Высокотемпературный топливный элемент с протонообменной мембраной
Тип электрохимического устройства, способного генерировать топливо посредством протонного обмена

Топливные элементы с высокотемпературной протонообменной мембраной (HT-PEMFC), также известные как топливные элементы с высокотемпературной полимерной электролитной мембраной, представляют собой тип топливных элементов с PEM , которые могут работать при температурах от 120 до 200 °C. [1] Топливные элементы с HT-PEM используются как для стационарных, так и для портативных применений. [2] Топливный элемент с HT-PEM обычно снабжается газом, богатым водородом, например, риформатным газом, полученным путем риформинга метанола , этанола , природного газа или сжиженного нефтяного газа .

Наука

Обзор

Топливный элемент HT-PEM был разработан в 1995 году для работы при более высоких температурах с целью снижения чувствительности топливных элементов PEM к примесям. [3] Таким образом, технология топливных элементов HT-PEM является одним из самых молодых типов топливных элементов, а системы топливных элементов HT-PEM производятся с 21-го века несколькими компаниями.

Мембрана состоит из кислото- и термостойкого полимера, способного поглощать кислоту, которая действует как электролит. [4] Обычно в качестве мембраны используется полибензимидазол (PBI), а в качестве электролита — фосфорная кислота. [5] Технология топливных элементов HT-PEM похожа на технологию топливных элементов на основе фосфорной кислоты (PAFC), но в основном отличается мембраной, которая используется в топливных элементах HT-PEM, и делает возможным портативное применение топливных элементов HT-PEM.

Мембрана PBI, легированная фосфорной кислотой, для топливного элемента HT-PEM

В то время как обычный топливный элемент PEM, также называемый топливным элементом с низкотемпературной протонообменной мембраной (LT-PEM), обычно должен работать с водородом с высокой чистотой более 99,9%, топливный элемент HT-PEM менее чувствителен к примесям и, таким образом, обычно работает с риформатным газом с концентрацией водорода около 50–75%. В отличие от топливного элемента LT-PEM, который чувствителен к концентрации оксида углерода в несколько частей на миллион, топливные элементы HT-PEM работают при концентрации оксида углерода до около 3 об.%. [6] Обычно топливные элементы HT-PEM работают при температуре элемента от 150 до 180 °C.

Низкая чувствительность к примесям позволяет использовать такие виды топлива, как метанол, этанол, природный газ, сжиженный нефтяной газ, ДМЭ и т. д., которые преобразуются в риформере в обогащенный водородом риформатный газ, при этом конструкция системы топливных элементов проста и не требует этапов очистки для очистки риформатного газа. [7]

Из-за низкой чувствительности к примесям и протонной проводимости мембраны мембранный электродный узел , который используется для топливного элемента HT-PEM, может также использоваться для разделения водорода с целью эффективного отделения сверхчистого водорода от разбавленных или загрязненных водородсодержащих газов. [8]

Эффективность системы «balance-of-plant» для топливных элементов HT-PEM, работающих на метаноле, обычно составляет от 35 до 45 % и может достигать примерно 55 % в зависимости от конструкции системы и условий эксплуатации. Что касается эффективности элемента, то может быть достигнуто до 63 %.

Поскольку паровой риформинг метанола является более простым и эффективным (температура слоя катализатора ниже 280°C) по сравнению с риформингом других видов топлива, а также из-за низкой стоимости и высокой чистоты обычного метанола и возобновляемого метанола (например, полученного из отходов или возобновляемой энергии), а также из-за простоты хранения метанола, большинство топливных элементов HT-PEM работают на метаноле. Топливный элемент HT-PEM, работающий на метаноле, является наиболее используемым типом топливного элемента из реформированного метанола (RMFC).

Сильные стороны

  • По сравнению с топливным элементом LT-PEM не требуется управление водными ресурсами для увлажнения мембраны. [9]
  • Отходящее тепло стека ( от 130 до 180 °C) может быть использовано, что делает возможным комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ) для дальнейшего использования тепла в отличие от топливного элемента LT-PEM, который имеет слишком низкую температуру отходящего тепла - ниже 80 °C. [10]
  • Простое охлаждение стека возможно из-за более высокой температуры стека по сравнению с топливным элементом LT-PEM (поверхность теплообмена, мощность охлаждения). [11]
  • Могут использоваться различные виды топлива, которые можно преобразовать в риформере в газ, богатый водородом (например, метанол, этанол, пропанол, биобутанол , биоглицерин, метан, этан, пропан, бутан, ОМЕ , бензин, аммиак ). [12] [13] [14]
  • Простая конструкция системы возможна, поскольку для топливных элементов HT-PEM, работающих на метаноле, не требуется этапа очистки. [15]
  • В отличие от топливных элементов SOFC в батарее возможно использование пластиковых компонентов и эластомерных уплотнений.
  • Более высокая эффективность систем топливных элементов HT-PEM, работающих на метаноле (от 35 до 45 %) по сравнению с топливными элементами прямого действия на метаноле, DMFC (от 20 до 30 %). Низкий расход топлива метанол.
  • Для топливных элементов HT-PEM, работающих на метаноле, по сравнению с DMFC нет необходимости в топливе высокой чистоты метанола.
  • Возможен более длительный срок службы топливной системы HT-PEM, работающей на метаноле, чем у системы DMFC.
  • Применимы чистые виды топлива или смеси воды и топлива (в зависимости от конструкции системы топливных элементов).
  • Возможно использование возобновляемых видов топлива.
  • Температуры холодного хранения ниже 0 °C не представляют проблемы для мембраны топливного элемента в отличие от топливных элементов DMFC и LT-PEM.
  • Водород с низкой чистотой может использоваться в качестве топлива. Водород с низкой чистотой дешевле водорода высокой чистоты, который обычно приходится использовать для топливных элементов LT-PEM.
  • Использование таких видов топлива, как метанол, позволяет снизить затраты на топливо за кВт·ч по сравнению с водородом (например, топливные элементы LT-PEM) или дизельным топливом (например, генераторные установки).

