Безмембранные топливные элементы - Membraneless Fuel Cells - Wikipedia

Безмембранные топливные элементы преобразовывать 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 между двумя потоками работает как проводник протонов / ионов. Интерфейс обеспечивает высокий коэффициент диффузии и устраняет необходимость в дорогостоящих мембранах. Принцип работы этих элементов 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.^[1]

Эффективность этих элементов обычно намного выше, чем у современных источников электроэнергии. Например, электростанция на ископаемом топливе Система может достичь КПД электрического преобразования 40%, в то время как устаревшая АЭС немного ниже - 32%. Установки ядерного деления GenIII и GenIV могут достичь КПД до 90% при использовании прямого преобразования или до 65% при использовании магнитогидродинамического генератора в качестве цикла доливки.Топливная ячейка системы способны достигать КПД в диапазоне 55% –70%. Однако, как и в случае с любым другим процессом, топливные элементы также несут потери, связанные с их конструкцией и производственными процессами.

Обзор

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, чтобы запитать данную нагрузку, а затем соединяются с кислородом и водородом на аноде с образованием воды. Два распространенных типа электролитов - это протонообменная мембрана (PEM) (также известный как мембрана с полимерным электролитом) и керамический или твердооксидный электролит (часто используемый в Твердооксидные топливные элементы ). 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 США (95% производства) - через Газовый риформинг, особенно с использованием метана,^[2] который производит водород из ископаемого топлива, пропуская его через высокотемпературный паровой процесс. Поскольку ископаемое топливо в основном состоит из молекул углерода и водорода различных размеров, можно использовать различные виды ископаемого топлива. Например, метанол, этиловый спирт, и метан все можно использовать в процессе реформирования. Электролиз и высокотемпературные комбинированные циклы также используются для получения водорода из воды, посредством чего тепло и электричество обеспечивают достаточную энергию для диссоциации атомов водорода и кислорода.

Однако, поскольку эти методы производство водорода часто являются энергоемкими и занимают много места, часто удобнее использовать химические вещества непосредственно в топливном элементе. Топливные элементы с прямым метанолом (DMFC), например, используют метанол в качестве реагента вместо того, чтобы сначала использовать реформацию для получения водорода. Хотя DMFC не очень эффективны (~ 25%),^[3] они обладают высокой энергоемкостью, что означает, что они вполне подходят для портативных источников питания. Еще одно преимущество перед газообразным топливом, так как в H₂-O₂ ячеек, заключается в том, что жидкости намного проще обрабатывать, транспортировать, перекачивать и часто имеют более высокие удельные энергии, 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.

Безмембранные топливные элементы и принципы работы

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 претерпела значительные изменения, 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

А 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 Число Рейнольдса, который описывает поведение жидкости. Как правило, 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.^[4] LFFC не ограничиваются жидким сырьем, и в некоторых случаях, в зависимости от геометрии и реагентов, газы также могут быть полезными. Современные конструкции впрыскивают топливо и окислитель 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.

Распространение

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 Законы диффузии Фика который учитывает эффекты градиента концентрации и расстояния, на котором происходит диффузия:

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

куда

• ${\displaystyle J}$ - диффузионный поток в размерностях [(количество вещества ) длина⁻² время⁻¹], пример ${\displaystyle \left({\tfrac {\mathrm {mol} }{m^{2}\cdot s}}\right)}$. ${\displaystyle J}$ измеряет количество вещества, которое будет протекать через небольшую площадь за небольшой промежуток времени.
• ${\displaystyle \,D}$ это коэффициент диффузии или же диффузионность в размерах [длина² время⁻¹], пример ${\displaystyle \left({\tfrac {m^{2}}{s}}\right)}$
• ${\displaystyle \,\phi }$ (для идеальных смесей) - концентрация в размерах [(количество вещества) длина⁻³], пример ${\displaystyle \left({\tfrac {\mathrm {mol} }{m^{3}}}\right)}$
• ${\displaystyle \,x}$ - 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. Например, в DMFC 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 диффузия кислорода на катоде ограничена по скорости, поскольку коэффициент диффузии кислорода в воде намного ниже, чем у водорода.^[5][6] В результате характеристики LFFC также можно улучшить, не используя водные носители кислорода.

Исследования и разработки

Перспективы безмембранных топливных элементов были нивелированы 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 миниатюрными и упакованы в небольшой объем (менее 1 см.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 самокачивающиеся ячейки (см. «Исследования и разработки»). Кроме того, при использовании высоких концентраций определенных видов топлива, таких как метанол, все же происходит переход. Частично эту проблему можно решить, используя нанопористый сепаратор, снижающий концентрацию топлива.^[7] или выбор реагентов, которые имеют меньшую склонность к кроссоверу.

