Korkean lämpötilan protonivaihtomembraanipolttokenno - High Temperature Proton Exchange Membrane fuel cell
Korkean lämpötilan protonivaihtomembraanipolttokennot (HT-PEMFC), joka tunnetaan myös nimellä korkean lämpötilan polymeerielektrolyyttikalvopolttokennot, ovat eräänlaisia PEM-polttokennoja, joita voidaan käyttää 120-200 ° C: n lämpötiloissa. HT-PEM-polttokennoja käytetään sekä kiinteissä että kannettavissa sovelluksissa. HT-PEM-polttokennoon toimitetaan yleensä runsaasti vetyä sisältävää kaasua, kuten reformatiivikaasua, joka on muodostettu reformoimalla metanoli , etanoli , maakaasu tai nestekaasu .
Tiede
Yleiskatsaus
HT-PEM-polttokenno kehitettiin vuonna 1995 käytettäväksi korkeammissa kennolämpötiloissa tavoitteena PEM-polttokennojen pienempi herkkyys epäpuhtauksille. Näin ollen HT-PEM-polttokennotekniikka on yksi nuorimmista polttokennotyypeistä, ja useat yritykset ovat valmistaneet HT-PEM-polttokennojärjestelmiä 2000-luvulta lähtien.
Kalvo koostuu hapon ja lämpötilan kestävästä polymeeristä, jolla on kyky ottaa vastaan happoa, joka toimii elektrolyyttinä. Yleensä polybentsimidatsolia (PBI) käytetään kalvona ja fosforihappoa elektrolyyttinä. HT-PEM-polttokennotekniikka on samanlainen kuin fosforihappopolttokenno (PAFC), mutta eroaa pääasiassa HT-PEM-polttokennossa käytettävän kalvon ja mahdollistaa kannettavien sovellusten käytön HT-PEM-polttokennoissa.
Tavallista PEM-polttokennoa, jota kutsutaan myös nimellä matalan lämpötilan protonivaihtomembraanipolttokenno (LT-PEM), on yleensä käytettävä vedellä, jonka puhtaus on yli 99,9 %, mutta HT-PEM-polttokenno on vähemmän herkkä epäpuhtauksille ja siten käytetään tyypillisesti reformatointikaasulla, jonka vetypitoisuus on noin 50-75 %. Toisin kuin LT-PEM-polttokenno, joka on herkkä useiden miljoonasosien hiilimonoksidipitoisuudelle, HT-PEM-polttokennoja käytetään hiilimonoksidipitoisuuksilla noin 3 vol-%. Yleensä HT-PEM-polttokennoja käytetään kennolämpötilassa 150-180 ° C.
Alhainen herkkyys epäpuhtauksille mahdollistaa polttoaineiden, kuten metanolin, etanolin, maakaasun, nestekaasun, DME: n jne. Käytön. reformatiivisen kaasun puhdistaminen.
Alhaisen herkkyyden epäpuhtauksille ja kalvon protonijohtavuuden vuoksi HT-PEM-polttokennossa käytettävää kalvoelektrodikokoonpanoa voidaan käyttää myös vedyn erottamiseen ultrapuhtaan vedyn erottamiseksi tehokkaasti laimennetuista tai epäpuhtaista vetyä sisältävistä kaasuista.
Metanolilla toimivien HT-PEM-polttokennojärjestelmien tehokkuus on tyypillisesti 35-45 % ja voi olla jopa noin 55 % järjestelmän suunnittelusta ja käyttöolosuhteista riippuen. Solujen tehokkuudesta voidaan saavuttaa jopa 63 %.
Koska metanolin höyryreformointi on yksinkertaisempaa ja tehokkaampaa (katalyyttikerroksen lämpötila alle 280 ° C) verrattuna muiden polttoaineiden reformointiin ja koska perinteinen metanoli ja uusiutuva metanoli (esim. Valmistettu jätteestä tai uusiutuvasta energiasta) ovat edullisia ja erittäin puhtaita sekä metanolin yksinkertaisen varastoinnin vuoksi useimmat HT-PEM-polttokennot toimivat metanolilla. Metanolilla toimiva HT-PEM-polttokenno on eniten käytetty reformoidun metanolipolttokennon (RMFC) tyyppi .
Vahvuudet
- Vedenhallintaa kalvon kostuttamiseen ei tarvita verrattuna LT-PEM-polttokennoon.
- Pinon hukkalämpöä (130-180 ° C) voidaan käyttää, jolloin lämmön ja sähkön yhteistuotanto (CHP) on mahdollista lämmön edelleen hyödyntämiseksi toisin kuin LT-PEM-polttokenno, jonka hukkalämpötila on liian alhainen alle 80 ° C.
- Pino on yksinkertaisesti jäähdytettävä, koska pinon lämpötila on korkeampi kuin LT-PEM-polttokenno (lämmönvaihtopinta, jäähdytysteho).
