Fuel cells: mga uri, prinsipyo ng pagpapatakbo at mga feature

2024 May -akda: Howard Calhoun | [email protected]. Huling binago: 2024-01-02 14:03

Ang Hydrogen ay isang malinis na panggatong dahil gumagawa lamang ito ng tubig at nagbibigay ng malinis na enerhiya gamit ang renewable energy sources. Maaari itong maimbak sa isang fuel cell na gumagawa ng kuryente gamit ang isang electrochemical conversion device. Ang hydrogen ay ang pinagmumulan ng rebolusyonaryong enerhiya ng hinaharap, ngunit ang pag-unlad nito ay limitado pa rin. Mga dahilan: enerhiya na mahirap gawin, pagiging epektibo sa gastos at kaduda-dudang balanse ng enerhiya dahil sa likas na masinsinang enerhiya ng disenyo. Ngunit ang pagpipiliang ito ng enerhiya ay nag-aalok ng mga kawili-wiling pananaw sa mga tuntunin ng pag-iimbak ng enerhiya, lalo na pagdating sa mga nababagong mapagkukunan.

Fuel Cell Pioneers

Ang konsepto ay mabisang ipinakita ni Humphry Davy noong unang bahagi ng ikalabinsiyam na siglo. Sinundan ito ng gawaing pangunguna ni Christian Friedrich Schonbein noong 1838. Noong unang bahagi ng 1960s, ang NASA, sa pakikipagtulungan sa mga kasosyo sa industriya, ay nagsimulang bumuo ng mga generatorng ganitong uri para sa mga manned space flight. Nagresulta ito sa unang block ng PEMFC.

Ang isa pang GE researcher, si Leonard Nidrach, ay nag-upgrade ng PEMFC ng Grubb gamit ang platinum bilang catalyst. Ang Grubb-Niedrach ay higit pang binuo sa pakikipagtulungan sa NASA at ginamit ng Gemini space program noong huling bahagi ng 1960s. Ang International Fuel Cells (IFC, kalaunan ay UTC Power) ay bumuo ng 1.5 kW na device para sa Apollo space flight. Nagbigay sila ng kuryente gayundin ng tubig na inumin para sa mga astronaut sa kanilang misyon. Kasunod na binuo ng IFC ang 12kW unit na ginamit upang magbigay ng onboard power para sa lahat ng flight ng spacecraft.

Ang automotive element ay unang naimbento ni Grulle noong 1960s. Ginamit ng GM ang Union Carbide sa "Electrovan" na kotse. Ginamit lamang ito bilang kotse ng kumpanya, ngunit maaaring maglakbay ng hanggang 120 milya sa isang buong tangke at maabot ang bilis na hanggang 70 milya bawat oras. Nag-eksperimento sina Kordesch at Grulke sa isang hydrogen motorcycle noong 1966. Ito ay isang cell hybrid na may magkasabay na baterya ng NiCad na nakakuha ng kahanga-hangang 1.18L/100km. Ang hakbang na ito ay may advanced na teknolohiya ng e-bike at ang komersyalisasyon ng mga e-motorcycle.

Noong 2007, naging komersyalisado ang mga pinagmumulan ng gasolina sa isang malawak na iba't ibang mga lugar, nagsimula silang ibenta sa mga end user na may nakasulat na mga warranty at mga kakayahan sa serbisyo, i.e. matugunan ang mga kinakailangan at pamantayan ng isang ekonomiya sa pamilihan. Kaya, ang ilang mga segment ng merkado ay nagsimulang tumuon sa demand. Sa partikular, libu-libong auxiliary powerAng mga unit ng PEMFC at DMFC (APU) ay na-komersyal sa mga entertainment application: mga bangka, laruan, at training kit.

Ang Horizon noong Oktubre 2009 ay nagpakita ng unang komersyal na Dynario electronic system na tumatakbo sa mga methanol cartridge. Maaaring singilin ng mga Horizon fuel cell ang mga mobile phone, GPS system, camera o digital music player.

