Gorivne celice: vrste, princip delovanja in značilnosti

2024 Avtor: Howard Calhoun | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-02 14:02

Vodik je čisto gorivo, saj proizvaja samo vodo in zagotavlja čisto energijo z uporabo obnovljivih virov energije. Lahko se shrani v gorivni celici, ki proizvaja električno energijo s pomočjo naprave za elektrokemično pretvorbo. Vodik je vir revolucionarne energije prihodnosti, vendar je njegov razvoj še vedno zelo omejen. Razlogi: energija, ki jo je težko proizvesti, stroškovna učinkovitost in vprašljiva energetska bilanca zaradi energetsko intenzivne narave zasnove. Toda ta energetska možnost ponuja zanimive perspektive v smislu shranjevanja energije, zlasti ko gre za obnovljive vire.

Pionirji gorivnih celic

Koncept je učinkovito pokazal Humphry Davy v zgodnjem devetnajstem stoletju. Sledilo je pionirsko delo Christiana Friedricha Schonbeina leta 1838. V zgodnjih šestdesetih letih prejšnjega stoletja je NASA v sodelovanju z industrijskimi partnerji začela razvijati generatorjete vrste za vesoljske lete s posadko. To je povzročilo prvi blok PEMFC.

Drug GE raziskovalec, Leonard Nidrach, je nadgradil Grubbov PEMFC z uporabo platine kot katalizatorja. Grubb-Niedrach je bil nadalje razvit v sodelovanju z NASA in ga je uporabil vesoljski program Gemini v poznih šestdesetih letih prejšnjega stoletja. International Fuel Cells (IFC, kasneje UTC Power) je razvil 1,5 kW napravo za vesoljske lete Apollo. Med misijo so astronavtom zagotovili elektriko in pitno vodo. IFC je nato razvil enote z močjo 12 kW, ki se uporabljajo za zagotavljanje energije na krovu za vse lete vesoljskih plovil.

Avtomobilski element je prvi izumil Grulle v 1960-ih. GM je v avtomobilu "Electrovan" uporabil Union Carbide. Uporabljali so ga le kot službeno vozilo, vendar je lahko prevozil do 120 milj s polnim rezervoarjem in dosegel hitrost do 70 milj na uro. Kordesch in Grulke sta leta 1966 eksperimentirala z vodikovim motociklom. To je bil celični hibrid z NiCad baterijo v tandemu, ki je dosegel impresivnih 1,18 L/100 km. Ta poteza je omogočila napredno tehnologijo e-koles in komercializacijo e-motornih koles.

V letu 2007 so se viri goriva komercializirali na najrazličnejših področjih, začeli so jih prodajati končnim uporabnikom s pisnimi garancijami in servisnimi zmogljivostmi, t.j. izpolnjujejo zahteve in standarde tržnega gospodarstva. Tako so se številni tržni segmenti začeli osredotočati na povpraševanje. Zlasti na tisoče pomožne močiEnote PEMFC in DMFC (APU) so bile komercializirane v zabavnih aplikacijah: čolni, igrače in kompleti za usposabljanje.

Horizon je oktobra 2009 pokazal prvi komercialni elektronski sistem Dynario, ki deluje na metanolnih kartušah. Gorivne celice Horizon lahko polnijo mobilne telefone, GPS sisteme, kamere ali digitalne predvajalnike glasbe.

procesi proizvodnje vodika

Vodkove gorivne celice so snovi, ki vsebujejo vodik kot gorivo. Vodikovo gorivo je gorivo brez emisij, ki sprošča energijo med zgorevanjem ali z elektrokemijskimi reakcijami. Gorivne celice in baterije proizvajajo električno energijo s kemično reakcijo, vendar bodo prve proizvajale moč, dokler je gorivo, in tako nikoli ne izgubijo napolnjenosti.

