Sel bahan bakar melakukannya sendiri di rumah. Teknologi sel bahan bakar dan penggunaannya dalam mobil

Mengingat kejadian baru-baru ini terkait dengan panas berlebih, kebakaran, dan bahkan ledakan laptop karena kesalahan baterai lithium-ion, orang tidak dapat tidak mengingat teknologi alternatif baru yang, menurut sebagian besar ahli, di masa depan akan dapat melengkapi atau mengganti baterai tradisional saat ini. Kita berbicara tentang sumber daya baru - sel bahan bakar.

Menurut aturan praktis, dirumuskan 40 tahun lalu oleh salah satu pendiri Intel, Gordon Moore, kinerja prosesor berlipat ganda setiap 18 bulan. Baterai tidak bisa mengikuti chip. Kapasitas mereka, menurut para ahli, hanya meningkat 10% per tahun.

Sel bahan bakar beroperasi atas dasar membran seluler (berpori) yang memisahkan ruang anoda dan katoda dari sel bahan bakar. Membran ini dilapisi pada kedua sisi dengan katalis yang sesuai. Bahan bakar disuplai ke anoda, dalam hal ini digunakan larutan metanol (metil alkohol). Sebagai hasil dari reaksi kimia dekomposisi bahan bakar, terbentuk muatan bebas yang menembus membran ke katoda. Sirkuit listrik dengan demikian ditutup, dan arus listrik dibuat di dalamnya untuk memberi daya pada perangkat. Jenis sel bahan bakar ini disebut Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). Pengembangan sel bahan bakar dimulai sejak lama, tetapi hasil pertama, yang memberi alasan untuk berbicara tentang persaingan nyata dengan baterai lithium-ion, hanya diperoleh dalam dua tahun terakhir.

Pada tahun 2004, ada sekitar 35 produsen di pasar untuk perangkat semacam itu, tetapi hanya beberapa perusahaan yang dapat menyatakan keberhasilan yang signifikan di bidang ini. Pada bulan Januari, Fujitsu mempresentasikan perkembangannya - baterai memiliki ketebalan 15 mm dan mengandung 300 mg larutan metanol 30%. Kekuatan 15 W memungkinkannya untuk menyediakan laptop selama 8 jam. Sebulan kemudian, sebuah perusahaan kecil, PolyFuel, adalah yang pertama mengumumkan produksi komersial membran yang harus dilengkapi dengan pasokan listrik bahan bakar. Dan sudah pada bulan Maret, Toshiba mendemonstrasikan prototipe mobile PC yang menggunakan bahan bakar. Pabrikan mengklaim bahwa laptop semacam itu dapat bertahan hingga lima kali lebih lama daripada laptop yang menggunakan baterai tradisional.

Pada tahun 2005, LG Chem mengumumkan pembuatan sel bahan bakarnya. Sekitar 5 tahun dan 5 miliar dolar dihabiskan untuk pengembangannya. Akibatnya, dimungkinkan untuk membuat perangkat dengan daya 25 W dan berat 1 kg, terhubung ke laptop melalui antarmuka USB dan memastikan operasinya selama 10 jam. Tahun 2006 ini juga ditandai dengan sejumlah perkembangan menarik. Secara khusus, pengembang Amerika dari Ultracell mendemonstrasikan sel bahan bakar yang menyediakan daya 25 W dan dilengkapi dengan tiga kartrid yang dapat diganti dengan 67% metanol. Ia mampu memberikan daya ke laptop selama 24 jam. Berat baterai sekitar satu kilogram, setiap kartrid beratnya sekitar 260 gram.

Selain mampu memberikan kapasitas yang lebih besar dari baterai lithium ion, baterai metanol bersifat non-explosive. Kerugiannya termasuk biayanya yang agak tinggi dan kebutuhan untuk mengganti kartrid metanol secara berkala.

Jika baterai bahan bakar tidak menggantikan yang tradisional, maka kemungkinan besar mereka dapat digunakan bersama dengan mereka. Menurut para ahli, pasar sel bahan bakar pada tahun 2006 akan menjadi sekitar 600 juta dolar, yang merupakan angka yang cukup sederhana. Namun, pada 2010, para ahli memperkirakan peningkatan tiga kali lipat - hingga 1,9 miliar dolar.

Pembahasan artikel "Baterai alkohol menggantikan lithium"

zemoneng

Persetan, saya menemukan informasi tentang perangkat ini di majalah wanita.
Baiklah, izinkan saya mengatakan beberapa kata tentang ini:
1: ketidaknyamanannya adalah setelah 6-10 jam kerja, Anda harus mencari kartrid baru, dan harganya mahal. Mengapa saya menghabiskan uang untuk omong kosong ini
2: sejauh yang saya mengerti, setelah menerima energi dari metil alkohol, air harus dilepaskan. Laptop dan air adalah hal yang tidak cocok.
3: mengapa Anda menulis di majalah wanita? Dilihat dari komentar "Saya tidak tahu apa-apa." dan "Apa ini?", artikel ini bukan level situs yang didedikasikan untuk KECANTIKAN.

Saya memasukkan fitting selang pengisi ke leher pengisi bahan bakar dan memutarnya setengah putaran untuk menutup sambungan. Klik sakelar sakelar dan kedipan LED di stasiun pengisian bahan bakar dengan tulisan besar h3 menunjukkan bahwa pengisian bahan bakar telah dimulai. Satu menit - dan tangkinya penuh, Anda bisa pergi!

Kontur bodi yang elegan, suspensi ultra-rendah, slick low-profile memberikan ras balap yang sesungguhnya. Melalui penutup transparan Anda dapat melihat seluk-beluk pipa dan kabel. Di suatu tempat saya telah melihat solusi serupa ... Oh ya, pada Audi R8, mesinnya juga terlihat melalui jendela belakang. Tapi di Audi itu adalah bensin tradisional, dan mobil ini menggunakan hidrogen. Seperti BMW Hydrogen 7, tetapi tidak seperti yang terakhir, tidak ada mesin pembakaran internal di sini. Satu-satunya bagian yang bergerak adalah roda kemudi dan rotor motor listrik. Dan energi untuk itu disediakan oleh sel bahan bakar. Mobil ini dirilis oleh perusahaan Singapura Horizon Fuel Cell Technologies, yang berspesialisasi dalam pengembangan dan produksi sel bahan bakar. Pada tahun 2009, perusahaan Inggris Riversimple telah memperkenalkan mobil hidrogen perkotaan yang ditenagai oleh sel bahan bakar Horizon Fuel Cell Technologies. Ini dikembangkan bekerja sama dengan Universitas Oxford dan Cranfield. Tapi Horizon H-racer 2.0 adalah pengembangan solo.

Sel bahan bakar terdiri dari dua elektroda berpori yang dilapisi dengan lapisan katalis dan dipisahkan oleh membran penukar proton. Hidrogen pada katalis anoda diubah menjadi proton dan elektron, yang melalui anoda dan rangkaian listrik eksternal datang ke katoda, di mana hidrogen dan oksigen bergabung kembali untuk membentuk air.

"Pergi!" - dengan gaya Gagarin, pemimpin redaksi menyikutku dengan sikunya. Tetapi tidak terlalu cepat: pertama-tama Anda perlu "memanaskan" sel bahan bakar pada beban parsial. Saya mengganti sakelar sakelar ke mode "pemanasan" ("pemanasan") dan menunggu waktu yang ditentukan. Kemudian, untuk berjaga-jaga, saya mengisi tangki hingga penuh. Sekarang mari kita pergi: mesin, dengan lancar berdengung dengan mesin, bergerak maju. Dinamikanya mengesankan, meskipun, bagaimanapun, apa lagi yang diharapkan dari mobil listrik - momennya konstan pada kecepatan berapa pun. Meskipun tidak lama - tangki penuh hidrogen hanya bertahan beberapa menit (Horizon berjanji untuk merilis versi baru dalam waktu dekat, di mana hidrogen tidak disimpan sebagai gas bertekanan, tetapi dipegang oleh bahan berpori dalam penyerap) . Ya, dan itu dikendalikan, sejujurnya, tidak terlalu baik - hanya ada dua tombol pada remote control. Tapi bagaimanapun, sangat disayangkan bahwa ini hanya mainan yang dikendalikan radio yang berharga $150. Kami tidak keberatan mengendarai mobil sel bahan bakar asli sebagai pembangkit listrik.

Tangki, wadah karet elastis di dalam casing kaku, membentang saat mengisi bahan bakar dan bekerja sebagai pompa bahan bakar, "memeras" hidrogen ke dalam sel bahan bakar. Agar tidak "mengisi ulang" tangki, salah satu alat kelengkapan dihubungkan dengan tabung plastik ke katup pelepas tekanan darurat.

Mengisi kolom

Lakukan sendiri

Horizon H-racer 2.0 hadir sebagai kit SKD (do-it-yourself), Anda dapat membelinya, misalnya, di Amazon. Namun, tidak sulit untuk merakitnya - cukup letakkan sel bahan bakar di tempatnya dan kencangkan dengan sekrup, sambungkan selang ke tangki hidrogen, sel bahan bakar, leher pengisi dan katup darurat, dan yang tersisa hanyalah memasang tubuh bagian atas pada tempatnya, tak lupa bumper depan dan belakang. Kit ini dilengkapi dengan stasiun pengisian yang menerima hidrogen dengan elektrolisis air. Ini ditenagai oleh dua baterai AA, dan jika Anda ingin energinya benar-benar "bersih" - dari panel surya (termasuk juga).

www.popmech.ru

Bagaimana cara membuat sel bahan bakar dengan tangan Anda sendiri?

Tentu saja, solusi paling sederhana untuk masalah memastikan pengoperasian sistem bebas bahan bakar yang berkelanjutan adalah dengan membeli sumber energi sekunder yang sudah jadi secara hidrolik atau dasar lainnya, tetapi dalam kasus ini tentu saja tidak mungkin untuk menghindarinya. biaya tambahan, dan dalam proses ini cukup sulit untuk mempertimbangkan ide untuk lari dari pemikiran kreatif. Selain itu, membuat sel bahan bakar dengan tangan Anda sendiri sama sekali tidak sesulit yang Anda bayangkan pada pandangan pertama, dan jika diinginkan, bahkan master yang paling tidak berpengalaman pun dapat mengatasi tugas tersebut. Selain itu, bonus yang lebih dari menyenangkan adalah biaya rendah untuk membuat elemen ini, karena terlepas dari semua manfaat dan pentingnya, itu akan benar-benar aman untuk bertahan dengan cara improvisasi yang tersedia.

Pada saat yang sama, satu-satunya nuansa yang harus diperhitungkan sebelum menyelesaikan tugas adalah Anda dapat membuat perangkat berdaya sangat rendah dengan tangan Anda sendiri, dan implementasi instalasi yang lebih maju dan kompleks masih harus diserahkan kepada spesialis yang berkualifikasi. . Adapun urutan kerja dan urutan tindakan, pertama-tama, kasing harus diselesaikan, yang terbaik adalah menggunakan kaca plexiglass berdinding tebal (setidaknya 5 sentimeter). Untuk menempelkan dinding kasing dan memasang partisi internal, yang terbaik adalah menggunakan kaca plexiglass yang lebih tipis (cukup 3 milimeter), sangat ideal untuk menggunakan lem dua komposit, meskipun dengan keinginan yang kuat, penyolderan berkualitas tinggi dapat dilakukan. dilakukan secara independen menggunakan proporsi berikut: per 100 gram kloroform - 6 gram serutan dari plexiglass yang sama.

Dalam hal ini, prosesnya harus dilakukan secara eksklusif di bawah tenda. Untuk melengkapi kasing dengan apa yang disebut sistem pembuangan, perlu dengan hati-hati mengebor lubang tembus di dinding depannya, yang diameternya akan sama persis dengan dimensi sumbat karet, yang berfungsi sebagai semacam paking antara kasus dan tabung pembuangan kaca. Adapun dimensi tabung itu sendiri, sangat ideal untuk menyediakan lebarnya sama dengan lima atau enam milimeter, meskipun semuanya tergantung pada jenis struktur yang dirancang. Kemungkinan besar pembaca potensial artikel ini akan agak terkejut dengan topeng gas lama yang tercantum dalam daftar elemen yang diperlukan untuk membuat sel bahan bakar. Sementara itu, seluruh keunggulan alat ini terletak pada karbon aktif yang terletak di kompartemen respiratornya, yang nantinya dapat digunakan sebagai elektroda.

Karena kita berbicara tentang konsistensi tepung, untuk meningkatkan desain, Anda akan membutuhkan stoking nilon, dari mana Anda dapat dengan mudah membuat tas dan meletakkan batu bara di sana, jika tidak maka akan tumpah keluar dari lubang. Adapun fungsi distribusi, bahan bakar terkonsentrasi di ruang pertama, sedangkan oksigen yang diperlukan untuk fungsi normal sel bahan bakar, sebaliknya, akan bersirkulasi di kompartemen kelima terakhir. Elektrolit itu sendiri, yang terletak di antara elektroda, harus diresapi dengan larutan khusus (bensin dengan parafin dalam perbandingan 125 hingga 2 mililiter), dan ini harus dilakukan bahkan sebelum elektrolit udara ditempatkan di kompartemen keempat. Untuk memastikan konduktivitas yang tepat, pelat tembaga dengan kabel pra-solder diletakkan di atas batu bara, di mana listrik akan ditransmisikan dari elektroda.

Tahap desain ini dapat dianggap sebagai yang terakhir dengan aman, setelah itu perangkat yang sudah selesai diisi daya, yang membutuhkan elektrolit. Untuk menyiapkannya, perlu untuk mencampur bagian yang sama dari etil alkohol dengan air suling dan dilanjutkan dengan pengenalan kalium kaustik secara bertahap dengan kecepatan 70 gram per gelas cairan. Tes pertama dari perangkat yang diproduksi terdiri dari pengisian simultan wadah pertama (cairan bahan bakar) dan ketiga (elektrolit yang terbuat dari etil alkohol dan kalium kaustik) dari badan kaca plexiglass.

www.uznay-kak.ru

Sel bahan bakar hidrogen | LAVEN

Sudah lama saya ingin bercerita tentang arah lain dari perusahaan Alfaintek. Ini adalah pengembangan, penjualan, dan layanan sel bahan bakar hidrogen. Saya ingin segera menjelaskan situasi dengan sel bahan bakar ini di Rusia.

Karena biaya yang agak tinggi dan tidak adanya stasiun hidrogen untuk mengisi sel bahan bakar ini, mereka tidak diharapkan untuk dijual di Rusia. Namun demikian, di Eropa, terutama di Finlandia, sel bahan bakar ini semakin populer setiap tahun. Apa rahasianya? Ayo lihat. Perangkat ini ramah lingkungan, mudah dioperasikan dan efisien. Itu datang untuk membantu seseorang di mana dia membutuhkan energi listrik. Anda dapat membawanya di jalan, dalam perjalanan, menggunakannya di pedesaan, di apartemen sebagai sumber listrik otonom.

Listrik dalam sel bahan bakar dihasilkan oleh reaksi kimia hidrogen dari silinder dengan hidrida logam dan oksigen dari udara. Silinder tidak meledak dan dapat disimpan di lemari Anda selama bertahun-tahun, menunggu di sayap. Ini, mungkin, salah satu keuntungan utama dari teknologi penyimpanan hidrogen ini. Penyimpanan hidrogen merupakan salah satu masalah utama dalam pengembangan bahan bakar hidrogen. Sel bahan bakar ringan baru yang unik yang mengubah hidrogen menjadi listrik konvensional dengan cara yang aman, tenang, dan bebas emisi.

Jenis listrik ini dapat digunakan di tempat-tempat yang tidak memiliki pusat listrik, atau sebagai sumber listrik darurat.

Tidak seperti baterai konvensional, yang perlu diisi dan pada saat yang sama terputus dari konsumen listrik selama proses pengisian, sel bahan bakar bekerja sebagai perangkat "pintar". Teknologi ini memberikan daya tanpa gangguan selama seluruh periode penggunaan karena fungsi unik mempertahankan daya saat mengganti tangki bahan bakar, yang memungkinkan pengguna untuk tidak pernah mematikan konsumen. Dalam kasus tertutup, sel bahan bakar dapat disimpan selama beberapa tahun tanpa kehilangan hidrogen dan mengurangi kekuatannya.

Sel bahan bakar dirancang untuk ilmuwan dan peneliti, penegak hukum, penjaga pantai, pemilik kapal dan marina, dan siapa saja yang membutuhkan sumber daya yang dapat diandalkan dalam keadaan darurat. Anda bisa mendapatkan tegangan 12 volt atau 220 volt dan kemudian Anda akan memiliki energi yang cukup untuk menggunakan TV, sistem stereo, kulkas, pembuat kopi, ketel, penyedot debu, bor, kompor mikro, dan peralatan listrik lainnya.

Sel bahan bakar hidrosel dapat dijual sebagai satu unit atau sebagai baterai 2-4 sel. Dua atau empat elemen dapat digabungkan untuk meningkatkan daya atau meningkatkan arus.

