Palivové články: typy, princip činnosti a vlastnosti

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-02 13:51

Vodík je čisté palivo, protože vyrábí pouze vodu a poskytuje čistou energii pomocí obnovitelných zdrojů energie. Může být uložen v palivovém článku, který vyrábí elektřinu pomocí zařízení pro elektrochemickou přeměnu. Vodík je zdrojem revoluční energie budoucnosti, ale jeho rozvoj je zatím velmi omezený. Důvody: energie, která se obtížně vyrábí, nákladová efektivita a sporná energetická bilance kvůli energeticky náročné povaze návrhu. Tato energetická možnost však nabízí zajímavé perspektivy z hlediska skladování energie, zejména pokud jde o obnovitelné zdroje.

Fuel Cell Pioneers

Tento koncept účinně předvedl Humphry Davy na počátku devatenáctého století. V roce 1838 následovala průkopnická práce Christiana Friedricha Schonbeina. Na začátku 60. let začala NASA ve spolupráci s průmyslovými partnery vyvíjet generátorytohoto typu pro pilotované lety do vesmíru. Výsledkem byl první blok PEMFC.

Další výzkumník GE, Leonard Nidrach, vylepšil Grubbův PEMFC pomocí platiny jako katalyzátoru. Grubb-Niedrach byl dále vyvíjen ve spolupráci s NASA a koncem 60. let jej používal vesmírný program Gemini. Společnost International Fuel Cells (IFC, později UTC Power) vyvinula zařízení o výkonu 1,5 kW pro kosmické lety Apollo. Zajišťovali elektřinu a také pitnou vodu pro astronauty během jejich mise. IFC následně vyvinulo 12kW jednotky používané k poskytování palubní energie pro všechny lety kosmických lodí.

Automobilový prvek poprvé vynalezl Grulle v 60. letech 20. století. GM použil Union Carbide ve voze "Electrovan". Používalo se pouze jako služební auto, ale na plnou nádrž dokázalo ujet až 120 mil a dosahovalo rychlosti až 70 mil za hodinu. Kordesch a Grulke v roce 1966 experimentovali s vodíkovým motocyklem. Byl to hybridní článek s NiCad baterií v tandemu, který dosáhl působivých 1,18 l/100 km. Tento krok má pokročilou technologii elektrokol a komercializaci elektronických motocyklů.

V roce 2007 se palivové zdroje začaly komercializovat v široké škále oblastí, začaly se prodávat koncovým uživatelům s písemnými zárukami a servisními schopnostmi, tzn. splňují požadavky a standardy tržní ekonomiky. Řada segmentů trhu se tak začala zaměřovat na poptávku. Zejména tisíce pomocných silJednotky PEMFC a DMFC (APU) byly komercializovány v zábavních aplikacích: lodě, hračky a tréninkové sady.

Horizon v říjnu 2009 ukázal první komerční elektronický systém Dynario, který běží na metanolových patronách. Palivové články Horizon mohou nabíjet mobilní telefony, systémy GPS, fotoaparáty nebo digitální hudební přehrávače.

Procesy výroby vodíku

Vodíkové palivové články jsou látky, které jako palivo obsahují vodík. Vodíkové palivo je palivo s nulovými emisemi, které uvolňuje energii během spalování nebo prostřednictvím elektrochemických reakcí. Palivové články a baterie produkují elektřinu prostřednictvím chemické reakce, ale ty první budou produkovat energii, dokud bude k dispozici palivo, takže nikdy neztrácejí náboj.

Tepelné procesy k výrobě vodíku obvykle zahrnují reformování párou, vysokoteplotní proces, při kterém pára reaguje se zdrojem uhlovodíků a uvolňuje vodík. Mnoho přírodních paliv lze přeměnit na vodík.

Dnes se přibližně 95 % vodíku vyrábí reformováním plynem. Voda se elektrolýzou štěpí na kyslík a vodík v zařízení, které funguje jako nulový palivový článek Horizon obráceně.

Procesy založené na solární energii

Používají světlo jako činidlo k výrobě vodíku. existujeněkolik procesů založených na solárních panelech:

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

Fotobiologické procesy využívají přirozenou fotosyntetickou aktivitu bakterií a zelených řas.

Fotoelektrochemické procesy jsou specializované polovodiče pro dělení vody na vodík a kyslík.

Termochemická solární výroba vodíku využívá koncentrovanou solární energii pro separační reakci vody spolu s dalšími druhy, jako jsou oxidy kovů.

