پیل سوختی DIY در خانه. فناوری پیل سوختی و کاربرد آن در خودروها

با توجه به وقایع اخیر مربوط به گرم شدن بیش از حد، آتش‌سوزی و حتی انفجار لپ‌تاپ‌ها به دلیل نقص باتری‌های لیتیوم یونی، نمی‌توان فناوری‌های جایگزین جدیدی را به یاد آورد که به گفته بسیاری از کارشناسان، در آینده قادر به تکمیل یا تکمیل آن خواهند بود. باتری های قابل شارژ سنتی امروزی را جایگزین کنید. ما در مورد منابع انرژی جدید - سلول های سوختی صحبت می کنیم.

بر اساس یک قانون تجربی که 40 سال پیش توسط یکی از بنیانگذاران اینتل، گوردون مور، تدوین شد، عملکرد پردازنده هر 18 ماه دو برابر می شود. باتری ها نمی توانند با تراشه ها کنار بیایند. ظرفیت آنها، به گفته کارشناسان، تنها 10 درصد در سال افزایش می یابد.

پیل سوختی بر اساس یک غشای سلولی (متخلخل) عمل می کند که فضای آند و کاتد پیل سوختی را از هم جدا می کند. این غشا از دو طرف با کاتالیزورهای مناسب پوشانده شده است. سوخت به آند می رسد؛ در این مورد از محلول متانول (متیل الکل) استفاده می شود. در نتیجه واکنش شیمیایی تجزیه سوخت، بارهای آزاد تشکیل می شود که از طریق غشاء به کاتد نفوذ می کند. بنابراین مدار الکتریکی بسته می شود و جریان الکتریکی در آن ایجاد می شود تا دستگاه را تغذیه کند. این نوع پیل سوختی پیل سوختی متانول مستقیم (DMFC) نامیده می شود. توسعه سلول‌های سوختی مدت‌ها پیش آغاز شد، اما اولین نتایج، که باعث شد در مورد رقابت واقعی با باتری‌های لیتیوم یون صحبت شود، تنها در دو سال گذشته به دست آمد.

در سال 2004، حدود 35 سازنده برای چنین دستگاه هایی در بازار وجود داشت، اما تنها تعداد کمی از شرکت ها توانستند موفقیت چشمگیری را در این زمینه اعلام کنند. در ژانویه، فوجیتسو توسعه خود را ارائه کرد - باتری 15 میلی متر ضخامت داشت و حاوی 300 میلی گرم محلول 30 درصد متانول بود. توان 15 وات به آن اجازه می دهد تا 8 ساعت لپ تاپ را تغذیه کند. یک ماه بعد، یک شرکت کوچک، PolyFuel، اولین کسی بود که شروع به تولید تجاری غشاهایی را که باید به منابع تغذیه سوخت مجهز شوند، اعلام کرد. و قبلاً در ماه مارس، توشیبا نمونه اولیه یک رایانه شخصی موبایلی را به نمایش گذاشت که با سوخت کار می کرد. سازنده اظهار داشت که چنین لپ تاپی می تواند پنج برابر بیشتر از یک لپ تاپ با استفاده از باتری سنتی دوام بیاورد.

در سال 2005، LG Chem اعلام کرد که سلول سوختی خود را ایجاد می کند. حدود 5 سال و 5 میلیارد دلار برای توسعه آن هزینه شده است. در نتیجه امکان ساخت دستگاهی با توان 25 وات و وزن 1 کیلوگرم فراهم شد که از طریق رابط USB به لپ تاپ متصل شده و از کارکرد آن به مدت 10 ساعت اطمینان حاصل شود. امسال، سال 2006 نیز با تعدادی تحولات جالب همراه بود. به طور خاص، توسعه دهندگان آمریکایی از شرکت Ultracell یک سلول سوختی را به نمایش گذاشتند که توان 25 وات را فراهم می کند و مجهز به سه کارتریج قابل تعویض با 67 درصد متانول است. این لپ تاپ قادر است به مدت 24 ساعت انرژی مورد نیاز خود را تامین کند. وزن باتری حدود یک کیلوگرم بود، هر کارتریج حدود 260 گرم وزن داشت.

باتری‌های متانول علاوه بر اینکه می‌توانند ظرفیت بیشتری نسبت به باتری‌های لیتیوم یونی داشته باشند، قابلیت انفجار ندارند. از معایب آن می توان به هزینه نسبتاً بالای آنها و نیاز به تعویض دوره ای کارتریج های متانول اشاره کرد.

حتی اگر باتری های سوخت جایگزین باتری های سنتی نشوند، به احتمال زیاد همراه با آنها استفاده می شود. به گفته کارشناسان، بازار پیل سوختی در سال 2006 حدود 600 میلیون دلار خواهد بود که رقم نسبتاً متوسطی است. با این حال، تا سال 2010، کارشناسان افزایش سه برابری آن - تا 1.9 میلیارد دلار را پیش بینی می کنند.

بحث از مقاله “باتری های الکلی جایگزین باتری های لیتیومی می شوند”

zemoneng

من اطلاعاتی در مورد این دستگاه در یک مجله زنانه پیدا کردم.
خوب، من چند کلمه در این مورد می گویم:
1: ناراحتی این است که بعد از 6-10 ساعت کار باید به دنبال کارتریج جدید بگردید که گران است. چرا باید برای این مزخرفات پول خرج کنم؟
2: تا جایی که من متوجه شدم بعد از دریافت انرژی از متیل الکل باید آب آزاد شود. لپ تاپ و آب چیزهای ناسازگاری هستند.
3: چرا در مجلات زنانه می نویسید؟ با قضاوت بر اساس نظرات "من چیزی نمی دانم" و "این چیست؟"، این مقاله در سطح یک سایت اختصاص داده شده به BEAUTIES نیست.

فیتینگ شلنگ پرکننده را در گردن پرکننده سوخت قرار می‌دهم و نیم دور آن را می‌چرخانم تا اتصال مهر و موم شود. یک کلیک روی کلید سوئیچ - و چراغ چشمک زن روی پمپ بنزین با کتیبه بزرگ h3 نشان می دهد که سوخت گیری شروع شده است. یک دقیقه - و مخزن پر است، می توانید بروید!

خطوط زیبای بدنه، سیستم تعلیق بسیار کم، لغزش های سطح پایین، یک نژاد واقعی مسابقه ای را نشان می دهد. از طریق پوشش شفاف، شبکه پیچیده ای از خطوط لوله و کابل قابل مشاهده است. من قبلاً یک راه حل مشابه را در جایی دیده بودم ... اوه بله، در آئودی R8 موتور از شیشه عقب نیز قابل مشاهده است. اما در آئودی این بنزین سنتی است و این خودرو با هیدروژن کار می کند. مانند BMW Hydrogen 7، اما برخلاف دومی، موتور احتراق داخلی وجود ندارد. تنها قطعات متحرک دنده فرمان و روتور موتور الکتریکی هستند. و انرژی آن توسط یک پیل سوختی تامین می شود. این خودرو توسط شرکت سنگاپور Horizon Fuel Cell Technologies و متخصص در توسعه و تولید پیل سوختی تولید شده است. در سال 2009، شرکت بریتانیایی Riversimple قبلاً یک خودروی هیدروژنی شهری را معرفی کرد که از سلول‌های سوختی Horizon Fuel Cell Technologies استفاده می‌کرد. این با همکاری دانشگاه های آکسفورد و کرانفیلد توسعه یافته است. اما Horizon H-racer 2.0 یک توسعه انفرادی است.

پیل سوختی شامل دو الکترود متخلخل است که با لایه ای از کاتالیزور پوشانده شده و توسط یک غشای تبادل پروتون از هم جدا شده اند. هیدروژن در کاتالیزور آند به پروتون و الکترون تبدیل می‌شود که از طریق آند و یک مدار الکتریکی خارجی به کاتد می‌رود، جایی که هیدروژن و اکسیژن دوباره با هم ترکیب می‌شوند و آب را تشکیل می‌دهند.

"برو!" - سردبیر به سبک گاگارین با آرنج به من تکان می دهد. اما نه چندان سریع: ابتدا باید پیل سوختی را در بار جزئی "گرم کنید". سوئیچ ضامن را به حالت "گرم کردن" تغییر می دهم و منتظر زمان تعیین شده می مانم. سپس، در هر صورت، مخزن را شارژ می کنم تا زمانی که پر شود. حالا بیایید برویم: ماشین، موتور به آرامی زمزمه می کند، به جلو حرکت می کند. دینامیک چشمگیر است، اگرچه، به هر حال، چه چیز دیگری می توانید از یک ماشین الکتریکی انتظار داشته باشید - گشتاور در هر سرعتی ثابت است. اگرچه برای مدت طولانی نیست - یک مخزن پر از هیدروژن فقط چند دقیقه طول می کشد (Horizon قول می دهد نسخه جدیدی را در آینده نزدیک منتشر کند که در آن هیدروژن به عنوان گاز تحت فشار ذخیره نمی شود، بلکه توسط یک ماده متخلخل در جاذب حفظ می شود. ). و، صادقانه بگویم، خیلی کنترل نمی شود - فقط دو دکمه روی کنترل از راه دور وجود دارد. اما در هر صورت، حیف است که این فقط یک اسباب بازی رادیویی کنترل شده است که برای ما 150 دلار هزینه دارد. ما بدمان نمی آید که یک ماشین واقعی با سلول های سوختی برای قدرت رانندگی کنیم.

مخزن، یک محفظه لاستیکی الاستیک در داخل یک محفظه سفت و سخت، هنگام سوخت گیری کشیده می شود و به عنوان یک پمپ سوخت عمل می کند و هیدروژن را به داخل پیل سوختی "فشرده" می کند. برای اینکه مخزن بیش از حد پر نشود، یکی از اتصالات با یک لوله پلاستیکی به شیر تخلیه فشار اضطراری متصل می شود.

پمپ بنزین

خودتان آن را انجام دهید

دستگاه Horizon H-racer 2.0 به عنوان یک کیت برای مونتاژ در مقیاس بزرگ (نوع خودتان انجام دهید) عرضه می شود، می توانید آن را به عنوان مثال در آمازون خریداری کنید. با این حال، مونتاژ آن دشوار نیست - کافی است پیل سوختی را در جای خود قرار دهید و آن را با پیچ محکم کنید، شیلنگ ها را به مخزن هیدروژن، پیل سوختی، گردن پرکننده و شیر اضطراری وصل کنید و تنها چیزی که باقی می ماند قرار دادن قسمت بالایی است. بدنه در جای خود قرار گرفته و سپرهای جلو و عقب را فراموش نکنید. این کیت شامل یک ایستگاه پرکننده است که هیدروژن را با الکترولیز آب تولید می کند. انرژی آن توسط دو باتری AA تامین می شود و اگر می خواهید انرژی کاملاً "تمیز" باشد، توسط پنل های خورشیدی (آنها نیز در کیت گنجانده شده اند) تغذیه می شود.

www.popmech.ru

چگونه با دستان خود پیل سوختی بسازیم؟

البته ساده ترین راه حل برای مشکل حصول اطمینان از کارکرد مداوم سیستم های بدون سوخت، خرید یک منبع انرژی ثانویه آماده بر اساس هیدرولیک یا هر مبنای دیگری است، اما در این صورت مطمئناً اجتناب از انرژی اضافی امکان پذیر نخواهد بود. هزینه می کند، و در این فرآیند، در نظر گرفتن هر ایده ای برای پرواز اندیشه خلاق بسیار دشوار است. علاوه بر این، ساخت پیل سوختی با دستان خود به هیچ وجه آنقدرها که در نگاه اول فکر می کنید دشوار نیست و حتی بی تجربه ترین صنعتگر نیز در صورت تمایل می تواند با این کار کنار بیاید. علاوه بر این، یک جایزه بیشتر از خوشایند، هزینه کم ایجاد این عنصر خواهد بود، زیرا با وجود تمام مزایا و اهمیت آن، می توانید به راحتی به وسایلی که از قبل در دست دارید بسنده کنید.

در این مورد، تنها نکته ظریفی که باید قبل از انجام کار در نظر گرفته شود این است که می توانید یک دستگاه بسیار کم مصرف را با دستان خود بسازید و اجرای نصب های پیشرفته و پیچیده تر هنوز باید به متخصصان واجد شرایط سپرده شود. در مورد ترتیب کار و ترتیب کارها، اولین مرحله تکمیل بدنه است که برای این کار بهتر است از پلکسی با دیواره ضخیم (حداقل 5 سانتی متر) استفاده شود. برای چسباندن دیوارهای کیس و نصب پارتیشن های داخلی که برای آن بهتر است از پلکسی نازک تر استفاده کنید (3 میلی متر کافی است)، به طور ایده آل از چسب دو کامپوزیت استفاده کنید، اگرچه اگر واقعاً بخواهید می توانید خودتان لحیم کاری با کیفیت انجام دهید. با استفاده از نسبت های زیر: در هر 100 گرم کلروفرم - 6 گرم براده از همان پلکسی گلاس.

در این مورد، فرآیند باید منحصراً در زیر یک هود انجام شود. برای تجهیز کیس به سیستم به اصطلاح تخلیه، لازم است سوراخی را در دیواره جلویی آن به دقت دریل کنید که قطر آن دقیقاً با ابعاد پلاگین لاستیکی مطابقت دارد که به عنوان نوعی واشر بین آن عمل می کند. کیس و لوله تخلیه شیشه ای در مورد اندازه خود لوله، در حالت ایده آل عرض آن باید پنج تا شش میلی متر باشد، اگرچه همه اینها به نوع ساختار طراحی شده بستگی دارد. به احتمال زیاد می توان گفت که ماسک گاز قدیمی ذکر شده در لیست عناصر ضروری برای ساخت پیل سوختی باعث تعجب خوانندگان بالقوه این مقاله خواهد شد. در ضمن تمام مزیت این دستگاه در کربن فعال موجود در محفظه های ماسک تنفسی آن نهفته است که بعدا می توان از آن به عنوان الکترود استفاده کرد.

