Kuro elementai: tipai, veikimo principas ir savybės

2024 Autorius: Howard Calhoun | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-02 13:59

Vandenis yra švarus kuras, nes jis gamina tik vandenį ir tiekia švarią energiją naudojant atsinaujinančius energijos š altinius. Jis gali būti laikomas kuro elemente, kuris gamina elektrą naudojant elektrocheminį konversijos įrenginį. Vandenilis yra revoliucinės ateities energijos š altinis, tačiau jo plėtra vis dar labai ribota. Priežastys: sunkiai pagaminama energija, ekonomiškumas ir abejotinas energijos balansas dėl daug energijos reikalaujančio projekto pobūdžio. Tačiau ši energijos parinktis siūlo įdomių perspektyvų energijos kaupimo požiūriu, ypač kai kalbama apie atsinaujinančius š altinius.

Fuel Cell Pioneers

Šią koncepciją veiksmingai demonstravo Humphry Davy XIX amžiaus pradžioje. Po to sekė novatoriškas Christiano Friedricho Schonbeino darbas 1838 m. Septintojo dešimtmečio pradžioje NASA, bendradarbiaudama su pramonės partneriais, pradėjo kurti generatoriustokio tipo pilotuojamiems skrydžiams į kosmosą. Taip buvo sukurtas pirmasis PEMFC blokas.

Kitas GE tyrėjas Leonardas Nidrachas atnaujino Grubb PEMFC, naudodamas platiną kaip katalizatorių. Grubb-Niedrach buvo toliau tobulinamas bendradarbiaujant su NASA ir buvo naudojamas Gemini kosminėje programoje septintojo dešimtmečio pabaigoje. International Fuel Cells (IFC, vėliau UTC Power) sukūrė 1,5 kW galios įrenginį Apollo skrydžiams į kosmosą. Jie tiekė elektrą ir geriamąjį vandenį astronautams jų misijos metu. Vėliau IFC sukūrė 12 kW galios įrenginius, naudojamus tiekti galią visiems erdvėlaivių skrydžiams.

Automobilių elementą pirmą kartą išrado Grulle septintajame dešimtmetyje. GM naudojo Union Carbide automobilyje „Electrovan“. Jis buvo naudojamas tik kaip įmonės automobilis, tačiau pilnu baku galėjo nuvažiuoti iki 120 mylių ir pasiekti iki 70 mylių per valandą greitį. Kordeschas ir Grulke eksperimentavo su vandeniliniu motociklu 1966 m. Tai buvo elementų hibridas su NiCad baterija, kuri pasiekė įspūdingą 1,18 l/100 km. Dėl šio žingsnio pažangios e-dviračių technologijos ir elektroninių motociklų komercializacija.

2007 m. kuro š altiniai tapo komercializuoti įvairiose srityse, jie pradėti parduoti galutiniams vartotojams su rašytinėmis garantijomis ir aptarnavimo galimybėmis, t.y. atitinka rinkos ekonomikos reikalavimus ir standartus. Taip nemažai rinkos segmentų ėmė orientuotis į paklausą. Visų pirma, tūkstančiai pagalbinės galiosPEMFC ir DMFC (APU) įrenginiai buvo komercializuoti pramoginėse programose: v altyse, žaisluose ir treniruočių rinkiniuose.

Horizon 2009 m. spalio mėn. parodė pirmąją komercinę Dynario elektroninę sistemą, kuri veikia su metanolio kasetėmis. „Horizon“kuro elementais galima įkrauti mobiliuosius telefonus, GPS sistemas, fotoaparatus ar skaitmeninius muzikos grotuvus.

Vandenilio gamybos procesai

Vandenilio kuro elementai – tai medžiagos, kurių degaluose yra vandenilio. Vandenilio kuras yra nulinės emisijos kuras, kuris degimo metu arba elektrocheminių reakcijų metu išskiria energiją. Kuro elementai ir baterijos gamina elektros energiją per cheminę reakciją, tačiau pirmieji gamins energiją tol, kol bus kuro, todėl niekada nepraras įkrovos.

Šiluminiai vandenilio gamybos procesai paprastai apima garų riformingą – aukštos temperatūros procesą, kai garai reaguoja su angliavandenilio š altiniu ir išskiria vandenilį. Daugelis natūralaus kuro rūšių gali būti pertvarkyti, kad susidarytų vandenilis.