Termični procesi za proizvodnjo vodika običajno vključujejo parno reformiranje, visokotemperaturni proces, kjer para reagira z virom ogljikovodikov, da sprosti vodik. Veliko naravnih goriv je mogoče reformirati za proizvodnjo vodika.

Danes se približno 95 % vodika proizvede z reformiranjem plina. Voda se z elektrolizo razdeli na kisik in vodik v napravi, ki deluje kot gorivna celica Horizon nič v obratni smeri.

Procesi, ki temeljijo na soncu

Uporabljajo svetlobo kot sredstvo za proizvodnjo vodika. Obstajaveč procesov, ki temeljijo na sončnih kolektorjih:

1. fotobiološki;
2. fotoelektrokemična;
3. sončno;
4. termokemikalija.

Fotobiološki procesi uporabljajo naravno fotosintetično aktivnost bakterij in zelenih alg.

Fotoelektrokemični procesi so specializirani polprevodniki za ločevanje vode na vodik in kisik.

Termokemična sončna proizvodnja vodika uporablja koncentrirano sončno energijo za reakcijo ločevanja vode skupaj z drugimi vrstami, kot so kovinski oksidi.

Biološki procesi uporabljajo mikrobe, kot so bakterije in mikroalge, in lahko z biološkimi reakcijami proizvajajo vodik. Pri pretvorbi mikrobne biomase mikrobi razgrajujejo organsko snov, kot je biomasa, medtem ko pri fotobioloških procesih mikrobi uporabljajo sončno svetlobo kot vir.

generacijske komponente

Naprave elementov so sestavljene iz več delov. Vsaka ima tri glavne komponente:

• anoda;
• katoda;
• prevodni elektrolit.

V primeru gorivnih celic Horizon, kjer je vsaka elektroda izdelana iz materiala z veliko površino, impregniranega s katalizatorjem iz platinaste zlitine, je material elektrolita membrana in služi kot ionski prevodnik. Električno proizvodnjo poganjata dve primarni kemični reakciji. Za elemente, ki uporabljajo pureH_2.

Plin vodik na anodi se razdeli na protone in elektrone. Prvi se prenašajo skozi elektrolitsko membrano, drugi pa tečejo okoli nje in ustvarjajo električni tok. Nabiti ioni (H + in e -) se združijo z O_{2 na katodi, pri čemer sproščajo vodo in toploto. Številna okoljska vprašanja, ki vplivajo na današnji svet, mobilizirajo družbo za doseganje trajnostnega razvoja in napredka pri zaščiti planeta. Tukaj v kontekstu je ključni dejavnik zamenjava dejanskih osnovnih energetskih virov z drugimi, ki lahko v celoti zadovoljijo človeške potrebe.}

Zadevni elementi so ravno takšna naprava, zahvaljujoč kateri ta vidik najde najverjetnejšo rešitev, saj je možno pridobiti električno energijo iz čistega goriva z visokim izkoristkom in brez emisij CO_2.

Platinasti katalizatorji

Platina je zelo aktivna za oksidacijo vodika in je še vedno najpogostejši material elektrokatalizatorja. Eno od glavnih področij Horizona, ki raziskuje uporabo gorivnih celic z zmanjšano vsebnostjo platine, je avtomobilska industrija, kjer so v bližnji prihodnosti načrtovani inženirski katalizatorji iz platinskih nanodelcev, podprtih na prevodnem ogljiku. Ti materiali imajo prednost visoko razpršenih nanodelcev, visoke elektrokatalitične površine (ESA) in minimalne rasti delcev pri povišanih temperaturah, tudi pri višjih nivojih obremenitve Pt.

