Nykyään maailma kilpailee kohti kestävän energian tulevaisuutta. Vaikka lopullista voittajaa ei tiedetä, vety on noussut selkeäksi edelläkävijäksi, joka tarjoaa lukuisia mahdollisuuksia energian tuotantoon, jakeluun ja sovelluksiin. Otsikon polttokennojen etujen mysteerin ratkaisemiseksi aloitetaan siitä, mikä on polttokenno ja niiden tyypit, ja sitten löydämme kaiken niiden eduista ja haitoista.
Polttokennot ovat olleet olemassa yli 150 vuotta ja tarjoavat loputtoman, ekologisesti turvallisen ja jatkuvasti saatavilla olevan energialähteen. Joten miksi niitä ei käytetä vielä kaikkialla? Viime aikoihin asti se johtui kustannuksista. Solut olivat kohtuuttoman kalliita valmistaa. Näin ei enää ole.
Mikä on polttokenno?
Polttokenno on sähkökemiallinen laite, joka muuntaa kemiallisen energian käyttökelpoiseksi sähkövirraksi. Jokaisessa polttokennossa on kaksi elektrodia, jotka tunnetaan nimellä anodi ja katodi. Elektrodit ovat paikka, jossa sähköä tuottavat reaktiot tapahtuvat.
Jokaisessa polttokennossa on myös elektrolyytti, joka kuljettaa sähköisesti varattuja hiukkasia elektrodilta toiselle, sekä katalyytti, joka nopeuttaa elektrodien reaktioita. Vaikka vety on peruspolttoaine, polttokennot tarvitsevat myös happea. Yksi polttokennojen houkuttelevimmista puolista on, että ne tuottavat hyvin vähän saastuminen suuri osa vedystä ja hapesta, joita tarvitaan voiman tuottamiseen, sekoittuu lopulta vaarattomaksi sivutuotteeksi, pääasiassa vedeksi.
Yksi polttokenno tuottaa merkityksettömän määrän tasavirtasähköä (DC). Käytännössä useita polttokennoja pinotaan usein yhteen. Käsitteet ovat samat joko solussa tai pinossa. Tämän jälkeen tutkitaan polttokennojen etuja ja haittoja.
4 Polttokennojen edut ja haitat
Sir William Robert Grove, walesilainen tuomari, keksijä ja tiedemies, keksi ensimmäisen polttokennon vuonna 1839. Hän loi sähkön ja veden yhdistämällä vetyä ja happea elektrolyytin läsnä ollessa. Myöhemmin polttokennoksi kutsuttu innovaatio ei tuottanut tarpeeksi sähköä ollakseen hyödyllinen. Joten käydään läpi joitakin polttokentoja hyödyt ja haitat.
edut
1. Latausta ei tarvita
Polttokennoa ei tarvitse ladata uudelleen. Polttokenno voi replikoida energiaa, kunnes se saa polttoainetta.
2. Ei terveysongelmia
Polttokennot eivät ole vaarallisia eivätkä aiheuta terveysongelmia, koska ne eivät tuota savua tai savua toimiessaan.
3. Tehokas
Polttokennot ovat erittäin tehokkaita, koska ne voivat muuttaa kemiallisen energian suoraan sähköenergiaksi. Muihin saatavilla oleviin markkinavaihtoehtoihin verrattuna polttokennot ovat 60 % tehokkaampia.
4. Saasteeton
Polttokennoilla ei ole negatiivista vaikutusta ilmansaasteisiin. Tämä on yksi huomattavimmista eduista muiden polttokennoetujen joukossa. Koska polttokennossa ei ole mekaanisia osia, se on täysin äänetön, joten se ei aiheuta melua.
Jos vetyä käytetään polttoaineena, ainoat havaitut sivutuotteet ovat vesi, lämpö ja sähkö, mikä johtaa maksimaaliseen hyötysuhteeseen eikä haitallisia materiaalipäästöjä.
Haitat
1. Kallis ja ei pitkäkestoinen
Kuten polttokennojen edut, niillä on myös haittoja. Kuten - ne ovat luonteeltaan melko kalliita. Polttokennoilla on lyhyempi käyttöikä.
2. Vaikea säilyttää
Polttokennoja on vaikea varastoida, koska kennoissa käytettävä polttoaine on pidettävä tietyllä lämpötila- ja painetasolla.
