Ogniwa paliwowe: rodzaje, zasada działania i cechy

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-02 14:01

Wodór jest czystym paliwem, ponieważ wytwarza tylko wodę i dostarcza czystą energię przy użyciu odnawialnych źródeł energii. Może być przechowywany w ogniwie paliwowym, które wytwarza energię elektryczną za pomocą urządzenia do konwersji elektrochemicznej. Wodór jest źródłem rewolucyjnej energii przyszłości, ale jego rozwój jest nadal bardzo ograniczony. Powody: energia trudna do wyprodukowania, opłacalność i wątpliwy bilans energetyczny ze względu na energochłonny charakter projektu. Ale ta opcja energetyczna oferuje ciekawe perspektywy w zakresie magazynowania energii, zwłaszcza jeśli chodzi o źródła odnawialne.

Pionierzy ogniw paliwowych

Koncepcję skutecznie zademonstrował Humphry Davy na początku XIX wieku. Po tym nastąpiła pionierska praca Christiana Friedricha Schonbeina w 1838 roku. Na początku lat 60. NASA, we współpracy z partnerami przemysłowymi, rozpoczęła opracowywanie generatorówtego typu do załogowych lotów kosmicznych. W efekcie powstał pierwszy blok PEMFC.

Inny badacz z GE, Leonard Nidrach, zmodernizował PEMFC Grubba, używając platyny jako katalizatora. Grubb-Niedrach był dalej rozwijany we współpracy z NASA i był wykorzystywany przez program kosmiczny Gemini pod koniec lat 60. XX wieku. International Fuel Cells (IFC, później UTC Power) opracowało 1,5 kW urządzenie do lotów kosmicznych Apollo. Podczas misji dostarczali astronautom energię elektryczną i wodę pitną. Następnie IFC opracowało jednostki o mocy 12 kW wykorzystywane do zasilania pokładowego dla wszystkich lotów statków kosmicznych.

Element motoryzacyjny został po raz pierwszy wynaleziony przez Grulle w latach 60. XX wieku. GM zastosował Union Carbide w samochodzie „Electrovan”. Był używany tylko jako samochód służbowy, ale mógł przejechać do 120 mil na pełnym zbiorniku i osiągnąć prędkość do 70 mil na godzinę. Kordesch i Grulke eksperymentowali z motocyklem wodorowym w 1966 roku. Była to hybryda ogniw z akumulatorem NiCad w tandemie, która osiągnęła imponujące 1,18 l/100 km. Ten ruch przyczynił się do zaawansowanej technologii e-rowerów i komercjalizacji e-motocykli.

W 2007 roku źródła paliwa zostały skomercjalizowane w wielu różnych obszarach, zaczęto je sprzedawać użytkownikom końcowym z pisemnymi gwarancjami i możliwościami serwisowymi, tj. spełniają wymagania i standardy gospodarki rynkowej. W ten sposób wiele segmentów rynku zaczęło koncentrować się na popycie. W szczególności tysiące mocy pomocniczychJednostki PEMFC i DMFC (APU) zostały skomercjalizowane w zastosowaniach rozrywkowych: łodziach, zabawkach i zestawach szkoleniowych.

Horizon w październiku 2009 zaprezentował pierwszy komercyjny system elektroniczny Dynario, który działa na nabojach z metanolem. Ogniwa paliwowe Horizon mogą ładować telefony komórkowe, systemy GPS, aparaty fotograficzne lub cyfrowe odtwarzacze muzyki.

Procesy produkcji wodoru

Wodorowe ogniwa paliwowe to substancje zawierające wodór jako paliwo. Paliwo wodorowe to paliwo o zerowej emisji, które uwalnia energię podczas spalania lub w wyniku reakcji elektrochemicznych. Ogniwa paliwowe i akumulatory wytwarzają energię elektryczną w wyniku reakcji chemicznej, ale te pierwsze wytwarzają energię tak długo, jak jest paliwo, dzięki czemu nigdy nie tracą ładunku.

Procesy termiczne wytwarzania wodoru zazwyczaj obejmują reforming parowy, proces wysokotemperaturowy, w którym para reaguje ze źródłem węglowodorów w celu uwolnienia wodoru. Wiele paliw naturalnych można reformować w celu wytworzenia wodoru.

