ما هي بطارية الهيدروجين ذات الحالة الصلبة؟ دليل تقني

المصطلح بطارية الهيدروجين ذات الحالة الصلبة يُستخدم هذا المصطلح بشكل متزايد لوصف الجيل الجديد من أنظمة تخزين الطاقة الهيدروجينية وأنظمة الطاقة المحمولة. ومع ذلك، يمكن أن يشير هذا المصطلح إلى تقنيات تختلف اختلافًا جوهريًّا عن البطاريات التقليدية ذات الحالة الصلبة.

في أحد السياقات، أ بطارية الحالة الصلبة يستخدم إلكتروليتًا صلبًا لتخزين الطاقة الكهربائية وإطلاقها بطريقة كهروكيميائية. وفي حالة أخرى، فإن نظام طاقة الهيدروجين ذو الحالة الصلبة يخزن الهيدروجين في مادة صلبة مثل هيدريد المعدن، ويستخدم خلية وقود الهيدروجين لتحويل ذلك الهيدروجين إلى كهرباء.

وفي سياق طاقة الهيدروجين، يُفهم عمومًا أن بطارية الهيدروجين ذات الحالة الصلبة هي نظام تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة مقترنًا بخلية وقود, ، بدلاً من البطارية الكهروكيميائية التقليدية.

يُعد هذا التمييز مهمًا عند تقييم التقنيات من أجل الطائرات بدون طيار، ومصادر الطاقة المحمولة، والمعدات التكتيكية، والأنظمة التي يتم التحكم فيها عن بُعد، وتطبيقات الطاقة طويلة الأمد.

يشرح هذا الدليل ما هي بطارية الهيدروجين ذات الحالة الصلبة، وكيف يعمل تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة، وكيف تقارن ببطاريات الليثيوم أيون، وأين أنظمة خلايا الوقود التي تعمل بهيدريد المعادن يمكن أن يوفر مزايا عملية.

ما هي بطارية الهيدروجين ذات الحالة الصلبة؟

A بطارية الهيدروجين ذات الحالة الصلبة يُنظر إليها عمومًا على أنها نظام طاقة هيدروجينية أكثر منها بطارية كهروكيميائية تقليدية.

في هذا النوع من الأنظمة، يتم تخزين الهيدروجين في مادة صلبة، وعادةً ما تكون هيدريد معدني, ، ويتم إطلاقها في ظل ظروف تشغيل خاضعة للرقابة قبل تزويدها إلى خلية وقود الهيدروجين لتوليد الطاقة الكهربائية.

مسار الطاقة الأساسي هو:

تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة → إطلاق الهيدروجين → خلية الوقود → الكهرباء

يضم النظام النموذجي ثلاثة عناصر رئيسية:

1. تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة
2. مجموعة خلايا الوقود الهيدروجينية
3. نظام إدارة الطاقة والتحكم فيها

يكمن الاختلاف الرئيسي في طريقة تخزين الطاقة. فبطارية الليثيوم أيون تخزن الطاقة الكهربائية مباشرةً من خلال تفاعلات كهروكيميائية داخل خلاياها. أما نظام الهيدروجين ذو الحالة الصلبة فيخزن بدلاً من ذلك الهيدروجين كناقل للطاقة ويقوم بتحويل ذلك الهيدروجين إلى كهرباء عبر خلية وقود عند الحاجة إلى الطاقة.

في نظام هيدريد المعادن، يتم تخزين الهيدروجين داخل المادة الصلبة بدلاً من تخزينه بشكل أساسي كغاز مضغوط في أسطوانة تقليدية عالية الضغط. وعند الحاجة إلى الهيدروجين، يقوم نظام التخزين بإطلاقه في ظل ظروف خاضعة للرقابة وتزويد حزمة خلايا الوقود به.

اعتمادًا على مادة هيدريد المعدن وبنية النظام، يمكن أن يتأثر إطلاق الهيدروجين بعوامل مثل درجة الحرارة، والضغط، وحركيات التفاعل، وإدارة الحرارة. ولذلك، فإن آلية إطلاق الهيدروجين وتوصيله تعتمد على التصميم المحدد للنظام.

