Pile de combustie: tipuri, principiu de funcționare și caracteristici

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-02 14:01

Hidrogenul este un combustibil curat, deoarece produce numai apă și oferă energie curată folosind surse regenerabile de energie. Poate fi stocat într-o celulă de combustie care produce energie electrică folosind un dispozitiv de conversie electrochimică. Hidrogenul este sursa energiei revoluționare a viitorului, dar dezvoltarea sa este încă foarte limitată. Motive: energie greu de produs, rentabilitate și echilibru energetic discutabil din cauza naturii consumatoare de energie a designului. Dar această opțiune energetică oferă perspective interesante în ceea ce privește stocarea energiei, mai ales când vine vorba de surse regenerabile.

Fuel Cell Pioneers

Conceptul a fost demonstrat efectiv de Humphry Davy la începutul secolului al XIX-lea. Aceasta a fost urmată de opera de pionierat a lui Christian Friedrich Schonbein în 1838. La începutul anilor 1960, NASA, în colaborare cu parteneri industriali, a început să dezvolte generatoarede acest tip pentru zborurile spațiale cu echipaj. Acest lucru a dus la primul bloc al PEMFC.

Un alt cercetător GE, Leonard Nidrach, a modernizat PEMFC de la Grubb folosind platina ca catalizator. Grubb-Niedrach a fost dezvoltat în continuare în colaborare cu NASA și a fost folosit de programul spațial Gemini la sfârșitul anilor 1960. International Fuel Cells (IFC, mai târziu UTC Power) a dezvoltat dispozitivul de 1,5 kW pentru zborurile spațiale Apollo. Ei au furnizat energie electrică, precum și apă potabilă pentru astronauți în timpul misiunii lor. Ulterior, IFC a dezvoltat unitățile de 12 kW folosite pentru a furniza energie la bord pentru toate zborurile navelor spațiale.

Elementul auto a fost inventat pentru prima dată de Grulle în anii 1960. GM a folosit Union Carbide în mașina „Electrovan”. A fost folosit doar ca mașină de companie, dar putea călători până la 120 de mile cu un rezervor plin și să atingă viteze de până la 70 de mile pe oră. Kordesch și Grulke au experimentat cu o motocicletă cu hidrogen în 1966. A fost un hibrid celular cu o baterie NiCad în tandem care a atins un impresionant 1,18 L/100 km. Această mișcare are tehnologie avansată pentru biciclete electrice și comercializarea motocicletelor electrice.

În 2007, sursele de combustibil au fost comercializate într-o mare varietate de zone, au început să fie vândute utilizatorilor finali cu garanții scrise și capabilități de service, de exemplu. să îndeplinească cerințele și standardele unei economii de piață. Astfel, o serie de segmente de piață au început să se concentreze pe cerere. În special, mii de putere auxiliarăUnitățile PEMFC și DMFC (APU) au fost comercializate în aplicații de divertisment: bărci, jucării și truse de antrenament.

Horizon în octombrie 2009 a prezentat primul sistem electronic comercial Dynario care funcționează cu cartușe cu metanol. Pilele de combustibil Horizon pot încărca telefoane mobile, sisteme GPS, camere sau playere de muzică digitală.

Procese de producere a hidrogenului

Pilele de combustibil cu hidrogen sunt substanțe care conțin hidrogen drept combustibil. Combustibilul cu hidrogen este un combustibil cu emisii zero care eliberează energie în timpul arderii sau prin reacții electrochimice. Pilele de combustie și bateriile produc electricitate printr-o reacție chimică, dar primele vor produce energie atâta timp cât există combustibil, astfel încât să nu se piardă niciodată din încărcare.

Procesele termice pentru a produce hidrogen implică de obicei reformarea cu abur, un proces la temperatură în altă în care aburul reacţionează cu o sursă de hidrocarburi pentru a elibera hidrogen. Mulți combustibili naturali pot fi reformați pentru a produce hidrogen.

Astăzi aproximativ 95% din hidrogen este produs din reformarea gazelor. Apa este împărțită în oxigen și hidrogen prin electroliză, într-un dispozitiv care funcționează ca o celulă de combustibil Horizon zero în sens invers.

Procese solare

Ei folosesc lumina ca agent pentru a produce hidrogen. Existămai multe procese bazate pe panouri solare:

1. fotobiologic;
2. fotoelectrochimic;
3. însorit;
4. termochimic.

Procesele fotobiologice folosesc activitatea fotosintetică naturală a bacteriilor și algelor verzi.

Procesele fotoelectrochimice sunt semiconductori specializați pentru separarea apei în hidrogen și oxigen.

Producția solară termochimică de hidrogen folosește energia solară concentrată pentru reacția de separare a apei împreună cu alte specii, cum ar fi oxizii metalici.

