Gorivne ćelije: vrste, princip rada i karakteristike

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-02 13:51

Vodonik je čisto gorivo jer proizvodi samo vodu i daje čistu energiju koristeći obnovljive izvore energije. Može se pohraniti u gorivu ćeliju koja proizvodi električnu energiju pomoću uređaja za elektrohemijsku konverziju. Vodik je izvor revolucionarne energije budućnosti, ali je njegov razvoj još uvijek vrlo ograničen. Razlozi: energija koju je teško proizvesti, isplativost i sumnjiv energetski bilans 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 efikasno demonstrirao Humphry Davy početkom devetnaestog veka. Nakon toga uslijedio je pionirski rad Christiana Friedricha Schonbeina 1838. Početkom 1960-ih, NASA je, u saradnji sa industrijskim partnerima, počela da razvija generatoreovog tipa za svemirske letove s ljudskom posadom. Ovo je rezultiralo prvim blokom PEMFC-a.

Još jedan GE istraživač, Leonard Nidrach, nadogradio je Grubbov PEMFC koristeći platinu kao katalizator. Grubb-Niedrach je dalje razvijen u saradnji sa NASA-om i koristio ga je svemirski program Gemini kasnih 1960-ih. International Fuel Cells (IFC, kasnije UTC Power) je razvio uređaj od 1,5 kW za svemirske letove Apolla. Osigurali su struju i vodu za piće za astronaute tokom njihove misije. IFC je naknadno razvio jedinice od 12 kW koje se koriste za napajanje svih letova svemirskih letjelica.

Automobilski element je prvi izmislio 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 rezervoarom i dostizati brzinu do 70 milja na sat. Kordesch i Grulke eksperimentirali su s motociklom na vodik 1966. godine. Bio je to ćelijski hibrid sa NiCad baterijom u tandemu koji je postigao impresivnih 1,18L/100km. Ovaj potez je unaprijedio tehnologiju e-bicikla i komercijalizaciju e-motocikla.

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

Horizon je u oktobru 2009. godine pokazao prvi komercijalni Dynario elektronski sistem koji radi na metanolnim patronama. Horizon gorive ćelije mogu puniti mobilne telefone, GPS sisteme, kamere ili digitalne muzičke plejere.

Procesi proizvodnje vodika

Vodične gorivne ćelije su supstance koje sadrže vodonik kao gorivo. Vodonično gorivo je gorivo bez emisija koje oslobađa energiju tokom sagorevanja ili putem elektrohemijskih reakcija. Gorivne ćelije i baterije proizvode električnu energiju kroz hemijsku reakciju, ali prve će proizvoditi snagu sve dok ima goriva, tako da nikada ne gube napunjenost.

Termički procesi za proizvodnju vodonika obično uključuju parni reforming, proces visoke temperature u kojem para reaguje sa izvorom ugljovodonika da bi se oslobodio vodonik. Mnoga prirodna goriva mogu se reformisati kako bi se proizveo vodonik.

Danas se približno 95% vodonika proizvodi reformisanjem gasa. Voda se elektrolizom dijeli na kisik i vodonik, u uređaju koji funkcionira kao Horizon nulta gorivna ćelija u obrnutom smjeru.

Procesi bazirani na solaru

Koriste svjetlost kao sredstvo za proizvodnju vodonika. Postojinekoliko procesa baziranih na solarnim panelima:

1. fotobiološki;
2. photoelectrochemical;
3. sunčano;
4. termohemijska.

Fotobiološki procesi koriste prirodnu fotosintetičku aktivnost bakterija i zelenih algi.

Fotoelektrohemijski procesi su specijalizovani poluprovodnici za odvajanje vode na vodonik i kiseonik.

Termohemijska solarna proizvodnja vodika koristi koncentriranu solarnu 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 vodonik kroz biološke reakcije. U konverziji mikrobne biomase, mikrobi razgrađuju organsku materiju kao što je biomasa, dok u fotobiološkim procesima mikrobi koriste sunčevu svjetlost kao izvor.

Komponente generacije

Uređaji elemenata su napravljeni od više delova. Svaki ima tri glavne komponente:

• anoda;
• kathoda;
• provodljivi elektrolit.

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

Gas vodonik na anodi se dijeli na protone i elektrone. Prvi se nose kroz elektrolitsku membranu, a drugi teku oko nje, stvarajući električnu struju. Nabijeni joni (H + i e -) se kombinuju sa O_{2 na katodi, oslobađajući vodu i toplotu. Mnoga ekološka pitanja koja utiču na današnji svijet mobiliziraju društvo za postizanje održivog razvoja i napredak ka zaštiti planete. Ovdje u kontekstu, ključni faktor je zamjena stvarnih osnovnih energetskih resursa drugim koji u potpunosti mogu zadovoljiti ljudske potrebe.}

U pitanju su upravo takvi elementi, zahvaljujući kojima ovaj aspekt nalazi najvjerovatnije rješenje, jer je moguće dobiti električnu energiju iz čistog goriva sa visokom efikasnošću i bez emisije CO_2.