Biologické procesy využívají mikroby, jako jsou bakterie a mikrořasy, a mohou produkovat vodík prostřednictvím biologických reakcí. Při přeměně mikrobiální biomasy mikrobi rozkládají organickou hmotu, jako je biomasa, zatímco při fotobiologických procesech mikrobi využívají jako zdroj sluneční světlo.

Generační komponenty

Zařízení prvků se skládají z několika částí. Každý má tři hlavní součásti:

• anoda;
• cathode;
• vodivý elektrolyt.

V případě palivových článků Horizon, kde je každá elektroda vyrobena z materiálu s velkým povrchem impregnovaného katalyzátorem ze slitiny platiny, je materiálem elektrolytu membrána a slouží jako iontový vodič. Výroba elektřiny je řízena dvěma primárními chemickými reakcemi. Pro prvky používající čistéH_2.

Plynný vodík se na anodě štěpí na protony a elektrony. První z nich jsou neseny elektrolytovou membránou a druhé proudí kolem ní a generují elektrický proud. Nabité ionty (H + a e -) se spojují s O_{2 na katodě a uvolňují vodu a teplo. Mnoho environmentálních problémů, které ovlivňují dnešní svět, mobilizuje společnost k dosažení udržitelného rozvoje a pokroku směrem k ochraně planety. V tomto kontextu je klíčovým faktorem nahrazení skutečných základních energetických zdrojů jinými, které mohou plně uspokojit lidské potřeby.}

Dotyčné prvky jsou právě takovým zařízením, díky kterému tento aspekt nachází nejpravděpodobnější řešení, jelikož je možné získat elektrickou energii z čistého paliva s vysokou účinností a bez emisí CO_2.

Platinové katalyzátory

Platina je vysoce aktivní pro oxidaci vodíku a nadále je nejběžnějším elektrokatalyzátorem. Jednou z hlavních oblastí výzkumu společnosti Horizon využívající palivové články se sníženým obsahem platiny je automobilový průmysl, kde se v blízké budoucnosti plánují inženýrské katalyzátory vyrobené z platinových nanočástic podporovaných vodivým uhlíkem. Tyto materiály mají výhodu vysoce rozptýlených nanočástic, velkého elektrokatalytického povrchu (ESA) a minimálního růstu částic při zvýšených teplotách, dokonce i při vyšších úrovních zatížení Pt.

Slitiny obsahující Pt jsou užitečné pro zařízení provozovaná na specializované zdroje paliva, jako je metanol nebo reforming (H₂, CO₂, CO a N_{2). Slitiny Pt/Ru prokázaly lepší výkon oproti čistým elektrochemickým Pt katalyzátorům, pokud jde o oxidaci methanolu a žádnou možnost otravy oxidem uhelnatým. Pt 3 Co je dalším zajímavým katalyzátorem (zejména pro katody palivových článků Horizon) a prokázal zlepšenou účinnost reakce při redukci kyslíku a také vysokou stabilitu.}

Pt/C a Pt 3 Co/C katalyzátory vykazující vysoce rozptýlené nanočástice na povrchových uhlíkových substrátech. Při výběru elektrolytu pro palivové články je třeba zvážit několik klíčových požadavků:

1. Vysoká protonová vodivost.
2. Vysoká chemická a tepelná stabilita.
3. Nízká propustnost plynu.

Zdroj vodíkové energie

Vodík je nejjednodušší a nejrozšířenější prvek ve vesmíru. Je důležitou součástí vody, ropy, zemního plynu a celého živého světa. Navzdory své jednoduchosti a hojnosti se vodík na Zemi vyskytuje jen zřídka v jeho přirozeném plynném stavu. Téměř vždy se kombinuje s dalšími prvky. A může být získán z ropy, zemního plynu, biomasy nebo separací vody pomocí solární nebo elektrické energie.

Jakmile se vodík vytvoří jako molekula H₂, energie přítomná v molekule se může uvolnit interakcís O₂. Toho lze dosáhnout buď spalovacími motory nebo vodíkovými palivovými články. V nich se energie H_{2 přeměňuje na elektrický proud s nízkými ztrátami výkonu. Vodík je tedy nosič energie pro pohyb, skladování a dodávání energie vyrobené z jiných zdrojů.}

Filtry pro napájecí moduly

Získání prvků alternativní energie je nemožné bez použití speciálních filtrů. Klasické filtry pomáhají při vývoji výkonových modulů prvků v různých zemích světa díky vysoce kvalitním blokům. Filtry se dodávají pro přípravu paliva, jako je metanol, pro použití v článku.

