Degvielas šūnas: veidi, darbības princips un īpašības

2024 Autors: Howard Calhoun | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-02 13:59

Ūdeņradis ir tīra degviela, jo tas ražo tikai ūdeni un nodrošina tīru enerģiju, izmantojot atjaunojamos enerģijas avotus. To var uzglabāt kurināmā elementā, kas ražo elektroenerģiju, izmantojot elektroķīmiskās pārveidošanas ierīci. Ūdeņradis ir nākotnes revolucionārās enerģijas avots, taču tā attīstība joprojām ir ļoti ierobežota. Iemesli: grūti saražojama enerģija, izmaksu efektivitāte un apšaubāms enerģijas bilance, jo konstrukcija ir energoietilpīga. Taču šī enerģijas iespēja piedāvā interesantas perspektīvas enerģijas uzkrāšanas ziņā, jo īpaši, ja runa ir par atjaunojamiem avotiem.

Fuel Cell Pioneers

Šo koncepciju deviņpadsmitā gadsimta sākumā efektīvi demonstrēja Hamfrijs Deivijs. Tam sekoja Kristiana Frīdriha Šonbeina novatoriskais darbs 1838. gadā. 60. gadu sākumā NASA sadarbībā ar industriālajiem partneriem sāka izstrādāt ģeneratorusšāda veida lidojumiem kosmosā. Tā rezultātā tika izveidots pirmais PEMFC bloks.

Cits GE pētnieks Leonards Nidrahs ir uzlabojis Grubb PEMFC, izmantojot platīnu kā katalizatoru. Grubb-Niedrach tika tālāk izstrādāts sadarbībā ar NASA, un 60. gadu beigās to izmantoja Gemini kosmosa programma. International Fuel Cells (IFC, vēlāk UTC Power) izstrādāja 1,5 kW ierīci Apollo kosmosa lidojumiem. Viņi nodrošināja elektrību, kā arī dzeramo ūdeni astronautiem viņu misijas laikā. Pēc tam IFC izstrādāja 12 kW vienības, ko izmantoja, lai nodrošinātu borta jaudu visiem kosmosa kuģu lidojumiem.

Automobiļu elementu pirmo reizi izgudroja Grulle 1960. gados. GM izmantoja Union Carbide automašīnā "Electrovan". Tas tika izmantots tikai kā uzņēmuma automašīna, bet ar pilnu tvertni varēja nobraukt līdz 120 jūdzēm un sasniegt ātrumu līdz 70 jūdzēm stundā. Kordešs un Grulke eksperimentēja ar ūdeņraža motociklu 1966. gadā. Tas bija šūnu hibrīds ar NiCad akumulatoru tandēmā, kas sasniedza iespaidīgu 1,18 l/100 km. Šis solis ir uzlabojis e-velosipēdu tehnoloģiju un e-motociklu komercializāciju.

2007. gadā degvielas avoti tika komercializēti ļoti dažādās jomās, tos sāka pārdot gala lietotājiem ar rakstiskām garantijām un servisa iespējām, t.i. atbilst tirgus ekonomikas prasībām un standartiem. Tādējādi vairāki tirgus segmenti sāka koncentrēties uz pieprasījumu. Jo īpaši tūkstošiem palīgjauduPEMFC un DMFC (APU) vienības ir komercializētas izklaides lietojumos: laivās, rotaļlietās un treniņu komplektos.

Horizon 2009. gada oktobrī parādīja pirmo komerciālo Dynario elektronisko sistēmu, kas darbojas ar metanola kasetnēm. Horizon degvielas šūnas var uzlādēt mobilos tālruņus, GPS sistēmas, kameras vai digitālos mūzikas atskaņotājus.

Ūdeņraža ražošanas procesi

Ūdeņraža degvielas šūnas ir vielas, kas kā degvielu satur ūdeņradi. Ūdeņraža degviela ir nulles emisijas degviela, kas degšanas laikā vai elektroķīmisku reakciju rezultātā atbrīvo enerģiju. Kurināmā elementi un akumulatori ražo elektroenerģiju ķīmiskās reakcijas rezultātā, bet pirmie ražos enerģiju tik ilgi, kamēr būs degviela, tādējādi nekad nezaudējot uzlādi.

Termiskie procesi ūdeņraža iegūšanai parasti ietver tvaika reformēšanu - augstas temperatūras procesu, kurā tvaiks reaģē ar ogļūdeņraža avotu, izdalot ūdeņradi. Daudzas dabiskās degvielas var pārveidot, lai iegūtu ūdeņradi.

