Топливные элементы: Принцип работы; сборка; изготовление; Установки.
Принцип работы топливного элемента
|
На этой странице представлен обзор действия топливных элементов, а также производство PEMFC. Топливные элементы - это гальванические элементы, превращающие химическую энергию в электрическую, используя реверсивный электрохимический процесс. В этом случае постоянно поставляемое топливо вступает в реакцию с окислителем. В связи с тем, что источник энергии не хранится в топливном элементе, емкость и производительность масштабируются независимо. Отображенные окислительно-восстановительные реакции протекают отдельно друг от друга на аноде и катоде. Таким образом, вместо тепловой энергии получена электрическая энергия. Наиболее часто используемые компоненты - это водород (H2) и кислород (O2), основные реакции которых отображены ниже. Эта окислительно-восстановительная реакция может быть проведена как при кислотном, так и при щелочном катализе.
Кислотный электролит |
Щелочной электролит | ||||
| Анод: 2 H2+ 4 H2O → 4 H3O+ + 4 e- Катод: O2+ 4 H3O+ + 4 e- → 6 H2O |
Анод: 2 H2 + 4 OH- → 4 H2O + 4 e- Катод: O2 + 2 H2O + 4 e- → 4 OH- |
||||
| Суммарно: 2 H2+ O2 → 2 H2O | Суммарно: 2 H2+ O2 → 2 H2O |
Используя щелочной, а также кислотный катализатор, газообразный водород (H2) конвертируется на аноде. В течении этих реакций высвобождаются электроны.
В этом случае кислая среда приводит к протонированной воде (H3O+), в то время как в щелочной среде ионы гидроксида (OH-) реагируют с водой (H2O).
А на катоде кислород (O2) превращается в воду (H2O) (кислотный катализ) или ионы гидроксида (OH-) (щелочной катализатор).
Таким образом, общая окислительно-восстановительная реакция показывает превращение водорода и кислорода в воду для обеих каталитических систем.
Хотя кислород и водород являются наиболее распространенной комбинацией в топливном элементе, в качестве топлива можно рассмотреть и другой носитель водорода, такой как метанол (CH3OH), бутан (C4H10)
или природный газ (> 75% метана). Часто водород накапливается в виде аммиака (NH3). Аммиак можно термически разложить там же с помощью генератора водорода. H2-генератор также
называют расщепителем аммония или, скорее, крекером аммония, т.к. аммоний расщепляется в нем до водорода и азота, как видно из следующего уравнения:
2 NH3 → H2+ 3 N2
В зависимости от типа используемого топливного элемента, иногда приходится обрабатывать азот с использованием дополнительной технологии.
Топливный элемент состоит как правило из двух покрытых катализатором электродов и одного электролита. (Ионный проводник). В качестве электродов используются в основном системы на основе металла или углерода с высокими поверхностями (например, углеродный войлок (CF)). Обычные материалы, используемые в качестве катализатора, это, например, рутений и платина. Во время процесса электролит обеспечивает пространственное разделение эдиктов и, кроме того, позволяет переносить заряд между электродами. При этом возможны как жидкие, так и твердые электролиты.
Для реализации пространственно-разделенных процессов окисления водородного топлива возможны различные подходы.
Основные различия топливных элементов основаны, например, на рабочих температурах, типе электролитов, а также на подаваемом топливе и соответствующих окислительно-
восстановительных реакциях. Низкотемпературные топливные элементы (LT-FC) работают при температуре до 200 ° C, тогда как высокотемпературные топливные элементы (HT-FC)
начинаются при температурах выше 700 ° C. Из-за температуры катализаторы в низкотемпературных топливных элементах должны базироваться на дорогостоящих металлах
платиновой группы. Кроме того, загрязнение исходящих газов, например, монооксидом углерода может серьезно нарушить процесс. При использовании высокотемпературных топливных элементов,
достаточно более дешевых катализаторов на основе, например, никеля. Кроме того, часто достигается более высокая эффективность. В принципе, топливные элементы можно отличить
по используемым электролитам. Полимерные электролитные мембраны (например, топливный элемент с протонообменной мембраной - PEMFC), водные щелочные электролиты
(например, щелочной топливный элемент - AFC), водные кислотные электролиты (топливные элементы на основе фосфорной кислоты - PAFC), жидкости
с ионным электролитом (топливные элементы с расплавленным карбонатом - MCFC), а также твердые электролиты (твердооксидные топливные элементы - ТОТЭ) являются наиболее часто используемыми типами.