از آنجایی که ما در مورد یک قوام پودری صحبت می کنیم، برای بهبود طراحی به جوراب های نایلونی نیاز دارید که می توانید به راحتی یک کیسه درست کنید و زغال سنگ را در آن قرار دهید، در غیر این صورت به سادگی از سوراخ بیرون می ریزد. در مورد عملکرد توزیع، غلظت سوخت در محفظه اول اتفاق می افتد، در حالی که اکسیژن لازم برای عملکرد طبیعی پیل سوختی، برعکس، در آخرین، قسمت پنجم به گردش در می آید. خود الکترولیت که بین الکترودها قرار دارد باید در محلول مخصوص (بنزین با پارافین به نسبت 125 تا 2 میلی لیتر) خیس شود و این کار باید قبل از قرار دادن الکترولیت هوا در محفظه چهارم انجام شود. برای اطمینان از رسانایی مناسب، صفحات مسی با سیم های از پیش لحیم شده در بالای زغال سنگ قرار داده می شود که از طریق آنها برق از الکترودها منتقل می شود.

این مرحله طراحی را می توان با خیال راحت به عنوان مرحله نهایی در نظر گرفت، پس از آن دستگاه تمام شده شارژ می شود، که برای آن یک الکترولیت مورد نیاز است. برای تهیه آن، باید الکل اتیلیک را با آب مقطر به نسبت مساوی مخلوط کنید و شروع به وارد کردن تدریجی پتاسیم سوزاننده به میزان 70 گرم در هر لیوان مایع کنید. اولین آزمایش دستگاه تولید شده شامل پر کردن همزمان ظروف اول (مایع سوخت) و سوم (الکترولیت ساخته شده از الکل اتیلیک و پتاسیم سوزاننده) محفظه پلکسی است.

uznay-kak.ru

پیل های سوختی هیدروژنی | LAVENT

من مدتها بود که می خواستم در مورد مسیر دیگری از شرکت Alfaintek به شما بگویم. این توسعه، فروش و خدمات سلول های سوختی هیدروژنی است. من می خواهم بلافاصله وضعیت این پیل های سوختی در روسیه را توضیح دهم.

به دلیل هزینه نسبتاً بالا و کمبود کامل ایستگاه های هیدروژن برای شارژ این پیل های سوختی، فروش آنها در روسیه پیش بینی نمی شود. با این وجود، در اروپا، به ویژه در فنلاند، این پیل های سوختی هر ساله محبوبیت بیشتری پیدا می کنند. راز چیست؟ بیایید نگاهی بیندازیم. این دستگاه سازگار با محیط زیست، آسان برای استفاده و موثر است. در جایی که به انرژی الکتریکی نیاز دارد به کمک شخصی می آید. می‌توانید آن را در جاده‌ها، پیاده‌روی با خود ببرید، یا از آن در خانه یا آپارتمان خود به عنوان منبع برق مستقل استفاده کنید.

الکتریسیته در پیل سوختی از واکنش شیمیایی هیدروژن از مخزن با هیدرید فلز و اکسیژن هوا تولید می شود. سیلندر انفجاری نیست و می تواند سال ها در کمد شما نگهداری شود و در بال ها منتظر بمانید. این شاید یکی از مزایای اصلی این فناوری ذخیره سازی هیدروژن باشد. این ذخیره سازی هیدروژن است که یکی از مشکلات اصلی در توسعه سوخت هیدروژنی است. سلول های سوختی سبک وزن جدید و منحصر به فرد که هیدروژن را به طور ایمن، بی صدا و بدون آلایندگی به برق معمولی تبدیل می کند.

این نوع برق را می توان در مکان هایی که برق مرکزی وجود ندارد و یا به عنوان منبع برق اضطراری استفاده کرد.

برخلاف باتری‌های معمولی که در طول فرآیند شارژ باید شارژ شوند و از مصرف‌کننده برق جدا شوند، پیل سوختی به عنوان یک دستگاه «هوشمند» عمل می‌کند. این فناوری به لطف عملکرد منحصربه‌فرد صرفه‌جویی در مصرف انرژی هنگام تعویض ظرف سوخت، برق بی‌وقفه را در تمام مدت استفاده فراهم می‌کند، که به کاربر اجازه می‌دهد هرگز مصرف‌کننده را خاموش نکند. در یک کیس بسته، سلول های سوختی را می توان برای چندین سال بدون از دست دادن حجم هیدروژن و کاهش قدرت آنها ذخیره کرد.

پیل سوختی برای دانشمندان و محققین، مجریان قانون، امدادگران اضطراری، صاحبان قایق و مارینا و هرکس دیگری که در مواقع اضطراری به یک منبع برق قابل اعتماد نیاز دارد، طراحی شده است. شما می توانید 12 ولت یا 220 ولت دریافت کنید و پس از آن انرژی کافی برای راه اندازی تلویزیون، استریو، یخچال، قهوه ساز، کتری، جاروبرقی، مته، اجاق گاز و سایر لوازم برقی خود را خواهید داشت.

سلول های سوختی هیدروسل را می توان به صورت تک واحدی یا در باتری های 2-4 سلولی فروخت. دو یا چهار عنصر را می توان برای افزایش توان یا افزایش آمپر ترکیب کرد.

زمان کارکرد لوازم خانگی با پیل سوختی

* - عملکرد متوالی

سلول های سوختی در ایستگاه های ویژه هیدروژن به طور کامل شارژ می شوند. اما اگر دور از آنها سفر کنید و راهی برای شارژ مجدد وجود نداشته باشد چه؟ به خصوص برای چنین مواردی، متخصصان Alfaintek سیلندرهایی را برای ذخیره هیدروژن ساخته اند که سلول های سوختی با آنها بسیار طولانی تر کار می کنند.

دو نوع سیلندر موجود است: NS-MN200 و NS-MN1200. NS-MN200 مونتاژ شده کمی بزرگتر از قوطی کوکاکولا است، 230 لیتر هیدروژن دارد که معادل 40 آمپر ساعت (12 ولت) است و تنها 2.5 کیلوگرم وزن دارد. سیلندر هیدرید فلز NS-MH1200 دارای 1200 لیتر هیدروژن است که معادل 220Ah (12V) است. وزن سیلندر 11 کیلوگرم است.

تکنیک متال هیدرید یک روش ایمن و آسان برای ذخیره، حمل و نقل و استفاده از هیدروژن است. هنگامی که هیدروژن به عنوان یک هیدرید فلز ذخیره می شود، به جای گاز، به شکل یک ترکیب شیمیایی است. این روش به دست آوردن چگالی انرژی به اندازه کافی بالا را ممکن می کند. مزیت استفاده از هیدرید فلز این است که فشار داخل سیلندر فقط 2-4 بار است.سیلندر قابل انفجار نیست و می توان سالها بدون کاهش حجم ماده آن را ذخیره کرد. از آنجایی که هیدروژن به عنوان یک هیدرید فلزی ذخیره می شود، خلوص هیدروژن به دست آمده از سیلندر بسیار بالا و 99.999٪ است. سیلندرهای ذخیره هیدروژن هیدرید فلز را می توان نه تنها با پیل سوختی HC 100,200,400، بلکه در موارد دیگری که به هیدروژن خالص نیاز است نیز استفاده کرد. سیلندرها را می توان به راحتی با استفاده از کانکتور اتصال سریع و شلنگ انعطاف پذیر به پیل سوختی یا دستگاه دیگری متصل کرد.

حیف است که این پیل های سوختی در روسیه فروخته نمی شود. اما در میان جمعیت ما افراد زیادی وجود دارند که به آنها نیاز دارند. خوب، ما صبر می کنیم و می بینیم، و شما خواهید دید، ما مقداری خواهیم داشت. در این میان، ما لامپ های کم مصرفی را که توسط دولت تحمیل شده است، خریداری خواهیم کرد.

P.S. به نظر می رسد که موضوع در نهایت به فراموشی سپرده شده است. پس از گذشت چندین سال از نگارش این مقاله، چیزی از آن به دست نیامده است. البته شاید همه جا را نگاه نکنم، اما چیزی که نظرم را جلب می کند اصلا خوشایند نیست. فناوری و ایده خوب هستند، اما هنوز هیچ پیشرفتی پیدا نکرده اند.

lavent.ru

پیل سوختی آینده ای است که از امروز شروع می شود!

آغاز قرن بیست و یکم اکولوژی را یکی از مهم ترین چالش های جهانی می داند. و اولین چیزی که در شرایط فعلی باید به آن توجه شود جستجو و استفاده از منابع انرژی جایگزین است. آنها کسانی هستند که می توانند از آلودگی محیط زیست ما جلوگیری کنند و همچنین به طور کامل قیمت های فزاینده سوخت های مبتنی بر هیدروکربن را کنار بگذارند.

امروزه منابع انرژی مانند سلول های خورشیدی و توربین های بادی کاربرد پیدا کرده اند. اما، متأسفانه، مضرات آنها با وابستگی به آب و هوا، و همچنین به فصل و زمان روز مرتبط است. به همین دلیل، استفاده از آنها در صنایع فضانوردی، هواپیما و خودروسازی به تدریج کنار گذاشته می شود و برای استفاده ثابت آنها به منابع برق ثانویه - باتری ها مجهز می شوند.

با این حال، بهترین راه حل یک سلول سوختی است، زیرا نیازی به شارژ مجدد انرژی ندارد. این دستگاهی است که قادر به پردازش و تبدیل انواع سوخت (بنزین، الکل، هیدروژن و ...) به طور مستقیم به انرژی الکتریکی است.

یک پیل سوختی بر اساس اصل زیر کار می کند: سوخت از خارج تامین می شود که توسط اکسیژن اکسید می شود و انرژی آزاد شده به الکتریسیته تبدیل می شود. این اصل عملیات عملکرد تقریباً ابدی را تضمین می کند.

از اواخر قرن نوزدهم، دانشمندان خود پیل سوختی را مورد مطالعه قرار دادند و دائماً تغییرات جدیدی در آن ایجاد کردند. بنابراین، امروزه بسته به شرایط عملیاتی، مدل‌های قلیایی یا قلیایی (AFC)، بوروهیدرات مستقیم (DBFC)، الکتروگالوانیکی (EGFC)، متانول مستقیم (DMFC)، روی-هوا (ZAFC)، میکروبی (MFC) وجود دارد. بر اساس اسید فرمیک (DFAFC) و هیدریدهای فلزی (MHFC) نیز شناخته شده اند.

یکی از امیدوارکننده ترین آنها سلول سوختی هیدروژنی است. استفاده از هیدروژن در نیروگاه ها با آزاد شدن قابل توجه انرژی همراه است و خروجی خروجی از چنین وسیله ای بخار آب خالص یا آب آشامیدنی است که هیچ گونه تهدیدی برای محیط زیست ندارد.

آزمایش موفقیت آمیز پیل های سوختی از این نوع بر روی فضاپیماها اخیراً علاقه قابل توجهی را در بین سازندگان لوازم الکترونیکی و تجهیزات مختلف برانگیخته است. بنابراین، شرکت PolyFuel یک سلول سوختی هیدروژنی مینیاتوری برای لپ‌تاپ‌ها ارائه کرد. اما هزینه بسیار بالای چنین وسیله ای و مشکلات در سوخت گیری بدون مانع، تولید صنعتی و توزیع گسترده آن را محدود می کند. هوندا همچنین بیش از 10 سال است که پیل سوختی خودرو تولید می کند. با این حال، این نوع حمل و نقل به فروش نمی رسد، بلکه فقط برای استفاده رسمی کارکنان شرکت است. خودروها زیر نظر مهندسان می باشد.

بسیاری از مردم تعجب می کنند که آیا می توان پیل سوختی را با دست خود جمع کرد؟ از این گذشته، یک مزیت قابل توجه یک دستگاه خانگی، برخلاف یک مدل صنعتی، یک سرمایه گذاری جزئی خواهد بود. برای مدل مینیاتوری به 30 سانتی متر سیم نیکل با روکش پلاتین، یک تکه پلاستیک یا چوب کوچک، یک گیره باتری 9 ولتی و خود باتری، نوار چسب شفاف، یک لیوان آب و یک ولت متر نیاز دارید. چنین وسیله ای به شما این امکان را می دهد که اصل کار را ببینید و درک کنید، اما، البته، امکان تولید برق برای ماشین وجود نخواهد داشت.

fb.ru

پیل های سوختی هیدروژنی: تاریخچه کمی | هیدروژن

امروزه مشکل کمبود منابع انرژی سنتی و بدتر شدن اکولوژی سیاره به طور کلی به دلیل استفاده از آنها بسیار حاد است. به همین دلیل است که اخیراً منابع مالی و منابع فکری قابل توجهی برای توسعه جایگزین های بالقوه امیدوارکننده برای سوخت های هیدروکربنی هزینه شده است. هیدروژن ممکن است در آینده نزدیک به چنین جایگزینی تبدیل شود، زیرا استفاده از آن در نیروگاه ها با آزاد شدن مقدار زیادی انرژی همراه است و اگزوز بخار آب است، یعنی خطری برای محیط زیست ندارد.

