Yakıt hücreleri: türleri, çalışma prensibi ve özellikleri

2024 Yazar: Howard Calhoun | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-02 14:04

Hidrojen sadece su ürettiği ve yenilenebilir enerji kaynakları kullanarak temiz enerji sağladığı için temiz bir yakıttır. Elektrokimyasal bir dönüşüm cihazı kullanarak elektrik üreten bir yakıt hücresinde saklanabilir. Hidrojen, geleceğin devrim niteliğindeki enerjisinin kaynağıdır, ancak gelişimi hala çok sınırlıdır. Sebepler: tasarımın enerji yoğun doğası nedeniyle üretilmesi zor olan enerji, maliyet etkinliği ve şüpheli enerji dengesi. Ancak bu enerji seçeneği, özellikle yenilenebilir kaynaklar söz konusu olduğunda, enerji depolama açısından ilginç bakış açıları sunuyor.

Yakıt Hücresi Öncüleri

Konsept, on dokuzuncu yüzyılın başlarında Humphry Davy tarafından etkili bir şekilde gösterildi. Bunu, 1838'de Christian Friedrich Schonbein'in öncü çalışması izledi. 1960'ların başında, NASA, endüstriyel ortaklarla işbirliği içinde jeneratörler geliştirmeye başladı.insanlı uzay uçuşları için bu türden. Bu, PEMFC'nin ilk bloğuyla sonuçlandı.

Başka bir GE araştırmacısı Leonard Nidrach, katalizör olarak platin kullanarak Grubb'un PEMFC'sini yükseltti. Grubb-Niedrach, NASA ile işbirliği içinde daha da geliştirildi ve 1960'ların sonlarında Gemini uzay programı tarafından kullanıldı. Uluslararası Yakıt Hücreleri (IFC, daha sonra UTC Power), Apollo uzay uçuşları için 1,5 kW'lık cihazı geliştirdi. Görevleri sırasında astronotlara elektrik ve içme suyu sağladılar. IFC daha sonra tüm uzay aracı uçuşları için yerleşik güç sağlamak için kullanılan 12kW birimleri geliştirdi.

Otomotiv öğesi ilk olarak 1960'larda Grulle tarafından icat edildi. GM, "Electrovan" arabasında Union Carbide kullandı. Sadece bir şirket arabası olarak kullanıldı, ancak tam dolu bir depoyla 120 mil yol kat edebilir ve saatte 70 mil hıza ulaşabilir. Kordesch ve Grulke, 1966'da bir hidrojen motosikletiyle deneyler yaptı. Etkileyici bir 1,18L/100km elde eden, NiCad pilli bir hücre hibritiydi. Bu hareket, gelişmiş e-bisiklet teknolojisine ve e-motosikletlerin ticarileştirilmesine sahiptir.

2007 yılında akaryakıt kaynakları çok çeşitli alanlarda ticarileştirilmeye başlandı, yazılı garantiler ve servis yetenekleri ile son kullanıcılara satılmaya başlandı. piyasa ekonomisinin gerekliliklerini ve standartlarını karşılar. Böylece, bir dizi pazar segmenti talebe odaklanmaya başladı. Özellikle binlerce yardımcı güçPEMFC ve DMFC (APU) birimleri eğlence uygulamalarında ticarileştirildi: tekneler, oyuncaklar ve eğitim kitleri.

Horizon, Ekim 2009'da metanol kartuşlarıyla çalışan ilk ticari Dynario elektronik sistemini gösterdi. Horizon yakıt hücreleri cep telefonlarını, GPS sistemlerini, kameraları veya dijital müzik çalarları şarj edebilir.

Hidrojen üretim süreçleri

Hidrojen yakıt hücreleri, yakıt olarak hidrojen içeren maddelerdir. Hidrojen yakıtı, yanma sırasında veya elektrokimyasal reaksiyonlar yoluyla enerji açığa çıkaran sıfır emisyonlu bir yakıttır. Yakıt pilleri ve piller, kimyasal reaksiyon yoluyla elektrik üretir, ancak yakıt olduğu sürece, yakıt pilleri güç üretecek ve bu nedenle asla şarj kaybetmeyecektir.

