Pèl·lules de combustible: tipus, principi de funcionament i característiques

2024 Autora: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificació: 2024-01-02 13:51

L'hidrogen és un combustible net, ja que només produeix aigua i proporciona energia neta utilitzant fonts d'energia renovables. Es pot emmagatzemar en una pila de combustible que produeix electricitat mitjançant un dispositiu de conversió electroquímica. L'hidrogen és la font de l'energia revolucionària del futur, però el seu desenvolupament encara és molt limitat. Motius: energia que és difícil de produir, rendibilitat i balanç energètic qüestionable a causa de la naturalesa intensiva energètica del disseny. Però aquesta opció energètica ofereix perspectives interessants pel que fa a l'emmagatzematge d'energia, sobretot quan es tracta de fonts renovables.

Pioners de les cèl·lules de combustible

El concepte va ser demostrat efectivament per Humphry Davy a principis del segle XIX. Això va ser seguit pel treball pioner de Christian Friedrich Schonbein el 1838. A principis dels anys 60, la NASA, en col·laboració amb socis industrials, va començar a desenvolupar generadorsd'aquest tipus per a vols espacials tripulats. Això va donar lloc al primer bloc de PEMFC.

Un altre investigador de GE, Leonard Nidrach, ha millorat el PEMFC de Grubb utilitzant platí com a catalitzador. Grubb-Niedrach es va desenvolupar encara més en col·laboració amb la NASA i va ser utilitzat pel programa espacial Gemini a finals de la dècada de 1960. International Fuel Cells (IFC, més tard UTC Power) va desenvolupar el dispositiu d'1,5 kW per als vols espacials Apollo. Van proporcionar electricitat i aigua potable als astronautes durant la seva missió. Posteriorment, IFC va desenvolupar les unitats de 12 kW que s'utilitzen per proporcionar energia a bord per a tots els vols de naus espacials.

L'element de l'automòbil va ser inventat per Grulle als anys 60. GM va utilitzar Union Carbide al cotxe "Electrovan". Només es va utilitzar com a cotxe d'empresa, però podia viatjar fins a 120 milles amb un dipòsit ple i assolir velocitats de fins a 70 milles per hora. Kordesch i Grulke van experimentar amb una motocicleta d'hidrogen el 1966. Es tractava d'un híbrid cel·lular amb una bateria NiCad en tàndem que va aconseguir uns impressionants 1,18 L/100 km. Aquest moviment compta amb una tecnologia avançada de bicicletes elèctriques i la comercialització de motocicletes elèctriques.

L'any 2007, les fonts de combustible es van comercialitzar en una gran varietat d'àrees, es van començar a vendre als usuaris finals amb garanties escrites i capacitats de servei, és a dir. complir els requisits i els estàndards d'una economia de mercat. Així, diversos segments del mercat van començar a centrar-se en la demanda. En particular, milers de potència auxiliarLes unitats PEMFC i DMFC (APU) s'han comercialitzat en aplicacions d'entreteniment: vaixells, joguines i equips d'entrenament.

Horizon l'octubre de 2009 va mostrar el primer sistema electrònic comercial Dynario que funciona amb cartutxos de metanol. Les piles de combustible Horizon poden carregar telèfons mòbils, sistemes GPS, càmeres o reproductors de música digital.

Processos de producció d'hidrogen

Les piles de combustible d'hidrogen són substàncies que contenen hidrogen com a combustible. El combustible d'hidrogen és un combustible de zero emissions que allibera energia durant la combustió o mitjançant reaccions electroquímiques. Les piles de combustible i les bateries produeixen electricitat mitjançant una reacció química, però les primeres produiran energia mentre hi hagi combustible i, per tant, no perdran mai la càrrega.

Els processos tèrmics per produir hidrogen solen implicar el reformat amb vapor, un procés d' alta temperatura on el vapor reacciona amb una font d'hidrogen per alliberar hidrogen. Molts combustibles naturals es poden reformar per produir hidrogen.

Avui, aproximadament el 95% de l'hidrogen es produeix a partir del reformat de gas. L'aigua es divideix en oxigen i hidrogen per electròlisi, en un dispositiu que funciona com una pila de combustible Horizon zero al revés.

Processos solars

Utilitzen la llum com a agent per produir hidrogen. Existeixdiversos processos basats en plaques solars:

1. fotobiològic;
2. fotoelectroquímica;
3. assolellat;
4. termoquímic.

Els processos fotobiològics utilitzen l'activitat fotosintètica natural dels bacteris i les algues verdes.

Els processos fotoelectroquímics són semiconductors especialitzats per separar l'aigua en hidrogen i oxigen.

La producció solar termoquímica d'hidrogen utilitza energia solar concentrada per a la reacció de separació de l'aigua juntament amb altres espècies com els òxids metàl·lics.