تختلف هذه البنية اختلافًا جوهريًّا عن بطارية ليثيوم أيون التقليدية: يخزن هيدريد المعدن الهيدروجين كناقل للطاقة، بينما تقوم خلية الوقود بتحويل هذا الهيدروجين إلى كهرباء.

تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة مقابل البطاريات الحقيقية ذات الحالة الصلبة

قد تكون المصطلحات مربكة لأن كلا التقنيتين تستخدمان العبارة الحالة الصلبة.

ومع ذلك، فإنهم يشيرون إلى بنيات مختلفة لتخزين الطاقة وتوليدها.

بطارية حقيقية تعمل بتقنية الحالة الصلبة

تحل البطارية الحقيقية ذات الحالة الصلبة محل الإلكتروليت السائل أو الهلامي المستخدم في البطاريات التقليدية بإلكتروليت صلب.

الهدف هو تحسين خصائص مثل:

• كثافة الطاقة
• السلامة
• الاستقرار الحراري
• عمر الدورة
• أداء الشحن

تظل البطارية نفسها هي الجهاز الرئيسي لتخزين الطاقة وتوليدها.

نظام طاقة الهيدروجين ذو الحالة الصلبة

يستخدم نظام الهيدروجين ذو الحالة الصلبة مادة صلبة من أجل تخزين الهيدروجين, ، بدلاً من تخزين الطاقة الكهربائية مباشرةً.

يتألف النظام النموذجي من:

• تخزين الهيدروجين في هيدريدات المعادن
• تزويد الهيدروجين وإدارة الحرارة
• تكنولوجيا خلايا الوقود PEM
• إلكترونيات الطاقة

تقوم خلية الوقود بتحويل الهيدروجين المخزن إلى كهرباء.

لذلك،, لا ينبغي الخلط بين تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة والبطارية الكهروكيميائية الحقيقية في الحالة الصلبة.

بعبارة أخرى، يشير مصطلح “الحالة الصلبة” إلى طريقة تخزين الهيدروجين في أحد النظامين، وإلى بنية الإلكتروليت في النظام الآخر.

ويكتسب هذا التمييز أهمية خاصة عند تقييم التقنيات المستخدمة في الطائرات بدون طيار، ومصادر الطاقة المحمولة، والبنية التحتية البعيدة، وتطبيقات الطاقة طويلة الأمد.

كيف يعمل تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة؟

هيدريدات المعادن هي مواد قادرة على امتصاص الهيدروجين وإطلاقه من خلال تفاعلات كيميائية قابلة للعكس.

أثناء عملية شحن الهيدروجين، يتم إدخال جزيئات الهيدروجين إلى مادة التخزين في ظل ظروف خاضعة للرقابة. وتقوم المادة بامتصاص الهيدروجين وتخزينه في شكل صلب مدمج نسبيًا.

وعندما تكون هناك حاجة إلى الطاقة، يتم إطلاق الهيدروجين المخزن من خلال عملية إزالة امتصاص خاضعة للتحكم.

وتبدو العملية المبسطة كما يلي:

شحن الهيدروجين → تخزين الهيدريد المعدني → الإفراج المتحكم فيه عن الهيدروجين → خلية الوقود → الطاقة الكهربائية

يعتمد مقدار الهيدروجين المنطلق ومعدل انطلاقه على عوامل مثل:

• تركيبة مواد التخزين
• درجة الحرارة
• ضغط الهيدروجين
• إدارة الحرارة
• تصميم النظام

وهذا يعني أن إدارة الحرارة تُعد جزءًا مهمًا من نظام خلايا الوقود التي تعمل بهيدريدات المعادن.

وعلى عكس أسطوانات الهيدروجين المضغوط التقليدية، تلعب وسيلة التخزين نفسها دورًا فعالاً في التحكم في إطلاق الهيدروجين.

كيف تولد خلية الوقود المعدنية الهيدريدية الكهرباء؟

بمجرد إطلاق الهيدروجين من مادة التخزين في الحالة الصلبة، يتم تزويده إلى خلية الوقود PEM.

داخل خلية الوقود، يُفصل الهيدروجين إلى بروتونات وإلكترونات.

تنتقل الإلكترونات عبر دائرة كهربائية خارجية، مما ينتج طاقة كهربائية قابلة للاستخدام، بينما تتحرك البروتونات عبر الغشاء وتتفاعل مع الأكسجين.

