Brandstofcellen: typen, werkingsprincipe en kenmerken

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-02 14:00

Waterstof is een schone brandstof omdat het alleen water produceert en schone energie levert met behulp van hernieuwbare energiebronnen. Het kan worden opgeslagen in een brandstofcel die elektriciteit produceert met behulp van een elektrochemisch conversieapparaat. Waterstof is de bron van de revolutionaire energie van de toekomst, maar de ontwikkeling ervan is nog zeer beperkt. Redenen: moeilijk te produceren energie, kosteneffectiviteit en twijfelachtige energiebalans vanwege het energie-intensieve karakter van het ontwerp. Maar deze energieoptie biedt interessante perspectieven op het gebied van energieopslag, vooral als het gaat om hernieuwbare bronnen.

Brandstofcelpioniers

Het concept werd in het begin van de negentiende eeuw effectief gedemonstreerd door Humphry Davy. Dit werd gevolgd door het pionierswerk van Christian Friedrich Schonbein in 1838. In de vroege jaren 60 begon NASA, in samenwerking met industriële partners, generatoren te ontwikkelenvan dit type voor bemande ruimtevluchten. Dit resulteerde in het eerste blok PEMFC.

Een andere GE-onderzoeker, Leonard Nidrach, heeft de PEMFC van Grubb geüpgraded met platina als katalysator. Grubb-Niedrach werd in samenwerking met NASA verder ontwikkeld en werd eind jaren zestig gebruikt door het ruimteprogramma Gemini. International Fuel Cells (IFC, later UTC Power) ontwikkelde het 1,5 kW-apparaat voor Apollo-ruimtevluchten. Ze zorgden tijdens hun missie voor elektriciteit en drinkwater voor de astronauten. IFC ontwikkelde vervolgens de 12 kW-eenheden die worden gebruikt om alle ruimtevaartuigvluchten van stroom te voorzien.

Het auto-element werd voor het eerst uitgevonden door Grulle in de jaren zestig. GM gebruikte Union Carbide in de "Electrovan" auto. Hij werd alleen gebruikt als bedrijfswagen, maar kon tot 120 mijl rijden op een volle tank en snelheden halen tot 70 mijl per uur. Kordesch en Grulke experimenteerden in 1966 met een waterstofmotorfiets. Het was een hybride cel met een NiCad-batterij in tandem die een indrukwekkende 1,18L/100km bereikte. Deze stap heeft geavanceerde e-bike-technologie en de commercialisering van e-motorfietsen.

In 2007 werden brandstofbronnen gecommercialiseerd in een groot aantal verschillende gebieden, ze begonnen te worden verkocht aan eindgebruikers met schriftelijke garanties en servicemogelijkheden, d.w.z. voldoen aan de eisen en normen van een markteconomie. Zo begon een aantal marktsegmenten zich op de vraag te richten. In het bijzonder duizenden hulpstroomPEMFC- en DMFC (APU)-eenheden zijn gecommercialiseerd in entertainmenttoepassingen: boten, speelgoed en trainingskits.

Horizon toonde in oktober 2009 het eerste commerciële Dynario elektronische systeem dat op methanolpatronen werkt. Horizon-brandstofcellen kunnen mobiele telefoons, GPS-systemen, camera's of digitale muziekspelers opladen.

Waterstofproductieprocessen

Waterstofbrandstofcellen zijn stoffen die waterstof als brandstof bevatten. Waterstofbrandstof is een emissievrije brandstof die energie vrijmaakt tijdens verbranding of door elektrochemische reacties. Brandstofcellen en batterijen produceren elektriciteit door middel van een chemische reactie, maar de eerste zal stroom produceren zolang er brandstof is, waardoor de lading nooit verloren gaat.

Thermische processen om waterstof te produceren, omvatten typisch stoomreforming, een proces bij hoge temperatuur waarbij stoom reageert met een koolwaterstofbron om waterstof vrij te maken. Veel natuurlijke brandstoffen kunnen worden hervormd om waterstof te produceren.

