อนและไฟฟ้ารวมกัน ประสิทธิภาพโดยรวมอยู่ที่ประมาณ 85% นอกจากนี้ เมื่อพิจารณาถึงอุณหภูมิการทำงานแล้ว ความร้อนเหลือทิ้งยังสามารถใช้เพื่อทำให้น้ำร้อนและสร้างไอน้ำความดันบรรยากาศได้

ประสิทธิภาพสูงของโรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงที่มีกรดฟอสฟอริก (ออร์โธฟอสฟอริก) ในการผลิตพลังงานความร้อนและไฟฟ้าแบบรวมถือเป็นหนึ่งในข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้ หน่วยนี้ใช้คาร์บอนมอนอกไซด์ที่มีความเข้มข้นประมาณ 1.5% ซึ่งช่วยเพิ่มทางเลือกในการใช้เชื้อเพลิงได้อย่างมาก นอกจากนี้ CO 2 ยังไม่ส่งผลต่ออิเล็กโทรไลต์และการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงเนื่องจากเซลล์ประเภทนี้ทำงานร่วมกับเชื้อเพลิงธรรมชาติที่ผ่านการปรับสภาพแล้ว การออกแบบที่เรียบง่าย การระเหยของอิเล็กโทรไลต์ในระดับต่ำ และความเสถียรที่เพิ่มขึ้น ก็เป็นข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้เช่นกัน

โรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่มีกำลังไฟฟ้าสูงสุดถึง 500 กิโลวัตต์ผลิตเชิงพาณิชย์ การติดตั้งขนาด 11 เมกะวัตต์ผ่านการทดสอบที่เหมาะสมแล้ว กำลังพัฒนาการติดตั้งที่มีกำลังขับสูงถึง 100 เมกะวัตต์

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC)

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์เป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิการทำงานสูงสุด อุณหภูมิในการทำงานอาจแตกต่างกันตั้งแต่ 600°C ถึง 1,000°C ทำให้สามารถใช้เชื้อเพลิงประเภทต่างๆ ได้โดยไม่ต้องมีการบำบัดล่วงหน้าเป็นพิเศษ ในการจัดการกับอุณหภูมิสูงเช่นนี้ อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้คือโลหะออกไซด์แข็งบางๆ บนฐานเซรามิก ซึ่งมักเป็นโลหะผสมของอิตเทรียมและเซอร์โคเนียม ซึ่งเป็นตัวนำของไอออนออกซิเจน (O2-)

อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งช่วยให้ก๊าซเปลี่ยนจากอิเล็กโทรดหนึ่งไปยังอีกอิเล็กโทรดแบบปิดผนึกได้ ในขณะที่อิเล็กโทรไลต์ของเหลวจะอยู่ในซับสเตรตที่มีรูพรุน ตัวพาประจุในเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้คือออกซิเจนไอออน (O 2-) ที่แคโทด โมเลกุลออกซิเจนจากอากาศจะถูกแยกออกเป็นออกซิเจนไอออนและอิเล็กตรอนสี่ตัว ไอออนออกซิเจนจะผ่านอิเล็กโทรไลต์และรวมกับไฮโดรเจน ทำให้เกิดอิเล็กตรอนอิสระ 4 ตัว อิเล็กตรอนถูกส่งผ่านวงจรไฟฟ้าภายนอก ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าและความร้อนเหลือทิ้ง

ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
ปฏิกิริยาที่แคโทด: O 2 + 4e - => 2O 2-
ปฏิกิริยาทั่วไปของธาตุ: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

ประสิทธิภาพของพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้นั้นสูงที่สุดในบรรดาเซลล์เชื้อเพลิงทั้งหมด - ประมาณ 60-70% อุณหภูมิการทำงานที่สูงทำให้สามารถผลิตพลังงานความร้อนและพลังงานไฟฟ้ารวมกันเพื่อสร้างไอน้ำแรงดันสูง การรวมเซลล์เชื้อเพลิงอุณหภูมิสูงเข้ากับกังหันทำให้สามารถสร้างเซลล์เชื้อเพลิงไฮบริดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตพลังงานไฟฟ้าได้สูงสุดถึง 75%

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ทำงานที่อุณหภูมิสูงมาก (600°C–1000°C) ส่งผลให้มีเวลาสำคัญในการบรรลุสภาวะการทำงานที่เหมาะสมที่สุด และการตอบสนองของระบบต่อการเปลี่ยนแปลงในการใช้พลังงานช้าลง ที่อุณหภูมิการทำงานที่สูงเช่นนี้ ไม่จำเป็นต้องมีตัวแปลงเพื่อนำไฮโดรเจนกลับมาจากเชื้อเพลิง ทำให้โรงไฟฟ้าพลังความร้อนทำงานกับเชื้อเพลิงที่ไม่บริสุทธิ์ซึ่งเป็นผลมาจากการเปลี่ยนสภาพเป็นแก๊สของถ่านหินหรือก๊าซเสีย เป็นต้น เซลล์เชื้อเพลิงยังยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งานด้านพลังงานสูง รวมถึงโรงงานอุตสาหกรรมและโรงไฟฟ้ากลางขนาดใหญ่ โมดูลที่มีกำลังไฟฟ้าเอาต์พุต 100 kW ได้รับการผลิตเชิงพาณิชย์

เซลล์/เซลล์เชื้อเพลิงออกซิเดชันเมทานอลโดยตรง (DOMFC)

เทคโนโลยีการใช้เซลล์เชื้อเพลิงที่มีออกซิเดชันเมทานอลโดยตรงอยู่ระหว่างการพัฒนาอย่างแข็งขัน ประสบความสำเร็จในการพิสูจน์ตัวเองแล้วในด้านการให้พลังงานแก่โทรศัพท์มือถือ แล็ปท็อป รวมถึงการสร้างแหล่งพลังงานแบบพกพา นี่คือจุดประสงค์ของการใช้องค์ประกอบเหล่านี้ในอนาคต

การออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงที่มีการออกซิเดชันโดยตรงของเมทานอลจะคล้ายกับเซลล์เชื้อเพลิงที่มีเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (MEPFC) กล่าวคือ โพลีเมอร์ถูกใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ และใช้ไฮโดรเจนไอออน (โปรตอน) เป็นตัวพาประจุ อย่างไรก็ตาม เมทานอลเหลว (CH 3 OH) จะออกซิไดซ์เมื่อมีน้ำอยู่ที่ขั้วบวก โดยปล่อย CO 2 ไอออนไฮโดรเจน และอิเล็กตรอน ซึ่งถูกส่งผ่านวงจรไฟฟ้าภายนอก ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ไอออนไฮโดรเจนจะผ่านอิเล็กโทรไลต์และทำปฏิกิริยากับออกซิเจนจากอากาศและอิเล็กตรอนจากวงจรภายนอกเพื่อสร้างน้ำที่ขั้วบวก

ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
ปฏิกิริยาที่แคโทด: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
ปฏิกิริยาทั่วไปขององค์ประกอบ: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

ข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้คือมีขนาดเล็กเนื่องจากใช้เชื้อเพลิงเหลวและไม่ต้องใช้ตัวแปลง

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์/เซลล์ (ALFC)

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์เป็นหนึ่งในเซลล์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดที่ใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้า โดยมีประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าสูงถึง 70%

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ใช้อิเล็กโทรไลต์ ซึ่งเป็นสารละลายที่เป็นน้ำของโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ ซึ่งบรรจุอยู่ในเมทริกซ์ที่มีรูพรุนและมีความเสถียร ความเข้มข้นของโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์อาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งอยู่ในช่วงตั้งแต่ 65°C ถึง 220°C ตัวพาประจุใน SHTE คือไฮดรอกซิลไอออน (OH -) ซึ่งเคลื่อนที่จากแคโทดไปยังขั้วบวก ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจน ทำให้เกิดน้ำและอิเล็กตรอน น้ำที่ผลิตได้จากขั้วบวกจะเคลื่อนกลับไปยังแคโทด ทำให้เกิดไฮดรอกซิลไอออนที่นั่นอีกครั้ง จากผลของปฏิกิริยาชุดนี้ที่เกิดขึ้นในเซลล์เชื้อเพลิง กระแสไฟฟ้าและความร้อนจึงเกิดขึ้น:

ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
ปฏิกิริยาที่แคโทด: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
ปฏิกิริยาทั่วไปของระบบ: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

ข้อดีของ SHTE ก็คือเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้มีราคาถูกที่สุดในการผลิต เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต้องการบนอิเล็กโทรดอาจเป็นสารใดๆ ที่มีราคาถูกกว่าที่ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงอื่นๆ SFC ทำงานที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำและเป็นหนึ่งในเซลล์เชื้อเพลิงที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด - ลักษณะดังกล่าวสามารถส่งผลให้ผลิตพลังงานได้เร็วขึ้นและประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงสูง

