Gorivne ćelije: vrste, princip rada i značajke

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-02 13:56

Vodik je čisto gorivo jer proizvodi samo vodu i osigurava čistu energiju koristeći obnovljive izvore energije. Može se pohraniti u gorivu ćeliju koja proizvodi električnu energiju pomoću uređaja za elektrokemijsko pretvaranje. Vodik je izvor revolucionarne energije budućnosti, ali je njegov razvoj još uvijek vrlo ograničen. Razlozi: energija koju je teško proizvesti, isplativost i upitna energetska ravnoteža zbog energetski intenzivne prirode dizajna. Ali ova energetska opcija nudi zanimljive perspektive u smislu skladištenja energije, posebno kada su u pitanju obnovljivi izvori.

Pioniri gorivnih ćelija

Koncept je učinkovito demonstrirao Humphry Davy početkom devetnaestog stoljeća. Nakon toga uslijedio je pionirski rad Christiana Friedricha Schonbeina 1838. godine. Početkom 1960-ih NASA je u suradnji s industrijskim partnerima počela razvijati generatoreovog tipa za svemirske letove s ljudskom posadom. To je rezultiralo prvim blokom PEMFC-a.

Drugi GE istraživač, Leonard Nidrach, nadogradio je Grubbov PEMFC koristeći platinu kao katalizator. Grubb-Niedrach je dalje razvijen u suradnji s NASA-om, a koristio ga je svemirski program Gemini kasnih 1960-ih. International Fuel Cells (IFC, kasnije UTC Power) razvio je uređaj od 1,5 kW za svemirske letove Apolla. Osigurali su struju kao i pitku vodu za astronaute tijekom njihove misije. IFC je kasnije razvio jedinice od 12 kW koje se koriste za osiguravanje snage na brodu za sve letove svemirskih letjelica.

Automobilski element prvi je izumio Grulle 1960-ih. GM je koristio Union Carbide u automobilu "Electrovan". Koristio se samo kao službeni automobil, ali je mogao putovati do 120 milja s punim spremnikom i postići brzinu do 70 milja na sat. Kordesch i Grulke eksperimentirali su s motociklom na vodik 1966. godine. Bio je to stanični hibrid s NiCad baterijom u tandemu koji je postigao impresivnih 1,18 L/100 km. Ovaj potez ima naprednu tehnologiju e-bicikla i komercijalizaciju e-motocikla.

U 2007. godini izvori goriva su se komercijalizirali u raznim područjima, počeli su se prodavati krajnjim korisnicima uz pismena jamstva i mogućnosti servisiranja, tj. zadovoljiti zahtjeve i standarde tržišne ekonomije. Tako su se brojni tržišni segmenti počeli fokusirati na potražnju. Konkretno, tisuće pomoćnih snagaPEMFC i DMFC (APU) jedinice komercijalizirane su u zabavnim aplikacijama: čamci, igračke i kompleti za obuku.

Horizon u listopadu 2009. pokazao je prvi komercijalni Dynario elektronički sustav koji radi na metanolnim patronama. Horizon gorive ćelije mogu puniti mobilne telefone, GPS sustave, kamere ili digitalne glazbene playere.

Procesi proizvodnje vodika

Vodične gorivne ćelije su tvari koje sadrže vodik kao gorivo. Vodikovo gorivo je gorivo s nultom emisijom koje oslobađa energiju tijekom izgaranja ili putem elektrokemijskih reakcija. Gorivne ćelije i baterije proizvode električnu energiju kemijskom reakcijom, ali prve će proizvoditi snagu sve dok postoji gorivo, te tako nikada ne gube naboj.

Termički procesi za proizvodnju vodika obično uključuju parni reforming, proces visoke temperature u kojem para reagira s izvorom ugljikovodika kako bi se oslobodio vodik. Mnoga prirodna goriva mogu se reformirati za proizvodnju vodika.

Danas se otprilike 95% vodika proizvodi reformiranjem plina. Voda se elektrolizom dijeli na kisik i vodik, u uređaju koji funkcionira kao Horizon nulta gorivna ćelija u obrnutom smjeru.

Procesi bazirani na solaru

Koriste svjetlost kao sredstvo za proizvodnju vodika. Postojinekoliko procesa temeljenih na solarnim panelima:

1. fotobiološki;
2. fotoelektrokemijska;
3. sunčano;
4. termokemikalija.

Fotobiološki procesi koriste prirodnu fotosintetsku aktivnost bakterija i zelenih algi.

Fotoelektrokemijski procesi su specijalizirani poluvodiči za odvajanje vode u vodik i kisik.

Termokemijska solarna proizvodnja vodika koristi koncentriranu sunčevu energiju za reakciju odvajanja vode zajedno s drugim vrstama kao što su metalni oksidi.