3. Turvaton ja vaarallinen
Vety on erittäin syttyvä polttoaine, mikä aiheuttaa selviä turvallisuusongelmia. Vetykaasu palaa ilmassa pitoisuuksina 4-75 %.
4. Vaikea purkaa
Vaikka vety on maailmankaikkeuden runsain alkuaine, se ei ole olemassa yksinään, joten se on kerättävä vedestä elektrolyysillä tai eristettävä hiilipohjaisista fossiilisista polttoaineista. Molemmat lähestymistavat vaativat huomattavan määrän energiaa toteuttaakseen.
Tämä energia voi olla kalliimpaa kuin itse vedystä saatu energia. Lisäksi CCS:n puuttuessa tämä louhinta edellyttää usein fossiilisten polttoaineiden käyttöä, mikä heikentää vedyn ekologisia arvoja.
Mitä erilaisia polttokennoja ovat?
Kun olet oppinut polttokennojen eduista ja haitoista, tutustumme myös erilaisiin polttokennotyyppeihin. Ensisijainen ero polttokennojen välillä on käytetyn elektrolyytin tyyppi. Tämä luokitus määrittelee tyypin:
- Solussa tapahtuvat sähkökemialliset prosessit
- Tarvittavien katalyyttien tyyppi
- Lämpötila-alue, jolla solu toimii
- Tarvittava polttoaine ja muut kriteerit.
Nämä ominaisuudet puolestaan vaikuttavat sovelluksiin, joihin nämä solut sopivat parhaiten. Tällä hetkellä kehitetään useita erilaisia polttokennoja, joista jokaisella on omat etunsa, rajoituksensa ja mahdolliset sovelluksensa. Lisätietoja polttokennotyypeistä alla.
1. Elektrolyyttikalvopolymeeripolttokennot
Polymeerielektrolyyttikalvo (PEM) polttokennoissa, jotka tunnetaan myös nimellä protoninvaihtokalvopolttokennoja, on a suuri tehotiheys ja pieni paino ja tilavuus verrattuna perinteisiin polttokennoihin. PEM-polttokennojen elektrolyytti on kiinteä polymeerija elektrodit ovat huokoista hiiltä ja platina- tai platinaseoskatalyyttiä. Ne tarvitsevat vain vetyä, happea ilmasta ja vettä toimiakseen. Niitä käytetään tyypillisesti puhtaalla vedyllä, joka saadaan varastosäiliöistä tai reformereista.
PEM polttokennot toiminto klo alhaiset lämpötilat, tyypillisesti noin 80 °C (176 °F). Alhaisen lämpötilan käyttö mahdollistaa niiden nopean käynnistymisen (lyhentyneellä lämpenemisajalla) ja vähentää järjestelmän osien kulumista, mikä lisää kestävyyttä. Se edellyttää kuitenkin jalometallikatalyytin (yleensä platina) käyttöä vedyn elektronien ja protonien erottamiseen, mikä nostaa järjestelmän kustannuksia. Koska platinakatalyytti on erityisen herkkä hiilimonoksidimyrkytykselle, tarvitaan ylimääräinen reaktori hiilimonoksidin poistamiseksi polttokaasusta, jos vetyä tuotetaan hiilivetypolttoaineesta. Tämä reaktori on myös kallis.
PEM-polttokennot ovat enimmäkseen työllistetty vuonna kuljetukseen ja joihinkin kiinteisiin sovelluksiin. PEM-polttokennot soveltuvat erityisen hyvin käytettäväksi autoissa, kuten autoissa, linja-autoissa ja raskaissa kuorma-autoissa.
2. Kennot suoralle metanolipolttoaineelle
Useimmat polttokennot käyttävät vetyä, joka voidaan toimittaa suoraan järjestelmään tai luoda järjestelmän sisällä reformoimalla vetyä sisältäviä polttoaineita, kuten metanolia, etanolia ja hiilivetypolttoaineita. Suorat metanolipolttokennot (DMFC) ovat kuitenkin polttoaineena puhdas metanoli, joka tyypillisesti yhdistetään veteen ja toimitetaan suoraan polttokennon anodille.