คุณลักษณะเฉพาะอย่างหนึ่งของ SHTE คือความไวสูงต่อ CO 2 ซึ่งอาจบรรจุอยู่ในเชื้อเพลิงหรืออากาศ CO 2 ทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์ ทำให้อิเล็กโทรไลต์เป็นพิษอย่างรวดเร็ว และลดประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงลงอย่างมาก ดังนั้น การใช้ SHTE จึงจำกัดเฉพาะพื้นที่ปิด เช่น อวกาศและยานพาหนะใต้น้ำ ซึ่งต้องใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนบริสุทธิ์ นอกจากนี้ โมเลกุล เช่น CO, H 2 O และ CH4 ซึ่งปลอดภัยสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงอื่นๆ และแม้แต่ทำหน้าที่เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงบางชนิด ยังเป็นอันตรายต่อ SHFC

เซลล์เชื้อเพลิงโพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์ (PEFC)

ในกรณีของเซลล์เชื้อเพลิงโพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์ เมมเบรนโพลีเมอร์ประกอบด้วยเส้นใยโพลีเมอร์ที่มีบริเวณน้ำซึ่งมีการนำไอออนของน้ำ H2O+ (โปรตอน สีแดง) มาเกาะติดกับโมเลกุลของน้ำ) โมเลกุลของน้ำก่อให้เกิดปัญหาเนื่องจากการแลกเปลี่ยนไอออนช้า ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้น้ำที่มีความเข้มข้นสูงทั้งในน้ำมันเชื้อเพลิงและที่อิเล็กโทรดทางออก โดยจำกัดอุณหภูมิในการทำงานไว้ที่ 100°C

เซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นกรดแข็ง/เซลล์ (SFC)

ในเซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นกรดแข็ง อิเล็กโทรไลต์ (CsHSO 4) ไม่มีน้ำ อุณหภูมิในการทำงานจึงอยู่ที่ 100-300°C การหมุนของแอนไอออนออกซี SO 4 2- ทำให้โปรตอน (สีแดง) เคลื่อนที่ได้ดังแสดงในรูป โดยทั่วไป เซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นกรดแข็งจะเป็นแซนด์วิชซึ่งมีชั้นบางๆ ของสารประกอบกรดแข็งประกบอยู่ระหว่างอิเล็กโทรดสองตัวที่ถูกกดเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนาเพื่อให้แน่ใจว่ามีการสัมผัสกันที่ดี เมื่อถูกความร้อน ส่วนประกอบอินทรีย์จะระเหยออกไปทางรูพรุนในอิเล็กโทรด โดยคงความสามารถในการสัมผัสหลายครั้งระหว่างเชื้อเพลิง (หรือออกซิเจนที่ปลายอีกด้านหนึ่งขององค์ประกอบ) อิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรด

โมดูลเซลล์เชื้อเพลิงต่างๆ แบตเตอรี่เซลล์เชื้อเพลิง

1. แบตเตอรี่เซลล์เชื้อเพลิง
2. อุปกรณ์อื่นๆ ที่ทำงานที่อุณหภูมิสูง (เครื่องกำเนิดไอน้ำในตัว ห้องเผาไหม้ เครื่องเปลี่ยน สมดุลความร้อน)
3. ฉนวนกันความร้อน

โมดูลเซลล์เชื้อเพลิง

การวิเคราะห์เปรียบเทียบชนิดและพันธุ์ของเซลล์เชื้อเพลิง

โดยทั่วไปแล้วโรงผลิตไฟฟ้าและความร้อนในเขตเทศบาลที่ประหยัดพลังงานที่เป็นนวัตกรรมใหม่จะถูกสร้างขึ้นบนเซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC) เซลล์เชื้อเพลิงโพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์ (PEFC) เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (PAFC) เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC) และเซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ ( อัลเอฟซี). . โดยทั่วไปจะมีลักษณะดังต่อไปนี้:

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC) ที่เหมาะสมที่สุดควรได้รับการพิจารณาซึ่ง:

• ทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้น ลดความจำเป็นในการใช้โลหะมีค่าที่มีราคาแพง (เช่น แพลทินัม)
• สามารถใช้งานกับเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนได้หลายประเภท ซึ่งส่วนใหญ่เป็นก๊าซธรรมชาติ
• มีเวลาเริ่มต้นนานขึ้นจึงเหมาะสมกับการดำเนินการในระยะยาวมากกว่า
• สาธิต ประสิทธิภาพสูงการผลิตไฟฟ้า (มากถึง 70%)
• เนื่องจากอุณหภูมิในการทำงานสูง ตัวเครื่องจึงสามารถใช้ร่วมกับระบบถ่ายเทความร้อนได้ ทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบอยู่ที่ 85%
• มีการปล่อยก๊าซเรือนกระจกเป็นศูนย์ ทำงานเงียบและมีข้อกำหนดในการดำเนินงานต่ำเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้าที่มีอยู่

ประเภทเซลล์เชื้อเพลิง	อุณหภูมิในการทำงาน	ประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้า	ประเภทเชื้อเพลิง	พื้นที่ใช้งาน
อาร์เคที	550–700°ซ	50-70%		การติดตั้งขนาดกลางและขนาดใหญ่
เอฟซีทีอี	100–220°ซ	35-40%	ไฮโดรเจนบริสุทธิ์	การติดตั้งขนาดใหญ่
ม็อบเต้	30-100°ซ	35-50%	ไฮโดรเจนบริสุทธิ์	การติดตั้งขนาดเล็ก
โซเอฟซี	450–1,000°ซ	45-70%	เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนส่วนใหญ่	งานติดตั้งขนาดเล็ก กลาง และใหญ่
พีเอ็มเอฟซี	20-90°ซ	20-30%	เมทานอล	แบบพกพา
เอสทีอี	50–200°ซ	40-70%	ไฮโดรเจนบริสุทธิ์	การวิจัยอวกาศ
พีท	30-100°ซ	35-50%	ไฮโดรเจนบริสุทธิ์	การติดตั้งขนาดเล็ก

เนื่องจากโรงไฟฟ้าพลังความร้อนขนาดเล็กสามารถเชื่อมต่อกับเครือข่ายการจ่ายก๊าซแบบเดิมได้ จึงไม่จำเป็นต้องมีเซลล์เชื้อเพลิง ระบบแยกการจัดหาไฮโดรเจน เมื่อใช้โรงไฟฟ้าพลังความร้อนขนาดเล็กที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ ความร้อนที่เกิดขึ้นสามารถรวมเข้ากับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อให้น้ำร้อนและอากาศถ่ายเทได้ ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ เทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมนี้เหมาะที่สุดสำหรับการผลิตไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่จำเป็นต้องใช้โครงสร้างพื้นฐานราคาแพงและการบูรณาการเครื่องมือที่ซับซ้อน

การใช้เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์

การประยุกต์เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ในระบบโทรคมนาคม

เนื่องจากการแพร่กระจายอย่างรวดเร็วของระบบการสื่อสารไร้สายทั่วโลก เช่นเดียวกับผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจและสังคมที่เพิ่มขึ้นของเทคโนโลยีโทรศัพท์มือถือ ความจำเป็นในการสำรองพลังงานที่เชื่อถือได้และคุ้มค่าจึงกลายเป็นเรื่องสำคัญ การสูญเสียระบบไฟฟ้าตลอดทั้งปีเนื่องจากความยากจน สภาพอากาศ, ภัยพิบัติทางธรรมชาติหรือความจุของเครือข่ายที่จำกัดทำให้เกิดความท้าทายอย่างต่อเนื่องสำหรับผู้ให้บริการเครือข่าย

โซลูชันสำรองพลังงานโทรคมนาคมแบบดั้งเดิมประกอบด้วยแบตเตอรี่ (เซลล์แบตเตอรี่ตะกั่วกรดที่ควบคุมโดยวาล์ว) สำหรับพลังงานสำรองระยะสั้น และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลและโพรเพนสำหรับพลังงานสำรองระยะยาว แบตเตอรี่เป็นแหล่งพลังงานสำรองที่ค่อนข้างถูกสำหรับ 1 - 2 ชั่วโมง อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ไม่เหมาะสำหรับการสำรองไฟในระยะยาว เนื่องจากมีค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษา ไม่น่าเชื่อถือหลังจากใช้งานเป็นเวลานาน มีความไวต่ออุณหภูมิ และเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมหลังการกำจัด เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลและโพรเพนสามารถสำรองพลังงานได้ในระยะยาว อย่างไรก็ตาม เครื่องกำเนิดไฟฟ้าอาจไม่น่าเชื่อถือ ต้องการการบำรุงรักษาอย่างกว้างขวาง และปล่อยมลพิษและก๊าซเรือนกระจกในระดับสูง

