Сравнительный анализ различных видов топливных элементов
Сегодня насчитывается несколько основных направлений развития технологии производства топливных элементов в зависимости от используемого электролита, топлива и температур преобразования.
1. PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) – топливный элемент с полимерной мембраной . В качестве электролита в таких топливных элементах используется полимерная мембрана толщиной примерно в 2–7 листов обычной бумаги. Восстановителем выступает чистый водород, причем максимально допустимая доля примесей окиси углерода – 10–100 мг/кг. Топливные элементы PEM обладают высоким выходом мощности – 0.7 В на ячейку мембраны. Среди всех топливных элементов PEMFC нашли сегодня наибольшее применение: они используются в транспортных приложениях (почти 100% всех автомобилей, работающих на водороде), в качестве первичных и резервных источников энергии, в портативной электронике. В настоящее время технология активно развивается под покровительством автомобильной отрасли. В 2005 году около 75% всех стационарных установок (мощностью до 10 кВт), работающих на водороде были построены именно по технологии PEMFC . Крупные установки умеют мощность до 300 кВт ( General Motors ). Некоторые производители: Ballard Power Systems (Канада), FCFCP ( Китай), Cellkraft AB (Швеция), European fuel cell GmbH (Германия), Heliocentris Energiesysteme GmbH (Германия), Honda (Япония), h — tec Hydrogen Energy Systems (Германия), IdaTech (США), New Japan Eco — System Corporation (Япония), Plug Power Inc . (США), Protonex Technology Corporation (США), UTC Power (США).
2.DMFC ( Direct Methanol Fuel Cell ) – топливные элементы с прямым окислением метанола. Первоначально в качестве основной жидкости предполагалось использовать метанол и топливные элементы получили название DMFC . ТЭ этого класса являются одним из вариантов реализации элементов с ионообменной мембраной. В них используется тот же электролит, что и в наиболее распространенных PEMFC , но в качестве топлива используется водный раствор метилового спирта (метанол), а не водород в чистом виде. Безусловное преимущество DMFC по сравнению с PEMFC – возможность использования метанола в жидком виде, который более удобно хранить и перевозить, чем водород. В отличие от других технологий, в которых используется жидкость вместе газа, в DMFC нет необходимости в применении внешнего конвертора для получения чистого водорода и осуществления процесса «реформинга» – выделение водорода из метанола происходит непосредственно на электролите. Недостатком DMFC по сравнению с PEMFC является более высокая температура функционирования (120 °С), которая, однако, не является достаточной для эффективного химического преобразования. В связи с этим возникает необходимость в использовании дорогостоящих катализаторов на основе платины, что неизбежно приводит увеличению стоимости ТЭ. Технология DMFC уже на начальной стадии развития столкнулась с двумя препятствиями, которые представляются непреодолимыми. Помимо уже упомянутой дороговизны катализаторов, существует проблема использования метанола в качестве топлива. Метанол (древесный спирт) является ядовитым веществом: доза в 10 грамм может привести к потере зрения, а в 30 грамм – к летальному исходу. В результате, разработчики постепенно переходят к другим водородосодержащим жидкостям. Одним из наиболее популярных направлений исследований считается использование в качестве топлива борогидрида натрия, а в качестве электролита – щелочи (технология AFC ).
3.AFC ( Alkaline Fuel Cell ) – щелочные топливные элементы. В качестве электролита в щелочных элементах используется концентрированный гидроксид калия (КОН) или его водный раствор, а основным материалом для изготовления электродов является никель. Щелочные элементы значительно (примерно на порядок) уступают PEMFC по удельной мощности, вследствие чего их габариты (при сравнимых характеристиках) значительно больше. В традиционных AFC в качестве топлива должен использоваться чистый водород, в качестве окислителя – чистый кислород. В этом и состоит их основной недостаток, поскольку содержание в топливе или окислителе примесей углекислого газа ( CO 2) приводит к карбонизации щелочи. Преимуществами всего класса AFC является низкая себестоимость их производства, возможность использования более дешевых никелевых и серебряных катализаторов, а также абсолютная экологическая чистота горячей воды (питьевая), получаемой в качестве отходов. До последнего времени технология прямого окисления метанола считалась самой перспективной для питания портативной микроэлектроники. Однако наметившиеся проблемы в сегменте DMFC (токсичность метанола и высокая стоимость катализаторов) стимулировали развитие исследований в области технологии AFC . Сегодня выделяют отдельное сложившееся в рамках AFC направление – DBFC (Direct borohydride fuel cells) – топливные элементы с прямым окислением борогидрида натрия (NaBH4).По сравнению с метанолом, борогидрид натрия и тетраборат натрия менее токсичны, борогидрид имеет большую плотность энергии. Кроме того, его использование позволяет сократить затраты на катализаторы из благородных металлов. Компании-производители: A stris Energi Inc, (Канада), UTC Power (США).
