خلية الوقود DIY في المنزل. خلايا الوقود: الأنواع ومبادئ التشغيل والميزات بطارية الهيدروجين DIY

أود أن أحذرك على الفور من أن هذا الموضوع لا يتعلق بالكامل بموضوع الهبر، ولكن في التعليقات على المنشور حول العنصر الذي تم تطويره في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، يبدو أن الفكرة مدعومة، لذلك سأصف أدناه بعض الأفكار حول الوقود الحيوي عناصر.
العمل الذي كتب عنه هذا الموضوع قمت به في الصف الحادي عشر وحصل على المركز الثاني في المؤتمر الدولي INTEL ISEF.

خلية الوقود هي مصدر تيار كيميائي يتم فيه تحويل الطاقة الكيميائية لعامل الاختزال (الوقود) وعامل الأكسدة، بشكل مستمر ومنفصل إلى الأقطاب الكهربائية، مباشرة إلى طاقة كهربائية
طاقة. يتم عرض الرسم التخطيطي لخلية الوقود (FC) أدناه:

تتكون خلية الوقود من غرف الأنود والكاثود والموصل الأيوني والأنود وغرف الكاثود. في الوقت الحالي، قوة خلايا الوقود الحيوي ليست كافية للاستخدام على نطاق صناعي، ولكن يمكن استخدام مركبات الكربون الكلورية فلورية منخفضة الطاقة للأغراض الطبية كأجهزة استشعار حساسة لأن القوة الحالية فيها تتناسب مع كمية الوقود الذي تتم معالجته.
حتى الآن، تم اقتراح عدد كبير من أنواع التصميم لخلايا الوقود. وفي كل حالة محددة، يعتمد تصميم خلية الوقود على الغرض من خلية الوقود ونوع الكاشف والموصل الأيوني. مجموعة خاصة تشمل خلايا الوقود الحيوي التي تستخدم المحفزات البيولوجية. من السمات المميزة المهمة للأنظمة البيولوجية قدرتها على أكسدة أنواع الوقود المختلفة بشكل انتقائي عند درجات حرارة منخفضة.
في معظم الحالات، يتم استخدام الإنزيمات المثبتة في التحفيز الكهربائي الحيوي، أي. الإنزيمات معزولة عن الكائنات الحية ومثبتة على حامل، ولكنها تحتفظ بالنشاط التحفيزي (جزئيًا أو كليًا)، مما يسمح بإعادة استخدامها. دعونا نفكر في مثال خلية الوقود الحيوي التي يقترن فيها التفاعل الأنزيمي بتفاعل القطب الكهربائي باستخدام وسيط. مخطط خلية الوقود الحيوي على أساس أوكسيديز الجلوكوز:

تتكون خلية الوقود الحيوي من قطبين كهربائيين خاملين مصنوعين من الذهب أو البلاتين أو الكربون، مغمورين في محلول منظم. يتم فصل الأقطاب الكهربائية بواسطة غشاء التبادل الأيوني: يتم تطهير حجرة الأنود بالهواء، وحجرة الكاثود بالنيتروجين. يسمح الغشاء بالفصل المكاني للتفاعلات التي تحدث في حجرات القطب الكهربائي للخلية، وفي الوقت نفسه يضمن تبادل البروتونات فيما بينها. يتم إنتاج الأغشية بمختلف أنواعها المناسبة لأجهزة الاستشعار الحيوية في المملكة المتحدة من قبل العديد من الشركات (VDN، VIROKT).
يؤدي إدخال الجلوكوز إلى خلية وقود حيوي تحتوي على أوكسيديز الجلوكوز ووسيط قابل للذوبان عند 20 درجة مئوية إلى تدفق الإلكترونات من الإنزيم إلى الأنود عبر الوسيط. تنتقل الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية إلى الكاثود، حيث، في ظل الظروف المثالية، يتشكل الماء في وجود البروتونات والأكسجين. يتناسب التيار الناتج (في حالة عدم التشبع) مع إضافة المكون المحدد للمعدل (الجلوكوز). من خلال قياس التيارات الثابتة، يمكنك بسرعة (5 ثوانٍ) تحديد التركيزات المنخفضة للجلوكوز - حتى 0.1 مم. كجهاز استشعار، فإن خلية الوقود الحيوي الموصوفة لها قيود معينة مرتبطة بوجود وسيط ومتطلبات معينة لكاثود الأكسجين والغشاء. يجب أن يحتفظ الأخير بالإنزيم وفي نفس الوقت يسمح للمكونات ذات الوزن الجزيئي المنخفض بالمرور عبر: الغاز والوسيط والركيزة. تلبي أغشية التبادل الأيوني عمومًا هذه المتطلبات، على الرغم من أن خصائص انتشارها تعتمد على الرقم الهيدروجيني للمحلول المنظم. يؤدي انتشار المكونات عبر الغشاء إلى انخفاض كفاءة نقل الإلكترون بسبب التفاعلات الجانبية.
توجد اليوم نماذج مخبرية لخلايا الوقود ذات المحفزات الإنزيمية، والتي لا تلبي خصائصها متطلبات تطبيقها العملي. ستهدف الجهود الرئيسية في السنوات القليلة المقبلة إلى تكرير خلايا الوقود الحيوي، وستكون التطبيقات الإضافية لخلية الوقود الحيوي أكثر ارتباطًا بالطب، على سبيل المثال: خلية وقود حيوي قابلة للزرع باستخدام الأكسجين والجلوكوز.
عند استخدام الإنزيمات في التحفيز الكهربائي، فإن المشكلة الرئيسية التي يجب حلها هي مشكلة اقتران التفاعل الأنزيمي مع التفاعل الكهروكيميائي، أي ضمان نقل الإلكترون الفعال من المركز النشط للإنزيم إلى القطب، وهو ما يمكن تحقيقه في الطرق التالية:
1. نقل الإلكترونات من المركز النشط للإنزيم إلى القطب باستخدام حامل جزيئي منخفض - وسيط (التحفيز الكهربائي الحيوي الوسيط).
2. الأكسدة المباشرة والمباشرة وتقليل المواقع النشطة للإنزيم على القطب (التحفيز الكهربائي الحيوي المباشر).
في هذه الحالة، يمكن إجراء الاقتران الوسيط للتفاعلات الأنزيمية والكهروكيميائية بدوره بأربع طرق:
1) يوجد الإنزيم والوسيط في الجزء الأكبر من المحلول وينتشر الوسيط على سطح القطب؛
2) الإنزيم موجود على سطح القطب، والوسيط موجود في حجم المحلول؛
3) يتم تثبيت الإنزيم والوسيط على سطح القطب؛
4) يتم خياطة الوسيط على سطح القطب، ويكون الإنزيم في المحلول.

في هذا العمل، كان اللاكيز بمثابة محفز للتفاعل الكاثودي لاختزال الأكسجين، وكان أوكسيديز الجلوكوز (GOD) بمثابة محفز للتفاعل الأنودي لأكسدة الجلوكوز. تم استخدام الإنزيمات كجزء من المواد المركبة، والتي يعد إنشائها أحد أهم المراحل في إنشاء خلايا الوقود الحيوي التي تعمل في نفس الوقت كجهاز استشعار تحليلي. في هذه الحالة، يجب أن توفر المواد المركبة الحيوية انتقائية وحساسية لتحديد الركيزة وفي نفس الوقت يكون لها نشاط تحفيزي كهربائي حيوي مرتفع، يقترب من النشاط الأنزيمي.
لاكاز هو إنزيم مؤكسد يحتوي على النحاس، وتتمثل وظيفته الرئيسية في الظروف المحلية في أكسدة الركائز العضوية (الفينولات ومشتقاتها) بالأكسجين، الذي يتحول إلى ماء. الوزن الجزيئي للإنزيم هو 40000 جم / مول.

لقد ثبت حتى الآن أن اللاكيز هو المحفز الكهربي الأكثر نشاطًا لتقليل الأكسجين. في وجوده على القطب في جو الأكسجين، يتم إنشاء إمكانات قريبة من إمكانات الأكسجين المتوازنة، ويحدث اختزال الأكسجين مباشرة في الماء.
تم استخدام مادة مركبة أساسها اللاكيز والأسيتيلين الأسود AD-100 والنافيون كمحفز للتفاعل الكاثودي (اختزال الأكسجين). الميزة الخاصة للمركب هي هيكله، الذي يضمن اتجاه جزيء الإنزيم بالنسبة إلى المصفوفة الموصلة للإلكترون، اللازمة لنقل الإلكترون المباشر. نشاط التحفيز الحيوي الكهربي المحدد لللاكيز في الطرق المركبة التي لوحظت في التحفيز الأنزيمي. طريقة اقتران التفاعلات الأنزيمية والكهروكيميائية في حالة اللاكيز، أي. طريقة لنقل إلكترون من الركيزة عبر المركز النشط لإنزيم اللاكيز إلى قطب كهربائي - التحفيز الكهربائي الثنائي المباشر.