เพื่อเอาชนะข้อจำกัดของโซลูชันสำรองพลังงานแบบเดิมๆ จึงได้มีการพัฒนาเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงสีเขียวที่เป็นนวัตกรรมใหม่ เซลล์เชื้อเพลิงเชื่อถือได้ เงียบ มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวน้อยกว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และยังมีมากกว่านั้น หลากหลายอุณหภูมิในการทำงานมากกว่าแบตเตอรี่: ตั้งแต่ -40°C ถึง +50°C และส่งผลให้ประหยัดพลังงานได้ในระดับที่สูงมาก นอกจากนี้ ต้นทุนตลอดอายุการใช้งานของการติดตั้งดังกล่าวยังต่ำกว่าต้นทุนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอีกด้วย ต้นทุนเซลล์เชื้อเพลิงที่ลดลงเป็นผลมาจากการเข้าเยี่ยมชมการบำรุงรักษาเพียงครั้งเดียวต่อปี และผลผลิตของโรงงานสูงขึ้นอย่างมาก สุดท้ายแล้ว เซลล์เชื้อเพลิงคือโซลูชันเทคโนโลยีสีเขียวที่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยที่สุด

การติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงให้พลังงานสำรองสำหรับโครงสร้างพื้นฐานเครือข่ายการสื่อสารที่สำคัญสำหรับการสื่อสารไร้สาย แบบถาวร และบรอดแบนด์ในระบบโทรคมนาคม ตั้งแต่ 250 วัตต์ ถึง 15 กิโลวัตต์ โดยนำเสนอคุณสมบัติเชิงนวัตกรรมที่ไม่มีใครเทียบได้มากมาย:

• ความน่าเชื่อถือ– ชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวน้อยและไม่มีการปล่อยประจุในโหมดสแตนด์บาย
• การประหยัดพลังงาน
• ความเงียบ – ระดับต่ำเสียงรบกวน
• ความยั่งยืน– ช่วงการใช้งานตั้งแต่ -40°C ถึง +50°C
• ความสามารถในการปรับตัว– ติดตั้งภายนอกและภายใน (คอนเทนเนอร์/คอนเทนเนอร์ป้องกัน)
• กำลังสูง– สูงสุด 15 กิโลวัตต์
• ต้องการการบำรุงรักษาต่ำ– การบำรุงรักษาประจำปีน้อยที่สุด
• ประหยัด- ต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของที่น่าสนใจ
• พลังงานสะอาด– การปล่อยมลพิษต่ำและมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยที่สุด

ระบบจะตรวจจับแรงดันไฟฟ้าบัส DC ตลอดเวลา และยอมรับโหลดวิกฤตได้อย่างราบรื่น หากแรงดันไฟฟ้า DC บัสลดลงต่ำกว่าจุดที่ตั้งไว้โดยผู้ใช้ ระบบทำงานโดยใช้ไฮโดรเจนซึ่งจ่ายให้กับกองเซลล์เชื้อเพลิงด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งจากสองวิธี ทั้งจากแหล่งไฮโดรเจนทางอุตสาหกรรมหรือจากเชื้อเพลิงเหลวของเมธานอลและน้ำ โดยใช้ระบบการปฏิรูปแบบบูรณาการ

ไฟฟ้าผลิตโดยกองเซลล์เชื้อเพลิงในรูปของกระแสตรง พลังงานไฟฟ้ากระแสตรงจะถูกถ่ายโอนไปยังตัวแปลง ซึ่งจะแปลงพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงที่ไม่ได้รับการควบคุมที่มาจากกองเซลล์เชื้อเพลิงให้เป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงที่มีการควบคุมคุณภาพสูงสำหรับโหลดที่ต้องการ การติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงสามารถให้พลังงานสำรองได้หลายวัน เนื่องจากระยะเวลาถูกจำกัดด้วยปริมาณไฮโดรเจนหรือเมทานอล/เชื้อเพลิงน้ำที่มีอยู่เท่านั้น

เซลล์เชื้อเพลิงมีการประหยัดพลังงานที่เหนือกว่า ความน่าเชื่อถือของระบบที่ดีขึ้น ประสิทธิภาพที่คาดการณ์ได้มากขึ้นในสภาพอากาศที่หลากหลาย และความทนทานในการทำงานที่เชื่อถือได้ เมื่อเปรียบเทียบกับชุดแบตเตอรี่กรดตะกั่วที่ควบคุมด้วยวาล์วมาตรฐานอุตสาหกรรม ต้นทุนตลอดอายุการใช้งานก็ลดลงเช่นกัน เนื่องจากข้อกำหนดในการบำรุงรักษาและการเปลี่ยนทดแทนลดลงอย่างมาก เซลล์เชื้อเพลิงให้ประโยชน์ด้านสิ่งแวดล้อมแก่ผู้ใช้ เนื่องจากค่าใช้จ่ายในการกำจัดและความเสี่ยงในการรับผิดที่เกี่ยวข้องกับเซลล์กรดตะกั่วเป็นข้อกังวลที่เพิ่มขึ้น

ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ไฟฟ้าอาจได้รับผลกระทบเชิงลบจากปัจจัยหลายประการ เช่น ระดับการชาร์จ อุณหภูมิ รอบการทำงาน อายุการใช้งาน และตัวแปรอื่นๆ พลังงานที่ได้รับจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับปัจจัยเหล่านี้และไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะคาดเดา ประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC) ค่อนข้างไม่ได้รับผลกระทบจากปัจจัยเหล่านี้ และสามารถให้พลังงานวิกฤตได้ตราบเท่าที่มีเชื้อเพลิงเหลืออยู่ ความสามารถในการคาดการณ์ที่เพิ่มขึ้นเป็นประโยชน์ที่สำคัญเมื่อเปลี่ยนไปใช้เซลล์เชื้อเพลิงสำหรับการใช้งานพลังงานสำรองที่มีความสำคัญต่อภารกิจ

เซลล์เชื้อเพลิงจะสร้างพลังงานเมื่อมีการจ่ายเชื้อเพลิงเท่านั้น คล้ายกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันแก๊ส แต่ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวในพื้นที่สร้างพลังงาน ดังนั้นจึงไม่เหมือนกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าตรงที่พวกเขาไม่สึกหรออย่างรวดเร็วและไม่ต้องการการบำรุงรักษาและการหล่อลื่นอย่างต่อเนื่อง

เชื้อเพลิงที่ใช้ในการขับเคลื่อนตัวแปลงเชื้อเพลิงที่มีระยะเวลายาวนานคือส่วนผสมเชื้อเพลิงของเมทานอลและน้ำ เมทานอลเป็นเชื้อเพลิงที่ผลิตในเชิงพาณิชย์ที่มีจำหน่ายกันอย่างแพร่หลาย ซึ่งปัจจุบันมีประโยชน์หลายอย่าง เช่น เครื่องฉีดน้ำล้างกระจกหน้ารถ ขวดพลาสติก,สารเติมแต่งเครื่องยนต์,สีอิมัลชั่น เมทานอลสามารถขนส่งได้ง่าย สามารถผสมกับน้ำได้ มีความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพได้ดี และไม่มีกำมะถัน มีจุดเยือกแข็งต่ำ (-71°C) และไม่สลายตัวระหว่างการเก็บรักษาระยะยาว

การประยุกต์เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ในเครือข่ายการสื่อสาร

เครือข่ายการสื่อสารด้านความปลอดภัยต้องการโซลูชันสำรองพลังงานที่เชื่อถือได้ ซึ่งสามารถทำงานได้นานหลายชั่วโมงหรือหลายวันในแต่ละครั้ง สถานการณ์ฉุกเฉินหากไม่มีโครงข่ายไฟฟ้าอีกต่อไป

ด้วยชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวน้อยและไม่มีการสูญเสียพลังงานขณะสแตนด์บาย เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นนวัตกรรมใหม่นำเสนอโซลูชั่นที่น่าสนใจสำหรับระบบไฟฟ้าสำรองในปัจจุบัน

ข้อโต้แย้งที่น่าสนใจที่สุดสำหรับการใช้เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงในเครือข่ายการสื่อสารคือความน่าเชื่อถือและความปลอดภัยโดยรวมที่เพิ่มขึ้น ในช่วงเหตุการณ์ต่างๆ เช่น ไฟฟ้าดับ แผ่นดินไหว พายุ และพายุเฮอริเคน สิ่งสำคัญคือระบบจะยังคงทำงานต่อไปและได้รับพลังงานสำรองที่เชื่อถือได้เป็นระยะเวลานาน โดยไม่คำนึงถึงอุณหภูมิหรืออายุของระบบไฟฟ้าสำรอง

กลุ่มผลิตภัณฑ์อุปกรณ์ส่งกำลังที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการรองรับเครือข่ายการสื่อสารแบบจำแนก ด้วยหลักการประหยัดพลังงานที่ฝังอยู่ในการออกแบบ จึงเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและเชื่อถือได้ พลังงานสำรองด้วยระยะเวลาการทำงานที่เพิ่มขึ้น (สูงสุดหลายวัน) สำหรับการใช้งานในช่วงกำลังตั้งแต่ 250 W ถึง 15 kW

การประยุกต์เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ในเครือข่ายข้อมูล

