Idag tävlar världen mot en framtid med hållbar energi. Även om den slutliga segraren är okänd, har väte växt fram som en tydlig föregångare, vilket ger många möjligheter för energiproduktion, distribution och tillämpning. För att lösa mysteriet med titeln bränslecellsfördelar, låt oss börja med vad som är bränslecell och deras typer och sedan ska vi upptäcka allt om deras fördelar och nackdelar.
Bränsleceller har funnits i över 150 år och ger en oändlig, ekologiskt säker och ständigt tillgänglig energikälla. Så varför används de inte överallt än? Tills nyligen berodde det på kostnaden. Cellerna var oöverkomligt dyra att tillverka. Så är det inte längre.
Vad är bränslecell?
En bränslecell är en elektrokemisk anordning som omvandlar kemisk energi till användbar elektrisk ström. Varje bränslecell har två elektroder som kallas anod och katod. Elektroderna är där reaktionerna som genererar elektricitet äger rum.
Varje bränslecell har också en elektrolyt, som transporterar elektriskt laddade partiklar från en elektrod till nästa, samt en katalysator, som påskyndar reaktionerna vid elektroderna. Även om väte är det mest grundläggande bränslet kräver bränsleceller också syre. En av de mest tilltalande aspekterna av bränsleceller är att de producerar väldigt lite föroreningar mycket av väte och syre som behövs för att skapa kraft blandas så småningom för att bilda en ofarlig biprodukt, främst vatten.
En enda bränslecell producerar en försumbar mängd likström (DC). I praktiken staplas ofta flera bränsleceller ihop. Koncepten är desamma oavsett om de är i en cell eller en stack. Efter detta, låt oss utforska fördelar och nackdelar med bränsleceller.
4 Bränslecellsfördelar och nackdelar
Sir William Robert Grove, en walesisk domare, uppfinnare och vetenskapsman, uppfann den första bränslecellen 1839. Han skapade elektricitet och vatten genom att kombinera väte och syre i närvaro av en elektrolyt. Innovationen, senare känd som en bränslecell, genererade inte tillräckligt med el för att vara användbar. Så låt oss gå igenom lite av bränslecellen fördelar och nackdelar.
Fördelar
1. Ingen laddning behövs
En bränslecell behöver inte laddas. En bränslecell kan replikera energi tills den förses med bränsle.
2. Inga hälsoproblem
Bränsleceller är inte farliga och orsakar inte hälsoproblem eftersom de inte producerar rök eller smog när de är i drift.
3. Effektiv
Bränsleceller är extremt effektiva eftersom de kan omvandla kemisk energi rakt till elektrisk energi. Jämfört med andra tillgängliga marknadsalternativ är bränsleceller 60 % effektivare.
4. Föroreningsfri
Bränsleceller har ingen negativ inverkan på luftföroreningar. Detta är en av de mest märkbara fördelarna bland andra bränslecellsfördelar. Eftersom en bränslecell inte har några mekaniska delar är den helt tyst, alltså ingen bullerförorening.
Om väte används som insatsbränsle är de enda biprodukterna som uppmärksammas vatten, värme och elektricitet, vilket resulterar i maximal effektivitet och inga utsläpp av skadligt material.
Nackdelar
1. Dyr och icke långvarig
Liksom bränslecellsfördelar har de också nackdelar. Som- de är ganska dyra i naturen. Bränsleceller har en kortare livslängd.
2. Svårt att lagra
Bränsleceller är svåra att lagra eftersom bränslet som används i cellerna måste hållas vid en viss temperatur och trycknivå.
3. Osäkert och farligt
Väte är ett mycket brandfarligt bränsle, vilket ger uppenbara säkerhetsproblem. I luften brinner vätgas i koncentrationer från 4 till 75 %.
4. Svårt att extrahera
Trots att det är det vanligaste grundämnet i universum, existerar inte väte på egen hand, så det måste samlas in från vatten genom elektrolys eller isoleras från kolbaserade fossila bränslen. Båda dessa tillvägagångssätt kräver en betydande mängd energi att slutföra.