الرد العام هو:

الهيدروجين + الأكسجين → كهرباء + ماء + حرارة

تنتج هذه العملية الكهرباء دون احتراق.

وهذا يمنح خلايا الوقود الهيدروجينية عدة خصائص قيّمة في التطبيقات التي يُعد فيها انخفاض مستوى الضوضاء، وانخفاض الانبعاثات المحلية، وطول مدة التشغيل أمورًا مهمة.

وبالتالي، فإن سلسلة الطاقة الكاملة في نظام الهيدروجين ذي الحالة الصلبة تضم ما يلي:

تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة + خلية وقود PEM + إلكترونيات الطاقة

لماذا يُستخدم تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة؟

بالمقارنة مع الطرق التقليدية لتخزين الهيدروجين المضغوط، يمكن أن يوفر تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة العديد من المزايا الهندسية حسب مجال التطبيق.

1. تخزين الهيدروجين عند ضغط أقل

تخزن أنظمة هيدريد المعادن الهيدروجين داخل مادة صلبة بدلاً من الاعتماد بشكل أساسي على طرق التخزين التقليدية التي تعتمد على الغاز المضغوط عالي الضغط.

ويمكن أن يقلل ذلك من الاعتماد على أسطوانات الضغط العالي، وقد يتيح اتباع أساليب مختلفة في احتواء الهيدروجين وتعبئته ودمجه في الأنظمة.

ومع ذلك،, أنظمة هيدريد المعادن ليست بالضرورة خالية من الضغط. يعتمد ضغط التشغيل الفعلي على مادة التخزين، ودرجة الحرارة، وخصائص توازن الهيدروجين، وتصميم النظام. ولذلك، ينبغي دائمًا تقييم المواصفات على مستوى المنتج.

2. بنية النظام المدمجة

يُخزَّن الهيدروجين داخل مادة هيدريد المعدن، مما يتيح للمهندسين تصميم أنظمة طاقة هيدروجينية مدمجة للتطبيقات التي يُعد فيها الحجم والتعبئة من العوامل المهمة.

وينطبق هذا بشكل خاص على:

• الطائرات بدون طيار
• أنظمة الطاقة المحمولة
• الروبوتات
• أجهزة الاستشعار عن بُعد
• المعدات المحمولة يدويًّا

3. إمكانية تشغيل لفترة طويلة

على عكس البطارية التقليدية، لا يحتاج نظام خلايا الوقود بالضرورة إلى تخزين كل الطاقة القابلة للاستخدام داخل الخلية الكهروكيميائية نفسها.

بمجرد نفاد الهيدروجين المخزن، يمكن إعادة تزويد النظام بالوقود عن طريق استبدال مصدر الهيدروجين أو تجديده.

بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب تشغيلًا لفترات طويلة، يمكن أن يوفر هذا بنية مختلفة لتخزين الطاقة تختلف عن مجرد زيادة سعة البطارية.

4. انخفاض مستوى الضوضاء

تولد خلايا الوقود PEM الكهرباء بطريقة كهروكيميائية بدلاً من الاحتراق.

وعند دمجها مع نظام «توازن المحطة» المصمم بشكل ملائم، يمكن أن يؤدي ذلك إلى انبعاثات صوتية منخفضة جدًّا مقارنةً بالمولدات التي تعتمد على الاحتراق.

وتُعد هذه الخاصية ذات قيمة كبيرة بشكل خاص في التطبيقات التي يُعد فيها الضجيج عاملاً حاسماً في التصميم.

بطارية الهيدروجين الصلبة مقابل بطارية الليثيوم أيون

المقارنة الأكثر فائدة لا تقتصر فقط على تحديد أي تقنية تتمتع بأعلى كثافة طاقة نظرية.

والسؤال الأفضل هو:

ما هي بنية الطاقة التي توفر المزيج المطلوب من مدة التشغيل، والكتلة، واللوجستيات، والتزود بالوقود، ومخرجات الطاقة، وظروف التشغيل؟

يعتمد الأداء الفعلي لأي من النظامين بشكل كبير على التصميم على مستوى النظام.

