Sel bahan api: jenis, prinsip operasi dan ciri

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-02 14:00

Hidrogen ialah bahan api yang bersih kerana ia hanya menghasilkan air dan membekalkan tenaga bersih menggunakan sumber tenaga boleh diperbaharui. Ia boleh disimpan dalam sel bahan api yang menghasilkan elektrik menggunakan peranti penukaran elektrokimia. Hidrogen adalah sumber tenaga revolusioner masa depan, tetapi perkembangannya masih sangat terhad. Sebab: tenaga yang sukar dihasilkan, keberkesanan kos dan keseimbangan tenaga yang boleh dipersoalkan kerana sifat reka bentuk intensif tenaga. Tetapi pilihan tenaga ini menawarkan perspektif yang menarik dari segi penyimpanan tenaga, terutamanya apabila ia berkaitan dengan sumber boleh diperbaharui.

Perintis Sel Bahan Api

Konsep ini ditunjukkan dengan berkesan oleh Humphry Davy pada awal abad kesembilan belas. Ini diikuti oleh kerja perintis Christian Friedrich Schonbein pada tahun 1838. Pada awal 1960-an, NASA, dengan kerjasama rakan kongsi industri, mula membangunkan penjanajenis ini untuk penerbangan angkasa lepas berawak. Ini menghasilkan blok pertama PEMFC.

Seorang lagi penyelidik GE, Leonard Nidrach, telah menaik taraf PEMFC Grubb menggunakan platinum sebagai pemangkin. Grubb-Niedrach dibangunkan lagi dengan kerjasama NASA dan digunakan oleh program angkasa Gemini pada akhir 1960-an. Sel Bahan Api Antarabangsa (IFC, kemudian UTC Power) membangunkan peranti 1.5 kW untuk penerbangan angkasa Apollo. Mereka menyediakan bekalan elektrik serta air minuman untuk angkasawan semasa misi mereka. IFC kemudiannya membangunkan unit 12kW yang digunakan untuk menyediakan kuasa atas kapal untuk semua penerbangan kapal angkasa.

Elemen automotif pertama kali dicipta oleh Grulle pada tahun 1960-an. GM menggunakan Union Carbide dalam kereta "Electrovan". Ia hanya digunakan sebagai kereta syarikat, tetapi boleh bergerak sehingga 120 batu dengan tangki penuh dan mencapai kelajuan sehingga 70 batu sejam. Kordesch dan Grulke bereksperimen dengan motosikal hidrogen pada tahun 1966. Ia adalah hibrid sel dengan bateri NiCad seiring yang mencapai 1.18L/100km yang mengagumkan. Langkah ini mempunyai teknologi e-basikal yang canggih dan pengkomersilan e-motosikal.

Pada tahun 2007, sumber bahan api telah dikomersialkan dalam pelbagai bidang, ia mula dijual kepada pengguna akhir dengan jaminan bertulis dan keupayaan perkhidmatan, i.e. memenuhi keperluan dan piawaian ekonomi pasaran. Oleh itu, beberapa segmen pasaran mula memberi tumpuan kepada permintaan. Khususnya, beribu-ribu kuasa tambahanUnit PEMFC dan DMFC (APU) telah dikomersialkan dalam aplikasi hiburan: bot, mainan dan kit latihan.

Horizon pada Oktober 2009 menunjukkan sistem elektronik Dynario komersial pertama yang berjalan pada kartrij metanol. Sel bahan api Horizon boleh mengecas telefon mudah alih, sistem GPS, kamera atau pemain muzik digital.

Proses penghasilan hidrogen

Sel bahan api hidrogen ialah bahan yang mengandungi hidrogen sebagai bahan api. Bahan api hidrogen ialah bahan api pelepasan sifar yang membebaskan tenaga semasa pembakaran atau melalui tindak balas elektrokimia. Sel bahan api dan bateri menghasilkan elektrik melalui tindak balas kimia, tetapi bekas akan menghasilkan kuasa selagi ada bahan api, oleh itu tidak pernah kehilangan cas.

Proses terma untuk menghasilkan hidrogen biasanya melibatkan pembentukan semula wap, proses suhu tinggi di mana wap bertindak balas dengan sumber hidrokarbon untuk membebaskan hidrogen. Banyak bahan api semula jadi boleh diubah suai untuk menghasilkan hidrogen.

