Топливные элементы: виды, принцип работы и особенности

Водород - это чистое топливо, поскольку он продуцирует только воду и представляет чистую энергию, используя возобновляемые источники энергии. Он может храниться в топливном элементе, который производит электроэнергию с помощью устройства электрохимической конверсии. Водород - источник революционной энергии будущего, но его разработки по-прежнему очень незначительны. Причины: энергия, которую трудно произвести, рентабельность и сомнительный энергетический баланс из-за энергоемкой природы конструкции. Но этот вариант энергоснабжения предлагает интересные перспективы с точки зрения хранения энергии, особенно когда речь идет о возобновляемых источниках.

Пионеры топливных элементов

Концепция была эффективно продемонстрирована Хамфри Дэви в начале девятнадцатого века. За этим последовала новаторская работа Кристиана Фридриха Шонбейна в 1838 году. В начале 1960-х годов НАСА в сотрудничестве с промышленными партнерами начало разработку генераторов этого типа для пилотируемых космических полетов. Результатом этого стал первый блок PEMFC.

Другой исследователь GE, Леонард Нидрах, модернизовал PEMFC Grubb, используя платину в качестве катализатора. Grubb-Niedrach был дополнительно разработан в сотрудничестве с NASA и использовался в космической программе Gemini в конце 1960-х годов. Международные топливные элементы (IFC, позднее UTC Power) разработали 1,5 кВт устройства для космических полетов Apollo. Они обеспечивали электроэнергию, а также питьевую воду для космонавтов во время их миссии. IFC впоследствии разработала 12 кВт устройства, используемые для обеспечения бортовой сети на всех рейсах космических аппаратов.

Автомобильный элемент впервые был изобретен Грулле в 1960-х годах. GM применил Union Carbide в «Electrovan» - автомобиле. Он был использован только в качестве автомобиля компании, но мог проехать до 120 миль на полном баке и достичь скорости до 70 миль в час. Kordesch и Grulke экспериментировали с водородным мотоциклом в 1966 году. Это был гибрид элемента с батареей NiCad в тандеме, который достиг впечатляющего показателя 1,18 л/100 км. Этот шаг продвинул вперед в технологии е-велосипедов и коммерциализацию е-мотоциклов.

В 2007 году топливные источники стали коммерческими в самых разных областях, они начали продаваться конечным пользователям с письменными гарантиями и возможностями обслуживания, т.е. соответствовали требованиям и стандартам рыночной экономики. Таким образом, ряд сегментов рынка стал ориентироваться на спрос. В частности, тысячи вспомогательных силовых агрегатов PEMFC и DMFC (APU) были коммерциализированы в развлекательных приложениях: лодки, игрушки и учебные комплекты.

Horizon в октябре 2009 года показала первую коммерческую электронную систему Dynario, которая работает на метанольных картриджах. Топливные элементы Horizon способны заряжать мобильные телефоны, системы GPS, камеры или цифровые музыкальные плееры.

Процессы получения водорода

Водородные топливные элементы представляют собой вещества, которые содержат водород в качестве топлива. Водородное топливо - это топливо с нулевым выбросом, которое выделяет энергию во время горения или посредством электрохимических реакций. Топливные элементы и батареи производят электрический ток через химическую реакцию, но первые будут вырабатывать энергию до тех пор, пока есть топливо, таким образом, никогда не теряя заряда.

Термические процессы с получением водорода обычно включают паровой риформинг - высокотемпературный процесс, когда пар реагирует с углеводородным источником с выделением водорода. Многие природные топлива способны быть реформированы для получения водорода.

Сегодня примерно 95% водорода получают из риформинга газа. Вода разделяется на кислород и водород электролизом, в устройстве, который функционирует, как у топливных элементов Horizon zero в обратном направлении.

Процессы, основанные на солнечных батареях

Они применяют свет как агент для получения водорода. Существует несколько процессов, основанных на солнечных батареях:

1. фотобиологических;
2. фотоэлектрохимических;
3. солнечных;
4. термохимических.

Фотобиологические процессы используют естественную фотосинтетическую активность бактерий и зеленых водорослей.

Фотоэлектрохимические процессы - это специализированные полупроводники для разделения воды на водород и кислород.

Солнечное производство термохимического водорода применяет концентрированную солнечную энергию для реакции разделения воды вместе с другими видами, такими как оксиды металлов.

