پیل های سوختی: انواع، اصل عملکرد و ویژگی ها

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-02 13:53

هیدروژن یک سوخت پاک است زیرا فقط آب تولید می کند و انرژی پاک را با استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر تامین می کند. می توان آن را در یک پیل سوختی ذخیره کرد که با استفاده از یک دستگاه تبدیل الکتروشیمیایی برق تولید می کند. هیدروژن منبع انرژی انقلابی آینده است، اما توسعه آن هنوز بسیار محدود است. دلایل: انرژی که تولید آن دشوار است، مقرون به صرفه بودن و تعادل انرژی مشکوک به دلیل ماهیت انرژی بر طراحی. اما این گزینه انرژی دیدگاه های جالبی را از نظر ذخیره انرژی ارائه می دهد، به خصوص در مورد منابع تجدید پذیر.

پیشگامان پیل سوختی

این مفهوم به طور مؤثر توسط هامفری دیوی در اوایل قرن نوزدهم نشان داده شد. به دنبال آن کار پیشگام کریستین فردریش شونبین در سال 1838 انجام شد. در اوایل دهه 1960، ناسا با همکاری شرکای صنعتی شروع به توسعه ژنراتورها کرد.از این نوع برای پروازهای فضایی سرنشین دار. این منجر به اولین بلوک PEMFC شد.

یکی دیگر از محققین جنرال الکتریک، لئونارد نیدراخ، PEMFC گراب را با استفاده از پلاتین به عنوان کاتالیزور ارتقا داده است. گراب-نیدراک با همکاری ناسا بیشتر توسعه یافت و توسط برنامه فضایی جمینی در اواخر دهه 1960 مورد استفاده قرار گرفت. سلول های سوختی بین المللی (IFC، بعداً UTC Power) دستگاه 1.5 کیلوواتی را برای پروازهای فضایی آپولو توسعه دادند. آنها برق و همچنین آب آشامیدنی را برای فضانوردان در طول ماموریت خود فراهم کردند. IFC متعاقباً واحدهای 12 کیلوواتی را توسعه داد که برای تأمین نیروی داخل هواپیما برای همه پروازهای فضاپیما استفاده می‌شوند.

عنصر خودرو برای اولین بار توسط Grulle در دهه 1960 اختراع شد. جنرال موتورز در خودروی «الکترووان» از یونیون کاربید استفاده کرد. این تنها به عنوان خودروی شرکتی مورد استفاده قرار می گرفت، اما می توانست تا 120 مایل را با یک مخزن پر طی کند و به سرعت 70 مایل در ساعت برسد. کوردش و گرولکه در سال 1966 یک موتورسیکلت هیدروژنی را آزمایش کردند. این یک هیبرید سلولی با باتری NiCad در پشت سر هم بود که به 1.18 لیتر در 100 کیلومتر رسید. این حرکت دارای فناوری پیشرفته دوچرخه الکترونیکی و تجاری سازی موتورسیکلت های الکترونیکی است.

در سال 2007، منابع سوخت در زمینه های مختلف تجاری شد، آنها شروع به فروختن به کاربران نهایی با ضمانت نامه های کتبی و قابلیت های خدمات کردند، به عنوان مثال. الزامات و استانداردهای اقتصاد بازار را برآورده کند. بنابراین، تعدادی از بخش های بازار شروع به تمرکز بر روی تقاضا کردند. به ویژه، هزاران نیروی کمکیواحدهای PEMFC و DMFC (APU) در برنامه های سرگرمی تجاری شده اند: قایق، اسباب بازی و کیت های آموزشی.

Horizon در اکتبر 2009 اولین سیستم الکترونیکی تجاری Dynario را نشان داد که بر روی کارتریج های متانول کار می کند. سلول های سوختی Horizon می توانند تلفن های همراه، سیستم های GPS، دوربین ها یا پخش کننده های موسیقی دیجیتال را شارژ کنند.

