เซลล์เชื้อเพลิงแอลกอฮอล์ที่ผลิตจากเศษวัสดุ กำหนดเซลล์เชื้อเพลิงแอลกอฮอล์โดยตรงโดยใช้อิเล็กโทรไลต์กรดแข็ง หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง

รถยนต์พลังน้ำอาจกลายเป็นความจริงในไม่ช้า และเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจะถูกติดตั้งในบ้านหลายหลัง...

เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนไม่ใช่เรื่องใหม่ เริ่มต้นในปี 1776 เมื่อ Henry Cavendish ค้นพบไฮโดรเจนเป็นครั้งแรกในขณะที่ละลายโลหะในกรดเจือจาง เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเซลล์แรกถูกคิดค้นขึ้นในปี พ.ศ. 2382 โดยวิลเลียม โกรฟ นับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนได้รับการปรับปรุงอย่างค่อยเป็นค่อยไป และตอนนี้ได้รับการติดตั้งในกระสวยอวกาศ เพื่อจ่ายพลังงานและทำหน้าที่เป็นแหล่งน้ำ ปัจจุบัน เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจวนจะเข้าถึงตลาดมวลชน ทั้งในรถยนต์ บ้าน และอุปกรณ์พกพา

ในเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน พลังงานเคมี (ในรูปของไฮโดรเจนและออกซิเจน) จะถูกแปลงโดยตรง (โดยไม่มีการเผาไหม้) ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า เซลล์เชื้อเพลิงประกอบด้วยแคโทด อิเล็กโทรด และแอโนด ไฮโดรเจนจะถูกป้อนเข้าสู่ขั้วบวก ซึ่งจะถูกแยกออกเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน โปรตอนและอิเล็กตรอนมีเส้นทางไปยังแคโทดต่างกัน โปรตอนเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรดไปยังแคโทด และอิเล็กตรอนผ่านรอบเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อไปยังแคโทด การเคลื่อนไหวนี้จะสร้างพลังงานไฟฟ้าที่นำไปใช้ได้ในภายหลัง ในอีกด้านหนึ่ง ไฮโดรเจนโปรตอนและอิเล็กตรอนจะรวมตัวกับออกซิเจนเพื่อสร้างน้ำ

อิเล็กโทรไลเซอร์เป็นวิธีหนึ่งในการแยกไฮโดรเจนออกจากน้ำ โดยพื้นฐานแล้วกระบวนการนี้ตรงกันข้ามกับสิ่งที่เกิดขึ้นกับเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน อิเล็กโทรไลเซอร์ประกอบด้วยขั้วบวก เซลล์ไฟฟ้าเคมี และแคโทด น้ำและแรงดันไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับขั้วบวก ซึ่งแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน ไฮโดรเจนผ่านเซลล์ไฟฟ้าเคมีไปยังแคโทด และออกซิเจนจะถูกส่งไปยังแคโทดโดยตรง จากนั้นจะสามารถสกัดและกักเก็บไฮโดรเจนและออกซิเจนได้ ในช่วงเวลาที่ไม่จำเป็นต้องผลิตไฟฟ้า ก๊าซที่สะสมสามารถกำจัดออกจากสถานที่จัดเก็บและส่งกลับผ่านเซลล์เชื้อเพลิงได้

ระบบนี้ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง ซึ่งอาจเป็นสาเหตุว่าทำไมจึงมีความเชื่อผิดๆ มากมายเกี่ยวกับความปลอดภัยของระบบ หลังจากการระเบิดของแม่น้ำ Hindenburg ผู้คนจำนวนมากห่างไกลจากวิทยาศาสตร์และแม้แต่นักวิทยาศาสตร์บางคนก็เริ่มเชื่อว่าการใช้ไฮโดรเจนเป็นสิ่งที่อันตรายมาก อย่างไรก็ตาม ผลการวิจัยเมื่อเร็วๆ นี้แสดงให้เห็นว่าสาเหตุของโศกนาฏกรรมครั้งนี้เกี่ยวข้องกับประเภทของวัสดุที่ใช้ในการก่อสร้าง ไม่ใช่กับไฮโดรเจนที่ถูกสูบเข้าไปภายใน หลังจากทดสอบความปลอดภัยของการเก็บไฮโดรเจนแล้วพบว่า การจัดเก็บไฮโดรเจนในเซลล์เชื้อเพลิงจะปลอดภัยกว่ากว่าการเก็บน้ำมันเบนซินไว้ในถังน้ำมันเชื้อเพลิงของรถยนต์

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนสมัยใหม่ราคาเท่าไหร่?? ปัจจุบันบริษัทต่างๆ นำเสนอระบบเชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่ผลิตพลังงานได้ในราคาประมาณ 3,000 ดอลลาร์สหรัฐฯ ต่อกิโลวัตต์ วิจัยการตลาดพบว่าเมื่อต้นทุนลดลงเหลือ 1,500 ดอลลาร์สหรัฐฯ ต่อกิโลวัตต์ ผู้บริโภคในตลาดพลังงานมวลชนก็พร้อมที่จะเปลี่ยนมาใช้เชื้อเพลิงประเภทนี้

รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนยังคงมีราคาแพงกว่ารถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายใน แต่ผู้ผลิตกำลังค้นหาวิธีที่จะลดราคาให้อยู่ในระดับที่เทียบเคียงได้ ในพื้นที่ห่างไกลบางแห่งที่ไม่มีสายไฟ การใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงหรือจ่ายไฟให้กับบ้านโดยอิสระอาจประหยัดกว่าในปัจจุบัน เช่น การสร้างโครงสร้างพื้นฐานสำหรับแหล่งพลังงานแบบดั้งเดิม

เหตุใดเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจึงยังไม่ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลาย? ในขณะนี้ต้นทุนที่สูงคือปัญหาหลักในการแพร่กระจายของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ระบบเชื้อเพลิงไฮโดรเจนไม่ได้มีความต้องการจำนวนมากในขณะนี้ อย่างไรก็ตาม วิทยาศาสตร์ไม่ได้หยุดนิ่งและในอนาคตอันใกล้นี้ รถยนต์ที่วิ่งบนน้ำอาจกลายเป็นความจริงได้

การผลิต การประกอบ การทดสอบ และการทดสอบเซลล์/เซลล์เชื้อเพลิง (ไฮโดรเจน)
ผลิตในโรงงานในประเทศสหรัฐอเมริกาและแคนาดา

เซลล์เชื้อเพลิง (ไฮโดรเจน)/เซลล์

บริษัท Intech GmbH / LLC Intech GmbH เข้าสู่ตลาดบริการด้านวิศวกรรมมาตั้งแต่ปี 1997 โดยเป็นซัพพลายเออร์อย่างเป็นทางการระยะยาวของอุปกรณ์อุตสาหกรรมต่างๆ และแจ้งให้คุณทราบถึงองค์ประกอบ/เซลล์เชื้อเพลิง (ไฮโดรเจน) ต่างๆ

เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์คือ

ข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์

เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์เป็นอุปกรณ์ที่ผลิตกระแสตรงและความร้อนจากเชื้อเพลิงที่อุดมด้วยไฮโดรเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า

เซลล์เชื้อเพลิงมีลักษณะคล้ายกับแบตเตอรี่โดยผลิตกระแสตรงผ่านปฏิกิริยาเคมี เซลล์เชื้อเพลิงประกอบด้วยขั้วบวก แคโทด และอิเล็กโทรไลต์ อย่างไรก็ตาม เซลล์เชื้อเพลิงไม่สามารถเก็บพลังงานไฟฟ้าได้ และไม่คายประจุหรือต้องใช้ไฟฟ้าในการชาร์จ ซึ่งต่างจากแบตเตอรี่ตรงที่ เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์เชื้อเพลิงสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่องตราบเท่าที่มีเชื้อเพลิงและอากาศจ่าย

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

เซลล์เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพสูงและไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจกจำนวนมาก เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน และไนตรัสออกไซด์ ผลิตภัณฑ์ที่ปล่อยออกมาระหว่างการทำงานมีเพียงน้ำในรูปของไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนเล็กน้อย ซึ่งจะไม่ถูกปล่อยออกมาเลยหากใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์เป็นเชื้อเพลิง องค์ประกอบ/เซลล์เชื้อเพลิงจะถูกประกอบเข้าเป็นชุดประกอบ จากนั้นจึงประกอบเป็นโมดูลการทำงานแยกกัน

ประวัติความเป็นมาของการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์

ในช่วงทศวรรษปี 1950 และ 1960 หนึ่งในความท้าทายที่สำคัญที่สุดสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงเกิดขึ้นจากความต้องการแหล่งพลังงานในระยะยาวขององค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา (NASA) ภารกิจอวกาศ. เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ของ NASA ใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนเป็นเชื้อเพลิงโดยการรวมองค์ประกอบทางเคมีทั้งสองเข้าด้วยกันในปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี ผลลัพธ์ที่ได้คือผลพลอยได้ที่เป็นประโยชน์ 3 ประการจากปฏิกิริยาในการบินในอวกาศ ได้แก่ ไฟฟ้าสำหรับยานอวกาศ น้ำสำหรับดื่มและระบบทำความเย็น และความร้อนสำหรับอุ่นนักบินอวกาศ

การค้นพบเซลล์เชื้อเพลิงมีขึ้นตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 19 หลักฐานแรกของผลกระทบของเซลล์เชื้อเพลิงได้รับในปี พ.ศ. 2381

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

ความสนใจเพิ่มขึ้นในทศวรรษ 1950 และ 1960 และในทศวรรษ 1980 เมื่อโลกอุตสาหกรรมประสบปัญหาการขาดแคลนเชื้อเพลิงปิโตรเลียม ในช่วงเวลาเดียวกัน ประเทศต่างๆ ในโลกก็เริ่มมีความกังวลเกี่ยวกับปัญหามลพิษทางอากาศและพิจารณาวิธีการผลิตไฟฟ้าในลักษณะที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงกำลังอยู่ระหว่างการพัฒนาอย่างรวดเร็ว

หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์

เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ผลิตไฟฟ้าและความร้อนเนื่องจากปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าเกิดขึ้นโดยใช้อิเล็กโทรไลต์ แคโทด และแอโนด

แอโนดและแคโทดถูกแยกออกจากกันด้วยอิเล็กโทรไลต์ที่นำโปรตอน เมื่อไฮโดรเจนถูกจ่ายให้กับขั้วบวกและออกซิเจนถูกจ่ายให้กับแคโทด ปฏิกิริยาเคมีก็จะเริ่มต้นขึ้น ส่งผลให้เกิดกระแสไฟฟ้า ความร้อน และน้ำ

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

ด้านล่างนี้เป็นปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้อง:

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

ประเภทและความหลากหลายขององค์ประกอบ/เซลล์เชื้อเพลิง

เช่นเดียวกับเครื่องยนต์สันดาปภายในประเภทต่างๆ เซลล์เชื้อเพลิงก็มีหลายประเภท การเลือกประเภทเซลล์เชื้อเพลิงที่เหมาะสมก็ขึ้นอยู่กับการใช้งาน

เซลล์เชื้อเพลิงแบ่งออกเป็นอุณหภูมิสูงและอุณหภูมิต่ำ เซลล์เชื้อเพลิงอุณหภูมิต่ำต้องการไฮโดรเจนที่ค่อนข้างบริสุทธิ์เป็นเชื้อเพลิง ซึ่งมักหมายความว่าจำเป็นต้องมีการประมวลผลเชื้อเพลิงเพื่อแปลงเชื้อเพลิงหลัก (เช่น ก๊าซธรรมชาติ) ให้เป็นไฮโดรเจนบริสุทธิ์ กระบวนการนี้ใช้พลังงานเพิ่มเติมและต้องใช้อุปกรณ์พิเศษ เซลล์เชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิสูงไม่จำเป็นต้องมีขั้นตอนเพิ่มเติมนี้ เนื่องจากสามารถ "แปลงภายใน" เชื้อเพลิงที่อุณหภูมิสูงได้ ซึ่งหมายความว่าไม่จำเป็นต้องลงทุนในโครงสร้างพื้นฐานของไฮโดรเจน

เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์หลอมเหลวคาร์บอเนต (MCFC)

เซลล์เชื้อเพลิงอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวเป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิสูง อุณหภูมิการทำงานที่สูงทำให้สามารถใช้ก๊าซธรรมชาติได้โดยตรงโดยไม่ต้องใช้ตัวประมวลผลเชื้อเพลิง และก๊าซเชื้อเพลิงที่มีค่าความร้อนต่ำจากกระบวนการทางอุตสาหกรรมและแหล่งอื่นๆ

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

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

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

อุณหภูมิการทำงานที่สูงของเซลล์เชื้อเพลิงอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวมีข้อดีบางประการ ที่อุณหภูมิสูง ก๊าซธรรมชาติจะได้รับการปฏิรูปภายใน ทำให้ไม่ต้องใช้ตัวประมวลผลเชื้อเพลิง นอกจากนี้ ข้อดียังรวมถึงความสามารถในการใช้วัสดุก่อสร้างมาตรฐาน เช่น แผ่นเหล็กสแตนเลส และตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลบนอิเล็กโทรด ความร้อนเหลือทิ้งสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างไอน้ำแรงดันสูงเพื่อวัตถุประสงค์ทางอุตสาหกรรมและการพาณิชย์ที่หลากหลาย

อุณหภูมิปฏิกิริยาที่สูงในอิเล็กโทรไลต์ก็มีข้อดีเช่นกัน การใช้อุณหภูมิสูงต้องใช้เวลามากเพื่อให้ได้สภาวะการทำงานที่เหมาะสม และระบบจะตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงในการใช้พลังงานได้ช้ากว่า คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้สามารถใช้การติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงกับอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวภายใต้สภาวะพลังงานคงที่ อุณหภูมิสูงจะป้องกันไม่ให้คาร์บอนมอนอกไซด์ทำลายเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงที่มีอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวเหมาะสำหรับใช้ในการติดตั้งแบบอยู่กับที่ขนาดใหญ่ โรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่มีกำลังผลิตไฟฟ้า 3.0 เมกะวัตต์ผลิตเชิงพาณิชย์ กำลังพัฒนาการติดตั้งที่มีกำลังขับสูงถึง 110 เมกะวัตต์

เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์กรดฟอสฟอริก (PAFC)

เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (ออร์โธฟอสฟอริก) เป็นเซลล์เชื้อเพลิงชนิดแรกที่ใช้เชิงพาณิชย์

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

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

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

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

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

โรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่มีกำลังไฟฟ้าสูงสุดถึง 500 กิโลวัตต์ผลิตเชิงพาณิชย์ การติดตั้งขนาด 11 เมกะวัตต์ผ่านการทดสอบที่เหมาะสมแล้ว กำลังพัฒนาการติดตั้งที่มีกำลังขับสูงถึง 100 เมกะวัตต์

เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC)

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

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

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

ประสิทธิภาพของพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้นั้นสูงที่สุดในบรรดาเซลล์เชื้อเพลิงทั้งหมด - ประมาณ 60-70% อุณหภูมิการทำงานที่สูงทำให้สามารถผลิตพลังงานความร้อนและพลังงานไฟฟ้ารวมกันเพื่อสร้างไอน้ำแรงดันสูง การรวมเซลล์เชื้อเพลิงอุณหภูมิสูงเข้ากับกังหันทำให้สามารถสร้างเซลล์เชื้อเพลิงไฮบริดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตพลังงานไฟฟ้าได้สูงสุดถึง 75%

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ทำงานที่อุณหภูมิสูงมาก (600°C–1,000°C) ส่งผลให้มีเวลาสำคัญในการบรรลุสภาวะการทำงานที่เหมาะสมที่สุด และการตอบสนองของระบบต่อการเปลี่ยนแปลงในการใช้พลังงานช้าลง ที่อุณหภูมิการทำงานที่สูงเช่นนี้ ไม่จำเป็นต้องมีตัวแปลงเพื่อนำไฮโดรเจนกลับมาจากเชื้อเพลิง ทำให้โรงไฟฟ้าพลังความร้อนทำงานกับเชื้อเพลิงที่ไม่บริสุทธิ์ซึ่งเป็นผลมาจากการเปลี่ยนสภาพเป็นแก๊สของถ่านหินหรือก๊าซเสีย เป็นต้น เซลล์เชื้อเพลิงยังยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งานด้านพลังงานสูง รวมถึงโรงงานอุตสาหกรรมและโรงไฟฟ้ากลางขนาดใหญ่ โมดูลที่มีกำลังไฟฟ้าเอาต์พุต 100 kW ได้รับการผลิตเชิงพาณิชย์

เซลล์/เซลล์เชื้อเพลิงออกซิเดชันเมทานอลโดยตรง (DOMFC)

เทคโนโลยีการใช้เซลล์เชื้อเพลิงที่มีออกซิเดชันเมทานอลโดยตรงอยู่ระหว่างการพัฒนาอย่างแข็งขัน ประสบความสำเร็จในการพิสูจน์ตัวเองแล้วในด้านการให้พลังงานแก่โทรศัพท์มือถือ แล็ปท็อป รวมถึงการสร้างแหล่งพลังงานแบบพกพา นี่คือจุดประสงค์ของการใช้องค์ประกอบเหล่านี้ในอนาคต

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

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

ข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้คือมีขนาดเล็กเนื่องจากใช้เชื้อเพลิงเหลวและไม่ต้องใช้ตัวแปลง

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์/เซลล์ (ALFC)

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์เป็นหนึ่งในเซลล์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดที่ใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้า โดยมีประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าสูงถึง 70%

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

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

ข้อดีของ SHTE ก็คือเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้มีราคาถูกที่สุดในการผลิต เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต้องการบนอิเล็กโทรดอาจเป็นสารใดๆ ที่มีราคาถูกกว่าที่ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงอื่นๆ SFC ทำงานที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำและเป็นหนึ่งในเซลล์เชื้อเพลิงที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด - ลักษณะดังกล่าวสามารถส่งผลให้ผลิตพลังงานได้เร็วขึ้นและประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงสูง

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

เซลล์เชื้อเพลิงโพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์ (PEFC)

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

เซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นกรดแข็ง/เซลล์ (SFC)

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

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

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC) ที่เหมาะสมที่สุดควรได้รับการพิจารณาซึ่ง:

• ทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้น ลดความจำเป็นในการใช้โลหะมีค่าที่มีราคาแพง (เช่น แพลทินัม)
• สามารถใช้งานกับเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนได้หลายประเภท ซึ่งส่วนใหญ่เป็นก๊าซธรรมชาติ
• มีเวลาเริ่มต้นนานขึ้นจึงเหมาะสมกับการดำเนินการในระยะยาวมากกว่า
• แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าที่สูง (สูงถึง 70%)
• เนื่องจากอุณหภูมิในการทำงานสูง ตัวเครื่องจึงสามารถใช้ร่วมกับระบบถ่ายเทความร้อนได้ ทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบอยู่ที่ 85%
• มีการปล่อยก๊าซเรือนกระจกเป็นศูนย์ ทำงานเงียบและมีข้อกำหนดในการดำเนินงานต่ำเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้าที่มีอยู่

เนื่องจากโรงไฟฟ้าพลังความร้อนขนาดเล็กสามารถเชื่อมต่อกับเครือข่ายจ่ายก๊าซแบบธรรมดาได้ เซลล์เชื้อเพลิงจึงไม่จำเป็นต้องมีระบบจ่ายไฮโดรเจนแยกต่างหาก เมื่อใช้โรงไฟฟ้าพลังความร้อนขนาดเล็กที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ ความร้อนที่เกิดขึ้นสามารถรวมเข้ากับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อให้น้ำร้อนและอากาศถ่ายเทได้ ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ นี้ เทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมเหมาะที่สุดสำหรับการผลิตไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพโดยไม่จำเป็นต้องใช้โครงสร้างพื้นฐานที่มีราคาแพงและการผสานรวมเครื่องมือที่ซับซ้อน

การใช้เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์

การประยุกต์เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ในระบบโทรคมนาคม

เนื่องจากการแพร่กระจายอย่างรวดเร็วของระบบการสื่อสารไร้สายทั่วโลก เช่นเดียวกับผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจและสังคมที่เพิ่มขึ้นของเทคโนโลยีโทรศัพท์มือถือ ความจำเป็นในการสำรองพลังงานที่เชื่อถือได้และคุ้มต้นทุนจึงกลายเป็นเรื่องสำคัญ การสูญเสียโครงข่ายไฟฟ้าตลอดทั้งปีเนื่องจากสภาพอากาศไม่เอื้ออำนวย ภัยพิบัติทางธรรมชาติ หรือความจุโครงข่ายไฟฟ้าที่จำกัด ก่อให้เกิดความท้าทายอย่างต่อเนื่องสำหรับผู้ให้บริการโครงข่ายไฟฟ้า

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

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

การติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงให้พลังงานสำรองสำหรับโครงสร้างพื้นฐานเครือข่ายการสื่อสารที่สำคัญสำหรับการสื่อสารไร้สาย แบบถาวร และบรอดแบนด์ในระบบโทรคมนาคม ตั้งแต่ 250 วัตต์ ถึง 15 กิโลวัตต์ โดยนำเสนอคุณสมบัติเชิงนวัตกรรมที่ไม่มีใครเทียบได้มากมาย:

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

ระบบจะตรวจจับแรงดันบัส DC ตลอดเวลา และยอมรับโหลดวิกฤตได้อย่างราบรื่น หากแรงดันบัส DC ลดลงต่ำกว่า ตั้งค่ากำหนดโดยผู้ใช้ ระบบทำงานโดยใช้ไฮโดรเจนซึ่งจ่ายให้กับกองเซลล์เชื้อเพลิงด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งจากสองวิธี ทั้งจากแหล่งไฮโดรเจนทางอุตสาหกรรมหรือจากเชื้อเพลิงเหลวของเมทานอลและน้ำ โดยใช้ระบบการปฏิรูปแบบบูรณาการ

ไฟฟ้าผลิตโดยกองเซลล์เชื้อเพลิงในรูปของกระแสตรง พลังงานไฟฟ้ากระแสตรงจะถูกถ่ายโอนไปยังตัวแปลง ซึ่งจะแปลงพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงที่ไม่ได้รับการควบคุมที่มาจากกองเซลล์เชื้อเพลิงให้เป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงที่มีการควบคุมคุณภาพสูงสำหรับโหลดที่ต้องการ การติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงสามารถให้พลังงานสำรองได้หลายวัน เนื่องจากระยะเวลาถูกจำกัดด้วยปริมาณไฮโดรเจนหรือเมทานอล/เชื้อเพลิงน้ำที่มีอยู่เท่านั้น

เซลล์เชื้อเพลิงมีการประหยัดพลังงานที่เหนือกว่า ความน่าเชื่อถือของระบบที่ดีขึ้น ประสิทธิภาพที่คาดการณ์ได้มากขึ้นในสภาพอากาศที่หลากหลาย และความทนทานในการทำงานที่เชื่อถือได้ เมื่อเปรียบเทียบกับชุดแบตเตอรี่กรดตะกั่วที่ควบคุมด้วยวาล์วมาตรฐานอุตสาหกรรม ต้นทุนตลอดอายุการใช้งานก็ลดลงเช่นกัน เนื่องจากข้อกำหนดในการบำรุงรักษาและการเปลี่ยนทดแทนลดลงอย่างมาก เซลล์เชื้อเพลิงให้ประโยชน์ด้านสิ่งแวดล้อมแก่ผู้ใช้ เนื่องจากค่าใช้จ่ายในการกำจัดและความเสี่ยงในการรับผิดที่เกี่ยวข้องกับเซลล์กรดตะกั่วเป็นข้อกังวลที่เพิ่มขึ้น

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

เซลล์เชื้อเพลิงจะสร้างพลังงานเมื่อมีการจ่ายเชื้อเพลิงเท่านั้น คล้ายกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันแก๊ส แต่ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวในพื้นที่สร้างพลังงาน ดังนั้นจึงไม่เหมือนกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าตรงที่พวกเขาไม่สึกหรออย่างรวดเร็วและไม่ต้องการการบำรุงรักษาและการหล่อลื่นอย่างต่อเนื่อง

เชื้อเพลิงที่ใช้ในการขับเคลื่อนตัวแปลงเชื้อเพลิงที่มีระยะเวลายาวนานคือส่วนผสมเชื้อเพลิงของเมทานอลและน้ำ เมทานอลเป็นเชื้อเพลิงที่ผลิตในเชิงพาณิชย์ที่มีจำหน่ายกันอย่างแพร่หลาย ซึ่งในปัจจุบันมีการใช้งานหลายอย่าง เช่น เครื่องล้างกระจกหน้ารถ ขวดพลาสติก สารเติมแต่งเครื่องยนต์ และสีอิมัลชัน และอื่นๆ อีกมากมาย เมทานอลสามารถขนส่งได้ง่าย สามารถผสมกับน้ำได้ มีความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพได้ดี และไม่มีกำมะถัน มีจุดเยือกแข็งต่ำ (-71°C) และไม่สลายตัวระหว่างการเก็บรักษาระยะยาว

การประยุกต์เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ในเครือข่ายการสื่อสาร

เครือข่ายการสื่อสารด้านความปลอดภัยต้องการโซลูชันสำรองพลังงานที่เชื่อถือได้ ซึ่งสามารถทำงานได้นานหลายชั่วโมงหรือหลายวันในแต่ละครั้ง สถานการณ์ฉุกเฉินหากไม่มีโครงข่ายไฟฟ้าอีกต่อไป

ด้วยชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวน้อยและไม่มีการสูญเสียพลังงานขณะสแตนด์บาย เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นนวัตกรรมใหม่นำเสนอโซลูชั่นที่น่าสนใจสำหรับระบบไฟฟ้าสำรองในปัจจุบัน

ข้อโต้แย้งที่น่าสนใจที่สุดสำหรับการใช้เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงในเครือข่ายการสื่อสารคือความน่าเชื่อถือและความปลอดภัยโดยรวมที่เพิ่มขึ้น ในช่วงเหตุการณ์ต่างๆ เช่น ไฟฟ้าดับ แผ่นดินไหว พายุ และพายุเฮอริเคน สิ่งสำคัญคือระบบจะยังคงทำงานต่อไปและได้รับพลังงานสำรองที่เชื่อถือได้เป็นระยะเวลานาน โดยไม่คำนึงถึงอุณหภูมิหรืออายุของระบบไฟฟ้าสำรอง

กลุ่มผลิตภัณฑ์อุปกรณ์ส่งกำลังที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการรองรับเครือข่ายการสื่อสารแบบจำแนก ด้วยหลักการออกแบบที่ประหยัดพลังงาน ทำให้สามารถจ่ายไฟสำรองที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและเชื่อถือได้ พร้อมขยายระยะเวลา (สูงสุดหลายวัน) สำหรับการใช้งานในช่วงกำลังตั้งแต่ 250 W ถึง 15 kW

การประยุกต์เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ในเครือข่ายข้อมูล

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

หน่วยเซลล์เชื้อเพลิงซึ่งขับเคลื่อนด้วยเชื้อเพลิงเหลวผสมระหว่างเมทานอลและน้ำ ให้พลังงานสำรองที่เชื่อถือได้โดยมีระยะเวลายาวนานขึ้นสูงสุดถึงหลายวัน นอกจากนี้ หน่วยเหล่านี้ยังมีข้อกำหนดในการบำรุงรักษาลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและแบตเตอรี่ โดยต้องมีการเข้ารับการบำรุงรักษาเพียงครั้งเดียวต่อปี

ลักษณะเฉพาะของไซต์แอปพลิเคชันทั่วไปสำหรับการใช้การติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงในเครือข่ายข้อมูล:

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

การติดตั้งระบบสำรองพลังงานเซลล์เชื้อเพลิงให้ประโยชน์มากมายสำหรับโครงสร้างพื้นฐานเครือข่ายข้อมูลที่มีความสำคัญต่อภารกิจ เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลแบบดั้งเดิม ช่วยให้มีตัวเลือกการใช้งานในสถานที่เพิ่มขึ้น:

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

การใช้เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ในระบบรักษาความปลอดภัย

ระบบรักษาความปลอดภัยและการสื่อสารในอาคารที่ได้รับการออกแบบมาอย่างพิถีพิถันที่สุดจะมีความน่าเชื่อถือพอๆ กับแหล่งจ่ายไฟที่รองรับเท่านั้น แม้ว่าระบบส่วนใหญ่จะมีระบบสำรองพลังงานสำรองบางประเภทสำหรับการสูญเสียพลังงานในระยะสั้น แต่ระบบเหล่านี้ไม่รองรับการไฟฟ้าดับในระยะยาวที่อาจเกิดขึ้นหลังจากภัยพิบัติทางธรรมชาติหรือการโจมตีของผู้ก่อการร้าย นี่อาจเป็นปัญหาสำคัญสำหรับหน่วยงานองค์กรและหน่วยงานภาครัฐหลายแห่ง

ระบบที่สำคัญ เช่น ระบบตรวจสอบและควบคุมการเข้าถึงกล้องวงจรปิด (เครื่องอ่านบัตรประจำตัว อุปกรณ์ล็อคประตู เทคโนโลยีการระบุตัวตนแบบไบโอเมตริก ฯลฯ) ระบบแจ้งเตือนเหตุเพลิงไหม้อัตโนมัติและระบบดับเพลิง ระบบควบคุมลิฟต์ และเครือข่ายโทรคมนาคม ล้วนตกอยู่ในความเสี่ยงหากไม่มี แหล่งจ่ายพลังงานทางเลือกที่เชื่อถือได้และมีอายุการใช้งานยาวนาน

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลส่งเสียงดังมาก หาได้ยาก และมีปัญหาด้านความน่าเชื่อถือและการบำรุงรักษาที่รู้จักกันดี ในทางตรงกันข้าม การติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงที่ให้พลังงานสำรองนั้นเงียบ เชื่อถือได้ สร้างการปล่อยก๊าซเป็นศูนย์หรือต่ำมาก และสามารถติดตั้งได้ง่ายบนหลังคาหรือภายนอกอาคาร ไม่คายประจุหรือสูญเสียพลังงานในโหมดสแตนด์บาย ช่วยให้มั่นใจได้ว่าระบบที่สำคัญจะทำงานได้อย่างต่อเนื่อง แม้ว่าโรงงานจะหยุดดำเนินการและออกจากอาคารแล้วก็ตาม

การติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นนวัตกรรมใหม่ช่วยปกป้องการลงทุนที่มีราคาแพงในการใช้งานที่สำคัญ ให้พลังงานสำรองที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและเชื่อถือได้ พร้อมขยายระยะเวลา (สูงสุดหลายวัน) สำหรับการใช้งานในช่วงกำลังตั้งแต่ 250 W ถึง 15 kW รวมกับคุณสมบัติที่ไม่มีใครเทียบได้มากมาย และโดยเฉพาะอย่างยิ่งการประหยัดพลังงานในระดับสูง

การติดตั้งระบบสำรองพลังงานเซลล์เชื้อเพลิงมีข้อได้เปรียบมากมายสำหรับการใช้งานที่มีความสำคัญต่อภารกิจ เช่น ระบบรักษาความปลอดภัยและระบบควบคุมอาคาร เหนือกว่าการใช้งานที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลแบบดั้งเดิม เทคโนโลยีเชื้อเพลิงเหลวช่วยแก้ปัญหาการวางตำแหน่งไฮโดรเจนและให้พลังงานสำรองแทบไม่จำกัด

การใช้เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ในการทำความร้อนและการผลิตไฟฟ้าของเทศบาล

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC) ให้โรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่เชื่อถือได้ ประหยัดพลังงาน และปราศจากการปล่อยมลพิษ เพื่อผลิตไฟฟ้าและความร้อนจากก๊าซธรรมชาติและเชื้อเพลิงหมุนเวียนที่มีอยู่ทั่วไป การติดตั้งที่เป็นนวัตกรรมใหม่เหล่านี้ถูกนำมาใช้ในตลาดที่หลากหลาย ตั้งแต่การผลิตไฟฟ้าภายในบ้านไปจนถึงแหล่งจ่ายไฟระยะไกล รวมถึงการจ่ายไฟเสริม

หน่วยประหยัดพลังงานเหล่านี้ผลิตความร้อนสำหรับการทำความร้อนในพื้นที่และการทำน้ำร้อน รวมถึงไฟฟ้าที่สามารถใช้ในบ้านและป้อนกลับเข้าสู่โครงข่ายไฟฟ้า แหล่งผลิตไฟฟ้าแบบกระจายอาจรวมถึงเซลล์แสงอาทิตย์ (โซลาร์) และกังหันลมขนาดเล็ก เทคโนโลยีเหล่านี้สามารถมองเห็นได้และเป็นที่รู้จักอย่างกว้างขวาง แต่การดำเนินงานขึ้นอยู่กับสภาพอากาศและไม่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างสม่ำเสมอตลอดทั้งปี โรงไฟฟ้าพลังความร้อนอาจมีกำลังไฟฟ้าที่แตกต่างกันตั้งแต่น้อยกว่า 1 กิโลวัตต์ถึง 6 เมกะวัตต์หรือมากกว่า

การใช้เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ในเครือข่ายการกระจายสินค้า

โรงไฟฟ้าพลังความร้อนขนาดเล็กได้รับการออกแบบให้ทำงานในเครือข่ายการผลิตไฟฟ้าแบบกระจายซึ่งประกอบด้วยชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กจำนวนมาก แทนที่จะเป็นโรงไฟฟ้าแบบรวมศูนย์เพียงแห่งเดียว

รูปด้านล่างแสดงการสูญเสียประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าเมื่อถูกสร้างขึ้นที่โรงไฟฟ้าพลังความร้อนและส่งไปยังบ้านเรือนผ่านเครือข่ายการส่งพลังงานแบบเดิมที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบัน การสูญเสียประสิทธิภาพในการผลิตแบบรวมศูนย์รวมถึงการสูญเสียจากโรงไฟฟ้า การส่งผ่านไฟฟ้าแรงต่ำและไฟฟ้าแรงสูง และการสูญเสียการกระจาย

รูปภาพนี้แสดงผลการบูรณาการโรงไฟฟ้าพลังความร้อนขนาดเล็ก โดยผลิตไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพในการผลิตสูงถึง 60% ณ จุดใช้งาน นอกจากนี้ ครัวเรือนยังสามารถใช้ความร้อนที่เกิดจากเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อให้ความร้อนกับน้ำและพื้นที่ ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของการประมวลผลพลังงานเชื้อเพลิงและช่วยประหยัดพลังงานอีกด้วย

การใช้เซลล์เชื้อเพลิงเพื่อปกป้องสิ่งแวดล้อม - การใช้ก๊าซปิโตรเลียมที่เกี่ยวข้อง

งานที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งในอุตสาหกรรมน้ำมันคือการใช้ก๊าซปิโตรเลียมที่เกี่ยวข้อง วิธีการที่มีอยู่การใช้ก๊าซปิโตรเลียมที่เกี่ยวข้องมีข้อเสียหลายประการ สาเหตุหลักคือไม่สามารถใช้งานได้ในเชิงเศรษฐกิจ ก๊าซปิโตรเลียมที่เกี่ยวข้องถูกเผา ซึ่งก่อให้เกิดอันตรายอย่างใหญ่หลวงต่อสิ่งแวดล้อมและสุขภาพของมนุษย์

โรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่เป็นนวัตกรรมใหม่ที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ก๊าซปิโตรเลียมที่เกี่ยวข้องเป็นเชื้อเพลิงเปิดทางไปสู่วิธีแก้ปัญหาที่รุนแรงและคุ้มค่าสำหรับปัญหาการใช้ก๊าซปิโตรเลียมที่เกี่ยวข้อง

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

เซลล์เชื้อเพลิงเป็นวิธีการทางไฟฟ้าเคมีในการแปลงพลังงานของเชื้อเพลิงไฮโดรเจนให้เป็นพลังงานไฟฟ้า และผลพลอยได้เพียงอย่างเดียวของกระบวนการนี้คือน้ำ

เชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่ใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงในปัจจุบันมักผลิตจากการปฏิรูปไอน้ำของมีเธน (นั่นคือ การเปลี่ยนไฮโดรคาร์บอนโดยใช้ไอน้ำและความร้อนให้เป็นมีเทน) แม้ว่าจะสามารถใช้แนวทางที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น เช่น การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าด้วยไฟฟ้าโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์ก็ตาม

ส่วนประกอบหลักของเซลล์เชื้อเพลิงคือ:

• ขั้วบวกที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันของไฮโดรเจน
• แคโทดซึ่งเกิดการลดออกซิเจน
• เมมเบรนอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ซึ่งมีการลำเลียงโปรตอนหรือไฮดรอกไซด์ไอออน (ขึ้นอยู่กับตัวกลาง) - ไม่อนุญาตให้ไฮโดรเจนและออกซิเจนผ่าน
• สนามการไหลของออกซิเจนและไฮโดรเจนซึ่งมีหน้าที่ในการส่งก๊าซเหล่านี้ไปยังอิเล็กโทรด

ตัวอย่างเช่นในการจ่ายพลังงานให้กับรถยนต์ เซลล์เชื้อเพลิงหลายเซลล์จะถูกประกอบเป็นแบตเตอรี่ และปริมาณพลังงานที่จ่ายโดยแบตเตอรี่นั้นขึ้นอยู่กับพื้นที่ทั้งหมดของอิเล็กโทรดและจำนวนเซลล์ในนั้น พลังงานในเซลล์เชื้อเพลิงถูกสร้างขึ้นดังนี้ ไฮโดรเจนจะถูกออกซิไดซ์ที่ขั้วบวก และอิเล็กตรอนจากเซลล์เชื้อเพลิงจะถูกส่งไปยังแคโทด ซึ่งออกซิเจนจะลดลง อิเล็กตรอนที่ได้จากปฏิกิริยาออกซิเดชันของไฮโดรเจนที่ขั้วบวกมีศักยภาพทางเคมีสูงกว่าอิเล็กตรอนที่ลดออกซิเจนที่ขั้วลบ ความแตกต่างระหว่างศักย์ทางเคมีของอิเล็กตรอนทำให้สามารถดึงพลังงานออกจากเซลล์เชื้อเพลิงได้

ประวัติความเป็นมาของการทรงสร้าง

ประวัติความเป็นมาของเซลล์เชื้อเพลิงย้อนกลับไปในทศวรรษที่ 1930 เมื่อเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนตัวแรกได้รับการออกแบบโดย William R. Grove เซลล์นี้ใช้กรดซัลฟิวริกเป็นอิเล็กโทรไลต์ โกรฟพยายามฝากทองแดงจากสารละลายคอปเปอร์ซัลเฟตที่เป็นน้ำลงบนพื้นผิวเหล็ก เขาสังเกตเห็นว่าภายใต้อิทธิพลของกระแสอิเล็กตรอน น้ำจะแตกตัวเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน หลังจากการค้นพบนี้ Grove และเพื่อนร่วมงานของเขา Christian Schönbein นักเคมีจากมหาวิทยาลัยบาเซิล (สวิตเซอร์แลนด์) ได้แสดงให้เห็นพร้อมกันในปี 1839 ถึงความเป็นไปได้ในการผลิตพลังงานในเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน-ออกซิเจนโดยใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นกรด ความพยายามครั้งแรกเหล่านี้ แม้จะค่อนข้างดั้งเดิม แต่ก็ดึงดูดความสนใจของคนรุ่นราวคราวเดียวกันหลายคน รวมถึงไมเคิล ฟาราเดย์

การวิจัยเกี่ยวกับเซลล์เชื้อเพลิงยังคงดำเนินต่อไป และในช่วงทศวรรษที่ 1930 F.T. เบคอนได้นำส่วนประกอบใหม่เข้าไปในเซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ (เซลล์เชื้อเพลิงประเภทหนึ่ง) ซึ่งเป็นเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออนเพื่ออำนวยความสะดวกในการลำเลียงไอออนของไฮดรอกไซด์

การใช้งานเซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ในประวัติศาสตร์ที่มีชื่อเสียงที่สุดอย่างหนึ่งก็คือการใช้เป็นแหล่งพลังงานหลักระหว่างการบินอวกาศในโครงการ Apollo

NASA เลือกอุปกรณ์เหล่านี้เนื่องจากความทนทานและความเสถียรทางเทคนิค พวกเขาใช้เมมเบรนที่นำไฮดรอกไซด์ซึ่งมีประสิทธิภาพเหนือกว่าน้องสาวในการแลกเปลี่ยนโปรตอน