على سبيل المثال، قد تكون البطارية هي الخيار الأفضل للتطبيقات قصيرة المدة وعالية الطاقة التي تتوفر فيها إمكانية الشحن الكهربائي بسهولة. وقد يصبح نظام خلايا الوقود الهيدروجينية خيارًا أكثر جاذبية عندما مدة التشغيل الطويلة، ووقت إعادة التزويد بالوقود، وكتلة تخزين الطاقة، والتشغيل خارج الشبكة أصبحت متطلبات أساسية.

يعتمد الاختيار المناسب في نهاية المطاف على الملامح الكاملة للمهمة، وليس على مقياس واحد لكثافة الطاقة أو القدرة.

تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة للطائرات بدون طيار

تُعد الطائرات بدون طيار أحد المجالات التي يكتسب فيها الفرق بين البطاريات وخلايا وقود الهيدروجين أهمية خاصة.

يجب أن تكون سعة بطارية الطائرة بدون طيار التقليدية التي تعمل بالبطارية كافية لتغطية مدة المهمة بأكملها.

مع زيادة مدة الرحلة، قد تؤدي الكتلة الإضافية للبطارية إلى تقليل الحمولة الصالحة للاستخدام أو إلى زيادة الطلب على الطاقة.

أما نظام خلايا الوقود الهيدروجينية فيتبع نهجًا مختلفًا.

بدلاً من تخزين كل الطاقة مباشرةً في شكل طاقة كهربائية، يقوم النظام بتخزين الهيدروجين وتحويله باستمرار إلى كهرباء أثناء التشغيل.

يمكن أن تكون هذه البنية مفيدة للمهام التي تتطلب:

• زيادة مدة الطيران
• مستوى صوت منخفض
• التزود بالوقود السريع
• تقليل الاعتماد على دورات الشحن الطويلة
• لوجستيات الطاقة المتنقلة
• التشغيل في البيئات النائية

أما بالنسبة لتطبيقات الطائرات بدون طيار، فإن الكتلة الإجمالية للنظام تظل عاملاً حاسماً.

لذلك، ينبغي أن تأخذ المقارنة الصحيحة في الاعتبار النظام بأكمله، بما في ذلك:

تخزين الهيدروجين + مجموعة خلايا الوقود + إدارة الحرارة + أنظمة التحكم + المرافق المساعدة + الوقود

بدلاً من مقارنة مجموعة خلايا الوقود أو مادة التخزين بمفردها.

خلايا الوقود الهيدروجينية ذات الحالة الصلبة لتوليد الطاقة المحمولة

تواجه أنظمة الطاقة المحمولة مجموعة مختلفة من القيود.

قد يتعين على مصدر الطاقة المحمول باليد أن يعمل لعدة ساعات مع الحفاظ على:

• خفيف الوزن
• مضغوط
• هادئ
• موثوق
• سهلة النقل
• مناسب للاستخدام في البيئات القاسية

يمكن لخلية الوقود المعدنية الهيدريدية ذات الحالة الصلبة تلبية هذه المتطلبات من خلال دمج تخزين الهيدروجين وتوليد الطاقة بواسطة خلايا الوقود في نظام مدمج.

على سبيل المثال، شركة SOLIDHYDRO’s سلسلة HYDRA-M يجمع هذا النظام بين تقنية تخزين الهيدروجين باستخدام هيدريدات المعادن في الحالة الصلبة ومجموعة خلايا وقود PEM، وذلك لتطبيقات الطاقة المحمولة وتلك المستخدمة في الطائرات بدون طيار.

تم تصميم بنية النظام استنادًا إلى مبدأ تخزين الهيدروجين في مادة صلبة وتزويد خلية الوقود به عند الحاجة إلى الطاقة الكهربائية.

ويكتسب هذا النهج أهمية خاصة في الحالات التي تُفرض فيها قيود لوجستية أو تشغيلية بسبب استخدام أسطوانات الهيدروجين التقليدية عالية الضغط، أو الحاجة إلى شحن البطاريات بشكل متكرر، أو استخدام مولدات الاحتراق.

تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة للبيئات القاسية

يجب أن تتحمل أنظمة الطاقة المستخدمة في البيئات القاسية أكثر من مجرد القدرة الاسمية.