Koska metanolissa on a korkeampi energiatiheys kuin vety, mutta vähemmän kuin bensiini tai dieselpolttoaine. Suorat metanolipolttokennot välttävät monia polttoaineen varastointiongelmia, jotka vaivaavat joitakin polttokennojärjestelmiä. Koska metanoli on bensiinin tapaan nestettä, se on myös helpompi kuljettaa ja toimittaa yleisölle nykyisen infrastruktuurimme avulla. DMFC-yhdisteitä käytetään usein kannettavien polttokennosovellusten, kuten matkapuhelimien ja kannettavien tietokoneiden, virtalähteenä.
3. Kennot alkaliselle polttoaineelle
Alkaliset polttokennot (AFC) olivat ensimmäisiä keksittyjä polttokennoteknologioita, ja ne olivat ensimmäinen tyyppi, jota käytettiin laajalti Yhdysvaltojen avaruusohjelmassa sähköenergian ja veden tuottamiseen avaruusaluksissa. Näiden polttokennojen elektrolyytti on a kaliumhydroksidin liuos vedessä, ja anodi ja katodi voivat olla useita ei-jalometalleja.
Yksi merkittävä haaste tälle polttokennotyypille on, että se on altis hiilidioksidimyrkytys (CO2). Itse asiassa jopa pienet hiilidioksidimäärät ilmassa voivat vaikuttaa merkittävästi solujen suorituskykyyn ja kestävyyteen karbonaattituotannon vuoksi. Nestemäisiä elektrolyyttejä sisältäviä alkalikennoja voidaan käyttää kierrätystilassa, mikä mahdollistaa elektrolyytin regeneraation, mikä auttaa vähentämään karbonaattituotannon vaikutuksia elektrolyytissä, mutta myös aiheuttaa ja ohittaa virtavaikeuksia.
Lisäongelmat nestemäisten elektrolyyttijärjestelmien kanssa ovat kostuvuus, lisääntynyt korroosio ja vaikeudet paine-eron hallinnassa. Näihin ongelmiin puututaan alkalikalvopolttokennoilla (AMFC), jotka ovat vähemmän herkkiä CO2-myrkytykselle kuin nestemäiset elektrolyytti-AFC:t. Hiilidioksidilla on kuitenkin edelleen vaikutusta suorituskykyyn, ja AMFC:iden suorituskyky ja kestävyys jäävät PEMFC:n jälkeen.
AMFC:tä tutkitaan sovellukset W:stä kW:iin. Hiilidioksidin sietokyky, kalvon johtavuus ja kestävyys, korkeammissa lämpötiloissa käyttö, vedenhallinta, tehotiheys ja anodielektrokatalyysi ovat kaikki haasteita AMFC:lle.
4. Fosforihapon solut
PAFC:t käytä nestemäistä fosforihappoa elektrolyyttinä (happoa pidetään teflonilla sidotussa piikarbidimatriisissa) ja huokoisia hiilielektrodeja platinakatalyytillä. Oikealla oleva kaavio kuvaa kennossa tapahtuvia sähkökemiallisia reaktioita.
PAFC on tunnettu "ensimmäisen sukupolven" nykyaikainen polttokenno. Se on yksi kehittyneimmistä solutyypeistä ja ensimmäinen kaupallistettu. Vaikka tämän tyyppistä polttokennoa käytetään tavallisesti kiinteän sähkön tuottamiseen, joitain PAFC:itä on käytetty suurten ajoneuvojen, kuten kaupunkibussien, voimanlähteenä.
PAFC:t ovat kestävämpi reformoitujen fossiilisten polttoaineiden epäpuhtauksiin kuin PEM-kennoissa, jotka ovat helposti "myrkytyksiä" hiilimonoksidilla, koska hiilimonoksidi sitoutuu platinakatalyytiin anodilla ja heikentää polttokennon tehokkuutta. PAFC:t ovat yli 85 % tehokkaita, kun niitä käytetään sekä sähkön että lämmön tuottamiseen, mutta ne ovat vähemmän tehokkaita, kun niitä käytetään tuottamaan vain sähköä (37–42 %).
tehokkuus PAFC-yhdisteiden osuus on vain jonkin verran korkeampi kuin polttovoimaloissa, jotka toimivat normaalisti noin 33 prosentin hyötysuhteella. Samalla painolla ja tilavuudella PAFC:t ovat myös vähemmän tehokkaita kuin muut polttokennot. Näin ollen nämä polttokennot ovat tyypillisesti suuria ja painavia. PAC:t ovat myös kalliita. Ne vaativat huomattavasti suurempia platinakatalyyttikuormituksia kuin muut polttokennojen muodot, mikä nostaa kustannuksia.
