En precedenza, abbiamo introdotto gli eventos de sviluppo delle celle a combustibile. Como possiamo vedere, lo sviluppo delle celle a combustibile nel tempo è stato diversificato, incorporando una variedad de tipi y numerosos métodos de clasificación. Sin embargo, la clasificación más común se basa en el tipo de elettrolita, incluyendo “celle a combustibile a membrana a scbio protonico”, “celle a combustibile alcaline”, “celle a combustibile a acido fosforico”, “celle a combustibile a carbonato fuso” y “celle a combustibile a ossido solido”. Además de todas las clasificaciones por tipo de electrodoméstico, también hay clasificaciones basadas en la temperatura de reacción, diversos combustibles y otros métodos.
Nel post precedente sullo sviluppo delle celle a combustibile, abbiamo menzionato che le celle a combustibile a membrana a scbio protonico (PEMFC) ocupa una posición dominante sia nelle applicazioni pratiche che nella ricerca. Naturalmente, anche le celle a combustibile a ossido solido e le celle a combustibile a carbonato fuso hanno un certo stato di ricerca. Sucesivamente, introdurremo brevemente algunos tipi di celle a combustibile comunemente ricercati.
Cella a Combustibile a Membrana a Scambio Protonico (PEMFC)
Come uno dei materiali chiave nelle celle a combustibile, le membrana a scbio protonico hanno attirato una vasta attenzione e una ricerca approfondita da parte di studiosi di todo el mundo. Los polimeros fluorados, los polimeros aromáticos y los materiales ibridi organici/inorganici sono stati sviluppati como membrana y estafa protónica.
Nelle celle a combustibile a membrana a scbio protonico, l'elettrolita è uno dei materiali chiave. Es una membrana polimérica muy blanda, con la membrana a estafa protónica de ácido perfluorosolfónico Nafion della DuPont como un tipo. Esta membrana polimérica puede contener protones rimando eléctricamente no conductiva. I materiali degli elettrodi sono generalmente composti da carbonio o metallo, con platino supportato su carbonio utilizzato come catalizzatore per le reazioni dell'anodo e del catodo. La temperatura operativa del PEMFC es de alrededor de 80°C, y una sola celda puede producir alrededor de 0,7V de tensión. Nelle applicazioni pratiche, per ottenere una tensione more elevata, è necesario colegare in series more celle singlele per formare uno stack di celle a combustibile, típicamente costituido da circa 200-500 celle, con el número específico reglado en base a todas las situaciones y todas las características reales.
Las células combustibile a membrana a estafa protónica pueden avanzar rápidamente en condiciones de sierra, descargar fácilmente los productos de agua, tener una larga duración, alta potencia específica, alta energía específica, volumen pequeño y sono actualmente ampliamente utilizados en los vehículos eléctricos y en los dispositivos de generación de energía distribuida. domestica. Además de estas características, también tienen una elevada eficiencia operativa, generalmente variando entre el 40% y el 60%, y una excelente respuesta dinámica, aceptando una rápida regulación de la potencia en la base de todos los requisitos de electricidad.
Nota: El principio de funcionamiento de los vehículos a celdas a combustibile a hidrogeno
Nonostante i vantaggi evidentei delle celle a combustibile a membrana a scbio protonico, presentano anche degli svantaggi. Richiedono idrogeno di altissima purezza e qualità dell'aria, poiché il catalizzatore di platino, metalo prezioso, è altamente suscettibile alla contaminazione da impurità come monossido di carbonio and solfuri, che possono ridurre significativamente l'attività catalitica e ridurre notevolmente la durata della cella a combustibile.
Cella a Combustibile Alcalina (AFC)
Las celdas de combustible alcalino (AFC) se originaron hace años en el año 60 con la tienda americana P&W, y han mejorado las celdas de combustible Bacon para crear el AFC. Estas células a combustibile sono state sucesivamente utilizadas en el programa Apollo. El AFC puede mejorar su eficiencia hasta un 70% y su diseño es muy similar al PEMFC, con la diferencia de que el AFC utiliza una solución fuertemente alcalina como electrolita, como idrossido de potasio o idrossido de sodio. Durante la reacción elettroquímica, los ioni idrossido si spostano dalla soluzione elettrolitica all'anodo, dove reagiscono con l'idrogeno in una reazione di ossidazione, produciendo acqua ed elettroni. Gli elettroni viaggiano attraverso un circuito externo fino al catodo, dove reagiscono con ossigeno e acqua per produrre altri ioni idrossido. El principio de funcionamiento de la AFC se muestra en la figura siguiente:
La temperatura operativa del AFC es similar a la del PEMFC, alrededor de 80°C. El AFC tiene una velocidad de avance más rápida, pero la densidad de corriente es solo alrededor de una décima parte del PEMFC, rendendole menos como fuentes de energía portátiles. El AFC sono le celle a combustibile più economiche da produrre e sono spesso utilizzate nei piccoli dispositivi di generazione di energia stazionari. Los catalizadores utilizados en AFC pueden ser platino o catalizadores de metal no preciosos (como el níquel), lo que implica que el costo de los electrolitos en AFC es muy inferior a los de PEMFC.
