Горивни клетки: видове, принцип на действие и характеристики

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-02 13:50

Водородът е чисто гориво, тъй като произвежда само вода и осигурява чиста енергия, използвайки възобновяеми енергийни източници. Може да се съхранява в горивна клетка, която произвежда електричество с помощта на устройство за електрохимично преобразуване. Водородът е източникът на революционната енергия на бъдещето, но неговото развитие все още е много ограничено. Причини: енергия, която е трудна за производство, рентабилност и съмнителен енергиен баланс поради енергоемкия характер на дизайна. Но тази енергийна опция предлага интересни перспективи по отношение на съхранението на енергия, особено когато става въпрос за възобновяеми източници.

Пионери на горивни клетки

Концепцията е ефективно демонстрирана от Хъмфри Дейви в началото на деветнадесети век. Това е последвано от пионерската работа на Кристиан Фридрих Шонбайн през 1838 г. В началото на 60-те години НАСА, в сътрудничество с индустриални партньори, започва да разработва генераториот този тип за пилотирани космически полети. Това доведе до първия блок на PEMFC.

Друг изследовател на GE, Леонард Нидрач, надстрои PEMFC на Grubb, използвайки платина като катализатор. Grubb-Niedrach е допълнително разработен в сътрудничество с НАСА и е използван от космическата програма Gemini в края на 60-те години. International Fuel Cells (IFC, по-късно UTC Power) разработи устройството с мощност 1,5 kW за космически полети на Аполо. Те осигуриха електричество, както и питейна вода за астронавтите по време на мисията им. Впоследствие IFC разработи 12 kW единици, използвани за осигуряване на бордова мощност за всички полети на космически кораб.

Автомобилният елемент е изобретен за първи път от Grulle през 60-те години на миналия век. GM използва Union Carbide в автомобила "Electrovan". Използван е само като служебен автомобил, но може да пътува до 120 мили с пълен резервоар и да достига скорост до 70 мили в час. Кордеш и Грулке експериментират с водороден мотоциклет през 1966 г. Това беше клетъчен хибрид с NiCad батерия в тандем, който постигна впечатляващите 1.18L/100km. Този ход има усъвършенствана технология за електронни велосипеди и комерсиализацията на електронните мотоциклети.

През 2007 г. източниците на гориво станаха комерсиализирани в голямо разнообразие от области, те започнаха да се продават на крайни потребители с писмени гаранции и възможности за обслужване, т.е. отговарят на изискванията и стандартите на пазарната икономика. Така редица пазарни сегменти започнаха да се фокусират върху търсенето. По-специално, хиляди спомагателни мощностиУредите PEMFC и DMFC (APU) са комерсиализирани в приложения за забавление: лодки, играчки и комплекти за обучение.

Horizon през октомври 2009 г. показа първата търговска електронна система Dynario, която работи с метанолни патрони. Горивните клетки Horizon могат да зареждат мобилни телефони, GPS системи, камери или цифрови музикални плейъри.

Процеси за производство на водород

Водородните горивни клетки са вещества, които съдържат водород като гориво. Водородното гориво е гориво с нулеви емисии, което освобождава енергия по време на горене или чрез електрохимични реакции. Горивните клетки и батериите произвеждат електричество чрез химическа реакция, но първите ще произвеждат енергия, докато има гориво, като по този начин никога не губят заряд.

Термичните процеси за производство на водород обикновено включват парен реформинг, високотемпературен процес, при който парата реагира с източник на въглеводороди, за да освободи водород. Много природни горива могат да бъдат реформирани за получаване на водород.

Днес приблизително 95% от водорода се произвежда чрез газов реформинг. Водата се разделя на кислород и водород чрез електролиза в устройство, което функционира като горивна клетка Horizon нула в обратна посока.

Слънчеви базирани процеси

Те използват светлината като агент за производство на водород. Съществуваняколко процеса, базирани на слънчеви панели:

1. фотобиологичен;
2. фотоелектрохимикал;
3. слънчево;
4. термохимически.

Фотобиологичните процеси използват естествената фотосинтетична активност на бактериите и зелените водорасли.

Фотоелектрохимичните процеси са специализирани полупроводници за разделяне на водата на водород и кислород.

