Sel bahan bakar: jenis, prinsip operasi, dan fitur

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-02 13:57

Hidrogen adalah bahan bakar bersih karena hanya menghasilkan air dan menyediakan energi bersih menggunakan sumber energi terbarukan. Itu dapat disimpan dalam sel bahan bakar yang menghasilkan listrik menggunakan perangkat konversi elektrokimia. Hidrogen merupakan sumber energi revolusioner masa depan, namun perkembangannya masih sangat terbatas. Alasan: energi yang sulit untuk diproduksi, efektivitas biaya dan keseimbangan energi yang dipertanyakan karena sifat desain yang intensif energi. Namun opsi energi ini menawarkan perspektif yang menarik dalam hal penyimpanan energi, terutama dalam hal sumber terbarukan.

Pelopor Sel Bahan Bakar

Konsep ini secara efektif ditunjukkan oleh Humphry Davy pada awal abad kesembilan belas. Ini diikuti oleh karya perintis Christian Friedrich Schonbein pada tahun 1838. Pada awal 1960-an, NASA, bekerja sama dengan mitra industri, mulai mengembangkan generatorjenis ini untuk penerbangan luar angkasa berawak. Ini menghasilkan blok pertama PEMFC.

Peneliti GE lainnya, Leonard Nidrach, telah mengupgrade PEMFC Grubb menggunakan platinum sebagai katalis. Grubb-Niedrach dikembangkan lebih lanjut bekerja sama dengan NASA dan digunakan oleh program luar angkasa Gemini pada akhir 1960-an. Sel Bahan Bakar Internasional (IFC, kemudian UTC Power) mengembangkan perangkat 1,5 kW untuk penerbangan luar angkasa Apollo. Mereka menyediakan listrik serta air minum untuk para astronot selama misi mereka. IFC kemudian mengembangkan unit 12kW yang digunakan untuk menyediakan daya onboard untuk semua penerbangan pesawat ruang angkasa.

Elemen otomotif pertama kali ditemukan oleh Grulle pada tahun 1960-an. GM menggunakan Union Carbide di mobil "Electrovan". Itu hanya digunakan sebagai mobil perusahaan, tetapi dapat melakukan perjalanan hingga 120 mil dengan tangki penuh dan mencapai kecepatan hingga 70 mil per jam. Kordesch dan Grulke bereksperimen dengan sepeda motor hidrogen pada tahun 1966. Itu adalah hibrida sel dengan baterai NiCad bersama-sama yang mencapai 1,18L/100km yang mengesankan. Langkah ini telah memajukan teknologi e-bike dan komersialisasi e-motor.

Pada tahun 2007, sumber bahan bakar dikomersialkan di berbagai bidang, mereka mulai dijual kepada pengguna akhir dengan jaminan tertulis dan kemampuan layanan, mis. memenuhi persyaratan dan standar ekonomi pasar. Dengan demikian, sejumlah segmen pasar mulai fokus pada permintaan. Secara khusus, ribuan kekuatan tambahanUnit PEMFC dan DMFC (APU) telah dikomersialkan dalam aplikasi hiburan: perahu, mainan, dan perlengkapan pelatihan.

Horizon pada Oktober 2009 menunjukkan sistem elektronik komersial pertama Dynario yang menggunakan kartrid metanol. Sel bahan bakar Horizon dapat mengisi daya ponsel, sistem GPS, kamera, atau pemutar musik digital.

Proses produksi hidrogen

Sel bahan bakar hidrogen adalah zat yang mengandung hidrogen sebagai bahan bakar. Bahan bakar hidrogen adalah bahan bakar tanpa emisi yang melepaskan energi selama pembakaran atau melalui reaksi elektrokimia. Sel bahan bakar dan baterai menghasilkan listrik melalui reaksi kimia, tetapi yang pertama akan menghasilkan tenaga selama ada bahan bakar, sehingga tidak pernah kehilangan muatan.

Proses termal untuk menghasilkan hidrogen biasanya melibatkan reformasi uap, proses suhu tinggi di mana uap bereaksi dengan sumber hidrokarbon untuk melepaskan hidrogen. Banyak bahan bakar alami dapat direformasi untuk menghasilkan hidrogen.

