Bränsleceller: typer, funktionsprincip och funktioner

2024 Författare: Howard Calhoun | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-02 14:03

Väte är ett rent bränsle eftersom det endast producerar vatten och ger ren energi med förnybara energikällor. Det kan lagras i en bränslecell som producerar elektricitet med hjälp av en elektrokemisk omvandlingsanordning. Vätgas är källan till framtidens revolutionära energi, men dess utveckling är fortfarande mycket begränsad. Orsaker: energi som är svår att producera, kostnadseffektivitet och tveksam energibalans på grund av designens energiintensiva karaktär. Men detta energi alternativ erbjuder intressanta perspektiv när det gäller energilagring, särskilt när det gäller förnybara källor.

Fuel Cell Pioneers

Konceptet demonstrerades effektivt av Humphry Davy i början av artonhundratalet. Detta följdes av Christian Friedrich Schonbeins banbrytande arbete 1838. I början av 1960-talet började NASA, i samarbete med industriella partners, utveckla generatorerav denna typ för bemannade rymdflyg. Detta resulterade i det första blocket av PEMFC.

En annan GE-forskare, Leonard Nidrach, har uppgraderat Grubbs PEMFC med platina som katalysator. Grubb-Niedrach vidareutvecklades i samarbete med NASA och användes av rymdprogrammet Gemini i slutet av 1960-talet. International Fuel Cells (IFC, senare UTC Power) utvecklade enheten på 1,5 kW för Apollo rymdflyg. De försåg astronauterna med elektricitet och dricksvatten under deras uppdrag. IFC utvecklade därefter 12kW-enheterna som användes för att ge ombord ström för alla rymdfarkoster.

Fordonselementet uppfanns först av Grulle på 1960-talet. GM använde Union Carbide i "Electrovan"-bilen. Den användes bara som tjänstebil, men kunde färdas upp till 120 miles på full tank och nå hastigheter på upp till 70 miles per timme. Kordesch och Grulke experimenterade med en vätgasmotorcykel 1966. Det var en cellhybrid med ett NiCad-batteri i tandem som uppnådde imponerande 1,18L/100 km. Detta drag har avancerad e-cykelteknik och kommersialisering av e-motorcyklar.

Under 2007 blev bränslekällor kommersialiserade inom en mängd olika områden, de började säljas till slutanvändare med skriftliga garantier och servicemöjligheter, d.v.s. uppfylla kraven och standarderna för en marknadsekonomi. Således började ett antal marknadssegment fokusera på efterfrågan. I synnerhet tusentals hjälpkraftPEMFC- och DMFC-enheter (APU) har kommersialiserats i underhållningsapplikationer: båtar, leksaker och träningspaket.

Horizon i oktober 2009 visade det första kommersiella Dynario elektroniska systemet som körs på metanolpatroner. Horizon bränsleceller kan ladda mobiltelefoner, GPS-system, kameror eller digitala musikspelare.

väteproduktionsprocesser

Vätebränsleceller är ämnen som innehåller väte som bränsle. Vätgasbränsle är ett nollutsläppsbränsle som frigör energi vid förbränning eller genom elektrokemiska reaktioner. Bränsleceller och batterier producerar elektricitet genom en kemisk reaktion, men de förstnämnda kommer att producera ström så länge det finns bränsle och förlorar därför aldrig laddningen.

Termiska processer för att producera väte involverar vanligtvis ångreformering, en högtemperaturprocess där ånga reagerar med en kolvätekälla för att frigöra väte. Många naturliga bränslen kan reformeras för att producera väte.

Idag produceras cirka 95 % av vätgas från gasreformering. Vatten delas upp i syre och väte genom elektrolys, i en enhet som fungerar som en Horizon zero-bränslecell omvänt.

Solbaserade processer

De använder ljus som medel för att producera väte. Existerarflera processer baserade på solpaneler:

1. photobiological;
2. fotoelektrokemisk;
3. sunny;
4. termokemisk.

Fotobiologiska processer använder den naturliga fotosyntetiska aktiviteten hos bakterier och grönalger.

Fotoelektrokemiska processer är specialiserade halvledare för att separera vatten till väte och syre.

Termokemisk vätesolproduktion använder koncentrerad solenergi för vattenseparationsreaktioner tillsammans med andra arter som metalloxider.

