Brennselceller: typer, driftsprinsipp og funksjoner

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sist endret: 2024-01-02 14:00

Hydrogen er et rent drivstoff da det kun produserer vann og gir ren energi ved bruk av fornybare energikilder. Den kan lagres i en brenselcelle som produserer elektrisitet ved hjelp av en elektrokjemisk konverteringsenhet. Hydrogen er kilden til fremtidens revolusjonerende energi, men utviklingen er fortsatt svært begrenset. Årsaker: energi som er vanskelig å produsere, kostnadseffektivitet og tvilsom energibalanse på grunn av designets energiintensive natur. Men dette energi alternativet tilbyr interessante perspektiver når det gjelder energilagring, spesielt når det gjelder fornybare kilder.

Fuel Cell Pioneers

Konseptet ble effektivt demonstrert av Humphry Davy på begynnelsen av det nittende århundre. Dette ble fulgt av banebrytende arbeidet til Christian Friedrich Schonbein i 1838. På begynnelsen av 1960-tallet begynte NASA, i samarbeid med industrielle partnere, å utvikle generatorerav denne typen for bemannede romflyvninger. Dette resulterte i den første blokken av PEMFC.

En annen GE-forsker, Leonard Nidrach, har oppgradert Grubbs PEMFC ved å bruke platina som katalysator. Grubb-Niedrach ble videreutviklet i samarbeid med NASA og ble brukt av romprogrammet Gemini på slutten av 1960-tallet. International Fuel Cells (IFC, senere UTC Power) utviklet 1,5 kW-enheten for Apollo-romflyvninger. De sørget for strøm og drikkevann til astronautene under oppdraget. IFC utviklet deretter 12kW-enhetene som ble brukt til å gi strøm ombord for alle romfartøysflyvninger.

Bilelementet ble først oppfunnet av Grulle på 1960-tallet. GM brukte Union Carbide i "Electrovan"-bilen. Den ble kun brukt som firmabil, men kunne kjøre opptil 120 mil på full tank og nå hastigheter på opptil 70 mil i timen. Kordesch og Grulke eksperimenterte med en hydrogenmotorsykkel i 1966. Det var en cellehybrid med et NiCad-batteri i tandem som oppnådde imponerende 1,18L/100km. Dette trekket har avansert e-sykkelteknologi og kommersialisering av e-motorsykler.

I 2007 ble drivstoffkilder kommersialisert på en lang rekke områder, de begynte å bli solgt til sluttbrukere med skriftlige garantier og servicemuligheter, dvs. oppfyller kravene og standardene til en markedsøkonomi. Dermed begynte en rekke markedssegmenter å fokusere på etterspørselen. Spesielt tusenvis av hjelpekraftPEMFC- og DMFC-enheter (APU) har blitt kommersialisert i underholdningsapplikasjoner: båter, leker og treningssett.

Horizon i oktober 2009 viste det første kommersielle Dynario elektroniske systemet som kjører på metanolkassetter. Horizon brenselceller kan lade mobiltelefoner, GPS-systemer, kameraer eller digitale musikkspillere.

Hydrogenproduksjonsprosesser

Hydrogen brenselceller er stoffer som inneholder hydrogen som drivstoff. Hydrogendrivstoff er et nullutslippsdrivstoff som frigjør energi under forbrenning eller gjennom elektrokjemiske reaksjoner. Brenselceller og batterier produserer elektrisitet gjennom en kjemisk reaksjon, men førstnevnte vil produsere strøm så lenge det er drivstoff, og dermed aldri miste ladningen.

Termiske prosesser for å produsere hydrogen involverer vanligvis dampreformering, en høytemperaturprosess der damp reagerer med en hydrokarbonkilde for å frigjøre hydrogen. Mange naturlige drivstoff kan reformeres for å produsere hydrogen.

I dag produseres omtrent 95 % av hydrogen fra gassreformering. Vann deles til oksygen og hydrogen ved elektrolyse, i en enhet som fungerer som en Horizon zero brenselcelle i revers.

Solbaserte prosesser

De bruker lys som et middel for å produsere hydrogen. Finnesflere prosesser basert på solcellepaneler:

1. photobiological;
2. fotoelektrokjemisk;
3. sunny;
4. termokjemisk.

Fotobiologiske prosesser bruker den naturlige fotosyntetiske aktiviteten til bakterier og grønne alger.

Fotoelektrokjemiske prosesser er spesialiserte halvledere for å separere vann til hydrogen og oksygen.

