Üzemanyagcellák: típusok, működési elv és jellemzők

2024 Szerző: Howard Calhoun | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-02 13:56

A hidrogén tiszta tüzelőanyag, mivel csak vizet termel, és tiszta energiát biztosít megújuló energiaforrások felhasználásával. Üzemanyagcellában tárolható, amely elektrokémiai átalakító berendezéssel villamos energiát termel. A hidrogén a jövő forradalmi energiájának forrása, de fejlődése még mindig nagyon korlátozott. Okok: nehezen megtermelhető energia, költséghatékonyság és a tervezés energiaigényessége miatt megkérdőjelezhető energiamérleg. De ez az energiaopció érdekes perspektívákat kínál az energiatárolás szempontjából, különösen, ha megújuló forrásokról van szó.

Fuel Cell Pioneers

Az elképzelést Humphry Davy hatékonyan demonstrálta a tizenkilencedik század elején. Ezt követte Christian Friedrich Schonbein úttörő munkája 1838-ban. Az 1960-as évek elején a NASA ipari partnerekkel együttműködve generátorok fejlesztésébe kezdettilyen típusú emberes űrrepülésekhez. Ez a PEMFC első blokkját eredményezte.

A GE egy másik kutatója, Leonard Nidrach platina katalizátorként történő felhasználásával frissítette a Grubb PEMFC-jét. A Grubb-Niedrachot a NASA-val együttműködve fejlesztették tovább, és a Gemini űrprogram használta az 1960-as évek végén. Az International Fuel Cells (IFC, később UTC Power) az Apollo űrrepülésekhez fejlesztette ki az 1,5 kW-os készüléket. Az űrhajósokat küldetésük során árammal és ivóvízzel látták el. Az IFC ezt követően kifejlesztette a 12 kW-os egységeket, amelyek minden űrhajó repülésének fedélzeti áramellátását biztosítják.

Az autóipari elemet először Grulle találta fel az 1960-as években. A GM Union Carbide-ot használt az "Electrovan" autóban. Csak céges autóként használták, de teli tankkal akár 120 mérföldet is tudott megtenni, és akár 70 mérföld/órás sebességet is elérhetett. Kordesch és Grulke 1966-ban kísérletezett egy hidrogénmotorkerékpárral. Ez egy cellás hibrid volt NiCad akkumulátorral, amely lenyűgöző 1,18 l/100 km-t ért el. Ez a lépés a fejlett e-bike technológiát és az e-motorkerékpárok kereskedelmi forgalomba hozatalát eredményezte.

2007-ben az üzemanyag-források sokféle területen kereskedelmi forgalomba kerültek, elkezdték értékesíteni a végfelhasználóknak írásos garanciával és szervizképességgel, pl. megfelelnek a piacgazdaság követelményeinek és normáinak. Így számos piaci szegmens a keresletre kezdett összpontosítani. Különösen több ezer segéderőA PEMFC és DMFC (APU) egységeket szórakoztató alkalmazásokban értékesítették: csónakokban, játékokban és edzőkészletekben.

A Horizon 2009 októberében bemutatta az első kereskedelmi forgalomban lévő Dynario elektronikus rendszert, amely metanolos patronokkal működik. A Horizon üzemanyagcellák tölthetik a mobiltelefonokat, GPS-rendszereket, fényképezőgépeket vagy digitális zenelejátszókat.

Hidrogéngyártási folyamatok

A hidrogén üzemanyagcellák olyan anyagok, amelyek üzemanyagként hidrogént tartalmaznak. A hidrogén üzemanyag olyan nulla kibocsátású üzemanyag, amely égés vagy elektrokémiai reakciók során energiát szabadít fel. Az üzemanyagcellák és az akkumulátorok kémiai reakció révén termelnek áramot, de az előbbi addig termel energiát, amíg van üzemanyag, így soha nem veszítenek töltésükből.

A hidrogén előállítására szolgáló termikus eljárások jellemzően gőzreformálást foglalnak magukban, egy magas hőmérsékletű folyamatot, ahol a gőz reakcióba lép egy szénhidrogénforrással, és így hidrogén szabadul fel. Számos természetes tüzelőanyag átalakítható hidrogén előállítására.