Hari ini kira-kira 95% hidrogen dihasilkan daripada pembentukan semula gas. Air dibahagikan kepada oksigen dan hidrogen melalui elektrolisis, dalam peranti yang berfungsi seperti sel bahan api sifar Horizon secara terbalik.

Proses berasaskan solar

Mereka menggunakan cahaya sebagai agen untuk menghasilkan hidrogen. wujudbeberapa proses berdasarkan panel solar:

1. photobiological;
2. fotoelektrokimia;
3. cerah;
4. termokimia.

Proses fotobiologi menggunakan aktiviti fotosintesis semula jadi bakteria dan alga hijau.

Proses fotoelektrokimia ialah semikonduktor khusus untuk mengasingkan air kepada hidrogen dan oksigen.

Penghasilan suria hidrogen termokimia menggunakan tenaga suria pekat untuk tindak balas pengasingan air bersama-sama dengan spesies lain seperti oksida logam.

Proses biologi menggunakan mikrob seperti bakteria dan mikroalga dan boleh menghasilkan hidrogen melalui tindak balas biologi. Dalam penukaran biojisim mikrob, mikrob memecahkan bahan organik seperti biojisim, manakala dalam proses fotobiologi, mikrob menggunakan cahaya matahari sebagai sumber.

Komponen penjanaan

Peranti elemen diperbuat daripada beberapa bahagian. Setiap satu mempunyai tiga komponen utama:

• anod;
• katod;
• elektrolit konduktif.

Dalam kes sel bahan api Horizon, di mana setiap elektrod diperbuat daripada bahan kawasan permukaan tinggi yang diresapi dengan mangkin aloi platinum, bahan elektrolit ialah membran dan berfungsi sebagai pengalir ion. Penjanaan elektrik didorong oleh dua tindak balas kimia utama. Untuk unsur menggunakan tulenH_2.

Gas hidrogen di anod berpecah kepada proton dan elektron. Yang pertama dibawa melalui membran elektrolit, dan yang kedua mengalir di sekelilingnya, menghasilkan arus elektrik. Ion bercas (H + dan e -) bergabung dengan O_{2 di katod, membebaskan air dan haba. Banyak isu alam sekitar yang mempengaruhi dunia hari ini menggerakkan masyarakat untuk mencapai pembangunan mampan dan kemajuan ke arah melindungi planet ini. Dalam konteks ini, faktor utama ialah penggantian sumber tenaga asas sebenar dengan sumber lain yang dapat memenuhi keperluan manusia sepenuhnya.}

Elemen yang dimaksudkan hanyalah peranti sedemikian, berkat aspek ini mencari penyelesaian yang paling mungkin, kerana adalah mungkin untuk mendapatkan tenaga elektrik daripada bahan api bersih dengan kecekapan tinggi dan tanpa pelepasan CO_2.

Pemangkin platinum

Platinum sangat aktif untuk pengoksidaan hidrogen dan terus menjadi bahan pemangkin elektro yang paling biasa. Salah satu bidang penyelidikan utama Horizon menggunakan sel bahan api terkurang platinum adalah dalam industri automotif, di mana pemangkin kejuruteraan yang diperbuat daripada nanopartikel platinum yang disokong pada karbon konduktif dirancang dalam masa terdekat. Bahan ini mempunyai kelebihan zarah nano yang sangat tersebar, luas permukaan elektrokatalitik (ESA) yang tinggi dan pertumbuhan zarah yang minimum pada suhu tinggi, walaupun pada tahap pemuatan Pt yang lebih tinggi.