Zlitine, ki vsebujejo Pt, so uporabne za naprave, ki delujejo na specializiranih virih goriva, kot je metanol ali reforming (H₂, CO₂, CO in N_{2). Zlitine Pt/Ru so pokazale izboljšano zmogljivost v primerjavi s čistimi elektrokemičnimi Pt katalizatorji v smislu oksidacije metanola in brez možnosti zastrupitve z ogljikovim monoksidom. Pt 3 Co je še en zanimiv katalizator (zlasti za katode gorivnih celic Horizon) in je pokazal izboljšano reakcijsko učinkovitost zmanjšanja kisika in visoko stabilnost.}

Pt/C in Pt 3 Co/C katalizatorji, ki prikazujejo visoko razpršene nanodelce na površinskih ogljikovih substratih. Pri izbiri elektrolita gorivnih celic je treba upoštevati več ključnih zahtev:

1. Visoka protonska prevodnost.
2. Visoka kemična in termična stabilnost.
3. Nizka prepustnost plina.

Vir vodikovega energenta

Vodik je najpreprostejši in najbolj razširjen element v vesolju. Je pomembna sestavina vode, nafte, zemeljskega plina in celotnega živega sveta. Kljub svoji preprostosti in številčnosti se vodik na Zemlji redko nahaja v naravnem plinastem stanju. Skoraj vedno je v kombinaciji z drugimi elementi. Lahko se pridobi iz nafte, zemeljskega plina, biomase ali z ločevanjem vode s sončno ali električno energijo.

Ko nastane vodik kot molekularni H₂, se energija, prisotna v molekuli, lahko sprosti z interakcijoz O₂. To je mogoče doseči z motorji z notranjim zgorevanjem ali z vodikovimi gorivnimi celicami. V njih se energija H_{2 pretvori v električni tok z majhnimi izgubami moči. Tako je vodik nosilec energije za premikanje, shranjevanje in dostavo energije, proizvedene iz drugih virov.}

Filtri za napajalne module

Pridobivanje alternativnih energetskih elementov je nemogoče brez uporabe posebnih filtrov. Klasični filtri pomagajo pri razvoju napajalnih modulov elementov v različnih državah sveta zaradi visokokakovostnih blokov. Filtri so dobavljeni za pripravo goriva, kot je metanol za aplikacije v celicah.

Običajno aplikacije za te napajalne module vključujejo napajanje na oddaljenih lokacijah, rezervno napajanje za kritične oskrbe, APU-je na majhnih vozilih in pomorske aplikacije, kot je projekt Pa-X-ell, ki je projekt za testiranje celic na potniških ladjah.

Ohišja filtrov iz nerjavnega jekla, ki rešujejo težave s filtracijo. V teh zahtevnih aplikacijah proizvajalci gorivnih celic z zero dawn določajo ohišja filtrov iz nerjavnega jekla Classic Filters zaradi fleksibilnosti proizvodnje, višjih standardov kakovosti, hitre dobave in konkurenčnih cen.

vodikova tehnološka platforma

Horizon Fuel Cell Technologies je bila ustanovljena v Singapurju leta 2003 in ima danes 5 mednarodnih podružnic. Poslanstvo podjetja jenarediti razliko v gorivnih celicah z globalnim delovanjem za hitro komercializacijo, nižje stroške tehnologije in odpravo starodavnih ovir za oskrbo z vodikom. Podjetje je začelo z majhnimi in preprostimi izdelki, ki zahtevajo nizke količine vodika kot pripravo za večje in bolj zapletene aplikacije. Z upoštevanjem strogih smernic in časovnega načrta je Horizon hitro postal največji svetovni proizvajalec celic pod 1000 W, ki služi strankam v več kot 65 državah z najširšo izbiro komercialnih izdelkov v industriji.

Tehnološka platforma Horizon je sestavljena iz: PEM - gorivnih celic Horizon zero dawn (mikrogoriva in skladi) in njihovih materialov, oskrbe z vodikom (elektroliza, reformiranje in hidroliza), naprav in naprav za shranjevanje vodika.

Horizon je izdal prvi prenosni in osebni generator vodika na svetu. Postaja HydroFill lahko proizvaja vodik z razgradnjo vode v rezervoarju in shranjevanjem v kartušah HydroStick. Vsebujejo vpojno zlitino vodikovega plina, ki zagotavlja trdno shranjevanje. Kartuše lahko nato vstavite v polnilnik MiniPak, ki lahko prenese majhne filtrske elemente za gorivo.

