Wysokotemperaturowe ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów
Wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (HT-PEMFC), znane również jako ogniwa paliwowe z membraną z elektrolitem polimerowym o wysokiej temperaturze, to rodzaj ogniw paliwowych PEM , które mogą pracować w temperaturach od 120 do 200°C. Ogniwa paliwowe HT-PEM są wykorzystywane zarówno w zastosowaniach stacjonarnych, jak i przenośnych. Ogniwo paliwowe HT-PEM jest zwykle zasilane gazem bogatym w wodór, takim jak gaz reformingowy powstały w wyniku reformingu metanolu , etanolu , gazu ziemnego lub LPG .
Nauka
Przegląd
Ogniwo paliwowe HT-PEM zostało opracowane w 1995 roku do pracy w wyższych temperaturach ogniw, mając na celu zmniejszenie wrażliwości ogniw paliwowych PEM na zanieczyszczenia. Tak więc technologia ogniw paliwowych HT-PEM jest jednym z najmłodszych rodzajów ogniw paliwowych, a systemy ogniw paliwowych HT-PEM są produkowane od XXI wieku przez kilka firm.
Membrana składa się z polimeru odpornego na kwasy i temperaturę, który ma zdolność wchłaniania kwasu pełniącego rolę elektrolitu. Powszechnie jako membranę stosuje się polibenzimidazol (PBI), a jako elektrolit stosuje się kwas fosforowy. Technologia ogniw paliwowych HT-PEM jest podobna do ogniw paliwowych z kwasem fosforowym (PAFC), ale różni się głównie membraną, która jest stosowana w ogniwach paliwowych HT-PEM i umożliwia przenośne zastosowania ogniw paliwowych HT-PEM.
Podczas gdy zwykłe ogniwo paliwowe PEM, zwane także niskotemperaturowym ogniwem paliwowym z membraną do wymiany protonów (LT-PEM), zwykle musi być zasilane wodorem o wysokiej czystości, przekraczającej 99,9%, ogniwo paliwowe HT-PEM jest mniej wrażliwe na zanieczyszczenia i dlatego jest zazwyczaj pracuje z gazem reformingowym o stężeniu wodoru około 50 do 75%. W przeciwieństwie do ogniw paliwowych LT-PEM, które są wrażliwe na stężenie tlenku węgla rzędu kilku części na milion, ogniwa paliwowe HT-PEM pracują przy stężeniach tlenku węgla do około 3 % obj. Zwykle ogniwa paliwowe HT-PEM działają w temperaturze ogniwa od 150 do 180 °C.
Niska wrażliwość na zanieczyszczenia pozwala na stosowanie paliw takich jak metanol, etanol, gaz ziemny, LPG, DME itp., które są reformowane w reformerze do gazu reformowanego bogatego w wodór, przy czym konstrukcja systemu ogniw paliwowych jest prosta i nie wymaga etapów oczyszczania oczyszczanie gazu reformingowego.
Ze względu na niską wrażliwość na zanieczyszczenia i przewodnictwo protonowe membrany, zespół elektrody membranowej , który jest używany w ogniwach paliwowych HT-PEM, może być również używany do separacji wodoru w celu skutecznego oddzielenia ultraczystego wodoru od rozcieńczonych lub zanieczyszczonych gazów zawierających wodór.
Sprawność systemu bilansu instalacji dla systemów ogniw paliwowych HT-PEM zasilanych metanolem wynosi zwykle od 35 do 45% i może dochodzić do około 55% w zależności od projektu systemu i warunków pracy. Jeśli chodzi o wydajność ogniw, można osiągnąć do 63%.
Ponieważ reforming parowy metanolu jest prostszy i wydajniejszy (temperatura złoża katalizatora poniżej 280°C) w porównaniu z reformingiem innych paliw oraz ze względu na niski koszt i wysoką czystość metanolu konwencjonalnego i metanolu odnawialnego (np. wytwarzanego z odpadów lub energii odnawialnej) a także ze względu na proste przechowywanie metanolu, większość ogniw paliwowych HT-PEM działa z metanolem. Ogniwo paliwowe HT-PEM zasilane metanolem jest najczęściej używanym typem ogniwa paliwowego z reformowanym metanolem (RMFC).
Silne strony
- W porównaniu z ogniwem paliwowym LT-PEM nie jest potrzebne zarządzanie wodą do nawilżania membrany.
- Ciepło odpadowe komina ( 130 do 180 °C) można wykorzystać, umożliwiając kogenerację (CHP) do dalszego wykorzystania ciepła, w przeciwieństwie do ogniwa paliwowego LT-PEM, które ma zbyt niską temperaturę ciepła odpadowego poniżej 80 °C.
- Proste chłodzenie komina jest możliwe dzięki wyższej temperaturze stosu w porównaniu z ogniwem paliwowym LT-PEM (powierzchnia wymiany ciepła, moc chłodzenia).