Tegenwoordig wordt ongeveer 95% van de waterstof geproduceerd uit gasreforming. Water wordt door elektrolyse gesplitst in zuurstof en waterstof, in een apparaat dat werkt als een omgekeerde Horizon zero-brandstofcel.

Op zonne-energie gebaseerde processen

Ze gebruiken licht als middel om waterstof te produceren. Bestaatverschillende processen op basis van zonnepanelen:

1. fotobiologisch;
2. foto-elektrochemische;
3. zonnig;
4. thermochemical.

Fotobiologische processen maken gebruik van de natuurlijke fotosynthetische activiteit van bacteriën en groene algen.

Foto-elektrochemische processen zijn gespecialiseerde halfgeleiders voor het scheiden van water in waterstof en zuurstof.

Thermochemische waterstofproductie op zonne-energie gebruikt geconcentreerde zonne-energie voor de waterscheidingsreactie samen met andere soorten zoals metaaloxiden.

Biologische processen gebruiken microben zoals bacteriën en microalgen en kunnen waterstof produceren via biologische reacties. Bij microbiële biomassaconversie breken microben organisch materiaal zoals biomassa af, terwijl microben bij fotobiologische processen zonlicht als bron gebruiken.

Generatiecomponenten

Apparaten van elementen bestaan uit verschillende onderdelen. Elk heeft drie hoofdcomponenten:

• anode;
• kathode;
• geleidende elektrolyt.

In het geval van Horizon-brandstofcellen, waarbij elke elektrode is gemaakt van materiaal met een groot oppervlak dat is geïmpregneerd met een katalysator van een platinalegering, is het elektrolytmateriaal een membraan en dient het als een ionengeleider. Elektrische generatie wordt aangedreven door twee primaire chemische reacties. Voor elementen die pure. gebruikenH_2.

Waterstofgas aan de anode splitst zich in protonen en elektronen. De eerste worden door het elektrolytmembraan gedragen en de laatste stromen er omheen en genereren een elektrische stroom. Geladen ionen (H + en e -) combineren met O_{2 aan de kathode, waardoor water en warmte vrijkomen. De vele milieuproblemen die de wereld van vandaag beïnvloeden, mobiliseren de samenleving om duurzame ontwikkeling te bereiken en vooruitgang te boeken in de richting van de bescherming van de planeet. In deze context is de belangrijkste factor de vervanging van de feitelijke basisenergiebronnen door andere die de menselijke behoeften volledig kunnen bevredigen.}

De elementen in kwestie zijn zo'n apparaat, waardoor dit aspect de meest waarschijnlijke oplossing vindt, aangezien het mogelijk is om elektrische energie uit schone brandstof te halen met een hoog rendement en zonder CO-uitstoot_2.

Platinum katalysatoren

Platinum is zeer actief voor waterstofoxidatie en blijft het meest voorkomende elektrokatalysatormateriaal. Een van Horizon's belangrijkste onderzoeksgebieden met behulp van platina-gereduceerde brandstofcellen is in de auto-industrie, waar in de nabije toekomst geconstrueerde katalysatoren gemaakt van platina-nanodeeltjes ondersteund op geleidende koolstof worden gepland. Deze materialen hebben het voordeel van sterk gedispergeerde nanodeeltjes, een hoog elektrokatalytisch oppervlak (ESA) en minimale deeltjesgroei bij verhoogde temperaturen, zelfs bij hogere Pt-belastingsniveaus.