Horizon ali domači vodik

Horizon Technologies lansira sistem za polnjenje z vodikom in shranjevanje energije za domačo uporabo, ki varčuje z energijo doma za polnjenje prenosnih naprav. Horizon se je leta 2006 odlikoval z igračo "H-racer", majhnim avtomobilom na vodikov pogon, ki je bil izbran za "najboljši izum" leta. Ponudbe Horizondecentralizirajte shranjevanje energije doma s svojo vodikovo polnilno postajo Hydrofill, ki lahko polni majhne prenosne baterije in baterije za večkratno uporabo. Ta vodikova elektrarna potrebuje samo vodo za delovanje in proizvodnjo energije.

Delo je mogoče zagotoviti z omrežjem, sončnimi kolektorji ali vetrno turbino. Od tam se vodik ekstrahira iz rezervoarja za vodo postaje in shrani v trdni obliki v majhnih celicah iz kovinskih zlitin. Hydrofill Station, ki se prodaja na drobno za približno 500 $, je avantgardna rešitev za telefone. Kje najti gorivne celice Hydrofill po tej ceni, uporabnikom ni težko, le ustrezno povpraševanje morate vprašati na internetu.

Punjenje z vodikom v avtomobilu

Tako kot električni avtomobili na baterije, tudi tisti, ki jih poganja vodik, uporabljajo elektriko za pogon avtomobila. Toda namesto da bi shranili to elektriko v baterije, ki se polnijo ure in ure, celice proizvajajo energijo v avtomobilu z reakcijo vodika in kisika. Reakcija poteka v prisotnosti elektrolita - nekovinskega prevodnika, v katerem se električni tok izvaja s gibanjem ionov v napravah, kjer so gorivne celice Horizon nič opremljene z membranami za izmenjavo protonov. Delujejo na naslednji način:

1. Plin vodik se dovaja na "-" anodo (A) celice, kisik pa je usmerjen na pozitivni pol.
2. Na anodi je katalizator platina,zavrže elektrone iz vodikovih atomov, pri čemer ostanejo ioni "+" in prosti elektroni. Samo ioni prehajajo skozi membrano, ki se nahaja med anodo in katodo.
3. Elektroni ustvarjajo električni tok s premikanjem vzdolž zunanjega vezja. Na katodi se elektroni in vodikovi ioni združijo s kisikom, da nastane voda, ki teče iz celice.

Do zdaj sta obsežno proizvodnjo vozil na vodikov pogon ovirali dve stvari: stroški in proizvodnja vodika. Do nedavnega je bil platinasti katalizator, ki razdeli vodik na ion in elektron, previsoko drag.

Pred nekaj leti so vodikove gorivne celice stal približno 1.000 $ za vsak kilovat moči ali približno 100.000 $ za avto. Za znižanje stroškov projekta so bile izvedene različne študije, vključno z zamenjavo platinskega katalizatorja z zlitino platine in niklja, ki je 90-krat učinkovitejša. Lani je ameriško ministrstvo za energijo poročalo, da so stroški sistema padli na 61 dolarjev na kilovat, kar je še vedno nekonkurenčno v avtomobilski industriji.

rentgenska računalniška tomografija

Ta metoda neporušnega testiranja se uporablja za preučevanje strukture dvoslojnega elementa. Druge metode, ki se običajno uporabljajo za študij strukture:

• porozimetrija vdora živega srebra;
• mikroskopija z atomsko silo;
• optična profilometrija.

Rezultati kažejo, da ima porazdelitev poroznosti trdno osnovo za izračun toplotne in električne prevodnosti, prepustnosti indifuzijo. Merjenje poroznosti elementov je zelo težko zaradi njihove tanke, stisljive in nehomogene geometrije. Rezultat kaže, da se poroznost zmanjša s stiskanjem GDL.

