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燃料电池技术:一个回顾

Omkar Yarguddi1Anjali a . Dharme博士2
  1. 高级本科生、部门电气Engg Engg学院浦那(印度马哈拉施特拉邦
  2. 副教授,部门电气Engg。Engg学院,浦那(印度马哈拉施特拉邦
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文摘

燃料细胞直接和有效地将化学能转换为电能。在过去的十年中,燃料电池收到了巨大的注意力从小说研究机构和公司电能量转换系统。在不久的将来,他们将会看到应用在汽车推进分布式发电,在低功耗便携式设备(电池更换)。本文讨论了不同类型的燃料电池及其基本原理。不同的燃料电池类型的不同特点等操作温度,效率,进行了比较

关键字
燃料电池,能量转换效率、特点

我的介绍。
燃料电池是最有前途的可再生能源之一,可以视为清洁能源,因为他们的低硫和氮氧化物排放和低噪音水平操作。此外,他们是更有效的比传统能源的效率不受卡诺循环。燃料电池的工作原理就像电池,但不需要充电时,给连续电力提供燃料和氧化剂[1]。尝试开发燃料电池作为电源已经多年。最初他们开发的主要用于空间和国防应用程序。然而,最近推动更有效和更少的污染发电技术已导致大量资源被定向到燃料电池的发展。燃料电池,由于其效率高、噪音低、污染物输出,承诺改变发电行业,从集中位于发电站和长途输电线路在负载分散发电网站[2]。不考虑燃料电池的类型,它们都包含一个阳极(负面)、阴极(积极的一面)和电解质,允许双方费用将燃料电池。电子从阳极到阴极,通过外部电路或负载产生直流电。作为燃料电池类型之间的主要区别是电解质,燃料电池是由他们所使用的类型的电解质分类以及所需的时间的不同对他们开始从1秒质子交换膜燃料电池(PEMFC) 10分钟为固体氧化物燃料电池(SOFC)。 Fuel cells come in a variety of sizes. Individual fuel cells produce relatively small electrical potentials, about 0.7 volts, so cells are "stacked", or placed in series, to increase the voltage and meet an application's requirements [3]. Several fuel cell types are under various stages of development: Low temperature fuel cells such as the Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEMFC) and the Alkaline Fuel Cell (AFC) are mainly considered for transport applications.
磷酸燃料电池(PAFC),介质温度的燃料电池,分为第一代,一直发展到最先进的阶段。
熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)是一个高温燃料电池的操作在650°C和被称为第二代燃料电池。原型MCFC的100千瓦范围正在建设和评估。固体氧化物燃料电池(SOFC)或第三代燃料电池,吸引大量的利益,因为它被认为是最有效的和最多才多艺的发电系统,尤其是分散发电。当前的工作温度在1000°C,但实质性的努力降低操作温度下800 - 900°C。

二世。质子交换膜燃料电池(PEMFC)
质子交换膜燃料电池基本图显示的结构见图1。主要组件:(i)双极板、电极(2),(3)催化剂,(iv)膜,(v)必要的硬件[4]。用于燃料电池的不同部分的材料类型不同而有所不同。双极板可能由不同类型的材料,如金属、涂层金属、石墨、柔性石墨,碳碳复合材料、carbon-polymer复合材料等膜电极组装(MEA)称为质子交换膜燃料电池的核心,通常由一个质子交换膜夹在两个catalyst-coated碳论文。铂和/或类似的贵金属通常用作质子交换膜燃料电池的催化剂。电解液可能是聚合物膜。
空气是美联储阴极层,氢是美联储的阳极。中央膜也充当电解质执行反应物分离的功能。在阳极方面,氢扩散到阳极催化剂水解成质子和电子。质子通过膜阴极,但电子被迫穿过外部电路(供电),因为膜电绝缘。在阴极催化剂,氧分子反应电子通过外部电路(旅行)和质子形成水
图像
涉及的电化学反应总结如下[1]:
H2→2 h + + 2 e−(1)
2 h + + 1/2O2 + 2 e−→水(2)
H2 + 1/2O2→水(3)
方程(1)显示了阳极反应,方程(2)显示了阴极反应,而方程(3)显示了完整的细胞反应。
质子交换膜燃料电池的主要优势是它比其他传统的能量转换效率高,设备[5]。与具有最大的内燃机效率高负载,燃料电池效率高即使部分负荷。这是特别有利的汽车应用程序作为汽车通常要求只有一小部分名义燃料电池[6]。因此,燃料电池动力汽车将运行在效率高的大部分时间。质子交换膜燃料电池的另一个重要的优势在与其他类型的燃料电池工作温度相对较低(低于80‹šC)[7],他们可以迅速达到操作点。此外,材料用于建筑的质子交换膜燃料电池的成本通常是低相比,高温燃料电池类型,以及安全操作。
整体的主要缺点是成本高的质子交换膜燃料电池和氢的高生产成本以及基于铂的催化剂。