WAKTU OPERASI ALAT RUMAH TANGGA DENGAN SEL BAHAN BAKAR

Peralatan listrik	Waktu kerja per hari (min.)	Kontra. daya per hari (W*h)	Waktu pengoperasian dengan sel bahan bakar
Peralatan listrik	Waktu kerja per hari (min.)	Kontra. daya per hari (W*h)
Ketel listrik
Pembuat kopi
Pelat mikro

Televisi
1 bohlam 60W
1 bohlam 75W
3 lampu 60W
laptop komputer
Kulkas

Lampu hemat energi

* - kerja terus menerus

Sel bahan bakar terisi penuh di stasiun hidrogen khusus. Tetapi bagaimana jika Anda bepergian jauh dari mereka dan tidak ada cara untuk mengisi ulang? Khusus untuk kasus seperti itu, spesialis Alfaintek telah mengembangkan silinder untuk menyimpan hidrogen, yang dengannya sel bahan bakar akan bekerja lebih lama.

Dua jenis silinder diproduksi: NS-MN200 dan NS-MN1200. NS-MN200 rakitan memiliki ukuran sedikit lebih besar dari kaleng Coca-Cola, menampung 230 liter hidrogen, yang setara dengan 40Ah (12V), dan beratnya hanya 2,5 kg .Silinder dengan hidrida logam NS-MH1200 menampung 1200 liter hidrogen, yang setara dengan 220Ah (12V). Berat silinder adalah 11 kg.

Teknik hidrida logam adalah cara yang aman dan mudah untuk menyimpan, mengangkut, dan menggunakan hidrogen. Ketika disimpan sebagai hidrida logam, hidrogen dalam bentuk senyawa kimia daripada dalam bentuk gas. Metode ini memungkinkan untuk mendapatkan kepadatan energi yang cukup tinggi. Keuntungan menggunakan metal hydride adalah tekanan di dalam silinder hanya 2-4 bar, silinder tidak mudah meledak dan dapat disimpan bertahun-tahun tanpa mengurangi volume zat. Karena hidrogen disimpan sebagai hidrida logam, kemurnian hidrogen yang diperoleh dari silinder sangat tinggi, 99,999%. Silinder penyimpan hidrogen dalam bentuk hidrida logam dapat digunakan tidak hanya dengan sel bahan bakar HC 100.200.400, tetapi juga dalam kasus lain yang membutuhkan hidrogen murni. Silinder dapat dengan mudah dihubungkan ke sel bahan bakar atau perangkat lain dengan konektor sambungan cepat dan selang fleksibel.

Sangat disayangkan bahwa sel bahan bakar ini tidak dijual di Rusia. Tetapi di antara populasi kita ada begitu banyak orang yang membutuhkannya. Nah, mari kita tunggu dan lihat, Anda melihat dan kami akan memilikinya. Sementara itu, kami akan membeli bola lampu hemat energi yang diberlakukan oleh negara.

P.S. Tampaknya topik itu akhirnya terlupakan. Bertahun-tahun setelah artikel ini ditulis, tidak ada yang keluar. Mungkin, tentu saja, saya tidak melihat ke mana-mana, tetapi apa yang menarik perhatian saya sama sekali tidak menyenangkan. Teknologi dan idenya bagus, tetapi pengembangannya belum ditemukan.

lavent.ru

Sel bahan bakar adalah masa depan yang dimulai hari ini!

Awal abad ke-21 menganggap ekologi sebagai salah satu tugas dunia yang paling penting. Dan hal pertama yang harus diperhatikan dengan kondisi saat ini adalah pencarian dan pemanfaatan sumber energi alternatif. Merekalah yang mampu mencegah pencemaran lingkungan di sekitar kita, serta sepenuhnya meninggalkan biaya bahan bakar berbasis hidrokarbon yang terus meningkat.

Sudah hari ini, sumber energi seperti sel surya dan turbin angin telah digunakan. Namun, sayangnya, kekurangan mereka dikaitkan dengan ketergantungan pada cuaca, serta pada musim dan waktu. Untuk alasan ini, penggunaannya dalam astronotika, pesawat terbang, dan industri otomotif secara bertahap ditinggalkan, dan untuk penggunaan stasioner mereka dilengkapi dengan sumber daya sekunder - baterai.

Namun, solusi terbaik adalah sel bahan bakar, karena tidak memerlukan pengisian energi yang konstan. Ini adalah perangkat yang mampu mengolah dan mengubah berbagai jenis bahan bakar (bensin, alkohol, hidrogen, dll) secara langsung menjadi energi listrik.

Sel bahan bakar bekerja sesuai dengan prinsip berikut: bahan bakar dipasok dari luar, yang dioksidasi oleh oksigen, dan energi yang dilepaskan dalam hal ini diubah menjadi listrik. Prinsip operasi ini memastikan operasi yang hampir abadi.

Mulai dari akhir abad ke-19, para ilmuwan mempelajari sel bahan bakar secara langsung, dan terus-menerus mengembangkan modifikasi baru. Jadi, hari ini, tergantung pada kondisi operasi, ada alkaline atau alkaline (AFC), direct borohydrate (DBFC), electro-galvanic (EGFC), direct methanol (DMFC), zinc-air (ZAFC), mikroba (MFC), model asam format (DFAFC) dan hidrida logam (MHFC) juga dikenal.

Salah satu yang paling menjanjikan adalah sel bahan bakar hidrogen. Penggunaan hidrogen di pembangkit listrik disertai dengan pelepasan energi yang signifikan, dan pembuangan perangkat semacam itu adalah uap air murni atau air minum, yang tidak menimbulkan ancaman bagi lingkungan.

Keberhasilan pengujian sel bahan bakar jenis ini pada pesawat ruang angkasa baru-baru ini membangkitkan minat yang cukup besar di antara produsen elektronik dan berbagai peralatan. Misalnya, PolyFuel memperkenalkan sel bahan bakar hidrogen mini untuk laptop. Tetapi biaya yang terlalu tinggi untuk perangkat semacam itu dan kesulitan dalam pengisian bahan bakar tanpa hambatan membatasi produksi industri dan distribusi yang luas. Honda juga telah memproduksi sel bahan bakar otomotif selama lebih dari 10 tahun. Namun, angkutan jenis ini tidak dijual, melainkan hanya untuk penggunaan resmi karyawan perusahaan. Mobil berada di bawah pengawasan insinyur.

Banyak yang bertanya-tanya apakah mungkin untuk merakit sel bahan bakar dengan tangan Anda sendiri. Bagaimanapun, keuntungan signifikan dari perangkat buatan sendiri akan menjadi investasi kecil, berbeda dengan model industri. Untuk model miniatur, Anda membutuhkan 30 cm kawat nikel berlapis platinum, sepotong kecil plastik atau kayu, klip untuk baterai 9 volt dan baterai itu sendiri, pita perekat transparan, segelas air dan voltmeter. Perangkat semacam itu akan memungkinkan Anda untuk melihat dan memahami esensi pekerjaan, tetapi, tentu saja, itu tidak akan berfungsi untuk menghasilkan listrik untuk mobil.

fb.ru

Sel bahan bakar hidrogen: sedikit sejarah | Hidrogen

Di zaman kita, masalah kekurangan sumber daya energi tradisional dan kerusakan ekologi planet secara keseluruhan karena penggunaannya sangat akut. Itulah sebabnya, dalam beberapa tahun terakhir, sumber daya keuangan dan intelektual yang signifikan telah dihabiskan untuk pengembangan pengganti bahan bakar hidrokarbon yang berpotensi menjanjikan. Hidrogen dapat menjadi pengganti seperti itu dalam waktu dekat, karena penggunaannya di pembangkit listrik disertai dengan pelepasan sejumlah besar energi, dan knalpotnya adalah uap air, yaitu, tidak menimbulkan bahaya bagi lingkungan.

Meskipun beberapa kesulitan teknis yang masih ada dalam memperkenalkan sel bahan bakar berbasis hidrogen, banyak produsen mobil telah menghargai janji teknologi dan sudah secara aktif mengembangkan prototipe kendaraan yang diproduksi secara massal yang mampu menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar utama. Kembali pada tahun 2011, Daimler AG memperkenalkan model konseptual Mercedes-Benz dengan pembangkit listrik tenaga hidrogen. Selain itu, perusahaan Korea Hyndayi telah secara resmi mengumumkan bahwa mereka tidak berniat untuk mengembangkan mobil listrik lagi, dan akan memusatkan semua upaya untuk mengembangkan mobil hidrogen yang terjangkau.

Meskipun gagasan menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar tidak liar bagi banyak orang, kebanyakan tidak mengerti bagaimana sel bahan bakar hidrogen bekerja dan apa yang luar biasa tentang mereka.

Untuk memahami pentingnya teknologi, kami menyarankan untuk beralih ke sejarah sel bahan bakar hidrogen.

Orang pertama yang menggambarkan potensi penggunaan hidrogen dalam sel bahan bakar adalah Christian Friedrich, seorang Jerman. Kembali pada tahun 1838, ia menerbitkan karyanya di jurnal ilmiah terkenal saat itu.

Tahun berikutnya, seorang hakim dari Ouls, Sir William Robert Grove, menciptakan prototipe baterai hidrogen yang bisa diterapkan. Namun, kekuatan perangkat itu terlalu kecil bahkan untuk standar waktu itu, jadi tidak ada pertanyaan tentang penggunaan praktisnya.

Adapun istilah "sel bahan bakar", itu berutang keberadaannya kepada ilmuwan Ludwig Mond dan Charles Langer, yang pada tahun 1889 berusaha membuat sel bahan bakar yang beroperasi di udara dan gas oven kokas. Menurut orang lain, istilah ini pertama kali digunakan oleh William White Jaques, yang pertama kali memutuskan untuk menggunakan asam fosfat dalam elektrolit.

Pada tahun 1920-an, sejumlah penelitian dilakukan di Jerman, yang hasilnya adalah penemuan sel bahan bakar oksida padat dan cara menggunakan siklus karbonat. Patut dicatat bahwa teknologi ini digunakan secara efektif di zaman kita.

Pada tahun 1932, insinyur Francis T Bacon mulai bekerja pada studi sel bahan bakar langsung berdasarkan hidrogen. Sebelum dia, para ilmuwan menggunakan skema yang sudah mapan - elektroda platinum berpori ditempatkan dalam asam sulfat. Kerugian yang jelas dari skema semacam itu terletak, pertama-tama, pada biaya tinggi yang tidak dapat dibenarkan karena penggunaan platinum. Selain itu, penggunaan asam sulfat kaustik menimbulkan ancaman bagi kesehatan, dan terkadang kehidupan, para peneliti. Bacon memutuskan untuk mengoptimalkan sirkuit dan mengganti platinum dengan nikel, dan menggunakan komposisi alkali sebagai elektrolit.

Berkat kerja produktif untuk meningkatkan teknologinya, Bacon sudah pada tahun 1959 mempresentasikan kepada masyarakat umum sel bahan bakar hidrogen aslinya, yang menghasilkan 5 kW dan dapat memberi daya pada mesin las. Dia menyebut perangkat yang disajikan "Bacon Cell".

Pada bulan Oktober tahun yang sama, sebuah traktor unik diciptakan yang menggunakan hidrogen dan menghasilkan dua puluh tenaga kuda.

Pada tahun enam puluhan abad kedua puluh, perusahaan Amerika General Electric, skema yang dikembangkan oleh Bacon, ditingkatkan dan diterapkan pada program luar angkasa Apollo dan NASA Gemini. Spesialis dari NASA sampai pada kesimpulan bahwa penggunaan reaktor nuklir terlalu mahal, secara teknis sulit dan tidak aman. Selain itu, perlu untuk meninggalkan penggunaan baterai dengan panel surya karena ukurannya yang besar. Solusi untuk masalah ini adalah sel bahan bakar hidrogen, yang mampu memasok energi ke pesawat ruang angkasa, dan awaknya dengan air bersih.

Bus pertama yang menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar dibangun pada tahun 1993. Dan prototipe mobil penumpang yang ditenagai oleh sel bahan bakar hidrogen telah diperkenalkan pada tahun 1997 oleh merek otomotif global seperti Toyota dan Daimler Benz.

Agak aneh bahwa bahan bakar ramah lingkungan yang menjanjikan, yang diterapkan lima belas tahun yang lalu di mobil, belum tersebar luas. Ada banyak alasan untuk ini, yang utamanya, mungkin, adalah politik dan ketelitian dalam penciptaan infrastruktur yang sesuai. Mari kita berharap hidrogen masih memiliki suara dan akan menjadi pesaing signifikan mobil listrik.(odnaknopka)

energycraft.org

Dibuat pada 14.07.2012 20:44 Penulis: Alexey Norkin

Masyarakat material kita tanpa energi tidak hanya dapat berkembang, tetapi bahkan eksis secara umum. Dari mana energi berasal? Sampai saat ini, orang hanya menggunakan satu cara untuk mendapatkannya, kami bertarung dengan alam, membakar piala yang diekstraksi di tungku, pertama di rumah, kemudian di lokomotif uap dan pembangkit listrik termal yang kuat.

Tidak ada label pada kilowatt-jam yang dikonsumsi oleh orang awam modern yang akan menunjukkan berapa tahun alam telah bekerja sehingga orang beradab dapat menikmati manfaat teknologi, dan berapa tahun dia masih harus bekerja untuk mengurangi kerusakan yang ditimbulkan pada dia oleh peradaban seperti itu. Namun, pemahaman yang matang di masyarakat bahwa cepat atau lambat idilis ilusi akan berakhir. Semakin banyak orang menemukan cara untuk menyediakan energi untuk kebutuhan mereka dengan kerusakan alam yang minimal.

Sel bahan bakar hidrogen adalah cawan suci energi bersih. Mereka memproses hidrogen, salah satu elemen umum dari tabel periodik, dan hanya memancarkan air, zat paling umum di planet ini. Gambaran cerah dimanjakan oleh kurangnya akses bagi orang-orang ke hidrogen sebagai zat. Ada banyak, tetapi hanya dalam keadaan terikat, dan jauh lebih sulit untuk mengekstraknya daripada memompa minyak keluar dari perut atau menggali batu bara.

Salah satu pilihan untuk produksi hidrogen yang bersih dan ramah lingkungan adalah sel bahan bakar mikroba (MTB), yang menggunakan mikroorganisme untuk menguraikan air menjadi oksigen dan hidrogen. Di sini juga, tidak semuanya mulus. Mikroba melakukan pekerjaan yang sangat baik dalam menghasilkan bahan bakar bersih, tetapi untuk mencapai efisiensi yang diperlukan dalam praktik, MTB membutuhkan katalis yang mempercepat salah satu reaksi kimia dari proses tersebut.

Katalis ini adalah platinum logam mulia, yang biayanya membuat penggunaan MTB secara ekonomi tidak dapat dibenarkan dan secara praktis tidak mungkin.

Para ilmuwan dari University of Wisconsin-Milwaukee telah menemukan pengganti katalis yang mahal. Alih-alih platinum, mereka mengusulkan menggunakan nanorod murah yang terbuat dari kombinasi karbon, nitrogen, dan besi. Katalis baru terdiri dari batang grafit dengan nitrogen yang dimasukkan ke dalam lapisan permukaan dan inti besi karbida. Selama tiga bulan pengujian kebaruan, katalis menunjukkan kemampuan yang lebih tinggi daripada platinum. Pengoperasian nanorod ternyata lebih stabil dan terkendali.

Dan yang paling penting, gagasan ilmuwan universitas jauh lebih murah. Dengan demikian, biaya katalis platinum adalah sekitar 60% dari biaya MTB, sedangkan biaya nanorod adalah 5% dari harga saat ini.

Menurut pencipta nanorod katalitik, Profesor Yuhong Chen (Junhong Chen): “Sel bahan bakar dapat secara langsung mengubah bahan bakar menjadi listrik. Bersama mereka, listrik dari sumber terbarukan dapat disalurkan ke tempat yang membutuhkan, yang bersih, efisien, dan berkelanjutan.”

Sekarang Profesor Chen dan tim penelitinya sibuk mempelajari karakteristik yang tepat dari katalis. Tujuan mereka adalah untuk memberikan penemuan mereka fokus praktis, untuk membuatnya cocok untuk produksi massal dan penggunaan.

Menurut Gizmag

www.facepla.net

Sel bahan bakar hidrogen dan sistem energi

Mobil bertenaga air akan segera menjadi kenyataan dan sel bahan bakar hidrogen akan dipasang di banyak rumah...

Teknologi sel bahan bakar hidrogen bukanlah hal baru. Itu dimulai pada 1776 ketika Henry Cavendish pertama kali menemukan hidrogen saat melarutkan logam dalam asam encer. Sel bahan bakar hidrogen pertama ditemukan pada awal tahun 1839 oleh William Grove. Sejak itu, sel bahan bakar hidrogen telah ditingkatkan secara bertahap dan sekarang dipasang di pesawat ulang-alik, memasok mereka dengan energi dan berfungsi sebagai sumber air. Saat ini, teknologi sel bahan bakar hidrogen hampir mencapai pasar massal, di mobil, rumah, dan perangkat portabel.

Dalam sel bahan bakar hidrogen, energi kimia (dalam bentuk hidrogen dan oksigen) diubah secara langsung (tanpa pembakaran) menjadi energi listrik. Sel bahan bakar terdiri dari katoda, elektroda dan anoda. Hidrogen diumpankan ke anoda, di mana ia dipecah menjadi proton dan elektron. Proton dan elektron memiliki rute yang berbeda ke katoda. Proton berjalan melalui elektroda ke katoda, dan elektron berjalan di sekitar sel bahan bakar untuk sampai ke katoda. Gerakan ini kemudian menciptakan energi listrik yang dapat digunakan. Di sisi lain, proton dan elektron hidrogen bergabung dengan oksigen untuk membentuk air.

