Безмембранные топливные элементы

Безмембранные топливные элементы преобразуют накопленную химическую энергию в электрическую энергию без использования проводящей мембраны, как и в других типах топливных элементов. В топливных элементах с ламинарным потоком (LFFC) это достигается за счет использования явления несмешивающихся ламинарных потоков, когда граница между двумя потоками работает как проводник протонов / ионов. Интерфейс обеспечивает высокий коэффициент диффузии и устраняет необходимость в дорогостоящих мембранах. Принцип работы этих ячеек означает, что они могут быть построены только с размерами миллиметра. Отсутствие мембраны означает, что они дешевле, но размер ограничивает их использование портативными приложениями, требующими небольшого количества энергии.

Другой тип безмембранного топливного элемента - это топливный элемент со смешанным реагентом (MRFC). В отличие от LFFC, MRFC используют смесь топлива и электролита, и поэтому на них не распространяются те же ограничения. Без мембраны MRFC зависят от характеристик электродов для разделения реакций окисления и восстановления. За счет исключения мембраны и доставки реагентов в виде смеси MRFC потенциально могут быть проще и дешевле, чем обычные системы топливных элементов.

Эффективность этих элементов обычно намного выше, чем у современных источников, производящих электричество. Например, система электростанции, работающей на ископаемом топливе, может достичь КПД электрического преобразования 40%, в то время как устаревшая атомная электростанция немного ниже - 32%. Установки ядерного деления GenIII и GenIV могут получить КПД до 90% при использовании прямого преобразования или до 65% при использовании магнитогидродинамического генератора в качестве цикла доливки. Системы топливных элементов могут достигать КПД в диапазоне 55–70%. Однако, как и в любом процессе, топливные элементы также несут потери, связанные с их конструкцией и производственными процессами.

• 1 Обзор
• 2 Безмембранные топливные элементы и принципы работы
  • 2.1 Ламинарный поток
  • 2.2 Распространение
  • 2.3 Исследования и разработки
• 3 Проблемы с масштабированием
• 4 Возможные применения LFFC
• 5 ссылки

Схема топливного элемента. Примечание: электролит может быть полимером или твердым оксидом.

Топливный элемент состоит из электролита, который помещен между двумя электродами - катодом и анодом. В простейшем случае газообразный водород проходит над катодом, где он разлагается на протоны и электроны водорода. Протоны проходят через электролит (часто NAFION - производства DuPont) через анод к кислороду. Между тем, свободные электроны перемещаются по ячейке для питания данной нагрузки, а затем соединяются с кислородом и водородом на аноде с образованием воды. Два распространенных типа электролитов - это протонообменная мембрана (PEM) (также известная как мембрана полимерного электролита) и керамический или твердооксидный электролит (часто используемый в твердооксидных топливных элементах ). Хотя водород и кислород являются очень распространенными реагентами, существует множество других реагентов, эффективность которых доказана.

Водород для топливных элементов можно производить разными способами. Самый распространенный метод в Соединенных Штатах (95% производства) - это реформинг газа, в частности, с использованием метана, который производит водород из ископаемого топлива, пропуская его через процесс высокотемпературного пара. Поскольку ископаемое топливо в основном состоит из молекул углерода и водорода различного размера, можно использовать различные виды ископаемого топлива. Например, в процессе риформинга можно использовать метанол, этанол и метан. Циклы электролиза и высокотемпературной комбинации также используются для получения водорода из воды, при этом тепло и электричество обеспечивают достаточную энергию для диссоциации атомов водорода и кислорода.

Однако, поскольку эти методы производства водорода часто требуют больших затрат энергии и пространства, часто удобнее использовать химические вещества непосредственно в топливном элементе. Например, в топливных элементах с прямым метанолом (DMFC) в качестве реагента используется метанол вместо того, чтобы сначала использовать преобразование для получения водорода. Хотя DMFC не очень эффективны (~ 25%), они обладают высокой энергоемкостью, что означает, что они вполне подходят для портативных источников питания. Еще одно преимущество перед газообразным топливом, как в ячейках с H 2 -O 2, состоит в том, что с жидкостями намного легче обращаться, транспортировать, перекачивать и часто они имеют более высокую удельную энергию, что позволяет увеличить извлечение энергии. Обычно газы необходимо хранить в контейнерах высокого давления или контейнерах с криогенной жидкостью, что является существенным недостатком для транспортировки жидкости.

Большинство технологий топливных элементов, используемых в настоящее время, представляют собой элементы PEM или SOFC. Однако электролит часто бывает дорогим и не всегда полностью эффективным. Хотя водородная технология значительно эволюционировала, другие элементы на основе ископаемого топлива (например, DMFC) по-прежнему страдают от недостатков протонообменных мембран. Например, переход топлива означает, что необходимо использовать низкие концентрации, что ограничивает доступную мощность элемента. В твердооксидных топливных элементах необходимы высокие температуры, которые требуют энергии и могут также привести к более быстрой деградации материалов. Безмембранные топливные элементы предлагают решение этих проблем.

