Kütuseelemendid: tüübid, tööpõhimõte ja omadused

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-02 13:53

Vesinik on puhas kütus, kuna see toodab ainult vett ja puhast energiat, kasutades taastuvaid energiaallikaid. Seda saab hoida kütuseelemendis, mis toodab elektrit elektrokeemilise muundusseadme abil. Vesinik on tuleviku revolutsioonilise energia allikas, kuid selle areng on endiselt väga piiratud. Põhjused: raskesti toota energia, kuluefektiivsus ja konstruktsiooni energiamahukuse tõttu küsitav energiabilanss. Kuid see energiavalik pakub huvitavaid perspektiive energia salvestamise osas, eriti kui tegemist on taastuvate energiaallikatega.

Fuel Cell Pioneers

Seda kontseptsiooni demonstreeris tõhus alt Humphry Davy üheksateistkümnenda sajandi alguses. Sellele järgnes Christian Friedrich Schonbeini teedrajav töö 1838. aastal. 1960. aastate alguses alustas NASA koostöös tööstuspartneritega generaatorite väljatöötamistseda tüüpi mehitatud kosmoselendudeks. Selle tulemuseks oli PEMFC esimene plokk.

Teine GE teadlane Leonard Nidrach on uuendanud Grubbi PEMFC-d, kasutades katalüsaatorina plaatinat. Grubb-Niedrach töötati edasi koostöös NASAga ja seda kasutas Gemini kosmoseprogramm 1960. aastate lõpus. International Fuel Cells (IFC, hiljem UTC Power) töötas välja Apollo kosmoselendude jaoks mõeldud 1,5 kW seadme. Nad pakkusid astronautidele nende missiooni ajal elektrit ja joogivett. Seejärel töötas IFC välja 12 kW seadmed, mida kasutati kõigi kosmoselaevade lendude pardal oleva toite pakkumiseks.

Autotööstuse elemendi leiutas esmakordselt 1960. aastatel Grulle. GM kasutas autos "Electrovan" Union Carbide'i. Seda kasutati ainult ametiautona, kuid see suutis täis paagiga sõita kuni 120 miili ja saavutada kiirust kuni 70 miili tunnis. Kordesch ja Grulke katsetasid vesinikmootorrattaga 1966. aastal. See oli elemendihübriid koos NiCad-akuga, mis saavutas muljetavaldava 1,18 l/100 km. See samm on täiustatud e-bike tehnoloogia ja e-mootorrataste turustamise.

Aastal 2007 hakati kütuseallikaid turustama väga erinevates valdkondades, neid hakati müüma lõppkasutajatele kirjalike garantiide ja teenindusvõimalustega, s.t. vastama turumajanduse nõuetele ja standarditele. Nii hakkasid mitmed turusegmendid keskenduma nõudlusele. Eelkõige tuhanded abijõudPEMFC ja DMFC (APU) üksused on turule toodud meelelahutusrakendustes: paadid, mänguasjad ja treeningkomplektid.

Horizon näitas 2009. aasta oktoobris esimest kaubanduslikku Dynario elektroonilist süsteemi, mis töötab metanoolikassettidega. Horizon kütuseelemendid võivad laadida mobiiltelefone, GPS-süsteeme, kaameraid või digitaalseid muusikamängijaid.

Vesiniku tootmisprotsessid

Vesinikkütuseelemendid on ained, mis sisaldavad kütusena vesinikku. Vesinikkütus on nullheitega kütus, mis eraldab põlemisel või elektrokeemiliste reaktsioonide käigus energiat. Kütuseelemendid ja akud toodavad elektrit keemilise reaktsiooni kaudu, kuid esimesed toodavad energiat seni, kuni on kütust, seega ei kaota kunagi laetust.

Vesiniku tootmiseks kasutatavad termilised protsessid hõlmavad tavaliselt aurureformimist, kõrgtemperatuurset protsessi, kus aur reageerib süsivesinike allikaga, vabastades vesiniku. Paljusid looduslikke kütuseid saab reformida vesiniku tootmiseks.

