Palivové články: typy, princíp činnosti a vlastnosti

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-02 14:02

Vodík je čisté palivo, pretože produkuje iba vodu a poskytuje čistú energiu pomocou obnoviteľných zdrojov energie. Môže byť uložený v palivovom článku, ktorý vyrába elektrinu pomocou zariadenia na elektrochemickú premenu. Vodík je zdrojom revolučnej energie budúcnosti, no jeho rozvoj je zatiaľ veľmi obmedzený. Dôvody: energia, ktorá sa ťažko vyrába, efektívnosť nákladov a pochybná energetická bilancia vzhľadom na energeticky náročný charakter návrhu. Ale táto možnosť energie ponúka zaujímavé perspektívy z hľadiska skladovania energie, najmä pokiaľ ide o obnoviteľné zdroje.

Priekopníci palivových článkov

Tento koncept efektívne predviedol Humphry Davy na začiatku devätnásteho storočia. V roku 1838 nasledovala priekopnícka práca Christiana Friedricha Schonbeina. Začiatkom 60. rokov začala NASA v spolupráci s priemyselnými partnermi vyvíjať generátorytohto typu pre vesmírne lety s ľudskou posádkou. Výsledkom bol prvý blok PEMFC.

Ďalší výskumník GE, Leonard Nidrach, vylepšil Grubbov PEMFC pomocou platiny ako katalyzátora. Grubb-Niedrach bol ďalej vyvinutý v spolupráci s NASA a koncom 60. rokov ho používal vesmírny program Gemini. Spoločnosť International Fuel Cells (IFC, neskôr UTC Power) vyvinula zariadenie s výkonom 1,5 kW pre vesmírne lety Apollo. Astronautom počas misie zabezpečovali elektrinu a tiež pitnú vodu. IFC následne vyvinulo 12kW jednotky používané na poskytovanie palubnej energie pre všetky lety kozmických lodí.

Automobilový prvok prvýkrát vynašiel Grulle v 60. rokoch. GM použil Union Carbide v aute "Electrovan". Používalo sa len ako služobné auto, no na plnú nádrž dokázalo prejsť až 120 míľ a dosahovalo rýchlosť až 70 míľ za hodinu. Kordesch a Grulke v roku 1966 experimentovali s vodíkovým motocyklom. Bol to hybrid článkov s NiCad batériou v tandeme, ktorý dosiahol pôsobivých 1,18 l/100 km. Tento krok má pokročilú technológiu e-bikov a komercializáciu e-motocyklov.

V roku 2007 sa palivové zdroje začali komercializovať v širokej škále oblastí, začali sa predávať koncovým používateľom s písomnými zárukami a servisnými možnosťami, t.j. spĺňať požiadavky a štandardy trhového hospodárstva. Množstvo trhových segmentov sa tak začalo orientovať na dopyt. Najmä tisícky pomocnej energieJednotky PEMFC a DMFC (APU) boli komercializované v zábavných aplikáciách: člny, hračky a tréningové súpravy.

Horizon v októbri 2009 ukázal prvý komerčný elektronický systém Dynario, ktorý beží na metanolových kazetách. Palivové články Horizon dokážu nabíjať mobilné telefóny, systémy GPS, fotoaparáty alebo digitálne hudobné prehrávače.

Procesy výroby vodíka

Vodíkové palivové články sú látky, ktoré obsahujú vodík ako palivo. Vodíkové palivo je palivo s nulovými emisiami, ktoré uvoľňuje energiu počas spaľovania alebo prostredníctvom elektrochemických reakcií. Palivové články a batérie vyrábajú elektrinu prostredníctvom chemickej reakcie, ale tie prvé budú produkovať energiu, pokiaľ je k dispozícii palivo, a teda nikdy nestrácajú náboj.

Tepelné procesy na výrobu vodíka zvyčajne zahŕňajú reformovanie parou, vysokoteplotný proces, pri ktorom para reaguje so zdrojom uhľovodíkov a uvoľňuje vodík. Mnohé prírodné palivá možno premeniť na vodík.

