เซลล์เชื้อเพลิงทำงานอย่างไร เซลล์เชื้อเพลิงคืออะไร

ที่ ชีวิตที่ทันสมัยแหล่งเคมีของกระแสอยู่รอบตัวเราทั้งหมด: แบตเตอรี่ในไฟฉาย, แบตเตอรี่ในโทรศัพท์มือถือ, เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนซึ่งใช้ในรถยนต์บางคันแล้ว การพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีไฟฟ้าเคมีอาจนำไปสู่ความจริงที่ว่าในอนาคตอันใกล้นี้ แทนที่รถยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซิน เราจะมีแต่รถยนต์ไฟฟ้าเท่านั้น โทรศัพท์จะไม่ปล่อยอย่างรวดเร็วอีกต่อไป และแต่ละบ้านจะมีเซลล์เชื้อเพลิงไฟฟ้าเป็นของตัวเอง เครื่องกำเนิดไฟฟ้า หนึ่งในโครงการร่วมของ Ural Federal University กับสถาบันไฟฟ้าเคมีอุณหภูมิสูงของสาขา Ural ของ Russian Academy of Sciences ร่วมกับการที่เราเผยแพร่บทความนี้ได้ทุ่มเทให้กับการปรับปรุงประสิทธิภาพของการจัดเก็บไฟฟ้าเคมีและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า .

วันนี้มีมากมาย ประเภทต่างๆแบตเตอรี่ซึ่งยากต่อการนำทางมากขึ้น ไม่ชัดเจนสำหรับทุกคนว่าแบตเตอรี่แตกต่างจากตัวเก็บประจุแบบซุปเปอร์คาปาซิเตอร์อย่างไร และเหตุใดเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจึงสามารถใช้งานได้โดยไม่ต้องกลัวว่าจะเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม ในบทความนี้ เราจะพูดถึงวิธีการใช้ปฏิกิริยาเคมีเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า อะไรคือความแตกต่างระหว่างแหล่งกระแสเคมีในปัจจุบันประเภทหลัก และแนวโน้มที่เปิดกว้างสำหรับพลังงานไฟฟ้าเคมี

เคมีเป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้า

อันดับแรก เรามาดูกันว่าทำไมพลังงานเคมีจึงสามารถนำมาใช้ผลิตไฟฟ้าได้ทั้งหมด ประเด็นก็คือในปฏิกิริยารีดอกซ์ อิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนระหว่างสองไอออนที่ต่างกัน ถ้าแบ่งครึ่ง ปฏิกิริยาเคมีกระจายไปในอวกาศเพื่อให้การเกิดออกซิเดชันและการลดลงเกิดขึ้นแยกจากกัน จากนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะตรวจสอบให้แน่ใจว่าอิเล็กตรอนที่แตกออกจากไอออนตัวหนึ่งจะไม่ตกในวินาทีที่สองทันที แต่ก่อนอื่นจะผ่านไปตามเส้นทางที่กำหนดไว้ล่วงหน้า ปฏิกิริยานี้สามารถใช้เป็นแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้าได้

แนวคิดนี้ถูกนำมาใช้ครั้งแรกในศตวรรษที่ 18 โดย Luigi Galvani นักสรีรวิทยาชาวอิตาลี การกระทำของเซลล์กัลวานิกแบบดั้งเดิมนั้นขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาของการลดและการเกิดออกซิเดชันของโลหะที่มีกิจกรรมต่างกัน ตัวอย่างเช่น เซลล์แบบคลาสสิกคือเซลล์กัลวานิกซึ่งสังกะสีถูกออกซิไดซ์และทองแดงจะลดลง ปฏิกิริยารีดักชันและออกซิเดชันเกิดขึ้นตามลำดับที่แคโทดและแอโนด และเพื่อให้ไอออนของทองแดงและสังกะสีไม่ตกอยู่ใน "ดินแดนต่างประเทศ" ซึ่งสามารถทำปฏิกิริยาซึ่งกันและกันได้โดยตรง มักจะวางเมมเบรนพิเศษไว้ระหว่างแอโนดและแคโทด เป็นผลให้เกิดความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นระหว่างอิเล็กโทรด หากคุณเชื่อมต่ออิเล็กโทรด เช่น กับหลอดไฟ กระแสจะเริ่มไหลในวงจรไฟฟ้าที่เป็นผลและหลอดไฟจะสว่างขึ้น

ไดอะแกรมของเซลล์กัลวานิก

วิกิมีเดียคอมมอนส์

นอกจากวัสดุของแอโนดและแคโทดแล้ว องค์ประกอบที่สำคัญของแหล่งกระแสเคมีคืออิเล็กโทรไลต์ ซึ่งภายในอิออนจะเคลื่อนที่และที่ขอบซึ่งปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีทั้งหมดดำเนินการกับอิเล็กโทรด ในกรณีนี้ อิเล็กโทรไลต์ไม่จำเป็นต้องเป็นของเหลว อาจเป็นได้ทั้งวัสดุพอลิเมอร์และเซรามิก

ข้อเสียเปรียบหลักของเซลล์กัลวานิกคือเวลาการทำงานที่จำกัด ทันทีที่ปฏิกิริยาสิ้นสุดลง (นั่นคือขั้วบวกที่ค่อยๆละลายทั้งหมดจะถูกใช้จนหมด) องค์ประกอบดังกล่าวจะหยุดทำงาน

แบตเตอรี่อัลคาไลน์นิ้ว

ชาร์จใหม่ได้

ขั้นตอนแรกในการขยายขีดความสามารถของแหล่งจ่ายกระแสเคมีคือการสร้างแบตเตอรี่ ซึ่งเป็นแหล่งกระแสไฟที่สามารถชาร์จใหม่ได้และนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ในการทำเช่นนี้ นักวิทยาศาสตร์เพียงแค่เสนอให้ใช้ปฏิกิริยาเคมีแบบย้อนกลับได้ หลังจากคายประจุแบตเตอรี่จนหมดเป็นครั้งแรกด้วยความช่วยเหลือของแหล่งกระแสภายนอก ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในนั้นสามารถเริ่มต้นในทิศทางตรงกันข้าม การดำเนินการนี้จะคืนค่าสถานะเดิมเพื่อให้สามารถใช้แบตเตอรี่ได้อีกครั้งหลังจากชาร์จใหม่

แบตเตอรี่รถยนต์ตะกั่วกรด

จนถึงปัจจุบัน มีการสร้างแบตเตอรี่หลายประเภทขึ้น ซึ่งแตกต่างกันไปตามประเภทของปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้น แบตเตอรี่ประเภทที่พบบ่อยที่สุดคือแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด (หรือเพียงแค่ตะกั่ว) ซึ่งขึ้นอยู่กับปฏิกิริยารีดักชัน-รีดักชันของตะกั่ว อุปกรณ์ดังกล่าวมีอายุการใช้งานค่อนข้างนานและใช้พลังงานได้ถึง 60 วัตต์ต่อชั่วโมงต่อกิโลกรัม เป็นที่นิยมมากขึ้นใน ครั้งล่าสุดเป็นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนตามปฏิกิริยาลิเธียมรีดอกซ์ ความเข้มพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสมัยใหม่ในปัจจุบันเกิน 250 วัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัม

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสำหรับโทรศัพท์มือถือ

ปัญหาหลักของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคือประสิทธิภาพต่ำที่อุณหภูมิต่ำ อายุเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และการระเบิดที่เพิ่มขึ้น และเนื่องจากโลหะลิเธียมทำปฏิกิริยาอย่างแข็งขันกับน้ำเพื่อสร้างก๊าซไฮโดรเจนและออกซิเจนจะถูกปล่อยออกมาเมื่อแบตเตอรี่เผาไหม้ การเผาไหม้ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงเป็นเรื่องยากมากที่จะใช้กับวิธีการดับเพลิงแบบเดิม เพื่อปรับปรุงความปลอดภัยของแบตเตอรี่ดังกล่าวและเร่งเวลาในการชาร์จ นักวิทยาศาสตร์ได้เสนอวัสดุแคโทดที่ป้องกันการก่อตัวของโครงสร้างลิเธียมเดนไดรต์ และเพิ่มสารในอิเล็กโทรไลต์ที่สร้างโครงสร้างที่ระเบิดได้ และส่วนประกอบที่จุดไฟในระยะแรก .

อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง

เป็นอีกวิธีหนึ่งที่ไม่ชัดเจนในการเพิ่มประสิทธิภาพและความปลอดภัยของแบตเตอรี่ นักเคมีได้เสนอว่าจะไม่จำกัดตัวเองให้อยู่ที่อิเล็กโทรไลต์เหลวในแหล่งกระแสเคมี แต่เพื่อสร้างแหล่งกำเนิดกระแสไฟสถานะของแข็งทั้งหมด ในอุปกรณ์ดังกล่าว ไม่มีส่วนประกอบที่เป็นของเหลวเลย แต่มีโครงสร้างเป็นชั้นของแอโนดที่เป็นของแข็ง แคโทดที่เป็นของแข็ง และอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งระหว่างพวกมัน อิเล็กโทรไลต์ในเวลาเดียวกันทำหน้าที่ของเมมเบรน ตัวพาประจุในอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งสามารถเป็นไอออนได้หลายแบบ ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบและปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นบนแอโนดและแคโทด แต่ไอออนเหล่านี้มักมีขนาดเล็กพอที่จะเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระผ่านคริสตัล เช่น โปรตอน H + ไอออน Li + ลิเธียม หรือไอออนออกซิเจน O 2-

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

ความสามารถในการชาร์จใหม่และมาตรการรักษาความปลอดภัยพิเศษทำให้แบตเตอรี่เป็นแหล่งกระแสไฟที่มีแนวโน้มดีกว่าแบตเตอรี่ทั่วไป แต่ถึงกระนั้นแบตเตอรี่แต่ละก้อนก็มีรีเอเจนต์อยู่ภายในจำนวนจำกัด ดังนั้นจึงมีการจ่ายพลังงานอย่างจำกัด และทุกครั้งที่ต้องชาร์จแบตเตอรี่ เพื่อกลับมาทำงานต่อ

ในการสร้างแบตเตอรี่ "ไม่มีที่สิ้นสุด" คุณสามารถใช้เป็นแหล่งพลังงานไม่ใช่สารที่อยู่ในเซลล์ แต่เป็นเชื้อเพลิงที่สูบผ่านเป็นพิเศษ เหนือสิ่งอื่นใด สารที่มีองค์ประกอบที่เรียบง่ายที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและมีอยู่อย่างมากมายบนโลกนี้เหมาะที่สุดสำหรับใช้เป็นเชื้อเพลิง

สารที่เหมาะสมที่สุดคือก๊าซไฮโดรเจน การเกิดออกซิเดชันกับออกซิเจนในอากาศทำให้เกิดน้ำ (ตามปฏิกิริยา 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) เป็นปฏิกิริยารีดอกซ์อย่างง่าย และการขนส่งอิเล็กตรอนระหว่างไอออนยังสามารถใช้เป็นแหล่งกำเนิดกระแสได้อีกด้วย ปฏิกิริยาที่ดำเนินการในกรณีนี้เป็นปฏิกิริยาย้อนกลับกับปฏิกิริยาของอิเล็กโทรไลซิสในน้ำ (ซึ่งภายใต้การกระทำของกระแสไฟฟ้า น้ำจะสลายตัวเป็นออกซิเจนและไฮโดรเจน) และเป็นครั้งแรกที่มีการนำเสนอโครงการดังกล่าว กลางศตวรรษที่ 19

แม้ว่าวงจรจะดูค่อนข้างง่าย แต่การสร้างอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพตามหลักการนี้ไม่ใช่งานเล็กน้อย ในการทำเช่นนี้ จำเป็นต้องแยกการไหลของออกซิเจนและไฮโดรเจนในอวกาศ ตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีการขนส่งไอออนที่จำเป็นผ่านอิเล็กโทรไลต์ และลดการสูญเสียพลังงานที่อาจเกิดขึ้นได้ในทุกขั้นตอนของการทำงาน

แผนผังการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

โครงร่างของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่ใช้งานได้นั้นคล้ายกับโครงร่างของแหล่งกระแสเคมี แต่มีช่องทางเพิ่มเติมสำหรับการจ่ายเชื้อเพลิงและตัวออกซิไดเซอร์ และการกำจัดผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาและก๊าซที่จ่ายไปส่วนเกิน อิเล็กโทรดในองค์ประกอบดังกล่าวเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่มีรูพรุน เชื้อเพลิงก๊าซ (ไฮโดรเจน) ถูกส่งไปยังขั้วบวกและตัวออกซิไดซ์ (ออกซิเจนจากอากาศ) ถูกส่งไปยังแคโทดและที่ขอบเขตของอิเล็กโทรดแต่ละอิเล็กโทรไลต์จะมีปฏิกิริยาครึ่งหนึ่งเกิดขึ้น (ออกซิเดชันของ ไฮโดรเจนและออกซิเจนลดลงตามลำดับ) ในกรณีนี้ ขึ้นอยู่กับชนิดของเซลล์เชื้อเพลิงและชนิดของอิเล็กโทรไลต์ การก่อตัวของน้ำสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งในพื้นที่แอโนดหรือแคโทด

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนของโตโยต้า

โจเซฟ เบรนท์ / flickr

หากอิเล็กโทรไลต์เป็นพอลิเมอร์ที่นำโปรตอนหรือเมมเบรนเซรามิก ซึ่งเป็นสารละลายกรดหรือด่าง ตัวพาประจุในอิเล็กโทรไลต์ก็คือไฮโดรเจนไอออน ในกรณีนี้ โมเลกุลไฮโดรเจนจะถูกออกซิไดซ์ที่แอโนดเป็นไฮโดรเจนไอออน ซึ่งผ่านอิเล็กโทรไลต์และทำปฏิกิริยากับออกซิเจนที่นั่น ถ้าออกซิเจนไอออน O 2– เป็นพาหะประจุ เช่นเดียวกับในกรณีของอิเล็กโทรไลต์ออกไซด์ที่เป็นของแข็ง จากนั้นออกซิเจนจะลดลงเป็นไอออนที่แคโทด ไอออนนี้จะผ่านอิเล็กโทรไลต์และออกซิไดซ์ไฮโดรเจนที่แอโนดเพื่อสร้างน้ำและอิสระ อิเล็กตรอน

นอกจากปฏิกิริยาไฮโดรเจนออกซิเดชันสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงแล้ว ยังเสนอให้ใช้ปฏิกิริยาประเภทอื่นด้วย ตัวอย่างเช่น แทนที่จะเป็นไฮโดรเจน เชื้อเพลิงรีดิวซ์อาจเป็นเมทานอล ซึ่งออกซิไดซ์โดยออกซิเจนไปเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ

ประสิทธิภาพเซลล์เชื้อเพลิง

แม้จะมีข้อดีทั้งหมดของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน (เช่น ความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ประสิทธิภาพแทบไม่จำกัด ขนาดกะทัดรัด และความเข้มข้นของพลังงานสูง) แต่ก็มีข้อเสียหลายประการเช่นกัน ประการแรก ได้แก่ การเสื่อมสภาพของส่วนประกอบอย่างค่อยเป็นค่อยไปและความยากในการจัดเก็บไฮโดรเจน เป็นวิธีการขจัดข้อบกพร่องเหล่านี้ที่นักวิทยาศาสตร์กำลังทำงานอยู่ในปัจจุบัน

ปัจจุบันมีการเสนอให้เพิ่มประสิทธิภาพเซลล์เชื้อเพลิงโดยการเปลี่ยนองค์ประกอบของอิเล็กโทรไลต์ คุณสมบัติของอิเล็กโทรดตัวเร่งปฏิกิริยา และรูปทรงของระบบ (ซึ่งให้ก๊าซเชื้อเพลิงแก่ จุดที่ต้องการและลดผลข้างเคียง) ในการแก้ปัญหาการจัดเก็บก๊าซไฮโดรเจน จะใช้วัสดุที่มีแพลตตินัมสำหรับความอิ่มตัวของสี เช่น เยื่อกราฟีน

เป็นผลให้สามารถเพิ่มความเสถียรของเซลล์เชื้อเพลิงและอายุการใช้งานของส่วนประกอบแต่ละส่วนได้ ตอนนี้ค่าสัมประสิทธิ์การแปลงพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้าในเซลล์ดังกล่าวถึงร้อยละ 80 และภายใต้เงื่อนไขบางประการก็สามารถสูงขึ้นได้

โอกาสอันยิ่งใหญ่สำหรับพลังงานไฮโดรเจนเกี่ยวข้องกับความเป็นไปได้ที่จะรวมเซลล์เชื้อเพลิงเป็นแบตเตอรี่ทั้งก้อน โดยเปลี่ยนให้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีกำลังสูง แม้กระทั่งตอนนี้ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ทำงานด้วยเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนก็มีกำลังสูงถึงหลายร้อยกิโลวัตต์และถูกใช้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับยานยนต์

การจัดเก็บเคมีไฟฟ้าทางเลือก

นอกจากแหล่งกระแสไฟฟ้าเคมีแบบคลาสสิกแล้ว ระบบที่แปลกกว่านั้นยังถูกใช้เป็นอุปกรณ์กักเก็บพลังงานอีกด้วย หนึ่งในระบบเหล่านี้คือ supercapacitor (หรือ ionistor) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่มีการแยกประจุและการสะสมเกิดขึ้นเนื่องจากการก่อตัวของชั้นสองใกล้กับพื้นผิวที่มีประจุ ที่อินเทอร์เฟซของอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ในอุปกรณ์ดังกล่าว อิออนของสัญญาณที่แตกต่างกันจะเรียงกันเป็นสองชั้น ซึ่งเรียกว่า "ชั้นไฟฟ้าสองชั้น" ซึ่งก่อตัวเป็นตัวเก็บประจุแบบบางมาก ความจุของตัวเก็บประจุดังกล่าวคือปริมาณประจุสะสมจะถูกกำหนดโดยพื้นที่ผิวจำเพาะของวัสดุอิเล็กโทรดดังนั้นจึงควรนำวัสดุที่มีรูพรุนที่มีพื้นที่ผิวจำเพาะสูงสุดเป็นวัสดุสำหรับ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

Ionistors เป็นแชมป์ของแหล่งกำเนิดกระแสเคมีที่ปล่อยประจุในแง่ของอัตราการชาร์จ ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบที่ไม่อาจปฏิเสธได้ของอุปกรณ์ประเภทนี้ น่าเสียดายที่พวกเขาเป็นเจ้าของสถิติในแง่ของความเร็วในการปลดปล่อย ความหนาแน่นพลังงานของไอออนิสเตอร์น้อยกว่าแบตเตอรี่ตะกั่วแปดเท่าและน้อยกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 25 เท่า ไอออนิสเตอร์ "สองชั้น" แบบคลาสสิกไม่ได้ใช้ปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีที่แกนกลาง และคำว่า "ตัวเก็บประจุ" นั้นถูกนำไปใช้กับพวกมันได้อย่างแม่นยำที่สุด อย่างไรก็ตาม ในรุ่นดังกล่าวของไอออนิสเตอร์ ซึ่งขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีและการสะสมประจุจะขยายเข้าไปในความลึกของอิเล็กโทรด เป็นไปได้ที่จะบรรลุเวลาการคายประจุที่สูงขึ้นโดยที่ยังคงอัตราการชาร์จที่รวดเร็ว ความพยายามของนักพัฒนา supercapacitors มุ่งเป้าไปที่การสร้างอุปกรณ์ไฮบริดที่มีแบตเตอรี่ซึ่งรวมข้อดีของ supercapacitors ไว้ด้วยกัน โดยหลักๆ แล้วมีอัตราการชาร์จที่สูง และข้อดีของแบตเตอรี่ - ความเข้มของพลังงานสูงและเวลาคายประจุที่ยาวนาน ลองนึกภาพว่าในอนาคตอันใกล้นี้แบตเตอรี่ไอออนิสเตอร์จะชาร์จในไม่กี่นาทีและจ่ายไฟให้กับแล็ปท็อปหรือสมาร์ทโฟนเป็นเวลาหนึ่งวันหรือมากกว่านั้น!

