เซลล์เชื้อเพลิงคือตัวแปลงพลังงานศักย์เคมี (พลังงานของพันธะโมเลกุล) ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า อุปกรณ์ประกอบด้วยเซลล์ทำงานซึ่งมีเชื้อเพลิงคือก๊าซไฮโดรเจน (H 2) และออกซิเจน (O 2) ผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ ได้แก่ น้ำ ไฟฟ้า และความร้อน ในทางเทคโนโลยี เซลล์เชื้อเพลิงควรได้รับการพิจารณาว่าเป็นระบบที่ก้าวหน้ากว่าเมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์สันดาปภายใน โรงไฟฟ้าถ่านหิน และแม้แต่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ซึ่งการดำเนินการดังกล่าวมาพร้อมกับการปล่อยผลพลอยได้ที่เป็นอันตราย

เนื่องจากมีออกซิเจนอยู่ในบรรยากาศในปริมาณมาก สิ่งที่เหลืออยู่คือการเติมไฮโดรเจนให้กับเซลล์เชื้อเพลิง สารนี้ได้มาค่อนข้างง่ายโดยกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสในอุปกรณ์ชื่อเดียวกันที่เรียกว่าอิเล็กโทรไลเซอร์

อิเล็กโทรไลเซอร์คืออะไรและทำงานอย่างไร

อุปกรณ์ไฟฟ้าเคมีที่ใช้กระแสไฟฟ้าเพื่อแยกโมเลกุลออกเป็นอะตอมที่เป็นส่วนประกอบ อิเล็กโทรไลเซอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน

เทคนิคอิเล็กโทรไลซิสเป็นวิธีการที่มีแนวโน้มมากที่สุดในการผลิตไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงมาก (99.999%) เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงและการตอบสนองแบบไดนามิกที่รวดเร็วเมื่อเปรียบเทียบกับวิธีอื่นๆ บางวิธี

ไฮโดรเจนที่ผลิตโดยอิเล็กโทรไลซิสมีความบริสุทธิ์ในเชิงคุณภาพ จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับใช้ในเซลล์เชื้อเพลิง

อิเล็กโทรไลเซอร์มีการออกแบบอะไรบ้าง?

เช่นเดียวกับเซลล์เชื้อเพลิง อิเล็กโทรไลเซอร์ถูกสร้างขึ้นโดยใช้อิเล็กโทรดสองตัวและมีอิเล็กโทรไลต์นำไอออนวางอยู่ระหว่างอิเล็กโทรด อุปกรณ์ดังกล่าวแตกต่างกันไปตามประเภทของอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้

แผนภาพโครงสร้างของอิเล็กโทรไลเซอร์และลักษณะของหนึ่งในตัวเลือกทางอุตสาหกรรม: 1 – ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา; 2 – ชั้นการแพร่กระจายของก๊าซ 3 – แผ่นไบโพลาร์; 4 – เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน 5 - ประทับตรา

อิเล็กโทรไลเซอร์หลายประเภทได้รับการพัฒนา ทั้งที่ใช้แล้วในทางปฏิบัติหรือในขั้นตอนการใช้งาน อิเล็กโทรไลเซอร์ที่พบมากที่สุดสองประเภทที่ผลิตไฮโดรเจนคือ:

1. อิเล็กโทรไลเซอร์อัลคาไลน์
2. อิเล็กโทรไลเซอร์แบบเมมเบรน

อิเล็กโทรไลเซอร์อัลคาไลน์

อุปกรณ์ประเภทนี้ทำงานบนอิเล็กโทรไลต์ที่มีฤทธิ์กัดกร่อนของเหลว (ปกติคือ 30% KOH) อิเล็กโทรไลเซอร์อัลคาไลน์สร้างขึ้นจากโลหะราคาถูก () ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาและมีโครงสร้างที่ค่อนข้างเชื่อถือได้

อิเล็กโทรไลเซอร์อัลคาไลน์ผลิตไฮโดรเจนด้วยความบริสุทธิ์ 99.8% ทำงานที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำและให้ผลผลิตในระดับสูง แรงดันใช้งานในการติดตั้งสามารถเข้าถึง 30 ATI ความหนาแน่นกระแสต่ำจะยังคงอยู่ระหว่างการทำงาน

อิเล็กโตรไลเซอร์แบบแลกเปลี่ยนโปรตอนเมมเบรน (POM)

ตัวเร่งปฏิกิริยามีโครงสร้างเป็นรูพรุน ดังนั้นพื้นที่ผิวของแพลตตินัมจึงสัมผัสกับไฮโดรเจนหรือออกซิเจนได้มากที่สุด ด้านที่เคลือบด้วยแพลตตินัมของตัวเร่งปฏิกิริยาหันหน้าไปทาง POM

เซลล์เชื้อเพลิงทำงานอย่างไร?

