Dzisiaj świat ściga się w kierunku przyszłości zrównoważonej energii. Chociaż ostateczny zwycięzca jest nieznany, wodór wyłonił się jako wyraźny faworyt, zapewniając liczne możliwości produkcji, dystrybucji i zastosowania energii. Aby rozwiązać zagadkę tytułowych zalet ogniw paliwowych, zacznijmy od tego, czym są ogniwa paliwowe i jakie są ich typy, a następnie odkryjemy wszystko o ich zaletach i wadach.
Ogniwa paliwowe istnieją od ponad 150 lat i stanowią nieskończone, ekologicznie bezpieczne i stale dostępne źródło energii. Dlaczego więc nie są jeszcze wszędzie stosowane? Do niedawna powodem był koszt. Produkcja ogniw była niebotycznie droga. Teraz już tak nie jest.
Czym jest ogniwo paliwowe?
Ogniwo paliwowe to urządzenie elektrochemiczne, które zamienia energię chemiczną na użyteczny prąd elektryczny. Każde ogniwo paliwowe ma dwie elektrody, znane jako anoda i katoda. Elektrody to miejsca, w których zachodzą reakcje generujące elektryczność.
Każde ogniwo paliwowe ma również elektrolit, który transportuje naładowane elektrycznie cząstki z jednej elektrody do drugiej, a także katalizator, który przyspiesza reakcje na elektrodach. Chociaż wodór jest najbardziej podstawowym paliwem, ogniwa paliwowe wymagają również tlenu. Jednym z najbardziej atrakcyjnych aspektów ogniw paliwowych jest to, że wytwarzają one bardzo mało Zanieczyszczenie większość wodoru i tlenu potrzebnych do wytworzenia energii ostatecznie miesza się, tworząc nieszkodliwy produkt uboczny, którym jest głównie woda.
Pojedyncze ogniwo paliwowe wytwarza pomijalną ilość prądu stałego (DC). W praktyce wiele ogniw paliwowych jest często układanych w stosy. Koncepcje są takie same, niezależnie od tego, czy chodzi o ogniwo, czy o stos. Następnie przyjrzyjmy się zaletom i wadom ogniw paliwowych.
4 zalety i wady ogniw paliwowych
Sir William Robert Grove, walijski sędzia, wynalazca i naukowiec, wynalazł pierwsze ogniwo paliwowe w 1839 r. Stworzył elektryczność i wodę, łącząc wodór i tlen w obecności elektrolitu. Innowacja, później znana jako ogniwo paliwowe, nie generowała wystarczająco dużo elektryczności, aby być użyteczną. Przyjrzyjmy się zatem niektórym ogniwom paliwowym zalety i wady.
Zalety
1. Nie wymaga ładowania
Ogniwo paliwowe nie musi być ładowane. Ogniwo paliwowe może replikować energię, dopóki nie zostanie zaopatrzone w paliwo.
2. Brak problemów zdrowotnych
Ogniwa paliwowe nie są niebezpieczne i nie powodują problemów zdrowotnych, ponieważ podczas pracy nie wytwarzają dymu ani smogu.
3. Wydajny
Ogniwa paliwowe są niezwykle wydajne, ponieważ mogą przekształcać energię chemiczną bezpośrednio w energię elektryczną. W porównaniu do innych dostępnych na rynku alternatyw, ogniwa paliwowe są o 60% bardziej wydajne.
4. Bez zanieczyszczeń
Ogniwa paliwowe nie mają negatywnego wpływu na zanieczyszczenie powietrza. Jest to jedna z najbardziej zauważalnych zalet wśród innych zalet ogniw paliwowych. Ponieważ ogniwo paliwowe nie ma żadnych części mechanicznych, jest całkowicie ciche, a zatem nie powoduje hałasu.
Jeżeli jako paliwo wejściowe stosuje się wodór, jedynymi zauważalnymi produktami ubocznymi są woda, ciepło i energia elektryczna, co zapewnia maksymalną wydajność i brak emisji szkodliwych materiałów.
Wady
1. Drogie i nietrwałe
Podobnie jak zalety ogniw paliwowych, mają one również wady. Na przykład są dość drogie z natury. Ogniwa paliwowe mają krótszą żywotność.
