Yakıt hücresi - Fuel cell

Vikipedi, özgür ansiklopedi

Mahfazasında bir doğrudan metanol yakıt hücresinin (siyah katmanlı küp) gösteri modeli.
Proton ileten bir yakıt hücresinin şeması

Bir yakıt hücresi , bir yakıtın (genellikle hidrojen ) ve bir oksitleyici maddenin (genellikle oksijenin) kimyasal enerjisini bir çift redoks reaksiyonu yoluyla elektriğe dönüştüren elektrokimyasal bir hücredir . Yakıt pilleri , kimyasal reaksiyonu sürdürmek için sürekli bir yakıt ve oksijen kaynağına (genellikle havadan) ihtiyaç duymaları bakımından çoğu bataryadan farklıdır , oysa bir bataryadaki kimyasal enerji genellikle metallerden ve genellikle halihazırda bataryada bulunan iyon veya oksitlerden gelir. akış pilleri hariç pil . Yakıt hücreleri, yakıt ve oksijen sağlandığı sürece sürekli olarak elektrik üretebilir.

İlk yakıt hücreleri 1838'de Sir William Grove tarafından icat edildi . Yakıt hücrelerinin ilk ticari kullanımı, 1932'de Francis Thomas Bacon tarafından hidrojen-oksijen yakıt hücresinin icat edilmesinden bir asır sonra geldi . Alkali yakıt hücresi de biliniyor. Mucidinden sonra Bacon yakıt hücresi olarak, 1960'ların ortalarından beri NASA uzay programlarında uydular ve uzay kapsülleri için güç üretmek için kullanılıyor . O zamandan beri, yakıt hücreleri birçok başka uygulamada kullanıldı. Yakıt hücreleri, ticari, endüstriyel ve konut binalarında ve uzak veya erişilemeyen alanlarda birincil ve yedek güç için kullanılır. Ayrıca forkliftler, otomobiller, otobüsler, tekneler, motosikletler ve denizaltılar dahil olmak üzere yakıt hücreli araçlara güç sağlamak için de kullanılırlar .

Pek çok yakıt hücresi türü vardır, ancak bunların tümü , iyonların, genellikle pozitif yüklü hidrojen iyonlarının (protonlar) yakıt hücresinin iki tarafı arasında hareket etmesini sağlayan bir anot , bir katot ve bir elektrolitten oluşur . Anotta bir katalizör, yakıtın iyonları (genellikle pozitif yüklü hidrojen iyonları) ve elektronları üreten oksidasyon reaksiyonlarına girmesine neden olur. İyonlar elektrolit vasıtasıyla anottan katoda hareket eder. Aynı zamanda, elektronlar anottan katoda harici bir devreden geçerek doğru akım elektriği üretirler . Katotta başka bir katalizör iyonların, elektronların ve oksijenin reaksiyona girerek su ve muhtemelen başka ürünler oluşturmasına neden olur. Yakıt hücreleri, kullandıkları elektrolitin türüne göre ve proton değişimli membranlı yakıt hücreleri (PEM yakıt hücreleri veya PEMFC) için 1 saniye ile katı oksit yakıt hücreleri (SOFC) için 10 dakika arasında değişen başlangıç ​​süresi farkına göre sınıflandırılır . İlgili bir teknoloji, yakıtın yeniden şarj edilerek yenilenebildiği akış pilleridir. Bireysel yakıt hücreleri, yaklaşık 0,7 volt gibi nispeten küçük elektrik potansiyelleri üretir, bu nedenle hücreler, bir uygulamanın gereksinimlerini karşılamak için yeterli voltaj oluşturmak üzere "istiflenir" veya seri olarak yerleştirilir. Elektriğe ek olarak, yakıt pilleri su, ısı ve yakıt kaynağına bağlı olarak çok az miktarda nitrojen dioksit ve diğer emisyonlar üretir . Bir yakıt hücresinin enerji verimliliği genellikle% 40 ile% 60 arasındadır; ancak atık ısı bir kojenerasyon şemasında tutulursa ,% 85'e varan verimlilikler elde edilebilir.

Yakıt hücresi pazarı büyüyor ve 2013 yılında Pike Research, sabit yakıt hücresi pazarının 2020 yılına kadar 50 GW'a ulaşacağını tahmin ediyor.

Tarih

Sir William Grove'un 1839 yakıt hücresinin çizimi

Hidrojen yakıt hücrelerine ilk atıflar 1838'de ortaya çıktı. 1838 Ekim tarihli ancak The London ve Edinburgh Philosophical Magazine ve Journal of Science'ın Aralık 1838 sayısında yayınlanan bir mektupta Galli fizikçi ve avukat Sir William Grove , ilkinin gelişimi hakkında yazdı. ham yakıt hücreleri. Sac, bakır ve porselen tabakların bir kombinasyonunu ve bir bakır sülfat ve seyreltik asit solüsyonunu kullandı. Alman fizikçi Christian Friedrich Schönbein , Aralık 1838'de yazılan ancak Haziran 1839'da yayınlanan aynı yayına bir mektupta , icat ettiği ilk ham yakıt hücresini tartıştı. Mektubu, suda çözünen hidrojen ve oksijenden üretilen akımı tartışıyordu. Grove daha sonra tasarımını 1842'de aynı dergide çizdi. Yaptığı yakıt hücresi, günümüzün fosforik asit yakıt hücresine benzer malzemeler kullandı .

1932'de Francis Thomas Bacon, gücü hidrojen ve oksijenden elde eden bir yakıt hücresi icat etti. Bu, NASA tarafından ışıkları, klimayı ve iletişimi güçlendirmek için kullanıldı.

Ay inişlerini destekleyen İngilizler, BBC Arşivleri .

1932'de İngiliz mühendis Francis Thomas Bacon , 5 kW'lık sabit bir yakıt hücresini başarıyla geliştirdi. Alkalin yakıt hücresi , aynı zamanda, buluş sonra Bacon yakıt hücresi olarak da bilinen (AFC), en gelişmiş yakıt hücresi teknolojileri biridir NASA 1960'ların ortalarından beri kullanmıştır.

1955 yılında, General Electric Company (GE) için çalışan bir kimyager olan W. Thomas Grubb, elektrolit olarak bir sülfonatlı polistiren iyon değişim membranı kullanarak orijinal yakıt hücresi tasarımını daha da değiştirdi. Üç yıl sonra başka bir GE kimyager olan Leonard Niedrach, zar üzerine platin biriktirmenin bir yolunu geliştirdi ve bu, gerekli hidrojen oksidasyonu ve oksijen indirgeme reaksiyonları için katalizör görevi gördü. Bu, "Grubb-Niedrach yakıt hücresi" olarak bilinir hale geldi. GE, bu teknolojiyi NASA ve McDonnell Aircraft ile geliştirerek Gemini Projesi sırasında kullanılmasına yol açtı . Bu, bir yakıt hücresinin ilk ticari kullanımıydı. 1959'da Harry Ihrig liderliğindeki bir ekip, Allis-Chalmers için ABD genelinde eyalet fuarlarında sergilenen 15 kW'lık yakıt hücreli bir traktör yaptı . Bu sistem elektrolit olarak potasyum hidroksit ve reaktanlar olarak sıkıştırılmış hidrojen ve oksijen kullandı. Daha sonra 1959'da Bacon ve meslektaşları, bir kaynak makinesini çalıştırabilen beş kilovatlık pratik bir ünite gösterdiler. 1960'larda, Pratt & Whitney , Bacon'un ABD uzay programında elektrik ve içme suyu (hidrojen ve oksijen, uzay aracı tanklarından kolayca temin edilebilir) sağlamak için kullanılması için ABD patentlerini lisansladı. 1991'de ilk hidrojen yakıt hücreli otomobil Roger Billings tarafından geliştirildi .

UTC Power , hastanelerde, üniversitelerde ve büyük ofis binalarında kojenerasyon santrali olarak kullanılmak üzere büyük, sabit bir yakıt hücresi sistemini üreten ve ticarileştiren ilk şirkettir .

Yakıt hücresi endüstrisinin ve Amerika'nın yakıt hücresi geliştirmedeki rolünün tanınmasıyla ABD Senatosu , S. RES 217'yi geçerek 8 Ekim 2015'i Ulusal Hidrojen ve Yakıt Hücresi Günü olarak kabul etti. Tarih, hidrojenin atom ağırlığı (1.008 ).

Yakıt hücresi çeşitleri; tasarım

Yakıt pillerinin birçok çeşidi vardır; ancak hepsi aynı genel tarzda çalışır. Üç bitişik bölümden oluşurlar: anot , elektrolit ve katot . Üç farklı segmentin arayüzlerinde iki kimyasal reaksiyon meydana gelir. İki reaksiyonun net sonucu, yakıt tüketilmesi, su veya karbondioksitin oluşması ve normalde yük olarak adlandırılan elektrikli cihazlara güç sağlamak için kullanılabilecek bir elektrik akımının yaratılmasıdır.

Anotta bir katalizör , yakıtı, genellikle hidrojeni oksitleyerek, yakıtı pozitif yüklü bir iyona ve negatif yüklü bir elektrona dönüştürür. Elektrolit, iyonların içinden geçebilmesi için özel olarak tasarlanmış bir maddedir, ancak elektronlar geçemez. Serbest kalan elektronlar, elektrik akımını oluşturan bir telin içinden geçerler. İyonlar, elektrolitin içinden katoda geçer. Katoda ulaştıktan sonra, iyonlar elektronlarla yeniden birleşir ve ikisi, su veya karbondioksit oluşturmak için üçüncü bir kimyasalla, genellikle oksijenle reaksiyona girer.