Els processos biològics utilitzen microbis com ara bacteris i microalgues i poden produir hidrogen mitjançant reaccions biològiques. En la conversió de biomassa microbiana, els microbis descomponen la matèria orgànica com la biomassa, mentre que en els processos fotobiològics, els microbis utilitzen la llum solar com a font.

Components de generació

Els dispositius d'elements estan fets de diverses parts. Cadascun té tres components principals:

• ànode;
• càtode;
• electròlit conductor.

En el cas de les piles de combustible Horizon, on cada elèctrode està fet d'un material de gran superfície impregnat amb un catalitzador d'aliatge de platí, el material electròlit és una membrana i serveix com a conductor d'ions. La generació elèctrica està impulsada per dues reaccions químiques primàries. Per a elements utilitzant purH_2.

El gas hidrogen a l'ànode es divideix en protons i electrons. Els primers es transporten a través de la membrana electròlit, i els segons flueixen al seu voltant, generant un corrent elèctric. Els ions carregats (H + i e -) es combinen amb O_{2 al càtode, alliberant aigua i calor. Els nombrosos problemes ambientals que afecten el món actual estan mobilitzant la societat per aconseguir un desenvolupament sostenible i avançar cap a la protecció del planeta. En aquest context, el factor clau és la substitució dels recursos energètics bàsics reals per altres que puguin satisfer plenament les necessitats humanes.}

Els elements en qüestió són només un dispositiu d'aquest tipus, gràcies al qual aquest aspecte troba la solució més probable, ja que és possible obtenir energia elèctrica a partir de combustible net amb alta eficiència i sense emissions de CO_2.

Catalitzadors de platí

El platí és molt actiu per a l'oxidació de l'hidrogen i continua sent el material electrocatalitzador més comú. Una de les principals àrees d'investigació d'Horizon amb piles de combustible reduïdes en platí és a la indústria de l'automòbil, on es preveuen catalitzadors dissenyats a partir de nanopartícules de platí recolzades en carboni conductor en un futur proper. Aquests materials tenen l'avantatge de nanopartícules altament disperses, una gran superfície electrocatalítica (ESA) i un creixement mínim de partícules a temperatures elevades, fins i tot a nivells de càrrega de Pt més alts.

Els aliatges que contenen

Pt són útils per a dispositius que funcionen amb fonts de combustible especialitzades com el metanol o el reformat (H₂, CO₂, CO i N_{2). Els aliatges Pt/Ru han mostrat un rendiment millorat respecte als catalitzadors electroquímics purs de Pt en termes d'oxidació del metanol i no hi ha possibilitat d'enverinament per monòxid de carboni. Pt 3 Co és un altre catalitzador d'interès (especialment per als càtodes de piles de combustible Horizon) i ha demostrat una eficiència de reacció de reducció d'oxigen millorada, així com una gran estabilitat..}

Catalitzadors Pt/C i Pt 3 Co/C que mostren nanopartícules altament disperses sobre substrats de carboni superficials. Hi ha diversos requisits clau a tenir en compte a l'hora de triar un electròlit de pila de combustible:

1. Alta conductivitat de protons.
2. Alta estabilitat química i tèrmica.
3. Baixa permeabilitat als gasos.

Font d'energia d'hidrogen

L'hidrogen és l'element més simple i abundant de l'univers. És un component important de l'aigua, el petroli, el gas natural i de tot el món viu. Malgrat la seva senzillesa i abundància, l'hidrogen rarament es troba en el seu estat gasós natural a la Terra. Gairebé sempre es combina amb altres elements. I es pot derivar del petroli, del gas natural, de la biomassa o de la separació de l'aigua amb energia solar o elèctrica.

Un cop es forma l'hidrogen com a H molecular₂, l'energia present a la molècula es pot alliberar per interaccióamb O₂. Això es pot aconseguir amb motors de combustió interna o amb piles de combustible d'hidrogen. En ells, l'energia H_{2 es converteix en corrent elèctric amb pèrdues de potència baixes. Per tant, l'hidrogen és un portador d'energia per moure, emmagatzemar i lliurar energia produïda a partir d' altres fonts.}

Filtres per a mòduls d'alimentació

L'obtenció d'elements energètics alternatius és impossible sense l'ús de filtres especials. Els filtres clàssics ajuden en el desenvolupament de mòduls de potència d'elements en diferents països del món a causa dels blocs d' alta qualitat. Es subministren filtres per preparar combustible com el metanol per a aplicacions cel·lulars.

Típicament, les aplicacions d'aquests mòduls d'alimentació inclouen fonts d'alimentació en ubicacions remotes, energia de reserva per a subministraments crítics, APU en vehicles petits i aplicacions marines com el Projecte Pa-X-ell, que és un projecte per provar cèl·lules en vaixells de passatgers.

