เซลล์เชื้อเพลิง. ค่อนข้างเป็นทางเลือกที่แท้จริงสำหรับโรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่มีอยู่

จากมุมมองของพลังงาน "สีเขียว" เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนมีประสิทธิภาพสูงมาก - 60% สำหรับการเปรียบเทียบ: ประสิทธิภาพที่ดีที่สุดเครื่องยนต์สันดาปภายใน 35-40% สำหรับโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ค่าสัมประสิทธิ์เป็นเพียง 15-20% แต่ขึ้นอยู่กับ สภาพอากาศ... ประสิทธิภาพของกังหันลมใบพัดที่ดีที่สุดถึง 40% ซึ่งเทียบได้กับเครื่องกำเนิดไอน้ำ แต่กังหันลมยังต้องการสภาพอากาศที่เหมาะสมและการบำรุงรักษาที่มีราคาแพง

ดังที่เราเห็น ตามพารามิเตอร์นี้ พลังงานไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงานที่น่าดึงดูดที่สุด แต่ก็ยังมีปัญหาอีกมากที่ขัดขวางการใช้งานจำนวนมาก ที่สำคัญที่สุดคือกระบวนการผลิตไฮโดรเจน

ปัญหาการขุด

พลังงานไฮโดรเจนเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมแต่ไม่ใช่พลังงานอิสระ เซลล์เชื้อเพลิงต้องการไฮโดรเจน ซึ่งไม่พบในรูปแบบบริสุทธิ์บนโลก จำเป็นต้องได้รับไฮโดรเจน แต่วิธีการที่มีอยู่ทั้งหมดในปัจจุบันมีราคาแพงมากหรือไม่ได้ผล

วิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดจากมุมมองของปริมาตรของไฮโดรเจนที่ผลิตต่อหน่วยพลังงานที่ใช้ไปคือวิธีการปฏิรูปไอน้ำของก๊าซธรรมชาติ มีเทนรวมกับไอน้ำที่ความดัน 2 MPa (ประมาณ 19 บรรยากาศ นั่นคือ ความดันที่ความลึกประมาณ 190 ม.) และอุณหภูมิประมาณ 800 องศา ส่งผลให้ก๊าซแปลงสภาพที่มีปริมาณไฮโดรเจน 55-75% การปฏิรูประบบไอน้ำจำเป็นต้องมีการติดตั้งขนาดใหญ่ที่สามารถใช้ได้ในการผลิตเท่านั้น

เตาหลอมแบบท่อสำหรับปฏิรูปไอน้ำของมีเทนไม่ใช่วิธีการผลิตไฮโดรเจนตามหลักสรีรศาสตร์มากที่สุด ที่มา: CTK-Euro

วิธีที่สะดวกและง่ายกว่าคืออิเล็กโทรไลซิสในน้ำ เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านน้ำที่บำบัด จะเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีหลายชุด ซึ่งเป็นผลมาจากการเกิดไฮโดรเจน ข้อเสียเปรียบที่สำคัญของวิธีนี้คือการใช้พลังงานสูงที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยา นั่นคือสถานการณ์ที่ค่อนข้างแปลก: เพื่อให้ได้พลังงานไฮโดรเจนเราต้องการ ... พลังงาน เพื่อหลีกเลี่ยงค่าใช้จ่ายที่ไม่จำเป็นที่เกิดขึ้นระหว่างกระแสไฟฟ้าและเพื่ออนุรักษ์ทรัพยากรอันมีค่า บางบริษัทจึงมุ่งมั่นที่จะพัฒนาระบบไฟฟ้า-ไฮโดรเจน-ไฟฟ้าที่สมบูรณ์ ซึ่งสามารถผลิตพลังงานได้โดยไม่ต้องชาร์จจากภายนอก ตัวอย่างของระบบดังกล่าวคือการพัฒนา Toshiba H2One

โตชิบา H2One โมบายเพาเวอร์สเตชั่น

เราได้พัฒนาโรงไฟฟ้าขนาดเล็กเคลื่อนที่ H2One ที่แปลงน้ำเป็นไฮโดรเจนและไฮโดรเจนเป็นพลังงาน เพื่อรักษาอิเล็กโทรไลซิส จะใช้แผงโซลาร์เซลล์และพลังงานส่วนเกินจะสะสมในแบตเตอรี่และทำให้มั่นใจถึงการทำงานของระบบในกรณีที่ไม่มีแสงแดด ไฮโดรเจนที่ได้จะถูกป้อนโดยตรงไปยังเซลล์เชื้อเพลิง หรือส่งไปยังที่เก็บในถังในตัว อิเล็กโทรไลเซอร์ H2One สร้างไฮโดรเจนได้สูงถึง 2 ม. 3 ต่อชั่วโมง และที่ทางออกให้พลังงานสูงถึง 55 กิโลวัตต์ สำหรับการผลิตไฮโดรเจน 1 ม. 3 สถานีต้องการน้ำมากถึง 2.5 ม. 3

จนถึงตอนนี้ สถานี H2One ไม่สามารถจ่ายไฟฟ้าให้กับองค์กรขนาดใหญ่หรือทั้งเมืองได้ แต่พลังงานของสถานีจะเพียงพอสำหรับการทำงานของเขตหรือองค์กรขนาดเล็ก เนื่องจากความคล่องตัว จึงสามารถใช้เป็นวิธีแก้ปัญหาชั่วคราวในกรณีที่เกิดภัยธรรมชาติหรือไฟฟ้าดับฉุกเฉิน ยิ่งกว่านั้นไม่เหมือน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลซึ่งต้องใช้เชื้อเพลิงเพื่อให้ทำงานได้อย่างเหมาะสม โรงไฟฟ้าไฮโดรเจนต้องการเพียงน้ำเท่านั้น

ปัจจุบัน Toshiba H2One ใช้งานในเมืองเพียงไม่กี่แห่งในญี่ปุ่น เช่น จ่ายไฟฟ้าและน้ำร้อนให้กับสถานีรถไฟในเมืองคาวาซากิ

ติดตั้งระบบ H2One ในเมืองคาวาซากิ

ไฮโดรเจนในอนาคต

ปัจจุบันเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนให้พลังงานแก่ธนาคารพลังงานแบบพกพา รถประจำทางในเมืองพร้อมรถยนต์ และการขนส่งทางรถไฟ (เราจะพูดถึงการใช้ไฮโดรเจนในอุตสาหกรรมยานยนต์เพิ่มเติมในบทความหน้า)เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเกิดขึ้นอย่างกะทันหัน ทางออกที่ดีสำหรับ quadcopters - ที่มีมวลเท่ากันกับแบตเตอรี่ ไฮโดรเจนสำรองให้เวลาบินนานขึ้นถึงห้าเท่า ในเวลาเดียวกันน้ำค้างแข็งไม่ส่งผลต่อประสิทธิภาพ แต่อย่างใด โดรนเซลล์เชื้อเพลิงทดลองที่ผลิตโดยบริษัท AT Energy ของรัสเซีย ถูกใช้เพื่อถ่ายทำที่การแข่งขันกีฬาโอลิมปิกที่โซซี

เป็นที่ทราบกันดีว่าที่การแข่งขันกีฬาโอลิมปิกที่โตเกียวที่กำลังจะมีขึ้นที่โตเกียว ไฮโดรเจนจะถูกนำมาใช้ในรถยนต์ ในการผลิตไฟฟ้าและความร้อน และจะกลายเป็นแหล่งพลังงานหลักสำหรับหมู่บ้านโอลิมปิกด้วย สำหรับสิ่งนี้ ตามคำสั่งของ Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. ในเมืองนามิเอะของญี่ปุ่น โรงงานผลิตไฮโดรเจนที่ใหญ่ที่สุดแห่งหนึ่งของโลกกำลังอยู่ในระหว่างการก่อสร้าง สถานีจะใช้พลังงานมากถึง 10 เมกะวัตต์จากแหล่งสีเขียว ซึ่งสร้างไฮโดรเจนได้มากถึง 900 ตันต่อปีโดยอิเล็กโทรลิซิส

พลังงานไฮโดรเจนเป็น "พลังงานสำรองสำหรับอนาคต" ของเรา เมื่อเชื้อเพลิงฟอสซิลจะต้องถูกทิ้งร้างโดยสิ้นเชิง และแหล่งพลังงานหมุนเวียนจะไม่สามารถตอบสนองความต้องการของมนุษยชาติได้ ตามการคาดการณ์ของ Markets & Markets ปริมาณการผลิตไฮโดรเจนทั่วโลกซึ่งขณะนี้อยู่ที่ 115 พันล้านดอลลาร์จะเติบโตเป็น 154 พันล้านดอลลาร์ในปี 2565 แต่ในอนาคตอันใกล้นี้ไม่น่าจะมีการเปิดตัวเทคโนโลยีจำนวนมาก ยังคงจำเป็นต้องแก้ปัญหาจำนวนหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับการผลิตและการดำเนินงานของโรงไฟฟ้าพิเศษเพื่อลดต้นทุน ... เมื่ออุปสรรคทางเทคโนโลยีถูกขจัด พลังงานไฮโดรเจนจะไปถึงระดับใหม่และอาจแพร่หลายพอๆ กับพลังงานแบบดั้งเดิมหรือพลังน้ำในปัจจุบัน

วี เมื่อเร็ว ๆ นี้หัวข้อของเซลล์เชื้อเพลิงอยู่ที่ริมฝีปากของทุกคน และไม่น่าแปลกใจที่มีการถือกำเนิดของเทคโนโลยีนี้ในโลกของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ จึงได้ค้นพบการเกิดใหม่ ผู้นำระดับโลกในด้านไมโครอิเล็กทรอนิกส์กำลังแข่งขันกันเพื่อนำเสนอผลิตภัณฑ์ต้นแบบในอนาคต ซึ่งจะรวมโรงไฟฟ้าขนาดเล็กของตนเองเข้าไว้ด้วยกัน ในแง่หนึ่งสิ่งนี้จะทำให้การผูกมัดของอุปกรณ์มือถือกับ "เต้ารับ" อ่อนลงและในทางกลับกันช่วยยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่

นอกจากนี้บางส่วนของพวกเขาทำงานบนพื้นฐานของเอทานอลดังนั้นการพัฒนาเทคโนโลยีเหล่านี้จึงเป็นประโยชน์โดยตรงต่อผู้ผลิตเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ - หลังจากสิบปีที่ผ่านมา "ผู้เชี่ยวชาญด้านไอที" จะเข้าแถวที่โรงกลั่นเพื่อรับต่อไป "ปริมาณ" สำหรับแล็ปท็อปของพวกเขา

เราไม่สามารถอยู่ห่างจาก "ไข้" ของเซลล์เชื้อเพลิงที่กวาดอุตสาหกรรมไฮเทคได้และจะพยายามค้นหาว่าเทคโนโลยีนี้เป็นสัตว์ชนิดใดพร้อมกับจะกินอะไรเมื่อเราคาดหวังว่าจะมาถึง " จัดเลี้ยงสาธารณะ". ในบทความนี้ เราจะมาดูเส้นทางที่เซลล์เชื้อเพลิงได้เดินทางมาจากการค้นพบเทคโนโลยีนี้จนถึงปัจจุบัน เราจะพยายามประเมินแนวโน้มของการนำไปปฏิบัติและการพัฒนาในอนาคต

เป็นยังไงบ้าง

เป็นครั้งแรกที่ Christian Friedrich Schonbein อธิบายหลักการของเซลล์เชื้อเพลิงในปี 1838 และอีกหนึ่งปีต่อมา Philosophical Journal ได้ตีพิมพ์บทความของเขาในหัวข้อนี้ อย่างไรก็ตาม นี่เป็นเพียงการศึกษาเชิงทฤษฎีเท่านั้น เซลล์เชื้อเพลิงปฏิบัติการครั้งแรกได้รับการปล่อยตัวในปี พ.ศ. 2386 ในห้องปฏิบัติการของนักวิทยาศาสตร์ชาวเวลส์ เซอร์วิลเลียม โรเบิร์ต โกรฟ เมื่อสร้างมันขึ้นมา ผู้ประดิษฐ์ใช้วัสดุที่คล้ายกับที่ใช้ในแบตเตอรี่กรดฟอสฟอริกสมัยใหม่ ต่อจากนั้น เซลล์เชื้อเพลิงของ Sir Grove ได้รับการปรับปรุงโดย W. Thomas Grub ในปี 1955 นักเคมีคนนี้ซึ่งทำงานให้กับบริษัท General Electric ในตำนาน ใช้เมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออนโพลีสไตรีนที่มีซัลโฟเนตเป็นอิเล็กโทรไลต์ในเซลล์เชื้อเพลิง เพียงสามปีต่อมา เพื่อนร่วมงานของเขา Leonard Niedrach ได้เสนอเทคโนโลยีสำหรับการวางแพลตตินัมบนเมมเบรน ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการไฮโดรเจนออกซิเดชันและการดูดซับออกซิเจน

"บิดา" ของเซลล์เชื้อเพลิง Christian Schönbein

หลักการเหล่านี้เป็นพื้นฐานสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงรุ่นใหม่ โดยตั้งชื่อตามองค์ประกอบ "Grubb-Nidrakh" ของผู้สร้าง เจเนอรัล อิเล็กทริก พัฒนาอย่างต่อเนื่องในทิศทางนี้ ซึ่งเซลล์เชื้อเพลิงเชิงพาณิชย์แห่งแรกถูกสร้างขึ้นโดยได้รับความช่วยเหลือจาก NASA และ McDonnell Aircraft ยักษ์ใหญ่ด้านการบิน เทคโนโลยีใหม่ได้รับความสนใจจากต่างประเทศ และในปี 1959 ชาวอังกฤษ ฟรานซิส โธมัส เบคอน ได้เปิดตัวเซลล์เชื้อเพลิงแบบอยู่กับที่ขนาด 5 กิโลวัตต์ การพัฒนาที่ได้รับการจดสิทธิบัตรของเขาได้รับอนุญาตในภายหลังจากชาวอเมริกันและใช้ในยานอวกาศของ NASA สำหรับการจ่ายไฟและการจ่ายน้ำดื่ม ในปีเดียวกันนั้น American Harry Ihrig ได้สร้างรถแทรกเตอร์เซลล์เชื้อเพลิงขึ้นเป็นครั้งแรก (กำลังรวม 15 กิโลวัตต์) โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ถูกใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ในแบตเตอรี่ และไฮโดรเจนที่ถูกบีบอัดและออกซิเจนถูกใช้เป็นรีเอเจนต์

นับเป็นครั้งแรกที่ UTC Power ซึ่งนำเสนอระบบจ่ายไฟสำรองสำหรับโรงพยาบาล มหาวิทยาลัย และศูนย์ธุรกิจ ได้นำการผลิตเซลล์เชื้อเพลิงแบบอยู่กับที่เพื่อการค้าไปสู่สตรีม บริษัทนี้ซึ่งเป็นผู้นำระดับโลกในด้านนี้ ยังคงผลิตโซลูชันที่คล้ายกันซึ่งมีกำลังการผลิตสูงถึง 200 กิโลวัตต์ และยังเป็นผู้จัดหาเซลล์เชื้อเพลิงหลักให้กับ NASA ผลิตภัณฑ์ของบริษัทถูกใช้อย่างแพร่หลายในระหว่างโครงการอวกาศอพอลโล และยังคงเป็นที่ต้องการของโครงการกระสวยอวกาศ UTC Power ยังมีเซลล์เชื้อเพลิง "สำหรับผู้บริโภค" ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในรถยนต์ เธอเป็นคนแรกที่สร้างเซลล์เชื้อเพลิงที่ทำให้สามารถรับกระแสได้ที่ อุณหภูมิติดลบเนื่องจากการใช้เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน

มันทำงานอย่างไร

นักวิจัยได้ทดลองกับสารต่างๆ เป็นตัวทำปฏิกิริยา อย่างไรก็ตาม หลักการพื้นฐานของการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง แม้จะมีลักษณะการทำงานที่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง เซลล์เชื้อเพลิงใด ๆ เป็นอุปกรณ์แปลงพลังงานไฟฟ้าเคมี มันสร้างกระแสไฟฟ้าจากเชื้อเพลิงจำนวนหนึ่ง (จากด้านแอโนด) และตัวออกซิไดเซอร์ (จากด้านแคโทด) ปฏิกิริยาเกิดขึ้นต่อหน้าอิเล็กโทรไลต์ (สารที่มีไอออนอิสระและทำตัวเหมือนตัวกลางที่นำไฟฟ้า) โดยหลักการแล้ว ในอุปกรณ์ดังกล่าวจะมีสารรีเอเจนต์บางชนิดเข้ามาและผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยา ซึ่งจะถูกลบออกหลังจากทำปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี อิเล็กโทรไลต์ในกรณีนี้ทำหน้าที่เป็นตัวกลางสำหรับปฏิกิริยาของรีเอเจนต์เท่านั้นและไม่เปลี่ยนแปลงในเซลล์เชื้อเพลิง ตามรูปแบบดังกล่าว เซลล์เชื้อเพลิงในอุดมคติควรทำงานตราบเท่าที่มีสารที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยา

เซลล์เชื้อเพลิงไม่ควรสับสนกับแบตเตอรี่ทั่วไป ในกรณีแรก "เชื้อเพลิง" บางส่วนถูกใช้เพื่อการผลิตไฟฟ้าซึ่งจะต้องเติมเชื้อเพลิงในภายหลัง ในกรณีของเซลล์กัลวานิก ไฟฟ้าจะถูกเก็บไว้ในระบบเคมีปิด ในกรณีของแบตเตอรี่ การใช้กระแสไฟจะทำให้ปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีย้อนกลับเกิดขึ้นและทำให้รีเอเจนต์กลับสู่สถานะเดิม (เช่น ชาร์จ) เป็นไปได้ ชุดค่าผสมต่างๆเชื้อเพลิงและตัวออกซิไดเซอร์ ตัวอย่างเช่น เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจน (ออกซิไดเซอร์) เป็นสารตั้งต้น ไฮโดรคาร์บอเนตและแอลกอฮอล์มักใช้เป็นเชื้อเพลิง ในขณะที่อากาศ คลอรีน และคลอรีนไดออกไซด์ทำหน้าที่เป็นสารออกซิแดนท์

ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาในเซลล์เชื้อเพลิงทำให้อิเล็กตรอนและโปรตอนหลุดออกจากเชื้อเพลิง และอิเล็กตรอนเคลื่อนที่จะสร้างกระแสไฟฟ้า ตัวเร่งปฏิกิริยามักใช้การเร่งปฏิกิริยา แพลตตินัมหรือโลหะผสมในเซลล์เชื้อเพลิง กระบวนการเร่งปฏิกิริยาอื่นจะส่งกลับอิเล็กตรอนโดยการรวมเข้ากับโปรตอนและตัวออกซิไดซ์เพื่อสร้างผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยา (การปล่อยมลพิษ) โดยปกติ การปล่อยเหล่านี้เป็นสารธรรมดา: น้ำและคาร์บอนไดออกไซด์

ในเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนทั่วไป (PEMFC) เมมเบรนถ่ายโอนโปรตอนโพลีเมอร์จะแยกด้านแอโนดและแคโทด จากด้านแคโทด ไฮโดรเจนจะกระจายไปยังตัวเร่งปฏิกิริยาแอโนด โดยที่อิเล็กตรอนและโปรตอนจะถูกปลดปล่อยออกมาในเวลาต่อมา จากนั้นโปรตอนจะเดินทางผ่านเมมเบรนไปยังแคโทด และอิเล็กตรอนที่ไม่สามารถตามโปรตอน (เมมเบรนเป็นฉนวนไฟฟ้า) จะถูกส่งต่อ ภาระภายนอก(ระบบจ่ายไฟ). ที่ด้านข้างของตัวเร่งปฏิกิริยาแคโทด ออกซิเจนทำปฏิกิริยากับโปรตอนที่ผ่านเมมเบรนและอิเล็กตรอนที่ผ่านวงจรโหลดภายนอก ปฏิกิริยานี้ทำให้เกิดน้ำ (ในรูปของไอหรือของเหลว) ตัวอย่างเช่น ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาในเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอน (เมทานอล ดีเซล) คือน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์

เซลล์เชื้อเพลิงแทบทุกประเภทได้รับผลกระทบจากการสูญเสียไฟฟ้าที่เกิดจากความต้านทานตามธรรมชาติของหน้าสัมผัสและองค์ประกอบของเซลล์เชื้อเพลิง และจากแรงดันไฟฟ้าเกิน (พลังงานเพิ่มเติมที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาเริ่มต้น) ในหลายกรณี ไม่สามารถหลีกเลี่ยงการสูญเสียเหล่านี้ได้อย่างสมบูรณ์และบางครั้ง "เกมไม่คุ้มกับแท่งเทียน" แต่ส่วนใหญ่มักจะลดลงเป็นค่าต่ำสุดที่ยอมรับได้ วิธีแก้ปัญหานี้คือการใช้ชุดอุปกรณ์เหล่านี้ ซึ่งเซลล์เชื้อเพลิงสามารถเชื่อมต่อแบบขนาน (กระแสไฟที่สูงกว่า) หรือแบบอนุกรม (แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า) ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดสำหรับระบบจ่ายไฟ

ประเภทเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงมีหลายประเภท แต่เราจะพยายามพูดถึงเซลล์เชื้อเพลิงที่พบบ่อยที่สุดโดยสังเขป

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ (AFC)

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์หรืออัลคาไลน์ หรือที่เรียกว่าเซลล์เบคอนตาม "บิดา" ของอังกฤษ เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงที่ได้รับการพัฒนามาอย่างดีที่สุด อุปกรณ์เหล่านี้ช่วยให้มนุษย์เหยียบดวงจันทร์ได้ โดยทั่วไป NASA ใช้เซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้ตั้งแต่กลางทศวรรษที่ 60 ของศตวรรษที่ผ่านมา AFCs ใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนบริสุทธิ์ในการผลิต น้ำดื่ม,ความร้อนและไฟฟ้า. ส่วนใหญ่เนื่องจากเทคโนโลยีนี้ได้รับการพัฒนาอย่างสมบูรณ์ มีหนึ่งในตัวชี้วัดประสิทธิภาพสูงสุดในบรรดาระบบที่คล้ายคลึงกัน (ศักยภาพประมาณ 70%)

อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้ก็มีข้อเสียเช่นกัน เนื่องจากความจำเพาะของการใช้สารอัลคาไลน์เหลวเป็นอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ปิดกั้นคาร์บอนไดออกไซด์ จึงเป็นไปได้ที่โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (หนึ่งในตัวเลือกสำหรับอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้) จะทำปฏิกิริยากับส่วนประกอบของอากาศธรรมดานี้ ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดสารประกอบโพแทสเซียมคาร์บอเนตที่เป็นพิษ เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ จำเป็นต้องใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์หรือฟอกอากาศจากคาร์บอนไดออกไซด์ ย่อมส่งผลต่อต้นทุน อุปกรณ์ที่คล้ายกัน... อย่างไรก็ตาม ถึงกระนั้น AFC ก็ถูกที่สุดในการผลิตเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอยู่ในปัจจุบัน

เซลล์เชื้อเพลิงโบโรไฮไดรด์โดยตรง (DBFC)

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ชนิดย่อยนี้ใช้โซเดียมโบโรไฮไดรด์เป็นเชื้อเพลิง อย่างไรก็ตาม ต่างจาก AFCs ทั่วไปสำหรับไฮโดรเจน เทคโนโลยีนี้มีข้อได้เปรียบที่สำคัญอย่างหนึ่ง นั่นคือ ไม่มีความเสี่ยงในการผลิตสารประกอบที่เป็นพิษหลังจากสัมผัสกับคาร์บอนไดออกไซด์ อย่างไรก็ตาม ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาของมันคือสารบอแรกซ์ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายใน ผงซักฟอกและสบู่ บอแรกซ์ค่อนข้างปลอดสารพิษ

DBFCs สามารถทำได้ถูกกว่าเซลล์เชื้อเพลิงแบบเดิมเพราะไม่ต้องการตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินัมราคาแพง นอกจากนี้ยังมีความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น คาดว่ามีค่าใช้จ่าย $ 50 ในการผลิตโซเดียมโบโรไฮไดรด์หนึ่งกิโลกรัม แต่ถ้าคุณจัดระเบียบการผลิตจำนวนมากและเริ่มแปรรูปบอแรกซ์ แถบนี้จะลดลง 50 เท่า

เซลล์เชื้อเพลิงเมทัลไฮไดรด์ (MHFC)

คลาสย่อยของเซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์นี้อยู่ในระหว่างการศึกษาอย่างจริงจัง คุณลักษณะของอุปกรณ์เหล่านี้คือความสามารถในการเก็บไฮโดรเจนไว้ในเซลล์เชื้อเพลิง เซลล์เชื้อเพลิงโบโรไฮไดรด์โดยตรงมีความสามารถเหมือนกัน แต่ไม่เหมือนเซลล์เชื้อเพลิง MHFC ที่เต็มไปด้วยไฮโดรเจนบริสุทธิ์

ลักษณะเด่นของเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้มีดังต่อไปนี้:

• ความสามารถในการชาร์จจาก พลังงานไฟฟ้า;
• ทำงานที่ อุณหภูมิต่ำ- สูงถึง -20 ° C;
• อายุการเก็บรักษานาน
• เริ่มเย็นอย่างรวดเร็ว
• ความสามารถในการทำงานเป็นระยะเวลาหนึ่งโดยไม่มีแหล่งไฮโดรเจนภายนอก (สำหรับระยะเวลาของการเปลี่ยนเชื้อเพลิง)

แม้ว่าข้อเท็จจริงที่ว่าหลายบริษัทกำลังทำงานเพื่อสร้าง MHFC จำนวนมาก แต่ประสิทธิภาพของต้นแบบยังไม่สูงพอเมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีที่แข่งขันกัน หนึ่งใน ประสิทธิภาพที่ดีที่สุดความหนาแน่นกระแสไฟสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้คือ 250 มิลลิแอมป์ต่อตารางเซนติเมตร ในขณะที่เซลล์เชื้อเพลิงมาตรฐาน PEMFC แบบธรรมดาจะให้ความหนาแน่นกระแสไฟ 1 แอมแปร์ต่อตารางเซนติเมตร

เซลล์เชื้อเพลิงไฟฟ้ากัลวานิก (EGFC)

ปฏิกิริยาเคมีใน EGFC เกิดขึ้นโดยมีส่วนร่วมของโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์และออกซิเจน สิ่งนี้จะสร้างกระแสไฟฟ้าระหว่างขั้วบวกตะกั่วและขั้วลบเคลือบทอง แรงดันไฟฟ้าที่ส่งโดยเซลล์เชื้อเพลิงไฟฟ้ากัลวานิกเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณออกซิเจน คุณลักษณะนี้ทำให้ EGFC ถูกใช้อย่างกว้างขวางในฐานะอุปกรณ์ตรวจสอบความเข้มข้นของออกซิเจนในอุปกรณ์ดำน้ำและอุปกรณ์ทางการแพทย์ แต่เนื่องจากการพึ่งพาอาศัยกันนี้อย่างแม่นยำทำให้เซลล์เชื้อเพลิงที่มีโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์มีชีวิตที่จำกัดมาก งานที่มีประสิทธิภาพ(ในขณะที่ความเข้มข้นของออกซิเจนสูง)

เครื่องตรวจวัดออกซิเจน EGFC เครื่องแรกที่ได้รับการรับรองมีวางจำหน่ายอย่างหนาแน่นในปี 2548 แต่ไม่ได้รับความนิยมมากนักในสมัยนั้น ปล่อยออกมาเมื่อสองปีต่อมา โมเดลที่ได้รับการดัดแปลงอย่างมีนัยสำคัญประสบความสำเร็จมากกว่ามากและได้รับรางวัลสำหรับ "นวัตกรรม" ที่งานแสดงการดำน้ำแบบพิเศษในฟลอริดา ปัจจุบันมีการใช้โดยองค์กรเช่น NOAA (การบริหารมหาสมุทรและบรรยากาศแห่งชาติ) และ DDRC (ศูนย์วิจัยโรคดำน้ำ)

เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอร์มิกโดยตรง (DFAFC)

เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้เป็นชนิดย่อยของ PEMFC ป้อนกรดฟอร์มิกโดยตรง ต้องขอบคุณมัน คุณสมบัติเฉพาะเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้มีศักยภาพสูงในอนาคตที่จะเป็นวิธีการหลักในการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา เช่น แล็ปท็อป โทรศัพท์มือถือ ฯลฯ

เช่นเดียวกับเมทานอล กรดฟอร์มิกจะถูกป้อนโดยตรงไปยังเซลล์เชื้อเพลิงโดยไม่ต้องมีขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์เป็นพิเศษ การเก็บสารนี้ปลอดภัยกว่ามาก ตัวอย่างเช่น ไฮโดรเจน ยิ่งกว่านั้น ไม่จำเป็นต้องจัดให้มีสภาวะในการเก็บรักษาที่เฉพาะเจาะจง: กรดฟอร์มิกเป็นของเหลวที่อุณหภูมิปกติ นอกจากนี้ เทคโนโลยีนี้มีข้อดีที่ปฏิเสธไม่ได้สองประการเหนือเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลโดยตรง ประการแรก กรดฟอร์มิกไม่รั่วไหลผ่านเมมเบรน ไม่เหมือนกับเมทานอล ดังนั้นประสิทธิภาพของ DFAFC ตามคำจำกัดความจึงควรสูงกว่า ประการที่สอง ในกรณีของความกดดัน กรดฟอร์มิกไม่เป็นอันตราย (เมทานอลอาจทำให้ตาบอดได้ และด้วยปริมาณที่มาก อาจถึงแก่ชีวิต)

ที่น่าสนใจ จนกระทั่งเมื่อไม่นานนี้ นักวิทยาศาสตร์หลายคนไม่ได้มองว่าเทคโนโลยีนี้มีอนาคตที่ใช้งานได้จริง เหตุผลที่กระตุ้นให้นักวิจัยเลิกใช้กรดฟอร์มิกเป็นเวลาหลายปีคือแรงดันไฟเกินเคมีไฟฟ้าสูง ซึ่งนำไปสู่การสูญเสียทางไฟฟ้าอย่างมีนัยสำคัญ แต่ผลการทดลองล่าสุดแสดงให้เห็นว่าสาเหตุของความไร้ประสิทธิภาพนี้คือการใช้แพลตตินัมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งตามเนื้อผ้าจะใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อจุดประสงค์นี้ในเซลล์เชื้อเพลิง หลังจากที่นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ได้ทำการทดลองกับวัสดุอื่นๆ หลายครั้ง ปรากฏว่าเมื่อใช้แพลเลเดียมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ผลผลิตของ DFAFC จะสูงกว่าเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลโดยตรงที่เทียบเท่ากัน ปัจจุบันเทคโนโลยีดังกล่าวเป็นของ Tekion บริษัทสัญชาติอเมริกัน ซึ่งนำเสนอสายผลิตภัณฑ์ Formira Power Pack สำหรับอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ระบบนี้เป็น "เพล็กซ์" ประกอบด้วย แบตเตอรี่และเซลล์เชื้อเพลิงนั่นเอง หลังจากที่รีเอเจนต์ในคาร์ทริดจ์ที่ชาร์จแบตเตอรีหมด ผู้ใช้ก็เพียงแค่เปลี่ยนอันใหม่ ดังนั้นจึงไม่ขึ้นอยู่กับ "ซ็อกเก็ต" โดยสิ้นเชิง ตามคำสัญญาของผู้ผลิต เวลาระหว่างการชาร์จจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า แม้ว่าเทคโนโลยีจะมีราคาสูงกว่าแบตเตอรี่ทั่วไปเพียง 10-15% ก็ตาม อุปสรรคสำคัญประการเดียวของเทคโนโลยีนี้อาจเป็นความจริงที่ว่าเทคโนโลยีนี้ได้รับการสนับสนุนจากบริษัท มือกลางและคู่แข่งในระดับที่ใหญ่กว่าก็สามารถ "ถูกครอบงำ" ได้ง่ายๆ โดยนำเสนอเทคโนโลยีของตน ซึ่งอาจด้อยกว่า DFAFC ในหลายตัวแปร

เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลโดยตรง (DMFC)

เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้เป็นชุดย่อยของอุปกรณ์เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน พวกเขาใช้เมทานอลซึ่งถูกป้อนเข้าสู่เซลล์เชื้อเพลิงโดยไม่ต้องทำให้บริสุทธิ์เพิ่มเติม อย่างไรก็ตาม เมทิลแอลกอฮอล์นั้นง่ายต่อการจัดเก็บและไม่ระเบิด (แม้ว่าจะติดไฟได้และอาจทำให้ตาบอดได้) ในเวลาเดียวกัน เมทานอลมีความจุพลังงานสูงกว่าไฮโดรเจนอัดแน่นอย่างมีนัยสำคัญ

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเมทานอลสามารถรั่วไหลผ่านเมมเบรนได้ ประสิทธิภาพของ DMFC ที่มีเชื้อเพลิงปริมาณมากจึงต่ำ และด้วยเหตุนี้จึงไม่เหมาะสำหรับการขนส่งและการติดตั้งขนาดใหญ่ แต่อุปกรณ์เหล่านี้จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับเปลี่ยนแบตเตอรี่ในอุปกรณ์พกพา

เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลแปรรูป (RMFC)

เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลที่ผ่านกรรมวิธีแตกต่างจาก DMFC เท่านั้น โดยจะเปลี่ยนเมทานอลเป็นไฮโดรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ก่อนผลิตไฟฟ้า สิ่งนี้เกิดขึ้นในอุปกรณ์พิเศษที่เรียกว่าตัวประมวลผลเชื้อเพลิง หลังจากขั้นตอนเบื้องต้นนี้ (ปฏิกิริยาจะดำเนินการที่อุณหภูมิสูงกว่า 250 ° C) ไฮโดรเจนจะเข้าสู่ปฏิกิริยาออกซิเดชันอันเป็นผลมาจากน้ำเกิดขึ้นและไฟฟ้าถูกสร้างขึ้น

การใช้เมทานอลใน RMFC เกิดจากการที่มันเป็นพาหะของไฮโดรเจนตามธรรมชาติ และที่อุณหภูมิต่ำเพียงพอ (เมื่อเทียบกับสารอื่นๆ) ก็สามารถย่อยสลายเป็นไฮโดรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ได้ ดังนั้นเทคโนโลยีนี้จึงล้ำหน้ากว่า DMFC เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลที่ผ่านการแปรรูปจะมีประสิทธิภาพ กะทัดรัด และทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์

เซลล์เชื้อเพลิงเอทานอลโดยตรง (DEFC)

ตัวแทนอีกระดับของเซลล์เชื้อเพลิงที่มีโครงตาข่ายแลกเปลี่ยนโปรตอน ตามชื่อที่แนะนำ เอทานอลเข้าสู่เซลล์เชื้อเพลิงโดยผ่านการทำให้บริสุทธิ์หรือการสลายตัวเพิ่มเติมเป็นสารที่ง่ายกว่า ข้อดีประการแรกของอุปกรณ์เหล่านี้คือการใช้เอทิลแอลกอฮอล์แทนเมทานอลที่เป็นพิษ ซึ่งหมายความว่าคุณไม่จำเป็นต้องลงทุนเงินเป็นจำนวนมากในการพัฒนาเชื้อเพลิงนี้

ความหนาแน่นพลังงานของแอลกอฮอล์สูงกว่าเมทานอลประมาณ 30% นอกจากนี้ยังสามารถหาได้จากชีวมวลในปริมาณมาก เพื่อลดต้นทุนของเซลล์เชื้อเพลิงเอทานอล การค้นหาวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาทางเลือกกำลังดำเนินการอยู่ แพลตตินัมซึ่งปกติแล้วใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อจุดประสงค์เหล่านี้ มีราคาแพงเกินไปและเป็นอุปสรรคสำคัญในการนำเทคโนโลยีเหล่านี้ไปใช้อย่างแพร่หลาย การแก้ปัญหานี้อาจเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาจากส่วนผสมของเหล็ก ทองแดง และนิกเกิล ซึ่งแสดงให้เห็นผลลัพธ์ที่น่าประทับใจในระบบการทดลอง

เซลล์เชื้อเพลิงสังกะสีแอร์ (ZAFC)

ZAFCs ใช้การเกิดออกซิเดชันของสังกะสีกับออกซิเจนจากอากาศเพื่อสร้างพลังงานไฟฟ้า เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้มีราคาไม่แพงในการผลิตและมีความหนาแน่นของพลังงานค่อนข้างสูง ปัจจุบันใช้ในเครื่องช่วยฟังและรถยนต์ไฟฟ้ารุ่นทดลอง

ที่ด้านข้างของแอโนดมีส่วนผสมของอนุภาคสังกะสีกับอิเล็กโทรไลต์ และที่ด้านข้างของแคโทด น้ำ และออกซิเจนจากอากาศซึ่งทำปฏิกิริยาซึ่งกันและกันและเกิดเป็นไฮดรอกซิล (โมเลกุลของมันคืออะตอมออกซิเจนและ อะตอมไฮโดรเจนระหว่างที่มีพันธะโควาเลนต์) อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาของไฮดรอกซิลกับส่วนผสมของสังกะสี อิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกสู่แคโทด แรงดันไฟสูงสุดซึ่งผลิตโดยเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวคือ 1.65 V แต่ตามกฎแล้วจะลดลงเหลือ 1.4–1.35 V ซึ่งจำกัดการเข้าถึงของอากาศเข้าสู่ระบบ ผลิตภัณฑ์สุดท้ายของปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี ได้แก่ ซิงค์ออกไซด์และน้ำ

เทคโนโลยีนี้สามารถใช้ได้ทั้งในแบตเตอรี่ (โดยไม่ต้องชาร์จ) และในเซลล์เชื้อเพลิง ในกรณีหลัง ห้องจากด้านแอโนดจะถูกทำความสะอาดและเติมด้วยสังกะสีเพสต์ โดยทั่วไปแล้ว เทคโนโลยี ZAFC ได้สร้างตัวเองให้เป็นแบตเตอรี่ที่เรียบง่ายและเชื่อถือได้ ข้อได้เปรียบที่ไม่อาจโต้แย้งได้ของพวกเขาคือความสามารถในการควบคุมปฏิกิริยาโดยการปรับการจ่ายอากาศไปยังเซลล์เชื้อเพลิงเท่านั้น นักวิจัยหลายคนกำลังพิจารณาว่าเซลล์เชื้อเพลิงสังกะสี-แอร์เป็นแหล่งพลังงานหลักในอนาคตสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า

เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ (MFC)

แนวคิดเรื่องการใช้แบคทีเรียเพื่อประโยชน์ของมนุษยชาติไม่ใช่เรื่องใหม่ แม้ว่าจะเพิ่งทำให้ความคิดเหล่านี้เป็นจริงขึ้นมาก็ตาม ขณะนี้ กำลังศึกษาปัญหาการใช้เทคโนโลยีชีวภาพเชิงพาณิชย์เพื่อการผลิตผลิตภัณฑ์ต่างๆ (เช่น การผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวล) การวางตัวเป็นกลางของสารอันตรายและการผลิตไฟฟ้า เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์หรือที่เรียกว่าชีวภาพเป็นระบบไฟฟ้าเคมีชีวภาพที่สร้างกระแสไฟฟ้าผ่านการใช้แบคทีเรีย เทคโนโลยีนี้มีพื้นฐานมาจากแคแทบอลิซึม (การสลายตัวของโมเลกุลที่ซับซ้อนให้กลายเป็นโมเลกุลที่ง่ายกว่าด้วยการปล่อยพลังงาน) ของสารต่างๆ เช่น กลูโคส อะซิเตต (เกลือกรดอะซิติก) บิวทิเรต (เกลือของกรดบิวทิริก) หรือน้ำเสีย เนื่องจากการออกซิเดชันของอิเล็กตรอนจึงถูกปล่อยออกมาซึ่งจะถูกถ่ายโอนไปยังขั้วบวกหลังจากนั้นกระแสไฟฟ้าที่สร้างขึ้นจะไหลผ่านตัวนำไปยังแคโทด

ตามกฎแล้วเซลล์เชื้อเพลิงจะใช้ตัวกลางในการปรับปรุงการซึมผ่านของอิเล็กตรอน ปัญหาคือสารที่ทำหน้าที่เป็นสื่อกลางมีราคาแพงและเป็นพิษ อย่างไรก็ตาม ในกรณีของการใช้แบคทีเรียที่ทำงานด้วยไฟฟ้าเคมี ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวกลางไกล่เกลี่ย เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ที่ "ปราศจากตัวกลาง" ดังกล่าวเริ่มถูกสร้างขึ้นเมื่อไม่นานมานี้ และด้วยเหตุนี้ ยังไม่มีการศึกษาคุณสมบัติทั้งหมดของพวกเขาเป็นอย่างดี

แม้จะมีอุปสรรคที่ MFC ยังเอาชนะไม่ได้ แต่เทคโนโลยีนี้มีศักยภาพมหาศาล ประการแรก "เชื้อเพลิง" หาได้ไม่ยาก ยิ่งไปกว่านั้น ทุกวันนี้ปัญหาการบำบัดน้ำเสียและการกำจัดของเสียจำนวนมากนั้นรุนแรงมาก การใช้เทคโนโลยีนี้สามารถแก้ปัญหาทั้งสองนี้ได้ ประการที่สอง ตามทฤษฎีแล้ว ประสิทธิภาพของมันอาจสูงมาก ปัญหาหลักสำหรับวิศวกร เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์เป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดของอุปกรณ์นี้ จุลินทรีย์ และในขณะที่นักจุลชีววิทยาที่ได้รับทุนสนับสนุนมากมายสำหรับการวิจัย ชื่นชมยินดี นักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์ก็ปรบมือเพื่อรอความสำเร็จของหนังสือที่อุทิศให้กับผลที่ตามมาของ "การตีพิมพ์" ของจุลินทรีย์ที่ไม่ถูกต้อง ย่อมมีความเสี่ยงที่จะกำจัดสิ่งที่จะ "ย่อย" ออกไป ไม่เพียงแต่ของเสียที่ไม่จำเป็นเท่านั้น แต่ยังมีบางสิ่งที่มีคุณค่าอีกด้วย ดังนั้น โดยหลักการแล้ว เช่นเดียวกับเทคโนโลยีชีวภาพใหม่ ๆ ผู้คนต่างระมัดระวังความคิดที่จะพกกล่องที่เต็มไปด้วยแบคทีเรียไว้ในกระเป๋า

แอปพลิเคชัน

โรงไฟฟ้าในครัวเรือนและอุตสาหกรรมแบบอยู่กับที่

เซลล์เชื้อเพลิงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นแหล่งพลังงานในทุกประเภท ระบบอัตโนมัติเช่น ยานอวกาศ สถานีตรวจอากาศระยะไกล ค่ายทหาร ฯลฯ ข้อได้เปรียบหลักของระบบจ่ายไฟดังกล่าวมีความน่าเชื่อถือสูงมากเมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีอื่นๆ เนื่องจากไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวและกลไกใดๆ ในเซลล์เชื้อเพลิง ความน่าเชื่อถือของระบบจ่ายไฟจึงสูงถึง 99.99% นอกจากนี้ ในกรณีของการใช้ไฮโดรเจนเป็นรีเอเจนต์ เป็นไปได้ที่จะได้น้ำหนักที่ต่ำมาก ซึ่งในกรณีของอุปกรณ์อวกาศถือเป็นหนึ่งในเกณฑ์ที่สำคัญที่สุด

เมื่อเร็ว ๆ นี้ การติดตั้งระบบความร้อนและพลังงานที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอาคารที่พักอาศัยและสำนักงานได้กลายเป็นที่แพร่หลายมากขึ้น ลักษณะเฉพาะของระบบเหล่านี้คือพวกเขาผลิตกระแสไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องซึ่งหากไม่บริโภคทันทีจะใช้เพื่อให้ความร้อนแก่น้ำและอากาศ แม้ว่าประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของการติดตั้งดังกล่าวจะอยู่ที่ 15-20% เท่านั้น แต่ข้อเสียนี้ได้รับการชดเชยด้วยการใช้ไฟฟ้าที่ไม่ได้ใช้ในการผลิตความร้อน โดยทั่วไปแล้ว ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของระบบที่รวมกันดังกล่าวจะอยู่ที่ประมาณ 80% หนึ่งในสารทำปฏิกิริยาที่ดีที่สุดสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวคือกรดฟอสฟอริก การติดตั้งเหล่านี้ให้ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน 90% (ไฟฟ้า 35-50% และความร้อนที่เหลือ)

ขนส่ง

ระบบพลังงานที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการขนส่ง อย่างไรก็ตาม ชาวเยอรมันเป็นกลุ่มแรกที่เริ่มติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงในรถยนต์ ดังนั้น เรือพาณิชย์ลำแรกของโลกที่ติดตั้งอุปกรณ์ดังกล่าวจึงเปิดตัวเมื่อแปดปีที่แล้ว เรือขนาดเล็กลำนี้มีชื่อว่า "Hydra" และได้รับการออกแบบให้รองรับผู้โดยสารได้ถึง 22 คน ได้เปิดตัวใกล้กับเมืองหลวงเก่าของเยอรมนีเมื่อเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2543 ไฮโดรเจน (เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์) ทำหน้าที่เป็นตัวทำปฏิกิริยาที่นำพาพลังงาน ด้วยการใช้เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ (อัลคาไลน์) ตัวเครื่องสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้ที่อุณหภูมิต่ำถึง –10 ° C และไม่กลัวน้ำเค็ม เรือ "ไฮดรา" ขับเคลื่อน มอเตอร์ไฟฟ้ากำลัง 5 กิโลวัตต์ ความเร็วสูงสุด 6 นอต (ประมาณ 12 กม. / ชม.)

เรือ "ไฮดรา"

เซลล์เชื้อเพลิง (โดยเฉพาะไฮโดรเจน) แพร่หลายมากขึ้นในการขนส่งทางบก โดยทั่วไปแล้ว ไฮโดรเจนถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์รถยนต์มาระยะหนึ่งแล้ว และโดยหลักการแล้ว เครื่องยนต์สันดาปภายในทั่วไปนั้นค่อนข้างง่ายที่จะแปลงเพื่อใช้เชื้อเพลิงทางเลือกนี้ อย่างไรก็ตาม การเผาไหม้แบบธรรมดาของไฮโดรเจนมีประสิทธิภาพน้อยกว่าการผลิตไฟฟ้าจากปฏิกิริยาเคมีระหว่างไฮโดรเจนกับออกซิเจน และตามหลักแล้ว ไฮโดรเจนหากใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงจะปลอดภัยต่อธรรมชาติอย่างแน่นอน หรืออย่างที่พวกเขาพูดกันว่า "เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม" เนื่องจากไม่มีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์หรือสารอื่นๆ ที่สัมผัสกับ "ผลกระทบของเรือนกระจก" ในระหว่าง ปฏิกิริยาเคมี.

จริงอยู่ตามที่คุณคาดหวังมี "buts" ขนาดใหญ่หลายตัว ความจริงก็คือเทคโนโลยีหลายอย่างในการผลิตไฮโดรเจนจากทรัพยากรที่ไม่สามารถหมุนเวียนได้ (ก๊าซธรรมชาติ ถ่านหิน ผลิตภัณฑ์น้ำมัน) ไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมมากนัก เนื่องจากมีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนมากในกระบวนการ ในทางทฤษฎี หากคุณใช้ทรัพยากรหมุนเวียนเพื่อให้ได้มา จะไม่มีการปล่อยมลพิษที่เป็นอันตรายเลย อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้ ค่าใช้จ่ายจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ผู้เชี่ยวชาญหลายคนกล่าวว่า ด้วยเหตุผลเหล่านี้ ศักยภาพของไฮโดรเจนในการทดแทนน้ำมันเบนซินหรือก๊าซธรรมชาติจึงมีจำกัด มีทางเลือกอื่นที่ถูกกว่าและเป็นไปได้มากว่าเซลล์เชื้อเพลิงในเซลล์แรก ตารางธาตุไม่เคยประสบความสำเร็จในการเป็นปรากฏการณ์มวลชนในยานพาหนะ

ผู้ผลิตรถยนต์กำลังทดลองอย่างจริงจังกับไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงาน และเหตุผลหลักสำหรับเรื่องนี้ก็คือสถานะที่ค่อนข้างยากของสหภาพยุโรปเกี่ยวกับการปล่อยมลพิษสู่ชั้นบรรยากาศ Daimler AG, Fiat และ Ford Motor Company ขับเคลื่อนด้วยข้อจำกัดที่เข้มงวดมากขึ้นของยุโรป ได้เปิดเผยวิสัยทัศน์สำหรับอนาคตของเซลล์เชื้อเพลิงในอาคารรถยนต์ โดยเตรียมรุ่นพื้นฐานด้วยโรงไฟฟ้าที่คล้ายคลึงกัน Volkswagen ยักษ์ใหญ่ด้านยานยนต์ของยุโรปอีกรายกำลังเตรียมรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิง บริษัทญี่ปุ่นและเกาหลีใต้ตามให้ทัน อย่างไรก็ตามไม่ใช่ทุกคนที่จะเดิมพันกับเทคโนโลยีนี้ หลายคนชอบที่จะดัดแปลงเครื่องยนต์สันดาปภายในหรือรวมเข้ากับมอเตอร์ไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนด้วยแบตเตอรี่ โตโยต้า มาสด้า และบีเอ็มดับเบิลยูเดินตามเส้นทางนี้ สำหรับบริษัทในอเมริกา นอกจากฟอร์ดที่มีรุ่นโฟกัสแล้ว เจเนอรัล มอเตอร์ส ยังนำเสนอรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงอีกหลายรุ่น การดำเนินการทั้งหมดเหล่านี้ได้รับการสนับสนุนอย่างแข็งขันจากหลายรัฐ ตัวอย่างเช่น ในประเทศสหรัฐอเมริกา มีกฎหมายกำหนดให้รถยนต์ไฮบริดรุ่นใหม่ที่เข้าสู่ตลาดได้รับการยกเว้นภาษีซึ่งอาจเป็นจำนวนที่พอเหมาะได้ เนื่องจากตามกฎแล้วรถยนต์ดังกล่าวจะมีราคาแพงกว่ารุ่นอื่นๆ ด้วย เครื่องยนต์สันดาปภายในแบบดั้งเดิม สิ่งนี้ทำให้ลูกผสมน่าดึงดูดยิ่งขึ้นเมื่อซื้อ จริงอยู่จนถึงตอนนี้กฎหมายนี้ใช้เฉพาะกับรุ่นที่เข้าสู่ตลาดจนถึงระดับยอดขาย 60,000 คันหลังจากนั้นสิทธิ์จะถูกยกเลิกโดยอัตโนมัติ

