Pin nhiên liệu: loại, nguyên lý hoạt động và tính năng

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-02 14:05

Hydrogen là nhiên liệu sạch vì nó chỉ tạo ra nước và cung cấp năng lượng sạch bằng cách sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo. Nó có thể được lưu trữ trong pin nhiên liệu sản xuất điện bằng thiết bị chuyển đổi điện hóa. Hydro là nguồn năng lượng cách mạng của tương lai, nhưng sự phát triển của nó vẫn còn rất hạn chế. Lý do: năng lượng khó sản xuất, hiệu quả chi phí và vấn đề cân bằng năng lượng do tính chất sử dụng nhiều năng lượng của thiết kế. Nhưng tùy chọn năng lượng này mang lại những góc nhìn thú vị về lưu trữ năng lượng, đặc biệt là khi nói đến các nguồn tái tạo.

Tiên phong sử dụng Pin Nhiên liệu

Khái niệm này đã được Humphry Davy thể hiện một cách hiệu quả vào đầu thế kỷ XIX. Tiếp theo là công trình tiên phong của Christian Friedrich Schonbein vào năm 1838. Vào đầu những năm 1960, NASA, phối hợp với các đối tác công nghiệp, bắt đầu phát triển máy phát điệnloại này cho các chuyến bay không gian có người lái. Điều này dẫn đến khối đầu tiên của PEMFC.

Một nhà nghiên cứu khác của GE, Leonard Nidrach, đã nâng cấp PEMFC của Grubb bằng cách sử dụng bạch kim làm chất xúc tác. Grubb-Niedrach được phát triển thêm với sự hợp tác của NASA và được chương trình không gian Gemini sử dụng vào cuối những năm 1960. International Fuel Cells (IFC, sau này là UTC Power) đã phát triển thiết bị 1,5 kW cho các chuyến bay vũ trụ của Apollo. Họ cung cấp điện cũng như nước uống cho các phi hành gia trong suốt nhiệm vụ của họ. IFC sau đó đã phát triển các đơn vị 12kW được sử dụng để cung cấp năng lượng trên tàu cho tất cả các chuyến bay của tàu vũ trụ.

Phần tử ô tô lần đầu tiên được phát minh bởi Grulle vào những năm 1960. GM đã sử dụng Union Carbide trong xe "Electrovan". Nó chỉ được sử dụng như một chiếc xe của công ty, nhưng có thể di chuyển tới 120 dặm khi đầy bình và đạt tốc độ lên tới 70 dặm một giờ. Kordesch và Grulke đã thử nghiệm với một chiếc mô tô chạy bằng hydro vào năm 1966. Đó là một chiếc hybrid cell với pin NiCad song song đạt được mức 1,18L / 100km ấn tượng. Động thái này có công nghệ xe đạp điện tiên tiến và việc thương mại hóa xe máy điện tử.

Năm 2007, các nguồn nhiên liệu đã được thương mại hóa trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chúng bắt đầu được bán cho người dùng cuối với các bảo hành bằng văn bản và khả năng dịch vụ, tức là đáp ứng các yêu cầu và tiêu chuẩn của nền kinh tế thị trường. Do đó, một số phân khúc thị trường bắt đầu tập trung vào nhu cầu. Đặc biệt, hàng nghìn công suất phụ trợCác thiết bị PEMFC và DMFC (APU) đã được thương mại hóa trong các ứng dụng giải trí: thuyền, đồ chơi và bộ dụng cụ đào tạo.

Horizon vào tháng 10 năm 2009 đã giới thiệu hệ thống điện tử Dynario thương mại đầu tiên chạy bằng hộp methanol. Pin nhiên liệu Horizon có thể sạc điện thoại di động, hệ thống GPS, máy ảnh hoặc máy nghe nhạc kỹ thuật số.

Quy trình sản xuất hydro

Pin nhiên liệu hydro là những chất có chứa hydro làm nhiên liệu. Nhiên liệu hydro là nhiên liệu không phát thải, giải phóng năng lượng trong quá trình đốt cháy hoặc thông qua các phản ứng điện hóa. Tế bào nhiên liệu và pin tạo ra điện thông qua một phản ứng hóa học, nhưng phản ứng trước đây sẽ tạo ra năng lượng miễn là có nhiên liệu, do đó không bao giờ mất điện.

