Brandstofselle: tipes, werkingsbeginsel en kenmerke

2024 Outeur: Howard Calhoun | [email protected]. Laas verander: 2024-01-02 13:48

Waterstof is 'n skoon brandstof aangesien dit net water produseer en skoon energie verskaf deur hernubare energiebronne te gebruik. Dit kan gestoor word in 'n brandstofsel wat elektrisiteit produseer deur 'n elektrochemiese omskakelingstoestel te gebruik. Waterstof is die bron van die revolusionêre energie van die toekoms, maar die ontwikkeling daarvan is nog baie beperk. Redes: energie wat moeilik is om te produseer, koste-effektiwiteit en twyfelagtige energiebalans as gevolg van die energie-intensiewe aard van die ontwerp. Maar hierdie energie-opsie bied interessante perspektiewe in terme van energieberging, veral wanneer dit by hernubare bronne kom.

Fuel Cell Pioneers

Die konsep is effektief gedemonstreer deur Humphry Davy in die vroeë negentiende eeu. Dit is gevolg deur die baanbrekerswerk van Christian Friedrich Schonbein in 1838. In die vroeë 1960's het NASA, in samewerking met industriële vennote, kragopwekkers begin ontwikkelvan hierdie tipe vir bemande ruimtevlugte. Dit het gelei tot die eerste blok van PEMFC.

Nog 'n GE-navorser, Leonard Nidrach, het Grubb se PEMFC opgegradeer deur platinum as 'n katalisator te gebruik. Grubb-Niedrach is in samewerking met NASA verder ontwikkel en is in die laat 1960's deur die Gemini-ruimteprogram gebruik. International Fuel Cells (IFC, later UTC Power) het die 1,5 kW-toestel vir Apollo-ruimtevlugte ontwikkel. Hulle het tydens hul sending elektrisiteit sowel as drinkwater vir die ruimtevaarders verskaf. IFC het daarna die 12kW-eenhede ontwikkel wat gebruik word om krag aan boord vir alle ruimtetuigvlugte te verskaf.

Die motorelement is die eerste keer in die 1960's deur Grulle uitgevind. GM het Union Carbide in die "Electrovan"-motor gebruik. Dit is slegs as 'n maatskappymotor gebruik, maar kon tot 120 myl op 'n vol tenk ry en spoed van tot 70 myl per uur bereik. Kordesch en Grulke het in 1966 met 'n waterstofmotorfiets geëksperimenteer. Dit was 'n selbaster met 'n NiCad-battery in tandem wat 'n indrukwekkende 1.18L/100km behaal het. Hierdie stap het gevorderde e-fietstegnologie en die kommersialisering van e-motorfietse.

In 2007 het brandstofbronne in 'n wye verskeidenheid gebiede gekommersialiseer geraak, dit het begin verkoop word aan eindgebruikers met skriftelike waarborge en diensvermoëns, m.a.w. voldoen aan die vereistes en standaarde van 'n markekonomie. So het 'n aantal marksegmente op aanvraag begin fokus. In die besonder, duisende hulpkragPEMFC- en DMFC (APU)-eenhede is gekommersialiseer in vermaaklikheidstoepassings: bote, speelgoed en opleidingsstelle.

Horizon het in Oktober 2009 die eerste kommersiële Dynario-elektroniese stelsel gewys wat op metanol-patrone werk. Horizon brandstofselle kan selfone, GPS-stelsels, kameras of digitale musiekspelers laai.

Waterstofproduksieprosesse

Waterstofbrandstofselle is stowwe wat waterstof as brandstof bevat. Waterstofbrandstof is 'n nul-emissie brandstof wat energie vrystel tydens verbranding of deur elektrochemiese reaksies. Brandstofselle en batterye produseer elektrisiteit deur middel van 'n chemiese reaksie, maar eersgenoemde sal krag produseer solank daar brandstof is en dus nooit lading verloor nie.