Porozna struktura ima pomemben vpliv na prenos mase v elektrodi. Poskus je bil izveden pri različnih tlakih vročega stiskanja, ki so se gibali od 0,5 do 10 MPa. Učinkovitost je v glavnem odvisna od kovine platine, katere stroški so zelo visoki. Difuzijo je mogoče povečati z uporabo kemičnih veziv. Poleg tega temperaturne spremembe vplivajo na življenjsko dobo in povprečno zmogljivost elementa. Hitrost razgradnje visokotemperaturnih PEMFC je sprva nizka, nato pa hitro narašča. To se uporablja za določanje tvorbe vode.

Problemi komercializacije

Za stroškovno konkurenčnost je treba stroške gorivnih celic prepoloviti in podobno podaljšati življenjsko dobo baterije. Danes pa so obratovalni stroški še vedno precej višji, saj so stroški proizvodnje vodika med 2,5 in 3 dolarji, dobavljeni vodik pa verjetno ne bo stal manj kot 4 dolarje/kg. Da bi celica učinkovito tekmovala z baterijami, mora imeti kratek čas polnjenja in čim bolj zmanjšati postopek zamenjave baterije.

Trenutno bo tehnologija polimernih gorivnih celic v množični proizvodnji stala 49 USD/kW (vsaj 500.000 enot na leto). Vendar, da bi konkurirali avtomobilomz notranjim zgorevanjem, naj bi avtomobilske gorivne celice dosegle približno 36 $/kWh. Prihranke je mogoče doseči z zmanjšanjem stroškov materiala (zlasti z uporabo platine), povečanjem gostote moči, zmanjšanjem kompleksnosti sistema in povečanjem vzdržljivosti. Obstaja več izzivov za komercializacijo tehnologije v velikem obsegu, vključno s premagovanjem številnih tehničnih ovir.

Tehnični izzivi prihodnosti

Stroški sklada so odvisni od materiala, tehnike in proizvodnih tehnik. Izbira materiala ni odvisna le od primernosti materiala za funkcijo, temveč tudi od obdelovalnosti. Ključne naloge elementov:

1. Zmanjšajte obremenitev elektrokatalizatorja in povečajte aktivnost.
2. Izboljšajte vzdržljivost in zmanjšajte degradacijo.
3. Optimizacija zasnove elektrod.
4. Izboljšajte toleranco nečistoč na anodi.
5. Izbor materialov za komponente. Temelji predvsem na stroških brez žrtvovanja učinkovitosti.
6. Toleranca sistemskih napak.
7. Učinkovitost elementa je odvisna predvsem od trdnosti membrane.

Glavni parametri GDL, ki vplivajo na delovanje celice, so prepustnost reagenta, električna prevodnost, toplotna prevodnost in mehanska podpora. Debelina GDL je pomemben dejavnik. Debelejša membrana zagotavlja boljšo zaščito, mehansko trdnost, daljše difuzijske poti ter večjo toplotno in električno upornost.

Progresivni trendi

PEMFC med različnimi vrstami elementov prilagaja več mobilnih aplikacij (avtomobili, prenosniki, mobilni telefoni itd.), zato je vse bolj zanimiv za širok spekter proizvajalcev. Pravzaprav ima PEMFC številne prednosti, kot so nizka delovna temperatura, visoka stabilnost tokovne gostote, majhna teža, kompaktnost, nizki stroški in potencial prostornine, dolga življenjska doba, hiter zagon in primernost za občasno delovanje.

PEMFC tehnologija je zelo primerna za različne velikosti in se uporablja tudi z različnimi gorivi, če je pravilno obdelana za proizvodnjo vodika. Kot taka se uporablja od majhne subvatne lestvice pa vse do megavatne lestvice. 88 % vseh pošiljk v letih 2016–2018 je bilo PEMFC.