4.PAFC ( Phosphoric Acid Fuel Cell ) – топливный элемент, в котором в качестве электролита используется жидкая фосфорная кислота. PAFC применяются на крупных стационарных объектах и служат для производства как электроэнергии, так и теплоты. Работают эти ТЭ на водороде, однако, требования по его чистоте значительно менее строгие, чем в случае использования PEMFC . В большинстве случаев водород получают из природного газа или биогаза. Окислительно-восстановительный процесс протекает при температурах 150–220ºС. Эффективность процесса выработки электроэнергии оценивается в 37–42% и 85% при использовании отводимой тепловой энергии. Сегмент PAFC считается самым «зрелым» среди всех технологий топливных элементов. PAFC стабильно развивается, благодаря возможности использовать водород с примесями. Суммарная мощность всех мировых установок, функционирующих на основе жидкой фосфорной кислоты, превышает 75 МВт. Инновационным можно считать несколько опытов применения PAFC в автомобильных приложениях. Мировым лидером по использованию технологии считается американская компания UTC Power (США), работающая также с другими технологиями ( PEMFC , MCFC ). Среди ведущих производителей стоит отметить компании Южно-Азиатского региона: Fuji Electric (Япония) и Korea Gas (Корея).
5.SOFC ( Solid Oxide Fuel Cell ) – топливный элемент с твердым керамическим электролитом. Отличие от прежде рассмотренных видов заключается в высоких температурах реакции (650–1000 ºС) и разнообразии применяемого топлива: природный газ, водород, пропан, биогаз, другие углеродосодержащие топливные элементы. КПД электрохимического преобразования – 50%, с учетом тепловой энергии – до 80%. Основной сферой применения этой технологии считается производство источников электрической и тепловой энергии для различных жилых, административных и прочих помещений. Некоторые компании ведут разработки систем для промышленного использования. SOFC широко применяются в качестве первичных и портативных резервных источниках энергии большой емкости. В последнее время ведутся разработки по использованию SOFC в автомобильной промышленности, однако, в отличие от PEMFC речь идет только о вспомогательных системах, а не о двигателе. Совместно с PEMFC технология активно используется в малых стационарных приложениях – 10–15% производимых установок. В крупных стационарных приложениях есть опыт производства коммерческих установок мощностью 1 МВт. Некоторые компании-производители: Acumentrics (США), Ceramic Fuel Cells Limited ( CFCL , Австралия), Mesoscopic Devices LLC (США), NanoDynamics Energy , Inc . ( США ), Rolls-Royce ( США ), Siemens Westinghouse ( Германия ).
6.MCFC ( Molten Carbonate Fuel Cell ) – топливный элемент на основе расплавленного карбоната (соли натрия или лития). Топливные элементы данного типа также функционируют при высоких температурах – 600–700 °C. Такие рабочие температуры позволяют использовать топливо непосредственно в самой ячейке. Топливные элементы на основе расплавленного карбоната требуют значительного времени запуска и не позволяют оперативно регулировать выходную мощность, поэтому основная область их применения – крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии. Они отличаются высокой эффективностью преобразования топлива – только электрический КПД до 60 %. Широкое промышленное использование технологии обуславливают три фактора: электрохимические процессы в MCFC не требуют использования дорогих катализаторов; в качестве топлива может использоваться целый ряд натуральных и синтетических топлив; высокие температуры протекания процессов не требуют наличия дополнительного реформера для преобразования топлива. Недостаток MCFC заключается в том, что они не могут работать на чистом водороде, а высокие температуры и химические реакции могут привести к коррозии и ускорить процесс износа элементов конструкции. Некоторые компании-производители: Ansaldo Fuel Cells SpA (Италия), FuelCell Energy (США), GenCell Corporation (США), MTU CFC Solutions GmbH (Германия).
7.MAFC ( Metal Air Fuel Cells ) – элементы на твердом топливе. В качестве электролита в этих ТЭ используется гидроксид калия (КОН), а топливом могут служить различные металлы: алюминий, магний, кальций, цинк, железо. Предполагаемые сферы применения технологии – малые стационарные объекты и автомобилестроение. На сегодняшний день данное направление остается скорее теоретическим, поскольку ТЭ на твердом топливе практически не выпускаются. В заключении приведем сводную таблицу по сравнению характеристик различных видов топливных элементов.
Тип электролита – тип топлива
Температура реакции, ºС
КПД, выход электрической энергии
Найден способ повысить эффективность метанольных топливных элементов
Энергоэффективность топливных элементов на основе окисления метанола, перспективных для автомобильной и технической промышленности, можно увеличить, используя в них электроды из тонких пленок металлических стекол на основе палладия. Такие стекла были разработаны международной группой исследователей, в которую вошли сотрудники Дальневосточного федерального университета. Статья ученых опубликована в журнале Nanoscale.
Тонкие пленки из металлических стекол на основе палладия, золота и кремния (Pd79Au9Si12) — перспективный материал для топливных элементов, в том числе для метанольных, которые могут широко использоваться для автомобилей и другой специальной техники, которая должна мгновенно развивать усилие, а значит, обладать подходящей системой питания. Электрод из металлического стекла, разработанный международной командой ученых, на 85% эффективнее окисляет метанол по сравнению с платиновыми аналогами. Более того, такое стекло намного более устойчиво к коррозии из-за своей аморфной структуры. Для платиновых электродов, имеющих стабильную кристаллическую решетку, деградация — большая проблема. «В научной литературе была информация о возможных перспективах металлического стекла в качестве материала для таких электродов. Однако речь шла о макроскопических образцах. Мы показали, что тонкие наноразмерные пленки металлического стекла, осажденные на доступные кремниевые подложки, могут быть использованы для эффективного окисления метанола. При этом пленки остаются стабильными после значительного количества рабочих циклов. Опираясь на полученные результаты, можно существенно расширить область поиска новых материалов для сферы энергетики», — говорит один из авторов работы, доцент кафедры компьютерных систем Школы естественных наук ДВФУ Юрий Иванов.