Termiese prosesse om waterstof te vervaardig, behels tipies stoomhervorming, 'n hoëtemperatuurproses waar stoom met 'n koolwaterstofbron reageer om waterstof vry te stel. Baie natuurlike brandstowwe kan hervorm word om waterstof te produseer.

Vandag word ongeveer 95% van waterstof uit gashervorming vervaardig. Water word deur elektrolise in suurstof en waterstof verdeel, in 'n toestel wat soos 'n Horizon zero brandstofsel in omgekeerde funksioneer.

Sonkraggebaseerde prosesse

Hulle gebruik lig as 'n middel om waterstof te produseer. Bestaanverskeie prosesse gebaseer op sonpanele:

1. fotobiologies;
2. foto-elektrochemies;
3. sonnig;
4. termochemies.

Fotobiologiese prosesse gebruik die natuurlike fotosintetiese aktiwiteit van bakterieë en groenalge.

Foto-elektrochemiese prosesse is gespesialiseerde halfgeleiers om water in waterstof en suurstof te skei.

Termochemiese waterstof-sonkragproduksie gebruik gekonsentreerde sonenergie vir waterskeidingsreaksie saam met ander spesies soos metaaloksiede.

Biologiese prosesse gebruik mikrobes soos bakterieë en mikroalge en kan waterstof deur biologiese reaksies produseer. In mikrobiese biomassa-omskakeling breek mikrobes organiese materiaal soos biomassa af, terwyl mikrobes in fotobiologiese prosesse sonlig as 'n bron gebruik.

Generasiekomponente

Toestelle van elemente word uit verskeie dele gemaak. Elkeen het drie hoofkomponente:

• anode;
• katode;
• geleidende elektroliet.

In die geval van Horizon-brandstofselle, waar elke elektrode van 'n hoë-oppervlakte-materiaal gemaak is wat met 'n platinumlegering-katalisator geïmpregneer is, is die elektrolietmateriaal 'n membraan en dien dit as 'n ioongeleier. Elektriese opwekking word aangedryf deur twee primêre chemiese reaksies. Vir elemente wat suiwer gebruikH_2.

Waterstofgas by die anode verdeel in protone en elektrone. Eersgenoemde word deur die elektrolietmembraan gedra, en laasgenoemde vloei daaromheen en genereer 'n elektriese stroom. Gelaaide ione (H + en e -) kombineer met O_{2 by die katode, wat water en hitte vrystel. Die talle omgewingskwessies wat die wêreld vandag raak, mobiliseer die samelewing om volhoubare ontwikkeling en vordering te bewerkstellig om die planeet te beskerm. Hier in die konteks is die sleutelfaktor die vervanging van die werklike basiese energiebronne met ander wat ten volle in menslike behoeftes kan bevredig.}

Die betrokke elemente is net so 'n toestel, waardeur hierdie aspek die mees waarskynlike oplossing vind, aangesien dit moontlik is om elektriese energie uit skoon brandstof te verkry met hoë doeltreffendheid en sonder CO-emissies_2.

Platinum-katalisators

Platinum is hoogs aktief vir waterstofoksidasie en is steeds die mees algemene elektrokatalisatormateriaal. Een van Horizon se hoofgebiede van navorsing wat platinum-verminderde brandstofselle gebruik, is in die motorbedryf, waar gemanipuleerde katalisators gemaak van platinum-nanopartikels ondersteun op geleidende koolstof in die nabye toekoms beplan word. Hierdie materiale het die voordeel van hoogs verspreide nanopartikels, hoë elektrokatalitiese oppervlakarea (ESA) en minimale deeltjiegroei by verhoogde temperature, selfs by hoër Pt-laaivlakke.