แหล่งจ่ายไฟที่เชื่อถือได้สำหรับเครือข่ายข้อมูล เช่น เครือข่ายข้อมูลความเร็วสูงและแกนหลักไฟเบอร์ออปติก มีความสำคัญทั่วโลก ข้อมูลที่ส่งผ่านเครือข่ายดังกล่าวประกอบด้วยข้อมูลที่สำคัญสำหรับสถาบัน เช่น ธนาคาร สายการบิน หรือศูนย์การแพทย์ การไฟฟ้าดับในเครือข่ายดังกล่าวไม่เพียงแต่ก่อให้เกิดอันตรายต่อข้อมูลที่ส่งเท่านั้น แต่ยังนำไปสู่การสูญเสียทางการเงินที่สำคัญอีกด้วย การติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นนวัตกรรมใหม่ที่เชื่อถือได้ซึ่งมีแหล่งจ่ายไฟสำรองให้ความน่าเชื่อถือที่จำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่ามีการจ่ายไฟอย่างต่อเนื่อง

หน่วยเซลล์เชื้อเพลิงซึ่งขับเคลื่อนด้วยเชื้อเพลิงเหลวผสมระหว่างเมทานอลและน้ำ ให้พลังงานสำรองที่เชื่อถือได้โดยมีระยะเวลายาวนานขึ้นสูงสุดถึงหลายวัน นอกจากนี้ หน่วยเหล่านี้ยังมีข้อกำหนดในการบำรุงรักษาลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและแบตเตอรี่ โดยต้องมีการเข้ารับการบำรุงรักษาเพียงครั้งเดียวต่อปี

ลักษณะเฉพาะของไซต์แอปพลิเคชันทั่วไปสำหรับการใช้การติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงในเครือข่ายข้อมูล:

• การใช้งานที่มีปริมาณการใช้พลังงานตั้งแต่ 100 W ถึง 15 kW
• แอปพลิเคชันที่ต้องการอายุการใช้งานแบตเตอรี่ > 4 ชั่วโมง
• อุปกรณ์ทวนสัญญาณในระบบไฟเบอร์ออปติก (ลำดับชั้นของระบบดิจิตอลซิงโครนัส อินเทอร์เน็ตความเร็วสูง เสียงผ่าน IP...)
• โหนดเครือข่ายสำหรับการส่งข้อมูลความเร็วสูง
• โหนดส่งสัญญาณ WiMAX

การติดตั้งระบบสำรองพลังงานเซลล์เชื้อเพลิงให้ประโยชน์มากมายสำหรับโครงสร้างพื้นฐานเครือข่ายข้อมูลที่มีความสำคัญต่อภารกิจ เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลแบบดั้งเดิม ช่วยให้มีตัวเลือกการใช้งานในสถานที่เพิ่มขึ้น:

1. เทคโนโลยีเชื้อเพลิงเหลวช่วยแก้ปัญหาการวางตำแหน่งไฮโดรเจนและให้พลังงานสำรองแทบไม่จำกัด
2. ด้วยการทำงานที่เงียบ น้ำหนักเบา ทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ และการทำงานที่ปราศจากการสั่นสะเทือน ทำให้สามารถติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงภายนอกอาคาร ในอาคาร/ตู้คอนเทนเนอร์อุตสาหกรรม หรือบนหลังคาได้
3. การเตรียมการใช้ระบบที่ไซต์งานทำได้รวดเร็วและประหยัด และต้นทุนการดำเนินงานต่ำ
4. เชื้อเพลิงนี้สามารถย่อยสลายทางชีวภาพได้และเป็นโซลูชั่นที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับสภาพแวดล้อมในเมือง

การใช้เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ในระบบรักษาความปลอดภัย

ระบบรักษาความปลอดภัยและการสื่อสารในอาคารที่ได้รับการออกแบบมาอย่างพิถีพิถันที่สุดจะมีความน่าเชื่อถือพอๆ กับแหล่งจ่ายไฟที่รองรับเท่านั้น แม้ว่าระบบส่วนใหญ่จะมีระบบสำรองพลังงานสำรองบางประเภทสำหรับการสูญเสียพลังงานในระยะสั้น แต่ระบบเหล่านี้ไม่รองรับการไฟฟ้าดับในระยะยาวที่อาจเกิดขึ้นหลังจากภัยพิบัติทางธรรมชาติหรือการโจมตีของผู้ก่อการร้าย นี่อาจเป็นปัญหาสำคัญสำหรับหน่วยงานองค์กรและหน่วยงานภาครัฐหลายแห่ง

ระบบสำคัญ เช่น ระบบติดตามและควบคุมการเข้าออกโดยใช้กล้องวงจรปิด (เครื่องอ่านบัตรประจำตัว อุปกรณ์ล็อคประตู เทคโนโลยีระบุตัวตนแบบไบโอเมตริกซ์ ฯลฯ) อัตโนมัติ สัญญาณเตือนไฟไหม้และระบบดับเพลิง ระบบควบคุมลิฟต์ และเครือข่ายโทรคมนาคมมีความเสี่ยงหากไม่มีแหล่งจ่ายไฟทางเลือกที่เชื่อถือได้และมีอายุการใช้งานยาวนาน

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลส่งเสียงดังมาก หาได้ยาก และมีปัญหาด้านความน่าเชื่อถือและการบำรุงรักษาที่รู้จักกันดี ในทางตรงกันข้าม การติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงที่ให้พลังงานสำรองนั้นเงียบ เชื่อถือได้ สร้างการปล่อยก๊าซเป็นศูนย์หรือต่ำมาก และสามารถติดตั้งได้ง่ายบนหลังคาหรือภายนอกอาคาร ไม่คายประจุหรือสูญเสียพลังงานในโหมดสแตนด์บาย ช่วยให้มั่นใจได้ว่าระบบที่สำคัญจะทำงานได้อย่างต่อเนื่อง แม้ว่าโรงงานจะหยุดดำเนินการและออกจากอาคารแล้วก็ตาม

การติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นนวัตกรรมใหม่ช่วยปกป้องการลงทุนที่มีราคาแพงในการใช้งานที่สำคัญ ให้พลังงานสำรองที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและเชื่อถือได้ พร้อมขยายระยะเวลา (สูงสุดหลายวัน) สำหรับการใช้งานในช่วงกำลังตั้งแต่ 250 W ถึง 15 kW รวมกับคุณสมบัติที่ไม่มีใครเทียบได้มากมาย และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ระดับสูงการประหยัดพลังงาน.

การติดตั้งระบบสำรองพลังงานเซลล์เชื้อเพลิงมีข้อได้เปรียบมากมายสำหรับการใช้งานที่มีความสำคัญต่อภารกิจ เช่น ระบบรักษาความปลอดภัยและระบบควบคุมอาคาร เหนือกว่าการใช้งานที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลแบบดั้งเดิม เทคโนโลยีเชื้อเพลิงเหลวช่วยแก้ปัญหาการวางตำแหน่งไฮโดรเจนและให้พลังงานสำรองแทบไม่จำกัด

การใช้เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ในการทำความร้อนและการผลิตไฟฟ้าของเทศบาล

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC) ให้โรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่เชื่อถือได้ ประหยัดพลังงาน และปราศจากการปล่อยมลพิษ เพื่อผลิตไฟฟ้าและความร้อนจากก๊าซธรรมชาติและเชื้อเพลิงหมุนเวียนที่มีอยู่ทั่วไป การติดตั้งที่เป็นนวัตกรรมใหม่เหล่านี้ถูกนำมาใช้ในตลาดที่หลากหลาย ตั้งแต่การผลิตไฟฟ้าภายในบ้านไปจนถึงการจ่ายไฟจากระยะไกล เช่นกัน แหล่งเสริมโภชนาการ

การใช้เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ในเครือข่ายการกระจายสินค้า

โรงไฟฟ้าพลังความร้อนขนาดเล็กได้รับการออกแบบให้ทำงานในเครือข่ายการผลิตพลังงานแบบกระจายซึ่งประกอบด้วย จำนวนมากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กแทนโรงไฟฟ้าแบบรวมศูนย์เพียงแห่งเดียว

รูปด้านล่างแสดงการสูญเสียประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าเมื่อถูกสร้างขึ้นที่โรงไฟฟ้าพลังความร้อนและส่งไปยังบ้านเรือนผ่านเครือข่ายการส่งพลังงานแบบเดิมที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบัน การสูญเสียประสิทธิภาพในการผลิตแบบรวมศูนย์รวมถึงการสูญเสียจากโรงไฟฟ้า การส่งผ่านไฟฟ้าแรงต่ำและไฟฟ้าแรงสูง และการสูญเสียการกระจาย

รูปภาพนี้แสดงผลการบูรณาการโรงไฟฟ้าพลังความร้อนขนาดเล็ก โดยผลิตไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพในการผลิตสูงถึง 60% ณ จุดใช้งาน นอกจากนี้ ครัวเรือนยังสามารถใช้ความร้อนที่เกิดจากเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อให้ความร้อนกับน้ำและพื้นที่ ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของการประมวลผลพลังงานเชื้อเพลิงและช่วยประหยัดพลังงานอีกด้วย

