Обзор результатов исследований топливных элементов

1. Определения

FuelCells - это электрохимическое устройство для выработки энергии, которое не требует цикла Карно и имеет высокую скорость преобразования энергии. Топливо и воздух отправляются в топливные элементы по отдельности, и электричество прекрасно вырабатывается. Он смотрит на положительные и отрицательные полюса и электролиты снаружи, как батарея, но по сути он может не «хранить электричество», а «электростанцию». Топливные элементы также считаются экологически безопасным устройством преобразования энергии из-за того, что практически отсутствуют оксиды азота и серы, загрязняющие окружающую среду в процессе преобразования энергии. Благодаря этим преимуществам технология топливных элементов считается одной из новых экологически чистых и эффективных технологий производства энергии в 21 веке. По мере того, как исследования продолжают развиваться, топливные элементы начали использоваться на электростанциях, в источниках питания для микроэлектроники и так далее.

2. Базовая структура

Основная структура топливного элемента состоит из четырех частей: анода, катода, электролита и внешней цепи. Обычно анодом является исключительно водородный электрод, а катодом - исключительно кислородный электрод. И анод, и катод должны содержать определенное количество электрического катализатора для ускорения электрохимической реакции, происходящей на электроде. Между двумя электродами находится электролит.

3. Классификация

В настоящее время существует множество типов топливных элементов, и есть много способов их классифицировать. Классифицируются разными методами следующим образом:

(1) Классифицируется по механизму действия: можно разделить на кислотные топливные элементы и щелочные топливные элементы;

(2) Классифицируется по типу электролита: кислотный, щелочной, солевой расплав или твердый электролит;

Обзор результатов исследований топливных элементов

(3) Классификация по типу топлива: есть топливные элементы прямого и непрямого действия;

(4) По рабочей температуре топливного элемента: низкая температура (ниже 200 ° C); Средняя температура (200-750 ° С); Высокотемпературный тип (выше 750 ° C).

4. Принцип

Принцип работы топливных элементов относительно прост, включая окисление топлива и восстановление кислорода в двухэлектродных реакциях и процесс переноса ионов. Ранняя конструкция топливного элемента была относительно простой, для передачи ионов требовались только электролиты и два твердых электрода. Когда водород используется в качестве топлива, а кислород используется в качестве окислителя, анодная реакция и общая реакция топливного элемента:

Анод: H2 → 2 H + 2 E-

Катоды: 1/2 O2 + 2 H + 2 E- → H2O

Общая реакция: H2 +1 / 2 O2 → H2O

Среди них H2 достигает анода путем диффузии и окисляется до и E- под действием катализатора. С тех пор H + достигает катода через электролит, и электроны также достигают катода после того, как нагрузка запитана от внешней цепи. Это приводит к реакции восстановления (ORR) с O2.

Обзор результатов исследований топливных элементов

II. Применение топливных элементов

Сегодня существует множество типов топливных элементов, которые были разработаны в соответствии с потребностями различных приложений. В соответствии с категорией ионов проводимости его можно разделить на кислотные топливные элементы, щелочные топливные элементы, паяльные карбонатные топливные элементы и твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ). Кислотные топливные элементы также можно подразделить на PEMFC, прямые спиртовые топливные элементы и фосфатные топливные элементы. Все типы топливных элементов имеют свои рабочие характеристики с рабочими температурами от -40 ° C до 1000 ° C. Типы топливных элементов можно выбрать в соответствии с различными потребностями. Среди них PEMFC - топливный элемент, которому в последние десятилетия уделяется наибольшее внимание. PEMFC не только обладает универсальными характеристиками топливных элементов, но также имеет такие преимущества, как быстрый запуск и работа при низких температурах, отсутствие потерь электролитической жидкости, длительный срок службы, удельная мощность и более высокая удельная энергия. Это считается идеальным решением для замены двигателей внутреннего сгорания в качестве автомобильных источников энергии в будущем.

Благодаря характеристикам модульных топливных элементов, широкому диапазону мощности и разнообразию видов топлива его можно применять в самых разных случаях: от небольших источников питания до скутеров, мобильных зарядных устройств и электростанций мощностью до мегаватт. Фактически, коммерциализация топливных элементов разгорелась как пожар. Данные показывают, что с 2008 по 2011 год доля топливных элементов на мировом рынке в качестве резервных источников энергии для оборудования сетей связи, логистики и наземного обслуживания аэропортов увеличилась на 214. Ожидается, что рыночная стоимость топливных элементов к 2020 году достигнет 19,2 миллиарда долларов.

