Qelizat e karburantit: llojet, parimi i funksionimit dhe veçoritë

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-02 14:02

Hidrogjeni është një lëndë djegëse e pastër pasi prodhon vetëm ujë dhe siguron energji të pastër duke përdorur burime të rinovueshme të energjisë. Mund të ruhet në një qelizë karburanti që prodhon energji elektrike duke përdorur një pajisje konvertimi elektrokimik. Hidrogjeni është burimi i energjisë revolucionare të së ardhmes, por zhvillimi i tij është ende shumë i kufizuar. Arsyet: energjia e vështirë për t'u prodhuar, efektiviteti i kostos dhe bilanci i dyshimtë i energjisë për shkak të natyrës intensive energjetike të dizajnit. Por ky opsion energjie ofron perspektiva interesante për sa i përket ruajtjes së energjisë, veçanërisht kur bëhet fjalë për burimet e rinovueshme.

Pionerë të qelizave të karburantit

Koncepti u demonstrua në mënyrë efektive nga Humphry Davy në fillim të shekullit të nëntëmbëdhjetë. Kjo u pasua nga puna pioniere e Christian Friedrich Schonbein në 1838. Në fillim të viteve 1960, NASA, në bashkëpunim me partnerët industrialë, filloi zhvillimin e gjeneratorëvetë këtij lloji për fluturimet hapësinore me njerëz. Kjo rezultoi në bllokun e parë të PEMFC.

Një tjetër studiues i GE, Leonard Nidrach, ka përmirësuar PEMFC të Grubb duke përdorur platinin si katalizator. Grubb-Niedrach u zhvillua më tej në bashkëpunim me NASA dhe u përdor nga programi hapësinor Gemini në fund të viteve 1960. Cells Ndërkombëtare të Karburantit (IFC, më vonë UTC Power) zhvilluan pajisjen 1.5 kW për fluturimet hapësinore Apollo. Ata siguruan energji elektrike si dhe ujë të pijshëm për astronautët gjatë misionit të tyre. IFC më pas zhvilloi njësitë 12 kW të përdorura për të siguruar energji në bord për të gjitha fluturimet e anijeve kozmike.

Elementi i automobilave u shpik për herë të parë nga Grulle në vitet 1960. GM përdori Union Carbide në makinën "Electrovan". Përdorej vetëm si makinë kompanie, por mund të udhëtonte deri në 120 milje me një rezervuar të plotë dhe të arrinte shpejtësi deri në 70 milje në orë. Kordesch dhe Grulke eksperimentuan me një motoçikletë hidrogjeni në 1966. Ishte një hibrid celular me një bateri NiCad së bashku që arriti një 1.18L/100km mbresëlënëse. Ky veprim ka teknologjinë e avancuar të biçikletave elektronike dhe komercializimin e motoçikletave elektronike.

Në vitin 2007, burimet e karburantit u komercializuan në një gamë të gjerë fushash, ato filluan t'u shiten përdoruesve fundorë me garanci me shkrim dhe aftësi shërbimi, d.m.th. plotësojnë kërkesat dhe standardet e një ekonomie tregu. Kështu, një sërë segmentesh tregu filluan të fokusohen tek kërkesa. Në veçanti, mijëra fuqi ndihmëseNjësitë PEMFC dhe DMFC (APU) janë komercializuar në aplikacione argëtimi: varka, lodra dhe komplete trajnimi.

Horizon në tetor 2009 tregoi sistemin e parë elektronik komercial Dynario që funksionon në fishekë metanol. Qelizat e karburantit Horizon mund të karikojnë telefona celularë, sisteme GPS, kamera ose luajtës dixhital të muzikës.

Proceset e prodhimit të hidrogjenit

Qelizat e karburantit me hidrogjen janë substanca që përmbajnë hidrogjen si lëndë djegëse. Karburanti me hidrogjen është një lëndë djegëse me emetim zero që çliron energji gjatë djegies ose përmes reaksioneve elektrokimike. Qelizat e karburantit dhe bateritë prodhojnë energji elektrike nëpërmjet një reaksioni kimik, por e para do të prodhojë energji për sa kohë që ka karburant, duke mos humbur kurrë ngarkesën.

Proceset termike për të prodhuar hidrogjen zakonisht përfshijnë reformimin e avullit, një proces me temperaturë të lartë ku avulli reagon me një burim hidrokarburi për të lëshuar hidrogjen. Shumë lëndë djegëse natyrore mund të reformohen për të prodhuar hidrogjen.

