Polttokennot: tyypit, toimintaperiaate ja ominaisuudet

2024 Kirjoittaja: Howard Calhoun | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-02 13:54

Vety on puhdas polttoaine, koska se tuottaa vain vettä ja tuottaa puhdasta energiaa uusiutuvien energialähteiden avulla. Se voidaan varastoida polttokennoon, joka tuottaa sähköä sähkökemiallisen muunnoslaitteen avulla. Vety on tulevaisuuden vallankumouksellisen energian lähde, mutta sen kehitys on vielä hyvin rajallista. Syyt: vaikeasti tuotettava energia, kustannustehokkuus ja suunnittelun energiaintensiivisyydestä johtuen kyseenalainen energiatase. Mutta tämä energiavaihtoehto tarjoaa mielenkiintoisia näkökulmia energian varastointiin, varsinkin kun kyse on uusiutuvista lähteistä.

Fuel Cell Pioneers

Humphry Davy osoitti konseptin tehokkaasti 1800-luvun alussa. Tätä seurasi Christian Friedrich Schonbeinin uraauurtava työ vuonna 1838. 1960-luvun alussa NASA alkoi kehittää generaattoreita yhteistyössä teollisten kumppaneiden kanssatätä tyyppiä miehitetyille avaruuslennoille. Tämä johti PEMFC:n ensimmäiseen lohkoon.

Toinen GE-tutkija Leonard Nidrach on päivittänyt Grubbin PEMFC:n käyttämällä platinaa katalysaattorina. Grubb-Niedrach kehitettiin edelleen yhteistyössä NASAn kanssa, ja Gemini-avaruusohjelma käytti sitä 1960-luvun lopulla. International Fuel Cells (IFC, myöhemmin UTC Power) kehitti 1,5 kW:n laitteen Apollon avaruuslennoille. He tarjosivat sähköä ja juomavettä astronauteille heidän tehtävänsä aikana. Myöhemmin IFC kehitti 12 kW:n yksiköt, joita käytetään tuottamaan virtaa kaikille avaruusalusten lennoille.

Autoelementin keksi ensimmäisen kerran Grulle 1960-luvulla. GM käytti Union Carbidea "Electrovan"-autossa. Sitä käytettiin vain työsuhdeautona, mutta se pystyi kulkemaan jopa 120 mailia täydellä tankilla ja saavuttamaan jopa 70 mailia tunnissa. Kordesch ja Grulke kokeilivat vetymoottoripyörää vuonna 1966. Se oli kennohybridi NiCad-akun kanssa, joka saavutti vaikuttavan 1,18 l/100 km. Tämä liike on edistynyt sähköpyöräteknologiassa ja sähköisten moottoripyörien kaupallistamisessa.

Vuonna 2007 polttoainelähteitä kaupallistettiin monilla alueilla, niitä alettiin myydä loppukäyttäjille kirjallisilla takuilla ja huoltokyvyllä, ts. täyttää markkinatalouden vaatimukset ja standardit. Niinpä useat markkinasegmentit alkoivat keskittyä kysyntään. Erityisesti tuhansia apuvoimaaPEMFC- ja DMFC (APU) -yksiköt on kaupallistettu viihdesovelluksissa: veneissä, leluissa ja harjoitussarjoissa.

Horizon esitteli lokakuussa 2009 ensimmäisen kaupallisen Dynario-elektroniikkajärjestelmän, joka toimii metanolipatruunoilla. Horizon polttokennot voivat ladata matkapuhelimia, GPS-järjestelmiä, kameroita tai digitaalisia musiikkisoittimia.

Vedyn tuotantoprosessit

Vetypolttokennot ovat aineita, jotka sisältävät vetyä polttoaineena. Vetypolttoaine on päästötön polttoaine, joka vapauttaa energiaa palaessaan tai sähkökemiallisten reaktioiden kautta. Polttokennot ja akut tuottavat sähköä kemiallisen reaktion kautta, mutta ensimmäinen tuottaa tehoa niin kauan kuin on polttoainetta, joten ne eivät koskaan menetä latausta.

Lämpöprosessit vedyn tuottamiseksi sisältävät tyypillisesti höyryreformoinnin, korkean lämpötilan prosessin, jossa höyry reagoi hiilivetylähteen kanssa vapauttaen vetyä. Monet luonnonpolttoaineet voidaan muuttaa tuottamaan vetyä.