Обзор результатов исследований топливных элементов

Подробности следует кратко описать следующим образом:

(1) Портативный источник питания

Ежегодный рост продаж портативных источников питания привлекает множество энергетических технологий. Ее продукция включает ноутбуки, мобильные телефоны, радиоприемники и другие мобильные устройства, которым для личного удобства требуется источник питания. Основные требования к портативным мобильным источникам питания обычно требуют, чтобы источник питания обладал характеристиками высокой удельной энергии, легким и компактным. Плотность энергии топливных элементов обычно в 5-10 раз выше, чем у аккумуляторных батарей, что делает их более конкурентоспособными. Кроме того, тот факт, что топливные элементы не требуют дополнительных зарядов, также позволяет им адаптироваться к более длительной дикой природе. В настоящее время существуют топливные элементы прямого действия на метаноле (DMFC) и PEMFC, используемые в качестве индивидуальных источников энергии для военных и мобильных зарядных устройств. Стоимость, стабильность и срок службы будут техническими проблемами, которые топливные элементы должны решить при применении в удобных мобильных источниках энергии.

(2) Фиксированный источник питания

К стационарным источникам питания относятся аварийные резервные источники питания, источники бесперебойного питания и независимые электростанции в удаленных районах. В настоящее время топливные элементы ежегодно занимают около 70 мегаватт рынка электроэнергии по сравнению с традиционными свинцово-кислотными батареями. Топливные элементы имеют более продолжительное время работы (примерно в 5 раз больше, чем у свинцово-кислотных элементов), более высокую плотность, чем энергия, меньший объем и лучшую приспособляемость к окружающей среде. Автономные электростанции считаются наиболее экономичным и надежным способом снабжения электроэнергией отдаленных районов, где труднодоступны интеллектуальные сети и где возникают чрезвычайные ситуации. Топливные элементы использовались в качестве независимых электростанций во многих стихийных бедствиях, которые сыграли важную роль в оказании помощи при стихийных бедствиях. Следует отметить, что стационарные электростанции обычно требуют более длительного срока службы (более 80 000 часов), что является самой большой технической проблемой для технологии топливных элементов, применяемой на стационарных электростанциях.

(3) Источник питания трафика

Транспортная мощность была основным побуждающим фактором в развитии технологий чистой энергии, так как 17% глобальных парниковых газов (CO2) генерируется транспортной энергией, основанной на ископаемом топливе, наряду с другими проблемами загрязнения воздуха, такими как дымка. PEMFC, работающий на H2, считается лучшей альтернативой двигателю внутреннего сгорания. Основными причинами являются: (а) выхлопные газы содержат только воду и не содержат загрязняющих веществ; (б) топливный элемент чрезвычайно эффективен (53% -59%), почти в два раза больше, чем у обычных двигателей внутреннего сгорания; (c) низкотемпературный быстрый запуск, низкий уровень шума и стабильная работа, многие страны мира продвигают программы транспортировки топливных элементов, и Япония является одной из самых радикальных стран. Япония планирует построить более 1000 станций добавления аммиака и эксплуатировать 2 миллиона автомобилей на топливных элементах к 2025 году. В 2015 году японская корпорация Toyota Motor Corporation начала продавать Mirai, первый в мире источник питания PEMFC, ознаменовав новую эру в технологии топливных элементов для автомобилей. мощность.

Обзор результатов исследований топливных элементов

III. Исследования топливных элементов

1. Разработка топливных элементов

Топливный элемент - это автономная силовая установка. Его зарождение и развитие основаны на электрохимии, электрокатализе, динамике электродных процессов, материаловедении, химических процессах и автоматизации. С 1839 года Гроув опубликовал первый в мире отчет о топливных элементах за более чем 160 лет. С технической точки зрения мы понимаем, что появление, развитие и совершенствование новых концепций является ключом к развитию топливных элементов. Например, в топливных элементах в качестве окислителя и топлива используется газ, но растворимость газа в жидких электролитах очень мала, что приводит к очень низкой плотности рабочего тока батареи. С этой целью ученые предложили концепцию трехфазной границы раздела между пористыми газодиффузионными электродами и электрохимическими реакциями. Именно появление пористых газодиффузионных электродов создает необходимые условия для практического применения топливных элементов. Чтобы стабилизировать трехфазную границу раздела, был использован электрод с двумя отверстиями, и к электроду был добавлен водоотталкивающий материал, такой как политетрафторэтилен, для получения связанного водоотталкивающего электрода. Для топливных элементов с твердым электролитом в качестве диафрагмы, таких как топливные элементы с протонообменной мембраной и твердооксидные топливные элементы, чтобы установить трехфазную границу раздела внутри электрода, ионообменная смола или материал твердого оксидного электролита смешивают с электрическими элементами. катализатор, чтобы получить электрод. Трехмерный.