Bir yakıt hücresinin blok diyagramı

Bir yakıt hücresindeki tasarım özellikleri şunları içerir:

  • Genellikle yakıt hücresi tipini tanımlayan ve potasyum hidroksit, tuz karbonatlar ve fosforik asit gibi bir dizi maddeden yapılabilen elektrolit madde .
  • Kullanılan yakıt. En yaygın yakıt hidrojendir.
  • Anot katalizörü, genellikle ince platin tozu, yakıtı elektronlara ve iyonlara ayırır.
  • Genellikle nikel olan katot katalizörü, iyonları atık kimyasallara dönüştürür ve su en yaygın atık türüdür.
  • Oksitlenmeye direnecek şekilde tasarlanmış gaz difüzyon katmanları.

Tipik bir yakıt hücresi, tam nominal yükte 0,6 ila 0,7 V arasında bir voltaj üretir. Birkaç faktör nedeniyle akım arttıkça voltaj azalır:

  • Aktivasyon kaybı
  • Ohmik kayıp ( hücre bileşenlerinin ve ara bağlantıların direncine bağlı voltaj düşüşü )
  • Kütle taşıma kaybı (yüksek yükler altında katalizör alanlarında reaktanların tükenmesi, hızlı voltaj kaybına neden olur).

Arzu edilen miktarda enerji sağlamak için, yakıt hücreleri seri olarak birleştirilerek daha yüksek voltaj elde edilebilir ve paralel olarak daha yüksek bir akım sağlanmasına izin verilir. Böyle bir tasarıma yakıt hücresi yığını denir . Her hücreden daha yüksek akıma izin vermek için hücre yüzey alanı da artırılabilir.

Proton değişim membranlı yakıt hücreleri (PEMFC'ler)

Yüksek sıcaklıkta bir PEMFC'nin yapımı: İletken
kompozitlerden imal edilmiş, öğütülmüş gaz kanalı yapısına sahip elektrot olarak iki kutuplu plaka (daha fazla iletkenlik için grafit , karbon siyahı , karbon fiber ve / veya karbon nanotüplerle güçlendirilmiştir ); Gözenekli karbon kağıtları; reaktif katman, genellikle uygulanan polimer membran üzerine; polimer membran.
Hava kanalı duvarında bir PEMFC tarafından üretilen suyun yoğunlaşması. Hücrenin etrafındaki altın tel, elektrik akımının toplanmasını sağlar.
Değerli olmayan metal katalizör katodu ve Pt / C anotlu bir PEMFC MEA kesitinin SEM mikrografı. Netlik için yanlış renkler uygulandı.

Arketipik hidrojen-oksit proton değişim membranlı yakıt hücresi tasarımında, proton ileten bir polimer membran (tipik olarak nafyon ) , anot ve katot kenarlarını ayıran elektrolit solüsyonunu içerir . Proton değişim mekanizması iyi anlaşılmadan önce 1970'lerin başında buna katı polimer elektrolit yakıt hücresi ( SPEFC ) adı verildi. (Eşanlamlı polimer elektrolit membran ve ' proton değişim mekanizmasının aynı kısaltmayla sonuçlandığına dikkat edin .)

Anot tarafında, hidrojen daha sonra protonlara ve elektronlara ayrıştığı anot katalizörüne yayılır. Bu protonlar genellikle oksidanlarla reaksiyona girerek, bunların genellikle çok kolaylaştırılmış proton membranları olarak adlandırılan şey haline gelmelerine neden olur. Protonlar, zardan katoda iletilir, ancak elektronlar, zar elektriksel olarak yalıtıcı olduğu için harici bir devrede (güç sağlayan) hareket etmeye zorlanır. Katot katalizöründe, oksijen molekülleri elektronlarla (dış devre boyunca hareket eden) ve protonlarla su oluşturmak için reaksiyona girer.

Bu saf hidrojen tipine ek olarak , dizel , metanol ( bakınız: direkt metanol yakıt hücreleri ve dolaylı metanol yakıt hücreleri ) ve kimyasal hidritler dahil olmak üzere yakıt hücreleri için hidrokarbon yakıtlar vardır . Bu tür yakıtların bulunduğu atık ürünler karbondioksit ve sudur. Hidrojen kullanıldığı zaman, CO 2 doğal gazdan metan buharı ile kombine edildiğinde adı verilen bir işlemde, serbest reformasyon buhar metan , hidrojen üretmek üzere. Bu, yakıt hücresinden farklı bir yerde gerçekleşebilir ve potansiyel olarak hidrojen yakıt hücresinin kapalı alanlarda, örneğin forkliftlerde kullanılmasına izin verir.

Bir PEMFC'nin farklı bileşenleri şunlardır:

  1. iki kutuplu plakalar,
  2. elektrotlar ,
  3. katalizör ,
  4. zar ve
  5. akım toplayıcılar ve contalar gibi gerekli donanımlar.

Yakıt hücrelerinin farklı parçaları için kullanılan malzemeler türe göre farklılık gösterir. İki kutuplu plakalar, metal, kaplanmış metal, grafit , esnek grafit, C – C kompozit , karbon - polimer kompozitler vb. Gibi farklı türde malzemelerden yapılabilir. Membran elektrot tertibatı (MEA), PEMFC ve genellikle iki katalizör kaplı karbon kağıdı arasına sıkıştırılmış bir proton değişim membrandan yapılır . Platin ve / veya benzeri asil metaller genellikle PEMFC için katalizör olarak kullanılır. Elektrolit, bir polimer membran olabilir .

Proton değişim membranlı yakıt hücresi tasarım sorunları

Maliyet
2013 yılında, Enerji Bakanlığı o 80-kW otomotiv yakıt hücresi sistemi maliyetlerini tahmin $ 67 ABD 100,000 otomotiv yılda birimleri ve hacim üretimini varsayarak kilovat başına elde edilebilir US $ 55 500.000 adet hacimli üretim varsayarak kilovat başına elde edilebilir yıl başına. Birçok şirket, her bir hücrede ihtiyaç duyulan platin miktarını azaltmak da dahil olmak üzere çeşitli yollarla maliyeti düşürmek için teknikler üzerinde çalışıyor. Ballard Power Systems % 30 azalma (1,0-0,7 mg / cm sağlar karbonla takviye bir katalizör, deneyler olan 2 performansında bir azalma olmaksızın, platin kullanımında). Monash Üniversitesi , Melbourne PEDOT'u katot olarak kullanıyor . 2011'de yayınlanan bir çalışma , platinin maliyetinin% 1'inden daha az olan ve eşit veya daha üstün performansa sahip, nispeten ucuz katkılı karbon nanotüpler kullanan ilk metal içermeyen elektrokatalizörü belgeledi . Yakın zamanda yayınlanan bir makale, platin için karbon substratı olarak karbon nanotüpler kullanıldığında çevresel yüklerin nasıl değiştiğini gösterdi.
Su ve hava yönetimi (PEMFC'lerde)
Bu tip yakıt hücresinde, membran hidratlanmalı ve suyun üretildiği hızda tam olarak aynı oranda buharlaşmasını gerektirmektedir. Su çok hızlı buharlaşırsa, zar kurur, içindeki direnç artar ve sonunda çatlayarak, hidrojen ve oksijenin doğrudan birleştiği yerde bir gaz "kısa devre" oluşturarak yakıt hücresine zarar verecek ısı üretir. Su çok yavaş buharlaşırsa, elektrotlar taşarak reaktanların katalizöre ulaşmasını ve reaksiyonu durdurmasını engeller. Hücrelerdeki suyu yönetme yöntemleri , akış kontrolüne odaklanan elektroozmotik pompalar gibi geliştirilmektedir . Tıpkı bir yanmalı motorda olduğu gibi, yakıt hücresinin verimli bir şekilde çalışmasını sağlamak için reaktan ile oksijen arasında sabit bir oran gereklidir.
Sıcaklık yönetimi
Hücrenin termal yükleme yoluyla tahrip olmasını önlemek için hücre genelinde aynı sıcaklık muhafaza edilmelidir . 2H 2 + O 2 → 2H 2 O reaksiyonu oldukça ekzotermik olduğundan, bu nedenle yakıt hücresinde büyük miktarda ısı üretildiğinden, bu özellikle zordur .
Bazı hücre türleri için dayanıklılık, hizmet ömrü ve özel gereksinimler
Sabit yakıt hücresi uygulamaları tipik olarak −35 ° C ila 40 ° C (°31 ° F ila 104 ° F) sıcaklıkta 40.000 saatten fazla güvenilir çalışma gerektirirken, otomotiv yakıt pilleri 5.000 saatlik bir ömür gerektirir (eşdeğer Aşırı sıcaklıklar altında 240.000 km (150.000 mil). Mevcut hizmet ömrü 2.500 saattir (yaklaşık 75.000 mil). Otomotiv motorları ayrıca −30 ° C'de (−22 ° F) güvenilir bir şekilde başlayabilmeli ve yüksek bir güç / hacim oranına (tipik olarak 2,5 kW / L) sahip olmalıdır.
Bazı (PEDOT olmayan) katotların sınırlı karbon monoksit toleransı