Nykyään noin 95 % vedystä tuotetaan kaasureformoimalla. Vesi hajoaa hapeksi ja vedyksi elektrolyysillä laitteessa, joka toimii kuten Horizon zero -polttokenno käänteisessä järjestyksessä.

Aurinkoenergiaan perustuvat prosessit

He käyttävät valoa aineena tuottamaan vetyä. Olemassauseita aurinkopaneeleihin perustuvia prosesseja:

1. fotobiologinen;
2. valosähkökemiallinen;
3. aurinkoinen;
4. lämpökemiallinen.

Fotobiologiset prosessit käyttävät bakteerien ja viherlevien luonnollista fotosynteettistä aktiivisuutta.

Valosähkökemialliset prosessit ovat erikoistuneita puolijohteita veden erottamiseen vedyksi ja hapeksi.

Termokemiallinen vetyaurinkotuotanto käyttää tiivistettyä aurinkoenergiaa vedenerotusreaktioon muiden lajien, kuten metallioksidien, ohella.

Biologisissa prosesseissa käytetään mikrobeja, kuten bakteereita ja mikroleviä, ja ne voivat tuottaa vetyä biologisten reaktioiden kautta. Mikrobibiomassan muuntamisessa mikrobit hajottavat orgaanista ainetta, kuten biomassaa, kun taas fotobiologisissa prosesseissa mikrobit käyttävät auringonvaloa lähteenä.

Sukupolven komponentit

Elementtilaitteet koostuvat useista osista. Jokaisessa on kolme pääkomponenttia:

• anodi;
• katodi;
• johtava elektrolyytti.

Horizon-polttokennoissa, joissa jokainen elektrodi on valmistettu suuren pinta-alan materiaalista, joka on kyllästetty platinaseoskatalyytillä, elektrolyyttimateriaali on kalvo ja toimii ionijohtimena. Sähköntuotantoa ohjaa kaksi ensisijaista kemiallista reaktiota. Elementeille, joissa käytetään puhdastaH_2.

Anodin vetykaasu hajoaa protoneiksi ja elektroneiksi. Ensin mainitut kulkeutuvat elektrolyyttikalvon läpi, ja jälkimmäiset virtaavat sen ympärille tuottaen sähkövirtaa. Varautuneet ionit (H + ja e -) yhdistyvät katodilla O_{2:n kanssa vapauttaen vettä ja lämpöä. Monet ympäristökysymykset, jotka vaikuttavat maailmaan nykyään, saavat yhteiskunnan liikkeelle kestävän kehityksen ja planeetan suojelun edistämiseksi. Tässä yhteydessä keskeinen tekijä on todellisten perusenergiavarojen korvaaminen muilla, jotka voivat täysin tyydyttää ihmisen tarpeet.}

Kyseiset elementit ovat juuri sellainen laite, jonka ansiosta tämä näkökohta löytää todennäköisimmän ratkaisun, koska puhtaasta polttoaineesta on mahdollista saada sähköenergiaa korkealla hyötysuhteella ja ilman CO-päästöjä_2.

Platinakatalyytit

Platina on erittäin aktiivinen vedyn hapetuksessa ja on edelleen yleisin sähkökatalyyttimateriaali. Yksi Horizonin pääasiallisista tutkimusalueista, joissa käytetään pelkistettyä platinaa polttokennoja, on autoteollisuus, jonne suunnitellaan lähitulevaisuudessa teknisiä katalyyttejä, jotka on valmistettu johtavalle hiilelle tuetuista platinananohiukkasista. Näiden materiaalien etuna on erittäin dispergoituneet nanopartikkelit, suuri elektrokatalyyttinen pinta-ala (ESA) ja minimaalinen hiukkasten kasvu korkeissa lämpötiloissa, jopa korkeammilla Pt-kuormitustasoilla.