Hidrojen üretmek için termal işlemler tipik olarak, buharın hidrojeni serbest bırakmak için bir hidrokarbon kaynağı ile reaksiyona girdiği yüksek sıcaklıktaki bir işlem olan buhar reformasyonunu içerir. Birçok doğal yakıt, hidrojen üretmek için dönüştürülebilir.

Bugün hidrojenin yaklaşık %95'i gaz reformasyonundan üretilmektedir. Su, Horizon sıfır yakıt hücresi gibi çalışan bir cihazda elektroliz yoluyla oksijen ve hidrojene ayrıştırılır.

Güneş enerjisine dayalı süreçler

Hidrojen üretmek için bir ajan olarak ışığı kullanırlar. vargüneş panellerine dayalı birkaç işlem:

1. fotobiyolojik;
2. fotoelektrokimyasal;
3. güneşli;
4. termokimyasal.

Fotobiyolojik süreçler, bakterilerin ve yeşil alglerin doğal fotosentetik aktivitesini kullanır.

Fotoelektrokimyasal işlemler, suyu hidrojen ve oksijene ayırmak için özel yarı iletkenlerdir.

Termokimyasal hidrojen güneş enerjisi üretimi, metal oksitler gibi diğer türlerle birlikte su ayırma reaksiyonu için konsantre güneş enerjisi kullanır.

Biyolojik süreçler, bakteri ve mikroalg gibi mikropları kullanır ve biyolojik reaksiyonlar yoluyla hidrojen üretebilir. Mikrobiyal biyokütle dönüşümünde mikroplar biyokütle gibi organik maddeleri parçalarken, fotobiyolojik süreçlerde mikroplar kaynak olarak güneş ışığını kullanır.

Oluşturma bileşenleri

Eleman cihazları birkaç parçadan oluşur. Her birinin üç ana bileşeni vardır:

• anot;
• katot;
• iletken elektrolit.

Her elektrotun platin alaşımlı bir katalizörle emprenye edilmiş yüksek yüzey alanlı bir malzemeden yapıldığı Horizon yakıt pillerinde, elektrolit malzemesi bir zardır ve bir iyon iletkeni görevi görür. Elektrik üretimi iki birincil kimyasal reaksiyon tarafından yönlendirilir. saf kullanan elemanlar içinH_2.

Anottaki hidrojen gazı proton ve elektronlara ayrılır. İlki elektrolit membrandan taşınır ve ikincisi onun etrafından akar ve bir elektrik akımı üretir. Yüklü iyonlar (H + ve e -) katotta O_{2 ile birleşerek su ve ısı açığa çıkarır. Bugün dünyayı etkileyen pek çok çevresel sorun, toplumu sürdürülebilir kalkınma ve gezegeni korumaya yönelik ilerleme için harekete geçiriyor. Bu bağlamda, temel faktör, gerçek temel enerji kaynaklarının, insan ihtiyaçlarını tam olarak karşılayabilecek başkalarıyla değiştirilmesidir.}

Söz konusu elemanlar tam da böyle bir cihazdır, bu özelliği sayesinde en olası çözümü bulur, çünkü temiz yakıttan yüksek verimlilikle ve CO emisyonu olmadan elektrik enerjisi elde etmek mümkündür_2.

Platin katalizörler

Platin, hidrojen oksidasyonu için oldukça aktiftir ve en yaygın elektrokatalizör malzeme olmaya devam etmektedir. Horizon'un platini az altılmış yakıt hücrelerini kullanan ana araştırma alanlarından biri, yakın gelecekte iletken karbon üzerinde desteklenen platin nanoparçacıklardan yapılan mühendislik katalistlerinin planlandığı otomotiv endüstrisidir. Bu malzemeler, yüksek oranda dağılmış nanopartiküller, yüksek elektrokatalitik yüzey alanı (ESA) ve yüksek sıcaklıklarda, hatta daha yüksek Pt yükleme seviyelerinde bile minimum partikül büyümesi avantajına sahiptir.