แม้ว่าที่จริงแล้วในปัจจุบันความหนาแน่นพลังงานของตัวเก็บประจุยิ่งยวดยังคงน้อยกว่าความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่หลายเท่า แต่ก็ถูกใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคและสำหรับเครื่องยนต์ของยานพาหนะต่างๆ รวมถึงส่วนใหญ่

* * *

ดังนั้นวันนี้จึงมี จำนวนมากของอุปกรณ์ไฟฟ้าเคมีซึ่งแต่ละอุปกรณ์มีแนวโน้มสำหรับการใช้งานเฉพาะ ในการปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์เหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องแก้ปัญหาหลายประการ ทั้งด้านพื้นฐานและเทคโนโลยี งานเหล่านี้ส่วนใหญ่ภายในกรอบของหนึ่งในโครงการที่ก้าวหน้านั้นกำลังได้รับการจัดการที่ Ural Federal University ดังนั้นเราจึงถาม Maxim Ananiev ผู้อำนวยการสถาบันไฟฟ้าเคมีอุณหภูมิสูงสาขา Ural ของ Russian Academy of Sciences ศาสตราจารย์ ของภาควิชาเทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้าเคมีของสถาบันเทคโนโลยีเคมีของ Ural Federal University เพื่อพูดคุยเกี่ยวกับแผนทันทีและโอกาสในการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงที่ทันสมัย ​​.

N+1: มีทางเลือกอื่นสำหรับแบตเตอรี่ Li-Ion ที่ได้รับความนิยมสูงสุดในอนาคตอันใกล้นี้หรือไม่?

แม็กซิม อานาเนียฟ:ความพยายามสมัยใหม่ของนักพัฒนาแบตเตอรี่มุ่งเป้าไปที่การเปลี่ยนประเภทของตัวพาประจุในอิเล็กโทรไลต์จากลิเธียมเป็นโซเดียม โพแทสเซียม และอะลูมิเนียม การเปลี่ยนแบตเตอรี่ลิเธียมจะช่วยลดต้นทุนของแบตเตอรี่ แม้ว่าลักษณะน้ำหนักและขนาดจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนก็ตาม กล่าวอีกนัยหนึ่ง สำหรับลักษณะทางไฟฟ้าเดียวกัน แบตเตอรี่โซเดียม-ไอออนจะมีขนาดใหญ่และหนักกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

นอกจากนี้ หนึ่งในพื้นที่ที่กำลังพัฒนาที่มีแนวโน้มว่าจะปรับปรุงแบตเตอรี่คือการสร้างแหล่งพลังงานเคมีแบบไฮบริดโดยอาศัยการผสมผสานของแบตเตอรี่โลหะ-ไอออนกับอิเล็กโทรดอากาศ เช่นเดียวกับในเซลล์เชื้อเพลิง โดยทั่วไป ทิศทางของการสร้างระบบไฮบริดดังที่ได้แสดงไว้ในตัวอย่างของ supercapacitors จะทำให้เราเห็นแหล่งพลังงานเคมีที่มีลักษณะเฉพาะของผู้บริโภคสูงในตลาดในอนาคตอันใกล้นี้

Ural Federal University ร่วมกับพันธมิตรด้านวิชาการและอุตสาหกรรมจากรัสเซียและทั่วโลก กำลังดำเนินโครงการเมกะโปรเจ็กต์ 6 โครงการที่มุ่งเน้นด้านการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ที่ก้าวล้ำ หนึ่งในโครงการดังกล่าวคือ "เทคโนโลยีมุมมองของพลังงานเคมีไฟฟ้าจากการออกแบบทางเคมีของวัสดุใหม่ไปจนถึงอุปกรณ์ไฟฟ้าเคมียุคใหม่สำหรับการอนุรักษ์และการแปลงพลังงาน"

กลุ่มนักวิทยาศาสตร์จาก Strategic Academic Unit (SAU) UrFU School of Natural Sciences and Mathematics ซึ่งรวมถึง Maxim Ananiev มีส่วนร่วมในการออกแบบและพัฒนาวัสดุและเทคโนโลยีใหม่ๆ รวมถึงเซลล์เชื้อเพลิง เซลล์อิเล็กโทรไลต์ แบตเตอรี่กราไฟท์โลหะ เคมีไฟฟ้า ระบบจัดเก็บพลังงานและตัวเก็บประจุยิ่งยวด

งานวิจัยและวิทยาศาสตร์ดำเนินการด้วยความร่วมมืออย่างต่อเนื่องกับสถาบันไฟฟ้าเคมีอุณหภูมิสูงของสาขาอูราลของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งรัสเซียและด้วยการสนับสนุนจากพันธมิตร

ปัจจุบันเซลล์เชื้อเพลิงใดกำลังได้รับการพัฒนาและมีศักยภาพสูงสุด?

เซลล์เชื้อเพลิงที่มีแนวโน้มมากที่สุดชนิดหนึ่งคือเซลล์โปรตอน-เซรามิก มีข้อได้เปรียบเหนือเซลล์เชื้อเพลิงโพลีเมอร์ที่มีเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนและเซลล์โซลิดออกไซด์ เนื่องจากสามารถทำงานได้โดยใช้เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนโดยตรง สิ่งนี้ทำให้การออกแบบโรงไฟฟ้าง่ายขึ้นอย่างมากโดยใช้เซลล์เชื้อเพลิงโปรตอนเซรามิกและระบบควบคุม ดังนั้นจึงเพิ่มความน่าเชื่อถือในการทำงาน จริงอยู่ เซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้มีการพัฒนาน้อยกว่าในอดีตในขณะนี้ แต่การวิจัยทางวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ช่วยให้เราหวังว่าจะมีศักยภาพสูงของเทคโนโลยีนี้ในอนาคต

ปัญหาใดบ้างที่เกี่ยวข้องกับเซลล์เชื้อเพลิงที่กำลังได้รับการจัดการที่ Ural Federal University ในขณะนี้

ขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์ของ UrFU ร่วมกับ Institute of High-Temperature Electrochemistry (IHTE) ของสาขา Ural ของ Russian Academy of Sciences กำลังทำงานเกี่ยวกับการสร้างอุปกรณ์ไฟฟ้าเคมีที่มีประสิทธิภาพสูงและเครื่องกำเนิดพลังงานอิสระสำหรับการใช้งานในพลังงานแบบกระจาย การสร้างโรงไฟฟ้าสำหรับพลังงานแบบกระจายในขั้นต้นบ่งบอกถึงการพัฒนาระบบไฮบริดโดยใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าและอุปกรณ์จัดเก็บซึ่งเป็นแบตเตอรี่ ในเวลาเดียวกัน เซลล์เชื้อเพลิงจะทำงานอย่างต่อเนื่อง โดยให้โหลดในช่วงชั่วโมงเร่งด่วน และในโหมดปกติ เซลล์เชื้อเพลิงจะทำการชาร์จแบตเตอรี่ ซึ่งสามารถทำหน้าที่เป็นตัวสำรองทั้งในกรณีที่ใช้พลังงานสูงและในกรณีฉุกเฉิน

นักเคมีจาก Ural Federal University และ IHTE ประสบความสำเร็จสูงสุดในการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงแข็ง-ออกไซด์และโปรตอน-เซรามิก ตั้งแต่ปี 2016 ใน Urals ร่วมกับ State Corporation Rosatom ได้มีการสร้างโรงงานผลิตไฟฟ้าแห่งแรกของรัสเซียโดยใช้เซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นของแข็งออกไซด์ การพัฒนานักวิทยาศาสตร์ของ Ural ได้ผ่านการทดสอบ "ภาคสนาม" ที่สถานีป้องกัน cathodic ของท่อส่งก๊าซที่ไซต์ทดลองของ Uraltransgaz LLC โรงไฟฟ้าที่มีกำลังไฟ 1.5 กิโลวัตต์ ใช้งานได้นานกว่า 10,000 ชั่วโมง และแสดงศักยภาพการใช้งานอุปกรณ์ดังกล่าวสูง

ภายในกรอบของห้องปฏิบัติการร่วมของ Ural Federal University และ IHTE อุปกรณ์ไฟฟ้าเคมีที่ใช้เมมเบรนเซรามิกที่นำโปรตอนกำลังได้รับการพัฒนา ซึ่งจะทำให้เป็นไปได้ในอนาคตอันใกล้ที่จะลดอุณหภูมิในการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์จาก 900 เป็น 500 องศาเซลเซียส และละทิ้งการปฏิรูปเบื้องต้นของเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอน ซึ่งจะสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเคมีไฟฟ้าที่ประหยัดต้นทุนซึ่งสามารถทำงานได้ในสภาวะที่ พัฒนาโครงสร้างพื้นฐานการจัดหาก๊าซในรัสเซีย

Alexander Dubov

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่ทุกปี ถ้าไม่ใช่หนึ่งเดือน จะกลายเป็นสิ่งที่เข้าถึงได้และแพร่หลายมากขึ้นทุกปี ที่นี่คุณมีแล็ปท็อปและพีดีเอและกล้องดิจิตอลและโทรศัพท์มือถือและอุปกรณ์ที่มีประโยชน์มากมายและไม่ใช่อุปกรณ์มากนัก และอุปกรณ์เหล่านี้ได้รับคุณลักษณะใหม่ ๆ อย่างต่อเนื่อง โปรเซสเซอร์ที่ทรงพลังยิ่งขึ้น หน้าจอสีที่ใหญ่ขึ้น การเชื่อมต่อไร้สาย ในขณะเดียวกันก็ลดขนาดลง แต่ต่างจากเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ เทคโนโลยีด้านพลังงานของโรงเลี้ยงสัตว์เคลื่อนที่นี้ไม่ได้ก้าวกระโดดเลย

เครื่องสะสมและแบตเตอรี่แบบธรรมดาไม่เพียงพอต่อความก้าวหน้าล่าสุดในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ในช่วงเวลาที่มีนัยสำคัญ และหากไม่มีแบตเตอรี่ที่เชื่อถือได้และมีความจุมาก จุดรวมของความคล่องตัวและไร้สายจะหายไป ดังนั้นอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์จึงพยายามแก้ไขปัญหานี้มากขึ้นเรื่อยๆ แหล่งพลังงานทางเลือก. และทิศทางที่มีแนวโน้มมากที่สุดในปัจจุบันคือ เซลล์เชื้อเพลิง.

หลักการพื้นฐานของเซลล์เชื้อเพลิงถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ Sir William Grove ในปี 1839 เขาเป็นที่รู้จักในฐานะบิดาของ "เซลล์เชื้อเพลิง" วิลเลียม โกรฟ ผลิตไฟฟ้าโดยเปลี่ยนเป็นการแยกไฮโดรเจนและออกซิเจน เมื่อถอดแบตเตอรี่ออกจากเซลล์อิเล็กโทรไลต์ โกรฟรู้สึกประหลาดใจที่พบว่าอิเล็กโทรดเริ่มดูดซับก๊าซที่ปล่อยออกมาและสร้างกระแสไฟฟ้า กำลังเปิดกระบวนการ การเผาไหม้ด้วยไฟฟ้าเคมี "เย็น" ของไฮโดรเจนกลายเป็น เหตุการณ์สำคัญในภาคพลังงานและในอนาคต นักเคมีไฟฟ้าที่มีชื่อเสียงเช่น Ostwald และ Nernst มีบทบาทสำคัญในการพัฒนาพื้นฐานทางทฤษฎีและการนำเซลล์เชื้อเพลิงไปปฏิบัติจริง และคาดการณ์อนาคตที่ดีสำหรับพวกเขา

ตัวฉันเอง คำว่า "เซลล์เชื้อเพลิง" (Fuel Cell)ปรากฏในภายหลัง - มันถูกเสนอในปี 1889 โดย Ludwig Mond และ Charles Langer ผู้ซึ่งพยายามสร้างอุปกรณ์สำหรับผลิตกระแสไฟฟ้าจากอากาศและก๊าซถ่านหิน

ในระหว่างการเผาไหม้ปกติในออกซิเจน เชื้อเพลิงอินทรีย์จะถูกออกซิไดซ์ และพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงจะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อนอย่างไม่มีประสิทธิภาพ แต่กลับกลายเป็นว่าเป็นไปได้ที่จะทำปฏิกิริยาออกซิเดชัน เช่น ไฮโดรเจนกับออกซิเจน ในสภาพแวดล้อมของอิเล็กโทรไลต์ และในที่ที่มีอิเล็กโทรด จะได้กระแสไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น โดยการจัดหาไฮโดรเจนให้กับอิเล็กโทรดในสภาพแวดล้อมที่เป็นด่าง เราได้รับอิเล็กตรอน:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

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

จะเห็นได้ว่าปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น 2H2 + O2 → H2O นั้นเหมือนกับในการเผาไหม้แบบธรรมดา แต่ในเซลล์เชื้อเพลิงหรืออย่างอื่น - ใน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเคมีได้กระแสไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงและความร้อนบางส่วน โปรดทราบว่าถ่านหิน คาร์บอนมอนอกไซด์ แอลกอฮอล์ ไฮดราซีน และสารอินทรีย์อื่นๆ สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงในเซลล์เชื้อเพลิง และอากาศ ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ คลอรีน โบรมีน กรดไนตริกฯลฯ

การพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงยังคงดำเนินต่อไปอย่างแข็งขันทั้งในต่างประเทศและในรัสเซีย และจากนั้นในสหภาพโซเวียต ในบรรดานักวิทยาศาสตร์ที่มีส่วนร่วมอย่างมากในการศึกษาเซลล์เชื้อเพลิง เราสังเกตเห็น V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Kordes ในช่วงกลางศตวรรษที่ผ่านมา การโจมตีครั้งใหม่เกี่ยวกับปัญหาเซลล์เชื้อเพลิงได้เริ่มต้นขึ้น ส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากการเกิดขึ้นของแนวคิด วัสดุ และเทคโนโลยีใหม่ๆ อันเป็นผลมาจากการวิจัยด้านการป้องกันประเทศ

หนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ที่ทำขั้นตอนสำคัญในการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงคือ P. M. Spiridonov องค์ประกอบไฮโดรเจน - ออกซิเจนของ Spiridonovให้ความหนาแน่นกระแส 30 mA/cm2 ซึ่งถือเป็นความสำเร็จครั้งยิ่งใหญ่ในสมัยนั้น ในปี 1940 O. Davtyan ได้สร้างสถานที่ติดตั้งสำหรับการเผาไหม้ไฟฟ้าเคมีของก๊าซกำเนิดที่ได้จากการแปรสภาพเป็นแก๊สจากถ่านหิน จากปริมาตรขององค์ประกอบแต่ละลูกบาศก์เมตร Davtyan ได้รับพลังงาน 5 กิโลวัตต์

นี้คือ เซลล์เชื้อเพลิงอิเล็กโทรไลต์แข็งตัวแรก. มันมีประสิทธิภาพสูง แต่เมื่อเวลาผ่านไป อิเล็กโทรไลต์ก็ใช้ไม่ได้ และต้องเปลี่ยนอิเล็กโทรไลต์ ต่อจากนั้นในปลายทศวรรษที่ห้าสิบ Davtyan ได้สร้างการติดตั้งที่มีประสิทธิภาพซึ่งทำให้รถแทรกเตอร์เคลื่อนที่ได้ ในปีเดียวกัน วิศวกรชาวอังกฤษ ที. เบคอน ได้ออกแบบและสร้างแบตเตอรี่เซลล์เชื้อเพลิงที่มีกำลังรวม 6 กิโลวัตต์ และประสิทธิภาพ 80% โดยทำงานโดยใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนบริสุทธิ์ แต่มีอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักของแบตเตอรี่ กลายเป็นว่าเล็กเกินไป - เซลล์ดังกล่าวไม่เหมาะสมสำหรับการใช้งานจริงและมีราคาแพงเกินไป

ในปีถัดมา เวลาของคนโสดผ่านไป ผู้สร้างยานอวกาศเริ่มสนใจเซลล์เชื้อเพลิง ตั้งแต่กลางทศวรรษ 1960 มีการลงทุนหลายล้านดอลลาร์ในการวิจัยเซลล์เชื้อเพลิง ผลงานของนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรหลายพันคนทำให้สามารถไปถึงระดับใหม่ได้ และในปี 2508 เซลล์เชื้อเพลิงได้รับการทดสอบในสหรัฐอเมริกาบนยานอวกาศ Gemini 5 และต่อมาในยานอวกาศ Apollo สำหรับเที่ยวบินไปยังดวงจันทร์และภายใต้โครงการ Shuttle

ในสหภาพโซเวียต เซลล์เชื้อเพลิงได้รับการพัฒนาที่ NPO Kvant สำหรับใช้ในอวกาศเช่นกัน ในช่วงหลายปีที่ผ่านมามีวัสดุใหม่ปรากฏขึ้นแล้ว - อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ที่เป็นของแข็งขึ้นอยู่กับเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออน, ตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดใหม่, อิเล็กโทรด ถึงกระนั้น ความหนาแน่นกระแสไฟทำงานมีขนาดเล็ก - ภายใน 100-200 mA/cm2 และเนื้อหาแพลตตินัมบนอิเล็กโทรดมีค่าหลายกรัม/ซม2 มีปัญหามากมายเกี่ยวกับความทนทาน ความมั่นคง ความปลอดภัย

ขั้นตอนต่อไปในการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงอย่างรวดเร็วเริ่มขึ้นในปี 1990 ศตวรรษที่ผ่านมาและต่อเนื่องมาจนถึงทุกวันนี้ เกิดจากความต้องการแหล่งพลังงานใหม่ที่มีประสิทธิภาพในการเชื่อมต่อกับโลก ปัญหาสิ่งแวดล้อมการปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่เพิ่มขึ้นจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล และในทางกลับกัน ด้วยการลดลงของเชื้อเพลิงดังกล่าว เนื่องจากผลิตภัณฑ์สุดท้ายของการเผาไหม้ไฮโดรเจนในเซลล์เชื้อเพลิงคือน้ำ จึงถือว่าสะอาดที่สุดในแง่ของผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ปัญหาหลักคือการหาวิธีการผลิตไฮโดรเจนที่มีประสิทธิภาพและราคาไม่แพงเท่านั้น