2. Trudne do przechowywania
Ogniwa paliwowe są trudne do przechowywania, ponieważ paliwo wykorzystywane w ogniwach musi być utrzymywane w określonej temperaturze i ciśnieniu.
3. Niebezpieczne i niebezpieczne
Wodór jest bardzo łatwopalnym paliwem, co stwarza oczywiste problemy bezpieczeństwa. W powietrzu gaz wodorowy pali się w stężeniach od 4 do 75%.
4. Trudne do wydobycia
Pomimo tego, że jest najliczniejszym pierwiastkiem we Wszechświecie, wodór nie istnieje sam w sobie, dlatego musi być zbierany z wody przez elektrolizę lub izolowany z paliw kopalnych na bazie węgla. Oba te podejścia wymagają znacznej ilości energii, aby je ukończyć.
Energia ta może być droższa niż ta uzyskana z samego wodoru. Ponadto, w przypadku braku CCS, ta ekstrakcja często wymaga użycia paliw kopalnych, co podważa ekologiczne referencje wodoru.
Jakie są rodzaje ogniw paliwowych?
Po zapoznaniu się z zaletami i wadami ogniw paliwowych, poznajmy również różne rodzaje ogniw paliwowych. Podstawową różnicą między ogniwami paliwowymi jest rodzaj użytego elektrolitu. Klasyfikacja ta definiuje typ:
- Procesy elektrochemiczne zachodzące w komórce
- Rodzaj potrzebnych katalizatorów
- Zakres temperatur, w którym działa komórka
- Wymagane paliwo i inne kryteria.
Te właściwości z kolei wpływają na zastosowania, do których te ogniwa są najbardziej odpowiednie. Obecnie opracowywanych jest kilka rodzajów ogniw paliwowych, z których każde ma swój własny zestaw zalet, ograniczeń i możliwych zastosowań. Dowiedz się więcej o typach ogniw paliwowych poniżej.
1. Ogniwa paliwowe z membraną elektrolityczną
Membrana polimerowo-elektrolitowa Ogniwa paliwowe (PEM), znane również jako ogniwa paliwowe z membraną wymiany protonów, mają duża gęstość mocy i mała masa i objętość w porównaniu do konwencjonalnych ogniw paliwowych. Elektrolit ogniw paliwowych PEM jest stały polimer, a elektrody są z porowatego węgla z katalizatorem platynowym lub ze stopu platyny. Do działania potrzebują jedynie wodoru, tlenu z powietrza i wody. Zazwyczaj są zasilane czystym wodorem dostarczanym przez zbiorniki magazynowe lub reformatory.
Ogniwa paliwowe PEM funkcja o godz niskie temperatury, zwykle około 80°C (176°F). Praca w niskiej temperaturze umożliwia ich szybki start (z krótszym czasem nagrzewania) i skutkuje mniejszym zużyciem podzespołów systemu, co przekłada się na większą trwałość. Wymaga jednak użycia katalizatora z metalu szlachetnego (zwykle platyny) w celu oddzielenia elektronów i protonów wodoru, co podnosi koszt systemu. Ponieważ katalizator platynowy jest szczególnie wrażliwy na zatrucie tlenkiem węgla, wymagany jest dodatkowy reaktor w celu usunięcia tlenku węgla z gazu paliwowego, jeśli wodór jest produkowany z paliwa węglowodorowego. Ten reaktor jest również drogi.
Ogniwa paliwowe PEM są w większości zatrudniony w transport i niektóre zastosowania stacjonarne. Ogniwa paliwowe PEM są szczególnie dobrze przystosowane do zastosowań motoryzacyjnych, takich jak samochody, autobusy i ciężarówki.
2. Ogniwa do bezpośredniego paliwa metanolowego
Większość ogniw paliwowych jest zasilana wodorem, który może być dostarczany bezpośrednio do systemu lub wytwarzany w systemie poprzez reformowanie paliw bogatych w wodór, takich jak metanol, etanol i paliwa węglowodorowe. Jednak ogniwa paliwowe z bezpośrednim metanolem (DMFC) są zasilany czystym metanolem, który zwykle łączy się z wodą i dostarcza bezpośrednio do anody ogniwa paliwowego.