Šodien aptuveni 95% ūdeņraža tiek iegūti gāzes riformingā. Ūdens elektrolīzes ceļā tiek sadalīts skābeklī un ūdeņradi ierīcē, kas darbojas kā Horizon nulles degvielas šūna pretējā virzienā.

Saules enerģijas procesi

Viņi izmanto gaismu kā līdzekli ūdeņraža ražošanai. Pastāvvairāki procesi, kuru pamatā ir saules paneļi:

1. fotobioloģiskais;
2. fotoelektroķīmiskā;
3. saulains;
4. termoķīmiskā.

Fotobioloģiskajos procesos tiek izmantota baktēriju un zaļaļģu dabiskā fotosintēzes aktivitāte.

Fotoelektroķīmiskie procesi ir specializēti pusvadītāji ūdens sadalīšanai ūdeņradī un skābeklī.

Termoķīmiskā ūdeņraža saules enerģijas ražošanā izmanto koncentrētu saules enerģiju ūdens atdalīšanas reakcijā kopā ar citām sugām, piemēram, metālu oksīdiem.

Bioloģiskajos procesos tiek izmantoti mikrobi, piemēram, baktērijas un mikroaļģes, un tie var ražot ūdeņradi bioloģisku reakciju rezultātā. Mikrobu biomasas pārveidē mikrobi sadala organiskās vielas, piemēram, biomasu, savukārt fotobioloģiskajos procesos mikrobi kā avotu izmanto saules gaismu.

Paaudzes komponenti

Elementu ierīces ir izgatavotas no vairākām daļām. Katrai no tām ir trīs galvenās sastāvdaļas:

• anode;
• katods;
• vadošs elektrolīts.

Horizon degvielas elementu gadījumā, kur katrs elektrods ir izgatavots no materiāla ar lielu virsmu, kas piesūcināts ar platīna sakausējuma katalizatoru, elektrolīta materiāls ir membrāna un kalpo kā jonu vadītājs. Elektrības ražošanu nodrošina divas primārās ķīmiskās reakcijas. Elementiem, kuros izmanto tīruH_2.

Ūdeņraža gāze pie anoda sadalās protonos un elektronos. Pirmie tiek izvadīti caur elektrolīta membrānu, un pēdējie plūst ap to, radot elektrisko strāvu. Uzlādētie joni (H + un e -) savienojas ar O_{2 pie katoda, atbrīvojot ūdeni un siltumu. Daudzi vides jautājumi, kas mūsdienās ietekmē pasauli, mobilizē sabiedrību, lai panāktu ilgtspējīgu attīstību un virzību uz planētas aizsardzību. Šajā kontekstā galvenais faktors ir faktisko pamata enerģijas resursu aizstāšana ar citiem, kas var pilnībā apmierināt cilvēku vajadzības.}

Attiecīgie elementi ir tieši tāda ierīce, pateicoties kurai šis aspekts atrod visticamāko risinājumu, jo ir iespējams iegūt elektroenerģiju no tīras degvielas ar augstu efektivitāti un bez CO emisijām_2.

Platīna katalizatori

Platīns ir ļoti aktīvs ūdeņraža oksidēšanai un joprojām ir visizplatītākais elektrokatalizatora materiāls. Viena no Horizon galvenajām pētniecības jomām, izmantojot kurināmā elementus ar samazinātu platīna saturu, ir automobiļu rūpniecība, kur tuvākajā nākotnē tiek plānoti konstruēti katalizatori, kas izgatavoti no platīna nanodaļiņām, kas balstītas uz vadošu oglekli. Šo materiālu priekšrocība ir ļoti izkliedētas nanodaļiņas, liels elektrokatalītiskais virsmas laukums (ESA) un minimāla daļiņu augšana paaugstinātā temperatūrā, pat pie augstāka Pt slodzes līmeņa.