Carcassa de filtre d'acer inoxidable que resol problemes de filtració. En aquestes aplicacions exigents, els fabricants de piles de combustible zero Dawn estan especificant carcasses de filtres d'acer inoxidable de Classic Filters a causa de la flexibilitat de producció, estàndards de qualitat més alts, lliuraments ràpids i preus competitius..

Plataforma tecnològica d'hidrogen

Horizon Fuel Cell Technologies es va fundar a Singapur l'any 2003 i avui compta amb 5 filials internacionals. La missió de l'empresa ésper marcar la diferència en les piles de combustible treballant a nivell mundial per aconseguir una comercialització ràpida, reduir els costos de la tecnologia i eliminar les barreres antigues al subministrament d'hidrogen. L'empresa va començar amb productes petits i senzills que requereixen baixes quantitats d'hidrogen per preparar aplicacions més grans i complexes. Seguint directrius estrictes i un full de ruta, Horizon s'ha convertit ràpidament en el fabricant de cèl·lules a granel de menys de 1000 W del món, donant servei als clients de més de 65 països amb la selecció més àmplia de productes comercials del sector.

La plataforma tecnològica Horizon consta de: PEM - Piles de combustible Horizon zero Dawn (microcombustible i piles) i els seus materials, subministrament d'hidrogen (electròlisi, reformat i hidròlisi), dispositius i dispositius d'emmagatzematge d'hidrogen.

Horizon ha llançat el primer generador d'hidrogen portàtil i personal del món. L'estació HydroFill pot generar hidrogen descomposant l'aigua en un dipòsit i emmagatzemant-la en cartutxos HydroStick. Contenen un aliatge absorbent d'hidrogen gasós per proporcionar emmagatzematge sòlid. A continuació, els cartutxos es poden inserir en un carregador MiniPak que pot gestionar petits elements de filtre de combustible.

Horizon o hidrogen domèstic

Horizon Technologies llança un sistema de càrrega d'hidrogen i emmagatzematge d'energia per a ús domèstic, estalviant energia a casa per carregar dispositius portàtils. Horizon es va distingir l'any 2006 amb la joguina "H-racer", un cotxe petit que funciona amb hidrogen votat com "millor invent" de l'any. Ofereix Horizondescentralitzar l'emmagatzematge d'energia a casa amb la seva estació de càrrega d'hidrogen Hydrofill, que és capaç de recarregar petites bateries portàtils i reutilitzables. Aquesta planta d'hidrogen només necessita aigua per funcionar i generar energia.

El treball pot ser proporcionat per la xarxa, plaques solars o un aerogenerador. A partir d'aquí, l'hidrogen s'extreu del dipòsit d'aigua de l'estació i s'emmagatzema en forma sòlida en petites cèl·lules d'aliatge metàl·lic. L'estació Hydrofill, que es ven al detall per uns 500 dòlars, és una solució avantguardista per a telèfons. On trobar piles de combustible Hydrofill a aquest preu no és difícil per als usuaris, només cal que sol·liciteu la sol·licitud corresponent a Internet.

Càrrega d'hidrogen del cotxe

Com els cotxes elèctrics que funcionen amb piles, els que funcionen amb hidrogen també utilitzen electricitat per conduir el cotxe. Però en lloc d'emmagatzemar aquesta electricitat en bateries que triguen hores a carregar-se, les cèl·lules generen energia a bord del cotxe reaccionant hidrogen i oxigen. La reacció té lloc en presència d'un electròlit, un conductor no metàl·lic, en el qual el flux elèctric és transportat pel moviment dels ions en dispositius on les piles de combustible Horizon zero estan equipades amb membranes d'intercanvi de protons. Funcionen de la següent manera:

1. El gas d'hidrogen es subministra a l'ànode "-" (A) de la cel·la i l'oxigen es dirigeix al pol positiu.
2. A l'ànode el catalitzador és de platí,descarta els electrons dels àtoms d'hidrogen, deixant ions "+" i electrons lliures. Només els ions travessen la membrana situada entre l'ànode i el càtode.
3. Els electrons creen corrent elèctric movent-se al llarg d'un circuit extern. Al càtode, els electrons i els ions d'hidrogen es combinen amb l'oxigen per produir aigua que surt de la cèl·lula.

Fins ara, dues coses han obstaculitzat la producció a gran escala de vehicles propulsats amb hidrogen: el cost i la producció d'hidrogen. Fins fa poc, el catalitzador de platí, que divideix l'hidrogen en un ió i un electró, era prohibitiu.