Для реального применения нового материала необходимо масштабировать и оптимизировать разработанные электроды под существующие топливные элементы. Ученые планируют продолжить поиск оптимальных композиций металлических стекол, чтобы увеличить производительность и стабильность топливных ячеек на основе окисления метанола, КПД которых варьируется сегодня от 40 до 60%. Для сравнения, КПД бензинового двигателя — всего 20–30%.
Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще. Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.
Топливные элементы для мобильных устройств
Андрей Борзенко Одна из проблем, стоящая перед разработчиками мобильных устройств, заключается в создании автономного источника питания, который мог бы обеспечить длительный период работы устройства без подзарядки. Сокращением энергопотребления портативных ПК заняты разработчики большинства компонентов электронных устройств. Технологии, созданные за последние годы, включая экраны из органических материалов, процессоры, регулирующие свое быстродействие, накопители с малым потреблением и энергетически эффективное ПО, привели к значительному снижению потребляемой энергии и тем самым продлили срок службы источников тока в мобильных устройствах. Фирмы – производители источников электропитания также совершенствовали свои технологии, постоянно улучшая характеристики существующих химических элементов питания. Так, с момента выпуска литиево-ионных батарей их емкость увеличилась более чем в два раза. Если пять лет назад аккумуляторы в ноутбуках работали всего два часа, то теперь они могут служить по пять часов и более. Длительный срок службы источников тока стал одним из основных преимуществ, называемых пользователями. Однако сами устройства, потребляющие электроэнергию, становятся все сложнее и требуют все больше и больше энергии. Кроме того, многие эксперты говорят о том, что совершенствовать ионно-литиевую технологию скоро будет практически невозможно, так как теоретический максимум может быть достигнут буквально через пару лет. Дело в том, что лучшие из современных технологий изготовления элементов питания в силу химических ограничений допускают усовершенствование всего на 15–25%. Для дальнейшего улучшения характеристик фирмам – производителям подобных устройств придется комбинировать традиционные источники тока с другими технологиями. Таким образом, несмотря на то, что производители электроники добились значительных успехов, заставляя свои устройства обходиться меньшими запасами энергии, одной из главных причин недовольства потребителей по-прежнему остается малый срок службы источников питания, особенно в портативных устройствах. При этом функциональность мобильных устройств в последние годы растет просто взрывными темпами и приближается к функциональности обычных, стационарных решений. Именно поэтому фирмы-производители спешат найти способы замены традиционных никель-кадмиевых и литиево-ионных аккумуляторов, от которых сегодня питается большинство портативных электронных устройств. Во многих научно-исследовательских центрах, университетских и корпоративных лабораториях ведутся активные исследования в области так называемых топливных элементов (fuel cell). Эксперты полагают, что, когда коммерческие топливные элементы станут повседневной реальностью, индустрия сможет существенно видоизменить ноутбуки, КПК и сотовые телефоны, сделав их компактнее и в то же время мощнее. Ведь новые технологии смогут продлить время непрерывной работы портативных ПК более чем в три раза по сравнению с тем, на что способны современные аккумуляторы.
Что такое «топливный элемент»
Схема базового топливного элемента
Топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, вырабатывающие электроэнергию химическим путем, почти так же как гальванические элементы и аккумуляторы. Отличие состоит в том, что в них используются другие химические вещества (водород и кислород), а продуктом химической реакции является вода. Считается, что первый топливный элемент создал сэр Уильям Роберт Гроув (William Robert Grove). Еще в 1839 г. этот выпускник Оксфорда показал, что процесс электролиза – расщепление воды на водород и кислород под действием электрического тока – является обратимым. Иными словами, водород и кислород могут быть соединены химическим путем с образованием электрических зарядов. Построенная Гроувом установка была довольно проста: два электрода размещались в камере, в которую подавались под давлением ограниченные порции чистого водорода и кислорода. В силу небольших объемов газа, а также благодаря химическим свойствам угольных электродов в камере происходил не взрыв, а медленная реакция с выделением тепла, воды и, самое главное, с образованием разности потенциалов между электродами. Дальнейшие исследования выявили преимущества такого необычного элемента перед простыми химическими источниками тока (гальваническими элементами и аккумуляторами). Дело в том, что топливные элементы обладали в 5–10 раз большей энергоемкостью. К тому же во время реакции не происходило изменений материала электродов и электролита. Топливный элемент теоретически может работать неограниченно долго – необходимо лишь регулярно подавать исходные газовые компоненты. Надо заметить, что поскольку топливные элементы могут работать с высоким КПД и без вредных выбросов, с ними связаны большие надежды на создание экологически рационального источника энергии, который мог бы способствовать снижению выбросов парниковых газов и других загрязняющих веществ. До недавнего времени основным препятствием на пути широкомасштабного использования топливных элементов была их высокая стоимость по сравнению с другими устройствами, вырабатывающими электричество или приводящими в движение транспортные средства. Всплеск развития топливных элементов пришелся на середину прошлого столетия, когда специалисты НАСА обратились к ним в связи с возникшей потребностью в компактных электрогенераторах для использования во время космических полетов. В частности, космические корабли Apollo и Gemini были оснащены подобными источниками энергии. К концу XX века было разработано множество конструкций топливных элементов, различавшихся своими параметрами. За счет применения различных материалов для электродов, специального электролита, а также добавления катализаторов, стимулирующих протекание главной реакции, ученые нашли способ изменить конструкцию топливных элементов так, чтобы использовать вместо чистого водорода содержащие его вещества – углеводороды (природный газ и спирты). Так появились щелочные (Аlkaline Fuel Cell, AFC), твердотельные (Solid Oxid Fuel Cell, SOFC), полимерные (PEFC), фосфорно-кислотные (PEFC) и даже спиртсодержащие (Direct Alcohol Fuel Cell, DAFC) топливные элементы. Рабочая температура для разных топливных элементов варьируется в довольно широком диапазоне, а КПД некоторых из них может достигать 80%.