Các quy trình nhiệt để sản xuất hydro thường liên quan đến quá trình cải tạo hơi nước, một quá trình nhiệt độ cao trong đó hơi nước phản ứng với nguồn hydrocacbon để giải phóng hydro. Nhiều nhiên liệu tự nhiên có thể được cải cách để tạo ra hydro.

Ngày nay khoảng 95% hydro được sản xuất từ quá trình cải tạo khí. Nước được phân tách thành oxy và hydro bằng cách điện phân, trong một thiết bị hoạt động ngược lại giống như pin nhiên liệu Horizon zero.

Quy trình dựa trên năng lượng mặt trời

Họ sử dụng ánh sáng như một tác nhân để sản xuất hydro. Tồn tạimột số quy trình dựa trên các tấm pin mặt trời:

1. quang sinh học;
2. quang điện tử;
3. nắng;
4. nhiệt hoá.

Quy trình quang học sử dụng hoạt động quang hợp tự nhiên của vi khuẩn và tảo lục.

Quy trình quang điện là chất bán dẫn chuyên dụng để tách nước thành hydro và oxy.

Sản xuất năng lượng mặt trời hydro nhiệt hóa sử dụng năng lượng mặt trời tập trung cho phản ứng tách nước cùng với các loại khác như oxit kim loại.

Quy trình sinh học sử dụng các vi sinh vật như vi khuẩn và vi tảo và có thể tạo ra hydro thông qua các phản ứng sinh học. Trong quá trình chuyển hóa sinh khối bằng vi sinh, vi sinh phân hủy chất hữu cơ như sinh khối, trong khi trong quá trình quang sinh, vi sinh sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn.

Thành phần thế hệ

Thiết bị của các phần tử được làm từ một số bộ phận. Mỗi loại có ba thành phần chính:

• cực dương;
• cực âm;
• chất dẫn điện.

Trong trường hợp pin nhiên liệu Horizon, trong đó mỗi điện cực được làm bằng vật liệu có diện tích bề mặt cao được ngâm tẩm với chất xúc tác hợp kim bạch kim, vật liệu điện phân là một màng và hoạt động như một chất dẫn ion. Quá trình tạo ra điện được thúc đẩy bởi hai phản ứng hóa học chính. Đối với các phần tử sử dụng nguyên chấtH_2.

Khí hydro ở cực dương phân tách thành proton và electron. Chất trước được dẫn qua màng điện phân, và chất sau chảy xung quanh nó, tạo ra dòng điện. Các ion mang điện (H + và e -) kết hợp với O_{2ở cực âm, giải phóng nước và nhiệt. Nhiều vấn đề môi trường ảnh hưởng đến thế giới ngày nay đang thúc đẩy xã hội đạt được sự phát triển bền vững và tiến tới bảo vệ hành tinh. Trong bối cảnh ở đây, yếu tố quan trọng là sự thay thế các nguồn năng lượng cơ bản thực tế bằng những nguồn năng lượng khác có thể đáp ứng đầy đủ nhu cầu của con người.}

Các yếu tố được đề cập chỉ là một thiết bị như vậy, nhờ đó khía cạnh này tìm ra giải pháp khả thi nhất, vì có thể thu được năng lượng điện từ nhiên liệu sạch với hiệu suất cao và không phát thải CO_2.

Chất xúc tác bạch kim

Bạch kim có hoạt tính cao đối với quá trình oxy hóa hydro và tiếp tục là vật liệu xúc tác điện phổ biến nhất. Một trong những lĩnh vực nghiên cứu chính của Horizon sử dụng pin nhiên liệu khử bạch kim là trong ngành công nghiệp ô tô, nơi các chất xúc tác được chế tạo từ các hạt nano bạch kim được hỗ trợ trên cacbon dẫn điện được lên kế hoạch trong tương lai gần. Những vật liệu này có lợi thế là các hạt nano phân tán cao, diện tích bề mặt xúc tác điện tử cao (ESA) và sự phát triển của hạt tối thiểu ở nhiệt độ cao, ngay cả ở mức tải Pt cao hơn.