أوكسيديز الجلوكوز (GOD) هو إنزيم من فئة الأكسيدوريدوكتيز، وله وحدتان فرعيتان، لكل منهما مركز نشط خاص به - (فلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد) FAD. GOD هو إنزيم انتقائي للجلوكوز المتبرع بالإلكترون، ويمكنه استخدام العديد من الركائز كمستقبلات للإلكترون. الوزن الجزيئي للإنزيم هو 180.000 جم / مول.

في هذا العمل، استخدمنا مادة مركبة تعتمد على GOD والفيروسين (FC) للأكسدة الأنودية للجلوكوز عبر آلية وسيطة. تشتمل المادة المركبة على GOD، والجرافيت الغروي عالي التشتت (HCG)، وFc، وNafion، مما جعل من الممكن الحصول على مصفوفة موصلة للإلكترون مع سطح متطور للغاية، وضمان النقل الفعال للكواشف إلى منطقة التفاعل والخصائص المستقرة للمركب. مادة. طريقة لاقتران التفاعلات الأنزيمية والكهروكيميائية، أي. ضمان النقل الفعال للإلكترونات من المركز النشط لـ GOD إلى القطب الوسيط، بينما تم تثبيت الإنزيم والوسيط على سطح القطب. تم استخدام الفيروسين كوسيط - متقبل الإلكترون. عند أكسدة الركيزة العضوية، الجلوكوز، يتم تقليل الفيروسين ومن ثم أكسدته عند القطب.

إذا كان أي شخص مهتمًا، فيمكنني أن أصف بالتفصيل عملية الحصول على طلاء القطب الكهربائي، ولكن من الأفضل أن تكتب في رسالة شخصية. وفي الموضوع سأصف ببساطة البنية الناتجة.

1. م-100.
2. لاكسيس.
3. الركيزة المسامية مسعور.
4. نافيون.

وبعد استقبال الناخبين انتقلنا مباشرة إلى الجزء التجريبي. هذا ما تبدو عليه خلية العمل لدينا:

1. Ag/AgCl القطب المرجعي؛
2. القطب العامل.
3. القطب المساعد - RT.
في تجربة الجلوكوز أوكسيديز - التطهير بالأرجون واللاكاز - بالأكسجين.

يحدث اختزال الأكسجين في السخام في غياب اللاكاز عند إمكانات أقل من الصفر ويحدث على مرحلتين: من خلال التكوين الوسيط لبيروكسيد الهيدروجين. يوضح الشكل منحنى الاستقطاب للاختزال الكهربي للأكسجين بواسطة اللاكاز المثبت على AD-100، والذي تم الحصول عليه في جو أكسجين في محلول بدرجة حموضة 4.5. في ظل هذه الظروف، يتم إنشاء جهد ثابت قريب من جهد الأكسجين المتوازن (0.76 فولت). في الإمكانات الكاثودية البالغة 0.76 فولت، يتم ملاحظة الاختزال التحفيزي للأكسجين في قطب الإنزيم، والذي يستمر من خلال آلية التحفيز الكهربائي الحيوي المباشر مباشرة إلى الماء. في المنطقة المحتملة تحت الكاثود 0.55 فولت، لوحظ وجود هضبة على المنحنى، وهو ما يتوافق مع التيار الحركي المحدود لتقليل الأكسجين. كانت القيمة الحالية المحددة حوالي 630 ميكرو أمبير / سم 2.

تمت دراسة السلوك الكهروكيميائي للمادة المركبة المعتمدة على GOD Nafion والفيروسين وVKG بواسطة قياس الجهد الدوري (CV). تمت مراقبة حالة المادة المركبة في غياب الجلوكوز في محلول عازل للفوسفات باستخدام منحنيات الشحن. على منحنى الشحن عند جهد قدره (–0.40) فولت، يتم ملاحظة الحد الأقصى المتعلق بتحولات الأكسدة والاختزال للمركز النشط لـ GOD - (FAD)، وعند 0.20-0.25 فولت يوجد الحد الأقصى للأكسدة وتقليل الفيروسين.

من النتائج التي تم الحصول عليها يترتب على ذلك أنه على أساس الكاثود مع اللاكيز كمحفز لتفاعل الأكسجين، والأنود على أساس أوكسيديز الجلوكوز لأكسدة الجلوكوز، هناك إمكانية أساسية لإنشاء خلية وقود حيوي. صحيح أن هناك العديد من العقبات في هذا المسار، على سبيل المثال، يتم ملاحظة قمم نشاط الإنزيم عند مستويات مختلفة من الرقم الهيدروجيني. وأدى ذلك إلى ضرورة إضافة غشاء التبادل الأيوني إلى BFC، حيث يسمح الغشاء بالفصل المكاني للتفاعلات التي تحدث في حجيرات الأقطاب الكهربائية في الخلية، وفي الوقت نفسه يضمن تبادل البروتونات فيما بينها. يدخل الهواء إلى حجرة الأنود.
يؤدي إدخال الجلوكوز إلى خلية الوقود الحيوي التي تحتوي على أوكسيديز الجلوكوز ووسيط إلى تدفق الإلكترونات من الإنزيم إلى الأنود عبر الوسيط. تنتقل الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية إلى الكاثود، حيث، في ظل الظروف المثالية، يتشكل الماء في وجود البروتونات والأكسجين. يتناسب التيار الناتج (في حالة عدم التشبع) مع إضافة المكون المحدد للمعدل وهو الجلوكوز. من خلال قياس التيارات الثابتة، يمكنك بسرعة (5 ثوانٍ) تحديد التركيزات المنخفضة للجلوكوز - حتى 0.1 مم.

لسوء الحظ، لم أتمكن من جلب فكرة BFC إلى التنفيذ العملي، لأنه مباشرة بعد الصف الحادي عشر، ذهبت للدراسة لأصبح مبرمجًا، وهو ما ما زلت أفعله بجد حتى اليوم. شكرا لكل من أكملها.

أصحاب براءة الاختراع RU 2379795:

يتعلق الاختراع بخلايا وقود كحولية ذات تأثير مباشر باستخدام إلكتروليتات حمضية صلبة ومحفزات إعادة تشكيل داخلية. النتيجة الفنية للاختراع هي زيادة الطاقة والجهد النوعي للعنصر. وفقا للاختراع، تشتمل خلية الوقود على أنود، وكاثود، وإلكتروليت حمض صلب، وطبقة انتشار غاز، ومحفز إصلاح داخلي. يمكن أن يكون محفز الإصلاح الداخلي أي مصلح مناسب ويقع بالقرب من القطب الموجب. في هذا التكوين، تكون الحرارة المتولدة في التفاعلات الطاردة للحرارة على المحفز الموجود في خلية الوقود والتسخين الأومي لإلكتروليت خلية الوقود هي القوة الدافعة لتفاعل إصلاح الوقود الماص للحرارة الذي يحول وقود الكحول إلى هيدروجين. يمكن استخدام أي وقود كحولي، مثل الميثانول أو الإيثانول. 5 ن. و20 راتب و-لي، 4 مرضى.

مجال التكنولوجيا

يتعلق الاختراع بخلايا وقود الكحول المباشرة باستخدام إلكتروليتات الحمض الصلب.

مثال رائع من الفن

لقد تلقت الكحوليات مؤخرًا بحثًا مكثفًا كوقود محتمل. أنواع الوقود المرغوبة بشكل خاص هي الكحوليات مثل الميثانول والإيثانول لأنها تحتوي على كثافة طاقة أكبر بخمس إلى سبع مرات من كثافة الهيدروجين المضغوط القياسي. على سبيل المثال، لتر واحد من الميثانول يعادل طاقيًا 5.2 لترًا من الهيدروجين المضغوط إلى 320 ضغطًا جويًا. بالإضافة إلى ذلك، فإن لترًا واحدًا من الإيثانول يعادل طاقيًا 7.2 لترًا من الهيدروجين المضغوط إلى 350 ضغطًا جويًا. تعتبر هذه الكحوليات مرغوبة أيضًا لأنها سهلة التعامل والتخزين والنقل.