Ma a hidrogén körülbelül 95%-a gázreformálásból származik. A vizet elektrolízissel oxigénre és hidrogénre osztják egy olyan eszközben, amely úgy működik, mint egy Horizon zero üzemanyagcella fordított irányban.

Szolár alapú eljárások

Fényt használnak hidrogén előállítására. Létezikszámos napelemen alapuló folyamat:

1. fotobiológiai;
2. fotoelektrokémiai;
3. napos;
4. termokémiai.

A fotobiológiai folyamatok a baktériumok és zöldalgák természetes fotoszintetikus aktivitását használják fel.

A fotoelektrokémiai eljárások speciális félvezetők a víz hidrogénné és oxigénné történő szétválasztására.

A termokémiai hidrogén-napenergia-előállítás koncentrált napenergiát használ a vízelválasztási reakcióhoz más anyagokkal, például fém-oxidokkal együtt.

A biológiai folyamatok mikrobákat, például baktériumokat és mikroalgákat használnak, és biológiai reakciók révén hidrogént termelhetnek. A mikrobiális biomassza átalakítás során a mikrobák lebontják a szerves anyagokat, például a biomasszát, míg a fotobiológiai folyamatokban a mikrobák a napfényt használják forrásként.

Generációs összetevők

Az elemek eszközei több részből állnak. Mindegyiknek három fő összetevője van:

• anód;
• katód;
• vezető elektrolit.

A Horizon üzemanyagcellák esetében, ahol minden elektróda nagy felületű, platinaötvözet katalizátorral impregnált anyagból készül, az elektrolit anyaga membrán, és ionvezetőként szolgál. Az elektromos termelést két elsődleges kémiai reakció hajtja. Tisztát használó elemekhezH_2.

A hidrogéngáz az anódnál protonokra és elektronokra bomlik. Az előbbiek az elektrolit membránon keresztül jutnak el, az utóbbiak pedig körülötte áramlanak, elektromos áramot generálva. A töltött ionok (H + és e -) a katódon O_{2-mal egyesülnek, vizet és hőt szabadítanak fel. A mai világot érintő számos környezeti probléma mozgósítja a társadalmat a fenntartható fejlődés és a bolygó védelme felé tett előrelépés érdekében. Ebben az összefüggésben a kulcstényező a tényleges alapvető energiaforrások olyan helyettesítése, amelyek teljes mértékben kielégítik az emberi szükségleteket.}

A szóban forgó elemek éppen egy ilyen eszköz, aminek köszönhetően ez a szempont találja a legvalószínűbb megoldást, hiszen tiszta tüzelőanyagból nagy hatásfokkal és CO-kibocsátás nélkül lehet villamos energiát nyerni_2.

Platina katalizátorok

A platina rendkívül aktív a hidrogén oxidációjában, és továbbra is a leggyakoribb elektrokatalizátor anyag. A Horizon egyik fő kutatási területe a redukált platinatartalmú üzemanyagcellák felhasználásával az autóipar, ahol a közeljövőben vezetőképes szénre támaszkodó platina nanorészecskékből készült mérnöki katalizátorokat terveznek. Ezeknek az anyagoknak az az előnyük, hogy nagymértékben diszpergált nanorészecskéket, nagy elektrokatalitikus felületet (ESA) és minimális részecskenövekedést mutatnak magas hőmérsékleten, még magasabb Pt-terhelés mellett is.