Elektroliser adalah salah satu cara untuk mengekstrak hidrogen dari air. Prosesnya pada dasarnya kebalikan dari apa yang terjadi ketika sel bahan bakar hidrogen beroperasi. Elektroliser terdiri dari anoda, sel elektrokimia dan katoda. Air dan tegangan diterapkan ke anoda, yang membagi air menjadi hidrogen dan oksigen. Hidrogen melewati sel elektrokimia ke katoda dan oksigen diumpankan langsung ke katoda. Dari sana, hidrogen dan oksigen dapat diekstraksi dan disimpan. Selama waktu ketika listrik tidak diperlukan untuk diproduksi, akumulasi gas dapat ditarik keluar dari penyimpanan dan dilewatkan kembali melalui sel bahan bakar.

Sistem ini menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar, yang mungkin mengapa ada banyak mitos tentang keamanannya. Setelah ledakan Hindenburg, banyak orang yang jauh dari ilmu pengetahuan dan bahkan beberapa ilmuwan mulai percaya bahwa penggunaan hidrogen sangat berbahaya. Namun, penelitian terbaru menunjukkan bahwa penyebab tragedi ini adalah karena jenis bahan yang digunakan dalam konstruksi, dan bukan hidrogen yang dipompa ke dalam. Setelah melakukan uji keamanan penyimpanan hidrogen, ditemukan bahwa menyimpan hidrogen di sel bahan bakar lebih aman daripada menyimpan bensin di tangki bahan bakar mobil.

Berapa biaya sel bahan bakar hidrogen modern? Perusahaan saat ini menawarkan sistem bahan bakar hidrogen untuk menghasilkan daya sekitar $3.000 per kilowatt. Riset pasar telah menetapkan bahwa ketika biaya turun menjadi $1.500 per kilowatt, konsumen di pasar energi massal akan siap untuk beralih ke jenis bahan bakar ini.

Kendaraan sel bahan bakar hidrogen masih lebih mahal daripada kendaraan mesin pembakaran internal, tetapi produsen sedang mencari cara untuk menaikkan harga ke tingkat yang sebanding. Di beberapa daerah terpencil di mana tidak ada saluran listrik, menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar atau catu daya otonom di rumah sekarang mungkin lebih ekonomis daripada, misalnya, membangun infrastruktur untuk pembawa energi tradisional.

Mengapa sel bahan bakar hidrogen masih belum banyak digunakan? Saat ini, biaya tinggi mereka adalah masalah utama untuk distribusi sel bahan bakar hidrogen. Sistem bahan bakar hidrogen tidak memiliki permintaan massal saat ini. Namun, ilmu pengetahuan tidak tinggal diam dan dalam waktu dekat mobil yang berjalan di atas air bisa menjadi kenyataan yang nyata.

www.tesla-tehnika.biz

Mobil bertenaga air akan segera menjadi kenyataan dan sel bahan bakar hidrogen akan dipasang di banyak rumah...

Teknologi hidrogen sel bahan bakar tidak baru. Itu dimulai pada 1776 ketika Henry Cavendish pertama kali menemukan hidrogen saat melarutkan logam dalam asam encer. Sel bahan bakar hidrogen pertama ditemukan pada awal tahun 1839 oleh William Grove. Sejak itu, sel bahan bakar hidrogen telah ditingkatkan secara bertahap dan sekarang dipasang di pesawat ulang-alik, memasok mereka dengan energi dan berfungsi sebagai sumber air. Saat ini, teknologi sel bahan bakar hidrogen hampir mencapai pasar massal, di mobil, rumah, dan perangkat portabel.

Sistem ini menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar, yang mungkin mengapa ada banyak mitos tentang keamanannya. Setelah ledakan Hindenburg, banyak orang yang jauh dari ilmu pengetahuan dan bahkan beberapa ilmuwan mulai percaya bahwa penggunaan hidrogen sangat berbahaya. Namun, penelitian terbaru menunjukkan bahwa penyebab tragedi ini adalah karena jenis bahan yang digunakan dalam konstruksi, dan bukan hidrogen yang dipompa ke dalam. Setelah menguji keamanan penyimpanan hidrogen, ditemukan bahwa penyimpanan hidrogen dalam sel bahan bakar lebih aman daripada menyimpan bensin di tangki bahan bakar mobil.

Berapa biaya sel bahan bakar hidrogen modern?? Perusahaan saat ini menawarkan hidrogen sistem bahan bakar menghasilkan energi dengan biaya sekitar $3.000 per kilowatt. Riset pasar telah menetapkan bahwa ketika biaya turun menjadi $1.500 per kilowatt, konsumen di pasar energi massal akan siap untuk beralih ke jenis bahan bakar ini.

Fabrikasi, perakitan, pengujian dan pengujian sel/sel bahan bakar (hidrogen)
Diproduksi di pabrik di AS dan Kanada

Sel/sel bahan bakar (hidrogen)

Perusahaan Intech GmbH / LLC Intech GmbH telah berada di pasar layanan teknik sejak 1997, resmi selama bertahun-tahun berbagai peralatan industri, membawa perhatian Anda berbagai sel / sel bahan bakar (hidrogen).

Sel bahan bakar/sel adalah

Manfaat sel bahan bakar/sel

Sel bahan bakar / sel adalah perangkat yang secara efisien menghasilkan arus searah dan panas dari bahan bakar yang kaya hidrogen melalui reaksi elektrokimia.

Sel bahan bakar mirip dengan baterai karena menghasilkan arus searah melalui reaksi kimia. Sel bahan bakar terdiri dari anoda, katoda, dan elektrolit. Namun, tidak seperti baterai, sel bahan bakar/sel tidak dapat menyimpan energi listrik, tidak melepaskan, dan tidak memerlukan listrik untuk diisi ulang. Sel bahan bakar/sel dapat terus menerus menghasilkan listrik selama mereka memiliki pasokan bahan bakar dan udara.

Tidak seperti pembangkit listrik lainnya seperti mesin pembakaran internal atau turbin yang ditenagai oleh gas, batu bara, minyak, dll., sel bahan bakar tidak membakar bahan bakar. Ini berarti tidak ada rotor bertekanan tinggi yang berisik, tidak ada suara knalpot yang keras, tidak ada getaran. Sel bahan bakar / sel menghasilkan listrik melalui reaksi elektrokimia diam. Fitur lain dari sel bahan bakar / sel adalah bahwa mereka mengubah energi kimia bahan bakar secara langsung menjadi listrik, panas dan air.

Sel bahan bakar sangat efisien dan tidak menghasilkan sejumlah besar gas rumah kaca seperti karbon dioksida, metana, dan dinitrogen oksida. Satu-satunya produk yang dikeluarkan selama operasi adalah air dalam bentuk uap dan sejumlah kecil karbon dioksida, yang tidak dipancarkan sama sekali jika hidrogen murni digunakan sebagai bahan bakar. Sel bahan bakar / sel dirakit menjadi rakitan dan kemudian menjadi modul fungsional individu.

Sejarah perkembangan sel bahan bakar/sel

Pada 1950-an dan 1960-an, salah satu tantangan terbesar untuk sel bahan bakar lahir dari kebutuhan Badan Penerbangan dan Antariksa Nasional AS (NASA) akan sumber energi untuk misi luar angkasa jangka panjang. Sel / Sel Bahan Bakar Alkaline NASA menggunakan hidrogen dan oksigen sebagai bahan bakar, menggabungkan keduanya dalam reaksi elektrokimia. Outputnya adalah tiga produk sampingan dari reaksi yang berguna dalam penerbangan luar angkasa - listrik untuk menggerakkan pesawat ruang angkasa, air untuk minum dan sistem pendingin, dan panas untuk menjaga para astronot tetap hangat.

Penemuan sel bahan bakar dimulai pada awal abad ke-19. Bukti pertama dari efek sel bahan bakar diperoleh pada tahun 1838.

Pada akhir 1930-an, pekerjaan dimulai pada sel bahan bakar alkali, dan pada tahun 1939 sebuah sel menggunakan elektroda berlapis nikel tekanan tinggi telah dibangun. Selama Perang Dunia Kedua, sel bahan bakar / sel untuk kapal selam Angkatan Laut Inggris dikembangkan dan pada tahun 1958 perakitan bahan bakar yang terdiri dari sel bahan bakar alkali / sel dengan diameter lebih dari 25 cm diperkenalkan.

Minat meningkat pada 1950-an dan 1960-an dan juga pada 1980-an ketika dunia industri mengalami kekurangan bahan bakar minyak. Pada periode yang sama, negara-negara dunia juga menjadi prihatin dengan masalah polusi udara dan memikirkan cara untuk menghasilkan listrik yang ramah lingkungan. Saat ini, teknologi fuel cell/cell sedang berkembang pesat.

Bagaimana sel bahan bakar / sel bekerja

Sel bahan bakar / sel menghasilkan listrik dan panas melalui reaksi elektrokimia yang sedang berlangsung menggunakan elektrolit, katoda dan anoda.

Anoda dan katoda dipisahkan oleh elektrolit yang menghantarkan proton. Setelah hidrogen memasuki anoda, dan oksigen memasuki katoda, reaksi kimia dimulai, sebagai akibatnya: listrik, panas dan air.

Pada katalis anoda, molekul hidrogen berdisosiasi dan kehilangan elektron. Ion hidrogen (proton) dihantarkan melalui elektrolit ke katoda, sedangkan elektron dilewatkan melalui elektrolit dan melewati bagian terluar. sirkuit listrik, menciptakan arus searah yang dapat digunakan untuk menyalakan peralatan. Pada katalis katoda, molekul oksigen bergabung dengan elektron (yang disuplai dari komunikasi eksternal) dan proton yang masuk, dan membentuk air, yang merupakan satu-satunya produk reaksi (dalam bentuk uap dan / atau cairan).

Di bawah ini adalah reaksi yang sesuai:

Reaksi anoda: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reaksi di katoda: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Reaksi unsur umum: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Jenis dan variasi sel bahan bakar/sel

Mirip dengan keberadaan berbagai jenis mesin pembakaran internal, ada berbagai jenis sel bahan bakar - pilihan jenis sel bahan bakar yang sesuai tergantung pada aplikasinya.

Sel bahan bakar dibagi menjadi suhu tinggi dan suhu rendah. Sel bahan bakar suhu rendah membutuhkan hidrogen yang relatif murni sebagai bahan bakar. Ini sering berarti bahwa pemrosesan bahan bakar diperlukan untuk mengubah bahan bakar utama (seperti gas alam) menjadi hidrogen murni. Proses ini memakan energi tambahan dan membutuhkan peralatan khusus. Sel bahan bakar suhu tinggi tidak memerlukan prosedur tambahan ini, karena mereka dapat "mengubah secara internal" bahan bakar pada suhu tinggi, yang berarti tidak perlu berinvestasi dalam infrastruktur hidrogen.

Sel bahan bakar / sel pada karbonat cair (MCFC)

Sel bahan bakar elektrolit karbonat cair adalah sel bahan bakar suhu tinggi. Suhu pengoperasian yang tinggi memungkinkan penggunaan langsung gas alam tanpa prosesor bahan bakar dan bahan bakar gas dengan rendah nilai kalori bahan bakar proses produksi dan dari sumber lain.

Pengoperasian RCFC berbeda dengan sel bahan bakar lainnya. Sel-sel ini menggunakan elektrolit dari campuran garam karbonat cair. Saat ini, dua jenis campuran digunakan: litium karbonat dan kalium karbonat atau litium karbonat dan natrium karbonat. Untuk melelehkan garam karbonat dan mencapai tingkat mobilitas ion yang tinggi dalam elektrolit, sel bahan bakar dengan elektrolit cair karbonat beroperasi pada suhu tinggi (650 °C). Efisiensi bervariasi antara 60-80%.

Ketika dipanaskan sampai suhu 650 °C, garam menjadi konduktor untuk ion karbonat (CO 3 2-). Ion-ion ini berpindah dari katoda ke anoda di mana mereka bergabung dengan hidrogen untuk membentuk air, karbon dioksida dan elektron bebas. Elektron ini dikirim melalui sirkuit listrik eksternal kembali ke katoda, menghasilkan arus listrik dan panas sebagai produk sampingan.

Reaksi anoda: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reaksi di katoda: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Reaksi unsur umum: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katoda) => H 2 O (g) + CO 2 (anoda)

Temperatur operasi yang tinggi dari sel bahan bakar elektrolit karbonat cair memiliki keuntungan tertentu. Pada suhu tinggi, reformasi internal terjadi gas alam, yang menghilangkan kebutuhan akan prosesor bahan bakar. Selain itu, kelebihannya antara lain kemampuan untuk menggunakan bahan standar konstruksi, seperti lembaran baja tahan karat dan katalis nikel pada elektroda. Limbah panas dapat digunakan untuk menghasilkan uap bertekanan tinggi untuk berbagai keperluan industri dan komersial.

Temperatur reaksi yang tinggi dalam elektrolit juga memiliki kelebihan. Penggunaan suhu tinggi membutuhkan waktu lama untuk mencapai kondisi operasi yang optimal, dan sistem bereaksi lebih lambat terhadap perubahan konsumsi energi. Karakteristik ini memungkinkan penggunaan sistem sel bahan bakar dengan elektrolit karbonat cair dalam kondisi daya konstan. Suhu tinggi mencegah kerusakan sel bahan bakar oleh karbon monoksida.

Sel bahan bakar karbonat cair cocok untuk digunakan dalam instalasi stasioner besar. Pembangkit listrik termal dengan output daya listrik 3,0 MW diproduksi secara industri. Pembangkit dengan daya keluaran hingga 110 MW sedang dikembangkan.

Sel bahan bakar/sel berbasis asam fosfat (PFC)

Sel bahan bakar berdasarkan asam fosfat (ortofosfat) adalah sel bahan bakar pertama untuk penggunaan komersial.

Fuel cell berbasis asam fosfat (ortofosfat) menggunakan elektrolit berbasis asam ortofosfat (H 3 PO 4) dengan konsentrasi hingga 100%. Konduktivitas ionik asam fosfat rendah pada suhu rendah, untuk alasan ini sel bahan bakar ini digunakan pada suhu hingga 150-220 °C.

Pembawa muatan dalam sel bahan bakar jenis ini adalah hidrogen (H+, proton). Proses serupa terjadi pada sel bahan bakar membran pertukaran proton, di mana hidrogen yang dipasok ke anoda dipecah menjadi proton dan elektron. Proton melewati elektrolit dan bergabung dengan oksigen dari udara di katoda untuk membentuk air. Elektron diarahkan sepanjang sirkuit listrik eksternal, dan arus listrik dihasilkan. Di bawah ini adalah reaksi yang menghasilkan listrik dan panas.

Reaksi di anoda: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reaksi di katoda: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H 2 O
Reaksi unsur umum: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Efisiensi sel bahan bakar berbasis asam fosfat (ortofosfat) lebih dari 40% saat menghasilkan energi listrik. Dalam produksi gabungan panas dan listrik, efisiensi keseluruhan adalah sekitar 85%. Selain itu, mengingat suhu operasi, panas buangan dapat digunakan untuk memanaskan air dan menghasilkan uap pada tekanan atmosfer.

Kinerja tinggi pembangkit listrik termal pada sel bahan bakar berbasis asam fosfat (ortofosfat) dalam produksi gabungan panas dan listrik adalah salah satu keunggulan sel bahan bakar jenis ini. Pabrik menggunakan karbon monoksida pada konsentrasi sekitar 1,5%, yang sangat memperluas pilihan bahan bakar. Selain itu, CO 2 tidak mempengaruhi elektrolit dan pengoperasian sel bahan bakar, sel jenis ini bekerja dengan bahan bakar alami yang direformasi. Konstruksi sederhana, volatilitas elektrolit rendah, dan peningkatan stabilitas juga merupakan keunggulan sel bahan bakar jenis ini.

Pembangkit listrik termal dengan output daya listrik hingga 500 kW diproduksi secara industri. Instalasi untuk 11 MW telah lulus tes yang relevan. Pembangkit dengan daya keluaran hingga 100 MW sedang dikembangkan.

Sel/sel bahan bakar oksida padat (SOFC)

Sel bahan bakar oksida padat adalah sel bahan bakar dengan suhu operasi tertinggi. Temperatur pengoperasian dapat bervariasi dari 600 °C hingga 1000 °C, yang memungkinkan penggunaan berbagai jenis bahan bakar tanpa perlakuan awal khusus. Untuk menangani suhu tinggi ini, elektrolit yang digunakan adalah oksida logam padat berbasis keramik tipis, seringkali merupakan paduan yttrium dan zirkonium, yang merupakan konduktor ion oksigen (O 2-).

Elektrolit padat menyediakan transisi gas kedap udara dari satu elektroda ke elektroda lainnya, sedangkan elektrolit cair terletak di substrat berpori. Pembawa muatan dalam sel bahan bakar jenis ini adalah ion oksigen (O 2-). Di katoda, molekul oksigen dipisahkan dari udara menjadi ion oksigen dan empat elektron. Ion oksigen melewati elektrolit dan bergabung dengan hidrogen untuk membentuk empat elektron bebas. Elektron diarahkan melalui sirkuit listrik eksternal, menghasilkan arus listrik dan membuang panas.

