תאי דלק: סוגים, עקרון הפעולה ותכונות

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-02 13:54

מימן הוא דלק נקי מכיוון שהוא מייצר רק מים ומספק אנרגיה נקייה באמצעות מקורות אנרגיה מתחדשים. ניתן לאחסן אותו בתא דלק המייצר חשמל באמצעות מכשיר המרה אלקטרוכימי. מימן הוא מקור האנרגיה המהפכנית של העתיד, אך התפתחותו עדיין מוגבלת מאוד. הסיבות: אנרגיה קשה לייצור, עלות אפקטיבית ומאזן אנרגיה מפוקפק בשל אופיו עתיר האנרגיה של התכנון. אבל אפשרות אנרגיה זו מציעה פרספקטיבות מעניינות במונחים של אחסון אנרגיה, במיוחד כשמדובר במקורות מתחדשים.

חלוצי תאי דלק

המושג הוכח ביעילות על ידי האמפרי דייווי בתחילת המאה התשע-עשרה. לאחר מכן, עבודתו החלוצית של כריסטיאן פרידריך שונביין ב-1838. בתחילת שנות ה-60, נאס א, בשיתוף פעולה עם שותפים תעשייתיים, החלה לפתח גנרטוריםמסוג זה לטיסות חלל מאוישות. זה הביא לבלוק הראשון של PEMFC.

חוקר נוסף של GE, לאונרד נידרך, שדרג את ה-PEMFC של גראב באמצעות פלטינה כזרז. Grubb-Niedrach פותחה עוד בשיתוף פעולה עם נאס א ושימשה את תוכנית החלל Gemini בסוף שנות ה-60. תאי דלק בינלאומיים (IFC, לימים UTC Power) פיתחו את מכשיר ה-1.5 קילוואט עבור טיסות אפולו בחלל. הם סיפקו חשמל ומי שתייה לאסטרונאוטים במהלך משימתם. IFC פיתחה לאחר מכן את יחידות ה-12kW המשמשות לספק כוח על הסיפון לכל טיסות החללית.

אלמנט הרכב הומצא לראשונה על ידי Grulle בשנות ה-60. GM השתמשה ביוניון קרביד במכונית "אלקטרובן". היא שימשה רק כמכונית חברה, אך יכלה לנסוע עד 120 מייל על טנק מלא ולהגיע למהירויות של עד 70 מייל לשעה. קורדש וגרולק ערכו ניסויים באופנוע מימן ב-1966. זו הייתה תא היברידית עם סוללת NiCad במקביל שהשיגה 1.18 ליטר/100 ק"מ מרשימים. למהלך זה יש טכנולוגיה מתקדמת של אופניים חשמליים ומסחור של אופנועים חשמליים.

בשנת 2007, מקורות דלק הפכו למסחור במגוון רחב של תחומים, הם החלו להימכר למשתמשי קצה עם אחריות כתובה ויכולות שירות, כלומר. לעמוד בדרישות ובסטנדרטים של כלכלת שוק. לפיכך, מספר פלחי שוק החלו להתמקד בביקוש. בפרט, אלפי כוח עזריחידות PEMFC ו-DMFC (APU) ממוסחרות ביישומי בידור: סירות, צעצועים וערכות הדרכה.

Horizon באוקטובר 2009 הראתה את המערכת האלקטרונית המסחרית הראשונה של Dynario שפועלת על מחסניות מתנול. תאי דלק של Horizon יכולים להטעין טלפונים ניידים, מערכות GPS, מצלמות או נגני מוזיקה דיגיטליים.

תהליכי ייצור מימן

תאי דלק מימן הם חומרים המכילים מימן כדלק. דלק מימן הוא דלק אפס פליטה המשחרר אנרגיה במהלך בעירה או באמצעות תגובות אלקטרוכימיות. תאי דלק וסוללות מייצרים חשמל באמצעות תגובה כימית, אבל הראשונים יפיקו כוח כל עוד יש דלק, ובכך לעולם לא יאבדו את המטען.

תהליכים תרמיים לייצור מימן כרוכים בדרך כלל ברפורמת קיטור, תהליך בטמפרטורה גבוהה שבו קיטור מגיב עם מקור פחמימני כדי לשחרר מימן. ניתן לחדש דלקים טבעיים רבים כדי לייצר מימן.