Fosforik asit yakıt hücresi (PAFC)

Fosforik asit yakıt hücreleri (PAFC) ilk olarak 1961'de GV Elmore ve HA Tanner tarafından tasarlandı ve tanıtıldı . Bu hücrelerde fosforik asit, pozitif hidrojen iyonlarını anottan katoda geçirmek için iletken olmayan bir elektrolit olarak kullanılır. Bu hücreler genellikle 150 ila 200 santigrat derece sıcaklıklarda çalışır. Bu yüksek sıcaklık, ısının uzaklaştırılmaması ve doğru kullanılmaması durumunda ısı ve enerji kaybına neden olacaktır. Bu ısı, klima sistemleri veya diğer termal enerji tüketen sistemler için buhar üretmek için kullanılabilir. Bu ısının kojenerasyonda kullanılması, fosforik asit yakıt hücrelerinin verimini% 40 ila% 50 ila yaklaşık% 80 artırabilir. PAFC'lerde kullanılan elektrolit olan fosforik asit, elektronları harici bir elektrik devresi aracılığıyla anottan katoda gitmeye zorlayan iletken olmayan bir sıvı asittir. Anot üzerindeki hidrojen iyonu üretim hızı küçük olduğu için bu iyonlaşma oranını artırmak için katalizör olarak platin kullanılır. Bu hücrelerin önemli bir dezavantajı, asidik bir elektrolitin kullanılmasıdır. Bu, fosforik aside maruz kalan bileşenlerin korozyonunu veya oksidasyonunu artırır.

Katı asit yakıt hücresi (SAFC)

Katı asitli yakıt hücreleri (SAFC'ler), elektrolit olarak bir katı asit malzemenin kullanılmasıyla karakterize edilir. Düşük sıcaklıklarda katı asitler , çoğu tuz gibi düzenli bir moleküler yapıya sahiptir. Daha sıcak sıcaklıklarda (   CsHSO 4 için 140 ila 150 ° C arasında ), bazı katı asitler, iletkenliği birkaç büyüklük derecesinde artıran, oldukça düzensiz "süperprotonik" yapılar haline gelmek için bir faz geçişine maruz kalır. İlk kavram kanıtı SAFC'ler 2000 yılında sezyum hidrojen sülfat (CsHSO 4 ) kullanılarak geliştirildi . Mevcut SAFC sistemleri sezyum dihidrojen fosfat (CsH 2 PO 4 ) kullanır ve binlerce saat içinde ömürlerini kanıtlamıştır.

Alkali yakıt hücresi (AFC)

Alkalin yakıt hücresi veya hidrojen-oksijen yakıt hücresi tasarlandı ve ilk kez 1959'da Francis Thomas Bacon tarafından halka açık olarak gösterildi. Apollo uzay programında birincil elektrik enerjisi kaynağı olarak kullanıldı. Hücre, Pt, Ag, CoO, vb. Gibi uygun bir katalizör ile emprenye edilmiş iki gözenekli karbon elektrottan oluşur. İki elektrot arasındaki boşluk, bir elektrolit görevi gören konsantre bir KOH veya NaOH çözeltisi ile doldurulur. H 2 gazı ve O 2 gazı, gözenekli karbon elektrotlar vasıtasıyla elektrolite fokurdatılır. Bu nedenle, genel reaksiyon, su oluşturmak için hidrojen gazı ve oksijen gazının kombinasyonunu içerir. Hücre, reaktan beslemesi bitene kadar sürekli olarak çalışır. Bu hücre türü, 343–413   K sıcaklık aralığında verimli bir şekilde çalışır ve yaklaşık 0,9   V'luk bir potansiyel sağlar . AAEMFC , sulu potasyum hidroksit (KOH) yerine katı polimer elektrolit kullanan ve sulu AFC'den üstün olan bir AFC türüdür. .

Yüksek sıcaklık yakıt hücreleri

Katı oksit yakıt hücresi

Katı oksit yakıt pilleri (SOFC'ler) , elektrolit olarak katı bir malzeme, çoğunlukla itriya ile stabilize edilmiş zirkonya (YSZ) adı verilen bir seramik malzeme kullanır . SOFC'ler tamamen katı malzemelerden yapıldığından, diğer yakıt hücresi türlerinin düz düzlem konfigürasyonu ile sınırlı değildirler ve genellikle haddelenmiş borular olarak tasarlanırlar. Yüksek çalışma sıcaklıkları (800–1000 ° C) gerektirirler ve doğal gaz dahil çeşitli yakıtlarla çalıştırılabilirler.

Olanlarda, negatif yüklü bir oksijen yana SOFC özgü iyonları diğerine seyahat katot için (yakıt hücre pozitif tarafına) anot yerine anottan katoda seyahat pozitif yüklü hidrojen iyonlarının (yakıt hücresinin olumsuz tarafı) gibi, diğer tüm yakıt hücresi türlerinde olduğu gibi. Oksijen gazı, oksijen iyonları oluşturmak için elektronları emdiği katottan beslenir. Oksijen iyonları daha sonra anotta hidrojen gazı ile reaksiyona girmek için elektrolit boyunca hareket eder. Anottaki reaksiyon, yan ürün olarak elektrik ve su üretir. Yakıta bağlı olarak karbondioksit de bir yan ürün olabilir, ancak bir SOFC sisteminden kaynaklanan karbon emisyonları, fosil yakıt yakma tesislerinden daha azdır. SOFC sistemi için kimyasal reaksiyonlar şu şekilde ifade edilebilir:

Anot reaksiyonu : 2H 2 + 2O 2− → 2H 2 O + 4e -
Katot reaksiyonu : O 2 + 4e - → 2O 2−
Genel hücre reaksiyonu : 2H 2 + O 2 → 2H 2 O

SOFC sistemleri, saf hidrojen gazı dışındaki yakıtlarla çalışabilir. Bununla birlikte, yukarıda sıralanan reaksiyonlar için hidrojen gerekli olduğundan, seçilen yakıtın hidrojen atomları içermesi gerekir. Yakıt hücresinin çalışması için yakıtın saf hidrojen gazına dönüştürülmesi gerekir. SOFC'ler, metan (doğal gaz), propan ve bütan gibi hafif hidrokarbonları dahili olarak yeniden biçimlendirme yeteneğine sahiptir . Bu yakıt hücreleri, gelişimin erken bir aşamasındadır.

SOFC sistemlerinde yüksek çalışma sıcaklıkları nedeniyle zorluklar mevcuttur. Böyle bir zorluk, anot üzerinde karbon tozunun birikme potansiyeli ve bu da dahili reform sürecini yavaşlatıyor. Pennsylvania Üniversitesi'ndeki bu "karbon koklaşması" sorununu ele almak için yapılan araştırmalar, bakır bazlı sermet (seramik ve metalden yapılmış ısıya dayanıklı malzemeler) kullanımının koklaşmayı ve performans kaybını azaltabileceğini göstermiştir. SOFC sistemlerinin diğer bir dezavantajı, yavaş başlatma süresidir ve SOFC'leri mobil uygulamalar için daha az kullanışlı hale getirir. Bu dezavantajlara rağmen, yüksek bir çalışma sıcaklığı, platin gibi bir değerli metal katalizöre olan ihtiyacı ortadan kaldırarak bir avantaj sağlar ve böylece maliyeti düşürür. Ek olarak, SOFC sistemlerinden gelen atık ısı yakalanabilir ve yeniden kullanılabilir, bu da teorik genel verimliliği% 80-85'e kadar yükseltir.

Yüksek çalışma sıcaklığı büyük ölçüde YSZ elektrolitinin fiziksel özelliklerinden kaynaklanmaktadır. Sıcaklık düştükçe YSZ'nin iyonik iletkenliği de azalır . Bu nedenle, yakıt hücresinden optimum performans elde etmek için yüksek bir çalışma sıcaklığı gereklidir. Bir İngiliz SOFC yakıt hücresi üreticisi olan Ceres Power , web sitelerine göre , SOFC sistemlerinin çalışma sıcaklığını 500-600 Santigrat dereceye düşürmek için bir yöntem geliştirdi. Yaygın olarak kullanılan YSZ elektrolitini bir CGO (seryum gadolinyum oksit) elektrolitiyle değiştirdiler. Daha düşük çalışma sıcaklığı, sistemin maliyeti ve başlatma süresini azaltan hücre alt tabakası olarak seramik yerine paslanmaz çelik kullanmalarına izin verir.

Erimiş karbonat yakıt hücresi (MCFC)

Erimiş karbonat yakıt hücreleri (MCFCs) 'e benzer yüksek bir çalışma sıcaklığı, 650 ° C (1200 ° F) gerektiren SOFC . MCFC'ler elektrolit olarak lityum potasyum karbonat tuzu kullanır ve bu tuz yüksek sıcaklıklarda sıvılaşır ve hücre içindeki yükün hareketine izin verir - bu durumda negatif karbonat iyonları.