Sot afërsisht 95% e hidrogjenit prodhohet nga reformimi i gazit. Uji ndahet në oksigjen dhe hidrogjen me anë të elektrolizës, në një pajisje që funksionon si një qelizë karburanti Horizon zero në të kundërt.

Proceset me bazë diellore

Ata përdorin dritën si një agjent për të prodhuar hidrogjen. ekzistondisa procese të bazuara në panele diellore:

1. fotobiologjik;
2. fotoelektrokimike;
3. me diell;
4. termokimik.

Proceset fotobiologjike përdorin aktivitetin natyral fotosintetik të baktereve dhe algave jeshile.

Proceset fotoelektrokimike janë gjysmëpërçues të specializuar për ndarjen e ujit në hidrogjen dhe oksigjen.

Prodhimi diellor termokimik i hidrogjenit përdor energjinë diellore të përqendruar për reaksionin e ndarjes së ujit së bashku me specie të tjera si oksidet metalike.

Proceset biologjike përdorin mikrobe të tilla si bakteret dhe mikroalgat dhe mund të prodhojnë hidrogjen nëpërmjet reaksioneve biologjike. Në shndërrimin e biomasës mikrobike, mikrobet shpërbëjnë lëndën organike si biomasa, ndërsa në proceset fotobiologjike, mikrobet përdorin dritën e diellit si burim.

Përbërësit e gjeneratës

Pajisjet e elementeve janë bërë nga disa pjesë. Secili ka tre komponentë kryesorë:

• anodë;
• katodë;
• elektrolit përcjellës.

Në rastin e qelizave të karburantit Horizon, ku secila elektrodë është bërë nga një material me sipërfaqe të lartë të ngopur me një katalizator aliazh platini, materiali elektrolit është një membranë dhe shërben si një përcjellës jonesh. Prodhimi elektrik drejtohet nga dy reaksione kimike kryesore. Për elementët që përdorin të pastërH_2.

Gazi i hidrogjenit në anodë ndahet në protone dhe elektrone. Të parat barten përmes membranës së elektrolitit, dhe të dytët rrjedhin rreth saj, duke gjeneruar një rrymë elektrike. Jonet e ngarkuar (H + dhe e -) kombinohen me O_{2 në katodë, duke çliruar ujë dhe nxehtësi. Çështjet e shumta mjedisore që prekin botën sot po mobilizojnë shoqërinë për të arritur zhvillim të qëndrueshëm dhe përparim drejt mbrojtjes së planetit. Këtu në kontekst, faktori kyç është zëvendësimi i burimeve aktuale bazë të energjisë me të tjera që mund të plotësojnë plotësisht nevojat njerëzore.}

Elementët në fjalë janë vetëm një pajisje e tillë, falë të cilave ky aspekt gjen zgjidhjen më të mundshme, pasi është e mundur të merret energji elektrike nga karburanti i pastër me efikasitet të lartë dhe pa emetim CO_2.

katalizatorë platini

Platinumi është shumë aktiv për oksidimin e hidrogjenit dhe vazhdon të jetë materiali elektrokatalizues më i zakonshëm. Një nga fushat kryesore të kërkimit të Horizon duke përdorur qelizat e karburantit me reduktim të platinit është në industrinë e automobilave, ku në të ardhmen e afërt planifikohen katalizatorë të krijuar nga nanogrimcat e platinit të mbështetura në karbon përçues. Këto materiale kanë avantazhin e nanogrimcave shumë të shpërndara, sipërfaqes së lartë elektrokatalitike (ESA) dhe rritjes minimale të grimcave në temperatura të larta, madje edhe në nivele më të larta ngarkimi Pt.

Lidhjet që përmbajnë Pt janë të dobishme për pajisjet që funksionojnë me burime të specializuara të karburantit si metanoli ose reformat (H₂, CO₂, CO dhe N_{2). Lidhjet Pt/Ru kanë treguar performancë të përmirësuar ndaj katalizatorëve elektrokimikë të pastër Pt për sa i përket oksidimit të metanolit dhe nuk ka mundësi të helmimit nga monoksidi i karbonit. Pt 3 Co është një katalizator tjetër me interes (veçanërisht për katodën e qelizave të karburantit Horizon) dhe ka treguar efikasitet të përmirësuar të reaksionit të reduktimit të oksigjenit si dhe stabilitet të lartë.}