Termokjemisk hydrogensolenergiproduksjon bruker konsentrert solenergi for vannseparasjonsreaksjoner sammen med andre arter som metalloksider.

Biologiske prosesser bruker mikrober som bakterier og mikroalger og kan produsere hydrogen gjennom biologiske reaksjoner. I mikrobiell biomassekonvertering bryter mikrober ned organisk materiale som biomasse, mens mikrober i fotobiologiske prosesser bruker sollys som kilde.

Generasjonskomponenter

Enheter av elementer er laget av flere deler. Hver har tre hovedkomponenter:

• anode;
• cathode;
• ledende elektrolytt.

I tilfellet med Horizon brenselceller, hvor hver elektrode er laget av et materiale med stort overflateareal impregnert med en platinalegeringskatalysator, er elektrolyttmaterialet en membran og fungerer som en ioneleder. Elektrisk produksjon er drevet av to primære kjemiske reaksjoner. For elementer som bruker renH_2.

Hydrogengass ved anoden splittes i protoner og elektroner. Førstnevnte føres gjennom elektrolyttmembranen, og sistnevnte strømmer rundt den og genererer en elektrisk strøm. Ladede ioner (H + og e -) kombineres med O_{2 ved katoden, og frigjør vann og varme. De mange miljøspørsmålene som påvirker verden i dag, mobiliserer samfunnet for å oppnå bærekraftig utvikling og fremgang mot å beskytte planeten. Her i sammenhengen er nøkkelfaktoren utskifting av de faktiske grunnleggende energiressursene med andre som fullt ut kan tilfredsstille menneskelige behov.}

De aktuelle elementene er nettopp en slik enhet, takket være at dette aspektet finner den mest sannsynlige løsningen, siden det er mulig å få elektrisk energi fra rent drivstoff med høy effektivitet og uten CO-utslipp_2.

platinakatalysatorer

Platina er svært aktivt for hydrogenoksidasjon og fortsetter å være det vanligste elektrokatalysatormaterialet. Et av Horizons hovedområder for forskning ved bruk av platinareduserte brenselceller er i bilindustrien, hvor konstruerte katalysatorer laget av platinananopartikler støttet på ledende karbon er planlagt i nær fremtid. Disse materialene har fordelen av svært spredte nanopartikler, høyt elektrokatalytisk overflateareal (ESA) og minimal partikkelvekst ved høye temperaturer, selv ved høyere Pt-belastningsnivåer.

Pt-holdige legeringer er nyttige for enheter som kjører på spesialiserte drivstoffkilder som metanol eller reformering (H₂, CO₂, CO og N_{2). Pt/Ru-legeringene har vist forbedret ytelse i forhold til rene elektrokjemiske Pt-katalysatorer når det gjelder metanoloksidasjon og ingen mulighet for karbonmonoksidforgiftning. Pt 3 Co er en annen katalysator av interesse (spesielt for Horizon brenselcellekatoder) og har vist forbedret oksygenreduksjonsreaksjonseffektivitet samt høy stabilitet.}

Pt/C og Pt 3 Co/C-katalysatorer som viser svært spredte nanopartikler på overflatekarbonsubstrater. Det er flere nøkkelkrav å vurdere når du velger en brenselcelleelektrolytt:

1. Høy protonledningsevne.
2. Høy kjemisk og termisk stabilitet.
3. Lav gasspermeabilitet.

hydrogenenergikilde

Hydrogen er det enkleste og mest tallrike grunnstoffet i universet. Det er en viktig komponent i vann, olje, naturgass og hele den levende verden. Til tross for sin enkelhet og overflod, er hydrogen sjelden funnet i sin naturlige gassform på jorden. Det er nesten alltid kombinert med andre elementer. Og det kan komme fra olje, naturgass, biomasse eller ved å separere vann ved hjelp av solenergi eller elektrisk energi.

Når hydrogen er dannet som molekylært H₂, kan energien som er tilstede i molekylet frigjøres ved interaksjonmed O₂. Dette kan oppnås med enten forbrenningsmotorer eller hydrogen brenselceller. I dem omdannes energien H_{2 til elektrisk strøm med lavt effekttap. Dermed er hydrogen en energibærer for å flytte, lagre og levere energi produsert fra andre kilder.}

Filtre for strømmoduler

Å skaffe alternative energielementer er umulig uten bruk av spesielle filtre. Klassiske filtre hjelper til med utviklingen av kraftmoduler av elementer i forskjellige land i verden på grunn av høykvalitetsblokker. Filtre leveres for å klargjøre drivstoff som metanol for celleapplikasjoner.