Материаловедение - основа развития топливных элементов. Открытие нового высокоэффективного материала и его использование в топливных элементах будет способствовать быстрому развитию топливных элементов. Разработка асбестовых мембран и их успешное применение в щелочных батареях обеспечили успешное использование щелочных кислородно-водородных топливных элементов с асбестовыми мембранами для космических кораблей. Успешная разработка диафрагмы из метасиликата лития в расплавленном карбонате ускорила строительство экспериментальной электростанции МВТ для топливных элементов на расплаве карбоната. Разработка мембран с твердым электролитом из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, сделала твердооксидные топливные элементы горячей темой исследований для будущих децентрализованных электростанций с топливными элементами. Появление протонообменных мембран типа перфторсульфоновой кислоты привело к возрождению исследований топливных элементов с протонообменной мембраной, что привело к быстрому развитию.

До 1960-х годов, в связи с быстрым развитием и прогрессом гидроэнергетики, выработки тепловой энергии и химических батарей, топливные элементы находились на стадии фундаментальных исследований теории и применения, в основном в отношении концепции, материалов и принципов. Прорыв в топливных элементах зависит в основном от усилий ученых. В 1960-х годах из-за острой потребности в пилотируемых космических кораблях для батарей большой мощности, высокой удельной мощности и высокой удельной энергии топливные элементы привлекли внимание некоторых стран и военных ведомств. Именно в этом контексте Соединенные Штаты представили технологию Бэкона для успешного производства основного источника энергии космического корабля «Аполлон» для высадки на Луну, среднетемпературного водородно-кислородного топливного элемента типа Бэкона. С 1990-х годов люди стали уделять все больше и больше внимания охране окружающей среды в целях устойчивого развития, защиты земли и блага будущих поколений. Благодаря быстрому развитию топливных элементов с протонообменной мембраной были представлены различные электромобили, работающие на них. Помимо дороговизны, их характеристики сопоставимы с тепловозами. Поэтому электромобили на топливных элементах стали центром внимания и конкуренции со стороны правительства США и крупных автомобильных компаний.

Что касается инвестиций, то до этого инвестиции в разработку топливных элементов в основном зависели от правительства, но до сих пор компания стала основной инвестицией в разработку топливных элементов, особенно электромобилей на топливных элементах. Все крупные автомобильные и нефтяные компании мира участвовали в разработке автомобилей на топливных элементах. Всего за несколько лет они вложили около 8 миллиардов долларов США. Успешно разработан 41 вид топливных электромобилей, в том числе 24 легковых автомобиля и автобуса. 9 видов автобусов и 3 вида легких грузовиков. В этом году Соединенные Штаты объявили о плане инвестировать 2,5 миллиарда долларов США в разработку электромобилей на топливных элементах, из которых государство выделило 1,5 миллиарда долларов США, а три основные автомобильные компании инвестировали 1 миллиард долларов США.

2. Состояние исследований щелочных топливных элементов (AFC).

Аккумулятор использует от 35% до 45% КОН в качестве электролита и проникает в пористый инертный матричный мембранный материал при рабочей температуре менее 100 ° C. Преимущество этого типа батареи заключается в том, что скорость электрохимической реакции кислорода в щелочной жидкости больше, чем в кислой жидкости, поэтому существует большая плотность тока и выходная мощность, но окислителем должен быть чистый кислород, и количество катализатора из драгоценного металла в батарее велико, а коэффициент использования невысок. В настоящее время разработка такой технологии топливных элементов является очень зрелой и успешно применяется в космических полетах и на подводных лодках. Система аммиачно-воздушно-щелочных топливных элементов мощностью 200 Вт была разработана в Китае, и были изготовлены щелочные топливные элементы мощностью 1, 10 и 20 кВт. В конце 1990-х годов были достигнуты очень ценные результаты в отслеживании развития. Основная технология разработки щелочных топливных элементов состоит в том, чтобы избежать разрушения компонентов щелочного электролита диоксидом углерода, независимо от того, является ли он частью диоксида углерода в воздухе или диоксида углерода, содержащегося в газе риформинга углеводородов. Обработка удаления, что, несомненно, увеличивает общую стоимость системы. Кроме того, воду, образующуюся в результате электрохимической реакции батареи, необходимо вовремя разряжать для поддержания водного баланса. Следовательно, упрощение дренажной системы и системы управления также является основной технологией, которую необходимо решить при разработке щелочных топливных элементов.

