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.

A, DMFC

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

Анод:

CH3OH + H2O = CO2 + 6 ч + + е -

Катод:

3/2 o2 + 6 h + + e - = 3 h2o

2. Дефекты DMFC

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.

Во-вторых, RMFC

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.

1, введение

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.

3, Ultracell25

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.