Vanligvis inkluderer applikasjoner for disse kraftmodulene strømforsyning på avsidesliggende steder, reservestrøm for kritiske forsyninger, APU-er på små kjøretøy og marine applikasjoner som Project Pa-X-ell som er et prosjekt for å teste celler på passasjerskip.

Filterhus i rustfritt stål som løser filtreringsproblemer. I disse krevende bruksområdene spesifiserer null dawn brenselcelleprodusenter Classic Filters filterhus i rustfritt stål på grunn av produksjonsfleksibilitet, høyere kvalitetsstandarder, raske leveranser og konkurransedyktige priser.

Hydrogenteknologiplattform

Horizon Fuel Cell Technologies ble grunnlagt i Singapore i 2003 og har i dag 5 internasjonale datterselskaper. Oppdraget til firmaet erå gjøre en forskjell innen brenselceller ved å jobbe glob alt for å oppnå rask kommersialisering, lavere teknologikostnader og eliminere eldgamle barrierer for hydrogenforsyning. Firmaet startet med små og enkle produkter som krever lave mengder hydrogen som forberedelse til større og mer komplekse bruksområder. Ved å følge strenge retningslinjer og et veikart har Horizon raskt blitt verdens største sub-1000W bulkcelleprodusent, og betjener kunder i over 65 land med det bredeste utvalget av kommersielle produkter i bransjen.

Horizon-teknologiplattformen består av: PEM - Horizon zero dawn brenselceller (mikrodrivstoff og stabler) og deres materialer, hydrogenforsyning (elektrolyse, reformering og hydrolyse), hydrogenlagringsenheter og enheter.

Horizon har sluppet verdens første bærbare og personlige hydrogengenerator. HydroFill-stasjonen kan generere hydrogen ved å dekomponere vann i en tank og lagre det i HydroStick-patroner. De inneholder en absorberende legering av hydrogengass for å gi fast lagring. Patronene kan deretter settes inn i en MiniPak-lader som kan håndtere små drivstoffilterelementer.

Horizon or home hydrogen

Horizon Technologies lanserer hydrogenlading og energilagringssystem for hjemmebruk, og sparer energi hjemme for å lade bærbare enheter. Horizon utmerket seg i 2006 med "H-racer"-leketøyet, en liten hydrogendrevet bil kåret til "årets beste oppfinnelse". Horizon tilbyrdesentraliser energilagring hjemme med Hydrofill hydrogenladestasjon, som kan lade opp små bærbare og gjenbrukbare batterier. Dette hydrogenanlegget krever bare vann for å drive og generere strøm.

Arbeid kan utføres av nettet, solcellepaneler eller en vindturbin. Derfra hentes hydrogen fra stasjonens vanntank og lagres i fast form i små metallegeringsceller. Hydrofill Station, som selges for rundt $500, er en avantgardeløsning for telefoner. Hvor å finne Hydrofill brenselceller til denne prisen er ikke vanskelig for brukere, du trenger bare å spørre den aktuelle forespørselen på Internett.

Bilhydrogenlading

I likhet med batteridrevne elbiler bruker også de som drives av hydrogen strøm til å kjøre bilen. Men i stedet for å lagre denne elektrisiteten i batterier som tar timer å lade, genererer cellene energi om bord i bilen ved å reagere hydrogen og oksygen. Reaksjonen finner sted i nærvær av en elektrolytt - en ikke-metallisk leder, der den elektriske strømmen bæres av bevegelsen av ioner i enheter der Horizon zero brenselceller er utstyrt med protonutvekslingsmembraner. De fungerer som følger:

1. Hydrogengass tilføres "-"-anoden (A) til cellen, og oksygen ledes til den positive polen.
2. På anoden er katalysatoren platina,kaster elektroner fra hydrogenatomer, og etterlater "+"-ioner og frie elektroner. Bare ioner passerer gjennom membranen mellom anoden og katoden.
3. Elektroner lager elektrisk strøm ved å bevege seg langs en ekstern krets. Ved katoden kombineres elektroner og hydrogenioner med oksygen for å produsere vann som strømmer ut av cellen.

Til nå har to ting hindret storskalaproduksjon av hydrogendrevne kjøretøy: kostnad og hydrogenproduksjon. Inntil nylig var platinakatalysatoren, som deler hydrogen i et ion og et elektron, uoverkommelig dyr.