Ламинарный поток

Вихревая улица вокруг цилиндра. В начале вихря обе жидкости разделены. Это указывает на ламинарный поток с минимальным перемешиванием. Фотография любезно предоставлена ​​Чезарео де ла Роса Сикейра.

LFFC преодолевают проблему нежелательного кроссовера путем манипулирования числом Рейнольдса, которое описывает поведение жидкости. В общем, при низких числах Рейнольдса поток является ламинарным, тогда как турбулентность возникает при более высоком числе Рейнольдса. В ламинарном потоке две жидкости будут взаимодействовать в основном посредством диффузии, что означает, что смешивание ограничено. Выбрав правильное топливо и окислители в LFFC, можно позволить протонам диффундировать от анода к катоду через границу раздела двух потоков. LFFC не ограничиваются жидким сырьем, и в некоторых случаях, в зависимости от геометрии и реагентов, газы также могут быть полезными. В современных конструкциях топливо и окислитель впрыскиваются в два отдельных потока, которые текут бок о бок. Граница раздела между жидкостями действует как электролитическая мембрана, через которую диффундируют протоны. Безмембранные топливные элементы имеют преимущество в стоимости из-за отсутствия электролитической мембраны. Кроме того, уменьшение кроссовера также увеличивает топливную экономичность, что приводит к более высокой выходной мощности.

Диффузия

Распространение через интерфейс чрезвычайно важно и может серьезно повлиять на характеристики топливных элементов. Протоны должны иметь возможность диффундировать как через топливо, так и через окислитель. Коэффициент диффузии, термин, который описывает легкость диффузии элемента в другой среде, может быть объединен с законами диффузии Фика, которые учитывают эффекты градиента концентрации и расстояния, на котором происходит диффузия:

${\ displaystyle {\ bigg.} J = -D {\ frac {\ partial \ phi} {\ partial x}} {\ bigg.}}$

где

• ${\ displaystyle J}$ - диффузионный поток в размерах [( количество вещества ) длина ⁻² время ⁻¹ ], например. измеряет количество вещества, которое будет проходить через небольшую площадь за небольшой промежуток времени. ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {\ mathrm {mol}} {m ^ {2} \ cdot s}} \ right)}$${\ displaystyle J}$
• ${\ displaystyle \, D}$ - коэффициент диффузии или коэффициент диффузии в размерах [длина ² раз ^-1 ], например ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {м ^ {2}} {s}} \ right)}$
• ${\ displaystyle \, \ phi}$ (для идеальных смесей) - концентрация в размерах [(количество вещества) длина ⁻³ ], например ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {\ mathrm {mol}} {m ^ {3}}} \ right)}$
• ${\ Displaystyle \, х}$ - длина диффузии, т.е. расстояние, на котором происходит диффузия.

Чтобы увеличить диффузионный поток, необходимо увеличить коэффициент диффузии и / или концентрацию, в то время как длину необходимо уменьшить. В DMFC, например, толщина мембраны определяет длину диффузии, в то время как концентрация часто ограничивается из-за кроссовера. Таким образом, диффузионный поток ограничен. Безмембранный топливный элемент теоретически является лучшим вариантом, поскольку диффузионная поверхность раздела между обеими жидкостями чрезвычайно тонкая, и использование более высоких концентраций не приводит к значительному влиянию на кроссовер.

В большинстве конфигураций топливных элементов с жидким сырьем топливо и окислительные растворы почти всегда содержат воду, которая действует как диффузионная среда. Во многих водородно-кислородных топливных элементах скорость диффузии кислорода на катоде ограничена, поскольку коэффициент диффузии кислорода в воде намного ниже, чем у водорода. В результате характеристики LFFC также можно улучшить, не используя водные носители кислорода.

Исследования и разработки

Перспективы безмембранных топливных элементов нивелируются несколькими проблемами, присущими их конструкциям. Вспомогательные конструкции - одно из самых больших препятствий. Например, насосы необходимы для поддержания ламинарного потока, в то время как газовые сепараторы могут потребоваться для подачи правильного топлива в ячейки. Для микротопливных элементов эти насосы и сепараторы должны быть уменьшены в размерах и упакованы в небольшой объем (менее 1 см ³). С этим процессом связан так называемый «штраф за упаковку», который приводит к более высоким затратам. Кроме того, мощность накачки резко возрастает с уменьшением размера (см. Законы масштабирования), что является недостатком. Чтобы сделать эту технологию жизнеспособной, необходимо разработать эффективные методы упаковки и / или самокачивающие элементы (см. «Исследования и разработки»). Кроме того, при использовании высоких концентраций определенных видов топлива, таких как метанол, все же происходит переход. Эта проблема может быть частично решена путем использования нанопористого сепаратора, снижения концентрации топлива или выбора реагентов, которые имеют меньшую тенденцию к переходу.