Aloi yang mengandungi Pt berguna untuk peranti yang dijalankan pada sumber bahan api khusus seperti metanol atau reformasi (H₂, CO₂, CO dan N_{2). Aloi Pt/Ru telah menunjukkan prestasi yang lebih baik berbanding mangkin Pt elektrokimia tulen dari segi pengoksidaan metanol dan tiada kemungkinan keracunan karbon monoksida. Pt 3 Co ialah satu lagi pemangkin yang menarik (terutamanya untuk katod sel bahan api Horizon) dan telah menunjukkan kecekapan tindak balas pengurangan oksigen yang lebih baik serta kestabilan yang tinggi.}

Pemangkin Pt/C dan Pt 3 Co/C menunjukkan zarah nano yang sangat tersebar pada substrat karbon permukaan. Terdapat beberapa keperluan utama yang perlu dipertimbangkan semasa memilih elektrolit sel bahan api:

1. Kekonduksian proton tinggi.
2. Kestabilan kimia dan haba yang tinggi.
3. Kebolehtelapan gas rendah.

Sumber tenaga hidrogen

Hidrogen ialah unsur paling ringkas dan paling banyak di alam semesta. Ia adalah komponen penting air, minyak, gas asli dan seluruh dunia hidup. Walaupun kesederhanaan dan kelimpahannya, hidrogen jarang ditemui dalam keadaan gas aslinya di Bumi. Ia hampir selalu digabungkan dengan elemen lain. Dan ia boleh diperoleh daripada minyak, gas asli, biojisim atau dengan mengasingkan air menggunakan tenaga suria atau elektrik.

Setelah hidrogen terbentuk sebagai molekul H₂, tenaga yang terdapat dalam molekul boleh dibebaskan melalui interaksidengan O₂. Ini boleh dicapai sama ada dengan enjin pembakaran dalaman atau sel bahan api hidrogen. Di dalamnya, tenaga H_{2 ditukar kepada arus elektrik dengan kehilangan kuasa yang rendah. Oleh itu, hidrogen ialah pembawa tenaga untuk menggerakkan, menyimpan dan menghantar tenaga yang dihasilkan daripada sumber lain.}

Penapis untuk modul kuasa

Mendapatkan elemen tenaga alternatif adalah mustahil tanpa menggunakan penapis khas. Penapis klasik membantu dalam pembangunan modul kuasa elemen di negara yang berbeza di dunia kerana blok berkualiti tinggi. Penapis dibekalkan untuk menyediakan bahan api seperti metanol untuk aplikasi sel.

Lazimnya aplikasi untuk modul kuasa ini termasuk bekalan kuasa di lokasi terpencil, kuasa sandaran untuk bekalan kritikal, APU pada kenderaan kecil dan aplikasi marin seperti Project Pa-X-ell yang merupakan projek untuk menguji sel pada kapal penumpang.

Perumah penapis keluli tahan karat yang menyelesaikan masalah penapisan. Dalam aplikasi yang mencabar ini, pengeluar sel bahan api sifar fajar menentukan perumah penapis keluli tahan karat Penapis Klasik kerana fleksibiliti pengeluaran, standard kualiti yang lebih tinggi, penghantaran cepat dan harga yang kompetitif.

Platform teknologi hidrogen

Horizon Fuel Cell Technologies telah diasaskan di Singapura pada tahun 2003 dan hari ini mempunyai 5 anak syarikat antarabangsa. Misi firma ialahuntuk membuat perubahan dalam sel bahan api dengan bekerja secara global untuk mencapai pengkomersilan pantas, mengurangkan kos teknologi dan menghapuskan halangan lama kepada bekalan hidrogen. Firma itu bermula dengan produk kecil dan ringkas yang memerlukan jumlah hidrogen yang rendah sebagai persediaan untuk aplikasi yang lebih besar dan lebih kompleks. Dengan mengikut garis panduan yang ketat dan pelan hala tuju, Horizon telah menjadi pengeluar sel pukal sub-1000W terbesar di dunia, memberi perkhidmatan kepada pelanggan di lebih 65 negara dengan pilihan produk komersial terluas dalam industri.

Platform teknologi Horizon terdiri daripada: PEM - Sel bahan api subuh sifar Horizon (bahan api mikro dan tindanan) dan bahannya, bekalan hidrogen (elektrolisis, reformasi dan hidrolisis), peranti dan peranti penyimpanan hidrogen.

Horizon telah mengeluarkan penjana hidrogen mudah alih dan peribadi yang pertama di dunia. Stesen HydroFill boleh menjana hidrogen dengan mengurai air dalam tangki dan menyimpannya dalam kartrij HydroStick. Ia mengandungi aloi penyerap gas hidrogen untuk menyediakan simpanan pepejal. Kartrij kemudiannya boleh dimasukkan ke dalam pengecas MiniPak yang boleh mengendalikan elemen penapis bahan api kecil.

