Безмембранные топливные элементы

Безмембранные топливные элементы преобразуют накопленную химическую энергию в электрическую без использования проводящей мембраны, как в других типах топливных элементов . В топливных элементах с ламинарным потоком (LFFC) это достигается за счет использования явления несмешивающихся ламинарных потоков, когда граница раздела между двумя потоками работает как проводник протонов/ионов. Интерфейс обеспечивает высокую диффузию и устраняет необходимость в дорогостоящих мембранах. Принципы работы этих ячеек означают, что их можно построить только до размеров миллиметрового масштаба. Отсутствие мембраны означает, что они дешевле, но размер ограничивает их использование портативными приложениями, требующими небольшого количества энергии.

Другим типом безмембранного топливного элемента является топливный элемент со смешанными реагентами (MRFC). В отличие от LFFC, MRFC используют смесь топлива и электролита и, следовательно, не подпадают под те же ограничения. Без мембраны MRFC зависят от характеристик электродов, позволяющих разделить реакции окисления и восстановления. Устранив мембрану и доставив реагенты в виде смеси, MRFC потенциально могут быть проще и дешевле, чем традиционные системы топливных элементов.

Эффективность этих элементов обычно намного выше, чем у современных источников производства электроэнергии. Например, система электростанции, работающей на ископаемом топливе, может достичь эффективности преобразования электроэнергии 40%, в то время как устаревшая атомная электростанция немного ниже — 32%. Установки ядерного деления GenIII и GenIV могут достичь эффективности до 90%. при использовании прямого преобразования или эффективности до 65% при использовании магнитогидродинамического генератора в качестве дополнительного цикла {{Требуется цитирование | причина = опять же, цифры кажутся далекими. Наилучший достигнутый КПД для начального цикла составляет около 30%. На сегодняшний день улавливание остаточной тепловой энергии составляет в лучшем случае 30%, что соответствует общей эффективности в лучшем случае 51% |date=июнь 2022 г.}}. Системы топливных элементов способны достигать эффективности в диапазоне 55–70%. Однако, как и в любом процессе, топливные элементы также несут потери, связанные с их конструкцией и производственными процессами.

Обзор

Схема топливного элемента. Примечание. Электролит может представлять собой полимер или твердый оксид.

Топливный элемент состоит из электролита, который находится между двумя электродами – катодом и анодом. В простейшем случае газообразный водород проходит через катод, где он разлагается на протоны и электроны водорода. Протоны проходят через электролит (часто NAFION – производства DuPont) через анод к кислороду. Тем временем свободные электроны перемещаются по ячейке, питая заданную нагрузку, а затем соединяются с кислородом и водородом на аноде, образуя воду. Двумя распространенными типами электролитов являются протонообменная мембрана (ПЭМ) (также известная как мембрана с полимерным электролитом) 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. Наиболее распространенным методом в Соединенных Штатах (95% производства) является риформинг газа , в частности с использованием метана. который производит водород из ископаемого топлива, пропуская его через высокотемпературный паровой процесс. Поскольку ископаемое топливо в основном состоит из молекул углерода и водорода различного размера, можно использовать различные виды ископаемого топлива. Например, метанол , этанол и метан в процессе риформинга можно использовать . Для получения водорода из воды также используются комбинированные циклы электролиза и высоких температур, 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 места, зачастую удобнее использовать химические вещества непосредственно в топливном элементе. топливные элементы с прямым метанолом Например, (DMFC) используют метанол в качестве реагента вместо того, чтобы сначала использовать риформинг для производства водорода. Хотя DMFC не очень эффективны (~25%), они энергоемкие, что означает, что они вполне подходят для портативных источников питания. Еще одним преимуществом по сравнению с газообразным топливом, например, с элементами H ₂ -O ₂ , является то, что с жидкостями гораздо легче обращаться, транспортировать, перекачивать, и они часто имеют более высокую удельную энергию, что позволяет получить большую отдачу энергии. Обычно газы необходимо хранить в контейнерах высокого давления или контейнерах с криогенной жидкостью, что является существенным недостатком транспортировки жидкостей.

Безмембранные топливные элементы и принципы работы

Большинство технологий топливных элементов, используемых в настоящее время, представляют собой элементы PEM или SOFC. Однако электролит часто дорог и не всегда полностью эффективен. Хотя водородная технология значительно развилась, другие элементы на основе ископаемого топлива (например, DMFC) все еще страдают от недостатков протонообменных мембран. Например, пересечение 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 быстрому разрушению 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 Роза Сикейра.

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

Диффузия

Диффузия через интерфейс чрезвычайно важна и может серьезно повлиять на производительность 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, можно объединить с законами диффузии Фика , которые учитывают эффекты градиента концентрации и расстояния, на котором происходит диффузия:

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

где

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

Чтобы увеличить диффузионный поток, необходимо увеличить коэффициент диффузии и/или концентрацию, а длину необходимо уменьшить. Например, в DMFC толщина мембраны определяет длину диффузии, тогда как концентрация часто ограничивается из-за кроссовера. Таким образом, диффузионный поток ограничен. Безмембранный топливный элемент теоретически является лучшим вариантом, поскольку диффузионная граница раздела между обеими жидкостями чрезвычайно тонка, и использование более высоких концентраций не приводит к резкому влиянию на пересечение.

