Brændselsceller: typer, funktionsprincip og funktioner

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-02 13:52

Brint er et rent brændstof, da det kun producerer vand og giver ren energi ved hjælp af vedvarende energikilder. Det kan opbevares i en brændselscelle, der producerer elektricitet ved hjælp af en elektrokemisk konverteringsenhed. Brint er kilden til fremtidens revolutionære energi, men dens udvikling er stadig meget begrænset. Årsager: energi, der er svær at producere, omkostningseffektivitet og tvivlsom energibalance på grund af designets energiintensive karakter. Men denne energimulighed tilbyder interessante perspektiver med hensyn til energilagring, især når det kommer til vedvarende kilder.

Fuel Cell Pioneers

Konceptet blev effektivt demonstreret af Humphry Davy i begyndelsen af det nittende århundrede. Dette blev efterfulgt af Christian Friedrich Schonbeins banebrydende arbejde i 1838. I begyndelsen af 1960'erne begyndte NASA i samarbejde med industrielle partnere at udvikle generatoreraf denne type til bemandede rumflyvninger. Dette resulterede i den første blok af PEMFC.

En anden GE-forsker, Leonard Nidrach, har opgraderet Grubbs PEMFC ved at bruge platin som katalysator. Grubb-Niedrach blev videreudviklet i samarbejde med NASA og blev brugt af Gemini rumprogrammet i slutningen af 1960'erne. International Fuel Cells (IFC, senere UTC Power) udviklede 1,5 kW-enheden til Apollo-rumflyvninger. De sørgede for elektricitet samt drikkevand til astronauterne under deres mission. IFC udviklede efterfølgende de 12 kW enheder, der blev brugt til at levere strøm ombord til alle rumfartøjsflyvninger.

Bilelementet blev først opfundet af Grulle i 1960'erne. GM brugte Union Carbide i "Electrovan"-bilen. Den blev kun brugt som firmabil, men kunne køre op til 120 miles på en fuld tank og nå hastigheder på op til 70 miles i timen. Kordesch og Grulke eksperimenterede med en brintmotorcykel i 1966. Det var en cellehybrid med et NiCad-batteri i tandem, der opnåede imponerende 1,18L/100 km. Dette træk har avanceret e-cykelteknologi og kommercialisering af e-motorcykler.

I 2007 blev brændstofkilder kommercialiseret inden for en lang række områder, de begyndte at blive solgt til slutbrugere med skriftlige garantier og servicemuligheder, dvs. opfylde kravene og standarderne i en markedsøkonomi. En række markedssegmenter begyndte således at fokusere på efterspørgslen. Især tusindvis af hjælpekraftPEMFC og DMFC (APU) enheder er blevet kommercialiseret i underholdningsapplikationer: både, legetøj og træningssæt.

Horizon i oktober 2009 viste det første kommercielle Dynario elektroniske system, der kører på methanol-patroner. Horizon brændselsceller kan oplade mobiltelefoner, GPS-systemer, kameraer eller digitale musikafspillere.

brintproduktionsprocesser

Brintbrændselsceller er stoffer, der indeholder brint som brændstof. Brintbrændstof er et nul-emissionsbrændstof, der frigiver energi under forbrænding eller gennem elektrokemiske reaktioner. Brændselsceller og batterier producerer elektricitet gennem en kemisk reaktion, men førstnævnte vil producere strøm, så længe der er brændstof, og dermed aldrig miste ladningen.

Termiske processer til fremstilling af brint involverer typisk dampreformering, en højtemperaturproces, hvor damp reagerer med en kulbrintekilde for at frigive brint. Mange naturlige brændstoffer kan omdannes til at producere brint.

I dag produceres cirka 95 % af brint fra gasreformering. Vand sp altes til oxygen og brint ved elektrolyse i en enhed, der fungerer som en Horizon zero-brændselscelle omvendt.

Solbaserede processer

De bruger lys som et middel til at producere brint. Eksistererflere processer baseret på solpaneler:

1. fotobiologisk;
2. fotoelektrokemisk;
3. solrigt;
4. termokemisk.

Fotobiologiske processer bruger den naturlige fotosyntetiske aktivitet af bakterier og grønne alger.

Fotoelektrokemiske processer er specialiserede halvledere til adskillelse af vand til brint og oxygen.

Termokemisk brintsolproduktion bruger koncentreret solenergi til vandseparationsreaktion sammen med andre arter såsom metaloxider.