Dzisiaj około 95% wodoru jest produkowane w procesie reformingu gazu. Woda jest rozdzielana na tlen i wodór w procesie elektrolizy w urządzeniu, które działa jak ogniwo paliwowe Horizon zero w odwrotnej kolejności.

Procesy wykorzystujące energię słoneczną

Używają światła jako środka do produkcji wodoru. istniejekilka procesów opartych na panelach słonecznych:

1. fotobiologiczne;
2. fotoelektrochemiczny;
3. słoneczny;
4. termochemiczny.

Procesy fotobiologiczne wykorzystują naturalną aktywność fotosyntetyczną bakterii i zielonych alg.

Procesy fotoelektrochemiczne to wyspecjalizowane półprzewodniki do rozdzielania wody na wodór i tlen.

Termochemiczna produkcja wodoru z wykorzystaniem wodoru wykorzystuje skoncentrowaną energię słoneczną do reakcji separacji wody wraz z innymi gatunkami, takimi jak tlenki metali.

Procesy biologiczne wykorzystują drobnoustroje, takie jak bakterie i mikroalgi, i mogą wytwarzać wodór w reakcjach biologicznych. Podczas konwersji biomasy drobnoustrojów drobnoustroje rozkładają materię organiczną, taką jak biomasa, podczas gdy w procesach fotobiologicznych drobnoustroje wykorzystują światło słoneczne jako źródło.

Komponenty generacji

Urządzenia elementów składają się z kilku części. Każdy z nich składa się z trzech głównych elementów:

• anoda;
• katoda;
• elektrolit przewodzący.

W przypadku ogniw paliwowych Horizon, gdzie każda elektroda jest wykonana z materiału o dużej powierzchni, impregnowanego katalizatorem ze stopu platyny, materiałem elektrolitu jest membrana służąca jako przewodnik jonów. Wytwarzanie energii elektrycznej jest napędzane przez dwie podstawowe reakcje chemiczne. Dla elementów używających pureH_2.

Gazowy wodór na anodzie rozdziela się na protony i elektrony. Te pierwsze są prowadzone przez membranę elektrolitu, a drugie opływają ją, wytwarzając prąd elektryczny. Naładowane jony (H + i e -) łączą się z O_{2 na katodzie, uwalniając wodę i ciepło. Liczne kwestie środowiskowe, które mają wpływ na dzisiejszy świat, mobilizują społeczeństwo do osiągnięcia zrównoważonego rozwoju i postępu w zakresie ochrony planety. W tym kontekście kluczowym czynnikiem jest zastąpienie faktycznych podstawowych zasobów energetycznych innymi, które mogą w pełni zaspokoić ludzkie potrzeby.}

Omawiane elementy są właśnie takim urządzeniem, dzięki któremu ten aspekt znajduje najbardziej prawdopodobne rozwiązanie, ponieważ możliwe jest pozyskiwanie energii elektrycznej z czystego paliwa z wysoką wydajnością i bez emisji CO_2.

Katalizatory platynowe

Platyna jest bardzo aktywna w procesie utleniania wodoru i nadal jest najpopularniejszym materiałem elektrokatalizatora. Jednym z głównych obszarów badań Horizon wykorzystujących ogniwa paliwowe o obniżonej zawartości platyny jest przemysł motoryzacyjny, w którym w najbliższej przyszłości planowane są inżynierskie katalizatory wykonane z nanocząstek platyny wspartych na przewodzącym węglu. Zaletą tych materiałów są wysoce zdyspergowane nanocząstki, wysoki elektrokatalityczny obszar powierzchni (ESA) i minimalny wzrost cząstek w podwyższonych temperaturach, nawet przy wyższych poziomach obciążenia Pt.