Pt-pitoiset seokset ovat hyödyllisiä laitteissa, jotka toimivat erikoispolttoaineilla, kuten metanolilla tai reformoinnilla (H₂, CO₂, CO ja N_{2). Pt/Ru-seokset ovat osoittaneet parempaa suorituskykyä puhtaisiin sähkökemiallisiin Pt-katalyytteihin verrattuna metanolin hapettumisen suhteen, eikä hiilimonoksidimyrkytyksen mahdollisuutta ole. Pt 3 Co on toinen kiinnostava katalyytti (erityisesti Horizonin polttokennokatodeille), ja se on osoittanut parantuneen hapen pelkistysreaktion tehokkuuden sekä korkean stabiilisuuden.}

Pt/C- ja Pt3-Co/C-katalyytit, jotka osoittavat erittäin dispergoituneita nanopartikkeleita pintahiilen substraateilla. Polttokennoelektrolyyttiä valittaessa on otettava huomioon useita keskeisiä vaatimuksia:

1. Suuri protonijohtavuus.
2. Korkea kemiallinen ja lämpöstabiilisuus.
3. Matala kaasunläpäisevyys.

Vetyenergialähde

Vety on maailmankaikkeuden yksinkertaisin ja runsain alkuaine. Se on tärkeä osa vettä, öljyä, maakaasua ja koko elävää maailmaa. Yksinkertaisuudestaan ja runsaudestaan huolimatta vetyä tavataan harvoin luonnossa kaasumaisessa tilassaan maapallolla. Se yhdistetään melkein aina muihin elementteihin. Ja se voidaan saada öljystä, maakaasusta, biomassasta tai erottamalla vettä aurinko- tai sähköenergialla.

Kun vety on muodostunut molekyylisenä H₂, molekyylissä oleva energia voi vapautua vuorovaikutuksestakanssa O₂. Tämä voidaan saavuttaa joko polttomoottoreilla tai vetypolttokennoilla. Niissä energia H_{2 muunnetaan sähkövirraksi pienillä tehohäviöillä. Vety on siis energian kantaja muista lähteistä tuotetun energian siirtämiseen, varastointiin ja toimittamiseen.}

Suodattimet tehomoduuleille

Vaihtoehtoisten energiaelementtien saaminen on mahdotonta ilman erityisiä suodattimia. Klassiset suodattimet auttavat elementtien tehomoduulien kehittämisessä eri maailman maissa korkealaatuisten lohkojen ansiosta. Suodattimet toimitetaan polttoaineen, kuten metanolin, valmistukseen kennosovelluksiin.

Tyypillisesti näiden tehomoduulien sovelluksiin kuuluvat virransyöttö syrjäisissä paikoissa, varavirta kriittisiin syöttöihin, pienten ajoneuvojen APU:t ja merisovellukset, kuten Project Pa-X-ell, joka on matkustaja-alusten kennojen testausprojekti.

Ruostumattomasta teräksestä valmistetut suodatinkotelot, jotka ratkaisevat suodatusongelmia. Näissä vaativissa sovelluksissa zero dawn polttokennojen valmistajat määrittelevät Classic Filters ruostumattomasta teräksestä valmistettuja suodatinkoteloita tuotannon joustavuuden, korkeampien laatustandardien, nopeiden toimitusten ja kilpailukykyisten hintojen vuoksi.

Vetyteknologia-alusta

Horizon Fuel Cell Technologies perustettiin Singaporessa vuonna 2003, ja sillä on nykyään viisi kansainvälistä tytäryhtiötä. Yrityksen missio ontehdä eroa polttokennoissa työskentelemällä maailmanlaajuisesti nopean kaupallistamisen saavuttamiseksi, teknologian kustannusten alentamiseksi ja vetytoimitusten vanhojen esteiden poistamiseksi. Yritys aloitti pienillä ja yksinkertaisilla tuotteilla, jotka vaativat vähän vetyä valmistautuessaan suurempiin ja monimutkaisempiin sovelluksiin. Noudattamalla tiukkoja ohjeita ja etenemissuunnitelmaa Horizonista on nopeasti tullut maailman suurin alle 1000 watin massakennovalmistaja, joka palvelee asiakkaita yli 65 maassa ja tarjoaa alan laajimman valikoiman kaupallisia tuotteita.

Horizon-teknologiaalusta koostuu: PEM - Horizon zero dawn -polttokennoista (mikropolttoaine ja pinot) ja niiden materiaaleista, vedynsyötöstä (elektrolyysi, reformointi ja hydrolyysi), vedyn varastointilaitteista ja -laitteista.

Horizon on julkaissut maailman ensimmäisen kannettavan ja henkilökohtaisen vetygeneraattorin. HydroFill-asema voi tuottaa vetyä hajottamalla vettä säiliössä ja varastoimalla sitä HydroStick-patruunoihin. Ne sisältävät imukykyistä vetykaasuseosta kiinteän varastoinnin aikaansaamiseksi. Tämän jälkeen patruunat voidaan asettaa MiniPak-laturiin, joka pystyy käsittelemään pieniä polttoainesuodatinelementtejä.

