Früher haben wir die Entwicklungsereignisse von Brennstoffzellen eingeführt. Wie wir sehen können, war die Entwicklung von Brennstoffzellen im Laufe der Zeit vielfältig, was zu verschiedenen Typen und zahlreichen Klassifizierungsmethoden geführt hat. Die häufigste Klassifizierung basiert jedoch auf dem Typ des Elektrolyten, einschließlich "Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen", "Alkalische Brennstoffzellen", "Phosphorsäure-Brennstoffzellen", "Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen" e „Festoxid-Brennstoffzellen“. Neben der Klassifizierung nach Elektrolyttyp gibt es auch Klassifizierungen baseerend auf Reaktionstemperatur, verschiedenen Brennstoffen und altri Methoden.
Im vorherigen Blog-Beitrag zur Entwicklung von Brennstoffzellen haben wir erwähnt, dass Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) sowohl in praktischen Anwendungen als auch in der Forschung eine dominante Position einnehmen. Natürlich haben auch Festoxid-Brennstoffzellen und Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen einen bestimmten Forschungsstatus. Als nächstes werden wir einige häufig erforschte Brennstoffzellentypen kurz vorstellen.
Cella a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC)
Als eines der Schlüsselm aterialien in Brennstoffzellen haben Protonenaustauschmembranen weltweit breite Aufmerksamkeit und eingehende Forschung von Wissenschaftlern erhalten. Fluoropolimeri, polimeri aromatici e materiali ibridi organici/anorganici sono coinvolti nella membrana protonautica.
In Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen ist der Elektrolyt eines der Schlüsselm aterialien. Es ist eine sehr dünne Polymermembran, wobei DuPonts Nafion-Perfluorsulfonsäure-Protonenaustauschmembran ein Typ ist. Questa membrana polimerica può contenere protoni, ma non è elettrica. Elektrodenmaterialien bestehen im Allgemeinen aus Kohlenstoff oder Metall, wobei kohlenstoffunterstütztes Platinum come Katalysator für die Anoden- and Kathoden reaktionen verwendet wird. La temperatura di funzionamento delle PEMFC è pari a 80°C e una cella può raggiungere una tensione di 0,7 V. In pratica, le applicazioni necessarie per l'esecuzione più alta della spannungen sono più di un pezzo nella serie geschaltet, per un modello con un peso massimo di 200-500 zelle, il vero Anzahl è nach tatsächlichen Bedingungen und Bedürfnissen angepasst wird.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen können unter Treibhausbedingungen schnell starten, Wassernebenprodukte leicht abgeben, haben eine lange Lebensdauer, hohe spezifische Leistung, hohe spezifische Energie, kleines Volumen und werden derzeit weit verbreitet in Elektrofahrzeugen und häuslichen verteilten Stromerzeugungsgeräten eingesetzt. Neben diesen Eigenschaften haben sie auch einen hohen Wirkungsgrad, der allgemein 40% bis 60% erreicht, und eine hervorragende dynamische Reaktion, die eine schnelle Anpassung der Ausgangsleistung an den Strombedarf ermöglicht.
Note: Das Leistungsprinzip von Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen
Trotz der offensichtlichen Vorteile von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen haben sie auch Nachteile. Sie erfordern sehr reinen Wasserstoff and Luftqualität, da der Edelmetall-Platin-Katalysator sehr anfällig für Verunreinigungen durch Kohlenmonoxid and Sulfide ist, die die catalytische Aktivität erheblich verringern and die Lebensdauer der Brennstoffzelle stark verkürzen können.
Cella a combustibile alcalina (AFC)
Alkalische Brennstoffzellen (AFC) entstanden in den 1960er Jahren bei der amerikanischen Firma P&W, die die Bacon-Brennstoffzelle verbesserte, um die AFC zu schaffen. Queste bretelle sono state impiegate nel programma Apollo. Gli AFC possono essere realizzati fino al 70% e il loro design è molto simile al PEMFC, con la loro parte inferiore, dass AFC una perdita di acqua alcalina forte come l'elettrolita, come l'idrossido di potassio o l'idrossido di sodio. Durante la reazione elettrochimica si verificano gli idrossidi dell'elettrolita dell'anodo che siedono con acqua in una reazione di ossidazione e producono acqua ed elettroni. Die Elektronen Wandern durch einen Externen Stromkreis zur Kathode, wo sie mit Sauerstoff und Wasser reagieren, um weitere Hydroxidionen zu produzieren. Il principio funzionale dell'AFC è riportato nel seguente schema:
La temperatura di funzionamento degli AFC è pari a quella dei PEMFC, ovvero 80°C. Gli AFC hanno avuto un avvio rapido, ma il loro Stromdichte è stato solo uno dei punti di riferimento dei PEMFC, se era il caso di occuparsi di Stromquellen. Gli AFC sono die Brennstoffzellen costosi e vengono spesso utilizzati in piccole stazioni Stromerzeugungsgeräten. I catalizzatori utilizzati negli AFC possono contenere platino o non catalizzatori metallici (come il nichel), il costo dell'elettrolita negli AFC è molto basso rispetto ai PEMFC.