3. Состояние исследований топливных элементов на основе фосфорной кислоты (PAFC).

Эта батарея использует фосфорную кислоту в качестве электролита и имеет рабочую температуру около 200 ° C. Выдающимся преимуществом является то, что количество катализатора из благородного металла значительно снижено по сравнению с щелочным гидроксидным топливным элементом, чистота восстановителя должна быть значительно снижена, а содержание монооксида углерода может достигать 5%. В таких батареях обычно используются органические углеводороды в качестве топлива, положительные и отрицательные электроды сделаны из пористых электродов из политетрафторэтилена, электроды покрыты Pt в качестве катализатора, а электролиты на 85% состоят из H3PO4. Он имеет стабильные характеристики и высокую проводимость в диапазоне от 100 до 200 ° C. Батареи на основе фосфорной кислоты дешевле в производстве, чем другие топливные элементы, и почти доступны для использования в гражданских целях. В настоящее время электростанция на топливных элементах большой мощности в мире использует батарею этого топлива. Соединенные Штаты включили топливные элементы с фосфорной кислотой в список ключевых национальных научно-исследовательских проектов для исследований и разработок и продали по всему миру топливные элементы с фосфорной кислотой мощностью 200 кВт. Япония произвела самый большой в мире топливный элемент на основе фосфорной кислоты (11 МВт). К началу 2002 года в США было установлено и испытано 235 комплектов устройств для выработки электроэнергии с PAFC мощностью 200 кВт по всему миру с совокупной выработкой электроэнергии 4,7 миллиона часов, и в 2001 году было продано 23 комплекта. В США и Японии несколько комплектов устройств. достигли проектной цели - 10 000 часов непрерывной выработки электроэнергии; пять комплектов энергоблоков PAFC мощностью 200 кВт в настоящее время находятся в эксплуатации в Европе; Японские компании Furi Electric и Mitsubishi Electric разработали системы выработки электроэнергии с PAFC мощностью 500 кВт; Китайская компания Wei Zidong и другие провели исследование электрокатализатора восстановления кислорода Pt3 (Fe / Co) / C и предложили закрепляющий эффект Fe / Co на Pt. Технология производства энергии на основе топливных элементов на основе фосфорной кислоты быстро развивалась, но время ее разработки замедляется из-за задержек в разработке, таких как длительное время запуска и низкий коэффициент использования отходящего тепла.

4. Состояние исследований топливных элементов с расплавленным карбонатом (MCFC)

В батарее в качестве электролита используется легкоплавкая смесь двух или более карбонатов, например низкотемпературная щелочно-карбонатная эвтектика, которая просачивается в пористую подложку, а электрод обжигается из никелевого порошка, а катодный порошок содержит большое количество. Элементы из переходных металлов используются в качестве стабилизаторов, в основном в США, Японии и Западной Европе. Был представлен топливный элемент с расплавленным карбонатом с внешним общим трубопроводом мощностью от 2 до 5 МВт, и был сделан прорыв в решении проблемы ухудшения характеристик и миграции электролита MCFC. Американская энергетическая компания на топливных элементах в настоящее время испытывает в лаборатории электростанции MCFC мощностью 263 кВт. Итальянская Ansaldo в сотрудничестве с испанской Spanishcomp's разработала электростанцию MCFC мощностью 100 кВт и электростанцию MCFC мощностью 500 кВт. Японская компания Hitachi, Ltd. разработала энергоблок 1MMCFC в 2000 году, Mitsubishi разработала энергоблок MCFC мощностью 200 кВт в 2000 году, а Toshiba разработала недорогой энергоблок MCFC мощностью 10 кВт. Китай официально включил MCFC в национальный «Девятый пятилетний план» и разработал топливный элемент с расплавленным карбонатом мощностью от 1 до 5 кВт. Катоды, аноды, электролитные мембраны и биполярные пластины в MCFC представляют собой четыре основные трудности в фундаментальных исследованиях. Интеграция этих четырех компонентов и управление электролитами являются технической основой установки и эксплуатации аккумуляторных блоков MCFC и модулей электростанции.