ในรอบเกือบสองศตวรรษนับตั้งแต่การสร้างต้นแบบเซลล์เชื้อเพลิงตัวแรก มีการทำงานหลายอย่างเพื่อปรับปรุงเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ โดยทั่วไป พลังงานสุดท้ายที่ได้รับจากเซลล์เชื้อเพลิงจะขึ้นอยู่กับจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยารีดอกซ์ ความต้านทานภายในของเซลล์ และการถ่ายโอนมวลของก๊าซและไอออนที่ทำปฏิกิริยาไปยังส่วนประกอบที่เร่งปฏิกิริยา ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา มีการปรับปรุงแนวคิดดั้งเดิมหลายประการ เช่น:

1) การเปลี่ยนสายแพลตตินัมด้วยอิเล็กโทรดที่ใช้คาร์บอนด้วยอนุภาคนาโนแพลตตินัม 2) การประดิษฐ์เมมเบรนที่มีคุณสมบัตินำไฟฟ้าสูงและมีคุณสมบัติเฉพาะเจาะจง เช่น Nafion เพื่ออำนวยความสะดวกในการเคลื่อนย้ายไอออน 3) การรวมชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่น อนุภาคนาโนแพลตตินัมกระจายอยู่บนฐานคาร์บอน โดยมีเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออน ส่งผลให้หน่วยเมมเบรน-อิเล็กโทรดมีความต้านทานภายในน้อยที่สุด 4) การใช้และการเพิ่มประสิทธิภาพของสนามการไหลเพื่อส่งไฮโดรเจนและออกซิเจนไปยังพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา แทนที่จะเจือจางโดยตรงในสารละลาย

การปรับปรุงเหล่านี้และการปรับปรุงอื่นๆ ในที่สุดทำให้เกิดเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพเพียงพอที่จะใช้ในรถยนต์เช่น Toyota Mirai

เซลล์เชื้อเพลิงที่มีเมมเบรนแลกเปลี่ยนไฮดรอกซี

มหาวิทยาลัยเดลาแวร์กำลังดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนไฮดรอกไซด์ (HEMFCs) เซลล์เชื้อเพลิงที่มีเมมเบรนแลกเปลี่ยนไฮดรอกซีแทนเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน - PEMFC (เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน) - เผชิญกับปัญหาใหญ่ประการหนึ่งของ PEMFC น้อยกว่า - ปัญหาความเสถียรของตัวเร่งปฏิกิริยา เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะพื้นฐานจำนวนมากมีเสถียรภาพในสภาวะที่เป็นด่างมากกว่า ในสภาวะที่เป็นกรด ตัวเร่งปฏิกิริยาในสารละลายอัลคาไลน์มีความคงตัวสูงกว่า เนื่องจากการละลายของโลหะจะปล่อยพลังงานที่ pH ต่ำมากกว่าที่ pH สูง งานส่วนใหญ่ในห้องปฏิบัติการนี้ยังทุ่มเทให้กับการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาขั้วบวกและแคโทดใหม่สำหรับปฏิกิริยาออกซิเดชันของไฮโดรเจนและปฏิกิริยาการลดออกซิเจนเพื่อเร่งปฏิกิริยาให้มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น นอกจากนี้ ห้องปฏิบัติการกำลังพัฒนาเมมเบรนแลกเปลี่ยนไฮดรอกซีใหม่ เนื่องจากยังคงต้องมีการปรับปรุงการนำไฟฟ้าและความทนทานของเมมเบรนดังกล่าวเพื่อให้สามารถแข่งขันกับเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนได้

ค้นหาตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่

สาเหตุของการสูญเสียแรงดันไฟฟ้าเกินในปฏิกิริยาการลดออกซิเจนอธิบายได้จากความสัมพันธ์แบบสเกลเชิงเส้นระหว่างผลิตภัณฑ์ขั้นกลางของปฏิกิริยานี้ ในกลไกสี่อิเล็กตรอนแบบดั้งเดิมของปฏิกิริยานี้ ออกซิเจนจะลดลงตามลำดับ ทำให้เกิดสารตัวกลาง OOH*, O* และ OH* เพื่อก่อตัวเป็นน้ำ (H2O) ที่พื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาในที่สุด เนื่องจากพลังงานการดูดซับของผลิตภัณฑ์ขั้นกลางสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาแต่ละตัวมีความสัมพันธ์กันอย่างมาก จึงยังไม่มีการค้นพบตัวเร่งปฏิกิริยาที่อย่างน้อยในทางทฤษฎีจะไม่เกิดการสูญเสียเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าเกิน แม้ว่าอัตราของปฏิกิริยานี้จะต่ำ แต่การแทนที่สภาพแวดล้อมที่เป็นกรดด้วยปฏิกิริยาที่เป็นด่าง เช่น ใน HEMFC จะไม่ส่งผลกระทบเป็นพิเศษ อย่างไรก็ตาม อัตราการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันของไฮโดรเจนลดลงเกือบครึ่งหนึ่ง และข้อเท็จจริงข้อนี้กระตุ้นให้เกิดการวิจัยที่มุ่งค้นหาสาเหตุของการลดลงนี้และค้นพบตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่

ข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิง

ตรงกันข้ามกับเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอน เซลล์เชื้อเพลิงเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม (หากไม่สมบูรณ์) มากกว่า และไม่ผลิตก๊าซเรือนกระจกอันเป็นผลมาจากการทำงานของมัน นอกจากนี้ เชื้อเพลิง (ไฮโดรเจน) ของพวกมันยังอยู่ในหลักการที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้เนื่องจากสามารถผลิตได้โดยการไฮโดรไลซ์น้ำ ดังนั้นในอนาคตเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจะกลายเป็นส่วนสำคัญของกระบวนการผลิตพลังงาน โดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมเพื่อผลิตเชื้อเพลิงไฮโดรเจน จากนั้นจึงนำไปใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อผลิตน้ำ การดำเนินการนี้จะปิดวงจรและไม่ทิ้งการปล่อยก๊าซคาร์บอน

เซลล์เชื้อเพลิงต่างจากแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ตรงที่มีข้อได้เปรียบตรงที่ไม่จำเป็นต้องชาร์จใหม่ โดยสามารถเริ่มจ่ายพลังงานได้ทันทีที่จำเป็น นั่นคือหากมีการใช้เช่นในด้านยานพาหนะก็แทบจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงในด้านผู้บริโภคเลย เซลล์เชื้อเพลิงสามารถผลิตพลังงานได้อย่างต่อเนื่องซึ่งต่างจากพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม และขึ้นอยู่กับสภาวะภายนอกน้อยกว่ามาก ในทางกลับกัน พลังงานความร้อนใต้พิภพมีเฉพาะในบางพื้นที่เท่านั้น ในขณะที่เซลล์เชื้อเพลิงกลับไม่มีปัญหานี้อีก

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเป็นหนึ่งในแหล่งพลังงานที่มีอนาคตสดใสที่สุด เนื่องจากสามารถพกพาได้และมีความยืดหยุ่นในขนาด

ความยากในการกักเก็บไฮโดรเจน

นอกเหนือจากปัญหาข้อบกพร่องของเมมเบรนและตัวเร่งปฏิกิริยาในปัจจุบันแล้ว ความท้าทายทางเทคนิคอื่นๆ สำหรับเซลล์เชื้อเพลิงยังเกี่ยวข้องกับการจัดเก็บและการขนส่งเชื้อเพลิงไฮโดรเจน ไฮโดรเจนมีพลังงานจำเพาะต่ำมากต่อหน่วยปริมาตร (ปริมาณพลังงานที่มีอยู่ในหน่วยปริมาตรที่อุณหภูมิและความดันที่กำหนด) ดังนั้นจึงต้องเก็บไว้ที่ความดันสูงมากเพื่อใช้ในยานพาหนะ มิฉะนั้นขนาดของภาชนะสำหรับจัดเก็บเชื้อเพลิงตามจำนวนที่ต้องการจะมีขนาดใหญ่มากจนเป็นไปไม่ได้ เนื่องจากข้อจำกัดเหล่านี้ในการกักเก็บไฮโดรเจน จึงมีความพยายามหาวิธีในการผลิตไฮโดรเจนจากสิ่งอื่นที่ไม่ใช่รูปแบบก๊าซ เช่น ในเซลล์เชื้อเพลิงเมทัลไฮไดรด์ อย่างไรก็ตาม การใช้งานเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับผู้บริโภคในปัจจุบัน เช่น โตโยต้า มิไร จะใช้ไฮโดรเจนวิกฤตยิ่งยวด (ไฮโดรเจนที่กักเก็บไว้ที่อุณหภูมิสูงกว่า 33 เคลวิน และความดันที่สูงกว่า 13.3 บรรยากาศ กล่าวคือ สูงกว่าค่าวิกฤต) และนี่คือตัวเลือกที่สะดวกที่สุดในปัจจุบัน

แนวโน้มสำหรับภูมิภาค

เนื่องจากปัญหาทางเทคนิคในปัจจุบันและความท้าทายในการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์ การวิจัยในอนาคตอันใกล้นี้จึงมีแนวโน้มที่จะมุ่งเน้นไปที่การค้นหาแหล่งอื่นของไฮโดรเจนเป็นหลัก แนวคิดยอดนิยมประการหนึ่งคือการใช้แอมโมเนีย (ไฮโดรเจนไนไตรด์) ในเซลล์เชื้อเพลิงโดยตรงแทนไฮโดรเจน หรือสร้างไฮโดรเจนจากแอมโมเนีย เหตุผลก็คือแอมโมเนียมีความต้องการแรงดันน้อยกว่า ซึ่งทำให้จัดเก็บและเคลื่อนย้ายได้สะดวกยิ่งขึ้น นอกจากนี้แอมโมเนียยังเป็นแหล่งไฮโดรเจนที่น่าสนใจเนื่องจากไม่มีคาร์บอน ซึ่งจะช่วยแก้ปัญหาพิษของตัวเร่งปฏิกิริยาเนื่องจาก CO บางส่วนในไฮโดรเจนที่ผลิตจากมีเทน

ในอนาคต เซลล์เชื้อเพลิงอาจมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีการเคลื่อนที่และการผลิตพลังงานแบบกระจาย เช่น ในพื้นที่ที่อยู่อาศัย แม้ว่าการใช้เซลล์เชื้อเพลิงเป็นแหล่งพลังงานหลักในปัจจุบันต้องใช้เงินจำนวนมาก แต่หากค้นพบตัวเร่งปฏิกิริยาที่ถูกกว่าและมีประสิทธิภาพมากขึ้น เมมเบรนที่มีความเสถียรซึ่งมีการนำไฟฟ้าสูงและแหล่งอื่นของไฮโดรเจนถูกค้นพบ เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนก็จะกลายเป็นสิ่งที่น่าสนใจในเชิงเศรษฐกิจอย่างมาก

กระบวนการทางเคมีในเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงใช้กระบวนการเคมีไฟฟ้าเพื่อรวมไฮโดรเจนกับออกซิเจนที่ได้รับจากอากาศ เช่นเดียวกับแบตเตอรี่ เซลล์เชื้อเพลิงใช้อิเล็กโทรด (ตัวนำไฟฟ้าที่เป็นของแข็ง) ในอิเล็กโทรไลต์ (ตัวกลางที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า) เมื่อโมเลกุลไฮโดรเจนสัมผัสกับขั้วลบ (ขั้วบวก) ขั้วหลังจะถูกแยกออกเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน โปรตอนผ่านเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (POEM) ไปยังขั้วบวก (แคโทด) ของเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า กำลังเกิดขึ้น สารประกอบเคมีโมเลกุลของไฮโดรเจนและออกซิเจนเพื่อสร้างน้ำเป็นผลพลอยได้จากปฏิกิริยานี้ การปล่อยก๊าซเรือนกระจกประเภทเดียวจากเซลล์เชื้อเพลิงคือไอน้ำ
ไฟฟ้าที่ผลิตโดยเซลล์เชื้อเพลิงสามารถนำไปใช้ในระบบส่งกำลังไฟฟ้าของยานพาหนะ (ประกอบด้วยตัวแปลงพลังงานไฟฟ้าและมอเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสสลับ) เพื่อให้พลังงานกลในการขับเคลื่อนยานพาหนะ งานของเครื่องแปลงพลังงานไฟฟ้าคือการแปลงกระแสตรงที่สร้างโดยเซลล์เชื้อเพลิงให้เป็นกระแสสลับที่ขับเคลื่อนมอเตอร์ฉุดลากของยานพาหนะ

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

เซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC) ใช้ปฏิกิริยาที่ง่ายที่สุดอย่างหนึ่งของเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงเซลล์เดียว

มาดูกันว่าเซลล์เชื้อเพลิงทำงานอย่างไร ขั้วบวกซึ่งเป็นขั้วลบของเซลล์เชื้อเพลิงนำอิเล็กตรอนที่เป็นอิสระจากโมเลกุลไฮโดรเจนเพื่อให้สามารถนำไปใช้ในวงจรไฟฟ้าภายนอกได้ ในการทำเช่นนี้มีการสลักช่องไว้เพื่อกระจายไฮโดรเจนให้ทั่วพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างเท่าเทียมกัน แคโทด (ขั้วบวกของเซลล์เชื้อเพลิง) มีช่องสลักที่กระจายออกซิเจนผ่านพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา นอกจากนี้ยังนำอิเล็กตรอนกลับจากวงนอก (วงจร) ไปยังตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งพวกมันสามารถรวมตัวกับไฮโดรเจนไอออนและออกซิเจนเพื่อสร้างน้ำ อิเล็กโทรไลต์เป็นเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน นี่เป็นวัสดุพิเศษที่คล้ายกับพลาสติกธรรมดา แต่มีความสามารถในการให้ไอออนที่มีประจุบวกผ่านและปิดกั้นการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน
ตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นวัสดุพิเศษที่ช่วยให้เกิดปฏิกิริยาระหว่างออกซิเจนกับไฮโดรเจน ตัวเร่งปฏิกิริยามักทำจากผงแพลทินัมทาในชั้นบางๆ ลงบนกระดาษคาร์บอนหรือผ้า ตัวเร่งปฏิกิริยาจะต้องหยาบและมีรูพรุนเพื่อให้พื้นผิวสัมผัสกับไฮโดรเจนและออกซิเจนได้สูงสุด ด้านที่เคลือบด้วยแพลตตินัมของตัวเร่งปฏิกิริยาจะอยู่ด้านหน้าเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM)
ก๊าซไฮโดรเจน (H2) จะถูกส่งไปยังเซลล์เชื้อเพลิงภายใต้แรงกดดันจากขั้วบวก เมื่อโมเลกุล H2 สัมผัสกับแพลตตินัมบนตัวเร่งปฏิกิริยา มันจะแยกออกเป็นสองส่วน คือ ไอออนสองตัว (H+) และอิเล็กตรอนสองตัว (e–) อิเล็กตรอนจะดำเนินการผ่านขั้วบวก โดยที่อิเล็กตรอนจะผ่านวงจรภายนอก (วงจร) เพื่อทำงานที่มีประโยชน์ (เช่น การขับมอเตอร์ไฟฟ้า) และกลับมาที่ด้านแคโทดของเซลล์เชื้อเพลิง
ในขณะเดียวกัน ที่ด้านแคโทดของเซลล์เชื้อเพลิง ก๊าซออกซิเจน (O 2 ) จะถูกบังคับผ่านตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งจะสร้างอะตอมออกซิเจนสองอะตอม แต่ละอะตอมเหล่านี้มีความแข็งแกร่ง ประจุลบซึ่งดึงดูดไอออน H+ สองตัวผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ โดยที่พวกมันจะรวมกับอะตอมออกซิเจนและอิเล็กตรอนสองตัวจากวงจรด้านนอกเพื่อสร้างโมเลกุลของน้ำ (H 2 O)
ปฏิกิริยานี้ในเซลล์เชื้อเพลิงเซลล์เดียวให้พลังงานประมาณ 0.7 วัตต์ ในการเพิ่มพลังงานให้ถึงระดับที่ต้องการ เซลล์เชื้อเพลิงจำนวนมากจะต้องรวมกันเพื่อสร้างกองเซลล์เชื้อเพลิง
เซลล์เชื้อเพลิง POM ทำงานที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำ (ประมาณ 80°C) ซึ่งหมายความว่าเซลล์เชื้อเพลิงสามารถขึ้นสู่อุณหภูมิการทำงานได้อย่างรวดเร็ว และไม่จำเป็นต้องใช้ระบบทำความเย็นที่มีราคาแพง การปรับปรุงเทคโนโลยีและวัสดุอย่างต่อเนื่องที่ใช้ในเซลล์เหล่านี้ทำให้พลังงานเข้าใกล้ระดับที่แบตเตอรี่ของเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวซึ่งครอบครองส่วนเล็กๆ ท้ายรถ สามารถให้พลังงานที่จำเป็นในการขับเคลื่อนรถยนต์ได้
ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา ผู้ผลิตรถยนต์ชั้นนำของโลกส่วนใหญ่ลงทุนอย่างมากในการพัฒนาการออกแบบรถยนต์ที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิง หลายคนได้สาธิตรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงที่มีกำลังและสมรรถนะที่น่าพอใจแล้ว แม้ว่าจะมีราคาค่อนข้างแพงก็ตาม
การปรับปรุงการออกแบบรถยนต์ดังกล่าวมีความเข้มข้นมาก

รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงใช้โรงไฟฟ้าที่ตั้งอยู่ใต้พื้นรถ

NECAR V มีพื้นฐานมาจากรถยนต์ Mercedes-Benz A-class โดยมีโรงไฟฟ้าทั้งหมดพร้อมเซลล์เชื้อเพลิงอยู่ใต้พื้นรถ โซลูชันการออกแบบนี้ทำให้สามารถรองรับผู้โดยสารและสัมภาระได้สี่คนในรถ ที่นี่ไม่ใช่ไฮโดรเจน แต่เมทานอลถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์ เมทานอลซึ่งใช้รีฟอร์มเมอร์ (อุปกรณ์ที่แปลงเมทานอลเป็นไฮโดรเจน) จะถูกแปลงเป็นไฮโดรเจนที่จำเป็นในการจ่ายพลังงานให้กับเซลล์เชื้อเพลิง การใช้รีฟอร์มเมอร์บนรถยนต์ทำให้สามารถใช้ไฮโดรคาร์บอนเกือบทุกชนิดเป็นเชื้อเพลิงได้ ซึ่งช่วยให้คุณสามารถเติมเชื้อเพลิงรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงโดยใช้เครือข่ายปั๊มน้ำมันที่มีอยู่ ตามทฤษฎีแล้ว เซลล์เชื้อเพลิงไม่ได้ผลิตอะไรเลยนอกจากไฟฟ้าและน้ำ การแปลงเชื้อเพลิง (น้ำมันเบนซินหรือเมทานอล) เป็นไฮโดรเจนที่จำเป็นสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงช่วยลดความน่าดึงดูดด้านสิ่งแวดล้อมของรถยนต์ประเภทนี้ได้บ้าง
ฮอนด้า ซึ่งเกี่ยวข้องกับเซลล์เชื้อเพลิงมาตั้งแต่ปี 1989 ได้ผลิตรถยนต์ Honda FCX-V4 ชุดเล็กๆ ในปี 2003 โดยใช้เซลล์เชื้อเพลิงแลกเปลี่ยนโปรตอนประเภทเมมเบรนบัลลาร์ด เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้สร้างพลังงานไฟฟ้าได้ 78 กิโลวัตต์ และใช้มอเตอร์ไฟฟ้าแบบฉุดลากที่มีกำลัง 60 กิโลวัตต์และแรงบิด 272 นิวตันเมตรในการขับเคลื่อนล้อขับเคลื่อน รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงเมื่อเปรียบเทียบกับรถยนต์ทั่วไปจะมีมวลประมาณ น้อยลง 40% ซึ่งรับประกันไดนามิกที่ดีเยี่ยม และการจ่ายไฮโดรเจนอัดช่วยให้วิ่งได้ไกลถึง 355 กม.

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

รถยนต์แนวคิด Hy Wire ของ General Motors มีระบบส่งกำลังเซลล์เชื้อเพลิง

เจนเนอรัล มอเตอร์ส กำลังดำเนินการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับการพัฒนาและการสร้างรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิง

โครงรถไฮไวร์

รถแนวคิด GM Hy Wire ได้รับการจดสิทธิบัตร 26 ฉบับ พื้นฐานของรถคือแพลตฟอร์มการทำงานที่มีความหนา 150 มม. ภายในแท่นประกอบด้วยถังไฮโดรเจน ระบบส่งกำลังเซลล์เชื้อเพลิง และระบบควบคุมยานพาหนะที่ใช้เทคโนโลยีขับเคลื่อนด้วยสายไฟล่าสุด แชสซีของรถยนต์ Hy Wire นั้นเป็นแพลตฟอร์มแบบบางที่บรรจุองค์ประกอบหลักทั้งหมดของโครงสร้างของยานพาหนะ: ถังไฮโดรเจน เซลล์เชื้อเพลิง แบตเตอรี่ มอเตอร์ไฟฟ้า และระบบควบคุม วิธีการออกแบบนี้ทำให้สามารถเปลี่ยนตัวถังรถได้ในระหว่างการใช้งาน นอกจากนี้ บริษัทยังกำลังทดสอบรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงต้นแบบของ Opel และออกแบบโรงงานผลิตเซลล์เชื้อเพลิงอีกด้วย

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

BMW ให้ความสำคัญกับปัญหาการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์เป็นอย่างมาก ร่วมกับ Magna Steyer ซึ่งเป็นที่รู้จักในด้านการใช้ไฮโดรเจนเหลวใน การวิจัยอวกาศ BMW ได้พัฒนาถังเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหลวที่สามารถใช้ในรถยนต์ได้

การทดสอบยืนยันความปลอดภัยในการใช้ถังเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหลว

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

รถยนต์โปรดักชั่นคันแรกของโลกที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงแทนแบตเตอรี่

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

หุ่นยนต์จะทำการเติมไฮโดรเจน โดยคนขับไม่เกี่ยวข้องกับกระบวนการนี้

บริษัท BMW เดียวกันนี้ยังได้พัฒนาเครื่องจ่ายเชื้อเพลิงแบบหุ่นยนต์ที่ช่วยให้การเติมเชื้อเพลิงรถยนต์ด้วยไฮโดรเจนเหลวรวดเร็วและปลอดภัย
การเกิดขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาของการพัฒนาจำนวนมากที่มุ่งสร้างรถยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงทางเลือกและระบบส่งกำลังทางเลือก แสดงให้เห็นว่าเครื่องยนต์สันดาปภายในซึ่งครองรถยนต์มาตลอดศตวรรษที่ผ่านมา จะหลีกทางให้การออกแบบที่สะอาดขึ้น มีประสิทธิภาพมากขึ้น และเงียบลงในที่สุด การกระจายอย่างกว้างขวางในปัจจุบันไม่ได้ถูกจำกัดโดยทางเทคนิค แต่โดยทางเศรษฐกิจและ ปัญหาสังคม. สำหรับการใช้งานอย่างแพร่หลาย จำเป็นต้องสร้างโครงสร้างพื้นฐานบางอย่างสำหรับการพัฒนาการผลิตเชื้อเพลิงทางเลือก การสร้างและการจำหน่ายปั๊มน้ำมันแห่งใหม่ และเพื่อเอาชนะอุปสรรคทางจิตวิทยาหลายประการ การใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงของยานพาหนะจะต้องจัดการกับปัญหาการจัดเก็บ การจัดส่ง และการจัดจำหน่าย โดยมีมาตรการด้านความปลอดภัยที่ร้ายแรง
ตามทฤษฎีแล้วไฮโดรเจนมีอยู่ในปริมาณไม่จำกัด แต่การผลิตไฮโดรเจนนั้นใช้พลังงานมาก นอกจากนี้ ในการแปลงรถยนต์ให้ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจน จำเป็นต้องทำการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่สองครั้งในระบบไฟฟ้า ประการแรก เปลี่ยนการทำงานของระบบจากน้ำมันเบนซินเป็นเมทานอล จากนั้นเมื่อเวลาผ่านไปเป็นไฮโดรเจน จะใช้เวลาสักระยะก่อนที่ปัญหานี้จะได้รับการแก้ไข

คำอธิบาย:

บทความนี้จะตรวจสอบรายละเอียดการออกแบบการจำแนกประเภทข้อดีและข้อเสียขอบเขตการใช้งานประสิทธิผลประวัติความเป็นมาของการสร้างสรรค์และโอกาสในการใช้งานที่ทันสมัย

การใช้เซลล์เชื้อเพลิงเพื่อสร้างพลังงานให้กับอาคาร

ส่วนที่ 1

บทความนี้จะตรวจสอบรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับหลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงการออกแบบการจำแนกประเภทข้อดีและข้อเสียขอบเขตการใช้งานประสิทธิภาพประวัติความเป็นมาของการสร้างสรรค์และโอกาสในการใช้งานที่ทันสมัย ในส่วนที่สองของบทความซึ่งจะตีพิมพ์ในนิตยสาร ABOK ฉบับถัดไป โดยมีตัวอย่างสิ่งอำนวยความสะดวกที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงประเภทต่างๆ เป็นแหล่งความร้อนและแหล่งจ่ายไฟ (หรือแหล่งจ่ายไฟเพียงอย่างเดียว)

การแนะนำ

เซลล์เชื้อเพลิงเป็นวิธีการผลิตพลังงานที่มีประสิทธิภาพ เชื่อถือได้ ทนทาน และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

เซลล์เชื้อเพลิงเริ่มแรกใช้ในอุตสาหกรรมอวกาศเท่านั้น ปัจจุบันมีการใช้งานมากขึ้นในหลากหลายพื้นที่ เช่น โรงไฟฟ้าแบบอยู่กับที่ แหล่งจ่ายความร้อนและพลังงานสำหรับอาคาร เครื่องยนต์ของยานพาหนะ แหล่งจ่ายพลังงานสำหรับแล็ปท็อปและโทรศัพท์มือถือ อุปกรณ์เหล่านี้บางส่วนเป็นต้นแบบในห้องปฏิบัติการ บางส่วนอยู่ระหว่างการทดสอบก่อนการผลิตหรือใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการสาธิต แต่หลายรุ่นมีการผลิตจำนวนมากและใช้ในโครงการเชิงพาณิชย์

เซลล์เชื้อเพลิง (เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเคมีไฟฟ้า) เป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานเคมีของเชื้อเพลิง (ไฮโดรเจน) ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรงผ่านปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า ตรงกันข้ามกับเทคโนโลยีแบบดั้งเดิมที่ใช้การเผาไหม้เชื้อเพลิงแข็ง ของเหลว และก๊าซ การแปลงเชื้อเพลิงเคมีไฟฟ้าโดยตรงมีประสิทธิภาพและน่าดึงดูดมากจากมุมมองด้านสิ่งแวดล้อม เนื่องจากกระบวนการดำเนินการก่อให้เกิดมลพิษในปริมาณน้อยที่สุด และไม่มีเสียงรบกวนหรือการสั่นสะเทือนที่รุนแรง

จากมุมมองในทางปฏิบัติ เซลล์เชื้อเพลิงมีลักษณะคล้ายกับแบตเตอรี่โวลตาอิกทั่วไป ข้อแตกต่างคือแบตเตอรี่ถูกชาร์จครั้งแรก เช่น เติม "เชื้อเพลิง" ในระหว่างการทำงาน "เชื้อเพลิง" จะถูกใช้และแบตเตอรี่จะหมด เซลล์เชื้อเพลิงต่างจากแบตเตอรี่ตรงที่ใช้เชื้อเพลิงที่มาจากแหล่งภายนอกเพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้า (รูปที่ 1)

ในการผลิตพลังงานไฟฟ้า ไม่เพียงแต่ไฮโดรเจนบริสุทธิ์เท่านั้นที่สามารถนำมาใช้ได้ แต่ยังรวมถึงวัตถุดิบอื่นๆ ที่มีไฮโดรเจนด้วย เช่น ก๊าซธรรมชาติ แอมโมเนีย เมทานอล หรือน้ำมันเบนซิน อากาศธรรมดาถูกใช้เป็นแหล่งออกซิเจน ซึ่งจำเป็นสำหรับปฏิกิริยาเช่นกัน

เมื่อใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์เป็นเชื้อเพลิง ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยานอกเหนือจากพลังงานไฟฟ้าแล้ว ได้แก่ ความร้อนและน้ำ (หรือไอน้ำ) กล่าวคือ ไม่มีการปล่อยก๊าซออกสู่ชั้นบรรยากาศ ก่อให้เกิดมลภาวะสภาพแวดล้อมทางอากาศหรือทำให้เกิดภาวะเรือนกระจก หากใช้วัตถุดิบที่มีไฮโดรเจน เช่น ก๊าซธรรมชาติ เป็นเชื้อเพลิง ก๊าซอื่นๆ เช่น คาร์บอนและไนโตรเจนออกไซด์จะเป็นผลพลอยได้จากปฏิกิริยา แต่ปริมาณจะต่ำกว่ามากเมื่อเผาก๊าซธรรมชาติในปริมาณเท่ากัน แก๊ส.

กระบวนการเปลี่ยนเชื้อเพลิงทางเคมีเพื่อผลิตไฮโดรเจนเรียกว่าการปฏิรูป และอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องเรียกว่ารีฟอร์มเมอร์

ข้อดีและข้อเสียของเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพด้านพลังงานมากกว่าเครื่องยนต์สันดาปภายใน เนื่องจากไม่มีข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพพลังงานทางอุณหพลศาสตร์สำหรับเซลล์เชื้อเพลิง ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงอยู่ที่ 50% ในขณะที่ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์สันดาปภายในอยู่ที่ 12-15% และประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้ากังหันไอน้ำไม่เกิน 40% ด้วยการใช้ความร้อนและน้ำ ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงจึงเพิ่มขึ้นอีก

ตัวอย่างเช่น ต่างจากเครื่องยนต์สันดาปภายใน ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงยังคงสูงมากแม้ว่าจะไม่ได้ทำงานเต็มกำลังก็ตาม นอกจากนี้ พลังของเซลล์เชื้อเพลิงยังสามารถเพิ่มขึ้นได้เพียงเพิ่มแต่ละยูนิต ในขณะที่ประสิทธิภาพไม่เปลี่ยนแปลง กล่าวคือ การติดตั้งขนาดใหญ่ก็มีประสิทธิภาพพอๆ กับการติดตั้งขนาดเล็ก สถานการณ์เหล่านี้ทำให้สามารถเลือกส่วนประกอบของอุปกรณ์ได้อย่างยืดหยุ่นมากตามความต้องการของลูกค้า และนำไปสู่การลดต้นทุนอุปกรณ์ในท้ายที่สุด

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของเซลล์เชื้อเพลิงคือความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม การปล่อยเซลล์เชื้อเพลิงต่ำมากจนในบางพื้นที่ของสหรัฐอเมริกา การดำเนินงานไม่จำเป็นต้องได้รับการอนุมัติเป็นพิเศษจากหน่วยงานกำกับดูแลคุณภาพอากาศของรัฐบาล

เซลล์เชื้อเพลิงสามารถติดตั้งในอาคารได้โดยตรง ช่วยลดการสูญเสียระหว่างการขนส่งพลังงาน และความร้อนที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาสามารถนำมาใช้จ่ายความร้อนหรือน้ำร้อนให้กับอาคารได้ แหล่งความร้อนและไฟฟ้าอัตโนมัติสามารถเป็นประโยชน์อย่างมากในพื้นที่ห่างไกลและในภูมิภาคที่มีการขาดแคลนไฟฟ้าและต้นทุนสูง แต่ในขณะเดียวกัน ก็มีวัตถุดิบสำรองที่มีไฮโดรเจน (น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติ)

ข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงคือความพร้อมของเชื้อเพลิง ความน่าเชื่อถือ (ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวในเซลล์เชื้อเพลิง) ความทนทาน และความสะดวกในการใช้งาน

ข้อเสียเปรียบหลักประการหนึ่งของเซลล์เชื้อเพลิงในปัจจุบันคือต้นทุนที่ค่อนข้างสูง แต่ข้อเสียนี้สามารถเอาชนะได้ในไม่ช้า - บริษัทต่างๆ จำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ กำลังผลิตตัวอย่างเซลล์เชื้อเพลิงในเชิงพาณิชย์ มีการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง และต้นทุนก็ลดลง

วิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดคือการใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์เป็นเชื้อเพลิง แต่จะต้องมีการสร้างโครงสร้างพื้นฐานพิเศษสำหรับการผลิตและการขนส่ง ปัจจุบันการออกแบบเชิงพาณิชย์ทั้งหมดใช้ก๊าซธรรมชาติและเชื้อเพลิงที่คล้ายคลึงกัน ยานยนต์สามารถใช้น้ำมันเบนซินธรรมดาได้ ซึ่งจะช่วยให้สามารถรักษาเครือข่ายปั๊มน้ำมันที่พัฒนาแล้วที่มีอยู่ได้ อย่างไรก็ตาม การใช้เชื้อเพลิงดังกล่าวทำให้เกิดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่เป็นอันตรายสู่ชั้นบรรยากาศ (แม้ว่าจะต่ำมาก) และทำให้เซลล์เชื้อเพลิงมีความซับซ้อน (และทำให้ต้นทุนเพิ่มขึ้น) ในอนาคต มีการพิจารณาถึงความเป็นไปได้ในการใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียนที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม (เช่น พลังงานแสงอาทิตย์หรือพลังงานลม) เพื่อย่อยสลายน้ำให้เป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนโดยใช้กระแสไฟฟ้า จากนั้นจึงแปลงเชื้อเพลิงที่ได้เป็นเซลล์เชื้อเพลิง โรงงานที่รวมกันดังกล่าวซึ่งดำเนินงานในวงจรปิดสามารถเป็นแหล่งพลังงานที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เชื่อถือได้ ทนทาน และมีประสิทธิภาพ

คุณสมบัติอีกประการหนึ่งของเซลล์เชื้อเพลิงคือมีประสิทธิภาพสูงสุดเมื่อใช้พลังงานทั้งไฟฟ้าและความร้อนพร้อมกัน อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ว่าทุกโรงงานจะมีโอกาสใช้พลังงานความร้อนได้ หากเซลล์เชื้อเพลิงถูกใช้เพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้าเท่านั้น ประสิทธิภาพจะลดลง แม้ว่าจะเกินกว่าประสิทธิภาพของการติดตั้งแบบ "ดั้งเดิม" ก็ตาม

ประวัติศาสตร์และการใช้เซลล์เชื้อเพลิงสมัยใหม่

หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2382 นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ William Robert Grove (1811-1896) ค้นพบว่ากระบวนการอิเล็กโทรไลซิส - การสลายตัวของน้ำเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนผ่านกระแสไฟฟ้า - สามารถย้อนกลับได้เช่น ไฮโดรเจนและออกซิเจนสามารถรวมกันเป็นโมเลกุลของน้ำโดยไม่มีการเผาไหม้ แต่มีการปล่อย ความร้อนและกระแสไฟฟ้า โกรฟเรียกอุปกรณ์ที่อาจเกิดปฏิกิริยาดังกล่าวว่า "แบตเตอรี่แก๊ส" ซึ่งเป็นเซลล์เชื้อเพลิงเซลล์แรก

การพัฒนาเทคโนโลยีสำหรับการใช้เซลล์เชื้อเพลิงอย่างแข็งขันเริ่มขึ้นหลังสงครามโลกครั้งที่สอง และมีความเกี่ยวข้องกับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ในเวลานี้ กำลังค้นหาแหล่งพลังงานที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้ แต่ในขณะเดียวกันก็ค่อนข้างมีขนาดกะทัดรัด ในทศวรรษ 1960 ผู้เชี่ยวชาญของ NASA (National Aeronautics and Space Administration, NASA) เลือกเซลล์เชื้อเพลิงเป็นแหล่งพลังงานสำหรับยานอวกาศของ Apollo (เที่ยวบินบรรจุมนุษย์ไปยังดวงจันทร์), โครงการ Apollo-Soyuz, Gemini และ Skylab . ยานอวกาศอพอลโลใช้โรงไฟฟ้าขนาด 1.5 กิโลวัตต์ (สูงสุด 2.2 กิโลวัตต์) สามแห่งโดยใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนแช่แข็งเพื่อผลิตไฟฟ้า ความร้อน และน้ำ น้ำหนักการติดตั้งแต่ละครั้งคือ 113 กก. เซลล์ทั้งสามนี้ทำงานแบบขนาน แต่พลังงานที่สร้างขึ้นโดยหน่วยเดียวก็เพียงพอสำหรับการส่งกลับอย่างปลอดภัย ตลอดการบิน 18 เที่ยว เซลล์เชื้อเพลิงทำงานได้รวม 10,000 ชั่วโมงโดยไม่มีข้อผิดพลาดใดๆ ปัจจุบัน เซลล์เชื้อเพลิงถูกใช้ในกระสวยอวกาศ ซึ่งใช้หน่วย 12 วัตต์สามหน่วยเพื่อสร้างพลังงานไฟฟ้าทั้งหมดบนยานอวกาศ (รูปที่ 2) น้ำที่ได้รับจากปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีนั้นใช้สำหรับน้ำดื่มและอุปกรณ์ทำความเย็นด้วย

ในประเทศของเรายังมีการดำเนินการเกี่ยวกับการสร้างเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อใช้ในอวกาศอีกด้วย ตัวอย่างเช่น เซลล์เชื้อเพลิงถูกใช้เพื่อขับเคลื่อนยานอวกาศโซเวียต Buran ที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้

การพัฒนาวิธีการสำหรับการใช้เซลล์เชื้อเพลิงเชิงพาณิชย์เริ่มขึ้นในกลางทศวรรษ 1960 การพัฒนาเหล่านี้ได้รับทุนบางส่วนจากองค์กรภาครัฐ

ปัจจุบันการพัฒนาเทคโนโลยีการใช้เซลล์เชื้อเพลิงกำลังดำเนินไปในหลายทิศทาง นี่คือการสร้างโรงไฟฟ้าแบบอยู่กับที่บนเซลล์เชื้อเพลิง (ทั้งสำหรับการจัดหาพลังงานแบบรวมศูนย์และแบบกระจายอำนาจ) โรงไฟฟ้าสำหรับรถยนต์ (สร้างตัวอย่างรถยนต์และรถโดยสารบนเซลล์เชื้อเพลิงรวมถึงในประเทศของเราด้วย) (รูปที่ 3) และ รวมถึงแหล่งจ่ายไฟสำหรับอุปกรณ์พกพาต่างๆ (คอมพิวเตอร์แล็ปท็อป โทรศัพท์มือถือ ฯลฯ) (รูปที่ 4)

ตัวอย่างการใช้เซลล์เชื้อเพลิงในด้านต่างๆ แสดงไว้ในตารางที่ 1 1.