Hợp kim chứa Pt rất hữu ích cho các thiết bị chạy trên các nguồn nhiên liệu chuyên dụng như metanol hoặc reforming (H₂, CO₂, CO và N_{2). Các hợp kim Pt / Ru đã cho thấy hiệu suất được cải thiện so với chất xúc tác Pt điện hóa tinh khiết về khả năng oxy hóa metanol và không có khả năng ngộ độc cacbon monoxit. Pt 3 Co là một chất xúc tác khác được quan tâm (đặc biệt đối với cực âm pin nhiên liệu Horizon) và đã cho thấy hiệu suất phản ứng khử oxy được cải thiện cũng như độ ổn định cao.}

Chất xúc tácPt / C và Pt 3 Co / C cho thấy các hạt nano phân tán cao trên bề mặt carbon. Có một số yêu cầu chính cần xem xét khi chọn chất điện phân pin nhiên liệu:

1. Độ dẫn proton cao.
2. Độ bền hóa và nhiệt cao.
3. Tính thấm khí thấp.

Nguồn năng lượng hydro

Hydrogen là nguyên tố đơn giản và phong phú nhất trong vũ trụ. Nó là một thành phần quan trọng của nước, dầu, khí tự nhiên và toàn bộ thế giới sống. Mặc dù đơn giản và phong phú, hydro hiếm khi được tìm thấy ở trạng thái khí tự nhiên trên Trái đất. Nó hầu như luôn được kết hợp với các yếu tố khác. Và nó có thể được lấy từ dầu, khí tự nhiên, sinh khối hoặc bằng cách tách nước bằng năng lượng mặt trời hoặc điện.

Khi hydro được hình thành dưới dạng phân tử H₂, năng lượng có trong phân tử có thể được giải phóng do tương tácvới O₂. Điều này có thể đạt được với động cơ đốt trong hoặc pin nhiên liệu hydro. Trong đó, năng lượng H_{2được biến đổi thành dòng điện với tổn thất điện năng thấp. Do đó, hydro là chất mang năng lượng để di chuyển, lưu trữ và cung cấp năng lượng được tạo ra từ các nguồn khác.}

Bộ lọc cho mô-đun nguồn

Không thể có được các nguyên tố năng lượng thay thế nếu không sử dụng các bộ lọc đặc biệt. Bộ lọc cổ điển giúp phát triển các mô-đun nguồn của các phần tử ở các quốc gia khác nhau trên thế giới do các khối chất lượng cao. Bộ lọc được cung cấp để chuẩn bị nhiên liệu như metanol cho các ứng dụng tế bào.

Các ứng dụng điển hình cho các mô-đun nguồn này bao gồm cung cấp điện ở các vị trí xa, nguồn dự phòng cho các nguồn cung cấp quan trọng, APU trên các phương tiện nhỏ và các ứng dụng hàng hải như Project Pa-X-ell, một dự án thử nghiệm tế bào trên tàu chở khách.

Vỏ lọc bằng thép không gỉ giải quyết các vấn đề về lọc. Trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe này, các nhà sản xuất pin nhiên liệu không bình minh đang chỉ định vỏ bộ lọc bằng thép không gỉ của Classic Filters do tính linh hoạt trong sản xuất, tiêu chuẩn chất lượng cao hơn, giao hàng nhanh và giá cả cạnh tranh.

Nền tảng công nghệ Hydrogen

Horizon Fuel Cell Technologies được thành lập tại Singapore vào năm 2003 và ngày nay có 5 công ty con quốc tế. Nhiệm vụ của công ty làđể tạo ra sự khác biệt trong pin nhiên liệu bằng cách làm việc trên toàn cầu để đạt được thương mại hóa nhanh chóng, giảm chi phí công nghệ và loại bỏ các rào cản lâu đời đối với việc cung cấp hydro. Công ty bắt đầu với các sản phẩm nhỏ và đơn giản, yêu cầu lượng hydro thấp để chuẩn bị cho các ứng dụng lớn hơn và phức tạp hơn. Bằng cách tuân theo các nguyên tắc nghiêm ngặt và một lộ trình, Horizon đã nhanh chóng trở thành nhà sản xuất tế bào số lượng lớn dưới 1000W lớn nhất thế giới, phục vụ khách hàng tại hơn 65 quốc gia với nhiều lựa chọn sản phẩm thương mại nhất trong ngành.

Nền tảng công nghệ Horizon bao gồm: PEM - Pin nhiên liệu bình minh không chân trời (vi nhiên liệu và ngăn xếp) và vật liệu của chúng, nguồn cung cấp hydro (điện phân, cải cách và thủy phân), thiết bị và thiết bị lưu trữ hydro.