Как это работает
- они функционируют до тех пор, пока топливо и окислитель поступают из внешнего источника;
- химический состав электролита в процессе работы не изменяется (топливный элемент не нуждается в перезарядке).
Простейший топливный элемент состоит, например, из специальной мембраны, используемой как электролит, по обе стороны которой нанесены порошкообразные электроды. Такая конструкция (электролит, окруженный двумя электродами) представляет собой отдельный элемент. Водород поступает на одну сторону (анод), а кислород (воздух) – на другую (катод). На каждом электроде происходят разные химические реакции. На аноде водород распадается на смесь протонов и электронов. В некоторых топливных элементах электроды окружены катализатором, обычно выполненным из платины или других благородных металлов, способствующих протеканию реакции диссоциации:
где H2 – двухатомная молекула водорода (форма, в которой водород присутствует в виде газа); H + – ионизированный водород (протон); е – – электрон.
Работа топливного элемента основана на том, что электролит пропускает через себя протоны (по направлению к катоду), а электроны – нет. Электроны движутся к катоду по внешнему проводящему контуру. Это движение электронов и есть электрический ток, который может быть использован для приведения в действие внешнего устройства, подсоединенного к топливному элементу (нагрузка, например, лампочка).
С катодной стороны топливного элемента протоны (прошедшие через электролит) и электроны (которые прошли через внешнюю нагрузку) воссоединяются и вступают в реакцию с подаваемым на катод кислородом с образованием воды:
Суммарная реакция в топливном элементе записывается так:
В своей работе топливные элементы используют водородное топливо и кислород из воздуха. Водород может подаваться непосредственно или путем выделения его из внешнего источника топлива (природного газа, бензина или метилового спирта – метанола. В случае внешнего источника его необходимо химически преобразовать, чтобы извлечь водород. В настоящее время большинство технологий топливных элементов, разрабатываемых для портативных устройств, задействуют именно метанол.
Процесс, происходящий в водородно-кислородном топливном элементе, по своей природе является обратным хорошо известному процессу электролиза, при котором происходит диссоциация воды при прохождении через электролит электрического тока. Действительно, в отдельных типах топливных элементов процесс может быть обратимым: приложив к электродам напряжение, можно разложить воду на водород и кислород, собираемые на электродах. Если прекратить зарядку элемента и подключить к нему нагрузку, такой регенеративный топливный элемент сразу начнет работать в нормальном режиме.
По отдельности топливные элементы создают электродвижущую силу около 1 В каждый. Чтобы увеличить напряжение, элементы соединяют последовательно. Если требуется выдать больший ток, наборы каскадных элементов соединяют параллельно.
Стоит еще раз отметить, что КПД топливных элементов может оставаться на довольно высоком уровне, даже когда они работают не на полную номинальную мощность. Для топливных элементов нет термодинамического ограничения коэффициента использования энергии. В существующих топливных элементах от 60 до 70% энергии топлива непосредственно превращается в электричество. Модульный принцип устройства топливных элементов означает, что мощность источника на них можно увеличить, просто добавив еще несколько каскадов. Это обеспечивает минимизацию коэффициента недоиспользования мощности, что позволяет приводить в соответствие спрос и предложение. При применении топливных элементов практически не бывает вредных выбросов. Ведь при работе двигателя на чистом водороде в качестве побочных продуктов образуются только тепло и чистый водяной пар.
Технология Mobion и другие
Ноутбук Portege M100 с топливным элементом DMFC
Сегодня существуют различные типы топливных элементов. Их можно классифицировать, например, по используемому топливу, рабочему давлению и температуре, а также по характеру применения. Одним из типов элементов, способных работать на водороде и кислороде при нормальных температуре и давлении, являются элементы с ионообменными мембранами. В этих элементах вместо жидкого электролита между электродами располагается полимерная мембрана, через которую свободно проходят ионы. В таких элементах наряду с кислородом может использоваться воздух. Образующаяся при работе элемента вода не растворяет твердый электролит и легко удаляется. Именно поэтому особый практический интерес на сегодняшний день представляют топливные элементы прямого действия на основе метанола (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). Над их созданием работают свыше тридцати различных научных центров, однако впечатляющих успехов удалось добиться специалистам японских корпораций Fujitsu (jp.fujitsu.com), Hitachi (www.hitachi.co.jp), Toshiba (www.toshiba.co.jp) и американской компании MTI MicroFuel Cells (www.mtimicrofuelcells.com).
