ایالات متحده ابتکارات متعددی با هدف توسعه سلول های سوختی هیدروژنی، زیرساخت ها و فناوری دارد تا تا سال 2020 خودروهای پیل سوختی را کاربردی و مصرف سوخت را بهینه کند. بیش از یک میلیارد دلار برای این اهداف اختصاص یافته است.

پیل های سوختی برق را بی سر و صدا و کارآمد و بدون آلودگی محیط زیست تولید می کنند. برخلاف منابع انرژی که از سوخت های فسیلی استفاده می کنند، محصولات جانبی سلول های سوختی گرما و آب هستند. چگونه کار می کند؟

در این مقاله به طور مختصر به هر یک از فناوری های سوخت موجود امروزی می پردازیم و همچنین در مورد طراحی و عملکرد پیل های سوختی صحبت می کنیم و آنها را با سایر اشکال تولید انرژی مقایسه می کنیم. همچنین در مورد برخی از موانعی که محققان در راه عملی کردن و مقرون به صرفه ساختن پیل های سوختی برای مصرف کنندگان با آن مواجه هستند، صحبت خواهیم کرد.

سلول های سوختی هستند دستگاه های تبدیل انرژی الکتروشیمیایی. یک پیل سوختی مواد شیمیایی، هیدروژن و اکسیژن را به آب تبدیل می کند و در این فرآیند برق تولید می کند.

یکی دیگر از وسایل الکتروشیمیایی که همه ما با آن آشنا هستیم باتری است. باتری تمام عناصر شیمیایی لازم را در داخل خود دارد و این مواد را به برق تبدیل می کند. یعنی باتری در نهایت می میرد و یا آن را دور می اندازید یا دوباره شارژ می کنید.

در یک پیل سوختی، مواد شیمیایی به طور مداوم به آن وارد می شود تا هرگز "مرده" نباشد. تا زمانی که مواد شیمیایی وارد عنصر شوند، الکتریسیته تولید خواهد شد. اکثر پیل های سوختی که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند از هیدروژن و اکسیژن استفاده می کنند.

هیدروژن فراوان ترین عنصر در کهکشان ما است. با این حال، هیدروژن عملاً به شکل عنصری روی زمین وجود ندارد. مهندسان و دانشمندان باید هیدروژن خالص را از ترکیبات هیدروژنی از جمله سوخت های فسیلی یا آب استخراج کنند. برای استخراج هیدروژن از این ترکیبات، باید انرژی را به صورت گرما یا برق مصرف کنید.

اختراع سلول های سوختی

سر ویلیام گروو اولین پیل سوختی را در سال 1839 اختراع کرد. گرو می دانست که آب را می توان با عبور به هیدروژن و اکسیژن جدا کرد جریان الکتریسیتهاز طریق آن (فرآیندی به نام الکترولیز). او پیشنهاد کرد که به ترتیب معکوس می توان برق و آب را به دست آورد. او یک پیل سوختی اولیه ایجاد کرد و آن را نامید باتری گالوانیکی گازی. گرو پس از آزمایش اختراع جدید خود، فرضیه خود را ثابت کرد. پنجاه سال بعد، دانشمندان لودویگ موند و چارلز لانگر این اصطلاح را ابداع کردند سلول های سوختیهنگام تلاش برای ساخت یک مدل عملی برای تولید برق.

پیل سوختی با بسیاری دیگر از دستگاه های تبدیل انرژی رقابت خواهد کرد، از جمله توربین های گازیدر نیروگاه های شهری، موتورها احتراق داخلیدر اتومبیل و همچنین انواع باتری ها. موتورهای احتراق داخلی، مانند توربین های گاز، انواع مختلفی از سوخت را می سوزانند و از فشار ناشی از انبساط گازها برای انجام کار استفاده می کنند. کارهای مکانیکی. باتری ها انرژی شیمیایی را در صورت نیاز به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. سلول های سوختی باید این وظایف را با کارایی بیشتری انجام دهند.

پیل سوختی ولتاژ DC (جریان مستقیم) را فراهم می کند که می تواند برای تغذیه موتورهای الکتریکی، چراغ ها و سایر لوازم الکتریکی استفاده شود.

انواع مختلفی از سلول های سوختی وجود دارد که هر کدام از فرآیندهای شیمیایی متفاوتی استفاده می کنند. سلول های سوختی معمولاً بر اساس آنها طبقه بندی می شوند دمای عملیاتیو نوعالکترولیت،که از آن استفاده می کنند. برخی از انواع پیل های سوختی برای استفاده در نیروگاه های ثابت مناسب هستند. برخی دیگر ممکن است برای دستگاه های کوچک قابل حمل یا برای تامین انرژی خودروها مفید باشند. انواع اصلی پیل سوختی عبارتند از:

سلول سوختی غشای تبادل پلیمری (PEMFC)

PEMFC به عنوان محتمل ترین نامزد برای کاربردهای حمل و نقل در نظر گرفته می شود. PEMFC هم قدرت بالا و هم دمای عملیاتی نسبتاً پایین (از 60 تا 80 درجه سانتیگراد) دارد. دمای کار پایین به این معنی است که سلول های سوختی می توانند به سرعت گرم شوند تا شروع به تولید برق کنند.

پیل سوختی اکسید جامد (SOFC)

این پیل‌های سوختی برای ژنراتورهای برق ثابت بزرگ که می‌توانند کارخانه‌ها یا شهرها را تامین کنند، مناسب‌تر هستند. این نوع پیل سوختی در دمای بسیار بالا (700 تا 1000 درجه سانتیگراد) کار می کند. دمای بالا یک مشکل قابلیت اطمینان ایجاد می کند زیرا برخی از سلول های سوختی ممکن است پس از چند چرخه روشن و خاموش از کار بیفتند. با این حال، پیل های سوختی اکسید جامد در حین کار مداوم بسیار پایدار هستند. در واقع، SOFC ها طولانی ترین عمر عملیاتی را در بین هر پیل سوختی تحت شرایط خاص نشان داده اند. دمای بالا همچنین این مزیت را دارد که بخار تولید شده توسط پیل های سوختی می تواند به توربین ها فرستاده شود و الکتریسیته بیشتری تولید کند. این فرآیند نامیده می شود تولید همزمان گرما و برقو کارایی کلی سیستم را بهبود می بخشد.

پیل سوختی قلیایی (AFC)

این یکی از قدیمی ترین طرح های پیل سوختی است که از دهه 1960 مورد استفاده قرار گرفته است. AFCها بسیار حساس به آلودگی هستند زیرا به هیدروژن و اکسیژن خالص نیاز دارند. علاوه بر این، آنها بسیار گران هستند، بنابراین بعید است که این نوع پیل سوختی به تولید انبوه برسد.

پیل سوختی کربنات مذاب (MCFC)

مانند SOFC ها، این پیل های سوختی نیز برای نیروگاه ها و ژنراتورهای بزرگ ثابت مناسب هستند. آنها در دمای 600 درجه سانتیگراد کار می کنند بنابراین می توانند بخار تولید کنند که به نوبه خود می تواند برای تولید انرژی بیشتر استفاده شود. آنها دمای عملیاتی کمتری نسبت به پیل های سوختی اکسید جامد دارند، به این معنی که به چنین مواد مقاوم در برابر حرارت نیاز ندارند. این باعث می شود آنها کمی ارزان تر شوند.

پیل سوختی اسید فسفریک (PAFC)

پیل سوختی اسید فسفریکپتانسیل استفاده در سیستم های برق ثابت کوچک را دارد. برای بیشتر کار می کند درجه حرارت بالانسبت به یک پیل سوختی غشایی تبادل پلیمری، بنابراین گرم شدن آن بیشتر طول می کشد و آن را برای استفاده در خودروها نامناسب می کند.

پیل سوختی مستقیم متانول (DMFC)

پیل های سوختی متانول از نظر دمای عملیاتی با PEMFC قابل مقایسه هستند، اما کارآمد نیستند. علاوه بر این، DMFCها به مقدار زیادی پلاتین به عنوان کاتالیزور نیاز دارند که این پیل‌های سوختی را گران می‌کند.

پیل سوختی با غشای تبادل پلیمری

پیل سوختی غشای تبادل پلیمری (PEMFC) یکی از امیدوارکننده‌ترین فناوری‌های پیل سوختی است. PEMFC از یکی از ساده ترین واکنش های هر پیل سوختی استفاده می کند. بیایید ببینیم از چه چیزی تشکیل شده است.

1. آ گره - ترمینال منفی پیل سوختی الکترون هایی را هدایت می کند که از مولکول های هیدروژن آزاد می شوند و پس از آن می توان از آنها در یک مدار خارجی استفاده کرد. دارای کانال های حکاکی شده ای است که از طریق آن گاز هیدروژن به طور مساوی روی سطح کاتالیزور توزیع می شود.

2.به آتود - ترمینال مثبت پیل سوختی، همچنین دارای کانال هایی برای توزیع اکسیژن بر روی سطح کاتالیزور است. همچنین الکترون‌ها را از مدار خارجی کاتالیزور هدایت می‌کند، جایی که می‌توانند با یون‌های هیدروژن و اکسیژن ترکیب شوند و آب را تشکیل دهند.

3.غشای تبادل الکترولیت-پروتون. این یک ماده خاص است که فقط یون های دارای بار مثبت را هدایت می کند و الکترون ها را مسدود می کند. با PEMFC، غشا باید هیدراته شود تا به درستی عمل کند و پایدار بماند.

4. کاتالیزورماده خاصی است که واکنش اکسیژن و هیدروژن را تحریک می کند. معمولاً از نانوذرات پلاتین که به صورت بسیار نازک روی کاغذ یا پارچه کربن اعمال می‌شود، ساخته می‌شود. کاتالیزور دارای ساختار سطحی است که حداکثر سطح پلاتین را می توان در معرض هیدروژن یا اکسیژن قرار داد.

شکل گاز هیدروژن (H2) را نشان می دهد که تحت فشار از سمت آند وارد پیل سوختی می شود. هنگامی که یک مولکول H2 با پلاتین روی کاتالیزور تماس پیدا می کند، به دو یون H+ و دو الکترون تقسیم می شود. الکترون ها از آند عبور می کنند، جایی که در مدارهای خارجی (انجام کارهای مفید مانند چرخاندن موتور) استفاده می شوند و به سمت کاتد پیل سوختی باز می گردند.

در همین حال، در سمت کاتد پیل سوختی، اکسیژن (O2) از هوا از طریق کاتالیزور عبور می کند و دو اتم اکسیژن را تشکیل می دهد. هر یک از این اتم ها دارای بار منفی قوی هستند. این بار منفی دو یون H+ را در سراسر غشاء جذب می کند، جایی که آنها با یک اتم اکسیژن و دو الکترون که از مدار خارجی می آیند ترکیب می شوند و یک مولکول آب (H2O) را تشکیل می دهند.

این واکنش در یک پیل سوختی تنها حدود 0.7 ولت تولید می کند. برای بالا بردن ولتاژ به یک سطح معقول، بسیاری از پیل‌های سوختی جداگانه باید ترکیب شوند تا یک پشته پیل سوختی تشکیل شود. صفحات دوقطبی برای اتصال یک پیل سوختی به پیل دیگر و تحت اکسیداسیون برای کاهش پتانسیل استفاده می شوند. مشکل بزرگ صفحات دوقطبی پایداری آنهاست. صفحات دوقطبی فلزی می توانند خورده شوند و محصولات جانبی (یون های آهن و کروم) کارایی غشاها و الکترودهای پیل سوختی را کاهش می دهند. بنابراین، پیل‌های سوختی در دمای پایین از فلزات سبک، گرافیت و کامپوزیت‌های کربن و ترموست (ترموست نوعی پلاستیک است که حتی در معرض دمای بالا جامد می‌ماند) به شکل مواد ورقه‌ای دوقطبی استفاده می‌کنند.

کارایی پیل سوختی

کاهش آلودگی یکی از اهداف اصلی پیل سوختی است. با مقایسه خودرویی که با پیل سوختی کار می‌کند با خودرویی که با موتور بنزینی کار می‌کند و خودرویی که با باتری کار می‌کند، می‌توانید ببینید که سلول‌های سوختی چگونه می‌توانند کارایی خودروها را بهبود بخشند.

از آنجایی که هر سه نوع خودرو دارای بسیاری از اجزای یکسان هستند، این قسمت از خودرو را نادیده می گیریم و اقدامات مفید را تا جایی که انرژی مکانیکی تولید می شود مقایسه می کنیم. بیایید با خودروی پیل سوختی شروع کنیم.

اگر انرژی پیل سوختی با هیدروژن خالص تامین شود، بازده آن تا 80 درصد می‌رسد. بنابراین، 80 درصد از محتوای انرژی هیدروژن را به الکتریسیته تبدیل می کند. با این حال، ما هنوز باید انرژی الکتریکی را به کار مکانیکی تبدیل کنیم. این توسط یک موتور الکتریکی و یک اینورتر به دست می آید. راندمان موتور + اینورتر نیز تقریباً 80 درصد است. این یک بازده کلی تقریباً 80*80/100=64 درصد می دهد. طبق گزارش ها، خودروی مفهومی FCX هوندا 60 درصد بازده انرژی دارد.

اگر منبع سوخت به صورت هیدروژن خالص نباشد، خودرو به یک ریفرمر نیز نیاز دارد. اصلاح کننده ها سوخت های هیدروکربنی یا الکلی را به هیدروژن تبدیل می کنند. آنها گرما تولید می کنند و علاوه بر هیدروژن CO و CO2 تولید می کنند. برای خالص سازی هیدروژن حاصل از آن استفاده می کنند دستگاه های مختلف، اما این تمیز کردن کافی نیست و باعث کاهش راندمان پیل سوختی می شود. بنابراین، محققان تصمیم گرفتند با وجود چالش‌های مرتبط با تولید و ذخیره هیدروژن، بر روی سلول‌های سوختی خودروهایی که از هیدروژن خالص نیرو می‌گیرند، تمرکز کنند.

کارایی یک موتور بنزینی و یک وسیله نقلیه باتری-الکتریکی

راندمان خودرویی که با بنزین کار می کند به طرز شگفت آوری پایین است. تمام گرمایی که توسط رادیاتور تخلیه یا جذب می شود، انرژی تلف می شود. این موتور همچنین برای به حرکت درآوردن پمپ‌ها، فن‌ها و ژنراتورهای مختلف که آن را روشن نگه می‌دارند، نیروی زیادی مصرف می‌کند. بنابراین، راندمان کلی یک موتور اتومبیل بنزینی تقریباً 20 درصد است. بنابراین، تنها حدود 20 درصد از محتوای انرژی حرارتی بنزین به کار مکانیکی تبدیل می شود.

یک وسیله نقلیه الکتریکی با باتری کارایی نسبتاً بالایی دارد. باتری تقریباً 90 درصد کارایی دارد (بیشتر باتری ها مقداری گرما تولید می کنند یا نیاز به گرمایش دارند) و موتور + اینورتر تقریباً 80 درصد کارآمد است. این بازده کلی تقریباً 72 درصد را نشان می دهد.

اما این همه ماجرا نیست. برای اینکه یک ماشین الکتریکی حرکت کند، ابتدا باید در جایی برق تولید شود. اگر نیروگاهی بود که از فرآیند احتراق سوخت فسیلی (به جای انرژی هسته ای، برق آبی، خورشیدی یا بادی) استفاده می کرد، در این صورت تنها تقریباً 40 درصد از سوخت مصرف شده توسط نیروگاه به برق تبدیل می شد. بعلاوه، فرآیند شارژ خودرو نیازمند تبدیل برق جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) است. این فرآیند تقریباً 90 درصد راندمان دارد.

حال اگر به کل چرخه نگاه کنیم، راندمان خودروی برقی برای خود خودرو 72 درصد، برای نیروگاه 40 درصد و برای شارژ خودرو 90 درصد است. این بازده کلی 26 درصد را به دست می دهد. بازده کلی بسته به اینکه از کدام نیروگاه برای شارژ باتری استفاده می شود، به طور قابل توجهی متفاوت است. اگر برق خودرو به عنوان مثال توسط یک نیروگاه برق آبی تولید شود، راندمان خودروی الکتریکی تقریباً 65 درصد خواهد بود.

دانشمندان در حال تحقیق و بهبود طرح هایی برای ادامه بهبود کارایی پیل سوختی هستند. یکی از رویکردهای جدید ترکیب خودروهای پیل سوختی و باتری دار خواهد بود. یک خودروی مفهومی که از یک پیشرانه هیبریدی نیرو می گیرد که توسط پیل سوختی نیرو می گیرد در حال توسعه است. از یک باتری لیتیومی برای تغذیه خودرو استفاده می کند در حالی که سلول سوختی باتری را شارژ می کند.

خودروهای پیل سوختی به طور بالقوه به اندازه یک خودروی باتری دار که از نیروگاهی که از سوخت های فسیلی استفاده نمی کند شارژ می شود، کارآمد هستند. اما دستیابی به این پتانسیل به روشی عملی و در دسترس می تواند دشوار باشد.

چرا از پیل سوختی استفاده کنیم؟

دلیل اصلی همه چیز مربوط به نفت است. آمریکا باید تقریبا 60 درصد نفت خود را وارد کند. انتظار می رود تا سال 2025، واردات به 68 درصد افزایش یابد. آمریکایی ها روزانه دو سوم نفت را برای حمل و نقل استفاده می کنند. حتی اگر هر خودروی موجود در خیابان یک خودروی هیبریدی باشد، تا سال 2025، ایالات متحده همچنان باید از همان مقدار روغنی که آمریکایی ها در سال 2000 مصرف می کردند استفاده کند. در واقع، آمریکا یک چهارم کل نفت جهان را مصرف می کند، اگرچه تنها 4.6 درصد از جمعیت جهان در اینجا زندگی می کنند.