فرایندهای تولید هیدروژن

پیل های سوختی هیدروژنی موادی هستند که حاوی هیدروژن به عنوان سوخت هستند. سوخت هیدروژنی سوختی با انتشار صفر است که در طی احتراق یا از طریق واکنش های الکتروشیمیایی انرژی آزاد می کند. سلول‌های سوختی و باتری‌ها از طریق یک واکنش شیمیایی الکتریسیته تولید می‌کنند، اما اولی تا زمانی که سوخت وجود داشته باشد، برق تولید می‌کند، بنابراین هرگز شارژ را از دست نمی‌دهد.

فرایندهای حرارتی برای تولید هیدروژن معمولاً شامل اصلاح بخار می‌شود، فرآیندی با دمای بالا که در آن بخار با منبع هیدروکربنی واکنش می‌دهد و هیدروژن آزاد می‌کند. بسیاری از سوخت های طبیعی را می توان برای تولید هیدروژن اصلاح کرد.

امروزه تقریباً 95 درصد هیدروژن از اصلاح گاز تولید می شود. آب با الکترولیز به اکسیژن و هیدروژن تقسیم می‌شود، در دستگاهی که مانند پیل سوختی Horizon صفر در معکوس عمل می‌کند.

فرایندهای مبتنی بر خورشید

آنها از نور به عنوان عاملی برای تولید هیدروژن استفاده می کنند. وجود داردچندین فرآیند مبتنی بر صفحات خورشیدی:

1. فتوبیولوژیکی؛
2. فتو الکتروشیمیایی؛
3. آفتابی;
4. ترموشیمیایی.

فرایندهای فوتوبیولوژیکی از فعالیت فتوسنتزی طبیعی باکتری ها و جلبک های سبز استفاده می کنند.

فرایندهای فوتوالکتروشیمیایی نیمه هادی های تخصصی برای جداسازی آب به هیدروژن و اکسیژن هستند.

تولید خورشیدی هیدروژن ترموشیمیایی از انرژی خورشیدی متمرکز برای واکنش جداسازی آب همراه با گونه‌های دیگر مانند اکسیدهای فلزی استفاده می‌کند.

فرایندهای بیولوژیکی از میکروب هایی مانند باکتری ها و ریزجلبک ها استفاده می کنند و می توانند هیدروژن را از طریق واکنش های بیولوژیکی تولید کنند. در تبدیل زیست توده میکروبی، میکروب ها مواد آلی مانند زیست توده را تجزیه می کنند، در حالی که در فرآیندهای فوتوبیولوژیکی، میکروب ها از نور خورشید به عنوان منبع استفاده می کنند.

مولفه های نسل

دستگاه های عناصر از چند قسمت ساخته شده اند. هر کدام سه جزء اصلی دارد:

• آند;
• کاتد;
• الکترولیت رسانا.

در مورد پیل‌های سوختی Horizon، که در آن هر الکترود از یک ماده با سطح بالا آغشته به یک کاتالیزور آلیاژ پلاتین ساخته شده است، ماده الکترولیت یک غشاء است و به عنوان رسانای یونی عمل می‌کند. تولید برق توسط دو واکنش شیمیایی اولیه هدایت می شود. برای عناصر با استفاده از خالصH_2.

گاز هیدروژن در آند به پروتون و الکترون تقسیم می شود. اولی از طریق غشای الکترولیت حمل می شود و دومی در اطراف آن جریان می یابد و جریان الکتریکی ایجاد می کند. یون های باردار (H + و e -) با O_{2 در کاتد ترکیب می شوند و آب و گرما آزاد می کنند. بسیاری از مسائل زیست محیطی که جهان امروز را تحت تأثیر قرار می دهد، جامعه را برای دستیابی به توسعه پایدار و پیشرفت در جهت حفاظت از کره زمین بسیج می کند. در این زمینه، عامل کلیدی جایگزینی منابع واقعی انرژی با منابع دیگر است که می توانند نیازهای انسان را به طور کامل برآورده کنند.}

عناصر مورد بحث دقیقاً چنین وسیله ای هستند که به لطف آنها این جنبه محتمل ترین راه حل را پیدا می کند، زیرا می توان انرژی الکتریکی را از سوخت پاک با راندمان بالا و بدون انتشار CO2 بدست آورد_2.