เซลล์เชื้อเพลิงเชิงพาณิชย์รุ่นแรกๆ ที่ออกแบบมาเพื่อให้ความร้อนและพลังงานอัตโนมัติแก่อาคารคือ PC25 Model A ที่ผลิตโดย ONSI Corporation (ปัจจุบันคือ United Technologies, Inc.) เซลล์เชื้อเพลิงที่มีกำลังพิกัด 200 กิโลวัตต์นี้เป็นเซลล์ชนิดหนึ่งที่มีอิเล็กโทรไลต์ซึ่งมีกรดฟอสฟอริกเป็นส่วนประกอบ (เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก, PAFC) หมายเลข “25” ในชื่อรุ่นหมายถึงหมายเลขประจำเครื่องของการออกแบบ รุ่นก่อนหน้านี้ส่วนใหญ่เป็นหน่วยทดลองหรือหน่วยทดสอบ เช่น รุ่น "PC11" ขนาด 12.5 กิโลวัตต์ที่เปิดตัวในปี 1970 รุ่นใหม่เพิ่มกำลังที่ดึงมาจากเซลล์เชื้อเพลิงแต่ละเซลล์ และยังช่วยลดต้นทุนต่อกิโลวัตต์ของพลังงานที่ผลิตได้อีกด้วย ปัจจุบันหนึ่งในโมเดลเชิงพาณิชย์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดคือเซลล์เชื้อเพลิง PC25 Model C เช่นเดียวกับรุ่น A นี่คือเซลล์เชื้อเพลิง PAFC อัตโนมัติขนาด 200 กิโลวัตต์ที่ออกแบบมาสำหรับการติดตั้งในสถานที่โดยเป็นแหล่งความร้อนและพลังงานในตัวเอง เซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวสามารถติดตั้งภายนอกอาคารได้ ภายนอกเป็นรูปขนาน ยาว 5.5 ม. กว้างและสูง 3 ม. หนัก 18,140 กก. ความแตกต่างจากรุ่นก่อนๆ คือตัวรีฟอร์มเมอร์ที่ได้รับการปรับปรุงและมีความหนาแน่นกระแสสูงขึ้น

ในเซลล์เชื้อเพลิงบางประเภท กระบวนการทางเคมีสามารถย้อนกลับได้ โดยการใช้ความต่างศักย์กับอิเล็กโทรด น้ำสามารถแตกตัวเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน ซึ่งสะสมอยู่บนอิเล็กโทรดที่มีรูพรุน เมื่อมีการเชื่อมต่อโหลด เซลล์เชื้อเพลิงที่สร้างใหม่ดังกล่าวจะเริ่มผลิตพลังงานไฟฟ้า

ทิศทางที่น่าหวังสำหรับการใช้เซลล์เชื้อเพลิงคือการใช้ร่วมกับแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น แผงเซลล์แสงอาทิตย์หรือโรงไฟฟ้าพลังงานลม เทคโนโลยีนี้ช่วยให้เราหลีกเลี่ยงมลพิษทางอากาศได้อย่างสมบูรณ์ มีการวางแผนที่จะสร้างระบบที่คล้ายกันเช่นใน ศูนย์ฝึกอดัม โจเซฟ ลูอิสที่โอเบอร์ลิน (ดู ABOK, 2002, no. 5, p. 10) ปัจจุบันมีการใช้แผงโซลาร์เซลล์เป็นแหล่งพลังงานอย่างหนึ่งในอาคารแห่งนี้ ร่วมกับผู้เชี่ยวชาญของ NASA โครงการได้รับการพัฒนาเพื่อใช้แผงเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อผลิตไฮโดรเจนและออกซิเจนจากน้ำโดยอิเล็กโทรไลซิส จากนั้นไฮโดรเจนจะถูกนำมาใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้าและน้ำร้อน ซึ่งจะช่วยให้อาคารสามารถรักษาการทำงานของระบบทั้งหมดไว้ได้ในช่วงวันที่มีเมฆมากและในเวลากลางคืน

หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง

ลองพิจารณาหลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงโดยใช้ตัวอย่างองค์ประกอบอย่างง่ายที่มีเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (Proton Exchange Membrane, PEM) เซลล์ดังกล่าวประกอบด้วยเมมเบรนโพลีเมอร์ที่วางอยู่ระหว่างแอโนด (อิเล็กโทรดบวก) และแคโทด (อิเล็กโทรดลบ) พร้อมด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาแอโนดและแคโทด เมมเบรนโพลีเมอร์ถูกใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ แผนภาพขององค์ประกอบ PEM แสดงในรูปที่ 1 5.

เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) เป็นของแข็งบาง (หนาประมาณ 2-7 แผ่นของกระดาษ) สารประกอบอินทรีย์. เมมเบรนนี้ทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์ โดยแยกสารออกเป็นไอออนที่มีประจุบวกและประจุลบเมื่อมีน้ำ

กระบวนการออกซิเดชันเกิดขึ้นที่ขั้วบวก และกระบวนการรีดักชันเกิดขึ้นที่แคโทด แอโนดและแคโทดในเซลล์ PEM ทำจากวัสดุที่มีรูพรุน ซึ่งเป็นส่วนผสมของอนุภาคคาร์บอนและแพลตตินัม แพลตตินัมทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ส่งเสริมปฏิกิริยาการแยกตัว แอโนดและแคโทดมีรูพรุนเพื่อให้ไฮโดรเจนและออกซิเจนผ่านได้อย่างอิสระตามลำดับ

แอโนดและแคโทดวางอยู่ระหว่างแผ่นโลหะสองแผ่น ซึ่งจ่ายไฮโดรเจนและออกซิเจนให้กับแอโนดและแคโทด และขจัดความร้อนและน้ำ รวมถึงพลังงานไฟฟ้า

โมเลกุลของไฮโดรเจนจะผ่านช่องในแผ่นไปยังขั้วบวก ซึ่งโมเลกุลจะสลายตัวเป็นอะตอมเดี่ยวๆ (รูปที่ 6)

จากนั้น จากการดูดซับทางเคมีเมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยา อะตอมของไฮโดรเจนซึ่งแต่ละอะตอมจะให้อิเล็กตรอน e – 1 ตัวจะถูกแปลงเป็นไอออนไฮโดรเจนที่มีประจุบวก H + เช่น โปรตอน (รูปที่ 7)

ไอออนไฮโดรเจนที่มีประจุบวก (โปรตอน) กระจายผ่านเมมเบรนไปยังแคโทด และการไหลของอิเล็กตรอนจะถูกส่งไปยังแคโทดผ่านวงจรไฟฟ้าภายนอกซึ่งมีการเชื่อมต่อโหลด (ผู้ใช้พลังงานไฟฟ้า) (รูปที่ 8)

ออกซิเจนที่จ่ายให้กับแคโทดเมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยาจะเข้าสู่ปฏิกิริยาทางเคมีกับไฮโดรเจนไอออน (โปรตอน) จากเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนและอิเล็กตรอนจากวงจรไฟฟ้าภายนอก (รูปที่ 9) จากปฏิกิริยาเคมีทำให้เกิดน้ำขึ้น

ปฏิกิริยาทางเคมีในเซลล์เชื้อเพลิงประเภทอื่น (เช่น กับอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นกรดซึ่งใช้สารละลายของกรดออร์โธฟอสฟอริก H 3 PO 4) จะเหมือนกับปฏิกิริยาทางเคมีในเซลล์เชื้อเพลิงที่มีเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนอย่างแน่นอน

ในเซลล์เชื้อเพลิงใดๆ พลังงานบางส่วนจากปฏิกิริยาเคมีจะถูกปล่อยออกมาเป็นความร้อน

การไหลของอิเล็กตรอนในวงจรภายนอกเป็นกระแสตรงที่ใช้ในการทำงาน การเปิดวงจรภายนอกหรือการหยุดการเคลื่อนที่ของไอออนไฮโดรเจนจะหยุดปฏิกิริยาเคมี

ปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้จากเซลล์เชื้อเพลิงขึ้นอยู่กับชนิดของเซลล์เชื้อเพลิง ขนาดทางเรขาคณิต อุณหภูมิ ความดันก๊าซ เซลล์เชื้อเพลิงที่แยกจากกันจะมี EMF น้อยกว่า 1.16 V สามารถเพิ่มขนาดของเซลล์เชื้อเพลิงได้ แต่ในทางปฏิบัติ มีการใช้องค์ประกอบหลายอย่างที่เชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ (รูปที่ 10)

การออกแบบเซลล์เชื้อเพลิง

มาดูการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงโดยใช้ PC25 Model C เป็นตัวอย่างกัน แผนภาพเซลล์เชื้อเพลิงแสดงไว้ในรูปที่ 1 สิบเอ็ด

เซลล์เชื้อเพลิง PC25 Model C ประกอบด้วยสามส่วนหลัก: ตัวประมวลผลเชื้อเพลิง ส่วนการผลิตไฟฟ้าจริง และตัวแปลงแรงดันไฟฟ้า

ส่วนหลักของเซลล์เชื้อเพลิง - ส่วนการผลิตพลังงาน - คือแบตเตอรี่ที่ประกอบด้วยเซลล์เชื้อเพลิง 256 เซลล์ อิเล็กโทรดเซลล์เชื้อเพลิงมีตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินัม เซลล์เหล่านี้ผลิตกระแสไฟฟ้าคงที่ 1,400 แอมแปร์ที่ 155 โวลต์ ขนาดของแบตเตอรี่มีความยาวประมาณ 2.9 ม. กว้างและสูง 0.9 ม.

เนื่องจากกระบวนการไฟฟ้าเคมีเกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 177 °C จึงจำเป็นต้องให้ความร้อนแก่แบตเตอรี่เมื่อสตาร์ทเครื่อง และขจัดความร้อนออกจากแบตเตอรี่ระหว่างการทำงาน เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ เซลล์เชื้อเพลิงจึงมีวงจรน้ำแยกต่างหาก และแบตเตอรี่มีแผ่นทำความเย็นแบบพิเศษ

ตัวประมวลผลเชื้อเพลิงแปลงก๊าซธรรมชาติเป็นไฮโดรเจนซึ่งจำเป็นสำหรับปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า กระบวนการนี้เรียกว่าการปฏิรูป องค์ประกอบหลักของตัวประมวลผลเชื้อเพลิงคือตัวรีฟอร์มเมอร์ ในตัวรีฟอร์มเมอร์ ก๊าซธรรมชาติ (หรือเชื้อเพลิงที่มีไฮโดรเจนอื่นๆ) จะทำปฏิกิริยากับไอน้ำที่อุณหภูมิสูง (900 °C) และแรงดันสูงเมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิล ในกรณีนี้จะเกิดปฏิกิริยาเคมีต่อไปนี้:

CH 4 (มีเทน) + H 2 O 3H 2 + CO

(ปฏิกิริยาดูดความร้อนโดยมีการดูดซับความร้อน)

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(ปฏิกิริยาคายความร้อนและปล่อยความร้อน)

ปฏิกิริยาโดยรวมแสดงโดยสมการ:

CH 4 (มีเทน) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(ปฏิกิริยาคือดูดความร้อนโดยมีการดูดซับความร้อน)

เพื่อให้อุณหภูมิสูงที่จำเป็นในการแปลงก๊าซธรรมชาติ ส่วนหนึ่งของเชื้อเพลิงใช้แล้วจากกองเซลล์เชื้อเพลิงจะถูกส่งไปยังหัวเผา ซึ่งจะรักษาอุณหภูมิของตัวรีฟอร์มเมอร์ตามที่ต้องการ

ไอน้ำที่จำเป็นสำหรับการปฏิรูปนั้นเกิดจากคอนเดนเสทที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งใช้ความร้อนที่ดึงออกจากแบตเตอรี่ของเซลล์เชื้อเพลิง (รูปที่ 12)

กองเซลล์เชื้อเพลิงสร้างกระแสตรงเป็นระยะซึ่งเป็นแรงดันต่ำและกระแสสูง ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าใช้ในการแปลงเป็นกระแสไฟ AC มาตรฐานอุตสาหกรรม นอกจากนี้ ชุดแปลงแรงดันไฟฟ้ายังมีอุปกรณ์ควบคุมต่างๆ และวงจรอินเทอร์ล็อกเพื่อความปลอดภัยที่ช่วยให้สามารถปิดเซลล์เชื้อเพลิงได้ในกรณีที่เกิดข้อผิดพลาดต่างๆ

ในเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าว พลังงานเชื้อเพลิงประมาณ 40% สามารถแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ ปริมาณที่เท่ากันประมาณ 40% ของพลังงานเชื้อเพลิงสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานได้ ซึ่งจากนั้นจะใช้เป็นแหล่งความร้อนสำหรับการทำความร้อน การจ่ายน้ำร้อน และวัตถุประสงค์ที่คล้ายกัน ดังนั้นประสิทธิภาพโดยรวมของการติดตั้งดังกล่าวจึงสูงถึง 80%

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของแหล่งความร้อนและไฟฟ้าคือความเป็นไปได้ในการทำงานอัตโนมัติ สำหรับการบำรุงรักษา เจ้าของสถานที่ที่ติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงไม่จำเป็นต้องบำรุงรักษาบุคลากรที่ได้รับการฝึกอบรมมาเป็นพิเศษ - พนักงานขององค์กรปฏิบัติการสามารถดำเนินการบำรุงรักษาเป็นระยะได้

ประเภทของเซลล์เชื้อเพลิง

ปัจจุบันมีการรู้จักเซลล์เชื้อเพลิงหลายประเภท ซึ่งมีองค์ประกอบของอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้แตกต่างกัน สี่ประเภทต่อไปนี้เป็นที่แพร่หลายมากที่สุด (ตารางที่ 2):

1. เซลล์เชื้อเพลิงที่มีเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC)

2. เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้กรดออร์โธฟอสฟอริก (Fosphoric Acid Fuel Cells, PAFC)

3. เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้คาร์บอเนตหลอมละลาย (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC)

4. เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC) ปัจจุบัน กองเซลล์เชื้อเพลิงที่ใหญ่ที่สุดใช้เทคโนโลยี PAFC

ลักษณะสำคัญอย่างหนึ่งของเซลล์เชื้อเพลิงประเภทต่างๆ คืออุณหภูมิในการทำงาน ในหลาย ๆ ด้านอุณหภูมิจะเป็นตัวกำหนดพื้นที่การใช้งานของเซลล์เชื้อเพลิง ตัวอย่างเช่น อุณหภูมิสูงเป็นสิ่งสำคัญสำหรับแล็ปท็อป ดังนั้นจึงมีการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนที่มีอุณหภูมิการทำงานต่ำสำหรับกลุ่มตลาดนี้

สำหรับการจ่ายไฟอัตโนมัติของอาคารจำเป็นต้องใช้เซลล์เชื้อเพลิงที่มีกำลังไฟสูงติดตั้งและในขณะเดียวกันก็มีความเป็นไปได้ที่จะใช้พลังงานความร้อนดังนั้นเซลล์เชื้อเพลิงประเภทอื่น ๆ จึงสามารถใช้เพื่อวัตถุประสงค์เหล่านี้ได้

เซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC)

เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ทำงานที่อุณหภูมิการทำงานค่อนข้างต่ำ (60-160 °C) มีความหนาแน่นของพลังงานสูง ช่วยให้คุณปรับกำลังขับได้อย่างรวดเร็ว และสามารถเปิดได้อย่างรวดเร็ว ข้อเสียขององค์ประกอบประเภทนี้คือความต้องการคุณภาพเชื้อเพลิงสูง เนื่องจากเชื้อเพลิงที่ปนเปื้อนอาจทำให้เมมเบรนเสียหายได้ กำลังไฟพิกัดของเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้คือ 1-100 กิโลวัตต์

เซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนได้รับการพัฒนาโดยบริษัท General Electric ในทศวรรษ 1960 สำหรับ NASA เซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้ใช้อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์โซลิดสเตตที่เรียกว่า Proton Exchange Membrane (PEM) โปรตอนสามารถเคลื่อนที่ผ่านเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนได้ แต่อิเล็กตรอนไม่สามารถผ่านเข้าไปได้ ส่งผลให้เกิดความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นระหว่างแคโทดและแอโนด เนื่องจากความเรียบง่ายและความน่าเชื่อถือ เซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวจึงถูกใช้เป็นแหล่งพลังงานบนยานอวกาศเจมิไนที่มีคนขับ

เซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้ใช้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับอุปกรณ์หลากหลายประเภท รวมถึงต้นแบบและต้นแบบ ตั้งแต่โทรศัพท์มือถือไปจนถึงรถบัส และระบบไฟฟ้าแบบอยู่กับที่ อุณหภูมิในการทำงานต่ำทำให้เซลล์ดังกล่าวสามารถจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนประเภทต่างๆ ได้ การใช้เป็นแหล่งความร้อนและไฟฟ้าสำหรับอาคารสาธารณะและโรงงานอุตสาหกรรมที่มีประสิทธิผลน้อยกว่า ซึ่งต้องการพลังงานความร้อนปริมาณมาก ในเวลาเดียวกัน องค์ประกอบดังกล่าวมีแนวโน้มที่จะเป็นแหล่งพลังงานอิสระสำหรับอาคารพักอาศัยขนาดเล็ก เช่น กระท่อมที่สร้างขึ้นในภูมิภาคที่มีอากาศร้อน

เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (PAFC)

การทดสอบเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้ได้ดำเนินการไปแล้วในต้นปี 1970 ช่วงอุณหภูมิในการทำงาน - 150-200 °C. ขอบเขตการใช้งานหลักคือแหล่งความร้อนและไฟฟ้าที่เป็นอิสระของพลังงานปานกลาง (ประมาณ 200 กิโลวัตต์)

เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ใช้สารละลายกรดฟอสฟอริกเป็นอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรดทำจากกระดาษเคลือบด้วยคาร์บอนซึ่งมีตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัมกระจายอยู่

ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของเซลล์เชื้อเพลิง PAFC อยู่ที่ 37-42% อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ทำงานที่อุณหภูมิค่อนข้างสูง คุณจึงสามารถใช้ไอน้ำที่เกิดจากการทำงานได้ ในกรณีนี้ประสิทธิภาพโดยรวมสามารถเข้าถึง 80%

เพื่อผลิตพลังงาน วัตถุดิบที่มีไฮโดรเจนจะต้องถูกแปลงเป็นไฮโดรเจนบริสุทธิ์ผ่านกระบวนการปฏิรูป ตัวอย่างเช่น หากใช้น้ำมันเบนซินเป็นเชื้อเพลิง จำเป็นต้องกำจัดสารประกอบที่มีซัลเฟอร์ออก เนื่องจากซัลเฟอร์สามารถทำลายตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินัมได้

เซลล์เชื้อเพลิง PAFC เป็นเซลล์เชื้อเพลิงเชิงพาณิชย์เซลล์แรกที่ใช้อย่างประหยัด รุ่นที่พบบ่อยที่สุดคือเซลล์เชื้อเพลิง PC25 ขนาด 200 kW ที่ผลิตโดย ONSI Corporation (ปัจจุบันคือ United Technologies, Inc.) (รูปที่ 13) ตัวอย่างเช่น องค์ประกอบเหล่านี้ใช้เป็นแหล่งพลังงานความร้อนและไฟฟ้าในสถานีตำรวจในเซ็นทรัลพาร์คในนิวยอร์ก หรือเป็นแหล่งพลังงานเพิ่มเติมในอาคาร Conde Nast และโฟร์ไทม์สแควร์ การติดตั้งประเภทนี้ที่ใหญ่ที่สุดกำลังได้รับการทดสอบว่าเป็นโรงไฟฟ้าขนาด 11 เมกะวัตต์ที่ตั้งอยู่ในประเทศญี่ปุ่น

เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริกยังใช้เป็นแหล่งพลังงานในยานพาหนะอีกด้วย ตัวอย่างเช่น ในปี 1994 บริษัท H-Power Corp., มหาวิทยาลัยจอร์จทาวน์ และกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาได้ติดตั้งรถบัสที่มีโรงไฟฟ้าขนาด 50 กิโลวัตต์

เซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอเนตหลอมเหลว (MCFC)

เซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้ทำงานที่อุณหภูมิสูงมาก - 600-700 °C อุณหภูมิการทำงานเหล่านี้ช่วยให้สามารถใช้เชื้อเพลิงในเซลล์ได้โดยตรง โดยไม่ต้องใช้รีฟอร์มเมอร์แยกต่างหาก กระบวนการนี้เรียกว่า “การปฏิรูปภายใน” ทำให้การออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงง่ายขึ้นอย่างมาก

เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้คาร์บอเนตหลอมเหลวต้องใช้เวลาเริ่มต้นอย่างมีนัยสำคัญและไม่อนุญาตให้มีการปรับกำลังขับทันที ดังนั้นพื้นที่การใช้งานหลักคือแหล่งพลังงานความร้อนและไฟฟ้าที่นิ่งอยู่กับที่ขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตาม มีลักษณะเฉพาะคือประสิทธิภาพการแปลงเชื้อเพลิงสูง - ประสิทธิภาพทางไฟฟ้า 60% และประสิทธิภาพโดยรวมสูงถึง 85%

ในเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้ อิเล็กโทรไลต์ประกอบด้วยเกลือโพแทสเซียมคาร์บอเนตและเกลือลิเธียมคาร์บอเนตที่ได้รับความร้อนประมาณ 650 °C ภายใต้สภาวะเหล่านี้ เกลือจะอยู่ในสถานะหลอมเหลวและก่อตัวเป็นอิเล็กโทรไลต์ ที่ขั้วบวก ไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับไอออน CO 3 ทำให้เกิดน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และปล่อยอิเล็กตรอน ซึ่งถูกส่งไปยังวงจรภายนอก และที่ขั้วแคโทด ออกซิเจนจะทำปฏิกิริยากับคาร์บอนไดออกไซด์และอิเล็กตรอนจากวงจรภายนอก ทำให้เกิดไอออน CO 3 อีกครั้ง .

ตัวอย่างเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้ในห้องปฏิบัติการถูกสร้างขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1950 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์ G. H. J. Broers และ J. A. A. Ketelaar ในทศวรรษ 1960 วิศวกร Francis T. Bacon ซึ่งเป็นผู้สืบเชื้อสายมาจากนักเขียนและนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษผู้โด่งดังแห่งศตวรรษที่ 17 ได้ทำงานร่วมกับเซลล์เหล่านี้ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเซลล์เชื้อเพลิง MCFC บางครั้งจึงถูกเรียกว่าเซลล์เบคอน ในโปรแกรม NASA Apollo, Apollo-Soyuz และ Scylab เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ถูกใช้เป็นแหล่งพลังงาน (รูปที่ 14) ในช่วงปีเดียวกันนี้ กระทรวงทหารสหรัฐฯ ได้ทดสอบตัวอย่างเซลล์เชื้อเพลิง MCFC หลายตัวอย่างที่ผลิตโดย Texas Instruments ซึ่งใช้น้ำมันเบนซินเกรดทหารเป็นเชื้อเพลิง ในช่วงกลางทศวรรษ 1970 กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาได้เริ่มการวิจัยเพื่อสร้างเซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอเนตหลอมเหลวแบบอยู่กับที่ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานจริง ในช่วงทศวรรษ 1990 มีการติดตั้งการติดตั้งเชิงพาณิชย์จำนวนหนึ่งซึ่งมีกำลังไฟพิกัดสูงสุด 250 กิโลวัตต์ เช่น ที่สถานีการบินนาวีสหรัฐ มิรามาร์ ในแคลิฟอร์เนีย ในปี 1996 บริษัท FuelCell Energy, Inc. เปิดตัวโรงงานก่อนการผลิตขนาด 2 เมกะวัตต์ในเมืองซานตาคลารา รัฐแคลิฟอร์เนีย

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดสเตตออกไซด์ (SOFC)

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดสเตตออกไซด์ได้รับการออกแบบอย่างเรียบง่ายและทำงานที่อุณหภูมิสูงมาก - 700-1,000 °C อุณหภูมิที่สูงเช่นนี้ทำให้สามารถใช้เชื้อเพลิงที่ค่อนข้าง "สกปรก" และไม่บริสุทธิ์ได้ คุณสมบัติเช่นเดียวกับเซลล์เชื้อเพลิงที่มีคาร์บอเนตหลอมเหลวกำหนดขอบเขตการใช้งานที่คล้ายกัน - แหล่งพลังงานความร้อนและไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่อยู่นิ่ง

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์มีโครงสร้างที่แตกต่างจากเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้เทคโนโลยี PAFC และ MCFC แอโนด แคโทด และอิเล็กโทรไลต์ทำจากเซรามิกเกรดพิเศษ อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้กันมากที่สุดคือส่วนผสมของเซอร์โคเนียมออกไซด์และแคลเซียมออกไซด์ แต่สามารถใช้ออกไซด์อื่นได้ อิเล็กโทรไลต์ก่อให้เกิดโครงตาข่ายคริสตัลที่เคลือบทั้งสองด้านด้วยวัสดุอิเล็กโทรดที่มีรูพรุน โครงสร้างองค์ประกอบดังกล่าวทำในรูปแบบของหลอดหรือแผ่นแบนซึ่งทำให้สามารถใช้เทคโนโลยีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ในการผลิตได้ เป็นผลให้เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดสเตตออกไซด์สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงมาก ทำให้มีข้อได้เปรียบในการผลิตทั้งพลังงานไฟฟ้าและพลังงานความร้อน

ที่อุณหภูมิการทำงานสูง ไอออนของออกซิเจนจะถูกสร้างขึ้นที่แคโทด ซึ่งเคลื่อนตัวผ่านตาข่ายคริสตัลไปยังขั้วบวก ซึ่งไอออนเหล่านี้จะทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนไอออน ก่อตัวเป็นน้ำ และปล่อยอิเล็กตรอนอิสระออกมา ในกรณีนี้ ไฮโดรเจนจะถูกแยกออกจากก๊าซธรรมชาติในเซลล์โดยตรง กล่าวคือ ไม่จำเป็นต้องมีรีฟอร์มเมอร์แยกต่างหาก

รากฐานทางทฤษฎีสำหรับการสร้างเซลล์เชื้อเพลิงโซลิดสเตตออกไซด์ถูกวางกลับคืนมาในช่วงปลายทศวรรษ 1930 เมื่อนักวิทยาศาสตร์ชาวสวิส Emil Bauer และ H. Preis ทดลองกับเซอร์โคเนียม อิตเทรียม ซีเรียม แลนทานัม และทังสเตน โดยใช้พวกมันเป็นอิเล็กโทรไลต์

ต้นแบบแรกของเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวถูกสร้างขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1950 โดยบริษัทในอเมริกาและดัตช์หลายแห่ง ในไม่ช้าบริษัทเหล่านี้ส่วนใหญ่ก็ละทิ้งการวิจัยเพิ่มเติมเนื่องจากปัญหาทางเทคโนโลยี แต่หนึ่งในนั้นคือ Westinghouse Electric Corp. (ปัจจุบันคือ Siemens Westinghouse Power Corporation) ยังคงทำงานต่อไป ขณะนี้บริษัทกำลังเปิดรับการสั่งซื้อล่วงหน้าสำหรับรุ่นเชิงพาณิชย์ของเซลล์เชื้อเพลิงโซลิดสเตตออกไซด์แบบท่อ ซึ่งคาดว่าจะวางจำหน่ายในปีนี้ (รูปที่ 15) ส่วนตลาดขององค์ประกอบดังกล่าวคือการติดตั้งแบบอยู่กับที่สำหรับการผลิตพลังงานความร้อนและไฟฟ้าที่มีกำลังการผลิต 250 กิโลวัตต์ถึง 5 เมกะวัตต์

เซลล์เชื้อเพลิง SOFC แสดงให้เห็นความน่าเชื่อถือที่สูงมาก ตัวอย่างเช่น เซลล์เชื้อเพลิงต้นแบบที่ผลิตโดย Siemens Westinghouse ใช้งานได้ถึง 16,600 ชั่วโมงและยังคงทำงานต่อไป ทำให้เซลล์เชื้อเพลิงมีอายุการใช้งานต่อเนื่องยาวนานที่สุดในโลก

โหมดการทำงานที่อุณหภูมิสูงและแรงดันสูงของเซลล์เชื้อเพลิง SOFC ช่วยให้สามารถสร้างโรงงานไฮบริดซึ่งการปล่อยเซลล์เชื้อเพลิงจะขับเคลื่อนกังหันก๊าซที่ใช้ในการผลิตพลังงานไฟฟ้า การติดตั้งแบบไฮบริดครั้งแรกกำลังดำเนินการในเมืองเออร์ไวน์ รัฐแคลิฟอร์เนีย กำลังไฟฟ้าที่กำหนดของการติดตั้งนี้คือ 220 กิโลวัตต์ โดยแบ่งเป็น 200 กิโลวัตต์จากเซลล์เชื้อเพลิง และ 20 กิโลวัตต์จากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าไมโครเทอร์ไบน์

คุณจะไม่แปลกใจอีกต่อไปกับแผงโซลาร์เซลล์หรือกังหันลมซึ่งผลิตไฟฟ้าในทุกภูมิภาคของโลก แต่เอาท์พุตจากอุปกรณ์เหล่านี้ไม่คงที่และจำเป็นต้องติดตั้งแหล่งพลังงานสำรองหรือเชื่อมต่อเครือข่ายเพื่อรับไฟฟ้าในช่วงที่แหล่งพลังงานหมุนเวียนไม่ผลิตไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม มีพืชที่พัฒนาขึ้นในศตวรรษที่ 19 ที่ใช้เชื้อเพลิง "ทางเลือก" เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า กล่าวคือ ห้ามเผาก๊าซหรือผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม การติดตั้งดังกล่าวเป็นเซลล์เชื้อเพลิง

ประวัติศาสตร์แห่งการสร้างสรรค์

เซลล์เชื้อเพลิง (FC) หรือเซลล์เชื้อเพลิงถูกค้นพบในปี 1838-1839 โดยวิลเลียม โกรฟ (โกรฟ โกรฟ) เมื่อเขากำลังศึกษาอิเล็กโทรไลซิสของน้ำ

ช่วย: การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเป็นกระบวนการสลายตัวของน้ำภายใต้อิทธิพลของกระแสไฟฟ้าให้เป็นโมเลกุลของไฮโดรเจนและออกซิเจน

หลังจากถอดแบตเตอรี่ออกจากเซลล์อิเล็กโทรไลต์แล้ว เขาก็ต้องประหลาดใจเมื่อพบว่าอิเล็กโทรดเริ่มดูดซับก๊าซที่ปล่อยออกมาและสร้างกระแสไฟฟ้า การค้นพบกระบวนการเผาไหม้ไฮโดรเจนแบบ "เย็น" ด้วยเคมีไฟฟ้าถือเป็นเหตุการณ์สำคัญในอุตสาหกรรมพลังงาน ต่อมาเขาได้สร้างแบตเตอรี่ Grove อุปกรณ์นี้มีอิเล็กโทรดแพลทินัมแช่อยู่ในกรดไนตริกและอิเล็กโทรดสังกะสีในซิงค์ซัลเฟต สร้างกระแสไฟฟ้า 12 แอมแปร์ และแรงดันไฟฟ้า 8 โวลต์ เติบโตเองเรียกการออกแบบนี้ "แบตเตอรี่เปียก". จากนั้นเขาก็สร้างแบตเตอรี่โดยใช้อิเล็กโทรดแพลทินัมสองตัว ปลายด้านหนึ่งของอิเล็กโทรดแต่ละอันอยู่ในกรดซัลฟิวริก และปลายอีกด้านหนึ่งถูกปิดผนึกไว้ในภาชนะที่มีไฮโดรเจนและออกซิเจน มีกระแสคงที่ระหว่างอิเล็กโทรด และปริมาณน้ำภายในภาชนะเพิ่มขึ้น Grow สามารถย่อยสลายและปรับปรุงน้ำในอุปกรณ์นี้ได้

“แบตเตอรี่เติบโต”

(ที่มา: ราชสมาคมพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติด้านประวัติศาสตร์ธรรมชาติ)

คำว่า “เซลล์เชื้อเพลิง” (ภาษาอังกฤษ “Fuel Cell”) ปรากฏเฉพาะในปี พ.ศ. 2432 โดย L. Mond และ
C. Langer ผู้พยายามสร้างอุปกรณ์สำหรับผลิตกระแสไฟฟ้าจากอากาศและก๊าซถ่านหิน

มันทำงานอย่างไร?

เซลล์เชื้อเพลิงเป็นอุปกรณ์ที่ค่อนข้างง่าย. มีอิเล็กโทรด 2 อิเล็กโทรด: แอโนด (อิเล็กโทรดลบ) และแคโทด (อิเล็กโทรดบวก) ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นที่อิเล็กโทรด เพื่อเร่งความเร็ว พื้นผิวของอิเล็กโทรดจึงถูกเคลือบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา FC มีการติดตั้งอีกหนึ่งองค์ประกอบ - เมมเบรนการแปลงพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงเป็นไฟฟ้าโดยตรงเกิดขึ้นเนื่องจากการทำงานของเมมเบรน มันแยกสองห้องขององค์ประกอบที่ใช้จ่ายเชื้อเพลิงและออกซิไดเซอร์ เมมเบรนยอมให้เฉพาะโปรตอนซึ่งเกิดจากการแยกตัวของเชื้อเพลิง ผ่านจากห้องหนึ่งไปยังอีกห้องหนึ่งที่อิเล็กโทรดที่เคลือบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา (จากนั้นอิเล็กตรอนจะเดินทางผ่านวงจรภายนอก) ในห้องที่สอง โปรตอนจะรวมกับอิเล็กตรอน (และอะตอมออกซิเจน) เพื่อสร้างน้ำ

หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

ในระดับเคมี กระบวนการแปลงพลังงานเชื้อเพลิงเป็นพลังงานไฟฟ้าจะคล้ายกับกระบวนการเผาไหม้แบบธรรมดา (ออกซิเดชัน)

ในระหว่างการเผาไหม้ตามปกติในออกซิเจน จะเกิดออกซิเดชันของเชื้อเพลิงอินทรีย์ และพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงจะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อน มาดูกันว่าเกิดอะไรขึ้นระหว่างการเกิดออกซิเดชันของไฮโดรเจนกับออกซิเจนในสภาพแวดล้อมของอิเล็กโทรไลต์และเมื่อมีอิเล็กโทรด

เมื่อจ่ายไฮโดรเจนให้กับอิเล็กโทรดที่อยู่ในสภาพแวดล้อมที่เป็นด่าง จะเกิดปฏิกิริยาทางเคมีขึ้น:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

อย่างที่คุณเห็น เราได้อิเล็กตรอนที่ผ่านวงจรภายนอก มาถึงอิเล็กโทรดฝั่งตรงข้าม ซึ่งมีออกซิเจนไหลไปและเกิดปฏิกิริยาที่ใด:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

จะเห็นได้ว่าปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น 2H 2 + O 2 → H 2 O จะเหมือนกับระหว่างการเผาไหม้ปกติ แต่ เซลล์เชื้อเพลิงผลิตกระแสไฟฟ้าและความร้อนบางส่วน.

ประเภทของเซลล์เชื้อเพลิง

เป็นเรื่องปกติที่จะจำแนกเซลล์เชื้อเพลิงตามประเภทของอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้สำหรับปฏิกิริยา:

โปรดทราบว่าถ่านหิน คาร์บอนมอนอกไซด์ แอลกอฮอล์ ไฮดราซีน และอื่นๆ สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงในเซลล์เชื้อเพลิงได้เช่นกัน อินทรียฺวัตถุและเป็นตัวออกซิไดซ์ - อากาศ, ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์, คลอรีน, โบรมีน, กรดไนตริก ฯลฯ

ประสิทธิภาพเซลล์เชื้อเพลิง

คุณสมบัติของเซลล์เชื้อเพลิงคือ ไม่มีข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพที่เข้มงวดเช่นเครื่องยนต์ความร้อน

ช่วย: ประสิทธิภาพวงจรการ์โนต์ คือประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ในบรรดาเครื่องยนต์ที่ใช้ความร้อนทั้งหมดโดยมีอุณหภูมิต่ำสุดและสูงสุดเท่ากัน

ดังนั้นประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงในทางทฤษฎีจึงอาจสูงกว่า 100% ได้ หลายคนยิ้มและคิดว่า “เครื่องจักรการเคลื่อนที่ตลอดกาลได้ถูกประดิษฐ์ขึ้นแล้ว” ไม่ เราควรกลับไปเรียนวิชาเคมีของโรงเรียน เซลล์เชื้อเพลิงขึ้นอยู่กับการแปลงพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้า นี่คือที่ที่ปาฏิหาริย์เกิดขึ้น ปฏิกิริยาเคมีบางอย่างที่เกิดขึ้นสามารถดูดซับความร้อนจากสิ่งแวดล้อมได้

ช่วย ปฏิกิริยาดูดความร้อนเป็นปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นพร้อมกับการดูดซับความร้อน สำหรับปฏิกิริยาดูดความร้อน การเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีและพลังงานภายในมีค่าบวก (Δชม >0, Δ ยู >0) ดังนั้น ผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยาจึงมีพลังงานมากกว่าส่วนประกอบเริ่มต้น

ตัวอย่างของปฏิกิริยาดังกล่าวคือการเกิดออกซิเดชันของไฮโดรเจน ซึ่งใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงส่วนใหญ่ ดังนั้นตามทฤษฎีแล้วประสิทธิภาพอาจมากกว่า 100% แต่ทุกวันนี้เซลล์เชื้อเพลิงจะร้อนขึ้นระหว่างการทำงานและไม่สามารถดูดซับความร้อนจากสิ่งแวดล้อมได้

ช่วย ข้อจำกัดนี้กำหนดโดยกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ กระบวนการถ่ายเทความร้อนจากวัตถุ "เย็น" ไปยังวัตถุ "ร้อน" นั้นเป็นไปไม่ได้

นอกจากนี้ยังมีการสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการที่ไม่สมดุลอีกด้วย เช่น: การสูญเสียโอห์มมิกเนื่องจากค่าการนำไฟฟ้าจำเพาะของอิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรด โพลาไรเซชันของการกระตุ้นและความเข้มข้น การสูญเสียการแพร่กระจาย เป็นผลให้พลังงานส่วนหนึ่งที่สร้างขึ้นในเซลล์เชื้อเพลิงถูกแปลงเป็นความร้อน ดังนั้นเซลล์เชื้อเพลิงจึงไม่ใช่เครื่องจักรที่เคลื่อนที่ตลอดเวลาและมีประสิทธิภาพต่ำกว่า 100% แต่ประสิทธิภาพนั้นมากกว่าเครื่องจักรอื่นๆ วันนี้ ประสิทธิภาพเซลล์เชื้อเพลิงสูงถึง 80%.