อิเล็กทรอนิกส์

ไม่นานมานี้ เซลล์เชื้อเพลิงเริ่มมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในแล็ปท็อป โทรศัพท์มือถือ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่อื่นๆ เหตุผลก็คือความตะกละที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของอุปกรณ์ที่ตั้งใจไว้สำหรับการทำงานแบบอิสระในระยะยาว หน้าจอสัมผัสขนาดใหญ่ เสียงอันทรงพลัง และการแนะนำ Wi-Fi, Bluetooth และโปรโตคอลไร้สายความถี่สูงอื่นๆ ในโทรศัพท์ได้เปลี่ยนข้อกำหนดของแบตเตอรี่เช่นกัน และแม้ว่าแบตเตอรี่จะมีความก้าวหน้าอย่างมากตั้งแต่สมัยของโทรศัพท์มือถือเครื่องแรกในแง่ของความจุและความกะทัดรัด (ไม่เช่นนั้นแฟน ๆ จะไม่ได้รับอนุญาตให้เข้าไปในสนามกีฬาด้วยอาวุธสื่อสารเหล่านี้ในปัจจุบัน) พวกเขาก็ยังไม่สามารถให้ทันกับการย่อขนาด วงจรไฟฟ้าและไม่ต้องการให้ผู้ผลิตรวมเอาทั้งหมด คุณสมบัติเพิ่มเติม... ข้อเสียเปรียบที่สำคัญอีกประการหนึ่งของแบตเตอรี่จัดเก็บในปัจจุบันคือเวลาในการชาร์จที่ยาวนาน ทั้งหมดนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่ายิ่งคุณสมบัติในโทรศัพท์หรือเครื่องเล่นมัลติมีเดียพกพาที่ออกแบบมาเพื่อเพิ่มความเป็นอิสระของเจ้าของ (อินเทอร์เน็ตไร้สาย ระบบนำทาง ฯลฯ ) ยิ่งขึ้นอยู่กับ "ซ็อกเก็ต" อุปกรณ์นี้จะกลายเป็น

เกี่ยวกับแล็ปท็อป จำกัด น้อยมากใน ขนาดสูงสุดและไม่มีอะไรจะพูด นานมาแล้ว มีการสร้างโพรงแล็ปท็อปประสิทธิภาพสูงขึ้นซึ่งไม่ได้มีไว้สำหรับการทำงานแบบอัตโนมัติเลย ยกเว้นการถ่ายโอนจากสำนักงานหนึ่งไปยังอีกสำนักงานหนึ่ง และแม้แต่แล็ปท็อปที่ประหยัดที่สุดในโลกก็แทบจะไม่สามารถใช้งานแบตเตอรี่ได้เต็มวัน ดังนั้น คำถามในการหาทางเลือกอื่นแทนแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟแบบเดิม ซึ่งจะไม่แพงกว่าแต่มีประสิทธิภาพมากกว่านั้น เป็นเรื่องที่เฉียบขาดมาก และตัวแทนชั้นนำของอุตสาหกรรมได้จัดการกับการแก้ปัญหานี้เมื่อเร็ว ๆ นี้ เมื่อเร็ว ๆ นี้ มีการเปิดตัวเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลเชิงพาณิชย์ ซึ่งสามารถเริ่มส่งมอบจำนวนมากได้ในต้นปีหน้า

นักวิจัยเลือกเมทานอลมากกว่าไฮโดรเจนด้วยเหตุผลบางประการ การจัดเก็บเมทานอลนั้นง่ายกว่ามาก เนื่องจากคุณไม่จำเป็นต้องสร้างแรงดันสูงหรือเตรียมอุณหภูมิพิเศษสำหรับสิ่งนี้ เมทิลแอลกอฮอล์เป็นของเหลวที่อุณหภูมิระหว่าง -97.0 ° C ถึง 64.7 ° C ในกรณีนี้ พลังงานจำเพาะที่มีอยู่ในปริมาตรที่ N ของเมทานอลจะมีลำดับความสำคัญสูงกว่าในปริมาตรเดียวกันของไฮโดรเจนภายใต้ความกดอากาศสูง เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลโดยตรงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่ ใช้เมทิลแอลกอฮอล์โดยเพียงแค่เติมถังเซลล์เชื้อเพลิงโดยไม่ผ่านกระบวนการแปลงตัวเร่งปฏิกิริยา (ด้วยเหตุนี้จึงเรียกว่า "เมทานอลโดยตรง") นี่เป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญของเทคโนโลยีนี้ด้วย

อย่างไรก็ตาม อย่างที่คาดไว้ ข้อดีทั้งหมดนี้มีข้อเสีย ซึ่งจำกัดขอบเขตของการใช้งานอย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจากเทคโนโลยีนี้ยังไม่ได้รับการพัฒนาอย่างเต็มที่ ปัญหาประสิทธิภาพต่ำของเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวซึ่งเกิดจากการ "รั่ว" ของเมทานอลผ่านวัสดุเมมเบรนยังคงไม่ได้รับการแก้ไข ยิ่งกว่านั้นประสิทธิภาพไดนามิกของพวกเขาไม่น่าประทับใจ การแก้ไขไม่ใช่เรื่องง่าย และจะทำอย่างไรกับคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดจากขั้วบวก อุปกรณ์ DMFC สมัยใหม่ไม่สามารถสร้างพลังงานจำนวนมากได้ แต่มีความจุพลังงานสูงสำหรับสสารปริมาณเล็กน้อย ซึ่งหมายความว่าถึงแม้จะยังไม่มีพลังงานมากนัก แต่เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลโดยตรงก็สามารถสร้างพลังงานได้ เวลานาน... สิ่งนี้ไม่อนุญาตให้พวกเขาค้นหาแอปพลิเคชั่นโดยตรงในยานพาหนะเนื่องจากพลังงานต่ำ แต่ทำให้พวกเขาเกือบ ทางออกที่ดีสำหรับอุปกรณ์พกพาที่อายุการใช้งานแบตเตอรี่มีความสำคัญ

เทรนด์ล่าสุด

แม้ว่าเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์จะผลิตมาเป็นเวลานาน แต่โซลูชันเหล่านี้ยังไม่เป็นที่แพร่หลาย มีเหตุผลหลายประการสำหรับเรื่องนี้ และประเด็นหลักคือความไม่สมควรทางเศรษฐกิจและความเต็มใจของผู้ผลิตในการผลิตเชื้อเพลิงในราคาที่เหมาะสมในกระแส ความพยายามที่จะเร่งกระบวนการทางธรรมชาติของการเปลี่ยนไปใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียนอย่างที่คาดไว้ ไม่ได้นำไปสู่สิ่งที่ดี แน่นอนว่าเหตุผลที่ราคาสินค้าเกษตรสูงขึ้นอย่างรวดเร็วนั้นไม่ได้ซ่อนอยู่ที่ว่าพวกเขาเริ่มแปลงเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพอย่างหนาแน่น แต่ในความจริงที่ว่าหลายประเทศในแอฟริกาและเอเชียไม่สามารถผลิตอาหารได้เพียงพอ เพื่อรองรับความต้องการอาหารภายในประเทศ

เห็นได้ชัดว่าการปฏิเสธที่จะใช้เชื้อเพลิงชีวภาพจะไม่ทำให้สถานการณ์ในตลาดอาหารโลกดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ แต่ในทางกลับกัน เกษตรกรในยุโรปและอเมริกาอาจได้รับผลกระทบอย่างรุนแรง ซึ่งเป็นครั้งแรกในรอบหลายปี โอกาสที่จะได้รับเงินที่ดี แต่ประเด็นด้านจริยธรรมของปัญหานี้ไม่สามารถตัดออกได้ เนื่องจากมันน่าเกลียดที่จะเติม "ขนมปัง" ลงในถังเมื่อผู้คนนับล้านอดอยาก ดังนั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง นักการเมืองยุโรปในตอนนี้จะเจ๋งมากขึ้นเกี่ยวกับเทคโนโลยีชีวภาพ ซึ่งได้รับการยืนยันแล้วโดยการแก้ไขกลยุทธ์สำหรับการเปลี่ยนไปใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียน

ในสถานการณ์เช่นนี้ ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ควรเป็นสาขาที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับการประยุกต์ใช้เซลล์เชื้อเพลิง นี่คือจุดที่เซลล์เชื้อเพลิงมีโอกาสสูงที่สุดที่จะตั้งหลักได้ ประการแรก คนที่ซื้อโทรศัพท์มือถือเต็มใจที่จะทดลองมากกว่าคนซื้อรถ และประการที่สองพวกเขาเต็มใจที่จะใช้จ่ายเงินและตามกฎแล้วไม่รังเกียจที่จะ "กอบกู้โลก" การยืนยันสิ่งนี้คือความสำเร็จอย่างท่วมท้นของ iPod Nano รุ่น "Bono" สีแดง ส่วนหนึ่งของเงินจากการขายไปที่บัญชีของสภากาชาด

"Bono" - เวอร์ชันของเครื่องเล่น Apple iPod Nano

ในบรรดาบริษัทต่างๆ ที่หันความสนใจไปที่เซลล์เชื้อเพลิงสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา ต่างก็เป็นทั้งบริษัทที่ก่อนหน้านี้เชี่ยวชาญด้านการสร้างเซลล์เชื้อเพลิง และตอนนี้เพิ่งค้นพบขอบเขตใหม่ของการใช้งาน เช่นเดียวกับผู้ผลิตไมโครอิเล็กทรอนิกส์ชั้นนำ ตัวอย่างเช่น เมื่อเร็วๆ นี้ MTI Micro ซึ่งนำธุรกิจกลับมาใช้ใหม่เพื่อผลิตเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่ ประกาศว่าจะเริ่มการผลิตจำนวนมากในปี 2552 เธอยังได้นำเสนออุปกรณ์ GPS เครื่องแรกของโลกที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอล ตามที่ตัวแทนของบริษัทนี้ ในอนาคตอันใกล้นี้ผลิตภัณฑ์ของบริษัทจะเปลี่ยนแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบเดิมทั้งหมด จริงในตอนแรกพวกเขาจะไม่ถูก แต่ปัญหานี้มาพร้อมกับเทคโนโลยีใหม่ ๆ

สำหรับบริษัทอย่าง Sony ที่เพิ่งเปิดตัวพาวเวอร์ซัพพลายเวอร์ชั่น DMFC ระบบมัลติมีเดียเทคโนโลยีเหล่านี้เป็นของใหม่ แต่ตั้งใจอย่างจริงจังที่จะไม่หลงทางในตลาดใหม่ที่มีแนวโน้มดี ในส่วนของ Sharp นั้นไปไกลกว่านั้นอีก และเพิ่งสร้างสถิติโลกสำหรับความจุพลังงานจำเพาะสำหรับเมทานอล 1 ลูกบาศก์เซนติเมตรที่ 0.3 วัตต์ ด้วยเซลล์เชื้อเพลิงต้นแบบ แม้แต่รัฐบาลของหลายประเทศก็ได้พบกับผู้ผลิตเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ ดังนั้น สนามบินในสหรัฐอเมริกา แคนาดา บริเตนใหญ่ ญี่ปุ่น และจีน แม้จะมีความเป็นพิษและการติดไฟของเมทานอล ก็ตาม ได้ยกเลิกข้อจำกัดที่มีอยู่ก่อนหน้านี้เกี่ยวกับการขนส่งในห้องโดยสาร แน่นอนว่าสิ่งนี้ใช้ได้เฉพาะกับเซลล์เชื้อเพลิงที่ผ่านการรับรองซึ่งมีความจุสูงสุด 200 มล. อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้เป็นการยืนยันอีกครั้งถึงความสนใจในการพัฒนาเหล่านี้ ไม่เพียงแต่ผู้สนใจเท่านั้น แต่ยังระบุด้วย

จริงอยู่ ผู้ผลิตยังคงพยายามเล่นอย่างปลอดภัยและเสนอเซลล์เชื้อเพลิงเป็นระบบไฟฟ้าสำรองเป็นหลัก วิธีแก้ปัญหาหนึ่งคือการผสมผสานระหว่างเซลล์เชื้อเพลิงและแบตเตอรี่สำหรับจัดเก็บ ตราบใดที่ยังมีเชื้อเพลิงอยู่ มันจะทำการชาร์จแบตเตอรี่อย่างต่อเนื่อง และหลังจากที่แบตเตอรี่หมด ผู้ใช้เพียงแค่เปลี่ยนตลับเปล่าด้วยภาชนะใหม่ที่มีเมทานอล กระแสนิยมอีกประการหนึ่งคือการสร้างเครื่องชาร์จเซลล์เชื้อเพลิง คุณสามารถใช้ได้ทุกที่ทุกเวลา อย่างไรก็ตาม พวกเขาสามารถชาร์จแบตเตอรี่ได้อย่างรวดเร็ว กล่าวอีกนัยหนึ่งในอนาคตทุกคนจะพก "ซ็อกเก็ต" ไว้ในกระเป๋าของพวกเขา แนวทางนี้อาจมีความเกี่ยวข้องเป็นพิเศษในกรณีของโทรศัพท์มือถือ ในทางกลับกัน แล็ปท็อปอาจได้รับเซลล์เชื้อเพลิงในตัวในอนาคตอันใกล้ ซึ่งหากไม่เปลี่ยนการชาร์จจาก "เต้าเสียบ" ทั้งหมด อย่างน้อยก็กลายเป็นทางเลือกที่ร้ายแรง

ดังนั้นตามการคาดการณ์ของบริษัทเคมีภัณฑ์ที่ใหญ่ที่สุดในเยอรมนี BASF ซึ่งเพิ่งประกาศการเริ่มต้นการก่อสร้างในประเทศญี่ปุ่นของศูนย์การพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิง ภายในปี 2010 ตลาดสำหรับอุปกรณ์เหล่านี้จะมีมูลค่า 1 พันล้านดอลลาร์ ในเวลาเดียวกัน นักวิเคราะห์ของเธอคาดการณ์การเติบโตของตลาดเซลล์เชื้อเพลิงเป็น 2 หมื่นล้านดอลลาร์ภายในปี 2563 ในศูนย์นี้ BASF มีแผนที่จะพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา (โดยเฉพาะแล็ปท็อป) และระบบพลังงานที่อยู่กับที่ สถานที่ตั้งสำหรับองค์กรนี้ไม่ได้ถูกเลือกโดยบังเอิญ ¬ ผู้ซื้อหลักของเทคโนโลยีเหล่านี้ บริษัท เยอรมันเห็น บริษัท ในท้องถิ่น

แทนที่จะได้ข้อสรุป

แน่นอน เราไม่ควรคาดหวังจากเซลล์เชื้อเพลิงที่จะมาแทนที่ระบบจ่ายไฟที่มีอยู่ ไม่ว่าในกรณีใดในอนาคตอันใกล้ นี่คือดาบสองคม: โรงไฟฟ้าแบบพกพามีประสิทธิภาพมากกว่าเนื่องจากไม่มีการสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับการส่งไฟฟ้าไปยังผู้บริโภค แต่ก็คุ้มค่าที่จะพิจารณาว่าพวกเขาสามารถกลายเป็นคู่แข่งที่สำคัญต่อระบบจ่ายไฟแบบรวมศูนย์ เฉพาะเมื่อมีการสร้างระบบจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิงแบบรวมศูนย์สำหรับการติดตั้งเหล่านี้ กล่าวคือ ในที่สุด "ทางออก" จะต้องถูกแทนที่ด้วยท่อที่จ่ายสารรีเอเจนต์ที่จำเป็นให้กับบ้านทุกหลังและทุกซอกทุกมุม และนี่ไม่ใช่เสรีภาพและความเป็นอิสระจากแหล่งพลังงานภายนอกที่ผู้ผลิตเซลล์เชื้อเพลิงพูดถึงอย่างแน่นอน

อุปกรณ์เหล่านี้มี ข้อได้เปรียบที่ปฏิเสธไม่ได้ในรูปแบบของความเร็วในการชาร์จ - ฉันเพียงแค่เปลี่ยนตลับด้วยเมทานอล (ในกรณีที่รุนแรงฉันเปิดถ้วยรางวัล Jack Daniel's) ในกล้องแล้วกระโดดขึ้นบันไดของพิพิธภัณฑ์ลูฟร์อีกครั้ง การชาร์จทุก 2-3 วันไม่น่าเป็นไปได้ ที่เป็นทางเลือกในรูปแบบของการเปลี่ยนตลับหมึกขายเฉพาะในร้านค้าเฉพาะแม้ทุก ๆ สองสัปดาห์จะเป็นที่ต้องการของผู้ใช้จำนวนมากถึงผู้บริโภคปลายทางราคาของมันจะมีเวลาที่จะขึ้นอย่างมากราคาที่เพิ่มขึ้นนี้ เท่านั้นที่จะสามารถต่อสู้กับขนาดของการผลิตแต่มาตราส่วนนี้เป็นที่ต้องการของตลาดและจนกว่าจะเลือกชนิดของเชื้อเพลิงที่เหมาะสมที่สุดก็จะมีปัญหามากในการแก้ปัญหานี้