การใช้เซลล์เชื้อเพลิงเพื่อปกป้องสิ่งแวดล้อม - การใช้ก๊าซปิโตรเลียมที่เกี่ยวข้อง

งานที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งในอุตสาหกรรมน้ำมันคือการใช้ก๊าซปิโตรเลียมที่เกี่ยวข้อง วิธีการใช้ก๊าซปิโตรเลียมที่มีอยู่ในปัจจุบันมีข้อเสียมากมาย สาเหตุหลักคือไม่สามารถใช้งานได้ในเชิงเศรษฐกิจ ก๊าซปิโตรเลียมที่เกี่ยวข้องถูกเผา ซึ่งก่อให้เกิดอันตรายอย่างใหญ่หลวงต่อสิ่งแวดล้อมและสุขภาพของมนุษย์

โรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่เป็นนวัตกรรมใหม่ที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงโดยใช้ก๊าซปิโตรเลียมที่เกี่ยวข้องเป็นเชื้อเพลิงเปิดทางไปสู่ความรุนแรงและเศรษฐกิจ โซลูชั่นที่ทำกำไรปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการใช้ก๊าซปิโตรเลียมที่เกี่ยวข้อง

1. ข้อดีหลักประการหนึ่งของการติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงคือสามารถทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือและเสถียรกับก๊าซปิโตรเลียมที่มีองค์ประกอบแปรผัน เนื่องจากปฏิกิริยาเคมีไร้ตำหนิซึ่งเป็นรากฐานการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง การลดลงของเปอร์เซ็นต์ของมีเทน เช่น มีเทนจะทำให้กำลังไฟฟ้าที่ส่งออกลดลงตามไปด้วย
2. ความยืดหยุ่นที่เกี่ยวข้องกับภาระทางไฟฟ้าของผู้บริโภค การตก และโหลดเซิร์จ
3. สำหรับการติดตั้งและเชื่อมต่อโรงไฟฟ้าพลังความร้อนบนเซลล์เชื้อเพลิง การดำเนินการดังกล่าวไม่จำเป็นต้องมีต้นทุนด้านทุนเนื่องจาก หน่วยนี้สามารถติดตั้งได้อย่างง่ายดายบนไซต์ที่ไม่ได้เตรียมตัวไว้ใกล้กับทุ่งนา ใช้งานง่าย เชื่อถือได้ และมีประสิทธิภาพ
4. ระบบอัตโนมัติระดับสูงและการควบคุมระยะไกลที่ทันสมัยไม่จำเป็นต้องมีบุคลากรประจำอยู่ที่การติดตั้ง
5. ความเรียบง่ายและความสมบูรณ์แบบทางเทคนิคของการออกแบบ: การไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว แรงเสียดทาน และระบบหล่อลื่น ให้ประโยชน์ทางเศรษฐกิจที่สำคัญจากการทำงานของการติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิง
6. ปริมาณการใช้น้ำ: ไม่มีเลยที่อุณหภูมิแวดล้อมสูงถึง +30 °C และน้อยมากที่อุณหภูมิสูงกว่า
7. ช่องจ่ายน้ำ: ไม่มี
8. นอกจากนี้โรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงไม่ส่งเสียงดัง ไม่สั่นสะเทือน ไม่ก่อให้เกิดการปล่อยมลพิษที่เป็นอันตรายสู่ชั้นบรรยากาศ

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่มีการเข้าถึงและแพร่หลายมากขึ้นทุกปี แม้จะไม่ใช่เดือนก็ตาม ที่นี่คุณจะพบกับแล็ปท็อป, PDA และ กล้องดิจิตอลและโทรศัพท์มือถือและอุปกรณ์ที่มีประโยชน์และไม่มีประโยชน์อื่น ๆ อีกมากมาย และอุปกรณ์ทั้งหมดนี้ได้รับคุณสมบัติใหม่ ๆ อย่างต่อเนื่อง โปรเซสเซอร์ที่ทรงพลังยิ่งขึ้น หน้าจอสีที่ใหญ่ขึ้น การสื่อสารไร้สาย ขณะเดียวกันก็ลดขนาดลง แต่เทคโนโลยีพลังงานสำหรับโรงเลี้ยงสัตว์เคลื่อนที่ทั้งหมดนี้ต่างจากเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ตรงที่ไม่ก้าวหน้าแบบก้าวกระโดด

แบตเตอรี่แบบเดิมและแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้กำลังไม่เพียงพออย่างชัดเจนในการจ่ายพลังงานให้กับความก้าวหน้าล่าสุดในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ในช่วงเวลาที่สำคัญใดๆ และหากไม่มีแบตเตอรี่ที่เชื่อถือได้และความจุเพียงพอ จุดสำคัญของความคล่องตัวและระบบไร้สายก็จะหายไป ดังนั้นอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์จึงทำงานอย่างหนักเพื่อแก้ไขปัญหานี้มากขึ้นเรื่อยๆ แหล่งพลังงานทางเลือก. และทิศทางที่มีแนวโน้มมากที่สุดในวันนี้ก็คือ เซลล์เชื้อเพลิง.

หลักการทำงานพื้นฐานของเซลล์เชื้อเพลิงถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ เซอร์ วิลเลียม โกรฟ ในปี พ.ศ. 2382 เขาเป็นที่รู้จักในฐานะบิดาแห่ง "เซลล์เชื้อเพลิง" วิลเลียม โกรฟ ผลิตกระแสไฟฟ้าโดยดัดแปลงเพื่อแยกไฮโดรเจนและออกซิเจน หลังจากถอดแบตเตอรี่ออกจากเซลล์อิเล็กโทรไลต์ Grove รู้สึกประหลาดใจที่พบว่าอิเล็กโทรดเริ่มดูดซับก๊าซที่ปล่อยออกมาและสร้างกระแสไฟฟ้า การเปิดกระบวนการ การเผาไหม้ไฮโดรเจนแบบ "เย็น" ทางเคมีไฟฟ้ากลายเป็นเหตุการณ์สำคัญในอุตสาหกรรมพลังงาน และต่อมานักเคมีไฟฟ้าชื่อดังอย่าง Ostwald และ Nernst มีบทบาทสำคัญในการพัฒนารากฐานทางทฤษฎีและการใช้งานเซลล์เชื้อเพลิงในทางปฏิบัติ และทำนายอนาคตที่ดีสำหรับพวกเขา

ตัวฉันเอง คำว่า "เซลล์เชื้อเพลิง"ปรากฏในภายหลัง - เสนอในปี พ.ศ. 2432 โดยลุดวิกมอนด์และชาร์ลส์แลงเกอร์ซึ่งพยายามสร้างอุปกรณ์สำหรับผลิตกระแสไฟฟ้าจากอากาศและก๊าซถ่านหิน

ในระหว่างการเผาไหม้ปกติในออกซิเจน จะเกิดออกซิเดชันของเชื้อเพลิงอินทรีย์ และพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงจะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อนอย่างไม่มีประสิทธิภาพ แต่กลับกลายเป็นว่าเป็นไปได้ที่จะทำปฏิกิริยาออกซิเดชันเช่นของไฮโดรเจนกับออกซิเจนในสภาพแวดล้อมของอิเล็กโทรไลต์และเมื่อมีอิเล็กโทรดเพื่อรับกระแสไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น โดยการจ่ายไฮโดรเจนให้กับอิเล็กโทรดที่อยู่ในตัวกลางที่เป็นด่าง เราจะได้อิเล็กตรอน:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

ซึ่งเมื่อผ่านวงจรภายนอกไปถึงอิเล็กโทรดฝั่งตรงข้ามซึ่งมีออกซิเจนไหลและเกิดปฏิกิริยาที่ไหน: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

จะเห็นได้ว่าปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น 2H2 + O2 → H2O จะเหมือนกับระหว่างการเผาไหม้แบบธรรมดา แต่ในเซลล์เชื้อเพลิงหรืออย่างอื่น - ใน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเคมีไฟฟ้าผลลัพธ์ที่ได้คือกระแสไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงและความร้อนบางส่วน โปรดทราบว่าเซลล์เชื้อเพลิงยังสามารถใช้ถ่านหิน คาร์บอนมอนอกไซด์ แอลกอฮอล์ ไฮดราซีน และสารอินทรีย์อื่นๆ เป็นเชื้อเพลิง และใช้อากาศ ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ คลอรีน โบรมีน กรดไนตริก ฯลฯ เป็นสารออกซิไดซ์

การพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงยังคงดำเนินไปอย่างต่อเนื่องทั้งในต่างประเทศและในรัสเซียและในสหภาพโซเวียต ในบรรดานักวิทยาศาสตร์ที่มีส่วนร่วมอย่างมากในการศึกษาเซลล์เชื้อเพลิงเราสังเกตเห็น V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordesh ในช่วงกลางศตวรรษที่ผ่านมา การโจมตีครั้งใหม่เกี่ยวกับปัญหาเซลล์เชื้อเพลิงได้เริ่มต้นขึ้น ส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากการเกิดขึ้นของแนวคิด วัสดุ และเทคโนโลยีใหม่ๆ อันเป็นผลมาจากการวิจัยด้านกลาโหม