5. Polttokennot sulalle karbonaatille
Sulatettuja karbonaattipolttokennoja (MCFC:t) kehitetään maakaasu- ja hiilivoimaloihin sekä sähkö-, teollisuus- ja sotilaskäyttöön. MCFC:t ovat korkean lämpötilan polttokennoja käytä elektrolyyttiä, joka koostuu sulaista karbonaattisuoloista kelluu huokoisessa, kemiallisesti inertissä keraamisessa litiumalumiinioksidimatriisissa. Ei-jalometalleja voidaan käyttää katalyytteinä anodilla ja katodilla, koska ne toimivat korkeissa 650 °C:n (noin 1,200 °F) lämpötiloissa.
Toinen syy, miksi MCFC:t tarjoavat merkittäviä kustannussäästöjä verrattuna fosforihappopolttokennoihin, on parantunut tehokkuus. Yhdistettynä turbiiniin sulat karbonaattipolttokennot voivat saavuttaa 65 %:n hyötysuhteen, mikä on huomattavasti suurempi kuin fosforihappopolttokennojen 37-42 %:n hyötysuhteet. Kokonaispolttoainetehokkuus voi ylittää 85 %, kun hukkalämpö otetaan talteen ja hyödynnetään.
MCFC:t eivät vaadi ulkoista uudistajaa muuttaa maakaasua ja biokaasua vedyksi. Koska MCFC:t toimivat korkeissa lämpötiloissa, näiden polttoaineiden metaani ja muut kevyet hiilivedyt muuttuvat vedyksi itse polttokennossa sisäisenä reformointina tunnetun prosessin kautta, mikä myös säästää rahaa.
Nykyisen MCFC-tekniikan perustavanlaatuinen haittapuoli on sen lyhyt käyttöikä. Näiden kennojen korkeat käyttölämpötilat sekä käytetty emäksinen elektrolyytti nopeuttavat komponenttien hajoamista ja korroosiota, mikä lyhentää kennon käyttöikää. Tutkijat tutkivat parhaillaan komponenttien korroosionkestäviä materiaaleja sekä polttokennojen malleja, jotka voivat kaksinkertaistaa kennon käyttöiän nykyisestä 40,000 XNUMX tunnista (viisi vuotta) suorituskyvystä tinkimättä.
6. Kennot kiinteää oksidia polttoainetta varten
Kiinteissä oksidipolttokennoissa (SOFC) elektrolyytti on tiheää, ei-huokoista keramiikkaa. SOFC:t muuttavat polttoainetta sähköksi noin 60 %:n hyötysuhteella. Polttoaineen kokonaishyötysuhde voi ylittää 85 % järjestelmissä, jotka on tarkoitettu talteen ja hyödyntämään järjestelmän hukkalämpöä (yhteistuotanto).
SOFC:t toimii erittäin korkeissa lämpötiloissa, jopa 1,000 1,830 °C (XNUMX XNUMX °F). Käyttö korkeassa lämpötilassa eliminoi jalometallikatalysaattorin tarpeen, mikä alentaa kustannuksia. Sen avulla SOFC:t voivat myös uudistaa polttoaineita sisäisesti, jolloin ne voivat käyttää laajempaa polttoainevalikoimaa ja alentaa reformerin lisäämisen kustannuksia järjestelmään.
SOFC:t ovat myös rikinkestävimpiä polttokennoja, jotka kestävät suuruusluokkaa enemmän rikkiä kuin muut kennotyypit. Niitä ei myöskään vahingoita hiilimonoksidi, jota voidaan käyttää jopa polttoaineena. Tämän ominaisuuden ansiosta SOFC:t voivat käyttää maakaasua, biokaasua ja hiiliperäisiä kaasuja. Korkeissa lämpötiloissa toimimisessa on haittoja.