Denna energi kan vara dyrare än den som erhålls från vätgas i sig. Dessutom, i avsaknad av CCS, kräver denna utvinning ofta användningen av fossila bränslen, vilket undergräver vätgas ekologiska meriter.
Vilka är de olika typerna av bränsleceller?
Efter att ha lärt oss om bränslecells fördelar och nackdelar, låt oss också lära oss om de olika typerna av bränsleceller. Den primära skillnaden mellan bränsleceller är typ av elektrolyt som används. Denna klassificering definierar typen av:
- Elektrokemiska processer som sker i cellen
- Den typ av katalysatorer som behövs
- Temperaturintervallet vid vilket cellen fungerar
- Det bränsle som krävs och andra kriterier.
Dessa egenskaper påverkar i sin tur de tillämpningar som dessa celler är mest lämpade för. Flera varianter av bränsleceller utvecklas för närvarande, var och en med sina egna fördelar, begränsningar och möjliga tillämpningar. Läs mer om typerna av bränsleceller nedan.
1. Elektrolytmembranpolymerbränsleceller
Polymerelektrolytmembran (PEM) bränsleceller, även kända som bränsleceller för protonbytesmembran, har en hög effekttäthet och låg vikt och volym jämfört med konventionella bränsleceller. Elektrolyten i PEM-bränsleceller är en fast polymeroch elektroderna är poröst kol med en platina- eller platinalegeringskatalysator. De kräver helt enkelt väte, syre från luften och vatten för att fungera. De drivs vanligtvis av rent väte som tillhandahålls av lagringstankar eller reformatorer.
PEM bränsleceller funktion kl låga temperaturertypiskt runt 80°C (176°F). Lågtemperaturdrift gör att de kan starta snabbt (med minskad uppvärmningstid) och resulterar i mindre slitage på systemkomponenter, vilket resulterar i större hållbarhet. Det kräver dock användningen av en ädelmetallkatalysator (vanligtvis platina) för att separera vätets elektroner och protoner, vilket ökar systemkostnaden. Eftersom platinakatalysatorn är särskilt känslig för kolmonoxidförgiftning krävs en extra reaktor för att avlägsna kolmonoxiden i bränslegasen om vätet framställs från ett kolvätebränsle. Denna reaktor är också dyr.
PEM bränsleceller är det mesta anställd i transport och vissa stationära applikationer. PEM-bränsleceller är särskilt väl lämpade för användning i fordonstillämpningar som bilar, bussar och tunga lastbilar.
2. Celler för direkt metanolbränsle
De flesta bränsleceller drivs av väte, som kan levereras direkt in i systemet eller skapas i systemet genom att reformera vätgasrika bränslen som metanol, etanol och kolvätebränslen. Det är dock direkta metanolbränsleceller (DMFC). drivs med ren metanol, som vanligtvis kombineras med vatten och levereras direkt till bränslecellsanoden.
Eftersom metanol har en högre energitäthet än väte men mindre än bensin eller diesel. Direkta metanolbränsleceller undviker många av de bränslelagringsproblem som plågar vissa bränslecellssystem. Eftersom metanol är en vätska, precis som bensin, är det också lättare att transportera och leverera till allmänheten med vår nuvarande infrastruktur. DMFCs används ofta för att driva bärbara bränslecellsapplikationer som mobiltelefoner och bärbara datorer.
3. Celler för alkaliskt bränsle
Alkaliska bränsleceller (AFC) var bland de första bränslecellsteknikerna som uppfanns, och de var den första typen som användes i stor omfattning i USA:s rymdprogram för att generera elektrisk energi och vatten ombord på rymdfarkoster. Elektrolyten i dessa bränsleceller är en lösning av kaliumhydroxid i vattenoch anoden och katoden kan vara ett antal icke-ädelmetaller.
En betydande utmaning för denna bränslecellstyp är att den är det benägna att koldioxidförgiftning (CO2). Faktum är att även spårmängder av CO2 i luften kan ha en betydande inverkan på cellens prestanda och hållbarhet på grund av karbonatproduktion. Alkaliska celler med flytande elektrolyter kan köras i ett recirkulerande läge, vilket möjliggör elektrolytregenerering för att hjälpa till att minska effekterna av karbonatproduktion i elektrolyten men också introducerar och shuntströmsvårigheter.