ในทางกลับกัน การรวมการชาร์จแบบดั้งเดิมจาก "ซ็อกเก็ต" เซลล์เชื้อเพลิง และระบบจ่ายพลังงานทางเลือกอื่นๆ (เช่น แผงโซลาร์เซลล์) อาจเป็นวิธีแก้ปัญหาของการกระจายแหล่งพลังงานและการเปลี่ยนไปใช้ประเภทนิเวศวิทยา อย่างไรก็ตาม เซลล์เชื้อเพลิงสามารถใช้กันอย่างแพร่หลายในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์บางกลุ่ม นี่เป็นหลักฐานจากการที่ Canon ได้จดสิทธิบัตรเซลล์เชื้อเพลิงของตัวเองสำหรับกล้องดิจิตอลและประกาศกลยุทธ์ในการรวมเทคโนโลยีเหล่านี้เข้ากับโซลูชั่นของตน สำหรับแล็ปท็อป หากเซลล์เชื้อเพลิงเข้าถึงได้ในอนาคตอันใกล้ เป็นไปได้มากว่าจะเป็นระบบพลังงานสำรองเท่านั้น ตัวอย่างเช่น เรากำลังพูดถึงเฉพาะโมดูลการชาร์จภายนอกเท่านั้น ซึ่งเชื่อมต่อกับแล็ปท็อปเพิ่มเติม

แต่เทคโนโลยีเหล่านี้มีโอกาสที่ดีในการพัฒนาในระยะยาว โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแง่ของการขาดแคลนน้ำมันที่อาจเกิดขึ้นในอีกไม่กี่ทศวรรษข้างหน้า ในสภาวะเหล่านี้ สิ่งที่สำคัญกว่าคือไม่ใช่ว่าการผลิตเซลล์เชื้อเพลิงจะมีราคาถูกเพียงใด แต่จะผลิตเชื้อเพลิงสำหรับเซลล์ได้มากเพียงใดโดยไม่คำนึงถึงอุตสาหกรรมปิโตรเคมีและจะสามารถตอบสนองความต้องการได้หรือไม่

เซลล์เชื้อเพลิง ( เซลล์เชื้อเพลิง) เป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้า มีหลักการคล้ายกันกับแบตเตอรี่ทั่วไป แต่แตกต่างตรงที่การใช้งานต้องใช้สารจากภายนอกอย่างต่อเนื่องเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีจึงจะดำเนินต่อไป เซลล์เชื้อเพลิงมีไฮโดรเจนและออกซิเจน เอาต์พุตคือไฟฟ้า น้ำ และความร้อน ข้อดี ได้แก่ ความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ความน่าเชื่อถือ ความทนทาน และความสะดวกในการใช้งาน คอนเวอร์เตอร์ไฟฟ้าเคมีสามารถทำงานได้อย่างไม่มีกำหนด ต่างจากแบตเตอรี่ทั่วไป ตราบเท่าที่มีการจ่ายเชื้อเพลิง ไม่จำเป็นต้องชาร์จเป็นเวลาหลายชั่วโมงก่อนที่จะชาร์จจนเต็ม ยิ่งไปกว่านั้น เซลล์เองสามารถชาร์จแบตเตอรี่ในขณะที่รถจอดอยู่โดยที่ดับเครื่องยนต์

ที่พบมากที่สุดในยานพาหนะไฮโดรเจนคือเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนโปรตอน (PEMFC) และเซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC)

เซลล์เชื้อเพลิงที่มีเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนทำงานดังนี้ ระหว่างแอโนดและแคโทดจะมีเมมเบรนพิเศษและตัวเร่งปฏิกิริยาที่เคลือบด้วยแพลตตินัม ไฮโดรเจนจะถูกส่งไปยังขั้วบวก และออกซิเจนจะถูกส่งไปยังแคโทด (เช่น จากอากาศ) ที่ขั้วบวก ไฮโดรเจนจะถูกย่อยสลายโดยตัวเร่งปฏิกิริยาให้เป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน โปรตอนไฮโดรเจนผ่านเมมเบรนและชนกับแคโทด ในขณะที่อิเล็กตรอนถูกปล่อยสู่วงจรภายนอก (เมมเบรนไม่อนุญาตให้ผ่าน) ความต่างศักย์ที่ได้รับในลักษณะนี้นำไปสู่การเกิดขึ้นของกระแสไฟฟ้า ทางด้านแคโทด ไฮโดรเจนโปรตอนจะถูกออกซิไดซ์โดยออกซิเจน ผลที่ได้คือไอน้ำซึ่งเป็นองค์ประกอบหลัก ไอเสียรถยนต์. ที่มีประสิทธิภาพสูง เซลล์ PEM มีข้อเสียเปรียบที่สำคัญประการหนึ่ง - การดำเนินการของพวกเขาต้องใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์ การจัดเก็บซึ่งเป็นปัญหาที่ค่อนข้างร้ายแรง

หากพบว่ามีตัวเร่งปฏิกิริยาแทนที่แพลตตินัมราคาแพงในเซลล์เหล่านี้ เซลล์เชื้อเพลิงราคาถูกสำหรับผลิตกระแสไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นทันที ซึ่งหมายความว่าโลกจะเลิกพึ่งพาน้ำมัน

โซลิดออกไซด์เซลล์

เซลล์โซลิดออกไซด์ของ SOFC นั้นต้องการความสะอาดของเชื้อเพลิงน้อยกว่ามาก นอกจากนี้ ด้วยการใช้ตัวปฏิรูป POX (ออกซิเดชันบางส่วน) เซลล์เหล่านี้สามารถใช้น้ำมันเบนซินธรรมดาเป็นเชื้อเพลิงได้ ขั้นตอนการแปลงน้ำมันเบนซินโดยตรงเป็นไฟฟ้ามีดังนี้ ในอุปกรณ์พิเศษ - นักปฏิรูปที่อุณหภูมิประมาณ 800 ° C น้ำมันเบนซินจะระเหยและสลายตัวเป็นองค์ประกอบที่เป็นส่วนประกอบ

ทำให้เกิดไฮโดรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ นอกจากนี้ ภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิและการใช้ SOFC โดยตรง (ประกอบด้วยวัสดุเซรามิกที่มีรูพรุนตามเซอร์โคเนียมออกไซด์) ไฮโดรเจนจะถูกออกซิไดซ์โดยออกซิเจนในอากาศ หลังจากได้รับไฮโดรเจนจากน้ำมันเบนซิน กระบวนการจะดำเนินต่อไปตามสถานการณ์ที่อธิบายข้างต้น โดยมีข้อแตกต่างเพียงข้อเดียวคือ เซลล์เชื้อเพลิง SOFC ซึ่งแตกต่างจากอุปกรณ์ที่ใช้ไฮโดรเจน มีความไวต่อสิ่งสกปรกในเชื้อเพลิงเริ่มต้นน้อยกว่า ดังนั้นคุณภาพของน้ำมันเบนซินจึงไม่กระทบต่อประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิง

อุณหภูมิในการทำงานที่สูงของ SOFC (650-800 องศา) เป็นข้อเสียเปรียบที่สำคัญ กระบวนการอุ่นเครื่องใช้เวลาประมาณ 20 นาที ในทางกลับกัน ความร้อนส่วนเกินไม่ใช่ปัญหา เนื่องจากอากาศและก๊าซไอเสียที่เหลือซึ่งผลิตโดยตัวปฏิรูปและเซลล์เชื้อเพลิงจะถูกกำจัดออกไปโดยสิ้นเชิง ซึ่งช่วยให้ระบบ SOFC สามารถรวมเข้ากับรถยนต์เป็นอุปกรณ์แบบแยกเดี่ยวในตัวเรือนที่หุ้มฉนวนความร้อน

โครงสร้างโมดูลาร์ช่วยให้ได้รับแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการโดยการเชื่อมโยงชุดเซลล์มาตรฐานเข้าด้วยกันแบบเดซี่เชน และที่สำคัญที่สุด จากมุมมองของการใช้งานอุปกรณ์ดังกล่าว SOFC ไม่มีอิเล็กโทรดแบบแพลตตินั่มที่มีราคาแพงมาก องค์ประกอบเหล่านี้มีค่าใช้จ่ายสูงซึ่งเป็นอุปสรรคอย่างหนึ่งในการพัฒนาและเผยแพร่เทคโนโลยี PEMFC

ประเภทของเซลล์เชื้อเพลิง

ปัจจุบันมีเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้:

• AFC- เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ (เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์);
• PAFC- เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก);
• PEMFC- เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน
• DMFC- เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลโดยตรง (เซลล์เชื้อเพลิงที่มีการสลายตัวของเมทานอลโดยตรง);
• MCFCเซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอเนตหลอมเหลว
• SOFC- Solid Oxide Fuel Cell (เซลล์เชื้อเพลิง Solid Oxide)

เซลล์เชื้อเพลิงเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าเคมี คล้ายกับเซลล์กัลวานิก แต่แตกต่างจากเซลล์ไฟฟ้าเคมีตรงที่จ่ายสารสำหรับปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีจากภายนอก ตรงกันข้ามกับปริมาณพลังงานที่จำกัดในเซลล์กัลวานิกหรือแบตเตอรี่

ข้าว. หนึ่ง. เซลล์เชื้อเพลิงบางส่วน

เซลล์เชื้อเพลิงแปลงพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงเป็นไฟฟ้า โดยไม่ผ่านกระบวนการเผาไหม้ที่ไม่มีประสิทธิภาพซึ่งสูญเสียมหาศาล พวกมันเปลี่ยนไฮโดรเจนและออกซิเจนเป็นไฟฟ้าจากปฏิกิริยาเคมี อันเป็นผลมาจากกระบวนการนี้ น้ำจะเกิดขึ้นและปล่อยความร้อนจำนวนมาก เซลล์เชื้อเพลิงมีลักษณะคล้ายกับแบตเตอรี่มาก ซึ่งสามารถชาร์จแล้วใช้จนหมดด้วยพลังงานไฟฟ้าที่เก็บไว้ ผู้ประดิษฐ์เซลล์เชื้อเพลิงเชื่อกันว่าคือวิลเลียม อาร์. โกรฟ ผู้คิดค้นเซลล์เชื้อเพลิงขึ้นในปี พ.ศ. 2382 ในเซลล์เชื้อเพลิงนี้ สารละลายกรดซัลฟิวริกถูกใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ และใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง ซึ่งรวมกับออกซิเจนในตัวกลางออกซิไดซ์ จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ เซลล์เชื้อเพลิงถูกใช้ในห้องปฏิบัติการและในยานอวกาศเท่านั้น

ข้าว. 2.

ไม่เหมือนกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอื่นๆ เช่น เครื่องยนต์สันดาปหรือเทอร์ไบน์ที่ใช้ก๊าซ ถ่านหิน น้ำมันเชื้อเพลิง เป็นต้น เซลล์เชื้อเพลิงไม่เผาผลาญเชื้อเพลิง ซึ่งหมายความว่าไม่มีโรเตอร์แรงดันสูงที่ส่งเสียงดัง ไม่มีเสียงรบกวนจากไอเสียที่ดัง และไม่มีการสั่นสะเทือน เซลล์เชื้อเพลิงสร้างกระแสไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าแบบเงียบ คุณสมบัติอีกอย่างของเซลล์เชื้อเพลิงคือ พวกมันแปลงพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงโดยตรงเป็นไฟฟ้า ความร้อน และน้ำ

เซลล์เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพสูงและไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจกจำนวนมาก เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน และไนตริกออกไซด์ การปล่อยมลพิษเพียงอย่างเดียวที่ผลิตโดยเซลล์เชื้อเพลิงคือน้ำในรูปของไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนเล็กน้อย ซึ่งจะไม่ปล่อยออกมาเลยหากใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์เป็นเชื้อเพลิง เซลล์เชื้อเพลิงถูกประกอบเป็นส่วนประกอบแล้วจึงแยกเป็นโมดูลการทำงานที่แยกจากกัน

เซลล์เชื้อเพลิงไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว (อย่างน้อยก็อยู่ภายในเซลล์) ดังนั้นจึงไม่ปฏิบัติตามกฎของคาร์โนต์ นั่นคือจะมีประสิทธิภาพมากกว่า 50% และมีประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่โหลดต่ำ ดังนั้นรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงจึงสามารถ (และได้รับการพิสูจน์แล้ว) ว่าประหยัดกว่ารถยนต์ทั่วไปภายใต้สภาพการขับขี่จริง

เซลล์เชื้อเพลิงสร้างกระแสไฟฟ้าแรงดันคงที่ซึ่งสามารถใช้ในการขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้า อุปกรณ์ส่องสว่าง และระบบไฟฟ้าอื่นๆ ในรถยนต์

เซลล์เชื้อเพลิงมีหลายประเภทที่แตกต่างกันไปตามกระบวนการทางเคมีที่ใช้ โดยปกติเซลล์เชื้อเพลิงจะจำแนกตามประเภทของอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้

เซลล์เชื้อเพลิงบางประเภทมีแนวโน้มที่จะใช้เป็นโรงไฟฟ้าสำหรับโรงไฟฟ้า ในขณะที่ประเภทอื่นๆ จะใช้สำหรับอุปกรณ์พกพาหรือสำหรับขับรถ

1. เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ (SHFC)

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์- นี่เป็นหนึ่งในองค์ประกอบแรกที่พัฒนาขึ้น เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ (ALFC) เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่มีการศึกษามากที่สุดที่ NASA ใช้ในโครงการ Apollo และ Space Shuttle ตั้งแต่กลางทศวรรษ 1960 บนยานอวกาศเหล่านี้ เซลล์เชื้อเพลิงผลิตไฟฟ้าและน้ำดื่ม

ข้าว. 3.

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์เป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดที่ใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้า โดยมีประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าสูงถึง 70%

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ใช้อิเล็กโทรไลต์ ซึ่งก็คือสารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ที่เป็นน้ำซึ่งมีอยู่ในเมทริกซ์ที่มีรูพรุน ความเข้มข้นของโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์อาจแตกต่างกันไปตามอุณหภูมิการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งอยู่ในช่วง 65 ° C ถึง 220 ° C ตัวพาประจุใน SHFC คือไฮดรอกซิลไอออน (OH-) ซึ่งเคลื่อนที่จากแคโทดไปยังแอโนด โดยจะทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจน ทำให้เกิดน้ำและอิเล็กตรอน น้ำที่ผลิตที่แอโนดจะเคลื่อนกลับไปที่แคโทด ทำให้เกิดไฮดรอกซิลไอออนที่นั่นอีกครั้ง ชุดของปฏิกิริยาในเซลล์เชื้อเพลิงนี้ผลิตกระแสไฟฟ้าและเป็นผลพลอยได้ ความร้อน:

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

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

การตอบสนองของระบบทั่วไป: 2H2 + O2 => 2H2O

ข้อดีของ SHFC คือเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้มีราคาถูกที่สุดในการผลิต เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาที่จำเป็นสำหรับอิเล็กโทรดอาจเป็นสารใดก็ได้ที่มีราคาถูกกว่าที่ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงอื่นๆ นอกจากนี้ SCHE ทำงานที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำและมีประสิทธิภาพมากที่สุด

หนึ่งใน ลักษณะเด่น SHTE มีความไวต่อ CO2 สูง ซึ่งสามารถบรรจุในเชื้อเพลิงหรืออากาศ CO2 ทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์ เป็นพิษอย่างรวดเร็ว และลดประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงลงอย่างมาก ดังนั้น การใช้ SHTE จึงจำกัดเฉพาะพื้นที่ปิด เช่น อวกาศและยานพาหนะใต้น้ำ โดยจะใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนบริสุทธิ์

2. เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้คาร์บอเนตหลอมเหลว (RKTE)

เซลล์เชื้อเพลิงที่มีอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวเป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิสูง อุณหภูมิในการทำงานที่สูงทำให้สามารถใช้ก๊าซธรรมชาติได้โดยตรงโดยไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงจากโปรเซสเซอร์ และก๊าซเชื้อเพลิงที่มีค่าความร้อนต่ำสำหรับกระบวนการทางอุตสาหกรรมและแหล่งอื่นๆ กระบวนการนี้พัฒนาขึ้นในช่วงกลางทศวรรษที่ 60 ของศตวรรษที่ 20 ตั้งแต่นั้นมา เทคโนโลยีการผลิต ประสิทธิภาพ และความน่าเชื่อถือได้รับการปรับปรุง

ข้าว. 4.