Reaksi di anoda: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reaksi di katoda: O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
Reaksi unsur umum: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Efisiensi energi listrik yang dihasilkan adalah yang tertinggi dari semua sel bahan bakar - sekitar 60-70%. Temperatur pengoperasian yang tinggi memungkinkan gabungan panas dan pembangkit listrik untuk menghasilkan uap bertekanan tinggi. Menggabungkan sel bahan bakar suhu tinggi dengan turbin menciptakan sel bahan bakar hibrida untuk meningkatkan efisiensi pembangkit listrik hingga 75%.

Sel bahan bakar oksida padat beroperasi pada suhu yang sangat tinggi (600 °C-1000 °C), menghasilkan waktu yang lama untuk mencapai kondisi operasi yang optimal, dan sistem lebih lambat untuk merespons perubahan konsumsi daya. Pada suhu operasi tinggi seperti itu, tidak diperlukan konverter untuk memulihkan hidrogen dari bahan bakar, memungkinkan pembangkit listrik termal beroperasi dengan bahan bakar yang relatif tidak murni dari gasifikasi batubara atau gas buangan, dan sejenisnya. Selain itu, sel bahan bakar ini sangat baik untuk aplikasi daya tinggi, termasuk pembangkit listrik pusat industri dan besar. Modul yang diproduksi secara industri dengan daya listrik keluaran 100 kW.

Sel bahan bakar/sel dengan oksidasi metanol langsung (DOMTE)

Teknologi penggunaan sel bahan bakar dengan oksidasi langsung metanol sedang mengalami masa pengembangan aktif. Ini telah berhasil memantapkan dirinya di bidang memberi daya pada ponsel, laptop, serta untuk membuat sumber daya portabel. apa tujuan penerapan elemen-elemen ini di masa depan.

Struktur sel bahan bakar dengan oksidasi langsung metanol mirip dengan sel bahan bakar dengan membran penukar proton (MOFEC), yaitu polimer digunakan sebagai elektrolit, dan ion hidrogen (proton) digunakan sebagai pembawa muatan. Namun, metanol cair (CH 3 OH) dioksidasi dengan adanya air di anoda, melepaskan CO 2 , ion hidrogen dan elektron, yang dipandu melalui sirkuit listrik eksternal, dan arus listrik dihasilkan. Ion hidrogen melewati elektrolit dan bereaksi dengan oksigen dari udara dan elektron dari sirkuit eksternal untuk membentuk air di anoda.

Reaksi di anoda: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reaksi di katoda: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Reaksi unsur umum: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Keuntungan dari sel bahan bakar jenis ini adalah ukurannya yang kecil, karena penggunaan bahan bakar cair, dan tidak perlu menggunakan konverter.

Sel bahan bakar alkali/sel (AFC)

Sel bahan bakar alkali merupakan salah satu elemen yang paling efisien digunakan untuk menghasilkan listrik, dengan efisiensi pembangkit listrik mencapai 70%.

Sel bahan bakar alkali menggunakan elektrolit, yaitu larutan kalium hidroksida berair, yang terkandung dalam matriks berpori yang distabilkan. Konsentrasi kalium hidroksida dapat bervariasi tergantung pada suhu operasi sel bahan bakar, yang berkisar dari 65 ° C hingga 220 ° C. Pembawa muatan dalam SFC adalah ion hidroksida (OH-) yang bergerak dari katoda ke anoda di mana ia bereaksi dengan hidrogen untuk menghasilkan air dan elektron. Air yang dihasilkan di anoda bergerak kembali ke katoda, sekali lagi menghasilkan ion hidroksida di sana. Sebagai hasil dari rangkaian reaksi yang terjadi di sel bahan bakar, listrik dihasilkan dan, sebagai produk sampingan, panas:

Reaksi di anoda: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reaksi di katoda: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Reaksi umum sistem: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Keuntungan dari SFC adalah bahwa sel bahan bakar ini adalah yang termurah untuk diproduksi, karena katalis yang dibutuhkan pada elektroda dapat berupa zat apa pun yang lebih murah daripada yang digunakan sebagai katalis untuk sel bahan bakar lainnya. SCFC beroperasi pada suhu yang relatif rendah dan merupakan salah satu sel bahan bakar yang paling efisien - karakteristik tersebut masing-masing dapat berkontribusi pada pembangkitan daya yang lebih cepat dan efisiensi bahan bakar yang tinggi.

Salah satu ciri khas SHTE adalah sensitivitasnya yang tinggi terhadap CO 2 , yang dapat terkandung dalam bahan bakar atau udara. CO 2 bereaksi dengan elektrolit, dengan cepat meracuninya, dan sangat mengurangi efisiensi sel bahan bakar. Oleh karena itu, penggunaan SFC terbatas pada ruang tertutup seperti ruang angkasa dan kendaraan bawah air, mereka harus beroperasi pada hidrogen dan oksigen murni. Selain itu, molekul seperti CO, H 2 O dan CH4, yang aman untuk sel bahan bakar lain dan bahkan bahan bakar untuk beberapa sel, merugikan SFC.

Sel/sel bahan bakar elektrolit polimer (PETE)

Dalam kasus sel bahan bakar elektrolit polimer, membran polimer terdiri dari serat polimer dengan daerah air di mana ada konduksi ion air (H 2 O + (proton, red) yang melekat pada molekul air). Molekul air menghadirkan masalah karena pertukaran ion yang lambat. Oleh karena itu, konsentrasi air yang tinggi diperlukan baik dalam bahan bakar maupun pada elektroda buang, yang membatasi suhu operasi hingga 100 °C.

Sel/sel bahan bakar asam padat (SCFC)

Dalam sel bahan bakar asam padat, elektrolit (CsHSO4) tidak mengandung air. Oleh karena itu, suhu operasi adalah 100-300 °C. Rotasi anion SO 4 2-oksi memungkinkan proton (merah) untuk bergerak seperti yang ditunjukkan pada gambar. Biasanya, sel bahan bakar asam padat adalah sandwich di mana lapisan yang sangat tipis dari senyawa asam padat diapit di antara dua elektroda yang dikompresi untuk memastikan kontak yang baik. Ketika dipanaskan, komponen organik menguap, meninggalkan melalui pori-pori di elektroda, mempertahankan kemampuan banyak kontak antara bahan bakar (atau oksigen di ujung sel), elektrolit dan elektroda.

Pembangkit listrik dan panas kota hemat energi yang inovatif biasanya dibangun di atas sel bahan bakar oksida padat (SOFC), sel bahan bakar elektrolit polimer (PEFC), sel bahan bakar asam fosfat (PCFC), sel bahan bakar membran pertukaran proton (MPFC) dan sel bahan bakar alkali ( APFC). Mereka biasanya memiliki ciri-ciri sebagai berikut:

Sel bahan bakar oksida padat (SOFC) harus diakui sebagai yang paling cocok, yang:

beroperasi pada suhu yang lebih tinggi, yang mengurangi kebutuhan akan logam mulia yang mahal (seperti platinum)
bisa bekerja untuk berbagai jenis bahan bakar hidrokarbon, terutama gas alam
memiliki waktu start-up yang lebih lama dan oleh karena itu lebih cocok untuk operasi jangka panjang
menunjukkan efisiensi tinggi pembangkit listrik (hingga 70%)
karena suhu operasi yang tinggi, unit dapat dikombinasikan dengan sistem pemulihan panas, sehingga efisiensi sistem secara keseluruhan hingga 85%
memiliki emisi mendekati nol, beroperasi secara diam-diam, dan memiliki persyaratan pengoperasian yang rendah dibandingkan dengan teknologi pembangkit listrik yang ada

Jenis sel bahan bakar	Suhu kerja	Efisiensi Pembangkit Listrik	Jenis bahan bakar	Area aplikasi
RKTE	550–700 °C	50-70%		Instalasi menengah dan besar
FKTE	100–220 °C	35-40%	hidrogen murni	Instalasi besar
MOPTE	30-100 °C	35-50%	hidrogen murni	Instalasi kecil
SOFC	450–1000 °C	45-70%	Sebagian besar bahan bakar hidrokarbon	Instalasi kecil, menengah dan besar
POMTE	20-90 °C	20-30%	metanol	portabel
SHTE	50–200 °C	40-70%	hidrogen murni	penelitian luar angkasa
PETE	30-100 °C	35-50%	hidrogen murni	Instalasi kecil

Karena pembangkit listrik termal kecil dapat dihubungkan ke jaringan pasokan gas konvensional, sel bahan bakar tidak memerlukan: sistem terpisah pasokan hidrogen. Saat menggunakan pembangkit listrik termal kecil berdasarkan sel bahan bakar oksida padat, panas yang dihasilkan dapat diintegrasikan ke dalam penukar panas untuk memanaskan air dan ventilasi udara, sehingga meningkatkan efisiensi sistem secara keseluruhan. Teknologi inovatif ini paling cocok untuk pembangkit listrik yang efisien tanpa memerlukan infrastruktur yang mahal dan integrasi instrumen yang rumit.

Sel bahan bakar/aplikasi sel

Penerapan sel bahan bakar/sel dalam sistem telekomunikasi

Dengan penyebaran cepat sistem komunikasi nirkabel di seluruh dunia, serta manfaat sosial dan ekonomi yang berkembang dari teknologi ponsel, kebutuhan akan daya cadangan yang andal dan hemat biaya menjadi sangat penting. Kehilangan jaringan sepanjang tahun karena cuaca buruk, bencana alam atau kapasitas jaringan yang terbatas merupakan tantangan konstan bagi operator jaringan.

Solusi pencadangan daya telekomunikasi tradisional mencakup baterai (sel baterai asam timbal yang diatur katup) untuk daya cadangan jangka pendek dan generator diesel dan propana untuk daya cadangan yang lebih lama. Baterai adalah sumber daya cadangan yang relatif murah selama 1 hingga 2 jam. Namun, baterai tidak cocok untuk periode cadangan yang lebih lama karena mahal perawatannya, menjadi tidak dapat diandalkan setelah digunakan dalam waktu lama, sensitif terhadap suhu, dan berbahaya bagi lingkungan setelah dibuang. Generator diesel dan propana dapat memberikan daya cadangan terus menerus. Namun, generator dapat menjadi tidak dapat diandalkan, memerlukan perawatan ekstensif, dan melepaskan polutan tingkat tinggi dan gas rumah kaca ke atmosfer.

Untuk menghilangkan keterbatasan solusi daya cadangan tradisional, teknologi sel bahan bakar hijau yang inovatif telah dikembangkan. Sel bahan bakar dapat diandalkan, senyap, mengandung lebih sedikit bagian yang bergerak daripada generator, memiliki rentang suhu operasi yang lebih luas daripada baterai dari -40 ° C hingga +50 ° C dan, sebagai hasilnya, memberikan tingkat penghematan energi yang sangat tinggi. Selain itu, biaya seumur hidup pembangkit semacam itu lebih rendah daripada generator. Biaya sel bahan bakar yang lebih rendah adalah hasil dari hanya satu kunjungan pemeliharaan per tahun dan produktivitas pabrik yang jauh lebih tinggi. Bagaimanapun, sel bahan bakar adalah solusi teknologi ramah lingkungan dengan dampak lingkungan yang minimal.

Unit sel bahan bakar menyediakan daya cadangan untuk infrastruktur jaringan komunikasi penting untuk komunikasi nirkabel, permanen, dan broadband dalam sistem telekomunikasi, mulai dari 250W hingga 15kW, unit ini menawarkan banyak fitur inovatif yang tak tertandingi:

KEANDALAN– Beberapa bagian yang bergerak dan tidak ada debit siaga
HEMAT ENERGI
KESUNYIAN– tingkat kebisingan rendah
STABILITAS– rentang pengoperasian dari -40 ° C hingga +50 ° C
ADAPTASI– instalasi outdoor dan indoor (wadah/wadah pelindung)
KEKUATAN TINGGI– hingga 15 kW
KEBUTUHAN PERAWATAN RENDAH– pemeliharaan tahunan minimum
EKONOMI- total biaya kepemilikan yang menarik
ENERGI BERSIH– emisi rendah dengan dampak lingkungan minimal

Sistem merasakan tegangan bus DC sepanjang waktu dan menerima beban kritis dengan lancar jika tegangan bus DC turun di bawah setpoint yang ditentukan pengguna. Sistem berjalan dengan hidrogen, yang memasuki tumpukan sel bahan bakar dengan salah satu dari dua cara - baik dari sumber komersial hidrogen, atau dari bahan bakar cair metanol dan air, menggunakan sistem reformer on-board.

Listrik dihasilkan oleh tumpukan sel bahan bakar dalam bentuk arus searah. Daya DC dikirim ke konverter yang mengubah daya DC yang tidak diatur dari tumpukan sel bahan bakar menjadi daya DC yang diatur dan berkualitas tinggi untuk beban yang diperlukan. Instalasi sel bahan bakar dapat menyediakan daya cadangan selama beberapa hari, karena durasinya hanya dibatasi oleh jumlah bahan bakar hidrogen atau metanol/air yang tersedia dalam persediaan.

Sel bahan bakar menawarkan efisiensi energi yang unggul, peningkatan keandalan sistem, kinerja yang lebih dapat diprediksi di berbagai iklim, dan masa pakai yang andal dibandingkan dengan paket baterai asam timbal yang diatur katup standar industri. Biaya siklus hidup juga lebih rendah karena persyaratan perawatan dan penggantian yang jauh lebih sedikit. Sel bahan bakar menawarkan manfaat lingkungan bagi pengguna akhir karena biaya pembuangan dan risiko kewajiban yang terkait dengan sel asam timbal menjadi perhatian yang berkembang.

Kinerja baterai listrik dapat dipengaruhi secara negatif oleh berbagai faktor seperti tingkat pengisian daya, suhu, siklus, masa pakai, dan variabel lainnya. Energi yang diberikan akan bervariasi tergantung pada faktor-faktor tersebut dan tidak mudah untuk diprediksi. Kinerja sel bahan bakar membran pertukaran proton (PEMFC) relatif tidak terpengaruh oleh faktor-faktor ini dan dapat memberikan daya kritis selama bahan bakar tersedia. Peningkatan prediktabilitas adalah manfaat penting saat beralih ke sel bahan bakar untuk aplikasi daya cadangan yang sangat penting.

Sel bahan bakar menghasilkan energi hanya ketika bahan bakar disuplai, seperti generator turbin gas, tetapi tidak memiliki bagian yang bergerak di zona pembangkitan. Oleh karena itu, tidak seperti generator, mereka tidak mengalami keausan yang cepat dan tidak memerlukan perawatan dan pelumasan yang konstan.

Bahan bakar yang digunakan untuk menggerakkan Extended Duration Fuel Converter adalah campuran methanol dan air. Metanol adalah bahan bakar komersial yang tersedia secara luas yang saat ini memiliki banyak kegunaan, termasuk pencuci kaca depan, botol plastik, aditif mesin, dan cat emulsi. Metanol mudah diangkut, larut dengan air, memiliki biodegradabilitas yang baik dan bebas belerang. Memiliki titik beku yang rendah (-71°C) dan tidak terurai selama penyimpanan yang lama.

Penerapan sel bahan bakar/sel dalam jaringan komunikasi

Jaringan keamanan memerlukan solusi daya cadangan yang andal yang dapat bertahan selama berjam-jam atau berhari-hari dalam keadaan darurat jika jaringan listrik tidak tersedia.

Dengan sedikit bagian yang bergerak dan tanpa pengurangan daya siaga, teknologi sel bahan bakar yang inovatif menawarkan solusi yang menarik dibandingkan dengan sistem daya cadangan yang tersedia saat ini.

Alasan paling kuat untuk menggunakan teknologi sel bahan bakar dalam jaringan komunikasi adalah peningkatan keandalan dan keamanan secara keseluruhan. Selama peristiwa seperti pemadaman listrik, gempa bumi, badai, dan angin topan, penting agar sistem terus beroperasi dan memiliki catu daya cadangan yang andal untuk jangka waktu yang lama, terlepas dari suhu atau usia sistem daya cadangan.

Kisaran catu daya sel bahan bakar sangat ideal untuk mendukung jaringan komunikasi yang aman. Berkat prinsip desain hemat energi, mereka menyediakan daya cadangan yang ramah lingkungan dan andal dengan durasi yang diperpanjang (hingga beberapa hari) untuk digunakan dalam rentang daya dari 250 W hingga 15 kW.

Penerapan sel bahan bakar/sel dalam jaringan data

Catu daya yang andal untuk jaringan data, seperti jaringan data berkecepatan tinggi dan tulang punggung serat optik, merupakan kunci penting di seluruh dunia. Informasi yang dikirimkan melalui jaringan tersebut berisi data penting untuk institusi seperti bank, maskapai penerbangan atau pusat kesehatan. Pemadaman listrik di jaringan semacam itu tidak hanya menimbulkan bahaya bagi informasi yang dikirimkan, tetapi juga, sebagai suatu peraturan, menyebabkan kerugian finansial yang signifikan. Instalasi sel bahan bakar yang andal dan inovatif yang menyediakan daya siaga memberikan keandalan yang Anda butuhkan untuk memastikan daya tanpa gangguan.