Tänapäeval toodetakse ligikaudu 95% vesinikust gaasireformimisel. Vesi jagatakse elektrolüüsi teel hapnikuks ja vesinikuks seadmes, mis töötab nagu Horizon nullkütuseelement tagurpidi.

Päikeseenergiapõhised protsessid

Nad kasutavad vesiniku tootmiseks agensina valgust. Olemasmitu päikesepaneelidel põhinevat protsessi:

1. fotobioloogiline;
2. fotoelektrokeemia;
3. päikseline;
4. termokeemia.

Fotobioloogilised protsessid kasutavad bakterite ja rohevetikate loomulikku fotosünteesi.

Fotoelektrokeemilised protsessid on spetsiaalsed pooljuhid vee eraldamiseks vesinikuks ja hapnikuks.

Termokeemiline vesiniku päikeseenergia tootmine kasutab kontsentreeritud päikeseenergiat vee eraldamise reaktsiooniks koos muude liikidega, näiteks metallioksiididega.

Bioloogilistes protsessides kasutatakse mikroobe, nagu baktereid ja mikrovetikaid, ning need võivad bioloogiliste reaktsioonide kaudu toota vesinikku. Mikroobse biomassi muundamisel lagundavad mikroobid orgaanilist ainet, näiteks biomassi, samas kui fotobioloogilistes protsessides kasutavad mikroobid allikana päikesevalgust.

Põlvkonnakomponendid

Elementide seadmed koosnevad mitmest osast. Igal neist on kolm põhikomponenti:

• anood;
• katood;
• juhtiv elektrolüüt.

Horizon kütuseelementide puhul, kus iga elektrood on valmistatud suure pindalaga materjalist, mis on immutatud plaatinasulamist katalüsaatoriga, on elektrolüüdi materjal membraan ja see toimib ioonjuhina. Elektritootmist juhivad kaks peamist keemilist reaktsiooni. Elementidele, mis kasutavad puhastH_2.

Gaasiline vesinik jaguneb anoodil prootoniteks ja elektronideks. Esimesed kantakse läbi elektrolüüdi membraani ja teised voolavad selle ümber, tekitades elektrivoolu. Laetud ioonid (H + ja e -) ühinevad katoodil O_{2-ga, vabastades vett ja soojust. Paljud keskkonnaprobleemid, mis praegu maailma mõjutavad, mobiliseerivad ühiskonda säästva arengu ja planeedi kaitsmise suunas liikuma. Selles kontekstis on võtmeteguriks tegelike põhienergiaressursside asendamine teistega, mis suudavad täielikult rahuldada inimeste vajadusi.}

Kõnealused elemendid on just selline seade, tänu millele leiab see aspekt kõige tõenäolisema lahenduse, kuna puhtast kütusest on võimalik saada elektrienergiat kõrge efektiivsusega ja ilma CO emissioonita_2.

Plaatinakatalüsaatorid

Plaatina on väga aktiivne vesiniku oksüdeerimiseks ja on jätkuv alt kõige levinum elektrokatalüsaatori materjal. Üks Horizoni põhilisi plaatinasisaldusega kütuseelemente kasutavaid uurimisvaldkondi on autotööstus, kus lähitulevikus on plaanis luua juhtivale süsinikule toetuvatest plaatina nanoosakestest valmistatud konstrueeritud katalüsaatoreid. Nende materjalide eeliseks on kõrgelt hajutatud nanoosakesed, suur elektrokatalüütiline pindala (ESA) ja minimaalne osakeste kasv kõrgel temperatuuril, isegi kõrgemal Pt-koormusel.