三世。磷酸燃料电池(PAFC)
顾名思义,在PAFCs、磷酸用作电解质允许通过质子从阳极到阴极。它被认为是第一代现代燃料电池。generalprinciple PAFCs类似于质子交换膜燃料电池的操作:阳极分为其引入的氢质子和电子。质子迁移通过电解液和与氧结合,通常在阴极形成从空气、水。电子通过外部电路路由,在那里他们可以执行有用的工作。这组反应燃料电池产生电力,副产品的热量。PAFCs工作温度水平在150年到220年间‹š和‹šC。PAFCs
图像
运营效率约为40 - 50%,而生成。效率可以提高80%使用热生成的热电联产[8]。图2显示了一个PAFC的示意图。
PAFCs的一个优势,除了他们的效率高,是他们的宽容一氧化碳(CO)在细胞内积累。温度200‹šC他们容忍CO浓度约为1.5%。PAFCs提供高品质直流电源,高功率密度值。这种类型的燃料电池的主要缺点是使用一个酸性电解液增加组件暴露在腐蚀或氧化磷酸。

四、固体氧化物燃料电池(SOFC)
固体氧化物燃料电池(sofc)使用固体材料,最常见的是一个叫yttria-stabilized陶瓷材料氧化锆(YSZ)作为电解液。因为固体氧化物燃料电池是由完全的固体材料,他们不限于平面配置其他类型的燃料电池,通常设计成卷管。他们需要高操作温度(800 - 1000°C),可以运行在多种燃料,包括天然气。固体氧化物燃料电池的效率约为50% - 60%,将燃料转化为电能。在热电联产应用程序中,订单的总体效率可能是80% - 85%。图2 (b)显示了固体氧化物燃料电池的原理图。
涉及的电化学反应如下:
2 H2 O2 + 2 -→2水+ 4 e - (4)
O2 + 4 e -→2 O2 - (5)
2 h2 + O2→2水(6)
方程(4),(5)和(6)代表了阳极、阴极和细胞反应发生在固体氧化物燃料电池分别[9]。
与其他类型的燃料电池不同,电荷载体在固体氧化物燃料电池氧离子(O2)。在阴极,空气中的氧分子被划分为氧离子的电子,然后通过电解液并结合氢离子在阳极产生水,同时释放出4个电子。这些电子通过外部电路产生电流。
固体氧化物燃料电池的高温操作提供了高阻等显著的优势存在的硫燃料。此外,他们也不是中毒公司甚至可以用作燃料。这个属性的sofc允许他们使用气体由煤作为燃料。高工作温度也消除了需要的贵金属催化剂在中低温度是必要的燃料电池,从而降低成本。由于电解质是固体,燃料电池的方向可以根据应用程序的需求从而导致模块化设计[10]。缺点包括高起始时间由于高操作温度。

诉熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)
MCFCs是不同的比他们使用其他燃料电池电解质组成的熔融碳酸盐盐混合物悬浮在多孔,惰性陶瓷铝锂氧化物(LiAlO2)矩阵。达到融化的碳酸盐盐和离子迁移率高,燃料电池的工作温度很高(约600‹š‹šC C - 700) [11]。在此温度范围内,盐融化,成为碳酸根离子导电。这些离子从阴极到阳极,与氢结合,让水、二氧化碳和电子。这些电子通过外部的负载引起电流,并返回到阴极。在阴极,空气中的氧气和二氧化碳回收与电子从阳极反应形成碳酸根离子,补充电解质,完成电路[12]。图3(一个)显示了MCFC的示意图。电化学反应是总结如下:
½O2→H2 + H2O (7)
CO2 + O2½+ 2 e−→CO32−(8)
CO32−−CO2 + H2→水+ + 2 e (9)
方程(7)、(8)和(9)代表了阳极、阴极和整体细胞反应发生在MCFC分别。固体氧化物燃料电池、MCFCs能够将化石燃料转换为富氢气体由于其高操作温度
因此,各种各样的自然和煤炭等燃料气体可以使用。MCFCs也显示阻力燃料电池中毒由于公司使煤气体燃料的一个有吸引力的选择。MCFCs加上涡轮机可以达到效率接近65%。捕获和使用废热时(即在热电联产),效率可以提高80% [13]。
MCFCs的缺点包括慢启动时间,因为高操作温度,运行周期相对较短。高温度和熔融碳酸盐电解质引起的腐蚀电极造成显著减少操作的生活。

