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 sker.
Varje bränslecell har också en elektrolyt, som transporterar elektriskt laddade partiklar från en elektrod till nästa, samt en katalysator, som accelererar 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 det väte och syre som behövs för att skapa kraft blandas så småningom till 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 år 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 elektricitet för att vara användbar. Så låt oss gå igenom några av fördelarna och nackdelarna med bränsleceller.
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 fördelar och nackdelar med bränsleceller, låt oss också lära oss om de olika typerna av bränsleceller. Den primära skillnaden mellan bränsleceller är vilken 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 protonutbytesmembranbränsleceller, har en hög effekttäthet och låg vikt och volym jämfört med konventionella bränsleceller. Elektrolyten i PEM-bränsleceller är en fast polymer , och 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 ren väte som tillhandahålls av lagringstankar eller reformerare.
PEM-bränsleceller fungerar vid låga temperaturer , vanligtvis runt 80 °C (176 °F). Lågtemperaturdrift gör att de kan starta snabbt (med reducerad uppvärmningstid) och resulterar i mindre slitage på systemkomponenter, vilket resulterar i större hållbarhet. Det kräver dock användning av en ädelmetallkatalysator (vanligtvis platina) för att separera vätgasens elektroner och protoner, vilket ökar systemkostnaden. Eftersom platinakatalysatorn är särskilt känslig för kolmonoxidförgiftning krävs en extra reaktor för att avlägsna kolmonoxid i bränslegasen om vätgasen produceras från ett kolvätebränsle. Denna reaktor är också dyr.
PEM-bränsleceller används främst inom transport och vissa stationära tillämpningar. PEM-bränsleceller är särskilt väl lämpade för användning i fordonsapplikationer som bilar, bussar och tunga lastbilar.
2. Celler för direkt metanolbränsle
De flesta bränsleceller drivs av vätgas, som kan levereras direkt in i systemet eller skapas inuti systemet genom att reformera väterika bränslen som metanol, etanol och kolvätebränslen. Direkta metanolbränsleceller (DMFC) drivs dock av ren metanol , som vanligtvis kombineras med vatten och levereras direkt till bränslecellens anod.
Eftersom metanol har en högre energitäthet än väte, men lägre än bensin eller dieselbränsle, undviker direkta metanolbränsleceller många av de bränslelagringsproblem som plågar vissa bränslecellssystem. Eftersom metanol är en vätska, liksom bensin, är den också lättare att transportera och leverera till allmänheten med vår nuvarande infrastruktur. DMFC 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 utsträckning i USA:s rymdprogram för att generera elektrisk energi och vatten ombord på rymdfarkoster. Elektrolyten i dessa bränsleceller är en lösning av kaliumhydroxid i vatten , och anoden och katoden kan vara ett antal oädla metaller.
En betydande utmaning för denna bränslecellstyp är att den är benägen att bli koldioxidförgiftad (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 minska effekterna av karbonatproduktion i elektrolyten, men också introducerar och shuntar strömsvårigheter.
Ytterligare problem med flytande elektrolytsystem inkluderar vätbarhet, ökad korrosion och svårigheter att kontrollera differenstryck. Dessa svårigheter åtgärdas med alkaliska membranbränsleceller (AMFC), som är mindre känsliga för CO2-förgiftning än AFC med flytande elektrolyt. CO2 fortsätter dock att påverka prestandan, och prestandan och hållbarheten hos AMFC ligger efter jämfört med PEMFC.
AMFC:er studeras för tillämpningar från W till kW. Tolerans mot koldioxid, membranledningsförmåga och hållbarhet, drift vid högre temperaturer, vattenhantering, effekttäthet och anodelektrokatalys är alla utmaningar för AMFC:er.
4. Celler av fosforsyra
PAFC:er använder 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 betraktas som en av "första generationens" moderna bränsleceller. Det är en av de mest utvecklade celltyperna och den första som kommersialiserades. Även om denna typ av bränslecell normalt används för att generera stationär kraft, har vissa PAFC-celler använts för att driva stora fordon som stadsbussar.
PAFC:er är mer motståndskraftiga mot 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 endast el (37 %–42 %).
Verkningsgraden hos PAFC : er är bara något högre än hos förbränningsbaserade kraftverk, som normalt körs med cirka 33 % verkningsgrad. Med samma vikt och volym är PAFC:er likaså mindre kraftfulla än andra bränsleceller. Därför är dessa bränsleceller vanligtvis stora och kraftiga. PAC:er är också dyra. De kräver betydligt större platinakatalysatormängder än andra former av bränsleceller, vilket ökar kostnaden.
5. Bränsleceller för smält karbonat
Bränsleceller med smält karbonat (MCFC) utvecklas för naturgas- och kolkraftverk, såväl som för elförsörjning, industriellt och militärt bruk. MCFC är högtemperaturbränsleceller som använder en elektrolyt bestående av smälta karbonatsalter som flyter 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 (cirka 1 200 °F).
En annan anledning till att MCFC erbjuder betydande kostnadsbesparingar jämfört med fosforsyrabränsleceller är förbättrad effektivitet . I kombination med en turbin kan smältkarbonatbränsleceller uppnå effektivitet på närmare 65 %, vilket är betydligt högre än de 37–42 % som en fosforsyrabränslecell har. Den totala bränsleeffektiviteten kan överstiga 85 % när spillvärme återvinns och utnyttjas.