Pt-bevattende legerings is nuttig vir toestelle wat op gespesialiseerde brandstofbronne gebruik word, soos metanol of hervorming (H₂, CO₂, CO en N_{2). Die Pt/Ru-legerings het verbeterde werkverrigting getoon bo suiwer elektrochemiese Pt-katalisatore in terme van metanoloksidasie en geen moontlikheid van koolstofmonoksiedvergiftiging nie. Pt 3 Co is nog 'n katalisator van belang (veral vir Horizon brandstofsel katodes) en het verbeterde suurstofreduksie reaksie doeltreffendheid sowel as hoë stabiliteit getoon.}

Pt/C en Pt 3 Co/C katalisators wat hoogs verspreide nanopartikels op oppervlakkoolstofsubstrate toon. Daar is verskeie sleutelvereistes om in ag te neem wanneer 'n brandstofselelektroliet gekies word:

1. Hoë protongeleiding.
2. Hoë chemiese en termiese stabiliteit.
3. Lae gasdeurlaatbaarheid.

Waterstof-energiebron

Waterstof is die eenvoudigste en volopste element in die heelal. Dit is 'n belangrike komponent van water, olie, aardgas en die hele lewende wêreld. Ten spyte van sy eenvoud en oorvloed, word waterstof selde in sy natuurlike gasvormige toestand op aarde aangetref. Dit word byna altyd met ander elemente gekombineer. En dit kan verkry word uit olie, aardgas, biomassa, of deur water te skei deur sonkrag of elektriese energie te gebruik.

Sodra waterstof as molekulêre H₂ gevorm is, kan die energie wat in die molekule teenwoordig is, vrygestel word deur interaksiemet O₂. Dit kan bereik word met óf binnebrandenjins óf waterstofbrandstofselle. Daarin word die energie H_{2 in elektriese stroom met lae kragverliese omgeskakel. Waterstof is dus 'n energiedraer vir die verskuiwing, berging en lewering van energie wat uit ander bronne geproduseer word.}

Filters vir kragmodules

Die verkryging van alternatiewe energie-elemente is onmoontlik sonder die gebruik van spesiale filters. Klassieke filters help met die ontwikkeling van kragmodules van elemente in verskillende lande van die wêreld as gevolg van hoë kwaliteit blokke. Filters word verskaf om brandstof soos metanol vir dieseltoepassings voor te berei.

Tipies sluit toepassings vir hierdie kragmodules kragtoevoer in afgeleë plekke in, rugsteunkrag vir kritieke toevoer, APU's op klein voertuie en mariene toepassings soos Project Pa-X-ell wat 'n projek is om selle op passasierskepe te toets.

Vlekvrye staal filterbehuizings wat filtrasieprobleme oplos. In hierdie veeleisende toepassings, spesifiseer nul dagbreek brandstofselvervaardigers Classic Filters vlekvrye staal filterbehuisings as gevolg van produksie buigsaamheid, hoër kwaliteit standaarde, vinnige aflewerings en mededingende pryse.

Waterstoftegnologieplatform

Horizon Fuel Cell Technologies is in 2003 in Singapoer gestig en het vandag 5 internasionale filiale. Die missie van die firma isom 'n verskil in brandstofselle te maak deur wêreldwyd te werk om vinnige kommersialisering te bewerkstellig, tegnologiekoste te verlaag en eeue-oue hindernisse tot waterstofvoorsiening uit te skakel. Die firma het begin met klein en eenvoudige produkte wat lae hoeveelhede waterstof benodig ter voorbereiding vir groter en meer komplekse toepassings. Deur streng riglyne en 'n padkaart te volg, het Horizon vinnig die wêreld se grootste sub-1000W grootmaatselvervaardiger geword, wat kliënte in meer as 65 lande bedien met die wydste keuse van kommersiële produkte in die bedryf.

Die Horizon-tegnologieplatform bestaan uit: PEM - Horizon zero dawn brandstofselle (mikrobrandstof en stapels) en hul materiale, waterstofvoorsiening (elektrolise, hervorming en hidrolise), waterstofbergingstoestelle en -toestelle.

Horizon het die wêreld se eerste draagbare en persoonlike waterstofopwekker vrygestel. Die HydroFill-stasie kan waterstof genereer deur water in 'n tenk te ontbind en dit in HydroStick-patrone te stoor. Hulle bevat 'n absorberende legering van waterstofgas om soliede berging te verskaf. Die patrone kan dan in 'n MiniPak-laaier geplaas word wat klein brandstoffilterelemente kan hanteer.