การลงทุนทางการเงินมูลค่าหลายพันล้านดอลลาร์ในการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงและเครื่องกำเนิดไฮโดรเจนควรนำไปสู่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและทำให้การใช้งานในชีวิตประจำวันเป็นจริง: ในเซลล์สำหรับโทรศัพท์มือถือ ในรถยนต์ ในโรงไฟฟ้า ในปัจจุบัน บริษัทรถยนต์ยักษ์ใหญ่อย่าง "Ballard", "Honda", "Daimler Chrysler", "General Motors" สาธิตรถยนต์นั่งส่วนบุคคลและรถโดยสารที่วิ่งด้วยเซลล์เชื้อเพลิงที่มีความจุ 50 กิโลวัตต์ ได้พัฒนามาหลายบริษัท โรงไฟฟ้าสาธิตบนเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอิเล็กโทรไลต์โซลิดออกไซด์ที่มีกำลังไฟสูงถึง 500 กิโลวัตต์. แต่ถึงแม้จะมีความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิง แต่ก็ยังมีปัญหามากมายที่ต้องแก้ไขซึ่งเกี่ยวข้องกับต้นทุน ความน่าเชื่อถือ และความปลอดภัย

ในเซลล์เชื้อเพลิงซึ่งแตกต่างจากแบตเตอรี่และตัวสะสม ทั้งเชื้อเพลิงและตัวออกซิไดเซอร์จะถูกป้อนเข้าจากภายนอก เซลล์เชื้อเพลิงเป็นเพียงตัวกลางในปฏิกิริยาและภายใต้สภาวะที่เหมาะสม อาจคงอยู่ได้เกือบตลอดไป ความงามของเทคโนโลยีนี้คือ อันที่จริง เชื้อเพลิงถูกเผาไหม้ในองค์ประกอบ และพลังงานที่ปล่อยออกมาจะถูกแปลงเป็นไฟฟ้าโดยตรง ในระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิงโดยตรง ออกซิเจนจะถูกออกซิไดซ์ และความร้อนที่ปล่อยออกมาในกรณีนี้จะนำไปใช้ในการทำงานที่เป็นประโยชน์

ในเซลล์เชื้อเพลิง เช่นเดียวกับในแบตเตอรี่ ปฏิกิริยาของการเกิดออกซิเดชันของเชื้อเพลิงและการลดออกซิเจนจะถูกแยกจากกัน และกระบวนการ "การเผาไหม้" จะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อเซลล์จ่ายกระแสให้กับโหลดเท่านั้น ประมาณนั้นแหละ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล เฉพาะไม่มีดีเซลและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า. และยังปราศจากควัน เสียง ความร้อนสูงเกินไป และมีประสิทธิภาพสูงกว่ามาก อย่างหลังอธิบายโดยข้อเท็จจริงที่ว่าประการแรกไม่มีอุปกรณ์ทางกลระดับกลางและประการที่สองเซลล์เชื้อเพลิงไม่ใช่เครื่องยนต์ความร้อนและเป็นผลให้ไม่ปฏิบัติตามกฎของคาร์โนต์ (นั่นคือประสิทธิภาพของมันไม่ได้ถูกกำหนดโดย ความแตกต่างของอุณหภูมิ)

ออกซิเจนถูกใช้เป็นตัวออกซิไดซ์ในเซลล์เชื้อเพลิง ยิ่งกว่านั้น เนื่องจากมีออกซิเจนเพียงพอในอากาศ ไม่จำเป็นต้องกังวลเกี่ยวกับการจัดหาตัวออกซิไดซ์ ส่วนเชื้อเพลิงก็คือไฮโดรเจน ดังนั้น ในเซลล์เชื้อเพลิง ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้น:

2H2 + O2 → 2H2O + ไฟฟ้า + ความร้อน

ผลที่ได้คือพลังงานที่มีประโยชน์และไอน้ำ อุปกรณ์ที่ง่ายที่สุดคือ เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน(ดูรูปที่ 1) มันทำงานดังนี้: ไฮโดรเจนที่เข้าสู่เซลล์สลายตัวภายใต้การกระทำของตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นอิเล็กตรอนและไฮโดรเจนไอออนที่มีประจุบวก H+ จากนั้นจึงใช้เมมเบรนพิเศษ ซึ่งทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์ในแบตเตอรี่ทั่วไป เนื่องจากองค์ประกอบทางเคมีของมัน มันส่งโปรตอนผ่านตัวมันเอง แต่ยังคงเก็บอิเล็กตรอนไว้ ดังนั้นอิเล็กตรอนที่สะสมบนแอโนดจะสร้างประจุลบส่วนเกิน และไฮโดรเจนไอออนจะสร้างประจุบวกบนแคโทด (แรงดันไฟฟ้าบนองค์ประกอบอยู่ที่ประมาณ 1V)

เพื่อสร้างพลังงานสูง เซลล์เชื้อเพลิงจะประกอบขึ้นจากหลายเซลล์ หากองค์ประกอบรวมอยู่ในโหลดแล้วอิเล็กตรอนจะไหลผ่านไปยังแคโทดสร้างกระแสและทำให้กระบวนการออกซิเดชันของไฮโดรเจนกับออกซิเจนเสร็จสิ้น ในฐานะที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าว ตามกฎแล้วจะใช้อนุภาคแพลตตินัมที่ติดอยู่บนเส้นใยคาร์บอน เนื่องจากโครงสร้างของมัน ตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวจึงผ่านก๊าซและไฟฟ้าได้ดี เมมเบรนมักจะทำจากพอลิเมอร์ Nafion ที่มีกำมะถัน ความหนาของเมมเบรนคือหนึ่งในสิบของมิลลิเมตร ในระหว่างการทำปฏิกิริยา แน่นอนความร้อนก็ถูกปล่อยออกมาเช่นกัน แต่มีไม่มากดังนั้นอุณหภูมิในการทำงานจะอยู่ที่ 40-80 ° C

รูปที่ 1 หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง

มีเซลล์เชื้อเพลิงประเภทอื่นๆ ซึ่งส่วนใหญ่แตกต่างกันไปตามชนิดของอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ เกือบทั้งหมดต้องการไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง ดังนั้นคำถามเชิงตรรกะจึงเกิดขึ้น: จะหาได้จากที่ไหน แน่นอนว่ามันเป็นไปได้ที่จะใช้ไฮโดรเจนอัดจากกระบอกสูบ แต่ทันทีที่มีปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการขนส่งและการจัดเก็บก๊าซไวไฟสูงนี้ภายใต้ความกดอากาศสูง แน่นอน คุณสามารถใช้ไฮโดรเจนในรูปแบบที่ถูกผูกไว้ได้ เช่นเดียวกับในแบตเตอรี่เมทัลไฮไดรด์ แต่ถึงกระนั้น งานของการสกัดและการขนส่งยังคงอยู่ เนื่องจากไม่มีโครงสร้างพื้นฐานสำหรับสถานีเติมไฮโดรเจน

อย่างไรก็ตาม ยังมีวิธีแก้ปัญหาอยู่ที่นี่ - เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนเหลวสามารถใช้เป็นแหล่งไฮโดรเจนได้ ตัวอย่างเช่น เอทิลหรือเมทิลแอลกอฮอล์ จริงอยู่จำเป็นต้องมีอุปกรณ์เพิ่มเติมพิเศษที่นี่ - ตัวแปลงเชื้อเพลิงซึ่งที่อุณหภูมิสูง (สำหรับเมทานอลจะอยู่ที่ประมาณ 240 ° C) จะเปลี่ยนแอลกอฮอล์เป็นส่วนผสมของก๊าซ H2 และ CO2 แต่ในกรณีนี้ การคิดถึงการพกพานั้นยากกว่าอยู่แล้ว - อุปกรณ์ดังกล่าวเหมาะที่จะใช้อยู่กับที่หรืออยู่กับที่ แต่สำหรับอุปกรณ์พกพาขนาดกะทัดรัด คุณต้องใช้อุปกรณ์ที่ไม่เทอะทะ

และที่นี่เรามาถึงอุปกรณ์นั้นซึ่งได้รับการพัฒนาด้วยกำลังที่แย่มากโดยผู้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รายใหญ่ที่สุดเกือบทั้งหมด - เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอล(รูปที่ 2).

รูปที่ 2 หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงกับเมทานอล

ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนและเมทานอลคือตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ ตัวเร่งปฏิกิริยาในเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลช่วยให้แยกโปรตอนออกจากโมเลกุลแอลกอฮอล์ได้โดยตรง ดังนั้น ปัญหาเกี่ยวกับเชื้อเพลิงจึงได้รับการแก้ไข - เมทิลแอลกอฮอล์ผลิตขึ้นเป็นจำนวนมากสำหรับอุตสาหกรรมเคมี ง่ายต่อการจัดเก็บและขนส่ง และการชาร์จเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอล การเปลี่ยนตลับเชื้อเพลิงก็เพียงพอแล้ว จริงอยู่มีหนึ่งลบที่สำคัญ - เมทานอลเป็นพิษ นอกจากนี้ ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลยังต่ำกว่าเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนอย่างมาก

ข้าว. 3. เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอล

ทางเลือกที่ดึงดูดใจที่สุดคือการใช้เอทิลแอลกอฮอล์เป็นเชื้อเพลิง เนื่องจากการผลิตและจำหน่ายเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ที่มีองค์ประกอบและความแข็งแกร่งนั้นเป็นที่ยอมรับกันดีมาตลอด โลก. อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงเอทานอลยังต่ำกว่าเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลด้วยซ้ำ

ตามที่ระบุไว้ในช่วงหลายปีที่ผ่านมาของการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิง เซลล์เชื้อเพลิงประเภทต่างๆ ได้ถูกสร้างขึ้น เซลล์เชื้อเพลิงจำแนกตามอิเล็กโทรไลต์และประเภทของเชื้อเพลิง

1. อิเล็กโทรไลต์ไฮโดรเจนออกซิเจนที่เป็นของแข็ง

2. เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลโพลีเมอร์ที่เป็นของแข็ง

3. องค์ประกอบของอัลคาไลน์อิเล็กโทรไลต์

4. เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก

5. เซลล์เชื้อเพลิงบนคาร์บอเนตหลอมเหลว

6. เซลล์เชื้อเพลิงแข็งออกไซด์

ตามหลักการแล้ว ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงนั้นสูงมาก แต่ในสภาพจริงมีความสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการที่ไม่สมดุล เช่น การสูญเสียโอห์มมิกอันเนื่องมาจากค่าการนำไฟฟ้าจำเพาะของอิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรด การกระตุ้นและโพลาไรซ์ของความเข้มข้น การสูญเสียจากการแพร่ เป็นผลให้ส่วนหนึ่งของพลังงานที่สร้างขึ้นในเซลล์เชื้อเพลิงถูกแปลงเป็นความร้อน ความพยายามของผู้เชี่ยวชาญมีเป้าหมายเพื่อลดการสูญเสียเหล่านี้

แหล่งที่มาหลักของการสูญเสียโอห์มมิก เช่นเดียวกับสาเหตุที่ทำให้เซลล์เชื้อเพลิงมีราคาสูง คือเยื่อแผ่นแลกเปลี่ยนไอออนซัลโฟเคชันชนิดเพอร์ฟลูออริเนต ขณะนี้มีการค้นหาโพลีเมอร์ที่นำโปรตอนที่มีราคาถูกกว่าทางเลือกอื่น เนื่องจากค่าการนำไฟฟ้าของเมมเบรนเหล่านี้ (อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง) ถึงค่าที่ยอมรับได้ (10 Ω/ซม.) เมื่อมีน้ำเท่านั้น ก๊าซที่จ่ายไปยังเซลล์เชื้อเพลิงจะต้องชุบเพิ่มเติมในอุปกรณ์พิเศษ ซึ่งจะเพิ่มต้นทุนของ ระบบ. ในอิเล็กโทรดการแพร่ก๊าซแบบเร่งปฏิกิริยา ส่วนใหญ่ใช้แพลตตินัมและโลหะมีตระกูลอื่น ๆ และจนถึงขณะนี้ยังไม่พบสิ่งทดแทนสำหรับพวกเขา แม้ว่าปริมาณแพลตตินัมในเซลล์เชื้อเพลิงจะอยู่ที่ไม่กี่ มก./ซม.2 แต่สำหรับแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ ปริมาณของแพลตตินั่มถึงหลายสิบกรัม

เมื่อออกแบบเซลล์เชื้อเพลิง จะต้องให้ความสนใจอย่างมากกับระบบกำจัดความร้อน เนื่องจากที่ความหนาแน่นกระแสสูง (สูงถึง 1 A/cm2) ระบบจะทำความร้อนในตัวเอง สำหรับการระบายความร้อนจะใช้น้ำที่หมุนเวียนในเซลล์เชื้อเพลิงผ่านช่องทางพิเศษและอากาศจะถูกเป่าด้วยพลังงานต่ำ

ดังนั้นระบบที่ทันสมัยของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเคมีไฟฟ้านอกเหนือจากแบตเตอรี่เซลล์เชื้อเพลิงนั้น "รก" ด้วยอุปกรณ์เสริมมากมายเช่น: ปั๊ม, คอมเพรสเซอร์สำหรับจ่ายอากาศ, ไฮโดรเจนที่ไหลเข้า, เครื่องเพิ่มความชื้นในแก๊ส, หน่วยทำความเย็น, ระบบควบคุมการรั่วไหลของก๊าซ ตัวแปลง DC-to-AC โปรเซสเซอร์ควบคุม และอื่นๆ ทั้งหมดนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าต้นทุนของระบบเซลล์เชื้อเพลิงในปี 2547-2548 อยู่ที่ 2-3 พันเหรียญสหรัฐต่อกิโลวัตต์ ตามที่ผู้เชี่ยวชาญระบุ เซลล์เชื้อเพลิงจะพร้อมสำหรับใช้ในการขนส่งและในโรงไฟฟ้าแบบอยู่กับที่ในราคา $50-100/kW

ในการแนะนำเซลล์เชื้อเพลิงในชีวิตประจำวันพร้อมกับส่วนประกอบที่ถูกกว่า เราควรคาดหวังแนวคิดและวิธีการใหม่ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความหวังอันยิ่งใหญ่เกี่ยวข้องกับการใช้วัสดุนาโนและนาโนเทคโนโลยี ตัวอย่างเช่น หลายบริษัทเพิ่งประกาศการสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอิเล็กโทรดออกซิเจน โดยอิงจากกลุ่มอนุภาคนาโนจากโลหะต่างๆ นอกจากนี้ยังมีรายงานเกี่ยวกับการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงแบบไม่มีเมมเบรนซึ่งเชื้อเพลิงเหลว (เช่น เมทานอล) ถูกป้อนเข้าสู่เซลล์เชื้อเพลิงพร้อมกับตัวออกซิไดเซอร์ ที่น่าสนใจคือแนวคิดการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพที่ทำงานในน้ำเสียและการใช้ออกซิเจนในอากาศที่ละลายในน้ำเป็นตัวออกซิไดเซอร์ และ สิ่งสกปรกอินทรีย์เป็นเชื้อเพลิง

ผู้เชี่ยวชาญคาดการณ์ว่าเซลล์เชื้อเพลิงจะเข้าสู่ตลาดมวลชนในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า อันที่จริง นักพัฒนาทีละคนเอาชนะปัญหาทางเทคนิค รายงานความสำเร็จ และนำเสนอต้นแบบเซลล์เชื้อเพลิง ตัวอย่างเช่น โตชิบาแสดงต้นแบบเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลสำเร็จรูป มีขนาด 22x56x4.5 มม. และให้กำลังไฟประมาณ 100mW เมทานอลเข้มข้น (99.5%) 2 ก้อนเติม 1 ครั้งก็เพียงพอสำหรับการทำงานของเครื่องเล่น MP3 20 ชั่วโมง โตชิบาได้เปิดตัวเซลล์เชื้อเพลิงเชิงพาณิชย์เพื่อขับเคลื่อนโทรศัพท์มือถือ อีกครั้งที่โตชิบาเดียวกันได้สาธิตองค์ประกอบแหล่งจ่ายไฟแล็ปท็อป 275x75x40 มม. ซึ่งช่วยให้คอมพิวเตอร์ทำงานเป็นเวลา 5 ชั่วโมงต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง

อยู่ไม่ไกลจากโตชิบาและบริษัทญี่ปุ่นอีกแห่งคือฟูจิตสึ ในปีพ.ศ. 2547 เธอยังได้แนะนำองค์ประกอบที่ทำงานบนสารละลายเมทานอลที่เป็นน้ำ 30% เซลล์เชื้อเพลิงนี้ใช้การเติม 300 มล. เพียงครั้งเดียวเป็นเวลา 10 ชั่วโมง และในขณะเดียวกันก็ผลิตพลังงานได้ 15 วัตต์

Casio กำลังพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงโดยที่เมธานอลจะถูกแปรรูปเป็นส่วนผสมของก๊าซ H2 และ CO2 ในตัวแปลงเชื้อเพลิงขนาดเล็กในขั้นแรก จากนั้นจึงป้อนเข้าสู่เซลล์เชื้อเพลิง ในระหว่างการสาธิต ต้นแบบของ Casio ขับเคลื่อนแล็ปท็อปเป็นเวลา 20 ชั่วโมง

ซัมซุงยังสร้างชื่อให้กับตัวเองในด้านเซลล์เชื้อเพลิง - ในปี 2547 ได้มีการสาธิตเครื่องต้นแบบ 12 วัตต์ที่ออกแบบมาเพื่อให้พลังงานแก่แล็ปท็อป โดยทั่วไปแล้ว Samsung ตั้งใจที่จะใช้เซลล์เชื้อเพลิงอย่างแรกเลยในสมาร์ทโฟนรุ่นที่สี่

ต้องบอกว่าบริษัทญี่ปุ่นโดยทั่วไปเข้าหาการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงอย่างละเอียดถี่ถ้วน ย้อนกลับไปในปี 2546 บริษัทต่างๆ เช่น Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony และ Toshiba ร่วมมือกันเพื่อพัฒนามาตรฐานเซลล์เชื้อเพลิงทั่วไปสำหรับแล็ปท็อป โทรศัพท์มือถือ พีดีเอ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ บริษัทอเมริกันซึ่งมีอยู่ไม่กี่แห่งในตลาดนี้ ส่วนใหญ่ทำงานภายใต้สัญญากับกองทัพและพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าให้กับทหารอเมริกัน

ชาวเยอรมันอยู่ไม่ไกลหลัง - บริษัท Smart Fuel Cell ขายเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อใช้ในสำนักงานเคลื่อนที่ อุปกรณ์นี้เรียกว่า Smart Fuel Cell C25 ซึ่งมีขนาด 150x112x65 มม. และสามารถผลิตพลังงานได้ถึง 140 วัตต์ต่อชั่วโมงต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง ซึ่งเพียงพอที่จะจ่ายไฟให้กับแล็ปท็อปได้ประมาณ 7 ชั่วโมง จากนั้นสามารถเปลี่ยนตลับหมึกและคุณสามารถทำงานต่อไปได้ ขนาดของตลับเมทานอล 99x63x27 มม. และน้ำหนัก 150 กรัม ตัวระบบเองมีน้ำหนัก 1.1 กก. ดังนั้นคุณไม่สามารถเรียกได้ว่าพกพาได้อย่างสมบูรณ์ แต่ก็ยังเป็นอุปกรณ์ที่สมบูรณ์และสะดวก บริษัทยังกำลังพัฒนาโมดูลเชื้อเพลิงสำหรับจ่ายไฟให้กับกล้องวิดีโอระดับมืออาชีพ