อ้างอิง:ในวัยสี่สิบ วิศวกรชาวอังกฤษ T. Bacon ออกแบบและสร้างแบตเตอรี่เซลล์เชื้อเพลิงที่มีกำลังรวม 6 kW และมีประสิทธิภาพ 80% ซึ่งใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนบริสุทธิ์ แต่อัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักของแบตเตอรี่กลับน้อยเกินไป เช่น เซลล์ไม่เหมาะสมสำหรับการใช้งานจริงและมีราคาแพงเกินไป (ที่มา: http: //www.powerinfo.ru/)

ปัญหาเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงเกือบทั้งหมดใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง ดังนั้นจึงเกิดคำถามเชิงตรรกะ: "ฉันจะหามันได้จากที่ไหน"

ดูเหมือนว่าเซลล์เชื้อเพลิงถูกค้นพบอันเป็นผลมาจากอิเล็กโทรไลซิส ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะใช้ไฮโดรเจนที่ปล่อยออกมาอันเป็นผลมาจากอิเล็กโทรไลซิส แต่ลองดูกระบวนการนี้โดยละเอียดยิ่งขึ้น

ตามกฎของฟาราเดย์ ปริมาณของสารที่ถูกออกซิไดซ์ที่ขั้วบวกหรือลดลงที่ขั้วลบจะเป็นสัดส่วนกับปริมาณไฟฟ้าที่ไหลผ่านอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งหมายความว่าเพื่อให้ได้ไฮโดรเจนมากขึ้น คุณจำเป็นต้องใช้ไฟฟ้ามากขึ้น วิธีการอิเล็กโทรไลซิสของน้ำที่มีอยู่ทำงานโดยมีประสิทธิภาพน้อยกว่าหนึ่งวิธี จากนั้นเราจะใช้ไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นในเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งประสิทธิภาพยังน้อยกว่าความสามัคคีอีกด้วย ดังนั้นเราจะใช้พลังงานมากกว่าที่เราจะผลิตได้

แน่นอนคุณสามารถใช้ไฮโดรเจนที่ผลิตจากก๊าซธรรมชาติได้ วิธีการผลิตไฮโดรเจนนี้ยังคงเป็นวิธีที่ถูกและเป็นที่นิยมมากที่สุด ปัจจุบันประมาณ 50% ของไฮโดรเจนที่ผลิตทั่วโลกมาจากก๊าซธรรมชาติ แต่มีปัญหาในการจัดเก็บและขนส่งไฮโดรเจน ไฮโดรเจนมีความหนาแน่นต่ำ ( ไฮโดรเจน 1 ลิตรหนัก 0.0846 กรัม) ดังนั้นหากต้องการขนส่งในระยะทางไกลจึงต้องบีบอัด และนี่คือต้นทุนด้านพลังงานและการเงินเพิ่มเติม อย่าลืมเรื่องความปลอดภัยด้วย

อย่างไรก็ตาม ยังมีวิธีแก้ปัญหาอยู่ด้วย - เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนเหลวสามารถใช้เป็นแหล่งไฮโดรเจนได้ ตัวอย่างเช่น เอทิลหรือเมทิลแอลกอฮอล์ จริงอยู่ที่ต้องใช้อุปกรณ์เพิ่มเติมพิเศษ - ตัวแปลงเชื้อเพลิงซึ่งที่อุณหภูมิสูง (สำหรับเมทานอลจะอยู่ที่ประมาณ 240 ° C) แปลงแอลกอฮอล์เป็นส่วนผสมของก๊าซ H 2 และ CO 2 แต่ในกรณีนี้มันยากกว่าที่จะคิดเกี่ยวกับการพกพา - อุปกรณ์ดังกล่าวเหมาะที่จะใช้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบอยู่กับที่หรือในรถยนต์ แต่สำหรับอุปกรณ์เคลื่อนที่ขนาดกะทัดรัดคุณต้องการบางสิ่งที่เทอะทะน้อยกว่า

ตัวเร่ง

เพื่อเพิ่มปฏิกิริยาในเซลล์เชื้อเพลิง โดยทั่วไปผิวแอโนดจะได้รับการบำบัดด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ แพลทินัมถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา จึงมีต้นทุนค่าเซลล์เชื้อเพลิงสูง ประการที่สอง แพลทินัมเป็นโลหะที่ค่อนข้างหายาก ตามที่ผู้เชี่ยวชาญระบุว่า การผลิตเซลล์เชื้อเพลิงทางอุตสาหกรรม ปริมาณสำรองแพลตตินัมที่พิสูจน์แล้วจะหมดลงในอีก 15-20 ปี แต่นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกกำลังพยายามแทนที่แพลตตินัมด้วยวัสดุอื่น โดยวิธีการบางอย่างของพวกเขาได้รับผลลัพธ์ที่ดี ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์ชาวจีนจึงเปลี่ยนแพลตตินัมเป็นแคลเซียมออกไซด์ (ที่มา: www.cheburek.net)

การใช้เซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงเซลล์แรกในเทคโนโลยียานยนต์ได้รับการทดสอบในปี 1959 รถแทรกเตอร์ Alice-Chambers ใช้แบตเตอรี่ 1,008 ก้อนในการทำงาน เชื้อเพลิงนั้นเป็นส่วนผสมของก๊าซ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นโพรเพนและออกซิเจน

ที่มา: http://www.planetseed.com/

ตั้งแต่ช่วงกลางทศวรรษที่ 60 ในช่วง "การแข่งขันทางอวกาศ" ที่สูงที่สุด ผู้สร้างยานอวกาศเริ่มสนใจเซลล์เชื้อเพลิง ผลงานของนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรหลายพันคนช่วยให้เราก้าวไปสู่ระดับใหม่และในปี 1965 เซลล์เชื้อเพลิงได้รับการทดสอบในสหรัฐอเมริกาบนยานอวกาศ Gemini 5 และต่อมาในยานอวกาศ Apollo สำหรับเที่ยวบินไปยังดวงจันทร์และโครงการกระสวยอวกาศ ในสหภาพโซเวียต เซลล์เชื้อเพลิงได้รับการพัฒนาที่ NPO Kvant เพื่อใช้ในอวกาศด้วย (ที่มา: http://www.powerinfo.ru/)

เนื่องจากในเซลล์เชื้อเพลิงผลิตภัณฑ์สุดท้ายของการเผาไหม้ไฮโดรเจนคือน้ำ จึงถือว่าสะอาดที่สุดในแง่ของผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ดังนั้นเซลล์เชื้อเพลิงจึงเริ่มได้รับความนิยมท่ามกลางความสนใจทั่วไปต่อสิ่งแวดล้อม

ผู้ผลิตรถยนต์ เช่น ฮอนด้า ฟอร์ด นิสสัน และเมอร์เซเดส-เบนซ์ ได้สร้างรถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนแล้ว

Mercedes-Benz - Ener-G-Force ขับเคลื่อนด้วยไฮโดรเจน

เมื่อใช้รถยนต์ไฮโดรเจน ปัญหาเรื่องการกักเก็บไฮโดรเจนจะหมดไป การก่อสร้างสถานีบริการน้ำมันไฮโดรเจนจะทำให้สามารถเติมเชื้อเพลิงได้ทุกที่ นอกจากนี้การเติมเชื้อเพลิงรถยนต์ด้วยไฮโดรเจนยังเร็วกว่าการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าที่ปั๊มน้ำมันอีกด้วย แต่เมื่อดำเนินโครงการดังกล่าว เราก็ประสบปัญหาคล้ายกับรถยนต์ไฟฟ้า ผู้คนพร้อมที่จะเปลี่ยนมาใช้รถยนต์ไฮโดรเจนหากมีโครงสร้างพื้นฐานเพียงพอ และการก่อสร้างปั๊มน้ำมันจะเริ่มขึ้นหากมีผู้ใช้บริการเพียงพอ ดังนั้นเราจึงมาถึงภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกของไข่และไก่อีกครั้ง

เซลล์เชื้อเพลิงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายใน โทรศัพท์มือถือและแล็ปท็อป เวลาผ่านไปแล้วเมื่อชาร์จโทรศัพท์สัปดาห์ละครั้ง ตอนนี้โทรศัพท์ชาร์จเกือบทุกวันและแล็ปท็อปใช้งานได้ 3-4 ชั่วโมงโดยไม่มีเครือข่าย ดังนั้นผู้ผลิตเทคโนโลยีมือถือจึงตัดสินใจสังเคราะห์เซลล์เชื้อเพลิงกับโทรศัพท์และแล็ปท็อปเพื่อชาร์จและใช้งาน ยกตัวอย่างบริษัทโตชิบาเมื่อปี พ.ศ. 2546 สาธิตต้นแบบเซลล์เชื้อเพลิงเมธานอลที่เสร็จสมบูรณ์แล้ว ผลิตพลังงานได้ประมาณ 100 mW เมทานอลเข้มข้น (99.5%) จำนวน 2 ก้อนเติมหนึ่งครั้งก็เพียงพอสำหรับการใช้งานเครื่องเล่น MP3 เป็นเวลา 20 ชั่วโมง อีกครั้งที่โตชิบาคนเดียวกันได้สาธิตเซลล์สำหรับจ่ายไฟให้กับแล็ปท็อปขนาด 275x75x40 มม. ทำให้คอมพิวเตอร์ทำงานได้ 5 ชั่วโมงต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง

แต่ผู้ผลิตบางรายได้ไปไกลกว่านั้น บริษัท PowerTrekk ได้เปิดตัวเครื่องชาร์จในชื่อเดียวกัน PowerTrekk คือเครื่องชาร์จน้ำเครื่องแรกของโลก มันใช้งานง่ายมาก PowerTrekk ต้องเติมน้ำเพื่อจ่ายไฟฟ้าทันทีผ่านสาย USB เซลล์เชื้อเพลิงนี้ประกอบด้วยผงซิลิกอนและโซเดียมซิลิไซด์ (NaSi) เมื่อผสมกับน้ำ เมื่อรวมกันแล้วจะเกิดไฮโดรเจน ไฮโดรเจนผสมกับอากาศในเซลล์เชื้อเพลิง และจะเปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นไฟฟ้าผ่านการแลกเปลี่ยนเมมเบรน-โปรตอน โดยไม่ต้องใช้พัดลมหรือปั๊ม คุณสามารถซื้อเครื่องชาร์จแบบพกพาได้ในราคา 149 € (

เซลล์เชื้อเพลิง (เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเคมีไฟฟ้า) เป็นวิธีการผลิตพลังงานที่มีประสิทธิภาพ ทนทาน เชื่อถือได้ และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม เริ่มแรกใช้ในอุตสาหกรรมอวกาศเท่านั้น แต่ในปัจจุบัน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเคมีไฟฟ้ามีการใช้กันมากขึ้นในด้านต่างๆ เช่น แหล่งจ่ายไฟสำหรับโทรศัพท์มือถือและแล็ปท็อป เครื่องยนต์ของยานพาหนะ แหล่งพลังงานอัตโนมัติสำหรับอาคาร และโรงไฟฟ้าแบบอยู่กับที่ อุปกรณ์เหล่านี้บางส่วนทำงานเป็นต้นแบบในห้องปฏิบัติการ ในขณะที่อุปกรณ์อื่นๆ ใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการสาธิตหรืออยู่ระหว่างการทดสอบก่อนการผลิต อย่างไรก็ตาม มีหลายรุ่นที่ใช้ในโครงการเชิงพาณิชย์แล้วและมีการผลิตจำนวนมาก

อุปกรณ์

เซลล์เชื้อเพลิงเป็นอุปกรณ์เคมีไฟฟ้าที่สามารถให้อัตราการแปลงพลังงานเคมีที่มีอยู่เป็นพลังงานไฟฟ้าได้สูง

อุปกรณ์เซลล์เชื้อเพลิงประกอบด้วยสามส่วนหลัก:

1. ส่วนการผลิตไฟฟ้า
2. ซีพียู;
3. หม้อแปลงแรงดันไฟฟ้า

ส่วนหลักของเซลล์เชื้อเพลิงคือส่วนผลิตไฟฟ้าซึ่งเป็นแบตเตอรี่ที่ทำจากเซลล์เชื้อเพลิงแต่ละเซลล์ ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินัมรวมอยู่ในโครงสร้างของอิเล็กโทรดเซลล์เชื้อเพลิง การใช้เซลล์เหล่านี้จะเกิดกระแสไฟฟ้าคงที่

หนึ่งในอุปกรณ์เหล่านี้มีลักษณะดังต่อไปนี้: ที่แรงดันไฟฟ้า 155 โวลต์จะผลิตได้ 1,400 แอมแปร์ ขนาดแบตเตอรี่กว้างและสูง 0.9 ม. และยาว 2.9 ม. กระบวนการไฟฟ้าเคมีในนั้นดำเนินการที่อุณหภูมิ 177 °C ซึ่งต้องใช้ความร้อนของแบตเตอรี่ ณ เวลาที่สตาร์ทเครื่อง รวมถึงการกำจัดความร้อนระหว่างการทำงาน เพื่อจุดประสงค์นี้เซลล์เชื้อเพลิงจะรวมวงจรน้ำแยกต่างหากและแบตเตอรี่จะติดตั้งแผ่นทำความเย็นแบบพิเศษ

กระบวนการเชื้อเพลิงจะเปลี่ยนก๊าซธรรมชาติให้เป็นไฮโดรเจน ซึ่งจำเป็นสำหรับปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า องค์ประกอบหลักของตัวประมวลผลเชื้อเพลิงคือตัวรีฟอร์มเมอร์ ในนั้นก๊าซธรรมชาติ (หรือเชื้อเพลิงที่มีไฮโดรเจนอื่น ๆ ) ทำปฏิกิริยาที่ความดันสูงและอุณหภูมิสูง (ประมาณ 900 ° C) กับไอน้ำภายใต้การกระทำของตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิล

เพื่อรักษาอุณหภูมิที่ต้องการของรีฟอร์มเมอร์จึงมีหัวเผา ไอน้ำที่จำเป็นสำหรับการปฏิรูปถูกสร้างขึ้นจากคอนเดนเสท กระแสตรงที่ไม่เสถียรจะถูกสร้างขึ้นในแบตเตอรี่เซลล์เชื้อเพลิง และใช้ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าในการแปลง

นอกจากนี้ในบล็อกตัวแปลงแรงดันไฟฟ้ายังมี:

• อุปกรณ์ควบคุม
• วงจรอินเทอร์ล็อกนิรภัยที่จะปิดเซลล์เชื้อเพลิงระหว่างเกิดข้อผิดพลาดต่างๆ

หลักการทำงาน

เซลล์เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนที่ง่ายที่สุดประกอบด้วยเมมเบรนโพลีเมอร์ที่อยู่ระหว่างขั้วบวกและแคโทด รวมถึงตัวเร่งปฏิกิริยาแคโทดและแอโนด เมมเบรนโพลีเมอร์ถูกใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์

• เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนดูเหมือนสารประกอบอินทรีย์แข็งบาง ๆ ที่มีความหนาเล็กน้อย เมมเบรนนี้ทำงานเป็นอิเล็กโทรไลต์เมื่อมีน้ำ จะแยกสารออกเป็นไอออนที่มีประจุลบและประจุบวก
• ออกซิเดชันเริ่มต้นที่ขั้วบวก และการรีดักชันเกิดขึ้นที่แคโทด แคโทดและแอโนดในเซลล์ PEM ทำจากวัสดุที่มีรูพรุนซึ่งเป็นส่วนผสมของอนุภาคแพลตตินัมและคาร์บอน แพลตตินัมทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งส่งเสริมปฏิกิริยาการแยกตัว แคโทดและแอโนดมีรูพรุนเพื่อให้ออกซิเจนและไฮโดรเจนผ่านได้อย่างอิสระ
• แอโนดและแคโทดตั้งอยู่ระหว่างแผ่นโลหะสองแผ่น โดยจะจ่ายออกซิเจนและไฮโดรเจนให้กับแคโทดและแอโนด และกำจัดพลังงานไฟฟ้า ความร้อน และน้ำ
• ผ่านช่องทางในจาน โมเลกุลของไฮโดรเจนจะเข้าสู่ขั้วบวก ซึ่งโมเลกุลจะสลายตัวเป็นอะตอม
• อันเป็นผลมาจากการดูดซึมทางเคมีภายใต้อิทธิพลของตัวเร่งปฏิกิริยา อะตอมของไฮโดรเจนจะถูกแปลงเป็นไอออนไฮโดรเจน H+ ที่มีประจุบวก ซึ่งก็คือโปรตอน
• โปรตอนกระจายไปยังแคโทดผ่านเมมเบรน และการไหลของอิเล็กตรอนไปที่แคโทดผ่านวงจรไฟฟ้าภายนอกพิเศษ โหลดเชื่อมต่อกับมันนั่นคือผู้ใช้พลังงานไฟฟ้า
• เมื่อได้รับออกซิเจน ออกซิเจนซึ่งจ่ายให้กับแคโทดจะเข้าสู่ปฏิกิริยาเคมีกับอิเล็กตรอนจากวงจรไฟฟ้าภายนอก และไอออนไฮโดรเจนจากเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน จากปฏิกิริยาเคมีนี้ น้ำจึงปรากฏขึ้น

ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในเซลล์เชื้อเพลิงประเภทอื่น (เช่น กับอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นกรดในรูปของกรดออร์โธฟอสฟอริก H3PO4) จะเหมือนกับปฏิกิริยาของอุปกรณ์ที่มีเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนโดยสิ้นเชิง

ชนิด

ปัจจุบันมีการรู้จักเซลล์เชื้อเพลิงหลายประเภทซึ่งมีองค์ประกอบของอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้แตกต่างกัน:

• เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้กรดออร์โธฟอสฟอริกหรือกรดฟอสฟอริก (PAFC, เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก)
• อุปกรณ์ที่มีเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC, เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน)
• เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC, เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์)
• เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเคมีไฟฟ้าที่ใช้คาร์บอเนตหลอมเหลว (MCFC, เซลล์เชื้อเพลิงหลอมละลายคาร์บอเนต)

ปัจจุบันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเคมีไฟฟ้าที่ใช้เทคโนโลยี PAFC แพร่หลายมากขึ้น

แอปพลิเคชัน

ปัจจุบัน เซลล์เชื้อเพลิงถูกนำมาใช้ในกระสวยอวกาศ ซึ่งเป็นยานอวกาศที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ พวกเขาใช้หน่วย 12 W พวกมันผลิตกระแสไฟฟ้าทั้งหมดบนยานอวกาศ น้ำที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีจะนำไปใช้ดื่มรวมถึงอุปกรณ์ทำความเย็นด้วย

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเคมีไฟฟ้ายังใช้ในการจ่ายพลังงานให้โซเวียต Buran ซึ่งเป็นยานอวกาศที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้

เซลล์เชื้อเพลิงยังใช้ในภาคพลเรือนด้วย

• การติดตั้งแบบอยู่กับที่ที่มีกำลังตั้งแต่ 5–250 กิโลวัตต์ขึ้นไป ใช้เป็นแหล่งจ่ายความร้อนและพลังงานอัตโนมัติสำหรับอาคารอุตสาหกรรม อาคารสาธารณะและที่อยู่อาศัย อุปกรณ์จ่ายไฟฉุกเฉินและสำรอง และเครื่องสำรองไฟฟ้า
• หน่วยแบบพกพาที่มีกำลัง 1–50 kW ใช้สำหรับดาวเทียมอวกาศและเรือ อินสแตนซ์ถูกสร้างขึ้นสำหรับรถกอล์ฟ รถเข็นวีลแชร์ ตู้เย็นสำหรับรถไฟและสินค้า และป้ายจราจร
• การติดตั้งแบบเคลื่อนที่ด้วยกำลัง 25–150 kW พวกมันเริ่มถูกนำมาใช้ในเรือทหารและเรือดำน้ำ รวมถึงรถยนต์และยานพาหนะอื่นๆ รถต้นแบบได้ถูกสร้างขึ้นโดยบริษัทยักษ์ใหญ่ด้านยานยนต์ เช่น Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford และอื่นๆ
• อุปกรณ์ไมโครที่มีกำลังไฟ 1–500 W. พวกเขาพบการใช้งานในคอมพิวเตอร์มือถือขั้นสูง แล็ปท็อป อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค โทรศัพท์มือถือ และอุปกรณ์ทางการทหารสมัยใหม่

ลักษณะเฉพาะ

• พลังงานบางส่วนจากปฏิกิริยาเคมีในแต่ละเซลล์เชื้อเพลิงจะถูกปล่อยออกมาเป็นความร้อน จำเป็นต้องแช่เย็น ในวงจรภายนอก การไหลของอิเล็กตรอนจะสร้างกระแสตรงเพื่อใช้ในการทำงาน การหยุดการเคลื่อนที่ของไฮโดรเจนไอออนหรือการเปิดวงจรภายนอกจะทำให้ปฏิกิริยาเคมีหยุดลง
• ปริมาณไฟฟ้าที่เซลล์เชื้อเพลิงสร้างขึ้นจะขึ้นอยู่กับความดันก๊าซ อุณหภูมิ ขนาดทางเรขาคณิต และประเภทของเซลล์เชื้อเพลิง เพื่อเพิ่มปริมาณไฟฟ้าที่เกิดจากปฏิกิริยา เซลล์เชื้อเพลิงสามารถขยายใหญ่ขึ้นได้ แต่ในทางปฏิบัติ เซลล์เชื้อเพลิงหลายเซลล์จะถูกนำมาใช้รวมกันเป็นแบตเตอรี่
• กระบวนการทางเคมีในเซลล์เชื้อเพลิงบางประเภทสามารถย้อนกลับได้ กล่าวคือ เมื่อนำความต่างศักย์ไปใช้กับอิเล็กโทรด น้ำก็สามารถสลายตัวเป็นออกซิเจนและไฮโดรเจนได้ ซึ่งจะถูกรวบรวมไว้บนอิเล็กโทรดที่มีรูพรุน เมื่อเปิดโหลด เซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวจะผลิตพลังงานไฟฟ้า

อนาคต

ปัจจุบันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเคมีไฟฟ้าต้องใช้ต้นทุนเริ่มต้นจำนวนมากเพื่อใช้เป็นแหล่งพลังงานหลัก ด้วยการเปิดตัวเมมเบรนที่มีความเสถียรมากขึ้นโดยมีค่าการนำไฟฟ้าสูง ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพและราคาถูก รวมถึงแหล่งไฮโดรเจนทางเลือก เซลล์เชื้อเพลิงจึงมีความน่าสนใจในเชิงเศรษฐกิจสูงและจะถูกนำไปใช้ทุกที่

• รถยนต์จะทำงานโดยใช้เซลล์เชื้อเพลิง จะไม่มีเครื่องยนต์สันดาปภายในเลย น้ำหรือไฮโดรเจนโซลิดสเตตจะถูกใช้เป็นแหล่งพลังงาน การเติมน้ำมันจะง่ายและปลอดภัย และการขับขี่จะเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม - จะมีการผลิตไอน้ำเท่านั้น
• อาคารทุกหลังจะมีเครื่องกำเนิดพลังงานเซลล์เชื้อเพลิงแบบพกพาเป็นของตัวเอง
• เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเคมีไฟฟ้าจะเปลี่ยนแบตเตอรี่ทั้งหมดและจะติดตั้งในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และเครื่องใช้ในครัวเรือน

ข้อดีและข้อเสีย

เซลล์เชื้อเพลิงแต่ละประเภทมีข้อเสียและข้อดีของตัวเอง บางชนิดต้องการเชื้อเพลิงคุณภาพสูง บางชนิดมีการออกแบบที่ซับซ้อนและต้องใช้อุณหภูมิในการทำงานสูง

โดยทั่วไปข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงสามารถสังเกตได้ดังต่อไปนี้:

• ความปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อม
• เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเคมีไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องชาร์จใหม่
• เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเคมีไฟฟ้าสามารถสร้างพลังงานได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่สนใจสภาวะภายนอก
• ความยืดหยุ่นในด้านขนาดและการพกพา

ในบรรดาข้อเสียคือ:

• ปัญหาทางเทคนิคเกี่ยวกับการจัดเก็บและขนส่งน้ำมันเชื้อเพลิง
• องค์ประกอบที่ไม่สมบูรณ์ของอุปกรณ์: ตัวเร่งปฏิกิริยา เมมเบรน และอื่นๆ

เซลล์เชื้อเพลิง ( เซลล์เชื้อเพลิง) เป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานเคมีให้เป็นพลังงานไฟฟ้า มีหลักการคล้ายกับแบตเตอรี่ทั่วไป แต่แตกต่างตรงที่การทำงานของแบตเตอรี่ต้องใช้การจ่ายสารจากภายนอกอย่างต่อเนื่องเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า ไฮโดรเจนและออกซิเจนถูกจ่ายให้กับเซลล์เชื้อเพลิง และผลผลิตคือไฟฟ้า น้ำ และความร้อน ข้อดีได้แก่ ความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ความน่าเชื่อถือ ความทนทาน และความสะดวกในการใช้งาน ต่างจากแบตเตอรี่ทั่วไป คอนเวอร์เตอร์เคมีไฟฟ้าสามารถทำงานได้แทบไม่มีกำหนดตราบใดที่มีการจ่ายเชื้อเพลิง ไม่จำเป็นต้องชาร์จนานหลายชั่วโมงจนกว่าจะชาร์จเต็ม นอกจากนี้ เซลล์ยังสามารถชาร์จแบตเตอรี่ได้ในขณะที่จอดรถโดยดับเครื่องยนต์

เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในรถยนต์ไฮโดรเจน ได้แก่ เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนโปรตอน (PEMFC) และเซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC)

เซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนทำงานดังนี้ ระหว่างขั้วบวกและแคโทดจะมีเมมเบรนพิเศษและตัวเร่งปฏิกิริยาที่เคลือบด้วยทองคำขาว ไฮโดรเจนถูกจ่ายให้กับขั้วบวก และออกซิเจน (เช่น จากอากาศ) จะถูกจ่ายให้กับแคโทด ที่ขั้วบวก ไฮโดรเจนจะถูกสลายตัวเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอนด้วยความช่วยเหลือของตัวเร่งปฏิกิริยา โปรตอนไฮโดรเจนผ่านเมมเบรนและไปถึงแคโทด และอิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนไปยังวงจรภายนอก (เมมเบรนไม่อนุญาตให้พวกมันผ่าน) ความต่างศักย์ที่ได้รับจึงนำไปสู่การสร้างกระแสไฟฟ้า ในด้านแคโทด ไฮโดรเจนโปรตอนจะถูกออกซิไดซ์ด้วยออกซิเจน ส่งผลให้มีไอน้ำซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของก๊าซไอเสียรถยนต์ เซลล์ PEM มีประสิทธิภาพสูงมีข้อเสียเปรียบที่สำคัญประการหนึ่ง - การดำเนินการของพวกมันต้องใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์ซึ่งเป็นปัญหาที่ค่อนข้างร้ายแรงในการจัดเก็บ

หากพบว่ามีตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวมาแทนที่แพลตตินัมราคาแพงในเซลล์เหล่านี้ เซลล์เชื้อเพลิงราคาถูกสำหรับผลิตกระแสไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นทันที ซึ่งหมายความว่าโลกจะเลิกพึ่งพาน้ำมัน

เซลล์โซลิดออกไซด์

เซลล์ SOFC ของโซลิดออกไซด์ต้องการความบริสุทธิ์ของเชื้อเพลิงน้อยกว่ามาก นอกจากนี้ ด้วยการใช้ POX รีฟอร์มเมอร์ (ออกซิเดชันบางส่วน) เซลล์ดังกล่าวจึงสามารถใช้น้ำมันเบนซินธรรมดาเป็นเชื้อเพลิงได้ กระบวนการแปลงน้ำมันเบนซินเป็นไฟฟ้าโดยตรงมีดังนี้ ในอุปกรณ์พิเศษ - เครื่องปฏิรูปที่อุณหภูมิประมาณ 800 ° C น้ำมันเบนซินจะระเหยและสลายตัวเป็นองค์ประกอบ

สิ่งนี้จะปล่อยไฮโดรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา นอกจากนี้ ภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิและการใช้ SOFC โดยตรง (ประกอบด้วยวัสดุเซรามิกที่มีรูพรุนซึ่งมีเซอร์โคเนียมออกไซด์เป็นส่วนประกอบ) ไฮโดรเจนจะถูกออกซิไดซ์โดยออกซิเจนในอากาศ หลังจากได้รับไฮโดรเจนจากน้ำมันเบนซิน กระบวนการจะดำเนินต่อไปตามสถานการณ์ที่อธิบายไว้ข้างต้น มีข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือ เซลล์เชื้อเพลิง SOFC ต่างจากอุปกรณ์ที่ทำงานด้วยไฮโดรเจน โดยมีความไวต่อสิ่งเจือปนในเชื้อเพลิงดั้งเดิมน้อยกว่า ดังนั้นคุณภาพของน้ำมันเบนซินจึงไม่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิง

อุณหภูมิในการทำงานที่สูงของ SOFC (650–800 องศา) ถือเป็นข้อเสียเปรียบที่สำคัญ กระบวนการอุ่นเครื่องใช้เวลาประมาณ 20 นาที แต่ความร้อนส่วนเกินไม่ใช่ปัญหา เนื่องจากความร้อนที่เหลือจะถูกกำจัดออกไปโดยอากาศและก๊าซไอเสียที่ผลิตโดยรีฟอร์มเมอร์และเซลล์เชื้อเพลิงเอง ซึ่งช่วยให้สามารถรวมระบบ SOFC เข้ากับยานพาหนะเป็นอุปกรณ์แยกต่างหากในตัวเครื่องที่หุ้มฉนวนความร้อน

โครงสร้างแบบโมดูลาร์ช่วยให้คุณได้รับแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการโดยการเชื่อมต่อชุดเซลล์มาตรฐานแบบอนุกรม และบางทีที่สำคัญที่สุดจากมุมมองของการใช้งานอุปกรณ์ดังกล่าว SOFC ไม่มีอิเล็กโทรดที่ใช้แพลตตินัมที่มีราคาแพงมาก องค์ประกอบเหล่านี้มีราคาสูงซึ่งเป็นหนึ่งในอุปสรรคในการพัฒนาและเผยแพร่เทคโนโลยี PEMFC

ประเภทของเซลล์เชื้อเพลิง

ปัจจุบันมีเซลล์เชื้อเพลิงประเภทต่างๆ ดังต่อไปนี้:

• เอ.เอฟซี.– เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ (เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์);
• พีเอเอฟซี– เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก);
• พีเอ็มเอฟซี– เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (เซลล์เชื้อเพลิงที่มีเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน)
• ดีเอ็มเอฟซี– เซลล์เชื้อเพลิงเมธานอลโดยตรง (เซลล์เชื้อเพลิงที่มีการสลายเมทานอลโดยตรง)
• เอ็มเอฟซี– เซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอเนตหลอมเหลว (เซลล์เชื้อเพลิงของคาร์บอเนตหลอมเหลว);
• โซเอฟซี– โซลิดออกไซด์เซลล์เชื้อเพลิง (เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์)

ข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์

เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์เป็นอุปกรณ์ที่ผลิตกระแสตรงและความร้อนจากเชื้อเพลิงที่อุดมด้วยไฮโดรเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า

เซลล์เชื้อเพลิงมีลักษณะคล้ายกับแบตเตอรี่โดยผลิตกระแสตรงผ่านปฏิกิริยาเคมี เซลล์เชื้อเพลิงประกอบด้วยขั้วบวก แคโทด และอิเล็กโทรไลต์ อย่างไรก็ตาม เซลล์เชื้อเพลิงไม่สามารถเก็บพลังงานไฟฟ้าได้ และไม่คายประจุหรือต้องใช้ไฟฟ้าในการชาร์จ ซึ่งต่างจากแบตเตอรี่ตรงที่ เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์เชื้อเพลิงสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่องตราบเท่าที่มีเชื้อเพลิงและอากาศจ่าย

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

เซลล์เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพสูงและไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจกจำนวนมาก เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน และไนตรัสออกไซด์ ผลิตภัณฑ์ที่ปล่อยออกมาระหว่างการทำงานมีเพียงน้ำในรูปของไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนเล็กน้อย ซึ่งจะไม่ถูกปล่อยออกมาเลยหากใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์เป็นเชื้อเพลิง องค์ประกอบ/เซลล์เชื้อเพลิงจะถูกประกอบเข้าเป็นชุดประกอบ จากนั้นจึงประกอบเป็นโมดูลการทำงานแยกกัน

ประวัติความเป็นมาของการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์

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

การค้นพบเซลล์เชื้อเพลิงมีขึ้นตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 19 หลักฐานแรกของผลกระทบของเซลล์เชื้อเพลิงได้รับในปี พ.ศ. 2381

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

ความสนใจเพิ่มขึ้นในทศวรรษ 1950 และ 1960 และในทศวรรษ 1980 เมื่อโลกอุตสาหกรรมประสบปัญหาการขาดแคลนเชื้อเพลิงปิโตรเลียม ในช่วงเวลาเดียวกัน ประเทศต่างๆ ในโลกก็เริ่มมีความกังวลเกี่ยวกับปัญหามลพิษทางอากาศและพิจารณาวิธีการผลิตไฟฟ้าในลักษณะที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงกำลังอยู่ระหว่างการพัฒนาอย่างรวดเร็ว

หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์

เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ผลิตไฟฟ้าและความร้อนเนื่องจากปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าเกิดขึ้นโดยใช้อิเล็กโทรไลต์ แคโทด และแอโนด

แอโนดและแคโทดถูกแยกออกจากกันด้วยอิเล็กโทรไลต์ที่นำโปรตอน หลังจากที่ไฮโดรเจนไหลไปยังขั้วบวกและออกซิเจนไปยังแคโทด ปฏิกิริยาทางเคมีก็เริ่มต้นขึ้น ซึ่งเป็นผลมาจากกระแสไฟฟ้า ความร้อน และน้ำที่เกิดขึ้น

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

ด้านล่างนี้เป็นปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้อง:

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

ประเภทและความหลากหลายขององค์ประกอบ/เซลล์เชื้อเพลิง

เช่นเดียวกับเครื่องยนต์สันดาปภายในประเภทต่างๆ เซลล์เชื้อเพลิงก็มีหลายประเภท การเลือกประเภทเซลล์เชื้อเพลิงที่เหมาะสมก็ขึ้นอยู่กับการใช้งาน

เซลล์เชื้อเพลิงแบ่งออกเป็นอุณหภูมิสูงและอุณหภูมิต่ำ เซลล์เชื้อเพลิงอุณหภูมิต่ำต้องการไฮโดรเจนที่ค่อนข้างบริสุทธิ์เป็นเชื้อเพลิง ซึ่งมักหมายความว่าจำเป็นต้องมีการประมวลผลเชื้อเพลิงเพื่อแปลงเชื้อเพลิงหลัก (เช่น ก๊าซธรรมชาติ) ให้เป็นไฮโดรเจนบริสุทธิ์ กระบวนการนี้ใช้พลังงานเพิ่มเติมและต้องใช้อุปกรณ์พิเศษ เซลล์เชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิสูงไม่จำเป็นต้องมีขั้นตอนเพิ่มเติมนี้ เนื่องจากสามารถ "แปลงภายใน" เชื้อเพลิงที่อุณหภูมิสูงได้ ซึ่งหมายความว่าไม่จำเป็นต้องลงทุนในโครงสร้างพื้นฐานของไฮโดรเจน

เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์หลอมเหลวคาร์บอเนต (MCFC)

เซลล์เชื้อเพลิงอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวเป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิสูง อุณหภูมิการทำงานที่สูงทำให้สามารถใช้ก๊าซธรรมชาติได้โดยตรงโดยไม่ต้องใช้ตัวประมวลผลเชื้อเพลิง และก๊าซเชื้อเพลิงที่มีค่าความร้อนต่ำจากกระบวนการทางอุตสาหกรรมและแหล่งอื่นๆ

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

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

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

อุณหภูมิการทำงานที่สูงของเซลล์เชื้อเพลิงอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวมีข้อดีบางประการ ที่อุณหภูมิสูง ก๊าซธรรมชาติจะได้รับการปฏิรูปภายใน ทำให้ไม่ต้องใช้ตัวประมวลผลเชื้อเพลิง นอกจากนี้ ข้อดียังรวมถึงความสามารถในการใช้วัสดุก่อสร้างมาตรฐาน เช่น แผ่นเหล็กสแตนเลส และตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลบนอิเล็กโทรด ความร้อนเหลือทิ้งสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างไอน้ำแรงดันสูงเพื่อวัตถุประสงค์ทางอุตสาหกรรมและการพาณิชย์ที่หลากหลาย

อุณหภูมิปฏิกิริยาที่สูงในอิเล็กโทรไลต์ก็มีข้อดีเช่นกัน การใช้อุณหภูมิสูงต้องใช้เวลามากเพื่อให้ได้สภาวะการทำงานที่เหมาะสม และระบบจะตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงในการใช้พลังงานได้ช้ากว่า คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้สามารถใช้การติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงกับอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวภายใต้สภาวะพลังงานคงที่ อุณหภูมิสูงจะป้องกันไม่ให้คาร์บอนมอนอกไซด์ทำลายเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงที่มีอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวเหมาะสำหรับใช้ในการติดตั้งแบบอยู่กับที่ขนาดใหญ่ โรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่มีกำลังผลิตไฟฟ้า 3.0 เมกะวัตต์ผลิตเชิงพาณิชย์ กำลังพัฒนาการติดตั้งที่มีกำลังขับสูงถึง 110 เมกะวัตต์

เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์กรดฟอสฟอริก (PAFC)

เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (ออร์โธฟอสฟอริก) เป็นเซลล์เชื้อเพลิงชนิดแรกที่ใช้เชิงพาณิชย์

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

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

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

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

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

โรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่มีกำลังไฟฟ้าสูงสุดถึง 500 กิโลวัตต์ผลิตเชิงพาณิชย์ การติดตั้งขนาด 11 เมกะวัตต์ผ่านการทดสอบที่เหมาะสมแล้ว กำลังพัฒนาการติดตั้งที่มีกำลังขับสูงถึง 100 เมกะวัตต์

เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC)

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

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

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

ประสิทธิภาพของพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้นั้นสูงที่สุดในบรรดาเซลล์เชื้อเพลิงทั้งหมด - ประมาณ 60-70% อุณหภูมิการทำงานที่สูงทำให้สามารถผลิตพลังงานความร้อนและพลังงานไฟฟ้ารวมกันเพื่อสร้างไอน้ำแรงดันสูง การรวมเซลล์เชื้อเพลิงอุณหภูมิสูงเข้ากับกังหันทำให้สามารถสร้างเซลล์เชื้อเพลิงไฮบริดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตพลังงานไฟฟ้าได้สูงสุดถึง 75%

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ทำงานที่อุณหภูมิสูงมาก (600°C–1,000°C) ส่งผลให้มีเวลาสำคัญในการบรรลุสภาวะการทำงานที่เหมาะสมที่สุด และการตอบสนองของระบบต่อการเปลี่ยนแปลงในการใช้พลังงานช้าลง ที่อุณหภูมิการทำงานที่สูงเช่นนี้ ไม่จำเป็นต้องมีตัวแปลงเพื่อนำไฮโดรเจนกลับมาจากเชื้อเพลิง ทำให้โรงไฟฟ้าพลังความร้อนทำงานกับเชื้อเพลิงที่ไม่บริสุทธิ์ซึ่งเป็นผลมาจากการเปลี่ยนสภาพเป็นแก๊สของถ่านหินหรือก๊าซเสีย เป็นต้น เซลล์เชื้อเพลิงยังยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งานด้านพลังงานสูง รวมถึงโรงงานอุตสาหกรรมและโรงไฟฟ้ากลางขนาดใหญ่ โมดูลที่มีกำลังไฟฟ้าเอาต์พุต 100 kW ได้รับการผลิตเชิงพาณิชย์

เซลล์/เซลล์เชื้อเพลิงออกซิเดชันเมทานอลโดยตรง (DOMFC)

เทคโนโลยีการใช้เซลล์เชื้อเพลิงที่มีออกซิเดชันเมทานอลโดยตรงอยู่ระหว่างการพัฒนาอย่างแข็งขัน ประสบความสำเร็จในการพิสูจน์ตัวเองแล้วในด้านการให้พลังงานแก่โทรศัพท์มือถือ แล็ปท็อป รวมถึงการสร้างแหล่งพลังงานแบบพกพา นี่คือจุดประสงค์ของการใช้องค์ประกอบเหล่านี้ในอนาคต

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

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

ข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้คือมีขนาดเล็กเนื่องจากใช้เชื้อเพลิงเหลวและไม่ต้องใช้ตัวแปลง

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์/เซลล์ (ALFC)

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์เป็นหนึ่งในเซลล์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดที่ใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้า โดยมีประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าสูงถึง 70%

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

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

ข้อดีของ SHTE ก็คือเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้มีราคาถูกที่สุดในการผลิต เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต้องการบนอิเล็กโทรดอาจเป็นสารใดๆ ที่มีราคาถูกกว่าที่ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงอื่นๆ SFC ทำงานที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำและเป็นหนึ่งในเซลล์เชื้อเพลิงที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด - ลักษณะดังกล่าวสามารถส่งผลให้ผลิตพลังงานได้เร็วขึ้นและประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงสูง

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

เซลล์เชื้อเพลิงโพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์ (PEFC)

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

เซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นกรดแข็ง/เซลล์ (SFC)

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

โมดูลเซลล์เชื้อเพลิงต่างๆ แบตเตอรี่เซลล์เชื้อเพลิง

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

โมดูลเซลล์เชื้อเพลิง

การวิเคราะห์เปรียบเทียบชนิดและพันธุ์ของเซลล์เชื้อเพลิง

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

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC) ที่เหมาะสมที่สุดควรได้รับการพิจารณาซึ่ง:

• ทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้น ลดความจำเป็นในการใช้โลหะมีค่าที่มีราคาแพง (เช่น แพลทินัม)
• สามารถใช้งานกับเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนได้หลายประเภท ซึ่งส่วนใหญ่เป็นก๊าซธรรมชาติ
• มีเวลาเริ่มต้นนานขึ้นจึงเหมาะสมกับการดำเนินการในระยะยาวมากกว่า
• แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าที่สูง (สูงถึง 70%)
• เนื่องจากอุณหภูมิในการทำงานสูง ตัวเครื่องจึงสามารถใช้ร่วมกับระบบถ่ายเทความร้อนได้ ทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบอยู่ที่ 85%
• มีการปล่อยก๊าซเรือนกระจกเป็นศูนย์ ทำงานเงียบและมีข้อกำหนดในการดำเนินงานต่ำเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้าที่มีอยู่

เนื่องจากโรงไฟฟ้าพลังความร้อนขนาดเล็กสามารถเชื่อมต่อกับเครือข่ายจ่ายก๊าซแบบธรรมดาได้ เซลล์เชื้อเพลิงจึงไม่จำเป็นต้องมีระบบจ่ายไฮโดรเจนแยกต่างหาก เมื่อใช้โรงไฟฟ้าพลังความร้อนขนาดเล็กที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ ความร้อนที่เกิดขึ้นสามารถรวมเข้ากับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อให้น้ำร้อนและอากาศถ่ายเทได้ ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ เทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมนี้เหมาะที่สุดสำหรับการผลิตไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่จำเป็นต้องใช้โครงสร้างพื้นฐานราคาแพงและการบูรณาการเครื่องมือที่ซับซ้อน

การใช้เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์

การประยุกต์เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ในระบบโทรคมนาคม

เนื่องจากการแพร่กระจายอย่างรวดเร็วของระบบการสื่อสารไร้สายทั่วโลก เช่นเดียวกับผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจและสังคมที่เพิ่มขึ้นของเทคโนโลยีโทรศัพท์มือถือ ความจำเป็นในการสำรองพลังงานที่เชื่อถือได้และคุ้มต้นทุนจึงกลายเป็นเรื่องสำคัญ การสูญเสียโครงข่ายไฟฟ้าตลอดทั้งปีเนื่องจากสภาพอากาศไม่เอื้ออำนวย ภัยพิบัติทางธรรมชาติ หรือความจุโครงข่ายไฟฟ้าที่จำกัด ก่อให้เกิดความท้าทายอย่างต่อเนื่องสำหรับผู้ให้บริการโครงข่ายไฟฟ้า

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

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

การติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงให้พลังงานสำรองสำหรับโครงสร้างพื้นฐานเครือข่ายการสื่อสารที่สำคัญสำหรับการสื่อสารไร้สาย แบบถาวร และบรอดแบนด์ในระบบโทรคมนาคม ตั้งแต่ 250 วัตต์ ถึง 15 กิโลวัตต์ โดยนำเสนอคุณสมบัติเชิงนวัตกรรมที่ไม่มีใครเทียบได้มากมาย:

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

ระบบจะตรวจจับแรงดันไฟฟ้าบัส DC ตลอดเวลา และยอมรับโหลดวิกฤตได้อย่างราบรื่น หากแรงดันไฟฟ้า DC บัสลดลงต่ำกว่าจุดที่ตั้งไว้โดยผู้ใช้ ระบบทำงานโดยใช้ไฮโดรเจนซึ่งจ่ายให้กับกองเซลล์เชื้อเพลิงด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งจากสองวิธี ทั้งจากแหล่งไฮโดรเจนทางอุตสาหกรรมหรือจากเชื้อเพลิงเหลวของเมทานอลและน้ำ โดยใช้ระบบการปฏิรูปแบบบูรณาการ

ไฟฟ้าผลิตโดยกองเซลล์เชื้อเพลิงในรูปของกระแสตรง พลังงานไฟฟ้ากระแสตรงจะถูกถ่ายโอนไปยังตัวแปลง ซึ่งจะแปลงพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงที่ไม่ได้รับการควบคุมที่มาจากกองเซลล์เชื้อเพลิงให้เป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงที่มีการควบคุมคุณภาพสูงสำหรับโหลดที่ต้องการ การติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงสามารถให้พลังงานสำรองได้หลายวัน เนื่องจากระยะเวลาถูกจำกัดด้วยปริมาณไฮโดรเจนหรือเมทานอล/เชื้อเพลิงน้ำที่มีอยู่เท่านั้น

เซลล์เชื้อเพลิงมีการประหยัดพลังงานที่เหนือกว่า ความน่าเชื่อถือของระบบที่ดีขึ้น ประสิทธิภาพที่คาดการณ์ได้มากขึ้นในสภาพอากาศที่หลากหลาย และความทนทานในการทำงานที่เชื่อถือได้ เมื่อเปรียบเทียบกับชุดแบตเตอรี่กรดตะกั่วที่ควบคุมด้วยวาล์วมาตรฐานอุตสาหกรรม ต้นทุนตลอดอายุการใช้งานก็ลดลงเช่นกัน เนื่องจากข้อกำหนดในการบำรุงรักษาและการเปลี่ยนทดแทนลดลงอย่างมาก เซลล์เชื้อเพลิงให้ประโยชน์ด้านสิ่งแวดล้อมแก่ผู้ใช้ เนื่องจากค่าใช้จ่ายในการกำจัดและความเสี่ยงในการรับผิดที่เกี่ยวข้องกับเซลล์กรดตะกั่วเป็นข้อกังวลที่เพิ่มขึ้น

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

เซลล์เชื้อเพลิงจะสร้างพลังงานเมื่อมีการจ่ายเชื้อเพลิงเท่านั้น คล้ายกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันแก๊ส แต่ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวในพื้นที่สร้างพลังงาน ดังนั้นจึงไม่เหมือนกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าตรงที่พวกเขาไม่สึกหรออย่างรวดเร็วและไม่ต้องการการบำรุงรักษาและการหล่อลื่นอย่างต่อเนื่อง

เชื้อเพลิงที่ใช้ในการขับเคลื่อนตัวแปลงเชื้อเพลิงที่มีระยะเวลายาวนานคือส่วนผสมเชื้อเพลิงของเมทานอลและน้ำ เมทานอลเป็นเชื้อเพลิงที่ผลิตในเชิงพาณิชย์ที่มีจำหน่ายกันอย่างแพร่หลาย ซึ่งในปัจจุบันมีการใช้งานหลายอย่าง เช่น เครื่องล้างกระจกหน้ารถ ขวดพลาสติก สารเติมแต่งเครื่องยนต์ และสีอิมัลชัน และอื่นๆ อีกมากมาย เมทานอลสามารถขนส่งได้ง่าย สามารถผสมกับน้ำได้ มีความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพได้ดี และไม่มีกำมะถัน มีจุดเยือกแข็งต่ำ (-71°C) และไม่สลายตัวระหว่างการเก็บรักษาระยะยาว

การประยุกต์เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ในเครือข่ายการสื่อสาร

เครือข่ายการสื่อสารที่ปลอดภัยต้องการโซลูชันพลังงานสำรองที่เชื่อถือได้ ซึ่งสามารถทำงานได้นานหลายชั่วโมงหรือหลายวันในสถานการณ์ฉุกเฉิน หากไม่มีโครงข่ายไฟฟ้าอีกต่อไป

ด้วยชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวน้อยและไม่มีการสูญเสียพลังงานขณะสแตนด์บาย เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นนวัตกรรมใหม่นำเสนอโซลูชั่นที่น่าสนใจสำหรับระบบไฟฟ้าสำรองในปัจจุบัน

ข้อโต้แย้งที่น่าสนใจที่สุดสำหรับการใช้เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงในเครือข่ายการสื่อสารคือความน่าเชื่อถือและความปลอดภัยโดยรวมที่เพิ่มขึ้น ในช่วงเหตุการณ์ต่างๆ เช่น ไฟฟ้าดับ แผ่นดินไหว พายุ และพายุเฮอริเคน สิ่งสำคัญคือระบบจะยังคงทำงานต่อไปและได้รับพลังงานสำรองที่เชื่อถือได้เป็นระยะเวลานาน โดยไม่คำนึงถึงอุณหภูมิหรืออายุของระบบไฟฟ้าสำรอง

กลุ่มผลิตภัณฑ์อุปกรณ์ส่งกำลังที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการรองรับเครือข่ายการสื่อสารแบบจำแนก ด้วยหลักการออกแบบที่ประหยัดพลังงาน ทำให้สามารถจ่ายไฟสำรองที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและเชื่อถือได้ พร้อมขยายระยะเวลา (สูงสุดหลายวัน) สำหรับการใช้งานในช่วงกำลังตั้งแต่ 250 W ถึง 15 kW

การประยุกต์เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ในเครือข่ายข้อมูล

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

หน่วยเซลล์เชื้อเพลิงซึ่งขับเคลื่อนด้วยเชื้อเพลิงเหลวผสมระหว่างเมทานอลและน้ำ ให้พลังงานสำรองที่เชื่อถือได้โดยมีระยะเวลายาวนานขึ้นสูงสุดถึงหลายวัน นอกจากนี้ หน่วยเหล่านี้ยังมีข้อกำหนดในการบำรุงรักษาลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและแบตเตอรี่ โดยต้องมีการเข้ารับการบำรุงรักษาเพียงครั้งเดียวต่อปี

ลักษณะเฉพาะของไซต์แอปพลิเคชันทั่วไปสำหรับการใช้การติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงในเครือข่ายข้อมูล:

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

การติดตั้งระบบสำรองพลังงานเซลล์เชื้อเพลิงให้ประโยชน์มากมายสำหรับโครงสร้างพื้นฐานเครือข่ายข้อมูลที่มีความสำคัญต่อภารกิจ เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลแบบดั้งเดิม ช่วยให้มีตัวเลือกการใช้งานในสถานที่เพิ่มขึ้น:

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

การใช้เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ในระบบรักษาความปลอดภัย

ระบบรักษาความปลอดภัยและการสื่อสารในอาคารที่ได้รับการออกแบบมาอย่างพิถีพิถันที่สุดจะมีความน่าเชื่อถือพอๆ กับแหล่งจ่ายไฟที่รองรับเท่านั้น แม้ว่าระบบส่วนใหญ่จะมีระบบสำรองพลังงานสำรองบางประเภทสำหรับการสูญเสียพลังงานในระยะสั้น แต่ระบบเหล่านี้ไม่รองรับการไฟฟ้าดับในระยะยาวที่อาจเกิดขึ้นหลังจากภัยพิบัติทางธรรมชาติหรือการโจมตีของผู้ก่อการร้าย นี่อาจเป็นปัญหาสำคัญสำหรับหน่วยงานองค์กรและหน่วยงานภาครัฐหลายแห่ง

ระบบที่สำคัญ เช่น ระบบตรวจสอบและควบคุมการเข้าถึงกล้องวงจรปิด (เครื่องอ่านบัตรประจำตัว อุปกรณ์ล็อคประตู เทคโนโลยีการระบุตัวตนแบบไบโอเมตริก ฯลฯ) ระบบแจ้งเตือนเหตุเพลิงไหม้อัตโนมัติและระบบดับเพลิง ระบบควบคุมลิฟต์ และเครือข่ายโทรคมนาคม ล้วนตกอยู่ในความเสี่ยงหากไม่มี แหล่งจ่ายพลังงานทางเลือกที่เชื่อถือได้และมีอายุการใช้งานยาวนาน

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลส่งเสียงดังมาก หาได้ยาก และมีปัญหาด้านความน่าเชื่อถือและการบำรุงรักษาที่รู้จักกันดี ในทางตรงกันข้าม การติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงที่ให้พลังงานสำรองนั้นเงียบ เชื่อถือได้ สร้างการปล่อยก๊าซเป็นศูนย์หรือต่ำมาก และสามารถติดตั้งได้ง่ายบนหลังคาหรือภายนอกอาคาร ไม่คายประจุหรือสูญเสียพลังงานในโหมดสแตนด์บาย ช่วยให้มั่นใจได้ว่าระบบที่สำคัญจะทำงานได้อย่างต่อเนื่อง แม้ว่าโรงงานจะหยุดดำเนินการและออกจากอาคารแล้วก็ตาม

การติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นนวัตกรรมใหม่ช่วยปกป้องการลงทุนที่มีราคาแพงในการใช้งานที่สำคัญ ให้พลังงานสำรองที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและเชื่อถือได้ พร้อมขยายระยะเวลา (สูงสุดหลายวัน) สำหรับการใช้งานในช่วงกำลังตั้งแต่ 250 W ถึง 15 kW รวมกับคุณสมบัติที่ไม่มีใครเทียบได้มากมาย และโดยเฉพาะอย่างยิ่งการประหยัดพลังงานในระดับสูง

การติดตั้งระบบสำรองพลังงานเซลล์เชื้อเพลิงมีข้อได้เปรียบมากมายสำหรับการใช้งานที่มีความสำคัญต่อภารกิจ เช่น ระบบรักษาความปลอดภัยและระบบควบคุมอาคาร เหนือกว่าการใช้งานที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลแบบดั้งเดิม เทคโนโลยีเชื้อเพลิงเหลวช่วยแก้ปัญหาการวางตำแหน่งไฮโดรเจนและให้พลังงานสำรองแทบไม่จำกัด

การใช้เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ในการทำความร้อนและการผลิตไฟฟ้าของเทศบาล

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC) ให้โรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่เชื่อถือได้ ประหยัดพลังงาน และปราศจากการปล่อยมลพิษ เพื่อผลิตไฟฟ้าและความร้อนจากก๊าซธรรมชาติและเชื้อเพลิงหมุนเวียนที่มีอยู่ทั่วไป การติดตั้งที่เป็นนวัตกรรมใหม่เหล่านี้ถูกนำมาใช้ในตลาดที่หลากหลาย ตั้งแต่การผลิตไฟฟ้าภายในบ้านไปจนถึงแหล่งจ่ายไฟระยะไกล รวมถึงการจ่ายไฟเสริม

การใช้เซลล์เชื้อเพลิง/เซลล์ในเครือข่ายการกระจายสินค้า

โรงไฟฟ้าพลังความร้อนขนาดเล็กได้รับการออกแบบให้ทำงานในเครือข่ายการผลิตไฟฟ้าแบบกระจายซึ่งประกอบด้วยชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กจำนวนมาก แทนที่จะเป็นโรงไฟฟ้าแบบรวมศูนย์เพียงแห่งเดียว

รูปด้านล่างแสดงการสูญเสียประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าเมื่อถูกสร้างขึ้นที่โรงไฟฟ้าพลังความร้อนและส่งไปยังบ้านเรือนผ่านเครือข่ายการส่งพลังงานแบบเดิมที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบัน การสูญเสียประสิทธิภาพในการผลิตแบบรวมศูนย์รวมถึงการสูญเสียจากโรงไฟฟ้า การส่งผ่านไฟฟ้าแรงต่ำและไฟฟ้าแรงสูง และการสูญเสียการกระจาย

รูปภาพนี้แสดงผลการบูรณาการโรงไฟฟ้าพลังความร้อนขนาดเล็ก โดยผลิตไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพในการผลิตสูงถึง 60% ณ จุดใช้งาน นอกจากนี้ ครัวเรือนยังสามารถใช้ความร้อนที่เกิดจากเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อให้ความร้อนกับน้ำและพื้นที่ ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของการประมวลผลพลังงานเชื้อเพลิงและช่วยประหยัดพลังงานอีกด้วย

การใช้เซลล์เชื้อเพลิงเพื่อปกป้องสิ่งแวดล้อม - การใช้ก๊าซปิโตรเลียมที่เกี่ยวข้อง

งานที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งในอุตสาหกรรมน้ำมันคือการใช้ก๊าซปิโตรเลียมที่เกี่ยวข้อง วิธีการใช้ก๊าซปิโตรเลียมที่มีอยู่ในปัจจุบันมีข้อเสียมากมาย สาเหตุหลักคือไม่สามารถใช้งานได้ในเชิงเศรษฐกิจ ก๊าซปิโตรเลียมที่เกี่ยวข้องถูกเผา ซึ่งก่อให้เกิดอันตรายอย่างใหญ่หลวงต่อสิ่งแวดล้อมและสุขภาพของมนุษย์

โรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่เป็นนวัตกรรมใหม่ที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ก๊าซปิโตรเลียมที่เกี่ยวข้องเป็นเชื้อเพลิงเปิดทางไปสู่วิธีแก้ปัญหาที่รุนแรงและคุ้มค่าสำหรับปัญหาการใช้ก๊าซปิโตรเลียมที่เกี่ยวข้อง

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

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนแปลงพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงเป็นไฟฟ้า โดยข้ามกระบวนการเผาไหม้ที่ไม่มีประสิทธิภาพและการแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานกล ซึ่งเกี่ยวข้องกับการสูญเสียจำนวนมาก เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนก็คือ เคมีไฟฟ้าอุปกรณ์นี้ผลิตกระแสไฟฟ้าโดยตรงอันเป็นผลมาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิง "เย็น" ที่มีประสิทธิภาพสูง เซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนในอากาศไฮโดรเจน (PEMFC) เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงที่มีแนวโน้มมากที่สุด

แปดปีที่แล้ว ณ ยุโรปตะวันตกเปิดปั๊มดีเซลเหลวหกตัว จะต้องมีสองร้อยก่อนจะสิ้นสุด เราห่างไกลจากขั้วชาร์จแบบเร็วหลายพันแห่งที่ฟักออกมาทั่วทุกแห่งเพื่อกระตุ้นการแพร่กระจายของระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า และนั่นคือจุดที่ถูเจ็บ และเราควรประกาศกราฟีนดีกว่า

แบตเตอรี่ไม่มีคำพูดสุดท้าย

มีอะไรมากกว่าความเป็นอิสระ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการจำกัดเวลาในการชาร์จจึงทำให้การใช้ EV ช้าลง อย่างไรก็ตาม เขาเล่าในบันทึกที่เขียนถึงลูกค้าในเดือนนี้ว่าแบตเตอรี่มีข้อจำกัด ซึ่งจำกัดอยู่ที่โพรบประเภทนี้ที่แรงดันไฟฟ้าสูงมาก โธมัส บราคแมนจะได้รับแจ้งว่ายังคงจำเป็นต้องสร้างเครือข่ายการจำหน่ายไฮโดรเจน ข้อโต้แย้งก็คือเขากวาดมือโดยนึกถึงว่าการคูณขั้วชาร์จเร็วนั้นมีราคาแพงมากเช่นกัน เนื่องจากมีหน้าตัดสูงของสายทองแดงแรงสูง “การขนส่งไฮโดรเจนเหลวด้วยรถบรรทุกจากถังฝังใกล้แหล่งผลิตทำได้ง่ายกว่าและถูกกว่า”

เมมเบรนโพลีเมอร์ที่นำโปรตอนจะแยกขั้วไฟฟ้าทั้งสองขั้ว ได้แก่ แอโนดและแคโทด อิเล็กโทรดแต่ละตัวเป็นแผ่นคาร์บอน (เมทริกซ์) ที่เคลือบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา ที่ตัวเร่งปฏิกิริยาแอโนด โมเลกุลไฮโดรเจนจะแยกตัวออกและให้อิเล็กตรอน ไอออนบวกของไฮโดรเจนจะดำเนินการผ่านเมมเบรนไปยังแคโทด แต่อิเล็กตรอนจะถูกป้อนเข้าไปในวงจรภายนอก เนื่องจากเมมเบรนไม่อนุญาตให้อิเล็กตรอนผ่านได้

ไฮโดรเจนยังไม่ใช่เวกเตอร์บริสุทธิ์ของไฟฟ้า

สำหรับต้นทุนของแบตเตอรี่ซึ่งเป็นข้อมูลที่ละเอียดอ่อนมาก Thomas Brachmann ไม่ต้องสงสัยเลยว่าจะสามารถลดลงได้อย่างมากเมื่อประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น “แพลตตินัมเป็นธาตุที่มีราคาสูงกว่า” น่าเสียดายที่ไฮโดรเจนเกือบทั้งหมดมาจากแหล่งพลังงานฟอสซิล ยิ่งกว่านั้น ไดไฮโดรเจนเป็นเพียงเวกเตอร์ของพลังงาน และไม่ใช่แหล่งกำเนิดของส่วนที่ไม่สำคัญถูกใช้ไปในระหว่างการผลิต การทำให้เป็นของเหลว และต่อมาเปลี่ยนเป็นไฟฟ้า

ที่ตัวเร่งปฏิกิริยาแคโทด โมเลกุลออกซิเจนจะรวมกับอิเล็กตรอน (ซึ่งได้มาจากวงจรไฟฟ้า) และโปรตอนที่เข้ามาและก่อตัวเป็นน้ำ ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์เดียวของปฏิกิริยา (ในรูปของไอและ/หรือของเหลว)

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนถูกนำมาใช้เพื่อสร้างหน่วยเมมเบรน-อิเล็กโทรด ซึ่งเป็นองค์ประกอบสำคัญในการกำเนิดระบบพลังงาน

รถแห่งอนาคตมีพฤติกรรมเหมือนจริง

ความสมดุลของแบตเตอรี่จะสูงขึ้นประมาณสามเท่า แม้ว่าจะมีการสูญเสียเนื่องจากความร้อนในไดรเวอร์ก็ตาม อนิจจา รถมหัศจรรย์คันนี้จะไม่ชนถนนของเรา เว้นแต่เป็นส่วนหนึ่งของการสาธิตสาธารณะ Brachmann ผู้เตือนเราว่าความเงียบตามธรรมชาติของรถยนต์ไฟฟ้าช่วยเพิ่มความประทับใจในการใช้ชีวิตในโลกที่อึกทึกครึกโครม แม้จะมีความยากลำบากทั้งหมด แต่พวงมาลัยและแป้นเบรกก็ให้ความสม่ำเสมออย่างเป็นธรรมชาติ

แบตเตอรี่จิ๋วแต่ประสิทธิภาพดีขึ้น

มองเห็นแกดเจ็ตได้หน้าจอกลางจะกระจายภาพของกล้องที่วางอยู่ในกระจกด้านขวาทันทีที่เปิดใช้งานสัญญาณไฟเลี้ยว ลูกค้าชาวอเมริกันส่วนใหญ่ของเราไม่ต้องการอีกต่อไป และสิ่งนี้ช่วยให้เราสามารถลดราคาลงได้ - ให้เหตุผลกับหัวหน้าวิศวกรที่เสนออัตราภาษีที่ต่ำกว่า จริงๆ แล้วน่าจะพูดถึงกองเซลล์เชื้อเพลิงเนื่องจากมี 358 เซลล์ที่ทำงานร่วมกัน อ่างเก็บน้ำหลักที่มีความจุ 117 ลิตรถูกกดเข้ากับผนังด้านหลังของม้านั่งเพื่อป้องกันไม่ให้พับเก็บและถังที่สอง - 24 ลิตรซ่อนอยู่ใต้เบาะ

ข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเมื่อเปรียบเทียบกับโซลูชันแบบเดิม:

- เพิ่มความเข้มข้นของพลังงานจำเพาะ (500 ÷ 1,000 Wh/kg)

- ช่วงอุณหภูมิการทำงานขยาย (-40 0 C / +40 0 C)

- ไม่มีจุดความร้อน เสียง และการสั่นสะเทือน

- ความน่าเชื่อถือเมื่อสตาร์ทเย็น

- ระยะเวลาการเก็บพลังงานไม่ จำกัด ในทางปฏิบัติ (ไม่มีการปลดปล่อยตัวเอง)

เซลล์เชื้อเพลิงสองจังหวะแรก

แม้จะมีขนาดกะทัดรัด แต่เซลล์เชื้อเพลิงใหม่นี้จะแปลงไดไฮโดรเจนเป็นกระแสไฟฟ้าได้เร็วและดีกว่ารุ่นก่อน โดยจะส่งออกซิเจนไปยังองค์ประกอบของเสาเข็มในอัตราที่ก่อนหน้านี้ถือว่าไม่เข้ากันกับความทนทานขององค์ประกอบ น้ำส่วนเกินซึ่งก่อนหน้านี้จำกัดอัตราการไหลของน้ำควรอพยพออกดีที่สุด เป็นผลให้พลังงานต่อองค์ประกอบเพิ่มขึ้นครึ่งหนึ่งและประสิทธิภาพถึง 60%

เนื่องจากมีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนขนาด 1.7 กิโลวัตต์ชั่วโมง ซึ่งอยู่ใต้เบาะนั่งคู่หน้า ซึ่งช่วยให้สามารถจ่ายกระแสไฟเพิ่มเติมได้เมื่อเร่งความเร็วสูง หรือการคาดการณ์ความเป็นอิสระคือ 460 กม. ซึ่งสอดคล้องกับสิ่งที่ผู้ผลิตกล่าวอ้าง

- ความสามารถในการเปลี่ยนความเข้มของพลังงานของระบบโดยการเปลี่ยนจำนวนตลับเชื้อเพลิงซึ่งให้อิสระเกือบไม่ จำกัด

ความสามารถในการให้ความเข้มข้นของพลังงานที่เหมาะสมเกือบทุกระบบโดยการเปลี่ยนความจุกักเก็บไฮโดรเจน

- ความเข้มของพลังงานสูง

- ความทนทานต่อสิ่งสกปรกในไฮโดรเจน

แต่ชิ้นส่วนนับพันชิ้นช่วยให้อากาศไหลเวียนและเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อน ยิ่งกว่ารุ่นก่อน รถยนต์ไฟฟ้าคันนี้แสดงให้เห็นว่าเซลล์เชื้อเพลิงอยู่ด้านหน้าและตรงกลาง ความท้าทายที่ยิ่งใหญ่สำหรับอุตสาหกรรมและผู้นำของเรา ในขณะเดียวกันก็เป็นเรื่องที่ฉลาดมากใครจะรู้ว่าเซลล์เชื้อเพลิงหรือแบตเตอรี่ชนิดใดจะเหนือกว่า

เซลล์เชื้อเพลิงเป็นอุปกรณ์แปลงพลังงานเคมีไฟฟ้าที่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าในรูปของกระแสตรงโดยการรวมเชื้อเพลิงและตัวออกซิไดเซอร์ในปฏิกิริยาเคมีเพื่อผลิตของเสีย ซึ่งโดยทั่วไปคือเชื้อเพลิงออกไซด์

- อายุการใช้งานยาวนาน

- เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและการทำงานที่เงียบ

ระบบจ่ายไฟที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนสำหรับ UAV:

การติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงบน ยานพาหนะไร้คนขับแทนที่จะใช้แบตเตอรี่แบบเดิม แบตเตอรี่จะขยายระยะเวลาการบินและน้ำหนักบรรทุกสินค้าเป็นทวีคูณ เพิ่มความน่าเชื่อถือของเครื่องบิน ขยายช่วงอุณหภูมิในการปล่อยและการทำงานของ UAV และลดขีดจำกัดลงที่ -40 0C เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์สันดาปภายใน ระบบที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงเงียบ ไร้การสั่นสะเทือน ทำงานที่อุณหภูมิต่ำ ตรวจจับได้ยากระหว่างการบิน ไม่ปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่เป็นอันตราย และสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพตั้งแต่กล้องวงจรปิดไปจนถึงการส่งมอบน้ำหนักบรรทุก

เซลล์เชื้อเพลิงแต่ละเซลล์มีอิเล็กโทรดสองตัว ขั้วหนึ่งขั้วบวกและขั้วลบอีกขั้วหนึ่ง และปฏิกิริยาที่ก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นที่ขั้วไฟฟ้าเมื่อมีอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งนำพาอนุภาคที่มีประจุจากอิเล็กโทรดไปยังอิเล็กโทรด ในขณะที่อิเล็กตรอนไหลเวียนในสายไฟภายนอกที่อยู่ระหว่างอิเล็กโทรด เพื่อสร้างกระแสไฟฟ้า

เซลล์เชื้อเพลิงสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่องตราบใดที่ยังคงการไหลของเชื้อเพลิงและตัวออกซิไดเซอร์ที่ต้องการ เซลล์เชื้อเพลิงบางชนิดผลิตได้เพียงไม่กี่วัตต์ ในขณะที่เซลล์อื่นๆ สามารถผลิตได้หลายร้อยกิโลวัตต์ ในขณะที่แบตเตอรี่ขนาดเล็กมักพบในแล็ปท็อปและโทรศัพท์มือถือ แต่เซลล์เชื้อเพลิงมีราคาแพงเกินไปที่จะกลายเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กที่ใช้ผลิตไฟฟ้าสำหรับบ้านและธุรกิจ

องค์ประกอบของระบบจ่ายไฟสำหรับ UAV:

มิติทางเศรษฐกิจของเซลล์เชื้อเพลิง

การใช้ไฮโดรเจนเป็นแหล่งเชื้อเพลิงมีค่าใช้จ่ายจำนวนมาก ด้วยเหตุนี้ ไฮโดรเจนจึงกลายเป็นแหล่งที่ไม่ประหยัด โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากสามารถใช้แหล่งอื่นๆ ที่มีราคาถูกกว่าได้ ต้นทุนการผลิตไฮโดรเจนอาจแตกต่างกันไปเนื่องจากสะท้อนถึงต้นทุนของทรัพยากรที่สกัดมา

แหล่งเชื้อเพลิงแบตเตอรี่

โดยทั่วไปเซลล์เชื้อเพลิงแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆ ดังต่อไปนี้: เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน เซลล์เชื้อเพลิงอินทรีย์ เซลล์เชื้อเพลิงโลหะ และแบตเตอรี่รีดอกซ์ เมื่อใช้ไฮโดรเจนเป็นแหล่งเชื้อเพลิง พลังงานเคมีจะถูกแปลงเป็นไฟฟ้าในระหว่างกระบวนการไฮโดรไลซิสแบบย้อนกลับเพื่อผลิตเฉพาะน้ำและความร้อนเป็นของเสีย เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนมีค่าต่ำมาก แต่อาจมีการผลิตไฮโดรเจนสูงหรือต่ำได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากผลิตจากเชื้อเพลิงฟอสซิล

• - แบตเตอรี่เซลล์เชื้อเพลิง
• - แบตเตอรี่บัฟเฟอร์ Li-Po เพื่อรองรับโหลดสูงสุดในระยะสั้น
• - อิเล็กทรอนิกส์ ระบบควบคุม ,
• - ระบบเชื้อเพลิงประกอบด้วยกระบอกสูบที่มีไฮโดรเจนอัดหรือแหล่งไฮโดรเจนที่เป็นของแข็ง

ระบบเชื้อเพลิงใช้กระบอกสูบและตัวลดขนาดน้ำหนักเบาที่มีความแข็งแรงสูงเพื่อให้แน่ใจว่ามีไฮโดรเจนที่ถูกบีบอัดบนเรือได้สูงสุด อนุญาตให้ใช้กระบอกสูบขนาดต่างๆ (ตั้งแต่ 0.5 ถึง 25 ลิตร) พร้อมตัวลดที่ให้ปริมาณการใช้ไฮโดรเจนที่ต้องการ

แบตเตอรี่ไฮโดรเจนแบ่งออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่ แบตเตอรี่อุณหภูมิต่ำและแบตเตอรี่อุณหภูมิสูง ซึ่งแบตเตอรี่ที่มีอุณหภูมิสูงสามารถใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลได้โดยตรง อย่างหลังประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอน เช่น น้ำมันหรือน้ำมันเบนซิน แอลกอฮอล์หรือชีวมวล

แหล่งเชื้อเพลิงอื่นๆ ในแบตเตอรี่รวมถึงแต่ไม่จำกัดเพียงแอลกอฮอล์ สังกะสี อลูมิเนียม แมกนีเซียม สารละลายไอออนิก และไฮโดรคาร์บอนหลายชนิด สารออกซิไดซ์อื่นๆ รวมถึงแต่ไม่ถูกจำกัดต่ออากาศ, คลอรีนและคลอรีนไดออกไซด์ ปัจจุบันมีเซลล์เชื้อเพลิงหลายประเภท

ลักษณะของระบบจ่ายไฟสำหรับ UAV:

เครื่องชาร์จแบบพกพาที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน:

เครื่องชาร์จแบบพกพาที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเป็นอุปกรณ์ขนาดกะทัดรัด โดยมีน้ำหนักและขนาดเทียบได้กับเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ที่มีอยู่ซึ่งใช้งานกันทั่วโลก

เทคโนโลยีพกพาที่ใช้กันอย่างแพร่หลายใน โลกสมัยใหม่ต้องการการชาร์จใหม่อย่างสม่ำเสมอ ระบบพกพาแบบดั้งเดิมนั้นไม่มีประโยชน์เลยที่อุณหภูมิต่ำ และหลังจากใช้งานแล้ว พวกเขายังต้องชาร์จใหม่โดยใช้ (เครือข่ายไฟฟ้า) ซึ่งจะลดประสิทธิภาพและความเป็นอิสระของอุปกรณ์ด้วย

โมเลกุลไดไฮโดรเจนแต่ละโมเลกุลจะได้รับอิเล็กตรอน 2 ตัว ไอออน H เคลื่อนที่จากขั้วบวกไปยังแคโทดและทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าโดยการถ่ายโอนอิเล็กตรอน เซลล์เชื้อเพลิงสำหรับเครื่องบินอาจมีหน้าตาเป็นอย่างไร ปัจจุบัน มีการทดสอบบนเครื่องบินเพื่อทดลองบินโดยใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไฮบริดเซลล์เชื้อเพลิง ประโยชน์ที่แท้จริงของเซลล์เชื้อเพลิงอยู่ที่ความสมบูรณ์ของน้ำหนักที่เบา: เบากว่า ซึ่งช่วยลดน้ำหนักของเครื่องบินและส่งผลให้สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงด้วย

แต่สำหรับตอนนี้ การบินด้วยเครื่องบินเซลล์เชื้อเพลิงยังเป็นไปไม่ได้ เนื่องจากยังมีข้อเสียอยู่หลายประการ ภาพเซลล์เชื้อเพลิง เซลล์เชื้อเพลิงมีข้อเสียอย่างไร? ก่อนอื่น หากไฮโดรเจนมีอยู่ทั่วไป การใช้ไฮโดรเจนในปริมาณมากอาจเป็นปัญหาได้ แท้จริงแล้วไม่ได้มีเฉพาะบนโลกเท่านั้น พบในน้ำที่มีออกซิเจนและแอมโมเนีย ดังนั้นจึงจำเป็นต้องทำให้น้ำอิเล็กโทรไลต์เพื่อให้ได้มา และวิธีนี้ยังไม่ใช่วิธีที่แพร่หลาย

ระบบเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนต้องการเพียงการเปลี่ยนตลับเชื้อเพลิงขนาดกะทัดรัดเท่านั้น หลังจากนั้นอุปกรณ์จะพร้อมใช้งานทันที

คุณสมบัติของเครื่องชาร์จแบบพกพา:

เครื่องสำรองไฟที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน:

ระบบจ่ายไฟที่รับประกันโดยใช้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนได้รับการออกแบบมาเพื่อจัดระเบียบแหล่งจ่ายไฟสำรองและแหล่งจ่ายไฟชั่วคราว ระบบจ่ายไฟที่รับประกันซึ่งใช้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนมีข้อได้เปรียบที่เหนือกว่าโซลูชันแบบเดิมๆ สำหรับการจัดระเบียบแหล่งจ่ายไฟชั่วคราวและสำรอง โดยใช้แบตเตอรี่และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล

ไฮโดรเจนเป็นก๊าซ ทำให้บรรจุและขนส่งได้ยาก ความเสี่ยงอีกประการหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับการใช้ไฮโดรเจนคือความเสี่ยงในการระเบิดเนื่องจากเป็นก๊าซไวไฟ สิ่งที่จ่ายแบตเตอรี่สำหรับการผลิตในปริมาณมากต้องใช้พลังงานจากแหล่งอื่น ไม่ว่าจะเป็นน้ำมัน ก๊าซ ถ่านหิน หรือพลังงานนิวเคลียร์ ซึ่งทำให้ความสมดุลทางสิ่งแวดล้อมแย่ลงกว่าน้ำมันก๊าดอย่างมาก และทำให้เกิดกอง แพลตตินัม ซึ่งเป็นโลหะที่หายากยิ่งกว่า และมีราคาแพงกว่าทองคำ

เซลล์เชื้อเพลิงให้พลังงานโดยการออกซิไดซ์เชื้อเพลิงที่ขั้วบวกและลดตัวออกซิไดเซอร์ที่ขั้วลบ การค้นพบหลักการเซลล์เชื้อเพลิงและการใช้งานครั้งแรกในห้องปฏิบัติการโดยใช้กรดซัลฟิวริกเป็นอิเล็กโทรไลต์ได้รับการยกย่องให้เป็นของนักเคมี William Grove

ลักษณะของระบบจ่ายไฟสำรอง:

เซลล์เชื้อเพลิงเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าเคมีที่คล้ายกับเซลล์กัลวานิก แต่แตกต่างตรงที่สารสำหรับปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีถูกส่งจากภายนอก ตรงกันข้ามกับปริมาณพลังงานที่จำกัดที่เก็บอยู่ในเซลล์กัลวานิกหรือแบตเตอรี่

แท้จริงแล้ว เซลล์เชื้อเพลิงมีข้อดีบางประการ นั่นคือเซลล์ที่ใช้ไดไฮโดรเจนและไดออกไซด์จะปล่อยไอน้ำออกมาเท่านั้น จึงเป็นเทคโนโลยีที่สะอาด เซลล์เชื้อเพลิงมีหลายประเภท ขึ้นอยู่กับลักษณะของอิเล็กโทรไลต์ ลักษณะของเชื้อเพลิง การเกิดออกซิเดชันโดยตรงหรือโดยอ้อม และอุณหภูมิในการทำงาน

ตารางต่อไปนี้สรุปคุณสมบัติหลักของอุปกรณ์ต่างๆ เหล่านี้ โครงการในยุโรปหลายแห่งกำลังมองหาโพลีเมอร์อื่นๆ เช่น อนุพันธ์ของโพลีเบนซิมิดาโซล ซึ่งมีความเสถียรและราคาถูกกว่า ความกะทัดรัดของแบตเตอรี่ยังเป็นความท้าทายอย่างต่อเนื่องกับเมมเบรนที่มีขนาดประมาณ 15-50 ไมครอน แอโนดคาร์บอนที่มีรูพรุน และแผ่นไบโพลาร์สแตนเลส อายุขัยยังสามารถเพิ่มขึ้นได้ เนื่องจากในอีกด้านหนึ่ง ปริมาณคาร์บอนมอนอกไซด์ในปริมาณไม่กี่ ppm ในไฮโดรเจนเป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างแท้จริง และในทางกลับกัน การควบคุมน้ำในโพลีเมอร์ถือเป็นข้อบังคับ

ข้าว. 1. เซลล์เชื้อเพลิงบางชนิด

เซลล์เชื้อเพลิงแปลงพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงเป็นไฟฟ้า โดยข้ามกระบวนการเผาไหม้ที่ไม่มีประสิทธิภาพซึ่งเกิดขึ้นพร้อมกับการสูญเสียจำนวนมาก พวกมันแปลงไฮโดรเจนและออกซิเจนเป็นไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาเคมี จากกระบวนการนี้ น้ำจึงก่อตัวขึ้นและปล่อยความร้อนจำนวนมากออกมา เซลล์เชื้อเพลิงมีลักษณะคล้ายกับแบตเตอรี่ที่สามารถชาร์จแล้วใช้พลังงานไฟฟ้าที่เก็บไว้ได้ ผู้ประดิษฐ์เซลล์เชื้อเพลิงถือเป็นวิลเลียม อาร์. โกรฟ ซึ่งประดิษฐ์มันขึ้นมาในปี 1839 เซลล์เชื้อเพลิงนี้ใช้สารละลายกรดซัลฟิวริกเป็นอิเล็กโทรไลต์ และใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง ซึ่งรวมกับออกซิเจนในตัวออกซิไดซ์ จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ เซลล์เชื้อเพลิงถูกนำมาใช้เฉพาะในห้องปฏิบัติการและบนยานอวกาศเท่านั้น

เซลล์เชื้อเพลิงไม่เหมือนกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอื่นๆ เช่น เครื่องยนต์สันดาปภายในหรือกังหันที่ขับเคลื่อนด้วยก๊าซ ถ่านหิน น้ำมันเชื้อเพลิง ฯลฯ เซลล์เชื้อเพลิงไม่เผาผลาญเชื้อเพลิง ซึ่งหมายความว่าไม่มีเสียงดังของโรเตอร์แรงดันสูง, ไม่มีเสียงดังจากท่อไอเสีย, ไม่มีการสั่นสะเทือน เซลล์เชื้อเพลิงผลิตกระแสไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีแบบเงียบ คุณสมบัติอีกประการหนึ่งของเซลล์เชื้อเพลิงคือพวกมันแปลงพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงเป็นไฟฟ้า ความร้อน และน้ำโดยตรง

เซลล์เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพสูงและไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจกจำนวนมาก เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน และไนตรัสออกไซด์ การปล่อยก๊าซเรือนกระจกจากเซลล์เชื้อเพลิงเพียงอย่างเดียวคือน้ำในรูปของไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนเล็กน้อย ซึ่งจะไม่ถูกปล่อยออกมาเลยหากใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์เป็นเชื้อเพลิง เซลล์เชื้อเพลิงจะถูกประกอบเป็นชุดประกอบ จากนั้นจึงแยกเป็นโมดูลการทำงานแต่ละโมดูล

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

เซลล์เชื้อเพลิงผลิตกระแสไฟฟ้าแรงดันคงที่ซึ่งสามารถใช้เพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้า ไฟส่องสว่าง และระบบไฟฟ้าอื่นๆ ในยานพาหนะ

เซลล์เชื้อเพลิงมีหลายประเภท ขึ้นอยู่กับกระบวนการทางเคมีที่ใช้ เซลล์เชื้อเพลิงมักจะจำแนกตามประเภทของอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้

เซลล์เชื้อเพลิงบางประเภทมีแนวโน้มที่จะใช้ขับเคลื่อนโรงไฟฟ้า ในขณะที่เซลล์เชื้อเพลิงบางประเภทมีแนวโน้มว่าจะใช้กับอุปกรณ์พกพาหรือรถยนต์

1. เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ (ALFC)

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

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์เป็นหนึ่งในเซลล์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดที่ใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้า โดยมีประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าสูงถึง 70%

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

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

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

ปฏิกิริยาทั่วไปของระบบ: 2H2 + O2 => 2H2O

ข้อดีของ SHTE ก็คือเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้มีราคาถูกที่สุดในการผลิต เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต้องการบนอิเล็กโทรดอาจเป็นสารใดๆ ที่มีราคาถูกกว่าที่ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงอื่นๆ นอกจากนี้ SHTE ยังทำงานที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำและมีประสิทธิภาพมากที่สุดอีกด้วย

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

2. เซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอเนตหลอมเหลว (MCFC)

เซลล์เชื้อเพลิงที่มีอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวเป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิสูง อุณหภูมิการทำงานที่สูงทำให้สามารถใช้ก๊าซธรรมชาติได้โดยตรงโดยไม่ต้องใช้ตัวประมวลผลเชื้อเพลิง และก๊าซเชื้อเพลิงที่มีค่าความร้อนต่ำจากกระบวนการทางอุตสาหกรรมและแหล่งอื่นๆ กระบวนการนี้ได้รับการพัฒนาในช่วงกลางทศวรรษที่ 60 ของศตวรรษที่ยี่สิบ ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา เทคโนโลยีการผลิต ประสิทธิภาพ และความน่าเชื่อถือได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้น