کاتالیزورهای پلاتین

پلاتین برای اکسیداسیون هیدروژن بسیار فعال است و همچنان رایج ترین ماده الکتروکاتالیست است. یکی از حوزه‌های اصلی تحقیقات Horizon با استفاده از سلول‌های سوختی کاهش‌یافته پلاتین، در صنعت خودروسازی است، جایی که کاتالیزورهای مهندسی شده ساخته شده از نانوذرات پلاتین با پشتیبانی از کربن رسانا در آینده نزدیک برنامه‌ریزی می‌شوند. این مواد دارای مزیت نانوذرات بسیار پراکنده، مساحت سطح الکتروکاتالیستی بالا (ESA) و رشد حداقل ذرات در دماهای بالا، حتی در سطوح بارگذاری پلاتین بالاتر هستند.

آلیاژهای حاوی پلاتین برای دستگاه‌هایی که با منابع سوخت تخصصی مانند متانول یا رفرمینگ کار می‌کنند مفید هستند (H₂، CO₂، CO و N_{2). آلیاژهای Pt/Ru عملکرد بهتری نسبت به کاتالیزورهای خالص الکتروشیمیایی پلاتین از نظر اکسیداسیون متانول و عدم امکان مسمومیت با مونوکسید کربن نشان داده‌اند. Pt 3 Co یکی دیگر از کاتالیزورهای مورد علاقه (به ویژه برای کاتدهای پیل سوختی Horizon) است و راندمان واکنش کاهش اکسیژن بهبود یافته و همچنین پایداری بالا را نشان داده است.}

کاتالیزورهای Pt/C و Pt 3 Co/C که نانوذرات بسیار پراکنده را روی بسترهای کربنی سطحی نشان می‌دهند. هنگام انتخاب الکترولیت پیل سوختی چندین الزام کلیدی وجود دارد:

1. رسانایی پروتون بالا.
2. پایداری شیمیایی و حرارتی بالا.
3. نفوذپذیری گاز کم.

منبع انرژی هیدروژن

هیدروژن ساده ترین و فراوان ترین عنصر در جهان است. این جزء مهم آب، نفت، گاز طبیعی و کل جهان زنده است. با وجود سادگی و فراوانی، هیدروژن به ندرت در حالت گاز طبیعی خود بر روی زمین یافت می شود. تقریباً همیشه با عناصر دیگر ترکیب می شود. و می توان آن را از نفت، گاز طبیعی، زیست توده یا با جداسازی آب با استفاده از انرژی خورشیدی یا الکتریکی به دست آورد.

وقتی هیدروژن به صورت مولکولی H₂ تشکیل شد، انرژی موجود در مولکول می تواند با برهمکنش آزاد شود.با O₂. این را می توان با موتورهای احتراق داخلی یا سلول های سوختی هیدروژنی به دست آورد. در آنها انرژی H_{2 به جریان الکتریکی با تلفات توان کم تبدیل می شود. بنابراین، هیدروژن یک حامل انرژی برای حرکت، ذخیره و تحویل انرژی تولید شده از منابع دیگر است.}

فیلتر برای ماژول های قدرت

دستیابی به عناصر انرژی جایگزین بدون استفاده از فیلترهای ویژه غیرممکن است. فیلترهای کلاسیک به دلیل بلوک های باکیفیت به توسعه ماژول های قدرت عناصر در کشورهای مختلف جهان کمک می کنند. فیلترها برای تهیه سوختی مانند متانول برای کاربردهای سلولی عرضه می شوند.