V súčasnosti sa približne 95 % vodíka vyrába reformovaním plynu. Voda sa elektrolýzou rozdelí na kyslík a vodík v zariadení, ktoré funguje ako nulový palivový článok Horizon naopak.

Procesy založené na solárnej energii

Používajú svetlo ako činidlo na výrobu vodíka. existujeniekoľko procesov založených na solárnych paneloch:

1. photobiological;
2. fotoelektrochemické;
3. slnečno;
4. termochemické.

Fotobiologické procesy využívajú prirodzenú fotosyntetickú aktivitu baktérií a zelených rias.

Fotoelektrochemické procesy sú špecializované polovodiče na separáciu vody na vodík a kyslík.

Termochemická solárna výroba vodíka využíva koncentrovanú slnečnú energiu na reakciu separácie vody spolu s inými druhmi, ako sú oxidy kovov.

Biologické procesy využívajú mikróby, ako sú baktérie a mikroriasy, a môžu produkovať vodík prostredníctvom biologických reakcií. Pri premene mikrobiálnej biomasy mikróby rozkladajú organickú hmotu, ako je biomasa, zatiaľ čo pri fotobiologických procesoch mikróby využívajú slnečné svetlo ako zdroj.

Generačné komponenty

Zariadenia prvkov sú vyrobené z niekoľkých častí. Každý má tri hlavné komponenty:

• anoda;
• katóda;
• vodivý elektrolyt.

V prípade palivových článkov Horizon, kde je každá elektróda vyrobená z materiálu s veľkým povrchom impregnovaného katalyzátorom zo zliatiny platiny, je materiálom elektrolytu membrána a slúži ako iónový vodič. Elektrickú energiu poháňajú dve primárne chemické reakcie. Pre prvky využívajúce čistéH_2.

Plynný vodík sa na anóde rozdeľuje na protóny a elektróny. Prvé sú prenášané cez elektrolytovú membránu a druhé prúdia okolo nej a generujú elektrický prúd. Nabité ióny (H + a e -) sa spájajú s O_{2 na katóde, čím sa uvoľňuje voda a teplo. Množstvo environmentálnych problémov, ktoré ovplyvňujú dnešný svet, mobilizuje spoločnosť k dosiahnutiu trvalo udržateľného rozvoja a pokroku smerom k ochrane planéty. V tomto kontexte je kľúčovým faktorom nahradenie skutočných základných energetických zdrojov inými, ktoré dokážu plne uspokojiť ľudské potreby.}

Príslušné prvky sú práve takým zariadením, vďaka ktorému tento aspekt nachádza najpravdepodobnejšie riešenie, keďže z čistého paliva je možné získavať elektrickú energiu s vysokou účinnosťou a bez emisií CO_2.

Platinové katalyzátory

Platina je vysoko aktívna pri oxidácii vodíka a naďalej je najbežnejším elektrokatalyzátorom. Jednou z hlavných oblastí výskumu Horizontu s použitím palivových článkov so zníženým obsahom platiny je automobilový priemysel, kde sa v blízkej budúcnosti plánujú skonštruované katalyzátory vyrobené z platinových nanočastíc na vodivom uhlíku. Tieto materiály majú výhodu vysoko rozptýlených nanočastíc, vysokého elektrokatalytického povrchu (ESA) a minimálneho rastu častíc pri zvýšených teplotách, dokonca aj pri vyšších úrovniach zaťaženia Pt.