علیرغم برخی مشکلات فنی که هنوز در اجرای پیل های سوختی مبتنی بر هیدروژن وجود دارد، بسیاری از خودروسازان از وعده این فناوری قدردانی کرده اند و در حال حاضر به طور فعال در حال توسعه نمونه های اولیه خودروهای تولیدی با قابلیت استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت اصلی هستند. در دو هزار و یازده سال، دایملر AG مدل های مفهومی مرسدس بنز را با نیروگاه های هیدروژنی ارائه کرد. علاوه بر این، شرکت کره ای Hyndayi رسما اعلام کرده است که دیگر قصد توسعه خودروهای الکتریکی را ندارد، بلکه تمام تلاش خود را بر روی توسعه یک خودروی هیدروژنی مقرون به صرفه متمرکز خواهد کرد.

علیرغم این واقعیت که ایده استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت برای بسیاری بی‌معنا نیست، اکثر آنها نمی‌دانند سلول‌های سوختی با استفاده از هیدروژن چگونه کار می‌کنند و چه چیزی در مورد آنها قابل توجه است.

برای درک اهمیت این فناوری، پیشنهاد می کنیم به تاریخچه سلول های سوختی هیدروژنی نگاه کنید.

اولین کسی که پتانسیل استفاده از هیدروژن را در پیل سوختی توصیف کرد، یک آلمانی به نام کریستین فردریش بود. در سال 1838، او کار خود را در یک مجله علمی معروف آن زمان منتشر کرد.

سال بعد، یک نمونه اولیه از یک باتری هیدروژنی قابل کار توسط قاضی از Uhls، سر ویلیام رابرت گروو ساخته شد. با این حال، قدرت دستگاه حتی با استانداردهای آن زمان بسیار کم بود، بنابراین استفاده عملی از آن دور از ذهن بود.

در مورد اصطلاح "پیل سوختی"، وجود آن را مدیون دانشمندان لودویگ موند و چارلز لنگر است که در سال 1889 تلاش کردند یک پیل سوختی ایجاد کنند که بر روی هوا و گاز کوره کک کار می کرد. بر اساس منابع دیگر، این اصطلاح برای اولین بار توسط ویلیام وایت ژاکز استفاده شد که برای اولین بار تصمیم گرفت از اسید فسفریک در یک الکترولیت استفاده کند.

در دهه 1920، تعدادی از مطالعات در آلمان انجام شد که منجر به کشف سلول های سوختی اکسید جامد و راه هایی برای استفاده از چرخه کربنات شد. قابل توجه است که این فناوری ها در زمان ما به طور موثر مورد استفاده قرار می گیرند.

در سال 1932، مهندس فرانسیس تی بیکن کار بر روی تحقیقات مستقیم سلول های سوختی مبتنی بر هیدروژن را آغاز کرد. قبل از او، دانشمندان از یک طرح مشخص استفاده کردند - الکترودهای پلاتین متخلخل در اسید سولفوریک قرار گرفتند. ضرر آشکار چنین طرحی، اول از همه، در هزینه بالای غیر قابل توجیه آن به دلیل استفاده از پلاتین است. علاوه بر این، استفاده از اسید سولفوریک کاستیک تهدیدی برای سلامتی و حتی گاهی اوقات زندگی محققان بود. بیکن تصمیم گرفت مدار را بهینه کند و پلاتین را با نیکل جایگزین کرد و از یک ترکیب قلیایی به عنوان الکترولیت استفاده کرد.

به لطف کار سازنده برای بهبود فناوری خود، بیکن در سال 1959 پیل سوختی هیدروژنی اصلی خود را که 5 کیلو وات تولید می کرد و می توانست یک دستگاه جوشکاری را تامین کند، به عموم مردم ارائه کرد. او دستگاه ارائه شده را «بیکن سل» نامید.

در اکتبر همان سال، یک تراکتور منحصر به فرد ساخته شد که با هیدروژن کار می کرد و بیست اسب بخار نیرو تولید می کرد.

در دهه شصت قرن بیستم، شرکت آمریکایی جنرال الکتریک طرح توسعه یافته توسط بیکن را توسعه داد و آن را در برنامه های فضایی آپولو و ناسا جمینی به کار برد. کارشناسان ناسا به این نتیجه رسیدند که استفاده از یک راکتور هسته ای بسیار گران، از نظر فنی دشوار و ناامن است. علاوه بر این، ما مجبور شدیم استفاده از باتری ها همراه با پنل های خورشیدی را به دلیل ابعاد بزرگ آنها کنار بگذاریم. راه حل این مشکل سلول های سوختی هیدروژنی بود که قادر به تامین انرژی فضاپیما و خدمه آن با آب تمیز هستند.

اولین اتوبوسی که از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می کرد در سال 1993 ساخته شد. و نمونه های اولیه خودروهای سواری با سلول های سوختی هیدروژنی قبلاً در سال 1997 توسط برندهای جهانی خودرو مانند تویوتا و دایملر بنز ارائه شد.

کمی عجیب است که یک سوخت امیدوار کننده سازگار با محیط زیست، که پانزده سال پیش در خودرو فروخته شد، هنوز فراگیر نشده است. دلایل زیادی برای این امر وجود دارد که شاید اصلی ترین آنها سیاسی و مطالبات ایجاد زیرساخت مناسب باشد. امیدواریم هیدروژن همچنان حرف خود را بزند و به رقیب قابل توجهی برای خودروهای برقی تبدیل شود.(odnaknopka)

Energycraft.org

جامعه مادی ما بدون انرژی نه تنها نمی تواند توسعه یابد، بلکه حتی وجود دارد. انرژی از کجا می آید؟ مردم تا همین اواخر فقط از یک راه برای به دست آوردن آن استفاده می کردند؛ ما با طبیعت می جنگیدیم، غنائم به دست آمده را در کوره های آتشگاه خانه اول می سوزاندیم، سپس لوکوموتیوهای بخار و نیروگاه های حرارتی قدرتمند.

هیچ برچسبی بر روی کیلووات ساعت مصرف شده توسط یک فرد معمولی مدرن وجود ندارد که نشان دهد طبیعت چند سال کار کرد تا انسان متمدن بتواند از مزایای فناوری بهره مند شود و چند سال هنوز باید تلاش کند تا آسیب های وارده به آن را هموار کند. او توسط چنین تمدنی با این حال، درک روزافزونی در جامعه وجود دارد که دیر یا زود این بت واهی پایان خواهد یافت. مردم به طور فزاینده ای در حال ابداع راه هایی برای تامین انرژی مورد نیاز خود با حداقل آسیب به طبیعت هستند.

پیل های سوختی هیدروژن جام مقدس انرژی پاک هستند. آنها هیدروژن، یکی از عناصر رایج جدول تناوبی را پردازش می کنند و تنها آب، رایج ترین ماده روی سیاره را آزاد می کنند. تصویر گلگون به دلیل عدم دسترسی مردم به هیدروژن به عنوان یک ماده خراب شده است. مقدار زیادی از آن وجود دارد، اما فقط در حالت بسته، و استخراج آن بسیار دشوارتر از پمپاژ نفت از اعماق یا کندن زغال سنگ است.

یکی از گزینه های تولید پاک و سازگار با محیط زیست هیدروژن، سلول های سوختی میکروبی (MTB) است که از میکروارگانیسم ها برای تجزیه آب به اکسیژن و هیدروژن استفاده می کنند. اینجا هم همه چیز صاف نیست. میکروب‌ها کار بسیار خوبی در تولید سوخت پاک انجام می‌دهند، اما برای دستیابی به راندمان مورد نیاز در عمل، MTB به کاتالیزوری نیاز دارد که یکی از واکنش‌های شیمیایی فرآیند را تسریع کند.

این کاتالیزور، فلز گرانبها پلاتین است که هزینه آن استفاده از MTB را از نظر اقتصادی غیر قابل توجیه و عملا غیرممکن می کند.

دانشمندان دانشگاه ویسکانسین-میلواکی جایگزینی برای این کاتالیزور گران قیمت یافته اند. آنها پیشنهاد کردند به جای پلاتین از نانومیله های ارزان قیمت ساخته شده از ترکیب کربن، نیتروژن و آهن استفاده شود. کاتالیزور جدید از میله های گرافیتی با نیتروژن تعبیه شده در لایه سطحی و هسته های کاربید آهن تشکیل شده است. در طول سه ماه آزمایش محصول جدید، کاتالیزور قابلیت‌های بالاتری نسبت به پلاتین نشان داد. عملکرد نانومیله‌ها پایدارتر و قابل کنترل‌تر بود.

و مهمتر از همه، زاییده فکر دانشمندان دانشگاه بسیار ارزانتر است. بنابراین، هزینه کاتالیزورهای پلاتین تقریباً 60٪ هزینه MTB است، در حالی که هزینه نانومیله ها در حدود 5٪ قیمت فعلی آنها است.

به گفته پروفسور جونهونگ چن، خالق نانومیله های کاتالیزوری: «پیل های سوختی قادر به تبدیل مستقیم سوخت به الکتریسیته هستند. با هم، انرژی الکتریکی از منابع تجدیدپذیر را می توان در جایی که نیاز است به روشی پاک، کارآمد و پایدار تحویل داد.»

پروفسور چن و تیم محققین او اکنون در حال بررسی ویژگی های دقیق کاتالیزور هستند. هدف آنها این است که به اختراع خود تمرکز عملی داده و آن را برای تولید و استفاده انبوه مناسب کنند.

بر اساس مواد Gizmag

www.facepla.net

پیل های سوختی هیدروژنی و سیستم های انرژی

خودرویی که با آب کار می کند ممکن است به زودی به واقعیت تبدیل شود و سلول های سوختی هیدروژنی در بسیاری از خانه ها نصب شود...

فناوری پیل سوختی هیدروژنی جدید نیست. در سال 1776، زمانی که هنری کاوندیش برای اولین بار هیدروژن را در حالی که فلزات را در اسیدهای رقیق حل می کرد، کشف کرد. اولین پیل سوختی هیدروژنی قبلاً در سال 1839 توسط ویلیام گرو اختراع شد. از آن زمان، سلول های سوختی هیدروژنی به تدریج بهبود یافته و اکنون در شاتل های فضایی نصب می شوند و انرژی آنها را تامین می کنند و به عنوان منبع آب عمل می کنند. امروزه فناوری پیل سوختی هیدروژنی در آستانه رسیدن به بازار انبوه در خودروها، خانه ها و دستگاه های قابل حمل است.

در پیل سوختی هیدروژنی، انرژی شیمیایی (به شکل هیدروژن و اکسیژن) به طور مستقیم (بدون احتراق) به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. یک پیل سوختی از یک کاتد، الکترود و یک آند تشکیل شده است. هیدروژن به آند وارد می شود و در آنجا به پروتون و الکترون جدا می شود. پروتون ها و الکترون ها مسیرهای مختلفی به کاتد دارند. پروتون ها از طریق الکترود به سمت کاتد حرکت می کنند و الکترون ها از اطراف سلول های سوختی عبور می کنند تا به کاتد برسند. این حرکت متعاقباً انرژی الکتریکی قابل استفاده ایجاد می کند. از طرف دیگر، پروتون ها و الکترون های هیدروژن با اکسیژن ترکیب می شوند و آب را تشکیل می دهند.

الکترولیزها یکی از راه های استخراج هیدروژن از آب هستند. این فرآیند اساساً برعکس آن چیزی است که در پیل سوختی هیدروژنی اتفاق می افتد. الکترولایزر از یک آند، یک سلول الکتروشیمیایی و یک کاتد تشکیل شده است. آب و ولتاژ به آند اعمال می شود که آب را به هیدروژن و اکسیژن تقسیم می کند. هیدروژن از طریق سلول الکتروشیمیایی به کاتد می گذرد و اکسیژن مستقیماً به کاتد می رسد. از آنجا می توان هیدروژن و اکسیژن را استخراج و ذخیره کرد. در مواقعی که نیازی به تولید الکتریسیته نیست، گاز انباشته شده را می توان از محل ذخیره سازی خارج کرد و از طریق پیل سوختی بازگرداند.

این سیستم از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می کند، احتمالاً به همین دلیل است که افسانه های زیادی در مورد ایمنی آن وجود دارد. پس از انفجار هیندنبورگ، بسیاری از افراد دور از علم و حتی برخی از دانشمندان به این باور رسیدند که استفاده از هیدروژن بسیار خطرناک است. اما تحقیقات اخیر نشان داده است که علت این فاجعه مربوط به نوع ماده ای است که در ساخت و ساز استفاده شده است و نه هیدروژنی که داخل آن پمپاژ شده است. پس از آزمایش ایمنی ذخیره سازی هیدروژن، مشخص شد که ذخیره هیدروژن در سلول های سوختی ایمن تر از ذخیره سازی بنزین در مخزن سوخت خودرو است.

قیمت پیل های سوختی هیدروژنی مدرن چقدر است؟ شرکت‌ها در حال حاضر سیستم‌های سوخت هیدروژنی را ارائه می‌کنند که انرژی را با قیمت حدود 3000 دلار در هر کیلووات تولید می‌کنند. تحقیقات بازاریابی نشان داده است که وقتی هزینه به 1500 دلار در هر کیلووات کاهش یابد، مصرف کنندگان در بازار انرژی انبوه آماده تغییر به این نوع سوخت خواهند بود.

خودروهای پیل سوختی هیدروژنی هنوز گرانتر از خودروهای موتور احتراق داخلی هستند، اما سازندگان در حال بررسی راه‌هایی برای رساندن قیمت به سطوح قابل مقایسه هستند. در برخی از مناطق دورافتاده که خطوط برق وجود ندارد، استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت یا تامین برق خانه به طور مستقل ممکن است در حال حاضر مقرون به صرفه تر از ایجاد زیرساخت برای منابع انرژی سنتی باشد.