นักวิทยาศาสตร์คนหนึ่งที่ก้าวสำคัญในการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงคือ P. M. Spiridonov องค์ประกอบไฮโดรเจน - ออกซิเจนของ Spiridonovให้ความหนาแน่นกระแส 30 mA/cm2 ซึ่งถือว่าประสบความสำเร็จอย่างมากในขณะนั้น ในวัยสี่สิบเศษ O. Davtyan ได้สร้างสถานที่ปฏิบัติงานนอกชายฝั่งสำหรับการเผาไหม้เคมีไฟฟ้าของก๊าซเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ได้จากการทำให้เป็นแก๊สของถ่านหิน สำหรับปริมาตรองค์ประกอบแต่ละลูกบาศก์เมตร Davtyan ได้รับพลังงาน 5 กิโลวัตต์

มันเป็น เซลล์เชื้อเพลิงอิเล็กโทรไลต์แข็งตัวแรก. มันมีประสิทธิภาพสูง แต่เมื่อเวลาผ่านไป อิเล็กโทรไลต์ก็ใช้ไม่ได้และจำเป็นต้องเปลี่ยน ต่อจากนั้น Davtyan ในช่วงปลายทศวรรษที่ห้าสิบได้สร้างการติดตั้งอันทรงพลังที่ขับเคลื่อนรถแทรกเตอร์ ในปีเดียวกันนั้น วิศวกรชาวอังกฤษ ที. เบคอน ได้ออกแบบและสร้างแบตเตอรี่เซลล์เชื้อเพลิงที่มีกำลังรวม 6 กิโลวัตต์และมีประสิทธิภาพ 80% ทำงานโดยใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนบริสุทธิ์ แต่มีอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักของ แบตเตอรี่มีขนาดเล็กเกินไป - องค์ประกอบดังกล่าวไม่เหมาะสำหรับการใช้งานจริงและมีราคาแพงเกินไป

ในปีต่อๆ มา เวลาของคนโดดเดี่ยวก็ผ่านไป ผู้สร้างยานอวกาศเริ่มสนใจเซลล์เชื้อเพลิง ตั้งแต่ช่วงกลางทศวรรษที่ 60 มีการลงทุนหลายล้านดอลลาร์ในการวิจัยเซลล์เชื้อเพลิง ผลงานของนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรหลายพันคนช่วยให้เราก้าวไปสู่ระดับใหม่และในปี 1965 เซลล์เชื้อเพลิงได้รับการทดสอบในสหรัฐอเมริกาบนยานอวกาศ Gemini 5 และต่อมาในยานอวกาศ Apollo สำหรับเที่ยวบินไปยังดวงจันทร์และภายใต้โครงการกระสวยอวกาศ

ในสหภาพโซเวียต เซลล์เชื้อเพลิงได้รับการพัฒนาที่ NPO Kvant เพื่อใช้ในอวกาศเช่นกัน ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา มีวัสดุใหม่ปรากฏขึ้นแล้ว - อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ที่เป็นของแข็งโดยอาศัยเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออน,ตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดใหม่,อิเล็กโทรด อย่างไรก็ตาม ความหนาแน่นกระแสในการทำงานยังน้อย ในช่วง 100-200 mA/cm2 และปริมาณแพลตตินัมบนอิเล็กโทรดคือหลาย g/cm2 มีปัญหามากมายเกี่ยวกับความทนทาน ความมั่นคง และความปลอดภัย

ขั้นต่อไปของการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงอย่างรวดเร็วเริ่มขึ้นในทศวรรษที่ 90 ศตวรรษที่ผ่านมาและดำเนินต่อไปจนถึงทุกวันนี้ มีสาเหตุมาจากความต้องการแหล่งพลังงานที่มีประสิทธิภาพใหม่ที่เกี่ยวข้องกับโลกในด้านหนึ่ง ปัญหาสิ่งแวดล้อมการปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่เพิ่มขึ้นจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลและในทางกลับกันการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงสำรองดังกล่าว เนื่องจากในเซลล์เชื้อเพลิงผลิตภัณฑ์สุดท้ายของการเผาไหม้ไฮโดรเจนคือน้ำ จึงถือว่าสะอาดที่สุดในแง่ของผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ปัญหาหลักคือการหาวิธีที่มีประสิทธิภาพและราคาไม่แพงในการผลิตไฮโดรเจน

การลงทุนทางการเงินหลายพันล้านดอลลาร์ในการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงและเครื่องกำเนิดไฮโดรเจนควรนำไปสู่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและทำให้การใช้งานในชีวิตประจำวันเป็นจริง: ในเซลล์สำหรับโทรศัพท์มือถือ ในรถยนต์ ในโรงไฟฟ้า ปัจจุบัน บริษัทรถยนต์ยักษ์ใหญ่อย่าง Ballard, Honda, Daimler Chrysler และ General Motors กำลังสาธิตรถยนต์และรถบัสที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิงที่มีกำลัง 50 กิโลวัตต์ มีการพัฒนาบริษัทจำนวนหนึ่ง สาธิตโรงไฟฟ้าที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงที่มีอิเล็กโทรไลต์โซลิดออกไซด์ที่มีกำลังสูงถึง 500 กิโลวัตต์. แต่ถึงแม้จะมีความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการปรับปรุงคุณลักษณะของเซลล์เชื้อเพลิง แต่ปัญหาต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับต้นทุน ความน่าเชื่อถือ และความปลอดภัยยังคงต้องได้รับการแก้ไข

ในเซลล์เชื้อเพลิง ต่างจากแบตเตอรี่และตัวสะสมพลังงาน ทั้งเชื้อเพลิงและตัวออกซิไดเซอร์จะถูกจ่ายจากภายนอก เซลล์เชื้อเพลิงเป็นเพียงตัวกลางในการทำปฏิกิริยาและใน เงื่อนไขในอุดมคติสามารถทำงานได้เกือบตลอดไป ข้อดีของเทคโนโลยีนี้คือเซลล์จะเผาผลาญเชื้อเพลิงและแปลงพลังงานที่ปล่อยออกมาเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง เมื่อเชื้อเพลิงถูกเผาไหม้โดยตรง ออกซิเจนจะถูกออกซิไดซ์ และใช้ความร้อนที่ปล่อยออกมาเพื่อทำงานที่เป็นประโยชน์

ในเซลล์เชื้อเพลิง เช่นเดียวกับในแบตเตอรี่ ปฏิกิริยาของการเกิดออกซิเดชันของเชื้อเพลิงและการลดออกซิเจนจะถูกแยกออกจากกัน และกระบวนการ "การเผาไหม้" จะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อเซลล์จ่ายกระแสให้กับโหลดเท่านั้น มันก็เหมือนกับ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล ไม่มีดีเซลและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเท่านั้น. และยังปราศจากควัน เสียง ความร้อนสูงเกิน และประสิทธิภาพที่สูงกว่ามาก หลังนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าประการแรกไม่มีอุปกรณ์ทางกลระดับกลางและประการที่สองเซลล์เชื้อเพลิงไม่ใช่เครื่องยนต์ความร้อนและด้วยเหตุนี้จึงไม่ปฏิบัติตามกฎของการ์โนต์ (นั่นคือประสิทธิภาพของมันไม่ได้ถูกกำหนดโดย ความแตกต่างของอุณหภูมิ)

ออกซิเจนถูกใช้เป็นตัวออกซิไดซ์ในเซลล์เชื้อเพลิง นอกจากนี้ เนื่องจากมีออกซิเจนในอากาศเพียงพอ จึงไม่จำเป็นต้องกังวลเกี่ยวกับการจ่ายสารออกซิไดซ์ ในส่วนของเชื้อเพลิงก็คือไฮโดรเจน ดังนั้นปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นในเซลล์เชื้อเพลิง:

2H2 + O2 → 2H2O + ไฟฟ้า + ความร้อน

ผลลัพธ์ที่ได้คือพลังงานและไอน้ำที่เป็นประโยชน์ โครงสร้างที่ง่ายที่สุดคือ เซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน(ดูรูปที่ 1) มันทำงานดังนี้: ไฮโดรเจนที่เข้าสู่องค์ประกอบจะถูกสลายตัวภายใต้การกระทำของตัวเร่งปฏิกิริยาให้เป็นอิเล็กตรอนและมีไฮโดรเจนไอออน H+ ที่มีประจุบวก จากนั้นเมมเบรนชนิดพิเศษก็เข้ามามีบทบาทโดยทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์เข้าไป แบตเตอรี่ปกติ. เนื่องจากมัน องค์ประกอบทางเคมีช่วยให้โปรตอนผ่านไปได้แต่ยังคงรักษาอิเล็กตรอนไว้ ดังนั้นอิเล็กตรอนที่สะสมบนขั้วบวกจะสร้างประจุลบส่วนเกิน และไอออนไฮโดรเจนจะสร้างประจุบวกบนแคโทด (แรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมองค์ประกอบคือประมาณ 1V)