كان الميثانول والإيثانول موضوعًا لكثير من الأبحاث من منظور الوقود الكحولي. يمكن إنتاج الإيثانول عن طريق تخمير النباتات التي تحتوي على السكر والنشا. يمكن إنتاج الميثانول عن طريق تغويز الخشب أو نفايات الخشب/الحبوب (القش). ومع ذلك، فإن تخليق الميثانول أكثر فعالية. تعتبر هذه الكحوليات، من بين أمور أخرى، موارد متجددة، وبالتالي يُعتقد أنها تلعب دورًا مهمًا في تقليل انبعاثات الغازات الدفيئة وتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري.

وقد تم اقتراح خلايا الوقود كأجهزة تقوم بتحويل الطاقة الكيميائية لهذه الكحوليات إلى طاقة كهربائية. وفي هذا الصدد، خضعت خلايا الوقود الكحولي المباشر التي تحتوي على أغشية بوليمر إلكتروليتية لأبحاث مكثفة. وعلى وجه التحديد، ركز البحث على خلايا وقود الميثانول المباشر وخلايا وقود الإيثانول المباشر. ومع ذلك، فإن الأبحاث على خلايا وقود الإيثانول المباشرة كانت محدودة بسبب الصعوبة النسبية لأكسدة الإيثانول مقارنة بأكسدة الميثانول.

على الرغم من هذه الجهود البحثية المكثفة، فإن أداء خلايا الوقود الكحولي المباشر لا يزال غير مرض، ويرجع ذلك أساسًا إلى القيود الحركية التي تفرضها محفزات الأقطاب الكهربائية. على سبيل المثال، تتمتع خلايا وقود الميثانول المباشر النموذجية بكثافة طاقة تبلغ حوالي 50 ميجاوات/سم2. تم تحقيق كثافة طاقة أعلى، مثل 335 ميجاوات/سم2، ولكن فقط في ظل ظروف قاسية للغاية (Nafion®، 130 درجة مئوية، أكسجين 5 atm و1 مولار ميثانول بمعدل تدفق 2 سم مكعب/دقيقة عند ضغط 1.8 ضغط جوي ). وبالمثل، تتمتع خلية وقود الإيثانول المباشرة بكثافة طاقة تبلغ 110 ميجاوات/سم2 في ظل ظروف قاسية للغاية مماثلة (Nafion® - silica، 140 درجة مئوية، الأنود 4 atm، الأكسجين 5.5 atm). وبناء على ذلك، هناك حاجة إلى خلايا وقود كحولية مباشرة ذات كثافة طاقة عالية في غياب مثل هذه الظروف القاسية.

ملخص الاختراع

يتعلق الاختراع الحالي بخلايا وقود الكحول التي تحتوي على إلكتروليتات حمض صلبة وباستخدام محفز إعادة تشكيل داخلي. تشتمل خلية الوقود بشكل عام على أنود، وكاثود، وإلكتروليت حمض صلب، ومصلح داخلي. يضمن المصلح إصلاح الوقود الكحولي لإنتاج الهيدروجين. القوة الدافعة لتفاعل الإصلاح هي الحرارة المتولدة أثناء التفاعلات الطاردة للحرارة في خلية الوقود.

إن استخدام إلكتروليتات الأحماض الصلبة في خلية الوقود يجعل من الممكن وضع المصلح بجوار الأنود مباشرة. لم يكن يُعتقد سابقًا أن هذا ممكنًا بسبب درجات الحرارة المرتفعة المطلوبة لمواد الإصلاح المعروفة لتعمل بفعالية والحساسية الحرارية لأغشية البوليمر بالكهرباء النموذجية. ومع ذلك، بالمقارنة مع أغشية البوليمر الإلكتروليتية التقليدية، يمكن للإلكتروليتات الحمضية الصلبة أن تتحمل درجات حرارة أعلى بكثير، مما يجعل من الممكن تحديد موقع المصلح بجوار الأنود وبالتالي بالقرب من الإلكتروليت. في هذا التكوين، يتم امتصاص الحرارة المهدورة الناتجة عن المنحل بالكهرباء بواسطة المصلح ويعمل كقوة دافعة لتفاعل الإصلاح الماص للحرارة.

وصف موجز للرسومات

سيتم فهم هذه الميزات والمزايا الأخرى للاختراع الحالي بشكل أفضل من خلال الرجوع إلى الوصف التفصيلي التالي المأخوذ بالتزامن مع الرسومات المصاحبة، والتي:

يمثل الشكل 1 رسمًا توضيحيًا تخطيطيًا لخلية الوقود وفقًا لأحد تجسيدات الاختراع الحالي؛

يمثل الشكل 2 مقارنة رسومية للمنحنيات بين كثافة الطاقة وجهد الخلية لخلايا الوقود التي تم الحصول عليها وفقًا للمثالين 1 و2 والمثال المقارن 1؛

يمثل الشكل 3 مقارنة رسومية لمنحنيات جهد خلية كثافة القدرة لخلايا الوقود التي تم الحصول عليها وفقًا للأمثلة 3 و4 و5 والمثال المقارن 2؛ و

الشكل 4 عبارة عن مقارنة رسومية لكثافة الطاقة مقابل منحنيات جهد الخلية لخلايا الوقود التي تم الحصول عليها وفقًا للمثالين المقارنين 2 و3.

وصف تفصيلي للاختراع

يتعلق الاختراع الحالي بخلايا وقود الكحول المباشرة التي تحتوي على إلكتروليتات حمض صلب واستخدام محفز إعادة تشكيل داخلي في اتصال مادي مع مجموعة قطب كهربي غشائي (MEA) مصممة لإصلاح وقود الكحول لإنتاج الهيدروجين. كما هو مذكور أعلاه، فإن أداء خلايا الوقود، التي تحول الطاقة الكيميائية في الكحوليات مباشرة إلى طاقة كهربائية، لا يزال غير مرض بسبب القيود الحركية التي تفرضها محفزات قطب خلايا الوقود. ومع ذلك، فمن المعروف أن هذه القيود الحركية تقل بشكل كبير عند استخدام وقود الهيدروجين. وفقًا لذلك، يستخدم الاختراع الحالي محفز إعادة التشكيل أو المصلح المصمم لإصلاح وقود الكحول لإنتاج الهيدروجين، وبالتالي تقليل أو إزالة القيود الحركية المرتبطة بوقود الكحول. يتم إصلاح الوقود الكحولي بالبخار وفقًا لأمثلة التفاعل التالية:

الميثانول إلى الهيدروجين: CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 ؛

الإيثانول إلى الهيدروجين: C 2 H 5 OH+3H 2 O→6H 2 +2CO 2.

ومع ذلك، فإن رد الفعل الإصلاحي ماص للحرارة بدرجة كبيرة. لذلك، للحصول على القوة الدافعة لرد الفعل الإصلاحي، يجب تسخين المصلح. تبلغ كمية الحرارة المطلوبة عادةً حوالي 59 كيلوجول لكل مول من الميثانول (أي ما يعادل حرق حوالي 0.25 مول من الهيدروجين) وحوالي 190 كيلوجول لكل مول من الإيثانول (أي ما يعادل حرق حوالي 0.78 مول من الهيدروجين).

نتيجة لمرور التيار الكهربائي أثناء تشغيل خلايا الوقود، يتم توليد حرارة مهدرة، والتي تعتبر إزالتها بشكل فعال مشكلة. ومع ذلك، فإن توليد هذه الحرارة المهدرة يجعل وضع المصلح بجوار خلية الوقود مباشرة خيارًا طبيعيًا. يسمح هذا التكوين بتزويد الهيدروجين من جهاز الإصلاح إلى خلية الوقود وتبريد خلية الوقود، ويسمح لخلية الوقود بتسخين جهاز الإصلاح وتوفير القوة الدافعة للتفاعلات فيه. يُستخدم هذا التكوين في خلايا وقود الكربونات المنصهرة وفي تفاعلات إعادة تشكيل الميثان التي تحدث عند درجة حرارة 650 درجة مئوية تقريبًا. مع ذلك، تحدث تفاعلات إعادة تشكيل الكحول عمومًا عند درجات حرارة تتراوح من حوالي 200 درجة مئوية إلى حوالي 350 درجة مئوية، ولم يتم تطوير خلية وقود مناسبة تستخدم إعادة تشكيل الكحول حتى الآن.