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, CO₂ 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 в природе. Создавая микроструктуры, которые образуют определенные углы контакта с водой, топливо не может быть отведено назад. По мере продолжения реакции больше CO₂ образуется при расходе топлива. Пузырь начинает распространяться к выходному отверстию ячейки. Однако перед выпускным отверстием гидрофобное вентиляционное отверстие позволяет улетучиваться диоксиду углерода, одновременно гарантируя, что другие побочные продукты (например, вода) не забивают вентиляционное отверстие. По мере удаления углекислого газа через обратный клапан также всасывается 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 (т.е. не платиновых) или чрезвычайно низких скоростей потока может предотвратить переход.^[8][9]

Проблемы с масштабированием

Безмембранные топливные элементы в настоящее время производятся в микромасштабах с использованием производственных процессов, обнаруженных в МЭМС / НЭМС площадь. Эти размеры ячеек подходят для малых масштабов из-за ограничений их принципов работы. Масштабирование этих ячеек до диапазона 2–10 Вт оказалось трудным.^[10] поскольку в больших масштабах ячейки 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 самонакасные 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 диоксида углерода в больших масштабах.

Безмембранные топливные элементы могут использовать механизмы самоперекачки, но требует использования топлива, которое выделяет ПГ (парниковые газы) и другие нежелательные продукты. Чтобы использовать экологически чистую конфигурацию топлива (например, H₂-O₂), самокачка может быть затруднена. 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 это требование перекачки требует высоких напряжений. Хотя в некоторых случаях Электроосмотический поток можно вызвать. Однако для жидких сред также требуются высокие напряжения. Далее, при уменьшении размера, поверхностное натяжение эффекты также становятся значительно более важными. Для конфигурации топливного элемента с механизмом генерации диоксида углерода эффекты поверхностного натяжения могут также резко увеличить требования к перекачке.

Возможные применения LFFC

Термодинамический потенциал топливного элемента ограничивает количество энергии, которую 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). Для крупномасштабных строительных и автомобильных систем 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 того, что они занимают меньше места, а время работы меньше. Однако LFFC идеально подходят для таких приложений. Отсутствие физической электролитической мембраны и энергоемких топлив, которые можно использовать, означает, что LFFC можно производить с меньшими затратами и меньшими размерами. В большинстве портативных приложений плотность энергии более важна, чем эффективность из-за низких требований к мощности.

Рекомендации

1. «Технология MRFC - Альтернативы энергии Mantra». Альтернативы энергии мантры. Получено 2015-10-27.
2. Рагеб, Магди. «Паровое реформирование». Лекция. Системы хранения энергии. Университет Иллинойса, 3 октября 2010 г. Web. 12 октября 2010 г. <https://netfiles.uiuc.edu/mragheb/www/NPRE%20498ES%20Energy%20Storage%20Systems/index.htm В архиве 2012-12-18 в Wayback Machine >.
3. Кин Т., У. Ши, Ч. Янг, Г. Ю. «Оценка скорости перехода метанола в PEM и эффективности DMFC с помощью анализа переходных процессов». Журнал источников энергии 161.2 (2006): 1183–186. Распечатать.
4. 1. Э. Р. Чобан, Л. Дж. Маркоски, А. Вецковский, П. Дж.А. Кенис, Микрожидкостный топливный элемент на основе ламинарного потока. J. Источники энергии, 2004, 128, 54–60.
5. Фукада, Сатоши. «Анализ скорости восстановления кислорода в топливном элементе с протонообменной мембраной». Преобразование энергии и управление 42.9 (2000): 1121. Print.
6. Верхаллен П., Л. Оомен, А. Эльзен и А. Крюгер. «Коэффициенты диффузии гелия, водорода, кислорода и азота в воде, определяемые по проницаемости застойного жидкого слоя в квазистационарном состоянии». Химическая инженерия 39.11 (1984): 1535–541. Распечатать.
7. Холлингер, Адам С., Р. Дж. Мэлони, Л. Дж. Маркоски, П. Дж. Кенис, Р. С. Джаяшри и Д. Натараджан. «Нанопористый сепаратор и низкая концентрация топлива для минимизации кроссовера в топливных элементах с ламинарным потоком метанола». Журнал источников энергии 195.11 (2010): 3523–528. Распечатать.
8. Д. Д. Мэн и К.-Дж. Ким, «Микронасос жидкости путем направленного роста и избирательного выпуска газовых пузырьков», Lab on a Chip, 8 (2008), стр. 958-968.
9. Менг, Д. Д., Дж. Хур и К. Ким. «МЕМБРАННЫЙ МИКРО ТОПЛИВНЫЙ ЧИП, ВКЛЮЧАЕМЫЙ САМОКАЧИВАНИЕМ ТОПЛИВНО-ОКСИДАНТНОЙ СМЕСИ. Proc. 23-й Международной конференции по микроэлектромеханическим системам, 2010 г., Ванчай, Гонконг. Распечатать.
10. Абруна, Х. и А. Строок. «Явления переноса и межфазная кинетика в плоских микрофлюидных безмембранных топливных элементах». Водородная программа. Министерство энергетики США. Интернет. 25 ноября 2010 г. <http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review10/bes017_abruna_2010_o_web.pdf >.