Pt-sisaldavad sulamid on kasulikud seadmetes, mis töötavad spetsiaalsetel kütuseallikatel, nagu metanool või reformimine (H₂, CO₂, CO ja N_{2). Pt/Ru sulamid on näidanud paremat jõudlust võrreldes puhaste elektrokeemiliste Pt katalüsaatoritega metanooli oksüdatsiooni osas ja süsinikmonooksiidi mürgituse võimalust ei ole. Pt 3 Co on veel üks huvipakkuv katalüsaator (eriti Horizoni kütuseelemendi katoodide puhul) ja see on näidanud paremat hapniku redutseerimise reaktsiooni efektiivsust ja kõrget stabiilsust.}

Pt/C ja Pt 3 Co/C katalüsaatorid, mis näitavad süsiniku pinnal väga hajutatud nanoosakesi. Kütuseelemendi elektrolüüdi valimisel tuleb arvestada mitme põhinõudega:

1. Kõrge prootonijuhtivus.
2. Kõrge keemiline ja termiline stabiilsus.
3. Madal gaasi läbilaskvus.

Vesinikenergiaallikas

Vesinik on universumi kõige lihtsam ja rikkalikum element. See on vee, nafta, maagaasi ja kogu elumaailma oluline komponent. Vaatamata oma lihtsusele ja arvukusele leidub vesinikku maakeral looduslikus gaasilises olekus harva. See on peaaegu alati kombineeritud teiste elementidega. Ja seda saab saada naftast, maagaasist, biomassist või vee eraldamisel päikese- või elektrienergia abil.

Kui vesinik on moodustunud molekulaarse H₂, saab molekulis sisalduva energia interaktsiooni teel vabanedakoos O₂. Seda on võimalik saavutada kas sisepõlemismootorite või vesinikkütuseelementidega. Nendes muudetakse energia H_{2 väikeste võimsuskadudega elektrivooluks. Seega on vesinik energiakandja muudest allikatest toodetud energia liigutamiseks, salvestamiseks ja tarnimiseks.}

Toitemoodulite filtrid

Alternatiivsete energiaelementide hankimine on võimatu ilma spetsiaalseid filtreid kasutamata. Klassikalised filtrid aitavad tänu kvaliteetsetele plokkidele välja töötada elementide toitemooduleid erinevates maailma riikides. Tarnitakse filtreid kütuse (nt metanooli) ettevalmistamiseks rakurakendustes.

Tavaliselt hõlmavad nende toitemoodulite rakendused toiteallikat kaugetes kohtades, varutoidet kriitiliste toiteallikate jaoks, APU-sid väikestel sõidukitel ja mererakendusi, nagu Project Pa-X-ell, mis on projekt reisilaevade elementide testimiseks.

Roostevabast terasest filtrikorpused, mis lahendavad filtreerimisprobleemid. Nendes nõudlikes rakendustes määravad zero dawn kütuseelementide tootjad Classic Filtersi roostevabast terasest filtrikorpused tootmise paindlikkuse, kõrgemate kvaliteedistandardite, kiirete tarnete ja konkurentsivõimeliste hindade tõttu.

Vesinikutehnoloogia platvorm

Horizon Fuel Cell Technologies asutati Singapuris 2003. aastal ja sellel on tänaseks 5 rahvusvahelist tütarettevõtet. Firma missioon onmuuta kütuseelemente, töötades ülemaailmselt, et saavutada kiire turustamine, madalamad tehnoloogiakulud ja kõrvaldada vesiniku tarnimise igivanad tõkked. Ettevõte alustas väikeste ja lihtsate toodetega, mis nõuavad suuremate ja keerukamate rakenduste ettevalmistamiseks väikest kogust vesinikku. Järgides rangeid juhiseid ja tegevuskava, on Horizonist saanud kiiresti maailma suurim alla 1000 W hulgielementide tootja, kes teenindab kliente enam kui 65 riigis ja pakub selle valdkonna kõige laiemat kommertstoodete valikut.

Tehnoloogiaplatvorm Horizon koosneb: PEM – Horizon zero dawn kütuseelementidest (mikrokütus ja korstnad) ja nende materjalidest, vesinikuvarustusest (elektrolüüs, reformimine ja hüdrolüüs), vesiniku salvestusseadmetest ja seadmetest.

Horizon on välja andnud maailma esimese kaasaskantava ja isikliku vesinikugeneraatori. HydroFill jaam suudab toota vesinikku, lagundades vee paagis ja hoides seda HydroSticki kassettides. Need sisaldavad gaasilise vesiniku absorbeerivat sulamit, et tagada tahke säilivus. Seejärel saab padrunid sisestada MiniPaki laadijasse, mis saab hakkama väikeste kütusefiltri elementidega.

