Mobil bertenaga air akan segera menjadi kenyataan dan sel bahan bakar hidrogen akan dipasang di banyak rumah...

Teknologi sel bahan bakar hidrogen bukanlah hal baru. Itu dimulai pada 1776 ketika Henry Cavendish pertama kali menemukan hidrogen saat melarutkan logam dalam asam encer. Sel bahan bakar hidrogen pertama ditemukan pada awal tahun 1839 oleh William Grove. Sejak itu, sel bahan bakar hidrogen telah ditingkatkan secara bertahap dan sekarang dipasang di pesawat ulang-alik, memasok mereka dengan energi dan berfungsi sebagai sumber air. Saat ini, teknologi sel bahan bakar hidrogen hampir mencapai pasar massal, di mobil, rumah, dan perangkat portabel.

Dalam sel bahan bakar hidrogen, energi kimia (dalam bentuk hidrogen dan oksigen) diubah secara langsung (tanpa pembakaran) menjadi energi listrik. Sel bahan bakar terdiri dari katoda, elektroda dan anoda. Hidrogen diumpankan ke anoda, di mana ia dipecah menjadi proton dan elektron. Proton dan elektron memiliki rute yang berbeda ke katoda. Proton berjalan melalui elektroda ke katoda, dan elektron berjalan di sekitar sel bahan bakar untuk sampai ke katoda. Gerakan ini kemudian menciptakan energi listrik yang dapat digunakan. Di sisi lain, proton dan elektron hidrogen bergabung dengan oksigen untuk membentuk air.

Elektroliser adalah salah satu cara untuk mengekstrak hidrogen dari air. Prosesnya pada dasarnya adalah kebalikan dari apa yang terjadi ketika sel bahan bakar hidrogen beroperasi. Elektroliser terdiri dari anoda, sel elektrokimia dan katoda. Air dan tegangan diterapkan ke anoda, yang membagi air menjadi hidrogen dan oksigen. Hidrogen melewati sel elektrokimia ke katoda dan oksigen diumpankan langsung ke katoda. Dari sana, hidrogen dan oksigen dapat diekstraksi dan disimpan. Selama waktu ketika listrik tidak diperlukan untuk diproduksi, akumulasi gas dapat ditarik keluar dari penyimpanan dan dilewatkan kembali melalui sel bahan bakar.

Sistem ini menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar, yang mungkin menjadi alasan mengapa ada banyak mitos tentang keamanannya. Setelah ledakan Hindenburg, banyak orang yang jauh dari ilmu pengetahuan dan bahkan beberapa ilmuwan mulai percaya bahwa penggunaan hidrogen sangat berbahaya. Namun, penelitian terbaru menunjukkan bahwa penyebab tragedi ini adalah karena jenis bahan yang digunakan dalam konstruksi, dan bukan hidrogen yang dipompa ke dalam. Setelah menguji keamanan penyimpanan hidrogen, ditemukan bahwa penyimpanan hidrogen dalam sel bahan bakar lebih aman daripada menyimpan bensin di tangki bahan bakar mobil.

Berapa biaya sel bahan bakar hidrogen modern?? Perusahaan saat ini menawarkan sistem bahan bakar hidrogen untuk menghasilkan daya sekitar $3.000 per kilowatt. Riset pasar telah menetapkan bahwa ketika biaya turun menjadi $1.500 per kilowatt, konsumen di pasar energi massal akan siap untuk beralih ke jenis bahan bakar ini.

Kendaraan sel bahan bakar hidrogen masih lebih mahal daripada kendaraan bermesin pembakaran, tetapi produsen sedang mencari cara untuk menaikkan harga ke tingkat yang sebanding. Di beberapa daerah terpencil di mana tidak ada saluran listrik, menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar atau catu daya otonom di rumah sekarang mungkin lebih ekonomis daripada, misalnya, membangun infrastruktur untuk pembawa energi tradisional.

Mengapa sel bahan bakar hidrogen masih belum banyak digunakan? Saat ini, biaya tinggi mereka adalah masalah utama untuk distribusi sel bahan bakar hidrogen. Sistem bahan bakar hidrogen tidak memiliki permintaan massal saat ini. Namun, ilmu pengetahuan tidak tinggal diam dan dalam waktu dekat mobil yang berjalan di atas air bisa menjadi kenyataan yang nyata.

Fabrikasi, perakitan, pengujian dan pengujian sel/sel bahan bakar (hidrogen)
Diproduksi di pabrik di AS dan Kanada

Sel/sel bahan bakar (hidrogen)

Perusahaan Intech GmbH / LLC Intech GmbH telah berada di pasar layanan teknik sejak 1997, resmi selama bertahun-tahun berbagai peralatan industri, membawa perhatian Anda berbagai sel / sel bahan bakar (hidrogen).

Sel bahan bakar/sel adalah

Manfaat sel bahan bakar/sel

Sel bahan bakar/sel adalah perangkat yang secara efisien menghasilkan arus searah dan panas dari bahan bakar yang kaya hidrogen melalui reaksi elektrokimia.

Sel bahan bakar mirip dengan baterai yang menghasilkan arus searah melalui reaksi kimia. Sel bahan bakar terdiri dari anoda, katoda, dan elektrolit. Namun, tidak seperti baterai, sel bahan bakar/sel tidak dapat menyimpan energi listrik, tidak melepaskan, dan tidak memerlukan listrik untuk diisi ulang. Sel bahan bakar/sel dapat terus menerus menghasilkan listrik selama mereka memiliki pasokan bahan bakar dan udara.

Tidak seperti pembangkit listrik lainnya seperti mesin pembakaran internal atau turbin yang ditenagai oleh gas, batu bara, minyak, dll., sel bahan bakar tidak membakar bahan bakar. Ini berarti tidak ada rotor bertekanan tinggi yang berisik, tidak ada suara knalpot yang keras, tidak ada getaran. Sel bahan bakar / sel menghasilkan listrik melalui reaksi elektrokimia diam. Fitur lain dari sel bahan bakar / sel adalah bahwa mereka mengubah energi kimia bahan bakar secara langsung menjadi listrik, panas dan air.

Sel bahan bakar sangat efisien dan tidak menghasilkan sejumlah besar gas rumah kaca seperti karbon dioksida, metana, dan dinitrogen oksida. Satu-satunya produk yang dikeluarkan selama operasi adalah air dalam bentuk uap dan sejumlah kecil karbon dioksida, yang tidak dipancarkan sama sekali jika hidrogen murni digunakan sebagai bahan bakar. Sel bahan bakar/sel dirakit menjadi rakitan dan kemudian menjadi modul fungsional individu.

Sejarah perkembangan sel bahan bakar/sel

Pada 1950-an dan 1960-an, salah satu tantangan terbesar untuk sel bahan bakar lahir dari kebutuhan Badan Penerbangan dan Antariksa Nasional (NASA) akan sumber energi untuk misi luar angkasa jangka panjang. Sel / Sel Bahan Bakar Alkaline NASA menggunakan hidrogen dan oksigen sebagai bahan bakar, menggabungkan keduanya dalam reaksi elektrokimia. Outputnya adalah tiga produk sampingan reaksi yang berguna dalam penerbangan luar angkasa - listrik untuk menggerakkan pesawat ruang angkasa, air untuk minum dan sistem pendingin, dan panas untuk menjaga para astronot tetap hangat.

Penemuan sel bahan bakar dimulai pada awal abad ke-19. Bukti pertama dari efek sel bahan bakar diperoleh pada tahun 1838.

Pada akhir 1930-an, pekerjaan dimulai pada sel bahan bakar alkali, dan pada tahun 1939 sebuah sel menggunakan elektroda berlapis nikel bertekanan tinggi telah dibangun. Selama Perang Dunia Kedua, sel bahan bakar/sel untuk kapal selam Angkatan Laut Inggris dikembangkan dan pada tahun 1958 sebuah perakitan bahan bakar yang terdiri dari sel bahan bakar alkalin/sel dengan diameter lebih dari 25 cm diperkenalkan.

Minat meningkat pada 1950-an dan 1960-an dan juga pada 1980-an ketika dunia industri mengalami kekurangan bahan bakar minyak. Selama periode yang sama, negara-negara dunia juga menjadi prihatin dengan masalah polusi udara dan mempertimbangkan cara untuk menghasilkan listrik yang ramah lingkungan. Saat ini, teknologi fuel cell/cell sedang berkembang pesat.

Bagaimana sel bahan bakar / sel bekerja

Sel bahan bakar/sel menghasilkan listrik dan panas melalui reaksi elektrokimia yang sedang berlangsung menggunakan elektrolit, katoda dan anoda.

Anoda dan katoda dipisahkan oleh elektrolit yang menghantarkan proton. Setelah hidrogen memasuki anoda dan oksigen memasuki katoda, reaksi kimia dimulai, yang menghasilkan arus listrik, panas, dan air.

Pada katalis anoda, molekul hidrogen berdisosiasi dan kehilangan elektron. Ion hidrogen (proton) dialirkan melalui elektrolit ke katoda, sedangkan elektron dilewatkan melalui elektrolit dan melalui rangkaian listrik eksternal, menciptakan arus searah yang dapat digunakan untuk menyalakan peralatan. Pada katalis katoda, molekul oksigen bergabung dengan elektron (yang disuplai dari komunikasi eksternal) dan proton yang masuk, dan membentuk air, yang merupakan satu-satunya produk reaksi (dalam bentuk uap dan / atau cairan).

Di bawah ini adalah reaksi yang sesuai:

Reaksi anoda: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reaksi di katoda: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Reaksi unsur umum: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Jenis dan variasi sel bahan bakar/sel

Mirip dengan keberadaan berbagai jenis mesin pembakaran internal, ada berbagai jenis sel bahan bakar - pilihan jenis sel bahan bakar yang sesuai tergantung pada aplikasinya.

Sel bahan bakar dibagi menjadi suhu tinggi dan suhu rendah. Sel bahan bakar suhu rendah membutuhkan hidrogen yang relatif murni sebagai bahan bakar. Ini sering berarti bahwa pemrosesan bahan bakar diperlukan untuk mengubah bahan bakar utama (seperti gas alam) menjadi hidrogen murni. Proses ini memakan energi tambahan dan membutuhkan peralatan khusus. Sel bahan bakar suhu tinggi tidak memerlukan prosedur tambahan ini, karena mereka dapat "mengubah secara internal" bahan bakar pada suhu tinggi, yang berarti tidak perlu berinvestasi dalam infrastruktur hidrogen.

Sel bahan bakar/sel pada karbonat cair (MCFC)

Sel bahan bakar elektrolit karbonat cair adalah sel bahan bakar suhu tinggi. Temperatur operasi yang tinggi memungkinkan penggunaan langsung gas alam tanpa prosesor bahan bakar dan bahan bakar gas dengan nilai kalori rendah dari bahan bakar proses dan sumber lainnya.

Pengoperasian RCFC berbeda dengan sel bahan bakar lainnya. Sel-sel ini menggunakan elektrolit dari campuran garam karbonat cair. Saat ini, dua jenis campuran digunakan: litium karbonat dan kalium karbonat atau litium karbonat dan natrium karbonat. Untuk melelehkan garam karbonat dan mencapai tingkat mobilitas ion yang tinggi dalam elektrolit, sel bahan bakar dengan elektrolit cair karbonat beroperasi pada suhu tinggi (650 °C). Efisiensi bervariasi antara 60-80%.

Ketika dipanaskan sampai suhu 650 °C, garam menjadi konduktor untuk ion karbonat (CO 3 2-). Ion-ion ini berpindah dari katoda ke anoda di mana mereka bergabung dengan hidrogen untuk membentuk air, karbon dioksida dan elektron bebas. Elektron ini dikirim melalui sirkuit listrik eksternal kembali ke katoda, menghasilkan arus listrik dan panas sebagai produk sampingan.

Reaksi anoda: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reaksi di katoda: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Reaksi unsur umum: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katoda) => H 2 O (g) + CO 2 (anoda)

Temperatur operasi yang tinggi dari sel bahan bakar elektrolit cair karbonat memiliki keuntungan tertentu. Pada suhu tinggi, gas alam direformasi secara internal, menghilangkan kebutuhan akan prosesor bahan bakar. Selain itu, kelebihannya antara lain kemampuan untuk menggunakan bahan standar konstruksi, seperti lembaran baja tahan karat dan katalis nikel pada elektroda. Limbah panas dapat digunakan untuk menghasilkan uap bertekanan tinggi untuk berbagai keperluan industri dan komersial.

Temperatur reaksi yang tinggi dalam elektrolit juga memiliki kelebihan. Penggunaan suhu tinggi membutuhkan waktu lama untuk mencapai kondisi operasi yang optimal, dan sistem bereaksi lebih lambat terhadap perubahan konsumsi energi. Karakteristik ini memungkinkan penggunaan sistem sel bahan bakar dengan elektrolit karbonat cair dalam kondisi daya konstan. Suhu tinggi mencegah kerusakan sel bahan bakar oleh karbon monoksida.

Sel bahan bakar karbonat cair cocok untuk digunakan dalam instalasi stasioner besar. Pembangkit listrik termal dengan output daya listrik 3,0 MW diproduksi secara industri. Pembangkit dengan daya keluaran hingga 110 MW sedang dikembangkan.

Sel bahan bakar/sel berbasis asam fosfat (PFC)

Sel bahan bakar berdasarkan asam fosfat (ortofosfat) adalah sel bahan bakar pertama untuk penggunaan komersial.

Fuel cell berbasis asam fosfat (ortofosfat) menggunakan elektrolit berbasis asam ortofosfat (H 3 PO 4) dengan konsentrasi hingga 100%. Konduktivitas ionik asam fosfat rendah pada suhu rendah, oleh karena itu sel bahan bakar ini digunakan pada suhu hingga 150-220 °C.

Pembawa muatan dalam sel bahan bakar jenis ini adalah hidrogen (H+, proton). Proses serupa terjadi pada sel bahan bakar membran pertukaran proton, di mana hidrogen yang dipasok ke anoda dipecah menjadi proton dan elektron. Proton melewati elektrolit dan bergabung dengan oksigen dari udara di katoda untuk membentuk air. Elektron diarahkan sepanjang sirkuit listrik eksternal, dan arus listrik dihasilkan. Di bawah ini adalah reaksi yang menghasilkan listrik dan panas.

Reaksi di anoda: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reaksi di katoda: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H 2 O
Reaksi unsur umum: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Efisiensi sel bahan bakar berbasis asam fosfat (ortofosfat) lebih dari 40% saat menghasilkan energi listrik. Dalam produksi gabungan panas dan listrik, efisiensi keseluruhan adalah sekitar 85%. Selain itu, dengan suhu operasi tertentu, panas buangan dapat digunakan untuk memanaskan air dan menghasilkan uap pada tekanan atmosfer.

Kinerja tinggi pembangkit listrik termal pada sel bahan bakar berbasis asam fosfat (ortofosfat) dalam produksi gabungan panas dan listrik adalah salah satu keunggulan sel bahan bakar jenis ini. Pabrik menggunakan karbon monoksida pada konsentrasi sekitar 1,5%, yang sangat memperluas pilihan bahan bakar. Selain itu, CO 2 tidak mempengaruhi elektrolit dan pengoperasian sel bahan bakar, sel jenis ini bekerja dengan bahan bakar alami yang direformasi. Konstruksi sederhana, volatilitas elektrolit yang rendah dan peningkatan stabilitas juga merupakan keuntungan dari jenis sel bahan bakar ini.

Pembangkit listrik termal dengan output daya listrik hingga 500 kW diproduksi secara industri. Instalasi untuk 11 MW telah lulus tes yang relevan. Pembangkit dengan daya keluaran hingga 100 MW sedang dikembangkan.

Sel/sel bahan bakar oksida padat (SOFC)

Sel bahan bakar oksida padat adalah sel bahan bakar dengan suhu operasi tertinggi. Temperatur pengoperasian dapat bervariasi dari 600 °C hingga 1000 °C, yang memungkinkan penggunaan berbagai jenis bahan bakar tanpa perlakuan awal khusus. Untuk menangani suhu tinggi ini, elektrolit yang digunakan adalah oksida logam padat berbahan dasar keramik tipis, seringkali merupakan paduan yttrium dan zirkonium, yang merupakan konduktor ion oksigen (O 2-).

Elektrolit padat menyediakan transisi gas kedap udara dari satu elektroda ke elektroda lainnya, sedangkan elektrolit cair terletak di substrat berpori. Pembawa muatan dalam sel bahan bakar jenis ini adalah ion oksigen (O 2-). Di katoda, molekul oksigen dipisahkan dari udara menjadi ion oksigen dan empat elektron. Ion oksigen melewati elektrolit dan bergabung dengan hidrogen untuk membentuk empat elektron bebas. Elektron diarahkan melalui sirkuit listrik eksternal, menghasilkan arus listrik dan membuang panas.

Reaksi di anoda: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reaksi di katoda: O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
Reaksi unsur umum: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Efisiensi energi listrik yang dihasilkan adalah yang tertinggi dari semua sel bahan bakar - sekitar 60-70%. Temperatur pengoperasian yang tinggi memungkinkan gabungan panas dan pembangkit listrik untuk menghasilkan uap bertekanan tinggi. Menggabungkan sel bahan bakar suhu tinggi dengan turbin menciptakan sel bahan bakar hibrida untuk meningkatkan efisiensi pembangkit listrik hingga 75%.

Sel bahan bakar oksida padat beroperasi pada suhu yang sangat tinggi (600 °C-1000 °C), menghasilkan waktu yang lama untuk mencapai kondisi operasi yang optimal, dan sistem lebih lambat untuk merespons perubahan konsumsi daya. Pada suhu operasi tinggi seperti itu, tidak diperlukan konverter untuk memulihkan hidrogen dari bahan bakar, yang memungkinkan pembangkit listrik termal beroperasi dengan bahan bakar yang relatif tidak murni dari gasifikasi batubara atau gas buangan, dan sejenisnya. Selain itu, sel bahan bakar ini sangat baik untuk aplikasi daya tinggi, termasuk pembangkit listrik pusat industri dan besar. Modul yang diproduksi secara industri dengan daya listrik keluaran 100 kW.

Sel bahan bakar/sel dengan oksidasi metanol langsung (DOMTE)

Teknologi penggunaan sel bahan bakar dengan oksidasi langsung metanol sedang mengalami masa pengembangan aktif. Ini telah berhasil memantapkan dirinya di bidang memberi daya pada ponsel, laptop, serta untuk membuat sumber daya portabel. apa tujuan penerapan elemen-elemen ini di masa depan.

Struktur sel bahan bakar dengan oksidasi langsung metanol mirip dengan sel bahan bakar dengan membran penukar proton (MOFEC), yaitu. polimer digunakan sebagai elektrolit, dan ion hidrogen (proton) digunakan sebagai pembawa muatan. Namun, metanol cair (CH 3 OH) dioksidasi dengan adanya air di anoda, melepaskan CO 2 , ion hidrogen dan elektron, yang dipandu melalui sirkuit listrik eksternal, dan arus listrik dihasilkan. Ion hidrogen melewati elektrolit dan bereaksi dengan oksigen dari udara dan elektron dari sirkuit eksternal untuk membentuk air di anoda.

Reaksi di anoda: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reaksi di katoda: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Reaksi unsur umum: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Keuntungan dari sel bahan bakar jenis ini adalah ukurannya yang kecil, karena penggunaan bahan bakar cair, dan tidak adanya kebutuhan untuk menggunakan konverter.

Sel bahan bakar alkali/sel (AFC)

Sel bahan bakar alkali adalah salah satu sel yang paling efisien digunakan untuk menghasilkan listrik, dengan efisiensi pembangkit listrik mencapai hingga 70%.

Sel bahan bakar alkali menggunakan elektrolit, yaitu larutan berair kalium hidroksida, yang terkandung dalam matriks berpori yang distabilkan. Konsentrasi kalium hidroksida dapat bervariasi tergantung pada suhu operasi sel bahan bakar, yang berkisar dari 65 ° C hingga 220 ° C. Pembawa muatan dalam SFC adalah ion hidroksida (OH-) yang bergerak dari katoda ke anoda di mana ia bereaksi dengan hidrogen untuk menghasilkan air dan elektron. Air yang dihasilkan di anoda bergerak kembali ke katoda, sekali lagi menghasilkan ion hidroksida di sana. Sebagai hasil dari rangkaian reaksi yang terjadi di sel bahan bakar, listrik dihasilkan dan, sebagai produk sampingan, panas:

Reaksi di anoda: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reaksi di katoda: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Reaksi umum sistem: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Keuntungan dari SFC adalah bahwa sel bahan bakar ini adalah yang termurah untuk diproduksi, karena katalis yang dibutuhkan pada elektroda dapat berupa zat apa pun yang lebih murah daripada yang digunakan sebagai katalis untuk sel bahan bakar lainnya. SCFC beroperasi pada suhu yang relatif rendah dan merupakan salah satu sel bahan bakar yang paling efisien - karakteristik tersebut masing-masing dapat berkontribusi pada pembangkitan daya yang lebih cepat dan efisiensi bahan bakar yang tinggi.

Salah satu ciri khas SHTE adalah sensitivitasnya yang tinggi terhadap CO 2 , yang dapat terkandung dalam bahan bakar atau udara. CO 2 bereaksi dengan elektrolit, dengan cepat meracuninya, dan sangat mengurangi efisiensi sel bahan bakar. Oleh karena itu, penggunaan SFC terbatas pada ruang tertutup seperti ruang angkasa dan kendaraan bawah air, mereka harus beroperasi pada hidrogen dan oksigen murni. Selain itu, molekul seperti CO, H 2 O dan CH4, yang aman untuk sel bahan bakar lain dan bahkan bahan bakar untuk beberapa sel, merugikan SFC.

Sel/sel bahan bakar elektrolit polimer (PETE)

Dalam kasus sel bahan bakar elektrolit polimer, membran polimer terdiri dari serat polimer dengan daerah air di mana ada konduksi ion air (H 2 O + (proton, red) yang melekat pada molekul air). Molekul air menghadirkan masalah karena pertukaran ion yang lambat. Oleh karena itu, konsentrasi air yang tinggi diperlukan baik dalam bahan bakar maupun pada elektroda buang, yang membatasi suhu operasi hingga 100 °C.

Sel/sel bahan bakar asam padat (SCFC)

Dalam sel bahan bakar asam padat, elektrolit (CsHSO 4 ) tidak mengandung air. Oleh karena itu, suhu operasi adalah 100-300 °C. Rotasi anion SO 4 2-oksi memungkinkan proton (merah) untuk bergerak seperti yang ditunjukkan pada gambar. Biasanya, sel bahan bakar asam padat adalah sandwich di mana lapisan yang sangat tipis dari senyawa asam padat diapit di antara dua elektroda yang dikompresi untuk memastikan kontak yang baik. Ketika dipanaskan, komponen organik menguap, meninggalkan melalui pori-pori di elektroda, mempertahankan kemampuan banyak kontak antara bahan bakar (atau oksigen di ujung sel), elektrolit dan elektroda.

Pembangkit listrik dan panas kota hemat energi yang inovatif biasanya dibangun di atas sel bahan bakar oksida padat (SOFC), sel bahan bakar elektrolit polimer (PEFC), sel bahan bakar asam fosfat (PCFC), sel bahan bakar membran pertukaran proton (MPFC) dan sel bahan bakar alkali ( APFC). Mereka biasanya memiliki ciri-ciri sebagai berikut:

Sel bahan bakar oksida padat (SOFC) harus diakui sebagai yang paling cocok, yang:

• beroperasi pada suhu yang lebih tinggi, yang mengurangi kebutuhan akan logam mulia yang mahal (seperti platinum)
• dapat beroperasi pada berbagai jenis bahan bakar hidrokarbon, terutama pada gas alam
• memiliki waktu start-up yang lebih lama dan oleh karena itu lebih cocok untuk operasi jangka panjang
• menunjukkan efisiensi tinggi pembangkit listrik (hingga 70%)
• karena suhu operasi yang tinggi, unit dapat dikombinasikan dengan sistem pemulihan panas, sehingga efisiensi sistem secara keseluruhan hingga 85%
• memiliki emisi mendekati nol, beroperasi tanpa suara, dan memiliki persyaratan pengoperasian yang rendah dibandingkan dengan teknologi pembangkit listrik yang ada

Jenis sel bahan bakar	Suhu kerja	Efisiensi Pembangkit Listrik	Jenis bahan bakar	Area aplikasi
RKTE	550–700 °C	50-70%		Instalasi menengah dan besar
FKTE	100–220 °C	35-40%	hidrogen murni	Instalasi besar
MOPTE	30-100 °C	35-50%	hidrogen murni	Instalasi kecil
SOFC	450–1000 °C	45-70%	Sebagian besar bahan bakar hidrokarbon	Instalasi kecil, menengah dan besar
POMTE	20-90 °C	20-30%	metanol	portabel
SHTE	50–200 °C	40-70%	hidrogen murni	penelitian luar angkasa
PETE	30-100 °C	35-50%	hidrogen murni	Instalasi kecil

Karena pembangkit listrik termal kecil dapat dihubungkan ke jaringan pasokan gas konvensional, sel bahan bakar tidak memerlukan sistem pasokan hidrogen yang terpisah. Saat menggunakan pembangkit listrik termal kecil berdasarkan sel bahan bakar oksida padat, panas yang dihasilkan dapat diintegrasikan ke dalam penukar panas untuk memanaskan air dan ventilasi udara, sehingga meningkatkan efisiensi sistem secara keseluruhan. Teknologi inovatif ini paling cocok untuk pembangkit listrik yang efisien tanpa memerlukan infrastruktur yang mahal dan integrasi instrumen yang rumit.

Aplikasi sel bahan bakar/sel

Penerapan sel bahan bakar/sel dalam sistem telekomunikasi

Dengan penyebaran cepat sistem komunikasi nirkabel di seluruh dunia, dan manfaat sosial dan ekonomi yang berkembang dari teknologi ponsel, kebutuhan akan daya cadangan yang andal dan hemat biaya menjadi sangat penting. Kehilangan jaringan sepanjang tahun karena cuaca buruk, bencana alam atau kapasitas jaringan yang terbatas merupakan tantangan konstan bagi operator jaringan.

Solusi pencadangan daya telekomunikasi tradisional mencakup baterai (sel baterai asam timbal yang diatur katup) untuk daya cadangan jangka pendek dan generator diesel dan propana untuk daya cadangan yang lebih lama. Baterai adalah sumber daya cadangan yang relatif murah selama 1 hingga 2 jam. Namun, baterai tidak cocok untuk periode cadangan yang lebih lama karena mahal perawatannya, menjadi tidak dapat diandalkan setelah digunakan dalam waktu lama, sensitif terhadap suhu, dan berbahaya bagi lingkungan setelah dibuang. Generator diesel dan propana dapat memberikan daya cadangan terus menerus. Namun, generator dapat menjadi tidak dapat diandalkan, memerlukan perawatan ekstensif, dan melepaskan polutan tingkat tinggi dan gas rumah kaca ke atmosfer.

Untuk menghilangkan keterbatasan solusi daya cadangan tradisional, teknologi sel bahan bakar ramah lingkungan yang inovatif telah dikembangkan. Sel bahan bakar dapat diandalkan, senyap, mengandung lebih sedikit bagian yang bergerak daripada generator, memiliki rentang suhu operasi yang lebih luas daripada baterai dari -40 ° C hingga +50 ° C dan, sebagai hasilnya, memberikan tingkat penghematan energi yang sangat tinggi. Selain itu, biaya seumur hidup pembangkit semacam itu lebih rendah daripada generator. Biaya sel bahan bakar yang lebih rendah adalah hasil dari hanya satu kunjungan pemeliharaan per tahun dan produktivitas pabrik yang jauh lebih tinggi. Bagaimanapun, sel bahan bakar adalah solusi teknologi ramah lingkungan dengan dampak lingkungan yang minimal.

Unit sel bahan bakar menyediakan daya cadangan untuk infrastruktur jaringan komunikasi penting untuk komunikasi nirkabel, permanen, dan broadband dalam sistem telekomunikasi, mulai dari 250W hingga 15kW, unit ini menawarkan banyak fitur inovatif yang tak tertandingi:

• KEANDALAN– Beberapa bagian yang bergerak dan tidak ada debit siaga
• HEMAT ENERGI
• KESUNYIAN– tingkat kebisingan rendah
• STABILITAS– rentang pengoperasian dari -40 ° C hingga +50 ° C
• ADAPTASI– instalasi outdoor dan indoor (wadah/wadah pelindung)
• KEKUATAN TINGGI– hingga 15 kW
• KEBUTUHAN PERAWATAN RENDAH– pemeliharaan tahunan minimum
• EKONOMI- total biaya kepemilikan yang menarik
• ENERGI BERSIH– emisi rendah dengan dampak lingkungan minimal

Sistem merasakan tegangan bus DC sepanjang waktu dan dengan lancar menerima beban kritis jika tegangan bus DC turun di bawah setpoint yang ditentukan pengguna. Sistem berjalan dengan hidrogen, yang memasuki tumpukan sel bahan bakar dengan salah satu dari dua cara - baik dari sumber komersial hidrogen, atau dari bahan bakar cair metanol dan air, menggunakan sistem reformer on-board.

Listrik dihasilkan oleh tumpukan sel bahan bakar dalam bentuk arus searah. Daya DC dikirim ke konverter yang mengubah daya DC yang tidak diatur dari tumpukan sel bahan bakar menjadi daya DC yang diatur dan berkualitas tinggi untuk beban yang diperlukan. Instalasi sel bahan bakar dapat menyediakan daya cadangan selama beberapa hari, karena durasinya hanya dibatasi oleh jumlah bahan bakar hidrogen atau metanol/air yang tersedia dalam persediaan.