การทำงานของ RKTE แตกต่างจากเซลล์เชื้อเพลิงอื่นๆ เซลล์เหล่านี้ใช้อิเล็กโทรไลต์จากส่วนผสมของเกลือคาร์บอเนตหลอมเหลว ปัจจุบันมีสารผสมอยู่สองประเภท: ลิเธียมคาร์บอเนตและโพแทสเซียมคาร์บอเนตหรือลิเธียมคาร์บอเนตและโซเดียมคาร์บอเนต เพื่อละลายเกลือคาร์บอเนตและทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของไอออนในอิเล็กโทรไลต์ในระดับสูง เซลล์เชื้อเพลิงที่มีอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตที่หลอมละลายจะทำงานที่อุณหภูมิสูง (650 ° C) ประสิทธิภาพแตกต่างกันไประหว่าง 60-80%

เมื่อถูกความร้อนถึง 650 ° C เกลือจะกลายเป็นตัวนำสำหรับคาร์บอเนตไอออน (CO32-) ไอออนเหล่านี้เดินทางจากแคโทดไปยังแอโนด โดยที่ไอออนเหล่านี้จะรวมกับไฮโดรเจนเพื่อสร้างน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และอิเล็กตรอนอิสระ อิเล็กตรอนเหล่านี้จะถูกส่งกลับไปยังแคโทดผ่านวงจรไฟฟ้าภายนอก ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าและความร้อนเป็นผลพลอยได้

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

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

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

อุณหภูมิการทำงานที่สูงของเซลล์เชื้อเพลิงอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวมีข้อดีบางประการ ข้อดีคือความสามารถในการใช้วัสดุมาตรฐาน (แผ่น สแตนเลสและตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลบนอิเล็กโทรด) ความร้อนเหลือทิ้งสามารถใช้สร้างไอน้ำแรงดันสูงได้ อุณหภูมิปฏิกิริยาสูงในอิเล็กโทรไลต์ก็มีข้อดีเช่นกัน การใช้อุณหภูมิสูงใช้เวลานานเพื่อให้ได้สภาวะการทำงานที่เหมาะสม และระบบจะตอบสนองช้ากว่าต่อการเปลี่ยนแปลงของการใช้พลังงาน คุณลักษณะเหล่านี้ช่วยให้สามารถติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวได้ภายใต้สภาวะพลังงานคงที่ อุณหภูมิสูงช่วยป้องกันความเสียหายต่อเซลล์เชื้อเพลิง พิษ และอื่นๆ

เซลล์เชื้อเพลิงอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตหลอมเหลวเหมาะสำหรับการติดตั้งแบบอยู่กับที่ขนาดใหญ่ โรงไฟฟ้​​าความร้อนและพลังงานมีการผลิตทางอุตสาหกรรมโดยมีวันหยุด พลังงานไฟฟ้า 2.8 เมกะวัตต์ กำลังพัฒนาการติดตั้งที่มีกำลังขับสูงถึง 100 MW

3. เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้กรดฟอสฟอริก (FCTE)

เซลล์เชื้อเพลิงขึ้นอยู่กับกรดฟอสฟอริก (ออร์โธฟอสฟอริก)กลายเป็นเซลล์เชื้อเพลิงแรกสำหรับใช้ในเชิงพาณิชย์ กระบวนการนี้พัฒนาขึ้นในช่วงกลางทศวรรษที่ 60 ของศตวรรษที่ 20 มีการดำเนินการทดสอบตั้งแต่ยุค 70 ของศตวรรษที่ 20 ส่งผลให้เสถียรภาพและประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นและลดต้นทุนลง

ข้าว. 5.

เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้กรดฟอสฟอริก (ออร์โธฟอสฟอริก) ใช้อิเล็กโทรไลต์ที่มีกรดฟอสฟอริก (H3PO4) ที่มีความเข้มข้นสูงถึง 100% ค่าการนำไฟฟ้าอิออนของกรดฟอสฟอริกต่ำที่อุณหภูมิต่ำ ดังนั้นเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้จึงถูกใช้ที่อุณหภูมิสูงถึง 150-220 ° C

ตัวพาประจุในเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้คือไฮโดรเจน (H +, โปรตอน) กระบวนการที่คล้ายกันเกิดขึ้นในเซลล์เชื้อเพลิงที่มีเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (MOPTE) ซึ่งไฮโดรเจนที่จ่ายให้กับแอโนดจะถูกแยกออกเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน โปรตอนเดินทางผ่านอิเล็กโทรไลต์และรวมกับออกซิเจนจากอากาศที่แคโทดเพื่อสร้างน้ำ อิเล็กตรอนถูกส่งผ่านวงจรไฟฟ้าภายนอกเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้า ด้านล่างนี้คือปฏิกิริยาที่สร้างกระแสไฟฟ้าและความร้อน

ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก: 2H2 => 4H + + 4e

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

ปฏิกิริยาทั่วไปของธาตุ: 2H2 + O2 => 2H2O

ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้กรดฟอสฟอริก (ออร์โธฟอสฟอริก) อยู่ที่ 40% เมื่อสร้างพลังงานไฟฟ้า ประสิทธิภาพโดยรวมอยู่ที่ประมาณ 85% ด้วยความร้อนและการผลิตไฟฟ้า นอกจากนี้ เมื่อพิจารณาจากอุณหภูมิในการทำงานแล้ว ความร้อนเหลือทิ้งสามารถนำมาใช้เพื่อให้ความร้อนกับน้ำและสร้างไอน้ำที่ความดันบรรยากาศได้

ประสิทธิภาพสูงของโรงไฟฟ้าพลังความร้อนในเซลล์เชื้อเพลิงที่มีกรดฟอสฟอริก (ออร์โธฟอสฟอริก) ในการผลิตความร้อนและไฟฟ้ารวมกันเป็นข้อดีอย่างหนึ่งของเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้ พืชใช้คาร์บอนมอนอกไซด์ที่มีความเข้มข้นประมาณ 1.5% ซึ่งช่วยขยายทางเลือกของเชื้อเพลิงได้อย่างมาก การออกแบบที่เรียบง่าย ความแปรปรวนของอิเล็กโทรไลต์ต่ำ และความเสถียรที่เพิ่มขึ้นนั้นเป็นข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าว

โรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่มีกำลังไฟฟ้าสูงสุด 400 กิโลวัตต์ผลิตขึ้นในเชิงอุตสาหกรรม การติดตั้งที่มีความจุ 11 MW ผ่านการทดสอบที่เกี่ยวข้อง กำลังพัฒนาการติดตั้งที่มีกำลังขับสูงถึง 100 MW

4. เซลล์เชื้อเพลิงที่มีเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (MOPTE)

เซลล์เชื้อเพลิงที่มีเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนถือเป็นเซลล์เชื้อเพลิงชนิดที่ดีที่สุดสำหรับการผลิตกระแสไฟฟ้าสำหรับยานยนต์ ซึ่งสามารถทดแทนเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้น้ำมันเบนซินและดีเซลได้ เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ถูกใช้ครั้งแรกโดย NASA สำหรับโปรแกรมราศีเมถุน การติดตั้งบน MOPTE ที่มีความจุตั้งแต่ 1W ถึง 2 kW ได้รับการพัฒนาและแสดงให้เห็น

ข้าว. 6.

อิเล็กโทรไลต์ในเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้เป็นเมมเบรนโพลีเมอร์ที่เป็นของแข็ง (ฟิล์มพลาสติกบาง) เมื่อแช่ในน้ำ พอลิเมอร์นี้ยอมให้โปรตอนผ่านเข้าไปได้ แต่ไม่นำอิเล็กตรอน

เชื้อเพลิงคือไฮโดรเจน และตัวพาประจุคือไฮโดรเจนไอออน (โปรตอน) ที่ขั้วบวก โมเลกุลไฮโดรเจนจะแยกออกเป็นไฮโดรเจนไอออน (โปรตอน) และอิเล็กตรอน ไอออนของไฮโดรเจนผ่านอิเล็กโทรไลต์ไปยังแคโทด ในขณะที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ วงกลมด้านนอกและผลิตพลังงานไฟฟ้า ออกซิเจนซึ่งถูกดึงออกจากอากาศจะถูกส่งไปยังแคโทดและรวมตัวกับอิเล็กตรอนและไฮโดรเจนไอออนเพื่อสร้างน้ำ ปฏิกิริยาต่อไปนี้เกิดขึ้นที่ขั้วไฟฟ้า: ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e ปฏิกิริยาที่ขั้วลบ: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH ปฏิกิริยาของเซลล์โดยรวม: 2H2 + O2 => 2H2O เมื่อเปรียบเทียบกับชนิดอื่นๆ ชนิดของเซลล์เชื้อเพลิง เซลล์เชื้อเพลิง เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนผลิตพลังงานมากขึ้นสำหรับปริมาตรหรือน้ำหนักที่กำหนดของเซลล์เชื้อเพลิง คุณลักษณะนี้ช่วยให้มีขนาดกะทัดรัดและน้ำหนักเบา นอกจากนี้ อุณหภูมิในการทำงานจะน้อยกว่า 100 ° C ซึ่งช่วยให้เริ่มต้นการทำงานได้อย่างรวดเร็ว คุณลักษณะเหล่านี้ ตลอดจนความสามารถในการเปลี่ยนพลังงานได้อย่างรวดเร็ว เป็นเพียงส่วนน้อยที่ทำให้เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้เป็นตัวเลือกหลักสำหรับการใช้งานรถยนต์

ข้อดีอีกประการหนึ่งคืออิเล็กโทรไลต์เป็นของแข็งและไม่ใช่ของเหลว การเก็บก๊าซไว้ที่แคโทดและแอโนดด้วยอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งนั้นง่ายกว่า ดังนั้นเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวจึงมีราคาถูกกว่าในการผลิต เมื่อใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งจะไม่มีปัญหาเช่นการวางแนวและ ปัญหาน้อยลงเนื่องจากลักษณะของการกัดกร่อนซึ่งเพิ่มความทนทานขององค์ประกอบและส่วนประกอบ

ข้าว. 7.

5. เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC)

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์คือเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิการทำงานสูงสุด อุณหภูมิในการทำงานสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่ 600 ° C ถึง 1,000 ° C ซึ่งทำให้ใช้งานได้ ประเภทต่างๆเชื้อเพลิงที่ไม่มีการบำบัดล่วงหน้าเป็นพิเศษ เพื่อจัดการกับอุณหภูมิสูงเหล่านี้ อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้คือโลหะออกไซด์ที่เป็นของแข็งบาง ๆ ที่ทำจากเซรามิก ซึ่งมักเป็นโลหะผสมของอิตเทรียมและเซอร์โคเนียมซึ่งเป็นตัวนำของไอออนออกซิเจน (O2-) เทคโนโลยีการใช้เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ได้รับการพัฒนาตั้งแต่ช่วงปลายทศวรรษ 1950 และมีสองรูปแบบ: ระนาบและแบบท่อ

อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งให้การเปลี่ยนผ่านของก๊าซจากอิเล็กโทรดหนึ่งไปยังอีกอิเล็กโทรดแบบผนึกอย่างผนึกแน่น ในขณะที่อิเล็กโทรไลต์เหลวจะอยู่ในซับสเตรตที่มีรูพรุน ตัวพาประจุในเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้คือออกซิเจนไอออน (O2-) ที่ขั้วลบ โมเลกุลออกซิเจนจากอากาศจะถูกแยกออกเป็นออกซิเจนไอออนและอิเล็กตรอนสี่ตัว ไอออนของออกซิเจนผ่านอิเล็กโทรไลต์และรวมกับไฮโดรเจนเพื่อสร้างอิเล็กตรอนอิสระสี่ตัว อิเล็กตรอนถูกส่งผ่านวงจรไฟฟ้าภายนอก ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าและความร้อนเหลือทิ้ง

ข้าว. แปด.

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

ปฏิกิริยาแคโทด: O2 + 4e- => 2O2-

ปฏิกิริยาทั่วไปของธาตุ: 2H2 + O2 => 2H2O

ประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าสูงสุดของเซลล์เชื้อเพลิงทั้งหมด - ประมาณ 60% นอกจากนี้ อุณหภูมิในการทำงานที่สูงยังทำให้เกิดความร้อนและพลังงานร่วมเพื่อสร้างไอน้ำแรงดันสูง การรวมเซลล์เชื้อเพลิงอุณหภูมิสูงเข้ากับเทอร์ไบน์ทำให้สามารถสร้างเซลล์เชื้อเพลิงไฮบริดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ถึง 70%

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ทำงานที่อุณหภูมิสูงมาก (600 ° C-1000 ° C) ซึ่งใช้เวลานานเพื่อให้ได้สภาวะการทำงานที่เหมาะสมที่สุด และระบบจะตอบสนองช้ากว่าต่อการเปลี่ยนแปลงของการใช้พลังงาน ที่อุณหภูมิการทำงานที่สูงเช่นนี้ คอนเวอร์เตอร์ไม่จำเป็นต้องกู้คืนไฮโดรเจนจากเชื้อเพลิง ซึ่งช่วยให้โรงไฟฟ้าพลังความร้อนทำงานกับเชื้อเพลิงที่ค่อนข้างไม่สะอาดซึ่งเป็นผลมาจากการแปรสภาพเป็นแก๊สของถ่านหินหรือก๊าซเสีย และอื่นๆ ในทำนองเดียวกัน นอกจากนี้ เซลล์เชื้อเพลิงนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการทำงานกับ พลังสูงรวมทั้งโรงงานอุตสาหกรรมและโรงไฟฟ้าส่วนกลางขนาดใหญ่ โมดูลที่มีกำลังไฟฟ้าเอาท์พุต 100 กิโลวัตต์ผลิตในเชิงพาณิชย์

6. เซลล์เชื้อเพลิงที่มีปฏิกิริยาออกซิเดชันเมทานอลโดยตรง (POMTE)

เซลล์เชื้อเพลิงที่มีปฏิกิริยาออกซิเดชันของเมทานอลโดยตรงพวกมันถูกใช้อย่างประสบความสำเร็จในด้านการจ่ายไฟสำหรับโทรศัพท์มือถือแล็ปท็อปรวมถึงการสร้างแหล่งพลังงานแบบพกพาซึ่งเป็นสิ่งที่มุ่งเป้าไปที่การใช้องค์ประกอบดังกล่าวในอนาคต

การออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงที่มีออกซิเดชันของเมทานอลโดยตรงคล้ายกับการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงที่มีเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (MOPTE) กล่าวคือ โพลีเมอร์ถูกใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ และใช้ไฮโดรเจนไอออน (โปรตอน) เป็นตัวพาประจุ แต่เมทานอลเหลว (CH3OH) จะถูกออกซิไดซ์ในที่ที่มีน้ำที่ขั้วบวกด้วยการปล่อย CO2 ไฮโดรเจนไอออน และอิเล็กตรอน ซึ่งถูกขับไปตามวงจรไฟฟ้าภายนอกและเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น ไฮโดรเจนไอออนผ่านอิเล็กโทรไลต์และทำปฏิกิริยากับออกซิเจนจากอากาศและอิเล็กตรอนจากวงจรภายนอกเพื่อสร้างน้ำที่ขั้วบวก

ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก: CH3OH + H2O => CO2 + 6H + + 6e ปฏิกิริยาที่ขั้วลบ: 3 / 2O2 + 6H + + 6e- => 3H2O ปฏิกิริยาทั่วไปขององค์ประกอบ: CH3OH + 3 / 2O2 => CO2 + 2H2O การพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวได้ดำเนินการตั้งแต่ต้นปี 90-x ของศตวรรษที่ 20 และความหนาแน่นและประสิทธิภาพของพลังงานเพิ่มขึ้นเป็น 40%

องค์ประกอบเหล่านี้ได้รับการทดสอบในช่วงอุณหภูมิ 50-120 ° C เนื่องจากอุณหภูมิในการทำงานต่ำและไม่จำเป็นต้องใช้ตัวแปลง เซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวจึงเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานในโทรศัพท์มือถือและสินค้าอุปโภคบริโภคอื่นๆ รวมทั้งในเครื่องยนต์รถยนต์ ข้อได้เปรียบของพวกเขาคือขนาดที่เล็ก

7. เซลล์เชื้อเพลิงพอลิเมอร์อิเล็กโทรไลต์ (PETE)

ในกรณีของเซลล์เชื้อเพลิงโพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์ เมมเบรนโพลีเมอร์ประกอบด้วยเส้นใยโพลีเมอร์ที่มีบริเวณน้ำซึ่งมีการนำไอออนของน้ำ H2O + (โปรตอน สีแดง) มาเกาะกับโมเลกุลของน้ำ โมเลกุลของน้ำก่อให้เกิดปัญหาเนื่องจากการแลกเปลี่ยนไอออนช้า ดังนั้นจึงต้องใช้น้ำที่มีความเข้มข้นสูงทั้งในน้ำมันเชื้อเพลิงและที่ขั้วไฟฟ้าขาออก ซึ่งจำกัดอุณหภูมิในการทำงานไว้ที่ 100 ° C

8. เซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นกรด (TKTE)

ในเซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นกรดที่เป็นของแข็ง อิเล็กโทรไลต์ (CsHSO4) ไม่มีน้ำ อุณหภูมิในการทำงานจึงอยู่ที่ 100-300 ° C การหมุนของ oxyanions SO42 - อนุญาตให้โปรตอน (สีแดง) เคลื่อนที่ดังแสดงในรูป โดยปกติ เซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นกรดที่เป็นของแข็งคือแซนวิชซึ่งมีชั้นบาง ๆ ของสารประกอบกรดที่เป็นของแข็งประกบอยู่ระหว่างอิเล็กโทรดที่อัดแน่นสองขั้วเพื่อให้แน่ใจว่ามีการสัมผัสที่ดี เมื่อถูกความร้อน ส่วนประกอบอินทรีย์จะระเหยออกจากรูพรุนในอิเล็กโทรด โดยคงความสามารถในการสัมผัสหลายจุดระหว่างเชื้อเพลิง (หรือออกซิเจนที่ปลายอีกด้านหนึ่งของเซลล์) อิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรด

ข้าว. 9.