Stopy zawierające Pt są przydatne w urządzeniach pracujących na specjalistycznych źródłach paliwa, takich jak metanol lub reforming (H₂, CO₂, CO i N_{2). Stopy Pt/Ru wykazały lepszą wydajność w porównaniu z czystymi katalizatorami elektrochemicznymi Pt pod względem utleniania metanolu i brak możliwości zatrucia tlenkiem węgla. Pt 3 Co jest kolejnym interesującym katalizatorem (zwłaszcza w przypadku katod ogniw paliwowych Horizon) i wykazał zwiększoną wydajność reakcji redukcji tlenu oraz wysoką stabilność.}

Katalizatory Pt/C i Pt 3 Co/C wykazujące wysoce rozproszone nanocząstki na powierzchniowych podłożach węglowych. Przy wyborze elektrolitu do ogniw paliwowych należy wziąć pod uwagę kilka kluczowych wymagań:

1. Wysoka przewodność protonowa.
2. Wysoka stabilność chemiczna i termiczna.
3. Niska przepuszczalność gazu.

Źródło energii wodorowej

Wodór jest najprostszym i najobficiej występującym pierwiastkiem we wszechświecie. Jest ważnym składnikiem wody, ropy naftowej, gazu ziemnego i całego żywego świata. Pomimo swojej prostoty i obfitości, wodór rzadko występuje na Ziemi w jego naturalnym stanie gazowym. Prawie zawsze łączy się z innymi elementami. Może być pozyskiwany z ropy naftowej, gazu ziemnego, biomasy lub poprzez oddzielanie wody za pomocą energii słonecznej lub elektrycznej.

Gdy wodór utworzy się jako cząsteczkowy H₂, energia obecna w cząsteczce może zostać uwolniona przez interakcjęz O₂. Można to osiągnąć za pomocą silników spalinowych lub wodorowych ogniw paliwowych. W nich energia H_{2 jest zamieniana na prąd elektryczny z małymi stratami mocy. Tym samym wodór jest nośnikiem energii do przenoszenia, magazynowania i dostarczania energii wytworzonej z innych źródeł.}

Filtry do modułów zasilania

Pozyskiwanie alternatywnych elementów energetycznych jest niemożliwe bez użycia specjalnych filtrów. Klasyczne filtry pomagają w rozwoju modułów mocy elementów w różnych krajach świata dzięki wysokiej jakości bloków. Dostarczane są filtry do przygotowania paliwa, takiego jak metanol do zastosowań w ogniwach.

Typowe zastosowania tych modułów zasilania obejmują zasilanie w odległych lokalizacjach, zasilanie awaryjne dla krytycznych źródeł zasilania, APU w małych pojazdach i zastosowania morskie, takie jak Project Pa-X-ell, który jest projektem testowania ogniw na statkach pasażerskich.

Obudowy filtrów ze stali nierdzewnej, które rozwiązują problemy z filtracją. W tych wymagających zastosowaniach producenci ogniw paliwowych Zero Dawn określają obudowy filtrów ze stali nierdzewnej Classic Filters ze względu na elastyczność produkcji, wyższe standardy jakości, szybkie dostawy i konkurencyjne ceny.

Platforma technologii wodorowej

Horizon Fuel Cell Technologies została założona w Singapurze w 2003 roku i obecnie posiada 5 międzynarodowych filii. Misją firmy jest:dokonać zmian w ogniwach paliwowych, działając na całym świecie, aby osiągnąć szybką komercjalizację, obniżyć koszty technologii i wyeliminować odwieczne bariery w dostawach wodoru. Firma zaczęła od małych i prostych produktów, które wymagają niewielkich ilości wodoru w przygotowaniu do większych i bardziej złożonych zastosowań. Postępując zgodnie ze ścisłymi wytycznymi i planem działania, firma Horizon szybko stała się największym na świecie producentem ogniw masowych o mocy poniżej 1000 W, obsługując klientów w ponad 65 krajach, oferując najszerszy wybór produktów komercyjnych w branży.

Platforma technologiczna Horizon składa się z: ogniw paliwowych PEM - Horizon Zero Dawn (mikropaliwa i stosy) oraz ich materiałów, zaopatrzenia w wodór (elektroliza, reforming i hydroliza), urządzeń i urządzeń do przechowywania wodoru.