قد يحتاج المهندسون إلى مراعاة ما يلي:

• درجة الحرارة
• الاهتزاز
• الرطوبة
• الغبار
• متطلبات النقل
• الصيانة
• اللوجستيات المتعلقة بالتزويد بالوقود
• البصمة الصوتية
• مدة المهمة

فيما يتعلق بهذه التطبيقات، لا تقتصر أهمية تخزين الهيدروجين في الأغراض الصلبة على مجرد قدرته على تخزين الهيدروجين.

يمكن أن توفر بنية النظام الشاملة مزيجًا من تخزين الهيدروجين، والإطلاق المتحكم فيه، وتوليد الطاقة باستخدام خلايا الوقود في حزمة صغيرة الحجم.

على سبيل المثال، صُممت منصة HYDRA-M التابعة لشركة SOLIDHYDRO لتتوافق مع ظروف التشغيل التي يمكن أن تتراوح بين حوالي من -40 درجة مئوية إلى +55 درجة مئوية, ، حسب الإعدادات.

ينبغي دائمًا تقييم حدود التشغيل الفعلية، ومستوى الطاقة الناتجة، وأداء النظام في ضوء المواصفات المحددة للمنتج وخصائص المهمة.

ما هي مزايا خلية الوقود التي تعمل بهيدريد المعادن؟

A خلية وقود هيدريد معدني تجمع بين تقنيتين:

تخزين الهيدروجين في هيدريدات المعادن + توليد الطاقة باستخدام خلايا الوقود ذات الغشاء البوليمر (PEM)

يمكن أن توفر هذه البنية العديد من المزايا المحتملة.

إمكانات كبيرة لتخزين الطاقة

يحتوي الهيدروجين على كمية كبيرة من الطاقة بالنسبة لكتلته.

عند دمجه مع خلية وقود، يمكن أن يوفر الهيدروجين مسارًا عالي الطاقة النوعية للتطبيقات التي يُعد فيها وقت التشغيل وكتلة النظام عاملين مهمين.

إعادة التزويد بالوقود بدلاً من الشحن التقليدي للبطاريات

يمكن إعادة تزويد نظام خلايا الوقود بالوقود عن طريق تجديد مخزون الهيدروجين فيه.

وقد يكون ذلك مفيدًا في التطبيقات التي يُعد فيها تقليل وقت التعطل أمرًا مهمًا.

ضوضاء منخفضة

تعمل خلايا الوقود PEM بطريقة كهروكيميائية وليس عن طريق الاحتراق الداخلي.

وبفضل الهندسة النظامية المناسبة، يمكنها العمل بمستويات صوتية منخفضة جدًّا.

انعدام انبعاثات الاحتراق

لا تقوم خلية الوقود الهيدروجينية من نوع PEM بحرق الهيدروجين.

ينتج عن التفاعل الكهروكيميائي الذي يحدث فيه كهرباءً وماءً وحرارةً.

وهذا يجعل خلايا الوقود الهيدروجينية خيارًا جذابًا للتطبيقات التي يُعد فيها انبعاثات الاحتراق المحلية أمرًا غير مرغوب فيه.

تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة وتكامل خلايا الوقود

لا تكمن القيمة الرئيسية لخلية الوقود التي تعمل بهيدريد المعدن في مجرد تخزين الهيدروجين أو توليد الطاقة من خلية الوقود وحدهما، بل في دمج تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة، والإفراج المتحكم فيه عن الهيدروجين، وتحويل الطاقة في خلية الوقود، وإدارة الطاقة، في نظام طاقة متكامل.

ما هي القيود؟

لا تُعد أنظمة الهيدروجين ذات الحالة الصلبة بديلاً شاملاً للبطاريات.

كما توجد تحديات هندسية يجب أخذها في الاعتبار.

إدارة الحرارة

يعتمد إطلاق الهيدروجين من هيدريد المعادن على درجة الحرارة.

ولذلك، يحتاج النظام إلى بنية فعالة لإدارة الحرارة من أجل توفير الهيدروجين بالمعدل المطلوب.

البنية التحتية لتزويد الهيدروجين

يجب إنتاج الهيدروجين أو توفيره أو تجديده.

وبالتالي، فإن الفوائد العملية لهذا النظام تعتمد على الخدمات اللوجستية المتاحة للهيدروجين.