Saat ini sekitar 95% hidrogen dihasilkan dari reformasi gas. Air dipecah menjadi oksigen dan hidrogen melalui elektrolisis, dalam perangkat yang berfungsi seperti sel bahan bakar Horizon nol secara terbalik.

Proses berbasis surya

Mereka menggunakan cahaya sebagai agen untuk menghasilkan hidrogen. adabeberapa proses berdasarkan panel surya:

1. fotobiologis;
2. fotoelektrokimia;
3. cerah;
4. termokimia.

Proses fotobiologi menggunakan aktivitas fotosintesis alami bakteri dan ganggang hijau.

Proses fotoelektrokimia adalah semikonduktor khusus untuk memisahkan air menjadi hidrogen dan oksigen.

Produksi surya hidrogen termokimia menggunakan energi matahari terkonsentrasi untuk reaksi pemisahan air bersama dengan spesies lain seperti oksida logam.

Proses biologis menggunakan mikroba seperti bakteri dan mikroalga dan dapat menghasilkan hidrogen melalui reaksi biologis. Dalam konversi biomassa mikroba, mikroba memecah bahan organik seperti biomassa, sedangkan dalam proses fotobiologi, mikroba menggunakan sinar matahari sebagai sumbernya.

Komponen generasi

Perangkat elemen terbuat dari beberapa bagian. Masing-masing memiliki tiga komponen utama:

• anoda;
• katoda;
• elektrolit konduktif.

Dalam kasus sel bahan bakar Horizon, di mana setiap elektroda terbuat dari bahan dengan luas permukaan tinggi yang diresapi dengan katalis paduan platinum, bahan elektrolitnya adalah membran dan berfungsi sebagai konduktor ion. Pembangkit listrik didorong oleh dua reaksi kimia primer. Untuk elemen yang menggunakan murniH_2.

Gas hidrogen di anoda terpecah menjadi proton dan elektron. Yang pertama dibawa melalui membran elektrolit, dan yang terakhir mengalir di sekitarnya, menghasilkan arus listrik. Ion bermuatan (H + dan e -) bergabung dengan O_{2 di katoda, melepaskan air dan panas. Banyaknya masalah lingkungan yang mempengaruhi dunia saat ini memobilisasi masyarakat untuk mencapai pembangunan berkelanjutan dan kemajuan dalam melindungi planet ini. Dalam konteks ini, faktor kuncinya adalah penggantian sumber energi dasar yang sebenarnya dengan sumber energi lain yang sepenuhnya dapat memenuhi kebutuhan manusia.}

Elemen yang dimaksud hanyalah perangkat semacam itu, karena aspek ini menemukan solusi yang paling mungkin, karena dimungkinkan untuk memperoleh energi listrik dari bahan bakar bersih dengan efisiensi tinggi dan tanpa emisi CO_2.

Katalis platinum

Platinum sangat aktif untuk oksidasi hidrogen dan terus menjadi bahan elektrokatalis yang paling umum. Salah satu bidang utama penelitian Horizon menggunakan sel bahan bakar tereduksi platinum adalah di industri otomotif, di mana katalis rekayasa yang terbuat dari nanopartikel platinum yang didukung pada karbon konduktif direncanakan dalam waktu dekat. Bahan-bahan ini memiliki keunggulan nanopartikel yang sangat terdispersi, luas permukaan elektrokatalitik (ESA) yang tinggi, dan pertumbuhan partikel yang minimal pada suhu tinggi, bahkan pada tingkat pemuatan Pt yang lebih tinggi.