Biologiska processer använder mikrober som bakterier och mikroalger och kan producera väte genom biologiska reaktioner. Vid omvandling av mikrobiell biomassa bryter mikrober ner organiskt material som biomassa, medan mikrober i fotobiologiska processer använder solljus som källa.

Generationskomponenter

Enheter med element är gjorda av flera delar. Var och en har tre huvudkomponenter:

• anode;
• katod;
• ledande elektrolyt.

I fallet med Horizon-bränsleceller, där varje elektrod är gjord av ett material med stor yta impregnerat med en platinalegeringskatalysator, är elektrolytmaterialet ett membran och fungerar som en jonledare. Elektrisk produktion drivs av två primära kemiska reaktioner. För element som använder renH_2.

Vätgas vid anoden delas i protoner och elektroner. De förra förs genom elektrolytmembranet, och de senare flyter runt det och genererar en elektrisk ström. Laddade joner (H + och e -) kombineras med O_{2 vid katoden och avger vatten och värme. De många miljöfrågor som påverkar världen idag mobiliserar samhället för att uppnå hållbar utveckling och framsteg mot att skydda planeten. Här i sammanhanget är nyckelfaktorn att de faktiska basenergiresurserna ersätts med andra som fullt ut kan tillfredsställa mänskliga behov.}

Elementen i fråga är just en sådan anordning, tack vare vilken denna aspekt hittar den mest sannolika lösningen, eftersom det är möjligt att få elektrisk energi från rent bränsle med hög effektivitet och utan CO-utsläpp_2.

Platinakatalysatorer

Platina är mycket aktivt för väteoxidation och fortsätter att vara det vanligaste elektrokatalysatormaterialet. Ett av Horizons huvudområden för forskning som använder platinareducerade bränsleceller är inom bilindustrin, där tekniska katalysatorer gjorda av platinananopartiklar stödda på ledande kol planeras inom en snar framtid. Dessa material har fördelen av starkt dispergerade nanopartiklar, hög elektrokatalytisk ytarea (ESA) och minimal partikeltillväxt vid förhöjda temperaturer, även vid högre Pt-belastningsnivåer.

Pt-innehållande legeringar är användbara för enheter som körs på specialiserade bränslekällor som metanol eller reformering (H₂, CO₂, CO och N_{2). Pt/Ru-legeringarna har visat förbättrad prestanda jämfört med rena elektrokemiska Pt-katalysatorer när det gäller metanoloxidation och ingen möjlighet till kolmonoxidförgiftning. Pt 3 Co är en annan katalysator av intresse (särskilt för Horizon-bränslecellskatoder) och har visat förbättrad syrereduktionsreaktionseffektivitet samt hög stabilitet.}

Pt/C- och Pt 3 Co/C-katalysatorer som visar starkt dispergerade nanopartiklar på ytan av kolsubstrat. Det finns flera viktiga krav att tänka på när du väljer en bränslecellelektrolyt:

1. Hög protonledningsförmåga.
2. Hög kemisk och termisk stabilitet.
3. Låg gaspermeabilitet.

väteenergikälla

Väte är det enklaste och vanligaste grundämnet i universum. Det är en viktig komponent i vatten, olja, naturgas och hela den levande världen. Trots sin enkelhet och överflöd finns väte sällan i sitt naturgasformiga tillstånd på jorden. Det kombineras nästan alltid med andra element. Och det kan härröra från olja, naturgas, biomassa eller genom att separera vatten med hjälp av solenergi eller elektrisk energi.

När väl väte har bildats som molekylär H₂, kan energin som finns i molekylen frigöras genom interaktionmed O₂. Detta kan uppnås med antingen förbränningsmotorer eller vätebränsleceller. I dem omvandlas energin H_{2 till elektrisk ström med låga effektförluster. Väte är alltså en energibärare för att flytta, lagra och leverera energi som produceras från andra källor.}

Filter för kraftmoduler

Att skaffa alternativa energielement är omöjligt utan användning av speciella filter. Klassiska filter hjälper till med utvecklingen av kraftmoduler av element i olika länder i världen på grund av högkvalitativa block. Filter levereras för att förbereda bränsle som metanol för cellapplikationer.