เพื่อสร้างพลังงานสูง เซลล์เชื้อเพลิงจะถูกประกอบขึ้นจากหลายเซลล์ หากคุณเชื่อมต่อองค์ประกอบเข้ากับโหลด อิเล็กตรอนจะไหลผ่านองค์ประกอบนั้นไปยังแคโทด ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าและเสร็จสิ้นกระบวนการออกซิเดชันของไฮโดรเจนกับออกซิเจน อนุภาคไมโครแพลตตินัมที่สะสมอยู่บนคาร์บอนไฟเบอร์มักจะใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าว เนื่องจากโครงสร้างของตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวทำให้ก๊าซและไฟฟ้าไหลผ่านได้ดี เมมเบรนมักทำจากโพลีเมอร์ Nafion ที่ประกอบด้วยกำมะถัน ความหนาของเมมเบรนคือหนึ่งในสิบของมิลลิเมตร แน่นอนว่าในระหว่างการทำปฏิกิริยา ความร้อนจะถูกปล่อยออกมาเช่นกันแต่ไม่มากนัก ดังนั้นอุณหภูมิในการทำงานจะอยู่ที่ประมาณ 40-80°C

รูปที่ 1. หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงยังมีประเภทอื่นๆ อีกด้วย โดยส่วนใหญ่จะแตกต่างกันไปตามประเภทของอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ เกือบทั้งหมดต้องการไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง ดังนั้นจึงเกิดคำถามเชิงตรรกะ: จะหาได้จากที่ไหน แน่นอนว่าเป็นไปได้ที่จะใช้ไฮโดรเจนอัดจากกระบอกสูบ แต่ปัญหาเกิดขึ้นทันทีที่เกี่ยวข้องกับการขนส่งและการจัดเก็บก๊าซไวไฟสูงภายใต้แรงดันสูง แน่นอนว่าไฮโดรเจนสามารถใช้ในรูปแบบผูกมัดได้ เช่นเดียวกับในแบตเตอรี่เมทัลไฮไดรด์ แต่งานในการสกัดและขนส่งยังคงอยู่ เนื่องจากไม่มีโครงสร้างพื้นฐานสำหรับการเติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจน

อย่างไรก็ตาม ยังมีวิธีแก้ปัญหาอยู่ด้วย - เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนเหลวสามารถใช้เป็นแหล่งไฮโดรเจนได้ ตัวอย่างเช่น เอทิลหรือเมทิลแอลกอฮอล์ จริงอยู่ สิ่งนี้ต้องการความพิเศษอยู่แล้ว อุปกรณ์เพิ่มเติม- เครื่องแปลงเชื้อเพลิงที่อุณหภูมิสูง (สำหรับเมทานอลจะมีอุณหภูมิประมาณ 240°C) เปลี่ยนแอลกอฮอล์ให้เป็นส่วนผสมของก๊าซ H2 และ CO2 แต่ในกรณีนี้ การพิจารณาเรื่องการพกพาเป็นเรื่องยากกว่าอยู่แล้ว - อุปกรณ์ดังกล่าวเหมาะที่จะใช้แบบอยู่กับที่หรือแบบอยู่กับที่ แต่สำหรับอุปกรณ์เคลื่อนที่ขนาดกะทัดรัด คุณต้องมีบางอย่างที่เทอะทะน้อยกว่า

และที่นี่เรามาถึงอุปกรณ์ที่เกือบทุกคนกำลังพัฒนาด้วยพลังอันน่าสยดสยอง ผู้ผลิตรายใหญ่ที่สุดอิเล็กทรอนิกส์ - เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอล(รูปที่ 2)

รูปที่ 2. หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงเมธานอล

ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนและเมธานอลคือตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ ตัวเร่งปฏิกิริยาในเซลล์เชื้อเพลิงเมธานอลช่วยให้โปรตอนถูกกำจัดออกจากโมเลกุลแอลกอฮอล์ได้โดยตรง ดังนั้นปัญหาเกี่ยวกับเชื้อเพลิงจึงได้รับการแก้ไข - มีการผลิตเมทิลแอลกอฮอล์เป็นจำนวนมาก อุตสาหกรรมเคมีง่ายต่อการจัดเก็บและขนส่ง และการชาร์จเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลก็ทำได้ง่ายเพียงแค่เปลี่ยนตลับเชื้อเพลิง จริงอยู่มีข้อเสียที่สำคัญประการหนึ่งคือเมทานอลเป็นพิษ นอกจากนี้ ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงเมธานอลยังต่ำกว่าประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนอย่างมาก

ข้าว. 3. เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอล

ตัวเลือกที่น่าดึงดูดที่สุดคือการใช้เอทิลแอลกอฮอล์เป็นเชื้อเพลิงเนื่องจากการผลิตและจำหน่ายเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ทุกองค์ประกอบและความเข้มข้นได้รับการยอมรับอย่างดีทั่วโลก อย่างไรก็ตาม โชคไม่ดีที่ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงเอทานอลยังต่ำกว่าเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลด้วยซ้ำ

ดังที่ได้กล่าวไว้ตลอดหลายปีที่ผ่านมาของการพัฒนาในด้านเซลล์เชื้อเพลิง เซลล์เชื้อเพลิงหลายประเภทได้ถูกสร้างขึ้น เซลล์เชื้อเพลิงแบ่งตามประเภทอิเล็กโทรไลต์และเชื้อเพลิง

1. อิเล็กโทรไลต์ไฮโดรเจน - ออกซิเจนโพลีเมอร์ที่เป็นของแข็ง

2. เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลโพลีเมอร์ที่เป็นของแข็ง

3. เซลล์อิเล็กโทรไลต์อัลคาไลน์

4. เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก

5. องค์ประกอบเชื้อเพลิงจากคาร์บอเนตหลอมเหลว

6. เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์

ตามหลักการแล้ว ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงจะสูงมาก แต่ในสภาวะจริง มีการสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการที่ไม่สมดุล เช่น การสูญเสียโอห์มมิกเนื่องจาก การนำไฟฟ้าอิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรด การกระตุ้นและโพลาไรเซชันของความเข้มข้น การสูญเสียการแพร่กระจาย เป็นผลให้พลังงานส่วนหนึ่งที่สร้างขึ้นในเซลล์เชื้อเพลิงถูกแปลงเป็นความร้อน ความพยายามของผู้เชี่ยวชาญมีวัตถุประสงค์เพื่อลดความสูญเสียเหล่านี้

แหล่งที่มาหลักของการสูญเสียโอห์มมิก รวมถึงสาเหตุของราคาเซลล์เชื้อเพลิงที่สูงนั้นมาจากเมมเบรนแลกเปลี่ยนซัลโฟนิกไอออนบวกเพอร์ฟลูออริเนต ขณะนี้การค้นหากำลังดำเนินการเพื่อหาโพลีเมอร์ทดแทนโปรตอนที่มีราคาถูกกว่า เนื่องจากค่าการนำไฟฟ้าของเมมเบรนเหล่านี้ (อิเล็กโทรไลต์แข็ง) ถึงค่าที่ยอมรับได้ (10 โอห์ม/ซม.) เมื่อมีน้ำเท่านั้น ก๊าซที่จ่ายให้กับเซลล์เชื้อเพลิงจึงต้องถูกทำให้ชื้นเพิ่มเติมใน อุปกรณ์พิเศษซึ่งทำให้ต้นทุนของระบบเพิ่มขึ้นด้วย อิเล็กโทรดการแพร่กระจายก๊าซตัวเร่งปฏิกิริยาส่วนใหญ่ใช้แพลตตินัมและโลหะมีตระกูลอื่นๆ และจนถึงขณะนี้ยังไม่พบการเปลี่ยนทดแทน แม้ว่าปริมาณแพลตตินัมในเซลล์เชื้อเพลิงจะอยู่ที่หลาย มก./ซม.2 แต่สำหรับแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ ปริมาณจะสูงถึงสิบกรัม

เมื่อออกแบบเซลล์เชื้อเพลิง จะต้องให้ความสนใจอย่างมากกับระบบกำจัดความร้อนตั้งแต่เมื่อไหร่ ความหนาแน่นสูงกระแสไฟ (สูงถึง 1A/cm2) ระบบจะทำความร้อนได้เอง สำหรับการทำความเย็น น้ำจะหมุนเวียนในเซลล์เชื้อเพลิงผ่านช่องพิเศษ และโดยใช้กำลังต่ำ - การเป่าลม

ดังนั้น ระบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเคมีไฟฟ้าที่ทันสมัย ​​นอกเหนือจากแบตเตอรี่เซลล์เชื้อเพลิงแล้ว ยัง "รก" ด้วยอุปกรณ์เสริมมากมาย เช่น ปั๊ม เครื่องอัดอากาศ การฉีดไฮโดรเจน เครื่องเพิ่มความชื้นในก๊าซ หน่วยทำความเย็น ก๊าซ ระบบตรวจสอบการรั่วไหล, ตัวแปลง DC-AC, ตัวประมวลผลควบคุม ฯลฯ ทั้งหมดนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าต้นทุนของระบบเซลล์เชื้อเพลิงในปี 2547-2548 อยู่ที่ 2-3 พันเหรียญสหรัฐต่อกิโลวัตต์ ตามที่ผู้เชี่ยวชาญระบุ เซลล์เชื้อเพลิงจะพร้อมใช้งานในโรงไฟฟ้าขนส่งและโรงไฟฟ้าแบบอยู่กับที่ในราคา 50-100 ดอลลาร์ต่อกิโลวัตต์