Biološki procesi koriste mikrobe kao što su bakterije i mikroalge i mogu proizvesti vodik kroz biološke reakcije. U pretvorbi mikrobne biomase, mikrobi razgrađuju organsku tvar kao što je biomasa, dok u fotobiološkim procesima mikrobi koriste sunčevu svjetlost kao izvor.

Komponente generacije

Uređaji elemenata izrađeni su od više dijelova. Svaki ima tri glavne komponente:

• anoda;
• katoda;
• provodljivi elektrolit.

U slučaju Horizon gorivnih ćelija, gdje je svaka elektroda izrađena od materijala velike površine impregniranog katalizatorom od legure platine, materijal elektrolita je membrana i služi kao ionski vodič. Električnu proizvodnju pokreću dvije primarne kemijske reakcije. Za elemente koji koriste pureH_2.

Plin vodik na anodi se dijeli na protone i elektrone. Prvi se nose kroz elektrolitsku membranu, a drugi teku oko nje, stvarajući električnu struju. Nabijeni ioni (H + i e -) kombiniraju se s O_{2 na katodi, oslobađajući vodu i toplinu. Mnoga ekološka pitanja koja utječu na današnji svijet mobiliziraju društvo za postizanje održivog razvoja i napredak u zaštiti planeta. Ovdje u kontekstu, ključni čimbenik je zamjena stvarnih osnovnih energetskih resursa drugima koji mogu u potpunosti zadovoljiti ljudske potrebe.}

Dotični elementi su upravo takav uređaj, zahvaljujući kojem ovaj aspekt nalazi najvjerojatnije rješenje, budući da je moguće dobiti električnu energiju iz čistog goriva s visokom učinkovitošću i bez emisije CO_2.

Platinasti katalizatori

Platina je vrlo aktivna za oksidaciju vodika i nastavlja biti najčešći materijal za elektrokatalizator. Jedno od Horizonovih glavnih područja istraživanja korištenjem gorivnih ćelija smanjenih platinom je u automobilskoj industriji, gdje se u bliskoj budućnosti planiraju konstruirani katalizatori izrađeni od nanočestica platine na vodljivom ugljiku. Ovi materijali imaju prednost visoko dispergiranih nanočestica, velike elektrokatalitičke površine (ESA) i minimalnog rasta čestica na povišenim temperaturama, čak i pri višim razinama Pt opterećenja.

Legura koje sadrže Pt korisne su za uređaje koji rade na specijaliziranim izvorima goriva kao što su metanol ili reforming (H₂, CO₂, CO i N_{2). Pt/Ru legure pokazale su poboljšane performanse u odnosu na čiste elektrokemijske Pt katalizatore u smislu oksidacije metanola i bez mogućnosti trovanja ugljičnim monoksidom. Pt 3 Co je još jedan katalizator od interesa (posebno za katode gorivnih ćelija Horizon) i pokazao je poboljšanu učinkovitost reakcije redukcije kisika kao i visoku stabilnost.}

Pt/C i Pt 3 Co/C katalizatori koji pokazuju visoko raspršene nanočestice na površinskim ugljičnim supstratima. Postoji nekoliko ključnih zahtjeva koje treba uzeti u obzir pri odabiru elektrolita gorivnih ćelija:

1. Visoka protonska vodljivost.
2. Visoka kemijska i termička stabilnost.
3. Niska propusnost plina.

Izvor vodikove energije

Vodik je najjednostavniji i najzastupljeniji element u svemiru. Važna je komponenta vode, nafte, prirodnog plina i cijelog živog svijeta. Unatoč svojoj jednostavnosti i obilju, vodik se rijetko nalazi u svom prirodnom plinovitom stanju na Zemlji. Gotovo uvijek se kombinira s drugim elementima. A može se dobiti iz nafte, prirodnog plina, biomase ili odvajanjem vode korištenjem solarne ili električne energije.

Kada se vodik formira kao molekularni H₂, energija prisutna u molekuli može se osloboditi interakcijoms O₂. To se može postići bilo motorima s unutarnjim izgaranjem ili vodikovim gorivnim ćelijama. U njima se energija H_{2 pretvara u električnu struju s malim gubicima snage. Dakle, vodik je nositelj energije za kretanje, skladištenje i isporuku energije proizvedene iz drugih izvora.}

Filtri za energetske module

Dobivanje alternativnih energetskih elemenata nemoguće je bez upotrebe posebnih filtera. Klasični filteri pomažu u razvoju energetskih modula elemenata u različitim zemljama svijeta zahvaljujući visokokvalitetnim blokovima. Filtri se isporučuju za pripremu goriva kao što je metanol za primjenu u ćelijama.