โดยทั่วไป เซลล์เชื้อเพลิงเกือบจะเข้าสู่ตลาดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่แล้ว ผู้ผลิตต้องแก้ปัญหาทางเทคนิคสุดท้ายก่อนเริ่มการผลิตจำนวนมาก

ประการแรก จำเป็นต้องแก้ไขปัญหาการย่อขนาดเซลล์เชื้อเพลิง ท้ายที่สุด ยิ่งเซลล์เชื้อเพลิงมีขนาดเล็กเท่าใด ก็ยิ่งสามารถผลิตพลังงานได้น้อยลงเท่านั้น ดังนั้นตัวเร่งปฏิกิริยาและอิเล็กโทรดใหม่จึงได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ซึ่งช่วยให้ขนาดที่เล็กสามารถขยายพื้นผิวการทำงานให้เกิดประโยชน์สูงสุด ที่นี่ การพัฒนาล่าสุดในด้านนาโนเทคโนโลยีและวัสดุนาโน (เช่น ท่อนาโน) มีประโยชน์มาก อีกครั้ง สำหรับการย่อขนาดท่อขององค์ประกอบ (ปั๊มเชื้อเพลิงและน้ำ ระบบหล่อเย็น และการแปลงเชื้อเพลิง) ความสำเร็จของไมโครไฟฟ้ากำลังถูกใช้เพิ่มมากขึ้น

ปัญหาสำคัญที่สองที่ต้องแก้ไขคือราคา ท้ายที่สุดแล้ว แพลตตินัมที่มีราคาแพงมากถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในเซลล์เชื้อเพลิงส่วนใหญ่ ผู้ผลิตบางรายพยายามใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีซิลิกอนที่มีอยู่แล้วให้เกิดประโยชน์สูงสุด

สำหรับส่วนอื่น ๆ ของการใช้เซลล์เชื้อเพลิง เซลล์เชื้อเพลิงได้สร้างตัวเองขึ้นอย่างมั่นคงแล้ว แม้ว่าจะยังไม่กลายเป็นกระแสหลักในภาคพลังงานหรือในการขนส่งก็ตาม ผู้ผลิตรถยนต์หลายรายได้นำเสนอรถยนต์ต้นแบบที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงแล้ว รถเมล์เซลล์เชื้อเพลิงกำลังวิ่งอยู่ในหลายเมืองทั่วโลก การเปิดตัวระบบพลังงาน Ballard ของแคนาดา ทั้งสายเครื่องกำเนิดไฟฟ้านิ่งที่มีกำลังตั้งแต่ 1 ถึง 250 กิโลวัตต์ ในเวลาเดียวกัน เครื่องกำเนิดกิโลวัตต์ได้รับการออกแบบมาเพื่อจ่ายไฟฟ้า ความร้อนและน้ำร้อนให้กับอพาร์ตเมนต์หนึ่งห้องทันที

เซลล์เชื้อเพลิง เซลล์เชื้อเพลิงเป็นแหล่งพลังงานเคมี พวกเขาดำเนินการแปลงพลังงานเชื้อเพลิงโดยตรงเป็นไฟฟ้าโดยข้ามกระบวนการเผาไหม้ที่ไม่มีประสิทธิภาพและมีการสูญเสียสูง อุปกรณ์ไฟฟ้าเคมีนี้ซึ่งเป็นผลมาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิง "เย็น" ที่มีประสิทธิภาพสูง จะผลิตกระแสไฟฟ้าโดยตรง

นักชีวเคมีได้กำหนดว่าเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน-ออกซิเจนทางชีววิทยา "สร้างขึ้น" แต่ละเซลล์ เซลล์ที่มีชีวิต(ดูบทที่ 2).

แหล่งที่มาของไฮโดรเจนในร่างกายคืออาหาร ไขมัน โปรตีน และคาร์โบไฮเดรต ในกระเพาะอาหาร ลำไส้ และเซลล์ ในที่สุดก็สลายตัวไปเป็นโมโนเมอร์ ซึ่งในทางกลับกัน หลังจากการเปลี่ยนแปลงทางเคมีหลายครั้ง จะทำให้เกิดไฮโดรเจนที่ติดอยู่กับโมเลกุลของตัวพา

ออกซิเจนจากอากาศเข้าสู่กระแสเลือดทางปอด รวมกับเฮโมโกลบิน และถูกส่งไปยังเนื้อเยื่อทั้งหมด กระบวนการผสมไฮโดรเจนกับออกซิเจนเป็นพื้นฐานของพลังงานชีวภาพของร่างกาย ที่นี่ภายใต้สภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย (อุณหภูมิห้อง, ความดันปกติ, สิ่งแวดล้อมทางน้ำ), พลังงานเคมีที่มีประสิทธิภาพสูงจะถูกแปลงเป็นความร้อน, กลไก (การเคลื่อนไหวของกล้ามเนื้อ), ไฟฟ้า ( ปลากระเบนไฟฟ้า) แสง (แมลง เปล่งแสง).

มนุษย์ทำซ้ำอุปกรณ์เพื่อรับพลังงานที่สร้างขึ้นโดยธรรมชาติอีกครั้ง ในเวลาเดียวกัน ข้อเท็จจริงนี้บ่งชี้ถึงแนวโน้มของทิศทาง กระบวนการทั้งหมดในธรรมชาติมีความสมเหตุสมผล ดังนั้นขั้นตอนสู่การใช้เซลล์เชื้อเพลิงอย่างแท้จริงจึงสร้างแรงบันดาลใจให้เกิดความหวังสำหรับอนาคตด้านพลังงาน

การค้นพบเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน-ออกซิเจนในปี พ.ศ. 2381 เป็นของนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ดับเบิลยู. โกรฟ จากการตรวจสอบการสลายตัวของน้ำให้เป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน เขาได้ค้นพบผลข้างเคียง - อิเล็กโทรไลเซอร์ผลิตกระแสไฟฟ้า

สิ่งที่เผาไหม้ในเซลล์เชื้อเพลิง?
เชื้อเพลิงฟอสซิล (ถ่านหิน ก๊าซ และน้ำมัน) ส่วนใหญ่เป็นคาร์บอน ระหว่างการเผาไหม้ อะตอมของเชื้อเพลิงจะสูญเสียอิเล็กตรอน และอะตอมของออกซิเจนในอากาศจะได้รับอิเล็กตรอน ดังนั้นในกระบวนการออกซิเดชัน อะตอมของคาร์บอนและออกซิเจนจะรวมกันเป็นผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ - โมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์ กระบวนการนี้มีความกระฉับกระเฉง: อะตอมและโมเลกุลของสารที่เกี่ยวข้องกับการเผาไหม้จะมีความเร็วสูง และทำให้อุณหภูมิของสารเหล่านี้เพิ่มขึ้น พวกเขาเริ่มเปล่งแสง - เปลวไฟปรากฏขึ้น

ปฏิกิริยาเคมีของการเผาไหม้คาร์บอนมีรูปแบบดังนี้

C + O2 = CO2 + ความร้อน

ในกระบวนการเผาไหม้ พลังงานเคมีจะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อนเนื่องจากการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนระหว่างอะตอมของเชื้อเพลิงกับตัวออกซิไดเซอร์ การแลกเปลี่ยนนี้เกิดขึ้นแบบสุ่ม

การเผาไหม้คือการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนระหว่างอะตอม และกระแสไฟฟ้าคือการเคลื่อนที่โดยตรงของอิเล็กตรอน หากอิเล็กตรอนถูกบังคับให้ทำงานระหว่างปฏิกิริยาเคมี อุณหภูมิของกระบวนการเผาไหม้จะลดลง ใน FC อิเล็กตรอนจะถูกดึงออกจากสารตั้งต้นที่อิเล็กโทรดหนึ่ง ให้พลังงานในรูปของกระแสไฟฟ้า และรวมตัวทำปฏิกิริยากับอีกขั้วหนึ่ง

พื้นฐานของ HIT คืออิเล็กโทรดสองขั้วที่เชื่อมต่อด้วยอิเล็กโทรไลต์ เซลล์เชื้อเพลิงประกอบด้วยแอโนด แคโทด และอิเล็กโทรไลต์ (ดู บทที่ 2) ออกซิไดซ์ที่ขั้วบวกเช่น บริจาคอิเล็กตรอน ตัวรีดิวซ์ (เชื้อเพลิง CO หรือ H2) อิเล็กตรอนอิสระจากแอโนดเข้าสู่วงจรภายนอก และไอออนบวกจะถูกกักไว้ที่ส่วนต่อประสานแอโนด-อิเล็กโทรไลต์ (CO+, H+) จากปลายอีกด้านของสายโซ่ อิเล็กตรอนเข้าใกล้แคโทด ซึ่งเกิดปฏิกิริยารีดักชัน (การเพิ่มอิเล็กตรอนโดยตัวออกซิไดซ์ O2-) จากนั้นอิเล็กโทรไลต์จะถูกขนส่งโดยอิเล็กโทรไลต์ไปยังแคโทด

ใน FC สามขั้นตอนของระบบฟิสิกส์เคมีถูกนำมารวมกัน:

แก๊ส (เชื้อเพลิง, ตัวออกซิไดเซอร์);
อิเล็กโทรไลต์ (ตัวนำของไอออน);
อิเล็กโทรดโลหะ (ตัวนำของอิเล็กตรอน)
ในเซลล์เชื้อเพลิง พลังงานของปฏิกิริยารีดอกซ์จะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า และกระบวนการของการเกิดออกซิเดชันและการรีดักชันจะถูกแยกตามพื้นที่ด้วยอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ไม่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยา แต่ในการออกแบบจริง พวกมันจะปนเปื้อนด้วยสิ่งสกปรกจากเชื้อเพลิงเมื่อเวลาผ่านไป การเผาไหม้ด้วยไฟฟ้าเคมีสามารถดำเนินการได้ที่อุณหภูมิต่ำและแทบไม่สูญเสียเลย ในรูป p087 แสดงสถานการณ์ที่ส่วนผสมของก๊าซ (CO และ H2) เข้าสู่เซลล์เชื้อเพลิง กล่าวคือ มันสามารถเผาไหม้เชื้อเพลิงก๊าซ (ดูบทที่ 1) ดังนั้น TE จึงกลายเป็น "กินไม่เลือก"

การใช้เซลล์เชื้อเพลิงมีความซับซ้อนเนื่องจากต้อง "เตรียม" เชื้อเพลิงให้พร้อม สำหรับเซลล์เชื้อเพลิง ไฮโดรเจนได้มาจากการแปลงเชื้อเพลิงอินทรีย์หรือการแปรสภาพเป็นแก๊สจากถ่านหิน ดังนั้น แผนภาพโครงสร้างของโรงไฟฟ้าในเซลล์เชื้อเพลิง นอกเหนือจากแบตเตอรี่ของเซลล์เชื้อเพลิง ตัวแปลง DC เป็นไฟฟ้ากระแสสลับ (ดูบทที่ 3) และอุปกรณ์เสริม รวมถึงหน่วยผลิตไฮโดรเจนด้วย

สองทิศทางของการพัฒนา FC

การประยุกต์ใช้เซลล์เชื้อเพลิงมีสองด้าน: พลังงานอิสระและพลังงานขนาดใหญ่

สำหรับการใช้งานแบบอิสระ คุณลักษณะเฉพาะและความสะดวกในการใช้งานเป็นหลัก ต้นทุนของพลังงานที่สร้างขึ้นไม่ใช่ตัวบ่งชี้หลัก

สำหรับการผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่ ประสิทธิภาพเป็นปัจจัยชี้ขาด นอกจากนี้งานติดตั้งต้องมีความทนทานไม่มีวัสดุและการใช้งานราคาแพง เชื้อเพลิงธรรมชาติด้วยค่าใช้จ่ายในการฝึกอบรมที่น้อยที่สุด

ประโยชน์สูงสุดมาจากการใช้เซลล์เชื้อเพลิงในรถยนต์ ความกะทัดรัดของเซลล์เชื้อเพลิงจะมีผลเหมือนที่อื่นไม่มีที่ไหนเลย ด้วยการรับไฟฟ้าโดยตรงจากเชื้อเพลิง การประหยัดอย่างหลังจะอยู่ที่ประมาณ 50%

เป็นครั้งแรกที่แนวคิดของการใช้เซลล์เชื้อเพลิงในวิศวกรรมพลังงานขนาดใหญ่ถูกคิดค้นโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน W. Oswald ในปี 1894 ต่อมาได้มีการพัฒนาแนวคิดในการสร้างแหล่งพลังงานอิสระที่มีประสิทธิภาพโดยใช้เซลล์เชื้อเพลิง

หลังจากนั้น มีความพยายามซ้ำแล้วซ้ำเล่าเพื่อใช้ถ่านหินเป็นสารออกฤทธิ์ในเซลล์เชื้อเพลิง ในช่วงทศวรรษที่ 1930 E. Bauer นักวิจัยชาวเยอรมันได้สร้างต้นแบบในห้องปฏิบัติการของเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งสำหรับการเกิดออกซิเดชันขั้วบวกโดยตรงของถ่านหิน ในเวลาเดียวกันได้ทำการศึกษาเซลล์เชื้อเพลิงออกซิเจนและไฮโดรเจน

ในปีพ.ศ. 2501 ในอังกฤษ F. Bacon ได้สร้างโรงงานออกซิเจนไฮโดรเจนแห่งแรกที่มีกำลังการผลิต 5 กิโลวัตต์ แต่มันยุ่งยากเนื่องจากการใช้แรงดันแก๊สสูง (2 ... 4 MPa)

ตั้งแต่ปี 1955 K. Kordesh ได้พัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงออกซิเจน-ไฮโดรเจนที่อุณหภูมิต่ำในสหรัฐอเมริกา พวกเขาใช้อิเล็กโทรดคาร์บอนกับตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินั่ม ในประเทศเยอรมนี E. Yust ทำงานเกี่ยวกับการสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ใช่แพลตตินัม

หลังปี 1960 มีการสร้างตัวอย่างการสาธิตและโฆษณา การประยุกต์ใช้เซลล์เชื้อเพลิงในทางปฏิบัติครั้งแรกถูกพบในยานอวกาศอพอลโล พวกเขาเป็นโรงไฟฟ้าหลักในการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์บนเครื่องบินและจัดหาน้ำและความร้อนให้กับนักบินอวกาศ

พื้นที่หลักของการใช้การติดตั้งแบบอิสระพร้อมเซลล์เชื้อเพลิงคือการทหารและ ใบสมัครกองทัพเรือ. ในช่วงปลายทศวรรษ 1960 ปริมาณการวิจัยเกี่ยวกับเซลล์เชื้อเพลิงลดลง และหลังจากทศวรรษ 1980 การวิจัยเพิ่มขึ้นอีกครั้งเมื่อเทียบกับพลังงานขนาดใหญ่

VARTA ได้พัฒนา FCs โดยใช้อิเล็กโทรดการแพร่ก๊าซแบบสองด้าน อิเล็กโทรดประเภทนี้เรียกว่า "เจนัส" ซีเมนส์ได้พัฒนาอิเล็กโทรดด้วย ความหนาแน่นของพลังงานสูงถึง 90 วัตต์/กก. ในสหรัฐอเมริกา United Technology Corp. ดำเนินการเกี่ยวกับเซลล์ออกซิเจนและไฮโดรเจน

ในอุตสาหกรรมพลังงานขนาดใหญ่ การใช้เซลล์เชื้อเพลิงสำหรับการจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่ เช่น การผลิตไฮโดรเจน (ดูบทที่ 1) มีแนวโน้มที่ดี (แสงแดดและลม) กระจัดกระจาย (ดู Ch. 4) การใช้งานอย่างจริงจังซึ่งเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในอนาคตเป็นสิ่งที่คิดไม่ถึงหากไม่มีแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ที่เก็บพลังงานในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง

ปัญหาของการสะสมมีความเกี่ยวข้องอยู่แล้วในปัจจุบัน: ความผันผวนรายวันและรายสัปดาห์ในโหลดของระบบไฟฟ้าลดประสิทธิภาพลงอย่างมากและต้องการความสามารถที่เรียกว่าคล่องแคล่ว ตัวเลือกหนึ่งสำหรับการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าเคมีคือเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ร่วมกับอิเล็กโทรไลเซอร์และตัวจับก๊าซ*

* ที่วางแก๊ส [แก๊ส + อังกฤษ. ที่ยึด] - ที่เก็บก๊าซปริมาณมาก

TE . รุ่นแรก

เซลล์เชื้อเพลิงอุณหภูมิปานกลางของรุ่นแรก ซึ่งทำงานที่อุณหภูมิ 200...230°C สำหรับเชื้อเพลิงเหลว ก๊าซธรรมชาติ หรือไฮโดรเจนทางเทคนิค* ได้บรรลุถึงความสมบูรณ์แบบทางเทคโนโลยีที่ยิ่งใหญ่ที่สุด อิเล็กโทรไลต์ในนั้นคือกรดฟอสฟอริกซึ่งเติมเมทริกซ์คาร์บอนที่มีรูพรุน อิเล็กโทรดทำมาจากคาร์บอนและตัวเร่งปฏิกิริยาคือแพลตตินัม (ใช้แพลตตินั่มในปริมาณไม่กี่กรัมต่อกิโลวัตต์ของกำลังไฟฟ้า)

* ไฮโดรเจนเชิงพาณิชย์เป็นผลิตภัณฑ์แปลงเชื้อเพลิงฟอสซิลที่มีสิ่งเจือปนเล็กน้อยของคาร์บอนมอนอกไซด์

โรงไฟฟ้าแห่งหนึ่งดังกล่าวเริ่มดำเนินการในรัฐแคลิฟอร์เนียในปี 2534 ประกอบด้วยแบตเตอรี่สิบแปดก้อนที่แต่ละก้อนมีน้ำหนัก 18 ตัน และบรรจุในกล่องที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 2 ม. และสูงประมาณ 5 ม. ขั้นตอนการเปลี่ยนแบตเตอรี่คิดโดยใช้โครงสร้างเฟรมที่เคลื่อนที่ไปตามราง

สหรัฐอเมริกาส่งโรงไฟฟ้าสองแห่งไปยังญี่ปุ่นไปยังญี่ปุ่น รุ่นแรกเปิดตัวเมื่อต้นปี 2526 ประสิทธิภาพการปฏิบัติงานของสถานีสอดคล้องกับค่าที่คำนวณได้ เธอทำงานด้วยภาระ 25 ถึง 80% ของจำนวนเล็กน้อย ประสิทธิภาพถึง 30...37% - ใกล้กับโรงไฟฟ้าพลังความร้อนขนาดใหญ่ที่ทันสมัย เวลาเริ่มต้นจากสถานะเย็นคือจาก 4 ชั่วโมงเป็น 10 นาที และระยะเวลาของพลังงานเปลี่ยนจากศูนย์เป็นเต็มเพียง 15 วินาที