Šiandien maždaug 95 % vandenilio susidaro dujinio riformingo būdu. Vanduo elektrolizės būdu skaidomas į deguonį ir vandenilį įrenginyje, kuris veikia kaip Horizon zero kuro elementas atvirkščiai.

Saulės energija pagrįsti procesai

Jie naudoja šviesą kaip agentą vandeniliui gaminti. Egzistuojakeli procesai, pagrįsti saulės baterijomis:

1. fotobiologinis;
2. fotoelektrochemija;
3. saulėtas;
4. termocheminė.

Fotobiologiniuose procesuose naudojamas natūralus bakterijų ir žaliųjų dumblių fotosintezės aktyvumas.

Fotoelektrocheminiai procesai yra specializuoti puslaidininkiai, skirti vandeniui atskirti vandenilį ir deguonį.

Termocheminės vandenilio saulės energijos gamyboje naudojama koncentruota saulės energija vandens atskyrimo reakcijai kartu su kitomis rūšimis, pvz., metalų oksidais.

Biologiniuose procesuose naudojami mikrobai, tokie kaip bakterijos ir mikrodumbliai, ir jie gali gaminti vandenilį per biologines reakcijas. Mikrobų biomasės konversijos metu mikrobai skaido organines medžiagas, pvz., biomasę, o fotobiologiniuose procesuose mikrobai naudoja saulės šviesą kaip š altinį.

Kartos komponentai

Elementų įrenginiai yra pagaminti iš kelių dalių. Kiekvienas iš jų turi tris pagrindinius komponentus:

• anodas;
• katodas;
• laidus elektrolitas.

Horizon kuro elementų atveju, kai kiekvienas elektrodas pagamintas iš didelio paviršiaus ploto medžiagos, impregnuotos platinos lydinio katalizatoriumi, elektrolito medžiaga yra membrana ir atlieka jonų laidininko funkciją. Elektros gamybą skatina dvi pagrindinės cheminės reakcijos. Elementams naudojant grynąH_2.

Vandenilio dujos prie anodo skyla į protonus ir elektronus. Pirmieji yra pernešami per elektrolito membraną, o antrieji teka aplink ją, generuodami elektros srovę. Įkrauti jonai (H + ir e -) jungiasi su O_{2 prie katodo, išskirdami vandenį ir šilumą. Daugelis aplinkosaugos problemų, kurios šiandien turi įtakos pasauliui, mobilizuoja visuomenę siekti tvaraus vystymosi ir pažangos siekiant apsaugoti planetą. Šiame kontekste pagrindinis veiksnys yra faktinių pagrindinių energijos išteklių pakeitimas kitais, galinčiais visiškai patenkinti žmogaus poreikius.}

Atitinkami elementai yra kaip tik toks įrenginys, kurio dėka šis aspektas randa labiausiai tikėtiną sprendimą, nes iš švaraus kuro galima gauti elektros energiją iš didelio efektyvumo ir be CO emisijų_2.

Platininiai katalizatoriai

Platina labai aktyviai oksiduoja vandenilį ir tebėra labiausiai paplitusi elektrokatalizatoriaus medžiaga. Viena iš pagrindinių „Horizon“mokslinių tyrimų, naudojant sumažintą platinos kuro elementus, sričių yra automobilių pramonė, kur artimiausiu metu planuojama sukurti inžinerinius katalizatorius, pagamintus iš platinos nanodalelių, palaikomų ant laidžios anglies. Šios medžiagos turi labai išsklaidytų nanodalelių pranašumą, didelį elektrokatalizinį paviršiaus plotą (ESA) ir minimalų dalelių augimą aukštesnėje temperatūroje, net esant didesniam Pt apkrovos lygiui.