Uobičajene aplikacije za ove module napajanja uključuju napajanje na udaljenim lokacijama, rezervno napajanje za kritične zalihe, APU-ove na malim vozilima i pomorske aplikacije kao što je projekt Pa-X-ell koji je projekt za testiranje ćelija na putničkim brodovima.

Kućišta filtera od nehrđajućeg čelika koja rješavaju probleme s filtracijom. U ovim zahtjevnim primjenama, proizvođači gorivnih ćelija zero dawn specificiraju kućišta filtera Classic Filters od nehrđajućeg čelika zbog fleksibilnosti proizvodnje, viših standarda kvalitete, brze isporuke i konkurentnih cijena.

vodikova tehnološka platforma

Horizon Fuel Cell Technologies osnovana je u Singapuru 2003. godine i danas ima 5 međunarodnih podružnica. Misija firme jenapraviti razliku u gorivnim ćelijama radeći na globalnoj razini na postizanju brze komercijalizacije, nižih troškova tehnologije i uklanjanja prastarih barijera za opskrbu vodikom. Tvrtka je započela s malim i jednostavnim proizvodima koji zahtijevaju male količine vodika u pripremi za veće i složenije primjene. Slijedeći stroge smjernice i plan, Horizon je brzo postao najveći svjetski proizvođač rasutih ćelija ispod 1000 W, koji opslužuje kupce u više od 65 zemalja s najširim izborom komercijalnih proizvoda u industriji.

Tehnološka platforma Horizon sastoji se od: PEM - gorivnih ćelija Horizon zero dawn (mikrogoriva i dimnjaci) i njihovih materijala, opskrbe vodikom (elektroliza, reformiranje i hidroliza), uređaja i uređaja za skladištenje vodika.

Horizon je objavio prvi prijenosni i osobni generator vodika na svijetu. HydroFill stanica može generirati vodik razlaganjem vode u spremniku i pohranjivanjem u HydroStick patrone. Sadrže upijajuću leguru plinovitog vodika koja osigurava čvrsto skladištenje. Ulošci se zatim mogu umetnuti u MiniPak punjač koji može podnijeti male elemente filtera goriva.

Horizon ili kućni vodik

Horizon Technologies lansira sustav za punjenje vodikom i skladištenje energije za kućnu upotrebu, štedeći energiju kod kuće za punjenje prijenosnih uređaja. Horizon se istaknuo 2006. s igračkom "H-racer", malim automobilom na vodik koji je proglašen "najboljim izumom" godine. Horizon nudidecentralizirajte pohranu energije kod kuće sa svojom Hydrofill vodikovom stanicom za punjenje, koja može puniti male prijenosne i višekratne baterije. Ovo postrojenje vodika zahtijeva samo vodu za rad i proizvodnju energije.

Rad se može osigurati pomoću mreže, solarnih panela ili vjetroturbine. Odatle se vodik ekstrahira iz spremnika vode stanice i pohranjuje u čvrstom obliku u malim ćelijama od metalne legure. Hydrofill Station, čija je cijena oko 500 dolara, avangardno je rješenje za telefone. Gdje pronaći Hydrofill gorivne ćelije po ovoj cijeni korisnicima nije teško, samo trebate pitati odgovarajući upit na internetu.

Automobilsko punjenje vodikom

Poput električnih automobila na baterije, oni koji se pokreću na vodik također koriste električnu energiju za pogon automobila. No, umjesto da pohranjuju ovu električnu energiju u baterije koje se pune satima, stanice stvaraju energiju u automobilu reakcijom vodika i kisika. Reakcija se odvija u prisutnosti elektrolita - nemetalnog vodiča, u kojem se električni tok provodi kretanjem iona u uređajima gdje su Horizon nulte gorivne ćelije opremljene membranama za izmjenu protona. Oni funkcioniraju na sljedeći način:

1. Plin vodik se dovodi u "-" anodu (A) ćelije, a kisik se usmjerava na pozitivni pol.
2. Na anodi katalizator je platina,odbacuje elektrone iz atoma vodika, ostavljajući "+" ione i slobodne elektrone. Samo ioni prolaze kroz membranu koja se nalazi između anode i katode.
3. Elektroni stvaraju električnu struju krećući se duž vanjskog kruga. Na katodi se elektroni i vodikovi ioni kombiniraju s kisikom kako bi proizveli vodu koja teče iz stanice.

Do sada su dvije stvari ometale veliku proizvodnju vozila na vodik: cijena i proizvodnja vodika. Do nedavno, platinasti katalizator, koji razdvaja vodik na ion i elektron, bio je pretjerano skup.