SOFC'ler gibi, MCFC'ler de fosil yakıtı anotta hidrojen açısından zengin bir gaza dönüştürme yeteneğine sahiptir ve harici olarak hidrojen üretme ihtiyacını ortadan kaldırır. Reform süreci CO oluşturur
2
emisyonlar. MCFC uyumlu yakıtlar, doğal gaz, biyogaz ve kömürden üretilen gazı içerir. Gazdaki hidrojen, su, karbondioksit, elektronlar ve az miktarda başka kimyasallar üretmek için elektrolitten karbonat iyonlarıyla reaksiyona girer. Elektronlar, elektrik oluşturan harici bir devreden geçer ve katoda geri döner. Orada, havadan gelen oksijen ve anottan geri dönüştürülen karbondioksit, elektroliti dolduran karbonat iyonları oluşturmak için elektronlarla reaksiyona girerek devreyi tamamlar. Bir MCFC sistemi için kimyasal reaksiyonlar şu şekilde ifade edilebilir:

Anot reaksiyonu : CO 3 2− + H 2 → H 2 O + CO 2 + 2e -
Katot reaksiyonu : CO 2 + ½O 2 + 2e - → CO 3 2−
Genel hücre reaksiyonu : H 2 + ½O 2 → H 2 O

SOFC'lerde olduğu gibi, MCFC dezavantajları, yüksek çalışma sıcaklıkları nedeniyle yavaş başlatma sürelerini içerir. Bu, MCFC sistemlerini mobil uygulamalar için uygun hale getirmez ve bu teknoloji büyük olasılıkla sabit yakıt hücresi amaçları için kullanılacaktır. MCFC teknolojisinin ana sorunu, hücrelerin kısa ömür süresidir. Yüksek sıcaklık ve karbonat elektroliti, anot ve katotun aşınmasına neden olur. Bu faktörler, MCFC bileşenlerinin bozulmasını hızlandırarak dayanıklılığı ve hücre ömrünü azaltır. Araştırmacılar, performansı düşürmeden hücre ömrünü artırabilecek yakıt hücresi tasarımlarının yanı sıra bileşenler için korozyona dayanıklı malzemeleri keşfederek bu sorunu ele alıyorlar.

MCFC'ler, kirliliklere karşı dirençleri dahil olmak üzere diğer yakıt hücresi teknolojilerine göre çeşitli avantajlara sahiptir. Bu anot karbon birikmesi ifade eder, "kok karbon" eğilimli değildir iç yakıt yavaşlatarak daha düşük bir performans ile sonuçlanır reformasyon işlemi. Bu nedenle kömürden yapılan gazlar gibi karbonca zengin yakıtlar sistemle uyumludur. Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı, kömürün hidrojene dönüştürülmesinden kaynaklanan kükürt ve parçacıklar gibi safsızlıklara karşı sistemin dirençli hale getirilebileceğini varsayarak, kömürün kendisinin gelecekte bir yakıt seçeneği olabileceğini iddia ediyor. MCFC'ler ayrıca nispeten yüksek verimliliklere sahiptir. Bir fosforik asit yakıt hücresi tesisinin% 37-42 verimliliğinden önemli ölçüde daha yüksek olan% 50 yakıttan elektriğe verimliliğe ulaşabilirler. Verimlilik, yakıt hücresi bir türbin ile eşleştirildiğinde% 65'e kadar ve ısı yakalanır ve kombine bir ısı ve güç (CHP) sisteminde kullanılırsa% 85'e kadar çıkabilir .

Connecticut merkezli bir yakıt hücresi üreticisi olan FuelCell Energy, MCFC yakıt hücreleri geliştirir ve satar. Şirket, MCFC ürünlerinin% 47 elektrik verimliliğine ulaşan ve daha yüksek genel verimlilik elde etmek için CHP teknolojisini kullanabilen 300 kW ila 2,8 MW sistemleri arasında değiştiğini söylüyor. Bir ürün olan DFC-ERG, bir gaz türbini ile birleştirilir ve şirkete göre% 65 elektrik verimliliği elde eder.

Elektrikli depolamalı yakıt hücresi

Elektrikli depolamalı yakıt hücresi, geleneksel elektro-kimyasal etki kullanılarak elektrik gücü girişi ile şarj edilebilen geleneksel bir pildir. Bununla birlikte, batarya ayrıca bataryayı kimyasal olarak alternatif olarak şarj etmek için hidrojen (ve oksijen) girişleri içerir.

Yakıt hücresi türlerinin karşılaştırılması

Yakıt hücresi adı Elektrolit Nitelikli güç (W) Çalışma sıcaklığı (° C) Verimlilik Durum Maliyet (USD / W)
Hücre Sistem
Metal hidrit yakıt hücresi Sulu alkali çözelti > −20
(% 50 P tepe @ 0 ° C)
Ticari / Araştırma
Elektro-galvanik yakıt hücresi Sulu alkali çözelti <40 Ticari / Araştırma
Doğrudan formik asit yakıt hücresi (DFAFC) Polimer membran (iyonomer) <50 W <40 Ticari / Araştırma
Çinko-hava bataryası Sulu alkali çözelti <40 Seri üretim
Mikrobiyal yakıt hücresi Polimer membran veya hümik asit <40 Araştırma
Yukarı akışlı mikrobiyal yakıt hücresi (UMFC) <40 Araştırma
Rejeneratif yakıt hücresi Polimer membran ( iyonomer ) <50 Ticari / Araştırma
Doğrudan borhidrür yakıt hücresi Sulu alkali çözelti 70 Ticari
Alkali yakıt hücresi Sulu alkali çözelti 10–200 kW <80 % 60–70 % 62 Ticari / Araştırma
Doğrudan metanol yakıt hücresi Polimer membran (iyonomer) 100 mW - 1 kW 90–120 % 20–30 % 10-25 Ticari / Araştırma 125
Reform edilmiş metanol yakıt hücresi Polimer membran (iyonomer) 5 W - 100 kW 250–300 (reformcu)
125–200 (PBI)
% 50–60 % 25–40 Ticari / Araştırma
Doğrudan etanol yakıt hücresi Polimer membran (iyonomer) <140 mW / cm² > 25
? 90–120
Araştırma
Proton değişim membranlı yakıt hücresi Polimer membran (iyonomer) 1 W - 500 kW 50–100 (Nafion)
120–200 (PBI)
% 50–70 % 30-50 Ticari / Araştırma 50–100
Redox yakıt hücresi (RFC) Redoks mekikli ve polimer membranlı (iyonomer) sıvı elektrolitler 1 kW - 10 MW Araştırma
Fosforik asit yakıt hücresi Erimiş fosforik asit (H 3 PO 4 ) <10 MW 150–200 % 55 % 40
Ortak:% 90
Ticari / Araştırma 4.00–4.50
Katı asit yakıt hücresi H + -iletken oksianyon tuzu (katı asit) 10 W - 1 kW 200–300 % 55–60 % 40–45 Ticari / Araştırma
Erimiş karbonat yakıt hücresi Erimiş alkali karbonat 100 MW 600–650 % 55 % 45–55 Ticari / Araştırma
Borulu katı oksit yakıt hücresi (TSOFC) O 2−- iletken seramik oksit <100 MW 850–1100 % 60–65 % 55–60 Ticari / Araştırma
Protonik seramik yakıt hücresi H + iletken seramik oksit 700 Araştırma
Doğrudan karbon yakıt hücresi Birkaç farklı 700–850 % 80 % 70 Ticari / Araştırma
Düzlemsel katı oksit yakıt hücresi O 2−- iletken seramik oksit <100 MW 500–1100 % 60–65 % 55–60 Ticari / Araştırma
Enzimatik biyoyakıt hücreleri Enzimi denatüre etmeyenler <40 Araştırma
Magnezyum hava yakıt hücresi Tuzlu su −20 ila 55 % 90 Ticari / Araştırma

Tablodaki terimler sözlüğü:

Anot
Oksidasyonun (elektron kaybı) gerçekleştiği elektrot. Yakıt hücreleri ve diğer galvanik hücreler için anot, negatif terminaldir; elektrolitik hücreler için (elektrolizin meydana geldiği yer), anot pozitif terminaldir.
Sulu çözelti
Su ile ilgili veya suya benzeyen
Su ile veya suyla yapılır.
Katalizör
Bir reaksiyonun hızını tüketmeden artıran kimyasal bir madde; reaksiyondan sonra, potansiyel olarak reaksiyon karışımından geri kazanılabilir ve kimyasal olarak değişmez. Katalizör, gerekli aktivasyon enerjisini düşürerek reaksiyonun daha hızlı veya daha düşük bir sıcaklıkta ilerlemesini sağlar. Bir yakıt hücresinde, katalizör oksijen ve hidrojenin reaksiyonunu kolaylaştırır. Genellikle karbon kağıt veya kumaş üzerine çok ince kaplanmış platin tozundan yapılır. Katalizör pürüzlü ve gözeneklidir, bu nedenle platinin maksimum yüzey alanı hidrojen veya oksijene maruz kalabilir. Katalizörün platin kaplı tarafı, yakıt hücresindeki zara bakar.
Katot
İndirgemenin (elektron kazancı) meydana geldiği elektrot. Yakıt hücreleri ve diğer galvanik hücreler için katot, pozitif terminaldir; elektrolitik hücreler için (elektrolizin meydana geldiği yer), katot negatif terminaldir.
Elektrolit
Bir yakıt hücresi, pil veya elektrolizörde bir elektrottan diğerine yüklü iyonları ileten bir madde.
Yakıt hücresi yığını
Seri olarak bağlanmış bağımsız yakıt hücreleri. Voltajı artırmak için yakıt hücreleri istiflenir.
Matris
başka bir şeyin içinden çıktığı, geliştirdiği veya biçim aldığı bir şey.
Zar
Elektrolit (bir iyon değiştirici) görevi gören bir yakıt hücresindeki ayırma tabakasının yanı sıra yakıt hücresinin anot ve katot bölmelerindeki gazları ayıran bir bariyer filmi.
Erimiş karbonat yakıt hücresi (MCFC)
Erimiş karbonat elektroliti içeren bir tür yakıt hücresi. Karbonat iyonları (CO 3 2− ) katottan anoda taşınır. Çalışma sıcaklıkları tipik olarak 650 ° C'ye yakındır.
Fosforik asit yakıt hücresi (PAFC)
Elektrolitin konsantre fosforik asitten (H 3 PO 4 ) oluştuğu bir tür yakıt hücresi . Protonlar (H +) anottan katoda taşınır. Çalışma sıcaklığı aralığı genellikle 160–220 ° C'dir.
Proton değişim membranlı yakıt hücresi (PEM)
Elektrolit olarak kullanılan katı bir polimer membran içeren bir yakıt hücresi. Protonlar (H +) anottan katoda taşınır. Çalışma sıcaklığı aralığı genellikle 60–100 ° C'dir.
Katı oksit yakıt hücresi (SOFC)
Elektrolit tipik haliyle, zirkonyum oksit katı, gözenekleri olmayan metal oksit, ki burada yakıt hücresi türü (ZrO 2 Y ile muamele edilmiş) 2 O 3 , ve O'dan 2- katottan anoda taşınır. Reformat gaz herhangi bir CO CO oksitlenir 2 anotta. Çalışma sıcaklıkları tipik olarak 800–1.000 ° C'dir.
Çözüm
Katı, sıvı veya gaz halindeki bir maddenin bir sıvı veya bazen bir gaz veya katı ile homojen bir şekilde karıştırıldığı bir eylem veya işlem.
Bu işlemle oluşan homojen bir karışım; özellikle: tek fazlı bir sıvı sistemi.
Feshedilme koşulu.