“หัวใจ” ของเซลล์เชื้อเพลิงคือเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (POM) ส่วนประกอบนี้ช่วยให้โปรตอนผ่านไปได้แทบไม่มีสิ่งกีดขวาง แต่จะปิดกั้นอิเล็กตรอน

ดังนั้น เมื่อไฮโดรเจนเข้าสู่ตัวเร่งปฏิกิริยาและถูกแบ่งออกเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน โปรตอนจะถูกส่งตรงไปยังด้านแคโทด และอิเล็กตรอนจะติดตามผ่านวงจรไฟฟ้าภายนอก

ดังนั้นตลอดทางที่อิเล็กตรอนทำงานที่เป็นประโยชน์:

• จุดตะเกียงไฟฟ้า
• หมุนเพลามอเตอร์
• ชาร์จแบตเตอรี่ ฯลฯ

หลังจากเดินตามเส้นทางนี้เท่านั้น อิเล็กตรอนจะรวมตัวกับโปรตอนและออกซิเจนที่อีกด้านหนึ่งของเซลล์ ตามมาด้วยการผลิตน้ำ

ระบบที่สมบูรณ์ของเซลล์เชื้อเพลิงหลายเซลล์: 1 – ตัวรับก๊าซ; 2 – หม้อน้ำระบายความร้อนพร้อมพัดลม; 3 – คอมเพรสเซอร์; 4 – ฐานรองรับ; 5 – องค์ประกอบเชื้อเพลิงประกอบจากหลายเซลล์ 6 – โมดูลจัดเก็บข้อมูลระดับกลาง

ปฏิกิริยาทั้งหมดนี้เกิดขึ้นในสิ่งที่เรียกว่าเซลล์สแต็กเดียว ในทางปฏิบัติ โดยปกติแล้วระบบทั้งหมดจะใช้รอบๆ ส่วนประกอบหลัก ซึ่งเป็นสแต็กของเซลล์หลายเซลล์

สแต็กถูกสร้างขึ้นในโมดูลที่ประกอบด้วยส่วนต่างๆ:

• การจัดการเชื้อเพลิง น้ำ และอากาศ
• อุปกรณ์ทำความเย็น,
• ซอฟต์แวร์การจัดการสารทำความเย็น

จากนั้นโมดูลนี้จะถูกรวมเข้ากับระบบที่สมบูรณ์ซึ่งสามารถใช้กับแอปพลิเคชันต่างๆ ได้

เนื่องจากไฮโดรเจนมีปริมาณพลังงานสูงและเซลล์เชื้อเพลิงประสิทธิภาพสูง (55%) เทคโนโลยีนี้จึงสามารถนำไปใช้ในด้านต่างๆ ได้

เช่นเป็นแหล่งจ่ายไฟสำรองสำหรับการผลิตไฟฟ้าเมื่อโครงข่ายไฟฟ้าหลักขัดข้อง

ข้อดีที่ชัดเจนของเทคโนโลยี

ด้วยการแปลงพลังงานศักย์เคมีให้เป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง เซลล์เชื้อเพลิงจะขจัดปัญหาคอขวดด้านความร้อน (กฎข้อที่ 2 ของอุณหพลศาสตร์)

ดังนั้นโดยธรรมชาติแล้ว เทคโนโลยีนี้จึงถูกมองว่ามีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบทั่วไป

ดังนั้นวงจรเครื่องยนต์สันดาปภายในจะแปลงพลังงานศักย์เคมีเป็นความร้อนในขั้นต้นจากนั้นจึงได้งานทางกลเท่านั้น

การปล่อยก๊าซโดยตรงจากเซลล์เชื้อเพลิงเป็นเพียงน้ำและความร้อนบางส่วน มีการปรับปรุงที่สำคัญที่นี่เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบเดียวกัน ซึ่งเหนือสิ่งอื่นใด ยังปล่อยก๊าซเรือนกระจกด้วย

เซลล์เชื้อเพลิงมีลักษณะเฉพาะคือไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว การออกแบบดังกล่าวโดดเด่นด้วยความน่าเชื่อถือที่เพิ่มขึ้นมาโดยตลอดเมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์แบบเดิม

ไฮโดรเจนผลิตขึ้นในลักษณะที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ในขณะที่การสกัดและการกลั่นผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมถือเป็นอันตรายอย่างมากจากมุมมองของการผลิตทางเทคโนโลยี

เซลล์เชื้อเพลิงเป็นอุปกรณ์ที่ผลิตความร้อนและกระแสตรงได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า และใช้เชื้อเพลิงที่มีไฮโดรเจนสูง หลักการทำงานคล้ายกับแบตเตอรี่ โครงสร้างเซลล์เชื้อเพลิงจะแสดงด้วยอิเล็กโทรไลต์ มีอะไรพิเศษเกี่ยวกับเรื่องนี้? เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนต่างจากแบตเตอรี่ตรงที่ไม่เก็บพลังงานไฟฟ้า ไม่ต้องใช้ไฟฟ้าเพื่อชาร์จใหม่ และไม่คายประจุ เซลล์ยังคงผลิตกระแสไฟฟ้าต่อไปตราบเท่าที่ยังมีอากาศและเชื้อเพลิงอยู่

ลักษณะเฉพาะ

ความแตกต่างระหว่างเซลล์เชื้อเพลิงกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอื่นๆ คือ เซลล์เชื้อเพลิงไม่เผาผลาญเชื้อเพลิงระหว่างการทำงาน ด้วยคุณสมบัตินี้ พวกเขาจึงไม่ต้องใช้โรเตอร์แรงดันสูง และไม่ส่งเสียงดังหรือการสั่นสะเทือน กระแสไฟฟ้าในเซลล์เชื้อเพลิงถูกสร้างขึ้นโดยปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีแบบเงียบ พลังงานเคมีของเชื้อเพลิงในอุปกรณ์ดังกล่าวจะถูกแปลงเป็นน้ำ ความร้อน และไฟฟ้าโดยตรง