Prije nekoliko godina, vodikove gorive ćelije koštale su oko 1.000 dolara za svaki kilovat snage, odnosno oko 100.000 dolara za automobil. Provedene su različite studije kako bi se smanjili troškovi projekta, uključujući zamjenu platinskog katalizatora s legurom platine i nikla koja je 90 puta učinkovitija. Prošle godine, Ministarstvo energetike SAD-a izvijestilo je da je cijena sustava pala na 61 USD po kilovatu, što je još uvijek nekonkurentno u automobilskoj industriji.

rentgenska kompjuterska tomografija

Ova metoda ispitivanja bez razaranja koristi se za proučavanje strukture dvoslojnog elementa. Druge metode koje se obično koriste za proučavanje strukture:

• porozimetrija upada žive;
• mikroskopija atomske sile;
• optička profilometrija.

Rezultati pokazuju da raspodjela poroznosti ima solidnu osnovu za izračun toplinske i električne vodljivosti, propusnosti idifuziju. Mjerenje poroznosti elemenata vrlo je teško zbog njihove tanke, stisljive i nehomogene geometrije. Rezultat pokazuje da se poroznost smanjuje s GDL kompresijom.

Porozna struktura ima značajan utjecaj na prijenos mase u elektrodi. Pokus je proveden pri različitim tlakovima vrućeg prešanja, koji su se kretali od 0,5 do 10 MPa. Izvedba uglavnom ovisi o metalu platine, čija je cijena vrlo visoka. Difuzija se može povećati upotrebom kemijskih veziva. Osim toga, promjene temperature utječu na vijek trajanja i prosječne performanse elementa. Brzina razgradnje visokotemperaturnih PEMFC-a u početku je niska, a zatim brzo raste. Ovo se koristi za određivanje stvaranja vode.

Problemi komercijalizacije

Da bi bili troškovno konkurentni, troškovi gorivnih ćelija moraju se prepoloviti, a vijek trajanja baterije na sličan način produžen. Danas su, međutim, operativni troškovi još uvijek mnogo veći, budući da su troškovi proizvodnje vodika između 2,5 i 3 USD, a isporučeni vodik vjerojatno neće koštati manje od 4 USD/kg. Kako bi se ćelija učinkovito natjecala s baterijama, trebala bi imati kratko vrijeme punjenja i minimizirati proces zamjene baterije.

Trenutno će tehnologija polimernih gorivnih ćelija koštati 49 USD/kW kada se masovno proizvodi (najmanje 500.000 jedinica godišnje). Međutim, kako bi se natjecao s automobilimaunutarnjim izgaranjem, automobilske gorive ćelije trebale bi doseći oko 36 USD/kWh. Uštede se mogu postići smanjenjem materijalnih troškova (osobito korištenjem platine), povećanjem gustoće snage, smanjenjem složenosti sustava i povećanjem trajnosti. Postoji nekoliko izazova za komercijalizaciju tehnologije u velikim razmjerima, uključujući prevladavanje brojnih tehničkih prepreka.

Tehnički izazovi budućnosti

Cijena hrpe ovisi o materijalu, tehnici i proizvodnim tehnikama. Izbor materijala ne ovisi samo o prikladnosti materijala za funkciju, već i o obradivosti. Ključni zadaci elemenata:

1. Smanjite opterećenje elektrokatalizatora i povećajte aktivnost.
2. Poboljšajte trajnost i smanjite degradaciju.
3. Optimizacija dizajna elektroda.
4. Poboljšajte toleranciju nečistoća na anodi.
5. Odabir materijala za komponente. Temelji se prvenstveno na cijeni bez žrtvovanja performansi.
6. Tolerancija grešaka sustava.
7. Izvedba elementa ovisi uglavnom o čvrstoći membrane.

Glavni GDL parametri koji utječu na performanse stanice su propusnost reagensa, električna vodljivost, toplinska vodljivost i mehanička potpora. Debljina GDL-a je važan faktor. Deblja membrana pruža bolju zaštitu, mehaničku čvrstoću, duži put difuzije i veće razine toplinske i električne otpornosti.

Progresivni trendovi

Među raznim vrstama elemenata, PEMFC prilagođava više mobilnih aplikacija (automobili, prijenosna računala, mobiteli itd.), stoga je od sve većeg interesa za širok raspon proizvođača. Zapravo, PEMFC ima mnoge prednosti kao što su niska radna temperatura, visoka stabilnost gustoće struje, mala težina, kompaktnost, niska cijena i potencijal volumena, dug vijek trajanja, brzo pokretanje i prikladnost za rad s prekidima.

PEMFC tehnologija dobro je prikladna za različite veličine i također se koristi s raznim gorivima kada se pravilno obrađuje za proizvodnju vodika. Kao takav, koristi se od male subvatne ljestvice pa sve do megavatne ljestvice. 88% ukupnih pošiljki u 2016.-2018. bile su PEMFC.