يتعلق الاختراع الحالي بخلية وقود تستخدم إعادة تشكيل الكحول. كما هو موضح في الشكل 1، تشتمل خلية الوقود 10 وفقًا للاختراع الحالي بشكل عام على مجمع تيار أول/طبقة نشر غاز 12، وأنود 12أ، وطبقة تجميع تيار/انتشار غاز ثانية 14، وكاثود 14أ، وإلكتروليت 16، ومحفز الإصلاح الداخلي 18. يقع محفز الإصلاح الداخلي 18 بجوار الأنود 12أ. وبشكل أكثر تحديدًا، يتم وضع محفز الإصلاح 18 بين طبقة انتشار الغاز الأولى 12 والأنود 12أ. يمكن استخدام أي محفز إعادة تشكيل مناسب معروف 18. تشتمل الأمثلة غير المحدودة لمحفزات إعادة التشكيل المناسبة على مخاليط أكسيد Cu-Zn-Al، ومخاليط أكسيد Cu-Co-Zn-Al، ومخاليط أكسيد Cu-Zn-Al-Zr.

يمكن استخدام أي وقود كحولي مثل الميثانول والإيثانول والبروبانول. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام ثنائي ميثيل الأثير كوقود.

تاريخيًا، لم يكن هذا التكوين ممكنًا بالنسبة لخلايا الوقود الكحولي بسبب الطبيعة الماصة للحرارة لتفاعل الإصلاح وحساسية المنحل بالكهرباء للحرارة. تستخدم خلايا الوقود الكحولية النموذجية أغشية بوليمر إلكتروليت لا يمكنها تحمل الحرارة المطلوبة لتوفير القوة الدافعة لمحفز الإصلاح. ومع ذلك، فإن الإلكتروليتات المستخدمة في خلايا الوقود بالاختراع الحالي تحتوي على إلكتروليتات حمض صلب، مثل تلك الموصوفة في براءة الاختراع الأمريكية رقم 6,468,684 بعنوان غشاء موصل للبروتون باستخدام حمض صلب، والتي تم دمج محتوياتها بالكامل هنا كمرجع، وفي في نفس الوقت، طلب براءة الاختراع الأمريكي المعلق رقم تسلسلي 10/139043 بعنوان غشاء موصل للبروتون باستخدام حمض صلب، وقد تم تضمين محتوياته بالكامل هنا أيضًا كمرجع. أحد الأمثلة غير المقيدة لحمض صلب مناسب للاستخدام ككهارل في الاختراع الحالي هو CsH 2 PO 4 . يمكن للكهارل الحمضية الصلبة المستخدمة في خلايا الوقود الخاصة بالاختراع الحالي أن تتحمل درجات حرارة أعلى بكثير، مما يجعل من الممكن وضع محفز الإصلاح بجوار الأنود مباشرة. بالإضافة إلى ذلك، يستهلك تفاعل إعادة التشكيل الماص للحرارة الحرارة الناتجة عن التفاعلات الطاردة للحرارة في خلية الوقود، مما يشكل نظامًا متوازنًا حراريًا.

تُستخدم هذه الأحماض الصلبة في مراحلها فائقة البروتين وتعمل كأغشية موصلة للبروتون في نطاق درجات الحرارة من حوالي 100 درجة مئوية إلى حوالي 350 درجة مئوية. يعتبر الطرف العلوي من نطاق درجة الحرارة هذا مثاليًا لإصلاح الميثانول. لتوفير توليد حرارة كافية لتوفير القوة الدافعة لتفاعل إعادة التشكيل، ولضمان التوصيل البروتوني للإلكتروليت الحمضي الصلب، يفضل تشغيل خلية الوقود الخاصة بالاختراع الحالي عند درجات حرارة تتراوح من حوالي 100 درجة مئوية إلى حوالي 500 درجة مئوية. ومع ذلك، فمن الأفضل تشغيل خلية الوقود في درجات حرارة تتراوح من حوالي 200 درجة مئوية إلى حوالي 350 درجة مئوية. بالإضافة إلى تحسين أداء خلايا وقود الكحول بشكل ملحوظ، فإن درجات حرارة التشغيل المرتفعة نسبيًا لخلايا وقود الكحول الخاصة بالاختراع قد تمكن من استبدال المحفزات المعدنية باهظة الثمن مثل Pt/Ru وPt على الأنود والكاثود، على التوالي، بتكاليف أقل المواد المحفزة باهظة الثمن.

توضح الأمثلة والأمثلة المقارنة التالية خصائص الأداء الفائق لخلايا وقود الكحول الخاصة بالاختراع. ومع ذلك، تم تقديم هذه الأمثلة لأغراض التوضيح فقط ولا ينبغي تفسيرها على أنها تقصر الاختراع على هذه الأمثلة.

مثال 1: خلية وقود الميثانول

تم استخدام 13 مجم/سم2 Pt/Ru كمحفز كهربائي أنودي. النحاس (30% بالوزن) - الزنك (20% بالوزن) - تم استخدام Al كمحفز للإصلاح الداخلي. تم استخدام 15 مجم/سم 2 نقطة كمحفز كهربائي للكاثود. تم استخدام غشاء CsH 2 PO 4 بسمك 160 ميكرومتر كإلكتروليت. تم تغذية مخاليط الميثانول والماء المحول إلى بخار في مساحة الأنود بمعدل تدفق 100 ميكرولتر / دقيقة. تم تزويد الكاثود بنسبة 30% من الأكسجين المرطب بمعدل تدفق 50 سم 3 / دقيقة (درجة الحرارة والضغط القياسيين). وكانت نسبة الميثانول إلى الماء 25:75. تم ضبط درجة حرارة العنصر على 260 درجة مئوية.

مثال 2: خلية وقود الإيثانول

تم استخدام 13 مجم/سم2 Pt/Ru كمحفز كهربائي أنودي. النحاس (30% بالوزن) - الزنك (20% بالوزن) - تم استخدام Al كمحفز للإصلاح الداخلي. تم استخدام 15 مجم/سم 2 نقطة كمحفز كهربائي للكاثود. تم استخدام غشاء CsH 2 PO 4 بسمك 160 ميكرومتر كإلكتروليت. تم تغذية مخاليط الإيثانول والماء المحولة إلى بخار في مساحة الأنود بمعدل تدفق 100 ميكرولتر / دقيقة. تم تزويد الكاثود بنسبة 30% من الأكسجين المرطب بمعدل تدفق 50 سم 3 / دقيقة (درجة الحرارة والضغط القياسيين). كانت نسبة الإيثانول إلى الماء 15:85. تم ضبط درجة حرارة العنصر على 260 درجة مئوية.

مثال مقارن 1 - خلية الوقود باستخدام H النقي 2

تم استخدام 13 مجم/سم2 Pt/Ru كمحفز كهربائي أنودي. تم استخدام 15 مجم/سم 2 نقطة كمحفز كهربائي للكاثود. تم استخدام غشاء CsH 2 PO 4 بسمك 160 ميكرومتر كإلكتروليت. تم توفير الهيدروجين المرطب بنسبة 3% إلى مساحة الأنود بمعدل تدفق 100 ميكرولتر/دقيقة. تم تزويد الكاثود بنسبة 30% من الأكسجين المرطب بمعدل تدفق 50 سم 3 / دقيقة (درجة الحرارة والضغط القياسيين). تم ضبط درجة حرارة العنصر على 260 درجة مئوية.

يوضح الشكل 2 منحنيات العلاقة بين القدرة المحددة وجهد الخلية في المثالين 1 و2 والمثال المقارن 1. كما هو موضح، بالنسبة لخلية وقود الميثانول (المثال 1) تم تحقيق كثافة قدرة قصوى قدرها 69 ميجاوات/سم2، بالنسبة تحقق خلية وقود الإيثانول (المثال 2) كثافة طاقة قصوى تبلغ 53 ميجاوات/سم2، وبالنسبة لخلية وقود الهيدروجين (المثال المقارن 1) يتم تحقيق كثافة قدرة قصوى تبلغ 80

ميغاواط/سم2. توضح هذه النتائج أن خلايا الوقود التي تم الحصول عليها وفقًا للمثال 1 والمثال المقارن 1 متشابهة جدًا، مما يشير إلى أن خلية وقود الميثانول التي تحتوي على مُصلح تعرض أداءً جيدًا تقريبًا مثل أداء خلية وقود الهيدروجين. وهو تحسن كبير. ومع ذلك، كما هو موضح في الأمثلة التالية والأمثلة المقارنة، عن طريق تقليل سمك المنحل بالكهرباء، يتم تحقيق زيادة إضافية في كثافة الطاقة.