کارشناسان انتظار دارند با کاهش منابع ارزان‌تر، قیمت نفت در چند دهه آینده به افزایش خود ادامه دهد. شرکت های نفتی باید به طور فزاینده ای میادین نفتی را توسعه دهند شرایط دشوارکه باعث افزایش قیمت نفت خواهد شد.

نگرانی ها بسیار فراتر از امنیت اقتصادی است. پول زیادی که از فروش نفت به دست می آید صرف حمایت از تروریسم بین المللی، احزاب سیاسی رادیکال و وضعیت بی ثبات در مناطق نفت خیز می شود.

استفاده از نفت و سایر سوخت های فسیلی برای انرژی تولید آلودگی می کند. برای همه بهتر است جایگزینی برای سوزاندن سوخت های فسیلی برای انرژی پیدا کنند.

سلول های سوختی جایگزین جذابی برای وابستگی به نفت هستند. پیل های سوختی به جای آلودگی، آب تمیز را به عنوان محصول جانبی تولید می کنند. اگرچه مهندسان به طور موقت بر تولید هیدروژن از منابع مختلف فسیلی مانند بنزین یا گاز طبیعی، در حال بررسی راه های تجدید پذیر و سازگار با محیط زیست برای تولید هیدروژن در آینده هستند. به طور طبیعی امیدوار کننده ترین فرآیند تولید هیدروژن از آب خواهد بود

وابستگی به نفت و گرم شدن کره زمین یک مشکل بین المللی است. چندین کشور به طور مشترک در ترویج تحقیق و توسعه فناوری پیل سوختی مشارکت دارند.

واضح است که دانشمندان و سازندگان قبل از تبدیل شدن سلول های سوختی به جایگزینی برای روش های مدرن تولید انرژی، کارهای زیادی برای انجام دادن دارند. با این حال، با حمایت جهانی و همکاری جهانی، یک سیستم قدرت پیل سوختی قابل دوام می تواند ظرف چند دهه به واقعیت تبدیل شود.

اخیراً موضوع پیل سوختی بر سر زبان ها افتاده است. و این تعجب آور نیست؛ با ظهور این فناوری در دنیای الکترونیک، تولد جدیدی پیدا کرده است. رهبران جهانی در زمینه میکروالکترونیک در حال رقابت برای ارائه نمونه های اولیه محصولات آینده خود هستند که نیروگاه های کوچک خود را یکپارچه خواهند کرد. این باید از یک طرف اتصال دستگاه های تلفن همراه به "پریز" را ضعیف کند و از طرف دیگر عمر باتری آنها را افزایش دهد.

علاوه بر این، برخی از آنها بر اساس اتانول کار می کنند، بنابراین توسعه این فناوری ها به نفع تولید کنندگان مشروبات الکلی است - پس از ده ها سال، صف هایی از "متخصصان فناوری اطلاعات" در کارخانه شراب سازی صف می کشند. "دوز" بعدی برای لپ تاپ آنها.

ما نمی‌توانیم از «تب» سلول‌سوختی که صنعت Hi-Tech را فراگرفته است دور بمانیم، و سعی خواهیم کرد بفهمیم که این فناوری چه نوع جانوری است، با چه چیزی خورده می‌شود و چه زمانی می‌توانیم انتظار داشته باشیم که وارد شود. "پذیرایی عمومی." در این مطلب به مسیر پیل‌های سوختی از کشف این فناوری تا رسیدن خواهیم پرداخت امروز. ما همچنین سعی خواهیم کرد چشم انداز اجرا و توسعه آنها را در آینده ارزیابی کنیم.

چطور بود

اصل پیل سوختی اولین بار در سال 1838 توسط کریستین فردریش شونبین توصیف شد و یک سال بعد مجله فلسفی مقاله او را در این زمینه منتشر کرد. با این حال، اینها فقط مطالعات نظری بودند. اولین پیل سوختی فعال در سال 1843 در آزمایشگاه دانشمند ولزی سر ویلیام رابرت گروو تولید شد. هنگام ایجاد آن، مخترع از موادی مشابه موارد استفاده شده در آن استفاده کرد باتری های مدرنروی اسید فسفریک پیل سوختی Sir Grove متعاقبا توسط W. Thomas Grub بهبود یافت. در سال 1955، این شیمیدان که برای شرکت افسانه ای کار می کرد شرکت جنرال الکتریک، از یک غشای تبادل یونی ساخته شده از پلی استایرن سولفونه به عنوان الکترولیت در پیل سوختی استفاده کرد. تنها سه سال بعد، همکارش لئونارد نیدراخ، فناوری قرار دادن پلاتین روی غشاء را پیشنهاد کرد که به عنوان یک کاتالیزور در فرآیند اکسیداسیون هیدروژن و جذب اکسیژن عمل می کند.

"پدر" پیل های سوختی کریستین شونبین

این اصول پایه و اساس نسل جدیدی از سلول های سوختی را تشکیل دادند که به نام سازندگان آنها سلول های Grub-Nidrach نامیده می شوند. جنرال الکتریک به توسعه در این مسیر ادامه داد، که در چارچوب آن، با کمک ناسا و غول هوانوردی McDonnell Aircraft، اولین پیل سوختی تجاری ایجاد شد. فناوری جدید توجه خارج از کشور را به خود جلب کرد. و قبلاً در سال 1959 ، فرانسیس توماس بیکن بریتانیایی یک پیل سوختی ثابت با قدرت 5 کیلو وات معرفی کرد. پیشرفت های ثبت شده او متعاقباً توسط آمریکایی ها مجوز گرفت و در فضاپیمای ناسا در سیستم های برق و آب آشامیدنی مورد استفاده قرار گرفت. در همان سال، هری ایریگ آمریکایی اولین تراکتور پیل سوختی (قدرت کل 15 کیلووات) را ساخت. هیدروکسید پتاسیم به عنوان الکترولیت در باتری ها و هیدروژن و اکسیژن فشرده به عنوان معرف استفاده شد.

برای اولین بار، تولید پیل های سوختی ثابت برای اهداف تجاری توسط شرکت UTC Power راه اندازی شد که سیستم های منبع تغذیه پشتیبان را برای بیمارستان ها، دانشگاه ها و مراکز تجاری ارائه می کرد. این شرکت که پیشرو جهانی در این زمینه است، هنوز هم راه حل های مشابه با توان تا 200 کیلووات تولید می کند. همچنین تامین کننده اصلی سلول های سوختی ناسا است. محصولات آن به طور گسترده در طول برنامه فضایی آپولو مورد استفاده قرار گرفت و هنوز هم در برنامه شاتل فضایی مورد تقاضا هستند. UTC Power همچنین سلول های سوختی "کالا" را ارائه می دهد که به طور گسترده در وسایل نقلیه استفاده می شود. او اولین کسی بود که پیل سوختی ایجاد کرد که امکان تولید جریان را در دمای زیر صفر از طریق استفاده از غشای مبادله پروتون فراهم می کرد.

چگونه کار می کند

محققان مواد مختلفی را به عنوان معرف آزمایش کردند. با این حال، اصول اساسی عملکرد سلول های سوختی، با وجود ویژگی های عملیاتی بسیار متفاوت، بدون تغییر باقی می مانند. هر پیل سوختی وسیله ای برای تبدیل انرژی الکتروشیمیایی است. از مقدار مشخصی سوخت (در سمت آند) و یک اکسید کننده (در سمت کاتد) الکتریسیته تولید می کند. این واکنش در حضور یک الکترولیت (ماده‌ای حاوی یون‌های آزاد و رفتار رسانای الکتریکی) رخ می‌دهد. اصولاً در هر دستگاهی، معرف‌های خاصی وارد آن می‌شوند و محصولات واکنش آن‌ها پس از انجام واکنش الکتروشیمیایی حذف می‌شوند. الکترولیت در این مورد فقط به عنوان واسطه ای برای برهمکنش معرف ها عمل می کند و در پیل سوختی تغییر نمی کند. بر اساس این طرح، یک پیل سوختی ایده آل باید تا زمانی کار کند که مواد لازم برای واکنش وجود داشته باشد.

در اینجا پیل های سوختی نباید با باتری های معمولی اشتباه گرفته شوند. در حالت اول ، برای تولید برق ، "سوخت" خاصی مصرف می شود که متعاقباً نیاز به سوخت گیری مجدد دارد. در مورد سلول های گالوانیکی، الکتریسیته در یک سیستم شیمیایی بسته ذخیره می شود. در مورد باتری ها، اعمال جریان اجازه می دهد تا واکنش الکتروشیمیایی معکوس رخ دهد و واکنش دهنده ها را به حالت اولیه خود بازگرداند (یعنی آن را شارژ کنید). ترکیبات مختلفی از سوخت و اکسید کننده امکان پذیر است. به عنوان مثال، یک سلول سوختی هیدروژنی از هیدروژن و اکسیژن (یک اکسید کننده) به عنوان واکنش دهنده استفاده می کند. هیدروکربنات ها و الکل ها اغلب به عنوان سوخت استفاده می شوند و هوا، کلر و دی اکسید کلر به عنوان اکسیدان عمل می کنند.

واکنش کاتالیزوری که در پیل سوختی انجام می‌شود، الکترون‌ها و پروتون‌ها را از سوخت خارج می‌کند و الکترون‌های متحرک جریان الکتریکی تشکیل می‌دهند. پلاتین یا آلیاژهای آن معمولاً به عنوان کاتالیزوری استفاده می شود که واکنش را در پیل های سوختی تسریع می کند. یکی دیگر از فرآیندهای کاتالیزوری، الکترون‌ها را برمی‌گرداند و آنها را با پروتون‌ها و یک عامل اکسیدکننده ترکیب می‌کند و در نتیجه محصولات واکنش (انتشار) ایجاد می‌کند. به طور معمول، این انتشارات مواد ساده هستند: آب و دی اکسید کربن.

در یک پیل سوختی سنتی غشای تبادل پروتون (PEMFC)، یک غشای پلیمری رسانای پروتون، دو طرف آند و کاتد را جدا می‌کند. از سمت کاتد، هیدروژن به کاتالیزور آند منتشر می شود، جایی که الکترون ها و پروتون ها متعاقباً از آن آزاد می شوند. سپس پروتون ها از طریق غشاء به کاتد می روند و الکترون هایی که قادر به دنبال کردن پروتون ها نیستند (غشا از نظر الکتریکی جدا شده است) از طریق مدار بار خارجی (سیستم منبع تغذیه) هدایت می شوند. در سمت کاتالیزور کاتدی، اکسیژن با پروتون هایی که از غشاء عبور می کنند و الکترون هایی که از مدار بار خارجی وارد می شوند واکنش می دهد. این واکنش آب (به شکل بخار یا مایع) تولید می کند. به عنوان مثال، محصولات واکنش در سلول های سوختی با استفاده از سوخت های هیدروکربنی (متانول، سوخت دیزل) آب و دی اکسید کربن هستند.

پیل‌های سوختی تقریباً همه از تلفات الکتریکی رنج می‌برند که هم به دلیل مقاومت طبیعی کنتاکت‌ها و عناصر پیل سوختی و هم به دلیل اضافه ولتاژ الکتریکی (انرژی اضافی مورد نیاز برای انجام واکنش اولیه) ایجاد می‌شود. در برخی موارد، نمی توان به طور کامل از این ضررها جلوگیری کرد و گاهی اوقات "بازی ارزش شمع را ندارد"، اما اغلب می توان آنها را به حداقل قابل قبول کاهش داد. یک گزینه برای حل این مشکل استفاده از مجموعه هایی از این دستگاه ها است که در آنها سلول های سوختی بسته به نیاز سیستم منبع تغذیه، می توانند به صورت موازی وصل شوند. جریان بالاتر) یا به صورت سری (ولتاژ بالاتر).

انواع پیل سوختی

انواع زیادی از پیل های سوختی وجود دارد، اما ما سعی خواهیم کرد به طور خلاصه به رایج ترین آنها بپردازیم.

سلول های سوختی قلیایی (AFC)

پیل‌های سوختی قلیایی یا قلیایی که به نام «پدر بریتانیایی» سلول‌های بیکن نیز نامیده می‌شوند، یکی از پیشرفته‌ترین فناوری‌های پیل سوختی هستند. همین وسایل بود که به انسان کمک کرد پا بر روی ماه بگذارد. به طور کلی، ناسا از اواسط دهه 60 قرن گذشته از پیل های سوختی از این نوع استفاده می کند. AFC ها هیدروژن و اکسیژن خالص را مصرف می کنند و آب آشامیدنی، گرما و برق تولید می کنند. تا حد زیادی با توجه به این واقعیت که این فناوری به خوبی توسعه یافته است، یکی از این موارد را دارد بالاترین عملکردبهره وری در میان سیستم های مشابه(بالقوه حدود 70 درصد).

با این حال، این فناوری معایبی نیز دارد. با توجه به ویژگی استفاده از یک ماده قلیایی مایع به عنوان الکترولیت که دی اکسید کربن را مسدود نمی کند، امکان واکنش هیدروکسید پتاسیم (یکی از گزینه های الکترولیت مورد استفاده) با این جزء هوای معمولی وجود دارد. نتیجه می تواند یک ترکیب سمی به نام کربنات پتاسیم باشد. برای جلوگیری از این امر، استفاده از اکسیژن خالص یا تصفیه هوا از دی اکسید کربن ضروری است. طبیعتاً این روی هزینه چنین دستگاه هایی تأثیر می گذارد. با این وجود، AFCها ارزان‌ترین پیل‌های سوختی هستند که امروزه تولید می‌شوند.

پیل های سوختی بوروهیدرید مستقیم (DBFC)

این زیرگروه از پیل های سوختی قلیایی از بوروهیدرید سدیم به عنوان سوخت استفاده می کند. با این حال، بر خلاف AFC های متداول مبتنی بر هیدروژن، این فناوری یک مزیت قابل توجه دارد - هیچ خطری برای تولید ترکیبات سمی پس از تماس با دی اکسید کربن وجود ندارد. با این حال، محصول واکنش آن ماده بوراکس است که به طور گسترده در آن استفاده می شود مواد شویندهو صابون بوراکس نسبتا غیر سمی است.

DBFC ها را می توان حتی ارزان تر از پیل های سوختی سنتی ساخت زیرا به کاتالیزورهای پلاتین گران قیمت نیاز ندارند. علاوه بر این، چگالی انرژی بیشتری دارند. تخمین زده می شود که تولید یک کیلوگرم سدیم بوروهیدرید 50 دلار هزینه داشته باشد، اما اگر تولید انبوه آن را سازماندهی کنیم و فرآوری بوراکس را سازماندهی کنیم، می توان این سطح را 50 برابر کاهش داد.

سلول های سوختی هیدرید فلزی (MHFC)

این زیر کلاس از سلول های سوختی قلیایی در حال حاضر به طور فعال در حال مطالعه است. ویژگی خاص این دستگاه ها قابلیت ذخیره شیمیایی هیدروژن در داخل پیل سوختی است. پیل سوختی بوروهیدرید مستقیم نیز همین توانایی را دارد، اما برخلاف آن، MHFC با هیدروژن خالص پر شده است.

در میان ویژگی های متمایزاین سلول های سوختی را می توان به شرح زیر تشخیص داد:

• توانایی شارژ مجدد از انرژی الکتریکی؛
• کار در دمای پایین- تا -20 درجه سانتیگراد؛
• ماندگاری طولانی؛
• شروع سریع "سرد"؛
• توانایی کار برای مدتی بدون منبع خارجی هیدروژن (در هنگام تعویض سوخت).

با وجود این واقعیت که بسیاری از شرکت ها در حال کار بر روی ایجاد MHFC های انبوه هستند، کارایی نمونه های اولیه در مقایسه با فناوری های رقیب به اندازه کافی بالا نیست. یکی از بهترین عملکردچگالی جریان برای این پیل های سوختی 250 میلی آمپر بر سانتی متر مربع است، در حالی که پیل های سوختی معمولی PEMFC چگالی جریان 1 آمپر بر سانتی متر مربع را ارائه می دهند.

سلول های سوختی الکترو گالوانیکی (EGFC)

واکنش شیمیایی در EGFC شامل هیدروکسید پتاسیم و اکسیژن است. این یک جریان الکتریکی بین آند سرب و کاتد با روکش طلا ایجاد می کند. ولتاژ تولید شده توسط پیل سوختی الکتروگالوانیکی با مقدار اکسیژن نسبت مستقیم دارد. این ویژگی به EGFC ها اجازه می دهد تا به عنوان دستگاه های تست غلظت اکسیژن در تجهیزات غواصی و تجهیزات پزشکی استفاده گسترده ای پیدا کنند. اما دقیقاً به دلیل این وابستگی است که سلول های سوختی هیدروکسید پتاسیم عمر بسیار محدودی دارند. کار کارآمد(در حالی که غلظت اکسیژن بالاست).

اولین دستگاه های تایید شده برای بررسی غلظت اکسیژن در EGFC در سال 2005 به طور گسترده در دسترس قرار گرفت، اما در آن زمان محبوبیت زیادی به دست نیاورد. دو سال بعد عرضه شد، یک مدل به طور قابل توجهی اصلاح شده بسیار موفق تر بود و حتی جایزه ای برای "نوآوری" در یک نمایشگاه تخصصی غواصی در فلوریدا دریافت کرد. آنها در حال حاضر توسط سازمان هایی مانند NOAA (اداره ملی اقیانوسی و جوی) و DDRC (مرکز تحقیقات بیماری های غواصی) استفاده می شوند.