Термохимичното слънчево производство на водород използва концентрирана слънчева енергия за реакция на отделяне на вода заедно с други видове като метални оксиди.

Биологичните процеси използват микроби като бактерии и микроводорасли и могат да произвеждат водород чрез биологични реакции. При преобразуване на микробна биомаса, микробите разграждат органична материя като биомаса, докато при фотобиологичните процеси микробите използват слънчева светлина като източник.

Компоненти за генериране

Устройствата от елементи са направени от няколко части. Всеки има три основни компонента:

• анод;
• катод;
• проводим електролит.

В случай на горивни клетки Horizon, където всеки електрод е направен от материал с голяма повърхност, импрегниран с катализатор от платинена сплав, електролитният материал е мембрана и служи като йонен проводник. Електрическото производство се задвижва от две първични химични реакции. За елементи, използващи pureH_2.

Водородният газ на анода се разделя на протони и електрони. Първите се пренасят през електролитната мембрана, а вторите се движат около нея, генерирайки електрически ток. Заредените йони (H + и e -) се комбинират с O_{2 на катода, освобождавайки вода и топлина. Множеството екологични проблеми, които засягат света днес, мобилизират обществото за постигане на устойчиво развитие и напредък към опазването на планетата. Тук в контекста ключовият фактор е замяната на действителните основни енергийни ресурси с други, които могат напълно да задоволят човешките нужди.}

Въпросните елементи са точно такова устройство, благодарение на което този аспект намира най-вероятното решение, тъй като е възможно да се получи електрическа енергия от чисто гориво с висока ефективност и без CO емисии_2.

Платинени катализатори

Платината е силно активна за окисляване на водорода и продължава да бъде най-разпространеният електрокатализатор. Една от основните области на изследвания на Horizon, използващи горивни клетки с намалена платина, е в автомобилната индустрия, където в близко бъдеще се планират проектирани катализатори, направени от платинени наночастици, поддържани върху проводящ въглерод. Тези материали имат предимството на силно диспергирани наночастици, висока електрокаталитична повърхност (ESA) и минимален растеж на частиците при повишени температури, дори при по-високи нива на натоварване на Pt.

Pt-съдържащите сплави са полезни за устройства, работещи със специализирани източници на гориво, като метанол или реформинг (H₂, CO₂, CO и N_{2). Pt/Ru сплавите показват подобрена производителност спрямо чистите електрохимични Pt катализатори по отношение на окисление на метанол и липса на възможност за отравяне с въглероден оксид. Pt 3 Co е друг катализатор от интерес (особено за катоди на горивни клетки Horizon) и е показал подобрена ефективност на реакцията при намаляване на кислорода, както и висока стабилност.}

Pt/C и Pt 3 Co/C катализатори, показващи силно диспергирани наночастици върху повърхностни въглеродни субстрати. Има няколко ключови изисквания, които трябва да имате предвид при избора на електролит за горивна клетка:

1. Висока протонна проводимост.
2. Висока химическа и термична стабилност.
3. Ниска газопропускливост.

Източник на водороден енергиен източник

Водородът е най-простият и най-разпространеният елемент във Вселената. Той е важен компонент на водата, петрола, природния газ и целия жив свят. Въпреки своята простота и изобилие, водородът рядко се среща в естественото си газообразно състояние на Земята. Почти винаги се комбинира с други елементи. И може да бъде получен от нефт, природен газ, биомаса или чрез отделяне на вода с помощта на слънчева или електрическа енергия.

След като водородът се образува като молекулно H₂, енергията, присъстваща в молекулата, може да се освободи чрез взаимодействиес O₂. Това може да се постигне с двигатели с вътрешно горене или с водородни горивни клетки. В тях енергията H_{2 се превръща в електрически ток с ниски загуби на мощност. По този начин водородът е енергиен носител за преместване, съхранение и доставяне на енергия, произведена от други източници.}

Филтри за захранващи модули

Получаването на алтернативни енергийни елементи е невъзможно без използването на специални филтри. Класическите филтри помагат при разработването на захранващи модули на елементи в различни страни по света благодарение на висококачествените блокове. Доставят се филтри за приготвяне на гориво като метанол за клетъчни приложения.