تم إنتاج خلية الوقود عن طريق ترسيب ملاط ​​CsH 2 PO 4 على دعامة مسامية من الفولاذ المقاوم للصدأ، والتي كانت بمثابة طبقة انتشار الغاز ومجمع التيار. تم ترسيب طبقة المحفز الكهربائي الكاثود أولاً على طبقة انتشار الغاز ثم ضغطها قبل ترسيب طبقة الإلكتروليت. بعد ذلك، تم ترسيب طبقة من المحفز الكهربائي الأنود، يليها وضع قطب كهربائي ثانٍ لنشر الغاز كطبقة نهائية من الهيكل.

تم استخدام خليط من CsH 2 PO 4، Pt (50 بالوزن الذري %) Ru، Pt (40 بالوزن %) - Ru (20 بالوزن %) مدعومًا على C (40 بالوزن %) والنفثالين كقطب كهربائي للأنود. كانت نسبة المكونات في خليط CsH 2 PO 4:Pt-Ru:Pt-Ru-C: النفثالين 3:3:1:0.5 (بالوزن). تم استخدام الخليط بمبلغ إجمالي قدره 50 ملغ. كانت التحميلات Pt وRu 5.6 مجم/سم2 و2.9 مجم/سم2 على التوالي. وكانت مساحة قطب الأنود 1.74 سم2 .

تم ترسيب خليط من CsH 2 PO 4، Pt، Pt (50 بالوزن%) على C (50 بالوزن %) والنفثالين كقطب كاثود. كانت نسبة المكونات في خليط CsH 2 PO 4:Pt:Pt-C: النفثالين 3:3:1:1 (بالوزن). تم استخدام الخليط بمبلغ إجمالي قدره 50 ملغ. وكانت التحميلات 7.7 ملغم/سم2. وكانت منطقة الكاثود 2.3-2.9 سم 1 .

CuO (30 بالوزن %) - ZnO (20 بالوزن %) - تم استخدام Al 2 O 3 كمحفز إصلاح، أي CuO (31 mol. %) - ZnO (16 mol. %) - Al 2 O 3 . تم تحضير محفز إعادة التشكيل بطريقة الترسيب المشترك باستخدام محلول من نترات النحاس والزنك والألمنيوم (إجمالي تركيز المعدن 1 مول/لتر) ومحلول مائي من كربونات الصوديوم (1.1 مول/لتر). تم غسل المادة المترسبة بالماء منزوع الأيونات، وتم ترشيحها وتجفيفها في الهواء عند درجة حرارة 120 درجة مئوية لمدة 12 ساعة. تم ضغط المسحوق المجفف بكمية 1 جم بخفة إلى سمك 3.1 مم وقطر 15.6 مم، ثم تحميصه عند 350 درجة مئوية لمدة ساعتين.

تم استخدام غشاء CsH 2 PO 4 بسمك 47 ميكرومتر كإلكتروليت.

تمت تغذية محلول ميثانول-ماء (43% حجم أو 37% وزن أو 25% مول أو 1.85 مولار ميثانول) من خلال مبخر زجاجي (200 درجة مئوية) بمعدل تدفق 135 ميكرولتر/دقيقة. تم ضبط درجة حرارة العنصر على 260 درجة مئوية.

تم تحضير خلية الوقود طبقاً للمثال 3 أعلاه، فيما عدا أنه لم يتم تغذية خليط ميثانول-ماء، ولكن خليط إيثانول-ماء (36% حجم أو 31% وزن) من خلال المبخر (200 درجة مئوية) عند درجة حرارة معدل التدفق 114 ميكرولتر/دقيقة أو 15 مول%، أو 0.98 مولار إيثانول).

تم تحضير خلية الوقود وفقًا للمثال 3 أعلاه، باستثناء أنه عند معدل تدفق 100 ميكرولتر/دقيقة، بدلاً من خليط الميثانول والماء، يتم استخدام الفودكا (Absolut Vodka، السويد) (40% حجمًا أو 34% وزنًا، أو 17% مول) تم توفير الإيثانول).

مثال مقارن 2

تم تحضير خلية الوقود طبقاً للمثال 3 أعلاه، فيما عدا أنه بدلاً من خليط ميثانول-ماء، تم استخدام الهيدروجين المجفف بكمية 100 سم مكعب قياسي في الدقيقة، وتم ترطيبه بماء ساخن (70 درجة مئوية).

مثال مقارن 3

تم تحضير خلية وقود طبقاً للمثال 3 أعلاه، فيما عدا أنه لم يتم استخدام محفز إعادة التشكيل وتم ضبط درجة حرارة الخلية على 240 درجة مئوية.

مثال مقارن 4

تم تحضير خلية وقود طبقاً للمثال المقارن 2، باستثناء أنه تم ضبط درجة حرارة الخلية على 240 درجة مئوية.

يوضح الشكل 3 كثافة الطاقة مقابل منحنيات جهد الخلية في الأمثلة 3 و4 و5 والمثال المقارن 2. كما هو موضح، حققت خلية وقود الميثانول (المثال 3) كثافة قدرة قصوى قدرها 224 ميجاوات/سم2، وهو ما يمثل زيادة كبيرة في القدرة الكثافة مقارنة بخلية الوقود التي تم الحصول عليها وفقًا للمثال 1 وتحتوي على إلكتروليت أكثر سمكًا. تُظهر خلية وقود الميثانول هذه أيضًا تحسنًا كبيرًا في الأداء مقارنة بخلايا وقود الميثانول التي لا تستخدم مصلحًا داخليًا، كما هو موضح بشكل أفضل في الشكل 4. توضح خلية وقود الإيثانول (المثال 4) أيضًا زيادة كثافة الطاقة وجهد الخلية مقارنة بخلايا وقود الميثانول. خلية وقود الإيثانول تحتوي على غشاء إلكتروليت أكثر سمكًا (المثال 2). ومع ذلك، فقد تبين أن خلية وقود الميثانول (المثال 3) تعمل بشكل أفضل من خلية وقود الإيثانول (المثال 4). بالنسبة لخلية وقود الفودكا (المثال 5)، يتم تحقيق كثافات طاقة مماثلة لتلك الموجودة في خلية وقود الإيثانول. كما هو مبين في الشكل 3، تعرض خلية وقود الميثانول (المثال 3) خصائص أداء جيدة تقريبًا مثل تلك الخاصة بخلية وقود الهيدروجين (المثال المقارن 2).

يوضح الشكل 4 كثافة الطاقة مقابل منحنيات جهد الخلية للمثالين المقارنين 3 و4. كما هو موضح، تحقق خلية وقود الميثانول عديمة التشكيل (المثال المقارن 3) كثافات طاقة أقل بكثير من تلك التي تم تحقيقها لخلية وقود الهيدروجين (المثال المقارن 4). بالإضافة إلى ذلك، توضح الأشكال 2 و3 و4 أنه، بالمقارنة بخلية وقود الميثانول بدون مُصلح (مثال مقارن 3)، يتم تحقيق كثافة طاقة أعلى بكثير لخلايا وقود الميثانول مع مُصلح (المثالان 1 و3).

تم تقديم الوصف السابق لتقديم التجسيدات المفضلة حاليًا للاختراع. سوف يفهم أولئك المهرة في الفن والتكنولوجيا ذات الصلة التي يتعلق بها هذا الاختراع أنه يمكن إجراء تغييرات وتعديلات على النماذج الموصوفة دون الانحراف بشكل كبير عن مبادئ الاختراع الحالي ونطاقه وروحه. وبناء على ذلك، لا ينبغي أن يؤخذ الوصف السابق للإشارة فقط إلى النماذج المحددة الموصوفة، بل يجب أن يُفهم على أنه متسق مع ويدعم المطالبات التالية، التي تحتوي على النطاق الأكمل والأكثر موضوعية للاختراع.

1. خلية وقود تشتمل على: طبقة تحفيز كهربائي أنود، وطبقة تحفيز كهربائي كاثود، وطبقة إلكتروليت تحتوي على حمض صلب، وطبقة انتشار غاز، ومحفز إصلاح داخلي يقع بجوار طبقة التحفيز الكهربائي الأنود، بحيث يكون محفز الإصلاح الداخلي هو يقع بين طبقة التحفيز الكهربائي للأنود وطبقة انتشار الغاز، ويكون على اتصال مادي مع طبقة التحفيز الكهربائي للأنود.