پیل های سوختی مستقیم اسید فرمیک (DFAFC)

این پیل‌های سوختی زیرگروهی از دستگاه‌های PEMFC با تزریق مستقیم اسید فرمیک هستند. این پیل‌های سوختی با توجه به ویژگی‌های خاص خود، شانس زیادی برای تبدیل شدن به ابزار اصلی تامین انرژی الکترونیکی قابل حمل مانند لپ‌تاپ، تلفن همراه و غیره در آینده دارند.

مانند متانول، اسید فرمیک مستقیماً بدون مرحله خالص سازی به پیل سوختی وارد می شود. ذخیره سازی این ماده همچنین بسیار ایمن تر از مثلاً هیدروژن است و همچنین لازم نیست شرایط ذخیره سازی خاصی فراهم شود: اسید فرمیک زمانی مایع است که دمای معمولی. علاوه بر این، این فناوری دو مزیت غیرقابل انکار نسبت به سلول های سوختی مستقیم متانول دارد. اول، برخلاف متانول، اسید فرمیک از طریق غشاء نشت نمی کند. بنابراین، راندمان DFAFC طبق تعریف باید بالاتر باشد. ثانیاً در صورت کاهش فشار، اسید فرمیک چندان خطرناک نیست (متانول می تواند باعث کوری شود و در دوزهای بالا باعث مرگ می شود).

جالب اینجاست که تا همین اواخر، بسیاری از دانشمندان این فناوری را دارای آینده عملی نمی دانستند. دلیلی که محققان را بر آن داشت تا سال‌ها به اسید فرمیک پایان دهند، ولتاژ بالای الکتروشیمیایی بود که منجر به تلفات الکتریکی قابل توجهی شد. اما آزمایش های اخیر نشان داده است که دلیل این ناکارآمدی استفاده از پلاتین به عنوان کاتالیزور بوده است که به طور سنتی برای این منظور در پیل های سوختی بسیار استفاده می شده است. پس از انجام یک سری آزمایشات توسط دانشمندان دانشگاه ایلینویز با مواد دیگر، مشخص شد که هنگام استفاده از پالادیوم به عنوان کاتالیزور، عملکرد DFAFC بالاتر از سلول های سوختی متانول مستقیم است. در حال حاضر، حقوق این فناوری متعلق به شرکت آمریکایی Tekion است که خط تولید محصولات Formira Power Pack خود را برای دستگاه های میکروالکترونیک ارائه می دهد. این سیستم یک "دوبلکس" است که از یک باتری و خود پیل سوختی تشکیل شده است. پس از اتمام عرضه معرف های موجود در کارتریج که باتری را شارژ می کند، کاربر به سادگی آن را با یک باتری جدید جایگزین می کند. بنابراین، کاملاً از "خروجی" مستقل می شود. با توجه به وعده های سازنده، زمان بین شارژ دو برابر می شود، با وجود این واقعیت که این فناوری تنها 10-15٪ بیشتر از باتری های معمولی هزینه دارد. تنها مانع جدی برای این فناوری ممکن است این باشد که توسط یک شرکت متوسط ​​پشتیبانی می‌شود و ممکن است به سادگی توسط رقبای بزرگ‌تری که فناوری‌های خود را ارائه می‌کنند، غلبه کند، که حتی ممکن است در تعدادی از پارامترها از DFAFC پایین‌تر باشد.

سلول های سوختی مستقیم متانول (DMFC)

این سلول های سوختی زیرمجموعه ای از دستگاه های غشای تبادل پروتون هستند. آنها از متانول استفاده می کنند که بدون تصفیه اضافی وارد پیل سوختی می شود. با این حال، متیل الکل بسیار راحت تر ذخیره می شود و قابل انفجار نیست (اگرچه قابل اشتعال است و می تواند باعث کوری شود). در عین حال، متانول ظرفیت انرژی به طور قابل توجهی بالاتر از هیدروژن فشرده است.

با این حال، به دلیل توانایی متانول برای نشت از طریق غشاء، راندمان DMFC در حجم های بزرگ سوخت پایین است. و اگرچه به همین دلیل برای حمل و نقل مناسب نیستند و تاسیسات بزرگ، این دستگاه ها برای جایگزینی باتری در دستگاه های تلفن همراه مناسب هستند.

سلول های سوختی متانول تصفیه شده (RMFC)

تفاوت پیل های سوختی متانول فرآوری شده با DMFC ها تنها در این است که متانول را قبل از تولید الکتریسیته به هیدروژن و دی اکسید کربن تبدیل می کنند. این اتفاق می افتد در دستگاه خاصپردازنده سوخت نامیده می شود. پس از این مرحله مقدماتی (واکنش در دمای بالاتر از 250 درجه سانتیگراد انجام می شود)، هیدروژن تحت یک واکنش اکسیداسیون قرار می گیرد که منجر به تشکیل آب و تولید الکتریسیته می شود.

استفاده از متانول در RMFC به این دلیل است که حامل طبیعی هیدروژن است و در دمای به اندازه کافی پایین (در مقایسه با سایر مواد) می تواند به هیدروژن و دی اکسید کربن تجزیه شود. بنابراین، این فناوری از DMFC پیشرفته تر است. سلول‌های سوختی متانول تصفیه‌شده، کارایی، فشردگی و عملکرد زیر صفر را ممکن می‌سازد.

پیل های سوختی مستقیم اتانول (DEFC)

نماینده دیگری از کلاس سلول های سوختی با شبکه تبادل پروتون. همانطور که از نام آن پیداست، اتانول بدون تصفیه یا تجزیه اضافی به مواد ساده‌تر وارد پیل سوختی می‌شود. اولین مزیت این دستگاه ها استفاده از الکل اتیلیک به جای متانول سمی است. این بدان معناست که برای توسعه این سوخت نیازی به سرمایه گذاری زیادی ندارید.

چگالی انرژی الکل تقریبا 30 درصد بیشتر از متانول است. علاوه بر این، می توان آن را در مقادیر زیادی از زیست توده به دست آورد. به منظور کاهش هزینه سلول های سوختی اتانول، جستجو برای یک ماده کاتالیزور جایگزین به طور فعال دنبال می شود. پلاتین، که به طور سنتی در سلول های سوختی برای این اهداف استفاده می شود، بسیار گران است و مانع مهمی برای پذیرش انبوه این فناوری ها است. راه حل این مشکل می تواند کاتالیزورهای ساخته شده از مخلوط آهن، مس و نیکل باشد که نتایج چشمگیری را در سیستم های آزمایشی نشان می دهد.

سلول های سوختی هوا روی (ZAFC)

ZAFC از اکسیداسیون روی با اکسیژن هوا برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می کند. تولید این پیل‌های سوختی ارزان است و چگالی انرژی نسبتاً بالایی ارائه می‌کند. آنها در حال حاضر در سمعک ها و ماشین های الکتریکی آزمایشی استفاده می شوند.

در سمت آند مخلوطی از ذرات روی با یک الکترولیت و در سمت کاتد آب و اکسیژن هوا وجود دارد که با یکدیگر واکنش داده و هیدروکسیل (مولکول آن یک اتم اکسیژن و یک اتم هیدروژن است، بین که یک پیوند کووالانسی وجود دارد). در نتیجه واکنش هیدروکسیل با مخلوط روی، الکترون هایی آزاد می شوند که به کاتد می روند. حداکثر ولتاژ تولید شده توسط چنین پیل های سوختی 1.65 ولت است، اما، به عنوان یک قاعده، این به طور مصنوعی به 1.4-1.35 V کاهش می یابد و دسترسی هوا به سیستم را محدود می کند. محصولات نهایی این واکنش الکتروشیمیایی اکسید روی و آب است.

استفاده از این فناوری هم در باتری ها (بدون شارژ مجدد) و هم در پیل های سوختی امکان پذیر است. در حالت دوم، محفظه سمت آند تمیز می شود و دوباره با خمیر روی پر می شود. به طور کلی، فناوری ZAFC ثابت کرده است که یک باتری ساده و قابل اعتماد است. مزیت غیرقابل انکار آنها توانایی کنترل واکنش تنها با تنظیم جریان هوا به پیل سوختی است. بسیاری از محققان پیل های سوختی روی-هوا را به عنوان منبع اصلی انرژی در آینده برای وسایل نقلیه الکتریکی در نظر می گیرند.

سلول های سوختی میکروبی (MFC)

ایده استفاده از باکتری ها به نفع بشریت جدید نیست، اگرچه اجرای این ایده ها اخیراً به نتیجه رسیده است. در حال حاضر، موضوع استفاده تجاری از بیوتکنولوژی برای تولید به طور فعال در حال بررسی است. محصولات مختلف(به عنوان مثال تولید هیدروژن از زیست توده)، خنثی سازی مواد مضرو تولید برق پیل‌های سوختی میکروبی که سلول‌های سوختی بیولوژیکی نیز نامیده می‌شوند، یک سیستم الکتروشیمیایی بیولوژیکی هستند که با استفاده از باکتری‌ها جریان الکتریکی تولید می‌کنند. این فناوری بر پایه کاتابولیسم (تجزیه یک مولکول پیچیده به یک مولکول ساده تر با آزاد شدن انرژی) موادی مانند گلوکز، استات (نمک اسید استیک)، بوتیرات (نمک بوتیرات) یا فاضلاب است. در اثر اکسید شدن آنها، الکترون ها آزاد می شوند که به آند منتقل می شوند و پس از آن جریان الکتریکی تولید شده از طریق هادی به کاتد می گذرد.

چنین پیل های سوختی معمولاً از واسطه هایی استفاده می کنند که جریان الکترون ها را بهبود می بخشد. مشکل این است که موادی که نقش واسطه را بازی می کنند گران و سمی هستند. اما در صورت استفاده از باکتری های فعال الکتروشیمیایی، نیاز به واسطه ها از بین می رود. چنین پیل‌های سوختی میکروبی "بدون واسطه" اخیراً شروع به ایجاد کردند و بنابراین همه خواص آنها به خوبی مطالعه نشده است.

علیرغم موانعی که MFC هنوز بر آنها غلبه نکرده است، این فناوری پتانسیل بسیار زیادی دارد. اولاً، یافتن "سوخت" چندان دشوار نیست. علاوه بر این، امروزه موضوع تصفیه فاضلاب و دفع بسیاری از پسماندها بسیار حاد است. استفاده از این فناوری می تواند هر دوی این مشکلات را حل کند. ثانیا، از نظر تئوری اثربخشی آن می تواند بسیار بالا باشد. مشکل اصلی مهندسان پیل سوختی میکروبی، و در واقع مهمترین عنصر این دستگاه، میکروب ها هستند. و در حالی که میکروبیولوژیست ها، که کمک هزینه های تحقیقاتی متعددی دریافت می کنند، خوشحال هستند، نویسندگان داستان های علمی تخیلی نیز دست های خود را می مالند و موفقیت کتاب هایی را که به عواقب "آزاد شدن" میکروارگانیسم های اشتباه اختصاص داده شده اند، پیش بینی می کنند. به طور طبیعی، خطر ایجاد چیزی وجود دارد که نه تنها زباله های غیر ضروری را "هضم" می کند، بلکه چیز ارزشمندی را نیز به همراه دارد. بنابراین، در اصل، مانند هر بیوتکنولوژی جدید، مردم نسبت به ایده حمل جعبه آلوده به باکتری در جیب خود محتاط هستند.

کاربرد

نیروگاه های ثابت خانگی و صنعتی

سلول های سوختی به طور گسترده ای به عنوان منابع انرژی در موارد مختلف استفاده می شود سیستم های خودمختارمانند سفینه های فضایی، ایستگاه های هواشناسی از راه دور، تاسیسات نظامی و غیره. مزیت اصلی چنین سیستم منبع تغذیه، قابلیت اطمینان بسیار بالای آن در مقایسه با سایر فناوری ها است. به دلیل عدم وجود قطعات متحرک و هر گونه مکانیزم در پیل های سوختی، قابلیت اطمینان سیستم های منبع تغذیه می تواند به 99.99٪ برسد. ضمناً در صورت استفاده از هیدروژن به عنوان معرف می توان به وزن بسیار کم دست یافت که در مورد تجهیزات فضایی یکی از مهمترین معیارها می باشد.

اخیراً، تأسیسات ترکیبی حرارت و برق، که به طور گسترده در ساختمان های مسکونی و ادارات استفاده می شود، به طور فزاینده ای گسترش یافته است. ویژگی این سیستم ها این است که دائماً برق تولید می کنند که اگر بلافاصله مصرف نشود برای گرم کردن آب و هوا استفاده می شود. علیرغم این واقعیت که راندمان الکتریکی چنین تأسیساتی تنها 15-20٪ است، این نقطه ضعف با این واقعیت جبران می شود که از برق استفاده نشده برای تولید گرما استفاده می شود. به طور کلی راندمان انرژی چنین سیستم های ترکیبی حدود 80 درصد است. یکی از بهترین معرف هااسید فسفریک برای چنین پیل های سوختی استفاده می شود. این تاسیسات بازده انرژی 90٪ (35-50٪ برق و مابقی انرژی حرارتی) را ارائه می دهند.

حمل و نقل

سیستم های انرژی مبتنی بر پیل های سوختی نیز به طور گسترده ای در حمل و نقل استفاده می شود. به هر حال، آلمانی ها جزو اولین کسانی بودند که پیل سوختی را روی وسایل نقلیه نصب کردند. بنابراین اولین قایق تجاری جهان مجهز به چنین نصبی هشت سال پیش آغاز به کار کرد. این کشتی کوچک که "Hydra" نامگذاری شده و برای حمل حداکثر 22 مسافر طراحی شده است، در ژوئن 2000 در نزدیکی پایتخت سابق آلمان به آب انداخته شد. هیدروژن (پیل سوختی قلیایی) به عنوان یک معرف حامل انرژی عمل می کند. به لطف استفاده از پیل‌های سوختی قلیایی (قلیایی)، این دستگاه قادر به تولید جریان در دماهای تا -10 درجه سانتیگراد است و از آب نمک "ترس" ندارد. قایق "Hydra" رانده شد موتور الکتریکیبا قدرت 5 کیلو وات، قادر به رسیدن به سرعت تا 6 گره (حدود 12 کیلومتر در ساعت).

قایق "هیدرا"

سلول های سوختی (به ویژه هیدروژن) در حمل و نقل زمینی بسیار گسترده تر شده اند. به طور کلی، هیدروژن برای مدت طولانی به عنوان سوخت مورد استفاده قرار گرفته است موتورهای خودرو، و در اصل موتور معمولیموتورهای احتراق داخلی را می توان به راحتی برای استفاده از این نوع سوخت جایگزین تبدیل کرد. با این حال، احتراق هیدروژن سنتی کمتر از تولید الکتریسیته از طریق واکنش شیمیایی بین هیدروژن و اکسیژن است. و در حالت ایده آل، هیدروژن، اگر در سلول های سوختی استفاده شود، برای طبیعت کاملاً ایمن خواهد بود یا به قول آنها "دوستانه با محیط زیست" است، زیرا واکنش شیمیایی دی اکسید کربن یا سایر موادی را که به "گلخانه" کمک می کند آزاد نمی کند. اثر.”

درست است، همانطور که انتظار می رود، در اینجا چندین "اما" بزرگ وجود دارد. واقعیت این است که بسیاری از فن‌آوری‌های تولید هیدروژن از منابع تجدید ناپذیر (گاز طبیعی، زغال سنگ، فرآورده‌های نفتی) چندان سازگار با محیط زیست نیستند، زیرا فرآیند آنها مقدار زیادی دی اکسید کربن آزاد می‌کند. از نظر تئوری، اگر از منابع تجدیدپذیر برای به دست آوردن آن استفاده کنید، اصلاً انتشار مضری وجود نخواهد داشت. با این حال، در این مورد هزینه به طور قابل توجهی افزایش می یابد. به گفته بسیاری از کارشناسان، به همین دلایل، پتانسیل هیدروژن به عنوان جایگزینی برای بنزین یا گاز طبیعی بسیار محدود است. در حال حاضر جایگزین های ارزان تری وجود دارد و به احتمال زیاد، سلول های سوختی بر اساس اولین عنصر جدول تناوبی هرگز موفق به تبدیل شدن به یک پدیده انبوه در وسایل نقلیه نمی شوند.

خودروسازان کاملاً فعالانه با هیدروژن به عنوان منبع انرژی آزمایش می کنند. و دلیل اصلی این امر موضع نسبتاً سخت اتحادیه اروپا در مورد انتشارات مضر در جو است. شرکت دایملر AG، فیات و فورد موتور، با تحریک محدودیت‌های شدیدتر در اروپا، چشم انداز خود را از آینده سلول‌های سوختی در خودرو ارائه کرده‌اند و مدل‌های پایه خود را به پیشرانه‌های مشابه مجهز می‌کنند. یکی دیگر از غول های خودروسازی اروپایی، فولکس واگن، هم اکنون در حال آماده سازی خودروی پیل سوختی خود است. شرکت های ژاپنی و کره جنوبی هم از آنها عقب نیستند. با این حال، همه روی این فناوری شرط بندی نمی کنند. بسیاری از مردم ترجیح می دهند موتورهای احتراق داخلی را تغییر دهند یا آنها را با موتورهای الکتریکی که از باتری کار می کنند ترکیب کنند. تویوتا، مزدا و بی ام و این مسیر را طی کردند. در مورد شرکت های آمریکایی، جنرال موتورز علاوه بر فورد با مدل فوکوس خود، چندین خودروی پیل سوختی نیز ارائه کرد. همه این تعهدات به طور فعال توسط بسیاری از دولت ها تشویق می شوند. به عنوان مثال، در ایالات متحده قانونی وجود دارد که طبق آن یک خودروی هیبریدی جدید که وارد بازار می شود از مالیات معاف است که می تواند مبلغ بسیار مناسبی باشد، زیرا به عنوان یک قاعده، چنین خودروهایی گران تر از همتایان خود با داخلی سنتی هستند. موتورهای احتراقی این امر باعث می شود که هیبریدی ها در خرید جذاب تر شوند. درست است، در حال حاضر این قانون فقط برای مدل هایی که وارد بازار می شوند اعمال می شود تا زمانی که فروش به 60000 خودرو برسد، پس از آن سود به طور خودکار لغو می شود.