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

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

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

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

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

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

เซลล์เชื้อเพลิงที่มีอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวเหมาะสำหรับใช้ในการติดตั้งแบบอยู่กับที่ขนาดใหญ่ โรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่มีกำลังผลิตไฟฟ้า 2.8 เมกะวัตต์ผลิตเชิงพาณิชย์ กำลังพัฒนาการติดตั้งที่มีกำลังขับสูงถึง 100 เมกะวัตต์

3. เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (PAFC)

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

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

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

ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก: 2H2 => 4H+ + 4e

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

ปฏิกิริยาทั่วไปของธาตุ: 2H2 + O2 => 2H2O

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

ประสิทธิภาพสูงของโรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงที่มีกรดฟอสฟอริก (ออร์โธฟอสฟอริก) ในการผลิตพลังงานความร้อนและไฟฟ้าแบบรวมถือเป็นหนึ่งในข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้ หน่วยนี้ใช้คาร์บอนมอนอกไซด์ที่มีความเข้มข้นประมาณ 1.5% ซึ่งช่วยเพิ่มทางเลือกในการใช้เชื้อเพลิงได้อย่างมาก การออกแบบที่เรียบง่าย การระเหยของอิเล็กโทรไลต์ในระดับต่ำ และความเสถียรที่เพิ่มขึ้น ก็เป็นข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงเช่นกัน

โรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่มีกำลังไฟฟ้าสูงสุดถึง 400 กิโลวัตต์ผลิตเชิงพาณิชย์ การติดตั้งที่มีกำลังการผลิต 11 เมกะวัตต์ได้ผ่านการทดสอบที่เหมาะสมแล้ว กำลังพัฒนาการติดตั้งที่มีกำลังขับสูงถึง 100 เมกะวัตต์

4. เซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC)

เซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนถือเป็นเซลล์เชื้อเพลิงชนิดที่ดีที่สุดสำหรับสร้างพลังงานให้กับยานพาหนะ ซึ่งสามารถทดแทนเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้น้ำมันเบนซินและดีเซลได้ เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ถูกใช้ครั้งแรกโดย NASA สำหรับโครงการราศีเมถุน การติดตั้งที่ใช้ MOPFC ที่มีกำลังตั้งแต่ 1 W ถึง 2 kW ได้รับการพัฒนาและสาธิตแล้ว

อิเล็กโทรไลต์ในเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้เป็นเมมเบรนโพลีเมอร์แข็ง (ฟิล์มบางของพลาสติก) เมื่ออิ่มตัวด้วยน้ำ โพลีเมอร์นี้จะยอมให้โปรตอนผ่านได้แต่ไม่นำอิเล็กตรอน

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

ข้อดีอีกประการหนึ่งคืออิเล็กโทรไลต์เป็นของแข็งมากกว่าของเหลว การเก็บก๊าซไว้ที่แคโทดและแอโนดทำได้ง่ายกว่าโดยใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง ดังนั้นเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวจึงมีราคาถูกกว่าในการผลิต ด้วยอิเล็กโทรไลต์แข็ง ไม่มีปัญหาการวางแนวและปัญหาการกัดกร่อนน้อยลง ส่งผลให้เซลล์และส่วนประกอบมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น

5. เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC)

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์เป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิการทำงานสูงสุด อุณหภูมิในการทำงานอาจแตกต่างกันตั้งแต่ 600°C ถึง 1,000°C ทำให้สามารถใช้เชื้อเพลิงประเภทต่างๆ ได้โดยไม่ต้องมีการบำบัดล่วงหน้าเป็นพิเศษ ในการจัดการกับอุณหภูมิสูงเช่นนี้ อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้คือโลหะออกไซด์แข็งบางๆ บนฐานเซรามิก ซึ่งมักเป็นโลหะผสมของอิตเทรียมและเซอร์โคเนียม ซึ่งเป็นตัวนำของไอออนออกซิเจน (O2-) เทคโนโลยีการใช้เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ได้รับการพัฒนามาตั้งแต่ปลายทศวรรษที่ 50 ของศตวรรษที่ 20 และมีสองรูปแบบ: ระนาบและท่อ

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

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

ปฏิกิริยาที่แคโทด: O2 + 4e- => 2O2-

ปฏิกิริยาทั่วไปของธาตุ: 2H2 + O2 => 2H2O

ประสิทธิภาพการผลิตพลังงานไฟฟ้าสูงที่สุดในบรรดาเซลล์เชื้อเพลิงทั้งหมด - ประมาณ 60% นอกจากนี้ อุณหภูมิการทำงานที่สูงยังช่วยให้สามารถผลิตพลังงานความร้อนและพลังงานไฟฟ้ารวมกันเพื่อสร้างไอน้ำแรงดันสูงได้ การรวมเซลล์เชื้อเพลิงอุณหภูมิสูงเข้ากับกังหันทำให้สามารถสร้างเซลล์เชื้อเพลิงไฮบริดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตพลังงานไฟฟ้าได้สูงสุดถึง 70%

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

6. เซลล์เชื้อเพลิงออกซิเดชันเมทานอลโดยตรง (DOMFC)

เซลล์เชื้อเพลิงออกซิเดชันเมธานอลโดยตรงพวกเขาถูกนำมาใช้อย่างประสบความสำเร็จในด้านการจ่ายไฟให้กับโทรศัพท์มือถือแล็ปท็อปรวมถึงการสร้างแหล่งพลังงานแบบพกพาซึ่งเป็นเป้าหมายของการใช้องค์ประกอบดังกล่าวในอนาคต

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

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

องค์ประกอบเหล่านี้ได้รับการทดสอบในช่วงอุณหภูมิ 50-120°C เนื่องจากอุณหภูมิในการทำงานต่ำและไม่ต้องใช้ตัวแปลง เซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวจึงเป็นตัวเลือกหลักสำหรับใช้ในโทรศัพท์มือถือและผลิตภัณฑ์อุปโภคบริโภคอื่นๆ เช่นเดียวกับในเครื่องยนต์ของรถยนต์ ข้อได้เปรียบของพวกเขาคือขนาดที่เล็ก

7. เซลล์เชื้อเพลิงโพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์ (PEFC)

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

8. เซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นกรดแข็ง (SFC)

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

9. การเปรียบเทียบลักษณะที่สำคัญที่สุดของเซลล์เชื้อเพลิง

10. การใช้เซลล์เชื้อเพลิงในรถยนต์

ฉันสอดข้อต่อท่อเติมเข้าไปในคอเติมน้ำมันเชื้อเพลิงแล้วหมุนครึ่งรอบเพื่อปิดผนึกการเชื่อมต่อ คลิกสวิตช์สลับ - และไฟ LED กะพริบบนปั๊มแก๊สที่มีข้อความ h3 ขนาดใหญ่แสดงว่าการเติมเชื้อเพลิงได้เริ่มต้นแล้ว นาทีเดียวก็เต็มถังแล้ว ไปได้เลย!

โครงสร้างตัวถังที่หรูหรา ระบบกันสะเทือนที่ต่ำเป็นพิเศษ และสลิคแบบบางทำให้ได้สายพันธุ์รถแข่งที่แท้จริง ผ่านฝาครอบโปร่งใสมองเห็นเครือข่ายท่อและสายเคเบิลที่ซับซ้อน ฉันเคยเห็นวิธีแก้ปัญหาที่คล้ายกันที่ไหนสักแห่งแล้ว... โอ้ ใช่แล้ว ใน Audi R8 เครื่องยนต์ยังมองเห็นได้จากหน้าต่างด้านหลังด้วย แต่สำหรับ Audi มันเป็นน้ำมันเบนซินแบบดั้งเดิม และรถคันนี้ใช้ไฮโดรเจน เช่นเดียวกับ BMW Hydrogen 7 แต่ต่างจากรุ่นหลังตรงที่ไม่มีเครื่องยนต์สันดาปภายใน ชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวได้เพียงอย่างเดียวคือเฟืองพวงมาลัยและโรเตอร์มอเตอร์ไฟฟ้า และพลังงานนั้นมาจากเซลล์เชื้อเพลิง รถคันนี้ผลิตโดยบริษัท Horizon Fuel Cell Technologies ของสิงคโปร์ ซึ่งเชี่ยวชาญด้านการพัฒนาและการผลิตเซลล์เชื้อเพลิง ในปี 2009 บริษัท Riversimple ของอังกฤษได้เปิดตัวรถยนต์ไฮโดรเจนในเมืองที่ขับเคลื่อนโดยเซลล์เชื้อเพลิง Horizon Fuel Cell Technologies ได้รับการพัฒนาร่วมกับมหาวิทยาลัย Oxford และ Cranfield แต่ Horizon H-racer 2.0 นั้นเป็นการพัฒนาแบบเดี่ยว

เซลล์เชื้อเพลิงประกอบด้วยอิเล็กโทรดที่มีรูพรุน 2 อิเล็กโทรดที่เคลือบด้วยชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาและคั่นด้วยเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน ไฮโดรเจนที่ตัวเร่งปฏิกิริยาแอโนดจะถูกแปลงเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน ซึ่งเดินทางผ่านแอโนดและวงจรไฟฟ้าภายนอกไปยังแคโทด ซึ่งไฮโดรเจนและออกซิเจนรวมตัวกันเป็นน้ำ

"ไป!" - หัวหน้าบรรณาธิการสะกิดฉันด้วยศอกสไตล์กาการิน แต่ไม่เร็วนัก: ก่อนอื่นคุณต้อง "อุ่นเครื่อง" เซลล์เชื้อเพลิงที่โหลดชิ้นส่วน ฉันสลับสวิตช์สลับไปที่โหมด "อุ่นเครื่อง" และรอเวลาที่กำหนด เผื่อว่าผมจะเติมถังให้เต็มครับ ไปกันเถอะ: รถเครื่องยนต์ส่งเสียงหึ่งๆเคลื่อนตัวไปข้างหน้า ไดนามิกนั้นน่าประทับใจแม้ว่าคุณจะคาดหวังอะไรจากรถยนต์ไฟฟ้าได้อีก - แรงบิดจะคงที่ในทุกความเร็ว แม้ว่าจะไม่นานนัก แต่ไฮโดรเจนเต็มถังจะอยู่ได้เพียงไม่กี่นาที (ฮอไรซอนสัญญาว่าจะออกเวอร์ชันใหม่ในอนาคตอันใกล้นี้ ซึ่งไฮโดรเจนไม่ได้ถูกกักเก็บเป็นก๊าซภายใต้ความกดดัน แต่จะถูกกักไว้ด้วยวัสดุที่มีรูพรุนในตัวดูดซับ ). และพูดตามตรงมันไม่ได้ควบคุมมากนัก - บนรีโมทคอนโทรลมีเพียงสองปุ่มเท่านั้น แต่ไม่ว่าในกรณีใด น่าเสียดายที่นี่เป็นเพียงของเล่นที่ควบคุมด้วยวิทยุซึ่งมีราคา 150 ดอลลาร์ เราคงไม่รังเกียจที่จะขับรถที่มีเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อพลังงานจริงๆ

ถังซึ่งเป็นภาชนะยางยืดหยุ่นภายในกล่องแข็ง จะยืดออกเมื่อเติมเชื้อเพลิงและทำหน้าที่เป็นปั๊มเชื้อเพลิง "บีบ" ไฮโดรเจนเข้าไปในเซลล์เชื้อเพลิง เพื่อไม่ให้ "เติมมากเกินไป" ในถัง อุปกรณ์ตัวใดตัวหนึ่งจะเชื่อมต่อกับท่อพลาสติกเข้ากับวาล์วระบายแรงดันฉุกเฉิน

ปั้มน้ำมัน

ทำด้วยตัวคุณเอง

เครื่อง Horizon H-racer 2.0 จัดทำเป็นชุดสำหรับการประกอบขนาดใหญ่ (แบบทำด้วยตัวเอง) คุณสามารถซื้อได้เช่นใน Amazon อย่างไรก็ตาม การประกอบนั้นไม่ยาก เพียงใส่เซลล์เชื้อเพลิงเข้าที่แล้วขันให้แน่นด้วยสกรู ต่อท่อเข้ากับถังไฮโดรเจน เซลล์เชื้อเพลิง คอเติม และวาล์วฉุกเฉิน ที่เหลือก็แค่ใส่ส่วนบนของ ตัวถังเข้าที่โดยไม่ลืมกันชนหน้าและหลัง ชุดประกอบด้วยสถานีเติมที่ผลิตไฮโดรเจนโดยอิเล็กโทรไลซิสของน้ำ ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ AA สองก้อน และหากคุณต้องการให้พลังงาน "สะอาด" อย่างสมบูรณ์ ให้ใช้แผงโซลาร์เซลล์ (รวมอยู่ในชุดอุปกรณ์ด้วย)

www.popmech.ru

วิธีทำเซลล์เชื้อเพลิงด้วยมือของคุณเอง?

แน่นอนวิธีแก้ปัญหาที่ง่ายที่สุดในการรับประกันการทำงานอย่างต่อเนื่องของระบบไร้เชื้อเพลิงคือการซื้อแหล่งพลังงานสำรองสำเร็จรูปบนไฮดรอลิกหรือพื้นฐานอื่น ๆ แต่ในกรณีนี้จะเป็นไปไม่ได้อย่างแน่นอนที่จะหลีกเลี่ยงเพิ่มเติม ต้นทุน และในกระบวนการนี้ ค่อนข้างยากที่จะพิจารณาแนวคิดใด ๆ ที่จะหนีจากความคิดสร้างสรรค์ นอกจากนี้การสร้างเซลล์เชื้อเพลิงด้วยมือของคุณเองนั้นไม่ใช่เรื่องยากอย่างที่คิดตั้งแต่แรกเห็นและแม้แต่ช่างฝีมือที่ไม่มีประสบการณ์มากที่สุดก็สามารถรับมือกับงานนี้ได้หากต้องการ นอกจากนี้โบนัสที่มากกว่าที่น่าพอใจคือต้นทุนที่ต่ำในการสร้างองค์ประกอบนี้เพราะถึงแม้จะมีประโยชน์และความสำคัญทั้งหมด แต่คุณก็สามารถทำได้ด้วยวิธีที่คุณมีอยู่แล้วได้อย่างง่ายดาย

ในกรณีนี้ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวที่ต้องนำมาพิจารณาก่อนที่จะทำงานให้เสร็จสิ้นคือคุณสามารถสร้างอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ำมากได้ด้วยมือของคุณเองและการติดตั้งขั้นสูงและซับซ้อนยิ่งขึ้นควรปล่อยให้ผู้เชี่ยวชาญที่มีคุณสมบัติเหมาะสม สำหรับลำดับการทำงานและลำดับของการกระทำขั้นตอนแรกคือการทำให้ร่างกายสมบูรณ์ซึ่งวิธีที่ดีที่สุดคือใช้ลูกแก้วที่มีผนังหนา (อย่างน้อย 5 เซนติเมตร) สำหรับการติดกาวผนังเคสและติดตั้งพาร์ติชั่นภายในซึ่งวิธีที่ดีที่สุดคือใช้ลูกแก้วที่บางกว่า (3 มิลลิเมตรก็เพียงพอแล้ว) ควรใช้กาวสองคอมโพสิตในอุดมคติแม้ว่าคุณจะต้องการจริงๆ คุณสามารถบัดกรีคุณภาพสูงได้ด้วยตัวเอง ใช้สัดส่วนต่อไปนี้: ต่อคลอโรฟอร์ม 100 กรัม - เศษ 6 กรัมจากลูกแก้วเดียวกัน

ในกรณีนี้กระบวนการจะต้องดำเนินการภายใต้ประทุนเท่านั้น เพื่อให้เคสมีระบบระบายน้ำที่เรียกว่าจำเป็นต้องเจาะรูทะลุที่ผนังด้านหน้าอย่างระมัดระวังซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางจะตรงกับขนาดของปลั๊กยางซึ่งทำหน้าที่เป็นปะเก็นชนิดหนึ่งระหว่าง ตัวเรือนและท่อระบายน้ำแก้ว สำหรับขนาดของท่อนั้น ตามหลักการแล้วความกว้างของมันควรจะอยู่ที่ 5-6 มิลลิเมตร แม้ว่าทั้งหมดจะขึ้นอยู่กับประเภทของโครงสร้างที่ออกแบบก็ตาม มีแนวโน้มมากกว่าที่จะกล่าวว่าหน้ากากป้องกันแก๊สพิษแบบเก่าที่อยู่ในรายการองค์ประกอบที่จำเป็นสำหรับการสร้างเซลล์เชื้อเพลิงจะทำให้เกิดความประหลาดใจในหมู่ผู้อ่านบทความนี้ ในขณะเดียวกัน ประโยชน์ทั้งหมดของอุปกรณ์นี้อยู่ที่ถ่านกัมมันต์ที่อยู่ในช่องของเครื่องช่วยหายใจ ซึ่งสามารถใช้เป็นอิเล็กโทรดได้ในภายหลัง

เนื่องจากเรากำลังพูดถึงความสม่ำเสมอของแป้งในการปรับปรุงการออกแบบคุณจะต้องมีถุงน่องไนลอนซึ่งคุณสามารถทำถุงและใส่ถ่านหินลงไปได้อย่างง่ายดายไม่เช่นนั้นมันจะหกออกจากรู สำหรับฟังก์ชันการกระจายความเข้มข้นของเชื้อเพลิงจะเกิดขึ้นในห้องแรกในขณะที่ออกซิเจนต้องการ การทำงานปกติในทางกลับกันเซลล์เชื้อเพลิงจะหมุนเวียนในช่องที่ห้าช่องสุดท้าย อิเล็กโทรไลต์ที่อยู่ระหว่างอิเล็กโทรดควรแช่ในสารละลายพิเศษ (น้ำมันเบนซินกับพาราฟินในอัตราส่วน 125 ถึง 2 มิลลิลิตร) และต้องทำก่อนที่จะวางอิเล็กโทรไลต์อากาศในช่องที่สี่ เพื่อให้แน่ใจว่ามีการนำไฟฟ้าที่เหมาะสม แผ่นทองแดงที่มีลวดบัดกรีล่วงหน้าจะถูกวางบนถ่านหิน ซึ่งกระแสไฟฟ้าจะถูกส่งจากอิเล็กโทรด

ขั้นตอนการออกแบบนี้ถือได้ว่าเป็นขั้นตอนสุดท้ายอย่างปลอดภัย หลังจากนั้นจึงชาร์จอุปกรณ์ที่เสร็จแล้วซึ่งจำเป็นต้องใช้อิเล็กโทรไลต์ เพื่อเตรียมความพร้อมคุณต้องผสมเอทิลแอลกอฮอล์กับน้ำกลั่นในส่วนเท่า ๆ กันและเริ่มค่อยๆ แนะนำโพแทสเซียมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนในอัตรา 70 กรัมต่อของเหลวหนึ่งแก้ว การทดสอบครั้งแรกของอุปกรณ์ที่ผลิตเกี่ยวข้องกับการเติมภาชนะแรก (ของเหลวเชื้อเพลิง) และภาชนะที่สาม (อิเล็กโทรไลต์ที่ทำจากเอทิลแอลกอฮอล์และโพแทสเซียมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน) พร้อมกันของตัวเรือนลูกแก้ว

uznay-kak.ru

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน | ดอกลาเวนเดอร์

ฉันอยากจะบอกคุณมานานแล้วเกี่ยวกับทิศทางอื่นของบริษัท Alfaintek คือการพัฒนา จำหน่าย และให้บริการเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ฉันอยากจะอธิบายสถานการณ์ของเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ในรัสเซียทันที

เนื่องจากต้นทุนค่อนข้างสูงและการขาดสถานีไฮโดรเจนสำหรับชาร์จเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้โดยสิ้นเชิง จึงไม่คาดว่าจะขายในรัสเซีย อย่างไรก็ตาม ในยุโรป โดยเฉพาะในฟินแลนด์ เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้กำลังได้รับความนิยมทุกปี ความลับคืออะไร? มาดูกันดีกว่า อุปกรณ์นี้เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ใช้งานง่าย และมีประสิทธิภาพ มันมาเพื่อช่วยเหลือบุคคลที่เขาต้องการพลังงานไฟฟ้า คุณสามารถนำติดตัวไปด้วยบนท้องถนน เดินป่า หรือใช้ในบ้านในชนบทหรืออพาร์ตเมนต์ของคุณเป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าอัตโนมัติ

กระแสไฟฟ้าในเซลล์เชื้อเพลิงเกิดจากปฏิกิริยาทางเคมีของไฮโดรเจนจากถังกับโลหะไฮไดรด์และออกซิเจนจากอากาศ กระบอกไม่ระเบิดและสามารถเก็บไว้ในตู้เสื้อผ้าได้นานหลายปีโดยรออยู่ที่ปีก นี่อาจเป็นหนึ่งในข้อได้เปรียบหลักของเทคโนโลยีกักเก็บไฮโดรเจนนี้ เป็นแหล่งกักเก็บไฮโดรเจนซึ่งเป็นหนึ่งในปัญหาหลักในการพัฒนาเชื้อเพลิงไฮโดรเจน เซลล์เชื้อเพลิงน้ำหนักเบาแบบใหม่ที่ไม่เหมือนใครซึ่งเปลี่ยนไฮโดรเจนให้เป็นพลังงานไฟฟ้าแบบธรรมดาได้อย่างปลอดภัย เงียบเชียบ และปราศจากการปล่อยมลพิษ

ไฟฟ้าประเภทนี้สามารถใช้ในสถานที่ที่ไม่มีไฟฟ้าส่วนกลางหรือเป็นแหล่งพลังงานฉุกเฉินได้

เซลล์เชื้อเพลิงทำงานเป็นอุปกรณ์ "อัจฉริยะ" ซึ่งแตกต่างจากแบตเตอรี่ทั่วไปที่ต้องชาร์จและตัดการเชื่อมต่อจากผู้ใช้ไฟฟ้าในระหว่างขั้นตอนการชาร์จ เทคโนโลยีนี้ให้พลังงานไม่สะดุดตลอดระยะเวลาการใช้งานด้วยฟังก์ชันประหยัดพลังงานอันเป็นเอกลักษณ์เมื่อเปลี่ยนถังน้ำมันเชื้อเพลิงซึ่งช่วยให้ผู้ใช้ไม่ต้องปิดเครื่องผู้บริโภค ในกรณีปิด เซลล์เชื้อเพลิงสามารถเก็บไว้ได้หลายปีโดยไม่สูญเสียปริมาตรของไฮโดรเจนและลดพลังงานลง

เซลล์เชื้อเพลิงได้รับการออกแบบมาสำหรับนักวิทยาศาสตร์และนักวิจัย หน่วยงานบังคับใช้กฎหมาย เจ้าหน้าที่ฉุกเฉิน เจ้าของเรือและท่าจอดเรือ และใครก็ตามที่ต้องการแหล่งพลังงานที่เชื่อถือได้ในกรณีฉุกเฉิน คุณสามารถจ่ายไฟ 12 โวลต์หรือ 220 โวลต์ได้ จากนั้นคุณจะมีพลังงานเพียงพอที่จะเปิดทีวี เครื่องเสียง ตู้เย็น เครื่องชงกาแฟ กาต้มน้ำ เครื่องดูดฝุ่น สว่าน เตาไมโครเวฟ และเครื่องใช้ไฟฟ้าอื่นๆ

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเซลล์สามารถขายเป็นหน่วยเดียวหรือขายเป็นแบตเตอรี่ 2-4 เซลล์ได้ สามารถรวมองค์ประกอบสองหรือสี่องค์ประกอบเพื่อเพิ่มกำลังหรือเพิ่มแอมแปร์ได้

ระยะเวลาการทำงานของเครื่องใช้ในครัวเรือนที่มีเซลล์เชื้อเพลิง

* - การทำงานต่อเนื่อง

เซลล์เชื้อเพลิงได้รับการชาร์จเต็มแล้วที่สถานีไฮโดรเจนพิเศษ แต่ถ้าคุณเดินทางไกลจากพวกเขาและไม่มีทางที่จะชาร์จพลังได้ล่ะ? โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีเช่นนี้ ผู้เชี่ยวชาญของ Alfaintek ได้พัฒนากระบอกสูบสำหรับกักเก็บไฮโดรเจน ซึ่งเซลล์เชื้อเพลิงจะทำงานได้นานกว่ามาก

มีกระบอกสูบให้เลือกสองประเภท: NS-MN200 และ NS-MN1200 NS-MN200 ที่ประกอบแล้วมีขนาดใหญ่กว่ากระป๋อง Coca-Cola เล็กน้อย โดยบรรจุไฮโดรเจนได้ 230 ลิตร ซึ่งเท่ากับ 40Ah (12V) และมีน้ำหนักเพียง 2.5 กก. กระบอกโลหะไฮไดรด์ NS-MH1200 บรรจุไฮโดรเจนได้ 1,200 ลิตร ซึ่งเท่ากับ 220Ah (12V) น้ำหนักของกระบอกสูบคือ 11 กก.

เทคนิคเมทัลไฮไดรด์เป็นวิธีจัดเก็บ ขนส่ง และใช้ไฮโดรเจนที่ปลอดภัยและง่ายดาย เมื่อเก็บเป็นโลหะไฮไดรด์ ไฮโดรเจนจะอยู่ในรูปของสารประกอบทางเคมีมากกว่าในรูปก๊าซ วิธีนี้ทำให้ได้ความหนาแน่นพลังงานสูงเพียงพอ ข้อดีของการใช้เมทัลไฮไดรด์คือความดันภายในกระบอกสูบเพียง 2-4 บาร์ กระบอกสูบไม่เกิดการระเบิดและสามารถเก็บไว้ได้นานหลายปีโดยไม่ทำให้ปริมาตรของสารลดลง เนื่องจากไฮโดรเจนถูกกักเก็บในรูปของโลหะไฮไดรด์ ความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนที่ได้จากกระบอกสูบจึงสูงมากที่ 99.999% ถังเก็บไฮโดรเจนของโลหะไฮไดรด์สามารถใช้ได้ไม่เพียงแต่กับเซลล์เชื้อเพลิง HC 100,200,400 เท่านั้น แต่ยังสามารถใช้ได้ในกรณีอื่นๆ ที่จำเป็นต้องใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์ด้วย กระบอกสูบสามารถเชื่อมต่อกับเซลล์เชื้อเพลิงหรืออุปกรณ์อื่น ๆ ได้อย่างง่ายดายโดยใช้ตัวเชื่อมต่อแบบเชื่อมต่ออย่างรวดเร็วและสายยางแบบยืดหยุ่น

น่าเสียดายที่เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ไม่ได้จำหน่ายในรัสเซีย แต่ในหมู่ประชากรของเรามีคนจำนวนมากที่ต้องการพวกเขา เราจะรอดู และคุณจะเห็น เราจะมีบ้าง ในระหว่างนี้เราจะซื้อหลอดไฟประหยัดพลังงานที่รัฐกำหนด

ป.ล. ดูเหมือนว่าหัวข้อจะจางหายไปในที่สุด หลังจากเขียนบทความนี้มาหลายปีก็ไม่มีอะไรเกิดขึ้น บางทีฉันอาจไม่ได้มองหาทุกที่ แต่สิ่งที่ดึงดูดสายตาของฉันนั้นไม่น่าพอใจเลย เทคโนโลยีและแนวคิดเป็นสิ่งที่ดี แต่ยังไม่พบการพัฒนาใดๆ

lavent.ru

เซลล์เชื้อเพลิงคืออนาคตที่เริ่มต้นตั้งแต่วันนี้!

จุดเริ่มต้นของศตวรรษที่ 21 ถือว่านิเวศวิทยาเป็นหนึ่งในความท้าทายระดับโลกที่สำคัญที่สุด และสิ่งแรกที่ควรคำนึงถึงในสภาวะปัจจุบันคือการค้นหาและการใช้แหล่งพลังงานทดแทน พวกเขาคือผู้ที่สามารถป้องกันมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมของเราได้ เช่นเดียวกับการละทิ้งราคาเชื้อเพลิงจากไฮโดรคาร์บอนที่สูงขึ้นอย่างต่อเนื่องโดยสิ้นเชิง

ในปัจจุบันนี้ แหล่งพลังงาน เช่น เซลล์แสงอาทิตย์และกังหันลม ได้ถูกนำมาใช้ประโยชน์แล้ว แต่น่าเสียดายที่ข้อเสียนั้นเกี่ยวข้องกับการขึ้นอยู่กับสภาพอากาศตลอดจนฤดูกาลและช่วงเวลาของวัน ด้วยเหตุนี้การใช้งานในอุตสาหกรรมอวกาศอากาศยานและยานยนต์จึงค่อยๆถูกละทิ้งและสำหรับการใช้งานแบบอยู่กับที่จะมีการติดตั้งแหล่งพลังงานสำรอง - แบตเตอรี่

อย่างไรก็ตาม ทางออกที่ดีที่สุดคือเซลล์เชื้อเพลิง เนื่องจากไม่จำเป็นต้องชาร์จพลังงานอย่างต่อเนื่อง นี่คืออุปกรณ์ที่สามารถแปรรูปและแปลงเชื้อเพลิงประเภทต่างๆ (น้ำมันเบนซิน แอลกอฮอล์ ไฮโดรเจน ฯลฯ) ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้โดยตรง

เซลล์เชื้อเพลิงทำงานบนหลักการต่อไปนี้: เชื้อเพลิงถูกจ่ายจากภายนอก ซึ่งถูกออกซิไดซ์ด้วยออกซิเจน และพลังงานที่ปล่อยออกมาจะถูกแปลงเป็นไฟฟ้า หลักการทำงานนี้ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการทำงานที่เกือบจะชั่วนิรันดร์

ตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาเซลล์เชื้อเพลิงและพัฒนาการดัดแปลงใหม่ๆ อย่างต่อเนื่อง ดังนั้น ทุกวันนี้ ขึ้นอยู่กับสภาพการใช้งาน มีอัลคาไลน์หรืออัลคาไลน์ (AFC), โบโรไฮเดรตโดยตรง (DBFC), อิเล็กโทรกัลวานิก (EGFC), เมทานอลโดยตรง (DMFC), สังกะสีอากาศ (ZAFC), จุลินทรีย์ (MFC) แบบจำลอง ขึ้นอยู่กับกรดฟอร์มิก (DFAFC) และโลหะไฮไดรด์ (MHFC) เป็นที่รู้จักกัน

หนึ่งในสิ่งที่มีแนวโน้มมากที่สุดคือเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน การใช้ไฮโดรเจนในโรงไฟฟ้าจะมาพร้อมกับการปล่อยพลังงานจำนวนมาก และไอเสียจากอุปกรณ์ดังกล่าวคือไอน้ำบริสุทธิ์หรือน้ำดื่ม ซึ่งไม่ก่อให้เกิดภัยคุกคามต่อสิ่งแวดล้อม

การทดสอบเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้ที่ประสบความสำเร็จบนยานอวกาศได้กระตุ้นความสนใจอย่างมากในหมู่ผู้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และ อุปกรณ์ต่างๆ. ดังนั้น บริษัท PolyFuel จึงได้นำเสนอเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนขนาดเล็กสำหรับแล็ปท็อป แต่อุปกรณ์ดังกล่าวมีราคาสูงเกินไปและความยากลำบากในการเติมเชื้อเพลิงอย่างไม่จำกัดจะจำกัดการผลิตทางอุตสาหกรรมและการกระจายสินค้าในวงกว้าง ฮอนด้ายังผลิตเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับยานยนต์มานานกว่า 10 ปี อย่างไรก็ตามการขนส่งประเภทนี้ไม่ได้จำหน่าย แต่มีไว้สำหรับการใช้งานอย่างเป็นทางการของพนักงานบริษัทเท่านั้น รถยนต์อยู่ภายใต้การดูแลของวิศวกร

หลายคนสงสัยว่าเป็นไปได้หรือไม่ที่จะประกอบเซลล์เชื้อเพลิงด้วยมือของตัวเอง ท้ายที่สุดแล้วข้อได้เปรียบที่สำคัญของอุปกรณ์ทำเองคือการลงทุนเล็กน้อยซึ่งตรงกันข้ามกับรุ่นอุตสาหกรรม สำหรับโมเดลจิ๋ว คุณจะต้องใช้ลวดนิกเกิลเคลือบแพลตตินัมยาว 30 ซม. พลาสติกหรือไม้ชิ้นเล็กๆ คลิปหนีบแบตเตอรี่ 9 โวลต์และตัวแบตเตอรี่ เทปกาวใส แก้วน้ำ และโวลต์มิเตอร์ อุปกรณ์ดังกล่าวจะช่วยให้คุณมองเห็นและเข้าใจแก่นแท้ของงาน แต่แน่นอนว่าจะไม่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าให้กับรถยนต์ได้

fb.ru

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน: ประวัติเล็กน้อย | ไฮโดรเจน

ปัจจุบันปัญหาการขาดแคลนทรัพยากรพลังงานแบบดั้งเดิมและความเสื่อมโทรมของระบบนิเวศโดยรวมของโลกอันเนื่องมาจากการใช้งานนั้นรุนแรงเป็นพิเศษ นั่นคือเหตุผลว่าทำไมเมื่อเร็วๆ นี้ ทรัพยากรทางการเงินและทรัพยากรทางปัญญาที่สำคัญจึงถูกนำมาใช้ในการพัฒนาสารทดแทนเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนที่อาจมีแนวโน้มดี ไฮโดรเจนอาจกลายเป็นสิ่งทดแทนได้ในอนาคตอันใกล้นี้เนื่องจากการใช้ในโรงไฟฟ้านั้นมาพร้อมกับการปล่อยพลังงานจำนวนมากและไอเสียคือไอน้ำนั่นคือมันไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม

แม้จะมีปัญหาทางเทคนิคบางประการในการใช้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน แต่ผู้ผลิตรถยนต์หลายรายก็ชื่นชมกับคำมั่นสัญญาของเทคโนโลยีนี้ และกำลังพัฒนาต้นแบบของรถยนต์ที่ใช้ในการผลิตซึ่งสามารถใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงหลักอย่างแข็งขันอยู่แล้ว ย้อนกลับไปในช่วงสองพันสิบเอ็ด Daimler AG นำเสนอโมเดล Mercedes-Benz ตามแนวคิดด้วยโรงไฟฟ้าไฮโดรเจน นอกจากนี้ บริษัท Hyndayi ของเกาหลีได้ประกาศอย่างเป็นทางการว่าไม่มีความตั้งใจที่จะพัฒนารถยนต์ไฟฟ้าอีกต่อไป แต่จะมุ่งเน้นไปที่ความพยายามทั้งหมดในการพัฒนารถยนต์ไฮโดรเจนราคาไม่แพง

แม้ว่าความคิดในการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงนั้นไม่ใช่เรื่องแปลกสำหรับหลาย ๆ คน แต่ส่วนใหญ่ไม่รู้ว่าเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ไฮโดรเจนทำงานอย่างไรและสิ่งที่น่าทึ่งเกี่ยวกับพวกมัน

เพื่อให้เข้าใจถึงความสำคัญของเทคโนโลยี เราขอแนะนำให้ดูประวัติความเป็นมาของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

บุคคลแรกที่อธิบายศักยภาพของการใช้ไฮโดรเจนในเซลล์เชื้อเพลิงคือชาวเยอรมันชื่อ Christian Friedrich ย้อนกลับไปในปี 1838 เขาได้ตีพิมพ์ผลงานของเขาในวารสารวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงในยุคนั้น

ปีต่อมา ต้นแบบของแบตเตอรี่ไฮโดรเจนที่ใช้งานได้ถูกสร้างขึ้นโดยผู้พิพากษาจาก Uhls เซอร์วิลเลียม โรเบิร์ต โกรฟ อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ยังน้อยเกินไปแม้จะเป็นไปตามมาตรฐานในขณะนั้น ดังนั้นการใช้งานจริงจึงไม่เป็นปัญหา

คำว่า "เซลล์เชื้อเพลิง" เป็นคำที่นักวิทยาศาสตร์ Ludwig Mond และ Charles Langer มีอยู่ ซึ่งในปี พ.ศ. 2432 ได้พยายามสร้างเซลล์เชื้อเพลิงที่ทำงานบนอากาศและก๊าซจากเตาโค้ก ตามแหล่งข้อมูลอื่น คำนี้ถูกใช้ครั้งแรกโดยวิลเลียม ไวท์ จาคส์ ซึ่งเป็นคนแรกที่ตัดสินใจใช้กรดฟอสฟอริกในอิเล็กโทรไลต์

ในช่วงทศวรรษที่ 1920 มีการศึกษาจำนวนมากในประเทศเยอรมนี ซึ่งส่งผลให้เกิดการค้นพบเซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์และวิธีการใช้วัฏจักรคาร์บอเนต เป็นที่น่าสังเกตว่าเทคโนโลยีเหล่านี้ถูกนำมาใช้อย่างมีประสิทธิภาพในยุคของเรา

ในปี 1932 วิศวกร Francis T Bacon เริ่มทำงานวิจัยเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ไฮโดรเจนโดยตรง ก่อนหน้าเขานักวิทยาศาสตร์ใช้รูปแบบที่กำหนดไว้ - วางอิเล็กโทรดแพลตตินัมที่มีรูพรุนในกรดซัลฟิวริก ข้อเสียที่ชัดเจนของโครงการดังกล่าวคือประการแรกคือมีค่าใช้จ่ายสูงที่ไม่ยุติธรรมเนื่องจากการใช้แพลตตินัม นอกจากนี้ การใช้กรดซัลฟิวริกกัดกร่อนยังเป็นภัยคุกคามต่อสุขภาพ และบางครั้งอาจถึงชีวิตของนักวิจัยด้วย เบคอนตัดสินใจปรับวงจรให้เหมาะสมและแทนที่แพลตตินัมด้วยนิกเกิล และใช้องค์ประกอบอัลคาไลน์เป็นอิเล็กโทรไลต์

ต้องขอบคุณการทำงานที่มีประสิทธิผลในการปรับปรุงเทคโนโลยีของเขา ในปี 1959 Bacon ได้นำเสนอเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนดั้งเดิมแก่สาธารณชนทั่วไป ซึ่งผลิตพลังงานได้ 5 กิโลวัตต์และสามารถจ่ายพลังงานให้กับเครื่องเชื่อมได้ เขาเรียกอุปกรณ์ที่นำเสนอว่า "เบคอนเซลล์"

ในเดือนตุลาคมของปีเดียวกัน มีการสร้างรถแทรกเตอร์ที่มีเอกลักษณ์เฉพาะซึ่งใช้ไฮโดรเจนและให้กำลัง 20 แรงม้า

ในอายุหกสิบเศษของศตวรรษที่ 20 บริษัท General Electric ของอเมริกาได้พัฒนาโครงการที่พัฒนาโดย Bacon และนำไปใช้กับโครงการอวกาศ Apollo และ NASA Gemini ผู้เชี่ยวชาญจาก NASA สรุปว่าการใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มีราคาแพงเกินไป ยากทางเทคนิค และไม่ปลอดภัย นอกจากนี้เรายังต้องละทิ้งการใช้แบตเตอรี่ร่วมกับแผงโซลาร์เซลล์เนื่องจากมีขนาดใหญ่ วิธีแก้ปัญหาคือเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ซึ่งสามารถจ่ายพลังงานให้กับยานอวกาศและลูกเรือด้วยน้ำสะอาด

รถบัสคันแรกที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงถูกสร้างขึ้นในปี 1993 และต้นแบบของรถยนต์นั่งส่วนบุคคลที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนได้ถูกนำเสนอในปี 1997 โดยแบรนด์รถยนต์ระดับโลกเช่นโตโยต้าและเดมเลอร์เบนซ์

เป็นเรื่องแปลกเล็กน้อยที่เชื้อเพลิงที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมซึ่งขายในรถยนต์เมื่อสิบห้าปีที่แล้วยังไม่แพร่หลาย มีเหตุผลหลายประการสำหรับเรื่องนี้ เหตุผลหลักอาจเป็นเรื่องการเมืองและความต้องการในการสร้างโครงสร้างพื้นฐานที่เหมาะสม หวังว่าไฮโดรเจนจะยังคงมีบทบาทและกลายเป็นคู่แข่งสำคัญของรถยนต์ไฟฟ้า (odnaknopka)

Energycraft.org

สังคมวัตถุของเราที่ปราศจากพลังงานไม่เพียงแต่พัฒนาเท่านั้น แต่ยังดำรงอยู่ได้ด้วย พลังงานมาจากไหน? จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ ผู้คนใช้วิธีเดียวในการได้รับมัน เราต่อสู้กับธรรมชาติ เผาถ้วยรางวัลที่ได้รับในเตาเผาของเตาไฟบ้านหลังแรก จากนั้นใช้ตู้รถไฟไอน้ำและโรงไฟฟ้าพลังความร้อนอันทรงพลัง

ไม่มีป้ายกำกับเกี่ยวกับกิโลวัตต์-ชั่วโมงที่คนทั่วไปยุคใหม่ใช้ซึ่งจะระบุว่าธรรมชาติทำงานกี่ปีเพื่อให้มนุษย์มีอารยธรรมสามารถเพลิดเพลินกับประโยชน์ของเทคโนโลยีได้ และอีกกี่ปีที่เธอยังต้องทำงานเพื่อบรรเทาความเสียหายที่เกิดขึ้น เธอด้วยอารยธรรมเช่นนี้ อย่างไรก็ตาม มีความเข้าใจที่เพิ่มมากขึ้นในสังคมว่าไม่ช้าก็เร็วไอดีลลวงตาก็จะสิ้นสุดลง ผู้คนกำลังคิดค้นวิธีการจัดหาพลังงานตามความต้องการของตนเองมากขึ้นเรื่อยๆ โดยสร้างความเสียหายต่อธรรมชาติให้น้อยที่สุด

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนคือจอกศักดิ์สิทธิ์แห่งพลังงานสะอาด พวกเขาแปรรูปไฮโดรเจนซึ่งเป็นหนึ่งในองค์ประกอบทั่วไปของตารางธาตุ และปล่อยเฉพาะน้ำ ซึ่งเป็นสสารที่พบมากที่สุดในโลก ภาพสีดอกกุหลาบนั้นเสียไปจากการที่ผู้คนไม่สามารถเข้าถึงไฮโดรเจนในฐานะสสารได้ มีจำนวนมาก แต่อยู่ในสถานะที่ถูกผูกไว้เท่านั้นและการสกัดมันยากกว่าการสูบน้ำมันออกจากส่วนลึกหรือขุดถ่านหิน

ทางเลือกหนึ่งสำหรับการผลิตไฮโดรเจนที่สะอาดและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมคือเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ (MTB) ซึ่งใช้จุลินทรีย์ในการย่อยสลายน้ำให้เป็นออกซิเจนและไฮโดรเจน ไม่ใช่ทุกอย่างจะราบรื่นที่นี่เช่นกัน จุลินทรีย์ทำหน้าที่ได้อย่างดีเยี่ยมในการผลิตเชื้อเพลิงสะอาด แต่เพื่อให้บรรลุประสิทธิภาพตามที่ต้องการในทางปฏิบัติ MTB ต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาเคมีตัวใดตัวหนึ่งของกระบวนการ

ตัวเร่งปฏิกิริยานี้คือแพลตตินัมโลหะมีค่า ซึ่งทำให้การใช้ MTB ในเชิงเศรษฐกิจไม่ยุติธรรมและเป็นไปไม่ได้ในทางปฏิบัติ

นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-มิลวอกีได้ค้นพบสิ่งทดแทนตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีราคาแพง แทนที่จะใช้แพลตตินัม พวกเขาเสนอให้ใช้แท่งนาโนราคาถูกที่ทำจากคาร์บอน ไนโตรเจน และเหล็กผสมกัน ตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ประกอบด้วยแท่งกราไฟท์ที่มีไนโตรเจนฝังอยู่ในชั้นผิวและแกนคาร์ไบด์ของเหล็ก ในช่วงสามเดือนของการทดสอบผลิตภัณฑ์ใหม่ ตัวเร่งปฏิกิริยาแสดงให้เห็นถึงความสามารถที่สูงกว่าของแพลตตินัม การทำงานของแท่งนาโนมีความเสถียรและควบคุมได้มากขึ้น

และที่สำคัญที่สุดคือผลงานของนักวิทยาศาสตร์ในมหาวิทยาลัยมีราคาถูกกว่ามาก ดังนั้นต้นทุนของตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินัมจะอยู่ที่ประมาณ 60% ของต้นทุนของ MTB ในขณะที่ต้นทุนของ nanorods อยู่ภายใน 5% ของราคาปัจจุบัน

ตามที่ผู้สร้าง nanorods ตัวเร่งปฏิกิริยา ศาสตราจารย์ Junhong Chen กล่าวว่า "เซลล์เชื้อเพลิงสามารถเปลี่ยนเชื้อเพลิงเป็นไฟฟ้าได้โดยตรง เมื่อรวมกันแล้ว พลังงานไฟฟ้าจากแหล่งหมุนเวียนสามารถจัดส่งไปยังจุดที่ต้องการในลักษณะที่สะอาด มีประสิทธิภาพ และยั่งยืน”

ศาสตราจารย์ Chen และทีมนักวิจัยของเขากำลังศึกษาลักษณะเฉพาะของตัวเร่งปฏิกิริยา เป้าหมายของพวกเขาคือการให้ความสำคัญกับการประดิษฐ์เชิงปฏิบัติ เพื่อให้เหมาะสำหรับการผลิตและการใช้งานจำนวนมาก

ขึ้นอยู่กับวัสดุจาก Gizmag

www.facepla.net

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนและระบบพลังงาน

รถยนต์พลังน้ำอาจกลายเป็นความจริงในไม่ช้า และเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจะถูกติดตั้งในบ้านหลายหลัง...

เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนไม่ใช่เรื่องใหม่ เริ่มต้นในปี 1776 เมื่อ Henry Cavendish ค้นพบไฮโดรเจนเป็นครั้งแรกในขณะที่ละลายโลหะในกรดเจือจาง เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเซลล์แรกถูกคิดค้นขึ้นในปี พ.ศ. 2382 โดยวิลเลียม โกรฟ นับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนได้รับการปรับปรุงอย่างค่อยเป็นค่อยไป และตอนนี้ได้รับการติดตั้งในกระสวยอวกาศ เพื่อจ่ายพลังงานและทำหน้าที่เป็นแหล่งน้ำ ปัจจุบัน เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจวนจะเข้าถึงตลาดมวลชน ทั้งในรถยนต์ บ้าน และอุปกรณ์พกพา

ในเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน พลังงานเคมี (ในรูปของไฮโดรเจนและออกซิเจน) จะถูกแปลงโดยตรง (โดยไม่มีการเผาไหม้) ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า เซลล์เชื้อเพลิงประกอบด้วยแคโทด อิเล็กโทรด และแอโนด ไฮโดรเจนจะถูกป้อนเข้าสู่ขั้วบวก ซึ่งจะถูกแยกออกเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน โปรตอนและอิเล็กตรอนมีเส้นทางไปยังแคโทดต่างกัน โปรตอนเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรดไปยังแคโทด และอิเล็กตรอนผ่านรอบเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อไปยังแคโทด การเคลื่อนไหวนี้จะสร้างพลังงานไฟฟ้าที่นำไปใช้ได้ในภายหลัง ในอีกด้านหนึ่ง ไฮโดรเจนโปรตอนและอิเล็กตรอนจะรวมตัวกับออกซิเจนเพื่อสร้างน้ำ

อิเล็กโทรไลเซอร์เป็นวิธีหนึ่งในการแยกไฮโดรเจนออกจากน้ำ โดยพื้นฐานแล้วกระบวนการนี้ตรงกันข้ามกับสิ่งที่เกิดขึ้นกับเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน อิเล็กโทรไลเซอร์ประกอบด้วยขั้วบวก เซลล์ไฟฟ้าเคมี และแคโทด น้ำและแรงดันไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับขั้วบวก ซึ่งแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน ไฮโดรเจนผ่านเซลล์ไฟฟ้าเคมีไปยังแคโทด และออกซิเจนจะถูกส่งไปยังแคโทดโดยตรง จากนั้นจะสามารถสกัดและกักเก็บไฮโดรเจนและออกซิเจนได้ ในช่วงเวลาที่ไม่จำเป็นต้องผลิตไฟฟ้า ก๊าซที่สะสมสามารถกำจัดออกจากสถานที่จัดเก็บและส่งกลับผ่านเซลล์เชื้อเพลิงได้

ระบบนี้ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง ซึ่งอาจเป็นสาเหตุว่าทำไมจึงมีความเชื่อผิดๆ มากมายเกี่ยวกับความปลอดภัยของระบบ หลังจากการระเบิดของแม่น้ำ Hindenburg ผู้คนจำนวนมากห่างไกลจากวิทยาศาสตร์และแม้แต่นักวิทยาศาสตร์บางคนก็เริ่มเชื่อว่าการใช้ไฮโดรเจนเป็นสิ่งที่อันตรายมาก อย่างไรก็ตาม ผลการวิจัยเมื่อเร็วๆ นี้แสดงให้เห็นว่าสาเหตุของโศกนาฏกรรมครั้งนี้เกี่ยวข้องกับประเภทของวัสดุที่ใช้ในการก่อสร้าง ไม่ใช่กับไฮโดรเจนที่ถูกสูบเข้าไปภายใน หลังจากทดสอบความปลอดภัยของการเก็บไฮโดรเจนแล้ว พบว่าการเก็บไฮโดรเจนในเซลล์เชื้อเพลิงปลอดภัยกว่าการเก็บน้ำมันเบนซินในถังเชื้อเพลิงรถยนต์

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนสมัยใหม่ราคาเท่าไหร่? ปัจจุบันบริษัทต่างๆ นำเสนอระบบเชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่ผลิตพลังงานได้ในราคาประมาณ 3,000 ดอลลาร์สหรัฐฯ ต่อกิโลวัตต์ การวิจัยการตลาดพบว่าเมื่อต้นทุนลดลงเหลือ 1,500 ดอลลาร์ต่อกิโลวัตต์ ผู้บริโภคในตลาดพลังงานมวลชนก็พร้อมที่จะเปลี่ยนไปใช้เชื้อเพลิงประเภทนี้

รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนยังคงมีราคาแพงกว่ารถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายใน แต่ผู้ผลิตกำลังค้นหาวิธีที่จะลดราคาให้อยู่ในระดับที่เทียบเคียงได้ ในพื้นที่ห่างไกลบางแห่งที่ไม่มีสายไฟ การใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงหรือจ่ายไฟให้กับบ้านโดยอิสระอาจประหยัดกว่าในปัจจุบัน เช่น การสร้างโครงสร้างพื้นฐานสำหรับแหล่งพลังงานแบบดั้งเดิม

เหตุใดเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจึงยังไม่ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลาย? ในขณะนี้ต้นทุนที่สูงคือปัญหาหลักในการแพร่กระจายของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ระบบเชื้อเพลิงไฮโดรเจนไม่ได้มีความต้องการจำนวนมากในขณะนี้ อย่างไรก็ตาม วิทยาศาสตร์ไม่ได้หยุดนิ่งและในอนาคตอันใกล้นี้ รถยนต์ที่วิ่งบนน้ำอาจกลายเป็นความจริงได้

www.tesla-tehnika.biz

เซลล์เชื้อเพลิงเป็นอุปกรณ์แปลงพลังงานไฟฟ้าเคมีที่แปลงไฮโดรเจนและออกซิเจนเป็นไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาเคมี จากกระบวนการนี้ น้ำจึงก่อตัวขึ้นและปล่อยความร้อนจำนวนมากออกมา เซลล์เชื้อเพลิงมีลักษณะคล้ายกับแบตเตอรี่ที่สามารถชาร์จแล้วใช้พลังงานไฟฟ้าที่เก็บไว้ได้
William R. Grove ถือเป็นผู้ประดิษฐ์เซลล์เชื้อเพลิงซึ่งประดิษฐ์มันขึ้นมาในปี พ.ศ. 2382 ในเซลล์เชื้อเพลิงนี้มีการใช้สารละลายกรดซัลฟิวริกเป็นอิเล็กโทรไลต์และใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงซึ่งรวมกับออกซิเจนใน สารออกซิไดซ์ ควรสังเกตว่าจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ เซลล์เชื้อเพลิงถูกใช้เฉพาะในห้องปฏิบัติการและบนยานอวกาศเท่านั้น
ในอนาคต เซลล์เชื้อเพลิงจะสามารถแข่งขันกับระบบการแปลงพลังงานอื่นๆ มากมาย (รวมถึงกังหันก๊าซในโรงไฟฟ้า) เครื่องยนต์สันดาปภายในในรถยนต์ และแบตเตอรี่ไฟฟ้าในอุปกรณ์พกพา เครื่องยนต์สันดาปภายในจะเผาไหม้เชื้อเพลิงและใช้แรงดันที่สร้างขึ้นโดยการขยายตัวของก๊าซเผาไหม้เพื่อทำงานทางกล แบตเตอรี่จะเก็บพลังงานไฟฟ้าไว้ แล้วแปลงเป็นพลังงานเคมี ซึ่งสามารถแปลงกลับเป็นพลังงานไฟฟ้าได้หากจำเป็น เซลล์เชื้อเพลิงอาจมีประสิทธิภาพมาก ย้อนกลับไปในปี 1824 นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Carnot พิสูจน์ว่าวงจรการอัดและการขยายตัวของเครื่องยนต์สันดาปภายในไม่สามารถรับประกันประสิทธิภาพของการแปลงพลังงานความร้อน (ซึ่งเป็นพลังงานเคมีของการเผาไหม้เชื้อเพลิง) ให้เป็นพลังงานกลที่สูงกว่า 50% เซลล์เชื้อเพลิงไม่มีส่วนที่เคลื่อนไหว (อย่างน้อยก็ไม่ใช่ภายในเซลล์) ดังนั้นจึงไม่เป็นไปตามกฎของการ์โนต์ โดยปกติแล้วจะมีประสิทธิภาพมากกว่า 50% และมีประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่โหลดต่ำ ดังนั้น รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงจึงมีแนวโน้มที่จะ (และได้รับการพิสูจน์แล้วว่า) มีประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงมากกว่ารถยนต์ทั่วไปในสภาพการขับขี่จริง
เซลล์เชื้อเพลิงผลิตกระแสไฟฟ้าแรงดันคงที่ซึ่งสามารถใช้เพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้า ไฟส่องสว่าง และระบบไฟฟ้าอื่นๆ ในยานพาหนะ เซลล์เชื้อเพลิงมีหลายประเภท ขึ้นอยู่กับกระบวนการทางเคมีที่ใช้ เซลล์เชื้อเพลิงมักจะจำแนกตามประเภทของอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ เซลล์เชื้อเพลิงบางประเภทมีแนวโน้มที่จะใช้ขับเคลื่อนโรงไฟฟ้า ในขณะที่เซลล์เชื้อเพลิงบางประเภทอาจมีประโยชน์สำหรับอุปกรณ์พกพาขนาดเล็กหรือสำหรับการจ่ายไฟให้กับรถยนต์
เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์เป็นหนึ่งในเซลล์แรกๆ ที่พัฒนาขึ้น พวกมันถูกใช้ในโครงการอวกาศของสหรัฐอเมริกามาตั้งแต่ปี 1960 เซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวไวต่อการปนเปื้อนมาก ดังนั้นจึงต้องใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนที่บริสุทธิ์มาก อีกทั้งยังมีราคาแพงมาก ซึ่งหมายความว่าเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้ไม่น่าจะมีการใช้อย่างแพร่หลายในรถยนต์
เซลล์เชื้อเพลิงที่มีกรดฟอสฟอริกสามารถนำไปใช้ในการติดตั้งแบบติดตั้งกับที่ซึ่งใช้พลังงานต่ำได้ พวกมันทำงานที่อุณหภูมิค่อนข้างสูงจึงใช้เวลานานในการอุ่นเครื่อง ซึ่งทำให้ใช้งานในรถยนต์ไม่ได้ผลด้วย
เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์เหมาะกว่าสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบอยู่กับที่ขนาดใหญ่ที่สามารถจ่ายพลังงานให้กับโรงงานหรือชุมชนได้ เซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้ทำงานที่อุณหภูมิสูงมาก (ประมาณ 1,000 °C) อุณหภูมิการทำงานที่สูงทำให้เกิดปัญหาบางอย่าง แต่ในทางกลับกัน มีข้อดีคือ ไอน้ำที่ผลิตโดยเซลล์เชื้อเพลิงสามารถส่งไปยังกังหันเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้น โดยรวมแล้วสิ่งนี้จะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ
หนึ่งในระบบที่มีแนวโน้มมากที่สุดคือเซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC - Protone Exchange Membrane Fuel Cell) ปัจจุบันเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้มีแนวโน้มมากที่สุดเนื่องจากสามารถจ่ายพลังงานให้กับรถยนต์ รถโดยสาร และยานพาหนะอื่นๆ ได้

กระบวนการทางเคมีในเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงใช้กระบวนการเคมีไฟฟ้าเพื่อรวมไฮโดรเจนกับออกซิเจนที่ได้รับจากอากาศ เช่นเดียวกับแบตเตอรี่ เซลล์เชื้อเพลิงใช้อิเล็กโทรด (ตัวนำไฟฟ้าที่เป็นของแข็ง) ในอิเล็กโทรไลต์ (ตัวกลางที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า) เมื่อโมเลกุลไฮโดรเจนสัมผัสกับขั้วลบ (ขั้วบวก) ขั้วหลังจะถูกแยกออกเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน โปรตอนผ่านเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (POEM) ไปยังขั้วบวก (แคโทด) ของเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า การผสมผสานทางเคมีของโมเลกุลไฮโดรเจนและออกซิเจนเกิดขึ้นเพื่อสร้างน้ำเป็นผลพลอยได้จากปฏิกิริยานี้ การปล่อยก๊าซเรือนกระจกประเภทเดียวจากเซลล์เชื้อเพลิงคือไอน้ำ
ไฟฟ้าที่ผลิตโดยเซลล์เชื้อเพลิงสามารถนำไปใช้ในระบบส่งกำลังไฟฟ้าของยานพาหนะ (ประกอบด้วยตัวแปลงพลังงานไฟฟ้าและมอเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสสลับ) เพื่อให้พลังงานกลในการขับเคลื่อนยานพาหนะ งานของเครื่องแปลงพลังงานไฟฟ้าคือการแปลงกระแสตรงที่สร้างโดยเซลล์เชื้อเพลิงให้เป็นกระแสสลับที่ขับเคลื่อนมอเตอร์ฉุดลากของยานพาหนะ

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

เซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC) ใช้ปฏิกิริยาที่ง่ายที่สุดอย่างหนึ่งของเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงเซลล์เดียว

มาดูกันว่าเซลล์เชื้อเพลิงทำงานอย่างไร ขั้วบวกซึ่งเป็นขั้วลบของเซลล์เชื้อเพลิงนำอิเล็กตรอนที่เป็นอิสระจากโมเลกุลไฮโดรเจนเพื่อให้สามารถนำไปใช้ในวงจรไฟฟ้าภายนอกได้ ในการทำเช่นนี้มีการสลักช่องไว้เพื่อกระจายไฮโดรเจนให้ทั่วพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างเท่าเทียมกัน แคโทด (ขั้วบวกของเซลล์เชื้อเพลิง) มีช่องสลักที่กระจายออกซิเจนผ่านพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา นอกจากนี้ยังนำอิเล็กตรอนกลับจากวงนอก (วงจร) ไปยังตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งพวกมันสามารถรวมตัวกับไฮโดรเจนไอออนและออกซิเจนเพื่อสร้างน้ำ อิเล็กโทรไลต์เป็นเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน นี่เป็นวัสดุพิเศษที่คล้ายกับพลาสติกธรรมดา แต่มีความสามารถในการให้ไอออนที่มีประจุบวกผ่านและปิดกั้นการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน
ตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นวัสดุพิเศษที่ช่วยให้เกิดปฏิกิริยาระหว่างออกซิเจนกับไฮโดรเจน ตัวเร่งปฏิกิริยามักทำจากผงแพลทินัมทาในชั้นบางๆ ลงบนกระดาษคาร์บอนหรือผ้า ตัวเร่งปฏิกิริยาจะต้องหยาบและมีรูพรุนเพื่อให้พื้นผิวสัมผัสกับไฮโดรเจนและออกซิเจนได้สูงสุด ด้านที่เคลือบด้วยแพลตตินัมของตัวเร่งปฏิกิริยาจะอยู่ด้านหน้าเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM)
ก๊าซไฮโดรเจน (H2) จะถูกส่งไปยังเซลล์เชื้อเพลิงภายใต้แรงกดดันจากขั้วบวก เมื่อโมเลกุล H2 สัมผัสกับแพลตตินัมบนตัวเร่งปฏิกิริยา มันจะแยกออกเป็นสองส่วน คือ ไอออนสองตัว (H+) และอิเล็กตรอนสองตัว (e–) อิเล็กตรอนจะดำเนินการผ่านขั้วบวก โดยที่อิเล็กตรอนจะผ่านวงจรภายนอก (วงจร) เพื่อทำงานที่มีประโยชน์ (เช่น การขับมอเตอร์ไฟฟ้า) และกลับมาที่ด้านแคโทดของเซลล์เชื้อเพลิง
ในขณะเดียวกัน ที่ด้านแคโทดของเซลล์เชื้อเพลิง ก๊าซออกซิเจน (O 2 ) จะถูกบังคับผ่านตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งจะสร้างอะตอมออกซิเจนสองอะตอม อะตอมเหล่านี้แต่ละอะตอมมีประจุลบแรง ซึ่งดึงดูดไอออน H+ สองตัวผ่านเมมเบรน จากนั้นพวกมันจะรวมตัวกับอะตอมออกซิเจนและอิเล็กตรอนสองตัวจากวงจรด้านนอกเพื่อสร้างโมเลกุลของน้ำ (H 2 O)
ปฏิกิริยานี้ในเซลล์เชื้อเพลิงเซลล์เดียวให้พลังงานประมาณ 0.7 วัตต์ ในการเพิ่มพลังงานให้ถึงระดับที่ต้องการ เซลล์เชื้อเพลิงจำนวนมากจะต้องรวมกันเพื่อสร้างกองเซลล์เชื้อเพลิง
เซลล์เชื้อเพลิง POM ทำงานที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำ (ประมาณ 80°C) ซึ่งหมายความว่าเซลล์เชื้อเพลิงสามารถขึ้นสู่อุณหภูมิการทำงานได้อย่างรวดเร็ว และไม่จำเป็นต้องใช้ระบบทำความเย็นที่มีราคาแพง การปรับปรุงเทคโนโลยีและวัสดุอย่างต่อเนื่องที่ใช้ในเซลล์เหล่านี้ทำให้พลังงานเข้าใกล้ระดับที่แบตเตอรี่ของเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวซึ่งครอบครองส่วนเล็กๆ ท้ายรถ สามารถให้พลังงานที่จำเป็นในการขับเคลื่อนรถยนต์ได้
ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา ผู้ผลิตรถยนต์ชั้นนำของโลกส่วนใหญ่ลงทุนอย่างมากในการพัฒนาการออกแบบรถยนต์ที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิง หลายคนได้สาธิตรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงที่มีกำลังและสมรรถนะที่น่าพอใจแล้ว แม้ว่าจะมีราคาค่อนข้างแพงก็ตาม
การปรับปรุงการออกแบบรถยนต์ดังกล่าวมีความเข้มข้นมาก

รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงใช้โรงไฟฟ้าที่ตั้งอยู่ใต้พื้นรถ

NECAR V มีพื้นฐานมาจากรถยนต์ Mercedes-Benz A-class โดยมีโรงไฟฟ้าทั้งหมดพร้อมเซลล์เชื้อเพลิงอยู่ใต้พื้นรถ โซลูชันการออกแบบนี้ทำให้สามารถรองรับผู้โดยสารและสัมภาระได้สี่คนในรถ ที่นี่ไม่ใช่ไฮโดรเจน แต่เมทานอลถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์ เมทานอลซึ่งใช้รีฟอร์มเมอร์ (อุปกรณ์ที่แปลงเมทานอลเป็นไฮโดรเจน) จะถูกแปลงเป็นไฮโดรเจนที่จำเป็นในการจ่ายพลังงานให้กับเซลล์เชื้อเพลิง การใช้รีฟอร์มเมอร์บนรถยนต์ทำให้สามารถใช้ไฮโดรคาร์บอนเกือบทุกชนิดเป็นเชื้อเพลิงได้ ซึ่งช่วยให้คุณสามารถเติมเชื้อเพลิงรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงโดยใช้เครือข่ายปั๊มน้ำมันที่มีอยู่ ตามทฤษฎีแล้ว เซลล์เชื้อเพลิงไม่ได้ผลิตอะไรเลยนอกจากไฟฟ้าและน้ำ การแปลงเชื้อเพลิง (น้ำมันเบนซินหรือเมทานอล) เป็นไฮโดรเจนที่จำเป็นสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงช่วยลดความน่าดึงดูดด้านสิ่งแวดล้อมของรถยนต์ประเภทนี้ได้บ้าง
ฮอนด้า ซึ่งเกี่ยวข้องกับเซลล์เชื้อเพลิงมาตั้งแต่ปี 1989 ได้ผลิตรถยนต์ Honda FCX-V4 ชุดเล็กๆ ในปี 2003 โดยใช้เซลล์เชื้อเพลิงแลกเปลี่ยนโปรตอนประเภทเมมเบรนบัลลาร์ด เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้สร้างพลังงานไฟฟ้าได้ 78 กิโลวัตต์ และใช้มอเตอร์ไฟฟ้าแบบฉุดลากที่มีกำลัง 60 กิโลวัตต์และแรงบิด 272 นิวตันเมตรในการขับเคลื่อนล้อขับเคลื่อน รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิง เมื่อเทียบกับรถยนต์ทั่วไปจะมีน้ำหนักประมาณ น้อยลง 40% ซึ่งรับประกันไดนามิกที่ยอดเยี่ยม และการจ่ายไฮโดรเจนอัดช่วยให้วิ่งได้ไกลถึง 355 กม.

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

รถยนต์แนวคิด Hy Wire ของ General Motors มีระบบส่งกำลังเซลล์เชื้อเพลิง

เจนเนอรัล มอเตอร์ส กำลังดำเนินการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับการพัฒนาและการสร้างรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิง

โครงรถไฮไวร์

รถแนวคิด GM Hy Wire ได้รับการจดสิทธิบัตร 26 ฉบับ พื้นฐานของรถคือแพลตฟอร์มการทำงานที่มีความหนา 150 มม. ภายในแท่นประกอบด้วยถังไฮโดรเจน ระบบส่งกำลังเซลล์เชื้อเพลิง และระบบควบคุมยานพาหนะที่ใช้เทคโนโลยีขับเคลื่อนด้วยสายไฟล่าสุด แชสซีของรถยนต์ Hy Wire นั้นเป็นแพลตฟอร์มแบบบางที่บรรจุองค์ประกอบหลักทั้งหมดของโครงสร้างของยานพาหนะ: ถังไฮโดรเจน เซลล์เชื้อเพลิง แบตเตอรี่ มอเตอร์ไฟฟ้า และระบบควบคุม วิธีการออกแบบนี้ทำให้สามารถเปลี่ยนตัวถังรถได้ในระหว่างการใช้งาน นอกจากนี้ บริษัทยังกำลังทดสอบรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงต้นแบบของ Opel และออกแบบโรงงานผลิตเซลล์เชื้อเพลิงอีกด้วย

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

BMW ให้ความสำคัญกับปัญหาการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์เป็นอย่างมาก BMW ร่วมมือกับ Magna Steyer ซึ่งมีชื่อเสียงในด้านการใช้ไฮโดรเจนเหลวในการสำรวจอวกาศ โดยได้พัฒนาถังเชื้อเพลิงสำหรับไฮโดรเจนเหลวที่สามารถใช้ในรถยนต์ได้

การทดสอบยืนยันความปลอดภัยในการใช้ถังเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหลว

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

รถยนต์โปรดักชั่นคันแรกของโลกที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงแทนแบตเตอรี่

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

หุ่นยนต์จะทำการเติมไฮโดรเจน โดยคนขับไม่เกี่ยวข้องกับกระบวนการนี้

บริษัท BMW เดียวกันนี้ยังได้พัฒนาเครื่องจ่ายเชื้อเพลิงแบบหุ่นยนต์ที่ช่วยให้การเติมเชื้อเพลิงรถยนต์ด้วยไฮโดรเจนเหลวรวดเร็วและปลอดภัย
การเกิดขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาของการพัฒนาจำนวนมากที่มุ่งสร้างรถยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงทางเลือกและระบบส่งกำลังทางเลือก แสดงให้เห็นว่าเครื่องยนต์สันดาปภายในซึ่งครองรถยนต์มาตลอดศตวรรษที่ผ่านมา จะหลีกทางให้การออกแบบที่สะอาดขึ้น มีประสิทธิภาพมากขึ้น และเงียบลงในที่สุด การยอมรับอย่างแพร่หลายในปัจจุบันไม่ได้ถูกจำกัดโดยทางเทคนิค แต่เกิดจากปัญหาทางเศรษฐกิจและสังคม สำหรับการใช้งานอย่างแพร่หลาย จำเป็นต้องสร้างโครงสร้างพื้นฐานบางอย่างสำหรับการพัฒนาการผลิตเชื้อเพลิงทางเลือก การสร้างและการจำหน่ายปั๊มน้ำมันแห่งใหม่ และเพื่อเอาชนะอุปสรรคทางจิตวิทยาหลายประการ การใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงของยานพาหนะจะต้องจัดการกับปัญหาการจัดเก็บ การจัดส่ง และการจัดจำหน่าย โดยมีมาตรการด้านความปลอดภัยที่ร้ายแรง
ตามทฤษฎีแล้วไฮโดรเจนมีอยู่ในปริมาณไม่จำกัด แต่การผลิตไฮโดรเจนนั้นใช้พลังงานมาก นอกจากนี้ ในการแปลงรถยนต์ให้ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจน จำเป็นต้องทำการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่สองครั้งในระบบไฟฟ้า ประการแรก เปลี่ยนการทำงานของระบบจากน้ำมันเบนซินเป็นเมทานอล จากนั้นเมื่อเวลาผ่านไปเป็นไฮโดรเจน จะใช้เวลาสักระยะก่อนที่ปัญหานี้จะได้รับการแก้ไข

ฮอไรซอน: ศูนย์รุ่งอรุณ | 2017-03-14

ในไม่ช้า (แม่นยำยิ่งขึ้นในช่วงเริ่มต้นของการผจญภัยอันน่าทึ่งของเธอ) ตัวละครหลักจะสะดุดกับบังเกอร์ Forerunner ซึ่งตั้งอยู่ใกล้กับดินแดนของชนเผ่าโนราห์ ภายในบังเกอร์โบราณหลังประตูอันทรงพลังและเทคโนโลยีสูงนี้ จะมีชุดเกราะที่ไม่เพียงแต่ดูดีเมื่อมองจากระยะไกล แต่ยังน่าดึงดูดอีกด้วย ชุดเกราะนี้มีชื่อว่า "Shield Weaver" และจริงๆ แล้วมันเป็นอุปกรณ์ที่ดีที่สุดในเกม ดังนั้นจึงมีคำถามมากมายเกิดขึ้นทันที: "จะหาและรับชุดเกราะ Shield Weaver ได้อย่างไร", "จะหาเชื้อเพลิงได้ที่ไหน", "จะเปิดประตูบังเกอร์ได้อย่างไร" และคำถามอื่นๆ อีกมากมายที่เกี่ยวข้องกับหัวข้อเดียวกัน ดังนั้นเพื่อที่จะเปิดประตูบังเกอร์และรับเกราะที่เป็นเจ้าข้าวเจ้าของ คุณจะต้องค้นหาเซลล์เชื้อเพลิงห้าเซลล์ ซึ่งจะกระจายไปทั่ว โลกของเกม. ด้านล่างนี้ฉันจะบอกคุณว่าจะค้นหาเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อไขปริศนาได้ที่ไหนและอย่างไรระหว่างการค้นหาและในคลังแสงโบราณ

: คู่มือที่นำเสนอนี้ไม่เพียงแต่มีคำแนะนำแบบข้อความโดยละเอียดเท่านั้น แต่ยังมีภาพหน้าจอแนบมากับเซลล์เชื้อเพลิงแต่ละเซลล์ และมีวิดีโออยู่ตอนท้ายอีกด้วย ทั้งหมดนี้สร้างขึ้นเพื่ออำนวยความสะดวกในการค้นหาของคุณ ดังนั้นหากจุดใดจุดหนึ่งในข้อความไม่ชัดเจน ฉันขอแนะนำให้ดูภาพหน้าจอและวิดีโอ

. เชื้อเพลิงก้อนแรก - “ใจแม่”

จะหาเซลล์เชื้อเพลิงแรกได้ที่ไหนและอย่างไร - ตำแหน่งของเชื้อเพลิง

ดังนั้น Aloy จะสามารถค้นพบเซลล์เชื้อเพลิงแรกสุด (หรือพูดง่ายๆ ก็คือ เชื้อเพลิง) ได้นานก่อนจะเข้าสู่โลก เปิดโลกในภารกิจ “ครรภ์มารดา” ประเด็นก็คือหลังจากงาน "การเริ่มต้น" (ซึ่งยังใช้กับด้วย โครงเรื่อง) ตัวละครหลักจะพบว่าตัวเองอยู่ในสถานที่ที่เรียกว่า “หัวใจของแม่” ซึ่งเป็นสถานที่ศักดิ์สิทธิ์สำหรับชนเผ่าโนราห์และที่พำนักของหัวหน้าเผ่า

ทันทีที่หญิงสาวลุกจากเตียง ให้เดินเข้าไปในห้องต่างๆ ตามลำดับ โดยที่ห้องใดห้องหนึ่งคุณจะพบประตูที่ปิดสนิทซึ่งคุณไม่สามารถเปิดได้ ในขณะนี้ฉันขอแนะนำอย่างยิ่งให้คุณมองไปรอบ ๆ เพราะข้างนางเอก (หรือใกล้ประตู - แล้วแต่สะดวกกว่า) มีปล่องระบายอากาศตกแต่งด้วยเทียนที่จุดไฟ (โดยทั่วไปนี่คือที่ที่คุณต้องไป) .

หลังจากที่คุณเดินผ่านปล่องระบายอากาศไปบางส่วน นางเอกจะพบว่าตัวเองอยู่หลังประตูที่ล็อคอยู่ ดูที่พื้นถัดจากบล็อกผนังและเทียนที่มีจุดประสงค์ลึกลับ - เซลล์เชื้อเพลิงเซลล์แรกอยู่ที่นี่

: อย่าลืมว่าหากคุณไม่หยิบเซลล์เชื้อเพลิงเซลล์แรกก่อนเข้าสู่โลกเปิด หลังจากนั้นคุณจะสามารถไปยังตำแหน่งนี้ได้เฉพาะในขั้นตอนต่อๆ ไปของเนื้อเรื่องเท่านั้น แต่ให้ชัดเจนยิ่งขึ้นหลังจากเสร็จสิ้นภารกิจ “หัวใจโนราห์” เลยแนะนำให้ไปเติมน้ำมันตอนนี้เลย

. เชื้อเพลิงที่สอง - "ซากปรักหักพัง"

จะหาเซลล์เชื้อเพลิงที่สองได้ที่ไหนและอย่างไร - ตำแหน่งของเชื้อเพลิง

สิ่งแรกที่คุณต้องรู้เมื่อค้นหาเชื้อเพลิงตัวที่สอง: ตัวละครหลักอยู่ในตำแหน่งนี้แล้วเมื่อเธอตกลงไปในซากปรักหักพังเมื่อครั้งยังเป็นเด็ก (ตอนเริ่มเกม) ดังนั้นหลังจากเสร็จสิ้นภารกิจ "การเริ่มต้น" คุณจะต้องจดจำวัยเด็กที่ลึกล้ำของคุณและลงไปที่นี่อีกครั้งเพื่อรับเซลล์เชื้อเพลิงที่สอง

ด้านล่างนี้เป็นภาพหลายภาพ (ภาพหน้าจอ) ภาพแรกแสดงทางเข้าซากปรักหักพัง (สีแดง) ภายในซากปรักหักพังคุณจะต้องขึ้นไปที่ระดับแรก - นี่คือพื้นที่ขวาล่างซึ่งจะถูกเน้นด้วยสีม่วงบนแผนที่ นอกจากนี้ก็จะมีประตูที่หญิงสาวสามารถเปิดได้ด้วยหอก

ทันทีที่ Aloy ผ่านประตู ให้ขึ้นบันไดแล้วเลี้ยวไปทางขวาในโอกาสแรก: เมื่อยังเยาว์วัย Aloy ไม่สามารถคลานผ่านหินงอกหินย้อยได้ แต่ตอนนี้เธอมี "ของเล่น" ที่มีประโยชน์ซึ่งสามารถรับมือกับงานใด ๆ ได้ . ดังนั้น จงหยิบหอกของคุณออกมาแล้วใช้มันทำลายหินงอกหินย้อย ในไม่ช้าเส้นทางก็จะชัดเจน ดังนั้นสิ่งที่เหลืออยู่คือนำเซลล์เชื้อเพลิงที่วางอยู่บนโต๊ะและไปยังเซลล์ถัดไป หากช่วงใดตอนหนึ่งไม่ชัดเจน ให้แนบภาพหน้าจอด้านล่างตามลำดับ

. เชื้อเพลิงที่สาม - "ขีดจำกัดของอาจารย์"

จะหาเซลล์เชื้อเพลิงเซลล์ที่สามได้ที่ไหนและอย่างไร - ตำแหน่งของเชื้อเพลิง

ถึงเวลามุ่งหน้าไปทางเหนือแล้ว ในระหว่างภารกิจ "Master's Limit" Aloy จะต้องสำรวจและศึกษาซากปรักหักพังขนาดยักษ์ของผู้เบิกทางอย่างระมัดระวัง ดังนั้นในซากปรักหักพังเหล่านี้ในระดับที่ 12 เซลล์เชื้อเพลิงถัดไปเซลล์ที่สามจะถูกซ่อนไว้

ดังนั้นคุณจะต้องปีนไม่เพียงแต่ขึ้นไปชั้นบนของซากปรักหักพังเหล่านี้เท่านั้น แต่ยังต้องปีนให้สูงขึ้นอีกเล็กน้อยด้วย อย่าเสียเวลาอันมีค่าและปีนสูงขึ้นไปตามส่วนที่รอดตายของอาคาร ปีนขึ้นไปจนกว่าคุณจะพบว่าตัวเองอยู่บนแท่นเล็กๆ ที่เปิดกว้างรับลมทุกแรง จากนั้นทุกอย่างก็เรียบง่าย เพราะที่ด้านบนสุดจะมีองค์ประกอบที่สามของเชื้อเพลิง: ไม่มีปริศนา ไม่มีปริศนา หรือความลับ เติมน้ำมันลงไปแล้วเดินหน้าต่อไป

. เชื้อเพลิงที่สี่ - “สมบัติแห่งความตาย”

จะหาเซลล์เชื้อเพลิงที่สี่ได้ที่ไหนและอย่างไร - ตำแหน่งของเชื้อเพลิง

ข่าวดีก็คือเซลล์เชื้อเพลิงนี้ตั้งอยู่ทางตอนเหนือของแผนที่ Horizon: Zero Dawn แต่จะอยู่ใกล้กับดินแดนของชนเผ่า Nora มากขึ้นเล็กน้อย ตัวละครหลักจะพบว่าตัวเองอยู่ในส่วนนี้ของแผนที่อีกครั้งในระหว่างภารกิจเรื่องถัดไป แต่ก่อนที่จะไปถึงเซลล์เชื้อเพลิงสุดท้าย Aloy จะต้องคืนแหล่งจ่ายไฟให้กับประตูที่ปิดสนิทซึ่งอยู่ที่ระดับที่สามของตำแหน่ง ยิ่งไปกว่านั้น ในการทำเช่นนี้ คุณจะต้องไขปริศนาที่มีขนาดเล็กและไม่ซับซ้อนเกินไป ปริศนาเกี่ยวข้องกับบล็อกและตัวควบคุม (มีตัวควบคุมสี่บล็อกสองบล็อกที่ระดับใต้ประตู) ดังนั้นในการเริ่มต้นฉันขอแนะนำให้คุณจัดการกับบล็อกด้านซ้ายของหน่วยงานกำกับดูแล: หน่วยงานกำกับดูแลแรกควรยกขึ้น (ดู) ขึ้น ที่สอง - ไปทางขวา ที่สาม - ไปทางซ้าย และที่สี่ - ลง

หลังจากนั้นให้ไปที่บล็อกทางด้านขวา อย่าแตะต้องตัวควบคุมสองตัวแรก แต่ตัวควบคุมตัวที่สามและสี่จะต้องถูกปิดลง ดังนั้นขึ้นไปอีกระดับหนึ่ง - นี่ไง บล็อกสุดท้ายหน่วยงานกำกับดูแล ลำดับที่ถูกต้องจะเป็น: 1 - บน, 2 - ล่าง, 3 - ซ้าย, 4 - ขวา

เมื่อคุณทำทุกอย่างถูกต้องแล้ว ส่วนควบคุมจะเปลี่ยนสีจากสีขาวเป็นสีฟ้าคราม ดังนั้นแหล่งจ่ายไฟจึงกลับคืนมา ดังนั้นให้กลับไปที่ประตูแล้วเปิดออก ด้านนอกประตูนางเอกจะได้รับ "การต้อนรับ" จากเซลล์เชื้อเพลิงสุดท้ายเพื่อที่เธอจะได้ไปเติมเชื้อเพลิงก้อนสุดท้าย

. เชื้อเพลิงที่ห้า - "GAIA Prime"

จะหาเซลล์เชื้อเพลิงที่ห้าได้ที่ไหนและอย่างไร - ตำแหน่งของเชื้อเพลิง

ในที่สุดเซลล์เชื้อเพลิงสุดท้าย และขอย้ำอีกครั้งว่าสามารถรับได้เฉพาะระหว่างเนื้อเรื่องเท่านั้น คราวนี้ตัวละครหลักจะต้องไปที่ซากปรักหักพังที่เรียกว่า "GAIA Prime" นี่คือจุดที่คุณต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษเมื่อคุณพบว่าตัวเองใกล้จะถึงระดับที่สามแล้ว ประเด็นก็คือในช่วงเวลาหนึ่งหญิงสาวจะเผชิญกับเหวที่น่าดึงดูดซึ่งเธอสามารถลงมาได้โดยใช้เชือกแม้ว่าเธอไม่ควรไปที่นั่นก็ตาม

ก่อนถึงเหวคุณควรเลี้ยวซ้ายแล้วสำรวจถ้ำที่ซ่อนอยู่จากมุมมองก่อน: คุณสามารถเข้าไปได้หากคุณลงไปตามไหล่เขาอย่างระมัดระวัง เข้าไปข้างในแล้วก้าวไปข้างหน้าจนจบ ในห้องสุดท้ายในห้องทางด้านขวาจะมีชั้นวางซึ่งเซลล์เชื้อเพลิงสุดท้ายวางอยู่ในที่สุด ตอนนี้คุณสามารถกลับไปสู่บังเกอร์ได้อย่างปลอดภัยและเปิดล็อคทั้งหมดเพื่อรับอุปกรณ์สุดหรูร่วมกับเขา

. จะเข้าไปในคลังแสงโบราณได้อย่างไร?