2. خلية الوقود وفقًا للمطالبة 1، حيث يحتوي إلكتروليت الحمض الصلب على CsH 2 PO 4 .

3. خلية الوقود الخاصة بالمطالبة 1، حيث يتم اختيار محفز إعادة التشكيل من المجموعة التي تتكون من مخاليط أكسيد Cu-Zn-Al، ومخاليط أكسيد Cu-Co-Zn-Al ومخاليط أكسيد Cu-Zn-Al-Zr.

4. طريقة تشغيل خلية الوقود وتشمل:





إمدادات الوقود وتشغيل خلية الوقود عند درجة حرارة تتراوح من حوالي 100 درجة مئوية إلى حوالي 500 درجة مئوية.

5. الطريقة حسب المطالبة رقم 4 حيث الوقود هو الكحول.

6. الطريقة حسب المطالبة رقم 4 حيث يتم اختيار الوقود من المجموعة المكونة من الميثانول والإيثانول والبروبانول وثنائي ميثيل الأثير.

7. طريقة المطالبة رقم 4، حيث يتم تشغيل خلية الوقود عند درجة حرارة تتراوح بين حوالي 200 درجة مئوية إلى حوالي 350 درجة مئوية.

8. طريقة المطالبة 4، حيث يتم اختيار محفز إعادة التشكيل من المجموعة التي تتكون من مخاليط أكسيد Cu-Zn-Al، ومخاليط أكسيد Cu-Co-Zn-Al ومخاليط أكسيد Cu-Zn-Al-Zr.

9. الطريقة حسب المطالبة رقم 4 حيث يحتوي الإلكتروليت على حمض صلب.

10. الطريقة حسب المطالبة رقم 9 حيث يحتوي الحمض الصلب على CsH 2 PO 4 .

11. طريقة تشغيل خلية الوقود وتشمل:
تشكيل طبقة التحفيز الكهربائي انوديك.
تشكيل طبقة التحفيز الكهربائي الكاثود.
تشكيل طبقة بالكهرباء تحتوي على حمض صلب؛
تشكيل طبقة انتشار الغاز و
تشكيل محفز إعادة تشكيل داخلي مجاور لطبقة التحفيز الكهربي الأنودي بحيث يقع محفز إعادة التشكيل الداخلي بين طبقة التحفيز الكهربي الأنودية وطبقة انتشار الغاز ويكون على اتصال فيزيائي مع طبقة التحفيز الكهربي الأنودية؛
إمدادات الوقود وتشغيل خلية الوقود في درجة حرارة تتراوح من حوالي 200 درجة مئوية إلى حوالي 350 درجة مئوية.

12. الطريقة حسب المطالبة 11 حيث الوقود هو الكحول.

13. الطريقة حسب المطالبة رقم 11 حيث يتم اختيار الوقود من المجموعة المكونة من الميثانول والإيثانول والبروبانول وثنائي ميثيل الأثير.

14. طريقة المطالبة 11، حيث يتم اختيار محفز إعادة التشكيل من المجموعة التي تتكون من خليط من أكاسيد Cu-Zn-Al، ومخاليط من أكاسيد Cu-Co-Zn-Al ومخاليط من أكاسيد Cu-Zn-Zr .

15. الطريقة حسب المطالبة رقم 11 حيث يحتوي المحلول الكهربي على حمض صلب.

16. الطريقة حسب المطالبة 15 حيث يحتوي الحمض الصلب على CsH 2 PO 4 .

17. طريقة تشغيل خلية الوقود وتشمل:
تشكيل طبقة التحفيز الكهربائي انوديك.
تشكيل طبقة التحفيز الكهربائي الكاثود.
تشكيل طبقة بالكهرباء تحتوي على حمض صلب؛
تشكيل طبقة انتشار الغاز و
تشكيل محفز إعادة تشكيل داخلي مجاور لطبقة التحفيز الكهربي الأنودي بحيث يقع محفز إعادة التشكيل الداخلي بين طبقة التحفيز الكهربي الأنودية وطبقة انتشار الغاز ويكون على اتصال فيزيائي مع طبقة التحفيز الكهربي الأنودية؛
توريد الوقود الكحولي؛ وتشغيل خلية الوقود عند درجة حرارة تتراوح من حوالي 100 درجة مئوية إلى حوالي 500 درجة مئوية.

18. الطريقة حسب المطالبة رقم 17 حيث يتم اختيار الوقود من المجموعة المكونة من الميثانول والإيثانول والبروبانول وثنائي ميثيل الأثير.

19. طريقة المطالبة رقم 17 حيث يتم تشغيل خلية الوقود عند درجة حرارة تتراوح من حوالي 200 درجة مئوية إلى حوالي 350 درجة مئوية.

20. طريقة المطالبة 17، حيث يتم اختيار محفز إعادة التشكيل من المجموعة التي تتكون من مخاليط أكسيد Cu-Zn-Al، ومخاليط أكسيد Cu-Co-Zn-Al ومخاليط أكسيد Cu-Zn-Al-Zr.

21. الطريقة حسب المطالبة رقم 17، حيث يحتوي إلكتروليت الحمض الصلب على CsH 2 PO 4 .

22. طريقة تشغيل خلية الوقود وتشمل:
تشكيل طبقة التحفيز الكهربائي انوديك.
تشكيل طبقة التحفيز الكهربائي الكاثود.
تشكيل طبقة بالكهرباء تحتوي على حمض صلب؛
تشكيل طبقة انتشار الغاز و
تشكيل محفز إعادة تشكيل داخلي مجاور لطبقة التحفيز الكهربي الأنودي بحيث يقع محفز إعادة التشكيل الداخلي بين طبقة التحفيز الكهربي الأنودية وطبقة انتشار الغاز ويكون على اتصال فيزيائي مع طبقة التحفيز الكهربي الأنودية؛
توريد الوقود الكحولي؛ وتشغيل خلية الوقود في درجة حرارة تتراوح من حوالي 200 درجة مئوية إلى حوالي 350 درجة مئوية.

يتعلق الاختراع بخلايا وقود كحولية ذات تأثير مباشر باستخدام إلكتروليتات حمضية صلبة ومحفزات إعادة تشكيل داخلية

قم بإعداد كل ما تحتاجه.لصنع خلية وقود بسيطة، ستحتاج إلى 12 بوصة من السلك البلاتيني أو المطلي بالبلاتين، وعصا المصاصة، وبطارية 9 فولت وحامل البطارية، وشريط لاصق شفاف، وكوب من الماء، وملح الطعام (اختياري)، ومعدن رقيق. قضيب، وفولتميتر.

• يمكن شراء بطارية 9 فولت وحامل البطارية من متجر الأجهزة الإلكترونية أو متجر الأجهزة.

قطع قطعتين بطول 15 سم من السلك البلاتيني أو المطلي بالبلاتين.يستخدم السلك البلاتيني لأغراض خاصة ويمكن شراؤه من متجر الإلكترونيات. سيكون بمثابة محفز للتفاعل.

حتى عالم العصور الوسطى باراسيلسوس لاحظ خلال إحدى تجاربه أنه عندما يتلامس حمض الكبريتيك مع الحديد، تتشكل فقاعات الهواء. في الواقع، كان الهيدروجين (ولكن ليس الهواء، كما يعتقد العالم) - غاز خفيف عديم اللون والرائحة، والذي يصبح متفجرا في ظروف معينة.

في الوقت الحاضرتسخين الهيدروجين بيديك - شيء شائع جدا. في الواقع، يمكن إنتاج الهيدروجين بكميات غير محدودة تقريبا، والشيء الرئيسي هو وجود الماء والكهرباء.

تم تطوير طريقة التسخين هذه بواسطة إحدى الشركات الإيطالية. تعمل غلاية الهيدروجين دون توليد أي مخلفات ضارة، ولهذا تعتبر الطريقة الأكثر صداقة للبيئة وصامتة لتدفئة المنزل. ابتكار التطور هو أن العلماء تمكنوا من تحقيق احتراق الهيدروجين عند درجة حرارة منخفضة نسبيا (حوالي 300 درجة مئوية)، وهذا جعل من الممكن إنتاج مراجل تسخين مماثلة من المواد التقليدية.

عند التشغيل، تنبعث الغلاية من البخار غير الضار فقط، والشيء الوحيد الذي يتطلب التكاليف هو الكهرباء. وإذا قمت بدمج ذلك مع الألواح الشمسية (النظام الشمسي)، فيمكن تقليل هذه التكاليف بالكامل إلى الصفر.