Sel bahan bakar menawarkan efisiensi energi yang unggul, peningkatan keandalan sistem, kinerja yang lebih dapat diprediksi di berbagai iklim, dan masa pakai yang andal dibandingkan dengan paket baterai asam timbal yang diatur katup standar industri. Biaya siklus hidup juga lebih rendah karena kebutuhan perawatan dan penggantian yang jauh lebih sedikit. Sel bahan bakar menawarkan manfaat lingkungan bagi pengguna akhir karena biaya pembuangan dan risiko kewajiban yang terkait dengan sel asam timbal menjadi perhatian yang berkembang.

Kinerja baterai listrik dapat dipengaruhi secara negatif oleh berbagai faktor seperti tingkat pengisian daya, suhu, siklus, masa pakai, dan variabel lainnya. Energi yang diberikan akan bervariasi tergantung pada faktor-faktor tersebut dan tidak mudah untuk diprediksi. Kinerja sel bahan bakar membran pertukaran proton (PEMFC) relatif tidak terpengaruh oleh faktor-faktor ini dan dapat memberikan daya kritis selama bahan bakar tersedia. Peningkatan prediktabilitas merupakan manfaat penting saat berpindah ke sel bahan bakar untuk aplikasi daya cadangan yang sangat penting.

Sel bahan bakar menghasilkan energi hanya ketika bahan bakar disuplai, seperti generator turbin gas, tetapi tidak memiliki bagian yang bergerak di zona pembangkitan. Oleh karena itu, tidak seperti generator, mereka tidak mengalami keausan yang cepat dan tidak memerlukan perawatan dan pelumasan yang konstan.

Bahan bakar yang digunakan untuk menggerakkan Extended Duration Fuel Converter adalah campuran methanol dan air. Metanol adalah bahan bakar komersial yang tersedia secara luas yang saat ini memiliki banyak kegunaan, termasuk pencuci kaca depan, botol plastik, aditif mesin, dan cat emulsi. Metanol mudah diangkut, larut dengan air, memiliki biodegradabilitas yang baik dan bebas belerang. Ini memiliki titik beku yang rendah (-71°C) dan tidak terurai selama penyimpanan yang lama.

Penerapan sel bahan bakar/sel dalam jaringan komunikasi

Jaringan keamanan memerlukan solusi daya cadangan yang andal yang dapat bertahan selama berjam-jam atau berhari-hari dalam keadaan darurat jika jaringan listrik tidak tersedia.

Dengan sedikit bagian yang bergerak dan tanpa pengurangan daya siaga, teknologi sel bahan bakar yang inovatif menawarkan solusi yang menarik dibandingkan dengan sistem daya cadangan yang tersedia saat ini.

Alasan paling kuat untuk menggunakan teknologi sel bahan bakar dalam jaringan komunikasi adalah peningkatan keandalan dan keamanan secara keseluruhan. Selama peristiwa seperti pemadaman listrik, gempa bumi, badai, dan angin topan, penting agar sistem terus beroperasi dan memiliki catu daya cadangan yang andal untuk jangka waktu yang lama, terlepas dari suhu atau usia sistem daya cadangan.

Kisaran catu daya sel bahan bakar sangat ideal untuk mendukung jaringan komunikasi yang aman. Berkat prinsip desain hemat energi, mereka menyediakan daya cadangan yang ramah lingkungan dan andal dengan durasi yang diperpanjang (hingga beberapa hari) untuk digunakan dalam rentang daya dari 250 W hingga 15 kW.

Penerapan sel bahan bakar/sel dalam jaringan data

Catu daya yang andal untuk jaringan data, seperti jaringan data berkecepatan tinggi dan tulang punggung serat optik, merupakan kunci penting di seluruh dunia. Informasi yang dikirimkan melalui jaringan tersebut berisi data penting untuk institusi seperti bank, maskapai penerbangan, atau pusat kesehatan. Pemadaman listrik di jaringan semacam itu tidak hanya menimbulkan bahaya bagi informasi yang dikirimkan, tetapi juga, sebagai suatu peraturan, menyebabkan kerugian finansial yang signifikan. Instalasi sel bahan bakar yang andal dan inovatif yang menyediakan daya siaga memberikan keandalan yang Anda butuhkan untuk memastikan daya tanpa gangguan.

Unit sel bahan bakar yang beroperasi pada campuran bahan bakar cair metanol dan air menyediakan catu daya cadangan yang andal dengan durasi yang diperpanjang, hingga beberapa hari. Selain itu, unit-unit ini memiliki persyaratan perawatan yang berkurang secara signifikan dibandingkan dengan generator dan baterai, yang hanya membutuhkan satu kunjungan perawatan per tahun.

Karakteristik aplikasi khas untuk penggunaan instalasi sel bahan bakar di jaringan data:

• Aplikasi dengan input daya dari 100 W hingga 15 kW
• Aplikasi dengan persyaratan masa pakai baterai > 4 jam
• Repeater dalam sistem serat optik (hierarki sistem digital sinkron, internet berkecepatan tinggi, voice over IP…)
• Node jaringan transmisi data berkecepatan tinggi
• Node Transmisi WiMAX

Instalasi siaga sel bahan bakar menawarkan banyak keuntungan untuk infrastruktur jaringan data penting dibandingkan baterai tradisional atau generator diesel, memungkinkan peningkatan pemanfaatan di tempat:

1. Teknologi bahan bakar cair memecahkan masalah penyimpanan hidrogen dan menyediakan daya cadangan yang hampir tak terbatas.
2. Karena pengoperasiannya yang tenang, bobotnya yang rendah, ketahanan terhadap suhu ekstrem dan pengoperasian yang hampir bebas getaran, sel bahan bakar dapat dipasang di luar ruangan, di tempat/wadah industri, atau di atas atap.
3. Persiapan di tempat untuk menggunakan sistem ini cepat dan ekonomis, dan biaya pengoperasiannya rendah.
4. Bahan bakar biodegradable dan merupakan solusi ramah lingkungan untuk lingkungan perkotaan.

Penerapan sel bahan bakar/sel dalam sistem keamanan

Sistem keamanan dan komunikasi gedung yang dirancang paling hati-hati hanya dapat diandalkan seperti kekuatan yang menggerakkan mereka. Sementara sebagian besar sistem menyertakan beberapa jenis sistem daya cadangan yang tidak pernah terputus untuk kehilangan daya jangka pendek, mereka tidak menyediakan pemadaman listrik yang lebih lama yang dapat terjadi setelah bencana alam atau serangan teroris. Ini bisa menjadi masalah kritis bagi banyak perusahaan dan instansi pemerintah.

Sistem vital seperti pemantauan CCTV dan sistem kontrol akses (pembaca kartu identitas, perangkat penutup pintu, teknologi identifikasi biometrik, dll.), sistem alarm kebakaran dan pemadam kebakaran otomatis, sistem kontrol lift dan jaringan telekomunikasi, berisiko jika tidak ada sumber alternatif yang andal dari catu daya berkelanjutan.

Genset diesel berisik, sulit ditemukan, dan sangat menyadari masalah keandalan dan perawatannya. Sebaliknya, instalasi cadangan sel bahan bakar tidak berisik, andal, memiliki emisi nol atau sangat rendah, dan mudah dipasang di atap atau di luar gedung. Itu tidak mengeluarkan atau kehilangan daya dalam mode siaga. Ini memastikan pengoperasian sistem kritis yang berkelanjutan, bahkan setelah institusi berhenti beroperasi dan bangunan ditinggalkan oleh orang-orang.

Instalasi sel bahan bakar yang inovatif melindungi investasi mahal dalam aplikasi penting. Mereka menyediakan daya cadangan yang ramah lingkungan, andal, dan tahan lama (hingga beberapa hari) untuk digunakan dalam rentang daya dari 250 W hingga 15 kW, dikombinasikan dengan banyak fitur tak tertandingi dan, terutama, penghematan energi tingkat tinggi.

Unit cadangan daya sel bahan bakar menawarkan banyak keuntungan untuk aplikasi penting seperti keamanan dan sistem manajemen gedung dibandingkan baterai tradisional atau generator diesel. Teknologi bahan bakar cair memecahkan masalah penyimpanan hidrogen dan menyediakan daya cadangan yang hampir tak terbatas.

Penerapan sel bahan bakar / sel dalam pemanas domestik dan pembangkit listrik

Sel bahan bakar oksida padat (SOFC) digunakan untuk membangun pembangkit listrik termal yang andal, hemat energi, dan bebas emisi untuk menghasilkan listrik dan panas dari gas alam yang tersedia secara luas dan bahan bakar terbarukan. Unit inovatif ini digunakan di berbagai pasar, dari pembangkit listrik domestik hingga catu daya hingga daerah terpencil, serta sumber daya tambahan.

Unit hemat energi ini menghasilkan panas untuk pemanas ruangan dan air panas, serta listrik yang dapat digunakan di rumah dan diumpankan kembali ke jaringan listrik. Sumber pembangkit listrik terdistribusi dapat mencakup sel fotovoltaik (solar) dan turbin angin mikro. Teknologi ini terlihat dan dikenal luas, tetapi pengoperasiannya bergantung pada kondisi cuaca dan tidak dapat secara konsisten menghasilkan listrik sepanjang tahun. Dalam hal daya, pembangkit listrik termal dapat bervariasi dari kurang dari 1 kW hingga 6 MW dan lebih.

Penerapan sel bahan bakar/sel dalam jaringan distribusi

Pembangkit listrik termal kecil dirancang untuk beroperasi dalam jaringan pembangkit listrik terdistribusi yang terdiri dari sejumlah besar genset kecil, bukan satu pembangkit listrik terpusat.

Gambar di bawah menunjukkan hilangnya efisiensi pembangkitan listrik ketika dihasilkan oleh CHP dan ditransmisikan ke rumah-rumah melalui jaringan transmisi tradisional yang saat ini digunakan. Rugi-rugi efisiensi pembangkitan kabupaten meliputi rugi-rugi pembangkit, rugi-rugi transmisi tegangan rendah dan tinggi, dan rugi-rugi distribusi.

Gambar tersebut menunjukkan hasil integrasi pembangkit listrik termal kecil: listrik dihasilkan dengan efisiensi pembangkitan hingga 60% pada titik penggunaan. Selain itu, rumah tangga dapat menggunakan panas yang dihasilkan oleh sel bahan bakar untuk pemanas air dan ruang, yang meningkatkan efisiensi keseluruhan pemrosesan energi bahan bakar dan meningkatkan penghematan energi.

Menggunakan Sel Bahan Bakar untuk Melindungi Lingkungan - Pemanfaatan Associated Petroleum Gas

Salah satu tugas terpenting dalam industri minyak adalah pemanfaatan gas minyak bumi terkait. Metode pemanfaatan gas minyak bumi terkait yang ada memiliki banyak kelemahan, yang utama adalah bahwa mereka tidak layak secara ekonomi. Gas minyak bumi yang terkait menyala, yang menyebabkan kerusakan besar pada lingkungan dan kesehatan manusia.

Pembangkit listrik dan pemanas sel bahan bakar yang inovatif menggunakan gas minyak bumi terkait sebagai bahan bakar membuka jalan menuju solusi radikal dan hemat biaya untuk masalah pemanfaatan gas minyak bumi terkait.

1. Salah satu keuntungan utama dari instalasi sel bahan bakar adalah bahwa mereka dapat beroperasi secara andal dan berkelanjutan pada komposisi variabel terkait bahan bakar gas. Karena reaksi kimia tanpa nyala yang mendasari pengoperasian sel bahan bakar, pengurangan persentase, misalnya, metana hanya menyebabkan pengurangan yang sesuai pada keluaran daya.
2. Fleksibilitas dalam kaitannya dengan beban listrik konsumen, diferensial, lonjakan beban.
3. Untuk pemasangan dan penyambungan pembangkit listrik termal pada sel bahan bakar, pelaksanaannya tidak memerlukan belanja modal, karena Unit mudah dipasang di lokasi yang tidak siap di dekat lapangan, mudah dioperasikan, andal, dan efisien.
4. Otomatisasi tinggi dan remote control modern tidak memerlukan kehadiran personel yang konstan di pabrik.
5. Kesederhanaan dan kesempurnaan teknis desain: tidak adanya bagian yang bergerak, gesekan, sistem pelumasan memberikan manfaat ekonomi yang signifikan dari pengoperasian instalasi sel bahan bakar.
6. Konsumsi air: tidak ada pada suhu sekitar hingga +30 °C dan dapat diabaikan pada suhu yang lebih tinggi.
7. Outlet air: tidak ada.
8. Selain itu, pembangkit listrik termal sel bahan bakar tidak membuat kebisingan, tidak bergetar,

Sel bahan bakar adalah cara untuk mengubah energi bahan bakar hidrogen secara elektrokimia menjadi listrik, dan satu-satunya produk sampingan dari proses ini adalah air.

Bahan bakar hidrogen yang saat ini digunakan dalam sel bahan bakar biasanya berasal dari reformasi uap metana (yaitu, mengubah hidrokarbon dengan uap dan panas menjadi metana), meskipun mungkin ada pendekatan yang lebih ramah lingkungan, seperti elektrolisis air menggunakan energi matahari.

Komponen utama dari sel bahan bakar adalah:

• anoda di mana hidrogen teroksidasi;
• katoda, di mana oksigen berkurang;
• membran elektrolit polimer di mana proton atau ion hidroksida diangkut (tergantung pada medianya) - tidak memungkinkan hidrogen dan oksigen melewatinya;
• medan aliran oksigen dan hidrogen, yang bertanggung jawab untuk pengiriman gas-gas ini ke elektroda.

Untuk memberi daya, misalnya, mobil, beberapa sel bahan bakar dirakit menjadi baterai, dan jumlah energi yang disuplai oleh baterai ini tergantung pada luas total elektroda dan jumlah sel di dalamnya. Energi dalam sel bahan bakar dihasilkan sebagai berikut: hidrogen dioksidasi di anoda, dan elektron darinya dikirim ke katoda, di mana oksigen direduksi. Elektron yang diperoleh dari oksidasi hidrogen di anoda memiliki potensial kimia yang lebih tinggi daripada elektron yang mereduksi oksigen di katoda. Perbedaan antara potensial kimia elektron memungkinkan untuk mengekstrak energi dari sel bahan bakar.

Sejarah penciptaan

Sejarah sel bahan bakar kembali ke tahun 1930-an, ketika sel bahan bakar hidrogen pertama dirancang oleh William R. Grove. Sel ini menggunakan asam sulfat sebagai elektrolitnya. Grove mencoba menyimpan tembaga dari larutan tembaga sulfat berair ke permukaan besi. Dia memperhatikan bahwa di bawah aksi arus elektron, air terurai menjadi hidrogen dan oksigen. Setelah penemuan ini, Grove dan Christian Schoenbein, seorang ahli kimia di Universitas Basel (Swiss), yang bekerja secara paralel dengannya, secara bersamaan menunjukkan pada tahun 1839 kemungkinan menghasilkan energi dalam sel bahan bakar hidrogen-oksigen menggunakan elektrolit asam. Upaya awal ini, meskipun sifatnya cukup primitif, menarik perhatian beberapa orang sezamannya, termasuk Michael Faraday.

Penelitian sel bahan bakar terus berlanjut, dan pada tahun 1930-an F.T. Bacon memperkenalkan komponen baru ke sel bahan bakar alkali (salah satu jenis sel bahan bakar) - membran pertukaran ion untuk memfasilitasi pengangkutan ion hidroksida.

Salah satu contoh sejarah paling terkenal dari penggunaan sel bahan bakar alkali adalah penggunaannya sebagai sumber energi utama selama penerbangan luar angkasa dalam program Apollo.

Mereka dipilih oleh NASA karena daya tahan dan stabilitas teknisnya. Mereka menggunakan membran penghantar hidroksida yang lebih unggul dalam efisiensi dibandingkan saudara kembarnya yang menukar proton.

Selama hampir dua abad sejak pembuatan prototipe sel bahan bakar pertama, banyak pekerjaan telah dilakukan untuk memperbaikinya. Secara umum, energi akhir yang diperoleh dari sel bahan bakar tergantung pada kinetika reaksi redoks, resistansi internal sel, dan perpindahan massa dari gas dan ion yang bereaksi ke komponen aktif katalitik. Selama bertahun-tahun, banyak perbaikan telah dilakukan pada ide aslinya, seperti:

1) penggantian kawat platina dengan elektroda berbahan dasar karbon dengan nanopartikel platina; 2) penemuan membran dengan konduktivitas dan selektivitas tinggi, seperti Nafion, untuk memfasilitasi transpor ion; 3) menggabungkan lapisan katalitik, misalnya, nanopartikel platinum, didistribusikan di atas dasar karbon, dengan membran penukar ion, menghasilkan unit membran-elektroda dengan resistansi internal minimum; 4) penggunaan dan optimalisasi medan aliran untuk mengantarkan hidrogen dan oksigen ke permukaan katalitik, daripada langsung mengencerkannya dalam larutan.

Perbaikan ini dan lainnya akhirnya menghasilkan teknologi yang cukup efisien untuk digunakan pada kendaraan seperti Toyota Mirai.

Sel bahan bakar dengan membran pertukaran hidroksida

University of Delaware sedang melakukan penelitian tentang pengembangan sel bahan bakar dengan membran pertukaran hidroksida - HEMFC (sel bahan bakar membran pertukaran hidroksida). Sel bahan bakar dengan membran pertukaran hidroksida bukan membran penukar proton - PEMFC (sel bahan bakar membran pertukaran proton) - menghadapi lebih sedikit salah satu masalah besar PEMFC - masalah stabilitas katalis, karena lebih banyak katalis logam dasar yang stabil dalam lingkungan basa daripada dalam suasana asam. Stabilitas katalis dalam larutan basa lebih tinggi karena fakta bahwa pelarutan logam melepaskan lebih banyak energi pada pH rendah daripada pada pH tinggi. Sebagian besar pekerjaan di laboratorium ini juga dikhususkan untuk pengembangan katalis anodik dan katodik baru untuk reaksi oksidasi hidrogen dan reduksi oksigen guna mempercepatnya dengan lebih efisien. Selain itu, laboratorium sedang mengembangkan membran pertukaran hidroksida baru, karena konduktivitas dan daya tahan membran tersebut belum ditingkatkan untuk bersaing dengan membran penukar proton.

Cari katalis baru

Alasan kerugian tegangan lebih dalam reaksi reduksi oksigen dijelaskan oleh hubungan skala linier antara produk antara dari reaksi ini. Dalam mekanisme empat elektron tradisional dari reaksi ini, oksigen direduksi secara berurutan, menciptakan produk antara - OOH*, O* dan OH*, untuk akhirnya membentuk air (H2O) pada permukaan katalitik. Karena energi adsorpsi produk antara pada katalis individu sangat berkorelasi satu sama lain, belum ada katalis yang ditemukan, setidaknya secara teori, tidak akan kehilangan tegangan lebih. Meskipun laju reaksi ini rendah, perubahan dari media asam ke media basa, seperti di HEMFC, tidak banyak mempengaruhinya. Namun, laju reaksi oksidasi hidrogen hampir setengahnya, dan fakta ini memotivasi penelitian yang bertujuan untuk menemukan penyebab penurunan ini dan penemuan katalis baru.

Keuntungan dari sel bahan bakar

Berbeda dengan bahan bakar hidrokarbon, sel bahan bakar lebih, jika tidak sempurna, ramah lingkungan dan tidak menghasilkan gas rumah kaca sebagai akibat dari aktivitasnya. Selain itu, bahan bakar mereka (hidrogen) pada prinsipnya terbarukan, karena dapat diperoleh dengan hidrolisis air. Dengan demikian, sel bahan bakar hidrogen di masa depan menjanjikan untuk menjadi bagian penuh dari proses produksi energi, di mana energi matahari dan angin digunakan untuk menghasilkan bahan bakar hidrogen, yang kemudian digunakan dalam sel bahan bakar untuk menghasilkan air. Dengan demikian, siklus tertutup dan tidak ada jejak karbon yang tersisa.

Tidak seperti baterai yang dapat diisi ulang, sel bahan bakar memiliki keuntungan bahwa mereka tidak perlu diisi ulang - mereka dapat segera mulai memasok energi segera setelah dibutuhkan. Artinya, jika diterapkan, misalnya di bidang kendaraan, maka hampir tidak ada perubahan di pihak konsumen. Tidak seperti energi matahari dan energi angin, sel bahan bakar dapat menghasilkan energi secara terus menerus dan jauh lebih sedikit tergantung pada kondisi eksternal. Pada gilirannya, energi panas bumi hanya tersedia di wilayah geografis tertentu, sedangkan sel bahan bakar tidak memiliki masalah ini.

Sel bahan bakar hidrogen adalah salah satu sumber energi yang paling menjanjikan karena portabilitas dan fleksibilitasnya dalam hal skala.

Kompleksitas penyimpanan hidrogen

Selain masalah dengan kekurangan membran dan katalis saat ini, kesulitan teknis lainnya untuk sel bahan bakar terkait dengan penyimpanan dan pengangkutan bahan bakar hidrogen. Hidrogen memiliki energi spesifik yang sangat rendah per satuan volume (jumlah energi per satuan volume pada suhu dan tekanan tertentu) dan oleh karena itu harus disimpan pada tekanan yang sangat tinggi untuk digunakan dalam kendaraan. Jika tidak, ukuran wadah untuk menyimpan jumlah bahan bakar yang dibutuhkan akan sangat besar. Karena keterbatasan penyimpanan hidrogen ini, upaya telah dilakukan untuk menemukan cara untuk menghasilkan hidrogen dari sesuatu selain bentuk gasnya, seperti dalam sel bahan bakar hidrida logam. Namun, aplikasi sel bahan bakar konsumen saat ini, seperti Toyota Mirai, menggunakan hidrogen superkritis (hidrogen yang berada pada suhu di atas 33 K dan tekanan di atas 13,3 atmosfer, yaitu di atas nilai kritis), dan ini sekarang merupakan pilihan yang paling nyaman.

Perspektif wilayah

Karena kesulitan teknis yang ada dan masalah memperoleh hidrogen dari air menggunakan energi matahari, dalam waktu dekat, penelitian kemungkinan akan fokus terutama pada mencari sumber alternatif hidrogen. Salah satu ide populer adalah menggunakan amonia (hidrogen nitrida) langsung di sel bahan bakar alih-alih hidrogen, atau membuat hidrogen dari amonia. Alasan untuk ini adalah bahwa amonia kurang menuntut dalam hal tekanan, yang membuatnya lebih nyaman untuk disimpan dan dipindahkan. Selain itu, amonia menarik sebagai sumber hidrogen karena tidak mengandung karbon. Ini memecahkan masalah keracunan katalis karena beberapa CO dalam hidrogen yang dihasilkan dari metana.

Di masa depan, sel bahan bakar dapat menemukan aplikasi luas dalam teknologi kendaraan dan pembangkit energi terdistribusi, seperti di daerah perumahan. Terlepas dari kenyataan bahwa saat ini penggunaan sel bahan bakar sebagai sumber energi utama membutuhkan banyak uang, jika katalis yang lebih murah dan lebih efisien, membran stabil dengan konduktivitas tinggi dan sumber hidrogen alternatif ditemukan, sel bahan bakar hidrogen dapat menjadi sangat menarik secara ekonomi.

Sel bahan bakar adalah perangkat konversi energi elektrokimia yang mengubah hidrogen dan oksigen menjadi listrik melalui reaksi kimia. Sebagai hasil dari proses ini, air terbentuk dan sejumlah besar panas dilepaskan. Sel bahan bakar sangat mirip dengan baterai yang dapat diisi dan kemudian digunakan untuk menyimpan energi listrik.
Penemu sel bahan bakar adalah William R. Grove, yang menemukannya pada tahun 1839. Dalam sel bahan bakar ini, larutan asam sulfat digunakan sebagai elektrolit, dan hidrogen digunakan sebagai bahan bakar, yang digabungkan dengan oksigen dalam media pengoksidasi . Perlu dicatat bahwa, sampai saat ini, sel bahan bakar hanya digunakan di laboratorium dan di pesawat ruang angkasa.
Di masa depan, sel bahan bakar akan mampu bersaing dengan banyak sistem konversi energi lainnya (termasuk turbin gas di pembangkit listrik), mesin pembakaran internal di mobil, dan baterai listrik di perangkat portabel. Mesin pembakaran internal membakar bahan bakar dan menggunakan tekanan yang diciptakan oleh ekspansi gas pembakaran untuk melakukan pekerjaan mekanis. Baterai menyimpan energi listrik dan kemudian mengubahnya menjadi energi kimia, yang dapat diubah kembali menjadi energi listrik jika diperlukan. Secara potensial, sel bahan bakar sangat efisien. Kembali pada tahun 1824, ilmuwan Perancis Carnot membuktikan bahwa siklus kompresi-ekspansi dari mesin pembakaran internal tidak dapat memastikan efisiensi konversi energi panas (yang merupakan energi kimia dari pembakaran bahan bakar) menjadi energi mekanik di atas 50%. Sebuah sel bahan bakar tidak memiliki bagian yang bergerak (setidaknya tidak di dalam sel itu sendiri), dan karena itu mereka tidak mematuhi hukum Carnot. Secara alami, mereka akan memiliki efisiensi lebih dari 50% dan sangat efektif pada beban rendah. Dengan demikian, kendaraan sel bahan bakar siap untuk menjadi (dan telah terbukti) lebih hemat bahan bakar daripada kendaraan konvensional dalam kondisi mengemudi di kehidupan nyata.
Sel bahan bakar menghasilkan arus listrik DC yang dapat digunakan untuk menggerakkan motor listrik, perlengkapan penerangan, dan sistem kelistrikan lainnya di dalam kendaraan. Ada beberapa jenis sel bahan bakar, berbeda dalam proses kimia yang digunakan. Sel bahan bakar biasanya diklasifikasikan berdasarkan jenis elektrolit yang mereka gunakan. Beberapa jenis sel bahan bakar menjanjikan untuk digunakan di pembangkit listrik, sementara yang lain mungkin berguna untuk perangkat portabel kecil atau untuk mengemudikan mobil.
Sel bahan bakar alkali adalah salah satu elemen yang paling awal dikembangkan. Mereka telah digunakan oleh program luar angkasa AS sejak 1960-an. Sel bahan bakar tersebut sangat rentan terhadap kontaminasi dan oleh karena itu membutuhkan hidrogen dan oksigen yang sangat murni. Selain itu, mereka sangat mahal, dan oleh karena itu sel bahan bakar jenis ini tidak mungkin menemukan aplikasi luas di mobil.
Sel bahan bakar berdasarkan asam fosfat dapat digunakan dalam instalasi stasioner berdaya rendah. Mereka beroperasi pada suhu yang cukup tinggi dan karena itu membutuhkan waktu lama untuk pemanasan, yang juga membuat mereka tidak efisien untuk digunakan di mobil.
Sel bahan bakar oksida padat lebih cocok untuk pembangkit listrik stasioner besar yang dapat menyediakan listrik untuk pabrik atau komunitas. Jenis sel bahan bakar ini beroperasi pada suhu yang sangat tinggi (sekitar 1000 °C). Temperatur operasi yang tinggi menciptakan masalah tertentu, tetapi di sisi lain, ada keuntungan - uap yang dihasilkan oleh sel bahan bakar dapat dikirim ke turbin untuk menghasilkan lebih banyak listrik. Secara keseluruhan, ini meningkatkan efisiensi sistem secara keseluruhan.
Salah satu sistem yang paling menjanjikan adalah sel bahan bakar membran pertukaran proton - POMFC (PEMFC - Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton). Saat ini fuel cell jenis ini paling menjanjikan karena dapat menggerakkan mobil, bus, dan kendaraan lainnya.

Proses kimia dalam sel bahan bakar

Sel bahan bakar menggunakan proses elektrokimia untuk menggabungkan hidrogen dengan oksigen dari udara. Seperti baterai, sel bahan bakar menggunakan elektroda (konduktor listrik padat) dalam elektrolit (media konduktif listrik). Ketika molekul hidrogen bersentuhan dengan elektroda negatif (anoda), yang terakhir dipisahkan menjadi proton dan elektron. Proton melewati membran pertukaran proton (PEM) ke elektroda positif (katoda) dari sel bahan bakar, menghasilkan listrik. Ada kombinasi kimia molekul hidrogen dan oksigen dengan pembentukan air, sebagai produk sampingan dari reaksi ini. Satu-satunya jenis emisi dari sel bahan bakar adalah uap air.
Listrik yang dihasilkan oleh sel bahan bakar dapat digunakan dalam powertrain listrik kendaraan (terdiri dari konverter daya listrik dan motor induksi AC) untuk menyediakan energi mekanik untuk menggerakkan kendaraan. Tugas konverter daya adalah mengubah arus searah yang dihasilkan oleh sel bahan bakar menjadi arus bolak-balik, yang digunakan oleh motor traksi kendaraan.

Diagram skema sel bahan bakar dengan membran penukar proton:
1 - anoda;
2 - membran pertukaran proton (REM);
3 - katalis (merah);
4 - katoda

Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) menggunakan salah satu reaksi paling sederhana dari semua sel bahan bakar.