Una sfida chiave per le celle a combustibile alcaline è la loro suscettibilità all'anidride carbonica. La formación de carbonatos, así como la pequeña cantidad de anidruro carbónico en la aria, pueden influir significativamente en el rendimiento y la duración de la célula. Sebbene le AFC con elettroliti liquidi possano operare in modolità di ricircolo per rigenerare l'elettrolitae y aiutare a mitigare l'impatto della formazione di carbonati, esta modalità introduce el problema delle correnti parassite. Los sistemas eléctricos de líquido presentan también otros problemas, como la contaminación, el aumento de la corrosión y las dificultades en la gestión de las diferencias de presión.
Cella a Combustibile a Carbonato Fuso (MCFC)
Las celdas de combustión a carbonato fuso (MCFC) son una tecnología de generación de energía altamente eficiente y sostenible, con una elevada eficiencia de conversión energética y emisión pulita, rindiendo una tecnología de generación de energía prometida. Sin embargo, a causa del loro alta temperatura operativa y delle proprietà speciali dell'elettrolita a carbonato fuso, lo sviluppo delle MCFC è stato ostacolato.
La electrónica utilizada en MCFC consiste en soluciones de carbonato de litio, carbonato de sodio o carbonato de potasio. Estas celdas tienen una eficiencia mejorada hasta el 60% y una potencia operativa hasta 100 MW. Además, utilizando el calor de escape, la eficiencia de la combustión puede llegar hasta el 85%. Esta alta eficiencia se debe a todas las temperaturas operativas de 620-660 °C, lo que permite un uso más flexible de varios tipos de combustibili y catalizadores económicos (como el niquel), garantizando al mismo tiempo la conducción de la solución eléctrica. El principio de funcionamiento del MCFC se muestra en la figura siguiente:
Los MCFC pueden utilizar una variedad de combustibles, entre otros, hidrogeno, monosido de carbono, metano, biogás, gas de carbono desolforado o gas natural. Los procesos de fabricación de membranas y los electrodos de MCFC están maduros, consentiendo la producción en masa. Sin embargo, las altas temperaturas operativas y el ambiente corrosivo pueden provocar corrosión y disolución de los materiales de las células, reduciendo significativamente la duración del mismo. Actualmente, la corrosión de los materiales es una delle principali sfide che ostacolano lo sviluppo delle MCFC.
Sin problemas como la estabilidad en ambientes corrosivos y una densidad de potencia inferior rispetto ad altre celle a combustibile, la tecnología MCFC è diventata la scelta preferita per la generazione di energia stazionaria comerciale. Molte aziende in tutto il mondo stanno testando sistemi di generazione di energia MCFC su scala da kilowatt a megawatt e forniscono sistemi MCFC a industrie con richieste di potenza relativamente minori. Además, esta es la exploración de las aplicaciones del MCFC en los campos como el transporte marítimo. Gracias a su rápido desarrollo en la arroz y en la comercialización, el MCFC es líder en el número de unidades de generadores instalados entre todas las tecnologías en las células y en la combustión.
Cella a Combustibile a Ossido Solido (SOFC)
Las celdas de combustibile a ossido solido (SOFC), conocidas también como celdas de cerámica combustibile, sono el tipo de celda a combustibile más eficiente, operando a una temperatura elevada de 600-1000°C, lo que produce una actividad de reacción muy elevada. Entre todas las configuraciones de celdas de combustión, las SOFC tienen más alta eficiencia de conversión energética. Presentano anche diversi vantaggi, come essere silenziose, a bassemissioni e con una vasta gamma di opzioni di combustibile (ad ejemplo, gas naturale, gas di sintesi [una miscela di CO, H2, ecc.], biogas come il metano, gas di carbone, metano da giacimenti di carbone, gas di scisto e gas di sottoprodotti industriali).