Обикновено приложенията за тези захранващи модули включват захранване на отдалечени места, резервно захранване за критични захранвания, APU за малки превозни средства и морски приложения като Project Pa-X-ell, който е проект за тестване на клетки на пътнически кораби.

Корпуси за филтри от неръждаема стомана, които решават проблеми с филтрирането. В тези взискателни приложения производителите на горивни клетки с нулева зора определят корпуса на филтрите от неръждаема стомана Classic Filters поради гъвкавостта на производството, по-високите стандарти за качество, бързите доставки и конкурентните цени.

Водородна технологична платформа

Horizon Fuel Cell Technologies е основана в Сингапур през 2003 г. и днес има 5 международни дъщерни дружества. Мисията на фирмата еда направи разлика в горивните клетки, като работи глобално за постигане на бърза комерсиализация, по-ниски технологични разходи и премахване на вековните бариери пред доставките на водород. Фирмата стартира с малки и прости продукти, които изискват ниски количества водород в подготовка за по-големи и по-сложни приложения. Следвайки строги насоки и пътна карта, Horizon бързо се превърна в най-големия в света производител на насипни клетки под 1000 W, обслужвайки клиенти в над 65 страни с най-широк избор от търговски продукти в индустрията.

Технологичната платформа на Horizon се състои от: PEM - горивни клетки Horizon zero dawn (микрогориво и стекове) и техните материали, доставка на водород (електролиза, реформинг и хидролиза), устройства и устройства за съхранение на водород.

Horizon пусна първия в света преносим и персонален водороден генератор. Станцията HydroFill може да генерира водород, като разлага вода в резервоар и я съхранява в патрони HydroStick. Те съдържат абсорбираща сплав от водороден газ, за да осигурят твърдо съхранение. След това касетите могат да бъдат поставени в зарядно устройство MiniPak, което може да работи с малки горивни филтърни елементи.

Хоризонт или домашен водород

Horizon Technologies пуска система за зареждане с водород и съхранение на енергия за домашна употреба, спестявайки енергия у дома за зареждане на преносими устройства. Horizon се отличи през 2006 г. с играчката "H-racer", малка кола, задвижвана с водород, обявена за "най-добро изобретение" на годината. Хоризонт предлагадецентрализира съхранението на енергия у дома със своята станция за зареждане с водород Hydrofill, която може да презарежда малки преносими батерии за многократна употреба. Тази водородна централа изисква само вода, за да работи и генерира енергия.

Работата може да бъде осигурена от мрежата, слънчеви панели или вятърна турбина. Оттам водородът се извлича от резервоара за вода на станцията и се съхранява в твърда форма в малки клетки от метална сплав. Hydrofill Station, която се продава на дребно за около $500, е авангардно решение за телефони. Къде да намерите Hydrofill горивни клетки на тази цена не е трудно за потребителите, просто трябва да попитате съответната заявка в Интернет.

Зареждане на автомобил с водород

Подобно на електрическите автомобили, захранвани с батерии, тези, задвижвани от водород, също използват електричество за задвижване на автомобила. Но вместо да съхраняват това електричество в батерии, чието зареждане отнема часове, клетките генерират енергия на борда на автомобила, като реагират на водород и кислород. Реакцията протича в присъствието на електролит - неметален проводник, в който електрическият поток се носи от движението на йони в устройства, където Horizon нулеви горивни клетки са оборудвани с протонообменни мембрани. Те функционират както следва:

1. Водородният газ се подава към анода "-" (A) на клетката, а кислородът се насочва към положителния полюс.
2. На анода катализаторът е платинен,изхвърля електроните от водородните атоми, оставяйки "+" йони и свободни електрони. Само йони преминават през мембраната, разположена между анода и катода.
3. Електроните създават електрически ток, като се движат по външна верига. На катода електроните и водородните йони се комбинират с кислорода, за да произведат вода, изтичаща от клетката.

Досега две неща възпрепятстваха широкомащабното производство на превозни средства, задвижвани с водород: цена и производство на водород. Доскоро платиненият катализатор, който разделя водорода на йон и електрон, беше непосилно скъп.