Sel bahan bakar terpisah

Pertimbangkan cara kerja sel bahan bakar. Anoda, kutub negatif sel bahan bakar, menghantarkan elektron, yang dibebaskan dari molekul hidrogen sehingga dapat digunakan dalam rangkaian listrik eksternal (sirkuit). Untuk melakukan ini, saluran diukir di dalamnya, mendistribusikan hidrogen secara merata ke seluruh permukaan katalis. Katoda (kutub positif sel bahan bakar) memiliki saluran terukir yang mendistribusikan oksigen di atas permukaan katalis. Itu juga melakukan elektron kembali dari sirkuit luar (sirkuit) ke katalis, di mana mereka dapat bergabung dengan ion hidrogen dan oksigen untuk membentuk air. Elektrolit adalah membran penukar proton. Ini adalah bahan khusus, mirip dengan plastik biasa, tetapi dengan kemampuan untuk melewatkan ion bermuatan positif dan menghalangi lewatnya elektron.
Katalis adalah bahan khusus yang memfasilitasi reaksi antara oksigen dan hidrogen. Katalis biasanya dibuat dari bubuk platinum yang diendapkan dalam lapisan yang sangat tipis pada kertas karbon atau kain. Katalis harus kasar dan berpori sehingga permukaannya dapat bersentuhan dengan hidrogen dan oksigen sebanyak mungkin. Sisi katalis yang dilapisi platinum berada di depan membran penukar proton (POM).
Gas hidrogen (H2) disuplai ke sel bahan bakar di bawah tekanan dari sisi anoda. Ketika molekul H2 bersentuhan dengan platina pada katalis, ia terbagi menjadi dua bagian, dua ion (H+) dan dua elektron (e–). Elektron dilakukan melalui anoda di mana mereka melewati sirkuit eksternal (sirkuit) melakukan pekerjaan yang berguna (misalnya mengemudi motor listrik) dan kembali dari sisi katoda sel bahan bakar.
Sedangkan dari sisi katoda sel bahan bakar, gas oksigen (O 2 ) didorong melalui katalis sehingga membentuk dua atom oksigen. Masing-masing atom ini memiliki muatan negatif yang kuat yang menarik dua ion H+ melintasi membran, di mana mereka bergabung dengan atom oksigen dan dua elektron dari lingkaran luar (rantai) untuk membentuk molekul air (H2O).
Reaksi ini dalam satu sel bahan bakar menghasilkan daya sekitar 0,7 watt. Untuk meningkatkan daya ke tingkat yang diperlukan, perlu untuk menggabungkan banyak sel bahan bakar individu untuk membentuk tumpukan sel bahan bakar.
Sel bahan bakar POM beroperasi pada suhu yang relatif rendah (sekitar 80°C), yang berarti dapat dengan cepat dipanaskan hingga suhu operasi dan tidak memerlukan sistem pendingin yang mahal. Perbaikan terus-menerus dalam teknologi dan bahan yang digunakan dalam sel-sel ini telah membawa kekuatan mereka lebih dekat ke tingkat di mana baterai sel bahan bakar tersebut, menempati sebagian kecil dari bagasi mobil, dapat menyediakan energi yang dibutuhkan untuk mengendarai mobil.
Selama beberapa tahun terakhir, sebagian besar produsen mobil terkemuka dunia telah banyak berinvestasi dalam pengembangan desain mobil menggunakan sel bahan bakar. Banyak yang telah mendemonstrasikan kendaraan sel bahan bakar dengan tenaga dan dinamika yang memuaskan, meskipun harganya cukup mahal.
Memperbaiki desain mobil semacam itu sangat intensif.

Kendaraan fuel cell, menggunakan pembangkit listrik yang terletak di bawah lantai kendaraan

Kendaraan NECAR V didasarkan pada kendaraan kelas A Mercedes-Benz, dengan seluruh pembangkit listrik, bersama dengan sel bahan bakar, terletak di bawah lantai kendaraan. Solusi konstruktif semacam itu memungkinkan untuk menampung empat penumpang dan barang bawaan di dalam mobil. Di sini, bukan hidrogen, tetapi metanol yang digunakan sebagai bahan bakar mobil. Metanol dengan bantuan reformer (alat yang mengubah metanol menjadi hidrogen) diubah menjadi hidrogen, yang diperlukan untuk menyalakan sel bahan bakar. Penggunaan reformer pada mobil memungkinkan untuk menggunakan hampir semua hidrokarbon sebagai bahan bakar, yang memungkinkan untuk mengisi bahan bakar mobil sel menggunakan jaringan stasiun pengisian yang ada. Secara teoritis, sel bahan bakar tidak menghasilkan apa-apa selain listrik dan air. Mengubah bahan bakar (bensin atau metanol) menjadi hidrogen yang diperlukan untuk sel bahan bakar agak mengurangi daya tarik lingkungan dari kendaraan semacam itu.
Honda, yang telah berkecimpung dalam bisnis sel bahan bakar sejak 1989, memproduksi sejumlah kecil kendaraan Honda FCX-V4 pada tahun 2003 dengan sel bahan bakar tipe membran penukar proton Ballard. Sel bahan bakar ini menghasilkan daya listrik 78 kW, dan motor traksi dengan daya 60 kW dan torsi 272 N m digunakan untuk menggerakkan roda penggerak. Ini memiliki dinamika yang sangat baik, dan pasokan hidrogen terkompresi memungkinkan untuk dijalankan hingga 355 km.

Honda FCX menggunakan tenaga sel bahan bakar untuk menggerakkan dirinya sendiri.
Honda FCX adalah kendaraan sel bahan bakar pertama di dunia yang menerima sertifikasi pemerintah di Amerika Serikat. Mobil ini bersertifikat ZEV - Zero Emission Vehicle (kendaraan tanpa polusi). Honda belum akan menjual mobil ini, tapi menyewa sekitar 30 mobil per unit. California dan Tokyo, di mana infrastruktur pengisian bahan bakar hidrogen sudah ada.

Mobil konsep Hy Wire General Motors memiliki pembangkit listrik sel bahan bakar

Penelitian besar tentang pengembangan dan pembuatan kendaraan sel bahan bakar sedang dilakukan oleh General Motors.

Sasis Kendaraan Kawat Hy

Mobil konsep GM Hy Wire telah mendapatkan 26 paten. Basis mobil adalah platform fungsional dengan ketebalan 150 mm. Di dalam platform terdapat silinder hidrogen, pembangkit listrik sel bahan bakar, dan sistem kontrol kendaraan menggunakan teknologi kontrol-by-kawat elektronik terbaru. Sasis mobil Hy Wire adalah platform tipis yang berisi semua elemen struktural utama mobil: silinder hidrogen, sel bahan bakar, baterai, motor listrik, dan sistem kontrol. Pendekatan desain ini memungkinkan untuk mengubah badan mobil selama operasi.Perusahaan juga menguji kendaraan sel bahan bakar Opel eksperimental dan merancang pabrik produksi sel bahan bakar.

Desain tangki bahan bakar "aman" untuk hidrogen cair:
1 - perangkat pengisi;
2 - tangki luar;
3 - mendukung;
4 - sensor tingkat;
5 - tangki internal;
6 - garis pengisian;
7 - isolasi dan vakum;
8 - pemanas;
9 - kotak pemasangan

Masalah penggunaan hidrogen sebagai bahan bakar mobil menjadi perhatian BMW. Bersama Magna Steyer, yang dikenal karena karyanya dalam penggunaan hidrogen cair dalam penelitian luar angkasa, BMW telah mengembangkan tangki bahan bakar hidrogen cair yang dapat digunakan di mobil.

Pengujian telah mengkonfirmasi keamanan menggunakan tangki bahan bakar dengan hidrogen cair

Perusahaan melakukan serangkaian tes pada keamanan struktur sesuai dengan metode standar dan memastikan keandalannya.
Pada tahun 2002, di Frankfurt Motor Show (Jerman), Mini Cooper Hidrogen ditampilkan, yang menggunakan hidrogen cair sebagai bahan bakar. Tangki bahan bakar mobil ini menempati ruang yang sama dengan tangki bensin konvensional. Hidrogen pada mobil ini tidak digunakan untuk sel bahan bakar, melainkan sebagai bahan bakar untuk mesin pembakaran dalam.

Mobil produksi massal pertama di dunia dengan sel bahan bakar, bukan baterai

Pada tahun 2003, BMW mengumumkan peluncuran kendaraan sel bahan bakar produksi massal pertama, BMW 750 hL. Baterai sel bahan bakar digunakan sebagai pengganti baterai tradisional. Mobil ini memiliki mesin pembakaran internal 12 silinder yang menggunakan hidrogen, dan sel bahan bakar berfungsi sebagai alternatif untuk baterai konvensional, memungkinkan AC dan konsumen lain untuk bekerja saat mobil diparkir dalam waktu lama dengan mesin mati.

Pengisian bahan bakar hidrogen dilakukan oleh robot, pengemudi tidak terlibat dalam proses ini

Perusahaan yang sama BMW juga telah mengembangkan dispenser bahan bakar robot yang menyediakan pengisian bahan bakar mobil yang cepat dan aman dengan hidrogen cair.
Munculnya sejumlah besar perkembangan dalam beberapa tahun terakhir yang bertujuan untuk menciptakan kendaraan yang menggunakan bahan bakar alternatif dan pembangkit listrik alternatif menunjukkan bahwa mesin pembakaran internal, yang mendominasi mobil selama satu abad terakhir, pada akhirnya akan digantikan oleh desain yang lebih bersih, lebih efisien, dan senyap. Penggunaannya yang meluas saat ini sedang terhambat bukan karena masalah teknis, melainkan oleh masalah ekonomi dan sosial. Untuk penggunaannya secara luas, perlu untuk menciptakan infrastruktur tertentu untuk pengembangan produksi bahan bakar alternatif, penciptaan dan distribusi SPBU baru dan untuk mengatasi sejumlah hambatan psikologis. Penggunaan hidrogen sebagai bahan bakar kendaraan akan memerlukan penanganan masalah penyimpanan, pengiriman dan distribusi, dengan langkah-langkah keamanan yang serius.
Secara teoritis, hidrogen tersedia dalam jumlah yang tidak terbatas, tetapi produksinya sangat intensif energi. Selain itu, untuk mengubah mobil agar bekerja dengan bahan bakar hidrogen, dua perubahan besar dalam sistem tenaga harus dilakukan: pertama, mentransfer operasinya dari bensin ke metanol, dan kemudian, untuk beberapa waktu, ke hidrogen. Ini akan memakan waktu sebelum masalah ini diselesaikan.

Keterangan:

Artikel ini membahas secara lebih rinci struktur, klasifikasi, kelebihan dan kekurangan, ruang lingkup, efisiensi, sejarah penciptaan dan prospek modern untuk digunakan.

Menggunakan sel bahan bakar untuk pembangkit listrik

Bagian 1

Artikel ini membahas secara lebih rinci prinsip pengoperasian sel bahan bakar, desainnya, klasifikasinya, kelebihan dan kekurangannya, ruang lingkup, efisiensi, sejarah penciptaan dan prospek modern untuk digunakan. Di bagian kedua artikel, yang akan dimuat di majalah ABOK edisi berikutnya, memberikan contoh fasilitas di mana berbagai jenis sel bahan bakar digunakan sebagai sumber panas dan listrik (atau hanya listrik).

pengantar

Sel bahan bakar adalah cara yang sangat efisien, andal, tahan lama, dan ramah lingkungan untuk menghasilkan energi.

Awalnya hanya digunakan di industri luar angkasa, sel bahan bakar sekarang semakin banyak digunakan di berbagai bidang - seperti pembangkit listrik stasioner, panas dan catu daya gedung, mesin kendaraan, catu daya untuk laptop dan ponsel. Beberapa dari perangkat ini adalah prototipe laboratorium, beberapa sedang menjalani pengujian pra-seri atau digunakan untuk tujuan demonstrasi, tetapi banyak model diproduksi secara massal dan digunakan dalam proyek komersial.

Sel bahan bakar (generator elektrokimia) adalah perangkat yang mengubah energi kimia bahan bakar (hidrogen) menjadi energi listrik selama reaksi elektrokimia secara langsung, tidak seperti teknologi tradisional yang menggunakan pembakaran bahan bakar padat, cair, dan gas. Konversi bahan bakar secara elektrokimia secara langsung sangat efisien dan menarik dari sudut pandang lingkungan, karena jumlah polutan minimum yang dilepaskan selama operasi, dan tidak ada suara dan getaran yang kuat.

Dari sudut pandang praktis, sel bahan bakar menyerupai baterai galvanik konvensional. Perbedaannya terletak pada kenyataan bahwa pada awalnya baterai diisi, yaitu diisi dengan "bahan bakar". Selama operasi, "bahan bakar" dikonsumsi dan baterai habis. Tidak seperti baterai, sel bahan bakar menggunakan bahan bakar yang dipasok dari sumber eksternal untuk menghasilkan energi listrik (Gbr. 1).

Untuk produksi energi listrik, tidak hanya hidrogen murni yang dapat digunakan, tetapi juga bahan baku lain yang mengandung hidrogen, seperti gas alam, amonia, metanol atau bensin. Udara biasa digunakan sebagai sumber oksigen, yang juga diperlukan untuk reaksi.

Ketika hidrogen murni digunakan sebagai bahan bakar, produk reaksi, selain energi listrik, adalah panas dan air (atau uap air), yaitu tidak ada gas yang dipancarkan ke atmosfer yang menyebabkan polusi udara atau menyebabkan efek rumah kaca. Jika bahan baku yang mengandung hidrogen, seperti gas alam, digunakan sebagai bahan bakar, gas lain, seperti oksida karbon dan nitrogen, akan menjadi produk sampingan dari reaksi, tetapi jumlahnya jauh lebih rendah daripada saat membakar bahan yang sama. jumlah gas alam.

Proses konversi kimia bahan bakar untuk menghasilkan hidrogen disebut reforming, dan perangkat yang sesuai disebut reformer.

Keuntungan dan kerugian sel bahan bakar

Sel bahan bakar lebih hemat energi daripada mesin pembakaran internal karena tidak ada batasan termodinamika pada efisiensi energi untuk sel bahan bakar. Efisiensi sel bahan bakar adalah 50%, sedangkan efisiensi mesin pembakaran internal adalah 12-15%, dan efisiensi pembangkit listrik turbin uap tidak melebihi 40%. Dengan menggunakan panas dan air, efisiensi sel bahan bakar semakin meningkat.

Berbeda dengan, misalnya, mesin pembakaran internal, efisiensi sel bahan bakar tetap sangat tinggi bahkan ketika mereka tidak beroperasi dengan daya penuh. Selain itu, kekuatan sel bahan bakar dapat ditingkatkan hanya dengan menambahkan blok terpisah, sementara efisiensinya tidak berubah, yaitu instalasi besar seefisien yang kecil. Keadaan ini memungkinkan pemilihan komposisi peralatan yang sangat fleksibel sesuai dengan keinginan pelanggan dan pada akhirnya mengarah pada pengurangan biaya peralatan.

Keuntungan penting dari sel bahan bakar adalah keramahan lingkungan mereka. Emisi udara dari sel bahan bakar sangat rendah sehingga di beberapa wilayah Amerika Serikat mereka tidak memerlukan izin khusus dari badan kualitas udara pemerintah.

Sel bahan bakar dapat ditempatkan langsung di dalam gedung, sehingga mengurangi kerugian selama pengangkutan energi, dan panas yang dihasilkan oleh reaksi dapat digunakan untuk memasok panas atau air panas ke gedung. Sumber panas dan catu daya otonom dapat sangat bermanfaat di daerah terpencil dan di daerah yang ditandai dengan kekurangan listrik dan biayanya yang tinggi, tetapi pada saat yang sama ada cadangan bahan baku yang mengandung hidrogen (minyak, gas alam) .

Keunggulan sel bahan bakar juga ketersediaan bahan bakar, keandalan (tidak ada bagian yang bergerak di sel bahan bakar), daya tahan dan kemudahan pengoperasian.

Salah satu kekurangan utama sel bahan bakar saat ini adalah biayanya yang relatif tinggi, tetapi kekurangan ini dapat segera diatasi - semakin banyak perusahaan yang memproduksi sampel sel bahan bakar komersial, terus ditingkatkan, dan biayanya menurun.

Penggunaan hidrogen murni yang paling efisien sebagai bahan bakar, bagaimanapun, akan membutuhkan penciptaan infrastruktur khusus untuk produksi dan transportasinya. Saat ini, semua desain komersial menggunakan gas alam dan bahan bakar serupa. Kendaraan bermotor dapat menggunakan bensin biasa, yang akan memungkinkan pemeliharaan jaringan pompa bensin yang ada. Namun, penggunaan bahan bakar tersebut menyebabkan emisi berbahaya ke atmosfer (walaupun sangat rendah) dan memperumit (dan karenanya meningkatkan biaya) sel bahan bakar. Di masa depan, kemungkinan penggunaan sumber energi terbarukan yang ramah lingkungan (misalnya, energi matahari atau energi angin) sedang dipertimbangkan untuk menguraikan air menjadi hidrogen dan oksigen dengan elektrolisis, dan kemudian mengubah bahan bakar yang dihasilkan dalam sel bahan bakar. Pembangkit gabungan seperti itu yang beroperasi dalam siklus tertutup dapat menjadi sumber energi yang sepenuhnya ramah lingkungan, andal, tahan lama, dan efisien.

Fitur lain dari sel bahan bakar adalah paling efisien saat menggunakan energi listrik dan panas secara bersamaan. Namun, kemungkinan penggunaan energi panas tidak tersedia di setiap fasilitas. Dalam kasus penggunaan sel bahan bakar hanya untuk menghasilkan energi listrik, efisiensinya menurun, meskipun melebihi efisiensi instalasi "tradisional".

Sejarah dan penggunaan modern sel bahan bakar

Prinsip pengoperasian sel bahan bakar ditemukan pada tahun 1839. Ilmuwan Inggris William Robert Grove (1811-1896) menemukan bahwa proses elektrolisis - penguraian air menjadi hidrogen dan oksigen melalui arus listrik - bersifat reversibel, yaitu hidrogen dan oksigen dapat digabungkan menjadi molekul air tanpa terbakar, tetapi dengan pelepasan panas dan arus listrik. Grove menyebut perangkat di mana reaksi semacam itu dilakukan sebagai "baterai gas", yang merupakan sel bahan bakar pertama.

Pengembangan aktif teknologi sel bahan bakar dimulai setelah Perang Dunia Kedua, dan dikaitkan dengan industri kedirgantaraan. Pada saat itu, pencarian dilakukan untuk sumber energi yang efisien dan andal, tetapi pada saat yang sama cukup kompak. Pada tahun 1960-an, spesialis NASA (National Aeronautics and Space Administration, NASA) memilih sel bahan bakar sebagai sumber daya untuk pesawat ruang angkasa Apollo (penerbangan berawak ke Bulan), Apollo-Soyuz, Gemini dan program Skylab. . Apollo menggunakan tiga unit 1,5 kW (daya puncak 2,2 kW) menggunakan hidrogen dan oksigen kriogenik untuk menghasilkan listrik, panas, dan air. Massa setiap instalasi adalah 113 kg. Ketiga sel ini bekerja secara paralel, tetapi energi yang dihasilkan oleh satu unit cukup untuk pengembalian yang aman. Selama 18 penerbangan, sel bahan bakar telah mengumpulkan total 10.000 jam tanpa kegagalan. Saat ini, sel bahan bakar digunakan dalam pesawat ulang-alik "Space Shuttle", yang menggunakan tiga unit dengan daya 12 W, yang menghasilkan semua energi listrik di pesawat ruang angkasa (Gbr. 2). Air yang diperoleh dari reaksi elektrokimia digunakan sebagai air minum, serta untuk peralatan pendingin.

Di negara kita, pekerjaan juga sedang dilakukan untuk membuat sel bahan bakar untuk digunakan dalam astronotika. Misalnya, sel bahan bakar digunakan untuk memberi daya pada pesawat ulang-alik Buran Soviet.

Pengembangan metode untuk penggunaan komersial sel bahan bakar dimulai pada pertengahan 1960-an. Perkembangan ini sebagian didanai oleh organisasi pemerintah.

Saat ini, perkembangan teknologi untuk penggunaan sel bahan bakar berjalan ke beberapa arah. Ini adalah pembuatan pembangkit listrik stasioner pada sel bahan bakar (baik untuk pasokan energi terpusat dan terdesentralisasi), pembangkit listrik kendaraan (contoh mobil dan bus pada sel bahan bakar telah dibuat, termasuk di negara kita) (Gbr. 3), dan juga catu daya untuk berbagai perangkat seluler (laptop, ponsel, dll.) (Gbr. 4).

Contoh penggunaan sel bahan bakar di berbagai bidang diberikan pada Tabel. satu.

Salah satu model komersial pertama sel bahan bakar yang dirancang untuk panas otonom dan catu daya bangunan adalah PC25 Model A yang diproduksi oleh ONSI Corporation (sekarang United Technologies, Inc.). Sel bahan bakar dengan daya nominal 200 kW ini termasuk jenis sel dengan elektrolit berbasis asam fosfat (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Angka "25" pada nama model berarti nomor seri desain. Sebagian besar model sebelumnya adalah eksperimen atau uji coba, seperti model "PC11" 12,5 kW yang muncul pada 1970-an. Model-model baru meningkatkan daya yang diambil dari sel bahan bakar tunggal, dan juga mengurangi biaya per kilowatt energi yang dihasilkan. Saat ini, salah satu model komersial yang paling efisien adalah sel bahan bakar PC25 Model C. Seperti model "A", ini adalah sel bahan bakar tipe PAFC 200 kW otomatis yang dirancang untuk dipasang langsung pada objek yang diservis sebagai sumber panas dan listrik yang independen. Sel bahan bakar semacam itu dapat dipasang di luar gedung. Dari luar, itu adalah paralelepiped panjang 5,5 m, lebar 3 m dan tinggi 3 m, dengan berat 18.140 kg. Perbedaan dari model sebelumnya adalah reformer yang ditingkatkan dan kerapatan arus yang lebih tinggi.

Tabel 1 Lingkup sel bahan bakar

Wilayah aplikasi Dinilai kekuatan Contoh penggunaan Perlengkapan tulis instalasi 5-250 kW dan lebih tinggi Sumber panas dan catu daya otonom untuk bangunan perumahan, publik dan industri, catu daya tak terputus, catu daya cadangan dan darurat portabel instalasi 1–50 kW Rambu jalan, truk berpendingin dan rel kereta api, kursi roda, kereta golf, pesawat ruang angkasa, dan satelit Seluler instalasi 25–150 kW Mobil (prototipe dibuat, misalnya, oleh DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), bus (misalnya MAN, Neoplan, Renault) dan kendaraan lain, kapal perang dan kapal selam Perangkat mikro 1-500W Ponsel, laptop, PDA, berbagai perangkat elektronik konsumen, perangkat militer modern

Dalam beberapa jenis sel bahan bakar, proses kimia dapat dibalik: dengan menerapkan perbedaan potensial pada elektroda, air dapat diuraikan menjadi hidrogen dan oksigen, yang dikumpulkan pada elektroda berpori. Ketika beban terhubung, sel bahan bakar regeneratif seperti itu akan mulai menghasilkan energi listrik.

Arah yang menjanjikan untuk penggunaan sel bahan bakar adalah penggunaannya bersama dengan sumber energi terbarukan, seperti panel fotovoltaik atau turbin angin. Teknologi ini memungkinkan Anda untuk sepenuhnya menghindari polusi udara. Sistem serupa direncanakan akan dibuat, misalnya, di Pusat Pelatihan Adam Joseph Lewis di Oberlin (lihat ABOK, 2002, No. 5, hlm. 10). Saat ini, panel surya digunakan sebagai salah satu sumber energi di gedung ini. Bersama dengan spesialis NASA, sebuah proyek dikembangkan untuk menggunakan panel fotovoltaik untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen dari air dengan elektrolisis. Hidrogen kemudian digunakan dalam sel bahan bakar untuk menghasilkan energi listrik dan air panas. Ini akan memungkinkan bangunan untuk mempertahankan kinerja semua sistem selama hari berawan dan pada malam hari.

Prinsip operasi sel bahan bakar

Mari kita pertimbangkan prinsip pengoperasian sel bahan bakar menggunakan elemen paling sederhana dengan membran penukar proton (Proton Exchange Membrane, PEM) sebagai contoh. Elemen tersebut terdiri dari membran polimer yang ditempatkan di antara anoda (elektroda positif) dan katoda (elektroda negatif) bersama dengan katalis anoda dan katoda. Membran polimer digunakan sebagai elektrolit. Diagram elemen PEM ditunjukkan pada gambar. 5.

Membran penukar proton (PEM) adalah senyawa organik padat tipis (sekitar 2-7 lembar kertas biasa). Membran ini berfungsi sebagai elektrolit: memisahkan materi menjadi ion bermuatan positif dan negatif dengan adanya air.

Proses oksidatif terjadi di anoda, dan proses reduksi terjadi di katoda. Anoda dan katoda pada sel PEM terbuat dari bahan berpori yang merupakan campuran partikel karbon dan platina. Platinum bertindak sebagai katalis yang mendorong reaksi disosiasi. Anoda dan katoda dibuat berpori untuk aliran bebas hidrogen dan oksigen melalui mereka, masing-masing.

Anoda dan katoda ditempatkan di antara dua pelat logam, yang memasok hidrogen dan oksigen ke anoda dan katoda, dan menghilangkan panas dan air, serta energi listrik.

Molekul hidrogen melewati saluran di pelat ke anoda, di mana molekul terurai menjadi atom individu (Gbr. 6).

	Gambar 5 () Diagram skema sel bahan bakar membran pertukaran proton (PEM)
	Gambar 6 () Molekul hidrogen melalui saluran di pelat memasuki anoda, di mana molekul didekomposisi menjadi atom individu
	Gambar 7 () Sebagai hasil dari chemisorption dengan adanya katalis, atom hidrogen diubah menjadi proton
	Angka 8 () Ion hidrogen bermuatan positif berdifusi melalui membran ke katoda, dan aliran elektron diarahkan ke katoda melalui sirkuit listrik eksternal di mana beban terhubung.
	Gambar 9 () Oksigen yang dipasok ke katoda, dengan adanya katalis, masuk ke dalam reaksi kimia dengan ion hidrogen dari membran penukar proton dan elektron dari sirkuit listrik eksternal. Air terbentuk sebagai hasil dari reaksi kimia

Kemudian, sebagai hasil chemisorption dengan adanya katalis, atom hidrogen, masing-masing menyumbangkan satu elektron e - , berubah menjadi ion hidrogen bermuatan positif H +, yaitu proton (Gbr. 7).

Ion hidrogen (proton) bermuatan positif berdifusi melalui membran ke katoda, dan aliran elektron diarahkan ke katoda melalui sirkuit listrik eksternal yang menghubungkan beban (konsumen energi listrik) (Gbr. 8).

Oksigen yang dipasok ke katoda, dengan adanya katalis, masuk ke dalam reaksi kimia dengan ion hidrogen (proton) dari membran penukar proton dan elektron dari sirkuit listrik eksternal (Gbr. 9). Sebagai hasil dari reaksi kimia, air terbentuk.

Reaksi kimia dalam sel bahan bakar jenis lain (misalnya, dengan elektrolit asam, yang merupakan larutan asam fosfat H 3 PO 4) benar-benar identik dengan reaksi kimia dalam sel bahan bakar dengan membran penukar proton.

Dalam sel bahan bakar apa pun, sebagian energi reaksi kimia dilepaskan sebagai panas.

Aliran elektron pada rangkaian luar merupakan arus searah yang digunakan untuk melakukan kerja. Membuka sirkuit eksternal atau menghentikan pergerakan ion hidrogen menghentikan reaksi kimia.

Besarnya energi listrik yang dihasilkan oleh suatu sel bahan bakar tergantung pada jenis sel bahan bakar, dimensi geometrik, temperatur, tekanan gas. Sel bahan bakar terpisah menghasilkan EMF kurang dari 1,16 V. Ukuran sel bahan bakar dapat ditingkatkan, tetapi dalam praktiknya beberapa sel digunakan, dihubungkan dalam baterai (Gbr. 10).

Perangkat sel bahan bakar

Mari kita perhatikan perangkat sel bahan bakar pada contoh model PC25 Model C. Skema sel bahan bakar ditunjukkan pada gambar. sebelas.

Sel bahan bakar "PC25 Model C" terdiri dari tiga bagian utama: prosesor bahan bakar, bagian pembangkit listrik aktual, dan konverter tegangan.

Bagian utama dari sel bahan bakar - bagian pembangkit listrik - adalah tumpukan yang terdiri dari 256 sel bahan bakar individu. Komposisi elektroda sel bahan bakar termasuk katalis platinum. Melalui sel tersebut, dihasilkan arus listrik searah sebesar 1.400 ampere pada tegangan 155 volt. Dimensi baterai sekitar 2,9 m panjang dan 0,9 m lebar dan tinggi.

Karena proses elektrokimia berlangsung pada suhu 177 ° C, perlu untuk memanaskan baterai pada saat start-up dan menghilangkan panas darinya selama operasi. Untuk melakukan ini, sel bahan bakar mencakup sirkuit air terpisah, dan baterai dilengkapi dengan pelat pendingin khusus.

Prosesor bahan bakar memungkinkan Anda mengubah gas alam menjadi hidrogen, yang diperlukan untuk reaksi elektrokimia. Proses ini disebut reformasi. Elemen utama dari prosesor bahan bakar adalah reformer. Dalam reformer, gas alam (atau bahan bakar lain yang mengandung hidrogen) bereaksi dengan uap pada suhu tinggi (900 °C) dan tekanan tinggi dengan adanya katalis nikel. Reaksi kimia berikut terjadi:

CH 4 (metana) + H 2 O 3H 2 + CO

(reaksi endotermik, dengan penyerapan panas);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(reaksi eksotermik, dengan pelepasan panas).

Reaksi keseluruhan dinyatakan dengan persamaan:

CH 4 (metana) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(reaksi endotermik, dengan penyerapan panas).

Untuk menyediakan suhu tinggi yang diperlukan untuk konversi gas alam, sebagian bahan bakar bekas dari tumpukan sel bahan bakar dikirim ke burner yang mempertahankan reformer pada suhu yang diinginkan.

Uap yang dibutuhkan untuk reformasi dihasilkan dari kondensat yang terbentuk selama pengoperasian sel bahan bakar. Dalam hal ini, panas yang dikeluarkan dari tumpukan sel bahan bakar digunakan (Gbr. 12).

Tumpukan sel bahan bakar menghasilkan arus searah intermiten, yang ditandai dengan tegangan rendah dan arus tinggi. Konverter tegangan digunakan untuk mengubahnya menjadi AC standar industri. Selain itu, unit konverter tegangan mencakup berbagai perangkat kontrol dan sirkuit interlock pengaman yang memungkinkan sel bahan bakar dimatikan jika terjadi berbagai kegagalan.