Pt saturoši sakausējumi ir noderīgi ierīcēm, kas darbojas ar specializētiem degvielas avotiem, piemēram, metanolu vai reformēšanu (H₂, CO₂, CO un N_{2). Pt/Ru sakausējumi ir uzrādījuši labāku veiktspēju salīdzinājumā ar tīriem elektroķīmiskiem Pt katalizatoriem attiecībā uz metanola oksidāciju, un nav iespējama saindēšanās ar oglekļa monoksīdu. Pt 3 Co ir vēl viens interesants katalizators (īpaši Horizon degvielas elementu katodiem), un tam ir uzlabota skābekļa samazināšanas reakcijas efektivitāte, kā arī augsta stabilitāte.}

Pt/C un Pt3 Co/C katalizatori, kas parāda ļoti izkliedētas nanodaļiņas uz virsmas oglekļa substrātiem. Izvēloties degvielas elementa elektrolītu, jāņem vērā vairākas galvenās prasības:

1. Augsta protonu vadītspēja.
2. Augsta ķīmiskā un termiskā stabilitāte.
3. Zema gāzes caurlaidība.

Ūdeņraža enerģijas avots

Ūdeņradis ir visvienkāršākais un visizplatītākais elements Visumā. Tā ir svarīga ūdens, naftas, dabasgāzes un visas dzīvās pasaules sastāvdaļa. Neskatoties uz vienkāršību un pārpilnību, ūdeņradis dabiskā gāzveida stāvoklī uz Zemes ir sastopams reti. Tas gandrīz vienmēr ir apvienots ar citiem elementiem. To var iegūt no naftas, dabasgāzes, biomasas vai atdalot ūdeni, izmantojot saules vai elektrisko enerģiju.

Kad ūdeņradis veidojas kā molekulārais H₂, molekulā esošā enerģija var tikt atbrīvota mijiedarbības rezultātā.ar O₂. To var panākt ar iekšdedzes dzinējiem vai ūdeņraža degvielas šūnām. Tajos enerģija H_{2 tiek pārvērsta elektriskā strāvā ar maziem jaudas zudumiem. Tādējādi ūdeņradis ir enerģijas nesējs no citiem avotiem ražotas enerģijas pārvietošanai, uzglabāšanai un piegādei.}

Strāvas moduļu filtri

Alternatīvu enerģijas elementu iegūšana nav iespējama bez īpašu filtru izmantošanas. Klasiskie filtri palīdz izstrādāt elementu jaudas moduļus dažādās pasaules valstīs, pateicoties augstas kvalitātes blokiem. Filtri tiek piegādāti, lai sagatavotu degvielu, piemēram, metanolu izmantošanai šūnās.

Parasti šo barošanas moduļu lietojumprogrammas ietver barošanu attālās vietās, rezerves barošanu kritiskiem avotiem, APU mazos transportlīdzekļos un jūras lietojumprogrammas, piemēram, Project Pa-X-ell, kas ir projekts, lai pārbaudītu pasažieru kuģu elementus.

Nerūsējošā tērauda filtru korpusi, kas atrisina filtrēšanas problēmas. Šajos prasīgajos lietojumos nulles rītausmas kurināmā elementu ražotāji nosaka Classic Filters nerūsējošā tērauda filtru korpusus, pateicoties ražošanas elastībai, augstākiem kvalitātes standartiem, ātrām piegādēm un konkurētspējīgām cenām.

Ūdeņraža tehnoloģiju platforma

Horizon Fuel Cell Technologies tika dibināts Singapūrā 2003. gadā, un šobrīd tai ir 5 starptautiski meitasuzņēmumi. Firmas misija irpanākt pārmaiņas kurināmā elementu jomā, strādājot globāli, lai panāktu ātru komercializāciju, samazinātu tehnoloģiju izmaksas un novērstu mūžsenos šķēršļus ūdeņraža piegādei. Uzņēmums sāka ar maziem un vienkāršiem produktiem, kuriem nepieciešams mazs ūdeņraža daudzums, lai sagatavotos lielākiem un sarežģītākiem lietojumiem. Ievērojot stingras vadlīnijas un ceļvedi, Horizon ir ātri kļuvis par pasaulē lielāko līdz 1000 W lielapjoma elementu ražotāju, kas apkalpo klientus vairāk nekā 65 valstīs ar visplašāko komerciālo produktu izvēli šajā nozarē.

Tehnoloģiju platformu Horizon veido: PEM - Horizon zero dawn degvielas šūnas (mikrodegviela un skursteņi) un to materiāli, ūdeņraža padeve (elektrolīze, riformings un hidrolīze), ūdeņraža uzglabāšanas ierīces un ierīces.

Horizon ir izlaidusi pasaulē pirmo portatīvo un personīgo ūdeņraža ģeneratoru. HydroFill stacija var radīt ūdeņradi, sadalot ūdeni tvertnē un uzglabājot to HydroStick kasetnēs. Tie satur absorbējošu ūdeņraža gāzes sakausējumu, lai nodrošinātu cieto uzglabāšanu. Pēc tam kasetnes var ievietot MiniPak lādētājā, kas spēj apstrādāt mazus degvielas filtra elementus.