Преди няколко години водородните горивни клетки струваха около 1000 долара за всеки киловат мощност или около 100 000 долара за автомобил. Бяха проведени различни проучвания за намаляване на цената на проекта, включително замяна на платинения катализатор с платинено-никелова сплав, която е 90 пъти по-ефективна. Миналата година Министерството на енергетиката на САЩ съобщи, че цената на системата е паднала до $61 за киловат, все още неконкурентоспособна в автомобилната индустрия.

рентгенова компютърна томография

Този метод за безразрушително изпитване се използва за изследване на структурата на двуслоен елемент. Други методи, често използвани за изучаване на структурата:

• порозиметрия с проникване на живак;
• атомно-силова микроскопия;
• оптична профилометрия.

Резултатите показват, че разпределението на порьозността има солидна основа за изчисляване на топлинна и електрическа проводимост, пропускливост идифузия. Измерването на порьозността на елементите е много трудно поради тяхната тънка, свиваема и нехомогенна геометрия. Резултатът показва, че порьозността намалява с GDL компресия.

Порестата структура оказва значително влияние върху масопреноса в електрода. Експериментът се провежда при различни налягания на горещо пресоване, които варират от 0,5 до 10 MPa. Производителността зависи главно от платинения метал, чиято цена е много висока. Дифузията може да се увеличи чрез използването на химически свързващи вещества. Освен това температурните промени влияят на живота и средната производителност на елемента. Скоростта на разграждане на високотемпературните PEMFCs първоначално е ниска и след това бързо се увеличава. Това се използва за определяне образуването на вода.

Проблеми с комерсиализацията

За да бъдат разходоконкурентни, разходите за горивни клетки трябва да бъдат намалени наполовина и животът на батерията по подобен начин удължен. Днес обаче оперативните разходи все още са много по-високи, тъй като разходите за производство на водород са между $2,5 и $3, а доставяният водород е малко вероятно да струва по-малко от $4/kg. За да може клетката да се конкурира ефективно с батериите, тя трябва да има кратко време за зареждане и да сведе до минимум процеса на смяна на батерията.

В момента технологията на полимерните горивни клетки ще струва 49 щатски долара/kW при масово производство (най-малко 500 000 единици годишно). Въпреки това, за да се конкурират с автомобиливътрешно горене, автомобилните горивни клетки трябва да достигнат около $36/kWh. Спестяванията могат да бъдат постигнати чрез намаляване на материалните разходи (по-специално, използването на платина), увеличаване на плътността на мощността, намаляване на сложността на системата и увеличаване на издръжливостта. Има няколко предизвикателства за комерсиализацията на технологията в голям мащаб, включително преодоляване на редица технически бариери.

Технически предизвикателства на бъдещето

Цената на стека зависи от материала, техниката и производствените техники. Изборът на материал зависи не само от пригодността на материала за функцията, но и от обработваемостта. Ключови задачи на елементите:

1. Намалете натоварването на електрокатализатора и увеличете активността.
2. Подобрете издръжливостта и намалете деградацията.
3. Оптимизиране на дизайна на електрода.
4. Подобрете толерантността към замърсяванията на анода.
5. Избор на материали за компоненти. Основава се предимно на разходите, без да се жертва производителността.
6. Толерантност на системни грешки.
7. Ефективността на елемента зависи главно от здравината на мембраната.

Основните параметри на GDL, които влияят на производителността на клетката, са пропускливостта на реагента, електрическата проводимост, топлопроводимостта и механичната поддръжка. Дебелината на GDL е важен фактор. По-дебелата мембрана осигурява по-добра защита, механична здравина, по-дълги дифузионни пътища и по-високи нива на термично и електрическо съпротивление.

Прогресивни тенденции

Измежду различните типове елементи, PEMFC адаптира повече мобилни приложения (автомобили, лаптопи, мобилни телефони и т.н.), следователно представлява нарастващ интерес за широк кръг от производители. Всъщност PEMFC има много предимства като ниска работна температура, висока стабилност на плътността на тока, леко тегло, компактност, ниска цена и потенциал за обем, дълъг експлоатационен живот, бързо стартиране и пригодност за периодична работа.

PEMFC технологията е подходяща за различни размери и също така се използва с различни горива, когато се обработва правилно за производство на водород. Като такъв, той намира приложение от малката субватова скала чак до мегаватовата. 88% от общите пратки през 2016-2018 г. са PEMFC.