الکترونیک

چندی پیش، پیل‌های سوختی در لپ‌تاپ‌ها، تلفن‌های همراه و سایر دستگاه‌های تلفن همراه استفاده فزاینده‌ای پیدا کردند. لوازم برقیاوه دلیل این امر افزایش سریع پرخوری دستگاه هایی بود که برای عمر طولانی مدت باتری طراحی شده بودند. در نتیجه استفاده از بزرگ صفحه نمایش های لمسی، ابزارهای صوتی قدرتمند و معرفی پشتیبانی از Wi-Fi، بلوتوث و سایر پروتکل های ارتباطی بی سیم با فرکانس بالا، الزامات ظرفیت باتری نیز تغییر کرده است. و اگرچه باتری‌ها از زمان اولین تلفن‌های همراه راه زیادی را طی کرده‌اند، اما از نظر ظرفیت و فشردگی (در غیر این صورت امروزه هواداران با این سلاح‌های دارای عملکرد ارتباطی اجازه ورود به استادیوم‌ها را نداشتند)، هنوز هم نمی‌توانند با کوچک‌سازی همراه شوند. مدارهای الکترونیکیو نه تمایل تولیدکنندگان برای ایجاد کارکردهای بیشتر و بیشتر در محصولاتشان. یکی دیگر از اشکالات قابل توجه باتری های قابل شارژ فعلی، زمان شارژ طولانی آنها است. همه چیز به این واقعیت منجر می شود که هرچه یک دستگاه پخش چند رسانه ای تلفن یا جیبی دارای قابلیت های بیشتری باشد که برای افزایش استقلال صاحب آن طراحی شده است (اینترنت بی سیم، سیستم های ناوبری و غیره)، این دستگاه بیشتر به "خروجی" وابسته می شود.

در مورد لپ تاپ هایی که بسیار کوچکتر از لپ تاپ هایی هستند که در حداکثر اندازه محدود هستند، چیزی برای گفتن وجود ندارد. مدتی است که یک طاقچه برای لپ تاپ های فوق کارآمد که به هیچ وجه برای عملکرد مستقل در نظر گرفته نشده اند، به جز انتقال از یک دفتر به دفتر دیگر، ایجاد شده است. و حتی مقرون به صرفه ترین نمایندگان دنیای لپ تاپ به سختی می توانند یک روز کامل عمر باتری را تأمین کنند. بنابراین، مسئله یافتن جایگزینی برای باتری‌های سنتی، که نه گران‌تر، بلکه بسیار کارآمدتر باشد، بسیار ضروری است. و نمایندگان برجسته صنعت اخیراً روی حل این مشکل کار کرده اند. چندی پیش، پیل‌های سوختی متانول تجاری معرفی شدند که تحویل انبوه آن‌ها می‌تواند از اوایل سال آینده آغاز شود.

محققان بنا به دلایلی متانول را به جای هیدروژن انتخاب کردند. ذخیره متانول بسیار ساده تر است، زیرا نیازی به فشار بالا یا خاصی ندارد رژیم دما. متیل الکل یک مایع در دمای بین -97.0 تا 64.7 درجه سانتیگراد است. علاوه بر این، انرژی ویژه موجود در حجم N ام متانول یک مرتبه بزرگتر از همان حجم هیدروژن تحت فشار بالا است. فناوری پیل سوختی متانول مستقیم، که به طور گسترده در دستگاه های الکترونیکی متحرک استفاده می شود، شامل استفاده از متیل الکل پس از پر کردن مخزن سلول سوختی، دور زدن فرآیند تبدیل کاتالیزوری (از این رو نام "متانول مستقیم" است). این نیز مزیت اصلی این فناوری است.

با این حال، همانطور که انتظار می رود، همه این مزایا دارای معایبی بودند که به طور قابل توجهی دامنه کاربرد آن را محدود می کرد. با توجه به این واقعیت که این فناوری هنوز به طور کامل توسعه نیافته است، مشکل راندمان پایین چنین سلول های سوختی ناشی از "نشت" متانول از طریق مواد غشایی حل نشده باقی می ماند. علاوه بر این، ویژگی های دینامیکی آنها چشمگیر نیست. حل این مشکل آسان نیست و با دی اکسید کربن تولید شده در آند چه باید کرد. دستگاه های مدرن DMFC قادر به تولید مقادیر زیادی انرژی نیستند، اما ظرفیت انرژی بالایی برای حجم کمی از مواد دارند. این بدان معناست که اگرچه هنوز انرژی زیادی در دسترس نیست، سلول های سوختی متانول مستقیم می توانند آن را برای مدت طولانی تولید کنند. به دلیل قدرت کم آنها این امکان را به آنها نمی دهد که مستقیماً در وسایل نقلیه استفاده کنند، اما آنها را تقریباً می کند راه حل ایده آلبرای دستگاه های تلفن همراه که عمر باتری برای آنها حیاتی است.

آخرین روندها

اگرچه سلول های سوختی برای وسایل نقلیه برای مدت طولانی تولید شده اند، اما این راه حل ها هنوز فراگیر نشده اند. دلایل زیادی برای این وجود دارد. و اصلی ترین آنها عدم مصلحت اقتصادی و عدم تمایل تولیدکنندگان به تولید سوخت مقرون به صرفه است. تلاش برای سرعت بخشیدن به روند طبیعی انتقال به منابع انرژی تجدید پذیر، همانطور که می توان انتظار داشت، به هیچ چیز خوبی منجر نشد. البته دلیل افزایش شدید قیمت محصولات کشاورزی نه در این واقعیت پنهان است که آنها به طور انبوه به سوخت زیستی تبدیل شدند، بلکه در این واقعیت پنهان است که بسیاری از کشورهای آفریقایی و آسیایی قادر به تولید محصولات کافی حتی به میزان کافی نیستند. پاسخگویی به تقاضای داخلی برای محصولات

بدیهی است که ترک استفاده از سوخت های زیستی منجر به بهبود قابل توجهی در وضعیت بازار جهانی مواد غذایی نخواهد شد، بلکه برعکس، ممکن است ضربه ای به کشاورزان اروپایی و آمریکایی وارد کند که برای اولین بار در سال های متمادی فرصتی برای کسب درآمد خوب اما جنبه اخلاقی این موضوع را نمی‌توان نادیده گرفت؛ وقتی میلیون‌ها نفر از گرسنگی می‌میرند، گذاشتن «نان» در تانک‌ها زشت است. بنابراین، به ویژه، سیاستمداران اروپایی اکنون نگرش سردتری نسبت به بیوتکنولوژی خواهند داشت، که قبلاً با تجدید نظر در استراتژی انتقال به منابع انرژی تجدیدپذیر تأیید شده است.

در این شرایط، امیدوارکننده ترین حوزه کاربرد پیل های سوختی باید میکروالکترونیک باشد. این جایی است که سلول های سوختی بیشترین شانس را برای به دست آوردن جای پایی دارند. اولاً، افرادی که تلفن همراه می خرند، بیشتر از مثلاً خریداران اتومبیل، مایل به آزمایش هستند. و ثانیاً ، آنها آماده اند پول خرج کنند و به عنوان یک قاعده ، از "نجات جهان" مخالف نیستند. این را می توان با موفقیت خیره کننده نسخه قرمز "Bono" پخش کننده iPod Nano تأیید کرد که بخشی از پول حاصل از فروش آن به حساب صلیب سرخ رفت.

نسخه "بونو" پخش کننده اپل آی پاد نانو

در میان کسانی که توجه خود را به سلول‌های سوختی برای وسایل الکترونیکی قابل حمل معطوف کرده‌اند، شرکت‌هایی هستند که قبلاً در ایجاد سلول‌های سوختی تخصص داشتند و اکنون به سادگی حوزه جدیدی از کاربرد خود را کشف کرده‌اند و همچنین تولیدکنندگان پیشرو میکروالکترونیک. به عنوان مثال، اخیرا MTI Micro که تجارت خود را برای تولید سلول های سوختی متانول برای دستگاه های الکترونیکی متحرک تغییر داده است، اعلام کرد که تولید انبوه خود را در سال 2009 آغاز خواهد کرد. او همچنین اولین دستگاه GPS جهان را با استفاده از سلول های سوختی متانول ارائه کرد. به گفته نمایندگان این شرکت، در آینده نزدیک محصولات آن به طور کامل جایگزین باتری های لیتیوم یونی سنتی خواهد شد. درست است که در ابتدا ارزان نخواهند بود، اما این مشکل با هر فناوری جدید همراه است.

برای شرکتی مانند سونی که اخیراً نسخه DMFC دستگاه خود را به نمایش گذاشته است که سیستم چندرسانه‌ای را تقویت می‌کند، این فناوری‌ها جدید هستند، اما در مورد گم نشدن در بازار امیدوارکننده جدید جدی هستند. به نوبه خود، شارپ از این هم فراتر رفت و با کمک نمونه اولیه پیل سوختی خود، اخیراً رکورد جهانی ظرفیت انرژی ویژه 0.3 وات برای یک سانتی متر مکعب متیل الکل را به ثبت رساند. حتی دولت های بسیاری از کشورها با شرکت های تولید کننده این پیل های سوختی موافقت کردند. بنابراین، فرودگاه های ایالات متحده آمریکا، کانادا، بریتانیا، ژاپن و چین، علیرغم سمی بودن و اشتعال پذیری متانول، محدودیت های قبلی را برای حمل و نقل آن در کابین هواپیما لغو کرده اند. البته این فقط برای پیل های سوختی تایید شده با ظرفیت حداکثر 200 میلی لیتر مجاز است. با این وجود، این یک بار دیگر علاقه نه تنها علاقه مندان، بلکه دولت ها را به این تحولات تأیید می کند.

درست است، سازندگان همچنان در تلاش هستند تا آن را ایمن کنند و سلول های سوختی را عمدتاً به عنوان یک سیستم قدرت پشتیبان ارائه دهند. یکی از این راه حل ها ترکیب پیل سوختی و باتری است: تا زمانی که سوخت وجود دارد، باتری را دائما شارژ می کند و وقتی تمام شد، کاربر به سادگی کارتریج خالی را با یک ظرف جدید متانول جایگزین می کند. یکی دیگر از مسیرهای محبوب، ایجاد شارژرهای پیل سوختی است. آنها را می توان در حال حرکت استفاده کرد. در عین حال می توانند باتری ها را خیلی سریع شارژ کنند. به عبارت دیگر، در آینده، شاید همه چنین "سوکتی" را در جیب خود حمل کنند. این رویکرد ممکن است به ویژه در مورد تلفن های همراه مرتبط باشد. به نوبه خود، لپ‌تاپ‌ها ممکن است در آینده‌ای قابل پیش‌بینی پیل‌های سوختی داخلی را به دست آورند، که اگر به طور کامل جایگزین شارژ از پریز دیواری نشوند، حداقل جایگزینی جدی برای آن خواهند شد.

بنابراین، بر اساس پیش بینی بزرگترین شرکت شیمیایی آلمان BASF که اخیراً از آغاز ساخت مرکز توسعه پیل سوختی خود در ژاپن خبر داده است، تا سال 2010 بازار این دستگاه ها به یک میلیارد دلار خواهد رسید. در عین حال، تحلیلگران آن رشد بازار پیل سوختی را به 20 میلیارد دلار تا سال 2020 پیش بینی می کنند. به هر حال، در این مرکز BASF قصد دارد سلول های سوختی را برای وسایل الکترونیکی قابل حمل (به ویژه لپ تاپ ها) و سیستم های انرژی ثابت توسعه دهد. مکان برای این شرکت تصادفی انتخاب نشده است؛ شرکت آلمانی شرکت های داخلی را خریداران اصلی این فناوری ها می داند.

به جای نتیجه گیری

البته، نباید انتظار داشته باشید که سلول های سوختی جایگزین سیستم تامین انرژی موجود شوند. حداقل برای آینده قابل پیش بینی. این یک شمشیر دولبه است: نیروگاه های قابل حمل به دلیل عدم تلفات مربوط به تحویل برق به مصرف کننده، البته کارآمدتر هستند، اما باید در نظر داشت که آنها می توانند به رقیبی جدی برای انرژی متمرکز تبدیل شوند. سیستم تامین تنها در صورتی که یک سیستم تامین سوخت متمرکز برای این تاسیسات ایجاد شود. یعنی "سوکت" در نهایت باید با یک لوله خاص جایگزین شود که معرف های لازم را برای هر خانه و هر گوشه ای تامین می کند. و این کاملاً آزادی و استقلال از منابع قدرت خارجی نیست که سازندگان پیل سوختی در مورد آن صحبت می کنند.

این دستگاه ها از نظر سرعت شارژ یک مزیت غیرقابل انکار دارند - من به سادگی کارتریج متانول را در دوربین عوض کردم (در موارد شدید، جایزه جک دانیل را باز کردم) و دوباره از پله های لوور پرش کردم. از طرف دیگر، اگر مثلاً یک تلفن معمولی دو ساعت شارژ می شود و هر 2-3 روز یکبار نیاز به شارژ مجدد دارد ، پس بعید است که جایگزینی به شکل تعویض کارتریج که فقط در فروشگاه های تخصصی فروخته می شود حتی هر دو هفته یک بار عالی باشد. تقاضای مصرف کننده انبوه و البته، در حالی که اینها در یک ظرف دربسته ایمن پنهان می شوند، چند صد میلی لیتر سوخت به دست مصرف کننده نهایی می رسد، قیمت آن زمان افزایش قابل توجهی خواهد داشت. این افزایش قیمت فقط خواهد بود. با مقیاس تولید مبارزه می شود، اما آیا این مقیاس در بازار مورد تقاضا خواهد بود و تا زمانی که نوع سوخت بهینه انتخاب نشود، حل این مشکل بسیار دشوار خواهد بود.

از سوی دیگر، ترکیبی از شارژ سنتی از یک پریز، سلول‌های سوختی و دیگر سیستم‌های تامین انرژی جایگزین (به عنوان مثال، پنل‌های خورشیدی) می‌تواند راه‌حلی برای مشکل تنوع بخشیدن به منابع برق و تغییر به انواع سازگار با محیط‌زیست باشد. با این حال، سلول های سوختی می توانند کاربرد گسترده ای در گروه خاصی از محصولات الکترونیکی پیدا کنند. این امر با این واقعیت تأیید می شود که کانن اخیراً پیل سوختی خود را برای دوربین های دیجیتال ثبت کرده و استراتژی را برای معرفی این فناوری ها در راه حل های خود اعلام کرده است. در مورد لپ‌تاپ‌ها، اگر سلول‌های سوختی در آینده نزدیک به آنها برسند، به احتمال زیاد فقط به عنوان یک سیستم قدرت پشتیبان خواهند بود. اکنون، به عنوان مثال، ما عمدتاً فقط در مورد ماژول های شارژ خارجی صحبت می کنیم که علاوه بر این به لپ تاپ متصل هستند.

اما این فناوری ها در دراز مدت چشم انداز توسعه عظیمی دارند. به ویژه با توجه به خطر قحطی نفتی که ممکن است در چند دهه آینده رخ دهد. در این شرایط مهم‌تر این نیست که تولید پیل‌های سوختی چقدر ارزان خواهد بود، بلکه این است که تولید سوخت برای آنها چقدر از صنعت پتروشیمی مستقل خواهد بود و آیا می‌تواند نیاز آن را پوشش دهد یا خیر.

مزایای پیل/پیل سوختی

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

پیل سوختی شبیه باتری است که از طریق یک واکنش شیمیایی جریان مستقیم تولید می کند. پیل سوختی شامل یک آند، یک کاتد و یک الکترولیت است. با این حال، برخلاف باتری‌ها، پیل‌های سوختی نمی‌توانند انرژی الکتریکی را ذخیره کنند و برای شارژ مجدد نیازی به تخلیه یا برق ندارند. پیل‌ها/پیل‌های سوختی می‌توانند به‌طور مداوم الکتریسیته تولید کنند تا زمانی که منبع سوخت و هوا داشته باشند.

برخلاف سایر مولدهای برق، مانند موتورهای احتراق داخلی یا توربین هایی که با گاز، زغال سنگ، نفت کوره و غیره کار می کنند، پیل/پیل های سوختی سوخت نمی سوزانند. این بدان معنی است که روتورهای فشار بالا پر سر و صدا، صدای اگزوز بلند، بدون لرزش. پیل های سوختی/پیل های سوختی از طریق یک واکنش الکتروشیمیایی بی صدا الکتریسیته تولید می کنند. یکی دیگر از ویژگی‌های پیل‌های سوختی این است که انرژی شیمیایی سوخت را مستقیماً به برق، گرما و آب تبدیل می‌کنند.