Pt içeren alaşımlar, metanol veya reforming gibi özel yakıt kaynaklarıyla çalışan cihazlar için kullanışlıdır (H₂, CO₂, CO ve N_{2). Pt/Ru alaşımları, metanol oksidasyonu ve karbon monoksit zehirlenmesi olasılığı açısından saf elektrokimyasal Pt katalizörlere göre daha iyi performans göstermiştir. Pt 3 Co, bir başka ilgi çekici katalizördür (özellikle Horizon yakıt hücresi katotları için) ve yüksek stabilitenin yanı sıra gelişmiş oksijen indirgeme reaksiyon verimliliği göstermiştir.}

Pt/C ve Pt 3 Co/C katalizörleri, yüzey karbon substratları üzerinde yüksek oranda dağılmış nanoparçacıklar gösteriyor. Bir yakıt hücresi elektroliti seçerken göz önünde bulundurulması gereken birkaç temel gereksinim vardır:

1. Yüksek proton iletkenliği.
2. Yüksek kimyasal ve termal kararlılık.
3. Düşük gaz geçirgenliği.

Hidrojen enerji kaynağı

Hidrojen evrendeki en basit ve en bol elementtir. Su, petrol, doğalgaz ve tüm canlılar dünyasının önemli bir bileşenidir. Basitliğine ve bolluğuna rağmen, hidrojen, Dünya'daki doğal gaz halinde nadiren bulunur. Neredeyse her zaman diğer unsurlarla birleştirilir. Ve petrolden, doğal gazdan, biyokütleden veya güneş veya elektrik enerjisi kullanarak suyu ayırarak elde edilebilir.

Hidrojen moleküler H₂ olarak bir kez oluştuğunda, molekülde bulunan enerji etkileşim yoluyla serbest bırakılabilirO₂ ile. Bu, içten yanmalı motorlar veya hidrojen yakıt hücreleri ile sağlanabilir. Onlarda, H_{2 enerjisi, düşük güç kayıplarıyla elektrik akımına dönüştürülür. Bu nedenle hidrojen, diğer kaynaklardan üretilen enerjiyi taşımak, depolamak ve iletmek için bir enerji taşıyıcısıdır.}

Güç modülleri için filtreler

Alternatif enerji elementleri elde etmek, özel filtreler kullanılmadan imkansızdır. Klasik filtreler, yüksek kaliteli bloklar nedeniyle dünyanın farklı ülkelerindeki elemanların güç modüllerinin geliştirilmesine yardımcı olur. Hücre uygulamaları için metanol gibi yakıtları hazırlamak için filtreler sağlanır.

Tipik olarak bu güç modülleri için uygulamalar, uzak konumlarda güç kaynağı, kritik kaynaklar için yedek güç, küçük araçlardaki APU'lar ve yolcu gemilerindeki hücreleri test etmek için bir proje olan Project Pa-X-ell gibi denizcilik uygulamalarını içerir.

Filtrasyon sorunlarını çözen paslanmaz çelik filtre gövdeleri. Bu zorlu uygulamalarda, sıfır şafak yakıt hücresi üreticileri, üretim esnekliği, daha yüksek kalite standartları, hızlı teslimatlar ve rekabetçi fiyatlar nedeniyle Klasik Filtreler paslanmaz çelik filtre muhafazalarını belirtiyorlar.

Hidrojen teknolojisi platformu

Horizon Fuel Cell Technologies, 2003 yılında Singapur'da kuruldu ve bugün 5 uluslararası iştiraki var. Firmanın misyonu,hızlı ticarileştirme elde etmek, teknoloji maliyetlerini düşürmek ve hidrojen arzının önündeki asırlık engelleri ortadan kaldırmak için küresel olarak çalışarak yakıt hücrelerinde bir fark yaratmak. Firma, daha büyük ve daha karmaşık uygulamalar için hazırlık olarak düşük miktarda hidrojen gerektiren küçük ve basit ürünlerle başladı. Horizon, katı yönergeleri ve bir yol haritasını izleyerek hızla dünyanın en büyük 1000W altı toplu hücre üreticisi haline geldi ve 65'ten fazla ülkedeki müşterilere sektördeki en geniş ticari ürün yelpazesiyle hizmet verdi.

Ufuk teknoloji platformu şunlardan oluşur: PEM - Horizon sıfır şafak yakıt hücreleri (mikro yakıt ve yığınlar) ve malzemeleri, hidrojen kaynağı (elektroliz, reform ve hidroliz), hidrojen depolama cihazları ve cihazları.