Horizon of tuiswaterstof

Horizon Technologies stel waterstoflaai- en energiebergingstelsel bekend vir tuisgebruik, wat energie by die huis bespaar om draagbare toestelle te laai. Horizon het homself in 2006 onderskei met die "H-racer" speelding, 'n klein waterstofaangedrewe motor wat as "beste uitvinding" van die jaar aangewys is. Horizon bieddesentraliseer energieberging by die huis met sy Hydrofill-waterstoflaaistasie, wat in staat is om klein draagbare en herbruikbare batterye te herlaai. Hierdie waterstofaanleg benodig net water om te loop en krag op te wek.

Werk kan deur die rooster, sonpanele of 'n windturbine verskaf word. Vandaar word waterstof uit die stasie se watertenk onttrek en in vaste vorm in klein metaallegeringselle gestoor. Die Hydrofill-stasie, teen ongeveer $500, is 'n avant-garde oplossing vir telefone. Waar om Hydrofill brandstofselle teen hierdie prys te vind, is nie moeilik vir gebruikers nie, jy hoef net die toepaslike versoek op die internet te vra.

Motorwaterstof laai

Soos battery-aangedrewe elektriese motors, gebruik diegene wat deur waterstof aangedryf word ook elektrisiteit om die motor te bestuur. Maar in plaas daarvan om hierdie elektrisiteit in batterye te stoor wat ure neem om te laai, genereer die selle energie aan boord van die motor deur waterstof en suurstof te laat reageer. Die reaksie vind plaas in die teenwoordigheid van 'n elektroliet - 'n nie-metaalgeleier, waarin die elektriese vloei gedra word deur die beweging van ione in toestelle waar Horizon zero brandstofselle toegerus is met proton-uitruilmembrane. Hulle funksioneer soos volg:

1. Waterstofgas word aan die "-" anode (A) van die sel voorsien, en suurstof word na die positiewe pool gerig.
2. Op die anode is die katalisator platinum,gooi elektrone van waterstofatome weg en laat "+"-ione en vrye elektrone oor. Slegs ione gaan deur die membraan wat tussen die anode en katode geleë is.
3. Elektrone skep elektriese stroom deur langs 'n eksterne stroombaan te beweeg. By die katode kombineer elektrone en waterstofione met suurstof om water te produseer wat uit die sel vloei.

Tot nou toe het twee dinge grootskaalse produksie van waterstofaangedrewe voertuie belemmer: koste en waterstofproduksie. Tot onlangs was die platinum katalisator, wat waterstof in 'n ioon en 'n elektron verdeel, buitensporig duur.

'n Paar jaar gelede het waterstofbrandstofselle sowat $1 000 gekos vir elke kilowatt krag, of sowat $100 000 vir 'n motor. Verskeie studies is uitgevoer om die koste van die projek te verminder, insluitend die vervanging van die platinum katalisator met 'n platinum-nikkel legering wat 90 keer meer doeltreffend is. Verlede jaar het die Amerikaanse departement van energie berig dat die koste van die stelsel tot $61 per kilowatt gedaal het, wat steeds onmededingend in die motorbedryf is.

X-straal-rekenaartomografie

Hierdie nie-vernietigende toetsmetode word gebruik om die struktuur van 'n tweelaagelement te bestudeer. Ander metodes wat algemeen gebruik word om struktuur te bestudeer:

• kwik-indringing porosimetrie;
• atomiese kragmikroskopie;
• optiese profielmetrie.

Die resultate toon dat die porositeitsverspreiding 'n soliede basis het vir die berekening van termiese en elektriese geleidingsvermoë, deurlaatbaarheid endiffusie. Om die porositeit van elemente te meet is baie moeilik as gevolg van hul dun, saamdrukbare en onhomogene geometrie. Die resultaat toon dat die porositeit afneem met GDL-kompressie.