معمولاً کاربردهای این ماژول‌های قدرت شامل منبع تغذیه در مکان‌های دور، برق پشتیبان برای منابع حیاتی، APU در وسایل نقلیه کوچک و برنامه‌های دریایی مانند Project Pa-X-ell است که پروژه‌ای برای آزمایش سلول‌ها در کشتی‌های مسافربری است.

محفظه های فیلتر فولادی ضد زنگ که مشکلات فیلتراسیون را حل می کند. در این کاربردهای سخت، تولیدکنندگان پیل سوختی صفر سحر به دلیل انعطاف پذیری تولید، استانداردهای کیفیت بالاتر، تحویل سریع و قیمت های رقابتی، محفظه فیلترهای فولادی ضد زنگ Classic Filters را مشخص می کنند.

پلت فرم فناوری هیدروژن

Horizon Fuel Cell Technologies در سال 2003 در سنگاپور تأسیس شد و امروزه دارای 5 شرکت تابعه بین المللی است. ماموریت شرکت استایجاد تفاوت در سلول های سوختی با کار در سطح جهانی برای دستیابی به تجاری سازی سریع، کاهش هزینه های فناوری و حذف موانع قدیمی برای تامین هیدروژن. این شرکت با محصولات کوچک و ساده شروع به کار کرد که برای کاربردهای بزرگتر و پیچیده‌تر به مقادیر کم هیدروژن نیاز دارند. با پیروی از دستورالعمل‌های دقیق و یک نقشه راه، Horizon به سرعت به بزرگترین تولیدکننده سلول‌های فله زیر 1000 وات در جهان تبدیل شده است و به مشتریان در بیش از 65 کشور با گسترده‌ترین انتخاب محصولات تجاری در صنعت خدمات ارائه می‌کند.

پلت فرم فناوری Horizon شامل: PEM - سلول های سوختی Horizon zero Dawn (ریز سوخت و پشته ها) و مواد آنها، تامین هیدروژن (الکترولیز، اصلاح و هیدرولیز)، دستگاه ها و دستگاه های ذخیره هیدروژن است.

Horizon اولین ژنراتور هیدروژن قابل حمل و شخصی را منتشر کرد. ایستگاه HydroFill می تواند با تجزیه آب در یک مخزن و ذخیره آن در کارتریج های HydroStick، هیدروژن تولید کند. آنها حاوی آلیاژ جاذب گاز هیدروژن هستند تا ذخیره جامد را فراهم کنند. سپس کارتریج ها را می توان در یک شارژر MiniPak قرار داد که می تواند عناصر کوچک فیلتر سوخت را مدیریت کند.

هیدروژن افق یا خانه

Horizon Technologies سیستم شارژ هیدروژن و ذخیره انرژی را برای مصارف خانگی راه‌اندازی می‌کند و در مصرف انرژی در خانه برای شارژ دستگاه‌های قابل حمل صرفه‌جویی می‌کند. Horizon در سال 2006 خود را با اسباب‌بازی "H-racer" متمایز کرد، یک ماشین کوچک هیدروژنی که به عنوان "بهترین اختراع" سال انتخاب شد. Horizon ارائه می دهدذخیره انرژی در خانه را با ایستگاه شارژ هیدروژن Hydrofill خود غیرمتمرکز کنید، که قادر به شارژ باتری های کوچک قابل حمل و قابل استفاده مجدد است. این نیروگاه هیدروژنی برای کارکرد و تولید برق فقط به آب نیاز دارد.

کار می تواند توسط شبکه، پنل های خورشیدی یا توربین بادی فراهم شود. از آنجا، هیدروژن از مخزن آب ایستگاه استخراج می شود و به شکل جامد در سلول های آلیاژی فلزی کوچک ذخیره می شود. Hydrofill Station با قیمت حدود 500 دلار به فروش می رسد و یک راه حل آوانگارد برای گوشی ها است. یافتن پیل های سوختی Hydrofill با این قیمت برای کاربران دشوار نیست، فقط باید درخواست مناسب را در اینترنت بپرسید.