Paduan yang mengandung Pt berguna untuk perangkat yang menggunakan sumber bahan bakar khusus seperti metanol atau reforming (H₂, CO₂, CO dan N_{2). Paduan Pt/Ru telah menunjukkan peningkatan kinerja dibandingkan katalis Pt elektrokimia murni dalam hal oksidasi metanol dan tidak ada kemungkinan keracunan karbon monoksida. Pt 3 Co adalah katalis lain yang menarik (terutama untuk katoda sel bahan bakar Horizon) dan telah menunjukkan peningkatan efisiensi reaksi reduksi oksigen serta stabilitas tinggi.}

Katalis Pt/C dan Pt 3 Co/C menunjukkan nanopartikel terdispersi tinggi pada substrat karbon permukaan. Ada beberapa persyaratan utama yang perlu dipertimbangkan saat memilih elektrolit sel bahan bakar:

1. Konduktivitas proton tinggi.
2. Stabilitas kimia dan termal yang tinggi.
3. Permeabilitas gas rendah.

Sumber energi hidrogen

Hidrogen adalah unsur paling sederhana dan paling melimpah di alam semesta. Ini adalah komponen penting dari air, minyak, gas alam dan seluruh dunia kehidupan. Terlepas dari kesederhanaan dan kelimpahannya, hidrogen jarang ditemukan dalam bentuk gas alamnya di Bumi. Itu hampir selalu dikombinasikan dengan elemen lain. Dan itu bisa berasal dari minyak, gas alam, biomassa, atau dengan memisahkan air menggunakan energi surya atau listrik.

Setelah hidrogen terbentuk sebagai molekul H₂, energi yang ada dalam molekul dapat dilepaskan melalui interaksidengan O₂. Ini dapat dicapai dengan mesin pembakaran internal atau sel bahan bakar hidrogen. Di dalamnya, energi H_{2 diubah menjadi arus listrik dengan rugi-rugi daya yang rendah. Dengan demikian, hidrogen adalah pembawa energi untuk memindahkan, menyimpan, dan mengirimkan energi yang dihasilkan dari sumber lain.}

Filter untuk modul daya

Mendapatkan elemen energi alternatif tidak mungkin tanpa menggunakan filter khusus. Filter klasik membantu dalam pengembangan modul daya elemen di berbagai negara di dunia karena blok berkualitas tinggi. Filter disediakan untuk menyiapkan bahan bakar seperti metanol untuk aplikasi sel.

Biasanya aplikasi untuk modul daya ini mencakup catu daya di lokasi terpencil, daya cadangan untuk pasokan penting, APU pada kendaraan kecil dan aplikasi kelautan seperti Project Pa-X-ell yang merupakan proyek untuk menguji sel di kapal penumpang.

Rumah filter baja tahan karat yang mengatasi masalah filtrasi. Dalam aplikasi yang menuntut ini, produsen sel bahan bakar zero fajar menentukan rumah filter stainless steel Filter Klasik karena fleksibilitas produksi, standar kualitas yang lebih tinggi, pengiriman yang cepat, dan harga yang kompetitif.

Platform teknologi hidrogen

Horizon Fuel Cell Technologies didirikan di Singapura pada tahun 2003 dan saat ini memiliki 5 anak perusahaan internasional. Misi perusahaan adalahuntuk membuat perbedaan dalam sel bahan bakar dengan bekerja secara global untuk mencapai komersialisasi yang cepat, biaya teknologi yang lebih rendah dan menghilangkan hambatan kuno untuk pasokan hidrogen. Perusahaan mulai dengan produk kecil dan sederhana yang membutuhkan hidrogen dalam jumlah rendah dalam persiapan untuk aplikasi yang lebih besar dan lebih kompleks. Dengan mengikuti panduan dan peta jalan yang ketat, Horizon dengan cepat menjadi produsen sel massal sub-1000W terbesar di dunia, melayani pelanggan di lebih dari 65 negara dengan pilihan produk komersial terluas di industri ini.

Platform teknologi Horizon terdiri dari: PEM - Sel bahan bakar horizon zero fajar (bahan bakar mikro dan tumpukan) dan materialnya, suplai hidrogen (elektrolisis, reformasi, dan hidrolisis), perangkat dan perangkat penyimpanan hidrogen.

Horizon telah merilis generator hidrogen portabel dan pribadi pertama di dunia. Stasiun HydroFill dapat menghasilkan hidrogen dengan menguraikan air dalam tangki dan menyimpannya dalam kartrid HydroStick. Mereka mengandung paduan penyerap gas hidrogen untuk menyediakan penyimpanan padat. Kartrid kemudian dapat dimasukkan ke pengisi daya MiniPak yang dapat menangani elemen filter bahan bakar kecil.