เซลล์เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพสูงและไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจกในปริมาณมาก ผลิตภัณฑ์ที่ปล่อยออกมาระหว่างการทำงานของเซลล์คือน้ำปริมาณเล็กน้อยในรูปของไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งจะไม่ถูกปล่อยออกมาหากใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์เป็นเชื้อเพลิง

ประวัติความเป็นมาของการปรากฏตัว

ในช่วงทศวรรษปี 1950 และ 1960 ความต้องการแหล่งพลังงานของ NASA สำหรับภารกิจอวกาศระยะยาวได้กระตุ้นให้เกิดความท้าทายที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอยู่ในขณะนั้น เซลล์อัลคาไลน์ใช้ออกซิเจนและไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง ซึ่งถูกแปลงผ่านปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าให้เป็นผลพลอยได้ที่มีประโยชน์ระหว่างการบินในอวกาศ ได้แก่ ไฟฟ้า น้ำ และความร้อน

เซลล์เชื้อเพลิงถูกค้นพบครั้งแรกเมื่อต้นศตวรรษที่ 19 - ในปี พ.ศ. 2381 ในเวลาเดียวกัน ข้อมูลแรกเกี่ยวกับประสิทธิผลก็ปรากฏขึ้น

งานเกี่ยวกับเซลล์เชื้อเพลิงโดยใช้อิเล็กโทรไลต์อัลคาไลน์เริ่มขึ้นในปลายทศวรรษที่ 1930 เซลล์ที่มีอิเล็กโทรดชุบนิกเกิลภายใต้แรงดันสูงไม่ได้ถูกประดิษฐ์ขึ้นจนกระทั่งปี 1939 ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง เซลล์เชื้อเพลิงที่ประกอบด้วยเซลล์อัลคาไลน์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 25 เซนติเมตรได้รับการพัฒนาสำหรับเรือดำน้ำของอังกฤษ

ความสนใจในตัวพวกเขาเพิ่มขึ้นในช่วงทศวรรษ 1950-80 โดยมีลักษณะเฉพาะคือการขาดแคลนเชื้อเพลิงปิโตรเลียม ประเทศต่างๆ ทั่วโลกได้เริ่มแก้ไขปัญหามลพิษทางอากาศและสิ่งแวดล้อมด้วยความพยายามในการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตเซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมซึ่งปัจจุบันอยู่ระหว่างการพัฒนาอย่างแข็งขัน

หลักการทำงาน

ความร้อนและไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยเซลล์เชื้อเพลิงอันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับแคโทด แอโนด และอิเล็กโทรไลต์

แคโทดและแอโนดถูกแยกออกจากกันด้วยอิเล็กโทรไลต์ที่นำโปรตอน หลังจากที่ออกซิเจนเข้าสู่แคโทดและไฮโดรเจนเข้าสู่ขั้วบวก ปฏิกิริยาเคมีก็จะเริ่มขึ้น ส่งผลให้เกิดความร้อน กระแส และน้ำ

แยกตัวออกจากตัวเร่งปฏิกิริยาแอโนด ซึ่งทำให้สูญเสียอิเล็กตรอน ไอออนไฮโดรเจนเข้าสู่แคโทดผ่านอิเล็กโทรไลต์ ในขณะที่อิเล็กตรอนผ่านเครือข่ายไฟฟ้าภายนอกและสร้างกระแสตรงซึ่งใช้ในการจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ โมเลกุลออกซิเจนบนตัวเร่งปฏิกิริยาแคโทดจะรวมตัวกับอิเล็กตรอนและโปรตอนที่เข้ามา ทำให้เกิดเป็นน้ำในที่สุด ซึ่งเป็นผลผลิตเพียงชนิดเดียวของปฏิกิริยา

ประเภท

การเลือกเซลล์เชื้อเพลิงประเภทใดประเภทหนึ่งนั้นขึ้นอยู่กับการใช้งาน เซลล์เชื้อเพลิงทั้งหมดแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก - อุณหภูมิสูงและอุณหภูมิต่ำ อย่างหลังใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์เป็นเชื้อเพลิง โดยทั่วไปอุปกรณ์ดังกล่าวจำเป็นต้องแปรรูปเชื้อเพลิงหลักให้เป็นไฮโดรเจนบริสุทธิ์ กระบวนการนี้ดำเนินการโดยใช้อุปกรณ์พิเศษ

เซลล์เชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิสูงไม่ต้องการสิ่งนี้ เนื่องจากเซลล์เชื้อเพลิงจะแปลงเชื้อเพลิงที่อุณหภูมิสูง ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้โครงสร้างพื้นฐานของไฮโดรเจน

หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนขึ้นอยู่กับการแปลงพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยไม่มีกระบวนการเผาไหม้ที่ไม่มีประสิทธิภาพและการเปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นพลังงานกล

แนวคิดทั่วไป

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเป็นอุปกรณ์เคมีไฟฟ้าที่ผลิตกระแสไฟฟ้าผ่านการเผาไหม้เชื้อเพลิง "เย็น" ที่มีประสิทธิภาพสูง อุปกรณ์ดังกล่าวมีหลายประเภท เทคโนโลยีที่มีแนวโน้มมากที่สุดถือเป็นเซลล์เชื้อเพลิงอากาศไฮโดรเจนที่ติดตั้งเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน PEMFC