Наиболее распространенные типы топливных элементов и их свойства отображены в следующей таблице.
| Название | Тип | Электролит | Носитель заряда | Топливный газ (анод) | Окислитель (катод) | Температура (° C) | Эффективность | Применение |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Топливный элемент с мембраной из полимерного электролита для водорода (PEMFC) | Кислотный низкотемпературный кислородно-водородный газовый элемент | Протонпроводящая полимерная мембрана (PEM) |
Ион гидроксония (H3O+) | Водород (H2) | Кислород (O2) или воздух; увлажненный | 60-70 | Элемент: 50-68 | Серийные автомобили, ТЭЦ, нужные материалы для электроники. |
| Топливный элемент с полимерной электролитической мембраной для альтернативных видов топлива, таких как метанол (DMFC), этанол (DEFC) и др. | Элемент с низкотемпературным кислородно-водородным газом | Протонпроводящая полимерная мембрана (PEM) |
Ион гидроксония (H3O+) | Смесь метанол-вода (CH3OH-H2O) Смесь метанол-вода (C2H5OH-H2O) и др. |
Атмосферный кислород (O2) | 60-130 | Элемент: 20-30 | Электроприводы, использование аккумуляторов |
| Твердооксидный топливный элемент (SOFC) | Элемент с высокотемпературным кислородно-водородным газом | Оксидный керамический электролит (ZrO2 + Y2O3) |
Оксид ион (O2-) | Водород (H2 из метана, угля, метанола, ...) | Атмосферный кислород (O2) | 800-1000 | Элемент: 60-65 | Тепловые электростанции (до 250кВт) |
| Гальванический топливный элемент с щелочным электролитом, например (AFC) | Щелочной низкотемпературный кислородно-водородный элемент | например раствор гидроксида калия, 30% | Гидроксид-ион (OH-) | Чистый водород (H2) | Чистый кислород (O2) | 20-90 | Элемент: 60-70 | Небольшие установки (до 150кВт); Подводная лодка |
| Гальванический топливный элемент с кислотным электролитом, например (PAFC) | Кислотный низкотемпературный кислородно-водородный газовый элемент | например Концентрированная фосфорная кислота | Ион гидроксония (H3O+) | Водород (H2) (углеводородное сырье) |
Атмосферный кислород (O2) | 150-220 | Элемент: 55 | Стационарное производство электроэнергии и тепла |
Двумя наиболее многообещающими типами топливных элементов в соответствии с современным уровнем техники являются топливный элемент с мембраной из полимерного электролита и топливный элемент на твердом оксиде.
Топливный элемент с протонообменной мембраной» (PEMFC) также известен как топливный элемент с полимерным электролитом (PEFC).
Топливные элементы этого типа работают при температурах от 10 ° до 100 ° C (низкотемпературный PMEFC), соответственно, при 130-200 ° C (высокотемпературный PEFC) в зависимости от используемой электролитической мембраны.
Оба приложения достигают эффективности около 60% при использовании чистого газообразного водорода (около 48% при использовании ископаемого газа). Как описано для кислого электролита в разделе
Принцип работы топливных элементов, на катоде водород или водород, подобные углеводородам, преобразуются на аноде, в то время как кислород, например, атмосферный кислород преобразуется на катоде. Непрерывная подача воды на анод достигается за счет обратной диффузии через мембрану,
а также за счет увлажнения эдиктов.
При использовании топливных элементов с низкотемпературным полимерным электролитом обычно используют полимерную мембрану, состоящую из Nafion®®, фтор -полимера на основе сульфированного
тетрафторэтилена. Если увлажнять эту мембрану, она приобретает кислотный характер и, следовательно, переносит протоны. С увеличением количества воды увеличивается проводимость. Мембрана покрывается с обеих сторон, обычно с
использованием пористого угольного электрода с соответственно высокой поверхностью. Обычно интегрируется катализатор, состоящий из платины, соответственно смеси платины и рутения, платины и никеля или платины и кобальта.
При таких рабочих температурах особое внимание следует уделять примесям монооксида углерода в газообразном водороде. Например, CO может быть побочным продуктом при производстве водорода с использованием сортов природного
ископаемого масла и, следовательно, попадать в топливный элемент. Это важно, поскольку даже небольшие доли монооксида углерода в 10 ч. / Млн в топливном газе могут привести к отравлению катализатора и, как следствие, к
прерыванию реакции. Причина в том, что CO, обладая высоким подобием, блокирует каталитически активный центр мембраны. Однако промывка топливного элемента инертным газом или чистым водородом удаляет ядовитый CO. Повышение
концентрации CO можно предотвратить с помощью реакции сдвига или селективного окисления CO.
Используя реакцию обратимого сдвига, CO можно превратить в CO2 и водород путем добавления парообразной воды.