Ytterligare frågor med flytande elektrolytsystem inkluderar vätbarhet, ökad korrosion och svårigheter att kontrollera differentialtryck. Dessa svårigheter åtgärdas av alkaliska membranbränsleceller (AMFC), som är mindre mottagliga för CO2-förgiftning än flytande elektrolyt-AFC. Men CO2 fortsätter att ha en inverkan på prestanda, och prestandan och hållbarheten för AMFC:er ligger efter PEMFC:s.
AMFCs studeras för tillämpningar allt från W till kW. Tolerans mot koldioxid, membrankonduktivitet och hållbarhet, drift vid högre temperaturer, vattenhantering, effekttäthet och anodelektrokatalys är alla utmaningar för AMFC.
4. Celler av fosforsyra
PAFC använd flytande fosforsyra som elektrolyt (syran hålls i en teflonbunden kiselkarbidmatris) och porösa kolelektroder med en platinakatalysator. Diagrammet till höger visar de elektrokemiska reaktioner som sker i cellen.
PAFC är betraktas som en "första generationens" samtida bränslecell. Det är en av de mest utvecklade celltyperna och den första som kommersialiseras. Även om denna typ av bränslecell normalt används för att generera stationär kraft, har vissa PAFC använts för att driva stora fordon som stadsbussar.
PAFC är mer motståndskraftig till föroreningar i reformerade fossila bränslen än PEM-celler, som lätt "förgiftas" av kolmonoxid eftersom kolmonoxid binder till platinakatalysatorn vid anoden, vilket minskar bränslecellens effektivitet. PAFC:er är mer än 85 % effektiva när de används för att generera både el och värme, men de är mindre effektiva när de används för att generera enbart el (37 %-42 %).
Ocuco-landskapet effektivitet av PAFC är bara något högre än för förbränningsbaserade kraftverk, som normalt har en verkningsgrad på cirka 33 %. Med samma vikt och volym är PAFC också mindre kraftfulla än andra bränsleceller. Således är dessa bränsleceller vanligtvis stora och rejäla. PAC är också dyra. De kräver avsevärt större platinakatalysatorladdningar än andra former av bränsleceller, vilket ökar kostnaderna.
5. Bränsleceller för smält karbonat
Smälta karbonatbränsleceller (MCFC) utvecklas för naturgas- och koleldade kraftverk, såväl som för elektriska, industriella och militära användningar. MCFC är högtemperaturbränsleceller som använd en elektrolyt som består av smälta karbonatsalter flytande i en porös, kemiskt inert keramisk litiumaluminiumoxidmatris. Oädla metaller kan användas som katalysatorer vid anoden och katoden eftersom de arbetar vid höga temperaturer på 650°C (ungefär 1,200 XNUMX°F).
En annan anledning till att MCFC ger betydande kostnadsbesparingar jämfört med fosforsyrabränsleceller är förbättrad effektivitet. När de kombineras med en turbin kan smälta karbonatbränsleceller uppnå verkningsgrader som närmar sig 65 %, vilket är betydligt högre än effektiviteten på 37–42 % för en fosforsyrabränslecellsdrift. Den totala bränsleeffektiviteten kan överstiga 85 % när spillvärme återvinns och utnyttjas.
MCFC kräver ingen extern reformator att omvandla naturgas och biogas till vätgas. Eftersom MCFC arbetar vid höga temperaturer omvandlas metan och andra lätta kolväten i dessa bränslen till väte i själva bränslecellen via en process som kallas intern reformering, vilket också sparar pengar.
Den grundläggande nackdelen med befintlig MCFC-teknik är dess kort livslängd. De höga driftstemperaturerna för dessa celler, tillsammans med den använda kaustiska elektrolyten, påskyndar komponentnedbrytning och korrosion, vilket minskar celllivslängden. Forskare undersöker för närvarande korrosionsbeständiga material för komponenter, såväl som bränslecellskonstruktioner som kan fördubbla celllivslängden från nuvarande 40,000 XNUMX timmar (fem år) utan att kompromissa med prestanda.