9. การเปรียบเทียบลักษณะที่สำคัญที่สุดของเซลล์เชื้อเพลิง

ลักษณะเซลล์เชื้อเพลิง

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

ข้าว. 10.

10. การใช้เซลล์เชื้อเพลิงในรถยนต์

ข้าว. สิบเอ็ด

ข้าว. 12.

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่ทุกปี หากไม่นับเดือน จะเข้าถึงและแพร่หลายมากขึ้น ที่นี่คุณมีแล็ปท็อป พีดีเอ และ กล้องดิจิตอลและโทรศัพท์มือถือและอุปกรณ์ที่มีประโยชน์มากมายและไม่ใช่อุปกรณ์ และอุปกรณ์เหล่านี้ทั้งหมดได้รับคุณลักษณะใหม่ ๆ อย่างต่อเนื่อง โปรเซสเซอร์ที่ทรงพลังยิ่งขึ้น หน้าจอสีที่ใหญ่ขึ้น การเชื่อมต่อไร้สาย ในขณะที่ลดขนาดลง แต่ต่างจากเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ เทคโนโลยีด้านพลังงานของโรงเลี้ยงสัตว์เคลื่อนที่นี้ไม่ได้เกิดขึ้นอย่างก้าวกระโดด

แบตเตอรี่และแบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้ทั่วไปไม่เพียงพอต่อการจ่ายไฟ ความก้าวหน้าล่าสุดอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ในช่วงเวลาที่มีนัยสำคัญ และหากไม่มีแบตเตอรี่ความจุสูงที่เชื่อถือได้ จุดรวมของความคล่องตัวและไร้สายทั้งหมดจะหายไป ดังนั้นอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์จึงพยายามแก้ไขปัญหานี้มากขึ้นเรื่อยๆ แหล่งจ่ายไฟสำรอง... และทิศทางที่สดใสที่สุดในวันนี้คือ เซลล์เชื้อเพลิง.

หลักการพื้นฐานของเซลล์เชื้อเพลิงถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ Sir William Grove ในปี 1839 เขาเป็นที่รู้จักในฐานะบิดาของ "เซลล์เชื้อเพลิง" วิลเลียม โกรฟ ผลิตไฟฟ้าโดยการดัดแปลงเพื่อแยกไฮโดรเจนและออกซิเจน เมื่อถอดแบตเตอรี่ออกจากเซลล์อิเล็กโทรไลต์ โกรฟรู้สึกประหลาดใจที่พบว่าอิเล็กโทรดเริ่มดูดซับก๊าซที่วิวัฒนาการและสร้างกระแสไฟฟ้า กำลังเปิดกระบวนการ การเผาไหม้ด้วยไฟฟ้าเคมี "เย็น" ของไฮโดรเจนกลายเป็นเหตุการณ์สำคัญในภาคพลังงาน และต่อมานักเคมีไฟฟ้าที่มีชื่อเสียงอย่าง Ostwald และ Nernst ก็มีบทบาทสำคัญในการพัฒนา รากฐานทางทฤษฎีและการนำเซลล์เชื้อเพลิงไปปฏิบัติจริงและทำนายอนาคตที่ดีสำหรับพวกเขา

ตัวฉันเอง คำว่า "เซลล์เชื้อเพลิง"ปรากฏในภายหลัง - เสนอในปี 1889 โดย Ludwig Mond และ Charles Langer ผู้ซึ่งพยายามสร้างอุปกรณ์สำหรับผลิตไฟฟ้าจากอากาศและก๊าซถ่านหิน

ในการเผาไหม้ปกติของออกซิเจน จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันของเชื้อเพลิงฟอสซิล และพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงจะถูกแปลงเป็น พลังงานความร้อน... แต่กลับกลายเป็นว่าเป็นไปได้สำหรับปฏิกิริยาออกซิเดชัน เช่น ไฮโดรเจนกับออกซิเจน ที่จะดำเนินการในสภาพแวดล้อมของอิเล็กโทรไลต์ และในที่ที่มีอิเล็กโทรด จะได้รับกระแสไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น การจ่ายไฮโดรเจนไปยังอิเล็กโทรดในตัวกลางที่เป็นด่าง เราจะได้อิเล็กตรอน:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

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

จะเห็นได้ว่าปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น 2H2 + O2 → H2O นั้นเหมือนกับในการเผาไหม้แบบธรรมดา แต่ในเซลล์เชื้อเพลิงหรืออย่างอื่น - ใน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเคมีได้กระแสไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงและความร้อนบางส่วน โปรดทราบว่าถ่านหิน คาร์บอนมอนอกไซด์ แอลกอฮอล์ ไฮดราซีน และสารอินทรีย์อื่นๆ สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงในเซลล์เชื้อเพลิง และสามารถใช้อากาศ ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ คลอรีน โบรมีน กรดไนตริก ฯลฯ เป็นสารออกซิไดซ์ได้

การพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงยังคงดำเนินต่อไปอย่างแข็งขันทั้งในต่างประเทศและในรัสเซีย และจากนั้นในสหภาพโซเวียต ในบรรดานักวิทยาศาสตร์ที่มีส่วนร่วมอย่างมากในการศึกษาเซลล์เชื้อเพลิง เราสังเกตเห็น V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Yusti, K. Kordesh ในช่วงกลางศตวรรษที่ผ่านมา พายุลูกใหม่แห่งปัญหาเซลล์เชื้อเพลิงได้เริ่มต้นขึ้น ส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากการเกิดขึ้นของแนวคิด วัสดุ และเทคโนโลยีใหม่ ๆ อันเป็นผลมาจากการวิจัยด้านการป้องกันประเทศ

หนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ที่ทำขั้นตอนสำคัญในการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงคือ P.M.Spiridonov ธาตุไฮโดรเจน-ออกซิเจนของสไปริดอนอฟให้ความหนาแน่นกระแส 30 mA / cm2 ซึ่งในเวลานั้นถือว่าประสบความสำเร็จอย่างมาก ในวัยสี่สิบ O. Davtyan ได้สร้างการติดตั้งสำหรับการเผาไหม้ไฟฟ้าเคมีของก๊าซเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ได้จากการแปรสภาพเป็นแก๊สจากถ่านหิน สำหรับปริมาตรองค์ประกอบแต่ละลูกบาศก์เมตร Davtyan ได้รับพลังงาน 5 กิโลวัตต์

มันเป็น เซลล์เชื้อเพลิงอิเล็กโทรไลต์แข็งตัวแรก... มีประสิทธิภาพสูง แต่เมื่อเวลาผ่านไป อิเล็กโทรไลต์เสื่อมสภาพและต้องเปลี่ยน ต่อจากนั้น Davtyan ในช่วงปลายยุค 50 ได้สร้างการติดตั้งที่มีประสิทธิภาพซึ่งทำให้รถแทรกเตอร์เคลื่อนที่ได้ ในปีเดียวกัน วิศวกรชาวอังกฤษ ที. เบคอน ได้ออกแบบและสร้างแบตเตอรี่เซลล์เชื้อเพลิงที่มีความจุรวม 6 กิโลวัตต์ และประสิทธิภาพ 80% ซึ่งทำงานโดยใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนบริสุทธิ์ แต่อัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักของ แบตเตอรี่มีขนาดเล็กเกินไป - เซลล์ดังกล่าวไม่เหมาะสำหรับการใช้งานจริงและมีราคาแพงเกินไป

ในปีต่อๆ มา เวลาของคนโดดเดี่ยวก็ผ่านไป ผู้สร้างยานอวกาศเริ่มสนใจเซลล์เชื้อเพลิง ตั้งแต่ช่วงกลางทศวรรษที่ 60 ได้มีการลงทุนหลายล้านดอลลาร์ในการวิจัยเซลล์เชื้อเพลิง ผลงานของนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรหลายพันคนทำให้สามารถไปถึงระดับใหม่ได้ และในปี 2508 เซลล์เชื้อเพลิงได้รับการทดสอบในสหรัฐอเมริกาสำหรับ ยานอวกาศราศีเมถุน-5 และหลังจากนั้น - บนยานอวกาศอพอลโลสำหรับเที่ยวบินไปยังดวงจันทร์และภายใต้โครงการกระสวยอวกาศ

ในสหภาพโซเวียต เซลล์เชื้อเพลิงได้รับการพัฒนาที่ NPO Kvant สำหรับใช้ในอวกาศเช่นกัน ในปีที่ผ่านมามีวัสดุใหม่ปรากฏขึ้นแล้ว - อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ที่เป็นของแข็งขึ้นอยู่กับเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออน, ตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดใหม่, อิเล็กโทรด อย่างไรก็ตาม ความหนาแน่นกระแสการทำงานมีขนาดเล็ก - ภายใน 100-200 mA / cm2 และเนื้อหาแพลตตินัมบนอิเล็กโทรดมีค่าหลาย g / cm2 มีปัญหามากมายเกี่ยวกับความทนทาน ความมั่นคง ความปลอดภัย

ขั้นตอนต่อไปในการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงอย่างรวดเร็วเริ่มขึ้นในทศวรรษ 90 ของศตวรรษที่ผ่านมาและต่อเนื่องมาจนถึงทุกวันนี้ เกิดจากความต้องการแหล่งพลังงานใหม่ที่มีประสิทธิภาพในด้านหนึ่ง โดยที่ปัญหาสิ่งแวดล้อมโลกคือการปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่เพิ่มมากขึ้นจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล และในทางกลับกัน จากการที่เชื้อเพลิงดังกล่าวหมดลง เงินสำรอง เนื่องจากผลิตภัณฑ์สุดท้ายของการเผาไหม้ไฮโดรเจนในเซลล์เชื้อเพลิงคือน้ำ จึงถือว่าสะอาดที่สุดในแง่ของผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ปัญหาหลักอยู่ที่การค้นหาวิธีการผลิตไฮโดรเจนที่มีประสิทธิภาพและราคาไม่แพงเท่านั้น

การลงทุนทางการเงินหลายพันล้านครั้งในการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงและเครื่องกำเนิดไฮโดรเจนควรนำไปสู่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและทำให้เป็นจริงในชีวิตประจำวัน: ในเซลล์สำหรับโทรศัพท์มือถือ ในรถยนต์ ในโรงไฟฟ้า ตอนนี้ยักษ์ใหญ่ด้านยานยนต์เช่น Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors กำลังสาธิตรถยนต์และรถโดยสารที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงที่มีความจุ 50 กิโลวัตต์ ได้พัฒนาหลายบริษัท โรงไฟฟ้าสาธิตบนเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอิเล็กโทรไลต์โซลิดออกไซด์ที่มีความจุสูงถึง 500 kW... แต่ถึงแม้จะมีความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการปรับปรุงคุณลักษณะของเซลล์เชื้อเพลิง แต่ก็ยังมีปัญหามากมายที่ต้องแก้ไขที่เกี่ยวข้องกับต้นทุน ความน่าเชื่อถือ และความปลอดภัย

ในเซลล์เชื้อเพลิงซึ่งแตกต่างจากแบตเตอรี่และตัวสะสม ทั้งเชื้อเพลิงและตัวออกซิไดเซอร์จะจ่ายให้จากภายนอก เซลล์เชื้อเพลิงเป็นเพียงตัวกลางในปฏิกิริยาและใน เงื่อนไขในอุดมคติสามารถทำงานได้เกือบตลอดไป ความงามของเทคโนโลยีนี้คือ อันที่จริง องค์ประกอบดังกล่าวเผาผลาญเชื้อเพลิงและแปลงพลังงานที่ปล่อยออกมาเป็นไฟฟ้าโดยตรง ด้วยการเผาไหม้เชื้อเพลิงโดยตรง ออกซิเจนจะถูกออกซิไดซ์ และความร้อนที่ปล่อยออกมาในระหว่างนี้จะนำไปใช้ในการทำงานที่มีประโยชน์

ในเซลล์เชื้อเพลิง เช่นเดียวกับในแบตเตอรี่ ปฏิกิริยาของการเกิดออกซิเดชันของเชื้อเพลิงและการลดออกซิเจนจะถูกแยกจากกัน และกระบวนการ "การเผาไหม้" จะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อเซลล์จ่ายกระแสให้กับโหลดเท่านั้น มันเหมือนกับ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลเท่านั้น ไม่มีดีเซลและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า... และยังปราศจากควัน เสียง ความร้อนสูงเกินไป และมีประสิทธิภาพสูงกว่ามาก อันหลังอธิบายได้ด้วยความจริงที่ว่า ประการแรก ไม่มีตัวกลาง อุปกรณ์เครื่องกลและประการที่สอง เซลล์เชื้อเพลิงไม่ใช่เครื่องยนต์ความร้อน และด้วยเหตุนี้ จึงไม่เป็นไปตามกฎของคาร์โนต์ (กล่าวคือ ประสิทธิภาพของมันไม่ได้ถูกกำหนดโดยความแตกต่างของอุณหภูมิ)

ออกซิเจนถูกใช้เป็นตัวออกซิไดซ์ในเซลล์เชื้อเพลิง นอกจากนี้ เนื่องจากมีออกซิเจนเพียงพอในอากาศ จึงไม่จำเป็นต้องกังวลเกี่ยวกับการจ่ายออกซิไดเซอร์ เชื้อเพลิงคือไฮโดรเจน ดังนั้น ปฏิกิริยาเกิดขึ้นในเซลล์เชื้อเพลิง:

2H2 + O2 → 2H2O + ไฟฟ้า + ความร้อน

ผลที่ได้คือพลังงานที่มีประโยชน์และไอน้ำ โครงสร้างที่ง่ายที่สุดคือ เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน(ดูรูปที่ 1) มันทำงานดังนี้: ไฮโดรเจนที่เข้าสู่องค์ประกอบจะสลายตัวภายใต้การกระทำของตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นอิเล็กตรอนและไฮโดรเจนไอออนที่มีประจุบวก H + จากนั้นจึงใช้เมมเบรนพิเศษซึ่งทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์ในแบตเตอรี่ทั่วไป เนื่องจากองค์ประกอบทางเคมีทำให้โปรตอนสามารถผ่านตัวเองได้ แต่ยังคงเก็บอิเล็กตรอนไว้ ดังนั้น อิเล็กตรอนที่สะสมที่ขั้วบวกจะสร้างประจุลบส่วนเกิน และไฮโดรเจนไอออนจะสร้างประจุบวกที่ขั้วลบ (แรงดันไฟฟ้าข้ามเซลล์ประมาณ 1V)

สำหรับการสร้าง พลังสูงเซลล์เชื้อเพลิงประกอบขึ้นจากเซลล์จำนวนมาก หากองค์ประกอบนั้นรวมอยู่ในโหลด อิเล็กตรอนจะไหลผ่านมันไปยังแคโทด สร้างกระแสและทำให้กระบวนการออกซิเดชันของไฮโดรเจนด้วยออกซิเจนเสร็จสมบูรณ์ ตามกฎแล้วจะใช้อนุภาคแพลตตินั่มที่รองรับเส้นใยคาร์บอนเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าว เนื่องจากโครงสร้าง ตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวจึงสามารถซึมผ่านก๊าซและไฟฟ้าได้สูง เมมเบรนมักจะทำจากพอลิเมอร์ที่มีกำมะถัน Nafion ความหนาของเมมเบรนเท่ากับหนึ่งในสิบของมิลลิเมตร ในระหว่างการทำปฏิกิริยา แน่นอนว่าความร้อนก็ถูกปล่อยออกมาเช่นกัน แต่มีไม่มาก ดังนั้นอุณหภูมิในการทำงานจะอยู่ที่ 40-80 ° C

มะเดื่อ 1. เซลล์เชื้อเพลิงทำงานอย่างไร

มีเซลล์เชื้อเพลิงประเภทอื่นๆ ซึ่งส่วนใหญ่แตกต่างกันไปตามชนิดของอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ เกือบทั้งหมดต้องการไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง ดังนั้นจึงมีคำถามเชิงตรรกะเกิดขึ้น: จะหาได้จากที่ไหน แน่นอน มันเป็นไปได้ที่จะใช้ไฮโดรเจนอัดจากกระบอกสูบ แต่ปัญหาก็เกิดขึ้นทันทีที่เกี่ยวข้องกับการขนส่งและการจัดเก็บก๊าซที่ติดไฟได้สูงนี้ภายใต้ความกดอากาศสูง แน่นอน ไฮโดรเจนสามารถใช้ได้ในลักษณะผูกมัด เช่นเดียวกับในแบตเตอรี่เมทัลไฮไดรด์ แต่ปัญหาของการผลิตและการขนส่งยังคงอยู่ เนื่องจากโครงสร้างพื้นฐานของการเติมไฮโดรเจนไม่มีอยู่จริง

อย่างไรก็ตาม ยังมีวิธีแก้ปัญหาอยู่ที่นี่ - เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนเหลวสามารถใช้เป็นแหล่งไฮโดรเจนได้ ตัวอย่างเช่น เอทิลหรือเมทิลแอลกอฮอล์ จริงอยู่จำเป็นต้องมีอุปกรณ์เพิ่มเติมพิเศษที่นี่ - ตัวแปลงเชื้อเพลิงซึ่งแปลงแอลกอฮอล์เป็นส่วนผสมของก๊าซ H2 และ CO2 ที่อุณหภูมิสูง (สำหรับเมทานอลจะอยู่ที่ประมาณ 240 ° C) แต่ในกรณีนี้ การคิดถึงการพกพาเป็นเรื่องยากกว่าอยู่แล้ว - อุปกรณ์ดังกล่าวเหมาะที่จะใช้อยู่กับที่หรืออยู่กับที่ แต่สำหรับอุปกรณ์พกพาขนาดกะทัดรัด คุณต้องการสิ่งที่ยุ่งยากน้อยกว่า

และที่นี่เรามาถึงอุปกรณ์อย่างแน่นอนซึ่งการพัฒนากำลังดำเนินการอย่างหนักโดยผู้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รายใหญ่ที่สุดเกือบทั้งหมด - เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอล(รูปที่ 2).