Mga proseso ng paggawa ng hydrogen

Ang Hydrogen fuel cells ay mga substance na naglalaman ng hydrogen bilang panggatong. Ang hydrogen fuel ay isang zero-emission fuel na naglalabas ng enerhiya sa panahon ng combustion o sa pamamagitan ng electrochemical reactions. Ang mga fuel cell at baterya ay gumagawa ng kuryente sa pamamagitan ng isang kemikal na reaksyon, ngunit ang una ay gagawa ng kuryente hangga't may gasolina, kaya hindi nawawala ang singil.

Ang mga thermal na proseso upang makabuo ng hydrogen ay karaniwang kinasasangkutan ng steam reforming, isang prosesong may mataas na temperatura kung saan ang singaw ay tumutugon sa pinagmumulan ng hydrocarbon upang maglabas ng hydrogen. Maraming natural na panggatong ang maaaring baguhin upang makagawa ng hydrogen.

Ngayon, humigit-kumulang 95% ng hydrogen ang nagagawa mula sa gas reforming. Ang tubig ay nahahati sa oxygen at hydrogen sa pamamagitan ng electrolysis, sa isang device na gumagana tulad ng Horizon zero fuel cell sa kabaligtaran.

Solar based na mga proseso

Gumagamit sila ng liwanag bilang ahente upang makagawa ng hydrogen. Umiiralilang proseso batay sa mga solar panel:

1. photobiological;
2. photoelectrochemical;
3. maaraw;
4. thermochemical.

Ginagamit ng mga prosesong photobiological ang natural na aktibidad ng photosynthetic ng bacteria at berdeng algae.

Ang mga proseso ng photoelectrochemical ay mga espesyal na semiconductor para sa paghihiwalay ng tubig sa hydrogen at oxygen.

Thermochemical hydrogen solar production ay gumagamit ng concentrated solar energy para sa water separation reaction kasama ng iba pang species gaya ng metal oxides.

Ang mga biological na proseso ay gumagamit ng mga microbes gaya ng bacteria at microalgae at maaaring makagawa ng hydrogen sa pamamagitan ng mga biological na reaksyon. Sa microbial biomass conversion, sinisira ng mga mikrobyo ang mga organikong bagay gaya ng biomass, habang sa mga prosesong photobiological, ginagamit ng mga mikrobyo ang sikat ng araw bilang pinagmumulan.

Mga bahagi ng henerasyon

Ang mga device ng mga elemento ay gawa sa ilang bahagi. Ang bawat isa ay may tatlong pangunahing bahagi:

• anode;
• cathode;
• conductive electrolyte.

Sa kaso ng Horizon fuel cells, kung saan ang bawat electrode ay gawa sa isang mataas na surface area na materyal na pinapagbinhi ng platinum alloy catalyst, ang electrolyte na materyal ay isang lamad at nagsisilbing ion conductor. Ang pagbuo ng elektrisidad ay hinihimok ng dalawang pangunahing reaksiyong kemikal. Para sa mga elemento na gumagamit ng dalisayH_2.

Hydrogen gas sa anode ay nahahati sa mga proton at electron. Ang una ay dinadala sa pamamagitan ng electrolyte membrane, at ang huli ay dumadaloy sa paligid nito, na bumubuo ng isang electric current. Ang mga naka-charge na ion (H + at e -) ay pinagsama sa O_{2 sa cathode, na naglalabas ng tubig at init. Ang maraming mga isyu sa kapaligiran na nakakaapekto sa mundo ngayon ay nagpapakilos sa lipunan upang makamit ang napapanatiling pag-unlad at pag-unlad patungo sa pagprotekta sa planeta. Dito sa konteksto, ang pangunahing salik ay ang pagpapalit ng aktwal na pangunahing mapagkukunan ng enerhiya sa iba na maaaring ganap na matugunan ang mga pangangailangan ng tao.}

Ang mga elementong pinag-uusapan ay isang ganoong device, salamat sa kung saan ang aspetong ito ay nakakahanap ng pinakamalamang na solusyon, dahil posibleng makakuha ng elektrikal na enerhiya mula sa malinis na gasolina na may mataas na kahusayan at walang CO emissions_2.