Дата: январь 2010 г.: Исследователи разработали новый метод самонакачки в безмембранном топливном элементе. Используя муравьиную кислоту в качестве топлива и серную кислоту в качестве окислителя, CO 2 образуется в реакции в виде пузырьков. Пузырьки зарождаются и сливаются на аноде. Обратный клапан на стороне подачи предотвращает попадание топлива во время роста пузырьков. Обратный клапан не механический, а гидрофобный по своей природе. Создавая микроструктуры, которые образуют определенные углы контакта с водой, топливо не может быть отведено назад. По мере продолжения реакции при расходе топлива образуется больше CO 2. Пузырь начинает распространяться к выходному отверстию ячейки. Однако перед выпускным отверстием гидрофобный выпускной канал позволяет улетучиваться диоксиду углерода, одновременно гарантируя, что другие побочные продукты (например, вода) не забивают выпускное отверстие. По мере удаления углекислого газа через обратный клапан одновременно всасывается и свежее топливо, и цикл начинается снова. Таким образом, прокачка топливного элемента регулируется скоростью реакции. Этот тип элемента не является двухпоточным топливным элементом с ламинарным потоком. Поскольку образование пузырьков может нарушить два отдельных ламинарных потока, использовался комбинированный поток топлива и окислителя. В ламинарных условиях перемешивания все равно не произойдет. Было обнаружено, что использование селективных катализаторов (например, не платиновых) или чрезвычайно низкие скорости потока могут предотвратить переход.

Безмембранные топливные элементы в настоящее время производятся в микромасштабе с использованием производственных процессов, применяемых в области MEMS / NEMS. Эти размеры ячеек подходят для малых масштабов из-за ограничений их принципов работы. Масштабирование этих элементов до диапазона 2–10 Вт оказалось трудным, поскольку в больших масштабах элементы не могут поддерживать правильные рабочие условия.

Например, для этих ячеек необходимым условием является ламинарный поток. Без ламинарного потока может произойти пересечение, и потребуется физическая электролитическая мембрана. Поддержание ламинарного потока возможно в макромасштабе, но поддержание постоянного числа Рейнольдса затруднительно из-за изменений в перекачке. Это изменение вызывает колебания на границах раздела реагентов, которые могут нарушить ламинарный поток и повлиять на диффузию и переход. Однако самонакачные механизмы могут быть трудными и дорогостоящими в производстве в макромасштабе. Чтобы воспользоваться гидрофобным эффектом, поверхности должны быть гладкими, чтобы контролировать угол контакта с водой. При производстве этих поверхностей в больших масштабах стоимость значительно возрастет из-за необходимых жестких допусков. Также неясно, жизнеспособно ли использование насосной системы на основе углекислого газа в больших масштабах.

В безмембранных топливных элементах могут использоваться механизмы самоперекачки, но требуется использование топлива, которое выделяет ПГ (парниковые газы) и другие нежелательные продукты. Использование экологически чистого топлива (такого как H 2 -O 2 ) может быть затруднено при самокачке. Таким образом, требуются внешние насосы. Однако для прямоугольного канала необходимое давление увеличивается пропорционально L- ³, где L - единица длины ячейки. Таким образом, при уменьшении размера элемента с 10 см до 1 см необходимое давление увеличится на 1000. Для микротопливных элементов эта потребность в перекачке требует высоких напряжений. Хотя в некоторых случаях можно вызвать электроосмотическое течение. Однако для жидких сред также требуются высокие напряжения. Кроме того, с уменьшением размера эффекты поверхностного натяжения также становятся значительно более важными. Для конфигурации топливного элемента с механизмом генерации диоксида углерода эффекты поверхностного натяжения также могут резко увеличить требования к перекачке.

Термодинамический потенциал топливного элемента ограничивает количество энергии, которое может выдать отдельный элемент. Следовательно, для получения большей мощности топливные элементы должны быть подключены последовательно или параллельно (в зависимости от того, требуется ли больший ток или напряжение). В крупномасштабных зданиях и в автомобильной энергетике могут использоваться топливные элементы с макроэлементами, поскольку пространство не обязательно является ограничивающим ограничением. Однако для портативных устройств, таких как сотовые телефоны и ноутбуки, топливные элементы с макроэлементами часто неэффективны из-за их требований к пространству и меньшего времени работы. Однако LFFC идеально подходят для таких приложений. Отсутствие физической электролитической мембраны и энергоемких топлив, которые можно использовать, означает, что LFFC могут производиться с меньшими затратами и меньшими размерами. В большинстве портативных приложений плотность энергии более важна, чем эффективность из-за низких требований к мощности.