Katalizatorët Pt/C dhe Pt 3 Co/C që tregojnë nanogrimca shumë të shpërndara në nënshtresat e karbonit sipërfaqësor. Ka disa kërkesa kryesore që duhen marrë parasysh kur zgjidhni një elektrolit të qelizës së karburantit:

1. Përçueshmëri e lartë e protonit.
2. Stabilitet i lartë kimik dhe termik.
3. Përshkueshmëri e ulët gazi.

Burimi i energjisë së hidrogjenit

Hidrogjeni është elementi më i thjeshtë dhe më i bollshëm në univers. Është një komponent i rëndësishëm i ujit, naftës, gazit natyror dhe gjithë botës së gjallë. Pavarësisht nga thjeshtësia dhe bollëku i tij, hidrogjeni gjendet rrallë në gjendjen e tij të gaztë natyrore në Tokë. Është pothuajse gjithmonë e kombinuar me elementë të tjerë. Dhe mund të rrjedh nga nafta, gazi natyror, biomasa ose nga ndarja e ujit duke përdorur energjinë diellore ose elektrike.

Pasi të formohet hidrogjeni si molekular H₂, energjia e pranishme në molekulë mund të çlirohet nga bashkëveprimime O₂. Kjo mund të arrihet ose me motorë me djegie të brendshme ose me qeliza karburanti me hidrogjen. Në to, energjia H_{2 shndërrohet në rrymë elektrike me humbje të ulëta të fuqisë. Kështu, hidrogjeni është një bartës energjie për lëvizjen, ruajtjen dhe shpërndarjen e energjisë së prodhuar nga burime të tjera.}

Filtra për modulet e energjisë

Marrja e elementeve alternative të energjisë është e pamundur pa përdorimin e filtrave specialë. Filtrat klasikë ndihmojnë në zhvillimin e moduleve të fuqisë së elementeve në vende të ndryshme të botës për shkak të blloqeve me cilësi të lartë. Filtrat furnizohen për të përgatitur lëndë djegëse si metanoli për aplikime në qeliza.

Zakonisht aplikacionet për këto module të energjisë përfshijnë furnizimin me energji elektrike në vende të largëta, energji rezervë për furnizime kritike, APU në automjete të vogla dhe aplikacione detare si Projekti Pa-X-ell, i cili është një projekt për testimin e qelizave në anijet e pasagjerëve.

Kombinimet e filtrave prej çeliku inox që zgjidhin problemet e filtrimit. Në këto aplikacione kërkuese, prodhuesit e qelizave të karburantit zero agim po specifikojnë strehëzat e filtrave të çelikut inox Classic Filters për shkak të fleksibilitetit të prodhimit, standardeve më të larta të cilësisë, dërgesave të shpejta dhe çmimeve konkurruese.

Platforma e teknologjisë së hidrogjenit

Horizon Fuel Cell Technologies u themelua në Singapor në 2003 dhe sot ka 5 filiale ndërkombëtare. Misioni i firmës ështëpër të bërë një ndryshim në qelizat e karburantit duke punuar globalisht për të arritur komercializim të shpejtë, kosto më të ulëta të teknologjisë dhe eliminuar barrierat e vjetra për furnizimin me hidrogjen. Firma filloi me produkte të vogla dhe të thjeshta që kërkojnë sasi të ulëta hidrogjeni në përgatitje për aplikime më të mëdha dhe më komplekse. Duke ndjekur udhëzime strikte dhe një udhërrëfyes, Horizon është bërë shpejt prodhuesi më i madh në botë i qelizave me shumicë nën 1000 W, duke u shërbyer klientëve në mbi 65 vende me përzgjedhjen më të gjerë të produkteve komerciale në industri.

Platforma e teknologjisë Horizon përbëhet nga: PEM - qelizat e karburantit Horizon zero agim (mikrokarburant dhe pirgje) dhe materialet e tyre, furnizimi me hidrogjen (elektroliza, reformimi dhe hidroliza), pajisjet dhe pajisjet e ruajtjes së hidrogjenit.

Horizon ka lëshuar gjeneratorin e parë portativ dhe personal të hidrogjenit në botë. Stacioni HydroFill mund të gjenerojë hidrogjen duke dekompozuar ujin në një rezervuar dhe duke e ruajtur atë në fishekë HydroStick. Ato përmbajnë një aliazh absorbues të gazit hidrogjen për të siguruar ruajtje të ngurtë. Fishekët më pas mund të futen në një karikues MiniPak që mund të trajtojë elementë të vegjël të filtrit të karburantit.

