sel bahan bakar Sel bahan bakar adalah sumber daya kimia. Mereka melakukan konversi langsung energi bahan bakar menjadi listrik, melewati proses pembakaran dengan kerugian tinggi yang tidak efisien. Perangkat elektrokimia ini, sebagai hasil dari pembakaran bahan bakar "dingin" yang sangat efisien, secara langsung menghasilkan listrik.
Ahli biokimia telah menetapkan bahwa sel bahan bakar hidrogen-oksigen biologis "dibangun ke dalam" setiap sel hidup (lihat Bab 2).
Sumber hidrogen dalam tubuh adalah makanan - lemak, protein dan karbohidrat. Di lambung, usus, dan sel, akhirnya terurai menjadi monomer, yang, pada gilirannya, setelah serangkaian transformasi kimia, memberikan hidrogen yang melekat pada molekul pembawa.
Oksigen dari udara memasuki darah melalui paru-paru, bergabung dengan hemoglobin dan dibawa ke seluruh jaringan. Proses menggabungkan hidrogen dengan oksigen adalah dasar dari bioenergi tubuh. Di sini, dalam kondisi ringan (suhu kamar, tekanan normal, lingkungan perairan), energi kimia dengan efisiensi tinggi diubah menjadi termal, mekanik (gerakan otot), listrik (jalan listrik), cahaya (serangga memancarkan cahaya).
Manusia sekali lagi mengulangi perangkat untuk memperoleh energi yang diciptakan oleh alam. Pada saat yang sama, fakta ini menunjukkan prospek arah. Semua proses di alam sangat rasional, sehingga langkah menuju penggunaan sel bahan bakar yang sebenarnya menginspirasi harapan untuk masa depan energi.
Penemuan sel bahan bakar hidrogen-oksigen pada tahun 1838 milik ilmuwan Inggris W. Grove. Menyelidiki penguraian air menjadi hidrogen dan oksigen, ia menemukan efek samping - elektroliser menghasilkan arus listrik.
Apa yang terbakar di sel bahan bakar?
Bahan bakar fosil (batubara, gas dan minyak) sebagian besar adalah karbon. Selama pembakaran, atom bahan bakar kehilangan elektron, dan atom oksigen udara memperolehnya. Jadi dalam proses oksidasi, atom karbon dan oksigen digabungkan menjadi produk pembakaran - molekul karbon dioksida. Proses ini sangat kuat: atom dan molekul zat yang terlibat dalam pembakaran memperoleh kecepatan tinggi, dan ini menyebabkan peningkatan suhunya. Mereka mulai memancarkan cahaya - nyala api muncul.
Reaksi kimia pembakaran karbon memiliki bentuk:
C + O2 = CO2 + panas
Dalam proses pembakaran, energi kimia diubah menjadi energi panas karena pertukaran elektron antara atom bahan bakar dan oksidator. Pertukaran ini terjadi secara acak.
Pembakaran adalah pertukaran elektron antar atom, dan arus listrik adalah pergerakan elektron secara terarah. Jika dalam proses reaksi kimia elektron dipaksa untuk melakukan kerja, maka suhu proses pembakaran akan menurun. Di FC, elektron diambil dari reaktan di satu elektroda, melepaskan energinya dalam bentuk arus listrik, dan bergabung dengan reaktan di elektroda lainnya.
Dasar dari setiap HIT adalah dua elektroda yang dihubungkan oleh elektrolit. Sel bahan bakar terdiri dari anoda, katoda, dan elektrolit (lihat Bab 2). Teroksidasi di anoda, mis. menyumbangkan elektron, zat pereduksi (bahan bakar CO atau H2), elektron bebas dari anoda memasuki sirkuit eksternal, dan ion positif dipertahankan pada antarmuka anoda-elektrolit (CO+, H+). Dari ujung rantai yang lain, elektron mendekati katoda, tempat berlangsungnya reaksi reduksi (penambahan elektron oleh zat pengoksidasi O2–). Ion oksidan kemudian dibawa oleh elektrolit ke katoda.
Di FC, tiga fase sistem fisikokimia disatukan:
gas (bahan bakar, pengoksidasi);
elektrolit (konduktor ion);
elektroda logam (penghantar elektron).