Horizon tai kotivety

Horizon Technologies tuo markkinoille vetylataus- ja energianvarastointijärjestelmän kotikäyttöön, mikä säästää energiaa kotona kannettavien laitteiden lataamiseen. Horizon erottui vuonna 2006 "H-racer"-lelulla, pienellä vetykäyttöisellä autolla, joka äänestettiin "vuoden parhaaksi keksinnöksi". Horizon tarjoaahajauttaa energian varastointi kotona sen Hydrofill-vetylatausasemalla, joka pystyy lataamaan pieniä kannettavia ja uudelleenkäytettäviä akkuja. Tämä vetylaitos tarvitsee vain vettä toimiakseen ja tuottaakseen sähköä.

Työ voidaan tarjota verkkoon, aurinkopaneeleihin tai tuuliturbiiniin. Sieltä vetyä uutetaan aseman vesisäiliöstä ja varastoidaan kiinteässä muodossa pieniin metalliseoskennoihin. Hydrofill Station, jonka vähittäismyyntihinta on noin 500 dollaria, on avantgarde-ratkaisu puhelimille. Hydrofill-polttokennojen löytäminen tähän hintaan ei ole käyttäjille vaikeaa, sinun tarvitsee vain kysyä sopiva pyyntö Internetistä.

Auton vetylataus

Akkukäyttöisten sähköautojen tapaan vetykäyttöiset sähköautot käyttävät myös sähköä auton ajamiseen. Sen sijaan, että ne varastoisivat tämän sähkön akkuihin, joiden lataaminen kestää tunteja, kennot tuottavat energiaa autossa reagoimalla vedyn ja hapen kanssa. Reaktio tapahtuu elektrolyytin - ei-metallisen johtimen - läsnä ollessa, jossa sähkövirta kulkee ionien liikkeellä laitteissa, joissa Horizon zero -polttokennot on varustettu protoninvaihtokalvoilla. Ne toimivat seuraavasti:

1. Vykaasua syötetään kennon "-"-anodille (A) ja happi ohjataan positiiviseen napaan.
2. Anodissa katalyytti on platina,hylkää elektronit vetyatomeista jättäen "+"-ioneja ja vapaita elektroneja. Vain ionit kulkevat anodin ja katodin välissä olevan kalvon läpi.
3. Elektronit luovat sähkövirtaa liikkumalla ulkoista piiriä pitkin. Katodissa elektronit ja vetyionit yhdistyvät hapen kanssa tuottaen vettä, joka virtaa ulos kennosta.

Kaksi asiaa on tähän asti estänyt vetykäyttöisten ajoneuvojen laajamittaista tuotantoa: kustannukset ja vedyn tuotanto. Viime aikoihin asti platinakatalyytti, joka jakaa vedyn ioniksi ja elektroniksi, oli kohtuuttoman kallis.

Muutama vuosi sitten vetypolttokennot maksoivat noin 1 000 dollaria jokaista kilowattia kohden tai noin 100 000 dollaria autosta. Projektin kustannusten alentamiseksi tehtiin erilaisia tutkimuksia, mukaan lukien platinakatalysaattorin korvaaminen platina-nikkeli-seoksella, joka on 90 kertaa tehokkaampi. Viime vuonna Yhdysv altain energiaministeriö raportoi, että järjestelmän kustannukset olivat pudonneet 61 dollariin kilowattia kohden, mikä on edelleen kilpailukyvytön autoteollisuudessa.

Röntgentietokonetomografia

Tätä hajoamatonta testausmenetelmää käytetään kaksikerroksisen elementin rakenteen tutkimiseen. Muut rakenteen tutkimiseen yleisesti käytetyt menetelmät:

• elohopean tunkeutumisen huokometria;
• atomivoimamikroskopia;
• optinen profilometria.

Tulokset osoittavat, että huokoisuusjakaumalla on vankka perusta lämmön- ja sähkönjohtavuuden, läpäisevyyden jadiffuusio. Elementtien huokoisuuden mittaaminen on erittäin vaikeaa niiden ohuen, kokoonpuristuvan ja epähomogeenisen geometrian vuoksi. Tulos osoittaa, että huokoisuus pienenee GDL-puristuksen myötä.