ขณะนี้อยู่ในส่วนต่างๆ ของประเทศสหรัฐอเมริกา โรงไฟฟ้าพลังความร้อนร่วมขนาดเล็กและโรงไฟฟ้าที่มีกำลังการผลิต 40 กิโลวัตต์พร้อมปัจจัยการใช้เชื้อเพลิงประมาณ 80% กำลังอยู่ระหว่างการทดสอบ สามารถทำน้ำร้อนได้สูงถึง 130°C และวางไว้ในห้องซักรีด สปอร์ตคอมเพล็กซ์ จุดสื่อสาร ฯลฯ การติดตั้งประมาณหนึ่งร้อยครั้งได้ทำงานมาแล้วนับแสนชั่วโมง ความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมของโรงไฟฟ้า FC ทำให้สามารถติดตั้งในเมืองได้โดยตรง

โรงไฟฟ้าเชื้อเพลิงแห่งแรกในนิวยอร์ก มีกำลังการผลิต 4.5 เมกะวัตต์ บนพื้นที่ 1.3 เฮกตาร์ ตอนนี้ สำหรับโรงงานแห่งใหม่ที่มีกำลังการผลิตมากกว่าสองเท่าครึ่ง จำเป็นต้องมีพื้นที่ขนาด 30x60 ม. กำลังสร้างโรงไฟฟ้าสาธิตหลายแห่งที่มีกำลังการผลิต 11 เมกะวัตต์ ระยะเวลาในการก่อสร้าง (7 เดือน) และพื้นที่ (30x60 ม.) ที่โรงไฟฟ้าเข้าครอบครองนั้นน่าทึ่งมาก อายุการใช้งานโดยประมาณของโรงไฟฟ้าใหม่คือ 30 ปี

TE . รุ่นที่สองและสาม

คุณสมบัติที่ดีที่สุดแล้วได้รับการออกแบบโรงงานโมดูลาร์ที่มีความจุ 5 MW พร้อมเซลล์เชื้อเพลิงอุณหภูมิปานกลางของรุ่นที่สอง ทำงานที่อุณหภูมิ 650...700 องศาเซลเซียส แอโนดของพวกเขาทำจากอนุภาคนิกเกิลและโครเมียมที่เผาแล้ว แคโทดทำจากอะลูมิเนียมที่เผาผนึกและออกซิไดซ์ และอิเล็กโทรไลต์เป็นส่วนผสมของลิเธียมและโพแทสเซียมคาร์บอเนต อุณหภูมิที่สูงขึ้นช่วยแก้ปัญหาทางไฟฟ้าเคมีที่สำคัญสองประการ:

ลด "พิษ" ของตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยคาร์บอนมอนอกไซด์
เพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการลดการเกิดออกซิไดเซอร์ที่ขั้วลบ
เซลล์เชื้อเพลิงอุณหภูมิสูงของรุ่นที่สามที่มีอิเล็กโทรไลต์ของของแข็งออกไซด์ (ส่วนใหญ่เป็นเซอร์โคเนียมไดออกไซด์) จะมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น อุณหภูมิในการทำงานสูงถึง 1,000 องศาเซลเซียส ประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้าที่มีเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวอยู่ที่เกือบ 50% ที่นี่ผลิตภัณฑ์ของการแปรสภาพเป็นแก๊สของถ่านหินแข็งที่มีปริมาณคาร์บอนมอนอกไซด์ที่สำคัญก็เหมาะที่จะเป็นเชื้อเพลิงเช่นกัน ที่สำคัญไม่แพ้กัน ความร้อนทิ้งจากโรงงานที่มีอุณหภูมิสูงสามารถใช้ผลิตไอน้ำเพื่อขับเคลื่อนกังหันสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้

Vestingaus อยู่ในธุรกิจเซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์มาตั้งแต่ปี 2501 พัฒนาโรงไฟฟ้าที่มีความจุ 25 ... 200 กิโลวัตต์ ซึ่งสามารถใช้เชื้อเพลิงก๊าซจากถ่านหินได้ กำลังเตรียมการทดสอบการติดตั้งที่มีความจุหลายเมกะวัตต์ บริษัทสัญชาติอเมริกันอีกแห่งคือ Engelgurd กำลังออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงขนาด 50 กิโลวัตต์ที่ใช้เมทานอลที่มีกรดฟอสฟอริกเป็นอิเล็กโทรไลต์

บริษัทต่างๆ ทั่วโลกมีส่วนร่วมในการสร้างเซลล์เชื้อเพลิงมากขึ้นเรื่อยๆ American United Technology และ Toshiba ของญี่ปุ่นได้ก่อตั้ง International Fuel Cells Corporation ในยุโรป กลุ่มบริษัท Belgian-Dutch Elenko, บริษัท Siemens ของเยอรมันตะวันตก, Fiat ของอิตาลี และ Jonson Metju ของอังกฤษ มีส่วนร่วมในเซลล์เชื้อเพลิง

วิคเตอร์ ลาฟรุส.

หากคุณชอบเนื้อหานี้ เราขอเสนอเนื้อหาที่ดีที่สุดบนไซต์ของเราตามที่ผู้อ่านของเราคัดสรรมาให้คุณ การคัดเลือก - TOP เกี่ยวกับเทคโนโลยีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม วิทยาศาสตร์ใหม่และการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่คุณสะดวกที่สุดสำหรับคุณ

เมื่อเร็ว ๆ นี้หัวข้อของเซลล์เชื้อเพลิงติดปากของทุกคน และไม่น่าแปลกใจเลยที่เทคโนโลยีนี้เกิดขึ้นในโลกของอิเล็กทรอนิกส์ ได้ค้นพบการเกิดใหม่ ผู้นำระดับโลกในด้านการแข่งขันไมโครอิเล็กทรอนิกส์จะนำเสนอผลิตภัณฑ์ต้นแบบในอนาคต ซึ่งจะรวมโรงไฟฟ้าขนาดเล็กของตนเองเข้าไว้ด้วยกัน ในแง่หนึ่งสิ่งนี้จะทำให้การผูกมัดของอุปกรณ์มือถือกับ "ซ็อกเก็ต" อ่อนแอลงและในทางกลับกันช่วยยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่

นอกจากนี้บางส่วนของพวกเขาทำงานบนพื้นฐานของเอทานอลดังนั้นการพัฒนาเทคโนโลยีเหล่านี้จึงเป็นประโยชน์โดยตรงต่อผู้ผลิตเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ - ในอีกสิบปีข้างหน้าคิวของ "คนไอที" ยืนอยู่ข้างหลัง "ปริมาณ" ถัดไปสำหรับพวกเขา แล็ปท็อปจะเข้าแถวที่โรงกลั่นไวน์

เราไม่สามารถอยู่ห่างจาก "ไข้" ของเซลล์เชื้อเพลิงที่ครอบงำอุตสาหกรรมไฮเทคได้และเราจะพยายามค้นหาว่าเทคโนโลยีนี้เป็นสัตว์ชนิดใด กินกับอะไร และควรคาดหวังว่าจะมาถึงเมื่อใด "จัดเลี้ยง". ในเนื้อหานี้ เราจะพิจารณาเส้นทางที่เซลล์เชื้อเพลิงเดินทางตั้งแต่วินาทีแรกที่เทคโนโลยีนี้ถูกค้นพบจนถึงปัจจุบัน เราจะพยายามประเมินโอกาสในการนำไปใช้และการพัฒนาในอนาคต

เป็นยังไงบ้าง

หลักการของเซลล์เชื้อเพลิงได้รับการอธิบายครั้งแรกในปี 1838 โดย Christian Friedrich Schonbein และอีกหนึ่งปีต่อมา Philosophical Journal ได้ตีพิมพ์บทความของเขาในหัวข้อนี้ อย่างไรก็ตาม นี่เป็นเพียงการศึกษาเชิงทฤษฎีเท่านั้น เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้งานได้เครื่องแรกเห็นแสงสว่างในปี 1843 ในห้องปฏิบัติการของนักวิทยาศาสตร์ชาวเวลส์ เซอร์ วิลเลียม โรเบิร์ต โกรฟ เมื่อสร้างมันขึ้นมา ผู้ประดิษฐ์ใช้วัสดุที่คล้ายกับที่ใช้ในแบตเตอรี่กรดฟอสฟอริกสมัยใหม่ ต่อจากนั้น เซลล์เชื้อเพลิงของ Sir Grove ได้รับการปรับปรุงโดย W. Thomas Grub ในปี 1955 นักเคมีคนนี้ซึ่งทำงานให้กับบริษัท General Electric ในตำนาน ใช้เมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออนโพลีสไตรีนที่มีซัลโฟเนตเป็นอิเล็กโทรไลต์ในเซลล์เชื้อเพลิง เพียงสามปีต่อมา เพื่อนร่วมงานของเขา Leonard Niedrach ได้เสนอเทคโนโลยีการวางแพลตตินัมบนเมมเบรน ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการออกซิเดชันของไฮโดรเจนและการดูดซึมออกซิเจน

"บิดา" ของเซลล์เชื้อเพลิง Christian Schönbein

หลักการเหล่านี้ก่อให้เกิดพื้นฐานของเซลล์เชื้อเพลิงรุ่นใหม่ เรียกว่าธาตุ Grubb-Nidrach ตามผู้สร้าง เจเนอรัลอิเล็กทริกยังคงพัฒนาในทิศทางนี้ ซึ่งด้วยความช่วยเหลือของ NASA และ McDonnell Aircraft ยักษ์ใหญ่ด้านการบิน เซลล์เชื้อเพลิงเชิงพาณิชย์แห่งแรกได้ถูกสร้างขึ้น บน เทคโนโลยีใหม่ให้ความสนใจกับมหาสมุทร และในปี 2502 ชาวอังกฤษ ฟรานซิส เบคอน (ฟรานซิส โธมัส เบคอน) ได้เปิดตัวเซลล์เชื้อเพลิงแบบอยู่กับที่ซึ่งมีกำลัง 5 กิโลวัตต์ การออกแบบที่ได้รับการจดสิทธิบัตรของเขาได้รับอนุญาตจากชาวอเมริกันในเวลาต่อมาและใช้ในยานอวกาศของ NASA ในระบบพลังงานและอุปทาน น้ำดื่ม. ในปีเดียวกันนั้น American Harry Ihrig ได้สร้างรถแทรกเตอร์เซลล์เชื้อเพลิงขึ้นเป็นครั้งแรก (กำลังทั้งหมด 15 กิโลวัตต์) โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ถูกใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ในแบตเตอรี่ และใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนอัดเป็นรีเอเจนต์

เป็นครั้งแรกที่ UTC Power ดำเนินการผลิตเซลล์เชื้อเพลิงแบบอยู่กับที่เพื่อการค้าซึ่งให้บริการระบบไฟฟ้าสำรองสำหรับโรงพยาบาล มหาวิทยาลัย และศูนย์ธุรกิจ บริษัทนี้ซึ่งเป็นผู้นำระดับโลกในด้านนี้ ยังคงผลิตโซลูชั่นที่คล้ายกันซึ่งมีกำลังสูงถึง 200 กิโลวัตต์ และยังเป็นผู้จัดหาเซลล์เชื้อเพลิงหลักให้กับ NASA ผลิตภัณฑ์ของบริษัทมีการใช้กันอย่างแพร่หลายใน โครงการอวกาศอพอลโลและยังคงเป็นที่ต้องการของโครงการกระสวยอวกาศ UTC Power ยังมีเซลล์เชื้อเพลิง "การบริโภคของผู้บริโภค" สำหรับการใช้งานยานยนต์ที่หลากหลาย เธอเป็นคนแรกที่สร้างเซลล์เชื้อเพลิงที่สามารถรับกระแสไฟที่อุณหภูมิติดลบได้โดยใช้เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน

มันทำงานอย่างไร

นักวิจัยได้ทดลองกับสารต่างๆ เป็นตัวทำปฏิกิริยา อย่างไรก็ตาม หลักการพื้นฐานของการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงแม้จะแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ลักษณะการทำงานยังคงไม่เปลี่ยนแปลง เซลล์เชื้อเพลิงใด ๆ เป็นอุปกรณ์แปลงพลังงานไฟฟ้าเคมี มันสร้างกระแสไฟฟ้าจากเชื้อเพลิงจำนวนหนึ่ง (ที่ด้านแอโนด) และตัวออกซิไดเซอร์ (ด้านแคโทด) ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นต่อหน้าอิเล็กโทรไลต์ (สารที่มีไอออนอิสระและทำหน้าที่เป็นสื่อนำไฟฟ้า) โดยหลักการแล้ว ในอุปกรณ์ดังกล่าว จะมีสารรีเอเจนต์บางชนิดเข้ามาและผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาของมัน ซึ่งจะถูกลบออกหลังจากทำปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีแล้ว อิเล็กโทรไลต์ในกรณีนี้ทำหน้าที่เป็นตัวกลางสำหรับปฏิกิริยาของสารตั้งต้นเท่านั้นและไม่เปลี่ยนแปลงในเซลล์เชื้อเพลิง ตามรูปแบบดังกล่าว เซลล์เชื้อเพลิงในอุดมคติควรทำงานตราบเท่าที่มีสารที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยา

เซลล์เชื้อเพลิงไม่ควรสับสนกับแบตเตอรี่ทั่วไปที่นี่ ในกรณีแรก "เชื้อเพลิง" บางส่วนถูกใช้เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ซึ่งต้องเติมในภายหลัง ในกรณีของเซลล์กัลวานิก ไฟฟ้าจะถูกเก็บไว้ในระบบเคมีปิด ในกรณีของแบตเตอรี่ การใช้กระแสไฟจะทำให้ปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีย้อนกลับเกิดขึ้นและทำให้รีเอเจนต์กลับสู่สถานะเดิม (เช่น ชาร์จ) เป็นไปได้ ชุดค่าผสมต่างๆเชื้อเพลิงและตัวออกซิไดเซอร์ ตัวอย่างเช่น เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจน (ตัวออกซิไดซ์) เป็นสารตั้งต้น บ่อยครั้ง ไบคาร์บอเนตและแอลกอฮอล์ถูกใช้เป็นเชื้อเพลิง และอากาศ คลอรีน และคลอรีนไดออกไซด์ทำหน้าที่เป็นสารออกซิแดนท์

ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในเซลล์เชื้อเพลิงจะทำให้อิเล็กตรอนและโปรตอนหลุดออกจากเชื้อเพลิง และอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่จะสร้างกระแสไฟฟ้า เซลล์เชื้อเพลิงมักใช้แพลตตินัมหรือโลหะผสมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเร่งปฏิกิริยา กระบวนการเร่งปฏิกิริยาอีกกระบวนการหนึ่งจะส่งกลับอิเล็กตรอนโดยการรวมเข้ากับโปรตอนและตัวออกซิไดซ์ ส่งผลให้เกิดผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา (การปล่อยมลพิษ) โดยปกติการปล่อยเหล่านี้คือ สารง่ายๆ: น้ำและคาร์บอนไดออกไซด์

ในเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนทั่วไป (PEMFC) เมมเบรนนำไฟฟ้าโปรตอนโพลีเมอร์จะแยกด้านแอโนดและแคโทด จากด้านแคโทด ไฮโดรเจนจะกระจายไปยังตัวเร่งปฏิกิริยาแอโนด โดยที่อิเล็กตรอนและโปรตอนจะถูกปลดปล่อยออกมาในเวลาต่อมา จากนั้นโปรตอนจะผ่านเมมเบรนไปยังแคโทด และอิเล็กตรอนซึ่งไม่สามารถติดตามโปรตอนได้ (เมมเบรนถูกหุ้มฉนวนด้วยไฟฟ้า) จะถูกส่งผ่านวงจรโหลดภายนอก (ระบบจ่ายไฟ) ด้านตัวเร่งปฏิกิริยา cathodic ออกซิเจนทำปฏิกิริยากับโปรตอนที่ผ่านเมมเบรนและอิเล็กตรอนที่เข้าสู่วงจรโหลดภายนอก อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยานี้ จะได้น้ำ (ในรูปของไอหรือของเหลว) ตัวอย่างเช่น ผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาในเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอน (เมทานอล เชื้อเพลิงดีเซล) คือน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์

เซลล์เชื้อเพลิงแทบทุกประเภทประสบความสูญเสียทางไฟฟ้า ซึ่งเกิดจากความต้านทานตามธรรมชาติของหน้าสัมผัสและองค์ประกอบของเซลล์เชื้อเพลิง และจากแรงดันไฟฟ้าเกินทางไฟฟ้า (พลังงานเพิ่มเติมที่จำเป็นในการทำปฏิกิริยาเริ่มต้น) ในบางกรณี คุณไม่สามารถหลีกเลี่ยงการสูญเสียเหล่านี้ได้อย่างสมบูรณ์ และบางครั้ง "เกมไม่คุ้มกับแท่งเทียน" แต่ส่วนใหญ่มักจะลดลงเป็นค่าต่ำสุดที่ยอมรับได้ วิธีแก้ปัญหานี้คือการใช้ชุดอุปกรณ์เหล่านี้ ซึ่งเซลล์เชื้อเพลิงสามารถเชื่อมต่อแบบขนาน (กระแสไฟที่สูงกว่า) หรือแบบอนุกรม (แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า) ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดสำหรับระบบจ่ายไฟ

ประเภทของเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงมีหลายประเภท แต่เราจะพยายามพูดถึงเซลล์เชื้อเพลิงที่พบบ่อยที่สุดโดยสังเขป

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ (AFC)

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์หรืออัลคาไลน์ หรือที่เรียกว่าเซลล์เบคอน ตามชื่อ "บิดา" ของอังกฤษ เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงที่พัฒนาอย่างดีที่สุด เป็นอุปกรณ์เหล่านี้ที่ช่วยให้มนุษย์เหยียบดวงจันทร์ โดยทั่วไป NASA ได้ใช้เซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้ตั้งแต่กลางทศวรรษ 1960 AFCs ใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนบริสุทธิ์ในการผลิต น้ำดื่ม,ความร้อนและไฟฟ้า. เนื่องจากเทคโนโลยีนี้ได้รับการพัฒนามาอย่างดี จึงมีอัตราประสิทธิภาพสูงสุดเมื่อเทียบกับระบบที่คล้ายคลึงกัน (มีศักยภาพประมาณ 70%)

อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้ก็มีข้อเสียเช่นกัน เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะของการใช้สารอัลคาไลน์เหลวเป็นอิเล็กโทรไลต์ซึ่งไม่ปิดกั้นคาร์บอนไดออกไซด์ จึงเป็นไปได้ที่โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (หนึ่งในตัวเลือกสำหรับอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้) จะทำปฏิกิริยากับส่วนประกอบของอากาศธรรมดานี้ ผลที่ได้อาจเป็นสารประกอบที่เป็นพิษของโพแทสเซียมคาร์บอเนต เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ จำเป็นต้องใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์หรือทำความสะอาดอากาศจากคาร์บอนไดออกไซด์ โดยธรรมชาติแล้วสิ่งนี้จะส่งผลต่อต้นทุนของอุปกรณ์ดังกล่าว อย่างไรก็ตาม ถึงแม้ว่า AFCs จะเป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่ถูกที่สุดสำหรับการผลิตในปัจจุบัน

เซลล์เชื้อเพลิงโบโรไฮไดรด์โดยตรง (DBFC)