تعقيد النظام

يتضمن نظام الطاقة الكامل القائم على خلايا الوقود مكونات أكثر من تلك الموجودة في حزمة البطاريات البسيطة.

اعتمادًا على الاستخدام، قد يشتمل النظام على:

• تخزين الهيدروجين
• مجموعة خلايا الوقود
• الصمامات
• أجهزة الاستشعار
• إدارة الحرارة
• إمداد الهواء
• وحدات التحكم
• إلكترونيات الطاقة

لذلك، فإن التحسين على مستوى النظام أمر ضروري.

التكلفة الأولية

قد تكون التكاليف الأولية لأنظمة خلايا الوقود ومواد تخزين الهيدروجين أعلى من تلك الخاصة بأنظمة البطاريات التقليدية.

لذلك، ينبغي أن تأخذ المقارنة الاقتصادية الصحيحة في الاعتبار التكلفة الإجمالية للملكية, ، بما في ذلك الوقود، والصيانة، والبنية التحتية للشحن، ودورات الاستبدال، وفترات توقف المركبة عن العمل.

هل بطارية الهيدروجين ذات الحالة الصلبة أفضل من بطارية الليثيوم؟

لا توجد إجابة واحدة تناسب الجميع.

يعتمد الاختيار على طبيعة المهمة.

اختر بطاريات الليثيوم أيون في الحالات التالية:

• المهمة قصيرة نسبيًا
• تتوفر محطات الشحن الكهربائي بسهولة
• من المهم أن تكون التكلفة الأولية منخفضة
• يلزم توفر طاقة قصوى عالية
• يمكن للنظام تحمل كتلة البطارية

يجب النظر في استخدام خلايا وقود الهيدروجين ذات الحالة الصلبة في الحالات التالية:

• من المهم أن تكون مدة التشغيل طويلة
• يُعد التزود بالوقود السريع أمرًا ذا قيمة
• تصبح كتلة البطارية عاملاً مقيداً
• يلزم أن يكون مستوى الصوت المنبعث منخفضًا
• تتم العملية بعيدًا عن شبكة الكهرباء
• تتوفر خدمات لوجستية خاصة بالهيدروجين
• يتطلب التطبيق مهامًا طويلة الأمد

في كثير من الحالات، لن يتمثل المستقبل في استبدال البطاريات بالكامل.

بدلاً من ذلك،, يمكن اختيار أنظمة البطاريات وخلايا الوقود الهيدروجينية وفقًا لمتطلبات المهام المختلفة.

تطبيقات بطاريات الهيدروجين ذات الحالة الصلبة

يمكن النظر في الجمع بين تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة والطاقة المولدة من خلايا الوقود في مجموعة متنوعة من التطبيقات.

الطائرات بدون طيار

يمكن للطائرات بدون طيار ذات القدرة على التحليق لفترات طويلة أن تستفيد من بنية طاقة تفصل بين تخزين الهيدروجين وتوليد الطاقة الكهربائية.

مصدر طاقة محمول

يمكن لأنظمة خلايا الوقود المحمولة توفير طاقة كهربائية هادئة للمعدات الميدانية دون الاعتماد كليًّا على حزم البطاريات التقليدية.

الطاقة عن بُعد والطاقة خارج الشبكة

يمكن لخلايا الوقود الهيدروجينية توفير الكهرباء في الأماكن التي لا تتوفر فيها شبكة الكهرباء أو التي تكون فيها الشبكة غير موثوقة.

الروبوتات

يمكن للروبوتات ذات التشغيل المستقل لفترات طويلة أن تستخدم خلايا وقود الهيدروجين عندما تكون مدة التشغيل الطويلة أكثر أهمية من النبضات السريعة عالية الطاقة.

المراقبة عن بُعد

يمكن لخلايا الوقود توفير طاقة مستمرة لأجهزة الاستشعار ومعدات الاتصالات في الأماكن التي يصعب فيها استبدال البطاريات بشكل متكرر.

التطبيقات التكتيكية والدفاعية

يمكن أن يجعل انخفاض مستوى الضوضاء، وتخزين الطاقة المحمول، وفترة التشغيل الطويلة، وتقليل الاعتماد على المولدات التقليدية، أنظمة خلايا الوقود الهيدروجينية خيارًا مناسبًا لتطبيقات الطاقة التكتيكية.