6. Celler för fast oxidbränsle
I bränsleceller med fast oxid (SOFC), elektrolyt är en tät, icke-porös keramik. SOFC omvandlar bränsle till elektricitet med en effektivitet på cirka 60 %. Den totala bränsleförbrukningen kan överstiga 85 % i system avsedda att fånga och utnyttja systemets spillvärme (samproduktion).
SOFC:er fungerar vid extremt höga temperaturer, upp till 1,000 1,830°C (XNUMX XNUMX°F). Drift vid hög temperatur eliminerar behovet av en ädelmetallkatalysator, vilket sänker kostnaderna. Det gör det också möjligt för SOFC:er att reformera bränslen internt, vilket gör att de kan använda ett bredare utbud av bränslen och sänker kostnaderna för att lägga till en reformator till systemet.
SOFC är också den mest svavelresistenta bränslecellstypen, som kan motstå storleksordningar mer svavel än andra celltyper. Dessutom tar de inte skada av kolmonoxid, som till och med kan användas som bränsle. Denna egenskap gör det möjligt för SOFC att använda naturgas, biogas och kolbaserade gaser. Det finns nackdelar med att arbeta vid höga temperaturer.
Det orsakar en försenad start och kräver omfattande termisk skärmning för att bevara värmen och skydda anställda, vilket är bra för allmännyttiga ändamål men inte för transport. På grund av höga driftstemperaturer, måste material uppfylla stränga hållbarhetsstandarder. Den primära tekniska svårigheten för denna teknik är utvecklingen av lågkostnadsmaterial med hög uthållighet vid celldriftstemperaturer.
Forskare undersöker nu möjligheten att bygga lågtemperatur-SOFC som fungerar vid eller under 700°C, har färre hållbarhetsproblem och är billigare. SOFCs med lägre temperaturer har ännu inte motsvarat prestanda hos system med högre temperatur, och stackmaterial för detta lägre temperaturområde utvecklas fortfarande.
7. Reversibla bränsleceller
Reversibla bränsleceller, som konventionella bränsleceller, skapar elektricitet från väte och syre samtidigt som de producerar värme och vatten som biprodukter. Reversibla bränslecellssystem, å andra sidan, kan använda el från sol, vind eller andra källor för att dela vatten till syre och vätebränsle via en process som kallas elektrolys.
Reversibla bränsleceller kan producera el när det behövs, men under perioder med hög effekt från andra teknologier (till exempel när kraftiga vindar resulterar i ett överskott av tillgänglig vindkraft), kan reversibla bränsleceller lagra överskottsenergin i form av väte. Denna energilagringskapacitet har potential att bli en spelförändring för intermittent förnybar energiteknik. Efter detta, låt oss lära oss om arbetsprincipen för bränsleceller.
Se även: Topp 3 grön energiaktier i Indien
Vad är bränslecellens arbetsprincip?
Efter att ha lärt dig om fördelarna med bränsleceller bör du också lära dig om bränslecellers arbetsprincip. En bränslecell är gjord av två elektroder, en anod och en katod separerade av ett elektrolytmembran. Väte, metan, etan, etanol och andra organiska bränslen kan användas i en bränslecell för att generera elektricitet. Dessa bränslen genomgår ofullständig förbränning och avger värme som en biprodukt. De flesta av dessa reaktioner är redox i naturen och skapar vatten och koldioxid som biprodukter.
Transporten av elektroner i redoxreaktioner resulterar i omvandling av kemisk energi till elektrisk energi. Mellan elektroderna ligger en elektrolytsubstans. Bränsle levereras till varje elektrod separat. Antag att i en bränslecell levereras väte till anoden och luft tillförs katoden. I detta fall tenderar katalysatorn på anodsidan av cellen att bryta ner vätemolekylerna till mindre partiklar, såsom protoner och elektroner.