Pt turintys lydiniai yra naudingi įrenginiuose, kuriuose naudojami specializuoti kuro š altiniai, pvz., metanolis arba riformingas (H₂, CO₂, CO ir N_{2). Pt/Ru lydiniai, palyginti su grynais elektrocheminiais Pt katalizatoriais, pagerino metanolio oksidaciją ir neapsinuodija anglies monoksidu. Pt 3 Co yra dar vienas įdomus katalizatorius (ypač Horizon kuro elementų katodams) ir pagerino deguonies mažinimo reakcijos efektyvumą bei didelį stabilumą.}

Pt/C ir Pt3 Co/C katalizatoriai, rodantys labai išsklaidytas nanodaleles ant paviršiaus anglies substratų. Renkantis kuro elementų elektrolitą reikia atsižvelgti į keletą pagrindinių reikalavimų:

1. Didelis protonų laidumas.
2. Aukštas cheminis ir terminis stabilumas.
3. Mažas dujų pralaidumas.

Vandenilio energijos š altinis

Vandenis yra paprasčiausias ir gausiausias elementas visatoje. Tai svarbi vandens, naftos, gamtinių dujų ir viso gyvojo pasaulio sudedamoji dalis. Nepaisant paprastumo ir gausumo, vandenilis Žemėje retai randamas gamtinėje dujinėje būsenoje. Jis beveik visada derinamas su kitais elementais. Jis gali būti gaunamas iš naftos, gamtinių dujų, biomasės arba atskiriant vandenį naudojant saulės ar elektros energiją.

Kai vandenilis susidaro kaip molekulinis H₂, molekulėje esanti energija gali išsiskirti sąveikaujantsu O₂. Tai galima pasiekti naudojant vidaus degimo variklius arba vandenilio kuro elementus. Juose energija H_{2 su mažais galios nuostoliais paverčiama elektros srove. Taigi vandenilis yra energijos nešiklis, skirtas perkelti, kaupti ir tiekti energiją, pagamintą iš kitų š altinių.}

Maitinimo modulių filtrai

Išgauti alternatyvių energijos elementų neįmanoma be specialių filtrų. Klasikiniai filtrai padeda kurti elementų galios modulius įvairiose pasaulio šalyse dėl aukštos kokybės blokų. Tiekiami filtrai kurui, pvz., metanoliui, ruošti elementams.

Šių maitinimo modulių programos paprastai apima maitinimo š altinį atokiose vietose, atsarginį maitinimą svarbiems tiekimams, APU mažose transporto priemonėse ir jūrų programas, tokias kaip Project Pa-X-ell, kuris yra keleivinių laivų elementų bandymo projektas.

Nerūdijančio plieno filtrų korpusai, išsprendžiantys filtravimo problemas. Šiose sudėtingose programose „zero dawn“kuro elementų gamintojai nurodo „Classic Filters“nerūdijančio plieno filtrų korpusus dėl gamybos lankstumo, aukštesnių kokybės standartų, greito pristatymo ir konkurencingų kainų.

Vandenilio technologijos platforma

Horizon Fuel Cell Technologies buvo įkurta Singapūre 2003 m. ir šiandien turi 5 tarptautines dukterines įmones. Firmos misija yrapakeisti kuro elementus dirbant pasauliniu mastu, siekiant greito komercializavimo, sumažinti technologijų sąnaudas ir pašalinti senas kliūtis vandenilio tiekimui. Įmonė pradėjo nuo mažų ir paprastų gaminių, kuriems reikalingas nedidelis vandenilio kiekis, ruošiantis didesniems ir sudėtingesniems darbams. Laikydamasi griežtų gairių ir veiksmų plano, „Horizon“greitai tapo didžiausia pasaulyje iki 1000 W tūrinių elementų gamintoja, aptarnaujančia klientus daugiau nei 65 šalyse ir turinčiu plačiausią komercinių produktų pasirinkimą šioje pramonėje.

Technologijų platformą „Horizon“sudaro: PEM – „Horizon zero dawn“kuro elementai (mikrodegalai ir kaminai) ir jų medžiagos, vandenilio tiekimas (elektrolizė, riformingas ir hidrolizė), vandenilio kaupimo įrenginiai ir įrenginiai.

Horizon išleido pirmąjį pasaulyje nešiojamąjį ir asmeninį vandenilio generatorių. „HydroFill“stotis gali generuoti vandenilį, skaidydama vandenį rezervuare ir laikydama jį „HydroStick“kasetėse. Juose yra sugeriančio vandenilio lydinio, užtikrinančio kietą saugojimą. Tada kasetes galima įdėti į MiniPak įkroviklį, kuris gali apdoroti mažus kuro filtro elementus.