Pt-bevattende legeringen zijn nuttig voor apparaten die op gespecialiseerde brandstofbronnen werken, zoals methanol of reforming (H₂, CO₂, CO en N_{2). De Pt/Ru-legeringen hebben verbeterde prestaties laten zien ten opzichte van pure elektrochemische Pt-katalysatoren in termen van methanoloxidatie en geen mogelijkheid van koolmonoxidevergiftiging. Pt 3 Co is een andere interessante katalysator (vooral voor Horizon-brandstofcelkathoden) en heeft een verbeterde efficiëntie van de zuurstofreductiereactie en een hoge stabiliteit laten zien.}

Pt/C- en Pt 3 Co/C-katalysatoren die sterk gedispergeerde nanodeeltjes op koolstofsubstraten aan het oppervlak laten zien. Er zijn verschillende belangrijke vereisten waarmee u rekening moet houden bij het kiezen van een brandstofcelelektrolyt:

1. Hoge protonengeleiding.
2. Hoge chemische en thermische stabiliteit.
3. Lage gasdoorlaatbaarheid.

Waterstof energiebron

Waterstof is het eenvoudigste en meest voorkomende element in het universum. Het is een belangrijk bestanddeel van water, olie, aardgas en de hele levende wereld. Ondanks zijn eenvoud en overvloed, wordt waterstof zelden in zijn natuurlijke gasvormige toestand op aarde gevonden. Het wordt bijna altijd gecombineerd met andere elementen. En het kan worden gewonnen uit olie, aardgas, biomassa of door water te scheiden met behulp van zonne- of elektrische energie.

Zodra waterstof is gevormd als moleculair H₂, kan de energie die in het molecuul aanwezig is door interactie vrijkomenmet O₂. Dit kan worden bereikt met verbrandingsmotoren of waterstofbrandstofcellen. Daarin wordt de energie H_{2 omgezet in elektrische stroom met lage vermogensverliezen. Zo is waterstof een energiedrager voor het verplaatsen, opslaan en leveren van energie uit andere bronnen.}

Filters voor voedingsmodules

Het verkrijgen van alternatieve energie-elementen is onmogelijk zonder het gebruik van speciale filters. Klassieke filters helpen bij de ontwikkeling van vermogensmodules van elementen in verschillende landen van de wereld dankzij blokken van hoge kwaliteit. Er worden filters geleverd om brandstof zoals methanol voor celtoepassingen voor te bereiden.

Typische toepassingen voor deze voedingsmodules zijn onder meer voeding op afgelegen locaties, back-upvoeding voor kritieke voedingen, APU's op kleine voertuigen en maritieme toepassingen zoals Project Pa-X-ell, een project om cellen op passagiersschepen te testen.

Roestvrijstalen filterhuizen die filtratieproblemen oplossen. In deze veeleisende toepassingen specificeren fabrikanten van zero-dawn brandstofcellen Classic Filters roestvrijstalen filterhuizen vanwege productieflexibiliteit, hogere kwaliteitsnormen, snelle leveringen en concurrerende prijzen.

Waterstoftechnologieplatform

Horizon Fuel Cell Technologies werd in 2003 opgericht in Singapore en heeft vandaag 5 internationale dochterondernemingen. De missie van het bedrijf is:een verschil maken in brandstofcellen door wereldwijd te werken aan snelle commercialisering, lagere technologiekosten en het wegnemen van eeuwenoude belemmeringen voor de waterstofvoorziening. Het bedrijf begon met kleine en eenvoudige producten die weinig waterstof nodig hebben ter voorbereiding op grotere en complexere toepassingen. Door strikte richtlijnen en een stappenplan te volgen, is Horizon snel 's werelds grootste sub-1000W bulkcelfabrikant geworden, die klanten in meer dan 65 landen bedient met de grootste selectie commerciële producten in de industrie.

Het Horizon-technologieplatform bestaat uit: PEM - Horizon zero dawn brandstofcellen (microbrandstof en stapels) en hun materialen, waterstofvoorziening (elektrolyse, reforming en hydrolyse), waterstofopslagapparatuur en -apparatuur.

Horizon heeft 's werelds eerste draagbare en persoonlijke waterstofgenerator uitgebracht. Het HydroFill-station kan waterstof genereren door water in een tank af te breken en op te slaan in HydroStick-patronen. Ze bevatten een absorberende legering van waterstofgas om vaste opslag te bieden. De patronen kunnen vervolgens in een MiniPak-lader worden gestoken die kleine brandstoffilterelementen aankan.