Procesele biologice folosesc microbi precum bacteriile și microalgele și pot produce hidrogen prin reacții biologice. În conversia biomasei microbiene, microbii descompun materia organică, cum ar fi biomasa, în timp ce în procesele fotobiologice, microbii folosesc lumina soarelui ca sursă.

Componente generație

Dispozitivele elementelor sunt formate din mai multe părți. Fiecare are trei componente principale:

• anod;
• catod;
• electrolit conductiv.

În cazul celulelor de combustie Horizon, în care fiecare electrod este realizat dintr-un material cu suprafață mare impregnat cu un catalizator din aliaj de platină, materialul electrolit este o membrană și servește drept conductor ionic. Generarea electrică este condusă de două reacții chimice primare. Pentru elementele care utilizează purH_2.

Hidrogenul gazos de la anod se împarte în protoni și electroni. Primele sunt transportate prin membrana electrolitică, iar cele din urmă curg în jurul acesteia, generând un curent electric. Ionii încărcați (H + și e -) se combină cu O_{2 la catod, eliberând apă și căldură. Numeroasele probleme de mediu care afectează lumea astăzi mobilizează societatea pentru a realiza o dezvoltare durabilă și a progresa către protejarea planetei. Aici, în context, factorul cheie este înlocuirea resurselor energetice de bază efective cu altele care pot satisface pe deplin nevoile umane.}

Elementele în cauză sunt doar un astfel de dispozitiv, datorită căruia acest aspect găsește cea mai probabilă soluție, întrucât se poate obține energie electrică din combustibil curat cu randament ridicat și fără emisii de CO_2.

catalizatori de platină

Platina este foarte activă pentru oxidarea hidrogenului și continuă să fie cel mai comun material electrocatalizator. Unul dintre principalele domenii de cercetare ale Horizon, care utilizează pile de combustie cu platină redusă este în industria auto, unde sunt planificați catalizatori fabricați din nanoparticule de platină susținute pe carbon conductiv în viitorul apropiat. Aceste materiale au avantajul unor nanoparticule foarte dispersate, suprafață electrocatalitică mare (ESA) și creștere minimă a particulelor la temperaturi ridicate, chiar și la niveluri mai mari de încărcare a Pt.

Aliajele care conțin

Pt sunt utile pentru dispozitivele care funcționează cu surse specializate de combustibil, cum ar fi metanol sau reformare (H₂, CO₂, CO și N_{2). Aliajele Pt/Ru au arătat performanțe îmbunătățite față de catalizatorii electrochimici puri de Pt în ceea ce privește oxidarea metanolului și nicio posibilitate de otrăvire cu monoxid de carbon. Pt 3 Co este un alt catalizator de interes (în special pentru catozii pentru celulele de combustibil Horizon) și a demonstrat o eficiență îmbunătățită a reacției de reducere a oxigenului, precum și o stabilitate ridicată.}

Pt/C și catalizatori Pt 3 Co/C care prezintă nanoparticule foarte dispersate pe substraturi de carbon de suprafață. Există mai multe cerințe cheie de luat în considerare atunci când alegeți un electrolit pentru pile de combustie:

1. Conductivitate ridicată a protonilor.
2. Stabilitate chimică și termică ridicată.
3. Permeabilitate scăzută la gaz.

Sursă de energie cu hidrogen

Hidrogenul este cel mai simplu și mai abundent element din univers. Este o componentă importantă a apei, petrolului, gazelor naturale și a întregii lumi vii. În ciuda simplității și abundenței sale, hidrogenul se găsește rar în stare gazoasă naturală pe Pământ. Este aproape întotdeauna combinat cu alte elemente. Și poate fi obținut din petrol, gaze naturale, biomasă sau prin separarea apei folosind energie solară sau electrică.

Odată ce hidrogenul este format ca H molecular₂, energia prezentă în moleculă poate fi eliberată prin interacțiunecu O₂. Acest lucru poate fi realizat fie cu motoare cu ardere internă, fie cu celule de combustibil cu hidrogen. În ele, energia H_{2 este convertită în curent electric cu pierderi reduse de putere. Astfel, hidrogenul este un purtător de energie pentru deplasarea, stocarea și livrarea energiei produse din alte surse.}

Filtre pentru modulele de putere

Obținerea de elemente alternative de energie este imposibilă fără utilizarea unor filtre speciale. Filtrele clasice ajută la dezvoltarea modulelor de putere ale elementelor în diferite țări ale lumii datorită blocurilor de în altă calitate. Filtrele sunt furnizate pentru prepararea combustibilului, cum ar fi metanolul, pentru aplicații cu celule.