Horisont või kodu vesinik

Horizon Technologies toob turule vesiniku laadimis- ja energiasalvestussüsteemi koduseks kasutamiseks, säästes kodus energiat kaasaskantavate seadmete laadimiseks. Horizon paistis 2006. aastal silma mänguasjaga "H-racer", mis on väike vesinikkütusel töötav auto, mis valiti aasta "parimaks leiutiseks". Horisont pakubdetsentraliseerige energia salvestamine kodus oma Hydrofill vesiniku laadimisjaamaga, mis suudab laadida väikeseid kaasaskantavaid ja korduvkasutatavaid akusid. See vesinikujaam vajab töötamiseks ja energia tootmiseks ainult vett.

Tööd võivad pakkuda võrk, päikesepaneelid või tuuleturbiin. Se alt ekstraheeritakse vesinikku jaama veepaagist ja hoitakse tahkel kujul väikestes metallisulamist rakkudes. Hüdrotäite jaam, mille jaemüük maksab umbes 500 dollarit, on telefonide jaoks avangardne lahendus. Hüdrofilli kütuseelementide leidmine selle hinnaga pole kasutajatele keeruline, peate lihts alt Internetist vastava päringu küsima.

Auto vesiniku laadimine

Nagu akutoitega elektriautod, kasutavad ka vesiniku jõul töötavad autod auto juhtimiseks elektrit. Kuid selle elektrienergia salvestamise asemel akudesse, mille laadimine võtab tunde, toodavad elemendid autos energiat, reageerides vesinikule ja hapnikule. Reaktsioon toimub elektrolüüdi – mittemetallilise juhi – juuresolekul, milles elektrivoolu kannab ioonide liikumine seadmetes, kus Horizon zero kütuseelemendid on varustatud prootonivahetusmembraanidega. Need toimivad järgmiselt:

1. Vesinikugaas juhitakse elemendi "-" anoodile (A) ja hapnik suunatakse positiivsele poolusele.
2. Anoodil on katalüsaatoriks plaatina,heidab elektronid vesinikuaatomitelt kõrvale, jättes alles "+" ioonid ja vabad elektronid. Anoodi ja katoodi vahel asuvat membraani läbivad ainult ioonid.
3. Elektronid loovad elektrivoolu, liikudes mööda välist vooluahelat. Katoodil ühinevad elektronid ja vesinikuioonid hapnikuga, tekitades rakust välja voolava vee.

Siiani on vesinikkütusega sõidukite suuremahulist tootmist takistanud kaks asja: maksumus ja vesiniku tootmine. Kuni viimase ajani oli plaatina katalüsaator, mis jagab vesiniku iooniks ja elektroniks, ülikallis.

Mõni aasta tagasi maksid vesinikkütuseelemendid umbes 1000 dollarit iga kilovati võimsuse kohta või umbes 100 000 dollarit auto eest. Projekti maksumuse vähendamiseks viidi läbi erinevaid uuringuid, sealhulgas asendati plaatina katalüsaator plaatina-nikli sulamiga, mis on 90 korda tõhusam. Eelmisel aastal teatas USA energeetikaministeerium, et süsteemi hind on langenud 61 dollarile kilovati kohta, mis ei ole autotööstuses endiselt konkurentsivõimeline.

Röntgen-kompuutertomograafia

Seda mittepurustavat testimismeetodit kasutatakse kahekihilise elemendi struktuuri uurimiseks. Muud struktuuri uurimiseks tavaliselt kasutatavad meetodid:

• elavhõbeda sissetungimise poorimeetria;
• aatomjõumikroskoopia;
• optiline profilomeetria.

Tulemused näitavad, et poorsuse jaotusel on kindel alus soojus- ja elektrijuhtivuse, läbilaskvuse jadifusioon. Elementide poorsuse mõõtmine on nende õhukese, kokkusurutava ja ebahomogeense geomeetria tõttu väga keeruline. Tulemus näitab, et poorsus väheneb GDL-i kokkusurumisel.