Dalam sel bahan bakar seperti itu, sekitar 40% energi dalam bahan bakar dapat diubah menjadi energi listrik. Kira-kira jumlah yang sama, sekitar 40% dari energi bahan bakar, dapat diubah menjadi, yang kemudian digunakan sebagai sumber panas untuk pemanasan, pasokan air panas dan tujuan serupa. Dengan demikian, efisiensi total pabrik semacam itu bisa mencapai 80%.

Keuntungan penting dari sumber panas dan listrik semacam itu adalah kemungkinan operasi otomatisnya. Untuk pemeliharaan, pemilik fasilitas tempat sel bahan bakar dipasang tidak perlu memelihara personel yang terlatih khusus - pemeliharaan berkala dapat dilakukan oleh karyawan organisasi pengoperasi.

Jenis sel bahan bakar

Saat ini dikenal beberapa jenis sel bahan bakar yang berbeda dalam komposisi elektrolit yang digunakan. Empat jenis berikut yang paling luas (Tabel 2):

1. Sel bahan bakar dengan membran penukar proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Sel bahan bakar berdasarkan asam ortofosfat (fosfat) (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Sel bahan bakar berdasarkan karbonat cair (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Sel bahan bakar oksida padat (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). Saat ini, armada sel bahan bakar terbesar dibangun berdasarkan teknologi PAFC.

Salah satu karakteristik kunci dari berbagai jenis sel bahan bakar adalah suhu operasi. Dalam banyak hal, suhulah yang menentukan ruang lingkup sel bahan bakar. Misalnya, suhu tinggi sangat penting untuk laptop, sehingga sel bahan bakar membran pertukaran proton dengan suhu operasi rendah sedang dikembangkan untuk segmen pasar ini.

Untuk catu daya otonom bangunan, sel bahan bakar dengan kapasitas terpasang tinggi diperlukan, dan pada saat yang sama, dimungkinkan untuk menggunakan energi panas, oleh karena itu, sel bahan bakar jenis lain juga dapat digunakan untuk tujuan ini.

Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton (PEMFC)

Sel bahan bakar ini beroperasi pada suhu operasi yang relatif rendah (60-160°C). Mereka dicirikan oleh kepadatan daya yang tinggi, memungkinkan Anda untuk dengan cepat menyesuaikan daya keluaran, dan dapat dengan cepat dihidupkan. Kerugian dari elemen jenis ini adalah persyaratan kualitas bahan bakar yang tinggi, karena bahan bakar yang terkontaminasi dapat merusak membran. Daya nominal sel bahan bakar jenis ini adalah 1-100 kW.

Sel bahan bakar membran pertukaran proton awalnya dikembangkan oleh General Electric Corporation pada 1960-an untuk NASA. Jenis sel bahan bakar ini menggunakan elektrolit polimer solid state yang disebut Proton Exchange Membrane (PEM). Proton dapat bergerak melalui membran pertukaran proton, tetapi elektron tidak dapat melewatinya, sehingga terjadi perbedaan potensial antara katoda dan anoda. Karena kesederhanaan dan keandalannya, sel bahan bakar tersebut digunakan sebagai sumber daya pada pesawat ruang angkasa berawak Gemini.

Jenis sel bahan bakar ini digunakan sebagai sumber daya untuk berbagai macam perangkat, termasuk prototipe dan prototipe, dari ponsel hingga bus dan sistem tenaga stasioner. Suhu operasi yang rendah memungkinkan sel tersebut digunakan untuk memberi daya pada berbagai jenis perangkat elektronik yang kompleks. Kurang efisien adalah penggunaannya sebagai sumber panas dan catu daya untuk bangunan publik dan industri, di mana sejumlah besar energi panas diperlukan. Pada saat yang sama, elemen-elemen tersebut menjanjikan sebagai sumber listrik otonom untuk bangunan tempat tinggal kecil seperti pondok yang dibangun di daerah dengan iklim panas.

Meja 2 Jenis sel bahan bakar

Tipe barang pekerja suhu, °C keluaran efisiensi listrik energi), % Total Efisiensi, % Sel bahan bakar dengan membran pertukaran proton (PEMFC) 60–160 30–35 50–70 sel bahan bakar berdasarkan ortofosfat (asam fosfat) (PAFC) 150–200 35 70–80 Sel bahan bakar berbasis karbonat cair (MCFC) 600–700 45–50 70–80 Oksida keadaan padat sel bahan bakar (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

Sel Bahan Bakar Asam Fosfat (PAFC)

Pengujian sel bahan bakar jenis ini sudah dilakukan pada awal 1970-an. Kisaran suhu pengoperasian - 150-200 °C. Area aplikasi utama adalah sumber panas otonom dan catu daya daya sedang (sekitar 200 kW).

Elektrolit yang digunakan dalam sel bahan bakar ini adalah larutan asam fosfat. Elektroda terbuat dari kertas yang dilapisi dengan karbon, di mana katalis platinum tersebar.

Efisiensi listrik sel bahan bakar PAFC adalah 37-42%. Namun, karena sel bahan bakar ini beroperasi pada suhu yang cukup tinggi, maka dimungkinkan untuk menggunakan uap yang dihasilkan sebagai hasil operasi. Dalam hal ini, efisiensi keseluruhan bisa mencapai 80%.

Untuk menghasilkan energi, bahan baku yang mengandung hidrogen harus diubah menjadi hidrogen murni melalui proses reformasi. Misalnya, jika bensin digunakan sebagai bahan bakar, maka senyawa belerang harus dihilangkan, karena belerang dapat merusak katalis platina.

Sel bahan bakar PAFC adalah sel bahan bakar komersial pertama yang dibenarkan secara ekonomi. Model yang paling umum adalah sel bahan bakar PC25 200 kW yang diproduksi oleh ONSI Corporation (sekarang United Technologies, Inc.) (Gbr. 13). Misalnya, elemen ini digunakan sebagai sumber panas dan listrik di kantor polisi di Central Park New York atau sebagai sumber energi tambahan untuk Gedung Conde Nast & Four Times Square. Pembangkit terbesar dari jenis ini sedang diuji sebagai pembangkit listrik 11 MW yang berlokasi di Jepang.

Sel bahan bakar berbasis asam fosfat juga digunakan sebagai sumber energi pada kendaraan. Misalnya, pada tahun 1994, H-Power Corp., Universitas Georgetown, dan Departemen Energi AS melengkapi sebuah bus dengan pembangkit listrik 50 kW.

Sel Bahan Bakar Karbonat Cair (MCFC)

Sel bahan bakar jenis ini beroperasi pada suhu yang sangat tinggi - 600-700 °C. Temperatur operasi ini memungkinkan bahan bakar untuk digunakan langsung di dalam sel itu sendiri, tanpa memerlukan reformer terpisah. Proses ini disebut "reformasi internal". Ini memungkinkan untuk menyederhanakan desain sel bahan bakar secara signifikan.

Sel bahan bakar berdasarkan karbonat cair memerlukan waktu start-up yang signifikan dan tidak memungkinkan untuk menyesuaikan daya keluaran dengan cepat, sehingga area aplikasi utamanya adalah sumber panas dan listrik stasioner yang besar. Namun, mereka dibedakan oleh efisiensi konversi bahan bakar yang tinggi - efisiensi listrik 60% dan efisiensi keseluruhan hingga 85%.

Dalam sel bahan bakar jenis ini, elektrolitnya terdiri dari garam kalium karbonat dan litium karbonat yang dipanaskan hingga sekitar 650 °C. Dalam kondisi ini, garam berada dalam keadaan cair, membentuk elektrolit. Di anoda, hidrogen berinteraksi dengan ion CO 3, membentuk air, karbon dioksida dan melepaskan elektron yang dikirim ke sirkuit eksternal, dan di katoda, oksigen berinteraksi dengan karbon dioksida dan elektron dari sirkuit eksternal, sekali lagi membentuk ion CO 3 .

Sampel laboratorium sel bahan bakar jenis ini dibuat pada akhir 1950-an oleh ilmuwan Belanda G. H. J. Broers dan J. A. A. Ketelaar. Pada tahun 1960-an, insinyur Francis T. Bacon, keturunan seorang penulis dan ilmuwan Inggris abad ke-17 yang terkenal, bekerja dengan elemen-elemen ini, itulah sebabnya sel bahan bakar MCFC kadang-kadang disebut sebagai elemen Bacon. Program Apollo, Apollo-Soyuz, dan Scylab NASA hanya menggunakan sel bahan bakar seperti itu sebagai sumber daya (Gbr. 14). Pada tahun yang sama, departemen militer AS menguji beberapa sampel sel bahan bakar MCFC yang diproduksi oleh Texas Instruments, di mana bensin kelas tentara digunakan sebagai bahan bakar. Pada pertengahan 1970-an, Departemen Energi AS memulai penelitian untuk mengembangkan sel bahan bakar karbonat cair stasioner yang cocok untuk aplikasi praktis. Pada 1990-an, sejumlah unit komersial dengan daya hingga 250 kW dioperasikan, seperti di Stasiun Udara Angkatan Laut AS Miramar di California. Pada tahun 1996, FuelCell Energy, Inc. menugaskan pabrik pra-seri 2 MW di Santa Clara, California.

Sel bahan bakar oksida keadaan padat (SOFC)

Sel bahan bakar oksida padat memiliki desain yang sederhana dan beroperasi pada suhu yang sangat tinggi - 700-1000 °C. Suhu tinggi seperti itu memungkinkan penggunaan bahan bakar yang relatif "kotor", tidak dimurnikan. Fitur yang sama seperti pada sel bahan bakar berdasarkan karbonat cair menentukan area aplikasi yang serupa - sumber panas dan listrik stasioner yang besar.

Sel bahan bakar oksida padat secara struktural berbeda dari sel bahan bakar berdasarkan teknologi PAFC dan MCFC. Anoda, katoda dan elektrolit terbuat dari keramik kelas khusus. Paling sering, campuran zirkonium oksida dan kalsium oksida digunakan sebagai elektrolit, tetapi oksida lain dapat digunakan. Elektrolit tersebut membentuk kisi kristal yang kedua sisinya dilapisi dengan bahan elektroda berpori. Secara struktural, elemen-elemen tersebut dibuat dalam bentuk tabung atau papan datar, yang memungkinkan untuk menggunakan teknologi yang banyak digunakan dalam industri elektronik dalam pembuatannya. Akibatnya, sel bahan bakar oksida padat dapat beroperasi pada suhu yang sangat tinggi, membuatnya menguntungkan untuk pembangkit listrik dan termal.

Pada suhu operasi yang tinggi, ion oksigen terbentuk di katoda, yang bermigrasi melalui kisi kristal ke anoda, di mana mereka berinteraksi dengan ion hidrogen, membentuk air dan melepaskan elektron bebas. Dalam hal ini, hidrogen dilepaskan dari gas alam langsung di dalam sel, yaitu tidak perlunya reformer terpisah.

Fondasi teoretis untuk pembuatan sel bahan bakar oksida solid-state diletakkan kembali pada akhir 1930-an, ketika ilmuwan Swiss Bauer (Emil Bauer) dan Preis (H. Preis) bereksperimen dengan zirkonium, itrium, serium, lantanum, dan tungsten, menggunakannya sebagai elektrolit.

Prototipe pertama dari sel bahan bakar tersebut dibuat pada akhir 1950-an oleh sejumlah perusahaan Amerika dan Belanda. Sebagian besar perusahaan ini segera meninggalkan penelitian lebih lanjut karena kesulitan teknologi, tetapi salah satunya, Westinghouse Electric Corp. (sekarang "Siemens Westinghouse Power Corporation"), melanjutkan pekerjaan. Perusahaan saat ini menerima pre-order untuk model komersial sel bahan bakar oksida padat topologi tubular yang diharapkan tahun ini (Gambar 15). Segmen pasar elemen tersebut adalah instalasi stasioner untuk produksi panas dan energi listrik dengan kapasitas 250 kW hingga 5 MW.

Sel bahan bakar tipe SOFC telah menunjukkan keandalan yang sangat tinggi. Misalnya, sel bahan bakar prototipe Siemens Westinghouse telah mencatat 16.600 jam dan terus beroperasi, menjadikannya sel bahan bakar berkelanjutan terpanjang di dunia.

Suhu tinggi, mode operasi tekanan tinggi sel bahan bakar SOFC memungkinkan penciptaan pembangkit hibrida, di mana emisi sel bahan bakar menggerakkan turbin gas yang digunakan untuk menghasilkan listrik. Pabrik hibrida pertama beroperasi di Irvine, California. Daya pengenal pembangkit ini adalah 220 kW, di mana 200 kW dari sel bahan bakar dan 20 kW dari generator mikroturbin.

Tidak ada yang akan terkejut dengan panel surya atau kincir angin, yang menghasilkan listrik di semua wilayah di dunia. Tetapi output dari perangkat ini tidak konstan dan perlu untuk memasang sumber daya cadangan, atau terhubung ke jaringan untuk menerima listrik selama periode ketika fasilitas energi terbarukan tidak menghasilkan listrik. Namun, ada pembangkit yang dikembangkan pada abad ke-19 yang menggunakan bahan bakar "alternatif" untuk menghasilkan listrik, yaitu tidak membakar produk gas atau minyak. Instalasi tersebut adalah sel bahan bakar.

SEJARAH PENCIPTAAN

Fuel cell (FC) atau sel bahan bakar ditemukan pada awal tahun 1838-1839 oleh William Grove (Grow, Grove) ketika ia sedang mempelajari elektrolisis air.

Referensi: Elektrolisis air adalah proses penguraian air di bawah aksi arus listrik menjadi molekul hidrogen dan oksigen.

Memutuskan baterai dari sel elektrolitik, dia terkejut menemukan bahwa elektroda mulai menyerap gas yang dilepaskan dan menghasilkan arus. Penemuan proses elektrokimia "dingin" pembakaran hidrogen telah menjadi peristiwa penting dalam industri energi. Kemudian dia menciptakan akumulator Grove. Perangkat ini memiliki elektroda platinum yang direndam dalam asam nitrat dan elektroda seng dalam seng sulfat. Ini menghasilkan arus 12 amp dan tegangan 8 volt. Tumbuh sendiri disebut konstruksi ini "baterai basah". Dia kemudian menciptakan baterai menggunakan dua elektroda platinum. Salah satu ujung masing-masing elektroda dalam asam sulfat, sedangkan ujung lainnya disegel dalam wadah hidrogen dan oksigen. Ada arus yang stabil di antara elektroda, dan jumlah air di dalam wadah meningkat. Grow mampu menguraikan dan meningkatkan kualitas air di perangkat ini.

"Baterai Tumbuh"

(sumber: Royal Society of National Museum of Natural History)

Istilah "sel bahan bakar" (bahasa Inggris "Fuel Cell") muncul hanya pada tahun 1889 oleh L. Mond dan
Ch. Langer, yang mencoba membuat alat untuk menghasilkan listrik dari udara dan gas batubara.

BAGAIMANA ITU BEKERJA?

Sel bahan bakar adalah perangkat yang relatif sederhana. Ini memiliki dua elektroda: anoda (elektroda negatif) dan katoda (elektroda positif). Reaksi kimia terjadi pada elektroda. Untuk mempercepatnya, permukaan elektroda dilapisi dengan katalis. Sel bahan bakar dilengkapi dengan satu elemen lagi - sebuah membran. Konversi energi kimia bahan bakar langsung menjadi listrik terjadi karena kerja membran. Ini memisahkan dua ruang elemen di mana bahan bakar dan oksidator dipasok. Membran hanya memungkinkan proton, yang diperoleh sebagai hasil pemecahan bahan bakar, untuk lewat dari satu ruang ke ruang lain pada elektroda yang dilapisi dengan katalis (elektron kemudian mengalir melalui sirkuit eksternal). Di ruang kedua, proton bergabung kembali dengan elektron (dan atom oksigen) untuk membentuk air.

Prinsip kerja sel bahan bakar hidrogen

Pada tataran kimia, proses pengubahan energi bahan bakar menjadi energi listrik mirip dengan proses pembakaran (oksidasi) biasa.

Selama pembakaran normal dalam oksigen, bahan bakar organik dioksidasi, dan energi kimia bahan bakar diubah menjadi energi panas. Mari kita lihat apa yang terjadi ketika hidrogen dioksidasi oleh oksigen dalam media elektrolit dan dengan adanya elektroda.

Dengan memasok hidrogen ke elektroda yang terletak di lingkungan basa, reaksi kimia berlangsung:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

Seperti yang Anda lihat, kita mendapatkan elektron, yang, melewati sirkuit eksternal, memasuki elektroda yang berlawanan, tempat oksigen masuk dan di mana reaksi berlangsung:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Dapat dilihat bahwa reaksi yang dihasilkan 2H 2 + O 2 → H 2 O sama seperti pada pembakaran konvensional, namun sel bahan bakar menghasilkan listrik dan panas.

JENIS SEL BAHAN BAKAR

FC diklasifikasikan menurut jenis elektrolit yang digunakan untuk reaksi:

Perlu dicatat bahwa batu bara, karbon monoksida, alkohol, hidrazin, dan zat organik lainnya juga dapat digunakan sebagai bahan bakar dalam sel bahan bakar, dan udara, hidrogen peroksida, klorin, bromin, asam nitrat, dll. dapat digunakan sebagai zat pengoksidasi.

Efisiensi SEL BAHAN BAKAR

Salah satu ciri sel bahan bakar adalah tidak ada batasan keras pada efisiensi seperti mesin panas.

Bantuan: efisiensiSiklus Carnot adalah efisiensi maksimum yang mungkin di antara semua mesin kalor dengan suhu minimum dan maksimum yang sama.

Oleh karena itu, efisiensi sel bahan bakar secara teori bisa lebih tinggi dari 100%. Banyak yang tersenyum dan berpikir, "Mesin gerak abadi telah ditemukan." Tidak, ada baiknya kembali ke kursus kimia sekolah. Sel bahan bakar didasarkan pada konversi energi kimia menjadi energi listrik. Di sinilah keajaiban terjadi. Reaksi kimia tertentu dalam prosesnya dapat menyerap panas dari lingkungan.

Referensi: Reaksi endoterm adalah reaksi kimia yang disertai dengan penyerapan panas. Untuk reaksi endoterm, perubahan entalpi dan energi dalam bernilai positif (Δ H >0, Δ kamu >0), dengan demikian, produk reaksi mengandung lebih banyak energi daripada komponen aslinya.

Contoh dari reaksi tersebut adalah oksidasi hidrogen, yang digunakan di sebagian besar sel bahan bakar. Oleh karena itu, secara teoritis, efisiensinya bisa lebih dari 100%. Tapi hari ini, sel bahan bakar memanas selama operasi dan tidak dapat menyerap panas dari lingkungan.

Referensi: Batasan ini ditentukan oleh hukum kedua termodinamika. Proses pemindahan panas dari benda "dingin" ke benda "panas" tidak mungkin.

Plus, ada kerugian yang terkait dengan proses non-ekuilibrium. Seperti: kerugian ohmik karena konduktivitas spesifik elektrolit dan elektroda, polarisasi aktivasi dan konsentrasi, kerugian difusi. Akibatnya, sebagian energi yang dihasilkan dalam sel bahan bakar diubah menjadi panas. Oleh karena itu, sel bahan bakar bukanlah mesin gerak abadi dan efisiensinya kurang dari 100%. Tetapi efisiensinya lebih besar daripada mesin lain. Hari ini efisiensi sel bahan bakar mencapai 80%.

Referensi: Pada tahun empat puluhan, insinyur Inggris T. Bacon merancang dan membangun baterai sel bahan bakar dengan daya total 6 kW dan efisiensi 80%, beroperasi pada hidrogen dan oksigen murni, tetapi rasio daya terhadap berat baterai berubah menjadi terlalu kecil - sel seperti itu tidak cocok untuk penggunaan praktis dan terlalu mahal (sumber: http://www.powerinfo.ru/).

MASALAH SEL BAHAN BAKAR

Hampir semua sel bahan bakar menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar, jadi pertanyaan logisnya adalah: “Di mana saya bisa mendapatkannya?”

Tampaknya sel bahan bakar ditemukan sebagai hasil elektrolisis, jadi Anda dapat menggunakan hidrogen yang dilepaskan sebagai hasil elektrolisis. Tapi mari kita lihat lebih dekat proses ini.

Menurut hukum Faraday: jumlah zat yang teroksidasi di anoda atau berkurang di katoda sebanding dengan jumlah listrik yang melewati elektrolit. Artinya, untuk mendapatkan lebih banyak hidrogen, Anda perlu mengeluarkan lebih banyak listrik. Metode elektrolisis air yang ada berjalan dengan efisiensi kurang dari satu. Kemudian kami menggunakan hidrogen yang dihasilkan dalam sel bahan bakar, di mana efisiensinya juga kurang dari satu. Oleh karena itu, kita akan menghabiskan lebih banyak energi daripada yang bisa kita hasilkan.

Tentu saja, hidrogen yang berasal dari gas alam juga dapat digunakan. Metode produksi hidrogen ini tetap yang termurah dan paling populer. Saat ini, sekitar 50% hidrogen yang diproduksi di seluruh dunia diperoleh dari gas alam. Tapi ada masalah dengan penyimpanan dan transportasi hidrogen. Hidrogen memiliki densitas rendah ( satu liter hidrogen beratnya 0,0846 gram), oleh karena itu, untuk mengangkutnya jarak jauh, itu harus dikompresi. Dan ini adalah tambahan energi dan biaya tunai. Selain itu, jangan lupakan keselamatan.

Namun, ada juga solusi di sini - bahan bakar hidrokarbon cair dapat digunakan sebagai sumber hidrogen. Misalnya, etil atau metil alkohol. Benar, perangkat tambahan khusus sudah diperlukan di sini - konverter bahan bakar, pada suhu tinggi (untuk metanol akan berada di sekitar 240 ° C) mengubah alkohol menjadi campuran gas H 2 dan CO 2. Tetapi dalam hal ini sudah lebih sulit untuk memikirkan portabilitas - perangkat seperti itu baik untuk digunakan sebagai generator stasioner atau mobil, tetapi untuk peralatan seluler yang ringkas Anda memerlukan sesuatu yang tidak terlalu besar.

Katalisator

Untuk meningkatkan reaksi dalam sel bahan bakar, permukaan anoda biasanya katalis. Sampai saat ini, platinum digunakan sebagai katalis. Oleh karena itu, biaya sel bahan bakar tinggi. Kedua, platinum adalah logam yang relatif langka. Menurut para ahli, dalam produksi industri sel bahan bakar, cadangan platinum yang dieksplorasi akan habis dalam 15-20 tahun. Tetapi para ilmuwan di seluruh dunia sedang mencoba untuk mengganti platinum dengan bahan lain. Omong-omong, beberapa dari mereka mencapai hasil yang baik. Jadi para ilmuwan Cina mengganti platinum dengan kalsium oksida (sumber: www.cheburek.net).

MENGGUNAKAN SEL BAHAN BAKAR

Untuk pertama kalinya, sel bahan bakar dalam teknologi otomotif diuji pada tahun 1959. Traktor Alice-Chambers menggunakan 1008 baterai untuk beroperasi. Bahan bakarnya adalah campuran gas, terutama propana dan oksigen.

Sumber: http://www.planetseed.com/

Dari pertengahan 60-an, pada puncak "perlombaan ruang angkasa", pencipta pesawat ruang angkasa menjadi tertarik pada sel bahan bakar. Karya ribuan ilmuwan dan insinyur memungkinkan untuk mencapai tingkat yang baru, dan pada tahun 1965. Sel bahan bakar diuji di Amerika Serikat pada pesawat ruang angkasa Gemini 5, dan kemudian pada pesawat ruang angkasa Apollo untuk penerbangan ke Bulan dan di bawah program Shuttle. Di Uni Soviet, sel bahan bakar dikembangkan di NPO Kvant, juga untuk digunakan di luar angkasa (sumber: http://www.powerinfo.ru/).

Karena produk akhir dari pembakaran hidrogen dalam sel bahan bakar adalah air, mereka dianggap paling bersih dalam hal dampak lingkungan. Oleh karena itu, sel bahan bakar mulai mendapatkan popularitasnya dengan latar belakang minat umum dalam ekologi.

Saat ini, pabrikan mobil seperti Honda, Ford, Nissan, dan Mercedes-Benz telah menciptakan kendaraan yang ditenagai oleh sel bahan bakar hidrogen.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force didukung oleh hidrogen

Saat menggunakan mobil dengan hidrogen, masalah dengan penyimpanan hidrogen terpecahkan. Pembangunan stasiun pengisian hidrogen akan memungkinkan pengisian bahan bakar di mana saja. Apalagi, mengisi mobil dengan hidrogen lebih cepat daripada mengisi mobil listrik di pom bensin. Namun ketika melaksanakan proyek seperti itu, mereka menghadapi masalah seperti kendaraan listrik. Orang-orang siap untuk "berpindah" ke mobil hidrogen jika ada infrastruktur untuk mereka. Dan pembangunan SPBU akan dimulai jika jumlah konsumen mencukupi. Oleh karena itu, kami kembali dihadapkan pada dilema telur dan ayam.

Sel bahan bakar banyak digunakan di ponsel dan laptop. Lewatlah sudah hari-hari ketika telepon diisi seminggu sekali. Sekarang telepon sedang diisi, hampir setiap hari, dan laptop bekerja tanpa jaringan selama 3-4 jam. Oleh karena itu, produsen teknologi seluler memutuskan untuk mensintesis sel bahan bakar dengan ponsel dan laptop untuk mengisi daya dan bekerja. Misalnya, Toshiba pada tahun 2003 mendemonstrasikan prototipe sel bahan bakar metanol yang sudah jadi. Ini memberikan kekuatan sekitar 100mW. Satu isi ulang 2 kubus metanol pekat (99,5%) cukup untuk 20 jam pengoperasian pemutar MP3. Sekali lagi, "Toshiba" yang sama mendemonstrasikan elemen catu daya laptop 275x75x40mm, yang memungkinkan komputer bekerja selama 5 jam dengan sekali pengisian daya.

Tetapi beberapa produsen telah melangkah lebih jauh. PowerTrekk telah merilis pengisi daya dengan nama yang sama. PowerTrekk adalah pengisi daya air pertama di dunia. Sangat mudah untuk menggunakannya. PowerTrekk perlu ditambahkan air untuk memberikan daya instan melalui kabel USB. Sel bahan bakar ini mengandung bubuk silikon dan natrium silisida (NaSi) bila dicampur dengan air, kombinasi ini menghasilkan hidrogen. Hidrogen bercampur dengan udara dalam sel bahan bakar itu sendiri, dan mengubah hidrogen menjadi listrik melalui pertukaran proton membrannya, tanpa kipas atau pompa. Anda dapat membeli pengisi daya portabel seperti itu seharga 149 € (

Sel bahan bakar (generator elektrokimia) adalah metode pembangkit energi yang sangat efisien, tahan lama, andal, dan ramah lingkungan. Awalnya, mereka hanya digunakan di industri luar angkasa, tetapi saat ini generator elektrokimia semakin banyak digunakan di berbagai bidang: ini adalah catu daya untuk ponsel dan laptop, mesin kendaraan, catu daya otonom untuk bangunan, dan pembangkit listrik stasioner. Beberapa perangkat ini berfungsi sebagai prototipe laboratorium, beberapa digunakan untuk tujuan demonstrasi atau sedang menjalani pengujian pra-seri. Namun, banyak model sudah digunakan dalam proyek komersial dan diproduksi secara massal.

Perangkat

Sel bahan bakar adalah perangkat elektrokimia yang mampu memberikan tingkat konversi yang tinggi dari energi kimia yang ada menjadi energi listrik.

Perangkat sel bahan bakar mencakup tiga bagian utama:

1. Bagian Pembangkit Listrik;
2. CPU;
3. Transformator tegangan.

Bagian utama dari sel bahan bakar adalah bagian pembangkit listrik, yang merupakan baterai yang terbuat dari sel bahan bakar individu. Katalis platinum termasuk dalam struktur elektroda sel bahan bakar. Dengan bantuan sel-sel ini, arus listrik searah dibuat.

Salah satu perangkat ini memiliki karakteristik sebagai berikut: pada tegangan 155 volt, 1400 ampere dihasilkan. Dimensi baterai adalah lebar dan tinggi 0,9 m, serta panjang 2,9 m. Proses elektrokimia di dalamnya dilakukan pada suhu 177 ° C, yang membutuhkan pemanasan baterai pada saat start-up, serta penghilangan panas selama operasinya. Untuk tujuan ini, sirkuit air terpisah termasuk dalam komposisi sel bahan bakar, termasuk baterai yang dilengkapi dengan pelat pendingin khusus.

Proses bahan bakar mengubah gas alam menjadi hidrogen, yang diperlukan untuk reaksi elektrokimia. Elemen utama dari prosesor bahan bakar adalah reformer. Di dalamnya, gas alam (atau bahan bakar yang mengandung hidrogen lainnya) berinteraksi pada tekanan tinggi dan suhu tinggi (sekitar 900 ° C) dengan uap air di bawah aksi katalis nikel.

Ada burner untuk menjaga suhu yang dibutuhkan dari reformer. Steam yang dibutuhkan untuk reforming dihasilkan dari kondensat. Arus searah yang tidak stabil dibuat di tumpukan sel bahan bakar, dan konverter tegangan digunakan untuk mengubahnya.

Juga di unit konverter tegangan ada:

• perangkat kontrol.
• Sirkuit interlock keselamatan yang mematikan sel bahan bakar pada berbagai kesalahan.

Prinsip operasi

Elemen paling sederhana dengan membran penukar proton terdiri dari membran polimer yang terletak di antara anoda dan katoda, serta katalis katoda dan anoda. Membran polimer digunakan sebagai elektrolit.