Båda elementen försöker färdas mot katoden via distinkta vägar. Elektronerna följer en extern kanal till katoden och ger ström, medan protonerna passerar genom elektrolytmembranet till katoden, där de reagerar med syremolekyler och elektroner för att bilda vatten och värme som biprodukter.
Läs också: Topp 30+ företag inom förnybar energi i Indien
Lista några bränslecellsapplikationer
Låt oss titta på tio användningsområden för vätebränsleceller, varav några du kanske inte är medveten om!
1. Lagerhantering: Flera stora lager- och distributionsorganisationer vänder sig till vätebränsleceller för att driva rena lastbilar, gaffeltruckar, palldomkrafter och annan utrustning.
2. Internationell distribution: Bränsleceller har den räckvidd och kraft som behövs för långväga transporter och lokal distribution. Nikola, Hyundai, Toyota, Kenworth och UPS tillverkar redan vätgasdrivna semi-lastbilar och skåpbilar.
3. Bussar: Vätgaskraft studeras för användning i olika kollektiva transportsätt, inklusive vätgasbränslecellsbussar. Flera stora städer har experimenterat med vätgasdrivna bussar, inklusive Chicago, Vancouver, London och Peking.
4. Tåg: Vätgasbränslecellståg har nu anlänt till Tyskland, och fler typer förväntas anlända till Storbritannien, Frankrike, Italien, Japan, Sydkorea och USA under de kommande fem åren.
5. Enskilda fordon: Nio stora biltillverkare arbetar med vätebränslecellselektriska fordon (HFCEV) för personligt bruk. Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo och BMW I Hydrogen Next är bland de framstående modellerna.
6. Flygplan: Flera experimentella projekt, inklusive prototyperna Pathfinder och Helios, har undersökt användningen av vätebränsleceller i flyg- och rymdindustrin. Dessa obemannade långdistansfordon använde ett hybridsystem med vätebränsleceller som drevs av solpaneler, vilket möjliggör teoretiskt obegränsad kontinuerlig flygning dag och natt.
7. Generering av reservkraft: Stationära bränsleceller används i UPS-system (uninterruptible power supply) där kontinuerlig drifttid är viktig. Sjukhus och datacenter vänder sig alltmer till vätgas för avbrottsfri strömförsörjning. Microsoft gjorde nyligen nyheter för ett framgångsrikt test av sina nya vätebackupgeneratorer, som gjorde det möjligt för ett datacenters server att fungera på ingenting annat än väte i två dagar.
8. Generering av mobil kraft: Vätgas ger många val för mobil kraftgenerering. NASA producerade faktiskt några av de första vätebränslecellerna för att driva raketer och rymdfärjor i rymden.
9. Obemannade flygfarkoster (UAV): Många innovativa tillämpningar av UAV (dvs. drönare), allt från paketleverans till sök- och räddningsuppdrag, är allvarligt hämmade av kraften och räckvidden som tillhandahålls av standardbatterier. Både militära och privata företag har för avsikt att ta itu med dessa problem med vätebränsleceller, som har upp till tre gånger räckvidden för batteridrivna enheter. Bränsleceller ger ett större energi-till-massaförhållande och kan laddas om på några minuter.
10. Båtar och ubåtar: Vätebränsleceller används i en mängd olika marina tillämpningar. Vissa båtar, som Energy Observer, skapar till och med sitt eget väte för ett bränslecellssystem med hjälp av solpaneler och vindkraftverk ombord. Vätebränsleceller ger ett alternativ till kärnkraft för militära stealth-ubåtar som den tyska typen 212, med stor räckvidd, tyst kryssning och lite avgasvärme.
Bränsleceller är en lovande ersättning för dagens bilbränslen. Även om vissa delar av tekniken, som effektiv lagring ombord, kräver mer utveckling, finns det ingen anledning till varför bränsleceller inte kan bli ett lika bekvämt och tilltalande transportbränsle som diesel eller bensin är idag. Jag hoppas att det genom denna artikel var lätt att förstå fördelar och nackdelar med bränsleceller. Dela dina frågor i kommentarsfältet.
Rekommenderas: Fördelar och nackdelar med tidvattenenergi