Huokoisella rakenteella on merkittävä vaikutus massansiirtoon elektrodissa. Koe suoritettiin erilaisilla kuumapuristuspaineilla, jotka vaihtelivat välillä 0,5 - 10 MPa. Suorituskyky riippuu pääasiassa platinametallista, jonka hinta on erittäin korkea. Diffuusiota voidaan lisätä käyttämällä kemiallisia sideaineita. Lisäksi lämpötilan muutokset vaikuttavat elementin käyttöikään ja keskimääräiseen suorituskykyyn. Korkean lämpötilan PEMFC-yhdisteiden hajoamisnopeus on aluksi alhainen ja kasvaa sitten nopeasti. Tätä käytetään veden muodostumisen määrittämiseen.

Kaupallistamisongelmat

Ollakseen kustannuskilpailukykyinen, polttokennokustannukset on puolitettava ja akun käyttöikää pidennettävä vastaavasti. Nykyään käyttökustannukset ovat kuitenkin edelleen paljon korkeammat, koska vedyn tuotantokustannukset ovat 2,5–3 dollaria, ja toimitettu vety ei todennäköisesti maksa alle 4 dollaria/kg. Jotta kenno voisi kilpailla tehokkaasti akkujen kanssa, sen latausajan tulee olla lyhyt ja akun vaihtoprosessi minimoidaan.

Tällä hetkellä polymeeripolttokennoteknologia maksaa 49 US$/kW massatuotannossa (vähintään 500 000 yksikköä vuodessa). Kuitenkin kilpaillakseen autojen kanssaautojen polttokennojen pitäisi saavuttaa noin 36 dollaria/kWh. Säästöjä voidaan saavuttaa vähentämällä materiaalikustannuksia (erityisesti platinan käyttöä), lisäämällä tehotiheyttä, vähentämällä järjestelmän monimutkaisuutta ja lisäämällä kestävyyttä. Teknologian kaupallistamiseen suuressa mittakaavassa on useita haasteita, mukaan lukien useiden teknisten esteiden voittaminen.

Tulevaisuuden tekniset haasteet

Pinon hinta riippuu materiaalista, tekniikasta ja valmistustekniikoista. Materiaalin valinta ei riipu pelkästään materiaalin soveltuvuudesta tehtävään, vaan myös työstettävyyteen. Elementtien keskeiset tehtävät:

1. Vähennä elektrokatalysaattorin kuormitusta ja lisää aktiivisuutta.
2. Paranna kestävyyttä ja vähennä hajoamista.
3. Elektrodisuunnittelun optimointi.
4. Paranna anodin epäpuhtauksien sietokykyä.
5. Materiaalien valinta komponenteille. Se perustuu ensisijaisesti kustannuksiin suorituskyvystä tinkimättä.
6. Järjestelmän vikasietoisuus.
7. Elementin suorituskyky riippuu pääasiassa kalvon lujuudesta.

Kennon suorituskykyyn vaikuttavat tärkeimmät GDL-parametrit ovat reagenssin läpäisevyys, sähkönjohtavuus, lämmönjohtavuus ja mekaaninen tuki. GDL:n paksuus on tärkeä tekijä. Paksumpi kalvo tarjoaa paremman suojan, mekaanisen lujuuden, pidemmät diffuusioreitit ja suuremmat lämpö- ja sähkövastustasot.

Progressiiviset trendit

Erilaisten elementtien joukossa PEMFC mukauttaa yhä enemmän mobiilisovelluksia (autot, kannettavat tietokoneet, matkapuhelimet jne.), joten se kiinnostaa yhä useammin monia valmistajia. Itse asiassa PEMFC:llä on monia etuja, kuten alhainen käyttölämpötila, korkea virrantiheyden vakaus, keveys, kompakti, alhainen kustannus- ja tilavuuspotentiaali, pitkä käyttöikä, nopeat käynnistykset ja soveltuvuus ajoittaiseen käyttöön.

PEMFC-tekniikka sopii hyvin useisiin eri kokoihin, ja sitä käytetään myös useiden polttoaineiden kanssa, kun se on asianmukaisesti käsitelty tuottamaan vetyä. Sellaisenaan se löytää käyttöä pienestä subwattiasteikosta megawattiasteikkoon asti. 88 % kokonaistoimituksista vuosina 2016–2018 oli PEMFC:tä.