Dalam sel bahan bakar, energi reaksi redoks diubah menjadi energi listrik, dan proses oksidasi dan reduksi dipisahkan secara spasial oleh elektrolit. Elektroda dan elektrolit tidak berpartisipasi dalam reaksi, tetapi dalam desain nyata mereka menjadi terkontaminasi dengan kotoran bahan bakar dari waktu ke waktu. Pembakaran elektrokimia dapat berlangsung pada suhu rendah dan praktis tanpa rugi-rugi. pada gambar. p087 menunjukkan situasi di mana campuran gas (CO dan H2) memasuki sel bahan bakar, yaitu. dapat membakar bahan bakar gas (lihat Bab 1). Jadi, TE ternyata "omnivora".
Penggunaan sel bahan bakar diperumit oleh fakta bahwa bahan bakar harus "disiapkan" untuk mereka. Untuk sel bahan bakar, hidrogen diperoleh dengan konversi bahan bakar organik atau gasifikasi batubara. Oleh karena itu, diagram blok pembangkit listrik pada sel bahan bakar, selain baterai sel bahan bakar, konverter DC-ke-AC (lihat Bab 3) dan peralatan tambahan, termasuk unit produksi hidrogen.
Dua arah pengembangan FC
Ada dua area penerapan sel bahan bakar: energi otonom dan energi skala besar.
Untuk penggunaan otonom, karakteristik khusus dan kemudahan penggunaan adalah yang utama. Biaya energi yang dihasilkan bukanlah indikator utama.
Untuk pembangkit listrik yang besar, efisiensi merupakan faktor penentu. Selain itu, instalasi harus tahan lama, tidak mengandung bahan yang mahal dan menggunakan bahan bakar alami dengan biaya persiapan yang minimal.
Manfaat terbesar yang ditawarkan oleh penggunaan sel bahan bakar di dalam mobil. Di sini, seperti di tempat lain, kekompakan sel bahan bakar akan berpengaruh. Dengan penerimaan langsung listrik dari bahan bakar, penghematan yang terakhir akan menjadi sekitar 50%.
Untuk pertama kalinya, ide penggunaan sel bahan bakar dalam rekayasa tenaga skala besar dirumuskan oleh ilmuwan Jerman W. Oswald pada tahun 1894. Belakangan, gagasan untuk menciptakan sumber energi otonom yang efisien berdasarkan sel bahan bakar dikembangkan.
Setelah itu, upaya berulang kali dilakukan untuk menggunakan batu bara sebagai zat aktif dalam sel bahan bakar. Pada 1930-an, peneliti Jerman E. Bauer menciptakan prototipe laboratorium sel bahan bakar dengan elektrolit padat untuk oksidasi anodik langsung batubara. Pada saat yang sama, sel bahan bakar oksigen-hidrogen dipelajari.
Pada tahun 1958, di Inggris, F. Bacon menciptakan pabrik oksigen-hidrogen pertama dengan kapasitas 5 kW. Tapi itu merepotkan karena penggunaan tekanan gas tinggi (2 ... 4 MPa).
Sejak 1955, K. Kordesh telah mengembangkan sel bahan bakar oksigen-hidrogen suhu rendah di AS. Mereka menggunakan elektroda karbon dengan katalis platinum. Di Jerman, E. Yust mengerjakan pembuatan katalis non-platinum.
Setelah tahun 1960, contoh demonstrasi dan iklan dibuat. Aplikasi praktis pertama dari sel bahan bakar ditemukan pada pesawat ruang angkasa Apollo. Mereka adalah pembangkit listrik utama untuk menyalakan peralatan onboard dan menyediakan astronot dengan air dan panas.
Area utama penggunaan untuk instalasi FC off-grid adalah aplikasi militer dan angkatan laut. Pada akhir tahun 1960-an, volume penelitian tentang sel bahan bakar menurun, dan setelah tahun 1980-an, penelitian tersebut meningkat lagi dalam kaitannya dengan energi skala besar.
varta telah mengembangkan FC menggunakan elektroda difusi gas dua sisi. Elektroda jenis ini disebut "Janus". Siemens telah mengembangkan elektroda dengan kepadatan daya hingga 90 W/kg. Di Amerika Serikat, pengerjaan sel oksigen-hidrogen sedang dilakukan oleh United Technology Corp.