• Membran penukar proton terlihat seperti senyawa organik padat tipis dengan ketebalan kecil. Membran ini berfungsi sebagai elektrolit, dengan adanya air akan memisahkan zat menjadi ion bermuatan negatif maupun positif.
• Oksidasi dimulai di anoda, dan reduksi terjadi di katoda. Katoda dan anoda dalam sel PEM terbuat dari bahan berpori, yaitu campuran partikel platinum dan karbon. Platinum bertindak sebagai katalis, yang mendorong reaksi disosiasi. Katoda dan anoda dibuat berpori sehingga oksigen dan hidrogen dapat dengan bebas melewatinya.
• Anoda dan katoda terletak di antara dua pelat logam, mereka memasok oksigen dan hidrogen ke katoda dan anoda, dan menghilangkan energi listrik, panas dan air.
• Melalui saluran di piring, molekul hidrogen memasuki anoda, di mana molekul didekomposisi menjadi atom.
• Sebagai hasil dari chemisorption, ketika terkena katalis, atom hidrogen diubah menjadi ion hidrogen bermuatan positif H +, yaitu proton.
• Proton berdifusi ke katoda melalui membran, dan aliran elektron menuju katoda melalui sirkuit listrik eksternal khusus. Sebuah beban terhubung dengannya, yaitu, konsumen energi listrik.
• Oksigen yang dipasok ke katoda, ketika terpapar, masuk ke dalam reaksi kimia dengan elektron dari sirkuit listrik eksternal dan ion hidrogen dari membran penukar proton. Hasil dari reaksi kimia ini adalah air.

Reaksi kimia yang terjadi pada sel bahan bakar jenis lain (misalnya, dengan elektrolit asam dalam bentuk asam ortofosfat H3PO4) sepenuhnya identik dengan reaksi perangkat dengan membran penukar proton.

jenis

Saat ini, beberapa jenis sel bahan bakar diketahui, yang berbeda dalam komposisi elektrolit yang digunakan:

• Sel bahan bakar berdasarkan ortofosfat atau asam fosfat (PAFC, Sel Bahan Bakar Asam Fosfat).
• Perangkat dengan membran pertukaran proton (PEMFC, Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton).
• Sel bahan bakar oksida padat (SOFC, Sel Bahan Bakar Oksida Padat).
• Generator elektrokimia berdasarkan karbonat cair (MCFC, Sel Bahan Bakar Karbonat Molten).

Saat ini pembangkit listrik elektrokimia yang menggunakan teknologi PAFC semakin marak.

Aplikasi

Saat ini, sel bahan bakar digunakan di Space Shuttle, kendaraan luar angkasa yang dapat digunakan kembali. Mereka menggunakan unit 12W. Mereka menghasilkan semua listrik di pesawat ruang angkasa. Air, yang terbentuk selama reaksi elektrokimia, digunakan untuk minum, termasuk untuk peralatan pendingin.

Generator elektrokimia juga digunakan untuk memberi daya pada Buran Soviet, sebuah kapal yang dapat digunakan kembali.

Sel bahan bakar juga digunakan di sektor sipil.

• Instalasi stasioner dengan kapasitas 5–250 kW ke atas. Mereka digunakan sebagai sumber otonom untuk panas dan catu daya bangunan industri, publik dan perumahan, catu daya darurat dan cadangan, catu daya tak terputus.
• Unit portabel dengan daya 1–50 kW. Mereka digunakan untuk satelit luar angkasa dan kapal. Instans dibuat untuk kereta golf, kursi roda, kereta api dan lemari es kargo, rambu jalan.
• Unit bergerak dengan kapasitas 25–150 kW. Mereka mulai digunakan di kapal perang dan kapal selam, termasuk mobil dan kendaraan lain. Prototipe telah dibuat oleh raksasa otomotif seperti Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford, dan lainnya.
• Perangkat mikro dengan daya 1–500 W. Mereka menemukan aplikasi di komputer genggam canggih, laptop, perangkat elektronik konsumen, ponsel, perangkat militer modern.

Keunikan

• Sebagian energi reaksi kimia di setiap sel bahan bakar dilepaskan sebagai panas. Pendinginan diperlukan. Di sirkuit eksternal, aliran elektron menciptakan arus searah yang digunakan untuk melakukan pekerjaan. Penghentian pergerakan ion hidrogen atau pembukaan sirkuit eksternal mengarah pada penghentian reaksi kimia.
• Jumlah listrik yang dihasilkan sel bahan bakar ditentukan oleh tekanan gas, suhu, dimensi geometris, dan jenis sel bahan bakar. Untuk meningkatkan jumlah listrik yang dihasilkan oleh reaksi, dimungkinkan untuk membuat ukuran sel bahan bakar lebih besar, tetapi dalam praktiknya, beberapa elemen digunakan, yang digabungkan menjadi baterai.
• Proses kimia pada beberapa jenis sel bahan bakar dapat dibalik. Artinya, ketika perbedaan potensial diterapkan pada elektroda, air dapat diuraikan menjadi oksigen dan hidrogen, yang akan dikumpulkan pada elektroda berpori. Dengan masuknya beban, sel bahan bakar seperti itu akan menghasilkan energi listrik.

prospek

Saat ini generator elektrokimia untuk digunakan sebagai sumber energi utama membutuhkan biaya awal yang besar. Dengan pengenalan membran yang lebih stabil dengan konduktivitas tinggi, katalis yang efisien dan murah, sumber alternatif hidrogen, sel bahan bakar akan menjadi sangat menarik secara ekonomi dan akan diperkenalkan di mana-mana.

• Mobil akan berjalan pada sel bahan bakar, mereka tidak akan memiliki mesin pembakaran internal sama sekali. Air atau hidrogen solid-state akan digunakan sebagai sumber energi. Pengisian bahan bakar akan mudah dan aman, dan mengemudi akan ramah lingkungan – hanya uap air yang akan dihasilkan.
• Semua bangunan akan memiliki generator listrik sel bahan bakar portabel mereka sendiri.
• Generator elektrokimia akan menggantikan semua baterai dan akan ada di semua peralatan elektronik dan rumah tangga.

Keuntungan dan kerugian

Setiap jenis sel bahan bakar memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing. Beberapa membutuhkan bahan bakar berkualitas tinggi, yang lain memiliki desain yang kompleks dan membutuhkan suhu operasi yang tinggi.

Secara umum, keunggulan sel bahan bakar berikut dapat ditunjukkan:

• keamanan bagi lingkungan;
• generator elektrokimia tidak perlu diisi ulang;
• generator elektrokimia dapat menghasilkan energi secara konstan, mereka tidak peduli dengan kondisi eksternal;
• fleksibilitas dalam hal skala dan portabilitas.

Di antara kekurangannya adalah:

• kesulitan teknis dengan penyimpanan dan transportasi bahan bakar;
• elemen perangkat yang tidak sempurna: katalis, membran, dan sebagainya.

sel bahan bakar ( sel bahan bakar) adalah alat yang mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Prinsipnya mirip dengan baterai konvensional, tetapi berbeda karena pengoperasiannya membutuhkan pasokan zat yang konstan dari luar agar reaksi elektrokimia dapat terjadi. Hidrogen dan oksigen dipasok ke sel bahan bakar, dan outputnya adalah listrik, air, dan panas. Keuntungan mereka termasuk keramahan lingkungan, keandalan, daya tahan dan kemudahan pengoperasian. Tidak seperti baterai konvensional, konverter elektrokimia dapat beroperasi hampir tanpa batas selama bahan bakar tersedia. Mereka tidak perlu diisi selama berjam-jam sampai terisi penuh. Selain itu, sel itu sendiri dapat mengisi baterai saat mobil diparkir dengan mesin mati.

Sel bahan bakar membran proton (PEMFC) dan sel bahan bakar oksida padat (SOFC) adalah yang paling banyak digunakan dalam kendaraan hidrogen.

Sebuah sel bahan bakar dengan membran penukar proton beroperasi sebagai berikut. Antara anoda dan katoda terdapat membran khusus dan katalis berlapis platina. Hidrogen memasuki anoda, dan oksigen memasuki katoda (misalnya, dari udara). Di anoda, hidrogen didekomposisi menjadi proton dan elektron dengan bantuan katalis. Proton hidrogen melewati membran dan memasuki katoda, sementara elektron dilepaskan ke sirkuit eksternal (membran tidak membiarkannya lewat). Perbedaan potensial yang diperoleh mengarah pada munculnya arus listrik. Di sisi katoda, proton hidrogen dioksidasi oleh oksigen. Akibatnya, dihasilkan uap air yang merupakan unsur utama gas buang mobil. Memiliki efisiensi tinggi, sel PEM memiliki satu kelemahan signifikan - mereka membutuhkan hidrogen murni untuk operasinya, yang penyimpanannya merupakan masalah yang agak serius.

Jika katalis semacam itu ditemukan yang akan menggantikan platinum mahal dalam sel-sel ini, maka sel bahan bakar murah akan segera dibuat untuk menghasilkan listrik, yang berarti dunia akan terbebas dari ketergantungan minyak.

Sel oksida padat

Sel SOFC oksida padat tidak terlalu menuntut kemurnian bahan bakar. Selain itu, berkat penggunaan reformer POX (Oksidasi Parsial - oksidasi parsial), sel tersebut dapat menggunakan bensin biasa sebagai bahan bakar. Proses pengubahan bensin langsung menjadi listrik adalah sebagai berikut. Dalam perangkat khusus - pembaharu, pada suhu sekitar 800 ° C, bensin menguap dan terurai menjadi elemen penyusunnya.

Ini melepaskan hidrogen dan karbon dioksida. Selanjutnya, juga di bawah pengaruh suhu dan dengan bantuan SOFC itu sendiri (terdiri dari bahan keramik berpori berdasarkan zirkonium oksida), hidrogen dioksidasi oleh oksigen di udara. Setelah memperoleh hidrogen dari bensin, proses berjalan lebih lanjut sesuai dengan skenario yang dijelaskan di atas, dengan hanya satu perbedaan: sel bahan bakar SOFC, berbeda dengan perangkat yang beroperasi pada hidrogen, kurang sensitif terhadap kotoran asing dalam bahan bakar asli. Jadi kualitas bensin seharusnya tidak mempengaruhi kinerja sel bahan bakar.

Suhu operasi SOFC yang tinggi (650-800 derajat) adalah kelemahan yang signifikan, proses pemanasan memakan waktu sekitar 20 menit. Namun, kelebihan panas tidak menjadi masalah, karena sepenuhnya dihilangkan oleh sisa udara dan gas buang yang dihasilkan oleh reformer dan sel bahan bakar itu sendiri. Hal ini memungkinkan sistem SOFC untuk diintegrasikan ke dalam kendaraan sebagai perangkat yang berdiri sendiri dalam rumah yang diisolasi secara termal.

Struktur modular memungkinkan Anda untuk mencapai tegangan yang diperlukan dengan menghubungkan satu set sel standar secara seri. Dan, mungkin yang paling penting, dari sudut pandang pengenalan perangkat semacam itu, tidak ada elektroda berbasis platinum yang sangat mahal di SOFC. Mahalnya unsur-unsur tersebut menjadi salah satu kendala dalam pengembangan dan diseminasi teknologi PEMFC.

Jenis sel bahan bakar

Saat ini, ada beberapa jenis sel bahan bakar:

• A.F.C.– Sel Bahan Bakar Alkali (sel bahan bakar alkali);
• PAFC– Sel Bahan Bakar Asam Fosfat (sel bahan bakar asam fosfat);
• PEMFC– Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton (sel bahan bakar dengan membran penukar proton);
• DMFC– Sel Bahan Bakar Metanol Langsung (sel bahan bakar dengan dekomposisi metanol langsung);
• MCFC– Sel Bahan Bakar Karbonat Molten (sel bahan bakar karbonat cair);
• SOFC– Sel Bahan Bakar Oksida Padat (solid oxide fuel cell).

Manfaat sel bahan bakar/sel

Sel bahan bakar/sel adalah perangkat yang secara efisien menghasilkan arus searah dan panas dari bahan bakar yang kaya hidrogen melalui reaksi elektrokimia.

Sel bahan bakar mirip dengan baterai yang menghasilkan arus searah melalui reaksi kimia. Sel bahan bakar terdiri dari anoda, katoda, dan elektrolit. Namun, tidak seperti baterai, sel bahan bakar/sel tidak dapat menyimpan energi listrik, tidak melepaskan, dan tidak memerlukan listrik untuk diisi ulang. Sel bahan bakar/sel dapat terus menerus menghasilkan listrik selama mereka memiliki pasokan bahan bakar dan udara.

Tidak seperti pembangkit listrik lainnya seperti mesin pembakaran internal atau turbin yang ditenagai oleh gas, batu bara, minyak, dll., sel bahan bakar tidak membakar bahan bakar. Ini berarti tidak ada rotor bertekanan tinggi yang berisik, tidak ada suara knalpot yang keras, tidak ada getaran. Sel bahan bakar / sel menghasilkan listrik melalui reaksi elektrokimia diam. Fitur lain dari sel bahan bakar / sel adalah bahwa mereka mengubah energi kimia bahan bakar secara langsung menjadi listrik, panas dan air.

Sel bahan bakar sangat efisien dan tidak menghasilkan sejumlah besar gas rumah kaca seperti karbon dioksida, metana, dan dinitrogen oksida. Satu-satunya produk yang dikeluarkan selama operasi adalah air dalam bentuk uap dan sejumlah kecil karbon dioksida, yang tidak dipancarkan sama sekali jika hidrogen murni digunakan sebagai bahan bakar. Sel bahan bakar/sel dirakit menjadi rakitan dan kemudian menjadi modul fungsional individu.

Sejarah perkembangan sel bahan bakar/sel

Pada 1950-an dan 1960-an, salah satu tantangan terbesar untuk sel bahan bakar lahir dari kebutuhan Badan Penerbangan dan Antariksa Nasional (NASA) akan sumber energi untuk misi luar angkasa jangka panjang. Sel / Sel Bahan Bakar Alkaline NASA menggunakan hidrogen dan oksigen sebagai bahan bakar, menggabungkan keduanya dalam reaksi elektrokimia. Outputnya adalah tiga produk sampingan reaksi yang berguna dalam penerbangan luar angkasa - listrik untuk menggerakkan pesawat ruang angkasa, air untuk minum dan sistem pendingin, dan panas untuk menjaga para astronot tetap hangat.

Penemuan sel bahan bakar dimulai pada awal abad ke-19. Bukti pertama dari efek sel bahan bakar diperoleh pada tahun 1838.

Pada akhir 1930-an, pekerjaan dimulai pada sel bahan bakar alkali, dan pada tahun 1939 sebuah sel menggunakan elektroda berlapis nikel bertekanan tinggi telah dibangun. Selama Perang Dunia Kedua, sel bahan bakar/sel untuk kapal selam Angkatan Laut Inggris dikembangkan dan pada tahun 1958 sebuah perakitan bahan bakar yang terdiri dari sel bahan bakar alkalin/sel dengan diameter lebih dari 25 cm diperkenalkan.

Minat meningkat pada 1950-an dan 1960-an dan juga pada 1980-an ketika dunia industri mengalami kekurangan bahan bakar minyak. Selama periode yang sama, negara-negara dunia juga menjadi prihatin dengan masalah polusi udara dan mempertimbangkan cara untuk menghasilkan listrik yang ramah lingkungan. Saat ini, teknologi fuel cell/cell sedang berkembang pesat.

Bagaimana sel bahan bakar / sel bekerja

Sel bahan bakar/sel menghasilkan listrik dan panas melalui reaksi elektrokimia yang sedang berlangsung menggunakan elektrolit, katoda dan anoda.

Anoda dan katoda dipisahkan oleh elektrolit yang menghantarkan proton. Setelah hidrogen memasuki anoda dan oksigen memasuki katoda, reaksi kimia dimulai, yang menghasilkan arus listrik, panas, dan air.

Pada katalis anoda, molekul hidrogen berdisosiasi dan kehilangan elektron. Ion hidrogen (proton) dialirkan melalui elektrolit ke katoda, sedangkan elektron dilewatkan melalui elektrolit dan melalui rangkaian listrik eksternal, menciptakan arus searah yang dapat digunakan untuk menyalakan peralatan. Pada katalis katoda, molekul oksigen bergabung dengan elektron (yang disuplai dari komunikasi eksternal) dan proton yang masuk, dan membentuk air, yang merupakan satu-satunya produk reaksi (dalam bentuk uap dan / atau cairan).

Di bawah ini adalah reaksi yang sesuai:

Reaksi anoda: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reaksi di katoda: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Reaksi unsur umum: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Jenis dan variasi sel bahan bakar/sel

Mirip dengan keberadaan berbagai jenis mesin pembakaran internal, ada berbagai jenis sel bahan bakar - pilihan jenis sel bahan bakar yang sesuai tergantung pada aplikasinya.

Sel bahan bakar dibagi menjadi suhu tinggi dan suhu rendah. Sel bahan bakar suhu rendah membutuhkan hidrogen yang relatif murni sebagai bahan bakar. Ini sering berarti bahwa pemrosesan bahan bakar diperlukan untuk mengubah bahan bakar utama (seperti gas alam) menjadi hidrogen murni. Proses ini memakan energi tambahan dan membutuhkan peralatan khusus. Sel bahan bakar suhu tinggi tidak memerlukan prosedur tambahan ini, karena mereka dapat "mengubah secara internal" bahan bakar pada suhu tinggi, yang berarti tidak perlu berinvestasi dalam infrastruktur hidrogen.

Sel bahan bakar/sel pada karbonat cair (MCFC)

Sel bahan bakar elektrolit karbonat cair adalah sel bahan bakar suhu tinggi. Temperatur operasi yang tinggi memungkinkan penggunaan langsung gas alam tanpa prosesor bahan bakar dan bahan bakar gas dengan nilai kalori rendah dari bahan bakar proses dan sumber lainnya.

Pengoperasian RCFC berbeda dengan sel bahan bakar lainnya. Sel-sel ini menggunakan elektrolit dari campuran garam karbonat cair. Saat ini, dua jenis campuran digunakan: litium karbonat dan kalium karbonat atau litium karbonat dan natrium karbonat. Untuk melelehkan garam karbonat dan mencapai tingkat mobilitas ion yang tinggi dalam elektrolit, sel bahan bakar dengan elektrolit cair karbonat beroperasi pada suhu tinggi (650 °C). Efisiensi bervariasi antara 60-80%.

Ketika dipanaskan sampai suhu 650 °C, garam menjadi konduktor untuk ion karbonat (CO 3 2-). Ion-ion ini berpindah dari katoda ke anoda di mana mereka bergabung dengan hidrogen untuk membentuk air, karbon dioksida dan elektron bebas. Elektron ini dikirim melalui sirkuit listrik eksternal kembali ke katoda, menghasilkan arus listrik dan panas sebagai produk sampingan.

Reaksi anoda: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reaksi di katoda: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Reaksi unsur umum: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katoda) => H 2 O (g) + CO 2 (anoda)

Temperatur operasi yang tinggi dari sel bahan bakar elektrolit cair karbonat memiliki keuntungan tertentu. Pada suhu tinggi, gas alam direformasi secara internal, menghilangkan kebutuhan akan prosesor bahan bakar. Selain itu, kelebihannya antara lain kemampuan untuk menggunakan bahan standar konstruksi, seperti lembaran baja tahan karat dan katalis nikel pada elektroda. Limbah panas dapat digunakan untuk menghasilkan uap bertekanan tinggi untuk berbagai keperluan industri dan komersial.

Temperatur reaksi yang tinggi dalam elektrolit juga memiliki kelebihan. Penggunaan suhu tinggi membutuhkan waktu lama untuk mencapai kondisi operasi yang optimal, dan sistem bereaksi lebih lambat terhadap perubahan konsumsi energi. Karakteristik ini memungkinkan penggunaan sistem sel bahan bakar dengan elektrolit karbonat cair dalam kondisi daya konstan. Suhu tinggi mencegah kerusakan sel bahan bakar oleh karbon monoksida.

Sel bahan bakar karbonat cair cocok untuk digunakan dalam instalasi stasioner besar. Pembangkit listrik termal dengan output daya listrik 3,0 MW diproduksi secara industri. Pembangkit dengan daya keluaran hingga 110 MW sedang dikembangkan.

Sel bahan bakar/sel berbasis asam fosfat (PFC)

Sel bahan bakar berdasarkan asam fosfat (ortofosfat) adalah sel bahan bakar pertama untuk penggunaan komersial.

Fuel cell berbasis asam fosfat (ortofosfat) menggunakan elektrolit berbasis asam ortofosfat (H 3 PO 4) dengan konsentrasi hingga 100%. Konduktivitas ionik asam fosfat rendah pada suhu rendah, oleh karena itu sel bahan bakar ini digunakan pada suhu hingga 150-220 °C.

Pembawa muatan dalam sel bahan bakar jenis ini adalah hidrogen (H+, proton). Proses serupa terjadi pada sel bahan bakar membran pertukaran proton, di mana hidrogen yang dipasok ke anoda dipecah menjadi proton dan elektron. Proton melewati elektrolit dan bergabung dengan oksigen dari udara di katoda untuk membentuk air. Elektron diarahkan sepanjang sirkuit listrik eksternal, dan arus listrik dihasilkan. Di bawah ini adalah reaksi yang menghasilkan listrik dan panas.

Reaksi di anoda: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reaksi di katoda: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H 2 O
Reaksi unsur umum: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Efisiensi sel bahan bakar berbasis asam fosfat (ortofosfat) lebih dari 40% saat menghasilkan energi listrik. Dalam produksi gabungan panas dan listrik, efisiensi keseluruhan adalah sekitar 85%. Selain itu, dengan suhu operasi tertentu, panas buangan dapat digunakan untuk memanaskan air dan menghasilkan uap pada tekanan atmosfer.

Kinerja tinggi pembangkit listrik termal pada sel bahan bakar berbasis asam fosfat (ortofosfat) dalam produksi gabungan panas dan listrik adalah salah satu keunggulan sel bahan bakar jenis ini. Pabrik menggunakan karbon monoksida pada konsentrasi sekitar 1,5%, yang sangat memperluas pilihan bahan bakar. Selain itu, CO 2 tidak mempengaruhi elektrolit dan pengoperasian sel bahan bakar, sel jenis ini bekerja dengan bahan bakar alami yang direformasi. Konstruksi sederhana, volatilitas elektrolit yang rendah dan peningkatan stabilitas juga merupakan keuntungan dari jenis sel bahan bakar ini.

Pembangkit listrik termal dengan output daya listrik hingga 500 kW diproduksi secara industri. Instalasi untuk 11 MW telah lulus tes yang relevan. Pembangkit dengan daya keluaran hingga 100 MW sedang dikembangkan.

Sel/sel bahan bakar oksida padat (SOFC)

Sel bahan bakar oksida padat adalah sel bahan bakar dengan suhu operasi tertinggi. Temperatur pengoperasian dapat bervariasi dari 600 °C hingga 1000 °C, yang memungkinkan penggunaan berbagai jenis bahan bakar tanpa perlakuan awal khusus. Untuk menangani suhu tinggi ini, elektrolit yang digunakan adalah oksida logam padat berbahan dasar keramik tipis, seringkali merupakan paduan yttrium dan zirkonium, yang merupakan konduktor ion oksigen (O 2-).

Elektrolit padat menyediakan transisi gas kedap udara dari satu elektroda ke elektroda lainnya, sedangkan elektrolit cair terletak di substrat berpori. Pembawa muatan dalam sel bahan bakar jenis ini adalah ion oksigen (O 2-). Di katoda, molekul oksigen dipisahkan dari udara menjadi ion oksigen dan empat elektron. Ion oksigen melewati elektrolit dan bergabung dengan hidrogen untuk membentuk empat elektron bebas. Elektron diarahkan melalui sirkuit listrik eksternal, menghasilkan arus listrik dan membuang panas.

Reaksi di anoda: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reaksi di katoda: O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
Reaksi unsur umum: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Efisiensi energi listrik yang dihasilkan adalah yang tertinggi dari semua sel bahan bakar - sekitar 60-70%. Temperatur pengoperasian yang tinggi memungkinkan gabungan panas dan pembangkit listrik untuk menghasilkan uap bertekanan tinggi. Menggabungkan sel bahan bakar suhu tinggi dengan turbin menciptakan sel bahan bakar hibrida untuk meningkatkan efisiensi pembangkit listrik hingga 75%.

Sel bahan bakar oksida padat beroperasi pada suhu yang sangat tinggi (600 °C-1000 °C), menghasilkan waktu yang lama untuk mencapai kondisi operasi yang optimal, dan sistem lebih lambat untuk merespons perubahan konsumsi daya. Pada suhu operasi tinggi seperti itu, tidak diperlukan konverter untuk memulihkan hidrogen dari bahan bakar, yang memungkinkan pembangkit listrik termal beroperasi dengan bahan bakar yang relatif tidak murni dari gasifikasi batubara atau gas buangan, dan sejenisnya. Selain itu, sel bahan bakar ini sangat baik untuk aplikasi daya tinggi, termasuk pembangkit listrik pusat industri dan besar. Modul yang diproduksi secara industri dengan daya listrik keluaran 100 kW.

Sel bahan bakar/sel dengan oksidasi metanol langsung (DOMTE)

Teknologi penggunaan sel bahan bakar dengan oksidasi langsung metanol sedang mengalami masa pengembangan aktif. Ini telah berhasil memantapkan dirinya di bidang memberi daya pada ponsel, laptop, serta untuk membuat sumber daya portabel. apa tujuan penerapan elemen-elemen ini di masa depan.

Struktur sel bahan bakar dengan oksidasi langsung metanol mirip dengan sel bahan bakar dengan membran penukar proton (MOFEC), yaitu. polimer digunakan sebagai elektrolit, dan ion hidrogen (proton) digunakan sebagai pembawa muatan. Namun, metanol cair (CH 3 OH) dioksidasi dengan adanya air di anoda, melepaskan CO 2 , ion hidrogen dan elektron, yang dipandu melalui sirkuit listrik eksternal, dan arus listrik dihasilkan. Ion hidrogen melewati elektrolit dan bereaksi dengan oksigen dari udara dan elektron dari sirkuit eksternal untuk membentuk air di anoda.

Reaksi di anoda: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reaksi di katoda: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Reaksi unsur umum: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Keuntungan dari sel bahan bakar jenis ini adalah ukurannya yang kecil, karena penggunaan bahan bakar cair, dan tidak adanya kebutuhan untuk menggunakan konverter.

Sel bahan bakar alkali/sel (AFC)

Sel bahan bakar alkali adalah salah satu sel yang paling efisien digunakan untuk menghasilkan listrik, dengan efisiensi pembangkit listrik mencapai hingga 70%.

Sel bahan bakar alkali menggunakan elektrolit, yaitu larutan berair kalium hidroksida, yang terkandung dalam matriks berpori yang distabilkan. Konsentrasi kalium hidroksida dapat bervariasi tergantung pada suhu operasi sel bahan bakar, yang berkisar dari 65 ° C hingga 220 ° C. Pembawa muatan dalam SFC adalah ion hidroksida (OH-) yang bergerak dari katoda ke anoda di mana ia bereaksi dengan hidrogen untuk menghasilkan air dan elektron. Air yang dihasilkan di anoda bergerak kembali ke katoda, sekali lagi menghasilkan ion hidroksida di sana. Sebagai hasil dari rangkaian reaksi yang terjadi di sel bahan bakar, listrik dihasilkan dan, sebagai produk sampingan, panas:

Reaksi di anoda: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reaksi di katoda: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Reaksi umum sistem: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Keuntungan dari SFC adalah bahwa sel bahan bakar ini adalah yang termurah untuk diproduksi, karena katalis yang dibutuhkan pada elektroda dapat berupa zat apa pun yang lebih murah daripada yang digunakan sebagai katalis untuk sel bahan bakar lainnya. SCFC beroperasi pada suhu yang relatif rendah dan merupakan salah satu sel bahan bakar yang paling efisien - karakteristik tersebut masing-masing dapat berkontribusi pada pembangkitan daya yang lebih cepat dan efisiensi bahan bakar yang tinggi.

Salah satu ciri khas SHTE adalah sensitivitasnya yang tinggi terhadap CO 2 , yang dapat terkandung dalam bahan bakar atau udara. CO 2 bereaksi dengan elektrolit, dengan cepat meracuninya, dan sangat mengurangi efisiensi sel bahan bakar. Oleh karena itu, penggunaan SFC terbatas pada ruang tertutup seperti ruang angkasa dan kendaraan bawah air, mereka harus beroperasi pada hidrogen dan oksigen murni. Selain itu, molekul seperti CO, H 2 O dan CH4, yang aman untuk sel bahan bakar lain dan bahkan bahan bakar untuk beberapa sel, merugikan SFC.

Sel/sel bahan bakar elektrolit polimer (PETE)

Dalam kasus sel bahan bakar elektrolit polimer, membran polimer terdiri dari serat polimer dengan daerah air di mana ada konduksi ion air (H 2 O + (proton, red) yang melekat pada molekul air). Molekul air menghadirkan masalah karena pertukaran ion yang lambat. Oleh karena itu, konsentrasi air yang tinggi diperlukan baik dalam bahan bakar maupun pada elektroda buang, yang membatasi suhu operasi hingga 100 °C.

Sel/sel bahan bakar asam padat (SCFC)

Dalam sel bahan bakar asam padat, elektrolit (CsHSO 4 ) tidak mengandung air. Oleh karena itu, suhu operasi adalah 100-300 °C. Rotasi anion SO 4 2-oksi memungkinkan proton (merah) untuk bergerak seperti yang ditunjukkan pada gambar. Biasanya, sel bahan bakar asam padat adalah sandwich di mana lapisan yang sangat tipis dari senyawa asam padat diapit di antara dua elektroda yang dikompresi untuk memastikan kontak yang baik. Ketika dipanaskan, komponen organik menguap, meninggalkan melalui pori-pori di elektroda, mempertahankan kemampuan banyak kontak antara bahan bakar (atau oksigen di ujung sel), elektrolit dan elektroda.