Zliatiny obsahujúce Pt sú užitočné pre zariadenia fungujúce na špecializovaných zdrojoch paliva, ako je metanol alebo reforming (H₂, CO₂, CO a N_{2). Zliatiny Pt/Ru preukázali lepší výkon oproti čistým elektrochemickým Pt katalyzátorom, pokiaľ ide o oxidáciu metanolu a žiadnu možnosť otravy oxidom uhoľnatým. Pt 3 Co je ďalším zaujímavým katalyzátorom (najmä pre katódy palivových článkov Horizon) a preukázal zlepšenú účinnosť reakcie pri redukcii kyslíka, ako aj vysokú stabilitu.}

Pt/C a Pt 3 Co/C katalyzátory vykazujúce vysoko rozptýlené nanočastice na povrchových uhlíkových substrátoch. Pri výbere elektrolytu palivového článku je potrebné zvážiť niekoľko kľúčových požiadaviek:

1. Vysoká protónová vodivosť.
2. Vysoká chemická a tepelná stabilita.
3. Nízka priepustnosť plynu.

Zdroj vodíkovej energie

Vodík je najjednoduchší a najrozšírenejší prvok vo vesmíre. Je dôležitou zložkou vody, ropy, zemného plynu a celého živého sveta. Napriek svojej jednoduchosti a množstvu sa vodík na Zemi vyskytuje len zriedkavo v prírodnom plynnom stave. Takmer vždy sa kombinuje s inými prvkami. A možno ho získať z ropy, zemného plynu, biomasy alebo separáciou vody pomocou solárnej alebo elektrickej energie.

Keď sa vodík vytvorí ako molekula H₂, energia prítomná v molekule sa môže uvoľniť interakcious O₂. To sa dá dosiahnuť buď spaľovacími motormi alebo vodíkovými palivovými článkami. V nich sa energia H_{2 premieňa na elektrický prúd s nízkymi stratami výkonu. Vodík je teda nosičom energie na pohyb, skladovanie a dodávanie energie vyrobenej z iných zdrojov.}

Filtre pre výkonové moduly

Získanie prvkov alternatívnej energie je nemožné bez použitia špeciálnych filtrov. Klasické filtre pomáhajú pri vývoji výkonových modulov prvkov v rôznych krajinách sveta vďaka vysokej kvalite blokov. Filtre sa dodávajú na prípravu paliva, ako je metanol, pre použitie v článku.

Aplikácie pre tieto napájacie moduly zvyčajne zahŕňajú napájanie na vzdialených miestach, záložné napájanie kritických zdrojov, APU na malých vozidlách a námorné aplikácie, ako je projekt Pa-X-ell, čo je projekt na testovanie článkov na osobných lodiach.

Plášte filtrov z nehrdzavejúcej ocele, ktoré riešia problémy s filtráciou. V týchto náročných aplikáciách výrobcovia palivových článkov s nulovým úsvitom špecifikujú kryty filtrov z nehrdzavejúcej ocele Classic Filters kvôli flexibilite výroby, vyšším štandardom kvality, rýchlym dodávkam a konkurencieschopným cenám.

Platforma vodíkovej technológie

Horizon Fuel Cell Technologies bola založená v Singapure v roku 2003 a dnes má 5 medzinárodných dcérskych spoločností. Poslaním firmy jedosiahnuť rozdiel v palivových článkoch globálnou prácou na dosiahnutí rýchlej komercializácie, nižších nákladov na technológie a odstránenia odvekých prekážok v dodávkach vodíka. Firma začala s malými a jednoduchými produktmi, ktoré vyžadujú nízke množstvo vodíka pri príprave na väčšie a zložitejšie aplikácie. Dodržiavaním prísnych pokynov a cestovnej mapy sa spoločnosť Horizon rýchlo stala najväčším svetovým výrobcom veľkoobjemových článkov do 1 000 W, ktorý poskytuje zákazníkom vo viac ako 65 krajinách najširší výber komerčných produktov v tomto odvetví.

Technologická platforma Horizon pozostáva z: PEM – palivových článkov Horizon zero dawn (mikropalivo a zásobníky) a ich materiálov, dodávky vodíka (elektrolýza, reformovanie a hydrolýza), zariadení a zariadení na skladovanie vodíka.