ملحوظة! غالبًا ما تستخدم غلايات الهيدروجين لتسخين أنظمة التدفئة الأرضية، والتي يمكن تركيبها بسهولة بيديك.

كيف يحدث كل ذلك؟ يتفاعل الأكسجين مع الهيدروجين، وكما نتذكر من دروس الكيمياء في المدرسة الإعدادية، يشكل جزيئات الماء. يتم تحفيز التفاعل بواسطة المحفزات، ونتيجة لذلك، يتم إطلاق الطاقة الحرارية، وتسخين الماء إلى حوالي 40 درجة مئوية - درجة الحرارة المثالية لـ "الأرضية الدافئة".

يتيح لك ضبط قوة الغلاية تحقيق درجة حرارة معينة مطلوبة لتدفئة غرفة في منطقة معينة. ومن الجدير بالذكر أيضًا أن هذه الغلايات تعتبر وحدات لأنها تتكون من عدة قنوات مستقلة عن بعضها البعض. يوجد في كل قناة المحفز المذكور أعلاه، ونتيجة لذلك، يدخل المبرد إلى المبادل الحراري، الذي وصل بالفعل إلى القيمة المطلوبة وهي 40 درجة مئوية.

ملحوظة! من مميزات هذه المعدات أن كل قناة قادرة على إنتاج درجة حرارة مختلفة. وبالتالي، يمكن توجيه أحدهما إلى "الأرضية الدافئة"، والثاني إلى الغرفة المجاورة، والثالث إلى السقف، وما إلى ذلك.

المزايا الرئيسية لتسخين الهيدروجين

تتمتع طريقة تدفئة المنزل هذه بالعديد من المزايا المهمة المسؤولة عن الشعبية المتزايدة للنظام.

1. كفاءة مبهرة تصل في أغلب الأحيان إلى 96%.
2. الحفاظ على البيئة. المنتج الثانوي الوحيد الذي يتم إطلاقه في الغلاف الجوي هو بخار الماء، وهو غير قادر على الإضرار بالبيئة من حيث المبدأ.
3. يحل التسخين بالهيدروجين محل الأنظمة التقليدية تدريجيًا، مما يحرر الناس من الحاجة إلى استخراج الموارد الطبيعية - النفط والغاز والفحم.
4. يعمل الهيدروجين دون نار، ويتم توليد الطاقة الحرارية من خلال تفاعل تحفيزي.

هل من الممكن تسخين الهيدروجين بنفسك؟

من حيث المبدأ، هذا ممكن. يمكن إنشاء العنصر الرئيسي للنظام - المرجل - على أساس مولد NNO، أي محلل كهربائي تقليدي. نتذكر جميعًا التجارب المدرسية عندما قمنا بإدخال أسلاك عارية متصلة بمنفذ باستخدام مقوم في وعاء به ماء. لذلك، لبناء المرجل سوف تحتاج إلى تكرار هذه التجربة، ولكن على نطاق أوسع.

ملحوظة! يتم استخدام غلاية الهيدروجين مع "الأرضية الدافئة"، كما ناقشنا بالفعل. لكن ترتيب مثل هذا النظام هو موضوع لمقال آخر، لذلك سنعتمد على حقيقة أن "الأرضية الدافئة" مثبتة بالفعل وجاهزة للاستخدام.

بناء موقد الهيدروجين

لنبدأ في إنشاء موقد الماء. تقليديا، سنبدأ بإعداد الأدوات والمواد اللازمة.

ما سوف يكون مطلوبا في العمل

1. صفائح من الفولاذ المقاوم للصدأ.
2. فحص الصمام.
3. اثنين من البراغي 6x150، المكسرات وغسالات لهم.
4. مرشح التدفق (من الغسالة).
5. أنبوب شفاف. يعد مستوى المياه مثاليًا لهذا - في متاجر مواد البناء يتم بيعه مقابل 350 روبل لكل 10 أمتار.
6. حافظة طعام بلاستيكية محكمة الغلق بسعة 1.5 لتر. التكلفة التقريبية: 150 روبل.
7. تركيبات متعرجة بقطر 8 مم (مثالية للخرطوم).
8. طاحونة لنشر المعادن.

الآن دعونا نتعرف على نوع الفولاذ المقاوم للصدأ الذي يجب استخدامه. من الناحية المثالية، لهذا يجب أن تأخذ الصلب 03X16H1. لكن شراء ورقة كاملة من "الفولاذ المقاوم للصدأ" يكون مكلفًا للغاية في بعض الأحيان، لأن المنتج الذي يبلغ سمكه 2 مم يكلف أكثر من 5500 روبل، بالإضافة إلى ذلك، يجب تسليمه بطريقة ما. لذلك، إذا كان لديك قطعة صغيرة من هذا الفولاذ ملقاة في مكان ما (0.5 × 0.5 م يكفي)، فيمكنك التعامل معها.

سوف نستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ، لأن الفولاذ العادي، كما تعلم، يبدأ بالصدأ في الماء. علاوة على ذلك، نعتزم في تصميمنا استخدام القلويات بدلاً من الماء، أي أن البيئة أكثر من عدوانية، والفولاذ العادي لن يدوم طويلاً تحت تأثير التيار الكهربائي.

فيديو - مولد غاز بني نموذج خلية بسيط مكون من 16 لوح ستانلس ستيل

تعليمات التصنيع

المرحلة الأولى. للبدء، خذ لوحًا من الفولاذ وضعه على سطح مستو. من ورقة الأبعاد المذكورة أعلاه (0.5x0.5 م) يجب أن تحصل على 16 مستطيلًا لموقد الهيدروجين المستقبلي، قم بقطعها بمطحنة.

ملحوظة! لقد قطعنا إحدى الزوايا الأربع لكل لوحة. يعد ذلك ضروريًا لتوصيل اللوحات في المستقبل.

المرحلة الثانية. على الجانب الخلفي من اللوحات نقوم بحفر ثقوب للمسمار. إذا خططنا لصنع محلل كهربائي "جاف"، فسنقوم بحفر ثقوب من الأسفل، لكن هذا ليس ضروريًا في هذه الحالة. والحقيقة هي أن التصميم "الجاف" أكثر تعقيدًا، ولن يتم استخدام المساحة المفيدة للألواح فيه بنسبة 100٪. سنصنع محللًا كهربيًا "رطبًا" - سيتم غمر الألواح بالكامل في المنحل بالكهرباء، وستشارك منطقتها بالكامل في التفاعل.

المرحلة الثالثة. يعتمد مبدأ تشغيل الموقد الموصوف على ما يلي: التيار الكهربائي الذي يمر عبر الألواح المغمورة في المنحل بالكهرباء سوف يتسبب في تحلل الماء (يجب أن يكون جزءًا من المنحل بالكهرباء) إلى الأكسجين (O) والهيدروجين (H). ولذلك، يجب أن يكون لدينا لوحين في نفس الوقت - الكاثود والأنود.

ومع زيادة مساحة هذه الصفائح، يزداد حجم الغاز، لذلك نستخدم في هذه الحالة ثماني قطع لكل كاثود ومصعد على التوالي.

ملحوظة! الموقد الذي ننظر إليه هو تصميم متوازي، وهو، بصراحة، ليس الأكثر كفاءة. ولكن من الأسهل تنفيذه.

المرحلة الرابعة. بعد ذلك، يتعين علينا تثبيت الألواح في حاوية بلاستيكية بحيث تتناوب: زائد، ناقص، زائد، ناقص، إلخ. لعزل الألواح، نستخدم قطعًا من الأنابيب الشفافة (اشترينا منها 10 أمتار كاملة، لذلك هناك هو العرض).

نقطع حلقات صغيرة من الأنبوب ونقطعها ونحصل على شرائح يبلغ سمكها حوالي 1 مم. هذه هي المسافة المثالية لتوليد الهيدروجين بكفاءة في الهيكل.

المرحلة الخامسة. نعلق اللوحات على بعضها البعض باستخدام الغسالات. نحن نفعل ذلك على النحو التالي: نضع غسالة على الترباس، ثم لوحة، بعد ذلك ثلاث غسالات، لوحة أخرى، مرة أخرى ثلاث غسالات، إلخ. نعلق ثماني قطع على الكاثود، وثمانية على الأنود.

ملحوظة! يجب أن يتم ذلك بطريقة مرآة، أي أننا نقوم بتدوير الأنود بمقدار 180 درجة. وبالتالي فإن "زائد" سوف يدخل في الفجوات بين لوحات "ناقص".