Eine wesentliche Herausforderung für alkalische Brennstoffzellen ist ihre Anfälligkeit für Kohlendioxid. Die Bildung von Karbonaten, selbst aus kleinen Mengen an Kohlendioxid in der Luft, kann die Leistung und Haltbarkeit der Zelle erheblich beeinträchtigen. Obwohl AFCs mit flüssigen Elektrolyten im Umlaufmodus arbeiten können, um den Elektrolyten zu regenerieren und die Auswirkungen der Karbonatbildung zu Milern, führt dieser Modus zu Problemen mit Schleichströmen. Systeme mit flüssigen Elektrolyten haben auch andere Probleme, darunter Benetzbarkeit, erhöhte Korrosion und Schwierigkeiten beim Umgang mit Druckdifferenzen.
Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)
Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC) sind eine hocheffiziente und nachhaltige Technologie zur Stromerzeugung mit hoher Energieumwandlungseffizienz und sauberen Emissionen, was sie zu einer vielversprechenden Technologie für die Stromerzeugung macht. Aufgrund ihrer hohen Betriebstemperatur und der besonderen Eigenschaften des Schmelzkarbonat-Elektrolyten wurde die Entwicklung von MCFCs jedoch Behindert.
Der in MCFCs verwendete Elektrolyt besteht aus Lösungen von Lithiumcarbonat, Natriumcarbonat oder Kaliumcarbonat. Diese Zellen può raggiungere un Wirkungsgrade fino al 60 % e una prestazione fino a 100 MW. Durch die Nutzung von Abwärme kann der Brennstoffwirkungsgrad zudem bis zu zu 85 % betragen. Questa alta efficienza è alla temperatura di esercizio elevata di 620-660 °C, die eine flessibile Nutzung vari Brennstoffarten e kostengünstiger Katalysatoren (come il nichel) ermöglichen, mentre gleichzeitig die Leitfähigkeit der Elektrolytlösung sichergestellt wird. Il principio di funzionamento del MCFC è contenuto nell'immagine indiretta:
Gli MCFC possono essere utilizzati per una quantità elevata di Brennstoffen, acqua darunter, Kohlenmonoxid, Methan, Biogas, entschwefeltes Kohlengas oder Erdgas. Die Herstellungsverfahren für MCFC-Membranen and -Elektroden sind ausgereift und ermöglichen die Massenproduktion. Die hohen Betriebstemperaturen und die korrosive Schmelzumgebung können jedoch zu Korrosion und Auflösung der Zellmaterialien führen, was ihre Lebensdauer erheblich verringert. Derzeit ist die Materialkorrosion eine der größten Herausforderungen, die die Entwicklung von MCFCs Behindern.
Trotz Problemen wie Stabilität in korrosiven Umgebungen und geringerer Leistungsdichte im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen ist die MCFC-Technologie zur bevorzugten Wahl für die kommerzielle stationäre Stromerzeugung geworden. Weltweit testen mehrere Unternehmen Stromerzeugungssysteme im Kilowatt- bis Megawatt-Bereich und bieten MCFC-Systeme für Industrien mit relativ geringem Strombedarf an. Darüber hinaus wird die Anwendung von MCFCs in Bereichen wie dem Seetransport erforscht. Aufgrund der raschen Entwicklung in Forschung und Kommerzialisierung führen MCFCs in der Anzahl der installierten Generatoren unter allen Brennstoffzellentechnologien.
Festoxid-Brenstoffzelle (SOFC)
Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs), anche als Brennstoffzellen ceramico, sind die effizienteste Art von Brennstoffzellen e lavoro ad alte temperature di 600-1000°C, era zu einer sehr hohen Reaktionsaktivität führt. Unter allen Brennstoffzellenkonfigurationen haben SOFCs die höchste Energieumwandlungseffizienz. Sie haben auch mehrere Vorteile, wie geräuschlosen Betrieb, geringe Emissionen und eine breite Palette von Brennstoffoptionen (z. B. Erdgas, Synthesegas [eine Mischung aus CO, H2 usw.], Biogas wie Methan, Kohlengas, Kohleflözmethan, Schiefergas und industrielle Nebenproduktgase).