Horizon of thuiswaterstof

Horizon Technologies lanceert waterstoflaad- en energieopslagsysteem voor thuisgebruik, waarmee thuis energie wordt bespaard om draagbare apparaten op te laden. Horizon onderscheidde zich in 2006 met het speelgoed "H-racer", een kleine auto op waterstof die werd verkozen tot "beste uitvinding" van het jaar. Horizon aanbiedingendecentraliseer energieopslag thuis met zijn Hydrofill waterstoflaadstation, dat kleine draagbare en herbruikbare batterijen kan opladen. Deze waterstoffabriek heeft alleen water nodig om te werken en stroom op te wekken.

Werk kan geleverd worden door het elektriciteitsnet, zonnepanelen of een windturbine. Van daaruit wordt waterstof uit de watertank van het station gehaald en in vaste vorm opgeslagen in kleine cellen van metaallegeringen. Het Hydrofill Station, met een verkoopprijs van ongeveer $ 500, is een avant-gardistische oplossing voor telefoons. Waar u Hydrofill-brandstofcellen voor deze prijs kunt vinden, is niet moeilijk voor gebruikers, u hoeft alleen maar het juiste verzoek op internet te vragen.

Auto waterstof opladen

Net als elektrische auto's op batterijen, gebruiken auto's die op waterstof rijden ook elektriciteit om de auto aan te drijven. Maar in plaats van deze elektriciteit op te slaan in batterijen die uren nodig hebben om op te laden, wekken de cellen energie op aan boord van de auto door waterstof en zuurstof te laten reageren. De reactie vindt plaats in aanwezigheid van een elektrolyt - een niet-metalen geleider, waarin de elektrische stroom wordt gedragen door de beweging van ionen in apparaten waar Horizon zero-brandstofcellen zijn uitgerust met protonenuitwisselingsmembranen. Ze werken als volgt:

1. Waterstofgas wordt toegevoerd aan de "-" anode (A) van de cel en zuurstof wordt naar de positieve pool geleid.
2. Op de anode is de katalysator platina,verwijdert elektronen van waterstofatomen, waardoor "+" -ionen en vrije elektronen achterblijven. Alleen ionen gaan door het membraan dat zich tussen de anode en de kathode bevindt.
3. Elektronen creëren elektrische stroom door langs een extern circuit te bewegen. Bij de kathode combineren elektronen en waterstofionen met zuurstof om water te produceren dat uit de cel stroomt.

Tot nu toe hebben twee dingen de grootschalige productie van voertuigen op waterstof gehinderd: kosten en waterstofproductie. Tot voor kort was de platinakatalysator, die waterstof in een ion en een elektron splitst, onbetaalbaar.

Een paar jaar geleden kostten waterstofbrandstofcellen ongeveer $ 1.000 voor elke kilowatt vermogen, of ongeveer $ 100.000 voor een auto. Er zijn verschillende onderzoeken uitgevoerd om de kosten van het project te verlagen, waaronder het vervangen van de platinakatalysator door een platina-nikkellegering die 90 keer efficiënter is. Vorig jaar meldde het Amerikaanse ministerie van Energie dat de kosten van het systeem waren gedaald tot $ 61 per kilowatt, nog steeds niet concurrerend in de auto-industrie.

X-ray computertomografie

Deze niet-destructieve testmethode wordt gebruikt om de structuur van een tweelaags element te bestuderen. Andere methoden die vaak worden gebruikt om structuur te bestuderen:

• kwikintrusieporosimetrie;
• atomaire krachtmicroscopie;
• optische profilometrie.

De resultaten laten zien dat de porositeitsverdeling een solide basis heeft voor het berekenen van thermische en elektrische geleidbaarheid, permeabiliteit enverspreiding. Het meten van de porositeit van elementen is erg moeilijk vanwege hun dunne, samendrukbare en inhomogene geometrie. Het resultaat laat zien dat de porositeit afneemt met GDL-compressie.