Typiska tillämpningar för dessa kraftmoduler inkluderar strömförsörjning på avlägsna platser, reservkraft för kritiska försörjningar, APU:er på små fordon och marina applikationer som Project Pa-X-ell som är ett projekt för att testa celler på passagerarfartyg.

Filterhus i rostfritt stål som löser filtreringsproblem. I dessa krävande tillämpningar specificerar tillverkare av bränslecellstillverkare i rostfritt stål Classic Filters filterhus i rostfritt stål på grund av produktionsflexibilitet, högre kvalitetsstandarder, snabba leveranser och konkurrenskraftiga priser.

väteteknologiplattform

Horizon Fuel Cell Technologies grundades i Singapore 2003 och har idag 5 internationella dotterbolag. Företagets uppdrag äratt göra skillnad inom bränsleceller genom att arbeta glob alt för att uppnå snabb kommersialisering, lägre teknikkostnader och eliminera urgamla barriärer för vätgasförsörjning. Företaget började med små och enkla produkter som kräver låga mängder väte som förberedelse för större och mer komplexa tillämpningar. Genom att följa strikta riktlinjer och en färdplan har Horizon snabbt blivit världens största tillverkare av sub-1000W bulkceller, och betjänar kunder i över 65 länder med det bredaste urvalet av kommersiella produkter i branschen.

Horizons teknologiplattform består av: PEM - Horizon zero dawn-bränsleceller (mikrobränsle och stackar) och deras material, vätgasförsörjning (elektrolys, reformering och hydrolys), vätelagringsenheter och enheter.

Horizon har släppt världens första bärbara och personliga vätgasgenerator. HydroFill-stationen kan generera väte genom att sönderdela vatten i en tank och lagra det i HydroStick-patroner. De innehåller en absorberande legering av vätgas för att ge fast lagring. Patronerna kan sedan sättas in i en MiniPak-laddare som klarar små bränslefilterelement.

Horizon eller hemväte

Horizon Technologies lanserar vätgasladdning och energilagringssystem för hemmabruk, vilket sparar energi hemma för att ladda bärbara enheter. Horizon utmärkte sig 2006 med leksaken "H-racer", en liten vätgasdriven bil som röstades fram som "årets bästa uppfinning". Horizon erbjuderdecentralisera energilagring hemma med sin Hydrofill vätgasladdningsstation, som kan ladda små bärbara och återanvändbara batterier. Denna vätgasanläggning kräver bara vatten för att drivas och generera kraft.

Arbetet kan utföras av nätet, solpaneler eller ett vindturbin. Därifrån utvinns väte från stationens vattentank och lagras i fast form i små metallegeringsceller. Hydrofill Station, som säljs för cirka 500 USD, är en avantgardistisk lösning för telefoner. Var man kan hitta Hydrofill bränsleceller till det här priset är inte svårt för användarna, du behöver bara fråga lämplig förfrågan på Internet.

Bilvätgasladdning

Liksom batteridrivna elbilar använder de som drivs av vätgas också el för att köra bilen. Men istället för att lagra denna elektricitet i batterier som tar timmar att ladda, genererar cellerna energi ombord på bilen genom att reagera väte och syre. Reaktionen sker i närvaro av en elektrolyt - en icke-metallisk ledare, i vilken det elektriska flödet bärs av jonernas rörelse i enheter där Horizon zero-bränsleceller är utrustade med protonutbytesmembran. De fungerar enligt följande:

1. Vätgas tillförs cellens "-"-anod (A) och syre leds till den positiva polen.
2. På anoden är katalysatorn platina,kastar bort elektroner från väteatomer och lämnar "+"-joner och fria elektroner. Endast joner passerar genom membranet mellan anoden och katoden.
3. Elektroner skapar elektrisk ström genom att röra sig längs en extern krets. Vid katoden kombineras elektroner och vätejoner med syre för att producera vatten som rinner ut ur cellen.

Hittills har två saker hindrat storskalig produktion av vätgasdrivna fordon: kostnad och vätgasproduktion. Tills nyligen var platinakatalysatorn, som delar väte i en jon och en elektron, oöverkomligt dyr.