เมมเบรนโพลีเมอร์ที่นำโปรตอนได้รับการออกแบบเพื่อแยกอิเล็กโทรดสองตัว ได้แก่ แคโทดและแอโนด แต่ละรายการจะแสดงด้วยเมทริกซ์คาร์บอนที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาสะสมอยู่ แยกตัวออกจากตัวเร่งปฏิกิริยาแอโนดโดยบริจาคอิเล็กตรอน แคตไอออนถูกส่งไปยังแคโทดผ่านเมมเบรน แต่อิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนไปยังวงจรภายนอกเนื่องจากเมมเบรนไม่ได้ออกแบบมาเพื่อถ่ายโอนอิเล็กตรอน

โมเลกุลออกซิเจนบนตัวเร่งปฏิกิริยาแคโทดจะรวมตัวกับอิเล็กตรอนจากวงจรไฟฟ้าและโปรตอนที่เข้ามา ทำให้เกิดเป็นน้ำในที่สุด ซึ่งเป็นผลผลิตเพียงชนิดเดียวของปฏิกิริยา

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนใช้ในการผลิตหน่วยเมมเบรน-อิเล็กโทรด ซึ่งทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบหลักในการกำเนิดของระบบพลังงาน

ข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

ในหมู่พวกเขาคือ:

• เพิ่มความจุความร้อนจำเพาะ
• ช่วงอุณหภูมิการทำงานกว้าง
• ไม่มีการสั่นสะเทือน เสียงรบกวน หรือคราบความร้อน
• ความน่าเชื่อถือในการสตาร์ทเย็น
• ไม่มีการคายประจุเอง จึงช่วยกักเก็บพลังงานได้ในระยะยาว
• อิสระไร้ขีดจำกัดด้วยความสามารถในการปรับความเข้มของพลังงานโดยการเปลี่ยนจำนวนตลับเชื้อเพลิง
• ให้ความเข้มข้นของพลังงานแทบทุกชนิดโดยการเปลี่ยนความจุกักเก็บไฮโดรเจน
• อายุการใช้งานยาวนาน
• การทำงานเงียบและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม
• ความเข้มของพลังงานระดับสูง
• ความทนทานต่อสิ่งเจือปนจากต่างประเทศในไฮโดรเจน

ขอบเขตการใช้งาน

เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูง จึงมีการใช้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนในด้านต่างๆ:

• ที่ชาร์จแบบพกพา
• ระบบจ่ายไฟสำหรับ UAV
• อุปกรณ์จ่ายไฟสำรอง
• อุปกรณ์และอุปกรณ์อื่นๆ

แนวโน้มพลังงานไฮโดรเจน

การใช้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์อย่างแพร่หลายจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีการสร้างวิธีการผลิตไฮโดรเจนที่มีประสิทธิภาพเท่านั้น จำเป็นต้องมีแนวคิดใหม่ๆ เพื่อนำเทคโนโลยีมาใช้งานจริง โดยมีความหวังสูงกับแนวคิดเรื่องเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพและนาโนเทคโนโลยี บริษัท บางแห่งเพิ่งเปิดตัวตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพซึ่งใช้โลหะหลายชนิดในขณะเดียวกันก็มีข้อมูลเกี่ยวกับการสร้างเซลล์เชื้อเพลิงที่ไม่มีเมมเบรนซึ่งทำให้สามารถลดต้นทุนการผลิตได้อย่างมากและทำให้การออกแบบอุปกรณ์ดังกล่าวง่ายขึ้น ข้อดีและลักษณะของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนไม่ได้เกินดุลข้อเสียเปรียบหลัก - ต้นทุนสูงโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ไฮโดรคาร์บอน การสร้างโรงไฟฟ้าไฮโดรเจนแห่งหนึ่งต้องใช้เงินขั้นต่ำ 500,000 ดอลลาร์

จะประกอบเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนได้อย่างไร?

คุณสามารถสร้างเซลล์เชื้อเพลิงพลังงานต่ำได้ด้วยตัวเองในห้องปฏิบัติการทั่วไปที่บ้านหรือที่โรงเรียน วัสดุที่ใช้ ได้แก่ หน้ากากป้องกันแก๊สพิษเก่า ชิ้นส่วนลูกแก้ว สารละลายเอทิลแอลกอฮอล์และอัลคาไล

ร่างกายของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนถูกสร้างขึ้นด้วยมือของคุณเองจากลูกแก้วที่มีความหนาอย่างน้อยห้ามิลลิเมตร พาร์ติชันระหว่างช่องต่างๆ อาจบางลงได้ - ประมาณ 3 มิลลิเมตร เพล็กซีกลาสติดกาวเข้าด้วยกันด้วยกาวพิเศษที่ทำจากคลอโรฟอร์มหรือไดคลอโรอีเทนและขี้กบลูกแก้ว งานทั้งหมดจะดำเนินการโดยเปิดฝากระโปรงหน้าเท่านั้น

ผนังด้านนอกของตัวเรือนเจาะรูที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5-6 เซนติเมตรโดยสอดจุกยางและท่อระบายน้ำแก้วไว้ ถ่านกัมมันต์จากหน้ากากป้องกันแก๊สพิษจะถูกเทลงในช่องที่สองและสี่ของตัวเรือนเซลล์เชื้อเพลิง - มันจะใช้เป็นอิเล็กโทรด

เชื้อเพลิงจะหมุนเวียนในห้องแรก ในขณะที่ห้องที่ห้าเต็มไปด้วยอากาศซึ่งออกซิเจนจะถูกจ่ายไป อิเล็กโทรไลต์ที่เทระหว่างอิเล็กโทรดถูกชุบด้วยสารละลายพาราฟินและน้ำมันเบนซินเพื่อป้องกันไม่ให้เข้าไปในห้องอากาศ แผ่นทองแดงที่มีลวดบัดกรีจะถูกวางบนชั้นถ่านหินซึ่งกระแสไฟฟ้าจะถูกระบายออก