До сих пор основные усилия исследователей направлены на поиски методов использования растворов с высокой концентрацией метанола, что увеличивает предельную емкость батареи (либо снижает ее габариты при тех же параметрах). До недавнего времени в промышленном производстве применялись растворы с содержанием метанола от 3 до 10%. В прошлом году специалистам MTI MicroFuel Cells (чуть позже о своих успехах в этой области сообщила Toshiba) удалось добиться того, что в лабораторных исследованиях топливные элементы уже работали на чистом метаноле, а прототипы коммерческих устройств – КПК и мобильный телефон – использовали элементы с 50%-ным раствором.
Напомним, что в элементах типа DMFC кислород и водный раствор метанола разделены мембраной-катализатором. Одна сторона этой мембраны играет роль катода, а другая – анода. Метанол, вступив в реакцию с анодом, ионизируется, и его электроны создают ток. Положительно заряженные ионы при этом взаимодействуют с кислородом, образуя воду. В традиционных топливных ячейках сгенерированная вода собирается и при помощи миниатюрного насоса доставляется к аноду, где смешивается с метанолом для получения раствора нужной концентрации. В элементах MTI MicroFuel Cells, созданных по фирменной технологии Mobion, такие насосы отсутствуют, за счет чего, собственно, и удалось уменьшить габариты ячеек. Теоретически элементы Mobion позволят увеличить время автономной работы портативных устройств чуть ли не в 10 раз по сравнению с обычными аккумуляторами тех же размеров. По словам представителей компании, уже сегодня на их элементах DMFC ноутбук в состоянии проработать вдвое больше, чем на равном по размеру штатном аккумуляторе. В дальнейшем время работы ученые намереваются увеличить чуть ли не в 10 раз, что при обычном времени разряда батареи 3–5 ч в будущем даст впечатляющие 30–50 ч. Кроме этого в MTI MicroFuel Cells полагают, что использованные элементы не надо будет выбрасывать, поскольку технология Mobion предусматривает их повторное применение.
Стоит также отметить, что в конце прошлого года топливные элементы Mobion получили сертификаты безопасности от Underwriter’s Laboratories и CSA International. Иными словами, это означает, что MTI MicroFuel Cells теперь может поставлять свои топливные элементы Mobion для военных и промышленных предприятий.
В развитие топливных элементов DMFC внесла существенную лепту и небольшая компания PolyFuel (www.polyfuel.com), расположенная в Калифорнии. Именно она первой запустила в коммерческое производство ячеистую мембрану для метанольных топливных элементов. Как известно, ячеистая мембрана в топливном элементе разделяет отсеки, наполненные раствором метанола и катализатором. Если катализатор (различные компании предлагают разный химический состав) и раствор метанола смешать, то в результате химической реакции образуются свободные заряды, которые и можно использовать для питания портативного или карманного ПК. До недавнего времени мембраны, применяемые в метанольных топливных элементах DMFC, не отличались высокой плотностью, т. е. разделительный слой между метанолом и катализатором не был достаточно непроницаемым. В результате определенное количество химических реакций происходило спонтанно, что расходовало драгоценную энергию, повышало температуру топливного элемента и требовало от разработчиков использования растворов с низкой концентрацией метанола. Последний фактор, в свою очередь, влиял на срок работы метанольной батареи. Благодаря технологии, предложенной специалистами PolyFuel, стало возможным повысить концентрацию метанола до 50–100%. Как утверждают инженеры этой калифорнийской компании, данная разработка сможет существенно продлить срок действия батареи и позволит получить те же функциональные характеристики, что и сегодня, при трехкратном уменьшении габаритов топливного элемента.
Статья опубликована в PC Week/RE №7 от 1.03.2005 г., стр. 18.
Перепечатывается с разрешения автора.
Краткое введение в топливный элемент на метаноле
Топливный элемент на основе метанола делится на топливный элемент с прямым метанолом (DMFC) и топливный элемент с рекомбинантным метанолом (RMFC), которые в основном используются в мобильных телефонах, ноутбуках и других портативных устройствах. Хотя удельная энергия метанольного топливного элемента не так высока, как у других типов топливных элементов, его преимущества заключаются в простоте переноски и хранения метанольного топлива, поэтому метанольный топливный элемент больше подходит для портативных устройств.
До сих пор не было реальных продуктов на метанольных топливных элементах для выхода на гражданский рынок, поскольку разработка топливных элементов на метаноле все еще продолжается, направление исследований в основном сосредоточено на миниатюризации, сроке службы батареи, энергии. Для повышения плотности и энергоэффективности топливных элементов на метаноле для реального производства потребуется время. В любом случае, большинство людей считает, что топливные элементы на метаноле заменят традиционные батареи в качестве основного источника энергии для портативных устройств. Видно, что в последние годы различные производители запустили свои собственные прототипы / прототипы. В этой статье примерно описан принцип DMFC, а дефекты DMFC приводят к RMFC, и, наконец, выделены несколько прототипов и продуктов RMFC.
С точки зрения технических принципов, DMFC является зрелым. Он сразу производит стабильный источник энергии и не требует охлаждения корпуса батареи во время реакции. Используемое метанольное топливо легко хранится в жидком виде и не конденсируется в холодных условиях. DMFCS также легко сделать с точки зрения уменьшения размера, веса и безопасности. Все эти преимущества делают DMFCS в некоторых областях применения больше преимуществ, чем другие типы топливных элементов, например, мы будем в газонокосилке, пилах и других устройствах бытовой техники, можем видеть рисунок DMFC, также можем видеть паром, магазины используйте DMFCS в качестве резервного источника питания, и микро DMFC станет более переносным оборудованием, альтернативными источниками энергии. На рисунке 1 показан музыкальный проигрыватель Toshiba на базе dmfc.