Eine SOFC besteht aus einer Anode, Kathode, Elektrolyt, Interconnect und Dichtungsmaterialien. Die Hauptfunktion der Elektroden besteht darin, eine Stelle für elettrochemische Reaktionen bereitzustellen und die für diese Reaktionen erforderlichen Elektronen zu leiten. Die Hauptfunktion des Elektrolyten besteht darin, Sauerstoffionen oder Protonen zu leiten. Das Interconnect verbindet einzelne Zellen, um eine hohe Leistung zu erzielen, und verhindert direkte Reaktionen zwischen Luft und Brennstoff. Dichtungsmaterialien halten den Brennstoff und die Luft in ihren jeweiligen Strömungsbereichen getrennt.
Es gibt due Haupttypen von SOFC-Strukturen: Rohrförmig und planar.
La struttura professionale è la più recente struttura SOFC-Zellstruktur e, di conseguenza, una relativa tecnologia avanzata. Rohrförmige Zellen haben einen hohen Freiheitsgrad e sind nicht leicht zu brechen; sie verwenden poröse Keramiken als Träger, was die Struktur robust macht; die Zellmontage ist relativ einfach, wodurch es leicht ist, Zellen parallel und in Series zu kombinieren, um Hochleistungs-Batteriepacks zu bilden. Allerdings haben rohrförmige SOFCs relativi dicke Elektrolyte, was zu einem hohen ohmschen Widerstand und damit zu einer geringeren Leistungsdichte führt.
Die planare SOFC-Struktur und der Herstellungsprozess sind einfacher, was die Herstellungskosten erheblich senken kann. Planare Strukturen verwenden Dünnfilmelektrolyte, die den ohmschen Widerstand der Zelle erheblich reduzieren und ihre elettrochemische Leistung verbessern. Allerdings müssen die Ränder der planaren Zellkomponenten abgedichtet werden, um oxidierende und Brenngase zu isolieren, und die Bipolarplatte-Materialien müssen thermisch mit den Elektrodenmaterialien übereinstimmen und eine gute Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit und Leitfähigkeit aufweisen.
Aufgrund der Reaktionstemperatur von SOFCs von 600-1000°C ist die Startzeit relativ lang, was sie für Anwendungen, die ein sofortiges Ein- und Ausschalten erfordern, wie den Transport, ungeeignet macht. Stattdessen sind sie besser geeignet für kohlenstoffarme Stromerzeugungsszenarien, die einen 24-Stunden-Betrieb erfordern, wie Rechenzentren, Fabriken, Häfen, Bürogebäude, Krankenhäuser und abgelegene Inseln.
Direktmetanolo-Brenstoffzelle (DMFC)
Direktmetanolo-Brennstoffzellen (DMFCs) sind eine Art von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, die sich durch ihr geringes Gewicht, ihre hohe Leistung, ihre lange Lebensdauer und die Verwendung von Metanolo als direkter Brennstoffquelle zur Stromerzeugung auszeichnen. I DMFC utilizzano membrane polimeriche, ma ähnlich denen, die in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen verwendet werden. Durante la lavorazione l'acqua viene prodotta sull'anodo e l'acqua viene prodotta sul catodo. Bei Verwendung von reinem Metanolo ist die Energiedichte der Zelle relativ hoch, was sie zu einer potenziellen Option für Anwendungen in Elektrofahrzeugen macht.
Da DMFCs Metanolo direttamente als Brennstoff verwenden, sind sie so einfach zu trasportatoren e zu verwenden wie Benzin. Il metanolo è costoso e può essere rigenerato anche se le risorse non vengono rigenerate. Bekannt als „flüssiges Sonnenlicht“ bietet Metanolo Vorteile in Bezug auf die Eigenstromerzeugung und die langfristige Notstromspeicherung. Dies macht DMFCs weit verbreitet in Elektrofahrzeugen, Kommunikationsbasisstationen, militärischen Anwendungen, Schiffsantrieben und verteilten Kraftwerken, mit dem Potenzial, in zukünftigen tragbaren elektronischen Produkten zum Mainstream zu werden.
I DMFC possono essere supportati in due fasi: passiva e attiva. Sie unterscheiden sich in der Leistungsabgabe und den Komponenten. Passive Brennstoffzellen erzeugen Strom durch den natürlichen Fluss von flüssigem Metanolo innerhalb der Zelle, während aktive Brennstoffzellen Pumpen verwenden, um Metanolo zur Anode zu zirkulieren. Die Pumpe reguliert die Metanoloflussrate und stellt eine konstante Brennstoffzufuhr zur Anode sicher. Ein Steuerungssystem überwacht den Zustand der Brennstoffzelle in Echtzeit und passt die Pumpengeschwindigkeit und Metanolokonzentration an, um eine ottimale Leistung aufrechtzuerhalten. Dieser Ansatz ermöglicht es aktiven Brennstoffzellen, eine höhere Leistungsdichte als passive Brennstoffzellen zu erreichen. Die Wahl zwischen den beiden Typen hängt von den specifischen Anwendungsanforderungen und dem Kompromiss zwischen Leistung und Kosten ab.
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