Platinasti katalizatori

Platina je vrlo aktivna za oksidaciju vodonika i nastavlja biti najčešći materijal za elektrokatalizator. Jedno od Horizonovih glavnih područja istraživanja korištenjem gorivnih ćelija smanjene platinom je u automobilskoj industriji, gdje se u bliskoj budućnosti planiraju konstruirani katalizatori napravljeni od nanočestica platine na bazi provodnog ugljenika. Ovi materijali imaju prednost visoko dispergovanih nanočestica, velike elektrokatalitičke površine (ESA) i minimalnog rasta čestica na povišenim temperaturama, čak i pri višim nivoima opterećenja Pt.

Legura koje sadrže Pt korisne su za uređaje koji rade na specijalizovanim izvorima goriva kao što je metanol ili reforming (H₂, CO₂, CO i N_{2). Pt/Ru legure su pokazale poboljšane performanse u odnosu na čiste elektrohemijske 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 efikasnost reakcije redukcije kisika kao i visoku stabilnost.}

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

1. Visoka protonska provodljivost.
2. Visoka hemijska i termička stabilnost.
3. Niska propusnost gasa.

Izvor energije vodika

Vodonik je najjednostavniji i najzastupljeniji element u svemiru. Važna je komponenta vode, nafte, prirodnog plina i cijelog živog svijeta. Uprkos svojoj jednostavnosti i obilju, vodonik se rijetko nalazi u svom prirodnom plinovitom stanju na Zemlji. Gotovo uvijek se kombinira s drugim elementima. I 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 molekulu može se osloboditi interakcijomsa O₂. Ovo se može postići ili sa motorima sa unutrašnjim sagorevanjem ili sa vodoničnim gorivnim ćelijama. U njima se energija H_{2 pretvara u električnu struju sa malim gubicima snage. Dakle, vodonik je nosilac energije za kretanje, skladištenje i isporuku energije proizvedene iz drugih izvora.}

Filteri 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. Filteri se isporučuju za pripremu goriva kao što je metanol za primjenu u ćelijama.

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

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

Platforma hidrogenske tehnologije

Horizon Fuel Cell Technologies je osnovan u Singapuru 2003. godine i danas ima 5 međunarodnih podružnica. Misija firme jeda napravi razliku u gorivnim ćelijama radeći na globalnom nivou na postizanju brze komercijalizacije, nižih troškova tehnologije i eliminisanja prastarih barijera za snabdevanje vodonikom. Firma je započela s malim i jednostavnim proizvodima koji zahtijevaju male količine vodonika u pripremi za veće i složenije primjene. Prateći stroge smjernice i mapu puta, Horizon je brzo postao najveći svjetski proizvođač rasutih ćelija ispod 1000 W, opslužujući kupce u preko 65 zemalja sa najširim izborom komercijalnih proizvoda u industriji.

Horizon tehnološka platforma se sastoji od: PEM - Horizon nulte gorivne ćelije (mikrogoriva i dimnjaci) i njihovih materijala, opskrbe vodonikom (elektroliza, reforming i hidroliza), uređaja i uređaja za skladištenje vodonika.

Horizon je objavio prvi prijenosni i lični generator vodonika na svijetu. HydroFill stanica može proizvesti vodonik razlaganjem vode u rezervoaru i skladištenjem u HydroStick kertridžima. Sadrže upijajuću leguru plinovitog vodonika kako bi osigurali čvrsto skladištenje. Kartridži se zatim mogu umetnuti u MiniPak punjač koji može podnijeti male filterske elemente za gorivo.

Horizont ili kućni vodonik

Horizon Technologies lansira sistem za punjenje vodonikom i skladištenje energije za kućnu upotrebu, štedeći energiju kod kuće za punjenje prijenosnih uređaja. Horizon se istakao 2006. godine igračkom "H-racer", malim automobilom na vodik koji je proglašen za "najbolji izum" godine. Horizon ponudedecentralizirajte skladištenje energije kod kuće sa svojom Hydrofill vodoničnom stanicom za punjenje, koja može puniti male prijenosne i višekratne baterije. Ovom postrojenju za vodonik potrebna je samo voda za rad i proizvodnju energije.

Rad se može obezbijediti pomoću mreže, solarnih panela ili vjetroturbine. Odatle se vodonik izdvaja iz rezervoara za vodu stanice i skladišti u čvrstom obliku u malim ćelijama od metalne legure. Hydrofill Station, čija je maloprodajna cijena oko 500 dolara, avangardno je rješenje za telefone. Gdje pronaći Hydrofill gorivne ćelije po ovoj cijeni korisnicima nije teško, potrebno je samo na internetu postaviti odgovarajući upit.