DMFC обычно состоит из проницаемой электролитической мембраны, метанола, проходящего через анод DMFC, и воздуха, проходящего через катод DMFC. Используя метанол для реакции с воздухом с целью производства электроэнергии, процесс не горит и производит только CO2 и воду. Метанол расщепляется на водород и CO2, протоны образуют H2O с O2 в воздухе, а электроны проходят через внешнюю цепь к отрицательному полюсу пленки. Уравнение химической реакции следующее:
Полное уравнение реакции:
CH3OH + o2 = 3/2 CO2 + 2 воды
CH3OH + H2O = CO2 + 6 ч + + е —
3/2 o2 + 6 h + + e — = 3 h2o
Топливный элемент с мембраной с водным электролитом и метанолом (DMFC), в основном с использованием перфторсульфоновой кислоты, поскольку этот материал будет образовываться во внутреннем кластере, окруженном молекулами воды (протон), может образовывать протонный гидрат канала, поэтому протонная проводимость очень высока, однако, так же, как комбинация протонного гидрата метанола может проходить через мембрану и уменьшать использование метанола, что называется явлением сквозного (кроссовера) метанола, как только проникновение метанола произойдет на катодном катализаторе, он будет реагировать с кислородом, что создает такие проблемы как более низкое напряжение. Очень эффективно использовать водный раствор метанола с высокой концентрацией для увеличения емкости аккумулятора, но водный раствор метанола с высокой концентрацией также легко вызывает проникновение метанола, поэтому электролитная мембрана требует высокой протонной проводимости, и в то же время требуется проникновение метанола. быть под контролем. По сути, это тоже фатальный дефект DMFC. Ионы водорода должны переноситься водой через полимерную пленку. Чтобы избежать этой ситуации, исследователи в настоящее время применяют различные другие методы предотвращения проникновения метанола, такие как увеличение разделительного слоя между метанолом и полимерной пленкой, использование водоотталкивающего градиента и другие меры.
Еще одна проблема, с которой сталкивается DMFC, — это выбросы CO2. Хотя метанол можно подавать пассивно (то есть без использования насосов), накопление CO2 в катализаторе приведет к снижению степени использования катализатора. А использование насосной системы повысит сложность системы и объем. Наконец, поскольку атомы углерода и кислорода производят CO2, они также производят CO. В системах, использующих платиновые катализаторы, CO временно отравляет платиновый катализатор. Хотя может быть добавлен электрод, такой как атом рутения, чтобы заставить CO на отравленном катализаторе прореагировать и оторваться от катализатора, когда концентрация CO слишком высока, топливный элемент должен увеличить содержание рутения в электроде, что также Причина в том, что активная площадь электрода DMFC в 10 раз больше, чем у PEMFC.
Разработал систему DMFC для мотоцикла. На рисунке 4 показана структура системы и названия каждой части устройства. На рисунке 5 также показан принцип выработки энергии и структура темы батареи. Система заявляет номинальную мощность 500 Вт, номинальное напряжение 24 В и вес 20 кг. В эту систему входят топливный бак и бак для воды. В топливном баке хранится раствор метанола с концентрацией 50%. Роль резервуара для воды состоит в том, чтобы поддерживать постоянную концентрацию водно-метанольного раствора, подаваемого в корпус батареи, 1 М / л (3,2% массы). В корпусе батареи водный раствор содержит пузырьки CO2, образующиеся в результате химической реакции, которые отправляются обратно в резервуар по трубной петле, и пузырьки изолируются. Yamaha разработала специальный датчик концентрации и схему управления, используемую для мониторинга концентрации метанола, принцип работы этой системы заключается в том, что когда основной корпус батареи в растворе метанола до определенной степени низкой концентрации, система будет генерировать управляющий сигнал. , из резервуара для метанола переходят в раствор с высокой концентрацией раствора метанола с целью повышения их концентрации. Кроме того, компания Yamaha разработала собственный высокоэффективный воздушный насос, который нагнетает воздух к катоду корпуса батареи, включая программу проверки. Наконец, воздух проходит через паровые устройства через теплообменные устройства, где тепло используется для ускорения концентрации раствора, и, наконец, они выводятся из системы. В резервуарах с растворами низкой концентрации контролируется влажность использованных растворов, а избыточная влага выводится из системы. Чтобы интегрировать эту систему в велосипед, конструкция аккумулятора должна быть отрегулирована в соответствии с формой велосипеда для достижения баланса веса.
DMFC разработан для использования в военных целях. Топливный элемент, представленный на выставке топливных элементов в ноябре 2006 года, демонстрирует портативный топливный элемент «MOBION1M», разработанный MTI для использования в военных целях. Он ИСПОЛЬЗУЕТ 100% метанол в качестве топлива, номинальная мощность составляет 0,7 Вт, а размеры — 34 мм x 95 мм x 153 мм. Топливный бак встроенный, с удельной энергией 150 Вт / ч на одной зарядке. Используя технологию Mobion MIT, 100% метанол можно вводить непосредственно в анод DMFC, что позволяет избежать проблемы впрыска метанола в корпус батареи с водой, необходимой для других DMFCS, а также подсистемы добавления микронасоса и микронасоса. -катетер в систему. Его принцип можно отразить в технологии MTI, контролируя, чтобы поддерживать постоянную подачу метанола в 100% концентрации и заставляя их равномерно распределяться по корпусу батареи без использования насоса.