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่ประกอบแล้วจะถูกชาร์จด้วยวอดก้าเจือจางด้วยน้ำในอัตราส่วน 1:1 เติมโพแทสเซียมโซดาไฟอย่างระมัดระวังลงในส่วนผสมที่ได้: โพแทสเซียม 70 กรัมละลายในน้ำ 200 กรัม

ก่อนที่จะทดสอบเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน เชื้อเพลิงจะถูกเทลงในห้องแรกและอิเล็กโทรไลต์จะถูกเทลงในห้องที่สาม การอ่านค่าโวลต์มิเตอร์ที่เชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดควรแตกต่างจาก 0.7 ถึง 0.9 โวลต์ เพื่อให้มั่นใจว่าองค์ประกอบทำงานอย่างต่อเนื่อง จะต้องถอดเชื้อเพลิงที่ใช้แล้วออก และต้องเทเชื้อเพลิงใหม่ผ่านท่อยาง โดยการบีบท่ออัตราการจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิงจะถูกปรับ เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนดังกล่าวซึ่งประกอบที่บ้านมีพลังงานน้อย

จากมุมมองของพลังงาน "สีเขียว" เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนมีประสิทธิภาพที่สูงมากถึง 60% สำหรับการเปรียบเทียบ: ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ดีที่สุดคือ 35-40% สำหรับโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์จะมีค่าสัมประสิทธิ์เพียง 15-20% เท่านั้น แต่ขึ้นอยู่กับสภาพอากาศเป็นอย่างมาก ประสิทธิภาพของฟาร์มกังหันลมใบพัดที่ดีที่สุดสูงถึง 40% ซึ่งเทียบได้กับเครื่องกำเนิดไอน้ำ แต่กังหันลมยังต้องการสภาพอากาศที่เหมาะสมและการบำรุงรักษาที่มีราคาแพง

ดังที่เราเห็นในแง่ของพารามิเตอร์นี้ พลังงานไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงานที่น่าสนใจที่สุด แต่ก็ยังมีปัญหาหลายประการที่ทำให้ไม่สามารถใช้ในปริมาณมากได้ สิ่งสำคัญที่สุดคือกระบวนการผลิตไฮโดรเจน

ปัญหาการทำเหมืองแร่

พลังงานไฮโดรเจนเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมแต่ไม่เป็นอิสระ ในการทำงาน เซลล์เชื้อเพลิงต้องใช้ไฮโดรเจน ซึ่งไม่พบบนโลกในรูปแบบบริสุทธิ์ จำเป็นต้องผลิตไฮโดรเจน แต่วิธีการที่มีอยู่ในปัจจุบันทั้งหมดมีราคาแพงมากหรือไม่ได้ผล

วิธีที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในแง่ของปริมาตรไฮโดรเจนที่ผลิตได้ต่อหน่วยพลังงานที่ใช้ไปถือเป็นวิธีการปฏิรูปไอน้ำของก๊าซธรรมชาติ มีเทนถูกรวมเข้ากับไอน้ำที่ความดัน 2 MPa (ประมาณ 19 บรรยากาศ เช่น ความดันที่ระดับความลึกประมาณ 190 เมตร) และอุณหภูมิประมาณ 800 องศา ส่งผลให้ก๊าซถูกแปลงสภาพโดยมีปริมาณไฮโดรเจน 55-75% การปฏิรูประบบไอน้ำต้องใช้การติดตั้งขนาดใหญ่ซึ่งสามารถใช้ได้เฉพาะในการผลิตเท่านั้น

เตาหลอมแบบท่อสำหรับการปฏิรูปมีเธนด้วยไอน้ำไม่ใช่วิธีการที่เหมาะสมที่สุดในการผลิตไฮโดรเจน ที่มา: CTK-Euro

วิธีที่สะดวกและง่ายกว่าคือการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านน้ำที่กำลังบำบัด จะเกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าชุดหนึ่ง ส่งผลให้เกิดไฮโดรเจน ข้อเสียที่สำคัญของวิธีนี้คือต้องใช้พลังงานสูงในการทำปฏิกิริยา นั่นคือมีสถานการณ์ที่ค่อนข้างแปลกเกิดขึ้น: คุณต้อง... พลังงานเพื่อให้ได้พลังงานไฮโดรเจน เพื่อหลีกเลี่ยงค่าใช้จ่ายที่ไม่จำเป็นในระหว่างการอิเล็กโทรลิซิสและอนุรักษ์ทรัพยากรอันมีค่า บริษัทบางแห่งจึงมุ่งมั่นที่จะพัฒนาระบบ "ไฟฟ้า - ไฮโดรเจน - ไฟฟ้า" แบบครบวงจร ซึ่งการผลิตพลังงานสามารถทำได้โดยไม่ต้องชาร์จจากภายนอก ตัวอย่างของระบบดังกล่าวคือการพัฒนาของ Toshiba H2One