เพื่อนำเซลล์เชื้อเพลิงเข้ามาในชีวิตประจำวัน ควบคู่ไปกับส่วนประกอบที่มีราคาถูกลง เราต้องคาดหวังสิ่งใหม่ ความคิดดั้งเดิมและเข้าใกล้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งความหวังอันยิ่งใหญ่นั้นปักหมุดอยู่ที่การใช้วัสดุนาโนและเทคโนโลยีนาโน ตัวอย่างเช่น บริษัทหลายแห่งได้ประกาศเมื่อเร็วๆ นี้เกี่ยวกับการสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูง โดยเฉพาะสำหรับอิเล็กโทรดออกซิเจน โดยอิงจากกลุ่มอนุภาคนาโนจากโลหะต่างๆ นอกจากนี้ มีรายงานเกี่ยวกับการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงแบบไร้เมมเบรนซึ่งเชื้อเพลิงเหลว (เช่น เมทานอล) ถูกป้อนเข้าไปในเซลล์เชื้อเพลิงพร้อมกับตัวออกซิไดเซอร์ สิ่งที่น่าสนใจอีกอย่างคือแนวคิดการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพที่ทำงานในน้ำเสียและการใช้ออกซิเจนในอากาศที่ละลายน้ำเป็นตัวออกซิไดเซอร์ และใช้สารอินทรีย์เจือปนเป็นเชื้อเพลิง

ตามที่ผู้เชี่ยวชาญระบุว่าเซลล์เชื้อเพลิงจะเข้าสู่ตลาดมวลชนในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ท้ายที่สุดแล้ว นักพัฒนาก็เอาชนะปัญหาทางเทคนิค รายงานความสำเร็จ และนำเสนอต้นแบบของเซลล์เชื้อเพลิง ตัวอย่างเช่น โตชิบาสาธิตต้นแบบเซลล์เชื้อเพลิงเมธานอลที่เสร็จสมบูรณ์แล้ว มีขนาด 22x56x4.5 มม. และผลิตกำลังประมาณ 100mW เมทานอลเข้มข้น (99.5%) จำนวน 2 ก้อนเติมหนึ่งครั้งก็เพียงพอสำหรับการใช้งานเครื่องเล่น MP3 เป็นเวลา 20 ชั่วโมง โตชิบาได้เปิดตัวเซลล์เชื้อเพลิงเชิงพาณิชย์เพื่อจ่ายพลังงานให้กับโทรศัพท์มือถือ อีกครั้งที่โตชิบาคนเดียวกันได้สาธิตเซลล์สำหรับจ่ายไฟให้กับแล็ปท็อปขนาด 275x75x40 มม. ทำให้คอมพิวเตอร์ทำงานได้ 5 ชั่วโมงต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง

บริษัทญี่ปุ่นอีกแห่งหนึ่งอย่างฟูจิตสึซึ่งอยู่ไม่ไกลหลังโตชิบา ในปี 2004 เธอยังได้แนะนำองค์ประกอบที่ทำงานที่ 30% สารละลายที่เป็นน้ำเมทานอล เซลล์เชื้อเพลิงนี้ทำงานด้วยการชาร์จ 300 มล. หนึ่งครั้งเป็นเวลา 10 ชั่วโมง และให้พลังงาน 15 วัตต์

Casio กำลังพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงโดยเปลี่ยนเมทานอลเป็นส่วนผสมของก๊าซ H2 และ CO2 ในตัวแปลงเชื้อเพลิงขนาดเล็กก่อน จากนั้นจึงป้อนเข้าไปในเซลล์เชื้อเพลิง ในระหว่างการสาธิต เครื่องต้นแบบของ Casio ขับเคลื่อนแล็ปท็อปเป็นเวลา 20 ชั่วโมง

ซัมซุงยังสร้างชื่อเสียงในด้านเซลล์เชื้อเพลิงอีกด้วย - ในปี 2547 สาธิตต้นแบบ 12 วัตต์ที่ออกแบบมาเพื่อจ่ายไฟให้กับแล็ปท็อป โดยทั่วไป Samsung วางแผนที่จะใช้เซลล์เชื้อเพลิงในสมาร์ทโฟนรุ่นที่สี่เป็นหลัก

ต้องบอกว่าโดยทั่วไปแล้วบริษัทญี่ปุ่นใช้แนวทางการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงอย่างละเอียดถี่ถ้วน ย้อนกลับไปในปี 2546 บริษัทต่างๆ เช่น Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony และ Toshiba ร่วมมือกันพัฒนา มาตรฐานเดียวเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับแล็ปท็อป โทรศัพท์มือถือ พีดีเอ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ บริษัทอเมริกันซึ่งมีอยู่มากมายในตลาดนี้ ส่วนใหญ่ทำงานภายใต้สัญญากับกองทัพและพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับการใช้ไฟฟ้าให้กับทหารอเมริกัน

ชาวเยอรมันยังตามหลังอยู่ไม่ไกล - บริษัท Smart Fuel Cell จำหน่ายเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อขับเคลื่อนสำนักงานเคลื่อนที่ อุปกรณ์นี้มีชื่อว่า Smart Fuel Cell C25 ซึ่งมีขนาด 150x112x65 มม. และสามารถส่งพลังงานได้สูงสุด 140 วัตต์ต่อชั่วโมงต่อการเติมแต่ละครั้ง ซึ่งเพียงพอที่จะจ่ายไฟให้กับแล็ปท็อปได้ประมาณ 7 ชั่วโมง จากนั้นสามารถเปลี่ยนตลับหมึกได้และคุณสามารถทำงานต่อได้ ขนาดของตลับเมทานอลคือ 99x63x27 มม. และมีน้ำหนัก 150 กรัม ตัวระบบมีน้ำหนัก 1.1 กก. ดังนั้นจึงไม่สามารถเรียกได้ว่าพกพาได้อย่างสมบูรณ์ แต่ก็ยังเป็นอุปกรณ์ที่สมบูรณ์และสะดวกสบาย นอกจากนี้ บริษัทยังกำลังพัฒนาโมดูลเชื้อเพลิงเพื่อขับเคลื่อนกล้องวิดีโอระดับมืออาชีพอีกด้วย

โดยทั่วไปแล้ว เซลล์เชื้อเพลิงเกือบจะเข้าสู่ตลาดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่แล้ว ผู้ผลิตยังคงต้องแก้ไขปัญหาทางเทคนิคล่าสุดก่อนที่จะเริ่มการผลิตจำนวนมาก

ประการแรก จำเป็นต้องแก้ไขปัญหาการย่อขนาดของเซลล์เชื้อเพลิง ท้ายที่สุดแล้ว ยิ่งเซลล์เชื้อเพลิงมีขนาดเล็กลง พลังงานก็จะยิ่งผลิตน้อยลงเท่านั้น จึงมีการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาและอิเล็กโทรดใหม่ๆ อย่างต่อเนื่อง ซึ่งทำให้สามารถเพิ่มพื้นผิวการทำงานได้สูงสุดด้วยขนาดที่เล็ก นี่คือจุดที่การพัฒนาล่าสุดในด้านนาโนเทคโนโลยีและวัสดุนาโน (เช่น ท่อนาโน) มีประโยชน์มาก อีกครั้ง เพื่อย่อขนาดท่อขององค์ประกอบต่างๆ (ปั๊มเชื้อเพลิงและน้ำ ระบบทำความเย็นและการแปลงเชื้อเพลิง) ความสำเร็จของไมโครอิเล็คโตรเมคานิกส์กำลังถูกนำมาใช้มากขึ้น

ปัญหาสำคัญที่สองที่ต้องแก้ไขคือราคา ท้ายที่สุดแล้ว แพลตตินัมที่มีราคาแพงมากถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในเซลล์เชื้อเพลิงส่วนใหญ่ ขอย้ำอีกครั้งว่าผู้ผลิตบางรายพยายามใช้เทคโนโลยีซิลิคอนที่เป็นที่ยอมรับอยู่แล้วให้เกิดประโยชน์สูงสุด

สำหรับการใช้เซลล์เชื้อเพลิงในด้านอื่นๆ เซลล์เชื้อเพลิงได้เริ่มมีการจัดตั้งขึ้นอย่างมั่นคงแล้ว แม้ว่าจะยังไม่กลายเป็นกระแสหลักทั้งในภาคพลังงานหรือในการขนส่งก็ตาม ผู้ผลิตรถยนต์หลายรายได้นำเสนอรถยนต์แนวคิดที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิงแล้ว รถบัสเซลล์เชื้อเพลิงกำลังวิ่งอยู่ในหลายเมืองทั่วโลก บริษัท Canadian Ballard Power Systems ผลิต ทั้งบรรทัดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบอยู่กับที่ที่มีกำลังตั้งแต่ 1 ถึง 250 กิโลวัตต์ ในเวลาเดียวกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากิโลวัตต์ได้รับการออกแบบมาเพื่อจ่ายไฟฟ้าความร้อนและน้ำร้อนให้กับอพาร์ทเมนต์หนึ่งยูนิตทันที