Ponieważ metanol ma wyższa gęstość energii niż wodór, ale mniej niż benzyna lub olej napędowy. Ogniwa paliwowe na metanol pozwalają uniknąć wielu problemów z magazynowaniem paliwa, które dotykają niektóre systemy ogniw paliwowych. Ponieważ metanol jest cieczą, podobnie jak benzyna, łatwiej jest go transportować i dostarczać do odbiorców za pomocą naszej obecnej infrastruktury. DMFC są często wykorzystywane do zasilania przenośnych ogniw paliwowych, takich jak telefony komórkowe i laptopy.
3. Ogniwa na paliwo alkaliczne
Ogniwa paliwowe alkaliczne (AFC) były jednymi z pierwszych wynalezionych technologii ogniw paliwowych i były pierwszym typem szeroko stosowanym w amerykańskim programie kosmicznym do generowania energii elektrycznej i wody na pokładzie statku kosmicznego. Elektrolit w tych ogniwach paliwowych jest roztwór wodorotlenku potasu w wodzie, a anoda i katoda mogą być wykonane z szeregu metali nieszlachetnych.
Jednym ze znaczących wyzwań dla tego typu ogniw paliwowych jest to, że podatne na zatrucie dwutlenkiem węgla (CO2). W rzeczywistości nawet śladowe ilości CO2 w powietrzu mogą mieć znaczący wpływ na wydajność i trwałość ogniwa ze względu na produkcję węglanów. Ogniwa alkaliczne z ciekłymi elektrolitami mogą być eksploatowane w trybie recyrkulacji, co umożliwia regenerację elektrolitu, aby pomóc zmniejszyć wpływ produkcji węglanów w elektrolicie, ale również wprowadza i utrudnia prąd bocznikowy.
Dodatkowe kwestie z systemami z ciekłym elektrolitem obejmują zwilżalność, zwiększoną korozję i trudności w kontrolowaniu różnic ciśnień. Trudności te są rozwiązywane przez alkaliczne ogniwa paliwowe membranowe (AMFC), które są mniej podatne na zatrucie CO2 niż AFC z ciekłym elektrolitem. Jednak CO2 nadal ma wpływ na wydajność, a wydajność i trwałość AMFC pozostają w tyle za PEMFC.
Komórki AMFC są badane pod kątem aplikacje od W do kW. Tolerancja na dwutlenek węgla, przewodnictwo i trwałość membrany, praca w wyższych temperaturach, zarządzanie wodą, gęstość mocy i elektrokataliza anodowa to wszystko wyzwania dla AMFC.
4. Komórki kwasu fosforowego
PAFC użyj płynnego kwasu fosforowego jako elektrolitu (kwas jest utrzymywany w matrycy z węglika krzemu połączonej teflonem) i porowatych elektrod węglowych z katalizatorem platynowym. Diagram po prawej stronie przedstawia reakcje elektrochemiczne zachodzące w ogniwie.
PAFC jest uważany za współczesne ogniwo paliwowe „pierwszej generacji”. Jest to jeden z najbardziej rozwiniętych rodzajów ogniw i pierwszy, który został skomercjalizowany. Chociaż ten typ ogniwa paliwowego jest zwykle używany do generowania energii stacjonarnej, niektóre ogniwa PAFC były używane do zasilania dużych pojazdów, takich jak autobusy miejskie.
PAFC to bardziej odporny do zanieczyszczeń w paliwach kopalnych poddanych reformingowi niż ogniwa PEM, które są łatwo „zatruwane” tlenkiem węgla, ponieważ tlenek węgla wiąże się z katalizatorem platynowym na anodzie, zmniejszając wydajność ogniwa paliwowego. Ogniwa PAFC są wydajne w ponad 85%, gdy są używane do wytwarzania zarówno energii elektrycznej, jak i ciepła, ale są mniej wydajne, gdy są używane do wytwarzania wyłącznie energii elektrycznej (37%–42%).
efektywność PAFC jest tylko nieznacznie wyższa niż w przypadku elektrowni spalinowych, które normalnie działają z wydajnością około 33%. Biorąc pod uwagę tę samą wagę i objętość, PAFC są również mniej wydajne niż inne ogniwa paliwowe. Zatem te ogniwa paliwowe są zazwyczaj duże i ciężkie. PAC są również kosztowne. Wymagają znacznie większych obciążeń katalizatora platynowego niż inne rodzaje ogniw paliwowych, co podnosi koszty.