În mod obișnuit, aplicațiile pentru aceste module de alimentare includ alimentarea cu energie în locații îndepărtate, alimentare de rezervă pentru surse critice, APU-uri pe vehicule mici și aplicații marine, cum ar fi Proiectul Pa-X-ell, care este un proiect de testare a celulelor pe navele de pasageri.

Carcase de filtru din oțel inoxidabil care rezolvă problemele de filtrare. În aceste aplicații solicitante, producătorii de celule de combustie zero Dawn specifică carcase pentru filtre din oțel inoxidabil Classic Filters datorită flexibilității producției, standardelor de calitate mai ridicate, livrărilor rapide și prețurilor competitive.

Platformă tehnologică cu hidrogen

Horizon Fuel Cell Technologies a fost fondată în Singapore în 2003 și are astăzi 5 filiale internaționale. Misiunea firmei estepentru a face diferența în pilele de combustie, lucrând la nivel global pentru a realiza o comercializare rapidă, a reduce costurile tehnologice și a elimina barierele vechi din calea aprovizionării cu hidrogen. Firma a început cu produse mici și simple, care necesită cantități mici de hidrogen pentru a fi pregătite pentru aplicații mai mari și mai complexe. Urmând linii directoare stricte și o foaie de parcurs, Horizon a devenit rapid cel mai mare producător de celule în vrac sub 1000 W din lume, deservind clienții din peste 65 de țări cu cea mai largă selecție de produse comerciale din industrie.

Platforma tehnologică Horizon constă din: PEM - Pile de combustibil Horizon zero Dawn (microcombustibil și stive) și materialele acestora, alimentare cu hidrogen (electroliză, reformare și hidroliză), dispozitive și dispozitive de stocare a hidrogenului.

Horizon a lansat primul generator de hidrogen portabil și personal din lume. Stația HydroFill poate genera hidrogen prin descompunerea apei într-un rezervor și depozitarea acesteia în cartușe HydroStick. Acestea conțin un aliaj absorbant de hidrogen gazos pentru a asigura stocarea solidelor. Cartușele pot fi apoi introduse într-un încărcător MiniPak care poate gestiona elemente mici ale filtrului de combustibil.

Horizon sau hidrogen acasă

Horizon Technologies lansează un sistem de încărcare cu hidrogen și stocare a energiei pentru uz casnic, economisind energie acasă pentru a încărca dispozitive portabile. Horizon s-a remarcat în 2006 cu jucăria „H-racer”, o mașină mică alimentată cu hidrogen votată „cea mai bună invenție” a anului. Oferte Horizondescentralizați stocarea energiei acasă cu stația sa de încărcare cu hidrogen Hydrofill, care este capabilă să reîncarce bateriile portabile și reutilizabile mici. Această instalație de hidrogen necesită doar apă pentru a funcționa și a genera energie.

Munca poate fi asigurată de rețea, panouri solare sau o turbină eoliană. De acolo, hidrogenul este extras din rezervorul de apă al stației și stocat în formă solidă în celule mici din aliaj metalic. Stația Hydrofill, vândută cu amănuntul pentru aproximativ 500 USD, este o soluție avangardă pentru telefoane. Unde să găsiți pile de combustie Hydrofill la acest preț nu este dificil pentru utilizatori, trebuie doar să solicitați solicitarea corespunzătoare pe Internet.

Încărcare cu hidrogen pentru mașini

Ca și mașinile electrice alimentate cu baterii, cele alimentate cu hidrogen folosesc și electricitate pentru a conduce mașina. Dar, în loc să stocheze această electricitate în baterii care durează ore să se încarce, celulele generează energie la bordul mașinii prin reacția hidrogenului și oxigenului. Reacția are loc în prezența unui electrolit - un conductor nemetalic, în care fluxul electric este transportat de mișcarea ionilor în dispozitive în care celulele de combustibil Horizon zero sunt echipate cu membrane schimbătoare de protoni. Acestea funcționează după cum urmează:

1. Hidrogenul gazos este furnizat către anodul „-” (A) al celulei, iar oxigenul este direcționat către polul pozitiv.
2. Pe anod, catalizatorul este platină,elimină electronii din atomii de hidrogen, lăsând ioni „+” și electroni liberi. Doar ionii trec prin membrana situată între anod și catod.
3. Electronii creează curent electric deplasându-se de-a lungul unui circuit extern. La catod, electronii și ionii de hidrogen se combină cu oxigenul pentru a produce apă care curge din celulă.

Până acum, două lucruri au împiedicat producția pe scară largă de vehicule pe bază de hidrogen: costul și producția de hidrogen. Până de curând, catalizatorul de platină, care împarte hidrogenul într-un ion și un electron, era prohibitiv de scump.