شارژ هیدروژن خودرو

مانند خودروهای برقی با باتری، آنهایی که با هیدروژن کار می کنند نیز از برق برای رانندگی خودرو استفاده می کنند. اما سلول‌ها به جای ذخیره این برق در باتری‌هایی که شارژ آن‌ها ساعت‌ها طول می‌کشد، با واکنش هیدروژن و اکسیژن روی خودرو انرژی تولید می‌کنند. این واکنش در حضور یک الکترولیت - یک رسانای غیرفلزی، که در آن جریان الکتریکی توسط حرکت یون‌ها در دستگاه‌هایی که سلول‌های سوختی Horizon zero مجهز به غشاهای مبادله پروتون هستند، انجام می‌شود. عملکرد آنها به صورت زیر است:

1. گاز هیدروژن به آند "-" سلول (A) عرضه می شود و اکسیژن به قطب مثبت هدایت می شود.
2. روی آند کاتالیزور پلاتین است،الکترون های اتم های هیدروژن را دور می اندازد و یون های "+" و الکترون های آزاد باقی می گذارد. فقط یون ها از غشای واقع بین آند و کاتد عبور می کنند.
3. الکترون ها با حرکت در امتداد مدار خارجی جریان الکتریکی ایجاد می کنند. در کاتد، الکترون‌ها و یون‌های هیدروژن با اکسیژن ترکیب می‌شوند و آبی را تولید می‌کنند که از سلول خارج می‌شود.

تا به حال، دو چیز مانع تولید خودروهای هیدروژنی در مقیاس بزرگ شده است: هزینه و تولید هیدروژن. تا همین اواخر، کاتالیزور پلاتین که هیدروژن را به یون و الکترون تقسیم می‌کرد، بسیار گران بود.

چند سال پیش، پیل‌های سوختی هیدروژنی برای هر کیلووات برق حدود 1000 دلار یا برای یک خودرو حدود 100000 دلار قیمت داشتند. مطالعات مختلفی برای کاهش هزینه پروژه انجام شد، از جمله جایگزینی کاتالیزور پلاتین با آلیاژ پلاتین-نیکل که 90 برابر کارآمدتر است. سال گذشته، وزارت انرژی ایالات متحده گزارش داد که هزینه این سیستم به 61 دلار در هر کیلووات کاهش یافته است، که هنوز در صنعت خودرو غیر قابل رقابت است.

توموگرافی کامپیوتری اشعه ایکس

این روش تست غیر مخرب برای مطالعه ساختار یک عنصر دو لایه استفاده می شود. روشهای دیگر که معمولاً برای مطالعه ساختار استفاده می شود:

• تخلخل سنجی نفوذ جیوه;
• میکروسکوپ نیروی اتمی;
• پروفیلومتری نوری.

نتایج نشان می دهد که توزیع تخلخل پایه محکمی برای محاسبه هدایت حرارتی و الکتریکی، نفوذپذیری وانتشار اندازه گیری تخلخل عناصر به دلیل هندسه نازک، تراکم پذیر و ناهمگن آنها بسیار دشوار است. نتیجه نشان می‌دهد که تخلخل با فشرده‌سازی GDL کاهش می‌یابد.

ساختار متخلخل تاثیر قابل توجهی بر انتقال جرم در الکترود دارد. این آزمایش در فشارهای مختلف پرس گرم، که از 0.5 تا 10 مگاپاسکال متغیر بود، انجام شد. عملکرد عمدتاً به فلز پلاتین بستگی دارد که هزینه آن بسیار بالا است. انتشار را می توان با استفاده از چسب های شیمیایی افزایش داد. علاوه بر این، تغییرات دما بر طول عمر و عملکرد متوسط عنصر تأثیر می گذارد. سرعت تخریب PEMFCهای دمای بالا در ابتدا کم است و سپس به سرعت افزایش می یابد. این برای تعیین تشکیل آب استفاده می شود.