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

تاریخچه توسعه سلول های سوختی/پیل ها

در دهه‌های 1950 و 1960، یکی از مهم‌ترین چالش‌ها برای پیل‌های سوختی ناشی از نیاز سازمان ملی هوانوردی و فضایی آمریکا (ناسا) به منابع انرژی برای مأموریت‌های فضایی طولانی مدت بود. پیل سوختی قلیایی ناسا با ترکیب دو عنصر شیمیایی در یک واکنش الکتروشیمیایی از هیدروژن و اکسیژن به عنوان سوخت استفاده می کند. خروجی سه محصول جانبی مفید از واکنش در پرواز فضایی است - الکتریسیته برای تامین انرژی فضاپیما، آب برای سیستم های آشامیدنی و خنک کننده و گرما برای گرم کردن فضانوردان.

کشف پیل های سوختی به اوایل قرن نوزدهم باز می گردد. اولین شواهد از تأثیر سلول های سوختی در سال 1838 به دست آمد.

در اواخر دهه 1930، کار بر روی سلول های سوختی با الکترولیت قلیایی آغاز شد و تا سال 1939 سلولی با استفاده از الکترودهای نیکل اندود شده با فشار بالا ساخته شد. در طول جنگ جهانی دوم، سلول‌ها/پیل‌های سوختی برای زیردریایی‌های نیروی دریایی بریتانیا توسعه یافتند و در سال 1958 یک مجموعه سوخت متشکل از سلول‌ها/سلول‌های سوختی قلیایی با قطر کمی بیش از 25 سانتی‌متر معرفی شد.

در دهه‌های 1950 و 1960، و همچنین در دهه 1980، زمانی که جهان صنعتی با کمبود مواجه شد، علاقه افزایش یافت. سوخت نفتی. در همین دوره، کشورهای جهان نیز نگران معضل آلودگی هوا شدند و راه هایی را برای تولید برق به شیوه ای دوستدار محیط زیست در نظر گرفتند. فناوری پیل سوختی در حال حاضر در حال توسعه سریع است.

اصل عملکرد پیل‌های سوختی/پیل‌ها

پیل‌های سوختی به دلیل واکنش الکتروشیمیایی با استفاده از الکترولیت، کاتد و آند، الکتریسیته و گرما تولید می‌کنند.

آند و کاتد توسط یک الکترولیت که پروتون ها را هدایت می کند از هم جدا می شوند. پس از جریان یافتن هیدروژن به آند و اکسیژن به کاتد، یک واکنش شیمیایی آغاز می شود که در نتیجه جریان الکتریکی، گرما و آب تولید می شود.

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

در زیر واکنش مربوطه نشان داده شده است:

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

انواع و تنوع عناصر/پیل های سوختی

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

پیل های سوختی به دو دسته دمای بالا و دمای پایین تقسیم می شوند. پیل های سوختی دمای پایین به هیدروژن نسبتا خالص به عنوان سوخت نیاز دارند. این اغلب به این معنی است که برای تبدیل سوخت اولیه (مانند گاز طبیعی) به هیدروژن خالص، پردازش سوخت مورد نیاز است. این فرآیند انرژی بیشتری مصرف می کند و نیاز دارد تجهیزات خاص. پیل‌های سوختی با دمای بالا به این روش اضافی نیاز ندارند، زیرا می‌توانند سوخت را در دماهای بالا تبدیل داخلی کنند، به این معنی که نیازی به سرمایه‌گذاری در زیرساخت هیدروژن نیست.

سلول‌های سوختی کربنات مذاب (MCFC)

پیل‌های سوختی الکترولیت کربنات مذاب، پیل‌های سوختی با دمای بالا هستند. دمای عملیاتی بالا امکان استفاده مستقیم از گاز طبیعی بدون پردازنده سوخت و گاز سوختی با ارزش حرارتی پایین از فرآیندهای صنعتی و سایر منابع را فراهم می کند.

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 کربناته و رسیدن به درجه بالابه دلیل تحرک یون ها در الکترولیت، عملکرد پیل های سوختی با الکترولیت کربنات مذاب در دمای بالا (650 درجه سانتی گراد) انجام می شود. راندمان بین 60-80 درصد متغیر است.

هنگامی که تا دمای 650 درجه سانتیگراد گرم می شود، نمک ها به رسانایی برای یون های کربنات تبدیل می شوند (CO 3 2-). این یون ها از کاتد به آند عبور می کنند و در آنجا با هیدروژن ترکیب می شوند و آب، دی اکسید کربن و الکترون های آزاد را تشکیل می دهند. این الکترون ها از طریق یک مدار الکتریکی خارجی به کاتد فرستاده می شوند و جریان الکتریکی و گرما را به عنوان محصول جانبی تولید می کنند.

واکنش در آند: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
واکنش در کاتد: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
واکنش کلی عنصر: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (کاتد) => H 2 O (g) + CO 2 (آند)

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

دمای واکنش بالا در الکترولیت نیز مزایای خود را دارد. استفاده از دماهای بالا به زمان قابل توجهی برای دستیابی به شرایط عملیاتی بهینه نیاز دارد و سیستم به تغییرات مصرف انرژی کندتر پاسخ می دهد. این ویژگی ها امکان استفاده از تاسیسات پیل سوختی با الکترولیت کربنات مذاب را در شرایط توان ثابت می دهد. دمای بالا از آسیب مونوکسید کربن به پیل سوختی 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 3.0 مگاوات به صورت تجاری تولید می شوند. تاسیسات با توان خروجی تا 110 مگاوات در حال توسعه هستند.

پیل/سلول سوختی اسید فسفریک (PAFC)

پیل های سوختی اسید فسفریک (ارتوفسفریک) اولین پیل های سوختی برای استفاده تجاری بودند.

پیل های سوختی اسید فسفریک (ارتوفسفریک) از الکترولیت مبتنی بر اسید اورتوفسفریک (H 3 PO 4) با غلظت تا 100٪ استفاده می کنند. رسانایی یونی اسید فسفریک در دماهای پایین کم است، به همین دلیل این پیل های سوختی در دماهای 150 تا 220 درجه سانتی گراد استفاده می شوند.

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

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

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

عملکرد بالای نیروگاه های حرارتی با استفاده از پیل های سوختی بر پایه اسید فسفریک (ارتوفسفریک) در تولید ترکیبی انرژی حرارتی و الکتریکی از مزایای این نوع پیل های سوختی است. این واحدها از مونوکسید کربن با غلظت حدود 1.5 درصد استفاده می کنند که به طور قابل توجهی انتخاب سوخت را افزایش می دهد. علاوه بر این، CO 2 بر الکترولیت و عملکرد پیل سوختی تأثیر نمی گذارد؛ این نوع سلول با اصلاح شده کار می کند. سوخت طبیعی. طراحی ساده، درجه فرار کم الکترولیت و افزایش پایداری نیز از مزایای این نوع پیل سوختی است.

نیروگاه های حرارتی با توان خروجی الکتریکی تا 500 کیلووات به صورت تجاری تولید می شوند. تاسیسات 11 مگاواتی تست های مناسب را پشت سر گذاشته اند. تاسیسات با توان خروجی تا 100 مگاوات در حال توسعه هستند.

سلول های سوختی اکسید جامد (SOFC)

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

الکترولیت جامد انتقال مهر و موم شده گاز از یک الکترود به الکترود دیگر را فراهم می کند، در حالی که الکترولیت های مایع در یک بستر متخلخل قرار دارند. حامل بار در پیل های سوختی از این نوع، یون اکسیژن (O 2-) است. در کاتد، مولکول های اکسیژن هوا به یک یون اکسیژن و چهار الکترون جدا می شوند. یون های اکسیژن از الکترولیت عبور می کنند و با هیدروژن ترکیب می شوند و چهار الکترون آزاد ایجاد می کنند. الکترون ها از طریق یک مدار الکتریکی خارجی فرستاده می شوند و جریان الکتریکی تولید می کنند و گرمای هدر می دهند.

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

راندمان انرژی الکتریکی تولید شده در بین تمام سلول های سوختی بالاترین است - حدود 60-70٪. دمای عملیاتی بالا به تولید ترکیبی انرژی حرارتی و الکتریکی برای تولید بخار فشار بالا اجازه می دهد. ترکیب پیل سوختی با دمای بالا با توربین، ایجاد یک پیل سوختی هیبریدی را ممکن می سازد تا بازده تولید انرژی الکتریکی را تا 75 درصد افزایش دهد.

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

پیل‌ها/سلول‌های سوختی اکسیداسیون مستقیم متانول (DOMFC)

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

طراحی پیل‌های سوختی با اکسیداسیون مستقیم متانول شبیه پیل‌های سوختی با غشای تبادل پروتون (MEPFC) است. پلیمر به عنوان الکترولیت و یون هیدروژن (پروتون) به عنوان حامل بار استفاده می شود. با این حال، متانول مایع (CH 3 OH) در حضور آب در آند اکسید می شود و CO 2، یون های هیدروژن و الکترون ها را آزاد می کند که از طریق یک مدار الکتریکی خارجی فرستاده می شوند و در نتیجه جریان الکتریکی ایجاد می شود. یون‌های هیدروژن از الکترولیت عبور می‌کنند و با اکسیژن هوا و الکترون‌های مدار خارجی واکنش می‌دهند تا آب را در آند تشکیل دهند.

واکنش در آند: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
واکنش در کاتد: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
واکنش کلی عنصر: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

مزیت این نوع پیل های سوختی اندازه کوچک آنها به دلیل استفاده از سوخت مایع و عدم نیاز به استفاده از مبدل می باشد.

پیل/سلول سوختی قلیایی (ALFC)

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 تولید می شود و به عنوان محصول جانبی، گرم:

واکنش در آند: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
واکنش در کاتد: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
واکنش کلی سیستم: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

مزیت SHTE این است که این پیل‌های سوختی ارزان‌ترین تولید هستند، زیرا کاتالیزور مورد نیاز روی الکترودها می‌تواند هر یک از مواد ارزان‌تر از موادی باشد که به عنوان کاتالیزور برای سایر پیل‌های سوختی استفاده می‌شوند. SFC ها در دماهای نسبتاً پایین کار می کنند و جزو کارآمدترین پیل های سوختی هستند - چنین ویژگی هایی در نتیجه می توانند به تولید سریعتر نیرو و راندمان سوخت بالا کمک کنند.

یکی از ویژگی های مشخصه SHTE - حساسیت بالا به CO 2، که ممکن است در سوخت یا هوا موجود باشد. CO 2 با الکترولیت واکنش نشان می دهد، به سرعت آن را مسموم می کند و کارایی پیل سوختی را بسیار کاهش می دهد. بنابراین، استفاده از SHTE محدود به فضاهای بسته است، مانند فضا و وسایل نقلیه زیر آب، آنها باید با هیدروژن و اکسیژن خالص کار کنند. علاوه بر این، مولکول هایی مانند CO، H 2 O و CH4 که برای سایر پیل های سوختی بی خطر هستند و حتی به عنوان سوخت برای برخی از آنها عمل می کنند، برای SHFC مضر هستند.

سلول های سوختی الکترولیت پلیمری (PEFC)

در مورد سلول های سوختی الکترولیت پلیمری، غشای پلیمری از الیاف پلیمری با مناطق آبی تشکیل شده است که در آن ها رسانایی یون های آب H2O+ (پروتون، قرمز) به مولکول آب متصل می شود. 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.

پیل/سلول سوختی اسید جامد (SFC)

در سلول های سوختی اسید جامد، الکترولیت (CsHSO 4) حاوی آب نیست. بنابراین دمای عملیاتی 100-300 درجه سانتیگراد است. چرخش آنیون های اکسی SO 4 2- اجازه می دهد تا پروتون ها (قرمز) همانطور که در شکل نشان داده شده است حرکت کنند. به طور معمول، یک پیل سوختی اسید جامد ساندویچی است که در آن یک لایه بسیار نازک از ترکیب اسید جامد بین دو الکترود قرار می گیرد که برای اطمینان از تماس خوب به یکدیگر فشرده شده اند. هنگامی که گرم می شود، جزء آلی تبخیر می شود و از طریق منافذ الکترودها خارج می شود و توانایی تماس های متعدد بین سوخت (یا اکسیژن در انتهای دیگر عنصر)، الکترولیت و الکترودها را حفظ می کند.

ماژول های پیل سوختی مختلف باتری پیل سوختی

1. باتری پیل سوختی
2. سایر تجهیزاتی که در دماهای بالا کار می کنند (ژنراتور بخار یکپارچه، محفظه احتراق، تغییر تعادل حرارتی)
3. عایق مقاوم در برابر حرارت

ماژول پیل سوختی

تجزیه و تحلیل مقایسه ای انواع و انواع پیل های سوختی

نیروگاه‌های برق و حرارت شهری نوآورانه با مصرف انرژی کارآمد معمولاً بر روی پیل‌های سوختی اکسید جامد (SOFC)، سلول‌های سوختی الکترولیت پلیمری (PEFC)، پیل‌های سوختی اسید فسفریک (PAFC)، سلول‌های سوختی غشای تبادل پروتون (PEMFC) و سلول‌های سوختی قلیایی ساخته می‌شوند. ALFC). . به طور معمول دارای ویژگی های زیر است:

مناسب ترین باید سلول های سوختی اکسید جامد (SOFC) در نظر گرفته شود که:

• عملکرد در دماهای بالاتر، کاهش نیاز به فلزات گران قیمت (مانند پلاتین)
• می تواند بر روی انواع مختلفی از سوخت های هیدروکربنی، عمدتا گاز طبیعی کار کند
• زمان راه اندازی طولانی تری دارند و بنابراین برای اقدام طولانی مدت مناسب تر هستند
• نشان دادن راندمان تولید برق بالا (تا 70٪)
• به دلیل دمای عملیاتی بالا، واحدها را می توان با سیستم های انتقال حرارت ترکیب کرد و راندمان کلی سیستم را به 85% رساند.
• تقریباً آلایندگی صفر دارند، بی سر و صدا کار می کنند و در مقایسه با آن نیازهای عملیاتی پایینی دارند فن آوری های موجودتولید برق

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

از آنجایی که نیروگاه های حرارتی کوچک را می توان به یک شبکه تامین گاز معمولی متصل کرد، پیل های سوختی به سیستم تامین هیدروژن جداگانه نیاز ندارند. هنگام استفاده از نیروگاه‌های حرارتی کوچک مبتنی بر سلول‌های سوختی اکسید جامد، گرمای تولید شده را می‌توان در مبدل‌های حرارتی برای گرم کردن آب و هوای تهویه، افزایش کارایی کلی سیستم. این فناوری نوآورانه برای تولید کارآمد برق بدون نیاز به زیرساخت های گران قیمت و یکپارچه سازی ابزار پیچیده بهترین مناسب است.

کاربرد پیل/پیل های سوختی

کاربرد پیل/پیل سوختی در سیستم های مخابراتی

با توجه به گسترش سریع سیستم های ارتباطی بی سیم در سراسر جهان، و همچنین افزایش مزایای اجتماعی-اقتصادی فناوری تلفن همراه، نیاز به پشتیبان گیری برق قابل اعتماد و مقرون به صرفه حیاتی شده است. تلفات شبکه برق در طول سال به دلیل شرایط بد آب و هوایی، بلایای طبیعییا ظرفیت محدود شبکه یک چالش مداوم برای اپراتورهای شبکه است.

راه‌حل‌های پشتیبان برق سنتی مخابراتی شامل باتری‌ها (سلول باتری سرب اسیدی تنظیم‌شده با شیر) برای برق پشتیبان کوتاه‌مدت و ژنراتورهای دیزلی و پروپان برای قدرت پشتیبان طولانی‌مدت است. باتری ها منبع نسبتا ارزانی برای تامین انرژی پشتیبان برای 1 تا 2 ساعت هستند. با این حال، باتری‌ها برای انرژی پشتیبان طولانی‌مدت مناسب نیستند زیرا نگهداری آن‌ها گران است، پس از استفاده طولانی مدت غیرقابل اعتماد می‌شوند، به دما حساس هستند و پس از دفع برای محیط زیست خطرناک هستند. ژنراتورهای دیزلی و پروپان می توانند قدرت پشتیبان طولانی مدت را فراهم کنند. با این حال، ژنراتورها می توانند غیر قابل اعتماد باشند، نیاز به تعمیر و نگهداری گسترده داشته باشند و سطوح بالایی از آلاینده ها و گازهای گلخانه ای را آزاد کنند.

برای غلبه بر محدودیت‌های راه‌حل‌های پشتیبان برق سنتی، فناوری پیل سوختی سبز نوآورانه توسعه داده شده است. پیل های سوختی قابل اعتماد، بی صدا هستند، دارای قطعات متحرک کمتری نسبت به ژنراتور هستند، محدوده دمای عملیاتی بیشتری نسبت به باتری دارند: از -40 درجه سانتیگراد تا +50 درجه سانتیگراد و در نتیجه سطوح بسیار بالایی از صرفه جویی در انرژی را ارائه می دهند. علاوه بر این، هزینه های طول عمر چنین نصبی کمتر از هزینه های یک ژنراتور است. هزینه های پیل سوختی کمتر ناشی از تنها یک بازدید تعمیر و نگهداری در سال و بهره وری قابل توجهی بالاتر از کارخانه است. در پایان روز، پیل سوختی یک راه حل فناوری سبز با حداقل تأثیر زیست محیطی است.