Horizon wypuścił pierwszy na świecie przenośny i osobisty generator wodoru. Stacja HydroFill może generować wodór poprzez rozkład wody w zbiorniku i przechowywanie jej we wkładach HydroStick. Zawierają absorbujący stop wodoru w celu zapewnienia stałego przechowywania. Wkłady można następnie włożyć do ładowarki MiniPak, która poradzi sobie z małymi wkładami filtra paliwa.

Horyzont lub wodór w domu

Horizon Technologies wprowadza wodorowy system ładowania i magazynowania energii do użytku domowego, oszczędzając energię w domu w celu ładowania urządzeń przenośnych. Horizon wyróżnił się w 2006 roku zabawką „H-racer”, małym samochodem napędzanym wodorem, uznanym za „najlepszy wynalazek” roku. Oferty Horizonzdecentralizować magazynowanie energii w domu dzięki stacji ładowania wodorowego Hydrofill, która jest w stanie ładować małe przenośne akumulatory wielokrotnego użytku. Ta elektrownia wodorowa wymaga tylko wody do działania i wytwarzania energii.

Praca może być zapewniona przez sieć, panele słoneczne lub turbinę wiatrową. Stamtąd wodór jest wydobywany ze zbiornika wodnego stacji i przechowywany w postaci stałej w małych ogniwach ze stopu metali. Stacja Hydrofill, której cena detaliczna wynosi około 500 USD, to awangardowe rozwiązanie dla telefonów. Gdzie znaleźć ogniwa paliwowe Hydrofill w tej cenie nie jest trudne dla użytkowników, wystarczy zadać odpowiednią prośbę w Internecie.

Samochodowe ładowanie wodorowe

Podobnie jak samochody elektryczne zasilane bateriami, te zasilane wodorem również wykorzystują energię elektryczną do napędzania samochodu. Ale zamiast przechowywać tę energię w akumulatorach, których ładowanie trwa godzinami, komórki wytwarzają energię na pokładzie samochodu poprzez reakcję wodoru i tlenu. Reakcja zachodzi w obecności elektrolitu – niemetalicznego przewodnika, w którym przepływ elektryczny niesiony jest przez ruch jonów w urządzeniach, w których ogniwa paliwowe Horizon zero wyposażone są w membrany wymiany protonów. Funkcjonują w następujący sposób:

1. Gazowy wodór jest dostarczany do anody "-" (A) ogniwa, a tlen kierowany jest na biegun dodatni.
2. Na anodzie katalizator jest platynowy,odrzuca elektrony z atomów wodoru, pozostawiając jony „+” i wolne elektrony. Przez membranę znajdującą się pomiędzy anodą a katodą przechodzą tylko jony.
3. Elektrony wytwarzają prąd elektryczny, poruszając się po zewnętrznym obwodzie. Na katodzie elektrony i jony wodoru łączą się z tlenem, tworząc wodę wypływającą z ogniwa.

Do tej pory dwie rzeczy utrudniały produkcję pojazdów napędzanych wodorem na dużą skalę: koszty i produkcja wodoru. Do niedawna katalizator platynowy, który rozdziela wodór na jon i elektron, był zaporowo drogi.

Kilka lat temu wodorowe ogniwa paliwowe kosztowały około 1000 dolarów za każdy kilowat mocy lub około 100 000 dolarów za samochód. Przeprowadzono różne badania w celu obniżenia kosztów projektu, w tym zastąpienie katalizatora platynowego stopem platynowo-niklowym, który jest 90 razy wydajniejszy. W zeszłym roku Departament Energii Stanów Zjednoczonych poinformował, że koszt systemu spadł do 61 USD za kilowat, wciąż niekonkurencyjny w branży motoryzacyjnej.

Tomografia komputerowa rentgenowska

Ta nieniszcząca metoda badawcza służy do badania struktury elementu dwuwarstwowego. Inne metody powszechnie stosowane do badania struktury:

• porozymetria rtęciowa;
• mikroskopia sił atomowych;
• profilometria optyczna.

Wyniki pokazują, że rozkład porowatości ma solidne podstawy do obliczania przewodności cieplnej i elektrycznej, przepuszczalności idyfuzja. Pomiar porowatości elementów jest bardzo trudny ze względu na ich cienką, ściśliwą i niejednorodną geometrię. Wynik pokazuje, że porowatość zmniejsza się wraz z kompresją GDL.