כיום מופקים כ-95% מהמימן מרפורמות גז. מים מפוצלים לחמצן ומימן על ידי אלקטרוליזה, במכשיר שמתפקד כמו תא דלק Horizon zero הפוך.

תהליכים מבוססי שמש

הם משתמשים באור כסוכן לייצור מימן. קייםמספר תהליכים המבוססים על פאנלים סולאריים:

1. photobiological;
2. פוטואלקטרוכימי;
3. שמשי;
4. תרמוכימי.

תהליכים פוטוביולוגיים משתמשים בפעילות הפוטוסינתטית הטבעית של חיידקים ואצות ירוקות.

תהליכים פוטואלקטרוכימיים הם מוליכים למחצה מיוחדים להפרדת מים למימן ולחמצן.

ייצור מימן תרמי סולארי משתמש באנרגיה סולארית מרוכזת לתגובת הפרדת מים יחד עם מינים אחרים כגון תחמוצות מתכות.

תהליכים ביולוגיים משתמשים בחיידקים כמו חיידקים ומיקרו-אצות ויכולים לייצר מימן באמצעות תגובות ביולוגיות. בהמרת ביומסה מיקרוביאלית, חיידקים מפרקים חומר אורגני כגון ביומסה, בעוד שבתהליכים פוטו-ביולוגיים, מיקרובים משתמשים באור השמש כמקור.

רכיבי דור

התקני אלמנטים עשויים מכמה חלקים. לכל אחד יש שלושה מרכיבים עיקריים:

• anode;
• cathode;
• אלקטרוליט מוליך.

במקרה של תאי דלק Horizon, כאשר כל אלקטרודה עשויה מחומר בעל שטח פנים גבוה ספוג בזרז מסגסוגת פלטינה, חומר האלקטרוליט הוא ממברנה ומשמש כמוליך יונים. ייצור חשמל מונע על ידי שתי תגובות כימיות ראשוניות. עבור אלמנטים באמצעות טהורH_2.

גז מימן באנודה מתפצל לפרוטונים ולאלקטרונים. הראשונים נישאים דרך קרום האלקטרוליט, והאחרונים זורמים סביבו ויוצרים זרם חשמלי. יונים טעונים (H + ו-e -) מתחברים עם O_{2 בקתודה, משחררים מים וחום. הנושאים הסביבתיים הרבים המשפיעים על העולם כיום מגייסים את החברה להשגת פיתוח בר קיימא והתקדמות לקראת הגנה על כדור הארץ. כאן בהקשר, גורם המפתח הוא החלפת משאבי האנרגיה הבסיסיים בפועל באחרים שיכולים לספק את הצרכים האנושיים במלואם.}

האלמנטים המדוברים הם בדיוק מכשיר כזה, שבזכותו היבט זה מוצא את הפתרון הסביר ביותר, שכן ניתן להשיג אנרגיה חשמלית מדלק נקי ביעילות גבוהה וללא פליטת CO_2.

זרזי פלטינה

פלטינה פעילה מאוד עבור חמצון מימן וממשיכה להיות החומר האלקטרו-זרז הנפוץ ביותר. אחד מתחומי המחקר העיקריים של הורייזון באמצעות תאי דלק מופחתים פלטינה הוא בתעשיית הרכב, שם מתוכננים בעתיד הקרוב זרזים מהונדסים העשויים מננו-חלקיקי פלטינה הנתמכים על פחמן מוליך. לחומרים אלו יש יתרון של ננו-חלקיקים מפוזרים מאוד, שטח פנים אלקטרוקטליטי גבוה (ESA) וצמיחת חלקיקים מינימלית בטמפרטורות גבוהות, אפילו ברמות טעינת Pt גבוהות יותר.