- Można stosować różne paliwa, które można poddać reformingowi w reformerze do gazu bogatego w wodór (np. metanol, etanol, propanol, bio-butanol , bio-glicerol, metan, etan, propan, butan, OME , benzyna, amoniak ).
- Możliwa jest prosta konstrukcja systemu, ponieważ nie jest potrzebny etap oczyszczania dla ogniw paliwowych HT-PEM zasilanych metanolem.
- W przeciwieństwie do ogniw paliwowych SOFC możliwe jest zastosowanie w stosie elementów z tworzyw sztucznych oraz uszczelnień elastomerowych.
- Wyższa wydajność systemów ogniw paliwowych HT-PEM zasilanych metanolem (35 do 45 %) w porównaniu z ogniwami paliwowymi z bezpośrednim metanolem, DMFC (20 do 30 %). Niskie zużycie paliwa metanolu.
- Nie ma potrzeby stosowania paliwa o wysokiej czystości metanolu w zasilanym metanolem systemie ogniw paliwowych HT-PEM w porównaniu z DMFC.
- Możliwa jest dłuższa żywotność zasilanego metanolem systemu ogniw paliwowych HT-PEM niż systemu DMFC.
- Stosowane są czyste paliwa lub mieszanki wodno-paliwowe (w zależności od konstrukcji systemu ogniw paliwowych).
- Możliwe jest stosowanie paliw odnawialnych.
- Temperatury przechowywania w chłodni poniżej 0°C nie stanowią problemu dla membrany ogniwa paliwowego w przeciwieństwie do ogniw paliwowych DMFC i LT-PEM.
- Jako paliwo można stosować wodór o niskiej czystości. Wodór o niskiej czystości jest tańszy niż wodór o wysokiej czystości, który zwykle musi być stosowany w ogniwach paliwowych LT-PEM.
- Stosowanie paliw takich jak metanol umożliwia obniżenie kosztów paliwa w przeliczeniu na kWh w porównaniu z wodorem (np. ogniwa paliwowe LT-PEM) lub olejem napędowym (np. agregaty prądotwórcze) jako paliwem.
Słabości
- Dłuższy czas rozruchu w porównaniu z ogniwem paliwowym LT-PEM (czas nagrzewania komina i reformera). Dlatego czasami konieczna jest hybrydyzacja z większym akumulatorem niż w przypadku systemów ogniw paliwowych LT-PEM.
- W przeciwieństwie do ogniw paliwowych LT-PEM i DMFC niezbędny jest komponent systemowy do ogrzewania komina podczas rozruchu.
- Potrzeba więcej ogniw w porównaniu z ogniwem paliwowym LT-PEM, aby osiągnąć wysoką moc wyjściową lub taką samą wydajność jak w przypadku ogniwa wodorowego Ogniwo paliwowe LT-PEM ze względu na gorszą charakterystykę ogniwa paliwowego HT-PEM: Wyższe koszty stosu, objętość stosu i waga stosu w porównaniu z LT - Ogniwo paliwowe PEM. Technologie uzyskiwania lepszych właściwości krzywych charakterystycznych są w podstawowym stanie badań.
- zespole elektrody membranowej zastosowano wyższą zawartość platyny (ok. 8 - 14 g Pt na kW) niż w ogniwach paliwowych LT-PEM : należy rozważyć recykling platyny. Rozwój elektrod bezplatynowych do ogniw paliwowych HT-PEM jest na podstawowym etapie badań.
- W przypadku stosowania paliw organicznych emitowany jest dwutlenek węgla i być może śladowe ilości tlenku węgla (stężenie zależne od konstrukcji układu, zazwyczaj stężenie CO znacznie niższe niż emitowane z silników spalinowych).
- Niektóre elementy systemu muszą być odporne na wyższe temperatury niż w przypadku ogniw paliwowych LT-PEM i DMFC, co ogranicza wybór odpowiednich materiałów (np. polimery o odporności do 120 - 180 °C).
Aplikacje
Systemy ogniw paliwowych HT-PEM są wykorzystywane w zastosowaniach stacjonarnych i przenośnych. Na przykład ogniwa paliwowe HT-PEM zasilane metanolem są stosowane jako zamienniki generatorów (np. off-grid , zasilanie rezerwowe , zasilanie awaryjne , pomocnicze jednostki napędowe ) oraz do zwiększania zasięgu pojazdów elektrycznych (np. samochód sportowy Gumpert Nathalie ). Zazwyczaj system ogniw paliwowych HT-PEM jest używany w trybie hybrydowym z akumulatorem. Systemy ogniw paliwowych HT-PEM zasilane gazem ziemnym są również wykorzystywane do związanych z wytwarzaniem ciepła i energii (CHP) w budynkach.
Producenci systemów ogniw paliwowych wykorzystujących technologię ogniw paliwowych HT-PEM:
- Technologie Adwentu (USA)
- Blue World Technologies (Dania)
- Sikens (Niemcy)