สถานีไฟฟ้าเคลื่อนที่โตชิบา H2One

เราได้พัฒนาโรงไฟฟ้าขนาดเล็กเคลื่อนที่ H2One ซึ่งแปลงน้ำเป็นไฮโดรเจนและไฮโดรเจนเป็นพลังงาน เพื่อรักษาระบบอิเล็กโทรไลซิส จะใช้แผงโซลาร์เซลล์ และพลังงานส่วนเกินจะถูกเก็บไว้ในแบตเตอรี่ และทำให้มั่นใจว่าระบบจะทำงานภายใต้แสงแดด ไฮโดรเจนที่ได้จะถูกส่งโดยตรงไปยังเซลล์เชื้อเพลิงหรือส่งไปเก็บไว้ในถังรวม ในหนึ่งชั่วโมง อิเล็กโทรไลเซอร์ H2One จะสร้างไฮโดรเจนได้สูงถึง 2 ลบ.ม. และที่เอาต์พุตจะให้พลังงานสูงถึง 55 kW เพื่อผลิตไฮโดรเจน 1 ลบ.ม. สถานีต้องใช้น้ำมากถึง 2.5 ลบ.ม.

แม้ว่าสถานี H2One จะไม่สามารถจ่ายไฟฟ้าให้กับองค์กรขนาดใหญ่หรือทั้งเมืองได้ แต่พลังงานของสถานีดังกล่าวก็เพียงพอสำหรับการทำงานของพื้นที่หรือองค์กรขนาดเล็ก ด้วยความสะดวกในการพกพา จึงสามารถใช้เป็นวิธีแก้ปัญหาชั่วคราวในระหว่างเกิดภัยพิบัติทางธรรมชาติหรือไฟฟ้าดับฉุกเฉินได้ นอกจากนี้ ไม่เหมือนกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลที่ต้องใช้เชื้อเพลิงในการทำงานอย่างถูกต้อง โรงไฟฟ้าไฮโดรเจนต้องการเพียงน้ำเท่านั้น

ปัจจุบัน Toshiba H2One มีการใช้งานในเมืองเพียงไม่กี่เมืองในญี่ปุ่น เช่น จ่ายไฟฟ้าและน้ำร้อนให้กับสถานีรถไฟในเมืองคาวาซากิ

การติดตั้งระบบ H2One ในคาวาซากิ

อนาคตไฮโดรเจน

ปัจจุบัน เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนให้พลังงานแก่พาวเวอร์แบงค์แบบพกพา รถโดยสารในเมืองพร้อมรถยนต์ และการขนส่งทางรถไฟ (เราจะพูดถึงการใช้ไฮโดรเจนในอุตสาหกรรมยานยนต์เพิ่มเติมในโพสต์หน้าของเรา)เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนกลายเป็นวิธีแก้ปัญหาที่ยอดเยี่ยมสำหรับควอดคอปเตอร์โดยไม่คาดคิด - ด้วยมวลที่ใกล้เคียงกับแบตเตอรี่ การจ่ายไฮโดรเจนจึงทำให้ใช้เวลาบินนานขึ้นถึงห้าเท่า อย่างไรก็ตามน้ำค้างแข็งไม่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพแต่อย่างใด โดรนเซลล์เชื้อเพลิงทดลองที่ผลิตโดยบริษัท AT Energy ของรัสเซียถูกนำมาใช้ในการถ่ายทำที่การแข่งขันกีฬาโอลิมปิกที่เมืองโซชี

เป็นที่ทราบกันดีว่าในการแข่งขันกีฬาโอลิมปิกที่กำลังจะมาถึงที่โตเกียว ไฮโดรเจนจะถูกใช้ในรถยนต์ ในการผลิตไฟฟ้าและความร้อน และจะกลายเป็นแหล่งพลังงานหลักสำหรับหมู่บ้านโอลิมปิกด้วย เพื่อจุดประสงค์นี้ ตามคำสั่งของ Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. หนึ่งในสถานีผลิตไฮโดรเจนที่ใหญ่ที่สุดในโลกกำลังถูกสร้างขึ้นในเมืองนามิเอะของญี่ปุ่น สถานีจะใช้พลังงานมากถึง 10 เมกะวัตต์ที่ได้รับจากแหล่ง "สีเขียว" ซึ่งสร้างไฮโดรเจนได้มากถึง 900 ตันต่อปีผ่านกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส

พลังงานไฮโดรเจนคือ “พลังงานสำรองสำหรับอนาคต” ของเรา เมื่อเชื้อเพลิงฟอสซิลจะต้องถูกทิ้งร้างโดยสิ้นเชิง และแหล่งพลังงานหมุนเวียนจะไม่สามารถตอบสนองความต้องการของมนุษยชาติได้ ตามการคาดการณ์ของ Markets&Markets ปริมาณการผลิตไฮโดรเจนทั่วโลกซึ่งปัจจุบันอยู่ที่ 115 พันล้านดอลลาร์จะเพิ่มขึ้นเป็น 154 พันล้านดอลลาร์ภายในปี 2565 แต่การนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้ในวงกว้างไม่น่าจะเกิดขึ้นในอนาคตอันใกล้นี้ ปัญหาหลายประการที่เกี่ยวข้องกับ การผลิตและการดำเนินงานของโรงไฟฟ้าพิเศษยังคงต้องได้รับการแก้ไขและลดต้นทุนลง เมื่อเอาชนะอุปสรรคทางเทคโนโลยี พลังงานไฮโดรเจนจะก้าวไปสู่ระดับใหม่และอาจแพร่หลายเช่นเดียวกับพลังงานไฟฟ้าแบบดั้งเดิมหรือพลังน้ำในปัจจุบัน