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ชนิดย่อยนี้ใช้โซเดียมโบโรไฮไดรด์เป็นเชื้อเพลิง อย่างไรก็ตาม ต่างจากไฮโดรเจนเอเอฟซีทั่วไปตรงที่ เทคโนโลยีนี้มีข้อได้เปรียบที่สำคัญอย่างหนึ่ง นั่นคือ ไม่มีความเสี่ยงในการผลิตสารประกอบที่เป็นพิษหลังจากสัมผัสกับคาร์บอนไดออกไซด์ อย่างไรก็ตาม ผลคูณของปฏิกิริยาคือสารบอแรกซ์ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในผงซักฟอกและสบู่ บอแรกซ์ค่อนข้างปลอดสารพิษ

DBFCs สามารถทำได้ถูกกว่าเซลล์เชื้อเพลิงแบบเดิมเพราะไม่ต้องการตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินั่มราคาแพง นอกจากนี้ยังมีความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น คาดว่าการผลิตโซเดียมโบโรไฮไดรด์ 1 กิโลกรัมมีราคา 50 เหรียญ แต่ถ้ามีการจัดการผลิตจำนวนมากและแปรรูปบอแรกซ์ แถบนี้จะลดลง 50 เท่า

เซลล์เชื้อเพลิงเมทัลไฮไดรด์ (MHFC)

คลาสย่อยของเซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์นี้อยู่ในระหว่างการศึกษาอย่างจริงจัง คุณลักษณะของอุปกรณ์เหล่านี้คือความสามารถในการเก็บไฮโดรเจนไว้ในเซลล์เชื้อเพลิง เซลล์เชื้อเพลิงโบโรไฮไดรด์โดยตรงมีความสามารถเหมือนกัน แต่ไม่เหมือนเซลล์เชื้อเพลิง MHFC ที่เต็มไปด้วยไฮโดรเจนบริสุทธิ์

ท่ามกลาง ลักษณะเด่นเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ได้แก่

• ความสามารถในการชาร์จจากพลังงานไฟฟ้า
• ทำงานที่อุณหภูมิต่ำ - สูงถึง -20 ° C;
• อายุการเก็บรักษานาน
• เริ่ม "เย็น" อย่างรวดเร็ว
• ความสามารถในการทำงานเป็นระยะเวลาหนึ่งโดยไม่มีแหล่งไฮโดรเจนภายนอก (สำหรับระยะเวลาของการเปลี่ยนเชื้อเพลิง)

แม้ว่าข้อเท็จจริงที่ว่าหลายบริษัทกำลังทำงานเพื่อสร้าง MHFC ที่ผลิตขึ้นเป็นจำนวนมาก แต่ประสิทธิภาพของต้นแบบยังไม่สูงพอเมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีที่แข่งขันกัน หนึ่งในความหนาแน่นกระแสไฟที่ดีที่สุดสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้คือ 250 มิลลิแอมป์ต่อตารางเซนติเมตร โดยเซลล์เชื้อเพลิง PEMFC แบบเดิมให้ความหนาแน่นกระแส 1 แอมป์ต่อตารางเซนติเมตร

เซลล์เชื้อเพลิงไฟฟ้ากัลวานิก (EGFC)

ปฏิกิริยาเคมีใน EGFC เกิดขึ้นโดยมีส่วนร่วมของโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์และออกซิเจน สิ่งนี้จะสร้างกระแสไฟฟ้าระหว่างขั้วบวกตะกั่วและขั้วลบเคลือบทอง แรงดันไฟฟ้าที่ส่งออกจากเซลล์เชื้อเพลิงแบบไฟฟ้า-กัลวานิกเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณออกซิเจน คุณลักษณะนี้ทำให้ EGFC สามารถใช้เป็นอุปกรณ์ทดสอบออกซิเจนในอุปกรณ์ดำน้ำและอุปกรณ์ทางการแพทย์ได้อย่างกว้างขวาง แต่เนื่องจากการพึ่งพาอาศัยกันนี้อย่างแม่นยำ เซลล์เชื้อเพลิงโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์จึงมีระยะเวลาการทำงานที่มีประสิทธิภาพที่จำกัดมาก (ตราบใดที่ความเข้มข้นของออกซิเจนสูง)

เครื่องทดสอบออกซิเจน EGFC ที่ได้รับการรับรองเครื่องแรกเริ่มวางจำหน่ายในปี 2548 แต่ตอนนั้นไม่ได้รับความนิยมมากนัก การเปิดตัวเมื่อสองปีต่อมา โมเดลที่ได้รับการดัดแปลงอย่างมีนัยสำคัญประสบความสำเร็จมากกว่ามาก และยังได้รับรางวัลสำหรับ "นวัตกรรม" ในงานแสดงของนักประดาน้ำเฉพาะทางในฟลอริดา ปัจจุบัน องค์กรต่างๆ เช่น NOAA (การบริหารมหาสมุทรและบรรยากาศแห่งชาติ) และ DDRC (ศูนย์วิจัยโรคการดำน้ำ) ใช้องค์กรเหล่านี้

เซลล์เชื้อเพลิงโดยตรงกรดฟอร์มิก (DFAFC)

เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้เป็นชนิดย่อยของอุปกรณ์กรดฟอร์มิกโดยตรงของ PEMFC เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะ เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้จึงมีโอกาสสูงที่จะเป็นแหล่งพลังงานหลักสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา เช่น แล็ปท็อป โทรศัพท์มือถือฯลฯ

เช่นเดียวกับเมทานอล กรดฟอร์มิกจะถูกป้อนโดยตรงไปยังเซลล์เชื้อเพลิงโดยไม่ต้องมีขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์เป็นพิเศษ การเก็บสารนี้ปลอดภัยกว่ามาก ตัวอย่างเช่น ไฮโดรเจน และนอกจากนี้ ไม่จำเป็นต้องจัดให้มีสภาวะในการเก็บรักษาเฉพาะใดๆ: กรดฟอร์มิกเป็นของเหลวที่อุณหภูมิปกติ นอกจากนี้ เทคโนโลยีนี้มีข้อดีที่ปฏิเสธไม่ได้สองประการเหนือเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลโดยตรง ประการแรก กรดฟอร์มิกไม่ซึมผ่านเมมเบรนต่างจากเมทานอล ดังนั้นประสิทธิภาพของ DFAFC ตามคำจำกัดความจึงควรสูงกว่านี้ ประการที่สอง ในกรณีที่เกิดความกดดัน กรดฟอร์มิกจะไม่เป็นอันตรายมากนัก (เมทานอลอาจทำให้ตาบอดได้ และด้วยปริมาณที่มาก อาจถึงแก่ชีวิต)

ที่น่าสนใจ จนกระทั่งเมื่อไม่นานนี้ นักวิทยาศาสตร์หลายคนไม่ได้มองว่าเทคโนโลยีนี้มีอนาคตที่ใช้งานได้จริง เหตุผลที่กระตุ้นให้นักวิจัยเลิกใช้กรดฟอร์มิกเป็นเวลาหลายปีคือแรงดันไฟเกินทางเคมีไฟฟ้าที่สูง ซึ่งนำไปสู่การสูญเสียทางไฟฟ้าที่สำคัญ แต่ผลการทดลองล่าสุดแสดงให้เห็นว่าสาเหตุของความไร้ประสิทธิภาพนี้คือการใช้แพลตตินัมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งตามเนื้อผ้าจะใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อจุดประสงค์นี้ในเซลล์เชื้อเพลิง หลังจากที่นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ได้ทำการทดลองกับวัสดุอื่นๆ หลายครั้ง ปรากฎว่าเมื่อใช้แพลเลเดียมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ผลผลิตของ DFAFC จะสูงกว่าเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลโดยตรงที่เทียบเท่ากัน ปัจจุบัน สิทธิ์ในเทคโนโลยีนี้เป็นของบริษัท Tekion สัญชาติอเมริกัน ซึ่งนำเสนอสายผลิตภัณฑ์ Formira Power Pack สำหรับอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ระบบนี้เป็นระบบ "ดูเพล็กซ์" ที่ประกอบด้วยแบตเตอรี่สำหรับจัดเก็บและเซลล์เชื้อเพลิงจริง หลังจากที่รีเอเจนต์ในคาร์ทริดจ์ที่ชาร์จแบตเตอรี่หมด ผู้ใช้ก็เพียงแค่เปลี่ยนอันใหม่ ดังนั้นจึงไม่ขึ้นอยู่กับ "ซ็อกเก็ต" โดยสิ้นเชิง ตามคำมั่นสัญญาของผู้ผลิต เวลาระหว่างการชาร์จจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า แม้ว่าเทคโนโลยีจะมีราคาสูงกว่าแบตเตอรี่ทั่วไปเพียง 10-15% ก็ตาม อุปสรรคสำคัญประการเดียวของเทคโนโลยีนี้อาจเป็นเพราะบริษัทรองรับ ชนชั้นกลางและสามารถ "ถูกครอบงำ" โดยคู่แข่งรายใหญ่ที่นำเสนอเทคโนโลยีของตน ซึ่งอาจด้อยกว่า DFAFC ในหลายตัวแปร

เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลโดยตรง (DMFC)

เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้เป็นชุดย่อยของอุปกรณ์เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน พวกเขาใช้เมทานอลที่ชาร์จเข้าไปในเซลล์เชื้อเพลิงโดยไม่ใช้ การทำความสะอาดเพิ่มเติม. อย่างไรก็ตาม เมทิลแอลกอฮอล์นั้นง่ายต่อการจัดเก็บและไม่ระเบิด (แม้ว่าจะติดไฟได้และอาจทำให้ตาบอดได้) ในเวลาเดียวกัน ความจุพลังงานของเมทานอลนั้นสูงกว่าความจุพลังงานของไฮโดรเจนที่ถูกบีบอัดอย่างมาก

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเมทานอลสามารถซึมผ่านเมมเบรนได้ ประสิทธิภาพของ DMFC ที่มีเชื้อเพลิงปริมาณมากจึงต่ำ แม้ว่าจะไม่เหมาะสำหรับการขนส่งและการติดตั้งขนาดใหญ่ด้วยเหตุนี้ อุปกรณ์เหล่านี้จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเปลี่ยนแบตเตอรี่สำหรับอุปกรณ์พกพา

เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลแปรรูป (RMFC)

เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลที่ผ่านกรรมวิธีแตกต่างจาก DMFC เท่านั้น โดยจะเปลี่ยนเมทานอลเป็นไฮโดรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ก่อนการผลิตไฟฟ้า สิ่งนี้เกิดขึ้นในอุปกรณ์พิเศษที่เรียกว่าตัวประมวลผลเชื้อเพลิง หลังจากขั้นตอนเบื้องต้นนี้ (ปฏิกิริยาเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงกว่า 250 องศาเซลเซียส) ไฮโดรเจนจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน ซึ่งส่งผลให้เกิดน้ำและไฟฟ้า

การใช้เมทานอลใน RMFC เกิดจากการที่มันเป็นพาหะของไฮโดรเจนตามธรรมชาติ และที่อุณหภูมิต่ำเพียงพอ (เมื่อเทียบกับสารอื่นๆ) ก็สามารถย่อยสลายเป็นไฮโดรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ได้ ดังนั้นเทคโนโลยีนี้จึงล้ำหน้ากว่า DMFC เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลที่ผ่านการแปรรูปจะมีประสิทธิภาพมากกว่า กะทัดรัดกว่า และทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์

เซลล์เชื้อเพลิงเอทานอลโดยตรง (DEFC)

ตัวแทนอีกระดับของเซลล์เชื้อเพลิงที่มีโครงตาข่ายแลกเปลี่ยนโปรตอน ตามชื่อของมัน เอธานอลจะเข้าสู่เซลล์เชื้อเพลิงโดยผ่านขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์หรือการสลายตัวเพิ่มเติมเป็นสารที่ง่ายกว่า ข้อได้เปรียบแรกของอุปกรณ์เหล่านี้คือการใช้งาน เอทิลแอลกอฮอล์แทนเมทานอลที่เป็นพิษ ซึ่งหมายความว่าคุณไม่จำเป็นต้องลงทุนเงินเป็นจำนวนมากในการพัฒนาเชื้อเพลิงนี้

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

เซลล์เชื้อเพลิงสังกะสีแอร์ (ZAFC)

ZAFC ใช้การออกซิเดชันของสังกะสีกับออกซิเจนจากอากาศเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้มีราคาไม่แพงในการผลิตและมีความหนาแน่นของพลังงานค่อนข้างสูง ปัจจุบันใช้ในเครื่องช่วยฟังและรถยนต์ไฟฟ้ารุ่นทดลอง

ด้านแอโนดมีส่วนผสมของอนุภาคสังกะสีกับอิเล็กโทรไลต์ และด้านแคโทด น้ำและออกซิเจนจากอากาศทำปฏิกิริยาซึ่งกันและกันและเกิดเป็นไฮดรอกซิล (โมเลกุลของมันคืออะตอมออกซิเจนและอะตอมไฮโดรเจนระหว่างนั้น มีพันธะโควาเลนต์) อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาของไฮดรอกซิลกับส่วนผสมของสังกะสี อิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกสู่แคโทด แรงดันไฟสูงสุดที่เซลล์เชื้อเพลิงจ่ายให้คือ 1.65 V แต่ตามกฎแล้วจะลดลงเหลือ 1.4–1.35 V ซึ่งจำกัดการเข้าถึงของอากาศในระบบ ผลิตภัณฑ์สุดท้ายของปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี ได้แก่ ซิงค์ออกไซด์และน้ำ

เป็นไปได้ที่จะใช้เทคโนโลยีนี้ทั้งในแบตเตอรี่ (โดยไม่ต้องชาร์จใหม่) และในเซลล์เชื้อเพลิง ในกรณีหลัง ห้องที่ด้านขั้วบวกจะทำความสะอาดและเติมด้วยสังกะสีเพสต์ โดยทั่วไปแล้ว เทคโนโลยี ZAFC ได้พิสูจน์แล้วว่าเป็นแบตเตอรี่ที่เรียบง่ายและเชื่อถือได้ ข้อได้เปรียบที่ไม่อาจโต้แย้งได้ของพวกเขาคือความสามารถในการควบคุมปฏิกิริยาโดยการปรับการจ่ายอากาศไปยังเซลล์เชื้อเพลิงเท่านั้น นักวิจัยหลายคนกำลังพิจารณาว่าเซลล์เชื้อเพลิงสังกะสี-อากาศเป็นแหล่งพลังงานหลักในอนาคตสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า

เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ (MFC)

แนวคิดในการใช้แบคทีเรียเพื่อประโยชน์ของมนุษยชาติไม่ใช่เรื่องใหม่ ถึงแม้ว่าแนวคิดเหล่านี้เพิ่งจะเกิดขึ้นได้ไม่นานก็ตาม ปัจจุบันปัญหาการใช้เทคโนโลยีชีวภาพเชิงพาณิชย์เพื่อการผลิตผลิตภัณฑ์ต่างๆ (เช่น การผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวล) การวางตัวเป็นกลางของสารอันตรายและการผลิตไฟฟ้ากำลังอยู่ในระหว่างการศึกษาอย่างจริงจัง เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์หรือที่เรียกว่าเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพเป็นระบบไฟฟ้าเคมีชีวภาพที่สร้างกระแสไฟฟ้าผ่านการใช้แบคทีเรีย เทคโนโลยีนี้มีพื้นฐานมาจากแคแทบอลิซึม (การสลายตัวของโมเลกุลที่ซับซ้อนให้กลายเป็นโมเลกุลที่ง่ายกว่าด้วยการปล่อยพลังงาน) ของสารต่างๆ เช่น กลูโคส อะซิเตต (เกลือของกรดอะซิติก) บิวทิเรต (เกลือของกรดบิวทีริก) หรือน้ำเสีย เนื่องจากการออกซิเดชันของอิเล็กตรอนจึงถูกปล่อยออกมาซึ่งจะถูกถ่ายโอนไปยังขั้วบวกหลังจากนั้นกระแสไฟฟ้าที่สร้างขึ้นจะไหลผ่านตัวนำไปยังแคโทด

ในเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าว มักใช้ตัวกลางในการปรับปรุงการซึมผ่านของอิเล็กตรอน ปัญหาคือสารที่ทำหน้าที่เป็นสื่อกลางมีราคาแพงและเป็นพิษ อย่างไรก็ตาม ในกรณีของการใช้แบคทีเรียที่ทำงานด้วยไฟฟ้าเคมี ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวกลางไกล่เกลี่ย เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ที่ "ปราศจากสารส่ง" ดังกล่าวเริ่มถูกสร้างขึ้นเมื่อไม่นานมานี้ ดังนั้นจึงไม่ได้ศึกษาคุณสมบัติทั้งหมดของพวกเขาเป็นอย่างดี

แม้จะมีอุปสรรคที่ MFC ยังเอาชนะไม่ได้ แต่เทคโนโลยีนี้มีศักยภาพมหาศาล ประการแรก "เชื้อเพลิง" หาได้ไม่ยาก ยิ่งไปกว่านั้น ทุกวันนี้ปัญหาการบำบัดน้ำเสียและการกำจัดของเสียจำนวนมากนั้นรุนแรงมาก การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีนี้สามารถแก้ปัญหาทั้งสองนี้ได้ ประการที่สอง ตามทฤษฎีแล้ว ประสิทธิภาพของมันอาจสูงมาก ปัญหาหลักสำหรับวิศวกรของเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์คือ และที่จริงแล้ว องค์ประกอบที่สำคัญที่สุดของอุปกรณ์นี้คือ จุลินทรีย์ และในขณะที่นักจุลชีววิทยาที่ได้รับทุนวิจัยจำนวนมากชื่นชมยินดี นักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์ก็ปรบมือเพื่อรอความสำเร็จของหนังสือเกี่ยวกับผลที่ตามมาจาก "การตีพิมพ์" ของจุลินทรีย์ที่ไม่ถูกต้อง โดยธรรมชาติแล้ว มีความเสี่ยงที่จะนำบางสิ่งที่จะ "ย่อย" ออกมา ไม่เพียงแต่ของเสียที่ไม่จำเป็นเท่านั้น แต่ยังรวมถึงบางสิ่งที่มีคุณค่าด้วย โดยหลักการแล้ว เช่นเดียวกับเทคโนโลยีชีวภาพใหม่ ๆ ผู้คนต่างระมัดระวังความคิดที่จะพกกล่องที่ติดเชื้อแบคทีเรียไว้ในกระเป๋าของพวกเขา

แอปพลิเคชัน

โรงไฟฟ้​​าที่อยู่กับที่และในโรงงานอุตสาหกรรม

เซลล์เชื้อเพลิงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นแหล่งพลังงานในระบบอัตโนมัติทุกประเภท เช่น ยานอวกาศ สถานีตรวจอากาศระยะไกล ค่ายทหาร ฯลฯ ข้อได้เปรียบหลักของระบบจ่ายไฟดังกล่าวคือความน่าเชื่อถือที่สูงมากเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีอื่นๆ เนื่องจากไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวและกลไกใดๆ ในเซลล์เชื้อเพลิง ความน่าเชื่อถือของระบบจ่ายไฟจึงสูงถึง 99.99% นอกจากนี้ ในกรณีของการใช้ไฮโดรเจนเป็นรีเอเจนต์ น้ำหนักที่น้อยมากสามารถทำได้ ซึ่งเป็นหนึ่งในเกณฑ์ที่สำคัญที่สุดในกรณีของอุปกรณ์อวกาศ

เมื่อเร็ว ๆ นี้ การติดตั้งระบบความร้อนและพลังงานที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอาคารที่พักอาศัยและสำนักงานกำลังเป็นที่แพร่หลายมากขึ้น ลักษณะเฉพาะของระบบเหล่านี้คือพวกเขาผลิตกระแสไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องซึ่งหากไม่บริโภคทันทีจะใช้เพื่อให้ความร้อนแก่น้ำและอากาศ แม้ว่าประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของการติดตั้งดังกล่าวจะอยู่ที่ 15-20% เท่านั้น แต่ข้อเสียนี้ได้รับการชดเชยด้วยการใช้ไฟฟ้าที่ไม่ได้ใช้ในการผลิตความร้อน โดยทั่วไปแล้ว ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของระบบที่รวมกันดังกล่าวจะอยู่ที่ประมาณ 80% หนึ่งในสารทำปฏิกิริยาที่ดีที่สุดสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวคือกรดฟอสฟอริก หน่วยเหล่านี้ให้ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน 90% (ไฟฟ้า 35-50% และพลังงานความร้อนที่เหลือ)

ขนส่ง

ระบบพลังงานที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงยังใช้กันอย่างแพร่หลายในการขนส่งอีกด้วย อย่างไรก็ตาม ชาวเยอรมันเป็นกลุ่มแรกๆ ที่ติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงในรถยนต์ ดังนั้น เรือพาณิชย์ลำแรกของโลกที่ติดตั้งอุปกรณ์ดังกล่าวจึงเปิดตัวเมื่อแปดปีที่แล้ว เรือขนาดเล็กลำนี้มีชื่อว่า "Hydra" และได้รับการออกแบบให้รองรับผู้โดยสารได้ถึง 22 คน ได้เปิดตัวใกล้กับเมืองหลวงเก่าของเยอรมนีเมื่อเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2543 ไฮโดรเจน (เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์) ทำหน้าที่เป็นตัวทำปฏิกิริยาที่นำพาพลังงาน ด้วยการใช้เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ (อัลคาไลน์) การติดตั้งสามารถสร้างกระแสไฟฟ้าได้ที่อุณหภูมิต่ำถึง -10°C และไม่กลัวน้ำเค็ม เรือ "ไฮดรา" ที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าขนาด 5 กิโลวัตต์ สามารถเร่งความเร็วได้ถึง 6 นอต (ประมาณ 12 กม./ชม.)