Horizon vai mājas ūdeņradis

Horizon Technologies izlaiž ūdeņraža uzlādes un enerģijas uzglabāšanas sistēmu lietošanai mājās, taupot enerģiju mājās, lai uzlādētu pārnēsājamas ierīces. Horizon 2006. gadā izcēlās ar rotaļlietu "H-racer", kas ir maza, ar ūdeņradi darbināma automašīna, kas tika atzīta par gada "labāko izgudrojumu". Horizon piedāvājumidecentralizēt enerģijas uzglabāšanu mājās, izmantojot Hydrofill ūdeņraža uzlādes staciju, kas spēj uzlādēt mazas pārnēsājamas un atkārtoti lietojamas baterijas. Šīs ūdeņraža stacijas darbībai un enerģijas ražošanai ir nepieciešams tikai ūdens.

Darbu var nodrošināt tīkls, saules paneļi vai vēja turbīna. No turienes ūdeņradis tiek iegūts no stacijas ūdens tvertnes un tiek uzglabāts cietā veidā mazās metāla sakausējuma šūnās. Hidrofill stacija, kuras mazumtirdzniecība ir aptuveni 500 USD, ir avangarda risinājums tālruņiem. Kur atrast Hydrofill kurināmā elementus par šādu cenu lietotājiem nav grūti, tikai jājautā atbilstošs pieprasījums internetā.

Automašīnas ūdeņraža uzlāde

Tāpat kā ar akumulatoru darbināmi elektriskie automobiļi, arī tie, kas darbojas ar ūdeņradi, izmanto elektrību, lai vadītu automašīnu. Bet tā vietā, lai uzglabātu šo elektroenerģiju akumulatoros, kuru uzlāde prasa stundas, šūnas ģenerē enerģiju automašīnā, reaģējot uz ūdeņradi un skābekli. Reakcija notiek elektrolīta - nemetāla vadītāja klātbūtnē, kurā elektrisko plūsmu veic jonu kustība ierīcēs, kurās Horizon zero kurināmā elementi ir aprīkoti ar protonu apmaiņas membrānām. Tie darbojas šādi:

1. Ūdeņraža gāze tiek piegādāta uz elementa "-" anodu (A), un skābeklis tiek novirzīts uz pozitīvo polu.
2. Anoda katalizators ir platīns,izmet elektronus no ūdeņraža atomiem, atstājot "+" jonus un brīvos elektronus. Caur membrānu, kas atrodas starp anodu un katodu, iziet tikai joni.
3. Elektroni rada elektrisko strāvu, pārvietojoties pa ārējo ķēdi. Katodā elektroni un ūdeņraža joni savienojas ar skābekli, veidojot ūdeni, kas izplūst no šūnas.

Līdz šim divas lietas ir kavējušas liela mēroga ar ūdeņradi darbināmu transportlīdzekļu ražošanu: izmaksas un ūdeņraža ražošana. Vēl nesen platīna katalizators, kas sadala ūdeņradi jonos un elektronos, bija pārmērīgi dārgs.

Pirms dažiem gadiem ūdeņraža degvielas šūnas maksāja aptuveni 1000 USD par katru jaudas kilovatu vai aptuveni 100 000 USD par automašīnu. Lai samazinātu projekta izmaksas, tika veikti dažādi pētījumi, tostarp platīna katalizatora nomaiņa ar platīna-niķeļa sakausējumu, kas ir 90 reizes efektīvāks. Pagājušajā gadā ASV Enerģētikas departaments ziņoja, ka sistēmas izmaksas ir samazinājušās līdz 61 USD par kilovatu, kas joprojām ir nekonkurētspējīga automobiļu rūpniecībā.

Rentgena datortomogrāfija

Šo nesagraujošās pārbaudes metodi izmanto, lai pētītu divslāņu elementa struktūru. Citas metodes, ko parasti izmanto struktūras pētīšanai:

• dzīvsudraba iekļūšanas poraimetrija;
• atomu spēka mikroskopija;
• optiskā profilometrija.

Rezultāti liecina, ka porainības sadalījumam ir stabils pamats siltuma un elektriskās vadītspējas, caurlaidības undifūzija. Elementu porainības mērīšana ir ļoti sarežģīta to plānās, saspiežamās un neviendabīgās ģeometrijas dēļ. Rezultāts parāda, ka porainība samazinās līdz ar GDL saspiešanu.