For noen år siden kostet hydrogenbrenselceller rundt 1 000 dollar for hver kilowatt strøm, eller ca 100 000 dollar for en bil. Ulike studier ble utført for å redusere kostnadene for prosjektet, inkludert å erstatte platinakatalysatoren med en platina-nikkel-legering som er 90 ganger mer effektiv. I fjor rapporterte det amerikanske energidepartementet at kostnadene for systemet hadde f alt til 61 dollar per kilowatt, noe som fortsatt er lite konkurransedyktig i bilindustrien.

Røntgen-tomografi

Denne ikke-destruktive testmetoden brukes til å studere strukturen til et to-lags element. Andre metoder som vanligvis brukes for å studere struktur:

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

Resultatene viser at porøsitetsfordelingen har et solid grunnlag for å beregne termisk og elektrisk ledningsevne, permeabilitet ogdiffusjon. Å måle porøsiteten til elementer er svært vanskelig på grunn av deres tynne, komprimerbare og inhomogene geometri. Resultatet viser at porøsiteten avtar med GDL-kompresjon.

Den porøse strukturen har en betydelig innvirkning på masseoverføringen i elektroden. Forsøket ble utført ved forskjellige varmpressingstrykk, som varierte fra 0,5 til 10 MPa. Ytelsen er hovedsakelig avhengig av platinametallet, hvis kostnad er svært høy. Diffusjon kan økes ved bruk av kjemiske bindemidler. I tillegg påvirker temperaturendringer elementets levetid og gjennomsnittlige ytelse. Nedbrytningshastigheten til høytemperatur-PEMFC-er er i utgangspunktet lav og øker deretter raskt. Dette brukes til å bestemme dannelsen av vann.

Problemer med kommersialisering

For å være kostnadskonkurransedyktig må kostnadene for brenselceller halveres og batterilevetiden forlenges tilsvarende. I dag er imidlertid driftskostnadene fortsatt mye høyere, siden produksjonskostnadene for hydrogen er mellom $2,5 og $3, og tilført hydrogen er usannsynlig å koste mindre enn $4/kg. For at cellen skal kunne konkurrere effektivt med batterier, bør den ha kort ladetid og minimere batteribytteprosessen.

For øyeblikket vil polymer brenselcelleteknologi koste US$49/kW når masseprodusert (minst 500 000 enheter per år). Men for å konkurrere med bilerintern forbrenning, bør brenselceller i biler nå rundt $36/kWh. Besparelser kan oppnås ved å redusere materialkostnadene (spesielt bruken av platina), øke strømtettheten, redusere systemkompleksiteten og øke holdbarheten. Det er flere utfordringer med å kommersialisere teknologien i stor skala, inkludert å overvinne en rekke tekniske barrierer.

Fremtidens tekniske utfordringer

Kostnaden for en stabel avhenger av materialet, teknikken og produksjonsteknikkene. Valg av materiale avhenger ikke bare av materialets egnethet for funksjonen, men også av bearbeidbarheten. Hovedoppgaver for elementene:

1. Reduser elektrokatalysatorbelastningen og øk aktiviteten.
2. Forbedre holdbarheten og reduser nedbrytning.
3. Optimalisering av elektrodedesign.
4. Forbedre toleransen for urenheter ved anoden.
5. Valg av materialer for komponenter. Den er hovedsakelig basert på kostnader uten å ofre ytelsen.
6. Systemfeiltoleranse.
7. Ytelsen til elementet avhenger hovedsakelig av styrken til membranen.

De viktigste GDL-parametrene som påvirker cellens ytelse er reagenspermeabilitet, elektrisk ledningsevne, termisk ledningsevne og mekanisk støtte. GDL-tykkelse er en viktig faktor. En tykkere membran gir bedre beskyttelse, mekanisk styrke, lengre diffusjonsveier og høyere termiske og elektriske motstandsnivåer.

Progressive trender

Blant de ulike typene elementer tilpasser PEMFC flere mobile applikasjoner (biler, bærbare datamaskiner, mobiltelefoner, etc.), og er derfor av økende interesse for et bredt spekter av produsenter. Faktisk har PEMFC mange fordeler som lav driftstemperatur, høy strømtetthetsstabilitet, lav vekt, kompakthet, lav kostnad og volumpotensial, lang levetid, rask oppstart og egnethet for periodisk drift.

PEMFC-teknologi er godt egnet for en rekke størrelser og brukes også med en rekke brensler når de behandles riktig for å produsere hydrogen. Som sådan finner den bruk fra den lille subwatt-skalaen helt opp til megawatt-skalaen. 88 % av totale forsendelser i 2016–2018 var PEMFC.