ฉันอยากจะบอกคุณมานานแล้วเกี่ยวกับทิศทางอื่นของบริษัท Alfaintek คือการพัฒนา จำหน่าย และให้บริการเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ฉันอยากจะอธิบายสถานการณ์ของเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ในรัสเซียทันที

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

กระแสไฟฟ้าในเซลล์เชื้อเพลิงเกิดจากปฏิกิริยาทางเคมีของไฮโดรเจนจากถังกับโลหะไฮไดรด์และออกซิเจนจากอากาศ กระบอกไม่ระเบิดและสามารถเก็บไว้ในตู้เสื้อผ้าได้นานหลายปีโดยรออยู่ที่ปีก นี่อาจเป็นหนึ่งในข้อได้เปรียบหลักของเทคโนโลยีกักเก็บไฮโดรเจนนี้ เป็นแหล่งกักเก็บไฮโดรเจนซึ่งเป็นหนึ่งในปัญหาหลักในการพัฒนาเชื้อเพลิงไฮโดรเจน เซลล์เชื้อเพลิงน้ำหนักเบาแบบใหม่ที่ไม่เหมือนใครซึ่งเปลี่ยนไฮโดรเจนให้เป็นพลังงานไฟฟ้าแบบธรรมดาได้อย่างปลอดภัย เงียบเชียบ และปราศจากการปล่อยมลพิษ

ไฟฟ้าประเภทนี้สามารถใช้ในสถานที่ที่ไม่มีไฟฟ้าส่วนกลางหรือเป็นแหล่งพลังงานฉุกเฉินได้

เซลล์เชื้อเพลิงทำงานเป็นอุปกรณ์ "อัจฉริยะ" ซึ่งแตกต่างจากแบตเตอรี่ทั่วไปที่ต้องชาร์จและตัดการเชื่อมต่อจากผู้ใช้ไฟฟ้าในระหว่างขั้นตอนการชาร์จ เทคโนโลยีนี้ให้พลังงานไม่สะดุดตลอดระยะเวลาการใช้งานด้วยฟังก์ชันประหยัดพลังงานอันเป็นเอกลักษณ์เมื่อเปลี่ยนถังน้ำมันเชื้อเพลิงซึ่งช่วยให้ผู้ใช้ไม่ต้องปิดเครื่องผู้บริโภค ในกรณีปิด เซลล์เชื้อเพลิงสามารถเก็บไว้ได้หลายปีโดยไม่สูญเสียปริมาตรของไฮโดรเจนและลดพลังงานลง

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

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเซลล์สามารถขายเป็นหน่วยเดียวหรือขายเป็นแบตเตอรี่ 2-4 เซลล์ได้ สามารถรวมองค์ประกอบสองหรือสี่องค์ประกอบเพื่อเพิ่มกำลังหรือเพิ่มแอมแปร์ได้

ระยะเวลาการทำงานของเครื่องใช้ในครัวเรือนที่มีเซลล์เชื้อเพลิง

	เครื่องใช้ไฟฟ้า	เวลาทำการต่อวัน (นาที)	ที่จำเป็น กำลังไฟฟ้าต่อวัน (Wh)	เวลาใช้งานกับเซลล์เชื้อเพลิง
	กาต้มน้ำไฟฟ้า
	เครื่องชงกาแฟ
	ไมโครสแลป
	ทีวี
	หลอดไฟ 60W. 1 ดวง
	หลอดไฟ 75W. 1 ดวง
	3 หลอด 60W
	คอมพิวเตอร์แล็ปท็อป
	ตู้เย็น
	หลอดประหยัดไฟ

* - การทำงานต่อเนื่อง

เซลล์เชื้อเพลิงได้รับการชาร์จเต็มแล้วที่สถานีไฮโดรเจนพิเศษ แต่ถ้าคุณเดินทางไกลจากพวกเขาและไม่มีทางที่จะชาร์จพลังได้ล่ะ? โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีเช่นนี้ ผู้เชี่ยวชาญของ Alfaintek ได้พัฒนากระบอกสูบสำหรับกักเก็บไฮโดรเจน ซึ่งเซลล์เชื้อเพลิงจะทำงานได้นานกว่ามาก

มีการผลิตกระบอกสูบสองประเภท: NS-MN200 และ NS-MN1200
NS-MH200 ที่ประกอบขึ้นนั้นมีขนาดใหญ่กว่ากระป๋อง Coca-Cola เล็กน้อย สามารถบรรจุไฮโดรเจนได้ 230 ลิตร หรือเทียบเท่ากับ 40Ah (12V) และมีน้ำหนักเพียง 2.5 กก.
กระบอกโลหะไฮไดรด์ NS-MN1200 บรรจุไฮโดรเจนได้ 1200 ลิตร ซึ่งเทียบเท่ากับ 220Ah (12V) น้ำหนักของกระบอกสูบคือ 11 กก.