نصب و راه اندازی سلول های سوختیارائه توان پشتیبان برای زیرساخت‌های شبکه‌های ارتباطی حیاتی برای ارتباطات بی‌سیم، دائمی و باند پهن در سیستم مخابراتی، از 250 وات تا 15 کیلو وات، ویژگی‌های نوآورانه بی‌نظیری را ارائه می‌کنند:

• قابلیت اطمینان- تعداد کمی قطعات متحرک و بدون تخلیه در حالت آماده به کار
• ذخیره انرژی
• سکوت- سطح سر و صدای کم
• پایداری- محدوده عملکرد از -40 درجه سانتیگراد تا +50 درجه سانتیگراد
• تطبیق پذیری- نصب در فضای باز و داخل ساختمان (ظرف / ظرف محافظ)
• قدرت بالا- تا 15 کیلو وات
• نیاز به نگهداری کم- حداقل تعمیر و نگهداری سالانه
• مقرون به صرفه- مجموع هزینه های جذاب مالکیت
• انرژی سبز- انتشار کم با حداقل تاثیر بر محیط زیست

سیستم همیشه ولتاژ باس DC را حس می کند و اگر ولتاژ باس DC به زیر یک نقطه تنظیم تعیین شده توسط کاربر کاهش یابد، بارهای بحرانی را به آرامی می پذیرد. این سیستم با هیدروژن کار می کند که به یکی از دو روش به پشته پیل سوختی عرضه می شود - یا از منبع هیدروژن صنعتی یا از سوخت مایع متانول و آب، با استفاده از یک سیستم اصلاح یکپارچه.

الکتریسیته توسط پشته پیل سوختی به شکل جریان مستقیم تولید می شود. برق DC به یک مبدل منتقل می شود، که توان DC تنظیم نشده حاصل از پشته پیل سوختی را به توان DC تنظیم شده با کیفیت بالا برای بارهای مورد نیاز تبدیل می کند. تأسیسات پیل سوختی می‌توانند برای چندین روز نیروی پشتیبان را تأمین کنند، زیرا مدت زمان آن تنها با مقدار سوخت هیدروژن یا متانول/آب در دسترس محدود است.

سلول های سوختی سطوح بالایی از صرفه جویی در انرژی، افزایش قابلیت اطمینان سیستم، عملکرد قابل پیش بینی بیشتر در طیف وسیعی از شرایط آب و هواییو همچنین عمر کاری قابل اعتماد در مقایسه با بسته‌های باتری سرب اسیدی استاندارد صنعتی که با شیر تنظیم می‌شوند. هزینه های مادام العمر نیز به دلیل نیازهای تعمیر و نگهداری و تعویض به میزان قابل توجهی کمتر است. سلول‌های سوختی مزایای زیست‌محیطی را برای کاربر نهایی ارائه می‌دهند، زیرا هزینه‌های دفع و خطرات مربوط به مسئولیت مرتبط با سلول‌های سرب اسیدی یک نگرانی رو به رشد است.

عملکرد باتری های الکتریکی می تواند تحت تأثیر طیف گسترده ای از عوامل مانند سطح شارژ، دما، چرخه، عمر و سایر متغیرها قرار گیرد. انرژی ارائه شده بسته به این عوامل متفاوت خواهد بود و پیش بینی آن آسان نیست. عملکرد یک سلول سوختی غشای تبادل پروتون (PEMFC) نسبتاً تحت تأثیر این عوامل قرار نمی‌گیرد و تا زمانی که سوخت در دسترس باشد، می‌تواند قدرت حیاتی را فراهم کند. افزایش قابلیت پیش بینی یک مزیت مهم هنگام حرکت به سلول های سوختی برای کاربردهای انرژی پشتیبان حیاتی است.

پیل‌های سوختی تنها زمانی نیرو تولید می‌کنند که سوخت تامین می‌شود، مشابه ژنراتورهای توربین گازی، اما هیچ بخش متحرکی در منطقه تولید ندارند. بنابراین، بر خلاف یک ژنراتور، آنها مشمول نیستند سایش سریعو نیازی به نگهداری و روغن کاری مداوم ندارند.

سوخت مورد استفاده برای راه اندازی مبدل سوخت طولانی مدت است مخلوط سوختاز متانول و آب متانول سوختی است که به طور گسترده در دسترس است و به صورت تجاری تولید می شود که در حال حاضر کاربردهای زیادی دارد، از جمله شیشه شوی، بطری های پلاستیکی، مواد افزودنی موتور، رنگ امولسیونی. متانول به راحتی قابل حمل است، می تواند با آب مخلوط شود، تجزیه پذیری زیستی خوبی دارد و گوگرد ندارد. نقطه انجماد آن پایین است (-71 درجه سانتیگراد) و در طول نگهداری طولانی مدت تجزیه نمی شود.

کاربرد پیل/پیل سوختی در شبکه های ارتباطی

شبکه های ارتباطی امنیتی به راه حل های پشتیبان برق قابل اعتماد نیاز دارند که می توانند ساعت ها یا روزها در یک زمان کار کنند. موقعیت های اضطراری، اگر شبکه برق دیگر در دسترس نباشد.

با قطعات متحرک کم و بدون اتلاف انرژی در حالت آماده به کار، فناوری پیل سوختی نوآورانه راه حلی جذاب برای سیستم های برق پشتیبان فعلی ارائه می دهد.

قانع‌کننده‌ترین استدلال برای استفاده از فناوری پیل سوختی در شبکه‌های ارتباطی افزایش قابلیت اطمینان و ایمنی کلی است. در طول رویدادهایی مانند قطعی برق، زلزله، طوفان و طوفان، مهم است که سیستم ها به کار خود ادامه دهند و تا زمانی که ممکن است با برق پشتیبان قابل اعتماد ارائه شوند. زمان طولانیزمان، صرف نظر از دما یا عمر مفید سیستم منبع تغذیه پشتیبان.

خط دستگاه های قدرت مبتنی بر پیل سوختی برای پشتیبانی از شبکه های ارتباطی طبقه بندی شده ایده آل هستند. به لطف اصول طراحی صرفه جویی در انرژی، آنها انرژی پشتیبان قابل اعتماد و سازگار با محیط زیست را با مدت زمان طولانی (تا چند روز) برای استفاده در محدوده توان از 250 وات تا 15 کیلو وات ارائه می دهند.

کاربرد پیل/پیل سوختی در شبکه های داده

منبع تغذیه قابل اعتماد برای شبکه های داده، مانند شبکه های داده پرسرعت و ستون فقرات فیبر نوری، در سراسر جهان از اهمیت کلیدی برخوردار است. اطلاعات ارسال شده از طریق چنین شبکه هایی حاوی داده های حیاتی برای مؤسساتی مانند بانک ها، خطوط هوایی یا مراکز پزشکی است. قطع برق در چنین شبکه هایی نه تنها خطری برای اطلاعات ارسال شده ایجاد می کند، بلکه به عنوان یک قاعده منجر به خسارات مالی قابل توجهی نیز می شود. قابل اعتماد تاسیسات نوآورانهدر پیل‌های سوختی که برق پشتیبان را تامین می‌کنند، قابلیت اطمینان لازم برای اطمینان از تامین برق بدون وقفه را فراهم می‌کنند.

واحدهای پیل سوختی، که توسط مخلوط سوخت مایع متانول و آب تغذیه می‌شوند، قدرت پشتیبان قابل اعتمادی را با مدت طولانی، تا چند روز فراهم می‌کنند. علاوه بر این، این واحدها در مقایسه با ژنراتورها و باتری ها، نیاز به تعمیر و نگهداری را به میزان قابل توجهی کاهش داده اند و تنها به یک بازدید در سال نیاز دارند.

مشخصات سایت برنامه معمولی برای استفاده از تاسیسات پیل سوختی در شبکه های داده:

• کاربردهایی با مقادیر مصرف برق از 100 وات تا 15 کیلو وات
• برنامه هایی با عمر باتری مورد نیاز > 4 ساعت
• تکرار کننده ها در سیستم های فیبر نوری (سلسله مراتب سیستم های دیجیتال سنکرون، اینترنت پرسرعت، صدا از طریق IP...)
• گره های شبکه برای انتقال داده با سرعت بالا
• گره های انتقال وایمکس

تاسیسات پشتیبان برق پیل سوختی در مقایسه با باتری‌های مستقل سنتی و یا دیزل ژنراتورها، امکان افزایش قابلیت استفاده در سایت را فراهم می کند:

1. فناوری سوخت مایع مشکل قرار دادن هیدروژن را حل می کند و قدرت پشتیبان تقریبا نامحدودی را فراهم می کند.
2. به لطف عملکرد بی صدا، وزن کم، مقاومت در برابر تغییرات دما و عملکرد عملاً بدون لرزش، سلول های سوختی را می توان در خارج از ساختمان ها، در ساختمان ها/کانتینرهای صنعتی یا روی پشت بام ها نصب کرد.
3. آماده سازی برای استفاده از سیستم در محل سریع و مقرون به صرفه است و هزینه های عملیاتی پایین است.
4. این سوخت زیست تخریب پذیر است و راه حلی سازگار با محیط زیست برای محیط های شهری ارائه می دهد.

کاربرد پیل/پیل سوختی در سیستم های امنیتی

سیستم های ارتباطی و امنیتی ساختمان که با دقت طراحی شده اند فقط به اندازه منبع تغذیه ای که از آنها پشتیبانی می کند قابل اعتماد هستند. در حالی که اکثر سیستم ها شامل نوعی سیستم پشتیبان برق اضطراری برای تلفات برق کوتاه مدت هستند، آنها قطعی برق طولانی مدتی را که ممکن است پس از بلایای طبیعی یا حملات تروریستی رخ دهد را برآورده نمی کنند. این می‌تواند برای بسیاری از سازمان‌های دولتی و شرکت‌ها یک مسئله حیاتی باشد.

سیستم های حیاتی مانند سیستم های نظارت و کنترل دسترسی با استفاده از دوربین مداربسته (کارت خوان ها، دستگاه های قفل درب، فناوری شناسایی بیومتریک و غیره)، خودکار زنگ خطر آتشو سیستم های اطفاء حریق، سیستم های کنترل آسانسور و شبکه های مخابراتی در غیاب منبع تغذیه قابل اعتماد، جایگزین و طولانی مدت در خطر هستند.

دیزل ژنراتورها سر و صدای زیادی ایجاد می کنند، مکان یابی آنها دشوار است و دارای مشکلات قابل اطمینان و تعمیر و نگهداری هستند. در مقابل، نصب پیل سوختی که نیروی پشتیبان را فراهم می کند، بی صدا، قابل اعتماد است، آلایندگی صفر یا بسیار کم دارد و می تواند به راحتی روی پشت بام یا بیرون ساختمان نصب شود. در حالت آماده به کار تخلیه نمی شود یا برق را از دست نمی دهد. ادامه عملکرد سیستم های حیاتی را حتی پس از توقف عملیات تاسیسات و تخلیه ساختمان تضمین می کند.

نصب پیل سوختی نوآورانه از سرمایه گذاری های گران قیمت در کاربردهای حیاتی محافظت می کند. آنها قدرت پشتیبان قابل اعتماد و سازگار با محیط زیست را با مدت زمان طولانی (تا چند روز) برای استفاده در محدوده توان از 250 وات تا 15 کیلو وات، همراه با ویژگی های بی رقیب متعدد و به ویژه سطوح بالای صرفه جویی در انرژی فراهم می کنند.

تاسیسات پشتیبان برق پیل سوختی مزایای متعددی را برای استفاده در برنامه‌های کاربردی حیاتی مانند امنیت و سیستم‌های کنترل ساختمان نسبت به برنامه‌های سنتی باطری یا ژنراتورهای دیزلی ارائه می‌دهند. فناوری سوخت مایع مشکل قرار دادن هیدروژن را حل می کند و قدرت پشتیبان تقریبا نامحدودی را فراهم می کند.

کاربرد پیل/پیل سوختی در گرمایش شهری و تولید برق

پیل‌های سوختی اکسید جامد (SOFC) نیروگاه‌های حرارتی قابل اعتماد، کارآمد و بدون انتشار را برای تولید برق و گرما از گاز طبیعی و منابع سوخت تجدیدپذیر به طور گسترده در دسترس فراهم می‌کنند. این تاسیسات نوآورانه در بازارهای مختلف از تولید برق خانگی گرفته تا منبع تغذیه از راه دور و همچنین منابع تغذیه کمکی استفاده می شود.

کاربرد پیل/پیل سوختی در شبکه های توزیع

نیروگاه های حرارتی کوچک برای کار در یک شبکه تولید برق پراکنده متشکل از تعداد زیادی مجموعه ژنراتور کوچک به جای یک نیروگاه متمرکز طراحی شده اند.

شکل زیر کاهش راندمان تولید برق را هنگامی که در یک نیروگاه حرارتی تولید می شود و از طریق شبکه های سنتی انتقال برق به منازل منتقل می شود نشان می دهد. این لحظه. تلفات بازده در تولید متمرکز شامل تلفات نیروگاه، انتقال ولتاژ پایین و ولتاژ بالا و تلفات توزیع است.

شکل، نتایج ادغام نیروگاه های حرارتی کوچک را نشان می دهد: برق با راندمان تولید تا 60 درصد در نقطه استفاده تولید می شود. علاوه بر این، یک خانوار می‌تواند از گرمای تولید شده توسط سلول‌های سوختی برای گرم کردن آب و فضا استفاده کند که باعث افزایش راندمان کلی پردازش انرژی سوخت و صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌شود.

استفاده از پیل سوختی برای حفاظت از محیط زیست - استفاده از گازهای نفتی مرتبط

یکی از مهمترین وظایف در صنعت نفت، استفاده از گازهای نفتی همراه است. روش‌های موجود برای استفاده از گازهای نفتی همراه دارای معایب زیادی هستند که مهمترین آنها این است که از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیستند. گازهای نفتی مرتبط سوزانده می شود که آسیب زیادی به محیط زیست و سلامت انسان وارد می کند.

نیروگاه های حرارتی نوآورانه با استفاده از پیل های سوختی با استفاده از گاز نفتی همراه به عنوان سوخت، راه را برای راه حلی ریشه ای و مقرون به صرفه برای مشکلات مربوط به استفاده از گاز نفتی باز می کند.

1. یکی از مزایای اصلی تأسیسات پیل سوختی این است که می توانند به طور قابل اعتماد و پایدار بر روی گازهای نفتی مرتبط با ترکیب متغیر کار کنند. با توجه به واکنش شیمیایی بدون شعله که زیربنای عملکرد پیل سوختی است، کاهش درصد، به عنوان مثال، متان تنها باعث کاهش متناظر در توان خروجی می شود.
2. انعطاف پذیری در رابطه با بار الکتریکی مصرف کنندگان، افت، افزایش بار.
3. برای نصب و اتصال نیروگاه های حرارتی بر روی پیل سوختی، اجرای آنها نیاز به هزینه های سرمایه ای ندارد، زیرا واحدها را می توان به راحتی در سایت های آماده نشده نزدیک مزارع نصب کرد، استفاده آسان، قابل اعتماد و کارآمد است.
4. اتوماسیون بالا و کنترل از راه دور مدرن نیازی به حضور دائمی پرسنل در محل نصب ندارد.
5. سادگی و برتری فنیطراحی: عدم وجود قطعات متحرک، اصطکاک و سیستم های روانکاری مزایای اقتصادی قابل توجهی را از عملکرد تاسیسات پیل سوختی به همراه دارد.
6. مصرف آب: در دمای محیط تا +30 درجه سانتی گراد هیچ و در دماهای بالاتر قابل اغماض است.
7. خروجی آب: ندارد.
8. علاوه بر این، نیروگاه های حرارتی با استفاده از سلول های سوختی صدا ایجاد نمی کنند، لرزش ندارند. انتشارات مضر در جو ایجاد نمی کند

سلول سوختی
ژنراتور الکتروشیمیایی، دستگاهی که تبدیل مستقیم انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی را فراهم می کند. اگرچه همین اتفاق در باتری‌های الکتریکی می‌افتد، اما پیل‌های سوختی دو تفاوت مهم دارند: 1) تا زمانی که سوخت و اکسیدکننده از یک منبع خارجی تامین شود، کار می‌کنند. 2) ترکیب شیمیاییالکترولیت در حین کار تغییر نمی کند، یعنی. پیل سوختی نیازی به شارژ مجدد ندارد.
همچنین ببینیدتامین باتری .
اصول کارکرد، اصول جراحی، اصول عملکرد.پیل سوختی (شکل 1) شامل دو الکترود است که توسط یک الکترولیت از هم جدا شده اند، و سیستم هایی برای تامین سوخت به یک الکترود و اکسید کننده به الکترود دیگر، و همچنین سیستمی برای حذف محصولات واکنش. در بیشتر موارد، کاتالیزورها برای سرعت بخشیدن به یک واکنش شیمیایی استفاده می شوند. پیل سوختی توسط یک مدار الکتریکی خارجی به باری متصل می شود که برق مصرف می کند.