Berbagai modul sel bahan bakar. baterai sel bahan bakar

1. Baterai Sel Bahan Bakar
2. Peralatan suhu tinggi lainnya (pembangkit uap terintegrasi, ruang bakar, pengubah keseimbangan panas)
3. Isolasi tahan panas

modul sel bahan bakar

Analisis komparatif jenis dan varietas sel bahan bakar

Pembangkit listrik dan panas kota hemat energi yang inovatif biasanya dibangun di atas sel bahan bakar oksida padat (SOFC), sel bahan bakar elektrolit polimer (PEFC), sel bahan bakar asam fosfat (PCFC), sel bahan bakar membran pertukaran proton (MPFC) dan sel bahan bakar alkali ( APFC). Mereka biasanya memiliki ciri-ciri sebagai berikut:

Sel bahan bakar oksida padat (SOFC) harus diakui sebagai yang paling cocok, yang:

• beroperasi pada suhu yang lebih tinggi, yang mengurangi kebutuhan akan logam mulia yang mahal (seperti platinum)
• dapat beroperasi pada berbagai jenis bahan bakar hidrokarbon, terutama pada gas alam
• memiliki waktu start-up yang lebih lama dan oleh karena itu lebih cocok untuk operasi jangka panjang
• menunjukkan efisiensi tinggi pembangkit listrik (hingga 70%)
• karena suhu operasi yang tinggi, unit dapat dikombinasikan dengan sistem pemulihan panas, sehingga efisiensi sistem secara keseluruhan hingga 85%
• memiliki emisi mendekati nol, beroperasi tanpa suara, dan memiliki persyaratan pengoperasian yang rendah dibandingkan dengan teknologi pembangkit listrik yang ada

Jenis sel bahan bakar	Suhu kerja	Efisiensi Pembangkit Listrik	Jenis bahan bakar	Area aplikasi
RKTE	550–700 °C	50-70%		Instalasi menengah dan besar
FKTE	100–220 °C	35-40%	hidrogen murni	Instalasi besar
MOPTE	30-100 °C	35-50%	hidrogen murni	Instalasi kecil
SOFC	450–1000 °C	45-70%	Sebagian besar bahan bakar hidrokarbon	Instalasi kecil, menengah dan besar
POMTE	20-90 °C	20-30%	metanol	portabel
SHTE	50–200 °C	40-70%	hidrogen murni	penelitian luar angkasa
PETE	30-100 °C	35-50%	hidrogen murni	Instalasi kecil

Karena pembangkit listrik termal kecil dapat dihubungkan ke jaringan pasokan gas konvensional, sel bahan bakar tidak memerlukan sistem pasokan hidrogen yang terpisah. Saat menggunakan pembangkit listrik termal kecil berdasarkan sel bahan bakar oksida padat, panas yang dihasilkan dapat diintegrasikan ke dalam penukar panas untuk memanaskan air dan ventilasi udara, sehingga meningkatkan efisiensi sistem secara keseluruhan. Teknologi inovatif ini paling cocok untuk pembangkit listrik yang efisien tanpa memerlukan infrastruktur yang mahal dan integrasi instrumen yang rumit.

Aplikasi sel bahan bakar/sel

Penerapan sel bahan bakar/sel dalam sistem telekomunikasi

Dengan penyebaran cepat sistem komunikasi nirkabel di seluruh dunia, dan manfaat sosial dan ekonomi yang berkembang dari teknologi ponsel, kebutuhan akan daya cadangan yang andal dan hemat biaya menjadi sangat penting. Kehilangan jaringan sepanjang tahun karena cuaca buruk, bencana alam atau kapasitas jaringan yang terbatas merupakan tantangan konstan bagi operator jaringan.

Solusi pencadangan daya telekomunikasi tradisional mencakup baterai (sel baterai asam timbal yang diatur katup) untuk daya cadangan jangka pendek dan generator diesel dan propana untuk daya cadangan yang lebih lama. Baterai adalah sumber daya cadangan yang relatif murah selama 1 hingga 2 jam. Namun, baterai tidak cocok untuk periode cadangan yang lebih lama karena mahal perawatannya, menjadi tidak dapat diandalkan setelah digunakan dalam waktu lama, sensitif terhadap suhu, dan berbahaya bagi lingkungan setelah dibuang. Generator diesel dan propana dapat memberikan daya cadangan terus menerus. Namun, generator dapat menjadi tidak dapat diandalkan, memerlukan perawatan ekstensif, dan melepaskan polutan tingkat tinggi dan gas rumah kaca ke atmosfer.

Untuk menghilangkan keterbatasan solusi daya cadangan tradisional, teknologi sel bahan bakar ramah lingkungan yang inovatif telah dikembangkan. Sel bahan bakar dapat diandalkan, senyap, mengandung lebih sedikit bagian yang bergerak daripada generator, memiliki rentang suhu operasi yang lebih luas daripada baterai dari -40 ° C hingga +50 ° C dan, sebagai hasilnya, memberikan tingkat penghematan energi yang sangat tinggi. Selain itu, biaya seumur hidup pembangkit semacam itu lebih rendah daripada generator. Biaya sel bahan bakar yang lebih rendah adalah hasil dari hanya satu kunjungan pemeliharaan per tahun dan produktivitas pabrik yang jauh lebih tinggi. Bagaimanapun, sel bahan bakar adalah solusi teknologi ramah lingkungan dengan dampak lingkungan yang minimal.

Unit sel bahan bakar menyediakan daya cadangan untuk infrastruktur jaringan komunikasi penting untuk komunikasi nirkabel, permanen, dan broadband dalam sistem telekomunikasi, mulai dari 250W hingga 15kW, unit ini menawarkan banyak fitur inovatif yang tak tertandingi:

• KEANDALAN– Beberapa bagian yang bergerak dan tidak ada debit siaga
• HEMAT ENERGI
• KESUNYIAN– tingkat kebisingan rendah
• STABILITAS– rentang pengoperasian dari -40 ° C hingga +50 ° C
• ADAPTASI– instalasi outdoor dan indoor (wadah/wadah pelindung)
• KEKUATAN TINGGI– hingga 15 kW
• KEBUTUHAN PERAWATAN RENDAH– pemeliharaan tahunan minimum
• EKONOMI- total biaya kepemilikan yang menarik
• ENERGI BERSIH– emisi rendah dengan dampak lingkungan minimal

Sistem merasakan tegangan bus DC sepanjang waktu dan dengan lancar menerima beban kritis jika tegangan bus DC turun di bawah setpoint yang ditentukan pengguna. Sistem berjalan dengan hidrogen, yang memasuki tumpukan sel bahan bakar dengan salah satu dari dua cara - baik dari sumber komersial hidrogen, atau dari bahan bakar cair metanol dan air, menggunakan sistem reformer on-board.

Listrik dihasilkan oleh tumpukan sel bahan bakar dalam bentuk arus searah. Daya DC dikirim ke konverter yang mengubah daya DC yang tidak diatur dari tumpukan sel bahan bakar menjadi daya DC yang diatur dan berkualitas tinggi untuk beban yang diperlukan. Instalasi sel bahan bakar dapat menyediakan daya cadangan selama beberapa hari, karena durasinya hanya dibatasi oleh jumlah bahan bakar hidrogen atau metanol/air yang tersedia dalam persediaan.

Sel bahan bakar menawarkan efisiensi energi yang unggul, peningkatan keandalan sistem, kinerja yang lebih dapat diprediksi di berbagai iklim, dan masa pakai yang andal dibandingkan dengan paket baterai asam timbal yang diatur katup standar industri. Biaya siklus hidup juga lebih rendah karena kebutuhan perawatan dan penggantian yang jauh lebih sedikit. Sel bahan bakar menawarkan manfaat lingkungan bagi pengguna akhir karena biaya pembuangan dan risiko kewajiban yang terkait dengan sel asam timbal menjadi perhatian yang berkembang.

Kinerja baterai listrik dapat dipengaruhi secara negatif oleh berbagai faktor seperti tingkat pengisian daya, suhu, siklus, masa pakai, dan variabel lainnya. Energi yang diberikan akan bervariasi tergantung pada faktor-faktor tersebut dan tidak mudah untuk diprediksi. Kinerja sel bahan bakar membran pertukaran proton (PEMFC) relatif tidak terpengaruh oleh faktor-faktor ini dan dapat memberikan daya kritis selama bahan bakar tersedia. Peningkatan prediktabilitas merupakan manfaat penting saat berpindah ke sel bahan bakar untuk aplikasi daya cadangan yang sangat penting.

Sel bahan bakar menghasilkan energi hanya ketika bahan bakar disuplai, seperti generator turbin gas, tetapi tidak memiliki bagian yang bergerak di zona pembangkitan. Oleh karena itu, tidak seperti generator, mereka tidak mengalami keausan yang cepat dan tidak memerlukan perawatan dan pelumasan yang konstan.

Bahan bakar yang digunakan untuk menggerakkan Extended Duration Fuel Converter adalah campuran methanol dan air. Metanol adalah bahan bakar komersial yang tersedia secara luas yang saat ini memiliki banyak kegunaan, termasuk pencuci kaca depan, botol plastik, aditif mesin, dan cat emulsi. Metanol mudah diangkut, larut dengan air, memiliki biodegradabilitas yang baik dan bebas belerang. Ini memiliki titik beku yang rendah (-71°C) dan tidak terurai selama penyimpanan yang lama.

Penerapan sel bahan bakar/sel dalam jaringan komunikasi

Jaringan keamanan memerlukan solusi daya cadangan yang andal yang dapat bertahan selama berjam-jam atau berhari-hari dalam keadaan darurat jika jaringan listrik tidak tersedia.

Dengan sedikit bagian yang bergerak dan tanpa pengurangan daya siaga, teknologi sel bahan bakar yang inovatif menawarkan solusi yang menarik dibandingkan dengan sistem daya cadangan yang tersedia saat ini.

Alasan paling kuat untuk menggunakan teknologi sel bahan bakar dalam jaringan komunikasi adalah peningkatan keandalan dan keamanan secara keseluruhan. Selama peristiwa seperti pemadaman listrik, gempa bumi, badai, dan angin topan, penting agar sistem terus beroperasi dan memiliki catu daya cadangan yang andal untuk jangka waktu yang lama, terlepas dari suhu atau usia sistem daya cadangan.

Kisaran catu daya sel bahan bakar sangat ideal untuk mendukung jaringan komunikasi yang aman. Berkat prinsip desain hemat energi, mereka menyediakan daya cadangan yang ramah lingkungan dan andal dengan durasi yang diperpanjang (hingga beberapa hari) untuk digunakan dalam rentang daya dari 250 W hingga 15 kW.

Penerapan sel bahan bakar/sel dalam jaringan data

Catu daya yang andal untuk jaringan data, seperti jaringan data berkecepatan tinggi dan tulang punggung serat optik, merupakan kunci penting di seluruh dunia. Informasi yang dikirimkan melalui jaringan tersebut berisi data penting untuk institusi seperti bank, maskapai penerbangan, atau pusat kesehatan. Pemadaman listrik di jaringan semacam itu tidak hanya menimbulkan bahaya bagi informasi yang dikirimkan, tetapi juga, sebagai suatu peraturan, menyebabkan kerugian finansial yang signifikan. Instalasi sel bahan bakar yang andal dan inovatif yang menyediakan daya siaga memberikan keandalan yang Anda butuhkan untuk memastikan daya tanpa gangguan.

Unit sel bahan bakar yang beroperasi pada campuran bahan bakar cair metanol dan air menyediakan catu daya cadangan yang andal dengan durasi yang diperpanjang, hingga beberapa hari. Selain itu, unit-unit ini memiliki persyaratan perawatan yang berkurang secara signifikan dibandingkan dengan generator dan baterai, yang hanya membutuhkan satu kunjungan perawatan per tahun.

Karakteristik aplikasi khas untuk penggunaan instalasi sel bahan bakar di jaringan data:

• Aplikasi dengan input daya dari 100 W hingga 15 kW
• Aplikasi dengan persyaratan masa pakai baterai > 4 jam
• Repeater dalam sistem serat optik (hierarki sistem digital sinkron, internet berkecepatan tinggi, voice over IP…)
• Node jaringan transmisi data berkecepatan tinggi
• Node Transmisi WiMAX

Instalasi siaga sel bahan bakar menawarkan banyak keuntungan untuk infrastruktur jaringan data penting dibandingkan baterai tradisional atau generator diesel, memungkinkan peningkatan pemanfaatan di tempat:

1. Teknologi bahan bakar cair memecahkan masalah penyimpanan hidrogen dan menyediakan daya cadangan yang hampir tak terbatas.
2. Karena pengoperasiannya yang tenang, bobotnya yang rendah, ketahanan terhadap suhu ekstrem dan pengoperasian yang hampir bebas getaran, sel bahan bakar dapat dipasang di luar ruangan, di tempat/wadah industri, atau di atas atap.
3. Persiapan di tempat untuk menggunakan sistem ini cepat dan ekonomis, dan biaya pengoperasiannya rendah.
4. Bahan bakar biodegradable dan merupakan solusi ramah lingkungan untuk lingkungan perkotaan.

Penerapan sel bahan bakar/sel dalam sistem keamanan

Sistem keamanan dan komunikasi gedung yang dirancang paling hati-hati hanya dapat diandalkan seperti kekuatan yang menggerakkan mereka. Sementara sebagian besar sistem menyertakan beberapa jenis sistem daya cadangan yang tidak pernah terputus untuk kehilangan daya jangka pendek, mereka tidak menyediakan pemadaman listrik yang lebih lama yang dapat terjadi setelah bencana alam atau serangan teroris. Ini bisa menjadi masalah kritis bagi banyak perusahaan dan instansi pemerintah.

Sistem vital seperti pemantauan CCTV dan sistem kontrol akses (pembaca kartu identitas, perangkat penutup pintu, teknologi identifikasi biometrik, dll.), sistem alarm kebakaran dan pemadam kebakaran otomatis, sistem kontrol lift dan jaringan telekomunikasi, berisiko jika tidak ada sumber alternatif yang andal dari catu daya berkelanjutan.

Genset diesel berisik, sulit ditemukan, dan sangat menyadari masalah keandalan dan perawatannya. Sebaliknya, instalasi cadangan sel bahan bakar tidak berisik, andal, memiliki emisi nol atau sangat rendah, dan mudah dipasang di atap atau di luar gedung. Itu tidak mengeluarkan atau kehilangan daya dalam mode siaga. Ini memastikan pengoperasian sistem kritis yang berkelanjutan, bahkan setelah institusi berhenti beroperasi dan bangunan ditinggalkan oleh orang-orang.

Instalasi sel bahan bakar yang inovatif melindungi investasi mahal dalam aplikasi penting. Mereka menyediakan daya cadangan yang ramah lingkungan, andal, dan tahan lama (hingga beberapa hari) untuk digunakan dalam rentang daya dari 250 W hingga 15 kW, dikombinasikan dengan banyak fitur tak tertandingi dan, terutama, penghematan energi tingkat tinggi.

Unit cadangan daya sel bahan bakar menawarkan banyak keuntungan untuk aplikasi penting seperti keamanan dan sistem manajemen gedung dibandingkan baterai tradisional atau generator diesel. Teknologi bahan bakar cair memecahkan masalah penyimpanan hidrogen dan menyediakan daya cadangan yang hampir tak terbatas.

Penerapan sel bahan bakar / sel dalam pemanas domestik dan pembangkit listrik

Sel bahan bakar oksida padat (SOFC) digunakan untuk membangun pembangkit listrik termal yang andal, hemat energi, dan bebas emisi untuk menghasilkan listrik dan panas dari gas alam yang tersedia secara luas dan bahan bakar terbarukan. Unit inovatif ini digunakan di berbagai pasar, dari pembangkit listrik domestik hingga catu daya hingga daerah terpencil, serta sumber daya tambahan.

Penerapan sel bahan bakar/sel dalam jaringan distribusi

Pembangkit listrik termal kecil dirancang untuk beroperasi dalam jaringan pembangkit listrik terdistribusi yang terdiri dari sejumlah besar genset kecil, bukan satu pembangkit listrik terpusat.

Gambar di bawah menunjukkan hilangnya efisiensi pembangkitan listrik ketika dihasilkan oleh CHP dan ditransmisikan ke rumah-rumah melalui jaringan transmisi tradisional yang saat ini digunakan. Rugi-rugi efisiensi pembangkitan kabupaten meliputi rugi-rugi pembangkit, rugi-rugi transmisi tegangan rendah dan tinggi, dan rugi-rugi distribusi.

Gambar tersebut menunjukkan hasil integrasi pembangkit listrik termal kecil: listrik dihasilkan dengan efisiensi pembangkitan hingga 60% pada titik penggunaan. Selain itu, rumah tangga dapat menggunakan panas yang dihasilkan oleh sel bahan bakar untuk pemanas air dan ruang, yang meningkatkan efisiensi keseluruhan pemrosesan energi bahan bakar dan meningkatkan penghematan energi.

Menggunakan Sel Bahan Bakar untuk Melindungi Lingkungan - Pemanfaatan Associated Petroleum Gas

Salah satu tugas terpenting dalam industri minyak adalah pemanfaatan gas minyak bumi terkait. Metode pemanfaatan gas minyak bumi terkait yang ada memiliki banyak kelemahan, yang utama adalah bahwa mereka tidak layak secara ekonomi. Gas minyak bumi yang terkait menyala, yang menyebabkan kerusakan besar pada lingkungan dan kesehatan manusia.

Pembangkit listrik dan pemanas sel bahan bakar yang inovatif menggunakan gas minyak bumi terkait sebagai bahan bakar membuka jalan menuju solusi radikal dan hemat biaya untuk masalah pemanfaatan gas minyak bumi terkait.

1. Salah satu keuntungan utama dari instalasi sel bahan bakar adalah bahwa mereka dapat beroperasi secara andal dan berkelanjutan pada komposisi variabel terkait bahan bakar gas. Karena reaksi kimia tanpa nyala yang mendasari pengoperasian sel bahan bakar, pengurangan persentase, misalnya, metana hanya menyebabkan pengurangan yang sesuai pada keluaran daya.
2. Fleksibilitas dalam kaitannya dengan beban listrik konsumen, diferensial, lonjakan beban.
3. Untuk pemasangan dan penyambungan pembangkit listrik termal pada sel bahan bakar, pelaksanaannya tidak memerlukan belanja modal, karena Unit mudah dipasang di lokasi yang tidak siap di dekat lapangan, mudah dioperasikan, andal, dan efisien.
4. Otomatisasi tinggi dan remote control modern tidak memerlukan kehadiran personel yang konstan di pabrik.
5. Kesederhanaan dan kesempurnaan teknis desain: tidak adanya bagian yang bergerak, gesekan, sistem pelumasan memberikan manfaat ekonomi yang signifikan dari pengoperasian instalasi sel bahan bakar.
6. Konsumsi air: tidak ada pada suhu sekitar hingga +30 °C dan dapat diabaikan pada suhu yang lebih tinggi.
7. Outlet air: tidak ada.
8. Selain itu, pembangkit listrik termal sel bahan bakar tidak membuat kebisingan, tidak bergetar, tidak memancarkan emisi berbahaya ke atmosfer

Sel bahan bakar hidrogen mengubah energi kimia bahan bakar menjadi listrik, melewati proses pembakaran yang tidak efisien dan kerugian tinggi serta konversi energi panas menjadi energi mekanik. Sel bahan bakar hidrogen adalah elektrokimia perangkat sebagai hasil dari pembakaran bahan bakar "dingin" yang sangat efisien secara langsung menghasilkan listrik. Sel bahan bakar hidrogen-udara membran pertukaran proton (PEMFC) adalah salah satu teknologi sel bahan bakar yang paling menjanjikan.

Delapan tahun lalu enam pompa diesel cair dibuka di Eropa Barat; mereka harus dua ratus sampai akhir. Kami jauh dari ribuan terminal pengisian cepat yang menetas di mana-mana untuk merangsang penyebaran gerakan listrik. Dan di situlah rasa sakitnya. Dan sebaiknya kita umumkan graphene.

Baterai Belum Memiliki Kata Terakhirnya

Ini lebih dari sekadar otonomi, jadi membatasi waktu pengisian daya memperlambat penyebaran mobil listrik. Namun, dia mengingat bulan ini sebuah catatan yang ditujukan kepada pelanggannya bahwa baterai memiliki batasan terbatas pada jenis probe ini pada tegangan yang sangat tinggi. Thomas Brachman akan diberitahu bahwa jaringan distribusi hidrogen masih perlu dibangun. Argumen yang dia usung, mengingat bahwa perkalian terminal pengisian cepat juga sangat mahal, karena penampang kabel tembaga tegangan tinggi yang tinggi. "Lebih mudah dan lebih murah untuk mengangkut hidrogen cair dengan truk dari tangki yang terkubur di dekat lokasi produksi."

Membran polimer penghantar proton memisahkan dua elektroda, anoda dan katoda. Setiap elektroda adalah pelat karbon (matriks) yang dilapisi dengan katalis. Pada katalis anoda, molekul hidrogen berdisosiasi dan menyumbangkan elektron. Kation hidrogen dilakukan melalui membran ke katoda, tetapi elektron dilepaskan ke sirkuit eksternal, karena membran tidak memungkinkan elektron untuk melewatinya.

Hidrogen belum menjadi vektor listrik murni

Adapun biaya baterai itu sendiri, yang merupakan informasi yang sangat sensitif, Thomas Brachmann tidak ragu bahwa itu dapat dikurangi secara signifikan dengan peningkatan efisiensi. "Platinum adalah elemen yang harganya lebih mahal." Sayangnya, hampir semua hidrogen berasal dari sumber energi fosil. Selain itu, dihidrogen hanyalah vektor energi, dan bukan sumber yang selama produksinya, tidak ada bagian yang dapat diabaikan yang dikonsumsi, pencairannya, dan kemudian diubah menjadi listrik.

Pada katalis katoda, molekul oksigen bergabung dengan elektron (yang disuplai dari rangkaian listrik) dan proton yang masuk dan membentuk air, yang merupakan satu-satunya produk reaksi (dalam bentuk uap dan/atau cairan).

Blok membran-elektroda terbuat dari sel bahan bakar hidrogen, yang merupakan elemen pembangkit utama sistem energi.

Mobil masa depan berperilaku seperti yang asli

Keseimbangan baterai sekitar tiga kali lebih tinggi, meskipun kerugian karena pemanasan di driver. Sayangnya, mobil ajaib itu tidak akan menembus jalan kita, kecuali sebagai bagian dari demonstrasi publik. Brachmann, yang mengingat bahwa keheningan alami mobil listrik meningkatkan kesan hidup di dunia yang bising. Melawan segala rintangan, kemudi dan pedal rem memberikan konsistensi alami.

Baterai kecil tetapi kinerja ditingkatkan

Gadget terlihat, layar tengah menyebarkan gambar kamera yang ditempatkan di cermin kanan segera setelah sinyal belok diaktifkan. Sebagian besar pelanggan AS kami tidak lagi membutuhkan, dan ini memungkinkan kami untuk menjaga harga tetap rendah - membenarkan chief engineer, yang menawarkan tarif lebih rendah dari. Ini benar-benar layak berbicara tentang tumpukan sel bahan bakar, karena ada 358 yang bekerja sama. Tangki utama dengan kapasitas 117 liter, ditekan ke dinding belakang bangku, melarang melipatnya, dan yang kedua - 24 liter, disembunyikan di bawah kursi.

Keuntungan sel bahan bakar hidrogen dibandingkan dengan solusi tradisional:

- peningkatan intensitas energi spesifik (500 1000 W*h/kg),

- rentang suhu operasi yang diperpanjang (-40 0 C / +40 0 C),

- tidak adanya tempat termal, kebisingan dan getaran,

- keandalan mulai dingin

- periode penyimpanan energi yang praktis tidak terbatas (kurangnya self-discharge),

Sel bahan bakar dua langkah pertama

Meskipun ukurannya kompak, sel bahan bakar baru ini mengubah dihidrogen menjadi listrik lebih cepat dan lebih baik dari pendahulunya. Ini memberikan elemen tumpukan menjadi oksigen pada tingkat yang sebelumnya dianggap tidak konsisten dengan daya tahannya. Kelebihan air, yang sebelumnya membatasi laju aliran, paling baik dievakuasi. Akibatnya, daya per elemen meningkat setengahnya, dan efisiensinya mencapai 60%.

Ini karena kehadiran baterai lithium-ion 1,7 kWh - yang terletak di bawah kursi depan, yang memungkinkan arus tambahan dikirim selama akselerasi yang kuat. Entah otonomi perkiraan adalah 460 km, yang sangat sesuai dengan apa yang diklaim pabrikan.

- kemampuan untuk mengubah intensitas energi sistem dengan mengubah jumlah kartrid bahan bakar, yang memberikan otonomi yang hampir tidak terbatas,

Kemampuan untuk menyediakan hampir semua intensitas energi yang wajar dari sistem dengan mengubah kapasitas penyimpanan hidrogen,

- konsumsi energi tinggi

- toleransi terhadap pengotor dalam hidrogen,

Tapi seribu bagian memfasilitasi aliran udara dan mengoptimalkan pendinginan. Bahkan lebih dari pendahulunya, kendaraan listrik ini menunjukkan bahwa sel bahan bakar menjadi sorotan. Tantangan besar bagi industri dan para pemimpin kami. Sementara itu, sangat pintar, siapa yang tahu sel bahan bakar atau baterai mana yang akan menang.

Sel bahan bakar adalah perangkat konversi energi elektrokimia yang dapat menghasilkan listrik dalam bentuk arus searah dengan menggabungkan bahan bakar dan oksidator dalam reaksi kimia untuk menghasilkan produk limbah, biasanya bahan bakar oksida.

- umur panjang,

- Keramahan lingkungan dan kebisingan pekerjaan.

Sistem catu daya berdasarkan sel bahan bakar hidrogen untuk UAV:

Pemasangan sel bahan bakar pada Pesawat tidak berawak alih-alih baterai tradisional, ini melipatgandakan durasi penerbangan, berat muatan, memungkinkan untuk meningkatkan keandalan pesawat, memperluas kisaran suhu untuk meluncurkan dan mengoperasikan UAV, menurunkan batas menjadi -40 0С. Dibandingkan dengan mesin pembakaran internal, sistem sel bahan bakar senyap, bebas getaran, beroperasi pada suhu rendah, sulit dideteksi selama penerbangan, tidak menghasilkan emisi berbahaya, dan dapat melakukan tugas secara efisien mulai dari pengawasan video hingga pengiriman muatan.

Setiap sel bahan bakar memiliki dua elektroda, satu positif dan satu negatif, dan reaksi yang menghasilkan listrik berlangsung di elektroda dengan adanya elektrolit yang membawa partikel bermuatan dari elektroda ke elektroda sementara elektron bersirkulasi di kabel luar yang terletak di antara elektroda untuk menciptakan listrik.

Sel bahan bakar dapat menghasilkan listrik secara terus menerus selama aliran bahan bakar dan oksidator yang dibutuhkan tetap terjaga. Beberapa sel bahan bakar hanya menghasilkan beberapa watt sementara yang lain dapat menghasilkan beberapa ratus kilowatt, sementara baterai yang lebih kecil mungkin ditemukan di laptop dan ponsel, tetapi sel bahan bakar terlalu mahal untuk menjadi generator kecil yang digunakan untuk menghasilkan listrik untuk rumah dan bisnis.

Komposisi sistem catu daya untuk UAV:

Dimensi ekonomi sel bahan bakar

Penggunaan hidrogen sebagai sumber bahan bakar memerlukan biaya yang signifikan. Untuk alasan ini, hidrogen sekarang menjadi sumber non-ekonomis, khususnya karena sumber lain yang lebih murah dapat digunakan. Biaya produksi hidrogen dapat bervariasi karena mencerminkan biaya sumber daya dari mana ia diekstraksi.

Sumber Bahan Bakar Baterai

Sel bahan bakar umumnya diklasifikasikan ke dalam kategori berikut: sel bahan bakar hidrogen, sel bahan bakar organik, sel bahan bakar logam, dan baterai redoks. Ketika hidrogen digunakan sebagai sumber bahan bakar, energi kimia diubah menjadi listrik selama proses hidrolisis terbalik untuk hanya menghasilkan air dan panas sebagai limbah. Sel bahan bakar hidrogen sangat rendah, tetapi bisa lebih atau kurang tinggi dalam produksi hidrogen, terutama jika dihasilkan dari bahan bakar fosil.

• - baterai sel bahan bakar,
• - Baterai penyangga Li-Po untuk menutupi beban puncak jangka pendek,
• - elektronik sistem pengaturan ,
• - sistem bahan bakar yang terdiri dari silinder dengan hidrogen terkompresi atau sumber hidrogen padat.

Sistem bahan bakar menggunakan silinder dan reduksi berkekuatan tinggi yang ringan untuk memastikan pasokan hidrogen terkompresi secara maksimal. Diperbolehkan menggunakan berbagai ukuran standar silinder (dari 0,5 hingga 25 liter) dengan reduksi yang menyediakan aliran hidrogen yang diperlukan.

Baterai hidrogen dibagi menjadi dua kategori: baterai suhu rendah dan baterai suhu tinggi, di mana baterai suhu tinggi juga dapat menggunakan bahan bakar fosil secara langsung. Yang terakhir ini terdiri dari hidrokarbon seperti minyak atau bensin, alkohol atau biomassa.

Sumber bahan bakar lain dalam baterai termasuk, tetapi tidak terbatas pada, alkohol, seng, aluminium, magnesium, larutan ionik, dan banyak hidrokarbon. Agen pengoksidasi lainnya termasuk, tetapi tidak terbatas pada, udara, klorin, dan klorin dioksida. Saat ini, ada beberapa jenis sel bahan bakar.

Karakteristik sistem catu daya untuk UAV:

Pengisi daya portabel berdasarkan sel bahan bakar hidrogen:

Pengisi daya portabel berdasarkan sel bahan bakar hidrogen adalah perangkat kompak yang sebanding dalam berat dan dimensi dengan pengisi daya baterai yang ada dan banyak digunakan di dunia.

Teknologi portabel di mana-mana di dunia modern secara teratur perlu diisi ulang. Sistem portabel tradisional praktis tidak berguna pada suhu negatif, dan setelah menjalankan fungsinya, mereka juga memerlukan penggunaan pengisian ulang (jaringan listrik), yang juga mengurangi efisiensi dan otonomi perangkat.