Platinum catalysts

Ang Platinum ay lubos na aktibo para sa hydrogen oxidation at patuloy na pinakakaraniwang electrocatalyst na materyal. Ang isa sa mga pangunahing lugar ng pagsasaliksik ng Horizon gamit ang mga platinum-reduced fuel cell ay nasa industriya ng automotive, kung saan ang mga engineered catalyst na ginawa mula sa mga platinum nanoparticle na sinusuportahan sa conductive carbon ay pinaplano sa malapit na hinaharap. Ang mga materyales na ito ay may bentahe ng napaka-dispersed na nanoparticle, mataas na electrocatalytic surface area (ESA), at kaunting paglaki ng particle sa mataas na temperatura, kahit na sa mas mataas na antas ng pag-load ng Pt.

Ang

Pt-containing alloys ay kapaki-pakinabang para sa mga device na tumatakbo sa mga espesyal na pinagmumulan ng gasolina gaya ng methanol o reforming (H₂, CO₂, CO at N_{2). Ang Pt/Ru alloys ay nagpakita ng pinabuting performance sa mga purong electrochemical na Pt catalyst sa mga tuntunin ng methanol oxidation at walang posibilidad ng pagkalason sa carbon monoxide. Ang Pt 3 Co ay isa pang catalyst ng interes (lalo na para sa Horizon fuel cell cathodes) at nagpakita ng pinahusay na oxygen reduction reaction efficiency pati na rin ang mataas na stability.}

Pt/C at Pt 3 Co/C catalysts na nagpapakita ng mataas na dispersed nanoparticle sa ibabaw ng mga carbon substrate. Mayroong ilang pangunahing kinakailangan na dapat isaalang-alang kapag pumipili ng fuel cell electrolyte:

1. Mataas na proton conductivity.
2. Mataas na kemikal at thermal stability.
3. Mababang gas permeability.

Pinagmumulan ng enerhiya ng hydrogen

Ang Hydrogen ay ang pinakasimple at pinakamaraming elemento sa uniberso. Ito ay isang mahalagang bahagi ng tubig, langis, natural na gas at ang buong buhay na mundo. Sa kabila ng pagiging simple at kasaganaan nito, ang hydrogen ay bihirang matagpuan sa natural na gas na estado nito sa Earth. Ito ay halos palaging pinagsama sa iba pang mga elemento. At maaari itong makuha mula sa langis, natural gas, biomass, o sa pamamagitan ng paghihiwalay ng tubig gamit ang solar o electric energy.

Kapag nabuo ang hydrogen bilang molekular H₂, ang enerhiya na nasa molekula ay maaaring ilabas sa pamamagitan ng pakikipag-ugnayanna may O₂. Ito ay maaaring makamit sa alinman sa panloob na combustion engine o hydrogen fuel cell. Sa kanila, ang enerhiya na H_{2 ay kino-convert sa electric current na may mababang pagkawala ng kuryente. Kaya, ang hydrogen ay isang carrier ng enerhiya para sa paglipat, pag-iimbak, at paghahatid ng enerhiya na ginawa mula sa iba pang mga mapagkukunan.}

Mga filter para sa mga power module

Imposible ang pagkuha ng mga alternatibong elemento ng enerhiya nang walang paggamit ng mga espesyal na filter. Nakakatulong ang mga klasikong filter sa pagbuo ng mga power module ng mga elemento sa iba't ibang bansa sa mundo dahil sa mataas na kalidad na mga bloke. Ang mga filter ay ibinibigay upang maghanda ng gasolina gaya ng methanol para sa mga cell application.