5. Ogniwa paliwowe do stopionego węglanu
Ogniwa paliwowe na stopiony węglan (MCFC) są opracowywane dla elektrowni gazowych i węglowych, a także do zastosowań w energetyce, przemyśle i wojsku. Ogniwa paliwowe MCFC to wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe, które użyj elektrolitu składającego się z roztopionych soli węglanowych pływające w porowatej, chemicznie obojętnej ceramicznej matrycy tlenku glinu i litu. Metale nieszlachetne mogą być stosowane jako katalizatory na anodzie i katodzie, ponieważ pracują w wysokich temperaturach 650°C (około 1,200°F).
Innym powodem, dla którego ogniwa paliwowe MCFC oferują znaczne oszczędności kosztów w porównaniu z ogniwami paliwowymi na bazie kwasu fosforowego, jest poprawiona wydajność. W połączeniu z turbiną ogniwa paliwowe na stopiony węglan mogą osiągnąć sprawność zbliżoną do 65%, co jest znacznie więcej niż sprawność 37%-42% ogniw paliwowych na kwas fosforowy. Całkowita sprawność paliwowa może przekroczyć 85%, gdy ciepło odpadowe zostanie odzyskane i wykorzystane.
MCFC nie wymagają zewnętrznego reformatora do przekształcania gazu ziemnego i biogazu w wodór. Ponieważ ogniwa paliwowe MCFC działają w wysokich temperaturach, metan i inne lekkie węglowodory w tych paliwach są przekształcane w wodór w samym ogniwie paliwowym za pośrednictwem procesu znanego jako reformowanie wewnętrzne, co również pozwala zaoszczędzić pieniądze.
Podstawową wadą istniejącej technologii MCFC jest jej Krótki okres żywotności. Wysokie temperatury pracy tych ogniw, wraz z zastosowanym żrącym elektrolitem, przyspieszają rozkład komponentów i korozję, skracając żywotność ogniw. Naukowcy obecnie badają materiały odporne na korozję dla komponentów, a także projekty ogniw paliwowych, które mogą podwoić żywotność ogniw z obecnych 40,000 XNUMX godzin (pięciu lat) bez uszczerbku dla wydajności.
6. Ogniwa na paliwo stałe tlenkowe
W ogniwach paliwowych z tlenkiem stałym (SOFC) elektrolit jest gęstą, nieporowatą ceramiką. SOFC przetwarzają paliwo na energię elektryczną z wydajnością około 60%. Całkowita wydajność wykorzystania paliwa może przekroczyć 85% w systemach przeznaczonych do wychwytywania i wykorzystywania ciepła odpadowego systemu (kogeneracja).
SOFC działają w ekstremalnie wysokich temperaturach, do 1,000°C (1,830°F). Praca w wysokiej temperaturze eliminuje potrzebę stosowania katalizatora z metali szlachetnych, co obniża koszty. Umożliwia również ogniwom SOFC wewnętrzną reformę paliw, co pozwala im na stosowanie szerszego zakresu paliw i obniża koszty dodawania reformatora do systemu.
SOFC są również najbardziej odpornym na siarkę rodzajem ogniw paliwowych, zdolnym wytrzymać rzędy wielkości więcej siarki niż inne typy ogniw. Ponadto nie są one szkodliwe dla tlenku węgla, który może być nawet używany jako paliwo. Ta cecha umożliwia SOFC wykorzystywanie gazu ziemnego, biogazu i gazów pochodzących z węgla. Istnieją wady pracy w wysokich temperaturach.
Powoduje opóźniony start i wymaga rozległej osłony termicznej w celu zachowania ciepła i ochrony pracowników, co jest dobre dla celów użytkowych, ale nie dla transportu. Ze względu na wysokie temperatury pracy, materiały muszą spełniać surowe normy trwałości. Podstawową trudnością techniczną tej technologii jest opracowanie tanich materiałów o wysokiej wytrzymałości w temperaturach roboczych ogniw.