Horizont ose hidrogjen i shtëpisë

Horizon Technologies lançon sistemin e karikimit të hidrogjenit dhe ruajtjes së energjisë për përdorim në shtëpi, duke kursyer energji në shtëpi për të karikuar pajisjet portative. Horizon u dallua në vitin 2006 me lodrën "H-racer", një makinë e vogël me energji hidrogjeni e votuar si "shpikja më e mirë" e vitit. Horizon ofrondecentralizoni ruajtjen e energjisë në shtëpi me stacionin e tij të karikimit të hidrogjenit Hydrofill, i cili është në gjendje të rikarikojë bateritë e vogla portative dhe të ripërdorshme. Ky impiant hidrogjeni kërkon vetëm ujë për të funksionuar dhe gjeneruar energji.

Puna mund të sigurohet nga rrjeti, panelet diellore ose një turbinë me erë. Nga atje, hidrogjeni nxirret nga rezervuari i ujit të stacionit dhe ruhet në formë të ngurtë në qeliza të vogla aliazh metalik. Stacioni Hidrofill, me pakicë për rreth 500 dollarë, është një zgjidhje avangarde për telefonat. Ku të gjeni qelizat e karburantit Hydrofill me këtë çmim nuk është e vështirë për përdoruesit, thjesht duhet të bëni kërkesën e duhur në internet.

Ngarkesa e hidrogjenit të makinës

Ashtu si makinat elektrike me bateri, ato që furnizohen me hidrogjen përdorin gjithashtu energji elektrike për të drejtuar makinën. Por në vend që ta ruajnë këtë energji elektrike në bateri që kërkojnë orë të tëra për t'u ngarkuar, qelizat gjenerojnë energji në bordin e makinës duke reaguar me hidrogjen dhe oksigjen. Reagimi zhvillohet në prani të një elektroliti - një përcjellës jometalik, në të cilin rrjedha elektrike kryhet nga lëvizja e joneve në pajisjet ku qelizat e karburantit Horizon zero janë të pajisura me membrana shkëmbyese protonike. Ato funksionojnë si më poshtë:

1. Gazi i hidrogjenit furnizohet në anodin "-" (A) të qelizës dhe oksigjeni drejtohet në polin pozitiv.
2. Në anodë katalizatori është platini,hedh elektronet nga atomet e hidrogjenit, duke lënë jone "+" dhe elektrone të lira. Vetëm jonet kalojnë nëpër membranën e vendosur midis anodës dhe katodës.
3. Elektronet krijojnë rrymë elektrike duke lëvizur përgjatë një qarku të jashtëm. Në katodë, elektronet dhe jonet e hidrogjenit kombinohen me oksigjenin për të prodhuar ujë që rrjedh nga qeliza.

Deri tani, dy gjëra kanë penguar prodhimin në shkallë të gjerë të automjeteve me hidrogjen: kostoja dhe prodhimi i hidrogjenit. Deri kohët e fundit, katalizatori i platinit, i cili ndan hidrogjenin në një jon dhe një elektron, ishte jashtëzakonisht i shtrenjtë.

Disa vite më parë, qelizat e karburantit me hidrogjen kushtonin rreth 1000 dollarë për çdo kilovat energji, ose rreth 100,000 dollarë për një makinë. Studime të ndryshme u kryen për të ulur koston e projektit, duke përfshirë zëvendësimin e katalizatorit të platinit me një aliazh platin-nikel që është 90 herë më efikas. Vitin e kaluar, Departamenti Amerikan i Energjisë raportoi se kostoja e sistemit kishte rënë në 61 dollarë për kilovat, ende jo konkurruese në industrinë e automobilave.

tomografi e kompjuterizuar me rreze X

Kjo metodë testimi jo-shkatërruese përdoret për të studiuar strukturën e një elementi me dy shtresa. Metoda të tjera që përdoren zakonisht për të studiuar strukturën:

• porozometria e ndërhyrjes së merkurit;
• mikroskopi i forcës atomike;
• profilometri optike.

Rezultatet tregojnë se shpërndarja e porozitetit ka një bazë solide për llogaritjen e përçueshmërisë termike dhe elektrike, përshkueshmërisë dhedifuzionit. Matja e porozitetit të elementeve është shumë e vështirë për shkak të gjeometrisë së tyre të hollë, të ngjeshshme dhe johomogjene. Rezultati tregon se poroziteti zvogëlohet me kompresimin e GDL.