มะเดื่อ 2. เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลทำงานอย่างไร

ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนและเมทานอลอยู่ในตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ ตัวเร่งปฏิกิริยาในเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลช่วยให้สามารถกำจัดโปรตอนออกจากโมเลกุลแอลกอฮอล์ได้โดยตรง ดังนั้นปัญหาเรื่องเชื้อเพลิงจึงได้รับการแก้ไข - เมทิลแอลกอฮอล์ผลิตขึ้นอย่างหนาแน่นสำหรับอุตสาหกรรมเคมี จัดเก็บและขนส่งได้ง่าย และการชาร์จเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอล ก็เพียงพอแล้วเพียงแค่เปลี่ยนตลับเชื้อเพลิง จริงอยู่มีข้อเสียเปรียบที่สำคัญประการหนึ่งคือเมทานอลเป็นพิษ นอกจากนี้ ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลยังต่ำกว่าเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนอย่างมาก

ข้าว. 3. เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอล

ตัวเลือกที่เย้ายวนที่สุดคือใช้เป็นเชื้อเพลิง เอทานอล,ประโยชน์ของการผลิตและจำหน่าย เครื่องดื่มแอลกอฮอล์องค์ประกอบและป้อมปราการใด ๆ เป็นที่ยอมรับทั่วโลก อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงเอทานอลยังต่ำกว่าเมทานอลด้วยซ้ำ

ตามที่ระบุไว้ในช่วงหลายปีของการพัฒนาในด้านเซลล์เชื้อเพลิง เซลล์เชื้อเพลิงประเภทต่างๆ ได้ถูกสร้างขึ้น เซลล์เชื้อเพลิงจำแนกตามอิเล็กโทรไลต์และประเภทเชื้อเพลิง

1. อิเล็กโทรไลต์ไฮโดรเจนออกซิเจนที่เป็นของแข็ง

2. เซลล์เชื้อเพลิงพอลิเมอร์เมทานอลที่เป็นของแข็ง

3. เซลล์บนอัลคาไลน์อิเล็กโทรไลต์

4. เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก

5. เซลล์เชื้อเพลิงขึ้นอยู่กับคาร์บอเนตหลอมเหลว

6. เซลล์เชื้อเพลิงแข็งออกไซด์

ตามหลักการแล้ว ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงนั้นสูงมาก แต่ในสภาพจริงมีความสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการที่ไม่สมดุล เช่น การสูญเสียโอห์มมิกอันเนื่องมาจากค่าการนำไฟฟ้าจำเพาะของอิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรด การกระตุ้นและโพลาไรซ์ของความเข้มข้น การสูญเสียจากการแพร่ เป็นผลให้ส่วนหนึ่งของพลังงานที่สร้างขึ้นในเซลล์เชื้อเพลิงถูกแปลงเป็นความร้อน ความพยายามของผู้เชี่ยวชาญมีเป้าหมายเพื่อลดการสูญเสียเหล่านี้

แหล่งที่มาหลักของการสูญเสียโอห์มมิกเช่นเดียวกับสาเหตุ ราคาสูงเซลล์เชื้อเพลิงเป็นเมมเบรนแลกเปลี่ยนซัลโฟนิกไอออนเปอร์ฟลูออริเนต ขณะนี้กำลังดำเนินการค้นหาโพลีเมอร์ที่นำโปรตอนราคาถูกและทางเลือกอื่น เนื่องจากค่าการนำไฟฟ้าของเมมเบรนเหล่านี้ (อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง) ถึงค่าที่ยอมรับได้ (10 โอห์ม / ซม.) เมื่อมีน้ำเท่านั้น ก๊าซที่จ่ายไปยังเซลล์เชื้อเพลิงจะต้องได้รับความชื้นเพิ่มเติมในอุปกรณ์พิเศษ ซึ่งจะเพิ่มต้นทุนของ ระบบ. ในอิเล็กโทรดการแพร่ก๊าซแบบเร่งปฏิกิริยา ส่วนใหญ่จะใช้แพลตตินัมและโลหะมีตระกูลอื่น ๆ และจนถึงขณะนี้ยังไม่มีการแทนที่สำหรับอิเล็กโทรดเหล่านี้ แม้ว่าปริมาณแพลตตินั่มในเซลล์เชื้อเพลิงจะมีขนาดหลาย มก. / ซม. 2 แต่สำหรับแบตเตอรี่ขนาดใหญ่จะมีปริมาณถึงหลายสิบกรัม

เมื่อออกแบบเซลล์เชื้อเพลิง จะให้ความสนใจอย่างมากกับระบบกำจัดความร้อน เนื่องจากที่ความหนาแน่นกระแสไฟสูง (สูงถึง 1A / cm2) ระบบความร้อนในตัวจะเกิดขึ้น สำหรับการระบายความร้อนจะใช้น้ำที่หมุนเวียนในเซลล์เชื้อเพลิงผ่านช่องทางพิเศษและอากาศจะถูกเป่าด้วยพลังงานต่ำ

ดังนั้นระบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเคมีสมัยใหม่ที่นอกเหนือไปจากเซลล์เชื้อเพลิงเองนั้น "รก" ด้วยอุปกรณ์เสริมมากมาย เช่น: ปั๊ม, คอมเพรสเซอร์สำหรับการจ่ายอากาศ, การรับไฮโดรเจน, เครื่องเพิ่มความชื้นในแก๊ส, หน่วยทำความเย็น, การรั่วไหลของก๊าซ ระบบควบคุม, ตัวแปลง กระแสตรงเป็นตัวแปร โปรเซสเซอร์ควบคุม ฯลฯ ทั้งหมดนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าค่าใช้จ่ายของระบบเซลล์เชื้อเพลิงในปี 2547-2548 อยู่ที่ 2-3 พันเหรียญสหรัฐ / กิโลวัตต์ ตามที่ผู้เชี่ยวชาญระบุ เซลล์เชื้อเพลิงจะพร้อมใช้ในการขนส่งและโรงไฟฟ้าแบบอยู่กับที่ในราคา 50-100 เหรียญสหรัฐ / กิโลวัตต์

สำหรับการนำเซลล์เชื้อเพลิงมาใช้ในชีวิตประจำวันควบคู่ไปกับการลดค่าใช้จ่ายของส่วนประกอบ เราควรคาดหวังแนวคิดและแนวทางใหม่ๆ ที่เป็นต้นฉบับ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง, ความคาดหวังสูงที่เกี่ยวข้องกับการใช้วัสดุนาโนและนาโนเทคโนโลยี ตัวอย่างเช่น หลายบริษัทเพิ่งประกาศการสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอิเล็กโทรดออกซิเจนที่ยึดตามกลุ่มอนุภาคนาโนของโลหะต่างๆ นอกจากนี้ยังมีรายงานเกี่ยวกับการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงแบบไม่มีเมมเบรนซึ่งเชื้อเพลิงเหลว (เช่น เมทานอล) ถูกป้อนเข้าสู่เซลล์เชื้อเพลิงพร้อมกับตัวออกซิไดเซอร์ แนวคิดที่พัฒนาขึ้นของเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพที่ทำงานในน้ำที่มีมลพิษและการบริโภคออกซิเจนในบรรยากาศที่ละลายในบรรยากาศเป็นตัวออกซิไดเซอร์และสิ่งสกปรกอินทรีย์เป็นเชื้อเพลิงก็น่าสนใจเช่นกัน

ตามการคาดการณ์ของผู้เชี่ยวชาญ เซลล์เชื้อเพลิงจะเข้าสู่ตลาดมวลชนในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า อันที่จริง นักพัฒนาทีละคนเอาชนะปัญหาทางเทคนิค รายงานความสำเร็จ และนำเสนอต้นแบบของเซลล์เชื้อเพลิง ตัวอย่างเช่น โตชิบาได้สาธิตเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลต้นแบบที่เสร็จสิ้นแล้ว มีขนาด 22x56x4.5 มม. และให้กำลังไฟประมาณ 100mW หนึ่งเติมเมทานอลเข้มข้น (99.5%) 2 ก้อนก็เพียงพอสำหรับการทำงานของเครื่องเล่น MP3 20 ชั่วโมง โตชิบาได้เปิดตัวเซลล์เชื้อเพลิงเชิงพาณิชย์สำหรับจ่ายไฟให้กับโทรศัพท์มือถือ อีกครั้งที่ Toshiba สาธิตแบตเตอรี่สำหรับโน้ตบุ๊กขนาด 275x75x40 มม. ซึ่งช่วยให้คอมพิวเตอร์ทำงานได้ 5 ชั่วโมงจากการเติมน้ำมันหนึ่งครั้ง

บริษัทญี่ปุ่นอีกแห่งคือฟูจิตสึ ไม่ได้ตามหลังโตชิบา ในปีพ.ศ. 2547 เธอยังได้แนะนำองค์ประกอบที่ทำหน้าที่เกี่ยวกับสารละลายเมทานอล 30% ที่เป็นน้ำ เซลล์เชื้อเพลิงนี้ใช้การเติม 300 มล. หนึ่งครั้งเป็นเวลา 10 ชั่วโมง และในขณะเดียวกันก็ให้กำลัง 15 วัตต์

Casio กำลังพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงซึ่งในขั้นแรกให้เปลี่ยนเมทานอลเป็นส่วนผสมของก๊าซ H2 และ CO2 ในตัวแปลงเชื้อเพลิงขนาดเล็ก จากนั้นจึงป้อนเข้าสู่เซลล์เชื้อเพลิง ในระหว่างการสาธิต ต้นแบบของ Casio ขับเคลื่อนแล็ปท็อปเป็นเวลา 20 ชั่วโมง

ซัมซุงยังสร้างชื่อให้กับตัวเองในด้านเซลล์เชื้อเพลิง - ในปี 2547 ได้มีการสาธิตต้นแบบ 12W ที่ออกแบบมาเพื่อให้พลังงานแก่แล็ปท็อป โดยทั่วไปแล้ว Samsung ตั้งใจที่จะใช้เซลล์เชื้อเพลิงอย่างแรกเลยในสมาร์ทโฟนรุ่นที่สี่

ฉันต้องบอกว่าบริษัทญี่ปุ่นโดยทั่วไปได้เข้าหาการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงอย่างละเอียดถี่ถ้วนแล้ว ย้อนกลับไปในปี 2546 บริษัทต่างๆ เช่น Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony และ Toshiba ร่วมมือกันเพื่อพัฒนามาตรฐานเซลล์เชื้อเพลิงเดียวสำหรับแล็ปท็อป โทรศัพท์มือถือ พีดีเอ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ บริษัทอเมริกันซึ่งมีอยู่หลายแห่งในตลาดนี้ ส่วนใหญ่ทำงานภายใต้สัญญากับกองทัพและพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับผลิตกระแสไฟฟ้าให้กับทหารอเมริกัน

ชาวเยอรมันอยู่ไม่ไกลหลัง - Smart Fuel Cell ขายเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อเป็นพลังงานให้กับสำนักงานเคลื่อนที่ อุปกรณ์นี้เรียกว่า Smart Fuel Cell C25 ซึ่งมีขนาด 150x112x65 มม. และสามารถส่งพลังงานได้ถึง 140 วัตต์ต่อชั่วโมงในการเติมน้ำมันเพียงครั้งเดียว ซึ่งเพียงพอสำหรับการจ่ายไฟให้กับแล็ปท็อปประมาณ 7 ชั่วโมง จากนั้นสามารถเปลี่ยนตลับหมึกและคุณสามารถทำงานต่อไปได้ ขนาดของตลับเมทานอลคือ 99x63x27 มม. และหนัก 150 กรัม ตัวระบบเองมีน้ำหนัก 1.1 กก. ดังนั้นคุณจึงไม่สามารถเรียกได้ว่าพกพาได้อย่างสมบูรณ์ แต่ก็ยังเป็นอุปกรณ์ที่สมบูรณ์และสะดวก บริษัทยังกำลังพัฒนาโมดูลเชื้อเพลิงสำหรับจ่ายไฟให้กับกล้องวิดีโอระดับมืออาชีพ

โดยทั่วไปแล้ว เซลล์เชื้อเพลิงได้เข้าสู่ตลาดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่แล้ว ผู้ผลิตยังคงต้องแก้ไขปัญหาทางเทคนิคสุดท้ายก่อนเริ่มการผลิตจำนวนมาก

ประการแรก จำเป็นต้องแก้ไขปัญหาการย่อขนาดเซลล์เชื้อเพลิง ท้ายที่สุด ยิ่งเซลล์เชื้อเพลิงมีขนาดเล็กเท่าใด พลังงานก็จะยิ่งส่งน้อยลงเท่านั้น ดังนั้นตัวเร่งปฏิกิริยาและอิเล็กโทรดใหม่จึงได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อเพิ่มพื้นผิวการทำงานให้สูงสุดด้วยขนาดที่เล็ก ที่นี่ การพัฒนาล่าสุดในด้านนาโนเทคโนโลยีและวัสดุนาโน (เช่น ท่อนาโน) มีประโยชน์มาก อีกครั้ง ความสำเร็จของไมโครไฟฟ้ากำลังถูกนำมาใช้เพื่อลดขนาดท่อขององค์ประกอบต่างๆ (ปั๊มเชื้อเพลิงและน้ำ ระบบหล่อเย็น และการแปลงเชื้อเพลิง) มากขึ้น

ที่สอง ปัญหาสำคัญที่ต้องแก้ไขคือราคา อันที่จริง แพลทินัมที่มีราคาแพงมากถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในเซลล์เชื้อเพลิงส่วนใหญ่ ผู้ผลิตบางรายพยายามใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีซิลิกอนที่มีอยู่แล้วให้เกิดประโยชน์สูงสุด

สำหรับส่วนอื่น ๆ ของการใช้เซลล์เชื้อเพลิง เซลล์เชื้อเพลิงได้สร้างขึ้นอย่างมั่นคงแล้ว แม้ว่าจะยังไม่กลายเป็นกระแสหลักในภาคพลังงานหรือในการขนส่งก็ตาม ผู้ผลิตรถยนต์หลายรายได้นำเสนอรถยนต์ต้นแบบที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิง มีรถโดยสารเซลล์เชื้อเพลิงในหลายเมืองทั่วโลก Canadian Ballard Power Systems ผลิตเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบอยู่กับที่ตั้งแต่ 1 ถึง 250 กิโลวัตต์ ในเวลาเดียวกัน เครื่องกำเนิดกิโลวัตต์ได้รับการออกแบบมาเพื่อจ่ายไฟฟ้า ความร้อนและน้ำร้อนให้กับอพาร์ตเมนต์หนึ่งห้องทันที

กลับ