Unit sel bahan bakar yang beroperasi pada campuran bahan bakar cair metanol dan air menyediakan catu daya cadangan yang andal dengan durasi yang diperpanjang, hingga beberapa hari. Selain itu, unit-unit ini memiliki persyaratan perawatan yang berkurang secara signifikan dibandingkan dengan generator dan baterai, yang hanya membutuhkan satu kunjungan perawatan per tahun.

Karakteristik aplikasi khas untuk penggunaan instalasi sel bahan bakar di jaringan data:

Aplikasi dengan input daya dari 100 W hingga 15 kW
Aplikasi dengan persyaratan masa pakai baterai > 4 jam
Repeater dalam sistem serat optik (hierarki sistem digital sinkron, internet berkecepatan tinggi, voice over IP…)
Node jaringan transmisi data berkecepatan tinggi
Node Transmisi WiMAX

Instalasi siaga sel bahan bakar menawarkan banyak keuntungan untuk infrastruktur jaringan data penting dibandingkan baterai tradisional atau generator diesel, memungkinkan peningkatan pemanfaatan di tempat:

Teknologi bahan bakar cair memecahkan masalah penyimpanan hidrogen dan menyediakan daya cadangan yang hampir tak terbatas.
Karena pengoperasiannya yang tenang, bobot yang rendah, ketahanan terhadap suhu ekstrem, dan pengoperasian yang hampir bebas getaran, sel bahan bakar dapat dipasang di luar ruangan, di tempat/wadah industri, atau di atas atap.
Persiapan di tempat untuk menggunakan sistem ini cepat dan ekonomis, dan biaya pengoperasiannya rendah.
Bahan bakar biodegradable dan merupakan solusi ramah lingkungan untuk lingkungan perkotaan.

Penerapan sel bahan bakar/sel dalam sistem keamanan

Sistem keamanan dan komunikasi gedung yang dirancang paling hati-hati hanya dapat diandalkan seperti kekuatan yang menggerakkan mereka. Sementara sebagian besar sistem menyertakan beberapa jenis sistem daya cadangan yang tidak pernah terputus untuk kehilangan daya jangka pendek, mereka tidak menyediakan pemadaman listrik yang lebih lama yang dapat terjadi setelah bencana alam atau serangan teroris. Ini bisa menjadi masalah penting bagi banyak perusahaan dan instansi pemerintah.

Sistem vital seperti pemantauan CCTV dan sistem kontrol akses (pembaca kartu identitas, perangkat penutup pintu, teknologi identifikasi biometrik, dll.), sistem alarm kebakaran dan pemadam kebakaran otomatis, sistem kontrol lift dan jaringan telekomunikasi, berisiko jika tidak ada sumber alternatif yang andal dari catu daya berkelanjutan.

Generator diesel berisik, sulit ditemukan, dan terkenal karena keandalannya dan pemeliharaan. Sebaliknya, instalasi cadangan sel bahan bakar tenang, andal, memiliki emisi nol atau sangat rendah, dan mudah dipasang di atap atau di luar gedung. Itu tidak melepaskan atau kehilangan daya dalam mode siaga. Ini memastikan pengoperasian sistem kritis yang berkelanjutan, bahkan setelah institusi berhenti beroperasi dan bangunan ditinggalkan oleh orang-orang.

Instalasi sel bahan bakar yang inovatif melindungi investasi mahal dalam aplikasi penting. Mereka menyediakan daya cadangan yang ramah lingkungan dan andal dengan durasi yang diperpanjang (hingga beberapa hari) untuk digunakan dalam rentang daya dari 250 W hingga 15 kW, dikombinasikan dengan banyak fitur tak tertandingi dan, terutama, tingkat penghematan energi yang tinggi.

Unit cadangan daya sel bahan bakar menawarkan banyak keuntungan untuk aplikasi misi penting seperti keamanan dan sistem manajemen gedung dibandingkan baterai tradisional atau generator diesel. Teknologi bahan bakar cair memecahkan masalah penyimpanan hidrogen dan menyediakan daya cadangan yang hampir tak terbatas.

Penerapan sel bahan bakar/sel dalam pemanas rumah tangga dan pembangkit listrik

Sel bahan bakar oksida padat (SOFC) digunakan untuk membangun pembangkit listrik termal yang andal, hemat energi, dan bebas emisi untuk menghasilkan listrik dan panas dari gas alam yang tersedia secara luas dan sumber bahan bakar terbarukan. Unit inovatif ini digunakan di berbagai pasar, mulai dari pembangkit listrik domestik hingga catu daya hingga daerah terpencil, serta sumber daya tambahan.

Unit hemat energi ini menghasilkan panas untuk pemanas ruangan dan air panas, serta listrik yang dapat digunakan di rumah dan diumpankan kembali ke jaringan listrik. Sumber pembangkit listrik terdistribusi dapat mencakup sel fotovoltaik (solar) dan turbin angin mikro. Teknologi ini terlihat dan dikenal luas, tetapi pengoperasiannya bergantung pada kondisi cuaca dan tidak dapat secara konsisten menghasilkan listrik sepanjang tahun. Dalam hal daya, pembangkit listrik termal dapat bervariasi dari kurang dari 1 kW hingga 6 MW dan lebih.

Penerapan sel bahan bakar/sel dalam jaringan distribusi

Pembangkit listrik termal kecil dirancang untuk beroperasi dalam jaringan pembangkit listrik terdistribusi yang terdiri dari sejumlah besar genset kecil, bukan satu pembangkit listrik terpusat.

Gambar di bawah menunjukkan hilangnya efisiensi pembangkitan listrik ketika dihasilkan oleh CHP dan ditransmisikan ke rumah-rumah melalui jaringan transmisi tradisional yang saat ini digunakan. Rugi-rugi efisiensi pembangkitan kabupaten meliputi rugi-rugi pembangkit listrik, rugi-rugi transmisi tegangan rendah dan tinggi, dan rugi-rugi distribusi.

Gambar tersebut menunjukkan hasil integrasi pembangkit listrik termal kecil: listrik dihasilkan dengan efisiensi pembangkitan hingga 60% pada titik penggunaan. Selain itu, rumah tangga dapat menggunakan panas yang dihasilkan oleh sel bahan bakar untuk pemanas air dan ruang, yang meningkatkan efisiensi keseluruhan pemrosesan energi bahan bakar dan meningkatkan penghematan energi.

Menggunakan Sel Bahan Bakar untuk Melindungi Lingkungan - Pemanfaatan Associated Petroleum Gas

Salah satu tugas terpenting dalam industri minyak adalah pemanfaatan gas minyak bumi terkait. Metode pemanfaatan gas minyak bumi terkait yang ada memiliki banyak kelemahan, yang utama adalah bahwa mereka tidak layak secara ekonomi. Gas minyak bumi yang terkait menyala, yang menyebabkan kerusakan besar pada lingkungan dan kesehatan manusia.

Pembangkit listrik dan pemanas sel bahan bakar yang inovatif menggunakan gas petroleum terkait sebagai bahan bakar membuka jalan menuju solusi radikal dan hemat biaya untuk masalah pemanfaatan gas minyak terkait.

Salah satu keuntungan utama dari instalasi sel bahan bakar adalah bahwa mereka dapat beroperasi secara andal dan berkelanjutan pada komposisi variabel terkait bahan bakar gas. Karena reaksi kimia tanpa nyala api yang mendasari pengoperasian sel bahan bakar, pengurangan persentase, misalnya, metana hanya menyebabkan pengurangan output daya yang sesuai.
Fleksibilitas dalam kaitannya dengan beban listrik konsumen, diferensial, lonjakan beban.
Untuk pemasangan dan penyambungan pembangkit listrik termal pada sel bahan bakar, pelaksanaannya tidak memerlukan belanja modal, karena Unit mudah dipasang di lokasi yang tidak siap di dekat lapangan, mudah dioperasikan, andal, dan efisien.
Otomatisasi tinggi dan remote control modern tidak memerlukan kehadiran personel yang konstan di pabrik.
Kesederhanaan dan kesempurnaan teknis desain: tidak adanya bagian yang bergerak, gesekan, sistem pelumasan memberikan manfaat ekonomi yang signifikan dari pengoperasian instalasi sel bahan bakar.
Konsumsi air: tidak ada pada suhu sekitar hingga +30 °C dan dapat diabaikan pada suhu yang lebih tinggi.
Saluran keluar air: tidak ada.
Selain itu, pembangkit listrik termal sel bahan bakar tidak membuat kebisingan, tidak bergetar,

Sel bahan bakar adalah cara untuk mengubah energi bahan bakar hidrogen secara elektrokimia menjadi listrik, dan satu-satunya produk sampingan dari proses ini adalah air.

Bahan bakar hidrogen yang saat ini digunakan dalam sel bahan bakar biasanya berasal dari reformasi uap metana (yaitu, mengubah hidrokarbon dengan uap dan panas menjadi metana), meskipun pendekatannya bisa lebih ramah lingkungan, seperti elektrolisis air menggunakan energi matahari.

Komponen utama sel bahan bakar adalah:

anoda di mana hidrogen teroksidasi;
katoda, di mana oksigen berkurang;
membran elektrolit polimer di mana proton atau ion hidroksida diangkut (tergantung pada medianya) - tidak memungkinkan hidrogen dan oksigen melewatinya;
medan aliran oksigen dan hidrogen, yang bertanggung jawab untuk pengiriman gas-gas ini ke elektroda.

Untuk memberi daya, misalnya, mobil, beberapa sel bahan bakar dirakit menjadi baterai, dan jumlah energi yang disuplai oleh baterai ini tergantung pada luas total elektroda dan jumlah sel di dalamnya. Energi dalam sel bahan bakar dihasilkan sebagai berikut: hidrogen dioksidasi di anoda, dan elektron darinya dikirim ke katoda, di mana oksigen direduksi. Elektron yang diperoleh dari oksidasi hidrogen di anoda memiliki potensial kimia yang lebih tinggi daripada elektron yang mereduksi oksigen di katoda. Perbedaan antara potensial kimia elektron memungkinkan untuk mengekstrak energi dari sel bahan bakar.

Sejarah penciptaan

Sejarah sel bahan bakar kembali ke tahun 1930-an, ketika sel bahan bakar hidrogen pertama dirancang oleh William R. Grove. Sel ini menggunakan asam sulfat sebagai elektrolitnya. Grove mencoba menyimpan tembaga dari larutan tembaga sulfat berair ke permukaan besi. Dia memperhatikan bahwa di bawah aksi arus elektron, air terurai menjadi hidrogen dan oksigen. Setelah penemuan ini, Grove dan Christian Schoenbein, seorang ahli kimia di Universitas Basel (Swiss), yang bekerja secara paralel dengannya, secara bersamaan menunjukkan pada tahun 1839 kemungkinan menghasilkan energi dalam sel bahan bakar hidrogen-oksigen menggunakan elektrolit asam. Upaya awal ini, meskipun sifatnya cukup primitif, menarik perhatian beberapa orang sezamannya, termasuk Michael Faraday.

Penelitian sel bahan bakar terus berlanjut, dan pada tahun 1930-an F.T. Bacon memperkenalkan komponen baru ke sel bahan bakar alkali (salah satu jenis sel bahan bakar) - membran pertukaran ion untuk memfasilitasi pengangkutan ion hidroksida.

Salah satu contoh sejarah paling terkenal dari penggunaan sel bahan bakar alkali adalah penggunaannya sebagai sumber energi utama selama penerbangan luar angkasa dalam program Apollo.

Mereka dipilih oleh NASA karena daya tahan dan stabilitas teknisnya. Mereka menggunakan membran penghantar hidroksida yang lebih unggul dalam efisiensi dibandingkan saudara kembarnya yang menukar proton.

Selama hampir dua abad sejak pembuatan prototipe sel bahan bakar pertama, banyak pekerjaan telah dilakukan untuk memperbaikinya. Secara umum, energi akhir yang diperoleh dari sel bahan bakar tergantung pada kinetika reaksi redoks, resistansi internal sel, dan perpindahan massa dari gas dan ion yang bereaksi ke komponen aktif katalitik. Selama bertahun-tahun, banyak perbaikan telah dilakukan pada ide aslinya, seperti:

1) penggantian kawat platina dengan elektroda berbahan dasar karbon dengan nanopartikel platina; 2) penemuan membran dengan konduktivitas dan selektivitas tinggi, seperti Nafion, untuk memfasilitasi transpor ion; 3) menggabungkan lapisan katalitik, misalnya, nanopartikel platinum, didistribusikan di atas dasar karbon, dengan membran penukar ion, menghasilkan unit membran-elektroda dengan resistansi internal minimum; 4) penggunaan dan optimalisasi medan aliran untuk mengantarkan hidrogen dan oksigen ke permukaan katalitik, daripada langsung mengencerkannya dalam larutan.

Perbaikan ini dan lainnya akhirnya menghasilkan teknologi yang cukup efisien untuk digunakan pada kendaraan seperti Toyota Mirai.

Sel bahan bakar dengan membran pertukaran hidroksida

University of Delaware sedang melakukan penelitian tentang pengembangan sel bahan bakar dengan membran pertukaran hidroksida - HEMFC (sel bahan bakar membran pertukaran hidroksida). Sel bahan bakar dengan membran pertukaran hidroksida bukan membran penukar proton - PEMFC (sel bahan bakar membran pertukaran proton) - menghadapi lebih sedikit salah satu masalah besar PEMFC - masalah stabilitas katalis, karena lebih banyak katalis logam dasar stabil dalam lingkungan basa daripada dalam suasana asam. Stabilitas katalis dalam larutan basa lebih tinggi karena fakta bahwa pelarutan logam melepaskan lebih banyak energi pada pH rendah daripada pada pH tinggi. Sebagian besar pekerjaan di laboratorium ini juga ditujukan untuk pengembangan katalis anodik dan katodik baru untuk reaksi oksidasi hidrogen dan reduksi oksigen guna mempercepatnya dengan lebih efisien. Selain itu, laboratorium sedang mengembangkan membran pertukaran hidroksida baru, karena konduktivitas dan daya tahan membran tersebut belum ditingkatkan untuk bersaing dengan membran penukar proton.

Cari katalis baru

Alasan kerugian tegangan lebih dalam reaksi reduksi oksigen dijelaskan oleh hubungan skala linier antara produk antara dari reaksi ini. Dalam mekanisme empat elektron tradisional dari reaksi ini, oksigen direduksi secara berurutan, menciptakan produk antara - OOH*, O* dan OH*, untuk akhirnya membentuk air (H2O) pada permukaan katalitik. Karena energi adsorpsi produk antara pada katalis individu sangat berkorelasi satu sama lain, belum ada katalis yang ditemukan, setidaknya secara teori, tidak akan kehilangan tegangan lebih. Meskipun laju reaksi ini rendah, perubahan dari media asam ke media basa, seperti di HEMFC, tidak banyak mempengaruhinya. Namun, laju reaksi oksidasi hidrogen hampir setengahnya, dan fakta ini memotivasi penelitian yang bertujuan untuk menemukan penyebab penurunan ini dan penemuan katalis baru.

Keuntungan sel bahan bakar

Berbeda dengan bahan bakar hidrokarbon, sel bahan bakar lebih, jika tidak sempurna, ramah lingkungan dan tidak menghasilkan gas rumah kaca sebagai akibat dari aktivitasnya. Selain itu, bahan bakar mereka (hidrogen) pada prinsipnya terbarukan, karena dapat diperoleh dengan hidrolisis air. Dengan demikian, sel bahan bakar hidrogen di masa depan menjanjikan untuk menjadi bagian penuh dari proses produksi energi, di mana energi matahari dan angin digunakan untuk menghasilkan bahan bakar hidrogen, yang kemudian digunakan dalam sel bahan bakar untuk menghasilkan air. Dengan demikian, siklus tertutup dan tidak ada jejak karbon yang tersisa.

Tidak seperti baterai yang dapat diisi ulang, sel bahan bakar memiliki keuntungan bahwa mereka tidak perlu diisi ulang - mereka dapat segera mulai memasok energi segera setelah dibutuhkan. Artinya, jika diterapkan, misalnya di bidang kendaraan, maka hampir tidak ada perubahan di pihak konsumen. Tidak seperti energi matahari dan energi angin, sel bahan bakar dapat menghasilkan energi secara terus menerus dan jauh lebih sedikit tergantung pada kondisi eksternal. Pada gilirannya, energi panas bumi hanya tersedia di wilayah geografis tertentu, sedangkan sel bahan bakar tidak lagi memiliki masalah ini.

Sel bahan bakar hidrogen adalah salah satu sumber energi yang paling menjanjikan karena portabilitas dan fleksibilitasnya dalam hal skala.

Kompleksitas penyimpanan hidrogen

Selain masalah dengan kekurangan membran dan katalis saat ini, kesulitan teknis lainnya untuk sel bahan bakar terkait dengan penyimpanan dan pengangkutan bahan bakar hidrogen. Hidrogen memiliki energi spesifik yang sangat rendah per satuan volume (jumlah energi per satuan volume pada suhu dan tekanan tertentu) dan oleh karena itu harus disimpan pada tekanan yang sangat tinggi untuk digunakan dalam kendaraan. Jika tidak, ukuran wadah untuk menyimpan jumlah bahan bakar yang dibutuhkan akan sangat besar. Karena keterbatasan penyimpanan hidrogen ini, upaya telah dilakukan untuk menemukan cara untuk menghasilkan hidrogen dari sesuatu selain bentuk gasnya, seperti dalam sel bahan bakar hidrida logam. Namun, aplikasi sel bahan bakar konsumen saat ini, seperti Toyota Mirai, menggunakan hidrogen superkritis (hidrogen yang berada pada suhu di atas 33 K dan tekanan di atas 13,3 atmosfer, yaitu di atas nilai kritis), dan ini sekarang merupakan pilihan yang paling nyaman.