Horizontas arba vandenilis namuose

Horizon Technologies pristato vandenilio įkrovimo ir energijos kaupimo sistemą, skirtą naudojimui namuose, taupydama energiją namuose nešiojamiesiems įrenginiams įkrauti. „Horizon“2006 m. pasižymėjo „H-racer“žaislu, mažu vandeniliu varomu automobiliu, išrinktu „geriausiu metų išradimu“. „Horizontas“siūlodecentralizuokite energijos kaupimą namuose naudodami „Hydrofill“vandenilio įkrovimo stotelę, kuri gali įkrauti mažas nešiojamas ir daugkartinio naudojimo baterijas. Šiai vandenilio jėgainei veikti ir energijai gaminti reikia tik vandens.

Darbą gali užtikrinti tinklas, saulės baterijos arba vėjo turbina. Iš ten vandenilis išgaunamas iš stoties vandens rezervuaro ir laikomas kietu pavidalu mažose metalo lydinio ląstelėse. „Hydrofill Station“, parduodama už maždaug 500 USD, yra avangardinis telefonams skirtas sprendimas. Kur rasti Hydrofill kuro elementus už tokią kainą vartotojams nėra sunku, tereikia pateikti atitinkamą užklausą internete.

Automobilio įkrovimas vandeniliu

Kaip ir akumuliatoriniais elektriniai automobiliai, vandeniliu varomi automobiliai taip pat naudoja elektrą automobiliui vairuoti. Tačiau užuot kaupę šią elektrą baterijose, kurių įkrovimas trunka kelias valandas, ląstelės generuoja energiją automobilyje, reaguodamos į vandenilį ir deguonį. Reakcija vyksta esant elektrolitui – nemetaliniam laidininkui, kuriame elektros srautą perneša jonų judėjimas įrenginiuose, kuriuose „Horizon zero“kuro elementuose yra įrengtos protonų mainų membranos. Jie veikia taip:

1. Vandenilio dujos tiekiamos į elemento "-" anodą (A), o deguonis nukreipiamas į teigiamą polių.
2. Anodo katalizatorius yra platina,išmeta elektronus iš vandenilio atomų, paliekant "+" jonus ir laisvuosius elektronus. Per membraną, esančią tarp anodo ir katodo, praeina tik jonai.
3. Elektronai sukuria elektros srovę judėdami išorine grandine. Ant katodo elektronai ir vandenilio jonai jungiasi su deguonimi ir gamina vandenį, ištekantį iš ląstelės.

Iki šiol dideli vandeniliu varomų transporto priemonių gamybai trukdė du dalykai: kaina ir vandenilio gamyba. Dar visai neseniai platinos katalizatorius, dalinantis vandenilį į jonus ir elektronus, buvo nepaprastai brangus.

Prieš keletą metų vandenilio kuro elementai kainavo apie 1000 USD už kiekvieną kilovatą galios arba apie 100 000 USD už automobilį. Buvo atlikti įvairūs tyrimai, siekiant sumažinti projekto išlaidas, įskaitant platinos katalizatoriaus pakeitimą platinos ir nikelio lydiniu, kuris yra 90 kartų efektyvesnis. Praėjusiais metais JAV Energetikos departamentas pranešė, kad sistemos kaina sumažėjo iki 61 USD už kilovatą, o tai vis dar nekonkurencinga automobilių pramonėje.

Rentgeno kompiuterinė tomografija

Šis neardomasis bandymo metodas naudojamas dviejų sluoksnių elemento struktūrai tirti. Kiti metodai, dažniausiai naudojami struktūrai tirti:

• gyvsidabrio įsiskverbimo porozimetrija;
• atominės jėgos mikroskopija;
• optinė profilometrija.

Rezultatai rodo, kad poringumo pasiskirstymas turi tvirtą pagrindą šilumos ir elektros laidumui, laidumui irdifuzija. Išmatuoti elementų poringumą labai sunku dėl jų plonos, suspaudžiamos ir nehomogeniškos geometrijos. Rezultatas rodo, kad suspaudus GDL poringumas mažėja.