MCFC kräver ingen extern reformer för att omvandla naturgas och biogas till väte. 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 korta livslängd . De höga driftstemperaturerna för dessa celler, tillsammans med den kaustiska elektrolyten som används, påskyndar komponentnedbrytning och korrosion, vilket minskar cellernas livslängd. Forskare undersöker för närvarande korrosionsbeständiga material för komponenter, såväl som bränslecellskonstruktioner som kan fördubbla cellernas livslängd från nuvarande 40 000 timmar (fem år) utan att kompromissa med prestandan.
6. Celler för fast oxidbränsle
I fastoxidbränsleceller (SOFC) är elektrolyten en tät, icke-porös keramik . SOFC omvandlar bränsle till elektricitet med en verkningsgrad på cirka 60 %. Den totala bränsleeffektiviteten kan överstiga 85 % i system avsedda att fånga och utnyttja systemets spillvärme (kraftvärmeproduktion).
SOFC:er fungerar vid extremt höga temperaturer , upp till 1 000 °C (1 830 °F). Högtemperaturdrift 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 minskar kostnaden för att lägga till en reformer i 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 avskärmning för att bevara värme och skydda anställda, vilket är bra för allmännyttiga ändamål men inte för transporter. På grund av de höga driftstemperaturerna måste materialen 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, liksom konventionella bränsleceller, skapar elektricitet från väte och syre samtidigt som de producerar värme och vatten som biprodukter. Reversibla bränslecellssystem kan å andra sidan använda elektricitet från sol, vind eller andra källor för att dela upp vatten i syre och väte via en process som kallas elektrolys.
Reversibla bränsleceller kan producera elektricitet när det behövs, men under perioder med hög effekt från andra tekniker (till exempel när starka vindar resulterar i ett överskott av tillgänglig vindkraft) kan reversibla bränsleceller lagra överskottsenergin i form av väte. Denna energilagringskapacitet har potential att bli revolutionerande för intermittent förnybar energiteknik. Efter detta ska vi lära oss om bränslecellers funktionsprincip.
Se även: Topp 3 gröna energiaktier i Indien
Vad är bränslecellens arbetsprincip?
Efter att ha lärt dig om fördelarna med bränsleceller bör du också lära dig om bränslecellers funktionsprincip. En bränslecell består 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 redoxreaktioner till sin natur 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 övergår till vätgasbränsleceller för att driva rena lastbilar, gaffeltruckar, palllyftare 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 lastbilar och skåpbilar.
3. Bussar: Vätgasdrivna bussar studeras för användning i olika kollektivtrafiksätt, inklusive bränslecellsbussar. Flera stora städer har experimenterat med vätgasdrivna bussar, inklusive Chicago, Vancouver, London och Peking.
4. Tåg: Bränslecellståg med vätgas 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 vätgasdrivna elbilar (HFCEV) för personligt bruk. Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo och BMW I Hydrogen Next är bland de anmärkningsvärda modellerna.
6. Flygplan: Flera experimentella projekt, inklusive prototyperna Pathfinder och Helios, har undersökt användningen av vätgasbränsleceller inom flyg- och rymdfarkoster. Dessa långdistansobemannade farkoster använde ett hybridsystem med vätgasbränsleceller som drevs av solpaneler, vilket möjliggjorde teoretiskt obegränsad kontinuerlig flygning dag och natt.
7. Generering av reservkraft: Stationära bränsleceller används i avbrottsfria strömförsörjningssystem (UPS) där kontinuerlig drifttid är viktig. Sjukhus och datacenter vänder sig i allt högre grad till vätgas för avbrottsfri strömförsörjning. Microsoft uppmärksammades nyligen för ett framgångsrikt test av sina nya vätgasreservgeneratorer, vilket gjorde det möjligt för ett datacenters server att fungera på endast vätgas i två dagar.
8. Generering av mobil energi: Vätgas erbjuder många alternativ för mobil energiproduktion. NASA producerade faktiskt några av de första vätgasbränslecellerna för att driva raketer och rymdfärjor i rymden.
9. Obemannade luftfarkoster (UAV): Många innovativa tillämpningar av UAV:er (dvs. drönare), allt från paketleveranser till sök- och räddningsuppdrag, hämmas allvarligt av den kraft och räckvidd som standardbatterier erbjuder. Både militären och privata företag avser att åtgärda dessa problem med vätgasbränsleceller, som har upp till tre gånger så lång räckvidd som batteridrivna enheter. Bränsleceller ger ett större energi-till-massa-förhållande och kan laddas på några minuter.
10. Båtar och ubåtar: Vätgasbränsleceller används i en mängd olika marina tillämpningar. Vissa båtar, som Energy Observer, skapar till och med sin egen vätgas för ett bränslecellssystem med hjälp av solpaneler och vindkraftverk inbyggda. Vätgasbränsleceller erbjuder ett alternativ till kärnkraft för militära smygubåtar som den tyska Typ 212, med stor räckvidd, tystgående marschfart och låg 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