Naukowcy badają obecnie możliwość budowy ogniw SOFC o niższej temperaturze, które działają w temperaturze 700°C lub niższej, mają mniej problemów z trwałością i są tańsze. Ogniwa SOFC o niższej temperaturze nie dorównały jeszcze wydajności systemów o wyższej temperaturze, a materiały do układania w stosy dla tego niższego zakresu temperatur są nadal opracowywane.
7. Odwracalne ogniwa paliwowe
Odwracalne ogniwa paliwowe, podobnie jak konwencjonalne ogniwa paliwowe, wytwarzają energię elektryczną z wodoru i tlenu, a także wytwarzają ciepło i wodę jako produkty uboczne. Z drugiej strony odwracalne systemy ogniw paliwowych można używać prądu z energię słoneczną, wiatrową lub inne źródła, które rozkładają wodę na tlen i wodór w procesie znanym jako elektroliza.
Odwracalne ogniwa paliwowe mogą produkować energię elektryczną gdy jest to wymagane, ale w okresach dużej mocy wyjściowej z innych technologii (na przykład, gdy silne wiatry powodują nadmiar dostępnej mocy wiatrowej), odwracalne ogniwa paliwowe mogą magazynować nadmiar energii w postaci wodoru. Ta zdolność magazynowania energii ma potencjał, aby zmienić zasady gry dla technologii energii odnawialnej o charakterze przerywanym. Następnie poznajmy zasadę działania ogniw paliwowych.
Zobacz także: 3 najlepsze akcje zielonej energii w Indiach
Jaka jest zasada działania ogniw paliwowych?
Po zapoznaniu się z zaletami ogniw paliwowych, powinieneś również poznać zasadę działania ogniw paliwowych. Ogniwo paliwowe to składa się z dwie elektrody, anoda i katoda rozdzielone membraną elektrolityczną. Wodór, metan, etan, etanol i inne paliwa organiczne mogą być wykorzystywane w ogniwie paliwowym do wytwarzania energii elektrycznej. Te paliwa ulegają niepełnemu spalaniu i wydzielają ciepło jako produkt uboczny. Większość tych reakcji ma charakter redoks i tworzy wodę i dwutlenek węgla jako produkty uboczne.
Transport elektronów w reakcjach redoks powoduje konwersję energii chemicznej na energię elektryczną. Pomiędzy elektrodami znajduje się substancja elektrolityczna. Paliwo jest dostarczane do każdej elektrody oddzielnie. Załóżmy, że w ogniwie paliwowym wodór jest dostarczany do anody, a powietrze jest podawane do katody. W tym przypadku katalizator po stronie anody ogniwa ma tendencję do rozkładania cząsteczek wodoru na mniejsze cząstki, takie jak protony i elektrony.
Oba elementy próbują dotrzeć do katody różnymi drogami. Elektrony podążają zewnętrznym kanałem do katody, dostarczając prąd, podczas gdy protony przechodzą przez membranę elektrolitu do katody, gdzie reagują z cząsteczkami tlenu i elektronami, tworząc wodę i ciepło jako produkty uboczne.
Przeczytaj także: 30+ najlepszych firm zajmujących się energią odnawialną w Indiach
Wymień niektóre zastosowania ogniw paliwowych
Przyjrzyjmy się dziesięciu zastosowaniom ogniw paliwowych wodorowych, o niektórych możesz nie wiedzieć!
1. Zarządzanie magazynem: Coraz więcej dużych przedsiębiorstw zajmujących się magazynowaniem i dystrybucją decyduje się na wykorzystanie ogniw paliwowych wodorowych do zasilania ekologicznych ciężarówek, wózków widłowych, wózków paletowych i innego sprzętu.
2. Dystrybucja międzynarodowa: Ogniwa paliwowe mają zasięg i moc potrzebną do transportu dalekobieżnego i lokalnej dystrybucji. Nikola, Hyundai, Toyota, Kenworth i UPS już produkują ciężarówki i furgonetki zasilane wodorem.