Setiap molekul dihidrogen memiliki 2 elektron. Ion H mengalir dari anoda ke katoda dan menginduksi arus listrik ketika elektron ditransfer. Seperti apa sel bahan bakar untuk pesawat terbang? Hari ini, tes sedang dilakukan pada pesawat untuk mencoba dan menerbangkannya menggunakan baterai hibrida lithium-ion sel bahan bakar. Keuntungan sebenarnya dari sel bahan bakar terletak pada integritas bobotnya yang rendah: lebih ringan, yang membantu mengurangi bobot pesawat dan, oleh karena itu, konsumsi bahan bakar.

Namun untuk saat ini, menerbangkan pesawat sel bahan bakar tidak memungkinkan karena masih memiliki banyak kekurangan. Gambar sel bahan bakar. Apa kerugian dari sel bahan bakar? Pertama-tama, jika hidrogen umum digunakan, penggunaannya dalam jumlah besar akan bermasalah. Memang, itu tersedia tidak hanya di Bumi. Ini ditemukan dalam air yang mengandung oksigen, amonia. Oleh karena itu, perlu dilakukan elektrolisis air untuk memperolehnya, dan cara ini belum banyak digunakan.

Sistem sel bahan bakar hidrogen hanya memerlukan penggantian kartrid bahan bakar kompak, setelah itu perangkat segera siap dioperasikan.

Fitur pengisi daya portabel:

Catu daya tak terputus berdasarkan sel bahan bakar hidrogen:

Sistem catu daya tanpa gangguan berdasarkan sel bahan bakar hidrogen dirancang untuk mengatur catu daya cadangan dan catu daya sementara. Sistem catu daya tak terputus berdasarkan sel bahan bakar hidrogen menawarkan keuntungan signifikan dibandingkan solusi tradisional untuk mengatur catu daya sementara dan cadangan, menggunakan baterai dan generator diesel.

Hidrogen adalah gas dan karena itu sulit untuk ditampung dan diangkut. Risiko lain yang terkait dengan penggunaan hidrogen adalah risiko ledakan karena merupakan gas yang sangat mudah terbakar. apa yang memasok baterai untuk produksinya dalam skala besar membutuhkan sumber energi yang berbeda, apakah itu minyak, gas atau batu bara, atau tenaga nuklir, yang membuat keseimbangan lingkungannya jauh lebih buruk daripada minyak tanah dan membuat tumpukan, platinum, logam, yang bahkan lebih langka dan lebih berharga dari emas.

Sel bahan bakar menyediakan energi dengan mengoksidasi bahan bakar di anoda dan mereduksi oksidator di katoda. Penemuan prinsip sel bahan bakar dan implementasi laboratorium pertama menggunakan asam sulfat sebagai elektrolit dikreditkan ke ahli kimia William Grove.

Karakteristik sistem catu daya tak terputus:

sel bahan bakar adalah perangkat elektrokimia yang mirip dengan sel galvanik, tetapi berbeda dari itu karena zat untuk reaksi elektrokimia diumpankan ke dalamnya dari luar - berbeda dengan jumlah terbatas energi yang disimpan dalam sel galvanik atau baterai.

Memang, sel bahan bakar memiliki beberapa keunggulan: yang menggunakan dihidrogen dan dioksida hanya mengeluarkan uap air: jadi ini adalah teknologi yang bersih. Ada beberapa jenis sel bahan bakar, tergantung pada sifat elektrolit, sifat bahan bakar, oksidasi langsung atau tidak langsung, suhu operasi.

Tabel berikut merangkum karakteristik utama dari berbagai perangkat ini. Beberapa program Eropa mencari polimer lain, seperti turunan polibenzimidazol, yang lebih stabil dan lebih murah. Kekompakan baterai juga merupakan tantangan konstan dengan membran pada urutan 15-50 m, anoda karbon berpori dan pelat bipolar stainless steel. Umur juga dapat ditingkatkan karena, di satu sisi, jejak karbon monoksida pada urutan beberapa bagian per juta dalam hidrogen adalah racun nyata untuk katalis, dan di sisi lain, kontrol air dalam polimer sangat penting.

Beras. satu. Beberapa sel bahan bakar

Sel bahan bakar mengubah energi kimia bahan bakar menjadi listrik, melewati proses pembakaran yang tidak efisien yang terjadi dengan kerugian besar. Sebagai hasil dari reaksi kimia, mereka mengubah hidrogen dan oksigen menjadi listrik. Sebagai hasil dari proses ini, air terbentuk dan sejumlah besar panas dilepaskan. Sel bahan bakar sangat mirip dengan baterai yang dapat diisi dan kemudian digunakan untuk menyimpan energi listrik. Penemu sel bahan bakar adalah William R. Grove, yang menemukannya pada tahun 1839. Dalam sel bahan bakar ini, larutan asam sulfat digunakan sebagai elektrolit, dan hidrogen digunakan sebagai bahan bakar, yang dikombinasikan dengan oksigen dalam media pengoksidasi. Sampai saat ini, sel bahan bakar hanya digunakan di laboratorium dan pesawat ruang angkasa.

Tidak seperti pembangkit listrik lainnya seperti mesin pembakaran internal atau turbin yang ditenagai oleh gas, batu bara, minyak, dll., sel bahan bakar tidak membakar bahan bakar. Ini berarti tidak ada rotor bertekanan tinggi yang berisik, tidak ada suara knalpot yang keras, tidak ada getaran. Sel bahan bakar menghasilkan listrik melalui reaksi elektrokimia senyap. Fitur lain dari sel bahan bakar adalah bahwa mereka mengubah energi kimia bahan bakar secara langsung menjadi listrik, panas dan air.

Sel bahan bakar sangat efisien dan tidak menghasilkan sejumlah besar gas rumah kaca seperti karbon dioksida, metana, dan dinitrogen oksida. Satu-satunya emisi dari operasi sel bahan bakar adalah air dalam bentuk uap dan sejumlah kecil karbon dioksida, yang tidak dipancarkan sama sekali jika hidrogen murni digunakan sebagai bahan bakar. Sel bahan bakar dirakit menjadi rakitan dan kemudian menjadi modul fungsional yang terpisah.

Sel bahan bakar tidak memiliki bagian yang bergerak (setidaknya tidak di dalam sel itu sendiri), dan karena itu mereka tidak mematuhi hukum Carnot. Artinya, mereka akan memiliki efisiensi lebih dari 50% dan sangat efektif pada beban rendah. Dengan demikian, kendaraan sel bahan bakar dapat (dan telah terbukti) lebih hemat bahan bakar daripada kendaraan konvensional dalam kondisi mengemudi di kehidupan nyata.

Sel bahan bakar menghasilkan arus listrik DC yang dapat digunakan untuk menggerakkan motor listrik, perlengkapan penerangan, dan sistem kelistrikan lainnya di dalam kendaraan.

Ada beberapa jenis sel bahan bakar, berbeda dalam proses kimia yang digunakan. Sel bahan bakar biasanya diklasifikasikan menurut jenis elektrolit yang mereka gunakan.

Beberapa jenis sel bahan bakar menjanjikan untuk digunakan di pembangkit listrik, sementara yang lain untuk perangkat portabel atau untuk mengemudi mobil.

1. Sel bahan bakar alkali (AFC)

Sel bahan bakar alkali- Ini adalah salah satu elemen yang dikembangkan pertama kali. Sel bahan bakar alkali (ALFC) adalah salah satu teknologi yang paling banyak dipelajari yang digunakan sejak pertengahan 1960-an oleh NASA dalam program Apollo dan Space Shuttle. Di atas pesawat ruang angkasa ini, sel bahan bakar menghasilkan listrik dan air minum.

Sel bahan bakar alkali adalah salah satu sel yang paling efisien digunakan untuk menghasilkan listrik, dengan efisiensi pembangkit listrik mencapai hingga 70%.

Sel bahan bakar alkali menggunakan elektrolit, yaitu larutan berair kalium hidroksida, yang terkandung dalam matriks berpori yang distabilkan. Konsentrasi kalium hidroksida dapat bervariasi tergantung pada suhu operasi sel bahan bakar, yang berkisar dari 65 ° C hingga 220 ° C. Pembawa muatan dalam SFC adalah ion hidroksida (OH-) yang bergerak dari katoda ke anoda, di mana ia bereaksi dengan hidrogen untuk menghasilkan air dan elektron. Air yang dihasilkan di anoda bergerak kembali ke katoda, sekali lagi menghasilkan ion hidroksida di sana. Sebagai hasil dari rangkaian reaksi yang terjadi di sel bahan bakar, listrik dihasilkan dan, sebagai produk sampingan, panas:

Reaksi anoda: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Reaksi di katoda: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Reaksi umum sistem: 2H2 + O2 => 2H2O

Keuntungan dari SFC adalah bahwa sel bahan bakar ini adalah yang termurah untuk diproduksi, karena katalis yang dibutuhkan pada elektroda dapat berupa zat apa pun yang lebih murah daripada yang digunakan sebagai katalis untuk sel bahan bakar lainnya. Selain itu, SFC beroperasi pada suhu yang relatif rendah dan termasuk yang paling efisien.

Salah satu ciri khas SFC adalah sensitivitasnya yang tinggi terhadap CO2, yang dapat terkandung dalam bahan bakar atau udara. CO2 bereaksi dengan elektrolit, dengan cepat meracuninya, dan sangat mengurangi efisiensi sel bahan bakar. Oleh karena itu, penggunaan SFC terbatas pada ruang tertutup seperti ruang angkasa dan kendaraan bawah air, mereka beroperasi dengan hidrogen dan oksigen murni.

2. Sel bahan bakar lelehan karbonat (MCFC)

Sel bahan bakar dengan elektrolit karbonat cair adalah sel bahan bakar suhu tinggi. Temperatur operasi yang tinggi memungkinkan penggunaan langsung gas alam tanpa prosesor bahan bakar dan bahan bakar gas dengan nilai kalori rendah dari bahan bakar proses dan sumber lainnya. Proses ini dikembangkan pada pertengahan 1960-an. Sejak saat itu, teknologi manufaktur, kinerja, dan keandalan telah ditingkatkan.

Pengoperasian RCFC berbeda dengan sel bahan bakar lainnya. Sel-sel ini menggunakan elektrolit dari campuran garam karbonat cair. Saat ini, dua jenis campuran digunakan: litium karbonat dan kalium karbonat atau litium karbonat dan natrium karbonat. Untuk melelehkan garam karbonat dan mencapai tingkat mobilitas ion yang tinggi dalam elektrolit, sel bahan bakar dengan elektrolit cair karbonat beroperasi pada suhu tinggi (650 °C). Efisiensi bervariasi antara 60-80%.

Ketika dipanaskan sampai suhu 650 °C, garam menjadi konduktor untuk ion karbonat (CO32-). Ion-ion ini bergerak dari katoda ke anoda di mana mereka bergabung dengan hidrogen untuk membentuk air, karbon dioksida dan elektron bebas. Elektron ini dikirim melalui sirkuit listrik eksternal kembali ke katoda, menghasilkan arus listrik dan panas sebagai produk sampingan.

Reaksi anoda: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reaksi di katoda: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Reaksi unsur umum: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katoda) => H2O(g) + CO2(anoda)

Temperatur operasi yang tinggi dari sel bahan bakar elektrolit cair karbonat memiliki keuntungan tertentu. Keunggulannya adalah kemampuan untuk menggunakan bahan standar (stainless steel sheet dan katalis nikel pada elektroda). Limbah panas dapat digunakan untuk menghasilkan uap bertekanan tinggi. Temperatur reaksi yang tinggi dalam elektrolit juga memiliki kelebihan. Penggunaan suhu tinggi membutuhkan waktu lama untuk mencapai kondisi operasi yang optimal, dan sistem bereaksi lebih lambat terhadap perubahan konsumsi energi. Karakteristik ini memungkinkan penggunaan sistem sel bahan bakar dengan elektrolit karbonat cair dalam kondisi daya konstan. Suhu tinggi mencegah kerusakan sel bahan bakar oleh karbon monoksida, "keracunan", dll.

Sel bahan bakar karbonat cair cocok untuk digunakan dalam instalasi stasioner besar. Pembangkit listrik termal dengan daya keluaran 2,8 MW diproduksi secara industri. Pembangkit dengan daya keluaran hingga 100 MW sedang dikembangkan.

3. Sel bahan bakar berbasis asam fosfat (PFC)

Sel bahan bakar berdasarkan asam fosfat (ortofosfat) menjadi sel bahan bakar pertama untuk penggunaan komersial. Proses ini dikembangkan pada pertengahan 60-an abad XX, tes telah dilakukan sejak 70-an abad XX. Akibatnya, stabilitas dan kinerja telah meningkat dan biaya telah berkurang.

Fuel cell berbasis asam fosfat (ortofosfat) menggunakan elektrolit berbasis asam ortofosfat (H3PO4) dengan konsentrasi hingga 100%. Konduktivitas ionik asam fosfat rendah pada suhu rendah, sehingga sel bahan bakar ini digunakan pada suhu hingga 150-220 °C.

Pembawa muatan dalam sel bahan bakar jenis ini adalah hidrogen (H+, proton). Proses serupa terjadi pada sel bahan bakar membran pertukaran proton (MEFC), di mana hidrogen yang dipasok ke anoda dipecah menjadi proton dan elektron. Proton melewati elektrolit dan bergabung dengan oksigen dari udara di katoda untuk membentuk air. Elektron diarahkan sepanjang sirkuit listrik eksternal, dan arus listrik dihasilkan. Di bawah ini adalah reaksi yang menghasilkan listrik dan panas.

Reaksi anoda: 2H2 => 4H+ + 4e

Reaksi di katoda: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Reaksi unsur umum: 2H2 + O2 => 2H2O

Efisiensi sel bahan bakar berbasis asam fosfat (ortofosfat) lebih dari 40% saat menghasilkan energi listrik. Dalam produksi gabungan panas dan listrik, efisiensi keseluruhan adalah sekitar 85%. Selain itu, mengingat suhu operasi, panas buangan dapat digunakan untuk memanaskan air dan menghasilkan uap pada tekanan atmosfer.

Kinerja tinggi pembangkit listrik termal pada sel bahan bakar berbasis asam fosfat (ortofosfat) dalam produksi gabungan panas dan listrik adalah salah satu keunggulan sel bahan bakar jenis ini. Pabrik menggunakan karbon monoksida pada konsentrasi sekitar 1,5%, yang sangat memperluas pilihan bahan bakar. Konstruksi sederhana, volatilitas elektrolit rendah dan peningkatan stabilitas juga merupakan keuntungan dari sel bahan bakar tersebut.

Pembangkit listrik termal dengan daya listrik keluaran hingga 400 kW diproduksi secara industri. Instalasi dengan kapasitas 11 MW telah lulus uji terkait. Pembangkit dengan daya keluaran hingga 100 MW sedang dikembangkan.

4. Sel bahan bakar dengan membran pertukaran proton (MOFEC)

Sel bahan bakar dengan membran penukar proton dianggap sebagai jenis sel bahan bakar terbaik untuk pembangkit tenaga kendaraan, yang dapat menggantikan mesin pembakaran internal bensin dan diesel. Sel bahan bakar ini pertama kali digunakan oleh NASA untuk program Gemini. Instalasi pada MOPFC dengan daya dari 1 W hingga 2 kW dikembangkan dan ditampilkan.

Elektrolit dalam sel bahan bakar ini adalah membran polimer padat (film plastik tipis). Ketika diresapi dengan air, polimer ini melewatkan proton, tetapi tidak menghantarkan elektron.

Bahan bakarnya adalah hidrogen, dan pembawa muatannya adalah ion hidrogen (proton). Di anoda, molekul hidrogen dipisahkan menjadi ion hidrogen (proton) dan elektron. Ion hidrogen melewati elektrolit menuju katoda, sedangkan elektron bergerak mengelilingi lingkaran luar dan menghasilkan energi listrik. Oksigen, yang diambil dari udara, diumpankan ke katoda dan bergabung dengan elektron dan ion hidrogen untuk membentuk air. Reaksi berikut terjadi pada elektroda: Reaksi anoda: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eReaksi katoda: O2 + 2H2O + 4e- => 4OHReaksi sel total: 2H2 + O2 => 2H2O Dibandingkan dengan jenis sel bahan bakar, sel bahan bakar dengan membran penukar proton menghasilkan lebih banyak energi untuk volume atau berat sel bahan bakar tertentu. Fitur ini memungkinkan mereka menjadi kompak dan ringan. Selain itu, suhu pengoperasian kurang dari 100 °C, yang memungkinkan Anda memulai pengoperasian dengan cepat. Karakteristik ini, serta kemampuan untuk mengubah output energi dengan cepat, hanyalah beberapa yang membuat sel bahan bakar ini menjadi kandidat utama untuk digunakan pada kendaraan.

Keuntungan lain adalah bahwa elektrolit adalah padat daripada cair. Lebih mudah untuk menyimpan gas di katoda dan anoda dengan elektrolit padat, sehingga sel bahan bakar seperti itu lebih murah untuk diproduksi. Saat menggunakan elektrolit padat, tidak ada kesulitan seperti orientasi, dan lebih sedikit masalah karena terjadinya korosi, yang meningkatkan daya tahan sel dan komponennya.

5. Sel bahan bakar oksida padat (SOFC)

Sel bahan bakar oksida padat adalah sel bahan bakar dengan suhu operasi tertinggi. Temperatur pengoperasian dapat bervariasi dari 600 °C hingga 1000 °C, yang memungkinkan penggunaan berbagai jenis bahan bakar tanpa perlakuan awal khusus. Untuk menangani suhu tinggi ini, elektrolit yang digunakan adalah oksida logam padat berbasis keramik tipis, seringkali merupakan paduan yttrium dan zirkonium, yang merupakan konduktor ion oksigen (O2-). Teknologi penggunaan sel bahan bakar oksida padat telah berkembang sejak akhir 1950-an dan memiliki dua konfigurasi: planar dan tubular.

Elektrolit padat menyediakan transisi gas kedap udara dari satu elektroda ke elektroda lainnya, sedangkan elektrolit cair terletak di substrat berpori. Pembawa muatan dalam sel bahan bakar jenis ini adalah ion oksigen (О2-). Di katoda, molekul oksigen dipisahkan dari udara menjadi ion oksigen dan empat elektron. Ion oksigen melewati elektrolit dan bergabung dengan hidrogen untuk membentuk empat elektron bebas. Elektron diarahkan melalui sirkuit listrik eksternal, menghasilkan arus listrik dan membuang panas.

Reaksi anoda: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Reaksi di katoda: O2 + 4e- => 2O2-

Reaksi unsur umum: 2H2 + O2 => 2H2O

Efisiensi produksi energi listrik adalah yang tertinggi dari semua sel bahan bakar - sekitar 60%. Selain itu, suhu pengoperasian yang tinggi memungkinkan gabungan panas dan pembangkit listrik untuk menghasilkan uap bertekanan tinggi. Menggabungkan sel bahan bakar suhu tinggi dengan turbin menciptakan sel bahan bakar hibrida untuk meningkatkan efisiensi pembangkit tenaga listrik hingga 70%.

Sel bahan bakar oksida padat beroperasi pada suhu yang sangat tinggi (600 °C-1000 °C), menghasilkan waktu yang signifikan untuk mencapai kondisi operasi yang optimal, dan sistem lebih lambat untuk merespons perubahan konsumsi daya. Pada suhu operasi tinggi seperti itu, tidak diperlukan konverter untuk memulihkan hidrogen dari bahan bakar, yang memungkinkan pembangkit listrik termal beroperasi dengan bahan bakar yang relatif tidak murni dari gasifikasi batubara atau gas buangan, dan sejenisnya. Selain itu, sel bahan bakar ini sangat baik untuk aplikasi daya tinggi, termasuk pembangkit listrik pusat industri dan besar. Modul yang diproduksi secara industri dengan daya listrik keluaran 100 kW.

6. Sel bahan bakar dengan oksidasi metanol langsung (DOMTE)

Sel bahan bakar dengan oksidasi metanol langsung berhasil digunakan di bidang memberi daya pada ponsel, laptop, serta untuk membuat sumber daya portabel, yang merupakan tujuan penggunaan elemen tersebut di masa depan.

Struktur sel bahan bakar dengan oksidasi langsung metanol mirip dengan struktur sel bahan bakar dengan membran penukar proton (MOFEC), yaitu. polimer digunakan sebagai elektrolit, dan ion hidrogen (proton) digunakan sebagai pembawa muatan. Tetapi metanol cair (CH3OH) dioksidasi dengan adanya air di anoda, melepaskan CO2, ion hidrogen dan elektron, yang dikirim melalui sirkuit listrik eksternal, dan arus listrik dihasilkan. Ion hidrogen melewati elektrolit dan bereaksi dengan oksigen dari udara dan elektron dari sirkuit eksternal untuk membentuk air di anoda.

Reaksi anoda: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eReaksi katoda: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Reaksi total unsur: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O 1990-an dan daya spesifik serta efisiensinya dinaikkan sampai 40%.

Elemen-elemen ini diuji dalam kisaran suhu 50-120 °C. Karena suhu pengoperasian yang rendah dan tidak memerlukan konverter, sel bahan bakar ini adalah kandidat terbaik untuk aplikasi di ponsel dan produk konsumen lainnya, serta di mesin mobil. Keuntungan mereka juga dimensi kecil.

7. Sel bahan bakar elektrolit polimer (PETE)

Dalam hal sel bahan bakar elektrolit polimer, membran polimer terdiri dari serat polimer dengan daerah air yang di dalamnya terdapat konduksi ion air H2O+ (proton, red) yang menempel pada molekul air. Molekul air menghadirkan masalah karena pertukaran ion yang lambat. Oleh karena itu, konsentrasi air yang tinggi diperlukan baik dalam bahan bakar maupun pada elektroda buang, yang membatasi suhu operasi hingga 100 °C.

8. Sel bahan bakar asam padat (SCFC)

Dalam sel bahan bakar asam padat, elektrolit (CsHSO4) tidak mengandung air. Oleh karena itu, suhu operasi adalah 100-300 °C. Rotasi ion SO42-oksian memungkinkan proton (merah) bergerak seperti yang ditunjukkan pada gambar. Biasanya, sel bahan bakar asam padat adalah sandwich di mana lapisan yang sangat tipis dari senyawa asam padat diapit di antara dua elektroda yang dikompresi untuk memastikan kontak yang baik. Ketika dipanaskan, komponen organik menguap, meninggalkan melalui pori-pori di elektroda, mempertahankan kemampuan banyak kontak antara bahan bakar (atau oksigen di ujung sel), elektrolit dan elektroda.

9. Perbandingan karakteristik sel bahan bakar yang paling penting

Karakteristik Sel Bahan Bakar

Jenis sel bahan bakar	Suhu kerja	Efisiensi Pembangkit Listrik	Jenis bahan bakar	Cakupan
				Instalasi menengah dan besar
			hidrogen murni	instalasi
			hidrogen murni	Instalasi kecil
			Sebagian besar bahan bakar hidrokarbon	Instalasi kecil, menengah dan besar
				portabel instalasi
			hidrogen murni	Ruang angkasa dieksplorasi
			hidrogen murni	Instalasi kecil

10. Penggunaan sel bahan bakar di mobil

Ekologi pengetahuan. Sains dan teknologi: Elektronik seluler meningkat setiap tahun, menjadi lebih luas dan lebih mudah diakses: PDA, laptop, perangkat seluler dan digital, bingkai foto, dll. Semuanya terus diisi ulang

Sel bahan bakar DIY di rumah

Elektronik seluler meningkat setiap tahun, menjadi lebih luas dan lebih mudah diakses: PDA, laptop, perangkat seluler dan digital, bingkai foto, dll. Semuanya terus diperbarui dengan fitur baru, monitor yang lebih besar, komunikasi nirkabel, prosesor yang lebih kuat, sambil menurun ukuran. . Teknologi tenaga, tidak seperti teknologi semikonduktor, tidak berkembang pesat.

Baterai dan akumulator yang tersedia untuk mendukung pencapaian industri menjadi tidak mencukupi, sehingga masalah sumber alternatif menjadi sangat akut. Sel bahan bakar sejauh ini merupakan arah yang paling menjanjikan. Prinsip operasi mereka ditemukan kembali pada tahun 1839 oleh William Grove, yang menghasilkan listrik dengan mengubah elektrolisis air.

Apa itu sel bahan bakar?

Video: Dokumenter, Sel Bahan Bakar untuk Transportasi: Dulu, Sekarang, Masa Depan

Sel bahan bakar menarik bagi produsen mobil, dan pencipta pesawat ruang angkasa juga tertarik padanya. Pada tahun 1965, mereka bahkan diuji oleh Amerika pada Gemini 5 yang diluncurkan ke luar angkasa, dan kemudian di Apollo. Jutaan dolar diinvestasikan dalam penelitian sel bahan bakar bahkan hari ini, ketika ada masalah yang terkait dengan pencemaran lingkungan, peningkatan emisi gas rumah kaca dari pembakaran bahan bakar fosil, yang cadangannya juga tidak terbatas.

Sebuah sel bahan bakar, sering disebut sebagai generator elektrokimia, beroperasi dengan cara yang dijelaskan di bawah ini.

Menjadi, seperti akumulator dan baterai, sel galvanik, tetapi dengan perbedaan bahwa zat aktif disimpan di dalamnya secara terpisah. Mereka datang ke elektroda saat digunakan. Bahan bakar alami atau zat apa pun yang diperoleh darinya terbakar pada elektroda negatif, yang dapat berupa gas (hidrogen, misalnya, dan karbon monoksida) atau cair, seperti alkohol. Pada elektroda positif, sebagai suatu peraturan, oksigen bereaksi.

Tetapi prinsip tindakan yang tampak sederhana tidak mudah diterjemahkan menjadi kenyataan.

Sel bahan bakar DIY

Sayangnya, kami tidak memiliki foto seperti apa seharusnya elemen bahan bakar ini, kami berharap untuk imajinasi Anda.

Sel bahan bakar berdaya rendah dengan tangan Anda sendiri dapat dibuat bahkan di laboratorium sekolah. Penting untuk menyimpan masker gas lama, beberapa potong kaca plexiglass, alkali dan larutan etil alkohol (lebih sederhana, vodka), yang akan berfungsi sebagai "bahan bakar" untuk sel bahan bakar.

Pertama-tama, Anda memerlukan rumah untuk sel bahan bakar, yang paling baik terbuat dari kaca plexiglass, setidaknya setebal lima milimeter. Partisi internal (lima kompartemen di dalam) dapat dibuat sedikit lebih tipis - 3 cm Untuk menempelkan kaca plexiglass, lem dengan komposisi berikut digunakan: enam gram serpihan kaca plexiglass dilarutkan dalam seratus gram kloroform atau dikloroetana (mereka bekerja di bawah kap ).

Di dinding luar, sekarang perlu mengebor lubang di mana Anda perlu memasukkan tabung kaca pembuangan dengan diameter 5-6 sentimeter melalui sumbat karet.

Semua orang tahu bahwa dalam tabel periodik di sudut kiri bawah ada logam paling aktif, dan metaloid aktivitas tinggi ada di tabel di sudut kanan atas, yaitu. kemampuan mendonorkan elektron meningkat dari atas ke bawah dan dari kanan ke kiri. Unsur-unsur yang dapat, dalam kondisi tertentu, memanifestasikan dirinya sebagai logam atau metaloid berada di tengah meja.

Sekarang, di kompartemen kedua dan keempat, kami menuangkan karbon aktif dari masker gas (antara partisi pertama dan kedua, serta ketiga dan keempat), yang akan bertindak sebagai elektroda. Agar batu bara tidak tumpah melalui lubang, dapat ditempatkan di kain nilon (stoking nilon wanita bisa).

Bahan bakar akan bersirkulasi di ruang pertama, di ruang kelima harus ada pemasok oksigen - udara. Akan ada elektrolit di antara elektroda, dan untuk mencegahnya bocor ke ruang udara, perlu merendamnya dengan larutan parafin dalam bensin (perbandingan 2 gram parafin dengan setengah gelas bensin) sebelum mengisi ruang keempat dengan batu bara untuk elektrolit udara. Pada lapisan batu bara Anda harus meletakkan (sedikit menekan) pelat tembaga, tempat kabel disolder. Melalui mereka, arus akan dialihkan dari elektroda.

Tetap hanya untuk mengisi elemen. Untuk ini, vodka diperlukan, yang harus diencerkan dengan air dalam 1: 1. Kemudian dengan hati-hati tambahkan tiga ratus hingga tiga ratus lima puluh gram kalium kaustik. Untuk elektrolit, 70 gram kalium kaustik dilarutkan dalam 200 gram air.

Sel bahan bakar siap untuk diuji. Sekarang Anda perlu menuangkan bahan bakar secara bersamaan ke ruang pertama, dan elektrolit ke ruang ketiga. Voltmeter yang terpasang pada elektroda harus menunjukkan dari 07 volt hingga 0,9. Untuk memastikan pengoperasian elemen yang berkelanjutan, perlu untuk mengalirkan bahan bakar bekas (tiriskan ke dalam gelas) dan tambahkan bahan bakar baru (melalui tabung karet). Tingkat umpan dikendalikan dengan meremas tabung. Beginilah tampilan pengoperasian sel bahan bakar dalam kondisi laboratorium, yang kekuatannya bisa dimengerti kecil.

Untuk membuat kekuatan lebih besar, para ilmuwan telah mengerjakan masalah ini sejak lama. Sel bahan bakar metanol dan etanol terletak pada baja pengembangan aktif. Tapi, sayangnya, sejauh ini tidak ada cara untuk mempraktikkannya.

Mengapa sel bahan bakar dipilih sebagai sumber daya alternatif

Sel bahan bakar dipilih sebagai sumber daya alternatif, karena produk akhir dari pembakaran hidrogen di dalamnya adalah air. Masalahnya hanya dalam menemukan cara yang murah dan efisien untuk menghasilkan hidrogen. Dana kolosal yang diinvestasikan dalam pengembangan generator hidrogen dan sel bahan bakar pasti akan membuahkan hasil, jadi terobosan teknologi dan penggunaan nyatanya dalam kehidupan sehari-hari hanyalah masalah waktu.