Биологические процессы используют микробы, такие как бактерии и микроводоросли, и могут продуцировать водород посредством биологических реакций. В микробной конверсии биомассы микробы разрушают органическое вещество, например, биомассу, тогда как в фотобиологических процессах микробы используют солнечный свет в качестве источника.

Компоненты генерации

Устройства элементов выполнены из нескольких частей. Каждый имеет три основных компонента:

• анод;
• катод;
• электропроводный электролит.

В случае применения топливных элементов Horizon, где каждый электрод изготовлен из материала с высокой площадью поверхности, пропитанного катализатором из платинового сплава, электролитный материал представляет собой мембрану и служит в виде ионного проводника. Электрическая генерация управляется двумя первичными химическими реакциями. Для элементов, использующих чистый H₂.

Водородный газ на аноде расщепляется на протоны и электроны. Первые проводят через мембрану электролита, и вторые обтекают ее, генерируя электроток. Заряженные ионы (H + и e -) объединяются с О₂ на катоде, выделяя воду и тепло. Многочисленные экологические проблемы, которые сегодня влияют на мир, мобилизуют общество для достижения устойчивого развития и прогресса в деле защиты планеты. Здесь в контексте ключевым фактором является замена фактических основных энергетических ресурсов другими, которые могут полностью удовлетворить потребности человека.

Рассматриваемые элементы как раз являются таким устройством, благодаря которому этот аспект находит наиболее вероятное решение, так как можно получить электрическую энергию из чистого топлива с высокой эффективностью и без выбросов CO₂.

Платиновые катализаторы

Платина проявляет высокую активность для окисления водорода и продолжает оставаться самым распространенным материалом электрокатализатора. Одной из основных областей исследований Horizon, где топливные элементы используются с сокращенным содержанием платины, является автомобилестроение, где в ближайшем будущем планируется использование инженерных катализаторов, изготовленных из наночастиц платины, нанесенных на проводящий углерод. Эти материалы имеют преимущество высокодисперсных наночастиц, высокую электрокаталитическую площадь поверхности (ESA) и минимальный рост частиц при повышенных температурах, даже при более высоких уровнях загрузки Pt.

Pt-содержащие сплавы полезны для устройств, работающих на специализированных источниках топлива, таких как метанол или риформинг (H₂, CO₂, CO и N₂). Сплавы Pt/Ru показали повышенную производительность по сравнению с чистыми электрохимическими катализаторами Pt в отношении окисления метанола и отсутствия возможности отравления угарным газом. Pt 3 Co является еще одним катализатором, представляющим интерес (особенно для катодов топливных элементов Horizon), он продемонстрировал повышенную эффективность реакции восстановления кислорода, а также высокую стабильность.

Катализаторы Pt/C и Pt 3 Co/C, демонстрируют высокодисперсные наночастицы на поверхностных углеродных подложках. При выборе электролита топливного элемента учитываются несколько ключевых требований:

1. Высокая протонная проводимость.
2. Высокая химическая и термическая стабильность.
3. Низкая газопроницаемость.

Водородный энергоноситель

Водород - самый простой и самый распространенный элемент во Вселенной. Это важный компонент воды, нефти, природного газа и всего живого мира. Несмотря на свою простоту и изобилие, водород редко встречается в естественном газообразном состоянии на Земле. Он почти всегда сочетается с другими элементами. И может быть полученным из нефти, природного газа, биомассы или путем разделения воды с применением солнечной или электрической энергии.

Как только водород образуется в качестве молекулярного Н₂, энергия, присутствующая в молекуле, может выделяться путем взаимодействия с О₂. Это может быть достигнуто либо двигателями внутреннего сгорания, либо водородными топливными элементами. В них энергия Н₂ превращается в электроток с малыми потерями мощности. Таким образом, водород является энергоносителем для перемещения, хранения и доставки энергии, произведенной из других источников.

Фильтры для силовых модулей

Получение альтернативной энергии элементов невозможно без использования специальных фильтров. Классические фильтры помогают в разработке силовых модулей элементов в разных странах мира за счет высококачественных блоков. Фильтры поставляются для подготовки топлива, например метанола, для применения в элементах.