Dalam industri listrik skala besar, penggunaan sel bahan bakar untuk penyimpanan energi skala besar, misalnya, produksi hidrogen (lihat Bab 1), sangat menjanjikan. (matahari dan angin) tersebar (lihat Bab 4). Penggunaan serius mereka, yang sangat diperlukan di masa depan, tidak terpikirkan tanpa baterai besar yang menyimpan energi dalam satu atau lain bentuk.
Masalah akumulasi sudah relevan saat ini: fluktuasi harian dan mingguan dalam beban sistem tenaga secara signifikan mengurangi efisiensinya dan membutuhkan apa yang disebut kapasitas manuver. Salah satu opsi untuk penyimpanan energi elektrokimia adalah sel bahan bakar yang dikombinasikan dengan elektroliser dan penampung gas*.
* Pemegang gas [gas + bahasa Inggris. pemegang] - penyimpanan untuk sejumlah besar gas.
TE generasi pertama
Sel bahan bakar bersuhu menengah generasi pertama, yang beroperasi pada suhu 200...230 °C pada bahan bakar cair, gas alam, atau hidrogen teknis*, telah mencapai kesempurnaan teknologi terbesar. Elektrolit di dalamnya adalah asam fosfat, yang mengisi matriks karbon berpori. Elektroda terbuat dari karbon dan katalisnya adalah platinum (platinum digunakan dalam jumlah beberapa gram per kilowatt daya).
* Hidrogen komersial adalah produk konversi bahan bakar fosil yang mengandung sedikit pengotor karbon monoksida.
Salah satu pembangkit listrik tersebut dioperasikan di negara bagian California pada tahun 1991. Ini terdiri dari delapan belas baterai dengan berat masing-masing 18 ton dan ditempatkan dalam wadah dengan diameter lebih dari 2 m dan tinggi sekitar 5 m. Prosedur penggantian baterai telah dipikirkan dengan menggunakan struktur rangka yang bergerak di sepanjang rel.
Amerika Serikat mengirimkan dua pembangkit listrik ke Jepang ke Jepang. Yang pertama diluncurkan pada awal 1983. Kinerja operasional stasiun sesuai dengan yang dihitung. Dia bekerja dengan beban 25 hingga 80% dari nominal. Efisiensi mencapai 30...37% - ini dekat dengan pembangkit listrik termal besar modern. Waktu mulai dari keadaan dingin adalah dari 4 jam hingga 10 menit, dan durasi perubahan daya dari nol hingga penuh hanya 15 detik.
Sekarang di berbagai bagian Amerika Serikat, panas gabungan kecil dan pembangkit listrik dengan kapasitas 40 kW dengan faktor pemanfaatan bahan bakar sekitar 80% sedang diuji. Mereka dapat memanaskan air hingga 130 ° C dan ditempatkan di binatu, kompleks olahraga, titik komunikasi, dll. Sekitar seratus instalasi telah bekerja dengan total ratusan ribu jam. Keramahan lingkungan pembangkit listrik FC memungkinkan mereka untuk ditempatkan langsung di kota-kota.
Pembangkit listrik berbahan bakar pertama di New York berkapasitas 4,5 MW menempati lahan seluas 1,3 hektar. Kini, untuk pembangkit baru berkapasitas dua setengah kali lebih besar, dibutuhkan lahan berukuran 30x60 m. Beberapa pembangkit listrik percontohan berkapasitas 11 MW sedang dibangun. Waktu konstruksi (7 bulan) dan area (30x60 m) yang ditempati oleh pembangkit listrik sangat mencolok. Perkiraan masa pakai pembangkit listrik baru adalah 30 tahun.
TE generasi kedua dan ketiga
Karakteristik terbaik sudah dirancang pembangkit modular dengan kapasitas 5 MW dengan sel bahan bakar suhu menengah generasi kedua. Mereka beroperasi pada suhu 650...700 °C. Anodanya terbuat dari partikel nikel dan kromium yang disinter, katoda terbuat dari aluminium yang disinter dan teroksidasi, dan elektrolitnya adalah campuran lithium dan kalium karbonat. Peningkatan suhu membantu memecahkan dua masalah elektrokimia utama:
mengurangi "keracunan" katalis oleh karbon monoksida;
meningkatkan efisiensi proses reduksi oksidator di katoda.