چرا سلول های سوختی هیدروژنی هنوز به طور گسترده مورد استفاده قرار نمی گیرند؟ در حال حاضر، هزینه بالای آنها مشکل اصلی برای گسترش سلول های سوختی هیدروژنی است. سیستم های سوخت هیدروژنی به سادگی در حال حاضر تقاضای انبوه ندارند. با این حال، علم ثابت نمی‌ماند و در آینده نزدیک ممکن است ماشینی که روی آب کار می‌کند به واقعیت تبدیل شود.

www.tesla-tehnika.biz

خودرویی که با آب کار می کند ممکن است به زودی به واقعیت تبدیل شود و سلول های سوختی هیدروژنی در بسیاری از خانه ها نصب شود...

فناوری هیدروژن سلول های سوختیجدید نیست. در سال 1776، زمانی که هنری کاوندیش برای اولین بار هیدروژن را در حالی که فلزات را در اسیدهای رقیق حل می کرد، کشف کرد. اولین پیل سوختی هیدروژنی قبلاً در سال 1839 توسط ویلیام گرو اختراع شد. از آن زمان، سلول های سوختی هیدروژنی به تدریج بهبود یافته و اکنون در شاتل های فضایی نصب می شوند و انرژی آنها را تامین می کنند و به عنوان منبع آب عمل می کنند. امروزه فناوری پیل سوختی هیدروژنی در آستانه رسیدن به بازار انبوه در خودروها، خانه ها و دستگاه های قابل حمل است.

در پیل سوختی هیدروژنی، انرژی شیمیایی (به شکل هیدروژن و اکسیژن) به طور مستقیم (بدون احتراق) به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. یک پیل سوختی از یک کاتد، الکترود و یک آند تشکیل شده است. هیدروژن به آند وارد می شود و در آنجا به پروتون و الکترون جدا می شود. پروتون ها و الکترون ها مسیرهای مختلفی به کاتد دارند. پروتون ها از طریق الکترود به سمت کاتد حرکت می کنند و الکترون ها از اطراف سلول های سوختی عبور می کنند تا به کاتد برسند. این حرکت متعاقباً انرژی الکتریکی قابل استفاده ایجاد می کند. از طرف دیگر، پروتون ها و الکترون های هیدروژن با اکسیژن ترکیب می شوند و آب را تشکیل می دهند.

الکترولیزها یکی از راه های استخراج هیدروژن از آب هستند. این فرآیند اساساً برعکس آن چیزی است که در پیل سوختی هیدروژنی اتفاق می افتد. الکترولایزر از یک آند، یک سلول الکتروشیمیایی و یک کاتد تشکیل شده است. آب و ولتاژ به آند اعمال می شود که آب را به هیدروژن و اکسیژن تقسیم می کند. هیدروژن از طریق سلول الکتروشیمیایی به کاتد می گذرد و اکسیژن مستقیماً به کاتد می رسد. از آنجا می توان هیدروژن و اکسیژن را استخراج و ذخیره کرد. در مواقعی که نیازی به تولید الکتریسیته نیست، گاز انباشته شده را می توان از محل ذخیره سازی خارج کرد و از طریق پیل سوختی بازگرداند.

این سیستم از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می کند، احتمالاً به همین دلیل است که افسانه های زیادی در مورد ایمنی آن وجود دارد. پس از انفجار هیندنبورگ، بسیاری از افراد دور از علم و حتی برخی از دانشمندان به این باور رسیدند که استفاده از هیدروژن بسیار خطرناک است. اما تحقیقات اخیر نشان داده است که علت این فاجعه مربوط به نوع ماده ای است که در ساخت و ساز استفاده شده است و نه هیدروژنی که داخل آن پمپاژ شده است. پس از آزمایش ایمنی ذخیره سازی هیدروژن، مشخص شد که ذخیره هیدروژن در پیل های سوختی ایمن تر استنسبت به ذخیره بنزین در باک بنزین خودرو.

قیمت پیل های سوختی هیدروژنی مدرن چقدر است؟? شرکت ها در حال حاضر هیدروژن را عرضه می کنند سیستم های سوختتولید انرژی با هزینه حدود 3000 دلار در هر کیلووات. تحقیقات بازاریابی نشان داده است که وقتی هزینه به 1500 دلار در هر کیلووات کاهش یابد، مصرف کنندگان در بازار انرژی انبوه آماده تغییر به این نوع سوخت خواهند بود.

خودروهای پیل سوختی هیدروژنی هنوز گرانتر از خودروهای موتور احتراق داخلی هستند، اما سازندگان در حال بررسی راه‌هایی برای رساندن قیمت به سطوح قابل مقایسه هستند. در برخی از مناطق دورافتاده که خطوط برق وجود ندارد، استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت یا تامین برق خانه به طور مستقل ممکن است در حال حاضر مقرون به صرفه تر از ایجاد زیرساخت برای منابع انرژی سنتی باشد.

چرا سلول های سوختی هیدروژنی هنوز به طور گسترده مورد استفاده قرار نمی گیرند؟ در حال حاضر، هزینه بالای آنها مشکل اصلی برای گسترش سلول های سوختی هیدروژنی است. سیستم های سوخت هیدروژنی به سادگی در حال حاضر تقاضای انبوه ندارند. با این حال، علم ثابت نمی‌ماند و در آینده نزدیک ممکن است ماشینی که روی آب کار می‌کند به واقعیت تبدیل شود.

ساخت، مونتاژ، آزمایش و آزمایش سلول ها/سلول های سوختی (هیدروژن).
در کارخانه های ایالات متحده آمریکا و کانادا تولید می شود

سلول ها/سلول های سوختی (هیدروژن).

شرکت Intech GmbH / LLC Intech GmbH از سال 1997 در بازار خدمات مهندسی، عرضه کننده رسمی بلندمدت تجهیزات مختلف صنعتی بوده و عناصر/سلول های سوختی (هیدروژنی) مختلف را مورد توجه شما قرار می دهد.

پیل/پیل سوختی است

مزایای پیل/پیل سوختی

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

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

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

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

تاریخچه توسعه سلول های سوختی/پیل ها

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

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

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

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

اصل عملکرد پیل‌های سوختی/پیل‌ها

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

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

در کاتالیزور آند، هیدروژن مولکولی تجزیه می شود و الکترون ها را از دست می دهد. یون های هیدروژن (پروتون ها) از طریق الکترولیت به کاتد هدایت می شوند، در حالی که الکترون ها از الکترولیت عبور می کنند و از قسمت بیرونی عبور می کنند. مدار الکتریکی، ایجاد جریان مستقیم است که می تواند برای تغذیه تجهیزات استفاده شود. در کاتالیزور کاتد، یک مولکول اکسیژن با یک الکترون (که از ارتباطات خارجی تامین می شود) و یک پروتون ورودی ترکیب می شود و آب را تشکیل می دهد که تنها محصول واکنش (به شکل بخار و/یا مایع) است.

در زیر واکنش مربوطه نشان داده شده است:

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

انواع و تنوع عناصر/پیل های سوختی

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

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

سلول‌های سوختی کربنات مذاب (MCFC)

پیل‌های سوختی الکترولیت کربنات مذاب، پیل‌های سوختی با دمای بالا هستند. دمای عملیاتی بالا امکان استفاده مستقیم از گاز طبیعی بدون پردازنده سوخت و گاز کم سوخت را فراهم می کند ارزش حرارتیسوخت فرآیندهای تولیدو از منابع دیگر

عملکرد RCFC با سایر پیل های سوختی متفاوت است. این سلول ها از الکترولیت ساخته شده از مخلوط نمک های کربنات مذاب استفاده می کنند. در حال حاضر از دو نوع مخلوط استفاده می شود: کربنات لیتیوم و کربنات پتاسیم یا کربنات لیتیوم و کربنات سدیم. برای ذوب نمک های کربنات و دستیابی به درجه بالایی از تحرک یون در الکترولیت، سلول های سوختی با الکترولیت کربنات مذاب در دمای بالا (650 درجه سانتیگراد) کار می کنند. راندمان بین 60-80 درصد متغیر است.

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

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

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

دمای واکنش بالا در الکترولیت نیز مزایای خود را دارد. استفاده از دماهای بالا به زمان قابل توجهی برای دستیابی به شرایط عملیاتی بهینه نیاز دارد و سیستم به تغییرات مصرف انرژی کندتر پاسخ می دهد. این ویژگی ها امکان استفاده از تاسیسات پیل سوختی با الکترولیت کربنات مذاب را در شرایط توان ثابت می دهد. دمای بالا از آسیب مونوکسید کربن به پیل سوختی جلوگیری می کند.

پیل های سوختی با الکترولیت کربنات مذاب برای استفاده در تاسیسات ثابت بزرگ مناسب هستند. نیروگاه های حرارتی با توان خروجی الکتریکی 3.0 مگاوات به صورت تجاری تولید می شوند. تاسیسات با توان خروجی تا 110 مگاوات در حال توسعه هستند.

پیل/سلول سوختی اسید فسفریک (PAFC)

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

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

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

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

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

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

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

پیل/سلول سوختی اکسید جامد (SOFC)

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

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

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

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

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

پیل‌ها/سلول‌های سوختی اکسیداسیون مستقیم متانول (DOMFC)

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

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

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

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

پیل/سلول سوختی قلیایی (ALFC)

پیل‌های سوختی قلیایی یکی از کارآمدترین پیل‌هایی هستند که برای تولید برق مورد استفاده قرار می‌گیرند و راندمان تولید برق تا 70 درصد می‌رسد.

پیل های سوختی قلیایی از یک الکترولیت، محلول آبی هیدروکسید پتاسیم، که در یک ماتریکس متخلخل و تثبیت شده موجود است، استفاده می کنند. غلظت هیدروکسید پتاسیم ممکن است بسته به دمای عملکرد پیل سوختی متفاوت باشد که از 65 درجه سانتیگراد تا 220 درجه سانتیگراد متغیر است. حامل بار در SHTE یون هیدروکسیل (OH -) است که از کاتد به آند حرکت می کند و در آنجا با هیدروژن واکنش می دهد و آب و الکترون تولید می کند. آب تولید شده در آند به کاتد باز می گردد و دوباره در آنجا یون های هیدروکسیل تولید می کند. در نتیجه این سلسله واکنش هایی که در پیل سوختی انجام می شود، الکتریسیته و به عنوان یک محصول جانبی، گرما تولید می شود:

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

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

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

سلول های سوختی الکترولیت پلیمری (PEFC)

در مورد سلول های سوختی الکترولیت پلیمری، غشای پلیمری از الیاف پلیمری با مناطق آبی تشکیل شده است که در آن ها رسانایی یون های آب H2O+ (پروتون، قرمز) به مولکول آب متصل می شود. مولکول های آب به دلیل تبادل یونی کند مشکل ایجاد می کنند. بنابراین، غلظت بالایی از آب هم در سوخت و هم در الکترودهای خروجی مورد نیاز است که دمای کار را به 100 درجه سانتیگراد محدود می کند.

پیل/سلول سوختی اسید جامد (SFC)

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

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

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

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

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

کاربرد پیل/پیل های سوختی

کاربرد پیل/پیل سوختی در سیستم های مخابراتی

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

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

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

تأسیسات پیل سوختی، توان پشتیبان را برای زیرساخت‌های شبکه‌های ارتباطی حیاتی برای ارتباطات بی‌سیم، دائمی و پهنای باند در سیستم مخابراتی فراهم می‌کند که از 250 وات تا 15 کیلووات متغیر است، آنها بسیاری از ویژگی‌های نوآورانه بی‌رقیب را ارائه می‌کنند:

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

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

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

سلول‌های سوختی در مقایسه با بسته‌های باتری سرب اسیدی استاندارد صنعتی، صرفه‌جویی در مصرف انرژی، قابلیت اطمینان سیستم بهبود یافته، عملکرد قابل پیش‌بینی بیشتر در طیف وسیعی از آب و هوا و دوام عملیاتی قابل اعتماد را ارائه می‌کنند. هزینه های مادام العمر نیز به دلیل نیازهای تعمیر و نگهداری و تعویض به میزان قابل توجهی کمتر است. سلول‌های سوختی مزایای زیست‌محیطی را برای کاربر نهایی ارائه می‌دهند، زیرا هزینه‌های دفع و خطرات مربوط به مسئولیت مرتبط با سلول‌های سرب اسیدی یک نگرانی رو به رشد است.

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

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

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

کاربرد پیل/پیل سوختی در شبکه های ارتباطی

شبکه‌های ارتباطی ایمن به راه‌حل‌های برق پشتیبان قابل اعتماد نیاز دارند که می‌توانند ساعت‌ها یا روزها در شرایط اضطراری کار کنند، اگر شبکه برق دیگر در دسترس نباشد.

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

قانع‌کننده‌ترین استدلال برای استفاده از فناوری پیل سوختی در شبکه‌های ارتباطی افزایش قابلیت اطمینان و ایمنی کلی است. در طول رویدادهایی مانند قطع برق، زلزله، طوفان و طوفان، مهم است که سیستم‌ها به کار خود ادامه دهند و بدون در نظر گرفتن دما یا سن سیستم برق پشتیبان، در یک دوره زمانی طولانی، برق پشتیبان قابل اعتمادی داشته باشند.