Обычно приложения для этих силовых модулей включают в себя электропитание в удаленных местах, резервное питание для критических поставок, APU на небольших транспортных средствах и морских приложениях, таких как Project Pa-X-ell, который является проектом для проверки ячеек на пассажирских судах.

Корпуса фильтров из нержавеющей стали, решающие проблемы фильтрации. В этих требовательных приложениях производители топливных элементов zero dawn специфицируют корпуса фильтров из нержавеющей стали Classic Filters благодаря гибкости в производстве, более высоким стандартам качества, быстрым поставкам и конкурентным ценам.

Водородная технологическая платформа

Horizon Fuel Cell Technologies была основана в Сингапуре в 2003 году, сегодня работает 5 ее международных дочерних компаний. Миссия фирмы заключается в том, чтобы изменить ситуацию в топливных элементах, работая глобально с целью быстрой коммерциализации, снижения технологических затрат и устраняя вековые барьеры подачи водорода. Фирма началась с небольших и простых продуктов, которые требуют низкого количества водорода, при подготовке к более крупным и сложным приложениям. Следуя строгим руководящим принципам и дорожной карте, Horizon быстро стал крупнейшим в мире производителем объемных элементов мощностью ниже 1000 Вт, обслуживая клиентов в более чем 65 странах с самым широким выбором коммерческих продуктов в промышленности.

Технологическая платформа Horizon состоит из: PEM - топливных элементов Horizon zero dawn (микротопливных и стеков) и их материалов, подачи водорода (электролиз, риформинг и гидролиз), устройств и хранения водорода.

Horizon выпустил первый в мире портативный и персональный генератор водорода. Станция HydroFill может генерировать водород, разлагая воду в резервуаре и сохраняя ее в картриджах HydroStick. Они содержат поглощающий сплав газообразного водорода, обеспечивающий твердое хранение. Затем картриджи можно вставить в зарядное устройство MiniPak, которое может работать с небольшими элементами топливного фильтра.

Горизонт или домашний водород

Технологии Horizon выпускают водородную систему зарядки и хранения энергии для домашних нужд, сохраняя энергию дома, чтобы заряжать портативные устройства. Horizon отличился в 2006 году игрушечным «H-racer», маленьким автомобилем с водородным элементом, признанного «лучшим изобретением» года. Horizon предлагает децентрализовать хранение энергии дома благодаря своей водородной зарядной станции Hydrofill, которая в состоянии перезаряжать небольшие портативные и многоразовые батареи. Эта водородная станция требует только воду для работы и выработки энергии.

Работа может быть обеспечена сетью, солнечными батареями или ветряной турбиной. Оттуда водород извлекается из емкости для воды станции и хранится в твердой форме в небольших элементах из металлических сплавов. Станция Hydrofill, продается по цене примерно 500 долларов США, является авангардным решением, для телефонов. Где найти топливные элементы Hydrofill по этой цене для пользователей не составит труда, нужно просто задать соответствующий запрос в интернете.

Автомобильная водородная зарядка

Подобно электрическим автомобилям с батарейным питанием, те, которые работают на водороде, также используют электричество для управления машиной. Но вместо того, чтобы хранить это электричество в батареях, которых требуют много часов для зарядки, элементы генерируют энергию прямо на борту машины, с помощью реакции водорода и кислорода. Реакция протекает в присутствии электролита - неметаллического проводника, в котором электрический поток переносится движением ионов в устройствах, где топливные элементы Horizon zero оборудованы протон-обменными мембранами. Они функционируют следующим образом:

1. Водородный газ подается на "-" анод (А) ячейки, а кислород направляется на положительный полюс.
2. На аноде катализатор - платина, отбрасывает электроны водородных атомов, оставляя "+" ионы и свободные электроны. Через мембрану, расположенную между анодом и катодом, проходят исключительно ионы.
3. Электроны создают электроток, двигаясь по внешней цепи. На катоде электроны и водородные ионы объединяются с кислородом для получения воды, вытекающей из ячейки.

До сих пор две вещи мешали крупному производству автомобилей с водородным двигателем: стоимость и производство водорода. До недавнего времени платиновый катализатор, который расщепляет водород на ион и электрон, был чрезмерно дорогим.