Horizon, dünyanın ilk taşınabilir ve kişisel hidrojen jeneratörünü piyasaya sürdü. HydroFill istasyonu, suyu bir tankta ayrıştırarak ve HydroStick kartuşlarında depolayarak hidrojen üretebilir. Katı depolama sağlamak için emici bir hidrojen gazı alaşımı içerirler. Kartuşlar daha sonra küçük yakıt filtresi elemanlarını işleyebilen bir MiniPak şarj cihazına takılabilir.

Ufuk veya ev hidrojeni

Horizon Technologies, evde kullanım için hidrojen şarjı ve enerji depolama sistemini piyasaya sürerek taşınabilir cihazları şarj etmek için evde enerji tasarrufu sağlıyor. Horizon, 2006 yılında, yılın "en iyi icadı" seçilen hidrojenle çalışan küçük bir araba olan "H-racer" oyuncağıyla kendini gösterdi. Ufuk teklifleriKüçük taşınabilir ve yeniden kullanılabilir pilleri şarj edebilen Hydrofill hidrojen şarj istasyonu ile evde enerji depolamayı merkezi olmayan hale getirin. Bu hidrojen santralinin çalışması ve güç üretmesi için sadece su gerekiyor.

İş, şebeke, güneş panelleri veya bir rüzgar türbini tarafından sağlanabilir. Oradan hidrojen istasyonun su deposundan çıkarılır ve küçük metal alaşımlı hücrelerde katı halde depolanır. Yaklaşık 500 dolara perakende satış yapan Hydrofill Station, telefonlar için avangard bir çözüm. Bu fiyata Hydrofill yakıt hücrelerini nerede bulabilirim kullanıcılar için zor değil, sadece internet üzerinden uygun talebi sormanız yeterli.

Araba hidrojen şarjı

Aküyle çalışan elektrikli arabalar gibi, hidrojenle çalışan arabalar da arabayı sürmek için elektrik kullanır. Ancak bu elektriği şarj edilmesi saatler süren pillerde depolamak yerine hücreler, hidrojen ve oksijeni reaksiyona sokarak arabada enerji üretiyor. Reaksiyon, Horizon sıfır yakıt hücrelerinin proton değişim membranları ile donatıldığı cihazlarda elektrik akışının iyonların hareketi ile taşındığı bir elektrolit - metalik olmayan bir iletken varlığında gerçekleşir. Şu şekilde çalışırlar:

1. Hücrenin "-" anotuna (A) hidrojen gazı verilir ve oksijen pozitif kutba yönlendirilir.
2. Anotta katalizör platindir,hidrojen atomlarından elektronları atarak "+" iyonları ve serbest elektronları bırakır. Anot ve katot arasında bulunan zardan yalnızca iyonlar geçer.
3. Elektronlar, harici bir devre boyunca hareket ederek elektrik akımı oluşturur. Katotta elektronlar ve hidrojen iyonları oksijenle birleşerek hücreden su akar.

Şimdiye kadar, hidrojenle çalışan araçların büyük ölçekli üretimini engelleyen iki şey vardı: maliyet ve hidrojen üretimi. Yakın zamana kadar, hidrojeni bir iyon ve bir elektrona ayıran platin katalizör aşırı derecede pahalıydı.

Birkaç yıl önce, hidrojen yakıt hücreleri her bir kilovat güç için yaklaşık 1.000 dolara veya bir araba için yaklaşık 100.000 dolara mal oluyordu. Projenin maliyetini düşürmek için platin katalizörün 90 kat daha verimli platin-nikel alaşımı ile değiştirilmesi dahil çeşitli çalışmalar yapıldı. Geçen yıl, ABD Enerji Bakanlığı, sistemin maliyetinin kilovat başına 61 dolara düştüğünü ve otomotiv endüstrisinde hala rekabetçi olmadığını bildirdi.

X-ray bilgisayarlı tomografi

Bu tahribatsız test yöntemi, iki katmanlı bir elemanın yapısını incelemek için kullanılır. Yapıyı incelemek için yaygın olarak kullanılan diğer yöntemler:

• cıva giriş porozimetrisi;
• atomik kuvvet mikroskobu;
• optik profilometri.

Sonuçlar, gözeneklilik dağılımının termal ve elektriksel iletkenlik, geçirgenlik vedifüzyon. İnce, sıkıştırılabilir ve homojen olmayan geometrileri nedeniyle elementlerin gözenekliliğini ölçmek çok zordur. Sonuç, GDL sıkıştırmasıyla gözenekliliğin azaldığını gösteriyor.