Слабые стороны

  • Более длительное время запуска по сравнению с топливным элементом LT-PEM (время нагрева стека и реформера). Поэтому иногда необходима гибридизация с более крупной батареей, чем для систем топливных элементов LT-PEM.
  • В отличие от топливных элементов LT-PEM и DMFC необходим системный компонент для нагрева стека во время запуска.
  • Больше ячеек, необходимых по сравнению с топливным элементом LT-PEM для достижения высокой выходной мощности или той же эффективности, что и для водородного топливного элемента LT-PEM, из-за худшей характеристической кривой топливного элемента HT-PEM: более высокие стоимость стека, объем стека и вес стека по сравнению с топливным элементом LT-PEM. Технологии для достижения лучших свойств характеристической кривой находятся на стадии базовых исследований.
  • Более высокое содержание платины (примерно 8 - 14 г Pt на кВт), чем в топливных элементах LT-PEM, используется в мембранном электродном узле : следует рассмотреть возможность переработки платины. Разработка электродов без платины для топливных элементов HT-PEM находится на стадии фундаментальных исследований. [16]
  • При использовании органического топлива выделяются углекислый газ и, возможно, следы угарного газа (концентрация зависит от конструкции системы, обычно концентрация CO намного ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания).
  • Некоторые компоненты системы должны выдерживать более высокие температуры, чем в топливных элементах LT-PEM и DMFC, что ограничивает выбор применимых материалов (например, полимеры с устойчивостью до 120–180 °C).

Приложения

Системы топливных элементов HT-PEM используются для стационарных и переносных приложений. [17] Например, топливные элементы HT-PEM, работающие на метаноле, используются в качестве замены генераторов (например, для автономного использования, резервного питания , аварийного источника питания , вспомогательного силового агрегата ) и для увеличения запаса хода электромобилей (например, спортивного автомобиля Gumpert Nathalie ). Обычно система топливных элементов HT-PEM используется в гибридной работе с аккумулятором. Системы топливных элементов HT-PEM, работающие на природном газе, также используются для комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ) в зданиях.

Производители систем топливных элементов, содержащих технологию топливных элементов HT-PEM:

  • Advent Technologies (США)
  • Blue World Technologies (Дания) [18] [19]
  • Сикенс (Германия)