Karaniwang mga application para sa mga power module na ito ay kinabibilangan ng power supply sa mga malalayong lokasyon, backup na power para sa mga kritikal na supply, APU sa maliliit na sasakyan at marine application gaya ng Project Pa-X-ell na isang proyekto upang subukan ang mga cell sa mga pampasaherong barko.

Stainless steel filter housing na lumulutas sa mga problema sa pagsasala. Sa mga hinihinging application na ito, ang mga tagagawa ng zero dawn fuel cell ay tumutukoy sa mga Classic Filter na stainless steel filter housing dahil sa flexibility ng produksyon, mas mataas na kalidad na mga pamantayan, mabilis na paghahatid at mapagkumpitensyang presyo.

Hydrogen technology platform

Horizon Fuel Cell Technologies ay itinatag sa Singapore noong 2003 at ngayon ay may 5 internasyonal na subsidiary. Ang misyon ng kompanya ayupang makagawa ng pagbabago sa mga fuel cell sa pamamagitan ng pagtatrabaho sa buong mundo upang makamit ang mabilis na komersyalisasyon, babaan ang mga gastos sa teknolohiya at alisin ang mga lumang hadlang sa supply ng hydrogen. Nagsimula ang kompanya sa maliliit at simpleng mga produkto na nangangailangan ng mababang halaga ng hydrogen bilang paghahanda para sa mas malaki at mas kumplikadong mga aplikasyon. Sa pamamagitan ng pagsunod sa mga mahigpit na alituntunin at isang roadmap, mabilis na naging pinakamalaking sub-1000W bulk cell manufacturer ang Horizon, na naglilingkod sa mga customer sa mahigit 65 bansa na may pinakamalawak na seleksyon ng mga komersyal na produkto sa industriya.

Ang platform ng teknolohiya ng Horizon ay binubuo ng: PEM - Horizon zero dawn fuel cells (microfuel at stacks) at mga materyales ng mga ito, supply ng hydrogen (electrolysis, reforming at hydrolysis), mga hydrogen storage device at device.

Ang Horizon ay naglabas ng unang portable at personal na hydrogen generator sa mundo. Ang istasyon ng HydroFill ay maaaring makabuo ng hydrogen sa pamamagitan ng nabubulok na tubig sa isang tangke at pag-iimbak nito sa mga cartridge ng HydroStick. Naglalaman ang mga ito ng sumisipsip na haluang metal ng hydrogen gas upang magbigay ng solidong imbakan. Ang mga cartridge ay maaaring ipasok sa isang MiniPak charger na kayang humawak ng maliliit na elemento ng filter ng gasolina.

Horizon o home hydrogen

Ang Horizon Technologies ay naglulunsad ng hydrogen charging at energy storage system para sa paggamit sa bahay, na nagtitipid ng enerhiya sa bahay para makapag-charge ng mga portable na device. Nakilala ang Horizon noong 2006 sa laruang "H-racer", isang maliit na sasakyang pinapagana ng hydrogen ang bumoto ng "pinakamahusay na imbensyon" ng taon. Nag-aalok ang Horizondesentralisahin ang pag-iimbak ng enerhiya sa bahay gamit ang Hydrofill hydrogen charging station nito, na nakakapag-recharge ng maliliit na portable at magagamit muli na mga baterya. Ang hydrogen plant na ito ay nangangailangan lamang ng tubig upang tumakbo at makabuo ng kuryente.

Ang trabaho ay maaaring ibigay ng grid, solar panel o wind turbine. Mula doon, ang hydrogen ay kinukuha mula sa tangke ng tubig ng istasyon at iniimbak sa solidong anyo sa maliliit na metal na haluang metal na mga selula. Ang Hydrofill Station, na nagtitingi ng humigit-kumulang $500, ay isang avant-garde na solusyon para sa mga telepono. Kung saan makakahanap ng Hydrofill fuel cell sa presyong ito ay hindi mahirap para sa mga user, kailangan mo lang magtanong ng naaangkop na kahilingan sa Internet.