Önde gelen yakıt hücresi türlerinin verimliliği

Teorik maksimum verimlilik

Enerjiyi dönüştüren bir sistemin veya cihazın enerji verimliliği, sistem tarafından dışarı verilen faydalı enerji miktarının ("çıkış enerjisi"), yerleştirilen toplam enerji miktarına ("giriş enerjisi") oranıyla ölçülür veya toplam girdi enerjisinin yüzdesi olarak faydalı çıktı enerjisi ile. Yakıt pilleri durumunda, yararlı çıktı enerjisi, sistem tarafından üretilen elektrik enerjisinde ölçülür . Girdi enerjisi, yakıtta depolanan enerjidir. ABD Enerji Bakanlığı'na göre, yakıt pilleri genellikle% 40 ile% 60 arasında enerji verimlidir. Bu, enerji üretimi için diğer bazı sistemlerden daha yüksektir. Örneğin, bir arabanın tipik içten yanmalı motoru yaklaşık% 25 enerji verimlidir. Kombine ısı ve güç (CHP) sistemlerinde, yakıt hücresinin ürettiği ısı yakalanarak devreye alınarak sistemin verimliliği% 85-90'a kadar çıkarılır.

Her türlü elektrik üretim sisteminin teorik olarak maksimum verimliliğine pratikte asla ulaşılmamakta ve enerji üretiminde yakıt üretimi, taşınması ve depolanması, elektriğin mekanik güce dönüştürülmesi gibi diğer aşamaları dikkate almamaktadır. Bununla birlikte, bu hesaplama, farklı elektrik üretimi türlerinin karşılaştırılmasına izin verir. Bir yakıt hücresinin maksimum teorik enerji verimliliği% 83'tür, düşük güç yoğunluğunda çalışır ve reaktan olarak saf hidrojen ve oksijeni kullanır (ısı geri kazanılmadığı varsayılarak) Dünya Enerji Konseyi'ne göre, bu, içten yanmalı motorlar.

Uygulamada

Bir de yakıt hücreli araç deposu-tekerleğe verimliliği düşük yüklerde ve gösteriler NEDC (gibi bir tahrik devir 36 yaklaşık% ortalama değerleri en fazla% 45, yeni Avrupa Sürme Çevrimi ) test prosedürü olarak kullanılır. Dizel araç için karşılaştırılabilir NEDC değeri% 22'dir. 2008 yılında Honda, % 60 tanktan tekerleğe verimlilik iddiasında bulunan yakıt yığınına sahip bir gösteri yakıt hücreli elektrikli araç ( Honda FCX Clarity ) piyasaya sürdü .

Yakıt üretimi, nakliye ve depolamadan kaynaklanan kayıpların da hesaba katılması önemlidir. Sıkıştırılmış hidrojenle çalışan yakıt hücreli araçlar, hidrojenin yüksek basınçlı gaz olarak depolanması durumunda santralden tekerleğe% 22 ve sıvı hidrojen olarak depolandığında% 17'lik bir verimliliğe sahip olabilir . Yakıt hücreleri, bir pil gibi enerji depolamak hidrojen hariç olmak üzere, ancak bu gibi kesikli kaynağa göre tek başına çalışan güç santralleri gibi bazı uygulamalarda, olamaz güneş ya da rüzgar enerjisi , bunlar ile birleştirilir elektrolitik bir enerji depolama sistemi oluşturmak üzere ve depolama sistemleri . 2019 itibariyle hidrojenin% 90'ı petrol arıtma, kimyasallar ve gübre üretimi için kullanıldı ve hidrojenin% 98'i karbondioksit yayan buhar metan reformu ile üretildi . Saf hidrojen ve saf oksijen kullanan bu tür tesislerin genel verimliliği (elektrikten hidrojene ve tekrar elektriğe dönüş) ( gidiş-dönüş verimliliği olarak bilinir ), gaz yoğunluğuna ve diğer koşullara bağlı olarak "yüzde 35 ila 50" olabilir. Elektrolizör / yakıt hücresi sistemi belirsiz miktarlarda hidrojen depolayabilir ve bu nedenle uzun vadeli depolama için uygundur.

Katı oksit yakıt hücreleri, oksijen ve hidrojenin yeniden birleşmesinden ısı üretir. Seramik 800 santigrat derece kadar sıcak çalışabilir. Bu ısı yakalanabilir ve mikro kombine ısı ve güç (m-CHP) uygulamasında suyu ısıtmak için kullanılabilir . Isı yakalandığında, ünitede toplam verimlilik% 80-90'a ulaşabilir, ancak üretim ve dağıtım kayıplarını dikkate almaz. CHP birimleri bugün Avrupa iç pazarı için geliştirilmektedir.

2008'de Electrochemical Society dergisi Interface'de yer alan Profesör Jeremy P. Meyers, "Yakıt hücreleri yanmalı motorlara göre verimli olsalar da, öncelikle oksijen azaltma reaksiyonunun (ve ... . oksijen oluşumu reaksiyonu, eğer hidrojen suyun elektrolizi ile oluşmuşsa) .... [T] şebekeden bağlantısı kesilmiş çalışma için veya yakıt sürekli olarak sağlanabildiğinde en mantıklı olanıdır. Sık ve göreceli olarak gerektiren uygulamalar için hızlı başlangıçlar ... depolar gibi kapalı alanlarda olduğu gibi sıfır emisyonun bir gereklilik olduğu ve hidrojenin kabul edilebilir bir reaktif olarak kabul edildiği yerlerde, [PEM yakıt hücresi] giderek daha çekici bir seçenek haline geliyor [pilleri değiştirmek uygun değilse] ". 2013 yılında askeri kuruluşlar, askerler tarafından taşınan pil ağırlığını önemli ölçüde azaltıp azaltamayacaklarını belirlemek için yakıt hücrelerini değerlendiriyorlardı.

Başvurular

Alman Donanması'nın kuru havuzda yakıt hücresi tahrikli
Tip 212 denizaltı

Güç

Sabit yakıt hücreleri ticari, endüstriyel ve konut birincil ve yedek güç üretimi için kullanılır. Yakıt hücreleri, uzay aracı, uzak hava istasyonları, büyük parklar, iletişim merkezleri, araştırma istasyonları dahil kırsal yerler gibi uzak konumlarda ve bazı askeri uygulamalarda güç kaynağı olarak çok kullanışlıdır. Hidrojenle çalışan bir yakıt hücresi sistemi kompakt ve hafif olabilir ve büyük hareketli parçalara sahip olmayabilir. Yakıt hücrelerinin hareketli parçaları olmadığından ve yanma içermediğinden, ideal koşullarda% 99,9999'a kadar güvenilirlik elde edebilirler. Bu, altı yıllık bir dönemde bir dakikadan daha az kesinti süresine eşittir.

Yakıt hücresi elektroliz sistemleri yakıtı kendi içlerinde depolamadığından, bunun yerine harici depolama birimlerine dayandığından, büyük ölçekli enerji depolamada başarılı bir şekilde uygulanabilir, kırsal alanlar bir örnektir. Birçok farklı sabit yakıt hücresi türü vardır, bu nedenle verimlilikler değişiklik gösterir, ancak çoğu% 40 ile% 60 arasında enerji verimlidir. Bununla birlikte, yakıt hücresinin atık ısısı bir kojenerasyon sistemindeki bir binayı ısıtmak için kullanıldığında bu verimlilik% 85'e çıkabilir. Bu, yalnızca üçte biri kadar enerji verimli olan geleneksel kömürlü termik santrallerden önemli ölçüde daha verimlidir. Ölçekli üretim varsayıldığında, yakıt hücreleri kojenerasyon sistemlerinde kullanıldığında enerji maliyetlerinde% 20-40 oranında tasarruf sağlayabilir. Yakıt hücreleri ayrıca geleneksel elektrik üretiminden çok daha temizdir; Hidrojen kaynağı olarak doğal gazı kullanan bir yakıt hücresi enerji santrali, bir onstan daha az kirlilik yaratacaktır ( CO
2
) geleneksel yakma sistemleri tarafından üretilen 25 pound kirletici madde ile karşılaştırıldığında üretilen her 1.000 kW · saat için. Yakıt Hücreleri ayrıca geleneksel kömürle çalışan elektrik santrallerine göre% 97 daha az nitrojen oksit emisyonu üretir.