Horizon atau hidrogen rumah

Horizon Technologies melancarkan pengecasan hidrogen dan sistem penyimpanan tenaga untuk kegunaan rumah, menjimatkan tenaga di rumah untuk mengecas peranti mudah alih. Horizon menonjolkan dirinya pada tahun 2006 dengan mainan "H-racer", sebuah kereta kecil berkuasa hidrogen dipilih sebagai "ciptaan terbaik" tahun ini. Tawaran Horizonmemusatkan storan tenaga di rumah dengan stesen pengecas hidrogen Hydrofill, yang mampu mengecas semula bateri mudah alih dan boleh guna semula yang kecil. Loji hidrogen ini hanya memerlukan air untuk mengalir dan menjana kuasa.

Kerja boleh disediakan oleh grid, panel solar atau turbin angin. Dari situ, hidrogen diekstrak dari tangki air stesen dan disimpan dalam bentuk pepejal dalam sel aloi logam kecil. Stesen Hydrofill, dengan harga runcit sekitar $500, ialah penyelesaian avant-garde untuk telefon. Di mana untuk mencari sel bahan api Hydrofill pada harga ini tidak sukar untuk pengguna, anda hanya perlu bertanya permintaan yang sesuai di Internet.

Pengecas hidrogen kereta

Seperti kereta elektrik berkuasa bateri, kereta yang dikuasakan oleh hidrogen juga menggunakan elektrik untuk memandu kereta. Tetapi bukannya menyimpan elektrik ini dalam bateri yang mengambil masa berjam-jam untuk mengecas, sel menjana tenaga di atas kereta dengan bertindak balas terhadap hidrogen dan oksigen. Tindak balas berlaku dengan kehadiran elektrolit - konduktor bukan logam, di mana aliran elektrik dibawa oleh pergerakan ion dalam peranti di mana sel bahan api sifar Horizon dilengkapi dengan membran pertukaran proton. Ia berfungsi seperti berikut:

1. Gas hidrogen dibekalkan ke anod "-" (A) sel, dan oksigen diarahkan ke kutub positif.
2. Pada anod pemangkin adalah platinum,membuang elektron daripada atom hidrogen, meninggalkan ion "+" dan elektron bebas. Hanya ion yang melalui membran yang terletak di antara anod dan katod.
3. Elektron mencipta arus elektrik dengan bergerak sepanjang litar luaran. Di katod, elektron dan ion hidrogen bergabung dengan oksigen untuk menghasilkan air yang mengalir keluar dari sel.

Sehingga kini, dua perkara telah menghalang pengeluaran besar-besaran kenderaan berkuasa hidrogen: kos dan pengeluaran hidrogen. Sehingga baru-baru ini, pemangkin platinum, yang membahagikan hidrogen kepada ion dan elektron, adalah sangat mahal.

Beberapa tahun lalu, sel bahan api hidrogen berharga kira-kira $1,000 untuk setiap kilowatt kuasa, atau kira-kira $100,000 untuk sebuah kereta. Pelbagai kajian dijalankan bagi mengurangkan kos projek itu termasuk menggantikan mangkin platinum dengan aloi platinum-nikel yang 90 kali ganda lebih cekap. Tahun lepas, Jabatan Tenaga AS melaporkan bahawa kos sistem telah menurun kepada $61 setiap kilowatt, masih tidak kompetitif dalam industri automotif.

X-ray computed tomography

Kaedah ujian tidak merosakkan ini digunakan untuk mengkaji struktur elemen dua lapisan. Kaedah lain yang biasa digunakan untuk mengkaji struktur:

• porosimetri pencerobohan merkuri;
• mikroskop daya atom;
• profilometri optik.

Keputusan menunjukkan bahawa taburan keliangan mempunyai asas yang kukuh untuk mengira kekonduksian haba dan elektrik, kebolehtelapan danpenyebaran. Mengukur keliangan unsur adalah sangat sukar kerana geometrinya yang nipis, boleh mampat dan tidak homogen. Keputusan menunjukkan bahawa keliangan berkurangan dengan pemampatan GDL.