סגסוגות המכילות Pt שימושיות עבור התקנים הפועלים על מקורות דלק מיוחדים כגון מתנול או רפורמה (H₂, CO₂, CO ו-N_{2). סגסוגות Pt/Ru הראו ביצועים משופרים על פני זרזי Pt אלקטרוכימיים טהורים במונחים של חמצון מתנול וללא אפשרות להרעלת פחמן חד חמצני. Pt 3 Co הוא זרז נוסף שמעניין (במיוחד עבור קתודות של תאי דלק Horizon) והראה יעילות תגובה משופרת להפחתת חמצן וכן יציבות גבוהה.}

Pt/C ו-Pt 3 Co/C זרזים המציגים ננו-חלקיקים מפוזרים מאוד על מצעי פחמן על פני השטח. ישנן מספר דרישות עיקריות שיש לקחת בחשבון בעת בחירת אלקטרוליט לתאי דלק:

1. מוליכות פרוטונים גבוהה.
2. יציבות כימית ותרמית גבוהה.
3. חדירות גז נמוכה.

מקור אנרגיה מימן

מימן הוא היסוד הפשוט והנפוץ ביותר ביקום. זהו מרכיב חשוב במים, נפט, גז טבעי ומעולם החי כולו. למרות הפשטות והשפע שלו, מימן נמצא רק לעתים נדירות במצבו הגז הטבעי על פני כדור הארץ. זה כמעט תמיד משולב עם אלמנטים אחרים. והוא יכול להיות מופק מנפט, גז טבעי, ביומסה, או על ידי הפרדת מים באמצעות אנרגיה סולארית או חשמלית.

לרגע שנוצר מימן כמולקולרי H₂, ניתן לשחרר את האנרגיה הקיימת במולקולה על ידי אינטראקציהעם O₂. ניתן להשיג זאת עם מנועי בעירה פנימית או תאי דלק מימן. בהם, האנרגיה H_{2 מומרת לזרם חשמלי עם הפסדי הספק נמוכים. לפיכך, מימן הוא נושא אנרגיה לתנועה, אחסון ואספקת אנרגיה המופקת ממקורות אחרים.}

מסננים עבור מודולי כוח

השגת רכיבי אנרגיה חלופיים היא בלתי אפשרית ללא שימוש במסננים מיוחדים. מסננים קלאסיים עוזרים בפיתוח מודולי כוח של אלמנטים במדינות שונות בעולם בשל בלוקים באיכות גבוהה. מסננים מסופקים להכנת דלק כגון מתנול ליישומי תאים.

בדרך כלל יישומים עבור מודולי כוח אלה כוללים אספקת חשמל במקומות מרוחקים, כוח גיבוי עבור אספקה קריטית, APUs על כלי רכב קטנים ויישומים ימיים כגון Project Pa-X-ell שהוא פרויקט לבדיקת תאים על ספינות נוסעים.

בתי מסננים מנירוסטה הפותרים בעיות סינון. ביישומים תובעניים אלה, יצרני תאי דלק מסוג אפס שחר מציינים בתי מסננים מפלדת אל-חלד Classic Filters בשל גמישות ייצור, תקני איכות גבוהים יותר, משלוחים מהירים ומחירים תחרותיים.

פלטפורמת טכנולוגיית מימן

Horizon Fuel Cell Technologies נוסדה בסינגפור בשנת 2003 וכיום יש לה 5 חברות בת בינלאומיות. המשימה של המשרד היאלעשות הבדל בתאי דלק על ידי עבודה גלובלית להשגת מסחור מהיר, הורדת עלויות טכנולוגיה וביטול מחסומים עתיקי יומין לאספקת מימן. המשרד התחיל עם מוצרים קטנים ופשוטים הדורשים כמויות נמוכות של מימן כהכנה ליישומים גדולים ומורכבים יותר. על ידי הקפדה על הנחיות קפדניות ומפת דרכים, הורייזן הפכה במהירות ליצרנית התאים בתפזורת תת 1000W הגדולה בעולם, ומשרתת לקוחות בלמעלה מ-65 מדינות עם המבחר הרחב ביותר של מוצרים מסחריים בתעשייה.

פלטפורמת הטכנולוגיה Horizon מורכבת מ: PEM - תאי דלק Horizon zero dawn (מיקרודלק וערימות) והחומרים שלהם, אספקת מימן (אלקטרוליזה, רפורמה והידרוליזה), התקני אחסון מימן והתקנים.

Horizon הוציאה את מחולל המימן הנייד והאישי הראשון בעולם. תחנת HydroFill יכולה לייצר מימן על ידי פירוק מים במיכל ואחסונם במחסניות HydroStick. הם מכילים סגסוגת סופגת של גז מימן כדי לספק אחסון מוצק. לאחר מכן ניתן להכניס את המחסניות למטען MiniPak שיכול להתמודד עם אלמנטים קטנים של מסנן דלק.