Die poreuse struktuur het 'n beduidende impak op die massa-oordrag in die elektrode. Die eksperiment is uitgevoer by verskeie warmpersdrukke, wat gewissel het van 0,5 tot 10 MPa. Die werkverrigting is hoofsaaklik afhanklik van die platinummetaal, waarvan die koste baie hoog is. Diffusie kan verhoog word deur die gebruik van chemiese bindmiddels. Daarbenewens beïnvloed temperatuurveranderinge die leeftyd en gemiddelde werkverrigting van die element. Die degradasietempo van hoë temperatuur PEMFC's is aanvanklik laag en neem dan vinnig toe. Dit word gebruik om die vorming van water te bepaal.

Probleme van kommersialisering

Om kostemededingend te wees, moet brandstofselkoste gehalveer word en batterylewe insgelyks verleng word. Vandag is bedryfskoste egter steeds baie hoër, aangesien waterstofproduksiekoste tussen $2,5 en $3 is, en waterstof wat verskaf word, sal waarskynlik minder as $4/kg kos. Om die sel doeltreffend met batterye te laat meeding, moet dit 'n kort laaityd hê en die batteryvervangingsproses tot die minimum beperk.

Tans sal polimeerbrandstofseltegnologie US$49/kW kos wanneer dit massavervaardig word (ten minste 500 000 eenhede per jaar). Om egter met motors mee te dinginterne verbranding, moet motorbrandstofselle sowat $36/kWh bereik. Besparings kan behaal word deur materiaalkoste (veral die gebruik van platinum) te verminder, kragdigtheid te verhoog, stelselkompleksiteit te verminder en duursaamheid te verhoog. Daar is verskeie uitdagings om die tegnologie op groot skaal te kommersialiseer, insluitend die oorkom van 'n aantal tegniese hindernisse.

Tegniese uitdagings van die toekoms

Die koste van 'n stapel hang af van die materiaal, tegniek en vervaardigingstegnieke. Die keuse van materiaal hang nie net af van die geskiktheid van die materiaal vir die funksie nie, maar ook van die werkbaarheid. Sleuteltake van die elemente:

1. Verminder elektrokatalisatorlading en verhoog aktiwiteit.
2. Verbeter duursaamheid en verminder agteruitgang.
3. Optimering van elektrode-ontwerp.
4. Verbeter die toleransie van onsuiwerhede by die anode.
5. Seleksie van materiale vir komponente. Dit is hoofsaaklik op koste gebaseer sonder om prestasie in te boet.
6. Stelselfouttoleransie.
7. Die werkverrigting van die element hang hoofsaaklik af van die sterkte van die membraan.

Die belangrikste GDL-parameters wat selprestasie beïnvloed, is reagensdeurlaatbaarheid, elektriese geleidingsvermoë, termiese geleiding en meganiese ondersteuning. GDL-dikte is 'n belangrike faktor. 'n Dikker membraan bied beter beskerming, meganiese sterkte, langer diffusiepaaie en groter termiese en elektriese weerstandsvlakke.

Progressiewe neigings

Tussen die verskillende soorte elemente pas PEMFC meer mobiele toepassings aan (motors, skootrekenaars, selfone, ens.), daarom is dit van toenemende belang vir 'n wye verskeidenheid vervaardigers. Trouens, PEMFC het baie voordele soos lae bedryfstemperatuur, hoë stroomdigtheid stabiliteit, ligte gewig, kompaktheid, lae koste en volume potensiaal, lang dienslewe, vinnige opstart, en geskiktheid vir intermitterende werking.

PEMFC-tegnologie is goed geskik vir 'n verskeidenheid groottes en word ook saam met 'n verskeidenheid brandstowwe gebruik wanneer dit behoorlik verwerk word om waterstof te produseer. As sodanig vind dit gebruik vanaf die klein subwatt-skaal tot by die megawatt-skaal. 88% van die totale verskepings in 2016-2018 was PEMFC.