Struktur berliang mempunyai kesan ketara pada pemindahan jisim dalam elektrod. Eksperimen telah dijalankan pada pelbagai tekanan tekanan panas, yang berkisar antara 0.5 hingga 10 MPa. Prestasi bergantung terutamanya pada logam platinum, yang kosnya sangat tinggi. Resapan boleh ditingkatkan melalui penggunaan bahan pengikat kimia. Di samping itu, perubahan suhu menjejaskan seumur hidup dan prestasi purata elemen. Kadar degradasi PEMFC suhu tinggi pada mulanya rendah dan kemudian meningkat dengan cepat. Ini digunakan untuk menentukan pembentukan air.

Masalah pengkomersilan

Untuk bersaing dengan kos, kos sel bahan api mesti dikurangkan separuh dan hayat bateri juga dilanjutkan. Hari ini, walau bagaimanapun, kos operasi masih jauh lebih tinggi, kerana kos pengeluaran hidrogen adalah antara $2.5 dan $3, dan hidrogen yang dibekalkan tidak mungkin berharga kurang daripada $4/kg. Untuk membolehkan sel bersaing dengan berkesan dengan bateri, ia harus mempunyai masa pengecasan yang singkat dan meminimumkan proses penggantian bateri.

Pada masa ini, teknologi sel bahan api polimer akan menelan kos AS$49/kW apabila dihasilkan secara besar-besaran (sekurang-kurangnya 500,000 unit setahun). Walau bagaimanapun, untuk bersaing dengan keretapembakaran dalaman, sel bahan api automotif sepatutnya mencapai kira-kira $36/kWj. Penjimatan boleh dicapai dengan mengurangkan kos bahan (khususnya, penggunaan platinum), meningkatkan ketumpatan kuasa, mengurangkan kerumitan sistem dan meningkatkan ketahanan. Terdapat beberapa cabaran untuk mengkomersialkan teknologi secara besar-besaran, termasuk mengatasi beberapa halangan teknikal.

Cabaran teknikal masa depan

Kos tindanan bergantung pada bahan, teknik dan teknik pembuatan. Pilihan bahan bergantung bukan sahaja pada kesesuaian bahan untuk fungsi, tetapi juga pada kebolehkerjaan. Tugas utama elemen:

1. Kurangkan beban elektromangkin dan tingkatkan aktiviti.
2. Tingkatkan ketahanan dan kurangkan degradasi.
3. Pengoptimuman reka bentuk elektrod.
4. Tingkatkan toleransi kekotoran pada anod.
5. Pemilihan bahan untuk komponen. Ia berdasarkan terutamanya pada kos tanpa mengorbankan prestasi.
6. Toleransi kerosakan sistem.
7. Prestasi elemen bergantung terutamanya pada kekuatan membran.

Parameter GDL utama yang mempengaruhi prestasi sel ialah kebolehtelapan reagen, kekonduksian elektrik, kekonduksian terma dan sokongan mekanikal. Ketebalan GDL adalah faktor penting. Membran yang lebih tebal memberikan perlindungan yang lebih baik, kekuatan mekanikal, laluan resapan yang lebih panjang dan tahap rintangan haba dan elektrik yang lebih tinggi.

Aliran progresif

Di antara pelbagai jenis elemen, PEMFC sedang menyesuaikan lebih banyak aplikasi mudah alih (kereta, komputer riba, telefon mudah alih, dll.), oleh itu, semakin diminati oleh pelbagai pengeluar. Sebenarnya, PEMFC mempunyai banyak kelebihan seperti suhu operasi yang rendah, kestabilan ketumpatan arus yang tinggi, ringan, kekompakan, potensi kos dan volum yang rendah, hayat perkhidmatan yang panjang, permulaan yang cepat dan kesesuaian untuk operasi sekejap-sekejap.

Teknologi PEMFC sangat sesuai untuk pelbagai saiz dan juga digunakan dengan pelbagai bahan api apabila diproses dengan betul untuk menghasilkan hidrogen. Oleh itu, ia mendapat penggunaan daripada skala subwatt kecil sehingga ke skala megawatt. 88% daripada jumlah penghantaran pada 2016-2018 adalah PEMFC.