מימן אופק או ביתי

Horizon Technologies משיקה מערכת טעינת מימן ואחסון אנרגיה לשימוש ביתי, וחוסכת אנרגיה בבית לטעינת מכשירים ניידים. הורייזון התבלט בשנת 2006 עם צעצוע "H-racer", מכונית קטנה המונעת במימן שנבחרה ל"המצאה הטובה ביותר" של השנה. אופק מציעהביזור אחסון אנרגיה בבית עם תחנת הטעינה של Hydrofill המימן שלה, המסוגלת להטעין סוללות קטנות ניידות וניתנות לשימוש חוזר. מפעל מימן זה דורש רק מים כדי לפעול ולהפיק חשמל.

ניתן לספק עבודה על ידי הרשת, פאנלים סולאריים או טורבינת רוח. משם, מימן מופק ממיכל המים של התחנה ומאוחסן בצורה מוצקה בתאי סגסוגת מתכת קטנים. תחנת Hydrofill, הנמכרת בסביבות $500, היא פתרון אוונגרד לטלפונים. היכן למצוא תאי דלק Hydrofill במחיר זה לא קשה למשתמשים, אתה רק צריך לשאול את הבקשה המתאימה באינטרנט.

טעינת מימן לרכב

כמו מכוניות חשמליות המונעות על ידי סוללות, גם אלה המונעות על ידי מימן משתמשות בחשמל כדי להניע את המכונית. אבל במקום לאחסן את החשמל הזה בסוללות שלוקח שעות לטעון, התאים מייצרים אנרגיה על סיפון המכונית על ידי תגובת מימן וחמצן. התגובה מתרחשת בנוכחות אלקטרוליט - מוליך לא מתכתי, שבו הזרימה החשמלית נישאת על ידי תנועת יונים במכשירים שבהם תאי דלק Horizon zero מצוידים בממברנות לחילופי פרוטונים. הם פועלים באופן הבא:

1. גז מימן מסופק לאנודת "-" (A) של התא, והחמצן מופנה לקוטב החיובי.
2. באנודה הזרז הוא פלטינה,משליך אלקטרונים מאטומי מימן, ומשאיר יוני "+" ואלקטרונים חופשיים. רק יונים עוברים דרך הממברנה הממוקמת בין האנודה לקתודה.
3. אלקטרונים יוצרים זרם חשמלי על ידי תנועה לאורך מעגל חיצוני. בקתודה, אלקטרונים ויוני מימן מתחברים עם חמצן כדי לייצר מים הזורמים החוצה מהתא.

עד עכשיו, שני דברים הפריעו לייצור בקנה מידה גדול של כלי רכב המונעים במימן: עלות וייצור מימן. עד לאחרונה, זרז הפלטינה, שמפצל מימן ליון ואלקטרון, היה יקר מאוד.

לפני כמה שנים, תאי דלק מימן עלו כ-1,000 דולר לכל קילוואט כוח, או כ-100,000 דולר לרכב. בוצעו מחקרים שונים להוזלת הפרויקט, לרבות החלפת זרז הפלטינה בסגסוגת פלטינה ניקל יעילה פי 90. בשנה שעברה דיווח משרד האנרגיה האמריקני שעלות המערכת ירדה ל-61 דולר לקילווואט, מה שעדיין אינו תחרותי בתעשיית הרכב.

טומוגרפיה ממוחשבת של רנטגן

שיטת בדיקה לא הרסנית זו משמשת ללימוד המבנה של אלמנט דו-שכבתי. שיטות אחרות הנפוצות ללימוד מבנה:

• פורוזימטריה של חדירת כספית;
• מיקרוסקופיה של כוח אטומי;
• פרופילומטריה אופטית.

התוצאות מראות שלחלוקת הנקבוביות יש בסיס מוצק לחישוב מוליכות תרמית וחשמלית, חדירות וריכוך. מדידת נקבוביות של אלמנטים קשה מאוד בגלל הגיאומטריה הדקה, הניתנת לדחיסה והבלתי הומוגנית שלהם. התוצאה מראה שהנקבוביות פוחתת עם דחיסת GDL.