Porowata struktura ma znaczący wpływ na przenoszenie masy w elektrodzie. Eksperyment prowadzono przy różnych ciśnieniach prasowania na gorąco, które wahały się od 0,5 do 10 MPa. Wydajność zależy głównie od platyny, której koszt jest bardzo wysoki. Dyfuzję można zwiększyć dzięki zastosowaniu spoiw chemicznych. Ponadto zmiany temperatury wpływają na żywotność i średnią wydajność elementu. Szybkość degradacji wysokotemperaturowych PEMFC jest początkowo niska, a następnie gwałtownie wzrasta. Służy do określania powstawania wody.

Problemy komercjalizacji

Aby zachować konkurencyjność cenową, koszty ogniw paliwowych muszą zostać zmniejszone o połowę, a żywotność baterii w podobny sposób wydłużona. Obecnie jednak koszty operacyjne są nadal znacznie wyższe, ponieważ koszty produkcji wodoru wynoszą od 2,5 do 3 USD, a dostarczany wodór prawdopodobnie nie będzie kosztował mniej niż 4 USD/kg. Aby ogniwo skutecznie konkurowało z bateriami, powinno mieć krótki czas ładowania i zminimalizować proces wymiany baterii.

Obecnie technologia polimerowych ogniw paliwowych będzie kosztować 49 USD/kW w przypadku masowej produkcji (co najmniej 500 000 sztuk rocznie). Aby jednak konkurować z samochodamispalania wewnętrznego, samochodowe ogniwa paliwowe powinny osiągać około 36 USD/kWh. Oszczędności można osiągnąć poprzez zmniejszenie kosztów materiałów (w szczególności zastosowanie platyny), zwiększenie gęstości mocy, zmniejszenie złożoności systemu i zwiększenie trwałości. Komercjalizacja technologii na dużą skalę wiąże się z kilkoma wyzwaniami, w tym z pokonaniem wielu barier technicznych.

Techniczne wyzwania przyszłości

Koszt stosu zależy od materiału, techniki i technik produkcyjnych. Wybór materiału zależy nie tylko od przydatności materiału do funkcji, ale także od urabialności. Kluczowe zadania elementów:

1. Zmniejsz obciążenie elektrokatalizatora i zwiększ aktywność.
2. Poprawa trwałości i zmniejsz degradację.
3. Optymalizacja konstrukcji elektrody.
4. Poprawa tolerancja zanieczyszczeń na anodzie.
5. Dobór materiałów na komponenty. Opiera się głównie na kosztach bez poświęcania wydajności.
6. Tolerancja błędów systemu.
7. Wydajność elementu zależy głównie od wytrzymałości membrany.

Główne parametry GDL, które wpływają na wydajność ogniwa, to przepuszczalność odczynników, przewodność elektryczna, przewodność cieplna i wsparcie mechaniczne. Ważnym czynnikiem jest grubość GDL. Grubsza membrana zapewnia lepszą ochronę, wytrzymałość mechaniczną, dłuższe ścieżki dyfuzji oraz wyższy poziom oporu cieplnego i elektrycznego.

Trendy progresywne

Wśród różnych typów elementów PEMFC dostosowuje coraz więcej aplikacji mobilnych (samochody, laptopy, telefony komórkowe itp.), dlatego cieszy się coraz większym zainteresowaniem szerokiego grona producentów. W rzeczywistości PEMFC ma wiele zalet, takich jak niska temperatura pracy, wysoka stabilność gęstości prądu, niewielka waga, kompaktowość, niski potencjał kosztowy i objętościowy, długa żywotność, szybkie uruchamianie i przydatność do pracy przerywanej.

Technologia PEMFC jest dobrze dostosowana do różnych rozmiarów i jest również stosowana z różnymi paliwami, gdy jest odpowiednio przetworzona w celu wytworzenia wodoru. Jako taki znajduje zastosowanie od małej skali subwatowej aż do skali megawatowej. 88% wszystkich przesyłek w latach 2016-2018 to PEMFC.