Perspektif wilayah

Karena kesulitan teknis yang ada dan masalah memperoleh hidrogen dari air menggunakan energi matahari, dalam waktu dekat, penelitian kemungkinan akan fokus terutama pada pencarian sumber alternatif hidrogen. Salah satu ide populer adalah menggunakan amonia (hidrogen nitrida) langsung di sel bahan bakar alih-alih hidrogen, atau membuat hidrogen dari amonia. Alasan untuk ini adalah bahwa amonia kurang menuntut dalam hal tekanan, yang membuatnya lebih nyaman untuk disimpan dan dipindahkan. Selain itu, amonia menarik sebagai sumber hidrogen karena tidak mengandung karbon. Ini memecahkan masalah keracunan katalis karena beberapa CO dalam hidrogen yang dihasilkan dari metana.

Di masa depan, sel bahan bakar dapat menemukan aplikasi luas dalam teknologi kendaraan dan pembangkit energi terdistribusi, seperti di daerah perumahan. Terlepas dari kenyataan bahwa pada saat ini penggunaan sel bahan bakar sebagai sumber energi utama membutuhkan banyak uang, jika katalis yang lebih murah dan lebih efisien, membran stabil dengan konduktivitas tinggi dan sumber hidrogen alternatif ditemukan, sel bahan bakar hidrogen dapat menjadi sangat menarik secara ekonomi.

Sel bahan bakar adalah perangkat konversi energi elektrokimia yang mengubah hidrogen dan oksigen menjadi listrik melalui reaksi kimia. Sebagai hasil dari proses ini, air terbentuk dan sejumlah besar panas dilepaskan. Sel bahan bakar sangat mirip dengan baterai yang dapat diisi dan kemudian digunakan untuk menyimpan energi listrik.
Penemu sel bahan bakar adalah William R. Grove, yang menemukannya pada tahun 1839. Sel bahan bakar ini menggunakan larutan asam sulfat sebagai elektrolit, dan hidrogen sebagai bahan bakar, yang dikombinasikan dengan oksigen dalam media pengoksidasi. Perlu dicatat bahwa, sampai saat ini, sel bahan bakar hanya digunakan di laboratorium dan di pesawat ruang angkasa.
Di masa depan, sel bahan bakar akan mampu bersaing dengan banyak sistem konversi energi lainnya (termasuk turbin gas di pembangkit listrik), mesin pembakaran internal di mobil, dan baterai listrik di perangkat portabel. Mesin pembakaran internal membakar bahan bakar dan menggunakan tekanan yang diciptakan oleh ekspansi gas pembakaran untuk melakukan pekerjaan mekanis. Baterai menyimpan energi listrik dan kemudian mengubahnya menjadi energi kimia, yang dapat diubah kembali menjadi energi listrik jika diperlukan. Secara potensial, sel bahan bakar sangat efisien. Kembali pada tahun 1824, ilmuwan Prancis Carnot membuktikan bahwa siklus kompresi-ekspansi dari mesin pembakaran internal tidak dapat memastikan efisiensi konversi energi panas (yang merupakan energi kimia dari pembakaran bahan bakar) menjadi energi mekanik di atas 50%. Sebuah sel bahan bakar tidak memiliki bagian yang bergerak (setidaknya tidak di dalam sel itu sendiri), dan karena itu mereka tidak mematuhi hukum Carnot. Secara alami, mereka akan memiliki efisiensi lebih dari 50% dan sangat efektif pada beban rendah. Dengan demikian, kendaraan sel bahan bakar siap untuk (dan telah terbukti) lebih hemat bahan bakar daripada kendaraan konvensional dalam kondisi mengemudi yang sebenarnya.
Sel bahan bakar menghasilkan arus listrik DC yang dapat digunakan untuk menggerakkan motor listrik, perlengkapan penerangan, dan sistem kelistrikan lainnya di dalam kendaraan. Ada beberapa jenis sel bahan bakar, berbeda dalam proses kimia yang digunakan. Sel bahan bakar biasanya diklasifikasikan berdasarkan jenis elektrolit yang mereka gunakan. Beberapa jenis sel bahan bakar menjanjikan untuk digunakan di pembangkit listrik, sementara yang lain mungkin berguna untuk perangkat portabel kecil atau untuk mengemudikan mobil.
Sel bahan bakar alkali adalah salah satu elemen yang paling awal dikembangkan. Mereka telah digunakan oleh program luar angkasa AS sejak 1960-an. Sel bahan bakar tersebut sangat rentan terhadap kontaminasi dan oleh karena itu membutuhkan hidrogen dan oksigen yang sangat murni. Selain itu, mereka sangat mahal, dan oleh karena itu sel bahan bakar jenis ini tidak mungkin menemukan aplikasi luas di mobil.
Sel bahan bakar berdasarkan asam fosfat dapat digunakan dalam instalasi stasioner berdaya rendah. Mereka beroperasi pada suhu yang cukup tinggi dan karena itu membutuhkan waktu lama untuk pemanasan, yang juga membuat mereka tidak efisien untuk digunakan di mobil.
Sel bahan bakar oksida padat lebih cocok untuk pembangkit listrik stasioner besar yang dapat menyediakan listrik untuk pabrik atau komunitas. Jenis sel bahan bakar ini beroperasi pada suhu yang sangat tinggi (sekitar 1000 °C). Temperatur operasi yang tinggi menciptakan masalah tertentu, tetapi di sisi lain, ada keuntungannya - uap yang dihasilkan oleh sel bahan bakar dapat dikirim ke turbin untuk menghasilkan lebih banyak listrik. Secara keseluruhan, ini meningkatkan efisiensi sistem secara keseluruhan.
Salah satu sistem yang paling menjanjikan adalah sel bahan bakar membran pertukaran proton - POMFC (PEMFC - Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton). Saat ini fuel cell jenis ini paling menjanjikan karena dapat menggerakkan mobil, bus, dan kendaraan lainnya.

Proses kimia dalam sel bahan bakar

Sel bahan bakar menggunakan proses elektrokimia untuk menggabungkan hidrogen dengan oksigen dari udara. Seperti baterai, sel bahan bakar menggunakan elektroda (konduktor listrik padat) dalam elektrolit (media konduktif listrik). Ketika molekul hidrogen bersentuhan dengan elektroda negatif (anoda), yang terakhir dipisahkan menjadi proton dan elektron. Proton melewati membran pertukaran proton (POM) ke elektroda positif (katoda) dari sel bahan bakar, menghasilkan listrik. Ada kombinasi kimia molekul hidrogen dan oksigen dengan pembentukan air, sebagai produk sampingan dari reaksi ini. Satu-satunya jenis emisi dari sel bahan bakar adalah uap air.
Listrik yang dihasilkan oleh sel bahan bakar dapat digunakan dalam powertrain listrik kendaraan (terdiri dari konverter daya listrik dan motor induksi AC) untuk menyediakan energi mekanik untuk menggerakkan kendaraan. Tugas konverter daya adalah mengubah arus searah yang dihasilkan oleh sel bahan bakar menjadi arus bolak-balik, yang digunakan oleh motor traksi kendaraan.

Diagram skematis sel bahan bakar dengan membran penukar proton:
1 - anoda;
2 - membran pertukaran proton (REM);
3 - katalis (merah);
4 - katoda

Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) menggunakan salah satu reaksi paling sederhana dari semua sel bahan bakar.

Sel bahan bakar terpisah

Pertimbangkan cara kerja sel bahan bakar. Anoda, kutub negatif sel bahan bakar, menghantarkan elektron, yang dibebaskan dari molekul hidrogen sehingga dapat digunakan dalam rangkaian listrik eksternal (sirkuit). Untuk melakukan ini, saluran diukir di dalamnya, mendistribusikan hidrogen secara merata ke seluruh permukaan katalis. Katoda (kutub positif sel bahan bakar) memiliki saluran terukir yang mendistribusikan oksigen di atas permukaan katalis. Ini juga membawa elektron kembali dari sirkuit luar (sirkuit) ke katalis, di mana mereka dapat bergabung dengan ion hidrogen dan oksigen untuk membentuk air. Elektrolit adalah membran penukar proton. Ini adalah bahan khusus, mirip dengan plastik biasa, tetapi dengan kemampuan untuk melewatkan ion bermuatan positif dan menghalangi jalannya elektron.
Katalis adalah bahan khusus yang memfasilitasi reaksi antara oksigen dan hidrogen. Katalis biasanya dibuat dari bubuk platinum yang diendapkan dalam lapisan yang sangat tipis pada kertas karbon atau kain. Katalis harus kasar dan berpori sehingga permukaannya dapat bersentuhan dengan hidrogen dan oksigen sebanyak mungkin. Sisi katalis yang dilapisi platinum berada di depan membran penukar proton (POM).
Gas hidrogen (H 2 ) disuplai ke sel bahan bakar di bawah tekanan dari sisi anoda. Ketika molekul H2 bersentuhan dengan platina pada katalis, ia terbagi menjadi dua bagian, dua ion (H+) dan dua elektron (e–). Elektron dilakukan melalui anoda, di mana mereka melewati sirkuit eksternal (sirkuit), melakukan pekerjaan yang berguna (misalnya, menggerakkan motor listrik) dan kembali dari sisi katoda sel bahan bakar.
Sedangkan dari sisi katoda sel bahan bakar, gas oksigen (O 2 ) didorong melalui katalis sehingga membentuk dua atom oksigen. Masing-masing atom ini memiliki muatan negatif yang kuat yang menarik dua ion H+ melintasi membran, di mana mereka bergabung dengan atom oksigen dan dua elektron dari lingkaran luar (rantai) untuk membentuk molekul air (H2O).
Reaksi ini dalam satu sel bahan bakar menghasilkan daya sekitar 0,7 watt. Untuk meningkatkan daya ke tingkat yang diperlukan, perlu untuk menggabungkan banyak sel bahan bakar individu untuk membentuk tumpukan sel bahan bakar.
Sel bahan bakar POM beroperasi pada suhu yang relatif rendah (sekitar 80°C), yang berarti dapat dengan cepat dipanaskan hingga suhu operasi dan tidak memerlukan sistem pendingin yang mahal. Perbaikan terus-menerus dalam teknologi dan bahan yang digunakan dalam sel-sel ini telah membawa kekuatan mereka lebih dekat ke tingkat di mana baterai sel bahan bakar tersebut, menempati sebagian kecil dari bagasi mobil, dapat menyediakan energi yang dibutuhkan untuk mengendarai mobil.
Selama beberapa tahun terakhir, sebagian besar produsen mobil terkemuka dunia telah banyak berinvestasi dalam pengembangan desain mobil menggunakan sel bahan bakar. Banyak yang telah mendemonstrasikan kendaraan sel bahan bakar dengan tenaga yang memuaskan dan karakteristik dinamis, meskipun harganya cukup mahal.
Memperbaiki desain mobil semacam itu sangat intensif.

Kendaraan fuel cell, menggunakan pembangkit listrik yang terletak di bawah lantai kendaraan

Kendaraan NECAR V didasarkan pada kendaraan kelas A Mercedes-Benz, dengan seluruh pembangkit listrik, bersama dengan sel bahan bakar, terletak di bawah lantai kendaraan. Solusi konstruktif semacam itu memungkinkan untuk menampung empat penumpang dan barang bawaan di dalam mobil. Di sini, bukan hidrogen, tetapi metanol yang digunakan sebagai bahan bakar mobil. Metanol dengan bantuan reformer (alat yang mengubah metanol menjadi hidrogen) diubah menjadi hidrogen, yang diperlukan untuk menyalakan sel bahan bakar. Penggunaan reformer pada mobil memungkinkan untuk menggunakan hampir semua hidrokarbon sebagai bahan bakar, yang memungkinkan untuk mengisi bahan bakar mobil sel bahan bakar menggunakan jaringan stasiun pengisian yang ada. Secara teoritis, sel bahan bakar tidak menghasilkan apa-apa selain listrik dan air. Mengubah bahan bakar (bensin atau metanol) menjadi hidrogen yang diperlukan untuk sel bahan bakar agak mengurangi daya tarik lingkungan dari kendaraan semacam itu.
Honda, yang telah berkecimpung dalam bisnis sel bahan bakar sejak 1989, memproduksi sejumlah kecil kendaraan Honda FCX-V4 pada tahun 2003 dengan sel bahan bakar pertukaran proton. jenis membran Perusahaan Ballard. Sel bahan bakar ini menghasilkan 78 kW tenaga listrik, dan motor traksi dengan daya 60 kW dan torsi 272 N m digunakan untuk menggerakkan roda penggerak. Mobil sel bahan bakar, dibandingkan dengan mobil tradisional, memiliki massa sekitar 40% lebih sedikit, yang menyediakannya dengan sangat baik dinamika, dan pasokan hidrogen terkompresi memberikan kemungkinan berlari hingga 355 km.

Honda FCX menggunakan tenaga sel bahan bakar untuk menggerakkan dirinya sendiri.
Honda FCX adalah kendaraan sel bahan bakar pertama di dunia yang menerima sertifikasi pemerintah di Amerika Serikat. Mobil ini bersertifikat ZEV - Zero Emission Vehicle (kendaraan tanpa polusi). Honda belum akan menjual mobil ini, tapi menyewa sekitar 30 mobil per unit. California dan Tokyo, di mana infrastruktur pengisian bahan bakar hidrogen sudah ada.

Mobil konsep Hy Wire General Motors memiliki pembangkit listrik sel bahan bakar

Penelitian besar tentang pengembangan dan pembuatan kendaraan sel bahan bakar sedang dilakukan oleh General Motors.

Sasis Kendaraan Hy Wire

Mobil konsep GM Hy Wire telah menerima 26 paten. Dasar mobil adalah platform fungsional dengan ketebalan 150 mm. Di dalam platform terdapat silinder hidrogen, pembangkit listrik sel bahan bakar, dan sistem kontrol kendaraan yang menggunakan teknologi terbaru kontrol elektronik dengan kawat. Sasis mobil Hy Wire adalah platform tipis yang berisi semua elemen struktural utama mobil: silinder hidrogen, sel bahan bakar, baterai, motor listrik, dan sistem kontrol. Pendekatan desain ini memungkinkan untuk mengubah badan mobil selama operasi.Perusahaan juga menguji kendaraan sel bahan bakar Opel eksperimental dan merancang pabrik produksi sel bahan bakar.

Desain tangki bahan bakar "aman" untuk hidrogen cair:
1 - perangkat pengisi;
2 - tangki luar;
3 - mendukung;
4 - sensor tingkat;
5 - tangki internal;
6 - garis pengisian;
7 - isolasi dan vakum;
8 - pemanas;
9 - kotak pemasangan

Masalah penggunaan hidrogen sebagai bahan bakar mobil menjadi perhatian BMW. Bersama Magna Steyer, yang dikenal karena karyanya dalam penggunaan hidrogen cair dalam penelitian luar angkasa, BMW telah mengembangkan tangki bahan bakar hidrogen cair yang dapat digunakan di mobil.

Pengujian telah mengkonfirmasi keamanan menggunakan tangki bahan bakar dengan hidrogen cair

Perusahaan melakukan serangkaian tes pada keamanan struktur sesuai dengan metode standar dan memastikan keandalannya.
Pada tahun 2002, di Frankfurt Motor Show (Jerman), Mini Cooper Hidrogen ditampilkan, yang menggunakan hidrogen cair sebagai bahan bakar. Tangki bahan bakar Mobil ini memakan ruang yang sama dengan tangki bensin konvensional. Hidrogen di mobil ini tidak digunakan untuk sel bahan bakar, tetapi sebagai bahan bakar untuk mesin pembakaran dalam.

Mobil produksi massal pertama di dunia dengan sel bahan bakar, bukan baterai

Pada tahun 2003, BMW mengumumkan peluncuran kendaraan sel bahan bakar produksi massal pertama, BMW 750 hL. Baterai sel bahan bakar digunakan sebagai pengganti baterai tradisional. Mobil ini memiliki mesin pembakaran internal 12 silinder yang menggunakan hidrogen, dan sel bahan bakar berfungsi sebagai alternatif baterai konvensional, memungkinkan AC dan konsumen lain untuk bekerja saat mobil diparkir dalam waktu lama dengan mesin mati.