למבנה הנקבובי יש השפעה משמעותית על העברת המסה באלקטרודה. הניסוי בוצע בלחצים שונים בכבישה חמה, שנעו בין 0.5 ל-10 MPa. הביצועים תלויים בעיקר במתכת הפלטינה, שעלותה גבוהה מאוד. ניתן להגביר את הדיפוזיה באמצעות קלסרים כימיים. בנוסף, שינויי טמפרטורה משפיעים על משך החיים והביצועים הממוצעים של האלמנט. קצב הפירוק של PEMFCs בטמפרטורה גבוהה הוא תחילה נמוך ולאחר מכן עולה במהירות. זה משמש כדי לקבוע את היווצרות המים.

בעיות של מסחור

כדי להיות תחרותי בעלויות, יש להפחית את עלויות תאי הדלק בחצי ולהאריך באופן דומה את חיי הסוללה. אולם כיום, עלויות התפעול עדיין גבוהות בהרבה, שכן עלויות ייצור המימן נעות בין 2.5 ל-3 דולר, וסביר להניח שהמימן שסופק לא יעלה פחות מ-4 דולר לק ג. על מנת שהתא יתחרה ביעילות עם סוללות, עליו להיות בעל זמן טעינה קצר ולמזער את תהליך החלפת הסוללה.

כיום, טכנולוגיית תאי דלק פולימריים תעלה 49$/קוואט בייצור המוני (לפחות 500,000 יחידות בשנה). עם זאת, על מנת להתחרות במכוניותבעירה פנימית, תאי דלק לרכב אמורים להגיע לכ-$36 לקוט ש. ניתן להשיג חיסכון על ידי הפחתת עלויות החומר (במיוחד השימוש בפלטינה), הגדלת צפיפות ההספק, הפחתת מורכבות המערכת והגדלת העמידות. יש כמה אתגרים למסחור הטכנולוגיה בקנה מידה גדול, כולל התגברות על מספר חסמים טכניים.

אתגרים טכניים של העתיד

העלות של מחסנית תלויה בחומר, בטכניקה ובטכניקות הייצור. בחירת החומר תלויה לא רק בהתאמת החומר לתפקיד, אלא גם ביכולת העבודה. משימות מפתח של האלמנטים:

1. הפחת עומס זרזים חשמליים והגברת הפעילות.
2. שפר את העמידות והפחת את השפלה.
3. אופטימיזציה של עיצוב האלקטרודות.
4. שפר את הסבילות של זיהומים באנודה.
5. בחירת חומרים לרכיבים. הוא מבוסס בעיקר על עלות מבלי להקריב את הביצועים.
6. סבילות לתקלות המערכת.
7. ביצועי האלמנט תלויים בעיקר בחוזק הממברנה.

פרמטרי ה-GDL העיקריים המשפיעים על ביצועי התא הם חדירות ריאגנטים, מוליכות חשמלית, מוליכות תרמית ותמיכה מכנית. עובי GDL הוא גורם חשוב. ממברנה עבה יותר מספקת הגנה טובה יותר, חוזק מכני, מסלולי דיפוזיה ארוכים יותר ורמות התנגדות תרמית וחשמלית גבוהות יותר.

מגמות מתקדמות

בין סוגי האלמנטים השונים, PEMFC מתאימה יותר יישומים ניידים (מכוניות, מחשבים ניידים, טלפונים ניידים וכו'), ולכן מעוררת עניין הולך וגובר למגוון רחב של יצרנים. למעשה, ל-PEMFC יתרונות רבים כגון טמפרטורת הפעלה נמוכה, יציבות צפיפות זרם גבוהה, משקל קל, קומפקטיות, עלות ופוטנציאל נמוכים, חיי שירות ארוכים, הפעלה מהירה והתאמה לפעולה לסירוגין.

טכנולוגיית PEMFC מתאימה היטב למגוון גדלים ומשמשת גם עם מגוון דלקים כאשר היא מעובדת כראוי לייצור מימן. ככזה, הוא מוצא שימוש בסולם תת-וואט הקטן עד לסולם מגה-וואט. 88% מסך המשלוחים בשנים 2016-2018 היו PEMFC.