Biologiske processer bruger mikrober såsom bakterier og mikroalger og kan producere brint gennem biologiske reaktioner. Ved mikrobiel biomasseomdannelse nedbryder mikrober organisk materiale såsom biomasse, mens mikrober i fotobiologiske processer bruger sollys som kilde.

Generationskomponenter

Enheder af elementer er lavet af flere dele. Hver har tre hovedkomponenter:

• anode;
• katode;
• ledende elektrolyt.

I tilfældet med Horizon-brændselsceller, hvor hver elektrode er lavet af et materiale med stort overfladeareal imprægneret med en platinlegeringskatalysator, er elektrolytmaterialet en membran og fungerer som en ionleder. Elektrisk produktion er drevet af to primære kemiske reaktioner. Til elementer, der bruger renH_2.

Brandgas ved anoden opdeles i protoner og elektroner. Førstnævnte føres gennem elektrolytmembranen, og sidstnævnte strømmer rundt om den og genererer en elektrisk strøm. Ladede ioner (H + og e -) kombineres med O_{2 ved katoden og frigiver vand og varme. De mange miljøproblemer, der påvirker verden i dag, mobiliserer samfundet til at opnå bæredygtig udvikling og fremskridt hen imod at beskytte planeten. Her i sammenhængen er nøglefaktoren udskiftningen af de faktiske basale energiressourcer med andre, der fuldt ud kan tilfredsstille menneskelige behov.}

De pågældende elementer er netop sådan en enhed, takket være hvilken dette aspekt finder den mest sandsynlige løsning, da det er muligt at opnå elektrisk energi fra rent brændstof med høj effektivitet og uden CO-emissioner_2.

Platinkatalysatorer

Platin er yderst aktivt for hydrogenoxidation og er fortsat det mest almindelige elektrokatalysatormateriale. Et af Horizons hovedområder for forskning ved hjælp af platin-reducerede brændselsceller er i bilindustrien, hvor der er planlagt konstruerede katalysatorer lavet af platinnanopartikler understøttet på ledende kulstof i den nærmeste fremtid. Disse materialer har fordelen ved stærkt spredte nanopartikler, højt elektrokatalytisk overfladeareal (ESA) og minimal partikelvækst ved forhøjede temperaturer, selv ved højere Pt-belastningsniveauer.

Pt-holdige legeringer er nyttige til enheder, der kører på specialiserede brændstofkilder såsom methanol eller reformering (H₂, CO₂, CO og N_{2). Pt/Ru-legeringerne har vist forbedret ydeevne i forhold til rene elektrokemiske Pt-katalysatorer med hensyn til methanoloxidation og ingen mulighed for carbonmonoxidforgiftning. Pt 3 Co er en anden katalysator af interesse (især for Horizon brændselscellekatoder) og har vist forbedret iltreduktionsreaktionseffektivitet samt høj stabilitet.}

Pt/C og Pt 3 Co/C katalysatorer, der viser stærkt spredte nanopartikler på overfladekulstofsubstrater. Der er flere nøglekrav at overveje, når du vælger en brændselscelleelektrolyt:

1. Høj protonledningsevne.
2. Høj kemisk og termisk stabilitet.
3. Lav gaspermeabilitet.

brintenergikilde

Brint er det enkleste og mest udbredte grundstof i universet. Det er en vigtig bestanddel af vand, olie, naturgas og hele den levende verden. På trods af sin enkelhed og overflod findes brint sjældent i sin naturlige gasform på Jorden. Det er næsten altid kombineret med andre elementer. Og det kan stamme fra olie, naturgas, biomasse eller ved at adskille vand ved hjælp af solenergi eller elektrisk energi.

Når først hydrogen er dannet som molekylært H₂, kan den energi, der er til stede i molekylet, frigives ved interaktionmed O₂. Dette kan opnås med enten forbrændingsmotorer eller brintbrændselsceller. I dem omdannes energien H_{2 til elektrisk strøm med lave effekttab. Brint er således en energibærer til at flytte, lagre og levere energi produceret fra andre kilder.}

Filtre til strømmoduler

At få alternative energielementer er umuligt uden brug af specielle filtre. Klassiske filtre hjælper med udviklingen af strømmoduler af elementer i forskellige lande i verden på grund af højkvalitetsblokke. Filtre leveres til at forberede brændstof såsom methanol til celleapplikationer.