Pengisian bahan bakar hidrogen dilakukan oleh robot, pengemudi tidak terlibat dalam proses ini

Perusahaan yang sama BMW juga telah mengembangkan dispenser bahan bakar robot yang menyediakan pengisian bahan bakar mobil yang cepat dan aman dengan hidrogen cair.
Munculnya sejumlah besar perkembangan dalam beberapa tahun terakhir yang bertujuan untuk menciptakan mobil menggunakan bahan bakar alternatif dan sistem propulsi alternatif menunjukkan bahwa mesin pembakaran internal, yang mendominasi mobil selama satu abad terakhir, pada akhirnya akan memberi jalan kepada desain yang lebih bersih, lebih efisien, dan senyap. Penggunaannya secara luas saat ini sedang terhambat bukan karena masalah teknis, melainkan oleh masalah ekonomi dan sosial. Untuk penggunaannya secara luas, perlu untuk menciptakan infrastruktur tertentu untuk pengembangan produksi bahan bakar alternatif, penciptaan dan distribusi SPBU baru dan untuk mengatasi sejumlah hambatan psikologis. Penggunaan hidrogen sebagai bahan bakar kendaraan akan memerlukan penanganan masalah penyimpanan, pengiriman dan distribusi, dengan langkah-langkah keamanan yang serius.
Secara teoritis, hidrogen tersedia dalam jumlah yang tidak terbatas, tetapi produksinya sangat intensif energi. Selain itu, untuk mengubah mobil agar bekerja dengan bahan bakar hidrogen, dua perubahan besar dalam sistem tenaga harus dilakukan: pertama, mentransfer operasinya dari bensin ke metanol, dan kemudian, untuk beberapa waktu, ke hidrogen. Ini akan memakan waktu sebelum masalah ini diselesaikan.

Keterangan:

Artikel ini membahas secara lebih rinci struktur, klasifikasi, kelebihan dan kekurangan, ruang lingkup, efisiensi, sejarah penciptaan dan prospek modern untuk digunakan.

Menggunakan sel bahan bakar untuk pembangkit listrik

Bagian 1

Artikel ini membahas secara lebih rinci prinsip pengoperasian sel bahan bakar, desainnya, klasifikasinya, kelebihan dan kekurangannya, ruang lingkup, efisiensi, sejarah penciptaan dan prospek modern untuk digunakan. Di bagian kedua artikel, yang akan dimuat di majalah ABOK edisi berikutnya, memberikan contoh fasilitas di mana berbagai jenis sel bahan bakar digunakan sebagai sumber panas dan listrik (atau hanya listrik).

pengantar

Sel bahan bakar adalah cara yang sangat efisien, andal, tahan lama, dan ramah lingkungan untuk menghasilkan energi.

Awalnya hanya digunakan di industri luar angkasa, sel bahan bakar kini semakin banyak digunakan di berbagai bidang - seperti pembangkit listrik stasioner, panas dan catu daya gedung, mesin kendaraan, catu daya untuk laptop dan ponsel. Beberapa dari perangkat ini adalah prototipe laboratorium, beberapa sedang menjalani pengujian pra-seri atau digunakan untuk tujuan demonstrasi, tetapi banyak model diproduksi secara massal dan digunakan dalam proyek komersial.

Sel bahan bakar (generator elektrokimia) adalah perangkat yang mengubah energi kimia bahan bakar (hidrogen) menjadi energi listrik dalam proses reaksi elektrokimia secara langsung, tidak seperti teknologi tradisional yang menggunakan pembakaran bahan bakar padat, cair, dan gas. Konversi elektrokimia langsung dari bahan bakar sangat efisien dan menarik dari sudut pandang lingkungan, karena jumlah polutan minimum yang dilepaskan selama operasi, dan tidak ada suara dan getaran yang kuat.

Dari sudut pandang praktis, sel bahan bakar menyerupai baterai galvanik konvensional. Perbedaannya terletak pada kenyataan bahwa pada awalnya baterai diisi, yaitu diisi dengan "bahan bakar". Selama operasi, "bahan bakar" dikonsumsi dan baterai habis. Tidak seperti baterai, sel bahan bakar menggunakan bahan bakar yang dipasok dari sumber eksternal untuk menghasilkan energi listrik (Gbr. 1).

Untuk produksi energi listrik, tidak hanya hidrogen murni yang dapat digunakan, tetapi juga bahan baku lain yang mengandung hidrogen, seperti gas alam, amonia, metanol atau bensin. Udara biasa digunakan sebagai sumber oksigen, yang juga diperlukan untuk reaksi.

Ketika hidrogen murni digunakan sebagai bahan bakar, produk reaksi, selain energi listrik, adalah panas dan air (atau uap air), yaitu tidak ada gas yang dipancarkan ke atmosfer yang menyebabkan polusi udara atau menyebabkan efek rumah kaca. Jika bahan baku yang mengandung hidrogen, seperti gas alam, digunakan sebagai bahan bakar, gas lain, seperti oksida karbon dan nitrogen, akan menjadi produk sampingan dari reaksi, tetapi jumlahnya jauh lebih rendah daripada saat membakar bahan yang sama. jumlah gas alam.

Proses konversi kimia bahan bakar untuk menghasilkan hidrogen disebut reforming, dan perangkat yang sesuai disebut reformer.

Keuntungan dan kerugian sel bahan bakar

Sel bahan bakar lebih hemat energi daripada mesin pembakaran internal karena tidak ada batasan termodinamika pada efisiensi energi untuk sel bahan bakar. Efisiensi sel bahan bakar adalah 50%, sedangkan efisiensi mesin pembakaran internal adalah 12-15%, dan efisiensi pembangkit listrik turbin uap tidak melebihi 40%. Dengan menggunakan panas dan air, efisiensi sel bahan bakar semakin meningkat.

Berbeda dengan, misalnya, mesin pembakaran internal, efisiensi sel bahan bakar tetap sangat tinggi bahkan ketika mereka tidak beroperasi dengan daya penuh. Selain itu, kekuatan sel bahan bakar dapat ditingkatkan hanya dengan menambahkan blok terpisah, sementara efisiensinya tidak berubah, yaitu instalasi besar seefisien yang kecil. Keadaan ini memungkinkan pemilihan komposisi peralatan yang sangat fleksibel sesuai dengan keinginan pelanggan dan pada akhirnya mengarah pada pengurangan biaya peralatan.

Keuntungan penting dari sel bahan bakar adalah keramahan lingkungan mereka. Emisi udara dari sel bahan bakar sangat rendah sehingga di beberapa bagian Amerika Serikat mereka tidak memerlukan izin khusus dari badan kualitas udara pemerintah.

Sel bahan bakar dapat ditempatkan langsung di gedung, sehingga mengurangi kehilangan transmisi energi, dan panas yang dihasilkan sebagai hasil reaksi dapat digunakan untuk memasok panas atau air panas ke gedung. Sumber panas dan catu daya otonom bisa sangat bermanfaat di daerah terpencil dan di daerah yang ditandai dengan kekurangan listrik dan biayanya yang tinggi, tetapi pada saat yang sama ada cadangan bahan baku yang mengandung hidrogen (minyak, gas alam) .

Keunggulan sel bahan bakar juga ketersediaan bahan bakar, keandalan (tidak ada bagian yang bergerak di sel bahan bakar), daya tahan dan kemudahan pengoperasian.

Salah satu kelemahan utama sel bahan bakar saat ini adalah biayanya yang relatif tinggi, tetapi kekurangan ini dapat segera diatasi - semakin banyak perusahaan memproduksi sampel sel bahan bakar komersial, mereka terus ditingkatkan, dan biayanya menurun.

Penggunaan hidrogen murni yang paling efisien sebagai bahan bakar, bagaimanapun, akan membutuhkan penciptaan infrastruktur khusus untuk produksi dan transportasinya. Saat ini, semua desain komersial menggunakan gas alam dan bahan bakar serupa. Kendaraan bermotor dapat menggunakan bensin biasa, yang akan memungkinkan pemeliharaan jaringan pompa bensin yang ada. Namun, penggunaan bahan bakar tersebut menyebabkan emisi berbahaya ke atmosfer (walaupun sangat rendah) dan memperumit (dan karenanya meningkatkan biaya) sel bahan bakar. Di masa depan, kemungkinan penggunaan sumber energi terbarukan yang ramah lingkungan (misalnya, energi matahari atau energi angin) sedang dipertimbangkan untuk menguraikan air menjadi hidrogen dan oksigen dengan elektrolisis, dan kemudian mengubah bahan bakar yang dihasilkan dalam sel bahan bakar. Pembangkit gabungan seperti itu yang beroperasi dalam siklus tertutup dapat menjadi sumber energi yang sepenuhnya ramah lingkungan, andal, tahan lama, dan efisien.

Fitur lain dari sel bahan bakar adalah paling efisien saat menggunakan energi listrik dan panas secara bersamaan. Namun, kemungkinan penggunaan energi panas tidak tersedia di setiap fasilitas. Dalam kasus penggunaan sel bahan bakar hanya untuk menghasilkan energi listrik, efisiensinya menurun, meskipun melebihi efisiensi instalasi "tradisional".

Sejarah dan penggunaan modern sel bahan bakar

Prinsip pengoperasian sel bahan bakar ditemukan pada tahun 1839. Ilmuwan Inggris William Grove (1811-1896) menemukan bahwa proses elektrolisis - penguraian air menjadi hidrogen dan oksigen melalui arus listrik - bersifat reversibel, yaitu hidrogen dan oksigen dapat digabungkan menjadi molekul air tanpa pembakaran, tetapi dengan pelepasan panas dan arus listrik. Grove menyebut perangkat di mana reaksi semacam itu dilakukan sebagai "baterai gas", yang merupakan sel bahan bakar pertama.

Pengembangan aktif teknologi sel bahan bakar dimulai setelah Perang Dunia Kedua, dan dikaitkan dengan industri kedirgantaraan. Pada saat itu, pencarian dilakukan untuk sumber energi yang efisien dan andal, tetapi pada saat yang sama cukup kompak. Pada tahun 1960-an, spesialis NASA (National Aeronautics and Space Administration, NASA) memilih sel bahan bakar sebagai sumber daya untuk pesawat ruang angkasa Apollo (penerbangan berawak ke Bulan), Apollo-Soyuz, Gemini dan program Skylab. . Apollo menggunakan tiga unit 1,5 kW (daya puncak 2,2 kW) menggunakan hidrogen dan oksigen kriogenik untuk menghasilkan listrik, panas, dan air. Massa setiap instalasi adalah 113 kg. Ketiga sel ini bekerja secara paralel, tetapi energi yang dihasilkan oleh satu unit sudah cukup untuk pengembalian yang aman. Selama 18 penerbangan, sel bahan bakar telah mengumpulkan total 10.000 jam tanpa kegagalan. Saat ini, sel bahan bakar digunakan di pesawat ulang-alik "Space Shuttle", yang menggunakan tiga unit dengan daya 12 W, yang menghasilkan semua energi listrik di pesawat ruang angkasa (Gbr. 2). Air yang diperoleh dari reaksi elektrokimia digunakan sebagai air minum, serta untuk peralatan pendingin.

Di negara kita, pekerjaan juga sedang dilakukan untuk membuat sel bahan bakar untuk digunakan dalam astronotika. Misalnya, sel bahan bakar digunakan untuk memberi daya pada pesawat ulang-alik Buran Soviet.

Pengembangan metode untuk penggunaan komersial sel bahan bakar dimulai pada pertengahan 1960-an. Perkembangan ini sebagian didanai oleh organisasi pemerintah.

Saat ini, perkembangan teknologi untuk penggunaan sel bahan bakar berjalan ke beberapa arah. Ini adalah pembuatan pembangkit listrik stasioner pada sel bahan bakar (untuk pasokan energi terpusat dan terdesentralisasi), pembangkit listrik kendaraan (contoh mobil dan bus pada sel bahan bakar telah dibuat, termasuk di negara kita) (Gbr. 3), dan juga catu daya untuk berbagai perangkat seluler (laptop, ponsel, dll.) (Gbr. 4).

Contoh penggunaan sel bahan bakar di berbagai bidang diberikan pada Tabel. satu.

Salah satu model komersial pertama sel bahan bakar yang dirancang untuk panas otonom dan catu daya bangunan adalah PC25 Model A yang diproduksi oleh ONSI Corporation (sekarang United Technologies, Inc.). Sel bahan bakar dengan daya nominal 200 kW ini termasuk dalam jenis sel dengan elektrolit berbasis asam fosfat (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Angka "25" pada nama model berarti nomor seri desain. Sebagian besar model sebelumnya adalah eksperimen atau uji coba, seperti model "PC11" 12,5 kW yang muncul pada tahun 1970-an. Model-model baru meningkatkan daya yang diambil dari sel bahan bakar tunggal, dan juga mengurangi biaya per kilowatt energi yang dihasilkan. Saat ini, salah satu model komersial yang paling efisien adalah sel bahan bakar PC25 Model C. Seperti model "A", ini adalah sel bahan bakar tipe PAFC yang sepenuhnya otomatis dengan daya 200 kW, yang dirancang untuk dipasang langsung pada objek yang diservis sebagai sumber panas dan listrik independen. Sel bahan bakar semacam itu dapat dipasang di luar gedung. Dari luar, itu adalah paralelepiped panjang 5,5 m, lebar 3 m dan tinggi 3 m, dengan berat 18.140 kg. Perbedaan dari model sebelumnya adalah reformer yang ditingkatkan dan kerapatan arus yang lebih tinggi.

Tabel 1
Lingkup sel bahan bakar

Wilayah aplikasi	Dinilai kekuasaan	Contoh penggunaan
Tidak bergerak instalasi	5-250 kW dan di atas	Sumber panas dan catu daya otonom untuk bangunan perumahan, publik dan industri, catu daya tak terputus, catu daya cadangan dan darurat
portabel instalasi	1–50 kW	Rambu jalan, truk berpendingin dan rel kereta api, kursi roda, kereta golf, pesawat ruang angkasa, dan satelit
Seluler instalasi	25–150 kW	Mobil (prototipe dibuat, misalnya, oleh DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), bus (misalnya MAN, Neoplan, Renault) dan kendaraan lain, kapal perang dan kapal selam
Perangkat mikro	1-500W	Ponsel, laptop, PDA, berbagai perangkat elektronik konsumen, perangkat militer modern

Dalam beberapa jenis sel bahan bakar, proses kimia dapat dibalik: dengan menerapkan perbedaan potensial pada elektroda, air dapat diuraikan menjadi hidrogen dan oksigen, yang dikumpulkan pada elektroda berpori. Ketika beban terhubung, sel bahan bakar regeneratif seperti itu akan mulai menghasilkan energi listrik.

Arah yang menjanjikan untuk penggunaan sel bahan bakar adalah penggunaannya bersama dengan sumber energi terbarukan, seperti panel fotovoltaik atau turbin angin. Teknologi ini memungkinkan Anda untuk sepenuhnya menghindari polusi udara. Sistem serupa direncanakan akan dibuat, misalnya, di Pusat Pelatihan Adam Joseph Lewis di Oberlin (lihat ABOK, 2002, No. 5, hlm. 10). Saat ini, panel surya digunakan sebagai salah satu sumber energi di gedung ini. Bersama dengan spesialis NASA, sebuah proyek dikembangkan untuk menggunakan panel fotovoltaik untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen dari air dengan elektrolisis. Hidrogen kemudian digunakan dalam sel bahan bakar untuk menghasilkan energi listrik dan air panas. Ini akan memungkinkan bangunan untuk mempertahankan kinerja semua sistem selama hari berawan dan pada malam hari.

Prinsip operasi sel bahan bakar

Mari kita pertimbangkan prinsip pengoperasian sel bahan bakar menggunakan elemen paling sederhana dengan membran penukar proton (Proton Exchange Membrane, PEM) sebagai contoh. Elemen tersebut terdiri dari membran polimer yang ditempatkan di antara anoda (elektroda positif) dan katoda (elektroda negatif) bersama dengan katalis anoda dan katoda. Membran polimer digunakan sebagai elektrolit. Diagram elemen PEM ditunjukkan pada gambar. 5.

Membran penukar proton (PEM) adalah senyawa organik padat tipis (sekitar 2-7 lembar kertas biasa). Membran ini berfungsi sebagai elektrolit: memisahkan materi menjadi ion bermuatan positif dan negatif dengan adanya air.

Proses oksidatif terjadi di anoda, dan proses reduksi terjadi di katoda. Anoda dan katoda pada sel PEM terbuat dari bahan berpori yang merupakan campuran partikel karbon dan platina. Platinum bertindak sebagai katalis yang mendorong reaksi disosiasi. Anoda dan katoda dibuat berpori untuk aliran bebas hidrogen dan oksigen melalui mereka, masing-masing.

Anoda dan katoda ditempatkan di antara dua pelat logam, yang memasok hidrogen dan oksigen ke anoda dan katoda, dan menghilangkan panas dan air, serta energi listrik.

Molekul hidrogen melewati saluran di pelat ke anoda, di mana molekul terurai menjadi atom individu (Gbr. 6).

	Gambar 5 () Diagram skema sel bahan bakar membran pertukaran proton (PEM)
	Gambar 6 () Molekul hidrogen melalui saluran di pelat memasuki anoda, di mana molekul didekomposisi menjadi atom individu
	Gambar 7 () Sebagai hasil dari chemisorption dengan adanya katalis, atom hidrogen diubah menjadi proton
	Angka 8 () Ion hidrogen bermuatan positif berdifusi melalui membran ke katoda, dan aliran elektron diarahkan ke katoda melalui sirkuit listrik eksternal di mana beban terhubung.
	Gambar 9 () Oksigen yang dipasok ke katoda, dengan adanya katalis, masuk ke dalam reaksi kimia dengan ion hidrogen dari membran penukar proton dan elektron dari sirkuit listrik eksternal. Air terbentuk sebagai hasil dari reaksi kimia

Kemudian, sebagai hasil chemisorption dengan adanya katalis, atom hidrogen, masing-masing menyumbangkan satu elektron e -, diubah menjadi ion hidrogen bermuatan positif H +, yaitu proton (Gbr. 7).