مستقبل أنظمة طاقة الهيدروجين ذات الحالة الصلبة

يُعد تطوير تقنيات تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة جزءًا من تحول أوسع نطاقًا نحو بنى تخزين الطاقة البديلة.

الميزة الرئيسية لا تكمن فقط في إمكانية تخزين الهيدروجين في مادة صلبة.

السؤال الأهم هو كيف تخزين الهيدروجين، وتحويل خلايا الوقود، وإدارة الحرارة، وإلكترونيات الطاقة يمكن دمجها في نظام طاقة متكامل.

قد تركز التحسينات المستقبلية على ما يلي:

• قدرة تخزين هيدروجين أعلى
• إطلاق أسرع للهيدروجين
• تحسين إدارة الحرارة
• مجموعات خلايا الوقود الأصغر حجمًا
• كفاءة أعلى للنظام
• وزن أقل للنظام
• متانة أفضل
• تبسيط لوجستيات الهيدروجين

مع نضوج هذه التقنيات، قد تصبح أنظمة الهيدروجين ذات الحالة الصلبة ذات أهمية متزايدة في التطبيقات التي لا تستطيع فيها البطاريات التقليدية أو مولدات الاحتراق توفير المزيج المطلوب من مدة التشغيل، والوزن، ومستوى الضوضاء، ومرونة التشغيل.

الأسئلة الشائعة

هل بطارية الهيدروجين ذات الحالة الصلبة هي نفسها بطارية الحالة الصلبة؟

لا. أ بطارية الهيدروجين ذات الحالة الصلبة و... حقيقي بطارية الحالة الصلبة هي تقنيات مختلفة.

تستخدم البطارية الحقيقية ذات الحالة الصلبة إلكتروليتًا صلبًا لتخزين الطاقة الكهربائية وإطلاقها بطريقة كهروكيميائية. أما نظام الهيدروجين ذو الحالة الصلبة فيقوم عادةً بتخزين الهيدروجين في مادة صلبة مثل هيدريد المعدن، ويستخدم خلية وقود لتحويل ذلك الهيدروجين إلى كهرباء.

وبالتالي، فإن الفرق الرئيسي هو ما الذي يتم تخزينه في المادة الصلبة: الطاقة الكهربائية في بطارية الحالة الصلبة الحقيقية، أم الهيدروجين كناقل للطاقة في نظام الهيدروجين ذي الحالة الصلبة.

ما هو تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة؟

يُعد تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة طريقة لتخزين الهيدروجين داخل مواد صلبة، مثل هيدريدات المعادن، بدلاً من الاعتماد حصريًّا على غاز الهيدروجين المضغوط.

ويمكن لاحقًا إطلاق الهيدروجين في ظل ظروف حرارية وضغطية خاضعة للرقابة وتزويد خلية الوقود به.

ما هي خلية الوقود الهيدريدية المعدنية؟

يجمع نظام خلايا الوقود التي تعمل بهيدريد المعادن بين تخزين الهيدروجين في شكل هيدريد المعادن وخلايا الوقود، وعادةً ما تكون خلايا وقود ذات غشاء تبادل بروتوني (PEM).

يقوم هيدريد المعدن بتخزين الهيدروجين وإطلاقه، بينما تقوم خلية الوقود بتحويل ذلك الهيدروجين إلى طاقة كهربائية.

هل بطاريات الهيدروجين أفضل من بطاريات الليثيوم أيون؟

ليس بالضرورة.

لا تزال بطاريات الليثيوم أيون تتمتع بفعالية عالية في العديد من التطبيقات.

تكتسب خلايا الوقود الهيدروجينية أهمية خاصة عندما تكون مدة التشغيل الطويلة، وسرعة إعادة التزود بالوقود، وكتلة تخزين الطاقة، والتشغيل خارج الشبكة عوامل مهمة.

هل أنظمة الهيدروجين ذات الحالة الصلبة آمنة؟

تعتمد السلامة على تصميم النظام بأكمله، ومواد تخزين الهيدروجين، وظروف التشغيل، وأجهزة التحكم، والمعايير المعمول بها.

يمكن لتخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة أن يتجنب بعض التحديات المرتبطة بأسطوانات الهيدروجين عالية الضغط، لكنه لا يلغي الحاجة إلى تطبيق معايير هندسية سليمة لسلامة الهيدروجين.