Struktura poroze ka një ndikim të rëndësishëm në transferimin e masës në elektrodë. Eksperimenti u krye në presione të ndryshme të presionit të nxehtë, të cilat varionin nga 0,5 në 10 MPa. Performanca varet kryesisht nga metali i platinit, kostoja e të cilit është shumë e lartë. Difuzioni mund të rritet përmes përdorimit të lidhësve kimikë. Përveç kësaj, ndryshimet e temperaturës ndikojnë në jetëgjatësinë dhe performancën mesatare të elementit. Shkalla e degradimit të PEMFC-ve me temperaturë të lartë është fillimisht e ulët dhe më pas rritet me shpejtësi. Kjo përdoret për të përcaktuar formimin e ujit.

Probleme të komercializimit

Për të qenë konkurruese për koston, kostot e qelizave të karburantit duhet të përgjysmohen dhe jetëgjatësia e baterisë duhet të zgjatet në mënyrë të ngjashme. Sot, megjithatë, kostot e funksionimit janë ende shumë më të larta, pasi kostot e prodhimit të hidrogjenit janë midis 2,5 dhe 3 dollarë dhe hidrogjeni i furnizuar nuk ka gjasa të kushtojë më pak se 4 dollarë/kg. Në mënyrë që qeliza të konkurrojë në mënyrë efektive me bateritë, ajo duhet të ketë një kohë të shkurtër karikimi dhe të minimizojë procesin e zëvendësimit të baterisë.

Aktualisht, teknologjia e qelizave të karburantit polimer do të kushtojë 49 USD/kW kur të prodhohet në masë (të paktën 500,000 njësi në vit). Megjithatë, për të konkurruar me makinadjegia e brendshme, qelizat e karburantit të automobilave duhet të arrijnë rreth 36 dollarë/kWh. Kursimet mund të arrihen duke reduktuar kostot e materialit (në veçanti, përdorimin e platinit), duke rritur densitetin e fuqisë, duke reduktuar kompleksitetin e sistemit dhe duke rritur qëndrueshmërinë. Ka disa sfida për komercializimin e teknologjisë në një shkallë të gjerë, duke përfshirë tejkalimin e një numri pengesash teknike.

Sfidat teknike të së ardhmes

Kostoja e një pirg varet nga materiali, teknika dhe teknikat e prodhimit. Zgjedhja e materialit varet jo vetëm nga përshtatshmëria e materialit për funksionin, por edhe nga punueshmëria. Detyrat kryesore të elementeve:

1. Zvogëloni ngarkesën e elektrokatalizatorit dhe rrisni aktivitetin.
2. Përmirësoni qëndrueshmërinë dhe zvogëloni degradimin.
3. Optimizimi i dizajnit të elektrodës.
4. Përmirësoni tolerancën e papastërtive në anodë.
5. Përzgjedhja e materialeve për komponentët. Ai bazohet kryesisht në kosto pa sakrifikuar performancën.
6. Toleranca ndaj gabimeve të sistemit.
7. Performanca e elementit varet kryesisht nga forca e membranës.

Parametrat kryesorë të GDL që ndikojnë në performancën e qelizës janë përshkueshmëria e reagentit, përçueshmëria elektrike, përçueshmëria termike dhe mbështetja mekanike. Trashësia e GDL është një faktor i rëndësishëm. Një membranë më e trashë siguron mbrojtje më të mirë, forcë mekanike, shtigje më të gjata difuzioni dhe nivele më të larta të rezistencës termike dhe elektrike.

Tendenca progresive

Midis llojeve të ndryshme të elementeve, PEMFC po përshtat më shumë aplikacione celulare (makina, laptopë, telefona celularë, etj.), prandaj, është me interes në rritje për një gamë të gjerë prodhuesish. Në fakt, PEMFC ka shumë përparësi si temperatura e ulët e funksionimit, qëndrueshmëria e densitetit të lartë të rrymës, pesha e lehtë, kompaktësia, kostoja e ulët dhe potenciali vëllimor, jetëgjatësia e shërbimit, fillimi i shpejtë dhe përshtatshmëria për funksionim me ndërprerje.

Teknologjia PEMFC është e përshtatshme për një sërë madhësish dhe përdoret gjithashtu me një shumëllojshmëri karburantesh kur përpunohet siç duhet për të prodhuar hidrogjen. Si i tillë, ai gjen përdorim nga shkalla e vogël e nënvateve deri në shkallën megavat. 88% e dërgesave totale në 2016-2018 ishin PEMFC.