مشکلات تجاری سازی

برای اینکه مقرون به صرفه باشد، هزینه های پیل سوختی باید به نصف کاهش یابد و عمر باتری به طور مشابه افزایش یابد. با این حال، امروزه هزینه های عملیاتی هنوز بسیار بالاتر است، زیرا هزینه های تولید هیدروژن بین 2.5 تا 3 دلار است و بعید است که هیدروژن عرضه شده کمتر از 4 دلار در کیلوگرم هزینه داشته باشد. برای اینکه سلول به طور موثر با باتری ها رقابت کند، باید زمان شارژ کوتاهی داشته باشد و فرآیند تعویض باتری را به حداقل برساند.

در حال حاضر، فناوری پیل سوختی پلیمری در صورت تولید انبوه 49 دلار آمریکا به ازای هر کیلووات هزینه خواهد داشت (حداقل 500000 واحد در سال). با این حال، به منظور رقابت با اتومبیلاحتراق داخلی، سلول های سوختی خودرو باید به حدود 36 دلار در هر کیلووات ساعت برسد. صرفه جویی را می توان با کاهش هزینه های مواد (به ویژه استفاده از پلاتین)، افزایش چگالی توان، کاهش پیچیدگی سیستم و افزایش دوام به دست آورد. چندین چالش برای تجاری سازی این فناوری در مقیاس بزرگ وجود دارد، از جمله غلبه بر تعدادی از موانع فنی.

چالش های فنی آینده

هزینه یک پشته به مواد، تکنیک و تکنیک های ساخت بستگی دارد. انتخاب مواد نه تنها به مناسب بودن ماده برای عملکرد، بلکه به کارایی آن نیز بستگی دارد. وظایف کلیدی عناصر:

1. کاهش بار الکتروکاتالیست و افزایش فعالیت.
2. بهبود دوام و کاهش تخریب.
3. بهینه سازی طراحی الکترود.
4. بهبود تحمل ناخالصی ها در آند.
5. انتخاب مواد برای قطعات. اساساً مبتنی بر هزینه است بدون اینکه عملکرد را به خطر بیندازند.
6. تحمل خطای سیستم.
7. عملکرد عنصر عمدتاً به استحکام غشا بستگی دارد.

پارامترهای اصلی GDL که بر عملکرد سلول تأثیر می گذارد نفوذپذیری معرف، هدایت الکتریکی، هدایت حرارتی و پشتیبانی مکانیکی است. ضخامت GDL یک عامل مهم است. غشای ضخیم‌تر محافظت بهتر، استحکام مکانیکی، مسیرهای انتشار طولانی‌تر و سطوح مقاومت حرارتی و الکتریکی بیشتر را فراهم می‌کند.

روندهای پیشرو

در میان انواع مختلف عناصر، PEMFC در حال تطبیق بیشتر برنامه های کاربردی تلفن همراه (ماشین، لپ تاپ، تلفن همراه و غیره) است، بنابراین، مورد توجه طیف گسترده ای از تولیدکنندگان است. در واقع، PEMFC مزایای زیادی مانند دمای عملیاتی پایین، پایداری چگالی جریان بالا، وزن سبک، فشرده‌بودن، هزینه و حجم کم، عمر طولانی، راه‌اندازی سریع و مناسب بودن برای عملکرد متناوب دارد.

فناوری PEMFC برای اندازه‌های مختلف مناسب است و در صورت پردازش مناسب برای تولید هیدروژن با انواع سوخت‌ها نیز استفاده می‌شود. به این ترتیب، از مقیاس کوچک زیر وات تا مقیاس مگاوات استفاده می شود. 88٪ از کل محموله ها در سال 2016-2018 PEMFC بود.