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Арайя, Сэмюэл Саймон (2012). Высокотемпературные топливные элементы PEM — деградация и долговечность: диссертация, представленная на факультет инженерии и науки Ольборгского университета в качестве частичного выполнения требований для получения степени доктора философии. Ольборг: Ольборгский университет, кафедра энергетических технологий. ISBN 978-87-92846-14-3. OCLC  857436369.
  2. ^ Mandel, Ethan (2 марта 2021 г.). «Американская компания по водородным технологиям и DoE будут работать над топливными элементами HT-PEM». H2 Bulletin . Архивировано из оригинала 8 июля 2021 г.
  3. ^ Арайя, Сэмюэл Саймон; Чжоу, Фань; Лизо, Винченцо; Сахлин, Саймон Леннарт; Ванг, Якоб Рабьерг; Томас, Соби; Гао, Синь; Джеппесен, Кристиан; Кер, Сорен Кнудсен (2016). «Всесторонний обзор высокотемпературных топливных элементов PEM на основе PBI». Международный журнал водородной энергетики . 41 (46): 21310–21344. doi : 10.1016/j.ijhydene.2016.09.024.
  4. ^ Шмидт, Томас Дж. (2019). «Долговечность и деградация в высокотемпературных полимерных электролитных топливных элементах». ECS Transactions . 1 (8): 19–31. doi :10.1149/1.2214541. ISSN  1938-6737. S2CID  138922384.
  5. ^ Юй, С.; Сяо, Л.; Бенисевич, BC (2008). «Исследования долговечности высокотемпературных PEMFC на основе PBI». Топливные элементы . 8 (3–4): 165–174. doi :10.1002/fuce.200800024. ISSN  1615-6854. S2CID  97141602.
  6. ^ Эберхардт, SH; Лохнер, T.; Бюхи, FN; Шмидт, TJ (2015). «Корреляция запаса электролита и срока службы HT-PEFC с помощью ускоренного стресс-тестирования». Журнал электрохимического общества . 162 (12): F1367–F1372. doi : 10.1149/2.0591512jes . hdl : 20.500.11850/104873 . ISSN  0013-4651. S2CID  100661952.
  7. ^ Боавентура, Марта (2016). «Влияние примесей на производительность топливных элементов с мембраной из полимерного электролита высокой температуры». Международный журнал водородной энергетики . 41 (43): 19771–19780. doi : 10.1016/j.ijhydene.2016.06.201. hdl : 10216/103265 . ISSN  0360-3199.
  8. ^ "Протонпроводящая мембрана". BASF . Получено 9 июля 2021 г.
  9. ^ Бандламуди, Вамсикришна (2018). «Влияние конструкции поля потока на механизмы деградации и долгосрочную стабильность топливного элемента HT-PEM». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  10. ^ Наджафи, Бехзад (2015). «Долгосрочный анализ производительности микро-ТЭЦ-системы на основе топливных элементов HT-PEM: Эксплуатационные стратегии». Applied Energy . 147 : 582–592. doi : 10.1016/j.apenergy.2015.03.043. hdl : 11311/928955 . ISSN  0306-2619.
  11. ^ Насри, Мунир; Дикинсон, Дэйв (2014). «Управление температурой транспортных средств на топливных элементах с использованием HT-PEM и хранения водорода». Девятая международная конференция по экологически чистым транспортным средствам и возобновляемым источникам энергии (EVER) 2014 года . Монте-Карло: IEEE. стр. 1–6. doi :10.1109/EVER.2014.6844107. ISBN 978-1-4799-3787-5. S2CID  33849240.
  12. ^ Элламла, Харикишан Р.; Буйло, Петр; Сита, Корделлия; Пасупати, Сивакумар (2016-11-02). «Сравнительный анализ различных риформеров, поставляемых с различным топливом и интегрированных с высокотемпературными топливными элементами PEM». Химическая инженерия . 154 : 90–99. Bibcode : 2016ChEnS.154...90E. doi : 10.1016/j.ces.2016.06.065. ISSN  0009-2509.
  13. ^ Пальма, Винченцо; Руокко, Кончетта; Кортезе, Марта; Мартино, Марко (2020). «Биоспиртовой риформинг: обзор последних достижений в области повышения стабильности катализаторов». Катализаторы . 10 (6): 665. doi : 10.3390/catal10060665 .
  14. ^ Чинти, Джованни; Лизо, Винченцо; Салин, Саймон Леннарт; Арайя, Сэмюэл Саймон (2020). «Проектирование системы и моделирование высокотемпературного топливного элемента PEM, работающего с аммиаком в качестве топлива». Energies . 13 (18): 4689. doi : 10.3390/en13184689 .
  15. ^ Томас, Соби (2017). Эксплуатационные стратегии для увеличения срока службы топливных элементов HT-PEM, работающих на реформированном метаноле. Aalborg Universitetsforlag. ISBN 978-87-7210-119-4.
  16. ^ Хайдер, Ризван; Вэнь, Ичан; Ма, Цзы-Фэн; Уилкинсон, Дэвид П.; Чжан, Лэй; Юань, Сянься; Сун, Шуцинь; Чжан, Цзюцзюнь (2021). «Высокотемпературные топливные элементы с протонообменной мембраной: прогресс в передовых материалах и ключевых технологиях». Chemical Society Reviews . 50 (2): 1138–1187. doi :10.1039/D0CS00296H. ISSN  1460-4744. PMID  33245736. S2CID  227191893.
  17. ^ Неофитидес, Стилианос; Далету, Мария К.; Атанасопулос, Николаос; Гурдупи, Нора; Кастро, Эмори Де; Шаутц, Макс (2017). «Высокотемпературные топливные элементы PEM с измерением Advent TPS». E3S Web of Conferences . 16 : 10002. doi : 10.1051/e3sconf/20171610002 . ISSN  2267-1242.
  18. ^ «Blue World Technologies сотрудничает с Alfa Laval по системе топливных элементов на метаноле для судоходства». Green Car Congress . 20 апреля 2021 г. Архивировано из оригинала 8 июля 2021 г.
  19. ^ "Компания Blue World, производящая топливные элементы на метаноле, приобретает Danish Power Systems". Green Car Congress. 14 января 2021 г. Архивировано из оригинала 8 июля 2021 г.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Высокотемпературная_протонообменная_мембранная_топливная_ячейка&oldid=1193909285"