เรือ "ไฮดรา"

เซลล์เชื้อเพลิง (โดยเฉพาะพลังงานไฮโดรเจน) เป็นที่แพร่หลายมากขึ้นในการขนส่งทางบก โดยทั่วไปแล้ว ไฮโดรเจนถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ของรถยนต์มาเป็นเวลานาน และโดยหลักการแล้ว เครื่องยนต์สันดาปภายในแบบเดิมสามารถเปลี่ยนไปใช้เชื้อเพลิงทางเลือกนี้ได้อย่างง่ายดาย อย่างไรก็ตาม การเผาไหม้ไฮโดรเจนแบบธรรมดามีประสิทธิภาพน้อยกว่าการผลิตไฟฟ้าโดยปฏิกิริยาเคมีระหว่างไฮโดรเจนกับออกซิเจน และตามหลักแล้ว ไฮโดรเจนหากใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงจะปลอดภัยต่อธรรมชาติอย่างแน่นอนหรืออย่างที่เขาว่ากันว่า "เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม" เนื่องจากไม่มีการปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์หรือสารอื่นๆ ออกมาระหว่างปฏิกิริยาเคมีที่สัมผัสกับ "เรือนกระจก" ผล".

จริงอยู่ที่นี่อย่างที่คาดไว้มี "buts" ขนาดใหญ่หลายตัว ความจริงก็คือเทคโนโลยีหลายอย่างในการผลิตไฮโดรเจนจากทรัพยากรที่ไม่สามารถหมุนเวียนได้ (ก๊าซธรรมชาติ ถ่านหิน ผลิตภัณฑ์น้ำมัน) นั้นไม่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากนัก เนื่องจากมีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนมากในกระบวนการ ในทางทฤษฎี หากมีการใช้ทรัพยากรหมุนเวียนเพื่อให้ได้มา จะไม่มีการปล่อยมลพิษที่เป็นอันตรายเลย อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้ ค่าใช้จ่ายจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ผู้เชี่ยวชาญหลายคนกล่าวว่า ด้วยเหตุผลเหล่านี้ ศักยภาพของไฮโดรเจนในการทดแทนน้ำมันเบนซินหรือก๊าซธรรมชาติจึงมีจำกัด มีทางเลือกอื่นที่มีราคาไม่แพงอยู่แล้ว และเป็นไปได้มากว่าเซลล์เชื้อเพลิงในองค์ประกอบแรกของตารางธาตุจะไม่สามารถกลายเป็นปรากฏการณ์มวลในรถยนต์ได้

ผู้ผลิตรถยนต์ค่อนข้างกระตือรือร้นที่จะทดลองกับไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงาน และเหตุผลหลักสำหรับเรื่องนี้ก็คือสถานะที่ค่อนข้างยากของสหภาพยุโรปเกี่ยวกับการปล่อยมลพิษสู่ชั้นบรรยากาศ ด้วยข้อจำกัดที่เข้มงวดมากขึ้นในยุโรป Daimler AG, Fiat และ Ford Motor Company ได้เปิดเผยวิสัยทัศน์สำหรับอนาคตของเซลล์เชื้อเพลิงในอุตสาหกรรมยานยนต์ โดยเตรียมรุ่นพื้นฐานด้วยระบบส่งกำลังที่คล้ายคลึงกัน Volkswagen ยักษ์ใหญ่ด้านยานยนต์ของยุโรปอีกรายกำลังเตรียมรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิง บริษัทญี่ปุ่นและเกาหลีใต้ไม่ล้าหลัง อย่างไรก็ตามไม่ใช่ทุกคนที่จะเดิมพันกับเทคโนโลยีนี้ หลายคนชอบที่จะดัดแปลงเครื่องยนต์สันดาปภายในหรือรวมเข้ากับมอเตอร์ไฟฟ้าที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ โตโยต้า มาสด้า และบีเอ็มดับเบิลยูเดินตามเส้นทางนี้ สำหรับบริษัทอเมริกัน นอกจากฟอร์ดที่มีรุ่นโฟกัสแล้ว เจเนอรัล มอเตอร์ส ยังนำเสนอรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงอีกหลายรุ่น การดำเนินการทั้งหมดเหล่านี้ได้รับการสนับสนุนอย่างแข็งขันจากหลายรัฐ ตัวอย่างเช่น ในสหรัฐอเมริกามีกฎหมายกำหนดให้รถยนต์ไฮบริดใหม่ที่เข้าสู่ตลาดได้รับการยกเว้นภาษีซึ่งอาจเป็นจำนวนที่เหมาะสม เนื่องจากตามกฎแล้วรถยนต์ดังกล่าวจะมีราคาแพงกว่ารถยนต์ที่มีการเผาไหม้ภายในแบบเดิม เครื่องยนต์ ดังนั้นการซื้อลูกผสมจึงน่าดึงดูดยิ่งขึ้น อย่างไรก็ตาม สำหรับตอนนี้ กฎหมายฉบับนี้ใช้เฉพาะกับรุ่นที่เข้าสู่ตลาดเท่านั้น จนกว่าจะมียอดขายถึง 60,000 คัน หลังจากนั้นผลประโยชน์จะถูกยกเลิกโดยอัตโนมัติ

อิเล็กทรอนิกส์

ไม่นานมานี้ เซลล์เชื้อเพลิงมีการใช้งานมากขึ้นในแล็ปท็อป โทรศัพท์มือถือ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่อื่นๆ เหตุผลก็คือความตะกละที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของอุปกรณ์ที่ได้รับการออกแบบมาเพื่ออายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนาน เป็นผลมาจากการใช้หน้าจอสัมผัสขนาดใหญ่ในโทรศัพท์ ความสามารถด้านเสียงอันทรงพลัง และการแนะนำการรองรับ Wi-Fi, Bluetooth และโปรโตคอลการสื่อสารไร้สายความถี่สูงอื่นๆ ข้อกำหนดด้านความจุของแบตเตอรี่ก็เปลี่ยนไปเช่นกัน และถึงแม้แบตเตอรีจะเดินทางมาไกลตั้งแต่สมัยของโทรศัพท์มือถือเครื่องแรกในแง่ของความจุและความกะทัดรัด (ไม่เช่นนั้นแฟน ๆ ในปัจจุบันจะไม่ได้รับอนุญาตให้เข้าไปในสนามกีฬาด้วยอาวุธนี้ที่มีฟังก์ชั่นการสื่อสาร) พวกเขายังคงตามไม่ทัน ด้วยการย่อขนาดวงจรอิเล็กทรอนิกส์หรือผู้ผลิตที่ต้องการสร้างคุณสมบัติมากขึ้นในผลิตภัณฑ์ของตน ข้อเสียที่สำคัญอีกประการหนึ่งของแบตเตอรี่ปัจจุบันคือเวลาในการชาร์จที่ยาวนาน ทุกอย่างนำไปสู่ความจริงที่ว่ายิ่งมีคุณลักษณะมากขึ้นในโทรศัพท์หรือเครื่องเล่นมัลติมีเดียแบบพกพาที่ออกแบบมาเพื่อเพิ่มความเป็นอิสระของเจ้าของ (อินเทอร์เน็ตไร้สาย ระบบนำทาง ฯลฯ ) ยิ่งขึ้นอยู่กับ "ซ็อกเก็ต" อุปกรณ์นี้จะกลายเป็น

ไม่มีอะไรจะพูดเกี่ยวกับแล็ปท็อปที่เล็กกว่าแล็ปท็อปที่มีขนาดสูงสุดจำกัด โพรงของแล็ปท็อปที่มีประสิทธิภาพสูงได้รับการสร้างขึ้นมาเป็นเวลานานซึ่งไม่ได้มีไว้สำหรับการทำงานแบบอัตโนมัติเลย ยกเว้นการถ่ายโอนจากสำนักงานหนึ่งไปยังอีกสำนักงานหนึ่ง และแม้แต่สมาชิกที่คุ้มค่าที่สุดในโลกของแล็ปท็อปก็ยังต้องดิ้นรนเพื่อให้มีอายุการใช้งานแบตเตอรี่เต็มวัน ดังนั้น คำถามในการหาทางเลือกอื่นแทนแบตเตอรี่แบบเดิม ซึ่งจะไม่แพงกว่าแต่มีประสิทธิภาพมากกว่านั้น เป็นเรื่องที่เฉียบขาดมาก และตัวแทนชั้นนำของอุตสาหกรรมได้แก้ปัญหานี้ไปแล้ว ไม่นานมานี้ มีการเปิดตัวเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลในเชิงพาณิชย์ การส่งมอบจำนวนมากสามารถเริ่มได้ในต้นปีหน้า

นักวิจัยเลือกเมทานอลมากกว่าไฮโดรเจนด้วยเหตุผลบางประการ เก็บเมทานอลได้ง่ายกว่ามากเพราะไม่ต้องการแรงดันสูงหรืออุณหภูมิพิเศษ เมทิลแอลกอฮอล์เป็นของเหลวที่อุณหภูมิ -97.0°C ถึง 64.7°C ในเวลาเดียวกัน พลังงานจำเพาะที่บรรจุอยู่ในปริมาตรที่ N ของเมทานอลนั้นมีลำดับความสำคัญมากกว่าในปริมาตรเดียวกันของไฮโดรเจนภายใต้ ความดันสูง. เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลโดยตรงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่เกี่ยวข้องกับการใช้ เมทิลแอลกอฮอล์หลังจากเติมถังเซลล์เชื้อเพลิงแล้ว ให้ข้ามขั้นตอนการแปลงตัวเร่งปฏิกิริยา (ด้วยเหตุนี้จึงเรียกว่า "ไดเร็กต์เมทานอล") นี่เป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญของเทคโนโลยีนี้ด้วย

อย่างไรก็ตาม อย่างที่คาดไว้ ข้อดีทั้งหมดนี้มีข้อเสีย ซึ่งจำกัดขอบเขตของการใช้งานอย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่าเทคโนโลยีนี้ยังไม่ได้รับการพัฒนาอย่างเต็มที่ ปัญหาประสิทธิภาพต่ำของเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าวที่เกิดจาก "การรั่วไหล" ของเมทานอลผ่านวัสดุเมมเบรนยังคงไม่ได้รับการแก้ไข นอกจากนี้ยังไม่มีลักษณะไดนามิกที่น่าประทับใจ ไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะตัดสินใจว่าจะทำอย่างไรกับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดจากขั้วบวก อุปกรณ์ DMFC สมัยใหม่ไม่สามารถสร้างพลังงานสูง แต่มีความจุพลังงานสูงสำหรับสสารปริมาณเล็กน้อย ซึ่งหมายความว่าแม้ว่าจะยังไม่มีพลังงานมากนัก แต่เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลโดยตรงก็สามารถสร้างพลังงานได้เป็นเวลานาน วิธีนี้ไม่อนุญาตให้ใช้โดยตรงในยานพาหนะเนื่องจากใช้พลังงานต่ำ แต่ทำให้เป็นอุปกรณ์เคลื่อนที่ในอุดมคติที่เกือบจะสมบูรณ์แบบสำหรับอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่มีความสำคัญ

เทรนด์ล่าสุด

แม้ว่าเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์จะผลิตมาเป็นเวลานาน แต่วิธีการเหล่านี้ยังไม่เป็นที่แพร่หลาย มีเหตุผลหลายประการสำหรับเรื่องนี้ และปัจจัยหลักคือความไม่สมควรทางเศรษฐกิจและความเต็มใจของผู้ผลิตในการผลิตเชื้อเพลิงราคาไม่แพงในกระแส ความพยายามที่จะบังคับให้กระบวนการทางธรรมชาติของการเปลี่ยนผ่านไปสู่แหล่งพลังงานหมุนเวียนอย่างที่คาดไว้ ไม่ได้นำไปสู่สิ่งที่ดี แน่นอน เหตุผลที่ราคาสินค้าเกษตรพุ่งสูงขึ้นอย่างรวดเร็วนั้นค่อนข้างซ่อนเร้นไม่ใช่ว่าพวกเขาได้เริ่มถูกแปลงเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพอย่างหนาแน่น แต่ในความจริงที่ว่าหลายประเทศในแอฟริกาและเอเชียไม่สามารถผลิตสินค้าได้เพียงพอ เพื่อตอบสนองความต้องการสินค้าภายในประเทศ

เห็นได้ชัดว่าการปฏิเสธการใช้เชื้อเพลิงชีวภาพจะไม่ทำให้สถานการณ์ในตลาดอาหารโลกดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ แต่ในทางกลับกัน อาจโจมตีเกษตรกรในยุโรปและอเมริกาซึ่งเป็นครั้งแรกในรอบหลายปี โอกาสที่จะได้รับเงินที่ดี แต่เราไม่สามารถเขียนประเด็นด้านจริยธรรมของปัญหานี้ได้ การเติม "ขนมปัง" ลงในถังเป็นสิ่งที่น่าเกลียดเมื่อผู้คนนับล้านอดอยาก ดังนั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง นักการเมืองยุโรปในตอนนี้จะเจ๋งมากขึ้นเกี่ยวกับเทคโนโลยีชีวภาพ ซึ่งได้รับการยืนยันแล้วโดยการแก้ไขกลยุทธ์สำหรับการเปลี่ยนไปใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียน

ในสถานการณ์เช่นนี้ ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ควรเป็นสาขาที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับการประยุกต์ใช้เซลล์เชื้อเพลิง นี่คือจุดที่เซลล์เชื้อเพลิงมีโอกาสสูงที่สุดที่จะตั้งหลักได้ ประการแรก คนที่ซื้อโทรศัพท์มือถือเต็มใจที่จะทดลองมากกว่าคนซื้อรถ และประการที่สองพวกเขาพร้อมที่จะใช้จ่ายเงินและตามกฎแล้วไม่รังเกียจที่จะ "กอบกู้โลก" สามารถยืนยันได้โดย ความสำเร็จดังก้อง iPod Nano รุ่น "Bono" สีแดงซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของเงินจากการขายซึ่งไปที่สภากาชาด

เวอร์ชั่น "Bono" ของ Apple iPod Nano

ในบรรดาบริษัทที่หันมาสนใจเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา ได้แก่บริษัทที่ก่อนหน้านี้เชี่ยวชาญด้านการสร้างเซลล์เชื้อเพลิง และตอนนี้เพิ่งเปิดพื้นที่ใหม่สำหรับการใช้งาน เช่นเดียวกับผู้ผลิตไมโครอิเล็กทรอนิกส์ชั้นนำ ตัวอย่างเช่น เมื่อเร็วๆ นี้ MTI Micro ซึ่งได้นำธุรกิจกลับมาใช้ใหม่เพื่อผลิตเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่ ประกาศว่าจะเริ่มการผลิตจำนวนมากในปี 2552 เธอยังแนะนำอุปกรณ์ GPS เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลเครื่องแรกของโลก ตามที่ตัวแทนของบริษัทนี้ ในอนาคตอันใกล้นี้ผลิตภัณฑ์ของบริษัทจะเปลี่ยนแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบเดิมทั้งหมด จริงในตอนแรกพวกเขาจะไม่ถูก แต่ปัญหานี้มาพร้อมกับเทคโนโลยีใหม่ ๆ

สำหรับบริษัทอย่าง Sony ซึ่งเพิ่งเปิดตัวอุปกรณ์ที่ขับเคลื่อนด้วยสื่อรุ่น DMFC เทคโนโลยีเหล่านี้เป็นเทคโนโลยีใหม่ แต่จริงจังที่จะไม่หลงทางในตลาดใหม่ที่มีแนวโน้มดี ในทางกลับกัน ชาร์ปก้าวไปไกลกว่านั้นด้วยเซลล์เชื้อเพลิงต้นแบบ เพิ่งสร้างสถิติโลกสำหรับความจุพลังงานจำเพาะ 0.3 วัตต์ต่อลูกบาศก์เซนติเมตรของเมทานอล แม้แต่รัฐบาลของหลายประเทศก็ได้พบกับบริษัทที่ผลิตเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ ดังนั้น สนามบินในสหรัฐอเมริกา แคนาดา บริเตนใหญ่ ญี่ปุ่น และจีน แม้จะมีความเป็นพิษและการติดไฟของเมทานอล แต่ก็ยกเลิกข้อจำกัดที่มีอยู่ก่อนหน้านี้เกี่ยวกับการขนส่งในห้องโดยสาร แน่นอนว่าอนุญาตเฉพาะเซลล์เชื้อเพลิงที่ผ่านการรับรองซึ่งมีความจุสูงสุด 200 มล. อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้เป็นการยืนยันอีกครั้งถึงความสนใจในการพัฒนาเหล่านี้จากผู้ที่สนใจไม่เพียงเท่านั้น แต่ยังระบุอีกด้วย