Böyle bir pilot program Washington Eyaletindeki Stuart Adası'nda faaliyet gösteriyor . Stuart Island Energy Initiative orada eksiksiz, kapalı döngü bir sistem kurdu: Güneş panelleri, hidrojen üreten bir elektrolizöre güç veriyor. Hidrojen, inç kare başına 200 pound (1,400 kPa) 500 ABD galonluk (1,900 L) bir tankta depolanır ve şebekeden bağımsız konuta tam elektrik desteği sağlamak için bir ReliOn yakıt hücresi çalıştırır. Başka bir kapalı sistem döngüsü 2011'in sonlarında Hempstead, NY'de tanıtıldı.

Yakıt pilleri, enerji üretmek ve metan emisyonlarını azaltmak için çöp sahalarından veya atık su arıtma tesislerinden gelen düşük kaliteli gazla kullanılabilir . Kaliforniya'daki 2,8 MW'lık bir yakıt hücresi tesisinin türünün en büyüğü olduğu söyleniyor. Şebekeden bağımsız yerleşimlerde kullanılmak üzere küçük ölçekli (5kWhr altı) yakıt hücreleri geliştirilmektedir.

Kojenerasyon

Mikro kombine ısı ve güç (MicroCHP) sistemleri de dahil olmak üzere birleşik ısı ve güç (CHP) yakıt hücresi sistemleri, evler (bkz. Ev yakıt hücresi ), ofis binası ve fabrikalar için hem elektrik hem de ısı üretmek için kullanılır . Sistem, sabit elektrik gücü üretir (tüketilmediğinde fazla gücü şebekeye geri satar) ve aynı zamanda atık ısıdan sıcak hava ve su üretir . Sonuç olarak CHP sistemleri, genellikle termal enerji dönüşüm sistemleri tarafından reddedilen atık ısıyı kullanabildikleri için birincil enerjiden tasarruf etme potansiyeline sahiptir. Ev tipi yakıt hücresinin tipik kapasite aralığı 1–3 kW el , 4–8 kWth'dir . Bağlantılı CHP sistemleri absorpsiyon soğutma grupları için onların atık ısının kullanmak soğutma .

Yakıt hücrelerinden gelen atık ısı, yaz aylarında doğrudan zemine yönlendirilerek daha fazla soğutma sağlanırken, kışın atık ısı doğrudan binaya pompalanabilir. Minnesota Üniversitesi, bu tür bir sistemin patent haklarına sahiptir

Birlikte üretim sistemleri% 85 verimliliğe ulaşabilir (% 40–60 elektrik ve geri kalanı termal olarak). Fosforik asit yakıt hücreleri (PAFC), dünya çapında mevcut CHP ürünlerinin en büyük bölümünü oluşturur ve% 90'a yakın birleşik verimlilik sağlayabilir. Erimiş karbonat (MCFC) ve katı oksit yakıt hücreleri (SOFC) de birleşik ısı ve güç üretimi için kullanılır ve yaklaşık% 60 elektrik enerjisi verimliliğine sahiptir. Kojenerasyon sistemlerinin dezavantajları arasında yavaş yükselme ve azalma oranları, yüksek maliyet ve kısa ömür bulunur. Ayrıca, termal ısı üretimini yumuşatmak için bir sıcak su depolama tankına ihtiyaç duymaları, konut mülklerindeki alanın çok önemli olduğu iç pazarda ciddi bir dezavantajdı.

Delta-ee danışmanları 2013 yılında küresel satışların% 64'ü ile yakıt hücreli mikro-kombine ısı ve gücün 2012 satışlarında geleneksel sistemleri geçtiğini belirtmiştir. Japon ENE FARM projesi 2014 yılında 100.000 FC mCHP sistemini, 34.213 PEMFC ve 2.224'ü geçecektir. SOFC, 2012–2014 döneminde 30.000 ünite LNG ve 6.000 adet LPG üzerine kurulmuştur .

Yakıt hücreli elektrikli araçlar (FCEV'ler)

Yakıt hücreli bir arabadaki bileşenlerin konfigürasyonu
Eleman Bir yakıt hücreli araç

Otomobil

2019 yılı sonu itibarıyla dünya çapında yaklaşık 18.000 FCEV kiralanmış veya satılmıştır. Ticari kiralama ve satış için üç yakıt hücreli elektrikli araç piyasaya sürüldü: Honda Clarity , Toyota Mirai ve Hyundai ix35 FCEV . Ek gösteri modelleri arasında Honda FCX Clarity ve Mercedes-Benz F-Cell bulunur . Haziran 2011 gösteri itibarıyla FCEV'ler, 27.000'den fazla yakıt ikmali ile 4.800.000 km'den (3.000.000 mil) fazla yol almışlardır. Yakıt hücreli elektrikli araçlar, yakıt ikmalleri arasında ortalama 314 mil menzile sahiptir. 5 dakikadan daha kısa sürede yakıt ikmali yapılabilir. ABD Enerji Bakanlığı'nın Yakıt Hücresi Teknolojisi Programı, 2011 itibarıyla yakıt hücrelerinin çeyrek güçte% 53-59, tam güçte% 42-53 araç verimliliğine ve 120.000 km'nin (75.000 mi) üzerinde bir dayanıklılığa ulaştığını belirtmektedir. )% 10'dan az bozulma ile. General Motors ve ortakları, 2017 Well-to-Wheels simülasyon analizinde, "ekonomi ve pazar kısıtlamalarına değinmedi" tahminine göre, gidilen mil başına, doğal gazdan üretilen sıkıştırılmış gaz halindeki hidrojenle çalışan yakıt hücreli bir elektrikli aracın kullanabileceğini tahmin ediyor. İçten yanmalı bir araca göre% 40 daha az enerji ve% 45 daha az sera gazı yayar.

Toyota, 2015 yılında ilk yakıt hücreli aracı olan Mirai'yi 57.000 $ fiyatla tanıttı. Hyundai, bir kira sözleşmesi kapsamında sınırlı üretim Hyundai ix35 FCEV'yi tanıttı . 2016 yılında Honda, Honda Clarity Yakıt Hücresini kiralamaya başladı. 2020 yılında Toyota, orijinal Sedan 2014 modeline kıyasla yakıt verimliliğini artıran ve menzilini genişleten Mirai markasının ikinci neslini tanıttı.

Eleştiri

Bazı yorumcular, hidrojen yakıt hücreli arabaların asla diğer teknolojilerle ekonomik olarak rekabet edemeyeceğine veya karlı hale gelmelerinin onlarca yıl alacağına inanıyor. Bataryalı elektrikli araç üreticisi Tesla Motors'un CEO'su Elon Musk, 2015 yılında, diğer nedenlerin yanı sıra, hidrojenin üretilmesi, taşınması ve depolanmasının yetersizliği ve gazın yanıcılığı nedeniyle otomobillerde kullanılacak yakıt hücrelerinin hiçbir zaman ticari olarak uygun olmayacağını belirtti.

2012'de Lux Research, Inc., "Hidrojen ekonomisinin hayali ... daha yakın değil" şeklinde bir rapor yayınladı. "Sermaye maliyeti ... benimsemeyi 2030 yılına kadar sadece 5,9 GW ile sınırlayacak" ve "niş uygulamalar dışında, benimsemede neredeyse aşılmaz bir engel" oluşturacağı sonucuna varmıştır. Analiz, 2030 yılına kadar PEM sabit pazarının 1 milyar dolara ulaşacağı, forkliftler de dahil olmak üzere araç pazarının toplam 2 milyar dolara ulaşacağı sonucuna vardı. Diğer analizler , ABD'de kapsamlı bir hidrojen altyapısının eksikliğini Yakıt Hücreli Elektrikli Araçların ticarileştirilmesi için devam eden bir zorluk olarak gösteriyor.

2014 yılında , The Hype About Hydrogen (2005) kitabının yazarı Joseph Romm , FCV'lerin hala yüksek yakıt maliyetini, yakıt dağıtım altyapısının eksikliğini ve hidrojen üretiminin neden olduğu kirliliği aşmadığını söyledi. "Önümüzdeki yıllarda tüm bu sorunların aynı anda üstesinden gelmek için birkaç mucize gerekecek." Yenilenebilir enerjinin bir FCV filosu için "şimdi veya gelecekte" hidrojen yapmak için ekonomik olarak kullanılamayacağı sonucuna vardı. Greentech Media'nın analisti 2014'te benzer sonuçlara ulaştı. 2015'te Clean Technica , hidrojen yakıt hücreli araçların bazı dezavantajlarını listeledi. Yani yaptığımız Araba Throttle'u .