Horizon atau hidrogen rumah

Horizon Technologies meluncurkan sistem pengisian hidrogen dan penyimpanan energi untuk digunakan di rumah, menghemat energi di rumah untuk mengisi daya perangkat portabel. Horizon membedakan dirinya pada tahun 2006 dengan mainan "H-racer", sebuah mobil kecil bertenaga hidrogen yang terpilih sebagai "penemuan terbaik" tahun ini. Horison menawarkanmendesentralisasikan penyimpanan energi di rumah dengan stasiun pengisian hidrogen Hydrofill, yang mampu mengisi ulang baterai portabel kecil dan dapat digunakan kembali. Pembangkit hidrogen ini hanya membutuhkan air untuk menjalankan dan menghasilkan tenaga.

Pekerjaan dapat disediakan oleh jaringan listrik, panel surya atau turbin angin. Dari sana, hidrogen diekstraksi dari tangki air stasiun dan disimpan dalam bentuk padat dalam sel paduan logam kecil. Stasiun Hydrofill, dijual seharga sekitar $ 500, adalah solusi terdepan untuk telepon. Di mana menemukan sel bahan bakar Hydrofill dengan harga ini tidak sulit bagi pengguna, Anda hanya perlu meminta permintaan yang sesuai di Internet.

Pengisian hidrogen mobil

Seperti mobil listrik bertenaga baterai, mobil bertenaga hidrogen juga menggunakan listrik untuk menggerakkan mobil. Tetapi alih-alih menyimpan listrik ini dalam baterai yang membutuhkan waktu berjam-jam untuk diisi ulang, sel-sel tersebut menghasilkan energi di dalam mobil dengan mereaksikan hidrogen dan oksigen. Reaksi berlangsung dengan adanya elektrolit - konduktor non-logam, di mana aliran listrik dibawa oleh pergerakan ion dalam perangkat di mana sel bahan bakar Horizon nol dilengkapi dengan membran penukar proton. Mereka berfungsi sebagai berikut:

1. Gas hidrogen disuplai ke anoda "-" (A) sel, dan oksigen diarahkan ke kutub positif.
2. Pada anoda katalisnya adalah platina,membuang elektron dari atom hidrogen, meninggalkan ion "+" dan elektron bebas. Hanya ion yang melewati membran yang terletak di antara anoda dan katoda.
3. Elektron menciptakan arus listrik dengan bergerak di sepanjang sirkuit eksternal. Di katoda, elektron dan ion hidrogen bergabung dengan oksigen untuk menghasilkan air yang mengalir keluar dari sel.

Hingga saat ini, ada dua hal yang menghambat produksi kendaraan bertenaga hidrogen dalam skala besar: biaya dan produksi hidrogen. Sampai saat ini, katalis platinum, yang memecah hidrogen menjadi ion dan elektron, sangat mahal.

Beberapa tahun yang lalu, sel bahan bakar hidrogen berharga sekitar $1.000 untuk setiap kilowatt daya, atau sekitar $100.000 untuk sebuah mobil. Berbagai studi dilakukan untuk menekan biaya proyek, termasuk mengganti katalis platina dengan paduan platina-nikel yang 90 kali lebih efisien. Tahun lalu, Departemen Energi AS melaporkan bahwa biaya sistem telah turun menjadi $61 per kilowatt, masih tidak kompetitif di industri otomotif.

computed tomography sinar-X

Metode pengujian non-destruktif ini digunakan untuk mempelajari struktur elemen dua lapis. Metode lain yang biasa digunakan untuk mempelajari struktur:

• porosimetri intrusi merkuri;
• mikroskop gaya atom;
• profilometri optik.

Hasil menunjukkan bahwa distribusi porositas memiliki dasar yang kuat untuk menghitung konduktivitas termal dan listrik, permeabilitas dandifusi. Mengukur porositas elemen sangat sulit karena geometrinya yang tipis, dapat dimampatkan dan tidak homogen. Hasilnya menunjukkan bahwa porositas menurun dengan kompresi GDL.