För några år sedan kostade vätebränsleceller cirka 1 000 dollar för varje kilowatt effekt, eller cirka 100 000 dollar för en bil. Olika studier genomfördes för att sänka kostnaderna för projektet, bland annat att ersätta platinakatalysatorn med en platina-nickellegering som är 90 gånger effektivare. Förra året rapporterade det amerikanska energidepartementet att kostnaden för systemet hade sjunkit till 61 USD per kilowatt, vilket fortfarande inte är konkurrenskraftigt inom bilindustrin.

röntgendatortomografi

Denna oförstörande testmetod används för att studera strukturen hos ett tvåskiktselement. Andra metoder som vanligtvis används för att studera struktur:

• kvicksilverintrångsporosimetri;
• atomic force microscopy;
• optisk profilometri.

Resultaten visar att porositetsfördelningen har en solid grund för att beräkna termisk och elektrisk ledningsförmåga, permeabilitet ochdiffusion. Att mäta porositeten hos element är mycket svårt på grund av deras tunna, komprimerbara och inhomogena geometri. Resultatet visar att porositeten minskar med GDL-kompression.

Den porösa strukturen har en betydande inverkan på massöverföringen i elektroden. Experimentet utfördes vid olika varmpressningstryck, som sträckte sig från 0,5 till 10 MPa. Prestandan är främst beroende av platinametallen, vars kostnad är mycket hög. Diffusionen kan ökas genom användning av kemiska bindemedel. Dessutom påverkar temperaturförändringar elementets livslängd och genomsnittliga prestanda. Nedbrytningshastigheten för högtemperatur-PEMFC är initi alt låg och ökar sedan snabbt. Detta används för att bestämma bildandet av vatten.

Problem med kommersialisering

För att vara kostnadskonkurrenskraftig måste bränslecellskostnaderna halveras och batteritiden förlängas på samma sätt. Idag är dock driftskostnaderna fortfarande mycket högre, eftersom vätgasproduktionskostnaderna är mellan 2,5 och 3 USD, och det är osannolikt att vätgas kommer att kosta mindre än 4 USD/kg. För att cellen ska kunna konkurrera effektivt med batterier bör den ha en kort laddningstid och minimera batteribytesprocessen.

För närvarande kommer polymerbränslecellsteknik att kosta 49 USD/kW när den massproduceras (minst 500 000 enheter per år). Dock för att kunna konkurrera med bilarförbränning, bör bilbränsleceller nå cirka 36 USD/kWh. Besparingar kan uppnås genom att minska materialkostnaderna (särskilt användningen av platina), öka effekttätheten, minska systemets komplexitet och öka hållbarheten. Det finns flera utmaningar med att kommersialisera tekniken i stor skala, inklusive att övervinna ett antal tekniska hinder.

Framtidens tekniska utmaningar

Kostnaden för en stack beror på material, teknik och tillverkningsteknik. Valet av material beror inte bara på materialets lämplighet för funktionen, utan också på bearbetbarheten. Huvuduppgifterna för elementen:

1. Minska elektrokatalysatorbelastningen och öka aktiviteten.
2. Förbättra hållbarheten och minska nedbrytningen.
3. Optimering av elektroddesign.
4. Förbättra toleransen för föroreningar vid anoden.
5. Val av material för komponenter. Den baseras främst på kostnad utan att offra prestanda.
6. Systemfelstolerans.
7. Elementets prestanda beror huvudsakligen på membranets styrka.

De viktigaste GDL-parametrarna som påverkar cellens prestanda är reagenspermeabilitet, elektrisk ledningsförmåga, värmeledningsförmåga och mekaniskt stöd. GDL-tjocklek är en viktig faktor. Ett tjockare membran ger bättre skydd, mekanisk styrka, längre diffusionsvägar och högre termiska och elektriska motståndsnivåer.

Progressiva trender

Bland de olika typerna av element anpassar PEMFC fler mobilapplikationer (bilar, bärbara datorer, mobiltelefoner, etc.), och är därför av ökande intresse för ett brett spektrum av tillverkare. Faktum är att PEMFC har många fördelar såsom låg driftstemperatur, hög strömtäthetsstabilitet, låg vikt, kompakthet, låg kostnad och volympotential, lång livslängd, snabb uppstart och lämplighet för intermittent drift.

PEMFC-tekniken är väl lämpad för en mängd olika storlekar och används även med en mängd olika bränslen när de bearbetas korrekt för att producera väte. Som sådan finner den användning från den lilla subwattskalan hela vägen upp till megawattskalan. 88 % av de totala leveranserna 2016–2018 var PEMFC.