ตอนนี้สิ่งที่เหลืออยู่คือการกลับไปที่คลังแสงโบราณเพื่อรับรางวัลที่รอคอยมานาน หากคุณจำทางเดินของคลังแสงไม่ได้ ให้ดูภาพหน้าจอด้านล่างซึ่งจะช่วยให้คุณจำเส้นทางทั้งหมดได้

เมื่อคุณไปถึงสถานที่ที่ถูกต้องแล้วลงไป ให้ใส่เซลล์เชื้อเพลิงลงในเซลล์ว่าง ซึ่งจะทำให้หน่วยงานกำกับดูแลสว่างขึ้นจึงมีปริศนาใหม่ให้ไขเพื่อเปิดประตู ดังนั้นตัวควบคุมตัวแรกควรถูกชี้ขึ้น ตัวที่สอง - ไปทางขวา ตัวที่สาม - ลง ตัวที่สี่ - ไปทางซ้าย ตัวที่ห้า - ขึ้น เมื่อคุณทำทุกอย่างถูกต้องแล้ว ประตูจะเปิดออก แต่มันก็ยังห่างไกลจากจุดจบ

ถัดไปคุณจะต้องปลดล็อคตัวล็อค (หรือตัวยึด) ของเกราะ - นี่เป็นปริศนาง่ายๆ อีกตัวที่เกี่ยวข้องกับหน่วยงานกำกับดูแล ซึ่งคุณต้องใช้เซลล์เชื้อเพลิงที่เหลือ ควรหมุนปุ่มแรกไปทางขวา ปุ่มที่สองไปทางซ้าย ปุ่มที่สามขึ้นไป ปุ่มที่สี่ไปทางขวา และปุ่มที่ห้าไปทางซ้ายอีกครั้ง

ในที่สุด หลังจากการทรมานอันยาวนานนี้ มันก็เป็นไปได้ที่จะสวมชุดเกราะ “Shield Weaver” เป็นอุปกรณ์ที่ดีมากที่ทำให้ตัวละครหลักคงกระพันอยู่ระยะหนึ่ง สิ่งที่สำคัญที่สุดคือการตรวจสอบสีของชุดเกราะอย่างต่อเนื่อง: หากชุดเกราะกะพริบเป็นสีขาวแสดงว่าทุกอย่างเป็นไปตามลำดับ ถ้าเป็นสีแดงแสดงว่าโล่หาย

พวกเขาควบคุมยานอวกาศขององค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา (NASA) พวกเขาจ่ายไฟให้กับคอมพิวเตอร์ของธนาคารแห่งชาติแห่งแรกในโอมาฮา ใช้กับรถโดยสารสาธารณะบางคันในชิคาโก

เหล่านี้คือเซลล์เชื้อเพลิงทั้งหมด เซลล์เชื้อเพลิงเป็นอุปกรณ์เคมีไฟฟ้าที่ผลิตกระแสไฟฟ้าโดยไม่เกิดการเผาไหม้ ในทางเคมีในลักษณะเดียวกับแบตเตอรี่ ข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือพวกมันใช้สารเคมีต่างกัน ไฮโดรเจนและออกซิเจน และผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาเคมีคือน้ำ สามารถใช้ก๊าซธรรมชาติได้ แต่เมื่อใช้เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอน แน่นอนว่าจะปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในระดับหนึ่งอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

เนื่องจากเซลล์เชื้อเพลิงสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงและไม่มีการปล่อยมลพิษที่เป็นอันตราย เซลล์เชื้อเพลิงจึงถือเป็นแหล่งพลังงานที่ยั่งยืนซึ่งจะช่วยลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกและมลพิษอื่นๆ อุปสรรคสำคัญในการใช้เซลล์เชื้อเพลิงอย่างแพร่หลายคือต้นทุนที่สูงเมื่อเทียบกับอุปกรณ์อื่นๆ ที่ผลิตไฟฟ้าหรือขับเคลื่อนยานพาหนะ

ประวัติความเป็นมาของการพัฒนา

เซอร์วิลเลียม โกรฟส์สาธิตเซลล์เชื้อเพลิงชุดแรกในปี 1839 โกรฟส์แสดงให้เห็นว่ากระบวนการอิเล็กโทรลิซิส ซึ่งก็คือการแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนภายใต้อิทธิพลของกระแสไฟฟ้า สามารถย้อนกลับได้ นั่นคือไฮโดรเจนและออกซิเจนสามารถรวมกันทางเคมีเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้าได้

หลังจากการสาธิตนี้ นักวิทยาศาสตร์จำนวนมากรีบศึกษาเซลล์เชื้อเพลิงด้วยความกระตือรือร้น แต่การประดิษฐ์เครื่องยนต์สันดาปภายในและการพัฒนาโครงสร้างพื้นฐานสำรองน้ำมันในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 19 ทำให้การพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงล้าหลังไปมาก การพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงยังถูกขัดขวางอีกจากต้นทุนที่สูง

การพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเกิดขึ้นในยุค 50 เมื่อ NASA หันไปหาเซลล์เชื้อเพลิงเนื่องจากความต้องการเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดกะทัดรัดสำหรับการบินในอวกาศ ถูกลงทุน วิธีการที่เหมาะสมและเป็นผลให้เที่ยวบินของ Apollo และ Gemini ใช้พลังงานจากเซลล์เชื้อเพลิง ยานอวกาศยังใช้เซลล์เชื้อเพลิงอีกด้วย

เซลล์เชื้อเพลิงยังคงเป็นเทคโนโลยีทดลองส่วนใหญ่ แต่มีหลายบริษัทที่จำหน่ายเซลล์เชื้อเพลิงในตลาดเชิงพาณิชย์แล้ว ในช่วงเกือบสิบปีที่ผ่านมา มีความก้าวหน้าที่สำคัญในเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงเชิงพาณิชย์

เซลล์เชื้อเพลิงทำงานอย่างไร?

เซลล์เชื้อเพลิงมีลักษณะคล้ายกับแบตเตอรี่ โดยผลิตกระแสไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาเคมี ในทางตรงกันข้าม เครื่องยนต์สันดาปภายในจะเผาเชื้อเพลิงและทำให้เกิดความร้อน ซึ่งต่อมาถูกแปลงเป็นพลังงานกล เว้นแต่ว่าความร้อนจากก๊าซไอเสียจะถูกนำไปใช้ในทางใดทางหนึ่ง (เช่น เพื่อให้ความร้อนหรือเครื่องปรับอากาศ) ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์สันดาปภายในอาจกล่าวได้ว่าค่อนข้างต่ำ ตัวอย่างเช่น ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงเมื่อใช้ในรถยนต์ ซึ่งเป็นโครงการที่อยู่ระหว่างการพัฒนา คาดว่าจะมีประสิทธิภาพมากกว่าสองเท่าของเครื่องยนต์เบนซินทั่วไปที่ใช้ในรถยนต์ในปัจจุบัน

แม้ว่าทั้งแบตเตอรี่และเซลล์เชื้อเพลิงจะผลิตกระแสไฟฟ้าทางเคมี แต่ก็ทำหน้าที่สองอย่างที่แตกต่างกันมาก แบตเตอรี่เป็นอุปกรณ์เก็บพลังงาน: ไฟฟ้าที่ผลิตได้เป็นผลมาจากปฏิกิริยาทางเคมีของสารที่อยู่ภายในแบตเตอรี่แล้ว เซลล์เชื้อเพลิงไม่ได้เก็บพลังงาน แต่แปลงพลังงานบางส่วนจากเชื้อเพลิงที่จ่ายจากภายนอกไปเป็นพลังงานไฟฟ้า ด้วยเหตุนี้ เซลล์เชื้อเพลิงจึงมีลักษณะเหมือนโรงไฟฟ้าทั่วไปมากกว่า

เซลล์เชื้อเพลิงมีหลายประเภท เซลล์เชื้อเพลิงที่ง่ายที่สุดประกอบด้วยเมมเบรนพิเศษที่เรียกว่าอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรดแบบผงจะถูกนำไปใช้กับทั้งสองด้านของเมมเบรน การออกแบบนี้ - อิเล็กโทรไลต์ที่ล้อมรอบด้วยอิเล็กโทรดสองอัน - เป็นองค์ประกอบที่แยกจากกัน ไฮโดรเจนไปด้านหนึ่ง (ขั้วบวก) และออกซิเจน (อากาศ) ไปอีกด้านหนึ่ง (แคโทด) ปฏิกิริยาเคมีที่แตกต่างกันเกิดขึ้นที่แต่ละอิเล็กโทรด

ที่ขั้วบวก ไฮโดรเจนจะแตกตัวเป็นส่วนผสมของโปรตอนและอิเล็กตรอน ในเซลล์เชื้อเพลิงบางชนิด อิเล็กโทรดถูกล้อมรอบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งมักจะทำจากแพลตตินัมหรือโลหะมีตระกูลอื่นๆ ซึ่งส่งเสริมปฏิกิริยาการแยกตัว:

2H2 ==> 4H+ + 4e-

H2 = โมเลกุลไฮโดรเจนไดอะตอมมิก, รูปแบบ, นิ้ว

ซึ่งมีไฮโดรเจนอยู่ในรูปของก๊าซ

H+ = ไฮโดรเจนที่แตกตัวเป็นไอออน เช่น โปรตอน;

e- = อิเล็กตรอน

การทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงที่ว่าอิเล็กโทรไลต์ยอมให้โปรตอนผ่านเข้าไปได้ (ไปยังแคโทด) แต่อิเล็กตรอนไม่ผ่าน อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปที่แคโทดตามวงจรนำไฟฟ้าภายนอก การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนนี้เป็นกระแสไฟฟ้าที่สามารถใช้เพื่อขับเคลื่อนอุปกรณ์ภายนอกที่เชื่อมต่อกับเซลล์เชื้อเพลิง เช่น มอเตอร์ไฟฟ้าหรือหลอดไฟ อุปกรณ์นี้มักเรียกว่า "โหลด"

ที่ด้านแคโทดของเซลล์เชื้อเพลิง โปรตอน (ที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์) และอิเล็กตรอน (ที่ผ่านภาระภายนอก) จะถูก "รวมตัวกันอีกครั้ง" และทำปฏิกิริยากับออกซิเจนที่จ่ายให้กับแคโทดเพื่อสร้างน้ำ H2O:

4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O.

ปฏิกิริยาทั้งหมดในเซลล์เชื้อเพลิงเขียนได้ดังนี้:

2H2 + O2 ==> 2H2O

ในการทำงาน เซลล์เชื้อเพลิงใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนและออกซิเจนจากอากาศ ไฮโดรเจนสามารถจัดหาได้โดยตรงหรือโดยแยกออกจากแหล่งเชื้อเพลิงภายนอก เช่น ก๊าซธรรมชาติ น้ำมันเบนซิน หรือเมทานอล ในกรณีของแหล่งภายนอก จะต้องเปลี่ยนสภาพทางเคมีเพื่อสกัดไฮโดรเจน กระบวนการนี้เรียกว่า “การปฏิรูป” ไฮโดรเจนยังสามารถผลิตได้จากแอมโมเนีย ทรัพยากรทางเลือก เช่น ก๊าซจากหลุมฝังกลบในเมืองและโรงบำบัดน้ำเสีย และผ่านกระบวนการอิเล็กโทรลิซิสของน้ำ ซึ่งใช้ไฟฟ้าเพื่อแยกน้ำให้เป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน ปัจจุบันเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงส่วนใหญ่ที่ใช้ในการขนส่งใช้เมทานอล

มีการพัฒนาวิธีการต่างๆ เพื่อปฏิรูปเชื้อเพลิงเพื่อผลิตไฮโดรเจนสำหรับเซลล์เชื้อเพลิง กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาได้พัฒนาหน่วยเชื้อเพลิงภายในเครื่องปฏิรูปน้ำมันเบนซินเพื่อจ่ายไฮโดรเจนให้กับเซลล์เชื้อเพลิงในตัวเอง นักวิจัยจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติแปซิฟิกตะวันตกเฉียงเหนือในสหรัฐอเมริกาได้สาธิตเครื่องปฏิรูปเชื้อเพลิงขนาดกะทัดรัดซึ่งมีขนาดเพียงหนึ่งในสิบของแหล่งจ่ายไฟ บริษัท Northwest Power Systems ของสหรัฐอเมริกา และ Sandia National Laboratories ได้สาธิตเครื่องปฏิรูปเชื้อเพลิงที่แปลงเชื้อเพลิงดีเซลเป็นไฮโดรเจนสำหรับเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงแต่ละเซลล์ผลิตพลังงานได้ประมาณ 0.7-1.0V ต่อเซลล์ เพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าองค์ประกอบจะถูกประกอบเป็น "น้ำตก" เช่น การเชื่อมต่อแบบอนุกรม หากต้องการสร้างกระแสมากขึ้น ชุดขององค์ประกอบแบบเรียงซ้อนจะเชื่อมต่อแบบขนาน หากคุณรวมเซลล์เชื้อเพลิงแบบเรียงซ้อนเข้ากับระบบเชื้อเพลิง ระบบจ่ายอากาศและระบบทำความเย็น และระบบควบคุม คุณจะได้เครื่องยนต์เซลล์เชื้อเพลิง เครื่องยนต์นี้สามารถจ่ายพลังงานให้กับยานพาหนะ โรงไฟฟ้าแบบอยู่กับที่ หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบพกพา6 เครื่องยนต์เซลล์เชื้อเพลิงมีหลายขนาดขึ้นอยู่กับการใช้งาน ประเภทของเซลล์เชื้อเพลิง และเชื้อเพลิงที่ใช้ ตัวอย่างเช่น โรงไฟฟ้าแบบอยู่กับที่ขนาด 200 กิโลวัตต์ทั้งสี่แห่งที่ติดตั้งที่ธนาคารแห่งหนึ่งในโอมาฮามีขนาดประมาณเท่ากับรถพ่วงบรรทุก

การใช้งาน

เซลล์เชื้อเพลิงสามารถใช้ได้ทั้งกับอุปกรณ์ที่อยู่กับที่และอุปกรณ์เคลื่อนที่ เพื่อตอบสนองต่อกฎระเบียบด้านการปล่อยมลพิษที่เข้มงวดในสหรัฐอเมริกา ผู้ผลิตรถยนต์รวมถึง DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda และ Nissan ได้เริ่มทำการทดลองและสาธิตรถยนต์ที่ใช้พลังงานเซลล์เชื้อเพลิง รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงเชิงพาณิชย์คันแรกคาดว่าจะออกสู่ท้องถนนในปี 2547 หรือ 2548

ความสำเร็จครั้งสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงคือการสาธิตรถบัสในเมืองขนาด 32 ฟุตรุ่นทดลองของ Ballard Power System ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2536 ซึ่งขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนขนาด 90 กิโลวัตต์ ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา ยานพาหนะโดยสารเซลล์เชื้อเพลิงหลายประเภทและรุ่นต่างๆ ได้รับการพัฒนาและนำไปใช้งาน ประเภทต่างๆเชื้อเพลิง. ตั้งแต่ปลายปี 1996 มีการใช้งานรถกอล์ฟเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนสามคันในเมืองปาล์มดีเซิร์ท รัฐแคลิฟอร์เนีย บนถนนในเมืองชิคาโก รัฐอิลลินอยส์; แวนคูเวอร์ บริติชโคลัมเบีย; และออสโล ประเทศนอร์เวย์ กำลังทดสอบรถโดยสารในเมืองที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิง แท็กซี่ที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์กำลังถูกทดสอบบนท้องถนนในลอนดอน

การติดตั้งแบบอยู่กับที่โดยใช้เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงก็กำลังถูกสาธิตเช่นกัน แต่ยังไม่มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเชิงพาณิชย์ ธนาคารแห่งชาติแห่งแรกของโอมาฮาในเนบราสกาใช้ระบบเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อจ่ายไฟให้กับคอมพิวเตอร์ เนื่องจากระบบมีความน่าเชื่อถือมากกว่าระบบเก่า ซึ่งวิ่งออกจากโครงข่ายหลักด้วยพลังงานแบตเตอรี่สำรอง ระบบเซลล์เชื้อเพลิงเชิงพาณิชย์ที่ใหญ่ที่สุดในโลก ซึ่งมีกำลังผลิต 1.2 เมกะวัตต์ จะถูกติดตั้งที่ศูนย์ประมวลผลไปรษณีย์ในอลาสก้าเร็วๆ นี้ คอมพิวเตอร์แล็ปท็อปพกพาที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิง ระบบควบคุมที่ใช้ในโรงบำบัดน้ำเสีย และตู้จำหน่ายสินค้าอัตโนมัติ อยู่ระหว่างการทดสอบและสาธิต

"ข้อดีและข้อเสีย"

เซลล์เชื้อเพลิงมีข้อดีหลายประการ แม้ว่าเครื่องยนต์สันดาปภายในสมัยใหม่จะมีประสิทธิภาพเพียง 12-15% แต่เซลล์เชื้อเพลิงก็มีประสิทธิภาพ 50% ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงสามารถคงอยู่ได้ค่อนข้างสูงแม้ว่าจะไม่ได้ใช้งานที่กำลังไฟเต็มพิกัด ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญเมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์เบนซิน

การออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงแบบแยกส่วนหมายความว่าพลังของโรงไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิงสามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างง่ายดายโดยการเพิ่มขั้นตอนเพิ่มเติม สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าการใช้กำลังการผลิตที่ต่ำกว่าความเป็นจริงจะลดลง ทำให้สามารถจับคู่อุปสงค์และอุปทานได้ดียิ่งขึ้น เนื่องจากประสิทธิภาพของกองเซลล์เชื้อเพลิงถูกกำหนดโดยประสิทธิภาพของเซลล์แต่ละเซลล์ โรงไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิงขนาดเล็กจึงทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพพอๆ กับโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ นอกจากนี้ ความร้อนทิ้งจากระบบเซลล์เชื้อเพลิงแบบอยู่กับที่ยังสามารถนำไปใช้ในการทำความร้อนน้ำและพื้นที่ ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้พลังงานอีกด้วย

แทบไม่มีการปล่อยมลพิษที่เป็นอันตรายเมื่อใช้เซลล์เชื้อเพลิง เมื่อเครื่องยนต์ทำงานด้วยไฮโดรเจนบริสุทธิ์ จะมีเพียงความร้อนและไอน้ำบริสุทธิ์เท่านั้นที่จะถูกผลิตเป็นผลพลอยได้ ดังนั้นบนยานอวกาศ นักบินอวกาศจึงดื่มน้ำซึ่งเกิดขึ้นจากการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงบนเรือ องค์ประกอบของการปล่อยก๊าซเรือนกระจกขึ้นอยู่กับลักษณะของแหล่งไฮโดรเจน เมทานอลปล่อยไนโตรเจนออกไซด์และคาร์บอนมอนอกไซด์เป็นศูนย์ และปล่อยไฮโดรคาร์บอนเพียงเล็กน้อยเท่านั้น การปล่อยก๊าซเรือนกระจกจะเพิ่มขึ้นเมื่อคุณเปลี่ยนจากไฮโดรเจนไปเป็นเมทานอลและน้ำมันเบนซิน แม้ว่าจะใช้น้ำมันเบนซินก็ตาม การปล่อยก๊าซจะยังคงค่อนข้างต่ำ ไม่ว่าในกรณีใด การเปลี่ยนเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบเดิมในปัจจุบันด้วยเซลล์เชื้อเพลิงจะนำไปสู่การลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และไนโตรเจนออกไซด์โดยรวม

การใช้เซลล์เชื้อเพลิงทำให้เกิดความยืดหยุ่นในการสร้างโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงาน คุณลักษณะเพิ่มเติมเพื่อการผลิตไฟฟ้าแบบกระจายอำนาจ แหล่งพลังงานที่มีการกระจายอำนาจหลายหลากทำให้สามารถลดการสูญเสียระหว่างการส่งไฟฟ้าและพัฒนาตลาดพลังงานได้ (ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับพื้นที่ห่างไกลและในชนบทที่ไม่มีสายไฟเข้าถึง) ด้วยความช่วยเหลือของเซลล์เชื้อเพลิง ผู้พักอาศัยแต่ละรายหรือบริเวณใกล้เคียงสามารถจ่ายไฟฟ้าได้เกือบหมดของตนเอง และช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้พลังงานได้อย่างมาก

เซลล์เชื้อเพลิงให้พลังงานคุณภาพสูงและเพิ่มความน่าเชื่อถือ มีความทนทาน ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว และผลิตพลังงานในปริมาณที่สม่ำเสมอ

อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ ลดต้นทุน และทำให้เซลล์เชื้อเพลิงสามารถแข่งขันกับเทคโนโลยีพลังงานอื่นๆ ได้ ควรสังเกตว่าเมื่อพิจารณาคุณลักษณะต้นทุนของเทคโนโลยีพลังงานแล้ว ควรเปรียบเทียบตามคุณลักษณะเทคโนโลยีส่วนประกอบทั้งหมด รวมถึงต้นทุนการดำเนินงาน การปล่อยมลพิษ คุณภาพพลังงาน ความคงทน การรื้อถอน และความยืดหยุ่น

แม้ว่าก๊าซไฮโดรเจนจะเป็นเชื้อเพลิงที่ดีที่สุด แต่ยังไม่มีโครงสร้างพื้นฐานหรือฐานการขนส่งสำหรับก๊าซดังกล่าว ในอนาคตอันใกล้นี้ ระบบการจัดหาเชื้อเพลิงฟอสซิลที่มีอยู่ (ปั๊มน้ำมัน ฯลฯ) สามารถนำมาใช้เพื่อจัดหาแหล่งไฮโดรเจนให้กับโรงไฟฟ้าในรูปของน้ำมันเบนซิน เมทานอล หรือก๊าซธรรมชาติได้ วิธีนี้จะขจัดความจำเป็นในการมีสถานีเติมไฮโดรเจนโดยเฉพาะ แต่จะกำหนดให้ยานพาหนะแต่ละคันต้องติดตั้งเครื่องแปลงเชื้อเพลิงเป็นไฮโดรเจน ("ตัวปฏิรูป") ข้อเสียของวิธีนี้คือใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลและส่งผลให้เกิดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ เมทานอลซึ่งเป็นตัวเลือกอันดับต้นๆ ในปัจจุบัน ปล่อยก๊าซเรือนกระจกน้อยกว่าน้ำมันเบนซิน แต่จะต้องใช้ภาชนะที่ใหญ่กว่าในยานพาหนะ เนื่องจากใช้พื้นที่เป็นสองเท่าสำหรับปริมาณพลังงานเท่ากัน

ต่างจากระบบจ่ายเชื้อเพลิงฟอสซิล ระบบพลังงานแสงอาทิตย์และลม (การใช้ไฟฟ้าเพื่อสร้างไฮโดรเจนและออกซิเจนจากน้ำ) และระบบการแปลงด้วยแสงโดยตรง (การใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์หรือเอนไซม์เพื่อผลิตไฮโดรเจน) สามารถจัดหาไฮโดรเจนได้โดยไม่ต้องมีขั้นตอนการปฏิรูป ดังนั้น การปล่อยก๊าซเรือนกระจกของ สารอันตรายที่สังเกตได้เมื่อใช้เมธานอลหรือเซลล์เชื้อเพลิงเบนซินสามารถหลีกเลี่ยงได้ ไฮโดรเจนสามารถกักเก็บและแปลงเป็นไฟฟ้าในเซลล์เชื้อเพลิงได้ตามต้องการ เมื่อมองไปข้างหน้า การจับคู่เซลล์เชื้อเพลิงกับแหล่งพลังงานหมุนเวียนประเภทนี้น่าจะเป็นกลยุทธ์ที่มีประสิทธิภาพในการจัดหาแหล่งพลังงานที่มีประสิทธิผล ชาญฉลาดต่อสิ่งแวดล้อม และใช้งานได้หลากหลาย

คำแนะนำของ IEER คือให้รัฐบาลท้องถิ่น รัฐบาลกลาง และของรัฐทุ่มงบประมาณการจัดซื้อการขนส่งส่วนหนึ่งให้กับยานพาหนะเซลล์เชื้อเพลิง รวมถึงระบบเซลล์เชื้อเพลิงแบบอยู่กับที่ เพื่อจัดหาความร้อนและพลังงานให้กับอาคารสำคัญหรืออาคารใหม่บางแห่ง ซึ่งจะส่งเสริมการพัฒนาเทคโนโลยีที่สำคัญและลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก

เช่นเดียวกับเครื่องยนต์สันดาปภายในประเภทต่างๆ เซลล์เชื้อเพลิงก็มีหลายประเภท การเลือกประเภทเซลล์เชื้อเพลิงที่เหมาะสมก็ขึ้นอยู่กับการใช้งาน

เซลล์เชื้อเพลิงแบ่งออกเป็นอุณหภูมิสูงและอุณหภูมิต่ำ เซลล์เชื้อเพลิงอุณหภูมิต่ำต้องการไฮโดรเจนที่ค่อนข้างบริสุทธิ์เป็นเชื้อเพลิง ซึ่งมักหมายความว่าจำเป็นต้องมีการประมวลผลเชื้อเพลิงเพื่อแปลงเชื้อเพลิงหลัก (เช่น ก๊าซธรรมชาติ) ให้เป็นไฮโดรเจนบริสุทธิ์ กระบวนการนี้ใช้พลังงานเพิ่มเติมและต้องใช้อุปกรณ์พิเศษ เซลล์เชื้อเพลิงอุณหภูมิสูงไม่จำเป็นต้องมีขั้นตอนเพิ่มเติมนี้ เนื่องจากสามารถ "แปลงภายใน" ของเชื้อเพลิงที่อุณหภูมิสูงได้ ซึ่งหมายความว่าไม่จำเป็นต้องลงทุนในโครงสร้างพื้นฐานของไฮโดรเจน

เซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอเนตหลอมเหลว (MCFC)

เซลล์เชื้อเพลิงอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวเป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิสูง อุณหภูมิการทำงานที่สูงทำให้สามารถใช้ก๊าซธรรมชาติได้โดยตรงโดยไม่ต้องใช้ตัวประมวลผลเชื้อเพลิง และก๊าซเชื้อเพลิงที่มีค่าความร้อนต่ำจากกระบวนการทางอุตสาหกรรมและแหล่งอื่นๆ กระบวนการนี้ได้รับการพัฒนาในช่วงกลางทศวรรษ 1960 ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา เทคโนโลยีการผลิต ประสิทธิภาพ และความน่าเชื่อถือได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้น

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

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

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

อุณหภูมิการทำงานที่สูงของเซลล์เชื้อเพลิงอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวมีข้อดีบางประการ ที่อุณหภูมิสูง ก๊าซธรรมชาติจะได้รับการปฏิรูปภายใน ทำให้ไม่ต้องใช้ตัวประมวลผลเชื้อเพลิง นอกจากนี้ ข้อดียังรวมถึงความสามารถในการใช้วัสดุก่อสร้างมาตรฐาน เช่น แผ่นเหล็กสแตนเลส และตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลบนอิเล็กโทรด ความร้อนเหลือทิ้งสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างไอน้ำแรงดันสูงเพื่อวัตถุประสงค์ทางอุตสาหกรรมและการพาณิชย์ที่หลากหลาย

อุณหภูมิปฏิกิริยาที่สูงในอิเล็กโทรไลต์ก็มีข้อดีเช่นกัน การใช้อุณหภูมิสูงต้องใช้เวลามากเพื่อให้ได้สภาวะการทำงานที่เหมาะสม และระบบจะตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงในการใช้พลังงานได้ช้ากว่า คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้สามารถใช้การติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงกับอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวภายใต้สภาวะพลังงานคงที่ อุณหภูมิสูงป้องกันความเสียหายต่อเซลล์เชื้อเพลิงจากคาร์บอนมอนอกไซด์ "พิษ" ฯลฯ

เซลล์เชื้อเพลิงที่มีอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวเหมาะสำหรับใช้ในการติดตั้งแบบอยู่กับที่ขนาดใหญ่ โรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่มีกำลังผลิตไฟฟ้า 2.8 เมกะวัตต์ผลิตเชิงพาณิชย์ กำลังพัฒนาการติดตั้งที่มีกำลังขับสูงถึง 100 เมกะวัตต์

เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (PAFC)

เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (ออร์โธฟอสฟอริก) เป็นเซลล์เชื้อเพลิงชนิดแรกที่ใช้เชิงพาณิชย์ กระบวนการนี้ได้รับการพัฒนาในช่วงกลางทศวรรษ 1960 และได้รับการทดสอบมาตั้งแต่ปี 1970 ตั้งแต่นั้นมา ความเสถียรและประสิทธิภาพก็เพิ่มขึ้นและต้นทุนก็ลดลง

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

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

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

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

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

โรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่มีกำลังไฟฟ้าสูงสุดถึง 400 กิโลวัตต์ผลิตเชิงพาณิชย์ การติดตั้งขนาด 11 เมกะวัตต์ผ่านการทดสอบที่เหมาะสมแล้ว กำลังพัฒนาการติดตั้งที่มีกำลังขับสูงถึง 100 เมกะวัตต์

เซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC)

เซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนถือเป็นเซลล์เชื้อเพลิงชนิดที่ดีที่สุดสำหรับการสร้างพลังงานให้กับยานพาหนะ ซึ่งสามารถทดแทนเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้น้ำมันเบนซินและดีเซลได้ เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ถูกใช้ครั้งแรกโดย NASA สำหรับโครงการราศีเมถุน ปัจจุบัน การติดตั้ง MOPFC ที่มีกำลังตั้งแต่ 1 W ถึง 2 kW กำลังได้รับการพัฒนาและสาธิต

เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ใช้เมมเบรนโพลีเมอร์แข็ง (ฟิล์มบางของพลาสติก) เป็นอิเล็กโทรไลต์ เมื่ออิ่มตัวด้วยน้ำ โพลีเมอร์นี้จะยอมให้โปรตอนผ่านได้แต่ไม่นำอิเล็กตรอน

เชื้อเพลิงคือไฮโดรเจน และตัวพาประจุคือไฮโดรเจนไอออน (โปรตอน) ที่ขั้วบวก โมเลกุลไฮโดรเจนจะถูกแบ่งออกเป็นไฮโดรเจนไอออน (โปรตอน) และอิเล็กตรอน ไอออนไฮโดรเจนผ่านอิเล็กโทรไลต์ไปยังแคโทด และอิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบวงกลมด้านนอกและผลิตพลังงานไฟฟ้า ออกซิเจนซึ่งนำมาจากอากาศจะถูกส่งไปยังแคโทดและรวมกับอิเล็กตรอนและไฮโดรเจนไอออนเพื่อสร้างน้ำ ปฏิกิริยาต่อไปนี้เกิดขึ้นที่อิเล็กโทรด:

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

เมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์เชื้อเพลิงประเภทอื่นๆ เซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนจะผลิตพลังงานได้มากกว่าตามปริมาตรหรือน้ำหนักของเซลล์เชื้อเพลิงที่กำหนด คุณสมบัตินี้ช่วยให้มีขนาดกะทัดรัดและน้ำหนักเบา นอกจากนี้อุณหภูมิในการทำงานยังต่ำกว่า 100°C ซึ่งช่วยให้คุณเริ่มทำงานได้อย่างรวดเร็ว คุณลักษณะเหล่านี้ ตลอดจนความสามารถในการเปลี่ยนพลังงานที่ส่งออกได้อย่างรวดเร็ว เป็นเพียงคุณลักษณะบางส่วนที่ทำให้เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้เป็นตัวเลือกหลักสำหรับใช้ในยานพาหนะ

ข้อดีอีกประการหนึ่งคืออิเล็กโทรไลต์เป็นของแข็งมากกว่าของเหลว มันง่ายกว่าที่จะกักเก็บก๊าซไว้ที่แคโทดและแอโนดโดยใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง ดังนั้นเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวจึงมีราคาถูกกว่าในการผลิต เมื่อเปรียบเทียบกับอิเล็กโทรไลต์อื่นๆ อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งไม่มีปัญหาการวางแนวใดๆ ปัญหาการกัดกร่อนน้อยกว่า ส่งผลให้เซลล์และส่วนประกอบต่างๆ มีอายุยืนยาวมากขึ้น

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC)

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์เป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิการทำงานสูงสุด อุณหภูมิในการทำงานอาจแตกต่างกันตั้งแต่ 600°C ถึง 1,000°C ทำให้สามารถใช้เชื้อเพลิงประเภทต่างๆ ได้โดยไม่ต้องมีการบำบัดล่วงหน้าเป็นพิเศษ ในการจัดการกับอุณหภูมิสูงเช่นนี้ อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้คือโลหะออกไซด์แข็งบางๆ บนฐานเซรามิก ซึ่งมักเป็นโลหะผสมของอิตเทรียมและเซอร์โคเนียม ซึ่งเป็นตัวนำของไอออนออกซิเจน (O 2 -) เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ได้รับการพัฒนามาตั้งแต่ช่วงปลายทศวรรษ 1950 และมีสองรูปแบบ: แบบแบนและแบบท่อ

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

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

ประสิทธิภาพของพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้นั้นสูงที่สุดในบรรดาเซลล์เชื้อเพลิงทั้งหมด - ประมาณ 60% นอกจากนี้ อุณหภูมิการทำงานที่สูงยังช่วยให้สามารถผลิตพลังงานความร้อนและพลังงานไฟฟ้ารวมกันเพื่อสร้างไอน้ำแรงดันสูงได้ การรวมเซลล์เชื้อเพลิงอุณหภูมิสูงเข้ากับกังหันทำให้สามารถสร้างเซลล์เชื้อเพลิงไฮบริดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตพลังงานไฟฟ้าได้สูงสุดถึง 70%

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ทำงานที่อุณหภูมิสูงมาก (600°C–1,000°C) ส่งผลให้มีเวลาสำคัญในการบรรลุสภาวะการทำงานที่เหมาะสมที่สุด และการตอบสนองของระบบต่อการเปลี่ยนแปลงในการใช้พลังงานช้าลง ที่อุณหภูมิการทำงานที่สูงเช่นนี้ ไม่จำเป็นต้องมีตัวแปลงเพื่อนำไฮโดรเจนกลับมาจากเชื้อเพลิง ทำให้โรงไฟฟ้าพลังความร้อนทำงานกับเชื้อเพลิงที่ไม่บริสุทธิ์ซึ่งเป็นผลมาจากการเปลี่ยนสภาพเป็นแก๊สของถ่านหินหรือก๊าซเสีย เป็นต้น เซลล์เชื้อเพลิงยังยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งานด้านพลังงานสูง รวมถึงโรงงานอุตสาหกรรมและโรงไฟฟ้ากลางขนาดใหญ่ โมดูลที่มีกำลังไฟฟ้าเอาต์พุต 100 kW ได้รับการผลิตเชิงพาณิชย์

เซลล์เชื้อเพลิงออกซิเดชันเมทานอลโดยตรง (DOMFC)

เทคโนโลยีการใช้เซลล์เชื้อเพลิงที่มีออกซิเดชันเมทานอลโดยตรงอยู่ระหว่างการพัฒนาอย่างแข็งขัน ประสบความสำเร็จในการพิสูจน์ตัวเองแล้วในด้านการให้พลังงานแก่โทรศัพท์มือถือ แล็ปท็อป รวมถึงการสร้างแหล่งพลังงานแบบพกพา นี่คือจุดประสงค์ของการใช้องค์ประกอบเหล่านี้ในอนาคต

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

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

การพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้เริ่มต้นขึ้นในต้นปี 1990 ด้วยการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่ได้รับการปรับปรุงและนวัตกรรมล่าสุดอื่นๆ ความหนาแน่นและประสิทธิภาพของพลังงานจึงเพิ่มขึ้นเป็น 40%

องค์ประกอบเหล่านี้ได้รับการทดสอบในช่วงอุณหภูมิ 50-120°C ด้วยอุณหภูมิการทำงานต่ำและไม่จำเป็นต้องใช้ตัวแปลง เซลล์เชื้อเพลิงออกซิเดชันเมธานอลโดยตรงจึงเป็นตัวเลือกที่สำคัญสำหรับการใช้งานทั้งในโทรศัพท์มือถือ ผลิตภัณฑ์อุปโภคบริโภคอื่นๆ และเครื่องยนต์ในรถยนต์ ข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้คือมีขนาดเล็กเนื่องจากใช้เชื้อเพลิงเหลวและไม่ต้องใช้ตัวแปลง

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ (ALFC)

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ (AFC) เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่มีการศึกษามากที่สุด ซึ่งใช้มาตั้งแต่กลางทศวรรษ 1960 โดย NASA ในโครงการ Apollo และ Space Shuttle บนยานอวกาศเหล่านี้ เซลล์เชื้อเพลิงจะผลิตพลังงานไฟฟ้าและน้ำดื่ม เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์เป็นหนึ่งในเซลล์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดที่ใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้า โดยมีประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าสูงถึง 70%

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

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

ข้อดีของ SHTE ก็คือเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้มีราคาถูกที่สุดในการผลิต เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต้องการบนอิเล็กโทรดอาจเป็นสารใดๆ ที่มีราคาถูกกว่าที่ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงอื่นๆ นอกจากนี้ SFC ยังทำงานที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำและเป็นหนึ่งในเซลล์เชื้อเพลิงที่มีประสิทธิภาพสูงสุด - ลักษณะดังกล่าวสามารถส่งผลให้ผลิตพลังงานได้เร็วขึ้นและประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงสูง

คุณลักษณะเฉพาะอย่างหนึ่งของ SHTE คือความไวสูงต่อ CO 2 ซึ่งอาจบรรจุอยู่ในเชื้อเพลิงหรืออากาศ CO 2 ทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์ ทำให้อิเล็กโทรไลต์เป็นพิษอย่างรวดเร็ว และลดประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงลงอย่างมาก ดังนั้น การใช้ SHTE จึงจำกัดเฉพาะพื้นที่ปิด เช่น อวกาศและยานพาหนะใต้น้ำ ซึ่งต้องใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนบริสุทธิ์ นอกจากนี้ โมเลกุล เช่น CO, H 2 O และ CH 4 ซึ่งปลอดภัยสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงอื่นๆ และสำหรับบางส่วนยังทำหน้าที่เป็นเชื้อเพลิง ยังเป็นอันตรายต่อ SHFC

เซลล์เชื้อเพลิงโพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์ (PEFC)

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

เซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นกรดแข็ง (SFC)

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