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

کاربرد پیل/پیل سوختی در شبکه های داده

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

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

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

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

تاسیسات پشتیبان برق پیل سوختی مزایای متعددی را برای زیرساخت‌های شبکه داده حیاتی در مقایسه با باتری‌های سنتی یا ژنراتورهای دیزلی ارائه می‌دهند و امکان افزایش گزینه‌های استقرار در محل را فراهم می‌کنند:

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

کاربرد پیل/پیل سوختی در سیستم های امنیتی

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

سیستم‌های حیاتی مانند سیستم‌های نظارت و کنترل دسترسی دوربین‌های مداربسته (کارت‌خوان‌ها، دستگاه‌های قفل درب، فناوری شناسایی بیومتریک و غیره)، سیستم‌های اعلام و اطفاء حریق خودکار، سیستم‌های کنترل آسانسور و شبکه‌های مخابراتی، در صورت عدم وجود منبع تغذیه جایگزین قابل اعتماد و طولانی مدت

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

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

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

کاربرد پیل/پیل سوختی در گرمایش شهری و تولید برق

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

این واحدهای صرفه جویی در انرژی، گرما را برای گرمایش فضا و گرمایش آب و همچنین برق تولید می کنند که می تواند در خانه استفاده شود و به شبکه بازگردانده شود. منابع تولید برق پراکنده ممکن است شامل سلول های فتوولتائیک (خورشیدی) و توربین های ریزبادی باشد. این فناوری ها قابل مشاهده و به طور گسترده شناخته شده هستند، اما عملکرد آنها به شرایط آب و هوایی بستگی دارد و نمی توانند به طور مداوم در تمام طول سال برق تولید کنند. نیروگاه های حرارتی می توانند از کمتر از 1 کیلووات تا 6 مگاوات یا بیشتر از نظر قدرت متفاوت باشند.

کاربرد پیل/پیل سوختی در شبکه های توزیع

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

شکل زیر کاهش راندمان تولید برق را هنگامی که در یک نیروگاه حرارتی تولید می‌شود و از طریق شبکه‌های سنتی انتقال برق در حال استفاده به خانه‌ها منتقل می‌شود، نشان می‌دهد. تلفات بازده در تولید متمرکز شامل تلفات نیروگاه، انتقال ولتاژ پایین و ولتاژ بالا و تلفات توزیع است.

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

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

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

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

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

پیل های سوختی روشی برای تبدیل الکتروشیمیایی انرژی سوخت هیدروژن به الکتریسیته است و تنها محصول جانبی این فرآیند آب است.

سوخت هیدروژنی که در حال حاضر در پیل‌های سوختی استفاده می‌شود، معمولاً از اصلاح بخار متان (یعنی تبدیل هیدروکربن‌ها با استفاده از بخار و گرما به متان) تولید می‌شود، اگرچه می‌توان از یک رویکرد سبزتر مانند الکترولیز آب با استفاده از انرژی خورشیدی استفاده کرد.

اجزای اصلی یک پیل سوختی عبارتند از:

• آندی که در آن اکسیداسیون هیدروژن رخ می دهد.
• کاتد، جایی که کاهش اکسیژن رخ می دهد.
• یک غشای الکترولیت پلیمری که از طریق آن پروتون ها یا یون های هیدروکسید (بسته به محیط) منتقل می شوند - اجازه نمی دهد هیدروژن و اکسیژن از آن عبور کنند.
• میدان های جریان اکسیژن و هیدروژن که مسئول رساندن این گازها به الکترود هستند.

به عنوان مثال، برای تامین انرژی یک خودرو، چندین سلول سوختی در یک باتری مونتاژ می‌شوند و میزان انرژی تامین‌شده توسط آن باتری به مساحت کل الکترودها و تعداد سلول‌های موجود در آن بستگی دارد. انرژی در پیل سوختی به صورت زیر تولید می شود: هیدروژن در آند اکسید می شود و الکترون های آن به کاتد فرستاده می شود، جایی که اکسیژن کاهش می یابد. الکترون های به دست آمده از اکسیداسیون هیدروژن در آند دارای پتانسیل شیمیایی بالاتری نسبت به الکترون هایی هستند که اکسیژن را در کاتد کاهش می دهند. این تفاوت بین پتانسیل های شیمیایی الکترون ها باعث می شود که انرژی از سلول های سوختی استخراج شود.

تاریخچه خلقت

تاریخچه پیل های سوختی به دهه 1930 برمی گردد، زمانی که اولین پیل سوختی هیدروژنی توسط ویلیام آر گروو طراحی شد. این سلول از اسید سولفوریک به عنوان الکترولیت خود استفاده می کرد. گرو سعی کرد مس را از محلول آبی سولفات مس روی یک سطح آهن رسوب دهد. او متوجه شد که تحت تأثیر یک جریان الکترونی، آب به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می شود. به دنبال این کشف، گرو و همکارش کریستین شونبین، شیمیدان دانشگاه بازل (سوئیس)، به طور همزمان در سال 1839 امکان تولید انرژی در یک پیل سوختی هیدروژن-اکسیژن با استفاده از یک الکترولیت اسیدی را نشان دادند. این اولین تلاش ها، اگرچه ماهیت کاملاً ابتدایی داشتند، اما توجه چند تن از معاصران خود از جمله مایکل فارادی را به خود جلب کردند.

تحقیقات در مورد سلول های سوختی ادامه یافت و در دهه 1930 F.T. بیکن یک جزء جدید را در پیل سوختی قلیایی (نوعی پیل سوختی) معرفی کرد - یک غشای تبادل یونی برای تسهیل انتقال یون های هیدروکسید.

یکی از معروف ترین کاربردهای تاریخی پیل های سوختی قلیایی استفاده از آنها به عنوان منبع اصلی انرژی در طی پروازهای فضایی در برنامه آپولو است.

ناسا آنها را به دلیل دوام و ثبات فنی آنها انتخاب کرد. آنها از یک غشای رسانای هیدروکسید استفاده کردند که از نظر کارایی نسبت به خواهر تبادل پروتون خود برتر بود.

در نزدیک به دو قرن پس از ایجاد اولین نمونه اولیه پیل سوختی، کارهای زیادی برای بهبود آنها انجام شده است. به طور کلی، انرژی نهایی به دست آمده از یک پیل سوختی به سینتیک واکنش ردوکس، مقاومت داخلی پیل و انتقال جرم گازها و یون های واکنش دهنده به اجزای فعال کاتالیزوری بستگی دارد. در طول سال ها، پیشرفت های زیادی در ایده اصلی ایجاد شده است، مانند:

1) جایگزینی سیم های پلاتین با الکترودهای مبتنی بر کربن با نانوذرات پلاتین. 2) اختراع غشاهای بسیار رسانا و انتخابی، مانند Nafion، برای تسهیل انتقال یون. 3) ترکیب یک لایه کاتالیزوری، به عنوان مثال، نانوذرات پلاتین توزیع شده بر روی یک پایه کربن، با غشاهای تبادل یونی، که منجر به یک واحد الکترود غشایی با حداقل مقاومت داخلی می شود. 4) استفاده و بهینه سازی میدان های جریان برای رساندن هیدروژن و اکسیژن به سطح کاتالیزوری، به جای رقیق کردن مستقیم آنها در محلول.

این پیشرفت‌ها و سایر پیشرفت‌ها در نهایت باعث تولید فناوری کارآمدی شد که در خودروهایی مانند تویوتا میرای مورد استفاده قرار گیرد.

سلول های سوختی با غشاهای تبادل هیدروکسی

دانشگاه دلاور در حال انجام تحقیقاتی بر روی توسعه سلول های سوختی غشایی تبادل هیدروکسید (HEMFCs) است. پیل های سوختی با غشاهای تبادل هیدروکسی به جای غشاهای مبادله پروتون - PEMFC ها (پیل های سوختی غشایی تبادل پروتون) - با یکی از مشکلات بزرگ PEMFC ها مواجه هستند - مشکل پایداری کاتالیزور، زیرا کاتالیزورهای فلز پایه بسیار بیشتری در شرایط قلیایی پایدار هستند. در شرایط اسیدی پایداری کاتالیزورها در محلول های قلیایی به دلیل این واقعیت است که انحلال فلزات در pH پایین انرژی بیشتری نسبت به PH بالا آزاد می کند. بسیاری از کار در این آزمایشگاه نیز به توسعه کاتالیزورهای آندی و کاتدی جدید برای اکسیداسیون هیدروژن و واکنش‌های کاهش اکسیژن اختصاص یافته است تا آنها را به طور موثرتر تسریع کنند. علاوه بر این، آزمایشگاه در حال توسعه غشاهای تبادل هیدروکسی جدید است، زیرا رسانایی و دوام چنین غشاهایی هنوز باید بهبود یابد تا بتوانند با غشاهای تبادل پروتون رقابت کنند.

جستجو برای کاتالیزورهای جدید

علت تلفات اضافه ولتاژ در واکنش کاهش اکسیژن با روابط مقیاس خطی بین محصولات میانی این واکنش توضیح داده می شود. در مکانیسم سنتی چهار الکترونی این واکنش، اکسیژن به صورت متوالی کاهش می‌یابد و واسطه‌های OOH*، O* و OH* ایجاد می‌کند تا در نهایت آب (H2O) در سطح کاتالیزوری تشکیل شود. از آنجایی که انرژی جذب محصولات میانی برای یک کاتالیزور منفرد به شدت با یکدیگر همبستگی دارد، هنوز هیچ کاتالیزوری پیدا نشده است که حداقل در تئوری، تلفات ناشی از اضافه ولتاژ را نداشته باشد. اگرچه سرعت این واکنش کم است، اما جایگزین کردن یک محیط اسیدی با یک محیط قلیایی، مانند HEMFC، تأثیر خاصی بر آن ندارد. با این حال، سرعت واکنش اکسیداسیون هیدروژن تقریباً به نصف کاهش می یابد و این واقعیت انگیزه تحقیقاتی را برای یافتن دلیل این کاهش و کشف کاتالیزورهای جدید ایجاد می کند.

مزایای پیل سوختی

برخلاف سوخت‌های هیدروکربنی، پیل‌های سوختی اگر نگوییم کاملاً دوستدار محیط‌زیست هستند و در نتیجه عملکردشان گازهای گلخانه‌ای تولید نمی‌کنند. علاوه بر این، سوخت آنها (هیدروژن) در اصل قابل تجدید است زیرا می توان آن را با هیدرولیز آب تولید کرد. بنابراین، سلول های سوختی هیدروژنی در آینده وعده تبدیل شدن به بخشی کامل از فرآیند تولید انرژی را می دهند که در آن از انرژی خورشیدی و باد برای تولید سوخت هیدروژنی استفاده می شود که سپس در پیل سوختی برای تولید آب استفاده می شود. این چرخه را می بندد و هیچ اثر کربنی باقی نمی گذارد.

برخلاف باتری‌های قابل شارژ، پیل‌های سوختی این مزیت را دارند که نیازی به شارژ مجدد ندارند - آنها می‌توانند بلافاصله به محض نیاز، شروع به تامین انرژی کنند. یعنی اگر مثلاً در حوزه خودرو از آنها استفاده شود، تقریباً هیچ تغییری در سمت مصرف کننده ایجاد نمی شود. برخلاف انرژی خورشیدی و باد، سلول های سوختی می توانند به طور مداوم انرژی تولید کنند و بسیار کمتر به شرایط خارجی وابسته هستند. به نوبه خود، انرژی زمین گرمایی تنها در مناطق جغرافیایی خاصی در دسترس است، در حالی که سلول های سوختی دوباره این مشکل را ندارند.

پیل های سوختی هیدروژنی به دلیل قابلیت حمل و انعطاف پذیری در مقیاس یکی از امیدوارکننده ترین منابع انرژی هستند.

دشواری ذخیره هیدروژن

علاوه بر مشکلات مربوط به کاستی‌های غشاها و کاتالیزورهای فعلی، سایر چالش‌های فنی برای پیل‌های سوختی مربوط به ذخیره و انتقال سوخت هیدروژنی است. هیدروژن انرژی ویژه بسیار پایینی در واحد حجم دارد (مقدار انرژی موجود در یک واحد حجم در دما و فشار معین) و بنابراین برای استفاده در وسایل نقلیه باید در فشار بسیار بالا ذخیره شود. در غیر این صورت، اندازه ظرف برای ذخیره مقدار مورد نیاز سوخت، غیرممکن خواهد بود. به دلیل این محدودیت‌های ذخیره‌سازی هیدروژن، تلاش‌هایی برای یافتن راه‌هایی برای تولید هیدروژن از چیزی غیر از شکل گازی آن، مانند سلول‌های سوختی هیدرید فلزی، صورت گرفته است. با این حال، کاربردهای فعلی پیل سوختی مصرف‌کننده، مانند تویوتا میرای، از هیدروژن فوق بحرانی (هیدروژن در دمای بالاتر از 33 کلوین و فشار بالای 13.3 اتمسفر یعنی بالاتر از مقادیر بحرانی نگهداری می‌شود) استفاده می‌کنند و این اکنون راحت‌ترین گزینه است.

چشم انداز منطقه

با توجه به مشکلات فنی فعلی و چالش‌های موجود در تولید هیدروژن از آب با استفاده از انرژی خورشیدی، تحقیقات در آینده نزدیک احتمالاً عمدتاً بر روی یافتن منابع جایگزین هیدروژن متمرکز خواهد شد. یکی از ایده های رایج استفاده از آمونیاک (نیترید هیدروژن) به جای هیدروژن به طور مستقیم در پیل سوختی یا ساخت هیدروژن از آمونیاک است. دلیل این امر این است که آمونیاک از نظر فشار تقاضای کمتری دارد که باعث می شود ذخیره سازی و جابجایی آن راحت تر باشد. علاوه بر این، آمونیاک به عنوان منبع هیدروژن جذاب است زیرا حاوی کربن نیست. این مشکل مسمومیت کاتالیست به دلیل مقداری CO در هیدروژن تولید شده از متان را حل می کند.