Pt-tartalmú ötvözetek hasznosak speciális üzemanyag-forrásokkal, például metanollal vagy reformálóval működő berendezésekben (H₂, CO₂, CO és N_{2). A Pt/Ru ötvözetek jobb teljesítményt mutattak a tiszta elektrokémiai Pt katalizátorokhoz képest a metanol oxidációja tekintetében, és nincs lehetőség szén-monoxid-mérgezésre. A Pt 3 Co egy másik érdeklődésre számot tartó katalizátor (különösen a Horizon üzemanyagcellás katódokhoz), és jobb oxigénredukciós reakciót, valamint nagy stabilitást mutatott.}

Pt/C és Pt 3 Co/C katalizátorok, amelyek nagymértékben diszpergált nanorészecskéket mutatnak a felszíni szénhordozókon. Számos kulcsfontosságú követelményt kell figyelembe venni az üzemanyagcellás elektrolit kiválasztásakor:

1. Magas protonvezetőképesség.
2. Magas kémiai és termikus stabilitás.
3. Alacsony gázáteresztő képesség.

Hidrogén energiaforrás

A hidrogén a világegyetem legegyszerűbb és legelterjedtebb eleme. A víz, az olaj, a földgáz és az egész élővilág fontos alkotóeleme. Egyszerűsége és bősége ellenére a hidrogén ritkán található természetes gáz halmazállapotban a Földön. Szinte mindig más elemekkel kombinálják. És származhat olajból, földgázból, biomasszából, vagy a víz elválasztásával nap- vagy elektromos energiával.

Ha a hidrogén molekuláris H₂ formájában képződik, a molekulában lévő energia kölcsönhatás révén felszabadulhat.a következővel: O₂. Ez belső égésű motorokkal vagy hidrogén üzemanyagcellákkal is elérhető. Ezekben a H_{2 energia kis teljesítményveszteség mellett elektromos árammá alakul. Így a hidrogén egy energiahordozó a más forrásokból előállított energia mozgatásához, tárolásához és szállításához.}

Szűrők teljesítménymodulokhoz

Az alternatív energiaelemek beszerzése lehetetlen speciális szűrők használata nélkül. A klasszikus szűrők a kiváló minőségű blokkok miatt segítenek az elemek tápmoduljainak fejlesztésében a világ különböző országaiban. Szűrőket szállítanak az üzemanyag, például a metanol előállításához cellás alkalmazásokhoz.

Az energiamodulok jellemzően a távoli helyeken történő tápellátást, a kritikus tápegységek tartalék tápellátását, a kisméretű járművek APU-it és a tengeri alkalmazásokat, mint például a Project Pa-X-ell, amely egy személyhajók celláit tesztelő projekt.

Rozsdamentes acél szűrőházak, amelyek megoldják a szűrési problémákat. Ezekben az igényes alkalmazásokban a zero dawn tüzelőanyagcella-gyártók Classic Filters rozsdamentes acél szűrőházakat írnak elő a gyártási rugalmasság, a magasabb minőségi szabványok, a gyors szállítás és a versenyképes árak miatt.

Hidrogéntechnológiai platform

A Horizon Fuel Cell Technologies-t 2003-ban alapították Szingapúrban, és ma 5 nemzetközi leányvállalata van. A cég küldetése azaz üzemanyagcellák terén azáltal, hogy globálisan dolgozunk a gyors kereskedelmi forgalomba hozatal, a technológiai költségek csökkentése és a hidrogénellátás ősrégi akadályainak felszámolása érdekében. A cég kis és egyszerű termékekkel kezdte, amelyek kis mennyiségű hidrogént igényelnek a nagyobb és összetettebb alkalmazásokra való felkészülés érdekében. Szigorú irányelvek és ütemterv követésével a Horizon gyorsan a világ legnagyobb, 1000 W alatti ömlesztett cellagyártójává vált, amely több mint 65 országban szolgálja ki ügyfeleit az iparág legszélesebb kereskedelmi termékválasztékával.

A Horizon technológiai platform a következőkből áll: PEM – Horizon zero dawn üzemanyagcellák (mikroüzemanyag és kötegek) és ezek anyagai, hidrogénellátás (elektrolízis, reformálás és hidrolízis), hidrogéntároló eszközök és eszközök.

A Horizon kiadta a világ első hordozható és személyi hidrogéngenerátorát. A HydroFill állomás képes hidrogént előállítani, ha a vizet egy tartályban lebontja és HydroStick patronokban tárolja. A szilárd tárolás érdekében hidrogéngáz abszorbens ötvözetét tartalmazzák. A patronokat ezután egy MiniPak töltőbe lehet helyezni, amely képes kezelni a kis üzemanyagszűrő elemeket.