Sel bahan bakar suhu tinggi generasi ketiga dengan elektrolit oksida padat (terutama zirkonium dioksida) akan lebih efisien. Suhu operasi mereka hingga 1000 ° C. Efisiensi pembangkit listrik dengan sel bahan bakar seperti itu mendekati 50%. Di sini, produk gasifikasi batu bara keras dengan kandungan karbon monoksida yang signifikan juga cocok sebagai bahan bakar. Sama pentingnya, limbah panas dari pembangkit suhu tinggi dapat digunakan untuk menghasilkan uap untuk menggerakkan turbin untuk generator listrik.
Vestingaus telah berkecimpung dalam bisnis sel bahan bakar oksida padat sejak tahun 1958. Ini mengembangkan pembangkit listrik dengan kapasitas 25 ... 200 kW, di mana bahan bakar gas dari batu bara dapat digunakan. Instalasi eksperimental dengan kapasitas beberapa megawatt sedang dipersiapkan untuk pengujian. Perusahaan Amerika lainnya, Engelgurd, sedang merancang sel bahan bakar 50 kW yang menggunakan metanol dengan asam fosfat sebagai elektrolit.
Semakin banyak perusahaan di seluruh dunia yang terlibat dalam pembuatan sel bahan bakar. American United Technology dan Toshiba Jepang membentuk International Fuel Cells Corporation. Di Eropa, konsorsium Belgia-Belanda Elenko, perusahaan Jerman Barat Siemens, Fiat Italia, dan Jonson Metju Inggris terlibat dalam sel bahan bakar.
Victor LAVRUS.
Jika Anda menyukai materi ini, maka kami menawarkan kepada Anda pilihan materi terbaik di situs kami menurut pembaca kami. Anda dapat menemukan pilihan - TOP tentang teknologi ramah lingkungan, sains baru, dan penemuan ilmiah di tempat yang paling nyaman bagi Anda
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.
Keterangan:
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 bahan bakar yang paling menjanjikan. elemen.
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 dihantarkan melalui membran ke katoda, tetapi elektron dilepaskan ke sirkuit eksternal, karena membran tidak memungkinkan elektron untuk melewatinya.
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.
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 titik panas, kebisingan dan getaran,
– keandalan mulai dingin
– periode penyimpanan energi yang praktis tidak terbatas (tanpa self-discharge),
– 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,
– umur panjang,
- Keramahan lingkungan dan pengoperasian tanpa suara.
Aplikasi:
– sistem catu daya untuk UAV,
– pengisi daya portabel,
– catu daya tak terputus,
– Perangkat lain.
Sel bahan bakar hidrogen Nissan
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.
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. Pada elektroda negatif, bahan bakar alami atau zat apa pun yang diperoleh darinya terbakar, 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
Video: Sel bahan bakar hidrogen 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). PADA
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.
Video: Sel bahan bakar atau baterai abadi di rumah
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 Koisler, Ballard mendemonstrasikan bus dan mobil yang menggunakan sel bahan bakar dengan daya 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.
Video: Mobil sel bahan bakar hidrogen
Harapan besar ditempatkan pada penggunaan teknologi nano dan material nano, yang akan membantu mengecilkan 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
sel bahan bakar- apa itu? Kapan dan bagaimana dia muncul? Mengapa itu dibutuhkan dan mengapa mereka begitu sering dibicarakan di zaman kita? Apa ruang lingkup, karakteristik, dan propertinya? Kemajuan yang tak terhentikan membutuhkan jawaban atas semua pertanyaan ini!
Apa itu sel bahan bakar?
sel bahan bakar- ini adalah sumber arus kimia atau generator elektrokimia, ini adalah perangkat untuk mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Dalam kehidupan modern, sumber arus kimia digunakan di mana-mana dan merupakan baterai untuk ponsel, laptop, PDA, serta baterai di mobil, catu daya yang tidak pernah terputus, dll. Tahap selanjutnya dalam pengembangan area ini adalah penyebaran sel bahan bakar secara luas, dan ini adalah fakta yang tidak dapat disangkal.
Sejarah sel bahan bakar
Sejarah sel bahan bakar adalah kisah lain tentang bagaimana sifat-sifat materi, yang pernah ditemukan di Bumi, digunakan secara luas di luar angkasa, dan pada pergantian milenium mereka kembali dari surga ke Bumi.