Akyta struktūra daro didelę įtaką masės perdavimui elektrode. Eksperimentas buvo atliktas esant įvairiems karšto presavimo slėgiams, kurie svyravo nuo 0,5 iki 10 MPa. Veikimas daugiausia priklauso nuo platinos metalo, kurio kaina yra labai didelė. Difuziją galima padidinti naudojant cheminius rišiklius. Be to, temperatūros pokyčiai turi įtakos elemento tarnavimo laikui ir vidutiniam veikimui. Aukštos temperatūros PEMFC skilimo greitis iš pradžių yra mažas, o vėliau greitai didėja. Tai naudojama vandens susidarymui nustatyti.

Komercializavimo problemos

Kad būtų ekonomiškai konkurencinga, kuro elementų sąnaudos turi būti sumažintos perpus ir panašiai pailgėtų baterijos veikimo laikas. Tačiau šiandien eksploatacinės išlaidos vis dar yra daug didesnės, nes vandenilio gamybos sąnaudos yra nuo 2,5 USD iki 3 USD, o tiekiamas vandenilis vargu ar kainuos mažiau nei 4 USD/kg. Kad elementas efektyviai konkuruotų su baterijomis, jo įkrovimo laikas turėtų būti trumpas ir baterijos keitimo procesas turėtų būti kuo mažesnis.

Šiuo metu polimerinių kuro elementų technologija kainuos 49 USD/kW, kai bus gaminama masiškai (mažiausiai 500 000 vienetų per metus). Tačiau norint konkuruoti su automobiliaisvidaus degimo, automobilių kuro elementai turėtų siekti apie 36 USD/kWh. Sutaupyti galima sumažinus medžiagų sąnaudas (ypač naudojant platiną), padidinus galios tankį, sumažinus sistemos sudėtingumą ir padidinus ilgaamžiškumą. Technologijų platinimas dideliu mastu susiduria su keliais iššūkiais, įskaitant daugelio techninių kliūčių įveikimą.

Techniniai ateities iššūkiai

Rinkinio kaina priklauso nuo medžiagos, technikos ir gamybos metodų. Medžiagos pasirinkimas priklauso ne tik nuo medžiagos tinkamumo funkcijai, bet ir apdirbamumo. Pagrindinės elementų užduotys:

1. Sumažinkite elektrokatalizatoriaus apkrovą ir padidinkite aktyvumą.
2. Padidinkite ilgaamžiškumą ir sumažinkite degradaciją.
3. Elektrodų dizaino optimizavimas.
4. Pagerinkite priemaišų toleranciją prie anodo.
5. Medžiagų, skirtų komponentams, pasirinkimas. Ji visų pirma pagrįsta sąnaudomis neprarandant našumo.
6. Sistemos gedimų tolerancija.
7. Elemento veikimas daugiausia priklauso nuo membranos stiprumo.

Pagrindiniai GDL parametrai, turintys įtakos elementų veikimui, yra reagento pralaidumas, elektrinis laidumas, šilumos laidumas ir mechaninis palaikymas. GDL storis yra svarbus veiksnys. Storesnė membrana užtikrina geresnę apsaugą, mechaninį stiprumą, ilgesnius difuzijos kelius ir didesnį šiluminės bei elektrinės varžos lygį.

Progresyvios tendencijos

Tarp įvairių elementų PEMFC pritaiko vis daugiau mobiliųjų aplikacijų (automobiliams, nešiojamiesiems kompiuteriams, mobiliesiems telefonams ir kt.), todėl vis labiau domisi įvairiausiais gamintojais. Tiesą sakant, PEMFC turi daug privalumų, tokių kaip žema darbinė temperatūra, didelis srovės tankio stabilumas, lengvas svoris, kompaktiškumas, mažos sąnaudos ir tūrio potencialas, ilgas tarnavimo laikas, greitas paleidimas ir tinkamumas naudoti su pertrūkiais.

PEMFC technologija puikiai tinka įvairiems dydžiams, taip pat naudojama su įvairiais degalais, kai tinkamai apdorojama vandeniliui gaminti. Taigi jis naudojamas nuo mažos subvatų skalės iki megavatų skalės. 88 % visų siuntų 2016–2018 m. buvo PEMFC.