Horizont vagy otthoni hidrogén

A Horizon Technologies hidrogéntöltő és energiatároló rendszert vezet be otthoni használatra, így energiát takarít meg otthon a hordozható eszközök töltéséhez. A Horizon 2006-ban a "H-racer" játékkal tűnt ki, egy kis hidrogénüzemű autóval, amelyet az év "legjobb találmányának" választottak. Horizon ajánlatokdecentralizálja az otthoni energiatárolást a Hydrofill hidrogéntöltő állomással, amely képes kisméretű hordozható és újrafelhasználható akkumulátorok újratöltésére. Ennek a hidrogénerőműnek csak vízre van szüksége a működéshez és az energiatermeléshez.

A munkát a hálózat, a napelemek vagy a szélturbina biztosíthatja. Innen a hidrogént kivonják az állomás víztartályából, és szilárd formában tárolják kis fémötvözet cellákban. A körülbelül 500 dollárért árusított Hydrofill Station egy avantgárd megoldás a telefonokhoz. Hol találja meg a Hydrofill üzemanyagcellákat ezen az áron, nem nehéz a felhasználók számára, csak kérnie kell a megfelelő kérést az interneten.

Autó hidrogén töltése

Az akkumulátoros elektromos autókhoz hasonlóan a hidrogénüzeműek is áramot használnak az autók vezetéséhez. De ahelyett, hogy ezt az áramot akkumulátorokban tárolnák, amelyek feltöltése órákig tart, a cellák energiát termelnek az autó fedélzetén hidrogén és oxigén reakciójával. A reakció elektrolit - egy nem fémes vezető - jelenlétében megy végbe, amelyben az elektromos áramlást az ionok mozgása viszi át olyan eszközökben, ahol a Horizon zero üzemanyagcellák protoncserélő membránokkal vannak felszerelve. Működésük a következő:

1. Hidrogéngázt vezetnek a cella "-" anódjához (A), az oxigént pedig a pozitív pólushoz.
2. Az anódon a katalizátor platina,kidobja az elektronokat a hidrogénatomokról, "+" ionokat és szabad elektronokat hagyva hátra. Az anód és a katód között elhelyezkedő membránon csak az ionok haladnak át.
3. Az elektronok egy külső áramkör mentén mozgatva elektromos áramot hoznak létre. A katódon az elektronok és a hidrogénionok oxigénnel egyesülve víz áramlik ki a cellából.

Eddig két dolog akadályozta a hidrogénüzemű járművek nagyüzemi gyártását: a költség és a hidrogéntermelés. Egészen a közelmúltig a platina katalizátor, amely a hidrogént ionokra és elektronokra bontja, rendkívül drága volt.

Néhány évvel ezelőtt a hidrogén üzemanyagcellák körülbelül 1000 dollárba kerültek minden kilowatt teljesítményért, vagy körülbelül 100 000 dollárba egy autóért. Különféle tanulmányokat végeztek a projekt költségeinek csökkentésére, beleértve a platina katalizátor cseréjét egy platina-nikkel ötvözetre, amely 90-szer hatékonyabb. Tavaly az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma arról számolt be, hogy a rendszer ára kilowattonként 61 dollárra esett, ami még mindig nem versenyképes az autóiparban.

Röntgen-számítógépes tomográfia

Ezt a roncsolásmentes vizsgálati módszert egy kétrétegű elem szerkezetének tanulmányozására használják. A szerkezet tanulmányozására általánosan használt egyéb módszerek:

• higany behatolási porozimetria;
• atomi erőmikroszkópia;
• optikai profilometria.

Az eredmények azt mutatják, hogy a porozitáseloszlásnak szilárd alapja van a hő- és elektromos vezetőképesség, a permeabilitás és adiffúzió. Az elemek porozitásának mérése igen nehézkes a vékony, összenyomható és inhomogén geometria miatt. Az eredmény azt mutatja, hogy a porozitás csökken a GDL tömörítéssel.