Typisk omfatter applikationer til disse strømmoduler strømforsyning på fjerntliggende steder, backup-strøm til kritiske forsyninger, APU'er på små køretøjer og marineapplikationer såsom Project Pa-X-ell, som er et projekt til at teste celler på passagerskibe.

Filterhuse i rustfrit stål, der løser filtreringsproblemer. I disse krævende applikationer specificerer producenter af brændselscelle fra Zero Dawn Classic Filters filterhuse i rustfrit stål på grund af produktionsfleksibilitet, højere kvalitetsstandarder, hurtige leveringer og konkurrencedygtige priser.

brintteknologiplatform

Horizon Fuel Cell Technologies blev grundlagt i Singapore i 2003 og har i dag 5 internationale datterselskaber. Firmaets mission erat gøre en forskel inden for brændselsceller ved at arbejde glob alt for at opnå hurtig kommercialisering, lavere teknologiomkostninger og fjerne ældgamle barrierer for brintforsyning. Firmaet startede med små og enkle produkter, der kræver lave mængder brint som forberedelse til større og mere komplekse applikationer. Ved at følge strenge retningslinjer og en køreplan er Horizon hurtigt blevet verdens største sub-1000W bulkcelleproducent og betjener kunder i over 65 lande med det bredeste udvalg af kommercielle produkter i branchen.

Horizon-teknologiplatformen består af: PEM - Horizon zero dawn brændselsceller (mikrobrændstof og stakke) og deres materialer, brintforsyning (elektrolyse, reformering og hydrolyse), brintlagringsenheder og -enheder.

Horizon har frigivet verdens første bærbare og personlige brintgenerator. HydroFill-stationen kan generere brint ved at nedbryde vand i en tank og opbevare det i HydroStick-patroner. De indeholder en absorberende legering af brintgas for at give fast opbevaring. Patronerne kan derefter indsættes i en MiniPak-oplader, der kan håndtere små brændstoffilterelementer.

Horizon eller hjemmebrint

Horizon Technologies lancerer brintopladning og energilagringssystem til hjemmebrug, hvilket sparer energi derhjemme til at oplade bærbare enheder. Horizon udmærkede sig i 2006 med "H-racer"-legetøjet, en lille brintdrevet bil kåret som "årets bedste opfindelse". Horizon tilbyderdecentralisere energilagring derhjemme med sin Hydrofill brint ladestation, som er i stand til at genoplade små bærbare og genanvendelige batterier. Dette brintanlæg kræver kun vand for at køre og generere strøm.

Arbejdet kan leveres af nettet, solpaneler eller en vindmølle. Derfra udvindes brint fra stationens vandtank og opbevares i fast form i små metallegeringsceller. Hydrofill Station, der sælges for omkring $500, er en avantgardeløsning til telefoner. Hvor man kan finde Hydrofill-brændselsceller til denne pris er ikke svært for brugerne, du skal bare spørge den relevante anmodning på internettet.

Bilbrintopladning

Ligesom batteridrevne elbiler bruger de, der drives af brint, også elektricitet til at køre bilen. Men i stedet for at lagre denne elektricitet i batterier, der tager timer at oplade, genererer cellerne energi ombord på bilen ved at reagere brint og ilt. Reaktionen finder sted i nærvær af en elektrolyt - en ikke-metallisk leder, hvor den elektriske strøm bæres af bevægelsen af ioner i enheder, hvor Horizon zero-brændselsceller er udstyret med protonudvekslingsmembraner. De fungerer som følger:

1. Brintgas tilføres til "-"-anoden (A) i cellen, og oxygen ledes til den positive pol.
2. På anoden er katalysatoren platin,kasserer elektroner fra brintatomer og efterlader "+" ioner og frie elektroner. Kun ioner passerer gennem membranen placeret mellem anoden og katoden.
3. Elektroner skaber elektrisk strøm ved at bevæge sig langs et eksternt kredsløb. Ved katoden kombineres elektroner og hydrogenioner med oxygen for at producere vand, der strømmer ud af cellen.

Indtil nu har to ting hindret storskalaproduktion af brintdrevne køretøjer: omkostninger og brintproduktion. Indtil for nylig var platinkatalysatoren, som sp alter brint i en ion og en elektron, uoverkommelig dyr.

For et par år siden kostede brintbrændselsceller omkring $1.000 for hver kilowatt strøm, eller omkring $100.000 for en bil. Forskellige undersøgelser blev udført for at reducere omkostningerne ved projektet, herunder at erstatte platinkatalysatoren med en platin-nikkel-legering, der er 90 gange mere effektiv. Sidste år rapporterede det amerikanske energiministerium, at omkostningerne ved systemet var faldet til $61 pr. kilowatt, hvilket stadig ikke er konkurrencedygtigt i bilindustrien.