Porainajai struktūrai ir būtiska ietekme uz masas pārnesi elektrodā. Eksperiments tika veikts ar dažādiem karstās presēšanas spiedieniem, kas svārstījās no 0,5 līdz 10 MPa. Veiktspēja galvenokārt ir atkarīga no platīna metāla, kura izmaksas ir ļoti augstas. Difūziju var palielināt, izmantojot ķīmiskās saistvielas. Turklāt temperatūras izmaiņas ietekmē elementa kalpošanas laiku un vidējo veiktspēju. Augstas temperatūras PEMFC noārdīšanās ātrums sākotnēji ir zems un pēc tam strauji palielinās. To izmanto, lai noteiktu ūdens veidošanos.

Komercializācijas problēmas

Lai nodrošinātu izmaksu konkurētspēju, degvielas elementu izmaksas ir jāsamazina uz pusi un jāpagarina akumulatora darbības laiks. Tomēr šodien ekspluatācijas izmaksas joprojām ir daudz augstākas, jo ūdeņraža ražošanas izmaksas ir no 2,5 līdz 3 USD, un piegādātais ūdeņradis, visticamāk, maksās mazāk par 4 USD/kg. Lai šūna efektīvi konkurētu ar akumulatoriem, tai ir jābūt īsam uzlādes laikam un jāsamazina akumulatora nomaiņas process.

Šobrīd polimēru kurināmā elementu tehnoloģija maksās 49 ASV dolārus/kW, ja to ražos masveidā (vismaz 500 000 vienību gadā). Tomēr, lai konkurētu ar automašīnāmiekšdedzes, automobiļu degvielas elementiem vajadzētu sasniegt aptuveni 36 USD/kWh. Ietaupījumus var panākt, samazinot materiālu izmaksas (jo īpaši platīna izmantošanu), palielinot jaudas blīvumu, samazinot sistēmas sarežģītību un palielinot izturību. Tehnoloģijas komercializācijai plašā mērogā ir vairākas problēmas, tostarp vairāku tehnisku šķēršļu pārvarēšana.

Nākotnes tehniskie izaicinājumi

Kaudzes izmaksas ir atkarīgas no materiāla, tehnikas un ražošanas tehnikas. Materiāla izvēle ir atkarīga ne tikai no materiāla piemērotības funkcijai, bet arī no apstrādājamības. Elementu galvenie uzdevumi:

1. Samaziniet elektrokatalizatora slodzi un palieliniet aktivitāti.
2. Uzlabojiet izturību un samaziniet degradāciju.
3. Elektrodu dizaina optimizācija.
4. Uzlabojiet piemaisījumu toleranci pie anoda.
5. Materiālu izvēle komponentiem. Tas galvenokārt ir balstīts uz izmaksām, nezaudējot veiktspēju.
6. Sistēmas kļūdu tolerance.
7. Elementa veiktspēja galvenokārt ir atkarīga no membrānas stiprības.

Galvenie GDL parametri, kas ietekmē šūnu veiktspēju, ir reaģenta caurlaidība, elektriskā vadītspēja, siltumvadītspēja un mehāniskais atbalsts. GDL biezums ir svarīgs faktors. Biezāka membrāna nodrošina labāku aizsardzību, mehānisko izturību, garākus difūzijas ceļus un lielāku termiskās un elektriskās pretestības līmeni.

Progresīvās tendences

Starp dažāda veida elementiem PEMFC pielāgo arvien vairāk mobilo aplikāciju (automašīnas, klēpjdatori, mobilie tālruņi u.c.), tāpēc arvien vairāk interesē plašu ražotāju loku. Faktiski PEMFC ir daudzas priekšrocības, piemēram, zema darba temperatūra, augsta strāvas blīvuma stabilitāte, viegls svars, kompaktums, zemas izmaksas un apjoma potenciāls, ilgs kalpošanas laiks, ātra palaišana un piemērotība neregulārai darbībai.

PEMFC tehnoloģija ir labi piemērota dažādiem izmēriem un tiek izmantota arī ar dažādām degvielām, ja to pareizi apstrādā ūdeņraža ražošanai. Tādējādi to var izmantot no mazās subvatu skalas līdz pat megavatu skalai. 88% no kopējiem sūtījumiem 2016.–2018. gadā bija PEMFC.