ما هي المدة التي يمكن أن تعمل فيها خلية وقود الهيدروجين ذات الحالة الصلبة؟

يعتمد وقت التشغيل على كمية الهيدروجين المخزنة، والطاقة الناتجة عن خلية الوقود، وكفاءة النظام، وخصائص الحمل.

في بعض التطبيقات، يمكن تصميم نظام ذي حجم مناسب ليعمل لفترات أطول بكثير مقارنةً بنظام بطارية مماثل الحجم.

هل يمكن لخلايا الوقود الهيدروجينية الصلبة أن تحل محل البطاريات في الطائرات بدون طيار؟

في بعض تطبيقات الطائرات بدون طيار، نعم — ولكن ليس بشكل عام.

يمكن أن تكون خلايا الوقود خيارًا جذابًا للمهام طويلة المدى، في حين تظل البطاريات هي الخيار المفضل للرحلات القصيرة، أو في الحالات التي تتطلب طاقة قصوى عالية، أو في التطبيقات التي تتوفر فيها بنية تحتية ملائمة للشحن.

كما يمكن للبنى الهجينة التي تجمع بين البطاريات وخلايا الوقود أن تجمع بين مزايا كلتا التقنيتين.

الهيدروجين في الحالة الصلبة: نهج مختلف لتخزين الطاقة

المصطلح بطارية الهيدروجين ذات الحالة الصلبة يمكن أن يصف فئة ناشئة من أنظمة الطاقة، لكن من المهم فهم التكنولوجيا التي تقوم عليها.

تخزن البطارية الحقيقية ذات الحالة الصلبة الطاقة الكهربائية باستخدام إلكتروليت صلب.

أما نظام الهيدروجين ذو الحالة الصلبة فيستخدم بدلاً من ذلك تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة, ، مثل هيدريدات المعادن، إلى جانب خلية وقود لتوليد الكهرباء.

في الحالات التي مدة تشغيل طويلة، ضوضاء منخفضة، طاقة محمولة، إعادة شحن سريعة، والتشغيل في البيئات النائية ونظرًا لأهميتها، فإن هذه البنية الهندسية توفر بديلاً لأنظمة الطاقة التقليدية التي تعتمد على البطاريات ومحركات الاحتراق.

تقوم شركة SOLIDHYDRO بتطوير حلول الهيدروجين وخلايا الوقود في الحالة الصلبة لتطبيقات تتراوح بين الطاقة المستمدة من الطائرات بدون طيار والمصادر المحمولة يدويًّا لأنظمة الطاقة خارج الشبكة وأنظمة الطاقة عالية الأداء.

تجمع منصة HYDRA-M بين تخزين الهيدروجين باستخدام هيدريدات المعادن في الحالة الصلبة مع تكنولوجيا خلايا الوقود ذات الأغشية البوليمرية (PEM) لتوفير طاقة هيدروجينية مدمجة لبيئات التشغيل الصعبة.

مع استمرار تطور تقنيات تخزين الهيدروجين وخلايا الوقود، من المتوقع أن تصبح أنظمة الهيدروجين ذات الحالة الصلبة خيارًا متزايد الأهمية للجيل القادم من مصادر الطاقة المحمولة والموزعة.

اكتشف تقنية الطاقة الهيدروجينية ذات الحالة الصلبة لتطبيقاتك

هل تبحث عن عمر تشغيل أطول، أو طاقة منخفضة الضوضاء، أو إعادة تزويد سريعة بالوقود، أو تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة؟

يمكن لفريق الهندسة في SOLIDHYDRO مساعدتك في تقييم بنية الطاقة الهيدروجينية الأنسب لتطبيقك — بدءًا من خلايا الوقود HYDRA-M ذات الحالة الصلبة التي تعمل بهيدريد المعادن إلى أنظمة خلايا الوقود الهيدروجينية الأكبر حجمًا.

👉 اكتشف HYDRA‑M: خلية وقود هيدروجينية صلبة لتوليد الطاقة التكتيكية
👉 عرض حلول الطاقة التكتيكية

👉عرض حلول خلايا الوقود الهيدروجينية →

👉ناقش طلبك →