Car hydrogen charging

Tulad ng mga de-koryenteng sasakyan na pinapagana ng baterya, ang mga pinapagana ng hydrogen ay gumagamit din ng kuryente sa pagmamaneho ng kotse. Ngunit sa halip na itago ang kuryenteng ito sa mga baterya na tumatagal ng ilang oras upang mag-charge, ang mga cell ay bumubuo ng enerhiya sa sasakyan sa pamamagitan ng pag-react sa hydrogen at oxygen. Ang reaksyon ay nagaganap sa pagkakaroon ng isang electrolyte - isang non-metallic conductor, kung saan ang daloy ng kuryente ay dinadala ng paggalaw ng mga ions sa mga device kung saan ang Horizon zero fuel cells ay nilagyan ng proton-exchange membranes. Gumagana ang mga ito tulad ng sumusunod:

1. Ang hydrogen gas ay ibinibigay sa "-" anode (A) ng cell, at ang oxygen ay nakadirekta sa positive pole.
2. Sa anode ang catalyst ay platinum,itinatapon ang mga electron mula sa mga atomo ng hydrogen, na nag-iiwan ng mga "+" na ion at mga libreng elektron. Tanging mga ion lang ang dumadaan sa lamad na matatagpuan sa pagitan ng anode at cathode.
3. Ang mga electron ay lumilikha ng electric current sa pamamagitan ng paggalaw sa isang panlabas na circuit. Sa cathode, ang mga electron at hydrogen ions ay nagsasama sa oxygen upang makagawa ng tubig na dumadaloy palabas ng cell.

Hanggang ngayon, dalawang bagay ang humadlang sa malakihang produksyon ng mga sasakyang pinapagana ng hydrogen: gastos at produksyon ng hydrogen. Hanggang kamakailan lamang, ang platinum catalyst, na naghahati ng hydrogen sa isang ion at isang electron, ay napakamahal.

Ilang taon na ang nakalipas, ang mga hydrogen fuel cell ay nagkakahalaga ng humigit-kumulang $1,000 para sa bawat kilowatt ng kuryente, o humigit-kumulang $100,000 para sa isang kotse. Iba't ibang pag-aaral ang isinagawa upang mabawasan ang gastos ng proyekto, kabilang ang pagpapalit ng platinum catalyst ng platinum-nickel alloy na 90 beses na mas mahusay. Noong nakaraang taon, iniulat ng US Department of Energy na ang halaga ng system ay bumaba sa $61 kada kilowatt, hindi pa rin mapagkumpitensya sa industriya ng automotive.

X-ray computed tomography

Ang hindi mapanirang paraan ng pagsubok na ito ay ginagamit upang pag-aralan ang istruktura ng isang dalawang-layer na elemento. Iba pang mga paraan na karaniwang ginagamit sa pag-aaral ng istraktura:

• mercury intrusion porosimetry;
• atomic force microscopy;
• optical profilometry.

Ang mga resulta ay nagpapakita na ang porosity distribution ay may matibay na batayan para sa pagkalkula ng thermal at electrical conductivity, permeability atpagsasabog. Ang pagsukat ng porosity ng mga elemento ay napakahirap dahil sa kanilang manipis, compressible at inhomogeneous geometry. Ipinapakita ng resulta na bumababa ang porosity sa GDL compression.

Ang porous na istraktura ay may malaking epekto sa mass transfer sa electrode. Ang eksperimento ay isinagawa sa iba't ibang mga hot pressing pressure, na mula 0.5 hanggang 10 MPa. Ang pagganap ay higit sa lahat ay nakasalalay sa platinum na metal, ang halaga nito ay napakataas. Ang pagsasabog ay maaaring tumaas sa pamamagitan ng paggamit ng mga chemical binder. Bilang karagdagan, ang mga pagbabago sa temperatura ay nakakaapekto sa buhay at average na pagganap ng elemento. Ang rate ng pagkasira ng mataas na temperatura na mga PEMFC ay sa simula ay mababa at pagkatapos ay mabilis na tumataas. Ito ay ginagamit upang matukoy ang pagbuo ng tubig.