RMFC на самом деле является рекомбинантным метанольным PEMFC, опять же с использованием только метанола в качестве основного сырья. Разница в том, что используется внешний рекомбинатор, обычно микрометанольный рекомбинатор. В RMFC метанол не попадает напрямую в корпус батареи для химической реакции, что позволяет избежать дефектов DMFC, описанных выше, а также может восполнить недостаток выходной мощности DMFC. Согласно прошлогоднему исследованию Casio и Hitachi, метанольный топливный элемент может увеличить свою выходную плотность энергии до 200 мВт / см2 или более, что означает, что его выходная мощность может превышать 10 Вт для работы портативных устройств.
Чтобы сохранить плотность энергии PEMFC и избежать ослабления мощности, вызванного внешней рекомбинацией; Кроме того, поскольку в процессе рекомбинации требуется определенная температура окружающей среды, повышение температуры рекомбинации будет способствовать увеличению скорости превращения метанола в водород-кислород. Следовательно, ожидаемая концентрация водорода и кислорода может быть получена при правильном контроле температуры и дозы химикатов. Температура реструктуризации пара или самонагрева может достигать 200-300 ℃. Другое преимущество использования внешней рекомбинации состоит в том, что рекомбинированный газ может качественно окислять CO, таким образом уменьшая проблемы с CO и уменьшая количество катализатора. Однако также можно использовать высокотемпературные топливные элементы, устойчивые к отравлению CO.
Из-за микро-реструктуризации рабочей температуры метанольного топливного элемента до 200-300 ℃, а проблемы, с которыми сталкиваются текущие RMFC, — это время запуска и температура запуска, поэтому микро-RMFC для ускорения запуска обычно поддерживает горение катализатора в реструктуризация начальная температура верха, чтобы быстро достичь реструктуризации. И DMFC, и RMFC должны добавить микроперезаряжаемые батареи, чтобы справиться с внезапным спросом на электроэнергию, а потребность в энергии топливных элементов также может быть уменьшена с помощью гибридных топливных элементов и вторичных элементов.
2. Прототип RMFC, разработанный Casio
В ноябре 2006 года для Casio был продемонстрирован прототип рекомбинантного топливного элемента на метаноле, в котором система могла питать цифровую камеру. Прототип будет реструктурирован (Reformer), корпус топливного элемента (CellStack) и два топливных ящика (Fuelcartridge) компактны вместе, топливопровод установлен внизу. В состав другого устройства входят два жидкостных насоса, используемые для подачи основного метанола в батарею, датчик расхода жидкости, используемый для измерения скорости потока метанола, двухпозиционный переключающий клапан, используемый для управления подачей метанола, насос, обеспечивающий подачу воздуха и водорода. Два разных клапана регулируют поток воздуха, два используются для измерения расхода воздуха датчиком в качестве вспомогательного устройства. Как видно из прототипа, цепи управления не объединены. Цепь постоянного / постоянного тока и цепь управления являются периферийными цепями, которые не показаны на рисунке 8.
(1) структура прототипа Casio. Система ИСПОЛЬЗУЕТ 60% метанола в качестве топлива. Метанол перекачивается двумя жидкостными насосами из двух топливных баков объемом 8 мл (диаметром 18 мм, длиной 10 мм) в рекомбинатор, и поток контролируется датчиком жидкости. Жидкостный насос был разработан совместно Casio и немецкой исследовательской организацией FraunhoferIZM. Рекомбинатор производит водород из метанола путем рекомбинации пара. Образующийся водород переносится в корпус топливного элемента или сжигается в рекомбинаторе, чтобы поддерживать катализатор при нужной температуре для запуска. По этой причине двухпозиционные клапаны используются для управления потоком в различных путях потока.
Помимо подачи воздуха к корпусу топливного элемента, воздушный насос должен подавать воздух в рекомбинатор для удаления связанного CO. Кроме того, воздух также подается для сжигания водорода, чтобы ускорить реакцию катализатора в рекомбинаторе. Воздух нагнетается непосредственно в корпус топливного элемента без использования клапана. Датчики воздушного потока и различные типы клапанов установлены в каждом канале рекомбинатора для точного контроля воздушного потока. Энергия, генерируемая топливным элементом, подается через схему преобразователя постоянного тока в постоянный, чтобы обеспечить отдельное напряжение для управления цифровой камерой. В то время как корпус топливного элемента, похоже, использует четыре батареи для питания цифровой камеры, как показано в демонстрации, Casio утверждает, что 20 батареек могут питать ноутбук. Для коммерциализации в 2008 году компания планирует выпустить образцы топливных элементов после модернизации прототипа.