Semuanya dimulai pada tahun 1839 ketika ahli kimia Jerman Christian Schönbein menerbitkan prinsip-prinsip sel bahan bakar di Philosophical Journal. Pada tahun yang sama, seorang Inggris, lulusan Oxford, William Robert Grove, merancang sel galvanik, yang kemudian disebut sel galvanik Grove, yang juga diakui sebagai sel bahan bakar pertama. Nama "sel bahan bakar" diberikan pada penemuan ini pada tahun peringatannya - pada tahun 1889. Ludwig Mond dan Karl Langer adalah penulis istilah tersebut.
Sedikit lebih awal, pada tahun 1874, Jules Verne, di Pulau Misterius, meramalkan situasi energi saat ini, menulis bahwa "Suatu hari air akan digunakan sebagai bahan bakar, hidrogen dan oksigen, yang terdiri darinya, akan digunakan."
Sementara itu, teknologi baru catu daya secara bertahap ditingkatkan, dan mulai dari tahun 50-an abad XX, tidak ada satu tahun berlalu tanpa pengumuman penemuan terbaru di bidang ini. Pada tahun 1958, traktor pertama yang ditenagai oleh sel bahan bakar muncul di Amerika Serikat, pada tahun 1959. Catu daya 5KW untuk mesin las dirilis, dll. Pada tahun 70-an, teknologi hidrogen diluncurkan ke luar angkasa: pesawat terbang dan mesin roket muncul dengan hidrogen. Pada 1960-an, RSC Energia mengembangkan sel bahan bakar untuk program bulan Soviet. Program Buran juga tidak berhasil tanpa mereka: sel bahan bakar alkali 10 kW dikembangkan. Dan menjelang akhir abad ini, sel bahan bakar melintasi ketinggian nol di atas permukaan laut - berdasarkan mereka, dikembangkan pasokan listrik kapal selam Jerman. Kembali ke Bumi, pada tahun 2009 lokomotif pertama dioperasikan di AS. Secara alami, pada sel bahan bakar.
Dalam semua sejarah indah sel bahan bakar, yang menarik adalah bahwa roda masih merupakan penemuan manusia yang tak tertandingi di alam. Masalahnya adalah sel bahan bakar serupa dalam struktur dan prinsip operasinya dengan sel biologis, yang sebenarnya adalah sel bahan bakar hidrogen-oksigen mini. Akibatnya, manusia sekali lagi menemukan apa yang telah digunakan alam selama jutaan tahun.
Prinsip operasi sel bahan bakar
Prinsip pengoperasian sel bahan bakar jelas bahkan dari kurikulum sekolah kimia, dan dialah yang ditetapkan dalam eksperimen William Grove pada tahun 1839. Soalnya proses elektrolisis air (disosiasi air) bersifat reversibel. Sama seperti benar bahwa ketika arus listrik dilewatkan melalui air, yang terakhir dipecah menjadi hidrogen dan oksigen, begitu juga sebaliknya: hidrogen dan oksigen dapat digabungkan untuk menghasilkan air dan listrik. Dalam percobaan Grove, dua elektroda ditempatkan dalam ruang di mana bagian terbatas dari hidrogen murni dan oksigen disuplai di bawah tekanan. Karena volume gas yang kecil, serta karena sifat kimia dari elektroda karbon, reaksi lambat terjadi di ruang dengan pelepasan panas, air, dan, yang paling penting, dengan pembentukan perbedaan potensial antara elektroda.
Sel bahan bakar paling sederhana terdiri dari membran khusus yang digunakan sebagai elektrolit, di kedua sisi elektroda bubuk diterapkan. Hidrogen memasuki satu sisi (anoda) dan oksigen (udara) memasuki sisi lainnya (katoda). Setiap elektroda memiliki reaksi kimia yang berbeda. Di anoda, hidrogen terurai menjadi campuran proton dan elektron. Dalam beberapa sel bahan bakar, elektroda dikelilingi oleh katalis, biasanya terbuat dari platinum atau logam mulia lainnya, untuk membantu dalam reaksi disosiasi:
2H 2 → 4H + + 4e -
di mana H2 adalah molekul hidrogen diatomik (bentuk di mana hidrogen hadir sebagai gas); H + - hidrogen terionisasi (proton); e - - elektron.