Fa uns anys, les piles de combustible d'hidrogen costaven uns 1.000 dòlars per cada quilowatt de potència, o uns 100.000 dòlars per un cotxe. S'han dut a terme diversos estudis per reduir el cost del projecte, com ara la substitució del catalitzador de platí per un aliatge de platí-níquel 90 vegades més eficient. L'any passat, el Departament d'Energia dels EUA va informar que el cost del sistema s'havia reduït a 61 dòlars per quilowatt, encara no competitiu a la indústria de l'automòbil..

Tomografia computada amb raigs X

Aquest mètode de prova no destructiu s'utilitza per estudiar l'estructura d'un element de dues capes. Altres mètodes que s'utilitzen habitualment per estudiar l'estructura:

• porosimetria d'intrusió de mercuri;
• microscòpia de força atòmica;
• perfilometria òptica.

Els resultats mostren que la distribució de la porositat té una base sòlida per calcular la conductivitat tèrmica i elèctrica, la permeabilitat idifusió. Mesurar la porositat dels elements és molt difícil per la seva geometria prima, compressible i no homogènia. El resultat mostra que la porositat disminueix amb la compressió GDL.

L'estructura porosa té un impacte significatiu en la transferència de massa a l'elèctrode. L'experiment es va dur a terme a diverses pressions de premsat en calent, que oscil·laven entre 0,5 i 10 MPa. El rendiment depèn principalment del metall de platí, el cost del qual és molt elevat. La difusió es pot augmentar mitjançant l'ús d'aglutinants químics. A més, els canvis de temperatura afecten la vida útil i el rendiment mitjà de l'element. La taxa de degradació dels PEMFC d' alta temperatura és inicialment baixa i després augmenta ràpidament. S'utilitza per determinar la formació d'aigua.

Problemes de comercialització

Per ser competitius en costos, els costos de les piles de combustible s'han de reduir a la meitat i allargar la vida de la bateria de la mateixa manera. Avui dia, però, els costos d'explotació encara són molt més elevats, ja que els costos de producció d'hidrogen estan entre 2,5 i 3 dòlars, i és poc probable que l'hidrogen subministrat costi menys de 4 dòlars/kg. Perquè la cèl·lula pugui competir de manera efectiva amb les bateries, hauria de tenir un temps de càrrega curt i minimitzar el procés de substitució de la bateria.

Actualment, la tecnologia de piles de combustible de polímers costarà 49 dòlars EUA/kW quan es produeixi en sèrie (almenys 500.000 unitats a l'any). Tanmateix, per competir amb els cotxescombustió interna, les piles de combustible d'automòbil haurien d'arribar a uns 36 $/kWh. Es poden aconseguir estalvis reduint els costos dels materials (en particular, l'ús de platí), augmentant la densitat de potència, reduint la complexitat del sistema i augmentant la durabilitat. Hi ha diversos reptes per comercialitzar la tecnologia a gran escala, inclosa la superació d'una sèrie de barreres tècniques.

Reptes tècnics del futur

El cost d'una pila depèn del material, la tècnica i les tècniques de fabricació. L'elecció del material depèn no només de l'adequació del material per a la funció, sinó també de la capacitat de treball. Tasques clau dels elements:

1. Redueix la càrrega de l'electrocatalitzador i augmenta l'activitat.
2. Millora la durabilitat i redueix la degradació.
3. Optimització del disseny d'elèctrodes.
4. Millora la tolerància a les impureses a l'ànode.
5. Selecció de materials per a components. Es basa principalment en el cost sense sacrificar el rendiment.
6. Tolerància a errors del sistema.
7. El rendiment de l'element depèn principalment de la resistència de la membrana.

Els principals paràmetres de GDL que afecten el rendiment de la cèl·lula són la permeabilitat dels reactius, la conductivitat elèctrica, la conductivitat tèrmica i el suport mecànic. El gruix de GDL és un factor important. Una membrana més gruixuda proporciona una millor protecció, resistència mecànica, camins de difusió més llargs i majors nivells de resistència tèrmica i elèctrica.

Tendències progressives

Entre els diferents tipus d'elements, PEMFC està adaptant més aplicacions mòbils (cotxes, ordinadors portàtils, telèfons mòbils, etc.), per tant, cada cop és d'interès per a un ampli ventall de fabricants. De fet, PEMFC té molts avantatges, com ara baixa temperatura de funcionament, estabilitat d' alta densitat de corrent, pes lleuger, compacitat, baix cost i potencial de volum, llarga vida útil, arrencades ràpides i aptitud per a un funcionament intermitent.

La tecnologia PEMFC s'adapta bé a una varietat de mides i també s'utilitza amb una varietat de combustibles quan es processa adequadament per produir hidrogen. Com a tal, troba ús des de la petita escala de subwatts fins a l'escala de megawatts. El 88% dels enviaments totals el 2016-2018 van ser PEMFC.