Real Engineering tarafından hazırlanan bir 2019 videosu , hidrojenle çalışan araçların tanıtılmasına rağmen, otomobiller için bir yakıt olarak hidrojeni kullanmanın, ulaşımdan kaynaklanan karbon emisyonlarını azaltmaya yardımcı olmadığını belirtti. Halen fosil yakıtlardan üretilen hidrojenin% 95'i karbondioksit açığa çıkarır ve sudan hidrojen üretmek enerji tüketen bir süreçtir. Hidrojenin depolanması, onu sıvı hale soğutmak ya da yüksek basınç altında tanklara koymak için daha fazla enerji gerektirir ve hidrojeni yakıt istasyonlarına teslim etmek daha fazla enerji gerektirir ve daha fazla karbon salabilir. Bir FCV'yi bir kilometre hareket ettirmek için gereken hidrojen, bir BEV'yi aynı mesafeye taşımak için gereken elektriğin yaklaşık 8 katı kadardır. Bir 2020 değerlendirmesi, hidrojenli araçların hala yalnızca% 38 verimli olduğu, bataryalı elektrikli araçların ise% 80 verimli olduğu sonucuna varmıştır.

Otobüsler

Ağustos 2011 itibariyle , dünya çapında hizmet veren yaklaşık 100 yakıt hücreli otobüs vardı. Bunların çoğu UTC Power , Toyota, Ballard, Hydrogenics ve Proton Motor tarafından üretildi . UTC otobüsleri 2011 yılına kadar 970.000 km'den (600.000 mil) fazla yol almıştı. Yakıt hücreli otobüsler, dizel otobüslere ve doğal gazlı otobüslere göre% 39 ila% 141 daha yüksek yakıt ekonomisine sahiptir.

2019 itibarıyla NREL, ABD'deki çeşitli mevcut ve planlanan yakıt hücreli otobüs projelerini değerlendiriyordu.

Forklift

Bir yakıt hücresi forklift (aynı zamanda, bir yakıt hücresi forklift olarak da adlandırılır), bir yakıt hücresi ile çalışan endüstriyel bir forklift malzeme kaldırma ve taşıma için kullanılan. 2013'te ABD'de malzeme işlemede kullanılan 4.000'den fazla yakıt hücreli forklift vardı ve bunlardan 500'ü DOE'den (2012) fon aldı . Yakıt hücresi filoları, Sysco Foods, FedEx Freight, GENCO (Wegmans, Coca-Cola, Kimberly Clark ve Whole Foods'da) ve HEB Grocers gibi çeşitli şirketler tarafından işletilmektedir. Avrupa, Hylift ile 30 yakıt hücreli forklift sergiledi ve HyLIFT-EUROPE ile bunu Fransa ve Avusturya'daki diğer projelerle birlikte 200 üniteye çıkardı . Pike Research, 2011 yılında yakıt hücreli forkliftlerin 2020 yılına kadar hidrojen yakıtı talebinin en büyük faktörü olacağını öngördü.

Avrupa ve ABD'deki çoğu şirket, petrolle çalışan forklift kullanmamaktadır, çünkü bu araçlar, emisyonların kontrol edilmesi gereken iç mekanlarda çalışmakta ve bunun yerine elektrikli forkliftler kullanmaktadır. Yakıt hücresiyle çalışan forkliftler, 3 dakikada yakıt ikmali yapılabildiğinden ve düşük sıcaklıklarda performanslarının düşmediği soğutulmuş depolarda kullanılabildiğinden, akülü forkliftlere göre avantajlar sağlayabilir. FC üniteleri genellikle takmalı yedek parçalar olarak tasarlanır.

Motosikletler ve bisikletler

2005 yılında, İngiliz hidrojenle çalışan yakıt pilleri üreticisi Intelligent Energy (IE), ENV (Emission Neutral Vehicle) adı verilen ilk hidrojenle çalışan motosikleti üretti . Motosiklet, dört saat koşmaya ve 80 km / sa (50 mil / sa) azami hızda kentsel bir alanda 160 km (100 mi) yol almaya yetecek kadar yakıtı tutuyor. 2004 yılında Honda , Honda FC Stack kullanan bir yakıt hücreli motosiklet geliştirdi .

Hidrojen yakıt hücreleri kullanan diğer motosiklet ve bisiklet örnekleri arasında, Tayvanlı APFCT'nin İtalya'daki Acta SpA'nın yakıt sistemini kullanan scooter'ı ve 2011'de AB Tüm Araç Tip Onayı almış bir IE yakıt hücresine sahip Suzuki Burgman scooter'ı bulunmaktadır . Suzuki Motor Corp. ve IE, sıfır emisyonlu araçların ticarileştirilmesini hızlandırmak için bir ortak girişim duyurdu.

Uçaklar

2003 yılında, tamamen bir yakıt hücresinden güç alan dünyanın ilk pervaneli uçağı uçuruldu. Yakıt hücresi, yakıt hücresinin uçağın aerodinamik yüzeylerine entegre edilmesine izin veren bir yığın tasarımıydı. Yakıt hücresiyle çalışan insansız hava araçları (İHA) , 2007'de küçük bir İHA için uçulan rekor mesafeyi belirleyen bir Horizon yakıt hücreli İHA içerir. Avrupa'daki Boeing araştırmacıları ve endüstri ortakları, Şubat 2008'de yalnızca tarafından çalıştırılan insanlı bir uçağın deneysel uçuş testlerini gerçekleştirdiler. bir yakıt hücresi ve hafif piller. Yakıt hücresi gösterici uçağı, adı verildiği gibi, geleneksel bir pervaneye bağlanan bir elektrik motoruna güç sağlamak için bir proton değişim membranı (PEM) yakıt hücresi / lityum-iyon pil hibrid sistemi kullandı.

2009 yılında, Deniz Araştırma Laboratuvarı (NRL) Ion Tiger, hidrojenle çalışan bir yakıt hücresi kullandı ve 23 saat 17 dakika uçtu. Yakıt pilleri de test ediliyor ve uçaklarda yardımcı güç sağladıkları , daha önce motorları çalıştırmak ve elektrik ihtiyacını gidermek için kullanılan fosil yakıt jeneratörlerini değiştirirken karbon emisyonlarını azalttığı düşünülüyor . 2016 yılında bir Raptor E1 drone, değiştirdiği lityum iyon pilden daha hafif bir yakıt hücresi kullanarak başarılı bir test uçuşu yaptı . Uçuş, 80 metre (260 ft) yükseklikte 10 dakika sürdü, ancak yakıt hücresinin iki saat uçmaya yetecek kadar yakıtı olduğu bildirildi. Yakıt, basınçsız bir kartuş içindeki tescilli bir kimyasaldan oluşan yaklaşık 100 katı 1 santimetrekare (0.16 inç kare) pelet içinde bulunuyordu. Peletler fiziksel olarak sağlamdır ve 50 ° C (122 ° F) kadar sıcak sıcaklıklarda çalışır. Hücre, Arcola Energy'dendi.

Lockheed Martin Skunk Works Stalker , katı oksit yakıt hücresi ile çalışan elektrikli bir İHA'dır.

Tekneler

Dünyanın ilk sertifikalı yakıt hücreli teknesi ( HYDRA ), Leipzig / Almanya'da

Dünyanın ilk yakıt hücreli teknesi HYDRA , 6,5 kW net çıkışa sahip bir AFC sistemi kullandı. Amsterdam, insanları şehrin kanallarında dolaşan yakıt hücresiyle çalışan tekneleri tanıttı.

Denizaltılar

Tip 212 denizaltıları Almanca ve İtalyan donanmaları yakıt hücreleri yüzeye ihtiyaç duymadan hafta boyunca batık kalması için kullanın.

U212A, Alman deniz tersanesi Howaldtswerke Deutsche Werft tarafından geliştirilen nükleer olmayan bir denizaltıdır. Sistem, her biri 30 kW ile 50 kW arasında güç sağlayan dokuz PEM yakıt hücresinden oluşur. Gemi sessizdir ve diğer denizaltıların tespitinde avantaj sağlar. Bir deniz gazetesi, sessiz operasyonlar gerektiğinde yakıt hücresinin kullanıldığı ve daha sonra Nükleer reaktörden (ve sudan) doldurulduğu bir nükleer yakıt hücresi hibrid olasılığı hakkında teori geliştirdi.

Taşınabilir güç sistemleri

Taşınabilir yakıt hücresi sistemleri genellikle 10 kg'ın altında ve 5 kW'tan az güç sağlayan olarak sınıflandırılır. Daha küçük yakıt pilleri için potansiyel pazar büyüklüğü, yıllık% 40'a varan potansiyel büyüme oranı ve yaklaşık 10 milyar dolarlık bir pazar büyüklüğü ile oldukça büyüktür ve bu durum, taşınabilir güç hücrelerinin geliştirilmesine yönelik çok fazla araştırmaya yol açmaktadır. Bu pazar içinde iki grup belirlenmiştir. Birincisi, daha küçük elektronik cihazlar için 1-50 W aralığındaki mikro yakıt pil pazarıdır. İkincisi, daha büyük ölçekli enerji üretimi için 1-5 kW jeneratör serisidir (örneğin, askeri karakollar, uzak petrol sahaları).