3. Autobusy: Energia wodorowa jest badana pod kątem wykorzystania w różnych środkach transportu publicznego, w tym w autobusach z ogniwami paliwowymi wodorowymi. Kilka dużych miast eksperymentowało z autobusami zasilanymi wodorem, w tym Chicago, Vancouver, Londyn i Pekin.
4. Pociągi: Pociągi napędzane ogniwami paliwowymi wodorowymi dotarły już do Niemiec, a w ciągu najbliższych pięciu lat przewiduje się, że kolejne typy pociągów dotrą do Wielkiej Brytanii, Francji, Włoch, Japonii, Korei Południowej i Stanów Zjednoczonych.
5. Pojazdy indywidualne: Dziewięciu głównych producentów samochodów pracuje nad pojazdami elektrycznymi na ogniwa paliwowe wodorowe (HFCEV) do użytku osobistego. Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo i BMW I Hydrogen Next to jedne z najpopularniejszych modeli.
6. Samoloty: Kilka projektów eksperymentalnych, w tym prototypy Pathfinder i Helios, badało wykorzystanie ogniw paliwowych wodorowych w lotnictwie kosmicznym. Te dalekobieżne bezzałogowe pojazdy wykorzystywały hybrydowy system z ogniwami paliwowymi wodorowymi zasilanymi przez panele słoneczne, umożliwiając teoretycznie nieograniczony ciągły lot w dzień i w nocy.
7. Generowanie zasilania awaryjnego: Stacjonarne ogniwa paliwowe są wykorzystywane w systemach zasilania bezprzerwowego (UPS), w których ważna jest ciągła praca. Szpitale i centra danych coraz częściej sięgają po wodór w celu zapewnienia zasilania bezprzerwowego. Microsoft niedawno zrobił newsa o udanym teście swoich nowych generatorów zapasowych wodoru, które pozwoliły serwerowi jednego centrum danych działać wyłącznie na wodorze przez dwa dni.
8. Generowanie energii mobilnej: Wodór zapewnia liczne możliwości mobilnego wytwarzania energii. NASA wyprodukowała jedne z pierwszych ogniw paliwowych wodorowych do zasilania rakiet i wahadłowców kosmicznych w kosmosie.
9. Bezzałogowe statki powietrzne (UAV): Wiele innowacyjnych zastosowań UAV (tj. dronów), od dostarczania paczek po misje poszukiwawczo-ratownicze, jest poważnie utrudnionych przez moc i zasięg standardowych baterii. Zarówno wojsko, jak i firmy prywatne zamierzają rozwiązać te problemy za pomocą ogniw paliwowych wodorowych, które mają nawet trzykrotnie większy zasięg niż urządzenia zasilane bateriami. Ogniwa paliwowe zapewniają większy stosunek energii do masy i można je ładować w ciągu kilku minut.
10. Łodzie i okręty podwodne: Ogniwa paliwowe wodorowe są wykorzystywane w wielu zastosowaniach morskich. Niektóre łodzie, takie jak Energy Observer, wytwarzają nawet własny wodór do systemu ogniw paliwowych, wykorzystując pokładowe panele słoneczne i turbiny wiatrowe. Ogniwa paliwowe wodorowe stanowią alternatywę dla energia atomowa dla wojskowych okrętów podwodnych o konstrukcji stealth, takich jak niemiecki typ 212, charakteryzujących się dużym zasięgiem, cichą pracą i małą ilością ciepła wydzielanego przez spaliny.
Ogniwa paliwowe są obiecującym zamiennikiem dzisiejszych paliw samochodowych. Chociaż niektóre części technologii, takie jak efektywne magazynowanie na pokładzie, wymagają większego rozwoju, nie ma powodu, dla którego ogniwa paliwowe nie mogłyby stać się tak wygodnym i atrakcyjnym paliwem transportowym, jak obecnie olej napędowy lub benzyna. Mam nadzieję, że dzięki temu artykułowi łatwo było zrozumieć zalety i wady ogniw paliwowych. Podziel się swoimi pytaniami w sekcji komentarzy.
Polecamy: Zalety i wady energii pływów morskich