Ion hidrogen (proton) bermuatan positif berdifusi melalui membran ke katoda, dan aliran elektron diarahkan ke katoda melalui sirkuit listrik eksternal di mana beban (konsumen energi listrik) terhubung (Gbr. 8).

Oksigen yang dipasok ke katoda, dengan adanya katalis, masuk ke dalam reaksi kimia dengan ion hidrogen (proton) dari membran penukar proton dan elektron dari sirkuit listrik eksternal (Gbr. 9). Sebagai hasil dari reaksi kimia, air terbentuk.

Reaksi kimia dalam sel bahan bakar jenis lain (misalnya, dengan elektrolit asam, yang merupakan larutan asam fosfat H 3 PO 4) benar-benar identik dengan reaksi kimia dalam sel bahan bakar dengan membran penukar proton.

Dalam sel bahan bakar apa pun, sebagian energi reaksi kimia dilepaskan sebagai panas.

Aliran elektron pada rangkaian luar merupakan arus searah yang digunakan untuk melakukan kerja. Membuka sirkuit eksternal atau menghentikan pergerakan ion hidrogen menghentikan reaksi kimia.

Besarnya energi listrik yang dihasilkan oleh suatu sel bahan bakar tergantung pada jenis sel bahan bakar, dimensi geometrik, temperatur, tekanan gas. Sebuah sel bahan bakar tunggal memberikan EMF kurang dari 1,16 V. Hal ini dimungkinkan untuk meningkatkan ukuran sel bahan bakar, tetapi dalam prakteknya beberapa sel digunakan, dihubungkan dalam baterai (Gbr. 10).

Perangkat sel bahan bakar

Mari kita perhatikan perangkat sel bahan bakar pada contoh model PC25 Model C. Skema sel bahan bakar ditunjukkan pada gambar. sebelas.

Sel bahan bakar "PC25 Model C" terdiri dari tiga bagian utama: prosesor bahan bakar, bagian pembangkit listrik aktual, dan konverter tegangan.

Bagian utama dari sel bahan bakar - bagian pembangkit listrik - adalah tumpukan yang terdiri dari 256 sel bahan bakar individu. Komposisi elektroda sel bahan bakar termasuk katalis platinum. Melalui sel-sel tersebut, dihasilkan arus listrik searah sebesar 1.400 ampere pada tegangan 155 volt. Dimensi baterai sekitar 2,9 m panjang dan 0,9 m lebar dan tinggi.

Karena proses elektrokimia berlangsung pada suhu 177 ° C, perlu untuk memanaskan baterai pada saat start-up dan menghilangkan panas darinya selama operasi. Untuk melakukan ini, sel bahan bakar mencakup sirkuit air terpisah, dan baterai dilengkapi dengan pelat pendingin khusus.

Prosesor bahan bakar memungkinkan Anda mengubah gas alam menjadi hidrogen, yang diperlukan untuk reaksi elektrokimia. Proses ini disebut reformasi. Elemen utama dari prosesor bahan bakar adalah reformer. Dalam reformer, gas alam (atau bahan bakar lain yang mengandung hidrogen) bereaksi dengan uap pada suhu tinggi (900 °C) dan tekanan tinggi dengan adanya katalis nikel. Reaksi kimia berikut terjadi:

CH 4 (metana) + H 2 O 3H 2 + CO

(reaksi endotermik, dengan penyerapan panas);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(reaksinya eksotermis, dengan pelepasan panas).

Reaksi keseluruhan dinyatakan dengan persamaan:

CH 4 (metana) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(reaksi endotermik, dengan penyerapan panas).

Untuk menyediakan suhu tinggi yang diperlukan untuk konversi gas alam, sebagian bahan bakar bekas dari tumpukan sel bahan bakar diarahkan ke burner yang mempertahankan reformer pada suhu yang diperlukan.

Uap yang diperlukan untuk reformasi dihasilkan dari kondensat yang terbentuk selama pengoperasian sel bahan bakar. Dalam hal ini, panas yang dikeluarkan dari tumpukan sel bahan bakar digunakan (Gbr. 12).

Tumpukan sel bahan bakar menghasilkan arus searah intermiten, yang ditandai dengan tegangan rendah dan arus tinggi. Konverter tegangan digunakan untuk mengubahnya menjadi AC standar industri. Selain itu, unit konverter tegangan mencakup berbagai perangkat kontrol dan sirkuit interlock pengaman yang memungkinkan sel bahan bakar dimatikan jika terjadi berbagai kegagalan.

Dalam sel bahan bakar seperti itu, sekitar 40% energi dalam bahan bakar dapat diubah menjadi energi listrik. Kira-kira jumlah yang sama, sekitar 40% dari energi bahan bakar, dapat diubah menjadi, yang kemudian digunakan sebagai sumber panas untuk pemanasan, pasokan air panas dan tujuan serupa. Dengan demikian, efisiensi total pabrik semacam itu bisa mencapai 80%.

Keuntungan penting dari sumber panas dan listrik semacam itu adalah kemungkinan operasi otomatis. Untuk pemeliharaan, pemilik fasilitas tempat sel bahan bakar dipasang tidak perlu memelihara personel yang terlatih khusus - pemeliharaan berkala dapat dilakukan oleh karyawan organisasi pengoperasi.

Jenis sel bahan bakar

Saat ini dikenal beberapa jenis sel bahan bakar yang berbeda dalam komposisi elektrolit yang digunakan. Empat jenis berikut yang paling luas (Tabel 2):

1. Sel bahan bakar dengan membran penukar proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Sel bahan bakar berdasarkan asam ortofosfat (fosfat) (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Sel bahan bakar berdasarkan karbonat cair (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Sel bahan bakar oksida padat (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). Saat ini, armada sel bahan bakar terbesar dibangun berdasarkan teknologi PAFC.

Salah satu karakteristik kunci dari berbagai jenis sel bahan bakar adalah suhu operasi. Dalam banyak hal, suhulah yang menentukan ruang lingkup sel bahan bakar. Misalnya, suhu tinggi sangat penting untuk laptop, sehingga sel bahan bakar membran pertukaran proton dengan suhu operasi rendah sedang dikembangkan untuk segmen pasar ini.

Untuk catu daya otonom bangunan, sel bahan bakar dengan kapasitas terpasang tinggi diperlukan, dan pada saat yang sama dimungkinkan untuk menggunakan energi panas, oleh karena itu, sel bahan bakar jenis lain juga dapat digunakan untuk tujuan ini.

Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton (PEMFC)

Sel bahan bakar ini beroperasi pada suhu operasi yang relatif rendah (60-160°C). Mereka dicirikan oleh kepadatan daya yang tinggi, memungkinkan Anda untuk dengan cepat menyesuaikan daya keluaran, dan dapat dengan cepat dihidupkan. Kerugian dari elemen jenis ini adalah persyaratan kualitas bahan bakar yang tinggi, karena bahan bakar yang terkontaminasi dapat merusak membran. Daya nominal sel bahan bakar jenis ini adalah 1-100 kW.

Sel bahan bakar membran pertukaran proton awalnya dikembangkan oleh General Electric Corporation pada 1960-an untuk NASA. Jenis sel bahan bakar ini menggunakan elektrolit polimer solid state yang disebut Proton Exchange Membrane (PEM). Proton dapat bergerak melalui membran penukar proton, tetapi elektron tidak dapat melewatinya, sehingga terjadi perbedaan potensial antara katoda dan anoda. Karena kesederhanaan dan keandalannya, sel bahan bakar tersebut digunakan sebagai sumber daya pada pesawat ruang angkasa berawak Gemini.

Jenis sel bahan bakar ini digunakan sebagai sumber daya untuk berbagai perangkat yang berbeda, termasuk prototipe dan prototipe, dari ponsel hingga bus dan sistem tenaga stasioner. Suhu operasi yang rendah memungkinkan sel tersebut digunakan untuk memberi daya pada berbagai jenis perangkat elektronik yang kompleks. Kurang efisien adalah penggunaannya sebagai sumber panas dan catu daya untuk bangunan publik dan industri, di mana sejumlah besar energi panas diperlukan. Pada saat yang sama, elemen-elemen tersebut menjanjikan sebagai sumber listrik otonom untuk bangunan tempat tinggal kecil seperti pondok yang dibangun di daerah dengan iklim panas.

Meja 2
Jenis sel bahan bakar

Tipe barang	pekerja suhu, °C	keluaran efisiensi listrik energi), %	Total Efisiensi, %
Sel bahan bakar dengan membran pertukaran proton (PEMFC)	60–160	30–35	50–70
sel bahan bakar berdasarkan ortofosfat (asam fosfat) (PAFC)	150–200	35	70–80
Sel bahan bakar berbasis karbonat cair (MCFC)	600–700	45–50	70–80
Oksida keadaan padat sel bahan bakar (SOFC)	700–1 000	50–60	70–80

Sel Bahan Bakar Asam Fosfat (PAFC)

Pengujian sel bahan bakar jenis ini sudah dilakukan pada awal 1970-an. Kisaran suhu pengoperasian - 150-200 °C. Area aplikasi utama adalah sumber panas otonom dan catu daya daya sedang (sekitar 200 kW).

Elektrolit yang digunakan dalam sel bahan bakar ini adalah larutan asam fosfat. Elektroda terbuat dari kertas yang dilapisi dengan karbon, di mana katalis platinum tersebar.

Efisiensi listrik sel bahan bakar PAFC adalah 37-42%. Namun, karena sel bahan bakar ini beroperasi pada suhu yang cukup tinggi, maka dimungkinkan untuk menggunakan uap yang dihasilkan sebagai hasil operasi. Dalam hal ini, efisiensi keseluruhan bisa mencapai 80%.

Untuk menghasilkan energi, bahan baku yang mengandung hidrogen harus diubah menjadi hidrogen murni melalui proses reformasi. Misalnya, jika bensin digunakan sebagai bahan bakar, maka senyawa belerang harus dihilangkan, karena belerang dapat merusak katalis platina.

Sel bahan bakar PAFC adalah sel bahan bakar komersial pertama yang dibenarkan secara ekonomi. Model yang paling umum adalah sel bahan bakar PC25 200 kW yang diproduksi oleh ONSI Corporation (sekarang United Technologies, Inc.) (Gbr. 13). Misalnya, elemen ini digunakan sebagai sumber panas dan listrik di kantor polisi di Central Park New York atau sebagai sumber energi tambahan untuk Gedung Conde Nast & Four Times Square. Yang paling rig besar jenis ini sedang diuji sebagai pembangkit listrik 11 MW yang berlokasi di Jepang.

Sel bahan bakar berbasis asam fosfat juga digunakan sebagai sumber energi pada kendaraan. Misalnya, pada tahun 1994, H-Power Corp., Universitas Georgetown, dan Departemen Energi AS melengkapi bus dengan pembangkit listrik 50 kW.

Sel Bahan Bakar Karbonat Cair (MCFC)

Sel bahan bakar jenis ini beroperasi pada suhu yang sangat tinggi - 600-700 °C. Temperatur operasi ini memungkinkan bahan bakar untuk digunakan langsung di dalam sel itu sendiri, tanpa memerlukan reformer terpisah. Proses ini disebut "reformasi internal". Ini memungkinkan untuk secara signifikan menyederhanakan desain sel bahan bakar.

Sel bahan bakar berdasarkan karbonat cair memerlukan waktu start-up yang signifikan dan tidak memungkinkan untuk menyesuaikan daya keluaran dengan cepat, sehingga area aplikasi utamanya adalah sumber panas dan listrik stasioner yang besar. Namun, mereka dibedakan oleh efisiensi konversi bahan bakar yang tinggi - efisiensi listrik 60% dan efisiensi keseluruhan hingga 85%.

Dalam sel bahan bakar jenis ini, elektrolitnya terdiri dari garam kalium karbonat dan litium karbonat yang dipanaskan hingga sekitar 650 °C. Dalam kondisi ini, garam berada dalam keadaan cair, membentuk elektrolit. Di anoda, hidrogen berinteraksi dengan ion CO 3, membentuk air, karbon dioksida dan melepaskan elektron yang dikirim ke sirkuit eksternal, dan di katoda, oksigen berinteraksi dengan karbon dioksida dan elektron dari sirkuit eksternal, sekali lagi membentuk ion CO 3 .

Sampel laboratorium sel bahan bakar jenis ini dibuat pada akhir 1950-an oleh ilmuwan Belanda G. H. J. Broers dan J. A. A. Ketelaar. Pada 1960-an, insinyur Francis T. Bacon, keturunan penulis dan ilmuwan Inggris abad ke-17 yang terkenal, bekerja dengan elemen-elemen ini, itulah sebabnya sel bahan bakar MCFC kadang-kadang disebut sebagai elemen Bacon. Program Apollo, Apollo-Soyuz, dan Scylab NASA hanya menggunakan sel bahan bakar seperti itu sebagai sumber daya (Gbr. 14). Pada tahun yang sama, departemen militer AS menguji beberapa sampel sel bahan bakar MCFC yang diproduksi oleh Texas Instruments, di mana bensin kelas tentara digunakan sebagai bahan bakar. Pada pertengahan 1970-an, Departemen Energi AS memulai penelitian untuk mengembangkan sel bahan bakar karbonat cair stasioner yang cocok untuk: aplikasi praktis. Pada 1990-an, sejumlah unit komersial dengan daya hingga 250 kW dioperasikan, seperti di Stasiun Udara Angkatan Laut AS Miramar di California. Pada tahun 1996, FuelCell Energy, Inc. menugaskan pabrik pra-seri 2 MW di Santa Clara, California.

Sel bahan bakar oksida keadaan padat (SOFC)

Sel bahan bakar oksida padat memiliki desain yang sederhana dan beroperasi pada suhu yang sangat tinggi - 700-1000 °C. Suhu tinggi seperti itu memungkinkan penggunaan bahan bakar yang relatif "kotor", tidak dimurnikan. Fitur yang sama seperti pada sel bahan bakar berdasarkan karbonat cair menentukan area aplikasi yang serupa - sumber panas dan listrik stasioner yang besar.

Sel bahan bakar oksida padat secara struktural berbeda dari sel bahan bakar berdasarkan teknologi PAFC dan MCFC. Anoda, katoda dan elektrolit terbuat dari keramik kelas khusus. Paling sering, campuran zirkonium oksida dan kalsium oksida digunakan sebagai elektrolit, tetapi oksida lain dapat digunakan. Elektrolit membentuk kisi kristal yang dilapisi pada kedua sisinya dengan bahan elektroda berpori. Secara struktural, elemen tersebut dibuat dalam bentuk tabung atau papan datar, yang memungkinkan untuk menggunakan teknologi yang banyak digunakan dalam industri elektronik dalam pembuatannya. Akibatnya, sel bahan bakar oksida padat dapat beroperasi pada suhu yang sangat tinggi, sehingga dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik dan panas.

Pada suhu operasi tinggi, ion oksigen terbentuk di katoda, yang bermigrasi melalui kisi kristal ke anoda, di mana mereka berinteraksi dengan ion hidrogen, membentuk air dan melepaskan elektron bebas. Dalam hal ini, hidrogen dilepaskan dari gas alam langsung di dalam sel, yaitu tidak perlunya reformer terpisah.

Landasan teoretis untuk pembuatan sel bahan bakar oksida solid-state diletakkan kembali pada akhir 1930-an, ketika ilmuwan Swiss Bauer (Emil Bauer) dan Preis (H. Preis) bereksperimen dengan zirkonium, itrium, serium, lantanum dan tungsten, menggunakannya sebagai elektrolit.

Prototipe pertama dari sel bahan bakar tersebut dibuat pada akhir 1950-an oleh sejumlah perusahaan Amerika dan Belanda. Sebagian besar perusahaan ini segera meninggalkan penelitian lebih lanjut karena kesulitan teknologi, tetapi salah satunya, Westinghouse Electric Corp. (sekarang "Siemens Westinghouse Power Corporation"), melanjutkan pekerjaan. Perusahaan saat ini menerima pre-order untuk model komersial sel bahan bakar oksida padat topologi tubular yang diharapkan tahun ini (Gambar 15). Segmen pasar dari elemen tersebut adalah instalasi stasioner untuk produksi energi panas dan listrik dengan kapasitas 250 kW sampai 5 MW.

Sel bahan bakar tipe SOFC telah menunjukkan keandalan yang sangat tinggi. Misalnya, prototipe sel bahan bakar Siemens Westinghouse telah mencatat 16.600 jam dan terus beroperasi, menjadikannya sel bahan bakar berkelanjutan terpanjang di dunia.

Suhu tinggi, mode operasi tekanan tinggi sel bahan bakar SOFC memungkinkan penciptaan pembangkit hibrida, di mana emisi sel bahan bakar menggerakkan turbin gas yang digunakan untuk menghasilkan listrik. Pabrik hibrida pertama beroperasi di Irvine, California. Daya pengenal pembangkit ini adalah 220 kW, di mana 200 kW dari sel bahan bakar dan 20 kW dari generator mikroturbin.