(2) несколько важных компонентов прототипа Casio. Среди прототипов — насос электронного осмоса (ЭО), который был запущен 29 ноября прошлого года. Устройство точно распределяет метанол-топливо под высоким давлением в компрессионной ячейке объемом 0,5 куб. См. Он изготовлен из материалов, произведенных по технологии нанофузии. Успешный опыт Casio в области RMFC включает в себя другие ключевые компоненты, такие как теплоизолированные рекомбинаторы, используемые для извлечения водорода из метанола, и корпуса топливных элементов, среди прочего, как показано на рисунке 9. Так называемый насос EO представляет собой небольшой топливный насос, который состоит из электроосмотического материала, кремнийподобного диэлектрика, который генерирует электрический потенциал при контакте с жидкостью. Когда на него подается напряжение, жидкость внутри течет. Он распределяет жидкости под высоким давлением независимо от размера, не использует моторный привод и, что более важно, работает без шума и устраняет такие проблемы, как вибрация. Casio объединила свою запатентованную технологию с электроосмотическими материалами NanoFusion (диаметром 1 мм и толщиной 1 мм), чтобы разработать насос для жидкого топлива, который в основном используется в мобильных устройствах RMFC. Casio исправила проблемы, присущие насосам EO, такие как изменение намагниченности электроосмотического материала из-за столкновений или накопление пузырьков пара при электролизе жидкости. В конечном итоге насос EO может быть сконцентрирован в контейнере объемом 0,5 куб. См и поддерживать скорость потока 90 л / мин даже при давлении 100 кПа.
Другое важное устройство машины реструктуризации с использованием теории водяного пара, нагретого до 280 ℃, и извлечения водорода из метанола. Его структура показана на рисунке 10. Фактически, рекомбинатор несколько раз модифицировался, и в настоящее время говорят, что он решает проблемы с изоляцией, длительным временем запуска и производством слишком большого количества CO, и Casio утверждает, что поставляет образцы рекомбинатора. для ноутбуков в 2007 году. Что касается внутренней структуры, основными компонентами рекомбинатора являются две стеклянные подложки, и они используют вакуумную изоляцию для покрытия внутренней поверхности подложек тонкой пленкой золота для минимизации теплового излучения. По имеющимся данным, рабочее состояние реструктуризации температуры поверхности 40 ℃, 20 ℃ или выше, чем комнатная температура. Рекомбинатор состоит из трех каналов. Один из них — канал сгорания водорода, используемый для выработки тепла для рекомбинации метанола в водород. Путь рекомбинации, где реагируют топливо и водяной пар; Каналы удаления CO используются для удаления побочных продуктов CO.
Еще в 2005 году Ultracell выпустила RMFC, который, как утверждается, имеет удвоенную плотность энергии, чем обычный литий-ионный аккумулятор, который при весе около 40 унций равен размеру плоского бумажного романа. С помощью технологии ultracell отработанное топливо можно подвергать «горячей замене» и повторно использовать для обеспечения непрерывного энергоснабжения. Модель RMFC XX90, изначально разработанная ultracell для использования в военных целях, обеспечивает мощность 45 Вт. Коммерческий ultracell25 был выпущен в 2006 году. Его можно использовать в корпоративных, промышленных и мобильных устройствах. Его военный аналог — XX25. На рисунке 11 показан продукт Ultracell RMFC XX25 для использования в военных целях, который, как утверждается, может обеспечивать бесперебойное питание производственного оборудования в течение 72 часов.
III. Сравнение нескольких топливных элементов
Другие топливные элементы включают плавленый карбонатный FC (MCFC), твердый кислородный FC (SOFC) и фосфатный FC (PAFC), которые также используются в производстве электроэнергии и тепла. MCFCS обычно работают на природном газе. ТОТЭ ИСПОЛЬЗУЕТ углеводородные соединения или H2 в качестве топлива. MCFC и SOFC, работающие при высоких температурах (> 650 ℃ соответственно и 800-1000 ℃), SOFC может обеспечить самый высокий КПД по мощности (44% 50%), а режим симбиоза (когенерации) может составлять более 80%. Кроме того, тонкопленочный полимерный электролит FC (PEMFC) также широко используется в электромобилях, но также может использоваться для фиксированного производства электроэнергии. Чтобы не выделять вредные вещества, PEMFC требует ввода чистого H2 и не может производить CO2 в процессе реакции. Они работают при низких температурах и обеспечивают эффективность преобразования от 35 до 40 процентов. Транспортные средства на топливных элементах в основном работают на PEMFC, на долю которого также приходится 70-80% рынка небольших твердотельных топливных элементов. Ожидается, что в среднесрочной и долгосрочной перспективе MCFC и SOFC будут доминировать на рынке крупногабаритных твердотельных топливных элементов. В настоящее время ТОТЭ занимает 15-20% доли в этом сегменте. Тысячи FCS производятся по всему миру каждый год, 80% для стационарных и мобильных устройств, а остальное — для демонстрационных проектов транспортных средств на топливных элементах.
Если затраты на H2 и топливные элементы будут значительно сокращены, а правила по ограничению выбросов CO2 будут введены и эффективно соблюдаются, тогда FC может увидеть значительный рост рынка в следующие 10 лет (достигнув 30% доли рынка к 2050 году). Потенциал роста фиксированного распределения FC зависит от правил ценообразования на сырье, то есть от цен на электронные материалы и природный газ. ТОТЭ и MCFC, которые используют природный газ в качестве основного топлива, к 2050 году будут составлять 5% мирового рынка топливных элементов.
Страница содержит содержимое машинного перевода.
- Предыдущая статья： Инвестиции Sequoia Stock / Byd / Huayu Cobalt Industry в промышленность литиевых материалов в 2018 г.
- Следующая статья： Даст ли Иньлун на рынке автомобилей на новой энергии время, чтобы «взорваться»?