De poreuze structuur heeft een significante invloed op de massaoverdracht in de elektrode. Het experiment werd uitgevoerd bij verschillende hete persdrukken, variërend van 0,5 tot 10 MPa. De prestatie is voornamelijk afhankelijk van het platinametaal, waarvan de kosten erg hoog zijn. De diffusie kan worden verhoogd door het gebruik van chemische bindmiddelen. Bovendien beïnvloeden temperatuurveranderingen de levensduur en de gemiddelde prestatie van het element. De afbraaksnelheid van PEMFC's bij hoge temperatuur is aanvankelijk laag en neemt daarna snel toe. Dit wordt gebruikt om de vorming van water te bepalen.

Problemen van commercialisering

Om kostenconcurrerend te zijn, moeten de brandstofcelkosten worden gehalveerd en de levensduur van de batterij op dezelfde manier worden verlengd. Tegenwoordig zijn de bedrijfskosten echter nog steeds veel hoger, aangezien de productiekosten voor waterstof tussen $ 2,5 en $ 3 liggen en het onwaarschijnlijk is dat de geleverde waterstof minder dan $ 4 / kg kost. Om ervoor te zorgen dat de cel effectief kan concurreren met batterijen, moet deze een korte oplaadtijd hebben en het batterijvervangingsproces tot een minimum beperken.

Momenteel kost polymeerbrandstofceltechnologie US $ 49/kW bij massaproductie (minstens 500.000 eenheden per jaar). Om echter te kunnen concurreren met auto'sinterne verbranding, autobrandstofcellen zouden ongeveer $ 36 / kWh moeten bereiken. Besparingen kunnen worden bereikt door de materiaalkosten te verlagen (met name het gebruik van platina), de vermogensdichtheid te verhogen, de systeemcomplexiteit te verminderen en de duurzaamheid te vergroten. Er zijn verschillende uitdagingen om de technologie op grote schaal te commercialiseren, waaronder het overwinnen van een aantal technische barrières.

Technische uitdagingen van de toekomst

De kosten van een stapel hangen af van het materiaal, de techniek en de fabricagetechnieken. De materiaalkeuze hangt niet alleen af van de geschiktheid van het materiaal voor de functie, maar ook van de verwerkbaarheid. Kerntaken van de elementen:

1. Verminder de belasting van elektrokatalysatoren en verhoog de activiteit.
2. Verbeter de duurzaamheid en verminder degradatie.
3. Optimalisatie van elektrodeontwerp.
4. Verbeter de tolerantie van onzuiverheden aan de anode.
5. Selectie van materialen voor componenten. Het is voornamelijk gebaseerd op kosten zonder in te boeten aan prestaties.
6. Systeemfouttolerantie.
7. De prestatie van het element hangt voornamelijk af van de sterkte van het membraan.

De belangrijkste GDL-parameters die de celprestaties beïnvloeden, zijn reagenspermeabiliteit, elektrische geleidbaarheid, thermische geleidbaarheid en mechanische ondersteuning. GDL-dikte is een belangrijke factor. Een dikker membraan biedt betere bescherming, mechanische sterkte, langere diffusiepaden en grotere thermische en elektrische weerstandsniveaus.

Progressieve trends

Van de verschillende soorten elementen past PEMFC meer mobiele toepassingen aan (auto's, laptops, mobiele telefoons, enz.), en wordt daarom steeds interessanter voor een breed scala aan fabrikanten. In feite heeft PEMFC veel voordelen, zoals lage bedrijfstemperatuur, hoge stroomdichtheid, lichtgewicht, compactheid, lage kosten en volumepotentieel, lange levensduur, snelle startups en geschiktheid voor intermitterend bedrijf.

PEMFC-technologie is zeer geschikt voor verschillende formaten en wordt ook gebruikt met een verscheidenheid aan brandstoffen wanneer ze op de juiste manier worden verwerkt om waterstof te produceren. Als zodanig vindt het gebruik van de kleine subwattschaal tot aan de megawattschaal. 88% van de totale zendingen in 2016-2018 waren PEMFC.