Horizon uviedol na trh prvý prenosný a osobný generátor vodíka na svete. Stanica HydroFill dokáže generovať vodík rozkladom vody v nádrži a jej ukladaním do náplní HydroStick. Obsahujú absorbujúcu zliatinu plynného vodíka na zabezpečenie pevného skladovania. Náplne potom možno vložiť do nabíjačky MiniPak, ktorá zvládne malé prvky palivového filtra.

Horizont alebo domáci vodík

Horizon Technologies uvádza na trh vodíkový systém nabíjania a skladovania energie pre domáce použitie, čím šetrí energiu doma na nabíjanie prenosných zariadení. Horizon sa v roku 2006 odlíšil hračkou „H-racer“, malým autom na vodíkový pohon, zvoleným za „najlepší vynález“roka. Horizon ponúkadecentralizujte skladovanie energie doma pomocou vodíkovej nabíjacej stanice Hydrofill, ktorá je schopná dobíjať malé prenosné a opakovane použiteľné batérie. Táto vodíková elektráreň potrebuje na prevádzku a výrobu energie iba vodu.

Prácu môže zabezpečiť sieť, solárne panely alebo veterná turbína. Odtiaľ sa vodík získava z vodnej nádrže stanice a skladuje sa v pevnej forme v malých článkoch z kovovej zliatiny. Hydrofill Station, ktorá sa predáva za približne 500 dolárov, je avantgardným riešením pre telefóny. Kde nájsť palivové články Hydrofill za túto cenu nie je pre používateľov ťažké, stačí si na internete vypýtať príslušnú požiadavku.

Nabíjanie vodíka v aute

Podobne ako elektromobily poháňané batériou, aj tie poháňané vodíkom využívajú na pohon elektrinu. Ale namiesto toho, aby sa táto elektrina ukladala do batérií, ktorých nabíjanie trvá hodiny, články generujú energiu na palube auta reakciou vodíka a kyslíka. Reakcia prebieha v prítomnosti elektrolytu - nekovového vodiča, v ktorom je elektrický tok nesený pohybom iónov v zariadeniach, kde sú nulové palivové články Horizon vybavené membránami na výmenu protónov. Fungujú takto:

1. Vodíkový plyn sa privádza do „-“anódy (A) článku a kyslík je nasmerovaný na kladný pól.
2. Na anóde je katalyzátorom platina,odhodí elektróny z atómov vodíka a zanechá "+" ióny a voľné elektróny. Cez membránu umiestnenú medzi anódou a katódou prechádzajú iba ióny.
3. Elektróny vytvárajú elektrický prúd pohybom po vonkajšom okruhu. Na katóde sa elektróny a vodíkové ióny spájajú s kyslíkom a vytvárajú vodu vytekajúcu z článku.

Až doteraz bránili rozsiahlej výrobe vozidiel na vodíkový pohon dve veci: náklady a výroba vodíka. Až donedávna bol platinový katalyzátor, ktorý štiepi vodík na ión a elektrón, neúmerne drahý.

Pred niekoľkými rokmi stáli vodíkové palivové články približne 1 000 USD za každý kilowatt energie alebo približne 100 000 USD za auto. Boli vykonané rôzne štúdie na zníženie nákladov na projekt, vrátane nahradenia platinového katalyzátora zliatinou platiny a niklu, ktorá je 90-krát účinnejšia. Minulý rok ministerstvo energetiky USA oznámilo, že náklady na systém klesli na 61 USD za kilowatt, čo je v automobilovom priemysle stále nekonkurencieschopné.

Röntgenová počítačová tomografia

Táto metóda nedeštruktívneho testovania sa používa na štúdium štruktúry dvojvrstvového prvku. Iné metódy bežne používané na štúdium štruktúry:

• intruzná porozimetria ortuti;
• mikroskopia atómovej sily;
• optická profilometria.

Výsledky ukazujú, že rozdelenie pórovitosti má pevný základ pre výpočet tepelnej a elektrickej vodivosti, priepustnosti adifúzia. Meranie pórovitosti prvkov je veľmi náročné kvôli ich tenkej, stlačiteľnej a nehomogénnej geometrii. Výsledok ukazuje, že pórovitosť klesá s kompresiou GDL.