Mikro yakıt hücreleri öncelikle telefon ve dizüstü bilgisayar pazarına girmeyi hedefliyor. Bu, öncelikle , tüm sistem için, bir lityum iyon pil üzerinden yakıt hücrelerinin sağladığı avantajlı enerji yoğunluğuna bağlanabilir . Bir pil için bu sistem, pilin yanı sıra şarj cihazını da içerir. Yakıt hücresi için bu sistem hücreyi, gerekli yakıtı ve çevresel bağlantıları içerecektir. Tüm sistem dikkate alındığında, yakıt hücrelerinin lityum iyon piller için 44 Wh / kg ile karşılaştırıldığında 530 Wh / kg sağladığı gösterilmiştir. Bununla birlikte, yakıt hücresi sistemlerinin ağırlığı belirgin bir avantaj sunarken, mevcut maliyetler onların lehine değildir. bir batarya sistemi genellikle Wh başına yaklaşık 1,20 $ 'a mal olurken, yakıt hücresi sistemleri Wh başına yaklaşık 5 $' a mal olur ve bu da onları önemli bir dezavantaja sokar.

Cep telefonlarına yönelik güç talepleri arttıkça, yakıt hücreleri daha büyük güç üretimi için çok daha çekici seçenekler haline gelebilir. Telefonlarda ve bilgisayarlarda daha uzun süre kalma talebi, tüketiciler tarafından sıklıkla talep edilen bir şeydir, böylece yakıt hücreleri dizüstü bilgisayar ve cep telefonu pazarlarına girmeye başlayabilir. Yakıt hücrelerindeki gelişmeler hızlanmaya devam ettikçe fiyat düşmeye devam edecek. Mikro yakıt hücrelerini iyileştirmek için mevcut stratejiler, karbon nanotüplerin kullanılmasıdır . Girishkumar ve ark. Nanotüplerin elektrot yüzeyleri üzerine biriktirilmesinin, oksijen azaltma oranını artıran önemli ölçüde daha büyük yüzey alanına izin vermesi.

Daha büyük ölçekli operasyonlarda kullanılacak yakıt hücreleri de çok umut vaat ediyor. Yakıt hücrelerini kullanan taşınabilir güç sistemleri eğlence sektöründe (yani RV'ler, kabinler, denizcilik), endüstriyel sektörde (yani gaz / petrol kuyusu sahaları, iletişim kuleleri, güvenlik, hava istasyonları dahil uzak konumlar için güç) ve askeri sektör. SFC Energy, çeşitli taşınabilir güç sistemleri için bir Alman doğrudan metanol yakıt hücresi üreticisidir . Ensol Systems Inc., SFC Energy DMFC kullanan bir taşınabilir güç sistemleri entegratörüdür. Bu pazardaki yakıt hücrelerinin en önemli avantajı, ağırlık başına büyük güç üretimidir. Yakıt hücreleri pahalı olabilir, ancak güvenilir enerji gerektiren uzak yerler için yakıt hücreleri büyük bir güce sahiptir. 72 saatlik bir gezinti için, aynı enerji için gerekli olan 29 pound pil ile karşılaştırıldığında yalnızca 15 pound ağırlığındaki bir yakıt hücresi ile ağırlık karşılaştırması önemlidir.

Diğer uygulamalar

Yakıt istasyonları

Bir endüstri grubu olan FuelCellsWorks'e göre 2019'un sonunda 330 hidrojen yakıt ikmal istasyonu dünya çapında halka açıktı. Haziran 2020 itibariyle, Asya'da faaliyette olan halka açık 178 hidrojen istasyonu vardı. Bunlardan 114'ü Japonya'daydı. Avrupa'da en az 177 istasyon vardı ve bunların yaklaşık yarısı Almanya'daydı. ABD'de 42'si Kaliforniya'da olmak üzere halka açık 44 istasyon vardı.

Bir hidrojen yakıt istasyonu inşa etmenin maliyeti 1 milyon ila 4 milyon dolar arasındadır.

Piyasalar ve ekonomi

2012'de, yakıt hücresi endüstrisinin gelirleri dünya çapında 1 milyar doları aştı ve Asya pasifik ülkeleri, dünya çapında yakıt hücresi sistemlerinin 3 / 4'ünden fazlasını sevk etti. Ancak, Ocak 2014 itibariyle, sektördeki hiçbir halka açık şirket henüz kârlı hale gelmemişti. 2007'de 11.000 sevkıyattan 2010'da dünya çapında 140.000 yakıt hücresi deposu sevk edildi ve 2011'den 2012'ye kadar dünya çapında yakıt hücresi sevkiyatlarının yıllık büyüme oranı% 85'ti. Tanaka Kikinzoku 2011 yılında üretim tesislerini genişletti. 2009'da yaklaşık üçte bir olan yakıt hücresi sevkiyatlarının yaklaşık% 50'si sabit yakıt hücreleriydi ve Yakıt Hücresi Endüstrisindeki dört baskın üretici Amerika Birleşik Devletleri, Almanya, Japonya ve Güney Kore. Enerji Bakanlığı Katı Hal Enerji Dönüşüm İttifakı, Ocak 2011 itibariyle, sabit yakıt hücrelerinin kurulu kilovat başına yaklaşık 724 ila 775 $ arasında güç ürettiğini tespit etti. 2011 yılında, büyük bir yakıt hücresi tedarikçisi olan Bloom Energy, yakıt hücrelerinin, yakıt, bakım ve donanım fiyatı da dahil olmak üzere kilovat-saat başına 9-11 sent güç ürettiğini söyledi.

Endüstri grupları, gelecekteki talepler için yeterli platin kaynakları olduğunu tahmin ediyor ve 2007'de Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda yapılan araştırma, platinin , zehirlenmeye daha az duyarlı olabilecek ve dolayısıyla yakıt hücresi ömrünü artırabilecek bir altın- paladyum kaplamayla değiştirilebileceğini öne sürdü . Başka bir yöntemde platin yerine demir ve kükürt kullanılır. Bu, bir yakıt hücresinin maliyetini düşürecektir (çünkü normal bir yakıt hücresindeki platin maliyeti yaklaşık 1.500 ABD dolarıdır ve aynı miktarda demir maliyeti yalnızca yaklaşık 1.5 ABD dolarıdır ). Konsept, John Innes Center ve Milan-Bicocca Üniversitesi koalisyonu tarafından geliştiriliyordu . PEDOT katotları, monoksit zehirlenmesine karşı bağışıktır.

2016'da Samsung, "pazarın görünümü iyi olmadığı için yakıt hücresi ile ilgili iş projelerini bırakmaya karar verdi".

Araştırma ve Geliştirme

  • 2005: Georgia Teknoloji Enstitüsü araştırmacıları , PEM yakıt hücrelerinin çalışma sıcaklığını 100 ° C'nin altından 125 ° C'nin üzerine çıkarmak için triazol kullandı ve bunun hidrojen yakıtında daha az karbon monoksit saflaştırması gerektireceğini iddia etti.
  • 2008: Monash Üniversitesi , Melbourne PEDOT'u katot olarak kullandı .
  • 2009: Ohio'daki Dayton Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, dikey olarak büyütülmüş karbon nanotüp dizilerinin yakıt hücrelerinde katalizör olarak kullanılabileceğini gösterdi . Aynı yıl, yakıt pilleri için nikel bisdifosfin bazlı bir katalizör gösterildi.
  • 2013: İngiliz ACAL Energy firması, simüle edilmiş sürüş koşullarında 10.000 saat çalışabileceğini söylediği bir yakıt hücresi geliştirdi. Yakıt hücresi yapım maliyetinin 40 $ / kW'a (300 HP için kabaca 9.000 $) düşürülebileceğini iddia etti.
  • 2014: Imperial College London'daki araştırmacılar , hidrojen sülfürle kirlenmiş PEFC'lerin rejenerasyonu için yeni bir yöntem geliştirdi. Hidrojen sülfitle kirlenmiş PEFC'nin orijinal performansının% 95-100'ünü geri kazandılar. SO 2 ile kontamine olmuş bir PEFC'yi gençleştirmede de başarılı oldular . Bu rejenerasyon yöntemi, çoklu hücre yığınlarına uygulanabilir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

  • Vielstich, W .; ve diğerleri, eds. (2009). Yakıt pilleri el kitabı: elektrokataliz, malzeme, teşhis ve dayanıklılıkta gelişmeler . Hoboken: John Wiley and Sons.
  • Gregor Hoogers (2003). Yakıt Hücresi Teknolojisi - El Kitabı . CRC Basın.
  • James Larminie; Andrew Dicks (2003). Yakıt Hücresi Sistemleri Açıklaması (İkinci baskı). Hoboken: John Wiley and Sons.
  • Subash C. Singhal; Kevin Kendall (2003). Yüksek Sıcaklık Katı Oksit Yakıt Hücreleri-Temelleri, Tasarım ve Uygulamaları . Elsevier Academic Press.
  • Frano Barbir (2005). PEM Yakıt Hücreleri-Teori ve Uygulama . Elsevier Academic Press.
  • EG&G Teknik Hizmetler, Inc. (2004). Yakıt Hücresi Teknolojisi El Kitabı, 7. Baskı . ABD Enerji Bakanlığı.
  • Matthew M. Mench (2008). Yakıt Hücreli Motorlar . Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.
  • Noriko Hikosaka Behling (2012). Yakıt Hücreleri: Güncel Teknoloji Zorlukları ve Gelecekteki Araştırma İhtiyaçları (Birinci baskı). Elsevier Academic Press.

Dış bağlantılar