در آینده، پیل‌های سوختی ممکن است کاربردهای گسترده‌ای در فناوری تحرک و تولید انرژی پراکنده، مانند مناطق مسکونی داشته باشند. اگرچه استفاده از پیل‌های سوختی به عنوان منبع اصلی انرژی در حال حاضر مستلزم هزینه‌های زیادی است، اما اگر کاتالیزورهای ارزان‌تر و کارآمدتر، غشاهای پایدار با رسانایی بالا و منابع جایگزین هیدروژن کشف شوند، پیل‌های سوختی هیدروژنی می‌توانند از نظر اقتصادی بسیار جذاب شوند.

فرآیندهای شیمیایی در پیل سوختی

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

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

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

پیل سوختی تک سلولی

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

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

NECAR V بر اساس یک خودروی کلاس A مرسدس بنز ساخته شده است که کل نیروگاه به همراه سلول های سوختی در زیر کف خودرو قرار دارد. این راه حل طراحی امکان قرار دادن چهار سرنشین و چمدان در خودرو را فراهم می کند. در اینجا نه هیدروژن، بلکه از متانول به عنوان سوخت خودرو استفاده می شود. متانول با استفاده از یک ریفرمر (دستگاهی که متانول را به هیدروژن تبدیل می کند) به هیدروژن لازم برای تامین انرژی پیل سوختی تبدیل می شود. استفاده از یک اصلاح کننده در داخل خودرو امکان استفاده از تقریباً هر هیدروکربنی را به عنوان سوخت فراهم می کند که به شما امکان می دهد با استفاده از شبکه موجود پمپ بنزین خودروی پیل سوختی را سوخت گیری کنید. در تئوری، پیل های سوختی چیزی جز برق و آب تولید نمی کنند. تبدیل سوخت (بنزین یا متانول) به هیدروژن مورد نیاز یک پیل سوختی تا حدودی جذابیت زیست محیطی چنین خودرویی را کاهش می دهد.
هوندا که از سال 1989 در زمینه پیل سوختی فعالیت می کند، در سال 2003 دسته کوچکی از خودروهای هوندا FCX-V4 با سلول های سوختی تبادل پروتون تولید کرد. نوع غشاییاز بالارد این پیل های سوختی 78 کیلووات تولید می کنند قدرت الکتریکیو برای به حرکت درآوردن چرخ های محرک از موتورهای الکتریکی کششی با قدرت 60 کیلووات و گشتاور 272 نیوتن متر استفاده می شود.خودروی پیل سوختی در مقایسه با خودروی سنتی دارای جرم تقریباً 40 درصدی کمتری است که برای آن فراهم می کند. دینامیک عالی و ذخیره هیدروژن فشرده امکان برد تا 355 کیلومتر را فراهم می کند.

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

خودروی مفهومی Hy Wire جنرال موتورز دارای پیشرانه پیل سوختی است

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

شاسی ماشین های وایر

خودروی مفهومی GM Hy Wire 26 اختراع ثبت کرده است. اساس خودرو یک پلت فرم کاربردی با ضخامت 150 میلی متر است. در داخل پلت فرم سیلندرهای هیدروژن، یک نیروگاه پیل سوختی و سیستم های کنترل خودرو استفاده می شود جدیدترین فناوری هاکنترل الکترونیکی با سیم شاسی وسیله نقلیه Hy Wire یک پلت فرم نازک است که تمام عناصر اصلی ساختار خودرو را در خود جای داده است: مخازن هیدروژن، سلول های سوختی، باتری ها، موتورهای الکتریکی و سیستم های کنترل. این رویکرد طراحی امکان تغییر بدنه خودرو را در حین کار میسر می کند.این شرکت همچنین در حال آزمایش نمونه اولیه خودروهای پیل سوختی Opel و طراحی کارخانه ای برای تولید پیل سوختی است.

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

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

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

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

اولین خودروی تولیدی جهان با پیل سوختی به جای باتری

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

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

همین شرکت BMW همچنین دستگاه‌های سوخت‌گیری رباتیکی را توسعه داده است که سوخت‌گیری سریع و ایمن خودروها را با هیدروژن مایع فراهم می‌کند.
ظهور تعداد زیادی از پیشرفت‌ها در سال‌های اخیر با هدف ایجاد خودروهایی با استفاده از سوخت‌های جایگزین و پیشرانه‌های جایگزین نشان می‌دهد که موتورهای احتراق داخلی که در قرن گذشته بر خودروها تسلط داشته‌اند، سرانجام جای خود را به طراحی‌های تمیزتر، کارآمدتر و بی‌صدا خواهند داد. پذیرش گسترده آنها در حال حاضر نه به دلیل مشکلات فنی، بلکه بیشتر به دلیل مشکلات اقتصادی و اجتماعی محدود شده است. برای استفاده گسترده از آنها، ایجاد زیرساخت خاصی برای توسعه تولید سوخت های جایگزین، ایجاد و توزیع پمپ بنزین های جدید و غلبه بر تعدادی از موانع روانی ضروری است. استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت خودرو مستلزم پرداختن به مسائل مربوط به ذخیره سازی، تحویل و توزیع، با اقدامات ایمنی جدی است.
هیدروژن از نظر تئوری در مقادیر نامحدود موجود است، اما تولید آن بسیار انرژی بر است. علاوه بر این، برای تبدیل خودروها به سوخت هیدروژنی، باید دو تغییر بزرگ در سیستم قدرت ایجاد کرد: اول، تغییر عملکرد آن از بنزین به متانول، و سپس، در یک دوره زمانی، به هیدروژن. مدتی طول می کشد تا این مشکل حل شود.

شرح:

این مقاله با جزئیات بیشتری به بررسی طراحی، طبقه بندی، مزایا و معایب، دامنه کاربرد، اثربخشی، تاریخچه ایجاد و چشم اندازهای مدرن برای استفاده می پردازد.

استفاده از پیل های سوختی برای تامین انرژی ساختمان ها

قسمت 1

این مقاله با جزئیات بیشتری به بررسی اصل عملکرد پیل‌های سوختی، طراحی، طبقه‌بندی، مزایا و معایب، دامنه کاربرد، کارایی، تاریخچه ایجاد و چشم‌انداز مدرن استفاده می‌پردازد. در قسمت دوم مقاله، که در شماره بعدی مجله ABOK منتشر می شود، نمونه هایی از امکاناتی را ارائه می دهد که در آنها از انواع پیل های سوختی به عنوان منبع تامین حرارت و برق (یا فقط منبع تغذیه) استفاده می شد.

معرفی

سلول های سوختی روشی بسیار کارآمد، قابل اعتماد، بادوام و سازگار با محیط زیست برای تولید انرژی هستند.

سلول‌های سوختی که در ابتدا فقط در صنعت فضایی استفاده می‌شد، اکنون به طور فزاینده‌ای در زمینه‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند - به عنوان نیروگاه‌های ثابت، منبع تغذیه و گرما برای ساختمان‌ها، موتور خودرو، منبع تغذیه لپ‌تاپ و تلفن‌های همراه. برخی از این دستگاه‌ها نمونه‌های اولیه آزمایشگاهی هستند، برخی در مرحله آزمایش پیش تولید هستند یا برای اهداف نمایشی استفاده می‌شوند، اما بسیاری از مدل‌ها به تولید انبوه و استفاده در پروژه‌های تجاری می‌رسند.

پیل سوختی (ژنراتور الکتروشیمیایی) دستگاهی است که برخلاف فناوری‌های سنتی که از احتراق سوخت‌های جامد، مایع و گاز استفاده می‌کنند، مستقیماً انرژی شیمیایی سوخت (هیدروژن) را از طریق یک واکنش الکتروشیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. تبدیل مستقیم الکتروشیمیایی سوخت از نقطه نظر زیست محیطی بسیار موثر و جذاب است، زیرا فرآیند بهره برداری حداقل مقدار آلاینده را تولید می کند و صدا یا لرزش قوی وجود ندارد.

از نقطه نظر عملی، یک سلول سوختی شبیه یک باتری ولتایی معمولی است. تفاوت این است که باتری در ابتدا شارژ می شود، یعنی با "سوخت" پر می شود. در حین کار، "سوخت" مصرف می شود و باتری تخلیه می شود. برخلاف باتری، پیل سوختی از سوختی که از یک منبع خارجی تامین می شود برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می کند (شکل 1).

برای تولید انرژی الکتریکی، نه تنها از هیدروژن خالص می توان استفاده کرد، بلکه می توان از سایر مواد خام حاوی هیدروژن، به عنوان مثال، گاز طبیعی، آمونیاک، متانول یا بنزین استفاده کرد. هوای معمولی به عنوان منبع اکسیژن استفاده می شود که برای واکنش نیز ضروری است.

هنگام استفاده از هیدروژن خالص به عنوان سوخت، محصولات واکنش، علاوه بر انرژی الکتریکی، گرما و آب (یا بخار آب) هستند، یعنی گازهایی که باعث آلودگی هوا یا ایجاد اثر گلخانه ای می شوند در جو منتشر نمی شوند. اگر یک ماده اولیه حاوی هیدروژن، مانند گاز طبیعی، به عنوان سوخت استفاده شود، گازهای دیگری مانند کربن و اکسیدهای نیتروژن محصول جانبی واکنش خواهند بود، اما مقدار آن بسیار کمتر از سوزاندن همان مقدار طبیعی است. گاز.

فرآیند تبدیل شیمیایی سوخت برای تولید هیدروژن را رفرمینگ و دستگاه مربوطه را ریفرمر می نامند.

مزایا و معایب پیل سوختی

پیل های سوختی نسبت به موتورهای احتراق داخلی بازده انرژی بیشتری دارند زیرا هیچ محدودیتی در بازده انرژی ترمودینامیکی برای پیل های سوختی وجود ندارد. راندمان پیل های سوختی 50 درصد است در حالی که راندمان موتورهای احتراق داخلی 15-12 درصد است و راندمان نیروگاه های توربین بخار از 40 درصد تجاوز نمی کند. با استفاده از گرما و آب، راندمان پیل های سوختی بیشتر می شود.

بر خلاف موتورهای احتراق داخلی، راندمان پیل‌های سوختی حتی زمانی که با قدرت کامل کار نمی‌کنند بسیار بالا باقی می‌ماند. علاوه بر این، قدرت پیل های سوختی را می توان با اضافه کردن واحدهای جداگانه افزایش داد، در حالی که راندمان تغییر نمی کند، یعنی تاسیسات بزرگ به همان اندازه کارآمد هستند. این شرایط امکان انتخاب بسیار انعطاف پذیر ترکیب تجهیزات مطابق با خواسته های مشتری را فراهم می کند و در نهایت منجر به کاهش هزینه های تجهیزات می شود.

مزیت مهم پیل های سوختی سازگاری با محیط زیست آنهاست. انتشار پیل سوختی به قدری کم است که در برخی از مناطق ایالات متحده، عملکرد آنها نیازی به تایید ویژه تنظیم کننده های کیفیت هوای دولتی ندارد.

سلول های سوختی را می توان مستقیماً در ساختمان قرار داد و تلفات را در حین انتقال انرژی کاهش داد و گرمای تولید شده در نتیجه واکنش را می توان برای تامین گرما یا آب گرم ساختمان مورد استفاده قرار داد. منابع خودمختار گرما و برق می توانند در مناطق دورافتاده و در مناطقی که با کمبود برق و هزینه بالای آن مشخص می شود بسیار مفید باشند، اما در عین حال ذخایری از مواد خام حاوی هیدروژن (نفت، گاز طبیعی) وجود دارد.

از مزایای پیل های سوختی نیز می توان به در دسترس بودن سوخت، قابلیت اطمینان (هیچ قسمت متحرک در پیل سوختی وجود ندارد)، دوام و سهولت کار اشاره کرد.

یکی از معایب اصلی پیل های سوختی امروزه هزینه نسبتاً بالای آنها است، اما به زودی می توان بر این عیب غلبه کرد - شرکت های بیشتری در حال تولید نمونه های تجاری از سلول های سوختی هستند، آنها دائما در حال بهبود هستند و هزینه آنها در حال کاهش است.

موثرترین راه استفاده از هیدروژن خالص به عنوان سوخت است، اما این امر مستلزم ایجاد زیرساخت ویژه برای تولید و حمل و نقل آن است. در حال حاضر تمام طرح های تجاری از گاز طبیعی و سوخت های مشابه استفاده می کنند. وسایل نقلیه موتوری می توانند از بنزین معمولی استفاده کنند که امکان حفظ شبکه توسعه یافته موجود پمپ بنزین را فراهم می کند. با این حال، استفاده از چنین سوختی منجر به انتشار گازهای گلخانه ای مضر در جو می شود (البته بسیار کم) و پیل سوختی را پیچیده (و در نتیجه هزینه آن را افزایش می دهد). در آینده، امکان استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر سازگار با محیط زیست (به عنوان مثال انرژی خورشیدی یا باد) برای تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن با استفاده از الکترولیز و سپس تبدیل سوخت حاصله در پیل سوختی مورد توجه قرار گرفته است. چنین گیاهان ترکیبی، که در یک چرخه بسته کار می کنند، می توانند منبع انرژی کاملاً سازگار با محیط زیست، قابل اعتماد، بادوام و کارآمد باشند.

یکی دیگر از ویژگی‌های پیل‌های سوختی این است که با استفاده از انرژی الکتریکی و حرارتی به طور همزمان بیشترین کارایی را دارند. با این حال، هر تأسیساتی فرصت استفاده از انرژی حرارتی را ندارد. اگر از پیل‌های سوختی فقط برای تولید انرژی الکتریکی استفاده شود، بازده آن‌ها کاهش می‌یابد، اگرچه از راندمان تأسیسات «سنتی» فراتر می‌رود.