จริงอยู่ ผู้ผลิตยังคงพยายามเล่นอย่างปลอดภัยและเสนอเซลล์เชื้อเพลิงเป็นระบบไฟฟ้าสำรองเป็นหลัก วิธีแก้ปัญหาหนึ่งคือการผสมผสานระหว่างเซลล์เชื้อเพลิงและแบตเตอรี่: ตราบใดที่ยังมีเชื้อเพลิงอยู่ อุปกรณ์จะชาร์จแบตเตอรี่อย่างต่อเนื่อง และหลังจากที่แบตเตอรี่หมด ผู้ใช้เพียงแค่เปลี่ยนตลับที่ว่างเปล่าด้วยภาชนะเมทานอลใหม่ กระแสนิยมอีกอย่างหนึ่งคือการสร้างสรรค์ ที่ชาร์จบนเซลล์เชื้อเพลิง สามารถใช้งานได้ทุกที่ทุกเวลา ในขณะเดียวกันก็สามารถชาร์จแบตเตอรี่ได้อย่างรวดเร็ว กล่าวอีกนัยหนึ่งในอนาคตบางทีทุกคนอาจพก "ซ็อกเก็ต" ไว้ในกระเป๋าของพวกเขา วิธีการนี้อาจมีความเกี่ยวข้องเป็นพิเศษในกรณีของโทรศัพท์มือถือ ในทางกลับกันแล็ปท็อปอาจได้รับเซลล์เชื้อเพลิงในตัวซึ่งหากไม่ได้แทนที่การชาร์จจาก "ซ็อกเก็ต" อย่างสมบูรณ์อย่างน้อยก็กลายเป็นทางเลือกที่จริงจัง

ดังนั้น ตามการคาดการณ์ของ BASF บริษัทเคมีภัณฑ์รายใหญ่ที่สุดของเยอรมนี ซึ่งเพิ่งประกาศเริ่มการก่อสร้างศูนย์พัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงในญี่ปุ่น ภายในปี 2010 ตลาดสำหรับอุปกรณ์เหล่านี้จะมีมูลค่า 1 พันล้านดอลลาร์ ในเวลาเดียวกัน นักวิเคราะห์คาดการณ์การเติบโตของตลาดเซลล์เชื้อเพลิงเป็น 2 หมื่นล้านดอลลาร์ภายในปี 2563 อย่างไรก็ตาม ในศูนย์นี้ BASF มีแผนที่จะพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา (โดยเฉพาะแล็ปท็อป) และระบบพลังงานที่อยู่กับที่ สถานที่สำหรับองค์กรนี้ไม่ได้ถูกเลือกโดยบังเอิญ - ผู้ซื้อหลักของเทคโนโลยีเหล่านี้ บริษัทเยอรมันเห็นบริษัทท้องถิ่น

แทนที่จะได้ข้อสรุป

แน่นอน เราไม่ควรคาดหวังจากเซลล์เชื้อเพลิงว่าพวกเขาจะมาแทนที่ระบบจ่ายไฟที่มีอยู่ อย่างน้อยก็เพื่ออนาคตอันใกล้ นี่คือดาบสองคม: โรงไฟฟ้าแบบพกพามีประสิทธิภาพมากกว่าเนื่องจากไม่มีการสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับการส่งไฟฟ้าไปยังผู้บริโภค แต่ก็คุ้มค่าที่จะพิจารณาว่าพวกเขาสามารถกลายเป็นคู่แข่งที่สำคัญต่อแหล่งจ่ายไฟแบบรวมศูนย์ ระบบเฉพาะเมื่อมีการสร้างระบบจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิงแบบรวมศูนย์สำหรับการติดตั้งเหล่านี้ กล่าวคือ ในที่สุด "ซ็อกเก็ต" ควรถูกแทนที่ด้วยท่อบางตัวที่จ่ายรีเอเจนต์ที่จำเป็นให้กับบ้านทุกหลังและทุกซอกทุกมุม และนี่ไม่ใช่เสรีภาพและความเป็นอิสระจาก แหล่งภายนอกปัจจุบันซึ่งผู้ผลิตเซลล์เชื้อเพลิงกำลังพูดถึง

อุปกรณ์เหล่านี้มีข้อได้เปรียบที่ไม่อาจปฏิเสธได้ในรูปแบบของความเร็วในการชาร์จ - ฉันเพียงแค่เปลี่ยนตลับเมธานอล (ในกรณีที่รุนแรง ให้เปิดถ้วยรางวัลของ Jack Daniel) ในกล้อง และกระโดดขึ้นบันไดของพิพิธภัณฑ์ลูฟร์อีกครั้ง ในทางกลับกัน ถ้า บอกว่าโทรศัพท์ปกติชาร์จสองชั่วโมงและจะต้องชาร์จทุก 2-3 วันจากนั้นไม่น่าเป็นไปได้ที่ทางเลือกอื่นในรูปแบบของการเปลี่ยนตลับหมึกที่จำหน่ายเฉพาะในร้านค้าเฉพาะแม้ทุกๆสองสัปดาห์จะเป็นที่ต้องการ โดยผู้ใช้จำนวนมาก หากภาชนะปิดสนิทที่มีเชื้อเพลิงสองร้อยมิลลิลิตรไปถึงผู้บริโภคปลายทางราคาของมันจะมีเวลาเพิ่มขึ้นอย่างมาก เฉพาะขนาดการผลิตเท่านั้นที่จะสามารถต่อสู้กับราคาที่เพิ่มขึ้นนี้ได้ แต่จะทำเช่นนี้ ขนาดเป็นที่ต้องการของตลาด?และจนกว่าจะเลือกชนิดของเชื้อเพลิงที่เหมาะสมที่สุดก็จะเป็นการยากมากที่จะแก้ปัญหานี้

ในทางกลับกัน การผสมผสานระหว่างการชาร์จแบบเสียบปลั๊ก เซลล์เชื้อเพลิง และระบบจ่ายพลังงานทางเลือกอื่นๆ (เช่น แผงโซลาร์เซลล์) สามารถแก้ปัญหาเรื่องการกระจายแหล่งพลังงานและการเปลี่ยนไปใช้สิ่งแวดล้อมประเภทต่างๆ อย่างไรก็ตาม สำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์บางกลุ่ม เซลล์เชื้อเพลิงสามารถใช้ได้อย่างแพร่หลาย สิ่งนี้ได้รับการยืนยันจากข้อเท็จจริงที่ว่าเมื่อเร็ว ๆ นี้ Canon ได้จดสิทธิบัตรเซลล์เชื้อเพลิงของตัวเองสำหรับกล้องดิจิตอล และประกาศกลยุทธ์ในการรวมเทคโนโลยีเหล่านี้เข้ากับโซลูชั่นของตน สำหรับแล็ปท็อป หากเซลล์เชื้อเพลิงเข้าถึงได้ในอนาคตอันใกล้ เป็นไปได้มากว่าจะเป็นระบบพลังงานสำรองเท่านั้น ตัวอย่างเช่น เรากำลังพูดถึงโมดูลการชาร์จภายนอกที่เชื่อมต่อกับแล็ปท็อปเป็นหลัก

แต่เทคโนโลยีเหล่านี้มีโอกาสที่ดีในการพัฒนาใน ระยะยาว. โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแง่ของการคุกคามของความอดอยากน้ำมันซึ่งอาจเกิดขึ้นในอีกไม่กี่ทศวรรษข้างหน้า ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ไม่สำคัญว่าการผลิตเซลล์เชื้อเพลิงจะมีราคาถูกเพียงไร แต่การผลิตเชื้อเพลิงสำหรับเซลล์เหล่านั้นจะมากน้อยเพียงใดโดยไม่คำนึงถึงอุตสาหกรรมปิโตรเคมีและจะสามารถตอบสนองความต้องการได้หรือไม่

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนนิสสัน

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่มีการพัฒนาทุกปี แพร่หลายและเข้าถึงได้มากขึ้น: พีดีเอ แล็ปท็อป อุปกรณ์พกพาและอุปกรณ์ดิจิตอล กรอบรูป ฯลฯ ทั้งหมดได้รับการอัปเดตอย่างต่อเนื่องด้วยคุณสมบัติใหม่ จอภาพขนาดใหญ่ขึ้น การสื่อสารไร้สาย โปรเซสเซอร์ที่แข็งแกร่งขึ้น ในขณะที่ลดลงใน ขนาด. . เทคโนโลยีด้านพลังงานไม่เหมือนกับเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ที่ไม่ก้าวกระโดด

แบตเตอรี่และตัวสะสมที่มีอยู่เพื่อขับเคลื่อนความสำเร็จของอุตสาหกรรมกำลังไม่เพียงพอ ดังนั้นปัญหาของแหล่งอื่นจึงรุนแรงมาก เซลล์เชื้อเพลิงเป็นแนวทางที่มีแนวโน้มมากที่สุด หลักการทำงานของพวกเขาถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2382 โดยวิลเลียม โกรฟ ผู้สร้างกระแสไฟฟ้าโดยการเปลี่ยนอิเล็กโทรไลซิสของน้ำ

วิดีโอ: สารคดี, เซลล์เชื้อเพลิงเพื่อการขนส่ง : อดีต ปัจจุบัน อนาคต

เซลล์เชื้อเพลิงเป็นที่สนใจของผู้ผลิตรถยนต์ และผู้สร้างสรรค์ก็ให้ความสนใจด้วยเช่นกัน ยานอวกาศ. ในปี 1965 พวกเขาได้รับการทดสอบโดยอเมริกาด้วยว่า Gemini 5 ถูกปล่อยสู่อวกาศและต่อมาใน Apollo การลงทุนหลายล้านดอลลาร์ในการวิจัยเซลล์เชื้อเพลิงแม้ในปัจจุบันนี้ เมื่อมีปัญหาที่เกี่ยวข้องกับมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม เพิ่มการปล่อยก๊าซเรือนกระจกจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล ซึ่งปริมาณสำรองก็ไม่สิ้นสุดเช่นกัน

เซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งมักเรียกกันว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเคมี ทำงานในลักษณะที่อธิบายไว้ด้านล่าง

เป็นเซลล์กัลวานิก เหมือนกับตัวสะสมและแบตเตอรี่ แต่ด้วยความแตกต่างที่สารออกฤทธิ์จะถูกเก็บแยกไว้ต่างหาก พวกเขามาถึงอิเล็กโทรดตามที่ใช้ บนขั้วลบ เชื้อเพลิงธรรมชาติหรือสารใดๆ ที่ได้จากการเผาไหม้ ซึ่งอาจเป็นก๊าซ (เช่น ไฮโดรเจน และคาร์บอนมอนอกไซด์) หรือของเหลว เช่น แอลกอฮอล์ ที่อิเล็กโทรดบวกตามกฎแล้วออกซิเจนจะทำปฏิกิริยา

แต่หลักการกระทำที่ดูเรียบง่ายนั้นไม่ง่ายที่จะแปลให้เป็นจริง

เซลล์เชื้อเพลิงทำเอง

วิดีโอ: เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน DIY

ขออภัย เราไม่มีรูปถ่ายว่าองค์ประกอบเชื้อเพลิงนี้ควรเป็นอย่างไร เราหวังว่าคุณจะใช้จินตนาการ

เซลล์เชื้อเพลิงพลังงานต่ำทำได้ด้วยตัวเองแม้ในห้องปฏิบัติการของโรงเรียน คุณต้องตุนหน้ากากป้องกันแก๊สพิษเก่า, ลูกแก้วสองสามชิ้น, น้ำด่างและ สารละลายน้ำเอทิลแอลกอฮอล์ (เรียกง่ายๆ ว่าวอดก้า) ซึ่งจะทำหน้าที่เป็น "เชื้อเพลิง" สำหรับเซลล์เชื้อเพลิง

ก่อนอื่น คุณต้องมีโครงสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงซึ่งทำจากลูกแก้วอย่างดีที่สุดซึ่งมีความหนาอย่างน้อยห้ามิลลิเมตร พาร์ติชั่นภายใน (ภายในห้าช่อง) สามารถทำทินเนอร์เล็กน้อย - 3 ซม. สำหรับการติดลูกแก้วจะใช้กาวขององค์ประกอบต่อไปนี้: ชิปลูกแก้วหกกรัมละลายในคลอโรฟอร์มหรือไดคลอโรอีเทนหนึ่งร้อยกรัม ).

ที่ผนังด้านนอก ตอนนี้จำเป็นต้องเจาะรูที่คุณต้องใส่ท่อระบายน้ำที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 5-6 เซนติเมตรผ่านจุกยาง

ทุกคนรู้ว่าในตารางธาตุที่มุมล่างซ้ายมีโลหะที่แอคทีฟมากที่สุดและโลหะที่มีกิจกรรมสูงอยู่ในตารางที่มุมขวาบนเช่น ความสามารถในการบริจาคอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นจากบนลงล่างและจากขวาไปซ้าย องค์ประกอบที่สามารถแสดงตัวเองเป็นโลหะหรือเมทัลลอยด์ได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการภายใต้เงื่อนไขบางประการ

ตอนนี้เราเทลงในช่องที่สองและสี่จากหน้ากากป้องกันแก๊สพิษ ถ่านกัมมันต์(ระหว่างพาร์ติชั่นแรกกับพาร์ติชั่นที่สองกับพาร์ติชั่นที่สามและสี่) ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรด เพื่อไม่ให้ถ่านหินไหลออกรูสามารถใส่ในผ้าไนลอน (ถุงน่องไนลอนของผู้หญิงจะทำ) ที่

เชื้อเพลิงจะหมุนเวียนในห้องแรกในห้องที่ห้าควรมีตัวจ่ายออกซิเจน - อากาศ จะมีอิเล็กโทรไลต์ระหว่างอิเล็กโทรดและเพื่อป้องกันไม่ให้รั่วเข้าไปในห้องแอร์จำเป็นต้องแช่ด้วยสารละลายพาราฟินในน้ำมันเบนซิน (อัตราส่วนพาราฟิน 2 กรัมต่อน้ำมันครึ่งแก้ว) ก่อนเติมถ่านหินสำหรับอิเล็กโทรไลต์อากาศในห้องที่สี่ บนชั้นถ่านหินคุณต้องใส่แผ่นทองแดง (กดเล็กน้อย) ซึ่งบัดกรีลวด กระแสจะถูกเบี่ยงเบนจากอิเล็กโทรดผ่านพวกมัน

มันยังคงอยู่เพียงเพื่อชาร์จองค์ประกอบ สำหรับสิ่งนี้จำเป็นต้องมีวอดก้าซึ่งจะต้องเจือจางด้วยน้ำใน 1: 1 จากนั้นเติมโพแทสเซียมโซดาไฟสามร้อยถึงสามร้อยห้าสิบกรัมอย่างระมัดระวัง สำหรับอิเล็กโทรไลต์ โพแทสเซียมกัดกร่อน 70 กรัมจะละลายในน้ำ 200 กรัม

เซลล์เชื้อเพลิงพร้อมสำหรับการทดสอบตอนนี้คุณต้องเทเชื้อเพลิงลงในห้องแรกพร้อม ๆ กันและอิเล็กโทรไลต์เข้าไปในห้องที่สาม โวลต์มิเตอร์ที่ติดอยู่กับอิเล็กโทรดควรแสดงตั้งแต่ 07 โวลต์ถึง 0.9 เพื่อให้แน่ใจว่าองค์ประกอบทำงานอย่างต่อเนื่อง จำเป็นต้องระบายเชื้อเพลิงที่ใช้แล้ว (ระบายลงในแก้ว) และเพิ่มเชื้อเพลิงใหม่ (ผ่านท่อยาง) อัตราการป้อนถูกควบคุมโดยการบีบท่อ นี่คือลักษณะการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงในสภาพห้องปฏิบัติการ ซึ่งพลังดังกล่าวมีขนาดเล็กมากจนเข้าใจได้

วิดีโอ: เซลล์เชื้อเพลิงหรือแบตเตอรี่ถาวรที่บ้าน

นักวิทยาศาสตร์ได้ทำงานเกี่ยวกับปัญหานี้มาเป็นเวลานาน เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลและเอทานอลตั้งอยู่บนเหล็กสำหรับการพัฒนาที่แอคทีฟ แต่น่าเสียดายที่จนถึงขณะนี้ยังไม่มีวิธีนำพวกเขาไปปฏิบัติ

เหตุใดจึงเลือกเซลล์เชื้อเพลิงเป็นแหล่งพลังงานทางเลือก

เซลล์เชื้อเพลิงได้รับเลือกให้เป็นแหล่งพลังงานทางเลือก เนื่องจากผลิตภัณฑ์สุดท้ายของการเผาไหม้ไฮโดรเจนในเซลล์นั้นคือน้ำ ปัญหาอยู่ที่การหาวิธีผลิตไฮโดรเจนที่ไม่แพงและมีประสิทธิภาพเท่านั้น กองทุนมหาศาลที่ลงทุนในการพัฒนาเครื่องกำเนิดไฮโดรเจนและเซลล์เชื้อเพลิงไม่สามารถล้มเหลวที่จะเกิดผลได้ดังนั้น ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและการใช้งานจริงในชีวิตประจำวันเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

วันนี้สัตว์ประหลาดแห่งอุตสาหกรรมยานยนต์: General Motors, Honda, Dreimler Koisler, Ballard สาธิตรถโดยสารและรถยนต์ที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงที่มีกำลังสูงถึง 50 กิโลวัตต์ แต่ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัย ความน่าเชื่อถือ ต้นทุน ยังไม่ได้รับการแก้ไข ดังที่ได้กล่าวไปแล้วซึ่งแตกต่างจากแหล่งพลังงานแบบเดิม - แบตเตอรี่และแบตเตอรี่ ในกรณีนี้ ตัวออกซิไดเซอร์และเชื้อเพลิงถูกจ่ายจากภายนอก และเซลล์เชื้อเพลิงเป็นเพียงตัวกลางในปฏิกิริยาต่อเนื่องในการเผาไหม้เชื้อเพลิงและแปลงพลังงานที่ปล่อยออกมาเป็นไฟฟ้า . “การเผาไหม้” จะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อองค์ประกอบส่งกระแสไปยังโหลด เช่น เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล แต่ไม่มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและดีเซล และยังไม่มีเสียง ควัน และความร้อนสูงเกินไป ในขณะเดียวกันประสิทธิภาพก็สูงขึ้นมากเนื่องจากไม่มีกลไกระดับกลาง

วิดีโอ: รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

มีความหวังอย่างมากในการใช้เทคโนโลยีนาโนและวัสดุนาโนซึ่งจะช่วยย่อขนาดเซลล์เชื้อเพลิงพร้อมทั้งเพิ่มพลังให้กับเซลล์เชื้อเพลิง มีรายงานว่ามีการสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูง เช่นเดียวกับการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงที่ไม่มีเมมเบรน ในนั้นพร้อมกับตัวออกซิไดเซอร์เชื้อเพลิง (เช่นมีเทน) จะถูกจ่ายให้กับองค์ประกอบ วิธีแก้ปัญหามีความน่าสนใจ โดยที่ออกซิเจนที่ละลายในน้ำถูกใช้เป็นตัวออกซิไดซ์ และสิ่งเจือปนอินทรีย์ที่สะสมอยู่ในน้ำเสียจะถูกใช้เป็นเชื้อเพลิง เหล่านี้คือสิ่งที่เรียกว่าเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพ

ผู้เชี่ยวชาญระบุว่าเซลล์เชื้อเพลิงสามารถเข้าสู่ตลาดมวลชนได้ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า