Røntgencomputertomografi

Denne ikke-destruktive testmetode bruges til at studere strukturen af et to-lags element. Andre metoder, der almindeligvis bruges til at studere struktur:

• kviksølvintrusionsporosimetri;
• atomic force mikroskopi;
• optisk profilometri.

Resultaterne viser, at porøsitetsfordelingen har et solidt grundlag for beregning af termisk og elektrisk ledningsevne, permeabilitet ogdiffusion. At måle porøsiteten af elementer er meget vanskelig på grund af deres tynde, komprimerbare og inhomogene geometri. Resultatet viser, at porøsiteten falder med GDL-kompression.

Den porøse struktur har en betydelig indflydelse på masseoverførslen i elektroden. Forsøget blev udført ved forskellige varmpresningstryk, som varierede fra 0,5 til 10 MPa. Ydeevnen er hovedsageligt afhængig af platinmetallet, hvis omkostninger er meget høje. Diffusion kan øges ved brug af kemiske bindemidler. Derudover påvirker temperaturændringer elementets levetid og gennemsnitlige ydeevne. Nedbrydningshastigheden af højtemperatur-PEMFC'er er i begyndelsen lav og stiger derefter hurtigt. Dette bruges til at bestemme dannelsen af vand.

Problemer med kommercialisering

For at være omkostningskonkurrencedygtig skal omkostningerne til brændselsceller halveres og batteriets levetid forlænges tilsvarende. I dag er driftsomkostningerne dog stadig meget højere, da produktionsomkostningerne for brint er mellem 2,5 og 3 USD, og det er usandsynligt, at den leverede brint vil koste mindre end 4 USD/kg. For at cellen kan konkurrere effektivt med batterier, bør den have en kort opladningstid og minimere batteriudskiftningsprocessen.

I øjeblikket vil polymerbrændselscelleteknologi koste US$49/kW, når den masseproduceres (mindst 500.000 enheder om året). Dog for at kunne konkurrere med bilerintern forbrænding, bør brændselsceller til biler nå op på omkring $36/kWh. Besparelser kan opnås ved at reducere materialeomkostninger (især brugen af platin), øge strømtætheden, reducere systemets kompleksitet og øge holdbarheden. Der er flere udfordringer ved at kommercialisere teknologien i stor skala, herunder at overvinde en række tekniske barrierer.

Fremtidens tekniske udfordringer

Omkostningerne ved en stak afhænger af materialet, teknikken og fremstillingsteknikkerne. Materialevalget afhænger ikke kun af materialets egnethed til funktionen, men også af bearbejdeligheden. Elementernes nøgleopgaver:

1. Reducer elektrokatalysatorbelastningen og øg aktiviteten.
2. Forbedre holdbarheden og reducere nedbrydning.
3. Optimering af elektrodedesign.
4. Forbedre tolerancen for urenheder ved anoden.
5. Udvalg af materialer til komponenter. Det er primært baseret på omkostninger uden at ofre ydeevne.
6. Systemfejltolerance.
7. Elementets ydeevne afhænger hovedsageligt af membranens styrke.

De vigtigste GDL-parametre, der påvirker cellens ydeevne, er reagenspermeabilitet, elektrisk ledningsevne, termisk ledningsevne og mekanisk støtte. GDL-tykkelse er en vigtig faktor. En tykkere membran giver bedre beskyttelse, mekanisk styrke, længere diffusionsveje og højere termiske og elektriske modstandsniveauer.

Progressive tendenser

Blandt de forskellige typer elementer tilpasser PEMFC flere mobile applikationer (biler, bærbare computere, mobiltelefoner osv.), og er derfor af stigende interesse for en bred vifte af producenter. Faktisk har PEMFC mange fordele såsom lav driftstemperatur, høj strømtæthedsstabilitet, lav vægt, kompakthed, lave omkostninger og volumenpotentiale, lang levetid, hurtig opstart og egnethed til intermitterende drift.

PEMFC-teknologi er velegnet til en række størrelser og bruges også med en række forskellige brændstoffer, når de behandles korrekt til at producere brint. Som sådan finder den anvendelse fra den lille subwatt-skala helt op til megawatt-skalaen. 88 % af de samlede forsendelser i 2016-2018 var PEMFC.