تاریخچه و استفاده مدرن از پیل های سوختی

اصل عملکرد پیل های سوختی در سال 1839 کشف شد. دانشمند انگلیسی ویلیام رابرت گرو (1811-1896) کشف کرد که فرآیند الکترولیز - تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن از طریق جریان الکتریکی - برگشت پذیر است، یعنی هیدروژن و اکسیژن را می توان بدون احتراق، اما با آزاد شدن، به مولکول های آب ترکیب کرد. گرما و جریان الکتریکی گروو دستگاهی را که در آن چنین واکنشی ممکن بود، «باتری گاز» نامید که اولین پیل سوختی بود.

توسعه فعال فن آوری برای استفاده از سلول های سوختی پس از جنگ جهانی دوم آغاز شد و با صنعت هوافضا همراه است. در این زمان، جستجو برای یک منبع انرژی موثر و قابل اعتماد، اما در عین حال کاملا فشرده، در جریان بود. در دهه 1960، متخصصان ناسا (اداره ملی هوانوردی و فضایی، ناسا) سلول های سوختی را به عنوان منبع انرژی برای فضاپیمای آپولو (پروازهای سرنشین دار به ماه)، آپولو-سایوز، جمینی و برنامه های Skylab انتخاب کردند. فضاپیمای آپولو از سه نیروگاه 1.5 کیلوواتی (اوج 2.2 کیلوواتی) با استفاده از هیدروژن و اکسیژن برودتی برای تولید برق، گرما و آب استفاده کرد. وزن هر نصب 113 کیلوگرم بود. این سه سلول به صورت موازی کار می کردند، اما انرژی تولید شده توسط یک واحد برای بازگشت ایمن کافی بود. در طول 18 پرواز، پیل های سوختی در مجموع 10000 ساعت بدون هیچ نقصی کار کردند. در حال حاضر، سلول های سوختی در شاتل فضایی استفاده می شود که از سه واحد 12 واتی برای تولید تمام انرژی الکتریکی در فضاپیما استفاده می کند (شکل 2). آب به دست آمده در نتیجه واکنش الکتروشیمیایی برای آب آشامیدنی و همچنین برای تجهیزات خنک کننده استفاده می شود.

در کشور ما نیز کار بر روی ایجاد سلول های سوختی برای استفاده در فضانوردی انجام شد. به عنوان مثال، از سلول های سوختی برای تامین انرژی فضاپیمای قابل استفاده مجدد بوران شوروی استفاده شد.

توسعه روش‌هایی برای استفاده تجاری از پیل‌های سوختی در اواسط دهه 1960 آغاز شد. این پیشرفت ها تا حدی توسط سازمان های دولتی تامین می شد.

در حال حاضر، توسعه فن آوری برای استفاده از سلول های سوختی در چندین جهت پیش می رود. این ایجاد نیروگاه های ثابت روی پیل های سوختی (اعم از تامین انرژی متمرکز و غیرمتمرکز)، نیروگاه ها برای وسایل نقلیه (نمونه هایی از خودروها و اتوبوس های روی پیل سوختی از جمله در کشور ما ایجاد شده است) (شکل 3) و همچنین منابع تغذیه برای دستگاه های مختلف تلفن همراه (کامپیوتر لپ تاپ، تلفن همراه و غیره) (شکل 4).

نمونه هایی از کاربرد پیل سوختی در زمینه های مختلف در جدول آورده شده است. 1.

یکی از اولین مدل‌های پیل سوختی تجاری که برای تامین برق و گرمای مستقل ساختمان‌ها طراحی شد، PC25 مدل A بود که توسط شرکت ONSI (در حال حاضر United Technologies، Inc.) ساخته شد. این پیل سوختی با توان نامی 200 کیلووات نوعی پیل دارای الکترولیت بر پایه اسید فسفریک (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC) است. عدد 25 در نام مدل به معنی شماره سریال طرح است. اکثر مدل های قبلی واحدهای آزمایشی یا آزمایشی بودند، مانند مدل 12.5 کیلوواتی "PC11" که در دهه 1970 معرفی شد. مدل های جدید قدرت استخراج شده از یک پیل سوختی جداگانه را افزایش دادند و همچنین هزینه هر کیلووات انرژی تولیدی را کاهش دادند. در حال حاضر یکی از کارآمدترین مدل های تجاری پیل سوختی PC25 مدل C است. مانند مدل A، این یک پیل سوختی 200 کیلوواتی PAFC کاملاً اتوماتیک است که برای نصب در محل به عنوان منبع گرما و نیرو مستقل طراحی شده است. چنین پیل سوختی را می توان در خارج از ساختمان نصب کرد. از نظر بیرونی، موازی شکل به طول 5.5 متر، عرض و ارتفاع 3 متر است که وزن آن 18140 کیلوگرم است. تفاوت با مدل های قبلی یک اصلاح کننده بهبود یافته و چگالی جریان بالاتر است.

در برخی از انواع پیل های سوختی، فرآیند شیمیایی را می توان معکوس کرد: با اعمال اختلاف پتانسیل روی الکترودها، آب را می توان به هیدروژن و اکسیژن تجزیه کرد که روی الکترودهای متخلخل جمع می شوند. هنگامی که یک بار متصل می شود، چنین پیل سوختی احیا کننده ای شروع به تولید انرژی الکتریکی می کند.

یک جهت امیدوارکننده برای استفاده از پیل‌های سوختی، استفاده از آنها در ارتباط با منابع انرژی تجدیدپذیر، به عنوان مثال، پانل‌های فتوولتائیک یا نیروگاه‌های بادی است. این فناوری به ما این امکان را می دهد که به طور کامل از آلودگی هوا جلوگیری کنیم. برای مثال، سیستم مشابهی در مرکز آموزشی آدام جوزف لوئیس در اوبرلین برنامه ریزی شده است (به ABOK، 2002، شماره 5، ص 10 مراجعه کنید). در حال حاضر از پنل های خورشیدی به عنوان یکی از منابع انرژی در این ساختمان استفاده می شود. به همراه متخصصان ناسا، پروژه ای برای استفاده از پانل های فتوولتائیک برای تولید هیدروژن و اکسیژن از آب توسط الکترولیز توسعه داده شده است. سپس هیدروژن در پیل های سوختی برای تولید انرژی الکتریکی و آب گرم. این به ساختمان اجازه می دهد تا عملکرد تمام سیستم ها را در روزهای ابری و در شب حفظ کند.

اصل عملکرد پیل های سوختی

بیایید اصل عملکرد یک پیل سوختی را با استفاده از مثال یک عنصر ساده با غشای تبادل پروتون (غشاء تبادل پروتون، PEM) در نظر بگیریم. چنین سلولی شامل یک غشای پلیمری است که بین یک آند (الکترود مثبت) و یک کاتد (الکترود منفی) به همراه کاتالیزورهای آند و کاتد قرار گرفته است. غشای پلیمری به عنوان الکترولیت استفاده می شود. نمودار عنصر PEM در شکل نشان داده شده است. 5.

غشای تبادل پروتون (PEM) یک ترکیب آلی جامد نازک (با ضخامت حدود 2 تا 7 ورق کاغذ) است. این غشاء به عنوان یک الکترولیت عمل می کند: ماده ای را در حضور آب به یون های دارای بار مثبت و منفی جدا می کند.

یک فرآیند اکسیداسیون در آند و یک فرآیند کاهش در کاتد رخ می دهد. آند و کاتد در یک سلول PEM از یک ماده متخلخل ساخته شده است که مخلوطی از ذرات کربن و پلاتین است. پلاتین به عنوان یک کاتالیزور عمل می کند که باعث افزایش واکنش تجزیه می شود. آند و کاتد به ترتیب برای عبور آزاد هیدروژن و اکسیژن از خود متخلخل ساخته می شوند.

آند و کاتد بین دو صفحه فلزی قرار می گیرند که هیدروژن و اکسیژن را به آند و کاتد می رسانند و گرما و آب و همچنین انرژی الکتریکی را از بین می برند.

مولکول‌های هیدروژن از طریق کانال‌هایی در صفحه به آند می‌رسند، جایی که مولکول‌ها به اتم‌های منفرد تجزیه می‌شوند (شکل 6).

سپس، در نتیجه جذب شیمیایی در حضور یک کاتالیزور، اتم‌های هیدروژن، که هر کدام یک الکترون e- از خود جدا می‌کنند، به یون‌های هیدروژن با بار مثبت H+، یعنی پروتون‌ها تبدیل می‌شوند (شکل 7).

یون های هیدروژن با بار مثبت (پروتون ها) از طریق غشاء به کاتد پخش می شوند و جریان الکترون ها از طریق یک مدار الکتریکی خارجی که بار (مصرف کننده انرژی الکتریکی) به آن متصل است به کاتد هدایت می شود (شکل 8).

اکسیژن وارد شده به کاتد، در حضور یک کاتالیزور، وارد یک واکنش شیمیایی با یون های هیدروژن (پروتون) از غشای تبادل پروتون و الکترون ها از مدار الکتریکی خارجی می شود (شکل 9). در نتیجه یک واکنش شیمیایی، آب تشکیل می شود.

واکنش شیمیایی در انواع دیگر پیل‌های سوختی (به عنوان مثال، با یک الکترولیت اسیدی که از محلول اسید اورتوفسفریک H 3 PO 4 استفاده می‌کند) کاملاً مشابه واکنش شیمیایی در یک پیل سوختی با غشای تبادل پروتون است.

در هر پیل سوختی، مقداری از انرژی حاصل از یک واکنش شیمیایی به صورت گرما آزاد می شود.

جریان الکترون ها در مدار خارجی جریان مستقیمی است که برای انجام کار استفاده می شود. باز کردن مدار خارجی یا توقف حرکت یون های هیدروژن واکنش شیمیایی را متوقف می کند.

مقدار انرژی الکتریکی تولید شده توسط پیل سوختی به نوع پیل سوختی، ابعاد هندسی، دما، فشار گاز بستگی دارد. یک پیل سوختی جداگانه EMF کمتر از 1.16 ولت فراهم می کند. اندازه پیل های سوختی را می توان افزایش داد، اما در عمل از چندین عنصر متصل به باتری ها استفاده می شود (شکل 10).

طراحی پیل سوختی

بیایید به طراحی یک پیل سوختی با استفاده از PC25 مدل C به عنوان مثال نگاه کنیم. نمودار پیل سوختی در شکل نشان داده شده است. یازده

پیل سوختی PC25 مدل C از سه بخش اصلی تشکیل شده است: پردازنده سوخت، بخش تولید برق واقعی و مبدل ولتاژ.

بخش اصلی پیل سوختی - بخش تولید برق - یک باتری است که از 256 پیل سوختی مجزا تشکیل شده است. الکترودهای پیل سوختی حاوی یک کاتالیزور پلاتین هستند. این سلول ها یک جریان الکتریکی ثابت ۱۴۰۰ آمپر در ۱۵۵ ولت تولید می کنند. ابعاد باتری تقریباً 2.9 متر طول و 0.9 متر عرض و ارتفاع است.

از آنجایی که فرآیند الکتروشیمیایی در دمای 177 درجه سانتیگراد انجام می شود، لازم است باتری در زمان راه اندازی گرم شود و در حین کار، گرما از آن خارج شود. برای رسیدن به این هدف، پیل سوختی شامل یک مدار آب جداگانه است و باتری به صفحات خنک کننده مخصوص مجهز شده است.

پردازنده سوخت گاز طبیعی را به هیدروژن مورد نیاز برای یک واکنش الکتروشیمیایی تبدیل می کند. این فرآیند اصلاح نامیده می شود. عنصر اصلی پردازنده سوخت ریفرمر است. در ریفرمر، گاز طبیعی (یا سایر سوخت های حاوی هیدروژن) با بخار آب در دمای بالا (900 درجه سانتیگراد) و فشار بالا در حضور کاتالیزور نیکل واکنش می دهد. در این حالت، واکنش های شیمیایی زیر رخ می دهد:

CH 4 (متان) + H 2 O 3H 2 + CO

(واکنش گرماگیر است، با جذب گرما)؛

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(واکنش گرمازا است و گرما آزاد می کند).

واکنش کلی با معادله بیان می شود:

CH 4 (متان) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(واکنش گرماگیر، با جذب گرما است).

برای تأمین دمای بالای مورد نیاز برای تبدیل گاز طبیعی، بخشی از سوخت مصرف‌شده از پشته پیل سوختی به مشعل هدایت می‌شود که دمای اصلاح‌کننده مورد نیاز را حفظ می‌کند.

بخار مورد نیاز برای اصلاح از میعانات تولید شده در طول عملیات پیل سوختی تولید می شود. این از گرمای خارج شده از باتری سلول های سوختی استفاده می کند (شکل 12).

پشته پیل سوختی یک جریان مستقیم متناوب تولید می کند که ولتاژ پایین و جریان بالا است. برای تبدیل آن به جریان AC استاندارد صنعتی از مبدل ولتاژ استفاده می شود. علاوه بر این، واحد مبدل ولتاژ شامل دستگاه های کنترلی مختلف و مدارهای اینترلاک ایمنی است که امکان خاموش شدن پیل سوختی را در صورت خرابی های مختلف فراهم می کند.

در چنین پیل سوختی تقریباً 40 درصد انرژی سوخت را می توان به انرژی الکتریکی تبدیل کرد. تقریباً همین مقدار یعنی حدود 40 درصد انرژی سوخت را می توان به انرژی تبدیل کرد که سپس به عنوان منبع گرمایی برای گرمایش، تأمین آب گرم و موارد مشابه استفاده می شود. بنابراین، بازده کلی چنین نصبی می تواند به 80٪ برسد.