CO + H2O ⇌ CO2 + H2
В этом процессе равновесие смещается в сторону продукта, коррелируясь с более высокими температурами.
Кроме того, соединения серы и аммоний в топливном газе отравляют катализатор, и поэтому по возможности их следует поддерживать на уровне низких цифр на миллион.
При использовании топливных элементов с высокотемпературным полимерным электролитом полимерная мембрана обычно изготавливается из полибензомидазола. Для увеличения протонной проводимости фосфорная кислота включается в матрицу полибензомидазола. Накапливание воды, как в случае LT-PEMFC, здесь не требуется. Кроме того, реакции, протекающие при 130-200 ° C, более устойчивы к катализатору, уравновешивающему газообразный монооксид углерода, поскольку CO быстрее десорбируется и, следовательно, перестает блокировать активные катализаторные центры.
Преимущества PEMFC
Недостатки PEMFC
Стадия разработки PEMFC
В настоящее время первые серийные автомобили (автомобили, грузовики и автобусы), небольшие производства и когенерационные установки работают на топливных элементах с полимерным электролитом. Кроме того, существуют приложения для использования батарей, портативных электронных устройств (например, ноутбуков). В настоящее время также разрабатываются приложения для космических путешествий или использования в военных целях. Здесь могут быть достигнуты мощности от 5 до 250 кВт.
Для производства PEMFC следующие детали должны быть изготовлены и подсоединены:
Ключевым компонентом топливного элемента, как и комплекта топливных элементов, является Membrane Electrode Assembly (MEA)
Изготовление может быть осуществлено с помощью так называемого декальк-процеса (сокращение от декалькомании). Здесь различные слои отпечатаются на фольге с наклейками с использованием краски в сочетании с горячим прессом.
В многоступенчатом процессе прикрепляются две вспомогательные прокладки, дважды материал электрода (углеродная сетка) со слоем катализатора (платина) и полимерная мембрана (Nafion®). Обычно для сваривания материалов в
этой процедуре требуется не менее 3 ступеней. Процесс можно вести непрерывно и при атмосферном давлении. При использовании механических валиков могут возникнуть небольшие неровности отдельных слоев. Поэтому наш партнер
Shindo Eng. Lab. усилил этот процесс. В рамках данной процедуры возможен одноэтапный процесс. Используется ламинатор, который прикрепляет фольгу с помощью вакуума. Газ, который выделяется при расплавлении катализатора
горячего пресса, поглощается. Таким образом может быть достигнута особенно высокая однородность слоев. Используя эту технологическую установку, при необходимости можно изготавливать трехслойное (электрод + мембрана; MEA),
5-слойное (MEA + вспомогательная прокладка) или 7-слойное (MEA + вспомогательная прокладка + газодиффузионный слой) оборудование. На следующем рисунке показан порядок расположения 7 слоев, а также технологическая установка
нашего партнера Shindo Eng. Lab.
| Spezifikation | |
|---|---|
| Film supply method | Roll Feeding type |
| Cutting | Plate Knife Cutting (Sub-gasket, MEA, GDL) |
| Alignment Type | Vision Align (Pre Align, 2ndAlign , Punching Align) |
Crystec Technology Trading GmbH представляет компанию Shindo в Европе и с удовольствием поможет приобрести соответствующий завод.
Твердооксидный топливный элемент (SOFC) работает при температуре 650–1000 ° C и поэтому является частью высокотемпературных топливных элементов. Твердый электролит из оксидной керамики характерен для техники (SOFC). Наиболее часто используемым материалом здесь является оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (YSZ). Можно использовать альтернативный оксид лантан-галия, легированный стронцием и магнием (LSGM), или оксид церия, легированный гадолинием (CGO). Здесь можно достичь КПД до 70%. Электролит в качестве основной части топливного элемента изготавливается в виде трубки или, альтернативно, в виде плоской мембраны. Он должен быть достаточно тонким, чтобы гарантировать перенос ионов кислорода с низкой энергией. Катодный материал может быть изготовлен из перовскитов на основе марганца, например. La0.8Sr0.2MnO3 (LSM). Они привлекательны своей высокой прочностью и устойчивостью к старению. Однако они уязвимы для отравления хромом, которое может быть освобождено от соединений, соединяющих соединения из хромистой стали, и, следовательно, значительно сокращает срок службы. На аноде, напротив, используются такие материалы, как оксид никеля и оксид иттрия, стабилизированный оксид циркония (Ni-YSZ).
Преимущества SOFC
Недостатки SOFC
Стадия разработки
В настоящее время существуют опытные образцы блочных электростанций для стационарного электроснабжения. Здесь может быть достигнута мощность до 250 кВт.