Cu câțiva ani în urmă, pilele de combustibil cu hidrogen costau aproximativ 1.000 USD pentru fiecare kilowatt de putere sau aproximativ 100.000 USD pentru o mașină. Au fost efectuate diverse studii pentru a reduce costul proiectului, inclusiv înlocuirea catalizatorului de platină cu un aliaj platină-nichel care este de 90 de ori mai eficient. Anul trecut, Departamentul de Energie al SUA a raportat că costul sistemului a scăzut la 61 USD per kilowatt, încă necompetitiv în industria auto.

Tomografie computerizată cu raze X

Această metodă de testare nedistructivă este utilizată pentru a studia structura unui element cu două straturi. Alte metode utilizate în mod obișnuit pentru a studia structura:

• porozimetrie cu intruziune de mercur;
• microscopie cu forță atomică;
• profilometrie optică.

Rezultatele arată că distribuția porozității are o bază solidă pentru calcularea conductibilității termice și electrice, a permeabilității șidifuziune. Măsurarea porozității elementelor este foarte dificilă din cauza geometriei lor subțiri, compresibile și neomogene. Rezultatul arată că porozitatea scade odată cu compresia GDL.

Structura poroasă are un impact semnificativ asupra transferului de masă în electrod. Experimentul a fost efectuat la diferite presiuni de presare la cald, care au variat de la 0,5 la 10 MPa. Performanța depinde în principal de metalul platină, al cărui cost este foarte mare. Difuzia poate fi crescută prin utilizarea lianților chimici. În plus, schimbările de temperatură afectează durata de viață și performanța medie a elementului. Rata de degradare a PEMFC de temperatură ridicată este inițial scăzută și apoi crește rapid. Acesta este folosit pentru a determina formarea apei.

Probleme de comercializare

Pentru a fi competitive din punct de vedere al costurilor, costurile cu celulele de combustibil trebuie reduse la jumătate, iar durata de viață a bateriei trebuie prelungită în mod similar. Astăzi, însă, costurile de operare sunt încă mult mai mari, deoarece costurile de producție a hidrogenului sunt între 2,5 și 3 USD, iar hidrogenul furnizat este puțin probabil să coste mai puțin de 4 USD/kg. Pentru ca celula să concureze eficient cu bateriile, ar trebui să aibă un timp de încărcare scurt și să minimizeze procesul de înlocuire a bateriei.

În prezent, tehnologia cu celule de combustibil polimeric va costa 49 USD/kW atunci când este produsă în masă (cel puțin 500.000 de unități pe an). Cu toate acestea, pentru a concura cu mașinilecombustie internă, pilele de combustibil pentru automobile ar trebui să ajungă la aproximativ 36 USD/kWh. Economiile pot fi realizate prin reducerea costurilor materialelor (în special, utilizarea platinei), creșterea densității de putere, reducerea complexității sistemului și creșterea durabilității. Există mai multe provocări pentru comercializarea tehnologiei la scară largă, inclusiv depășirea unui număr de bariere tehnice.

Provocări tehnice ale viitorului

Costul unei stive depinde de material, tehnică și tehnici de fabricație. Alegerea materialului depinde nu numai de adecvarea materialului pentru funcție, ci și de lucrabilitatea. Sarcini cheie ale elementelor:

1. Reduceți încărcarea electrocatalizatorului și creșteți activitatea.
2. Îmbunătățiți durabilitatea și reduceți degradarea.
3. Optimizarea designului electrozilor.
4. Îmbunătățiți toleranța la impurități la anod.
5. Selectarea materialelor pentru componente. Se bazează în principal pe cost, fără a sacrifica performanța.
6. Toleranța la erori de sistem.
7. Performanța elementului depinde în principal de rezistența membranei.

Principalii parametri GDL care afectează performanța celulei sunt permeabilitatea reactivului, conductivitatea electrică, conductibilitatea termică și suportul mecanic. Grosimea GDL este un factor important. O membrană mai groasă oferă o protecție mai bună, rezistență mecanică, căi de difuzie mai lungi și niveluri mai mari de rezistență termică și electrică.

Tendințe progresive

Printre diferitele tipuri de elemente, PEMFC adaptează mai multe aplicații mobile (mașini, laptopuri, telefoane mobile etc.), prin urmare, prezintă un interes din ce în ce mai mare pentru o gamă largă de producători. De fapt, PEMFC are multe avantaje, cum ar fi temperatură scăzută de funcționare, stabilitate cu densitate mare de curent, greutate redusă, compactitate, costuri reduse și potențial de volum, durată lungă de viață, porniri rapide și adecvare pentru funcționare intermitentă.

Tehnologia PEMFC este potrivită pentru o varietate de dimensiuni și este, de asemenea, utilizată cu o varietate de combustibili atunci când este procesată corespunzător pentru a produce hidrogen. Ca atare, se folosește de la scara mică de subwatt până la scara de megawați. 88% din totalul livrărilor în 2016-2018 au fost PEMFC.