مزیت مهم چنین منبع تامین گرما و برق، امکان آن است عملکرد خودکار. برای تعمیر و نگهداری، صاحبان تاسیساتی که سلول سوختی در آن نصب شده است نیازی به نگهداری پرسنل آموزش دیده خاص ندارند - تعمیر و نگهداری دوره ای می تواند توسط کارکنان سازمان عامل انجام شود.

انواع پیل سوختی

در حال حاضر، چندین نوع پیل سوختی شناخته شده است که در ترکیب الکترولیت مورد استفاده متفاوت است. چهار نوع زیر رایج ترین هستند (جدول 2):

1. سلول های سوختی با غشای مبادله پروتون (پول های سوختی غشایی تبادل پروتون، PEMFC).

2. پیل های سوختی بر پایه اسید اورتوفسفریک (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. سلول های سوختی بر اساس کربنات مذاب (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. پیل های سوختی اکسید جامد (SOFC). در حال حاضر، بزرگترین ناوگان پیل سوختی بر اساس فناوری PAFC است.

یکی از ویژگی های کلیدی انواع مختلف پیل سوختی دمای کارکرد است. از بسیاری جهات، این دما است که منطقه کاربرد پیل های سوختی را تعیین می کند. برای مثال، دمای بالا برای لپ‌تاپ‌ها حیاتی است، بنابراین سلول‌های سوختی غشایی مبادله پروتون با دمای عملیاتی پایین برای این بخش از بازار توسعه می‌یابند.

برای تامین برق خودران ساختمان ها به پیل های سوختی با توان نصب شده بالا نیاز است و در عین حال امکان استفاده از انرژی حرارتی نیز وجود دارد، بنابراین می توان از انواع دیگر پیل های سوختی برای این منظور استفاده کرد.

سلول های سوختی غشای تبادل پروتون (PEMFC)

این پیل های سوختی در دمای عملیاتی نسبتاً پایین (60-160 درجه سانتیگراد) کار می کنند. آنها چگالی توان بالایی دارند، به شما امکان می دهند به سرعت توان خروجی را تنظیم کنید و به سرعت روشن می شوند. نقطه ضعف این نوع عنصر، الزامات بالای کیفیت سوخت است، زیرا سوخت آلوده می تواند به غشاء آسیب برساند. توان نامی این نوع پیل های سوختی 100-1 کیلو وات می باشد.

سلول های سوختی غشای تبادل پروتون در ابتدا توسط جنرال الکتریک در دهه 1960 برای ناسا توسعه یافت. این نوع پیل سوختی از یک الکترولیت پلیمری حالت جامد به نام غشای تبادل پروتون (PEM) استفاده می کند. پروتون ها می توانند از طریق غشای تبادل پروتون حرکت کنند، اما الکترون ها نمی توانند از آن عبور کنند و در نتیجه اختلاف پتانسیل بین کاتد و آند ایجاد می شود. به دلیل سادگی و قابلیت اطمینان، چنین پیل های سوختی به عنوان منبع انرژی در فضاپیمای جمینی سرنشین دار استفاده شد.

این نوع پیل سوختی به عنوان منبع انرژی برای طیف گسترده ای از دستگاه های مختلف، از جمله نمونه های اولیه و نمونه های اولیه، از تلفن های همراه گرفته تا اتوبوس ها و سیستم های برق ثابت استفاده می شود. دمای کار پایین اجازه می دهد تا از چنین سلول هایی برای تامین انرژی انواع مختلف دستگاه های الکترونیکی پیچیده استفاده شود. استفاده از آنها به عنوان منبع تامین گرما و برق برای ساختمان های عمومی و صنعتی، که در آن به حجم زیادی از انرژی حرارتی نیاز است، کمتر موثر است. در عین حال، چنین عناصری به عنوان منبع تغذیه مستقل برای ساختمان های مسکونی کوچک مانند کلبه هایی که در مناطق با آب و هوای گرم ساخته شده اند، امیدوار کننده هستند.

سلول های سوختی اسید فسفریک (PAFC)

آزمایشات پیل های سوختی از این نوع قبلاً در اوایل دهه 1970 انجام شد. محدوده دمای عملیاتی - 150-200 درجه سانتیگراد. حوزه اصلی کاربرد، منابع خودمختار تامین گرما و برق با توان متوسط ​​(حدود 200 کیلو وات) است.

این پیل های سوختی از محلول اسید فسفریک به عنوان الکترولیت استفاده می کنند. الکترودها از کاغذ پوشش داده شده با کربن ساخته شده اند که در آن یک کاتالیزور پلاتین پراکنده شده است.

راندمان الکتریکی پیل های سوختی PAFC 37-42٪ است. با این حال، از آنجایی که این پیل های سوختی در دمای نسبتاً بالایی کار می کنند، می توان از بخار تولید شده در نتیجه کار استفاده کرد. در این مورد، بازده کلی می تواند به 80٪ برسد.

برای تولید انرژی، مواد اولیه حاوی هیدروژن باید از طریق فرآیند اصلاح به هیدروژن خالص تبدیل شود. به عنوان مثال، اگر از بنزین به عنوان سوخت استفاده می شود، حذف ترکیبات حاوی گوگرد ضروری است، زیرا گوگرد می تواند به کاتالیزور پلاتین آسیب برساند.

پیل‌های سوختی PAFC اولین پیل‌های سوختی تجاری بودند که به لحاظ اقتصادی مورد استفاده قرار گرفتند. رایج ترین مدل، پیل سوختی PC25 200 کیلوواتی بود که توسط شرکت ONSI (در حال حاضر United Technologies، Inc.) ساخته شده بود (شکل 13). به عنوان مثال، این عناصر به عنوان منبع انرژی حرارتی و الکتریکی در ایستگاه پلیس در پارک مرکزی نیویورک یا به عنوان منبع انرژی اضافی در ساختمان Conde Nast و میدان چهار تایمز استفاده می شود. بیشترین نصب بزرگاین نوع به عنوان نیروگاه 11 مگاواتی واقع در ژاپن در حال آزمایش است.

پیل های سوختی اسید فسفریک نیز به عنوان منبع انرژی در وسایل نقلیه استفاده می شود. به عنوان مثال، در سال 1994، شرکت H-Power، دانشگاه جورج تاون و وزارت انرژی ایالات متحده اتوبوسی را با یک نیروگاه 50 کیلوواتی مجهز کردند.

سلول های سوختی کربنات مذاب (MCFC)

پیل های سوختی از این نوع در دمای بسیار بالا - 600-700 درجه سانتیگراد کار می کنند. این دماهای عملیاتی به سوخت اجازه می دهد تا مستقیماً در خود سلول بدون استفاده از اصلاح کننده جداگانه استفاده شود. این فرآیند «اصلاحات داخلی» نامیده شد. این امکان را فراهم می کند تا طراحی پیل سوختی را به طور قابل توجهی ساده کنید.

پیل های سوختی مبتنی بر کربنات مذاب به زمان راه اندازی قابل توجهی نیاز دارند و اجازه تنظیم سریع توان خروجی را نمی دهند، بنابراین حوزه اصلی کاربرد آنها منابع ثابت بزرگ انرژی حرارتی و الکتریکی است. با این حال، آنها با راندمان تبدیل سوخت بالا مشخص می شوند - 60٪ راندمان الکتریکی و تا 85٪ راندمان کلی.

در این نوع پیل سوختی، الکترولیت متشکل از کربنات پتاسیم و نمک های کربنات لیتیوم است که تا دمای تقریبی 650 درجه سانتیگراد گرم شده اند. در این شرایط، نمک ها در حالت مذاب هستند و یک الکترولیت تشکیل می دهند. در آند، هیدروژن با یون های CO 3 واکنش می دهد و آب، دی اکسید کربن و الکترون آزاد می کند که به مدار خارجی فرستاده می شود و در کاتد، اکسیژن با دی اکسید کربن و الکترون های مدار خارجی برهمکنش می کند و دوباره یون CO 3 را تشکیل می دهد. .

نمونه های آزمایشگاهی پیل های سوختی از این نوع در اواخر دهه 1950 توسط دانشمندان هلندی G. H. J. Broers و J. A. A. Ketelaar ایجاد شد. در دهه 1960، مهندس فرانسیس تی بیکن، از نوادگان نویسنده و دانشمند مشهور انگلیسی قرن هفدهم، با این سلول ها کار می کرد، به همین دلیل است که سلول های سوختی MCFC گاهی اوقات سلول های بیکن نامیده می شوند. در برنامه های آپولو، آپولو-سایوز و اسکیلاب ناسا، از این پیل های سوختی به عنوان منبع تامین انرژی استفاده می شد (شکل 14). در همین سال‌ها، وزارت ارتش ایالات متحده چندین نمونه از سلول‌های سوختی MCFC تولید شده توسط Texas Instruments را آزمایش کرد که از بنزین درجه نظامی به عنوان سوخت استفاده می‌کرد. در اواسط دهه 1970، وزارت انرژی ایالات متحده تحقیقاتی را برای ایجاد یک پیل سوختی ثابت بر اساس کربنات مذاب، مناسب برای کاربرد عملی. در دهه 1990، تعدادی از تاسیسات تجاری با توان نامی تا 250 کیلووات معرفی شد، به عنوان مثال در ایستگاه هوایی نیروی دریایی ایالات متحده Miramar در کالیفرنیا. در سال 1996، FuelCell Energy، Inc. یک نیروگاه پیش تولید 2 مگاواتی در سانتا کلارا، کالیفرنیا راه اندازی کرد.

سلول های سوختی اکسید حالت جامد (SOFC)

پیل های سوختی اکسید حالت جامد از نظر طراحی ساده هستند و در دماهای بسیار بالا - 700-1000 درجه سانتیگراد - کار می کنند. چنین دمای بالایی امکان استفاده از سوخت نسبتاً "کثیف" تصفیه نشده را فراهم می کند. همان ویژگی‌های پیل‌های سوختی مبتنی بر کربنات مذاب، زمینه کاربرد مشابهی را تعیین می‌کند - منابع ثابت بزرگ انرژی حرارتی و الکتریکی.

سلول های سوختی اکسید جامد از نظر ساختاری با پیل های سوختی مبتنی بر فناوری های PAFC و MCFC متفاوت هستند. آند، کاتد و الکترولیت از درجات خاصی از سرامیک ساخته شده اند. متداول ترین الکترولیت مورد استفاده مخلوطی از اکسید زیرکونیوم و اکسید کلسیم است، اما می توان از اکسیدهای دیگر نیز استفاده کرد. الکترولیت یک شبکه کریستالی را تشکیل می دهد که در هر دو طرف با مواد الکترود متخلخل پوشیده شده است. از نظر ساختاری، چنین عناصری به شکل لوله یا تخته های مسطح ساخته می شوند که امکان استفاده از فناوری های پرکاربرد در صنعت الکترونیک را در تولید آنها ممکن می سازد. در نتیجه، پیل‌های سوختی اکسید حالت جامد می‌توانند در دماهای بسیار بالا کار کنند و برای تولید انرژی الکتریکی و حرارتی مفید باشند.

در دمای عملیاتی بالا، یون‌های اکسیژن در کاتد تشکیل می‌شوند که از طریق شبکه کریستالی به آند مهاجرت می‌کنند، جایی که با یون‌های هیدروژن برهمکنش می‌کنند و آب را تشکیل می‌دهند و الکترون‌های آزاد آزاد می‌کنند. در این حالت، هیدروژن مستقیماً در سلول از گاز طبیعی جدا می شود، یعنی نیازی به اصلاح کننده جداگانه نیست.

پایه های نظری برای ایجاد سلول های سوختی اکسید حالت جامد در اواخر دهه 1930، زمانی که دانشمندان سوئیسی امیل بائر و اچ. پریس با زیرکونیوم، ایتریم، سریم، لانتانیم و تنگستن آزمایش کردند و از آنها به عنوان الکترولیت استفاده کردند، پایه گذاری شد.

اولین نمونه های اولیه از چنین پیل های سوختی در اواخر دهه 1950 توسط تعدادی از شرکت های آمریکایی و هلندی ساخته شد. بسیاری از این شرکت ها به زودی تحقیقات بیشتر را به دلیل مشکلات تکنولوژیک رها کردند، اما یکی از آنها، Westinghouse Electric Corp. (در حال حاضر شرکت برق زیمنس وستینگهاوس)، کار را ادامه داد. این شرکت در حال حاضر پیش‌سفارش‌هایی را برای یک مدل تجاری از پیل سوختی اکسید حالت جامد لوله‌ای می‌پذیرد که انتظار می‌رود امسال در دسترس قرار گیرد (شکل 15). بخش بازار چنین عناصری است تاسیسات ثابتبرای تولید انرژی حرارتی و الکتریکی با ظرفیت 250 کیلووات تا 5 مگاوات.

پیل های سوختی SOFC قابلیت اطمینان بسیار بالایی را نشان داده اند. به عنوان مثال، نمونه اولیه پیل سوختی تولید شده توسط زیمنس وستینگهاوس به 16600 ساعت کارکرده و همچنان به کار خود ادامه می دهد و آن را به طولانی ترین عمر پیل سوختی پیوسته در جهان تبدیل می کند.

حالت عملکرد پرفشار و دمای بالا پیل‌های سوختی SOFC امکان ایجاد نیروگاه‌های هیبریدی را فراهم می‌کند که در آن انتشار سلول‌های سوختی توربین‌های گازی را که برای تولید نیروی الکتریکی استفاده می‌شوند، هدایت می‌کند. اولین تاسیسات هیبریدی از این دست در ایروین، کالیفرنیا در حال کار است. توان نامی این تاسیسات 220 کیلووات است که 200 کیلووات آن از پیل سوختی و 20 کیلووات از ژنراتور میکروتوربین می باشد.