Di sisi katoda sel bahan bakar, proton (melewati elektrolit) dan elektron (yang melewati beban eksternal) bergabung kembali dan bereaksi dengan oksigen yang disuplai ke katoda untuk membentuk air:
4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O
Reaksi keseluruhan dalam sel bahan bakar ditulis sebagai berikut:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
Pengoperasian sel bahan bakar didasarkan pada kenyataan bahwa elektrolit melewati proton melalui dirinya sendiri (menuju katoda), tetapi elektron tidak. Elektron bergerak menuju katoda di sepanjang sirkuit konduktor luar. Pergerakan elektron ini adalah arus listrik yang dapat digunakan untuk menyalakan perangkat eksternal yang terhubung ke sel bahan bakar (beban seperti bola lampu):
Dalam pekerjaannya, sel bahan bakar menggunakan bahan bakar hidrogen dan oksigen. Cara termudah adalah dengan oksigen - diambil dari udara. Hidrogen dapat disuplai langsung dari wadah tertentu atau dengan memisahkannya dari sumber bahan bakar eksternal (gas alam, bensin atau metil alkohol - metanol). Dalam kasus sumber eksternal, itu harus diubah secara kimia untuk mengekstrak hidrogen. Saat ini, sebagian besar teknologi sel bahan bakar yang dikembangkan untuk perangkat portabel menggunakan metanol.
Karakteristik Sel Bahan Bakar
mereka hanya beroperasi selama bahan bakar dan oksidator dipasok dari sumber eksternal (yaitu mereka tidak dapat menyimpan energi listrik),
komposisi kimia elektrolit tidak berubah selama operasi (sel bahan bakar tidak perlu diisi ulang),
mereka benar-benar independen dari listrik (sementara baterai konvensional menyimpan energi dari listrik).
Sel bahan bakar analog dengan baterai yang ada dalam arti bahwa dalam kedua kasus energi listrik diperoleh dari energi kimia. Tetapi ada juga perbedaan mendasar:
Setiap sel bahan bakar menciptakan tegangan dalam 1V. Lebih banyak tegangan dicapai dengan menghubungkannya secara seri. Peningkatan daya (arus) diwujudkan melalui koneksi paralel kaskade sel bahan bakar yang terhubung seri.
Untuk sel bahan bakar tidak ada batasan keras pada efisiensi, seperti untuk mesin kalor (efisiensi siklus Carnot adalah efisiensi maksimum yang mungkin terjadi di antara semua mesin kalor dengan suhu minimum dan maksimum yang sama).
Efisiensi tinggi dicapai melalui konversi langsung energi bahan bakar menjadi listrik. Jika bahan bakar pertama kali dibakar dalam genset diesel, uap atau gas yang dihasilkan memutar turbin atau poros mesin pembakaran internal, yang pada gilirannya memutar generator listrik. Hasilnya efisiensi maksimal 42%, lebih sering sekitar 35-38%. Selain itu, karena banyak tautan, serta karena keterbatasan termodinamika pada efisiensi maksimum mesin panas, efisiensi yang ada tidak mungkin dinaikkan lebih tinggi. Untuk sel bahan bakar yang ada Efisiensi 60-80%,
Efisiensi hampir tidak tergantung pada faktor beban,
Kapasitasnya beberapa kali lebih tinggi dari baterai yang ada
Menyelesaikan tidak ada emisi berbahaya bagi lingkungan. Hanya uap air bersih dan energi panas yang dipancarkan (tidak seperti generator diesel, yang memiliki emisi polusi dan harus dibuang).
Jenis sel bahan bakar
sel bahan bakar rahasia dengan alasan berikut:
berdasarkan bahan bakar yang digunakan
tekanan dan suhu kerja,
sesuai dengan sifat aplikasi.
Secara umum, ada yang berikut: jenis sel bahan bakar:
Sel bahan bakar oksida padat (SOFC);
Sel bahan bakar dengan membran penukar proton (sel bahan bakar membran pertukaran proton - PEMFC);
Sel Bahan Bakar Reversibel (RFC);
Sel bahan bakar metanol langsung (Sel bahan bakar metanol langsung - DMFC);
Sel bahan bakar lelehan karbonat (Sel bahan bakar cair-karbonat - MCFC);
Sel bahan bakar asam fosfat (PAFC);
Sel bahan bakar alkali (AFC).
Salah satu jenis sel bahan bakar yang beroperasi pada suhu dan tekanan normal menggunakan hidrogen dan oksigen adalah elemen dengan membran penukar ion. Air yang dihasilkan tidak melarutkan elektrolit padat, mengalir ke bawah dan mudah dihilangkan.