เทคนิคเมทัลไฮไดรด์เป็นวิธีจัดเก็บ ขนส่ง และใช้ไฮโดรเจนที่ปลอดภัยและง่ายดาย เมื่อเก็บเป็นโลหะไฮไดรด์ ไฮโดรเจนจะอยู่ในรูปของสารประกอบทางเคมีมากกว่าในรูปก๊าซ วิธีนี้ทำให้ได้ความหนาแน่นพลังงานสูงเพียงพอ ข้อดีของการใช้เมทัลไฮไดรด์คือความดันภายในกระบอกสูบเพียง 2-4 บาร์

กระบอกไม่ระเบิดและสามารถเก็บไว้ได้นานหลายปีโดยไม่ทำให้ปริมาตรของสารลดลง เนื่องจากไฮโดรเจนถูกกักเก็บในรูปของโลหะไฮไดรด์ ความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนที่ได้จากกระบอกสูบจึงสูงมาก - 99.999% ถังเก็บไฮโดรเจนของโลหะไฮไดรด์สามารถใช้ได้ไม่เพียงแต่กับเซลล์เชื้อเพลิง HC 100,200,400 เท่านั้น แต่ยังสามารถใช้ได้ในกรณีอื่นๆ ที่จำเป็นต้องใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์ด้วย กระบอกสูบสามารถเชื่อมต่อกับเซลล์เชื้อเพลิงหรืออุปกรณ์อื่น ๆ ได้อย่างง่ายดายโดยใช้ตัวเชื่อมต่อแบบเชื่อมต่ออย่างรวดเร็วและสายยางแบบยืดหยุ่น

น่าเสียดายที่เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ไม่ได้จำหน่ายในรัสเซีย แต่ในหมู่ประชากรของเรามีคนจำนวนมากที่ต้องการพวกเขา เราจะรอดู และคุณจะเห็น เราจะมีบ้าง ในระหว่างนี้เราจะซื้อหลอดไฟประหยัดพลังงานที่รัฐกำหนด

ป.ล. ดูเหมือนว่าหัวข้อจะจางหายไปในที่สุด หลังจากเขียนบทความนี้มาหลายปีก็ไม่มีอะไรเกิดขึ้น บางทีฉันอาจไม่ได้มองหาทุกที่ แต่สิ่งที่ดึงดูดสายตาของฉันนั้นไม่น่าพอใจเลย เทคโนโลยีและแนวคิดเป็นสิ่งที่ดี แต่ยังไม่พบการพัฒนาใดๆ

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

กระบวนการทางเคมีในเซลล์เชื้อเพลิง

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

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

เซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC) ใช้ปฏิกิริยาที่ง่ายที่สุดอย่างหนึ่งของเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงเซลล์เดียว

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

รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงใช้โรงไฟฟ้าที่ตั้งอยู่ใต้พื้นรถ

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

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

รถยนต์แนวคิด Hy Wire ของ General Motors มีระบบส่งกำลังเซลล์เชื้อเพลิง

เจนเนอรัล มอเตอร์ส กำลังดำเนินการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับการพัฒนาและการสร้างรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิง

โครงรถไฮไวร์

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

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

BMW ให้ความสำคัญกับปัญหาการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์เป็นอย่างมาก BMW ร่วมมือกับ Magna Steyer ซึ่งมีชื่อเสียงในด้านการใช้ไฮโดรเจนเหลวในการสำรวจอวกาศ โดยได้พัฒนาถังเชื้อเพลิงสำหรับไฮโดรเจนเหลวที่สามารถใช้ในรถยนต์ได้

การทดสอบยืนยันความปลอดภัยในการใช้ถังเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหลว

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

รถยนต์โปรดักชั่นคันแรกของโลกที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงแทนแบตเตอรี่

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

หุ่นยนต์จะทำการเติมไฮโดรเจน โดยคนขับไม่เกี่ยวข้องกับกระบวนการนี้

บริษัท BMW เดียวกันนี้ยังได้พัฒนาเครื่องจ่ายเชื้อเพลิงแบบหุ่นยนต์ที่ช่วยให้การเติมเชื้อเพลิงรถยนต์ด้วยไฮโดรเจนเหลวรวดเร็วและปลอดภัย
การเกิดขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาของการพัฒนาจำนวนมากที่มุ่งสร้างรถยนต์โดยใช้เชื้อเพลิงทางเลือกและระบบส่งกำลังทางเลือก แสดงให้เห็นว่าเครื่องยนต์สันดาปภายในซึ่งครองรถยนต์มาหลายศตวรรษที่ผ่านมา ท้ายที่สุดจะหลีกทางให้การออกแบบที่สะอาดขึ้น มีประสิทธิภาพต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น และเงียบลง . การยอมรับอย่างแพร่หลายในปัจจุบันไม่ได้ถูกจำกัดโดยทางเทคนิค แต่เกิดจากปัญหาทางเศรษฐกิจและสังคม สำหรับการใช้งานอย่างแพร่หลาย จำเป็นต้องสร้างโครงสร้างพื้นฐานบางอย่างสำหรับการพัฒนาการผลิตเชื้อเพลิงทางเลือก การสร้างและการจำหน่ายปั๊มน้ำมันแห่งใหม่ และเพื่อเอาชนะอุปสรรคทางจิตวิทยาหลายประการ การใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงของยานพาหนะจะต้องจัดการกับปัญหาด้านการจัดเก็บ การจัดส่ง และการจัดจำหน่าย โดยมีมาตรการด้านความปลอดภัยที่ร้ายแรง
ตามทฤษฎีแล้วไฮโดรเจนมีอยู่ในปริมาณไม่จำกัด แต่การผลิตไฮโดรเจนนั้นใช้พลังงานมาก นอกจากนี้ ในการแปลงรถยนต์ให้ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจน จำเป็นต้องทำการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่สองครั้งในระบบไฟฟ้า ประการแรก เปลี่ยนการทำงานของระบบจากน้ำมันเบนซินเป็นเมทานอล จากนั้นเมื่อเวลาผ่านไปเป็นไฮโดรเจน จะใช้เวลาสักระยะก่อนที่ปัญหานี้จะได้รับการแก้ไข