Una SOFC è composta da un añodo, un catodo, una elettrolita, un interconnettore y materiali di sigillatura. La función principal de los aparatos eléctricos está equipada con un sitio para las respuestas de los aparatos eléctricos y se adapta a los aparatos electrónicos necesarios para estas razones. La función principal de la electrónica es realizar operaciones de eliminación de protones. L'interconnettore collega le celle singole per ottenere un'alta potenza in uscita e previene le reazioni dirette tra aria e combustibile. Los materiales de sigillatura mantienen separados los combustibles y las variables en las áreas de flujo.
Ci sono due principali tipi di strutture SOFC: tubularari y planari.
La estructura tubular es la primera estructura de celda SOFC sviluppata y actualmente es una tecnología relativamente madura. Las células tubulares tienen un alto grado de libertad y no se rompen fácilmente; utilizzano ceramiche porose come supporto, che rende la struttura robusta; El ensamblaje de las celdas es relativamente simple, lo que permite combinar fácilmente las celdas en paralelo y en serie para formar baterías de alta potencia. Sin embargo, los tubos de SOFC tienen electricidad relativamente alta, aumentando en alta resistencia óhmica y quedando en una densidad de potencia inferior.
La estructura plana SOFC y el proceso de preparación son más simples, lo que puede ahorrar significativamente los costos de producción. Le strutture planari utilizzano elettroliti a film sottile, che riducono significativamente la resistenza óhmica della cella e migliorano le sue prestazioni elettrochimiche. Sin embargo, los bordes de los componentes de las células planas deben estar protegidos por aislamiento de gases y combustibles, y los materiales de los interconectores bipolares deben estar conectados térmicamente a los materiales de los electrodos y tienen una buena resistencia a las oscilaciones de alta temperatura y conductividad.
Debido a la temperatura de reacción del SOFC de 600-1000°C, el tiempo de avance es relativamente largo, lo que implica inadaptaciones para las aplicaciones que enriquecen las operaciones de acceso y spegnimento inmediatos, como el transporte. Sin embargo, son más adaptadas a escenarios de generación de energía y bajas emisiones de carbono que operan en 24 horas, como centros de datos, fábricas, puertos, edificios de oficinas, hospitales e islas remotas.
Cella a Combustibile a Metanolo Directo (DMFC)
Las celdas de combustión a metanolo diretto (DMFC) son un tipo de celda a combustibile a membrana de estafa protónica, caratterizadas por el loro leggerezza, alta potencia, larga duración y uso de metanolo como fuente de combustibile diretto para la generación de energía. El DMFC utiliza elettrodi a membrana polimerica simili a quelli utilizzati nelle celle a combustibile a membrana a scbio protonico. Durante el funcionamiento, la cella consume acqua all'anodo e produce acqua al catodo. Cuando se utiliza metanolo puro, la densidad energética de la celda es relativamente alta, lo que proporciona una opción potencial para las aplicaciones de vehículos eléctricos.
Poiché le DMFC utilizzano metanolo direttamente come combustibile, sono facili da trasportare e utilizzare come la benzina. Il metanolo è conveniente e può essere ricavato sia da risorse rinnovabili che non rinnovabili. Conosciuto come “sole liquido”, il metanolo offre vantaggi in termini di auto-generazione di energia e stoccaggio di energia di emergenza a longo termine. Esto hace que el DMFC sea ampliamente aplicable en vehículos eléctricos, en estaciones base de comunicación, en aplicaciones militares, en propulsión marítima y en estaciones de distribución de energía, con el potencial de diversificar la corriente principal en futuros productos electrónicos portátiles.
Le DMFC possono essere suddivise in due tipi principali: pasivo y activo. Diferencias entre potencia y componentes. Las celdas de combustión pasiva generan electricidad a través del flujo natural del metanolo líquido en el interior de la celda, mientras las celdas de combustión activa utilizan una bomba para circular el metanolo en el año. La pompa regola il flusso di metanolo, garantizando un rifornimento costante di combustibile all'anodo. Un sistema de control monitorea el estado de la celda a combustibile en tiempo real, regulando la velocidad de la bomba y la concentración de metanolo para mantener las prestaciones óptimas. Esta aplicación consiente todas las células en combustibile attive di ottenere una densidad de potencia más elevada rispetto todas las células en combustibile pasiva. La scelta tra i due tipi depende de los requisitos específicos de la aplicación y del compromiso entre prestaciones y costos.
Artículos relacionados:
Aplicaciones prácticas de las celdas, combustibles, membranas y cambios protónicos