Pórovitá štruktúra má významný vplyv na prenos hmoty v elektróde. Experiment sa uskutočnil pri rôznych tlakoch lisovania za tepla, ktoré sa pohybovali od 0,5 do 10 MPa. Výkon závisí hlavne od platinového kovu, ktorého cena je veľmi vysoká. Difúziu možno zvýšiť použitím chemických spojív. Okrem toho zmeny teploty ovplyvňujú životnosť a priemerný výkon prvku. Rýchlosť degradácie vysokoteplotných PEMFC je spočiatku nízka a potom sa rýchlo zvyšuje. Používa sa na určenie tvorby vody.

Problémy s komercializáciou

Ak chcete byť cenovo konkurencieschopný, náklady na palivové články sa musia znížiť na polovicu a životnosť batérie sa musí podobne predĺžiť. Dnes sú však prevádzkové náklady stále oveľa vyššie, pretože náklady na výrobu vodíka sa pohybujú medzi 2,5 a 3 dolármi a dodaný vodík pravdepodobne nebude stáť menej ako 4 doláre/kg. Aby mohol článok efektívne konkurovať batériám, mal by mať krátky čas nabíjania a minimalizovať proces výmeny batérie.

V súčasnosti bude technológia polymérnych palivových článkov stáť 49 USD/kW pri hromadnej výrobe (najmenej 500 000 jednotiek ročne). Aby však konkuroval autáms vnútorným spaľovaním by mali palivové články v automobiloch dosahovať približne 36 USD/kWh. Úspory možno dosiahnuť znížením nákladov na materiál (najmä použitím platiny), zvýšením hustoty výkonu, znížením zložitosti systému a zvýšením životnosti. Komercializácia technológie vo veľkom meradle má niekoľko výziev, vrátane prekonania množstva technických prekážok.

Technické výzvy budúcnosti

Cena stohu závisí od materiálu, techniky a výrobných techník. Výber materiálu závisí nielen od vhodnosti materiálu pre danú funkciu, ale aj od spracovateľnosti. Kľúčové úlohy prvkov:

1. Znížte zaťaženie elektrokatalyzátora a zvýšte aktivitu.
2. Zlepšite odolnosť a znížte degradáciu.
3. Optimalizácia konštrukcie elektród.
4. Zlepšite toleranciu nečistôt na anóde.
5. Výber materiálov pre komponenty. Je založený predovšetkým na nákladoch bez obetovania výkonu.
6. Tolerancia chýb systému.
7. Výkon prvku závisí hlavne od pevnosti membrány.

Hlavné parametre GDL, ktoré ovplyvňujú výkon buniek, sú priepustnosť činidla, elektrická vodivosť, tepelná vodivosť a mechanická podpora. Hrúbka GDL je dôležitým faktorom. Hrubšia membrána poskytuje lepšiu ochranu, mechanickú pevnosť, dlhšie dráhy difúzie a vyššiu úroveň tepelného a elektrického odporu.

Progresívne trendy

Spomedzi rôznych typov prvkov PEMFC prispôsobuje viac mobilných aplikácií (autá, notebooky, mobilné telefóny atď.), a preto je čoraz viac predmetom záujmu širokého spektra výrobcov. V skutočnosti má PEMFC mnoho výhod, ako je nízka prevádzková teplota, vysoká stabilita prúdovej hustoty, nízka hmotnosť, kompaktnosť, nízka cena a objemový potenciál, dlhá životnosť, rýchle spustenie a vhodnosť pre prerušovanú prevádzku.

Technológia PEMFC je vhodná pre rôzne veľkosti a používa sa aj pri rôznych palivách, ak sú správne spracované na výrobu vodíka. Ako taký nachádza využitie od malého subwattového rozsahu až po megawattový rozsah. 88 % celkových zásielok v rokoch 2016 – 2018 bolo PEMFC.