Struktur berpori memiliki dampak signifikan pada perpindahan massa di elektroda. Percobaan dilakukan pada berbagai tekanan hot press yang berkisar antara 0,5 sampai 10 MPa. Kinerja terutama tergantung pada logam platinum, yang biayanya sangat tinggi. Difusi dapat ditingkatkan melalui penggunaan pengikat kimia. Selain itu, perubahan suhu mempengaruhi masa pakai dan kinerja rata-rata elemen. Tingkat degradasi PEMFC suhu tinggi awalnya rendah dan kemudian meningkat dengan cepat. Ini digunakan untuk menentukan pembentukan air.

Masalah komersialisasi

Agar biayanya kompetitif, biaya sel bahan bakar harus dikurangi setengahnya dan masa pakai baterai juga diperpanjang. Namun, hari ini, biaya operasi masih jauh lebih tinggi, karena biaya produksi hidrogen antara $2,5 dan $3, dan pasokan hidrogen tidak mungkin berharga kurang dari $4/kg. Agar sel dapat bersaing secara efektif dengan baterai, sel harus memiliki waktu pengisian yang singkat dan meminimalkan proses penggantian baterai.

Saat ini, teknologi sel bahan bakar polimer akan menelan biaya US$49/kW ketika diproduksi secara massal (setidaknya 500.000 unit per tahun). Namun, untuk bersaing dengan mobilpembakaran internal, sel bahan bakar otomotif harus mencapai sekitar $36/kWh. Penghematan dapat dicapai dengan mengurangi biaya material (khususnya, penggunaan platinum), meningkatkan kepadatan daya, mengurangi kompleksitas sistem, dan meningkatkan daya tahan. Ada beberapa tantangan untuk mengkomersilkan teknologi dalam skala besar, termasuk mengatasi sejumlah hambatan teknis.

Tantangan teknis masa depan

Biaya tumpukan tergantung pada bahan, teknik, dan teknik pembuatan. Pemilihan bahan tidak hanya tergantung pada kesesuaian bahan untuk fungsinya, tetapi juga pada kemampuan pengerjaannya. Tugas utama elemen:

1. Kurangi beban elektrokatalis dan tingkatkan aktivitas.
2. Meningkatkan daya tahan dan mengurangi degradasi.
3. Optimasi desain elektroda.
4. Meningkatkan toleransi pengotor di anoda.
5. Pemilihan bahan untuk komponen. Hal ini terutama didasarkan pada biaya tanpa mengorbankan kinerja.
6. Toleransi kesalahan sistem.
7. Kinerja elemen terutama bergantung pada kekuatan membran.

Parameter GDL utama yang mempengaruhi kinerja sel adalah permeabilitas reagen, konduktivitas listrik, konduktivitas termal, dan dukungan mekanis. Ketebalan GDL merupakan faktor penting. Membran yang lebih tebal memberikan perlindungan yang lebih baik, kekuatan mekanik, jalur difusi yang lebih panjang, dan tingkat ketahanan termal dan listrik yang lebih besar.

Tren progresif

Di antara berbagai jenis elemen, PEMFC mengadaptasi lebih banyak aplikasi seluler (mobil, laptop, ponsel, dll.), oleh karena itu, semakin diminati oleh berbagai produsen. Faktanya, PEMFC memiliki banyak keunggulan seperti suhu pengoperasian yang rendah, stabilitas kerapatan arus yang tinggi, bobot yang ringan, kekompakan, biaya dan potensi volume yang rendah, masa pakai yang lama, startup yang cepat, dan kesesuaian untuk pengoperasian yang terputus-putus.

Teknologi PEMFC sangat cocok untuk berbagai ukuran dan juga digunakan dengan berbagai bahan bakar jika diproses dengan benar untuk menghasilkan hidrogen. Dengan demikian, ia menemukan penggunaan dari skala subwatt kecil hingga skala megawatt. 88% dari total pengiriman tahun 2016-2018 adalah PEMFC.