المرحلة السادسة. نحن ننظر إلى المكان الذي تستقر فيه البراغي بالضبط في الحاوية، ونحفر ثقوبًا في ذلك المكان. إذا لم تتناسب البراغي فجأة مع الحاوية، فإننا نقطعها إلى الطول المطلوب. ثم نقوم بإدخال البراغي في الثقوب ونضع عليها غسالات ونشددها بالصواميل - من أجل إحكام أفضل.

بعد ذلك، نصنع ثقبًا في غطاء التركيب، ونثبت التركيب نفسه (ويفضل أن يكون ذلك عن طريق تغطية المفصل بمادة مانعة للتسرب من السيليكون). انفخ في التركيب للتحقق من إحكام الغطاء. إذا كان الهواء لا يزال يخرج من تحته، فإننا نغطي هذا الاتصال بمادة مانعة للتسرب.

المرحلة السابعة. عند الانتهاء من التجميع، نقوم باختبار المولد النهائي. للقيام بذلك، قم بتوصيل أي مصدر به، املأ الحاوية بالماء وأغلق الغطاء. بعد ذلك، نضع خرطومًا على التركيب وننزله في وعاء به ماء (لرؤية فقاعات الهواء). إذا لم يكن المصدر قويا بما فيه الكفاية، فلن يكونوا في الخزان، لكنهم سيظهرون بالتأكيد في المحلل الكهربائي.

بعد ذلك، نحن بحاجة إلى زيادة كثافة الغاز الناتج عن طريق زيادة الجهد في المنحل بالكهرباء. ومن الجدير بالذكر هنا أن الماء في صورته النقية ليس موصلاً للكهرباء، إذ يمر التيار من خلاله بسبب الشوائب والأملاح الموجودة فيه. سنقوم بتخفيف القليل من القلويات في الماء (على سبيل المثال، هيدروكسيد الصوديوم ممتاز - يُباع في المتاجر على شكل عامل تنظيف "Mole").

ملحوظة! في هذه المرحلة، يجب علينا تقييم قدرات مصدر الطاقة بشكل مناسب، لذلك قبل حقن القلويات، نقوم بتوصيل مقياس التيار الكهربائي بالمحلل الكهربائي - وبهذه الطريقة يمكننا مراقبة الزيادة في التيار.

فيديو - التسخين بالهيدروجين. بطاريات خلايا الهيدروجين

بعد ذلك، دعونا نتحدث عن المكونات الأخرى لموقد الهيدروجين - مرشح الغسالة والصمام. كلاهما للحماية. لن يسمح الصمام للهيدروجين المشتعل بالاختراق مرة أخرى داخل الهيكل وتفجير الغاز المتراكم تحت غطاء المحلل الكهربائي (حتى لو كان هناك القليل منه فقط). إذا لم نقم بتثبيت الصمام، فسوف تتضرر الحاوية وسوف تتسرب القلويات.

وستكون هناك حاجة إلى مرشح لصنع مانع تسرب الماء، والذي سيكون بمثابة حاجز يمنع حدوث انفجار. الحرفيون الذين هم على دراية بتصميم موقد الهيدروجين محلي الصنع يطلقون على هذا الصمام اسم "المصباح". في الواقع، فهو يخلق فقط فقاعات الهواء في الماء. بالنسبة للموقد نفسه نستخدم نفس الخرطوم الشفاف. هذا كل شيء، الموقد الهيدروجيني جاهز!

كل ما تبقى هو توصيله بمدخل نظام "الأرضية الدافئة"، وإغلاق الاتصال وبدء التشغيل المباشر.

كاستنتاج. بديل

البديل، وإن كان مثيرًا للجدل إلى حد كبير، هو غاز براون، وهو مركب كيميائي يتكون من ذرة أكسجين واحدة وذرتين هيدروجين. ويصاحب احتراق مثل هذا الغاز تكوين طاقة حرارية (وأقوى بأربع مرات مما كانت عليه في التصميم الموصوف أعلاه).

تُستخدم المحللات الكهربائية أيضًا لتدفئة المنزل بالغاز البني، لأن هذه الطريقة لإنتاج الحرارة تعتمد أيضًا على التحليل الكهربائي. يتم إنشاء غلايات خاصة يتم فيها فصل جزيئات العناصر الكيميائية تحت تأثير التيار المتردد لتكوين غاز براون المرغوب.

فيديو – الغاز البني المخصب

من الممكن أن تحل موارد الطاقة المبتكرة، التي يكاد يكون احتياطيها غير محدود، محل الموارد الطبيعية غير المتجددة، مما يحررنا من الحاجة إلى التعدين الدائم. سيكون لمسار الأحداث هذا تأثير إيجابي ليس فقط على البيئة، ولكن أيضًا على بيئة الكوكب ككل.

اقرأ أيضًا مقالتنا - التسخين بالبخار افعل ذلك بنفسك.

فيديو - التسخين بالهيدروجين

إنهم يحولون الطاقة الكيميائية مباشرة إلى كهرباء، متجاوزين التحولات الأولية. على الرغم من فوائد الأداء الواضحة، فشلت العناصر في إحداث ضجة في السوق مباشرة بعد اختراعها بسبب تعقيدها. لكن التقنيات الخضراء تتطور. باحثون من فيلانت لقد طوروا جهازًا بسيطًا متاحًا للاستخدام المنزلي.

يقول الدكتور ماتياس جان: "يجب أن نتحدث دائمًا عن نظام خلايا الوقود".رئيس قسم الوحدات والأنظمةمعهد فراونهوفر لتقنيات وأنظمة السيراميك(معهد فراونهوفر لتقنيات وأنظمة السيراميك، IKTS)في دريسدن. واحد تنتج الخلية جهدًا صغيرًا غير كافٍ لتشغيل الأشياء. ولذلك، قياسا على البطاريات، يتم دمج العديد من خلايا الوقود في نظام واحد. كل خلية وقود بحجم قرص مضغوط. "نحن نسمي المجموعات[عناصر] يشرح الدكتور يانغ.

تقوم خلايا الوقود بتحويل الغاز الطبيعي مباشرة إلى كهرباء. فهي أكثر فعالية بكثير منالمنشآت بمحركات الاحتراق الداخلي التي تستخدم عدة مراحل تحويل. أولا، يتم تحويل الطاقة المنطلقة نتيجة احتراق الوقودالمحرك إلى محرك ميكانيكي، من خلال الذي يدور عمود المولد الكهربائي. ونتيجة لسلسلة التحولات، يتم فقدان معظم الطاقة.

جنبا إلى جنب مع الشركة المصنعة المعروفة لمعدات التدفئةفايلان، قام معهد فراونهوفر بتطوير نظام خلايا وقود مدمج وآمن وموثوق، والذي يولد الكهرباء والحرارة للمنازل الخاصة من الغاز الطبيعي.لديها حاليابناء يخضع لعملية اختبار عملية في المنازل الخاصة.

من حيث الحجم، لا تختلف محطة توليد الطاقة التي تعمل بخلايا الوقود المنزلية، والمكيفة للتركيب على الحائط، عن مراجل التدفئة التقليدية، إلا أنها لا تنتج الحرارة فحسب، بل تنتج الطاقة الكهربائية أيضًا. الطاقة الناتجة هي 1 كيلو واط،وهو ما يكفي لتلبية الاحتياجاتمتوسط ​​سبعة و 4 أشخاص.

وكجزء من المشروع التجريبي الأوروبي ene.field، تم تركيب حوالي 150 وحدة طاقة من هذا النوع في عدد من دول الاتحاد الأوروبي. بالإضافة إلى ذلك، في بداية عام 2014شجاع بدأت إنتاجها على نطاق صغير.

ت تختلف خلايا الوقود المصغرة من الناحية التكنولوجية عن تلك المستخدمة بشكل أساسي في السيارات.عن الفرق التشغيلي الرئيسي هو في درجة التسخين. إذا كانت درجة حرارة تشغيل خلايا وقود السيارات على غشاء تبادل البروتون تصل إلى 80 درجة، إذنمستخدم ومن قبل باحثين من معهد فراونهوفر، تتضمن تكنولوجيا خلايا الوقود الصلب تسخينًا يصل إلى 850 درجة. ومع ذلك، فإن العناصر الصلبة أرخص وأبسط. يستخدمون السيراميك كمحلول كهربائي لا يحتوي على معادن ثمينة ونادرة.