5. Состояние исследований твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ)

Электролит в батарее представляет собой сложный оксид, который обладает сильной ионопроводящей функцией при высоких температурах (ниже 1000 ° C). Это связано с тем, что ионное состояние смешанных ионов, таких как кальций, барий или стронций, ниже, чем у ионов циркония, и некоторые пространства решетки анионов кислорода освобождаются для проведения электричества. В настоящее время такие батареи разрабатываются странами всего мира, и достигнут значительный прогресс, но есть недостатки: высокая стоимость производства; слишком высокая температура; диэлектрические трещины; большое сопротивление. Были разработаны твердооксидные топливные элементы, образованные различными структурами, такими как трубчатые, плоские и гофрированные, и такие топливные элементы называются топливными элементами третьего поколения. Несколько компаний в США и Японии разрабатывают электростанции на ТОТЭ с планарной турбиной мощностью 10 кВт. Немецкая компания Siemens-Westinghouse Electric испытывает трубчатый рабочий реактор SOFC мощностью 100 кВт, а Соединенные Штаты испытывают рабочий реактор SOFC мощностью 25 кВт. Большинство отечественных стран находятся на стадии фундаментальных исследований ТОТЭ. Эксплуатация ТОТЭ при высоких температурах также сопряжена с рядом проблем с материалами, герметизацией и конструкцией, такими как спекание электродов, химическая диффузия границы раздела между электролитом и электродами, а также согласование материалов с разными коэффициентами теплового расширения и биполярностью. плиты материалы. Стабильность и тд. Это также в определенной степени ограничивает развитие ТОТЭ и становится ключевым аспектом его технологического прорыва.

6. Состояние исследований протонообменных мембранных топливных элементов (PEMFC)

PEMFC - это топливный элемент пятого поколения, который быстро развивается после AFC, PAFC, MCFC и SOFC. Это самая низкая температура, самый высокий коэффициент энергопотребления, самый быстрый запуск, самый долгий срок службы и наиболее широко используемый. Это для аэрокосмической и военной энергетики. Развитый. По результатам социологического опроса журнала Time, он вошел в десятку лучших новых технологий 21 века. Внутренние исследования и разработки демонстрируют использование технологии AFC для накопления всесторонних исследований PEMFC; Также была проделана обширная работа по приготовлению, характеристике и анализу PEMFC и Pt / C-электрокатализаторов с использованием полистиролсульфонатных мембран в качестве электролитов. Ряд компаний в Соединенных Штатах, Японии, Sanyo, Mitsubishi и других компаниях также разработали переносные реакторы для выработки электроэнергии с PEMFC. Компания Electric Systems Canada в сотрудничестве с EBARA из Японии разработала оборудование для выработки электроэнергии с PEMFC мощностью 250 кВт и портативные системы выработки электроэнергии с PEMFC мощностью 1 кВт. Германия построила в Берлине экспериментальный реактор ПЭМТЭ мощностью 250 кВт. Основной технологией топливного элемента с протонообменной мембраной является технология изготовления компонента «три в одном» электрод-мембрана-электрод. Чтобы распространиться в газ, к электроду добавляются протонные проводники, и контакт между электродом и мембраной улучшается. Электрод, мембрана и электрод прижимаются друг к другу посредством горячего давления, образуя узел электрод-мембрана-электрод три в одном. Технические параметры протонообменной мембраны напрямую влияют на характеристики компонента три в одном. и, следовательно, влияют на эффективность работы всего элемента и батареи. Цена PEMFC также ограничивает процесс его коммерциализации. Следовательно, улучшение характеристик необходимых компонентов и снижение эксплуатационных расходов являются важными направлениями развития PEMFC.

7. Состояние исследований топливных элементов, работающих на прямом углероде

По сравнению с прямым сжиганием углерода топливные элементы с прямым сжиганием углерода отличаются низким уровнем загрязнения и высоким потреблением энергии, что является идеальным методом использования углерода. Отчет об исследовании DCFC впервые появился в 1896 году. Жак использует уголь в качестве отрицательного электрода, железо в качестве положительного электрода и систему батарей с расплавленным NaOH в качестве электролита и 100 ячеек для формирования батареи. Когда рабочая температура батарейного блока составляет 400 ~ 500 ° C, общая выходная мощность составляет 1,5 кВт, плотность тока до 100 мА? См-2. Топливные элементы с прямым углеродом имеют широкий спектр сырья и могут использоваться для утилизации углеродсодержащих отходов, но все же сталкиваются с проблемой примесей в топливе, вызывающих выход из строя электродов и электролитов.

Страница содержит содержимое машинного перевода.