Aplikace pro tyto napájecí moduly obvykle zahrnují napájení ve vzdálených lokalitách, záložní napájení pro kritické zdroje, APU v malých vozidlech a námořní aplikace, jako je projekt Pa-X-ell, což je projekt pro testování článků na osobních lodích.

Pouzdra filtrů z nerezové oceli, která řeší problémy s filtrací. V těchto náročných aplikacích výrobci palivových článků zero dawn specifikují pouzdra filtrů z nerezové oceli Classic Filters kvůli flexibilitě výroby, vyšším standardům kvality, rychlým dodávkám a konkurenceschopným cenám.

Platforma vodíkové technologie

Horizon Fuel Cell Technologies byla založena v Singapuru v roce 2003 a dnes má 5 mezinárodních dceřiných společností. Posláním firmy jedosáhnout rozdílu v palivových článcích celosvětovou prací na dosažení rychlé komercializace, nižších technologických nákladů a odstranění letitých překážek pro dodávky vodíku. Firma začala s malými a jednoduchými produkty, které vyžadují malé množství vodíku při přípravě na větší a složitější aplikace. Dodržováním přísných pokynů a cestovní mapy se společnost Horizon rychle stala největším světovým výrobcem velkoobjemových článků do 1000 W, který zákazníkům ve více než 65 zemích poskytuje nejširší výběr komerčních produktů v oboru.

Technologická platforma Horizon se skládá z: PEM - palivové články Horizon zero dawn (mikropalivo a zásobníky) a jejich materiály, dodávky vodíku (elektrolýza, reformování a hydrolýza), zařízení a zařízení pro skladování vodíku.

Horizon vydal první přenosný a osobní generátor vodíku na světě. Stanice HydroFill dokáže generovat vodík rozkladem vody v nádrži a jejím uložením do zásobníků HydroStick. Obsahují absorpční slitinu plynného vodíku, která zajišťuje pevné skladování. Kazety lze poté vložit do nabíječky MiniPak, která zvládne malé prvky palivového filtru.

Horizont nebo domácí vodík

Horizon Technologies uvádí na trh vodíkový nabíjecí a skladovací systém pro domácí použití, který šetří energii doma na nabíjení přenosných zařízení. Horizon se v roce 2006 vyznamenala hračkou „H-racer“, malým vozem na vodíkový pohon, který byl zvolen „nejlepším vynálezem“roku. Horizon nabízídecentralizujte skladování energie doma pomocí vodíkové nabíjecí stanice Hydrofill, která je schopna dobíjet malé přenosné a opakovaně použitelné baterie. Tato vodíková elektrárna potřebuje k provozu a výrobě energie pouze vodu.

Práci může zajistit síť, solární panely nebo větrná turbína. Odtud je vodík extrahován z vodní nádrže stanice a uložen v pevné formě v malých článcích z kovové slitiny. Hydrofill Station, která se prodává za přibližně 500 USD, je avantgardním řešením pro telefony. Kde najít palivové články Hydrofill za tuto cenu není pro uživatele těžké, stačí se zeptat na příslušnou poptávku na internetu.

Nabíjení vodíku v autě

Stejně jako elektromobily na baterie, i ty poháněné vodíkem využívají k pohonu elektřinu. Ale místo toho, aby se tato elektřina ukládala do baterií, které se nabíjejí hodiny, články generují energii na palubě auta reakcí vodíku a kyslíku. Reakce probíhá za přítomnosti elektrolytu - nekovového vodiče, ve kterém je elektrický tok přenášen pohybem iontů v zařízeních, kde jsou nulové palivové články Horizon vybaveny proton-výměnnými membránami. Fungují následovně:

1. Plynný vodík je přiváděn k anodě „-“(A) článku a kyslík je směrován na kladný pól.
2. Na anodě je katalyzátorem platina,odhodí elektrony z atomů vodíku a zanechá "+" ionty a volné elektrony. Pouze ionty procházejí membránou umístěnou mezi anodou a katodou.
3. Elektrony vytvářejí elektrický proud pohybem po vnějším obvodu. Na katodě se elektrony a vodíkové ionty spojují s kyslíkem a vytvářejí vodu vytékající z článku.

Doposud bránily velké výrobě vozidel na vodíkový pohon dvě věci: náklady a výroba vodíku. Až donedávna byl platinový katalyzátor, který štěpí vodík na iont a elektron, neúměrně drahý.