A porózus szerkezet jelentős hatással van az elektródában történő anyagátvitelre. A kísérletet különféle forró préselési nyomásokon végeztük, amelyek 0,5 és 10 MPa között változtak. A teljesítmény főként a platina fémtől függ, amelynek költsége nagyon magas. A diffúzió fokozható kémiai kötőanyagok használatával. Ezenkívül a hőmérséklet-változások befolyásolják az elem élettartamát és átlagos teljesítményét. A magas hőmérsékletű PEMFC-k lebomlási sebessége kezdetben alacsony, majd gyorsan növekszik. Ez a vízképződés meghatározására szolgál.

Problémák a kereskedelmi forgalomba hozatallal

A költség-versenyképesség érdekében az üzemanyagcellák költségeit felére kell csökkenteni, és az akkumulátor élettartamát hasonlóan meg kell hosszabbítani. Ma azonban az üzemeltetési költségek még mindig jóval magasabbak, mivel a hidrogén előállítási költsége 2,5 és 3 dollár között van, és a szállított hidrogén valószínűleg nem kerül 4 dollár/kg alá. Annak érdekében, hogy a cella hatékonyan versenyezzen az akkumulátorokkal, rövid töltési idővel kell rendelkeznie, és minimálisra kell csökkentenie az akkumulátorcsere folyamatát.

Jelenleg a polimer üzemanyagcellás technológia 49 US$/kW-ba kerül tömeggyártás esetén (legalább 500 000 darab évente). Ahhoz azonban, hogy versenyezzen az autókkalbelső égésű, az autóipari üzemanyagcelláknak el kell érniük a körülbelül 36 dollárt/kWh. Megtakarítás érhető el az anyagköltségek (különösen a platina felhasználása) csökkentésével, a teljesítménysűrűség növelésével, a rendszer bonyolultságának csökkentésével és a tartósság növelésével. Számos kihívást jelent a technológia nagy léptékű kereskedelmi forgalomba hozatala, beleértve számos technikai akadály leküzdését.

A jövő műszaki kihívásai

A köteg költsége az anyagtól, a technikától és a gyártási technikáktól függ. Az anyagválasztás nemcsak az anyag funkcióra való alkalmasságától, hanem a megmunkálhatóságától is függ. Az elemek legfontosabb feladatai:

1. Csökkentse az elektrokatalizátor terhelését és növelje az aktivitást.
2. Javítsa a tartósságot és csökkentse az elhasználódást.
3. Az elektróda kialakításának optimalizálása.
4. Javítsa a szennyeződések toleranciáját az anódnál.
5. Alkatrészek kiválasztása. Elsősorban a költségeken alapul, a teljesítmény feláldozása nélkül.
6. Rendszerhibatűrés.
7. Az elem teljesítménye elsősorban a membrán szilárdságától függ.

A cella teljesítményét befolyásoló fő GDL-paraméterek a reagens permeabilitás, az elektromos vezetőképesség, a hővezetőképesség és a mechanikai támogatás. A GDL vastagsága fontos tényező. A vastagabb membrán jobb védelmet, mechanikai szilárdságot, hosszabb diffúziós utat, valamint nagyobb hő- és elektromos ellenállási szintet biztosít.

Progresszív trendek

A különböző típusú elemek közül a PEMFC egyre több mobilalkalmazást adaptál (autók, laptopok, mobiltelefonok stb.), ezért a gyártók széles köre számára egyre nagyobb érdeklődésre tart számot. Valójában a PEMFC számos előnnyel rendelkezik, mint például az alacsony működési hőmérséklet, a nagy áramsűrűség stabilitása, a könnyű súly, a kompaktság, az alacsony költség- és térfogatpotenciál, a hosszú élettartam, a gyors indítások és az időszakos működésre való alkalmasság.

A PEMFC technológia jól illeszkedik a különböző méretekhez, és különféle üzemanyagokkal is használható, ha megfelelően feldolgozzák hidrogén előállítására. Mint ilyen, a kis szubwattos skálától egészen a megawattos skáláig használható. 2016–2018-ban az összes szállítmány 88%-a PEMFC volt.