- Voidaan käyttää erilaisia polttoaineita, jotka voidaan reformoida reformerissa vetypitoiseksi kaasuksi (esim. Metanoli, etanoli, propanoli, bio-butanoli , bio-glyseroli, metaani, etaani, propaani, butaani, OME , bensiini, ammoniakki ).
- Yksinkertainen järjestelmän suunnittelu on mahdollista, koska metanolipolttoainetta käyttävien HT-PEM-polttokennojen puhdistusvaihetta ei tarvita.
- Muoviosien ja elastomeeritiivisteiden käyttö pinossa on mahdollista toisin kuin SOFC -polttokennot.
- Metanolilla toimivien HT-PEM-polttokennojärjestelmien parempi järjestelmätehokkuus (35–45 %) verrattuna suoraan metanolipolttokennoon, DMFC: hen (20–30 %). Pieni metanolipolttoaineen kulutus.
- Ei tarvita suurta metanolipolttoaineen puhtautta metanolipolttoaineella varustetulle HT-PEM-polttokennojärjestelmälle verrattuna DMFC: hen.
- Metanolilla toimivan HT-PEM-polttokennojärjestelmän käyttöikä on pidempi kuin DMFC-järjestelmällä.
- Käytettävissä ovat puhtaat polttoaineet tai vesi-polttoaineseokset (riippuen polttokennojärjestelmän rakenteesta).
- Uusiutuvien polttoaineiden käyttö on mahdollista.
- Alle 0 ° C: n kylmäsäilytyslämpötilat eivät ole ongelma polttokennomembraanille, toisin kuin DMFC- ja LT-PEM-polttokenno.
- Polttoaineena voidaan käyttää vähäpuhtaista vetyä. Vähäpuhtainen vety on halvempaa kuin erittäin puhdas vety, jota on yleensä käytettävä LT-PEM-polttokennossa.
- Polttoaineiden, kuten metanolin, käyttö mahdollistaa halvemmat polttoainekulut kilowattituntia kohti verrattuna vetyyn (esim. LT-PEM-polttokennot) tai dieseliin (esim. Generaattorit) polttoaineena.
Heikkoudet
- Pidempi käynnistysaika verrattuna LT-PEM-polttokennoon (pinon ja reformerin lämmitysaika). Joten hybridisaatio suuremmalla akulla kuin LT-PEM-polttokennojärjestelmillä on joskus tarpeen.
- Järjestelmäkomponentti pinon lämmitykseen käynnistyksen aikana on välttämätön, toisin kuin LT-PEM-polttokenno ja DMFC.
- Lisää kennoja tarvitaan LT-PEM-polttokennoon verrattuna, jotta saavutetaan suuri teho tai sama hyötysuhde kuin vedyn LT-PEM-polttokennossa HT-PEM-polttokennon huonompi ominaiskäyrä vuoksi: Korkeammat pinokustannukset, pinon tilavuus ja pinon paino verrattuna LT: hen -PEM -polttokenno. Tekniikat parempien ominaiskäyräominaisuuksien saavuttamiseksi ovat perustutkimustilassa.
- Kalvoselektrodikokoonpanossa käytetään korkeampaa platinasisältöä (noin 8 - 14 g Pt / kW) kuin LT -PEM -polttokennoissa : Platinan kierrätys on otettava huomioon. Platinattomien elektrodien kehittäminen HT-PEM-polttokennoille on perustutkimustilassa.
- Orgaanisia polttoaineita käytettäessä vapautuu hiilidioksidia ja ehkä hiukkasia jäämiä (pitoisuus järjestelmän suunnittelusta riippuen, tyypillisesti CO -pitoisuus paljon pienempi kuin polttomoottoreista).
- Joidenkin järjestelmän osien on kestettävä korkeampia lämpötiloja kuin LT -PEM -polttokennossa ja DMFC: ssä, mikä rajoittaa soveltuvien materiaalien valintaa (esim. Polymeerit, joiden kestävyys on enintään 120 - 180 ° C).
Sovellukset
HT-PEM-polttokennojärjestelmiä käytetään kiinteissä ja kannettavissa sovelluksissa. Esimerkiksi metanolilla poltettuja HT-PEM-polttokennoja käytetään generaattoreiden (esim. Sähköverkon ulkopuoliset sovellukset, varavirtalähde , varavirtalähde , apuvoimalaite ) korvaamiseen ja sähköajoneuvojen kantaman laajentamiseen (esim. Urheiluauto Gumpert Nathalie ). Tyypillisesti HT-PEM-polttokennojärjestelmää käytetään hybridikäytössä akun kanssa. Maakaasulla poltettavia HT-PEM-polttokennojärjestelmiä käytetään myös rakennusten lämmön ja sähkön yhteistuotannossa.
HT-PEM-polttokennotekniikkaa sisältävien polttokennojärjestelmien valmistajat:
- Blue World Technologies (Tanska)
- Siqens (Saksa)