Gözenekli yapının elektrottaki kütle aktarımı üzerinde önemli bir etkisi vardır. Deney, 0,5 ila 10 MPa arasında değişen çeşitli sıcak presleme basınçlarında gerçekleştirilmiştir. Performans esas olarak maliyeti çok yüksek olan platin metale bağlıdır. Kimyasal bağlayıcılar kullanılarak difüzyon arttırılabilir. Ayrıca sıcaklık değişimleri elemanın kullanım ömrünü ve ortalama performansını etkiler. Yüksek sıcaklıktaki PEMFC'lerin bozunma hızı başlangıçta düşüktür ve daha sonra hızla artar. Bu, su oluşumunu belirlemek için kullanılır.

Ticarileştirme sorunları

Maliyet açısından rekabet edebilmek için yakıt hücresi maliyetleri yarıya indirilmeli ve pil ömrü benzer şekilde uzatılmalıdır. Ancak günümüzde, hidrojen üretim maliyetleri 2,5 ile 3 dolar arasında olduğundan ve tedarik edilen hidrojenin maliyetinin kg başına 4 dolardan az olması muhtemel olmadığından, işletme maliyetleri hala çok daha yüksektir. Hücrenin pillerle etkin bir şekilde rekabet edebilmesi için şarj süresinin kısa olması ve pil değiştirme sürecini en aza indirmesi gerekir.

Şu anda, polimer yakıt hücresi teknolojisi, seri üretildiğinde (yılda en az 500.000 birim) 49 ABD Doları/kW'a mal olacaktır. Ancak, arabalarla rekabet edebilmek içiniçten yanmalı, otomotiv yakıt hücreleri yaklaşık 36 $/kWh'ye ulaşmalıdır. Malzeme maliyetlerini az altarak (özellikle platin kullanımı), güç yoğunluğunu artırarak, sistem karmaşıklığını az altarak ve dayanıklılığı artırarak tasarruf sağlanabilir. Bir dizi teknik engelin üstesinden gelmek de dahil olmak üzere, teknolojiyi büyük ölçekte ticarileştirmenin çeşitli zorlukları vardır.

Geleceğin teknik zorlukları

Bir yığının maliyeti malzemeye, tekniğe ve üretim tekniklerine bağlıdır. Malzeme seçimi sadece malzemenin fonksiyona uygunluğuna değil, aynı zamanda işlenebilirliğine de bağlıdır. Öğelerin temel görevleri:

1. Elektrokatalizör yükünü az altın ve aktiviteyi artırın.
2. Dayanıklılığı artırın ve bozulmayı az altın.
3. Elektrot tasarımının optimizasyonu.
4. Anottaki kirliliklerin toleransını iyileştirin.
5. Bileşenler için malzeme seçimi. Performanstan ödün vermeden öncelikle maliyeti temel alır.
6. Sistem hata toleransı.
7. Elemanın performansı esas olarak zarın gücüne bağlıdır.

Hücre performansını etkileyen ana GDL parametreleri reaktif geçirgenliği, elektriksel iletkenlik, termal iletkenlik ve mekanik destektir. GDL kalınlığı önemli bir faktördür. Daha kalın bir zar daha iyi koruma, mekanik dayanıklılık, daha uzun difüzyon yolları ve daha yüksek termal ve elektriksel direnç seviyeleri sağlar.

İlerleyen trendler

Çeşitli öğe türleri arasında, PEMFC daha fazla mobil uygulamayı (arabalar, dizüstü bilgisayarlar, cep telefonları vb.) Aslında PEMFC, düşük çalışma sıcaklığı, yüksek akım yoğunluğu kararlılığı, hafiflik, kompaktlık, düşük maliyet ve hacim potansiyeli, uzun hizmet ömrü, hızlı devreye alma ve aralıklı çalışmaya uygunluk gibi birçok avantaja sahiptir.

PEMFC teknolojisi çeşitli boyutlara çok uygundur ve ayrıca hidrojen üretmek için uygun şekilde işlendiğinde çeşitli yakıtlarla birlikte kullanılır. Bu nedenle, küçük subwatt ölçeğinden megawatt ölçeğine kadar kullanım alanı bulur. 2016-2018'deki toplam gönderilerin %88'i PEMFC idi.