در تصویر نشان داده شده در شکل. در یک پیل سوختی با الکترولیت اسیدی، هیدروژن از طریق یک آند توخالی تغذیه می شود و از طریق منافذ بسیار ریز در مواد الکترود وارد الکترولیت می شود. در این حالت، مولکول های هیدروژن به اتم ها تجزیه می شوند، که در نتیجه جذب شیمیایی، هر کدام یک الکترون از خود جدا می کنند، به یون هایی با بار مثبت تبدیل می شوند. این فرآیند را می توان با معادلات زیر توصیف کرد:

یون های هیدروژن از طریق الکترولیت منتشر می شود در جنبه مثبتعنصر اکسیژن عرضه شده به کاتد به الکترولیت می رود و همچنین با مشارکت یک کاتالیزور روی سطح الکترود واکنش نشان می دهد. هنگامی که با یون های هیدروژن و الکترون هایی که از مدار خارجی می آیند ترکیب می شود، آب تشکیل می شود:

سلول های سوختی با یک الکترولیت قلیایی (معمولاً هیدروکسیدهای سدیم یا پتاسیم غلیظ) تحت واکنش های شیمیایی مشابهی قرار می گیرند. هیدروژن از آند عبور می کند و در حضور یک کاتالیزور با یون های هیدروکسیل (OH-) موجود در الکترولیت واکنش می دهد و آب و الکترون را تشکیل می دهد:

در کاتد، اکسیژن با آب موجود در الکترولیت و الکترون های مدار خارجی واکنش می دهد. در مراحل متوالی واکنش ها، یون های هیدروکسیل (و همچنین پرهیدروکسیل O2H-) تشکیل می شوند. واکنش حاصل در کاتد را می توان به صورت زیر نوشت:

جریان الکترون ها و یون ها تعادل بار و ماده را در الکترولیت حفظ می کند. آبی که در نتیجه واکنش ایجاد می شود تا حدی الکترولیت را رقیق می کند. در هر پیل سوختی، مقداری از انرژی حاصل از یک واکنش شیمیایی به گرما تبدیل می شود. جریان الکترون ها در مدار خارجی جریان مستقیمی است که برای انجام کار استفاده می شود. بیشتر واکنش‌ها در پیل‌های سوختی، EMF حدود 1 ولت را فراهم می‌کنند. باز کردن مدار یا توقف حرکت یون‌ها، عملکرد پیل سوختی را متوقف می‌کند. فرآیندی که در پیل سوختی هیدروژن-اکسیژن اتفاق می‌افتد، ماهیت معکوس فرآیند الکترولیز معروف است که در آن آب با عبور جریان الکتریکی از الکترولیت جدا می‌شود. در واقع، در برخی از انواع پیل‌های سوختی، فرآیند می‌تواند معکوس شود - با اعمال ولتاژ به الکترودها، آب می‌تواند به هیدروژن و اکسیژن تجزیه شود که می‌تواند روی الکترودها جمع شود. اگر شارژ سلول را متوقف کنید و یک بار را به آن وصل کنید، چنین پیل سوختی احیا کننده ای بلافاصله در حالت عادی خود شروع به کار می کند. از نظر تئوری، ابعاد یک پیل سوختی می تواند به اندازه دلخواه باشد. با این حال، در عمل، چندین سلول در ماژول ها یا باتری های کوچک ترکیب می شوند که به صورت سری یا موازی به هم متصل می شوند.
انواع پیل سوختیانواع مختلفی از سلول های سوختی وجود دارد. آنها را می توان به عنوان مثال بر اساس سوخت مورد استفاده، فشار و دمای عملیاتی و ماهیت کاربرد طبقه بندی کرد.
پیل های سوختی هیدروژنیدر این سلول معمولی که در بالا توضیح داده شد، هیدروژن و اکسیژن از طریق کربن میکرو متخلخل یا الکترودهای فلزی به الکترولیت منتقل می شوند. چگالی جریان بالا در عناصری که در دماهای بالا (حدود 250 درجه سانتیگراد) و فشار بالا کار می کنند به دست می آید. سلول‌هایی که از سوخت هیدروژنی استفاده می‌کنند، که با پردازش سوخت‌های هیدروکربنی مانند گاز طبیعی یا فرآورده‌های نفتی تولید می‌شوند، احتمالاً گسترده‌ترین کاربرد تجاری را خواهند داشت. با ترکیب تعداد زیادی از عناصر، می توانید سیستم های انرژی قدرتمندی ایجاد کنید. در این تاسیسات، جریان مستقیم تولید شده توسط المان ها با پارامترهای استاندارد به جریان متناوب تبدیل می شود. نوع جدیدی از عناصر که قادر به کار بر روی هیدروژن و اکسیژن در دماها و فشارهای معمولی هستند، عناصری با غشاهای تبادل یونی هستند (شکل 2). در این سلول ها به جای الکترولیت مایع، یک غشای پلیمری بین الکترودها قرار دارد که یون ها آزادانه از آن عبور می کنند. در چنین عناصری می توان از هوا همراه با اکسیژن استفاده کرد. آبی که در حین کار سلول تشکیل می شود، الکترولیت جامد را حل نمی کند و به راحتی قابل حذف است.

عناصر برای سوخت های هیدروکربنی و زغال سنگ. سلول‌های سوختی که می‌توانند انرژی شیمیایی سوخت‌های در دسترس و نسبتاً ارزان مانند پروپان، گاز طبیعی، متیل الکل، نفت سفید یا بنزین را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل کنند، موضوع تحقیقات شدیدی هستند. با این حال، هنوز موفقیت قابل توجهی در ایجاد سلول های سوختی که بر روی گازهای به دست آمده از سوخت های هیدروکربنی در دمای معمولی کار می کنند، به دست نیامده است. برای افزایش سرعت واکنش سوخت های هیدروکربنی و زغال سنگ، لازم است دمای کارکرد پیل سوختی افزایش یابد. الکترولیت ها کربنات های مذاب یا نمک های دیگر هستند که در یک زمینه سرامیکی متخلخل محصور شده اند. سوخت در داخل سلول برای تولید هیدروژن و مونوکسید کربن که از واکنش تولید جریان در سلول پشتیبانی می کند، تقسیم می شود. عناصری که بر روی انواع دیگر سوخت کار می کنند. در اصل، واکنش‌های پیل‌های سوختی نباید واکنش‌های اکسیداسیون سوخت‌های معمولی باشد. در آینده، واکنش های شیمیایی دیگری ممکن است یافت شود که امکان تولید مستقیم برق کارآمد را فراهم می کند. در برخی از دستگاه ها انرژی الکتریکی از طریق اکسیداسیون به دست می آید، به عنوان مثال روی، سدیم یا منیزیم که از آن الکترودهای مصرفی ساخته می شود.
بهره وری.تبدیل انرژی سوخت های معمولی (زغال سنگ، نفت، گاز طبیعی) به الکتریسیته تاکنون یک فرآیند چند مرحله ای بوده است. سوزاندن سوخت برای تولید بخار یا گاز مورد نیاز برای راه اندازی یک توربین یا موتور احتراق داخلی، که به نوبه خود یک ژنراتور الکتریکی را به حرکت در می آورد، فرآیند بسیار کارآمدی نیست. در واقع، ضریب استفاده از انرژی چنین تبدیلی توسط قانون دوم ترمودینامیک محدود شده است، و بعید است که به طور قابل توجهی بالاتر از سطح موجود باشد (همچنین نگاه کنید به گرما؛ ترمودینامیک). ضریب استفاده از انرژی سوخت در مدرن ترین نیروگاه های توربین بخار از 40٪ تجاوز نمی کند. برای پیل های سوختی هیچ محدودیت ترمودینامیکی در بهره وری انرژی وجود ندارد. پیل های سوختی موجود 60 تا 70 درصد انرژی سوخت را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می کنند و نیروگاه های پیل سوختی با استفاده از هیدروژن از سوخت های هیدروکربنی به گونه ای طراحی شده اند که 40 تا 45 درصد کارایی داشته باشند.
برنامه های کاربردی.پیل های سوختی ممکن است در آینده نزدیک به یک منبع انرژی پرکاربرد در حمل و نقل، صنعت و خانواده. هزینه بالای پیل های سوختی استفاده از آنها را به کاربردهای نظامی و فضایی محدود کرده است. کاربردهای پیش‌بینی‌شده برای پیل‌های سوختی شامل منابع انرژی قابل حمل برای کاربردهای نظامی و منابع انرژی جایگزین فشرده برای ماهواره‌های زمین پایین با انرژی خورشیدی در مدارهای سایه بلند است. اندازه و وزن کوچک عناصر سوختی امکان استفاده از آنها را در پروازهای سرنشین دار به ماه فراهم کرد. سلول های سوختی در فضاپیمای سه نفره آپولو برای تامین انرژی کامپیوترهای درونی و سیستم های ارتباطات رادیویی استفاده شد. از سلول های سوختی می توان برای تامین انرژی تجهیزات در مناطق دورافتاده، برای وسایل نقلیه خارج از جاده، مانند ساخت و ساز استفاده کرد. هنگامی که با یک موتور الکتریکی DC ترکیب شود، سلول سوختی منبع کارآمدی برای پیشرانه خودرو خواهد بود. استفاده گسترده از پیل های سوختی مستلزم پیشرفت فن آوری قابل توجه، کاهش هزینه آنها و توانایی استفاده موثر از سوخت ارزان است. اگر این شرایط برآورده شوند، پیل های سوختی انرژی الکتریکی و مکانیکی را به طور گسترده در سراسر جهان در دسترس قرار خواهند داد.
همچنین ببینیدمنابع انرژی .
ادبیات
باگوتسکی V.S.، Skundin A.M. منابع شیمیاییجاری M., 1981 Crompton T. منابع فعلی. م.، 1985، 1986

دایره المعارف کولیر. - جامعه باز. 2000 .

ببینید "FUEL CELL" در فرهنگ های دیگر چیست:

پیل سوختی، سلول الکتروشیمیایی برای تبدیل مستقیم انرژی اکسیداسیون سوخت به انرژی الکتریکی. الکترودهایی با طراحی مناسب در ELECTROLYTE غوطه ور می شوند و سوخت (به عنوان مثال هیدروژن) به یک ... فرهنگ دانشنامه علمی و فنی

یک سلول گالوانیکی که در آن واکنش ردوکس با عرضه مداوم معرف‌ها (سوخت مانند هیدروژن و عامل اکسید کننده مانند اکسیژن) از مخازن ویژه حفظ می‌شود. مهمترین مولفه...... فرهنگ لغت دایره المعارفی بزرگ

سلول سوختی- یک عنصر اولیه که در آن انرژی الکتریکی از طریق واکنش های الکتروشیمیایی بین مواد فعالی که به طور مداوم از خارج به الکترودها عرضه می شود، تولید می شود. [GOST 15596 82] EN پیل سوختی که می تواند انرژی شیمیایی را از... ... راهنمای مترجم فنی

پیل سوختی متانول مستقیم پیل سوختی یک دستگاه الکتروشیمیایی شبیه به سلول گالوانیکی است اما متفاوت از... ویکی پدیا

انتظار می‌رود طی دو سال آینده تعداد زیادی مدل تولید انبوه مجهز به منابع انرژی مبتنی بر پیل‌های سوختی شیمیایی در بازار رایانه‌های همراه و دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل ظاهر شوند.

گشت و گذار در تاریخ

اولین آزمایش ها در مورد ایجاد سلول های سوختی در قرن 19 انجام شد. در سال 1839، گروو، فیزیکدان انگلیسی، در حین انجام الکترولیز آب، متوجه شد که پس از خاموش کردن منبع جریان خارجی، یک جریان مستقیم بین الکترودها ظاهر می شود. با این حال، اکتشافات در این زمینه که توسط تعدادی از دانشمندان برجسته قرن نوزدهم انجام شد، کاربرد عملی پیدا نکرد و تنها متعلق به علم آکادمیک شد.

دانشمندان تنها در اوایل دهه 50 قرن بیستم به ایجاد سلول های سوختی برای استفاده کاربردی بازگشتند. در این دوره، تیم های تحقیقاتی در ایالات متحده آمریکا، ژاپن، اتحاد جماهیر شوروی و تعدادی از کشورهای اروپای غربی به طور فعال شروع به بررسی احتمالات استفاده عملی از راکتورهای شیمیایی برای تولید برق کردند.

اولین حوزه کاربرد عملی پیل های سوختی فضانوردی بود. عناصر سوختی با طرح های مختلف در فضاپیمای آمریکایی جمینی، آپولو و شاتل، و همچنین در شاتل فضایی قابل استفاده مجدد Buran که در اتحاد جماهیر شوروی ساخته شد، استفاده شد.

موج بعدی علاقه به پیل های سوختی شیمیایی ناشی از بحران انرژی دهه 70 بود. در آن دوره، بسیاری از شرکت ها شروع به تحقیق در مورد استفاده از منابع انرژی جایگزین برای حمل و نقل، و همچنین برای کاربردهای خانگی و صنعتی کردند. اتفاقاً در همین زمینه بود که شرکت اکنون معروف ARS فعالیت خود را آغاز کرد.

در حال حاضر، چهار حوزه اصلی کاربرد نیروگاه‌های مبتنی بر پیل‌های سوختی وجود دارد: نیروگاه‌ها برای وسایل نقلیه مختلف (از اسکوتر گرفته تا اتوبوس)، راه‌حل‌های ثابت در مقیاس بزرگ و کوچک، و منابع تغذیه برای دستگاه‌های تلفن همراه. در این مقاله به طور عمده به راه حل هایی برای دستگاه های قابل حمل نگاه خواهیم کرد.

پیل های سوختی چیست؟

قبل از هر چیز، لازم است توضیح داده شود که چه چیزی مورد بحث قرار خواهد گرفت. پیل های سوختی راکتورهای شیمیایی تخصصی هستند که برای تبدیل مستقیم انرژی آزاد شده توسط اکسیداسیون سوخت به انرژی الکتریکی طراحی شده اند.

لازم به ذکر است که سلول های سوختی حداقل دو تفاوت اساسی با باتری های گالوانیکی دارند، که همچنین مربوط به دستگاه هایی است که انرژی واکنش های شیمیایی رخ داده در آنها را به الکتریسیته تبدیل می کند. اولاً، سلول‌های سوختی از الکترودهایی استفاده می‌کنند که در حین کار مصرف نمی‌شوند و ثانیاً، مواد لازم برای واکنش از خارج تأمین می‌شوند و در ابتدا در داخل عنصر قرار نمی‌گیرند (مانند باتری‌های معمولی).

استفاده از الکترودهای غیر مصرفی می تواند عمر مفید پیل های سوختی را در مقایسه با باتری های گالوانیکی به میزان قابل توجهی افزایش دهد. علاوه بر این، به لطف استفاده از یک سیستم تامین سوخت خارجی، روند بازیابی عملکرد سلول های سوختی به طور قابل توجهی ساده و ارزان تر است.