Se aiheuttaa käynnistyksen viivästymisen ja vaatii laajaa lämpösuojausta lämmön säilyttämiseksi ja työntekijöiden suojaamiseksi, mikä on hyvä hyötykäyttöön, mutta ei kuljetukseen. Koska korkeat käyttölämpötilat, materiaalien on täytettävä tiukat kestävyysstandardit. Tämän tekniikan ensisijainen tekninen vaikeus on sellaisten edullisien materiaalien kehittäminen, jotka kestävät hyvin kennojen käyttölämpötiloissa.
Tutkijat tutkivat nyt mahdollisuutta rakentaa alemman lämpötilan SOFC:itä, jotka toimivat 700 °C:ssa tai sen alapuolella, joilla on vähemmän kestävyysongelmia ja jotka ovat halvempia. Alemman lämpötilan SOFC:t eivät ole vielä verrattavissa korkeampien lämpötilojen järjestelmien suorituskykyyn, ja pinomateriaaleja tälle alhaisemman lämpötilan alueelle kehitetään edelleen.
7. Käännettävät polttokennot
Käännettävät polttokennot, kuten perinteiset polttokennot, tuottavat sähköä vedystä ja hapesta ja tuottavat samalla lämpöä ja vettä sivutuotteina. Käännettävät polttokennojärjestelmät sen sijaan voi käyttää sähköä aurinko-, tuuli- tai muut lähteet veden jakamiseksi hapeksi ja vedyksi polttoaineeksi prosessin avulla, joka tunnetaan nimellä elektrolyysi.
Käännettävät polttokennot voivat tuottaa sähköä Kun sitä tarvitaan, mutta muiden tekniikoiden tuottaman suuren tehon aikana (esimerkiksi kun voimakkaat tuulet johtavat käytettävissä olevan tuulivoiman ylijäämiseen), käännettävät polttokennot voivat varastoida ylimääräisen energian vedyn muodossa. Tällä energian varastointikyvyllä on potentiaalia muuttaa uusiutuvan energian teknologiaa. Tämän jälkeen opitaan polttokennojen toimintaperiaatteesta.
Katso myös: Intian 3 parasta vihreän energian osaketta
Mikä on polttokennon toimintaperiaate?
Kun olet oppinut polttokennojen eduista, sinun tulee oppia myös polttokennojen toimintaperiaate. Polttokenno on koostuu kaksi elektrodia, anodi ja katodi, jotka on erotettu elektrolyyttikalvolla. Vetyä, metaania, etaania, etanolia ja muita orgaanisia polttoaineita voidaan käyttää polttokennossa sähkön tuottamiseen. Nämä polttoaineet palavat epätäydellisesti ja vapauttavat lämpöä sivutuotteena. Suurin osa näistä reaktioista on luonteeltaan redox-yhdisteitä ja muodostaa sivutuotteina vettä ja hiilidioksidia.
Elektronien kuljetus redox-reaktioissa johtaa kemiallisen energian muuntamiseen sähköenergiaksi. Elektrodien välissä on elektrolyyttiaine. Polttoaine toimitetaan jokaiselle elektrodille erikseen. Oletetaan, että polttokennossa vetyä johdetaan anodille ja ilmaa syötetään katodille. Tässä tapauksessa kennon anodipuolen katalyytti pyrkii hajottamaan vetymolekyylit pienemmiksi hiukkasiksi, kuten protoneiksi ja elektroneiksi.
Molemmat elementit yrittävät kulkea kohti katodia erillisiä reittejä pitkin. Elektronit seuraavat ulkoista kanavaa katodille antaen virtaa, kun taas protonit kulkevat elektrolyyttikalvon läpi katodille, jossa ne reagoivat happimolekyylien ja elektronien kanssa muodostaen vettä ja lämpöä sivutuotteina.
Lue myös: Yli 30 parasta uusiutuvan energian yritystä Intiassa
Luettele joitakin polttokennosovelluksia
Katsotaanpa kymmentä vetypolttokennojen käyttötapaa, joista et ehkä ole tietoinen!
1. Varastonhallinta: Useat suuret varasto- ja jakeluorganisaatiot ovat siirtymässä vetypolttokennoihin puhtaiden kuorma-autojen, trukkien, lavanostureiden ja muiden laitteiden käyttämiseksi.