Před několika lety stály vodíkové palivové články asi 1 000 USD za každý kilowatt energie nebo asi 100 000 USD za auto. Byly provedeny různé studie s cílem snížit náklady na projekt, včetně nahrazení platinového katalyzátoru slitinou platina-nikl, která je 90krát účinnější. Minulý rok americké ministerstvo energetiky oznámilo, že náklady na systém klesly na 61 USD za kilowatt, což je v automobilovém průmyslu stále nekonkurenceschopné.

Rentgenová počítačová tomografie

Tato nedestruktivní testovací metoda se používá ke studiu struktury dvouvrstvého prvku. Další metody běžně používané ke studiu struktury:

• intruzní porozimetrie rtuti;
• mikroskopie atomové síly;
• optická profilometrie.

Výsledky ukazují, že rozdělení pórovitosti má pevný základ pro výpočet tepelné a elektrické vodivosti, propustnosti adifúze. Měření pórovitosti prvků je velmi obtížné kvůli jejich tenké, stlačitelné a nehomogenní geometrii. Výsledek ukazuje, že poréznost klesá s GDL kompresí.

Pórovitá struktura má významný vliv na přenos hmoty v elektrodě. Experiment byl proveden při různých lisovacích tlacích za tepla, které se pohybovaly od 0,5 do 10 MPa. Výkon je závislý především na platinovém kovu, jehož cena je velmi vysoká. Difúzi lze zvýšit použitím chemických pojiv. Kromě toho změny teploty ovlivňují životnost a průměrný výkon prvku. Rychlost degradace vysokoteplotních PEMFC je zpočátku nízká a poté se rychle zvyšuje. To se používá k určení tvorby vody.

Problémy komercializace

Aby byly náklady konkurenceschopné, musí být náklady na palivové články sníženy na polovinu a životnost baterie podobně prodloužena. Dnes jsou však provozní náklady stále mnohem vyšší, protože náklady na výrobu vodíku se pohybují mezi 2,5 až 3 dolary a dodávaný vodík pravděpodobně nebude stát méně než 4 dolary/kg. Aby článek mohl účinně konkurovat bateriím, měl by mít krátkou dobu nabíjení a minimalizovat proces výměny baterie.

V současné době bude technologie polymerních palivových článků stát 49 USD/kW při hromadné výrobě (alespoň 500 000 kusů ročně). Aby však konkuroval autůms vnitřním spalováním by automobilové palivové články měly dosáhnout zhruba 36 $/kWh. Úspor lze dosáhnout snížením nákladů na materiál (zejména použitím platiny), zvýšením hustoty výkonu, snížením složitosti systému a zvýšením životnosti. Komercializace technologie ve velkém měřítku přináší několik výzev, včetně překonání řady technických překážek.

Technické výzvy budoucnosti

Cena stohu závisí na materiálu, technice a výrobních technikách. Výběr materiálu závisí nejen na vhodnosti materiálu pro danou funkci, ale také na zpracovatelnosti. Klíčové úkoly prvků:

1. Snižte zátěž elektrokatalyzátoru a zvyšte aktivitu.
2. Zlepšete odolnost a omezte degradaci.
3. Optimalizace konstrukce elektrod.
4. Zlepšete toleranci nečistot na anodě.
5. Výběr materiálů pro komponenty. Je založeno především na ceně bez obětování výkonu.
6. Tolerance chyb systému.
7. Výkon prvku závisí hlavně na síle membrány.

Hlavní parametry GDL, které ovlivňují výkon buněk, jsou propustnost činidla, elektrická vodivost, tepelná vodivost a mechanická podpora. Tloušťka GDL je důležitým faktorem. Silnější membrána poskytuje lepší ochranu, mechanickou pevnost, delší difúzní cesty a vyšší úroveň tepelného a elektrického odporu.

Progresivní trendy

Mezi různými typy prvků PEMFC přizpůsobuje více mobilních aplikací (auta, notebooky, mobilní telefony atd.), a proto je stále více předmětem zájmu širokého spektra výrobců. Ve skutečnosti má PEMFC mnoho výhod, jako je nízká provozní teplota, vysoká stabilita proudové hustoty, nízká hmotnost, kompaktnost, nízká cena a objemový potenciál, dlouhá životnost, rychlé spouštění a vhodnost pro přerušovaný provoz.

Technologie PEMFC se dobře hodí pro různé velikosti a používá se také u různých paliv, pokud je správně zpracována k výrobě vodíku. Jako takový nachází využití od malého subwattového měřítka až po megawattové měřítko. 88 % celkových zásilek v letech 2016–2018 bylo PEMFC.