	انواع پیل های سوختی شیمیایی سلول های سوختی با غشای تبادل یونی (غشاء تبادل پروتون، PEM) فناوری ساخت عناصر از این نوع در دهه 50 قرن بیستم توسط مهندسان جنرال الکتریک توسعه یافت. سلول های سوختی مشابهی برای تولید برق در فضاپیمای آمریکایی جمینی استفاده شد. ویژگی متمایزسلول‌های PEM از الکترودهای گرافیتی و یک الکترولیت پلیمری جامد (یا همانطور که به آن غشای تبادل یونی، غشای تبادل پروتون نیز می‌گویند) استفاده می‌کنند. سلول های PEM از هیدروژن خالص به عنوان سوخت استفاده می کنند و اکسیژن موجود در هوا نقش یک اکسید کننده را ایفا می کند. هیدروژن از آند تامین می شود، جایی که یک واکنش الکتروشیمیایی رخ می دهد: 2H 2 -> 4H + + 4e. یون های هیدروژن از طریق الکترولیت (رسانای یونی) از آند به کاتد حرکت می کنند، در حالی که الکترون ها از طریق مدار خارجی حرکت می کنند. در کاتدی، که از آن عامل اکسید کننده (اکسیژن یا هوا) تامین می شود، واکنش اکسیداسیون هیدروژن با تشکیل رخ می دهد. آب تمیز: O 2 + 4H + + 4e -> 2H 2 O. دمای عملیاتی عناصر PEM حدود 80 درجه سانتیگراد است. در این شرایط، واکنش‌های الکتروشیمیایی بسیار کند پیش می‌رود، بنابراین در طراحی این نوع سلول‌ها از یک کاتالیزور، معمولاً یک لایه نازک پلاتین روی هر یک از الکترودها استفاده می‌شود. یک سلول از چنین عنصری، متشکل از یک جفت الکترود و یک غشای تبادل یونی، قادر به تولید ولتاژی در حد 0.7 ولت است. برای افزایش ولتاژ خروجی، مجموعه‌ای از سلول‌های مجزا به یکدیگر متصل می‌شوند تا باتری را تشکیل دهند. . عناصر PEM قادر به کار در دمای نسبتاً پایین محیط هستند و راندمان نسبتاً بالایی دارند (بازده بین 40 تا 50٪). در حال حاضر، نمونه‌های اولیه عملیاتی نیروگاه‌ها با توان حداکثر 50 کیلووات بر اساس عناصر PEM ایجاد شده‌اند. دستگاه هایی با توان تا 250 کیلووات در دست توسعه هستند. محدودیت های متعددی وجود دارد که مانع پذیرش گسترده این فناوری می شود. این هزینه نسبتاً بالایی از مواد برای ساخت غشاها و کاتالیزور است. علاوه بر این، تنها هیدروژن خالص می تواند به عنوان سوخت استفاده شود. سلول های سوختی قلیایی (AFC) طراحی اولین پیل سوختی قلیایی توسط دانشمند روسی P. Yablochkov در سال 1887 ایجاد شد. هیدروکسید پتاسیم غلیظ (KOH) یا محلول آبی آن به عنوان الکترولیت در سلول های قلیایی استفاده می شود و ماده اصلی برای ساخت الکترودها نیکل است. هیدروژن خالص به عنوان سوخت و اکسیژن خالص به عنوان اکسید کننده استفاده می شود. واکنش اکسیداسیون هیدروژن از طریق الکترواکسیداسیون هیدروژن در آند انجام می شود: 2H 2 + 4OH - 4e -> 4H 2 O و کاهش الکتریکی اکسیژن در کاتد: O 2 + 2H 2 O + 4e -> 4OH – . یون های هیدروکسید در الکترولیت از کاتد به آند حرکت می کنند و الکترون ها در طول مدار خارجی از آند به کاتد حرکت می کنند. سلول های قلیایی در دمای حدود 80 درجه سانتیگراد کار می کنند، اما به طور قابل توجهی (حدود یک مرتبه قدر) از سلول های PEM از نظر چگالی توان پایین تر هستند، در نتیجه ابعاد آنها (با ویژگی های قابل مقایسه) بسیار بزرگتر است. با این حال، هزینه تولید سلول های قلیایی به طور قابل توجهی کمتر از PEM است. عیب اصلی عناصر قلیایی نیاز به استفاده از اکسیژن و هیدروژن خالص است، زیرا محتوای ناخالصی های دی اکسید کربن (CO2) در سوخت یا اکسید کننده منجر به کربن شدن قلیایی می شود. سلول های سوختی اسید فسفریک (PAFC) الکترولیت سلول‌های اسید فسفریک اسید فسفریک مایع است که معمولاً در منافذ یک ماتریس کاربید سیلیکون وجود دارد. از گرافیت برای ساخت الکترود استفاده می شود. واکنش‌های الکترواکسیداسیون هیدروژنی که در سلول‌های اسید فسفریک اتفاق می‌افتد مشابه واکنش‌هایی است که در سلول‌های PEM رخ می‌دهد. دمای کار سلول های اسید فسفریک در مقایسه با سلول های PEM و قلیایی کمی بالاتر است و بین 150 تا 200 درجه سانتی گراد است. اما برای اطمینان از سرعت مورد نیاز واکنش های الکتروشیمیایی، استفاده از کاتالیزورها (پلاتین یا آلیاژهای مبتنی بر آن) ضروری است. سلول‌های اسید فسفریک به دلیل دمای عملیاتی بالاتر، نسبت به سلول‌های PEM و قلیایی حساسیت کمتری به خلوص شیمیایی سوخت (هیدروژن) دارند. این اجازه می دهد تا از مخلوط سوخت حاوی 1-2٪ مونوکسید کربن استفاده شود. هوای معمولی می تواند به عنوان یک عامل اکسید کننده استفاده شود، زیرا مواد موجود در آن با الکترولیت واکنش نمی دهند. عناصر اسید فسفریک دارای راندمان نسبتا پایینی (حدود 40٪) هستند و برای رسیدن به حالت کار در هنگام شروع سرد به مدتی زمان نیاز دارند. با این حال، PAFC ها همچنین دارای تعدادی مزیت هستند، از جمله طراحی ساده تر، و همچنین پایداری بالا و فرار کم الکترولیت. در حال حاضر بر اساس عناصر اسید فسفریک تعداد زیادی نیروگاه با ظرفیت 200 کیلووات تا 20 مگاوات ایجاد و به بهره برداری تجاری رسیده است. سلول های سوختی مستقیم متانول (DMFC) سلول‌های دارای اکسیداسیون مستقیم متانول یکی از گزینه‌های پیاده‌سازی سلول‌ها با غشای تبادل یونی هستند. سوخت سلول های DMFC محلول آبی متیل الکل (متانول) است. هیدروژن مورد نیاز برای واکنش (و یک محصول جانبی به شکل دی اکسید کربن) از طریق الکترواکسیداسیون مستقیم محلول متانول در آند به دست می آید: CH 3 OH + H 2 O -> CO 2 + 6H + + 6e. در کاتد، یک واکنش اکسیداسیون هیدروژن برای تشکیل آب رخ می دهد: 3/2O 2 + 6H + + 6e -> 3H 2 O. دمای کار سلول های DMFC تقریباً 120 درجه سانتیگراد است که در مقایسه با سلول های PEM هیدروژنی کمی بالاتر است. نقطه ضعف تبدیل دمای پایین نیاز بیشتر به کاتالیزور است. این امر به ناچار منجر به افزایش هزینه چنین پیل های سوختی می شود، اما این عیب با راحتی استفاده از سوخت مایع و عدم نیاز به استفاده از مبدل خارجی برای تولید هیدروژن خالص جبران می شود. سلول های سوختی با الکترولیت حاصل از مذاب کربنات لیتیوم و سدیم (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC) این نوع پیل سوختی متعلق به دستگاه های با دمای بالا می باشد. آنها از الکترولیت متشکل از کربنات لیتیوم (Li 2 CO 3 ) یا کربنات سدیم ( Na 2 CO 3 ) واقع در منافذ ماتریکس سرامیکی استفاده می کنند. نیکل آغشته به کروم به عنوان ماده آند استفاده می شود و اکسید نیکل لیتیه شده (NiO + LiO 2) برای کاتد استفاده می شود. هنگامی که تا دمای حدود 650 درجه سانتیگراد گرم می شود، اجزای الکترولیت ذوب می شوند و در نتیجه یون های دی اکسید کربن تشکیل می شوند و از کاتد به آند می روند و در آنجا با هیدروژن واکنش می دهند: CO 3 2– + H 2 -> H 2 O + CO 2 + 2e. الکترون های آزاد شده در طول مدار خارجی به سمت کاتد حرکت می کنند، جایی که واکنش رخ می دهد: CO 2 + 1/2 O 2 + 2e -> CO 3 2– . دمای بالای عملکرد این عناصر امکان استفاده از گاز طبیعی (متان) را به عنوان سوخت فراهم می کند که توسط مبدل داخلی به هیدروژن و مونوکسید کربن تبدیل می شود: CH4+H2O<->CO + 3H 2 . عناصر MCFC کارایی بالایی دارند (تا 60٪) و استفاده از نیکل ارزان تر و قابل دسترس تر را به عنوان کاتالیزور به جای پلاتین ممکن می کنند. به دلیل گرمای زیاد تولید شده در حین کار، این نوع پیل سوختی برای ایجاد منابع ثابت انرژی الکتریکی و حرارتی مناسب است، اما برای استفاده در شرایط متحرک نامناسب است. در حال حاضر نیروگاه های ثابت با ظرفیت حداکثر 2 مگاوات بر اساس عناصر MCFC ایجاد شده اند. سلول های سوختی اکسید جامد (SOFC) این نوع المان حتی دمای کاری بالاتری (از 800 تا 1000 درجه سانتیگراد) نسبت به MCFC توضیح داده شده در بالا دارد. SOFC از یک الکترولیت سرامیکی مبتنی بر اکسید زیرکونیوم (ZrO 2) تثبیت شده با اکسید ایتریم (Y 2 O 3 ) استفاده می کند. یک واکنش الکتروشیمیایی در کاتد با تشکیل یون های اکسیژن با بار منفی رخ می دهد: O 2 + 4e -> 2O 2– . یون های اکسیژن با بار منفی در الکترولیت در جهتی از کاتد به آند حرکت می کنند، جایی که اکسیداسیون سوخت اتفاق می افتد (معمولا مخلوطی از هیدروژن با مونوکسید کربن برای تشکیل آب و دی اکسید کربن: H 2 + 2O 2– -> H 2 O + 2e; CO + 2O 2– -> CO 2 + 2e. سلول های SOFC دارای مزایای مشابه MCFC هستند، از جمله توانایی استفاده از گاز طبیعی به عنوان سوخت. اجزای SOFC پایداری شیمیایی بالاتری دارند، اما هزینه تولید آنها در مقایسه با MCFC کمی بالاتر است.

عملکرد پیل های سوختی شیمیایی با تامین دو جزء مورد استفاده برای حفظ واکنش پشتیبانی می شود - سوخت و اکسید کننده. بسته به نوع پیل سوختی، می توان از گاز هیدروژن، گاز طبیعی (متان) و سوخت هیدروکربنی مایع (مثلاً متیل الکل) به عنوان سوخت استفاده کرد. عامل اکسید کننده معمولاً اکسیژن موجود در هوا است و برخی از انواع پیل های سوختی فقط با اکسیژن خالص کار می کنند.

طراحی هر پیل سوختی شیمیایی از دو الکترود (کاتد و آند) و یک لایه الکترولیت واقع بین آنها تشکیل شده است - محیطی که حرکت یون ها را از یک الکترود به الکترود دیگر تضمین می کند و حرکت الکترون ها را مسدود می کند. برای اینکه واکنش با سرعت بالاتری انجام شود، اغلب از کاتالیزورها در الکترودها استفاده می شود. بسته به ویژگی های شیمیایی و فیزیکی الکترولیت مورد استفاده، پیل های سوختی به چندین نوع مختلف تقسیم می شوند (برای اطلاعات بیشتر، به نوار کناری "انواع پیل های سوختی شیمیایی" مراجعه کنید).

مزایای پیل سوختی

در مقایسه با منابع رایج کنونی منبع تغذیه مستقل مورد استفاده در رایانه‌های شخصی موبایل و دستگاه‌های قابل حمل، سلول‌های سوختی شیمیایی دارای مزایای مهمی هستند.

اول از همه، شایان ذکر است که راندمان بالای سلول های سوختی، بسته به نوع، از 40 تا 60٪ متغیر است. راندمان بالا باعث می شود منابع تغذیه با شدت انرژی ویژه بالاتر تولید شوند و در نتیجه وزن و اندازه آنها کاهش یابد و در عین حال انرژی و عمر باتری حفظ شود. علاوه بر این، منابع تغذیه با انرژی بیشتر می توانند به طور قابل توجهی عمر باتری دستگاه های موجود را بدون افزایش اندازه یا وزن آنها افزایش دهند.

یکی دیگر از مزیت های مهم پیل های سوختی شیمیایی امکان تجدید تقریباً لحظه ای منبع انرژی آنها حتی در غیاب منابع انرژی خارجی است؛ برای این کار کافی است یک ظرف (کارتریج) جدید با سوخت مصرف شده نصب کنید. استفاده از الکترودهایی که در طول واکنش مصرف نمی شوند، ایجاد سلول های سوختی با عمر بسیار طولانی و هزینه کل مالکیت پایین را ممکن می سازد.

نمی توان به دوستی زیست محیطی بسیار بالاتر سلول های سوختی شیمیایی در مقایسه با باتری های گالوانیکی توجه نکرد. تنها مواد مصرفی پیل‌های سوختی ظروف با سوخت است و محصول اصلی واکنش است آب ساده. جایگزینی باتری‌ها و باتری‌های استفاده‌شده فعلی با سلول‌های سوختی، میزان زباله‌های حاوی مواد سمی و مضر برای محیط زیست را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد.

مشکل پلاتین

علیرغم مزایای آشکار سلول های سوختی شیمیایی نسبت به بسیاری از منابع انرژی رایج فعلی برای رایانه های شخصی قابل حمل و دستگاه های الکترونیکی، موانع خاصی بر سر پذیرش انبوه فناوری جدید وجود دارد.

مناسب‌ترین پیل‌های سوختی برای کاربردهای قابل حمل با اندازه نسبتاً کوچک، پیل‌های سوختی با دمای کار پایین مانند PEM و DMCF هستند. اما برای اطمینان از سرعت قابل قبول واکنش های شیمیایی در چنین عناصری، استفاده از کاتالیزور ضروری است. در حال حاضر کاتالیزورهای ساخته شده از پلاتین و آلیاژهای آن در سلول های PEM و DMCF استفاده می شود. با توجه به ذخایر طبیعی نسبتا کم این ماده و همچنین هزینه بالای آن، یکی از وظایف اصلی توسعه دهندگان منابع انرژی مبتنی بر پیل سوختی، جستجو و ایجاد کاتالیزورهای جدید است. یکی دیگر از راه حل های ممکن برای این مشکل استفاده از سلول های سوختی با دمای بالا است، با این حال، به دلایل مختلف، چنین منابع انرژی در حال حاضر عملا برای استفاده در دستگاه های قابل حمل نامناسب هستند.

حرکت رو به جلو: نمونه های اولیه

علیرغم وجود تعدادی از مشکلات، طی دو سال گذشته فعالیت تیم های توسعه درگیر در ایجاد سلول های سوختی برای رایانه های شخصی قابل حمل و دستگاه های الکترونیکی به طور قابل توجهی افزایش یافته است. علاوه بر این، تعداد شرکت هایی که کارهای مشابه انجام می دهند افزایش یافته است.

اگر در مورد فناوری های مورد استفاده صحبت کنیم، محبوب ترین راه حل ها در این بخش سلول های سوختی PEM و DMFC هستند. از میان شرکت‌هایی که پیل‌های سوختی را برای دستگاه‌های موبایل توسعه می‌دهند، حدود 45 درصد به فناوری PEM، حدود 40 درصد به DMFC و کمتر از 10 درصد به SOFC متکی هستند. راحتی و سهولت استفاده از سوخت های مایع مزیت قابل توجه DMFC نسبت به PEM است و در سال گذشته مشخص شده است که اکثر پروژه های در آستانه تجاری سازی مبتنی بر فناوری DMFC هستند.

نمونه اولیه PDA با پیل سوختی یکپارچه که توسط توسعه دهندگان هیتاچی ساخته شده است

در اوایل سال گذشته، هیتاچی یک نمونه اولیه PDA با سلول سوختی یکپارچه را به نمایش گذاشت و اعلام کرد که قصد دارد فروش یک دسته آزمایشی از چنین دستگاه هایی را در سال 2005 آغاز کند. برای پر کردن مجدد پیل سوختی از یک کارتریج استوانه ای (قطر 1 سانتی متر و ارتفاع 5 سانتی متر) حاوی محلول آبی 20 درصد متانول استفاده می شود. به گفته توسعه دهندگان، سوخت موجود در کارتریج برای تامین کافی است کار فعالاز یک PDA در عرض 6-8 ساعت.

ژوئن گذشته، توشیبا نمونه اولیه یک عنصر فشرده DMFC را ارائه کرد که برای استفاده به عنوان منبع تغذیه برای پخش کننده های رسانه دیجیتال و تلفن های همراه در نظر گرفته شده است. ابعاد این بلوک 22×56×4.5 میلی متر وزن 8.5 گرم است و از متانول غلیظ (99.5 درصد) به عنوان سوخت استفاده می کند. یک پر کردن سوخت (2 سانتی متر مکعب) برای تامین انرژی یک بار 100 مگاواتی (مثلاً یک پخش کننده MP3 قابل حمل) به مدت 20 ساعت کافی است. هنگام توسعه این نمونه اولیه، چندین راه حل جدید استفاده شد، به ویژه، ساختار الکترودها و غشای پلیمری بهینه شد و امکان استفاده از متانول غلیظ به عنوان سوخت را فراهم کرد.

مشخص است که یکی از تولیدکنندگان تلفن همراه، شرکت KDDI، از نزدیک به پیشرفت‌های توشیبا و هیتاچی در زمینه سلول‌های سوختی سایز کوچک نگاه می‌کند. KDDI قصد دارد تا دو سال آینده تلفن های همراه با سلول سوختی را وارد بازار کند.

برخی از شرکت ها قبلاً نمونه های اولیه راه حل ها را برای رایانه های شخصی قابل حمل نشان داده اند. به طور خاص، کاسیو نمونه اولیه لپ تاپ مجهز به منبع تغذیه را ارائه کرد که حاوی سلول PEM و مبدل متانول است. در ابتدای سال گذشته، سامسونگ نمونه اولیه لپ تاپ را بر روی پلتفرم موبایل Centrino ارائه کرد که مجهز به سلول سوختی است که کارکرد دستگاه را به مدت 10 ساعت تضمین می کند.

در نوامبر 2004، کارکنان موسسه تحقیقات مواد و انرژی توکیو (موسسه تحقیقات مواد و انرژی توکیو، MERIT) اطلاعاتی را در مورد کار بر روی ایجاد یک سلول سوختی با طراحی خود منتشر کردند که در مقایسه با DMFC ارزان تر و فشرده تر خواهد بود. از بوروهیدرید سدیم به عنوان سوخت استفاده می کند. به گفته توسعه دهندگان، به لطف این، زمان کار پیل سوختی در مقایسه با یک سلول DMFC که با همان حجم متانول پر شده است، چهار برابر افزایش می یابد.

نمونه اولیه پیل سوختی ارائه شده توسط کارکنان MERIT در بسته‌بندی به ابعاد 80Å84.6Å3 میلی‌متر ساخته شده است و قادر است با بار تا 20 وات کار کند. برای تامین انرژی دستگاه های قدرتمندتر، می توانید از باتری های متشکل از چندین سلول استفاده کنید. طبق برنامه های فعلی، استقرار تولید سریالعناصر مشابه برای اوایل سال 2006 برنامه ریزی شده است.

یخ شکسته...

در اواسط دسامبر، Intermec Technologies شروع به فروش یک دستگاه قابل حمل برای خواندن اطلاعات از شناسه های فرکانس رادیویی کرد - اولین دستگاه تولید تجاری مجهز به عنصر DMFC با اندازه کوچک. پیل سوختی Mobion مورد استفاده در این دستگاه توسط MTI MicroFuel Cels ساخته شده است که قصد دارد منابع تغذیه مشابهی برای PDA ها، تلفن های هوشمند و سایر دستگاه های قابل حمل تولید کند. همانطور که توسعه دهندگان MTI MicroFuel Cells اشاره می کنند، عنصر Mobion به شما امکان می دهد زمان کار دستگاه ها را بدون شارژ مجدد چندین برابر در مقایسه با باتری های لیتیوم یونیهمان اندازه.

به عقیده بسیاری از کارشناسان، در سال آینده باید منتظر ظهور تعدادی دستگاه قابل حمل با تولید انبوه مجهز به پیل سوختی باشیم. و آینده بازار منبع تغذیه دستگاه های قابل حمل تا حد زیادی به موفقیت آنها بستگی دارد.