Masalah Sel Bahan Bakar
Masalah utama sel bahan bakar terkait dengan kebutuhan hidrogen "paket", yang dapat dibeli secara bebas. Jelas, masalahnya harus diselesaikan dari waktu ke waktu, tetapi sejauh ini situasinya menyebabkan sedikit senyum: apa yang lebih dulu - ayam atau telur? Sel bahan bakar belum cukup maju untuk membangun pembangkit hidrogen, tetapi kemajuan mereka tidak terpikirkan tanpa pembangkit ini. Di sini kami juga mencatat masalah sumber hidrogen. Hidrogen saat ini diproduksi dari gas alam, tetapi kenaikan biaya energi juga akan meningkatkan harga hidrogen. Pada saat yang sama, keberadaan CO dan H 2 S (hidrogen sulfida) tidak dapat dihindari dalam hidrogen dari gas alam, yang meracuni katalis.
Katalis platinum umum menggunakan logam yang sangat mahal dan tak tergantikan di alam - platinum. Namun, masalah ini direncanakan dapat diselesaikan dengan menggunakan katalis berbasis enzim, yang merupakan zat yang murah dan mudah diproduksi.
Panas juga menjadi masalah. Efisiensi akan meningkat tajam jika panas yang dihasilkan diarahkan ke saluran yang berguna - untuk menghasilkan energi panas untuk sistem pasokan panas, untuk menggunakannya sebagai panas buangan dalam penyerapan mesin pendingin dll.
Sel Bahan Bakar Metanol (DMFC): Aplikasi Nyata
Sel Bahan Bakar Methanol Langsung (DMFC) adalah kepentingan praktis tertinggi saat ini. Laptop Portege M100 yang berjalan pada sel bahan bakar DMFC terlihat seperti ini:
Sirkuit DMFC yang khas berisi, selain anoda, katoda dan membran, beberapa komponen tambahan: kartrid bahan bakar, sensor metanol, pompa sirkulasi bahan bakar, pompa udara, penukar panas, dll.
Waktu pengoperasian, misalnya, laptop dibandingkan dengan baterai direncanakan meningkat 4 kali lipat (hingga 20 jam), ponsel - hingga 100 jam dalam mode aktif dan hingga enam bulan dalam mode siaga. Pengisian ulang akan dilakukan dengan menambahkan sebagian methanol cair.
Tugas utamanya adalah menemukan opsi untuk menggunakan larutan metanol dengan konsentrasi tertinggi. Masalahnya adalah metanol adalah racun yang cukup kuat, mematikan dalam dosis beberapa puluh gram. Namun konsentrasi methanol secara langsung mempengaruhi lama kerja. Jika larutan metanol 3-10% sebelumnya digunakan, maka ponsel dan PDA yang menggunakan larutan 50% telah muncul, dan pada tahun 2008, dalam kondisi laboratorium, spesialis dari Sel Bahan Bakar Mikro MTI dan, beberapa saat kemudian, Toshiba, memperoleh sel bahan bakar yang bekerja pada metanol murni.
Sel bahan bakar adalah masa depan!
Akhirnya, fakta bahwa organisasi internasional IEC (International Electrotechnical Commission), yang mendefinisikan standar industri untuk perangkat elektronik, telah mengumumkan pembentukan kelompok kerja untuk mengembangkan standar internasional untuk sel bahan bakar mini, berbicara tentang masa depan bahan bakar yang jelas. sel.
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 - sebagai pembangkit listrik stasioner, sumber panas dan listrik otonom untuk bangunan, 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 menyebabkan 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 kehilangan transmisi energi, dan panas yang dihasilkan sebagai hasil 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 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 yang sepenuhnya otomatis dengan daya 200 kW, dirancang untuk dipasang langsung pada objek yang diservis sebagai sumber panas dan listrik 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 |
|||||||||||||||
|
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 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 -, diubah 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. Sebuah sel bahan bakar tunggal memberikan EMF kurang dari 1,16 V. Hal ini dimungkinkan untuk meningkatkan ukuran sel bahan bakar, tetapi dalam prakteknya 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 energi panas, yang kemudian digunakan sebagai sumber panas untuk pemanasan, suplai 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 |
||||||||||||||||||||
|
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 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 oksida zirkonium 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 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, sehingga dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik dan panas.
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.
Landasan 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, prototipe sel bahan bakar 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.