Horizon đã phát hành máy tạo hydro cá nhân và di động đầu tiên trên thế giới. Trạm HydroFill có thể tạo ra hydro bằng cách phân hủy nước trong bồn chứa và lưu trữ trong hộp mực HydroStick. Chúng chứa một hợp kim hấp thụ khí hydro để cung cấp kho chứa chất rắn. Sau đó, các hộp mực có thể được lắp vào bộ sạc MiniPak có thể xử lý các phần tử lọc nhiên liệu nhỏ.

Chân trời hoặc hydro nhà

Horizon Technologies ra mắt hệ thống sạc hydro và lưu trữ năng lượng để sử dụng tại nhà, tiết kiệm năng lượng tại nhà để sạc các thiết bị di động. Horizon nổi bật vào năm 2006 với món đồ chơi "H-racer", một chiếc ô tô nhỏ chạy bằng khí hydro được bình chọn là "phát minh hay nhất" của năm. Horizon cung cấpphân quyền lưu trữ năng lượng tại nhà với trạm sạc hydro Hydrofill, có thể sạc lại các loại pin nhỏ di động và có thể tái sử dụng. Nhà máy hydro này chỉ cần nước để chạy và tạo ra điện.

Công việc có thể được cung cấp bởi lưới điện, các tấm pin mặt trời hoặc tuabin gió. Từ đó, hydro được chiết xuất từ bồn chứa nước của trạm và được lưu trữ ở dạng rắn trong các ô hợp kim kim loại nhỏ. Trạm Hydrofill, được bán lẻ với giá khoảng 500 đô la, là một giải pháp tiên phong cho điện thoại. Tìm mua pin nhiên liệu Hydrofill ở đâu với mức giá này không khó đối với người dùng, bạn chỉ cần đưa ra yêu cầu phù hợp trên Internet.

Sạc hydro trên ô tô

Giống như ô tô điện chạy bằng pin, ô tô chạy bằng hydro cũng sử dụng điện để điều khiển ô tô. Nhưng thay vì lưu trữ lượng điện này trong pin mất hàng giờ để sạc, các tế bào tạo ra năng lượng trên xe bằng cách phản ứng hydro và oxy. Phản ứng xảy ra với sự có mặt của chất điện phân - chất dẫn điện phi kim loại, trong đó dòng điện được thực hiện bởi sự chuyển động của các ion trong các thiết bị mà pin nhiên liệu Horizon zero được trang bị màng trao đổi proton. Chúng hoạt động như sau:

1. Khí hydro được cung cấp cho cực dương "-" (A) của tế bào và oxy được dẫn đến cực dương.
2. Trên cực dương, chất xúc tác là bạch kim,loại bỏ các electron khỏi nguyên tử hydro, để lại các ion "+" và các electron tự do. Chỉ có các ion đi qua màng nằm giữa cực dương và cực âm.
3. Các êlectron tạo ra dòng điện bằng cách di chuyển dọc theo mạch ngoài. Tại cực âm, các electron và ion hydro kết hợp với oxy để tạo ra nước chảy ra khỏi tế bào.

Cho đến nay, có hai điều đã cản trở việc sản xuất quy mô lớn các phương tiện chạy bằng hydro: chi phí và sản xuất hydro. Cho đến gần đây, chất xúc tác bạch kim, có thể phân tách hydro thành một ion và một điện tử, rất đắt tiền.

Vài năm trước, pin nhiên liệu hydro có giá khoảng 1.000 đô la cho mỗi kilowatt điện, hoặc khoảng 100.000 đô la cho một chiếc ô tô. Nhiều nghiên cứu khác nhau đã được thực hiện để giảm chi phí của dự án, bao gồm việc thay thế chất xúc tác bạch kim bằng hợp kim platin-niken hiệu quả hơn 90 lần. Năm ngoái, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã báo cáo rằng chi phí của hệ thống này đã giảm xuống còn 61 đô la cho mỗi kilowatt, vẫn chưa thể cạnh tranh trong ngành công nghiệp ô tô.

Chụp cắt lớp vi tính tia X

Phương pháp kiểm tra không phá hủy này được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc của phần tử hai lớp. Các phương pháp khác thường được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc:

• đo độ xâm nhập thủy ngân;
• kính hiển vi lực nguyên tử;
• đo cấu hình quang học.

Kết quả cho thấy sự phân bố độ xốp có cơ sở vững chắc để tính toán độ dẫn nhiệt và điện, độ thấm vàkhuếch tán. Việc đo độ xốp của các nguyên tố là rất khó khăn do cấu tạo hình học mỏng, có thể nén và không đồng nhất của chúng. Kết quả cho thấy độ xốp giảm khi nén GDL.