VI。微生物燃料电池(MFC)
MFC转换能量,可用在一个可降解底物,直接转化为电能。这可以实现当细菌从自然的电子受体,如氧气或硝酸盐、不溶性的电子受体,如MFC阳极。电子流过电阻到阴极,在电子受体的减少。与厌氧消化,MFC产生电流和一个包含主要的废气二氧化碳[14]。图3 (b)显示了一个示意图的MFC [15]。
细菌需要能源的增长,他们进入一个两步过程。第一步需要的电子从一些有机物的来源(氧化)和第二步由这些电子的东西会接受他们(减少),氧或硝酸等。如果某些细菌在厌氧条件下生长(没有氧气的存在),它们可能将电子碳电极(阳极)。电子然后下跨线负载(电阻)的阴极与质子结合成水和氧气。当这些电子从阳极到阴极流动,产生的电流和电压发电。[16]
mfc电池的优点包括使用各种有机材料作为燃料,以及高效的操作环境和低温区分他们从当前生物能源的过程。低功率密度比其他技术使这一技术在一个轻微的缺点。
图像
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七世。结论
最近的推力清洁和可再生能源的发展带来了燃料电池技术在聚光灯下。现在被视为清洁能源,燃料电池有可能彻底改变能源生产领域。增加的燃料电池发电的情况下,显著改善是必要的。整体催化剂和电极电化学技术的进步,提供价格下降,燃料电池技术可能成为一个新的核心技术为化学能转换成电能和打开新的视野之前利用尚未开发的资源来发电。

承认
作者感谢组织者NCMEA 2014工程大学,浦那。作者还要感谢d . b . Talange博士和教授Dr.V教授。美国Bandal输入。

引用
  1. 安德里亚,大肠;马˜娜娜,m;奥尔蒂斯,a;Renedo c;Egu´„±luz, L.I.;P´erez,美国;德尔珈朵”,一个简化的小PEM燃料电池的电气模型,”坎塔布里亚大学,西班牙。
  2. S.P.S. Badwal k .雾,“固体氧化物燃料电池电解质审查,”国际陶瓷pp.257 - 265,第22卷,1996年
  3. 好,卡里姆,斯特里克兰,乔纳森。“燃料电池的工作原理:聚合物交换膜燃料电池,“[网络]。可用:http://auto.howstuffworks.com/fuel-efficiency/alternative-fuels/fuel-cell2.htm
  4. b的画面,诉汉”,发展低成本先进的复合双极板P.E.M.燃料电池”,燃料电池,08(1)卷,45-51,2008页。
  5. l . Carrette k·弗里德里希,机枪兵,“燃料cells-fundamentals和应用,燃料电池,1卷(1)5-39,2001页。
  6. D·弗里德曼,R·摩尔,“PEM燃料电池系统优化”:Proc Electrochem Soc, 1998年,27,407 - 423页。
  7. 如& G技术服务公司科学应用国际公司(2002):美国能源部,燃料电池手册,第六版,美国西弗吉尼亚州摩根城。
  8. 磷酸燃料电池技术(2014年1月4日访问)(在线):http://americanhistory.si.edu/fuelcells/phos/pafcmain.htm
  9. 固体氧化物燃料电池(SOFC)(2014年1月4日访问)(在线):http://www.fctec.com/fctec_types_sofc.asp
  10. a . b . Stambouli大肠Traversa”,固体氧化物燃料电池(sofc):回顾环境清洁高效的能源,“可再生能源和可持续能源的评论,6卷,第455 - 433页,2002年。雷竞技苹果下载
  11. a·迪克斯“熔融碳酸盐燃料电池,”:当今固体板牙Sci, 8卷,pp.379 - 383, 2004。
  12. “熔融碳酸盐燃料电池技术”。美国能源部(2014年1月5日)访问(在线):http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/fc_types.html
  13. 燃料电池能源公司,美国(2014年1月5日)访问(在线):www.fce.com
  14. w . Habermann和超高频pom,”生物燃料电池与硫化物容量”::。Microbiol。Biotechnol。35卷,第128 - 133页
  15. k·Rabae和诉威利“微生物燃料电池:小说生物技术发电,”:生物技术、趋势Vol.23 6号。2005年6月。
  16. 微生物燃料电池的问答,美国宾夕法尼亚州立大学工程学院。
  17. 燃料电池技术的比较,研究报告,我们部门的能量。