Mga problema sa komersyalisasyon

Upang maging cost-competitive, ang mga gastos sa fuel cell ay dapat na hatiin sa kalahati at ang buhay ng baterya sa parehong paraan ay pahabain. Ngayon, gayunpaman, ang mga gastos sa pagpapatakbo ay mas mataas pa rin, dahil ang mga gastos sa produksyon ng hydrogen ay nasa pagitan ng $2.5 at $3, at ang ibinibigay na hydrogen ay malamang na hindi nagkakahalaga ng mas mababa sa $4/kg. Upang epektibong makipagkumpitensya ang cell sa mga baterya, dapat itong magkaroon ng maikling oras ng pag-charge at mabawasan ang proseso ng pagpapalit ng baterya.

Sa kasalukuyan, ang polymer fuel cell technology ay nagkakahalaga ng US$49/kW kapag mass-produced (hindi bababa sa 500,000 units kada taon). Gayunpaman, upang makipagkumpitensya sa mga kotseinternal combustion, ang mga automotive fuel cell ay dapat umabot ng humigit-kumulang $36/kWh. Ang mga pagtitipid ay maaaring makamit sa pamamagitan ng pagbabawas ng mga gastos sa materyal (sa partikular, ang paggamit ng platinum), pagtaas ng density ng kuryente, pagbabawas ng pagiging kumplikado ng system at pagtaas ng tibay. Mayroong ilang mga hamon sa pag-komersyal ng teknolohiya sa malawakang saklaw, kabilang ang pagtagumpayan ng ilang teknikal na hadlang.

Mga teknikal na hamon sa hinaharap

Ang halaga ng isang stack ay depende sa materyal, teknik, at mga diskarte sa pagmamanupaktura. Ang pagpili ng materyal ay nakasalalay hindi lamang sa pagiging angkop ng materyal para sa pag-andar, kundi pati na rin sa kakayahang magamit. Mga pangunahing gawain ng mga elemento:

1. Bawasan ang electrocatalyst load at dagdagan ang aktibidad.
2. Pagbutihin ang tibay at bawasan ang pagkasira.
3. Pag-optimize ng disenyo ng electrode.
4. Pagbutihin ang tolerance ng mga impurities sa anode.
5. Pagpili ng mga materyales para sa mga bahagi. Pangunahin itong nakabatay sa gastos nang hindi sinasakripisyo ang pagganap.
6. System fault tolerance.
7. Ang pagganap ng elemento ay pangunahing nakadepende sa lakas ng lamad.

Ang mga pangunahing parameter ng GDL na nakakaapekto sa performance ng cell ay ang reagent permeability, electrical conductivity, thermal conductivity, at mechanical support. Ang kapal ng GDL ay isang mahalagang kadahilanan. Ang mas makapal na lamad ay nagbibigay ng mas mahusay na proteksyon, mekanikal na lakas, mas mahabang diffusion path, at mas mataas na antas ng thermal at electrical resistance.

Mga progresibong trend

Sa iba't ibang uri ng elemento, ang PEMFC ay nag-a-adapt ng higit pang mga mobile application (mga kotse, laptop, mobile phone, atbp.), samakatuwid, ay nagpapalaki ng interes sa isang malawak na hanay ng mga manufacturer. Sa katunayan, maraming pakinabang ang PEMFC gaya ng mababang operating temperature, high current density stability, light weight, compactness, low cost at volume potential, mahabang buhay ng serbisyo, mabilis na mga startup, at pagiging angkop para sa pasulput-sulpot na operasyon.

Ang teknolohiyang PEMFC ay angkop na angkop sa iba't ibang laki at ginagamit din ito sa iba't ibang panggatong kapag naproseso nang maayos upang makagawa ng hydrogen. Dahil dito, nakakahanap ito ng paggamit mula sa maliit na subwatt scale hanggang sa megawatt scale. 88% ng kabuuang mga pagpapadala noong 2016-2018 ay PEMFC.