Cấu trúc xốp có tác động đáng kể đến sự chuyển khối trong điện cực. Thí nghiệm được thực hiện ở các áp suất ép nóng khác nhau, nằm trong khoảng từ 0,5 đến 10 MPa. Hiệu suất chủ yếu phụ thuộc vào kim loại bạch kim, chi phí rất cao. Sự khuếch tán có thể được tăng lên thông qua việc sử dụng chất kết dính hóa học. Ngoài ra, sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu suất trung bình của phần tử. Tốc độ phân hủy của PEMFCs ở nhiệt độ cao ban đầu thấp và sau đó tăng lên nhanh chóng. Điều này được sử dụng để xác định sự hình thành của nước.

Vấn đề thương mại hóa

Để cạnh tranh về chi phí, chi phí pin nhiên liệu phải giảm một nửa và tuổi thọ của pin cũng kéo dài tương tự. Tuy nhiên, ngày nay, chi phí vận hành vẫn cao hơn nhiều, vì chi phí sản xuất hydro là từ 2,5 đô la đến 3 đô la, và hydro được cung cấp khó có thể có giá dưới 4 đô la / kg. Để tế bào cạnh tranh hiệu quả với pin, nó phải có thời gian sạc ngắn và giảm thiểu quá trình thay thế pin.

Hiện tại, công nghệ pin nhiên liệu polyme sẽ có giá 49 đô la Mỹ / kW khi sản xuất hàng loạt (ít nhất 500.000 chiếc mỗi năm). Tuy nhiên, để cạnh tranh với các dòng xeđốt trong, pin nhiên liệu ô tô nên đạt khoảng $ 36 / kWh. Tiết kiệm có thể đạt được bằng cách giảm chi phí vật liệu (đặc biệt là sử dụng bạch kim), tăng mật độ điện năng, giảm độ phức tạp của hệ thống và tăng độ bền. Có một số thách thức đối với việc thương mại hóa công nghệ trên quy mô lớn, bao gồm cả việc vượt qua một số rào cản kỹ thuật.

Những thách thức kỹ thuật trong tương lai

Giá thành của một ngăn xếp phụ thuộc vào chất liệu, kỹ thuật và kỹ thuật sản xuất. Việc lựa chọn vật liệu không chỉ phụ thuộc vào sự phù hợp của vật liệu đối với chức năng mà còn phụ thuộc vào khả năng làm việc. Nhiệm vụ chính của các phần tử:

1. Giảm tải xúc tác điện và tăng cường hoạt động.
2. Cải thiện độ bền và giảm sự xuống cấp.
3. Tối ưu hóa thiết kế điện cực.
4. Cải thiện khả năng chịu các tạp chất ở cực dương.
5. Lựa chọn vật liệu cho các thành phần. Nó chủ yếu dựa trên chi phí mà không ảnh hưởng đến hiệu suất.
6. Khả năng chịu lỗi hệ thống.
7. Hiệu suất của phần tử phụ thuộc chủ yếu vào độ bền của màng.

Các thông số GDL chính ảnh hưởng đến hiệu suất của tế bào là tính thấm của thuốc thử, độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt và hỗ trợ cơ học. Độ dày GDL là một yếu tố quan trọng. Màng dày hơn cung cấp khả năng bảo vệ tốt hơn, độ bền cơ học, đường dẫn khuếch tán dài hơn và mức độ điện trở nhiệt và điện cao hơn.

Xu hướng tiến bộ

Trong số các loại yếu tố khác nhau, PEMFC đang điều chỉnh nhiều ứng dụng di động hơn (ô tô, máy tính xách tay, điện thoại di động, v.v.), do đó, ngày càng được nhiều nhà sản xuất quan tâm. Trên thực tế, PEMFC có nhiều ưu điểm như nhiệt độ hoạt động thấp, ổn định mật độ dòng điện cao, trọng lượng nhẹ, nhỏ gọn, chi phí thấp và tiềm năng khối lượng, tuổi thọ dài, khởi động nhanh và thích hợp cho hoạt động gián đoạn.

Công nghệPEMFC rất phù hợp với nhiều loại kích cỡ và cũng được sử dụng với nhiều loại nhiên liệu khác nhau khi được xử lý thích hợp để tạo ra hydro. Như vậy, nó được sử dụng từ quy mô subwatt nhỏ cho đến quy mô megawatt. 88% tổng số lô hàng trong năm 2016-2018 là PEMFC.