Automobilsko punjenje vodikom

Poput električnih automobila na baterije, oni koji se pokreću vodonikom također koriste električnu energiju za pogon automobila. Ali umjesto da pohranjuju ovu električnu energiju u baterije kojima su potrebni sati da se pune, ćelije stvaraju energiju u automobilu reakcijom vodika i kisika. Reakcija se odvija u prisustvu elektrolita - nemetalnog vodiča, u kojem se električni tok prenosi kretanjem jona u uređajima gdje su Horizon nulte gorivne ćelije opremljene membranama za izmjenu protona. Funkcioniraju na sljedeći način:

1. Plin vodonik se dovodi do "-" anode (A) ćelije, a kiseonik se usmjerava na pozitivni pol.
2. Na anodi katalizator je platina,odbacuje elektrone iz atoma vodika, ostavljajući "+" ione i slobodne elektrone. Samo joni prolaze kroz membranu koja se nalazi između anode i katode.
3. Elektroni stvaraju električnu struju krećući se duž vanjskog kola. Na katodi se elektroni i vodikovi joni kombinuju sa kiseonikom da bi proizveli vodu koja teče iz ćelije.

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

Prije nekoliko godina, vodonične gorivne ćelije koštale su oko 1.000 dolara za svaki kilovat snage, ili 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 efikasnija. Prošle godine, američko Ministarstvo energetike je izvijestilo da je cijena sistema pala na 61 dolar po kilovatu, što je još uvijek nekonkurentno u automobilskoj industriji.

Rendgenska kompjuterska tomografija

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

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

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

Porozna struktura ima značajan uticaj na prenos mase u elektrodi. Eksperiment je izveden pri različitim pritiscima vrućeg presovanja, koji su se kretali od 0,5 do 10 MPa. Performanse uglavnom zavise od metala platine, čija je cijena vrlo visoka. Difuzija se može povećati upotrebom hemijskih veziva. Osim toga, promjene temperature utiču na vijek trajanja i prosječne performanse elementa. Brzina degradacije visokotemperaturnih PEMFC-a je u početku niska, a zatim se brzo povećava. Ovo se koristi za određivanje formiranja vode.

Problemi komercijalizacije

Da bi bili troškovno konkurentni, troškovi gorivnih ćelija moraju biti prepolovljeni i vijek trajanja baterije na sličan način produžen. Danas su, međutim, operativni troškovi i dalje mnogo veći, jer su troškovi proizvodnje vodonika između 2,5 i 3 dolara, a malo je vjerovatno da će isporučeni vodonik koštati manje od 4 dolara/kg. Da bi se ćelija efikasno nadmetala sa baterijama, trebalo bi da ima kratko vreme punjenja i minimizira proces zamene baterije.

Trenutno će tehnologija polimernih gorivnih ćelija koštati 49 USD/kW kada se masovno proizvodi (najmanje 500.000 jedinica godišnje). Međutim, kako bi se takmičio s automobilimaunutrašnjim sagorijevanjem, automobilske gorivne ćelije bi trebale dostići oko 36 USD/kWh. Uštede se mogu postići smanjenjem troškova materijala (posebno upotrebom platine), povećanjem gustine snage, smanjenjem složenosti sistema i povećanjem trajnosti. Postoji nekoliko izazova za komercijalizaciju tehnologije u velikim razmjerima, uključujući prevazilaženje brojnih tehničkih barijera.

Tehnički izazovi budućnosti

Cijena gomile zavisi od materijala, tehnike i tehnike izrade. Izbor materijala ne zavisi samo od prikladnosti materijala za funkciju, već i od obradivosti. Ključni zadaci elemenata:

1. Smanjite opterećenje elektrokatalizatora i povećajte aktivnost.
2. Poboljšajte izdržljivost i smanjite degradaciju.
3. Optimizacija dizajna elektroda.
4. Poboljšajte toleranciju nečistoća na anodi.
5. Izbor materijala za komponente. Temelji se prvenstveno na troškovima bez žrtvovanja performansi.
6. Tolerancija grešaka sistema.
7. Performanse elementa uglavnom zavise od čvrstoće membrane.

Glavni GDL parametri koji utiču na performanse ćelije su permeabilnost reagensa, električna provodljivost, toplotna provodljivost i mehanička podrška. Debljina GDL-a je važan faktor. Deblja membrana pruža bolju zaštitu, mehaničku čvrstoću, duži put difuzije i veći nivo toplotne i električne otpornosti.

Progresivni trendovi

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

PEMFC tehnologija je dobro prilagođena različitim veličinama i takođe se koristi sa raznim gorivima kada se pravilno obrađuje za proizvodnju vodonika. Kao takav, pronalazi upotrebu od male subvatne skale pa sve do megavatne skale. 88% ukupnih isporuka u 2016-2018 bile su PEMFC.