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 диффузия кислорода на катоде ограничивает скорость, поскольку коэффициент диффузии кислорода в воде намного ниже, чем коэффициент диффузии водорода. В результате характеристики LFFC также можно улучшить, отказавшись от использования водных носителей кислорода.

Исследования и разработки

Перспективы создания безмембранных топливных элементов были сведены на нет рядом проблем, присущих их конструкции. Вспомогательные конструкции являются одним из самых больших препятствий. Например, для поддержания ламинарного потока необходимы насосы, а для подачи нужного топлива в элементы могут потребоваться газовые сепараторы. Для микротопливных элементов эти насосы и сепараторы необходимо миниатюризировать и упаковать в небольшой объем (менее 1 см3). ³ ). С этим процессом связан так называемый «штраф за упаковку», который приводит к увеличению затрат. 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 самонакачивающиеся клетки (см. «Исследования и разработки»). Кроме того, при использовании высоких концентраций конкретных видов топлива, таких как метанол, кроссовер все равно происходит. Частично эту проблему можно решить, используя нанопористый сепаратор, снижающий концентрацию топлива. или выбрать реагенты, которые имеют меньшую тенденцию к кроссинговеру.

Дата: Январь 2010 г.: Исследователи разработали новый метод стимулирования самонакачки в безмембранном топливном элементе. При использовании муравьиной кислоты в качестве топлива и серной кислоты в качестве окислителя в реакции образуется CO ₂ в виде пузырьков. Пузырьки зарождаются и сливаются на аноде. Обратный клапан на стороне подачи предотвращает попадание топлива во время роста пузырьков. Обратный клапан по своей природе не механический, а гидрофобный . Создавая микроструктуры, образующие определенные углы контакта с водой, топливо не может быть вытянуто назад. По мере продолжения реакции _{больше CO 2} при расходе топлива образуется . Пузырь начинает распространяться к выходному отверстию ячейки. Однако перед выпускным отверстием гидрофобное вентиляционное отверстие позволяет выходить углекислому газу, одновременно гарантируя, что другие побочные продукты (например, вода) не засорят вентиляционное отверстие. По мере того, как углекислый газ выбрасывается, свежее топливо одновременно всасывается через обратный клапан, 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 разрушить два отдельных ламинарных потока, использовался объединенный поток топлива и окислителя. В ламинарных условиях перемешивания все равно не произойдет. Было обнаружено, что использование селективных катализаторов (т.е. не платиновых) или чрезвычайно низких скоростей потока может предотвратить кроссовер.

Проблемы масштабирования

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

Например, ламинарный поток является необходимым условием для этих клеток. Без ламинарного потока произойдет кроссовер, и потребуется физическая электролитическая мембрана. Поддержание ламинарного потока достижимо в макромасштабе, но поддержание постоянного числа Рейнольдса затруднено из-за изменений в накачке. Это изменение вызывает флуктуации на границах раздела реагентов, которые могут нарушить ламинарный поток и повлиять на диффузию и кроссовер. Однако производство самонакачивающих механизмов в макромасштабе может оказаться трудным и дорогостоящим. Чтобы воспользоваться гидрофобным эффектом, поверхности должны быть гладкими, чтобы контролировать угол контакта с водой. Стоимость производства этих поверхностей в больших масштабах значительно возрастет из-за необходимых жестких допусков. Кроме того, неясно, целесообразно ли использование насосной системы на основе углекислого газа в больших масштабах.

Безмембранные топливные элементы могут использовать механизмы самонакачки, но требуют использования топлива, которое выделяет парниковые газы (парниковые газы) и другие нежелательные продукты. При использовании экологически безопасной конфигурации топлива (например, H ₂ -O ₂ ) самостоятельная прокачка может быть затруднена. Таким образом, требуются внешние насосы. Однако для прямоугольного канала требуемое давление увеличивается пропорционально L ⁻³ , где L — единица длины ячейки. Таким образом, при уменьшении размера ячейки с 10 см до 1 см необходимое давление увеличится в 1000 раз. Для микротопливных элементов эта потребность в накачке требует высокого напряжения. Хотя в некоторых случаях электроосмотический поток может быть вызван . Однако для жидких сред также необходимы высокие напряжения. Кроме того, с уменьшением размера эффекты поверхностного натяжения также становятся значительно более важными. Для конфигурации топливного элемента с механизмом генерации углекислого газа эффекты поверхностного натяжения также могут резко увеличить требования к откачке.

Потенциальные применения LFFC

Термодинамический потенциал топливного элемента ограничивает количество энергии, которую может передать отдельный элемент. Следовательно, чтобы получить большую мощность, топливные элементы необходимо соединять последовательно или параллельно (в зависимости от того, требуется ли больший ток или напряжение). Для крупномасштабных строительных и автомобильных энергетических установок можно использовать макротопливные элементы, поскольку пространство не обязательно является ограничивающим ограничением. Однако для портативных устройств, таких как сотовые телефоны и ноутбуки, макротопливные элементы часто неэффективны из-за занимаемого ими места и меньшего времени работы. Однако LFFC идеально подходят для подобных применений. Отсутствие физической электролитической мембраны и энергоемкого топлива, которое можно было бы использовать, означает, что LFFC можно производить с меньшими затратами и меньшими размерами. В большинстве портативных устройств плотность энергии важнее эффективности из-за низких требований к мощности.