Sudah hari ini, monster industri otomotif: General Motors, Honda, Dreimler Coisler, Ballard, mendemonstrasikan bus dan mobil yang menggunakan sel bahan bakar dengan kekuatan hingga 50 kW. Namun, masalah yang terkait dengan keamanan, keandalan, biaya - belum terselesaikan. Seperti yang sudah disebutkan, tidak seperti sumber daya tradisional - baterai dan baterai, dalam hal ini, pengoksidasi dan bahan bakar dipasok dari luar, dan sel bahan bakar hanya perantara dalam reaksi yang sedang berlangsung untuk membakar bahan bakar dan mengubah energi yang dilepaskan menjadi listrik . "Pembakaran" hanya terjadi jika elemen memberikan arus ke beban, seperti generator listrik diesel, tetapi tanpa generator dan diesel, dan juga tanpa kebisingan, asap, dan panas berlebih. Pada saat yang sama, efisiensinya jauh lebih tinggi, karena tidak ada mekanisme perantara.

Harapan besar ditempatkan pada penggunaan teknologi nano dan bahan nano, yang akan membantu memperkecil sel bahan bakar, sekaligus meningkatkan kekuatannya. Ada laporan bahwa katalis ultra-efisien telah dibuat, serta desain sel bahan bakar yang tidak memiliki membran. Di dalamnya, bersama dengan oksidator, bahan bakar (metana, misalnya) disuplai ke elemen. Solusinya menarik, di mana oksigen terlarut dalam air digunakan sebagai zat pengoksidasi, dan pengotor organik yang terakumulasi dalam air yang tercemar digunakan sebagai bahan bakar. Inilah yang disebut sel biofuel.

Sel bahan bakar, menurut para ahli, dapat memasuki pasar massal di tahun-tahun mendatang. diterbitkan

Bergabunglah dengan kami di

Pemilik paten RU 2379795:

Invensi ini berhubungan dengan sel bahan bakar alkohol kerja langsung menggunakan elektrolit asam padat dan katalis reformasi internal. Hasil teknis dari penemuan ini adalah peningkatan daya spesifik dan tegangan elemen. Menurut penemuan ini, sel bahan bakar meliputi anoda, katoda, elektrolit asam padat, lapisan difusi gas dan katalis pembaru internal. Katalis reformasi internal dapat terdiri dari setiap reformer yang sesuai dan berdekatan dengan anoda. Dalam konfigurasi ini, panas yang dihasilkan dalam reaksi eksotermik pada katalis sel bahan bakar dan pemanasan ohmik elektrolit sel bahan bakar adalah kekuatan pendorong untuk reaksi reformasi bahan bakar endotermik untuk mengubah bahan bakar alkohol menjadi hidrogen. Dimungkinkan untuk menggunakan bahan bakar alkohol apa pun, seperti metanol atau etanol. 5 n. dan 20 z.p. f-ly, 4 sakit.

bidang teknis

Invensi ini berhubungan dengan sel bahan bakar alkohol kerja langsung menggunakan elektrolit asam padat.

keadaan seni

Alkohol baru-baru ini berada di bawah pengawasan ketat sebagai bahan bakar potensial. Alkohol seperti metanol dan etanol sangat diinginkan sebagai bahan bakar karena mereka memiliki energi spesifik lima sampai tujuh kali lipat dari hidrogen terkompresi standar. Misalnya, satu liter metanol secara energi setara dengan 5,2 liter hidrogen yang dikompresi hingga 320 atm. Selain itu, satu liter etanol secara energi setara dengan 7,2 liter hidrogen yang dikompresi hingga 350 atm. Alkohol semacam itu juga diinginkan karena mudah ditangani, disimpan, dan diangkut.

Metanol dan etanol telah menjadi subyek banyak penelitian dalam hal bahan bakar alkohol. Etanol dapat diperoleh dari fermentasi tanaman yang mengandung gula dan pati. Metanol dapat diperoleh dari gasifikasi kayu atau limbah kayu/sereal (jerami). Namun, sintesis metanol lebih efisien. Alkohol ini, antara lain, adalah sumber daya terbarukan dan oleh karena itu diharapkan memainkan peran penting dalam mengurangi emisi gas rumah kaca dan mengurangi ketergantungan pada bahan bakar fosil.

Sel bahan bakar telah diusulkan sebagai perangkat yang mengubah energi kimia alkohol tersebut menjadi energi listrik. Dalam hal ini, sel bahan bakar alkohol kerja langsung dengan membran elektrolit polimer telah menjadi sasaran penelitian intensif. Secara khusus, sel bahan bakar metanol langsung dan sel bahan bakar etanol langsung telah dipelajari. Namun, penelitian tentang sel bahan bakar etanol langsung terbatas karena relatif sulitnya mengoksidasi etanol dibandingkan dengan mengoksidasi metanol.

Terlepas dari upaya penelitian ekstensif ini, kinerja sel bahan bakar alkohol kerja langsung tetap tidak memuaskan, terutama karena keterbatasan kinetik yang dipaksakan oleh katalis elektroda. Sebagai contoh, sel bahan bakar metanol kerja langsung tipikal memiliki kerapatan daya sekitar 50 mW/cm 2 . Tingkat daya spesifik yang lebih tinggi telah diperoleh, seperti 335 mW/cm 2 , tetapi hanya dalam kondisi yang sangat keras (Nafion®, 130 °C, oksigen 5 atm dan metanol 1 M untuk laju aliran 2 cc/menit pada tekanan 1,8 atm). Demikian pula, sel bahan bakar etanol langsung memiliki kerapatan daya 110 mW/cm 2 di bawah kondisi yang sangat keras serupa (Nafion® silika, 140 ° C, anoda 4 atm, oksigen 5,5 atm). Oleh karena itu, ada kebutuhan untuk sel bahan bakar alkohol kerja langsung yang memiliki densitas daya tinggi tanpa adanya kondisi ekstrem seperti itu.

Ringkasan singkat dari penemuan

Invensi ini berhubungan dengan sel bahan bakar alkohol yang mengandung elektrolit asam padat dan menggunakan katalis pembentuk internal. Sel bahan bakar umumnya mencakup anoda, katoda, elektrolit asam padat, dan reformer internal. Reformer menyediakan reformasi bahan bakar alkohol untuk menghasilkan hidrogen. Kekuatan pendorong di balik reaksi reforming adalah panas yang dihasilkan selama reaksi eksotermik di sel bahan bakar.

Penggunaan elektrolit asam padat dalam sel bahan bakar memungkinkan untuk menempatkan reformer berbatasan langsung dengan anoda. Ini sebelumnya tidak dianggap mungkin karena suhu tinggi yang diperlukan untuk fungsi efektif dari bahan reformasi yang diketahui dan sensitivitas panas dari membran elektrolit polimer tipikal. Namun, dibandingkan dengan membran elektrolit polimer konvensional, elektrolit asam padat dapat menahan suhu yang jauh lebih tinggi, yang memungkinkan untuk menempatkan reformer berdekatan dengan anoda dan oleh karena itu dekat dengan elektrolit. Dalam konfigurasi ini, panas buang yang dihasilkan oleh elektrolit diserap oleh reformer dan mendorong reaksi reforming endoterm.

Deskripsi singkat dari gambar

Fitur-fitur ini dan fitur-fitur dan keuntungan-keuntungan lain dari penemuan ini akan lebih dipahami dengan membaca uraian rinci berikut, yang diambil bersama dengan gambar-gambar terlampir, di mana:

Gambar 1 adalah representasi skematis dari sel bahan bakar menurut salah satu perwujudan dari penemuan ini;

Gambar 2 adalah perbandingan grafik kurva antara kerapatan daya dan tegangan sel untuk sel bahan bakar yang diperoleh menurut Contoh 1 dan 2 dan Contoh Pembanding 1;

Gambar 3 adalah perbandingan grafik kurva antara kerapatan daya dan tegangan sel untuk sel bahan bakar yang diperoleh menurut Contoh 3, 4 dan 5 dan Contoh Pembanding 2; dan

Gambar 4 adalah grafik perbandingan kurva antara rapat daya dan tegangan sel untuk sel bahan bakar yang diperoleh sesuai dengan Contoh Pembanding 2 dan 3.

Deskripsi rinci dari penemuan

Invensi ini berhubungan dengan sel bahan bakar alkohol langsung yang mengandung elektrolit asam padat dan menggunakan katalis reformasi internal dalam kontak fisik dengan perakitan elektroda membran (MEA) yang dirancang untuk mereformasi bahan bakar alkohol untuk menghasilkan hidrogen. Seperti disebutkan di atas, kinerja sel bahan bakar yang mengubah energi kimia dalam alkohol secara langsung menjadi tenaga listrik tetap tidak memuaskan karena keterbatasan kinetik yang dikenakan oleh katalis elektroda sel bahan bakar. Namun, diketahui bahwa batas kinetik ini sangat berkurang bila bahan bakar hidrogen digunakan. Oleh karena itu, penemuan ini menggunakan katalis pembaru atau pembaru untuk mereformasi bahan bakar alkohol menjadi hidrogen, sehingga mengurangi atau menghilangkan batasan kinetik yang terkait dengan bahan bakar alkohol. Bahan bakar alkohol direformasi uap sesuai dengan contoh reaksi berikut:

Metanol menjadi hidrogen: CH 3 OH+H 2 O→3H 2 +CO 2 ;

Etanol menjadi hidrogen: C 2 H 5 OH+3H 2 O→6H 2 +2CO 2 .

Namun, reaksi reformasi sangat endotermik. Oleh karena itu, reformer harus dipanaskan untuk mendapatkan kekuatan pendorong untuk reaksi reforming. Jumlah panas yang dibutuhkan biasanya sekitar 59 kJ per mol metanol (setara dengan pembakaran sekitar 0,25 mol hidrogen) dan sekitar 190 kJ per mol etanol (setara dengan pembakaran sekitar 0,78 mol hidrogen).

Sebagai hasil dari aliran arus listrik selama pengoperasian sel bahan bakar, panas buangan dihasilkan, penghilangan efektif yang bermasalah. Namun, timbulan limbah panas ini membuat menempatkan reformer langsung di sebelah sel bahan bakar menjadi pilihan yang wajar. Konfigurasi seperti itu memungkinkan untuk memasok hidrogen dari reformer ke sel bahan bakar dan mendinginkan sel bahan bakar, dan memungkinkan sel bahan bakar untuk memanaskan reformer dan menghasilkan gaya penggerak untuk reaksi di dalamnya. Konfigurasi ini digunakan dalam sel bahan bakar karbonat cair dan untuk reaksi reformasi metana pada suhu sekitar 650 °C. Namun, reaksi reformasi alkohol umumnya berlangsung pada suhu berkisar dari sekitar 200 ° C sampai sekitar 350 ° C, dan tidak ada sel bahan bakar reformasi alkohol yang sesuai telah dikembangkan.

Invensi ini berhubungan dengan sel bahan bakar yang menggunakan reformasi alkohol. Seperti diilustrasikan dalam Gambar 1, sel bahan bakar 10 menurut penemuan ini umumnya mencakup lapisan difusi pengumpul/gas arus pertama (12), anoda 12a, lapisan difusi pengumpul arus/gas kedua (14), katoda 14a, elektrolit 16, dan katalis reformasi internal 18. Katalis reformasi internal 18 ditempatkan berdekatan dengan anoda 12a. Lebih khusus lagi, katalis pembaru (18) ditempatkan di antara lapisan difusi gas pertama (12) dan anoda (12a). Katalis reformasi yang sesuai 18 yang diketahui dapat digunakan Contoh yang tidak membatasi dari katalis reformasi yang sesuai meliputi campuran oksida Cu-Zn-Al, campuran oksida Cu-Co-Zn-Al, dan campuran oksida Cu-Zn-Al-Zr .

Setiap bahan bakar alkohol seperti metanol, etanol dan propanol dapat digunakan. Selain itu, dimetil eter dapat digunakan sebagai bahan bakar.

Secara historis, konfigurasi ini belum dianggap mungkin untuk sel bahan bakar alkohol karena sifat endotermik dari reaksi reformasi dan sensitivitas elektrolit terhadap panas. Sel bahan bakar alkohol tipikal menggunakan membran elektrolit polimer yang tidak dapat menahan panas yang dibutuhkan untuk menggerakkan katalis reforming. Namun, elektrolit yang digunakan dalam sel bahan bakar dari invensi ini mengandung elektrolit asam padat seperti yang dijelaskan dalam Paten AS tertunda Permohonan Paten AS 10/139043, berjudul PROTON CONDUCTING MEMBRANE MENGGUNAKAN ASAM PADAT, yang seluruh isinya juga digabungkan di sini dengan referensi. Satu contoh yang tidak membatasi dari asam padat yang cocok untuk digunakan sebagai elektrolit dalam penemuan ini adalah CsH2PO4 . Elektrolit asam padat yang digunakan dalam sel bahan bakar dari penemuan ini dapat menahan suhu yang jauh lebih tinggi, yang memungkinkan untuk menempatkan katalis pembaru secara langsung berdekatan dengan anoda. Selain itu, reaksi reformasi endotermik mengkonsumsi panas yang dihasilkan dalam reaksi eksotermik dalam sel bahan bakar, membentuk sistem yang seimbang secara termal.

Asam padat ini digunakan dalam fase superprotoniknya dan bertindak sebagai membran penghantar proton dalam kisaran suhu dari sekitar 100 °C hingga sekitar 350 °C. Ujung atas kisaran suhu ini ideal untuk reformasi metanol. Untuk menghasilkan panas yang cukup untuk menghasilkan gaya pendorong untuk reaksi pembentukan kembali dan untuk menyediakan konduktivitas proton dari elektrolit asam padat, sel bahan bakar dari penemuan ini lebih disukai dioperasikan pada suhu berkisar dari sekitar 100 °C sampai sekitar 500 °C. Namun, lebih disukai untuk mengoperasikan sel bahan bakar pada suhu berkisar dari sekitar 200 °C sampai sekitar 350 °C. Selain sangat meningkatkan kinerja sel bahan bakar alkohol, suhu operasi yang relatif tinggi dari sel bahan bakar alkohol dari penemuan ini memungkinkan penggantian katalis logam mahal seperti Pt/Ru dan Pt pada anoda dan katoda, masing-masing, dengan lebih sedikit bahan katalis mahal.

Contoh-contoh berikut dan contoh-contoh pembanding menggambarkan kinerja yang unggul dari sel bahan bakar alkohol dari penemuan ini. Namun, contoh-contoh ini disajikan untuk tujuan ilustrasi saja dan tidak boleh dianggap membatasi penemuan pada contoh-contoh ini.

Contoh 1 Sel Bahan Bakar Metanol

13 mg/cm2 Pt/Ru digunakan sebagai elektrokatalis anoda. Cu (30% berat) - Zn (20% berat) - Al digunakan sebagai katalis reformasi internal. 15 mg/cm2 Pt digunakan sebagai elektrokatalis katoda. Elektrolit yang digunakan adalah membran CsH2PO4 dengan ketebalan 160 m. Campuran metanol dan air yang telah dikukus dimasukkan ke dalam ruang anoda pada laju alir 100 l/menit. 30% oksigen yang dilembabkan diterapkan ke katoda pada laju aliran 50 cm 3 / menit (suhu dan tekanan standar). Rasio metanol:air adalah 25:75. Suhu elemen diatur sama dengan 260 ° C.

Contoh 2 Sel Bahan Bakar Etanol

13 mg/cm2 Pt/Ru digunakan sebagai elektrokatalis anoda. Cu (30% berat) - Zn (20% berat) - Al digunakan sebagai katalis reformasi internal. 15 mg/cm2 Pt digunakan sebagai elektrokatalis katoda. Elektrolit yang digunakan adalah membran CsH2PO4 dengan ketebalan 160 m. Campuran etanol dan air yang dikukus dimasukkan ke dalam ruang anoda pada laju aliran 100 l/menit. 30% oksigen yang dilembabkan diterapkan ke katoda pada laju aliran 50 cm 3 / menit (suhu dan tekanan standar). Rasio etanol: air adalah 15:85. Suhu elemen diatur sama dengan 260 ° C.

Contoh Perbandingan 1 Fuel Cell Menggunakan H 2 Murni

13 mg/cm2 Pt/Ru digunakan sebagai elektrokatalis anoda. 15 mg/cm2 Pt digunakan sebagai elektrokatalis katoda. Elektrolit yang digunakan adalah membran CsH2PO4 dengan ketebalan 160 m. 3% hidrogen yang dilembabkan dipasok ke ruang anoda pada laju aliran 100 l/menit. 30% oksigen yang dilembabkan diterapkan ke katoda pada laju aliran 50 cm 3 / menit (suhu dan tekanan standar). Suhu elemen diatur sama dengan 260 ° C.

Gambar 2 menunjukkan kurva antara rapat daya dan tegangan sel untuk Contoh 1 dan 2 dan Contoh Perbandingan 1. Seperti yang ditunjukkan, sel bahan bakar metanol (Contoh 1) mencapai rapat daya puncak 69 mW/cm sel mencapai rapat daya puncak 53 mW /cm 2 dan sel bahan bakar hidrogen (Contoh Perbandingan 1) mencapai kepadatan daya puncak 80

mW / cm2. Hasil ini menunjukkan bahwa sel bahan bakar yang diperoleh menurut Contoh 1 dan Contoh Pembanding 1 sangat mirip, menunjukkan bahwa sel bahan bakar metanol yang memiliki reformer menunjukkan kinerja yang hampir sama baiknya dengan sel bahan bakar hidrogen, yang merupakan peningkatan yang signifikan. Namun, seperti yang ditunjukkan pada Contoh dan Contoh Pembanding berikut, dengan mengurangi ketebalan elektrolit, peningkatan densitas daya tambahan tercapai.

Sel bahan bakar dibuat dengan pengendapan lumpur CsH2PO4 ke atas penyangga baja tahan karat berpori yang berfungsi sebagai lapisan difusi gas dan pengumpul arus. Lapisan elektrokatalis katoda diendapkan terlebih dahulu pada lapisan difusi gas kemudian ditekan sebelum lapisan elektrolit diendapkan. Setelah itu, lapisan elektrokatalis anoda diendapkan, diikuti dengan penempatan elektroda difusi gas kedua sebagai lapisan terakhir struktur.

Sebagai elektroda anoda, campuran CsH 2 PO 4 , Pt (50 berat atom %) Ru, Pt (40 % berat) - Ru (20 % berat) diendapkan pada C (40 berat %), dan naftalena digunakan. Perbandingan komponen dalam campuran CsH2PO4:Pt-Ru:Pt-Ru-C:naftalena adalah 3:3:1:0,5 (berat). Campuran digunakan dalam jumlah total 50 mg. Download Pt dan Ru masing-masing adalah 5,6 mg/cm 2 dan 2,9 mg/cm 2. Luas elektroda anoda sama dengan 1,74 cm2.

Sebagai elektroda katoda digunakan campuran CsH 2 PO 4 , Pt, Pt (50% wt.), diendapkan pada C (50% wt.), dan naftalena. Perbandingan komponen dalam campuran CsH2PO4:Pt:Pt-C:naftalena adalah 3:3:1:1 (berat). Campuran digunakan dalam jumlah total 50 mg. Beban Pt adalah 7,7 mg/cm 2 . Luas katoda sama dengan 2,3-2,9 cm 1 .

Sebagai katalis reforming digunakan CuO (30% berat) - ZnO (20% berat) - Al 2 O 3 yaitu CuO (31% mol) - ZnO (16% mol) - Al 2 O 3 . Katalis reformasi dibuat dengan proses pengendapan bersama menggunakan larutan tembaga, seng, dan aluminium nitrat (konsentrasi logam total adalah 1 mol/l) dan larutan natrium karbonat (1,1 mol/l). Endapan dicuci dengan air deionisasi, disaring, dan dikeringkan di udara pada 120°C selama 12 jam. Bubuk kering dalam jumlah 1 g ditekan ringan sampai ketebalan 3,1 mm dan diameter 15,6 mm, dan kemudian dikalsinasi pada 350 ° C selama 2 jam.

Elektrolit yang digunakan adalah membran CsH2PO4 dengan ketebalan 47 m.

Suatu larutan metanol-air (43% vol atau 37% berat atau 25% mol atau 1,85 M metanol) dimasukkan melalui evaporator kaca (200 °C) pada laju aliran 135 l/menit. Suhu elemen diatur sama dengan 260 ° C.

Sel bahan bakar dibuat sesuai dengan contoh 3 di atas, kecuali bahwa melalui evaporator (200 °C) pada laju alir 114 l/menit diumpankan bukan campuran metanol-air, tetapi campuran etanol-air ( 36% vol atau 31% dari massa atau 15% mol, atau 0,98 M etanol).

Sel bahan bakar disiapkan sesuai dengan Contoh 3 di atas, kecuali bahwa pada laju aliran 100 l/menit, vodka (Absolut Vodka, Swedia) (40% vol. atau 34% berat, atau 17% mol.) disuplai bukannya metanol-air... etanol).

Contoh Perbandingan 2

Sel bahan bakar dibuat sesuai dengan Contoh 3 di atas, kecuali bahwa hidrogen kering pada 100 sccm yang dibasahi dengan air panas (70 ° C) digunakan sebagai pengganti air metanol.

Contoh Perbandingan 3

Sel bahan bakar dibuat sesuai dengan Contoh 3 di atas, kecuali bahwa tidak ada katalis pembaru yang digunakan dan suhu sel diatur ke 240 °C.

Contoh Perbandingan 4

Sel bahan bakar dibuat sesuai dengan Contoh Pembanding 2, kecuali bahwa suhu sel diatur ke 240 °C.

Gambar 3 menunjukkan kurva antara rapat daya dan tegangan sel untuk Contoh 3, 4 dan 5 dan Contoh Perbandingan 2. Seperti yang ditunjukkan, sel bahan bakar metanol (Contoh 3) mencapai rapat daya puncak 224 mW/cm 2 , yang merupakan peningkatan yang signifikan daya spesifik dibandingkan dengan sel bahan bakar yang diperoleh sesuai dengan contoh 1 dan memiliki elektrolit yang jauh lebih tebal. Sel bahan bakar metanol ini juga menunjukkan peningkatan kinerja yang dramatis dibandingkan sel bahan bakar metanol yang tidak menggunakan reformer internal, yang lebih baik ditunjukkan pada Gambar 4. Sel bahan bakar etanol (Contoh 4) juga menunjukkan peningkatan kepadatan daya dan tegangan sel dibandingkan dengan sel bahan bakar metanol. sel bahan bakar etanol memiliki membran elektrolit yang lebih tebal (contoh 2). Namun, seperti yang ditunjukkan, sel bahan bakar metanol (Contoh 3) berkinerja lebih baik daripada sel bahan bakar etanol (Contoh 4). Untuk sel bahan bakar vodka (Contoh 5), kekuatan spesifik dicapai yang sebanding dengan sel bahan bakar etanol. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, sel bahan bakar metanol (Contoh 3) menunjukkan kinerja yang hampir sama baiknya dengan sel bahan bakar hidrogen (Contoh Perbandingan 2).

Gambar 4 menunjukkan kurva densitas daya versus tegangan sel untuk Contoh Pembanding 3 dan 4. Seperti yang ditunjukkan, sel bahan bakar metanol tanpa reformer (Contoh Perbandingan 3) mencapai densitas daya yang jauh lebih rendah daripada yang dicapai dengan sel bahan bakar hidrogen (contoh perbandingan 4). Selain itu, Gambar 2, 3 dan 4 menunjukkan bahwa dibandingkan dengan sel bahan bakar metanol tanpa reformer (Contoh Perbandingan 3), kepadatan daya yang lebih tinggi secara signifikan dicapai untuk sel bahan bakar metanol dengan reformer (Contoh 1 dan 3).

Uraian sebelumnya telah disajikan untuk memperkenalkan perwujudan penemuan yang sekarang disukai. Mereka yang ahli dalam seni dan teknologi yang relevan dengan penemuan ini harus memahami bahwa perubahan dan modifikasi dapat dilakukan pada perwujudan yang dijelaskan tanpa menyimpang secara substansial dari prinsip, ruang lingkup dan semangat penemuan ini. Oleh karena itu, uraian di atas tidak boleh dianggap hanya mengacu pada perwujudan tertentu yang dijelaskan, melainkan harus dipahami agar konsisten dengan dan mendukung klaim berikut, yang berisi ruang lingkup penemuan yang paling lengkap dan paling objektif.

1. Sel bahan bakar yang terdiri dari: lapisan elektrokatalitik anoda, lapisan elektrokatalitik katoda, lapisan elektrolit yang mengandung asam padat, lapisan difusi gas, dan katalis reformasi internal yang ditempatkan berdekatan dengan lapisan elektrokatalitik anoda sedemikian rupa sehingga katalis reformasi internal berada antara lapisan elektrokatalitik anoda dan lapisan difusi gas dan bersinggungan secara fisik dengan lapisan elektrokatalitik anoda.

2. Sel bahan bakar pada klaim 1, dimana elektrolit asam padat mengandung CsH 2 PO 4 .

3. Sel bahan bakar pada klaim 1 dimana katalis pembaru dipilih dari kelompok yang terdiri dari campuran oksida Cu-Zn-Al, campuran oksida Cu-Co-Zn-Al, dan campuran oksida Cu-Zn-Al-Zr.

4. Metode pengoperasian sel bahan bakar, meliputi:





pasokan bahan bakar; dan mengoperasikan sel bahan bakar pada suhu dalam kisaran sekitar 100 °C hingga sekitar 500 °C.

5. Metode klaim 4, dimana bahan bakarnya adalah alkohol.

6. Metode klaim 4 dimana bahan bakar dipilih dari kelompok yang terdiri dari metanol, etanol, propanol dan dimetil eter.

7. Metode klaim 4 dimana sel bahan bakar dioperasikan pada suhu dalam kisaran sekitar 200 °C sampai sekitar 350 °C.

8. Proses klaim 4 dimana katalis pembaru dipilih dari kelompok yang terdiri dari campuran oksida Cu-Zn-Al, campuran oksida Cu-Co-Zn-Al, dan campuran oksida Cu-Zn-Al-Zr.

9. Metode klaim 4, dimana elektrolit mengandung asam padat.

10. Metode menurut klaim 9, dimana asam padat mengandung CsH 2 PO 4 .

11. Metode pengoperasian sel bahan bakar, termasuk:
pembentukan lapisan elektrokatalitik anoda;
pembentukan lapisan elektrokatalitik katoda;
membentuk lapisan elektrolit yang mengandung asam padat;
pembentukan lapisan difusi gas dan
membentuk katalis pembentuk internal yang berdekatan dengan lapisan elektrokatalitik anoda sedemikian rupa sehingga katalis reformasi internal ditempatkan di antara lapisan elektrokatalitik anoda dan lapisan difusi gas dan berada dalam kontak fisik dengan lapisan elektrokatalitik anoda;
pasokan bahan bakar; dan mengoperasikan sel bahan bakar pada suhu dalam kisaran sekitar 200 °C hingga sekitar 350 °C.

12. Metode klaim 11 dimana bahan bakarnya adalah alkohol.

13. Metode klaim 11 dimana bahan bakar dipilih dari kelompok yang terdiri dari metanol, etanol, propanol dan dimetil eter.

14. Proses klaim 11 dimana katalis pembaru dipilih dari kelompok yang terdiri dari campuran oksida Cu-Zn-Al, campuran oksida Cu-Co-Zn-Al, dan campuran oksida Cu-Zn-Al-Zr.

15. Metode klaim 11 dimana elektrolit mengandung asam padat.

16. Metode klaim 15 dimana asam padat mengandung CsH 2 PO 4 .

17. Metode pengoperasian sel bahan bakar, meliputi:
pembentukan lapisan elektrokatalitik anoda;
pembentukan lapisan elektrokatalitik katoda;
membentuk lapisan elektrolit yang mengandung asam padat;
pembentukan lapisan difusi gas dan
membentuk katalis pembentuk internal yang berdekatan dengan lapisan elektrokatalitik anoda sedemikian rupa sehingga katalis reformasi internal ditempatkan di antara lapisan elektrokatalitik anoda dan lapisan difusi gas dan berada dalam kontak fisik dengan lapisan elektrokatalitik anoda;
pasokan bahan bakar alkohol; dan mengoperasikan sel bahan bakar pada suhu dalam kisaran sekitar 100 °C hingga sekitar 500 °C.

18. Metode klaim 17 dimana bahan bakar dipilih dari kelompok yang terdiri dari metanol, etanol, propanol dan dimetil eter.

19. Metode klaim 17 dimana sel bahan bakar dioperasikan pada suhu dalam kisaran sekitar 200 °C sampai sekitar 350 °C.

20. Proses klaim 17 dimana katalis pembaru dipilih dari kelompok yang terdiri dari campuran oksida Cu-Zn-Al, campuran oksida Cu-Co-Zn-Al, dan campuran oksida Cu-Zn-Al-Zr.

21. Metode klaim 17, dimana elektrolit asam padat mengandung CsH 2 PO 4 .

22. Metode pengoperasian sel bahan bakar, termasuk:
pembentukan lapisan elektrokatalitik anoda;
pembentukan lapisan elektrokatalitik katoda;
membentuk lapisan elektrolit yang mengandung asam padat;
pembentukan lapisan difusi gas dan
membentuk katalis pembentuk internal yang berdekatan dengan lapisan elektrokatalitik anoda sedemikian rupa sehingga katalis reformasi internal ditempatkan di antara lapisan elektrokatalitik anoda dan lapisan difusi gas dan berada dalam kontak fisik dengan lapisan elektrokatalitik anoda;
pasokan bahan bakar alkohol; dan mengoperasikan sel bahan bakar pada suhu dalam kisaran sekitar 200 °C hingga sekitar 350 °C.

Invensi ini berhubungan dengan sel bahan bakar alkohol kerja langsung menggunakan elektrolit asam padat dan katalis reformasi internal