2. Kansainvälinen jakelu: Polttokennoissa on kaukokuljetuksiin ja paikalliseen jakeluun tarvittava kantama ja teho. Nikola, Hyundai, Toyota, Kenworth ja UPS valmistavat jo vetykäyttöisiä puolikuorma-autoja ja pakettiautoja.
3. Bussit: Vetyvoimaa tutkitaan käytettäväksi erilaisissa joukkoliikennemuodoissa, mukaan lukien vetypolttokennobussit. Useat suuret kaupungit ovat kokeilleet vetykäyttöisiä busseja, mukaan lukien Chicago, Vancouver, Lontoo ja Peking.
4. Junat: Vetypolttokennojunat ovat nyt saapuneet Saksaan, ja lisää tyyppejä odotetaan saapuvan Yhdistyneeseen kuningaskuntaan, Ranskaan, Italiaan, Japaniin, Etelä-Koreaan ja Yhdysvaltoihin seuraavan viiden vuoden aikana.
5. Yksittäiset ajoneuvot: Yhdeksän suurta autonvalmistajaa työskentelee vetypolttokennosähköautojen (HFCEV) parissa henkilökohtaiseen käyttöön. Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo ja BMW I Hydrogen Next ovat merkittäviä malleja.
6. Lentokoneet: Useat kokeelliset hankkeet, mukaan lukien Pathfinder- ja Helios-prototyypit, ovat tutkineet vetypolttokennojen käyttöä ilmailussa. Nämä pitkän matkan miehittämättömät ajoneuvot käyttivät hybridijärjestelmää, jossa oli vetypolttokennoja, jotka toimivat aurinkopaneelien avulla, mikä mahdollisti teoriassa rajattoman jatkuvan päivä- ja yölennon.
7. Varavirran luominen: Kiinteitä polttokennoja käytetään UPS-järjestelmissä, joissa jatkuva käyttöaika on tärkeää. Sairaalat ja datakeskukset käyttävät yhä useammin vetyä keskeytymättömässä virransyötössä. Microsoft julkaisi äskettäin uutisia uusien vetyvarmistusgeneraattoreidensa onnistuneesta testistä, joka antoi yhden datakeskuksen palvelimen toimia vain vedyllä kahden päivän ajan.
8. Mobiilivoiman tuottaminen: Vety tarjoaa lukuisia vaihtoehtoja liikkuvaan sähköntuotantoon. NASA itse asiassa tuotti joitakin ensimmäisistä vetypolttokennoista raketteja ja avaruussukkuloita varten avaruudessa.
9. Miehittämättömät ilma-alukset (UAV): Monia UAV:iden (eli droonien) innovatiivisia sovelluksia pakettien toimituksesta etsintä- ja pelastustehtäviin haittaavat vakavasti standardiakkujen teho ja kantama. Sekä armeija että yksityiset yritykset aikovat ratkaista nämä ongelmat vetypolttokennoilla, joissa on jopa kolme kertaa enemmän akkukäyttöisiä laitteita. Polttokennot tarjoavat suuremman energia-massasuhteen ja ne voidaan ladata muutamassa minuutissa.
10. Veneet ja sukellusveneet: Vetypolttokennoja käytetään erilaisissa merisovelluksissa. Jotkut veneet, kuten Energy Observer, jopa luovat oman vetynsä polttokennojärjestelmää varten käyttämällä laivan aurinkopaneeleja ja tuuliturbiineja. Vetypolttokennot tarjoavat vaihtoehdon ydinvoima sotilaallisiin varkaisiin sukellusveneisiin, kuten saksalaiseen Type 212:een, suurella kantamalla, hiljaisella risteilyllä ja vähäisellä pakokaasulämpöllä.
Polttokennot ovat lupaava korvike nykypäivän autojen polttoaineille. Vaikka tietyt tekniikan osat, kuten tehokas sisäinen varastointi, vaativat enemmän kehittämistä, ei ole mitään syytä, miksi polttokennoista ei voi tulla yhtä kätevää ja houkuttelevaa kuljetuspolttoainetta kuin dieselistä tai bensiinistä nykyään on. Toivon, että tämän artikkelin avulla oli helppo ymmärtää polttokennojen edut ja haitat. Jaa kysymyksesi kommenttiosiossa.
Suositus: Vuorovesienergian edut ja haitat