Poorsel struktuuril on oluline mõju massiülekandele elektroodis. Katse viidi läbi erinevatel kuumpressimisrõhkudel, mis jäid vahemikku 0,5 kuni 10 MPa. Toimivus sõltub peamiselt plaatina metallist, mille maksumus on väga kõrge. Difusiooni saab suurendada keemiliste sideainete kasutamisega. Lisaks mõjutavad temperatuurimuutused elemendi eluiga ja keskmist jõudlust. Kõrge temperatuuriga PEMFC-de lagunemiskiirus on alguses madal ja suureneb seejärel kiiresti. Seda kasutatakse vee moodustumise määramiseks.

Probleemid kommertsialiseerimisel

Konkurentsivõimelisuse tagamiseks tuleb kütuseelementide kulusid vähendada poole võrra ja aku kasutusiga samamoodi pikendada. Tänapäeval on aga tegevuskulud endiselt palju suuremad, kuna vesiniku tootmiskulud jäävad 2,5–3 dollari vahele ja tarnitava vesiniku hind ei maksa tõenäoliselt alla 4 dollari/kg. Selleks, et element akudega tõhus alt konkureeriks, peaks sellel olema lühike laadimisaeg ja see peaks minimeerima aku vahetamise protsessi.

Praegu maksab polümeerkütuseelementide tehnoloogia masstootmisel (vähem alt 500 000 ühikut aastas) 49 USA dollarit kW kohta. Küll aga selleks, et autodega konkureeridasisepõlemisel peaks autokütuseelemendid ulatuma umbes 36 dollarini kWh kohta. Kokkuhoidu on võimalik saavutada, vähendades materjalikulusid (eelkõige plaatina kasutamist), suurendades võimsustihedust, vähendades süsteemi keerukust ja suurendades vastupidavust. Tehnoloogia laiaulatuslikul kommertsialiseerimisel on mitmeid väljakutseid, sealhulgas mitmete tehniliste takistuste ületamine.

Tuleviku tehnilised väljakutsed

Vina maksumus sõltub materjalist, tehnikast ja tootmistehnikast. Materjali valik ei sõltu ainult materjali sobivusest funktsioonile, vaid ka töödeldavusest. Elementide põhiülesanded:

1. Vähendage elektrokatalüsaatori koormust ja suurendage aktiivsust.
2. Parandage vastupidavust ja vähendage lagunemist.
3. Elektroodide disaini optimeerimine.
4. Parandage anoodi lisandite taluvust.
5. Komponentide materjalide valik. See põhineb peamiselt kuludel, ilma jõudlust ohverdamata.
6. Süsteemi veataluvus.
7. Elemendi jõudlus sõltub peamiselt membraani tugevusest.

Peamised GDL-i parameetrid, mis mõjutavad raku jõudlust, on reaktiivi läbilaskvus, elektrijuhtivus, soojusjuhtivus ja mehaaniline tugi. GDL paksus on oluline tegur. Paksem membraan tagab parema kaitse, mehaanilise tugevuse, pikema difusioonitee ning suurema soojus- ja elektritakistuse.

Progressiivsed trendid

Erinevate elementide hulgas kohandab PEMFC rohkem mobiilirakendusi (autod, sülearvutid, mobiiltelefonid jne), mistõttu pakub see üha enam huvi paljudele tootjatele. Tegelikult on PEMFC-l palju eeliseid, nagu madal töötemperatuur, kõrge voolutiheduse stabiilsus, kerge kaal, kompaktsus, madal hind ja mahupotentsiaal, pikk kasutusiga, kiire käivitamine ja sobivus vahelduvaks tööks.

PEMFC-tehnoloogia sobib hästi erinevatele suurustele ja seda kasutatakse ka erinevate kütustega, kui seda korralikult vesiniku tootmiseks töödelda. Sellisena leiab see kasutust väikesest alamvatist kuni megavati skaalani. 88% kogusaadetistest aastatel 2016–2018 oli PEMFC.