Несколько лет назад водородные топливные элементы стоили около 1000 долларов за каждый киловатт энергии или около 100 000 долларов для автомобиля. Проводились различные исследования для снижения стоимости проекта, в том числе по замене платинового катализатора платино-никелевым сплавом, который в 90 раз более эффективный. В прошлом году Министерство энергетики США сообщило, что стоимость системы снизилась до 61 долл. США за киловатт, что все еще неконкурентоспособно в автомобилестроении.

Рентгеновская компьютерная томография

Этот метод неразрушающего контроля используется для изучения структуры двухслойного элемента. Другие методы, обычно используемые для изучения структуры:

• ртутная интрузионная порозиметрия;
• атомно-силовая микроскопия;
• оптическая профилометрия.

Результаты показывают, что распределение пористости имеет прочную основу для расчета тепловой и электрической проводимости, проницаемости и диффузии. Измерение пористости элементов является очень сложным из-за их тонкой, сжимаемой и неоднородной геометрии. Результат показывает, что пористость уменьшается при сжатии GDL.

Пористая структура оказывает значительное влияние на массоперенос в электроде. Эксперимент проводился при различных давлениях горячего прессования, которые варьировались от 0,5 до 10 МПа. Производительность в основном зависит от металла платины, стоимость которого очень высока. Диффузионность может увеличиваться за счет использования химически связующих веществ. Кроме того, изменения температуры влияют на время жизни и среднюю производительность элемента. Скорость деградации высокотемпературных PEMFC в начальное время низкая, а затем быстро увеличивается. Это используется для определения образования воды.

Проблемы коммерциализации

Чтобы быть конкурентоспособными по стоимости, затраты на топливную ячейку должны быть уменьшены в два раза, а срок службы батареи аналогичным образом увеличен. Однако сегодня эксплуатационные расходы по-прежнему намного выше, поскольку затраты на производство водорода составляют от 2,5 до 3 долларов США, а поставляемый водород вряд ли будет стоить меньше 4 долларов/кг. Чтобы элемент эффективно конкурировал с батареями, следует иметь короткое время заправки и минимизацию процесса замены батареи.

В настоящее время технология использования полимерных топливных элементов будет стоить 49 долларов США в кВт при производстве в массовом масштабе (не менее 500 000 единиц в год). Однако для того, чтобы конкурировать с автомобилями внутреннего сгорания, автомобильные топливные элементы должны достигнуть приблизительно 36 долларов/кВт. Экономия может быть достигнута за счет снижения материальных затрат (в частности, использования платины), увеличения плотности мощности, снижения сложности системы и повышения долговечности. Существует несколько проблем для широкомасштабной коммерциализации технологии, включая преодоление ряда технических барьеров.

Технические задачи будущего

Стоимость стека зависит от материала, техники и технологий изготовления. Выбор материала зависит не только от пригодности материала для функций, но и от технологичности. Ключевые задачи элементов:

1. Снижение нагрузки на электрокатализатор и увеличение активности.
2. Повышение долговечности и уменьшение деградации.
3. Оптимизация дизайна электрода.
4. Улучшение переносимости примесей на аноде.
5. Выбор материалов для компонентов. Он основываетсяся главным образом на стоимости, не жертвуя производительностью.
6. Отказоустойчивость системы.
7. Работоспособность элемента зависит в основном от прочности мембраны.

Основными параметрами GDL, которые влияют на производительность ячейки, являются проницаемость реагентов, электропроводность, теплопроводность, механическая поддержка. Толщина GDL является важным фактором. Более толстая мембрана обеспечивает лучшую защиту, дает механическую прочность, имеет более длинные диффузионные пути и больше теплового и электрического уровня сопротивления.

Прогрессивные тенденции

Среди различных типов элементов PEMFC адаптирует больше мобильных приложений (автомобили, ноутбуки, мобильные телефоны и т.д.), следовательно, представляют растущий интерес для широкого круга производителей. Фактически PEMFC имеет много преимуществ, таких как низкая рабочая температура, устойчивая работа при высокой плотности тока, малый вес, компактность, потенциал для низкой стоимости и объема, длительный срок службы, быстрые стартапы и пригодность для прерывистой работы.

Технология PEMFC хорошо подходит для различных размеров и также используется с различными видами топлива, когда их надлежащим образом обрабатывают для получения водорода. Как таковой, он находит применение из малой шкалы субватт, вплоть до мегаваттной шкалы. 88% от общего объема поставок в 2016-2018 годах были PEMFC.