Breaking землей на границе топливных элементах

Топливные элементы предложение обещания nearzero выбросов, возобновляемых источников топлива и высокой энергетической эффективности для мобильного и стационарного применения - вопрос только, когда эти выгоды материализуются. "Я вижу большой прогресс, но мы ожидали чего-то к настоящему времени, и, кажется, нереально ожидать, что в 2004 году", говорит директор энергетических исследований Atakan Ozbek в ABI Research (Oyster Bay, штат Нью-Йорк; <A HREF = " http://www.abiresearch.com "целевых =" _blank "относительной =" NOFOLLOW "> www.abiresearch.com </ A>). В докладе Национальной академии наук и Национального исследовательского совета (как в Вашингтоне, округ Колумбия, <a target="_blank" href="http://www.nationalacademies.org" rel="nofollow"> www.nationalacademies.org </ A>) полагает, что цель администрации Буша решений H ^ подпункта 2 ^ двигателем на топливных элементах автомобилей практичным и экономически эффективным, 2020, могут быть чересчур оптимистичными, и что H ^ подпункта 2 ^ экономики на несколько десятилетий.

Исходя из этого, инженеры-химики помогают сократить разрыв между топливных элементов обещаниями и реальностью. "Протон-обмен мембраной (PEM) топливные элементы собственной самую большую долю на рынке, что соответствует половине текущей установки, в соответствии с Фридония группы (Кливленд, Огайо; <A HREF =" http://www.freedoniagroup.com "мишень = "_blank" относительной = "NOFOLLOW"> www.freedoniagroup.com </ A>) (см. таблицу). В этих системах H ^ 2 ^ к югу содержащих топливо проходит через анод, высвобождая электроны, H ^ 2 ^ к югу ионов через мембраны полимерных электролитов и в сочетании с кислородом на катоде с образованием воды. Операционная около 80 ° C, ПЕМ привлекательны для автомобильных, стационарных и переносных токоприемников поколения приложений.

Некоторые PEM производители концентрируют свои усилия по разработке продуктов на автомобильном рынке, что ставит жесткие задачи. "Такая низкая стоимость, большие объемы применения должен быть очень надежным и долговечным", говорит Майкл Розенберг, менеджер корпоративных отношений на Ballard Power системы (Burnaby, BC; <A HREF = "http://www.ballard.com" целевых = "_blank" относительной = "NOFOLLOW"> www.ballard.com </ A>). "Мы должны бороться с вибрации, пыли и различных температурах, и постоянно рамп с низким на полную мощность", продолжает он.

Топливный элемент технологии, которая была разработана для автомобилей могут быть переданы довольно легко стационарных приложений, где топливные элементы эффективность и срок службы (около 40 000 ч), более важным, чем их плотность мощности и способности реагировать на изменения нагрузки. Баллард, например, представляет один кВт жилых система когенерации на японском рынке в этом году в рамках совместного предприятия с EBARA корпорации (Tokyo: <A HREF = "http://www.ebara.com" целевых = "_blank "относительной =" NOFOLLOW "> www.ebara.com </ A>) и Tokyo Gas (Токио; <A HREF =" http://www.tokyo-gas.co.jp "целевых =" _blank "относительной =" NOFOLLOW "> www.tokyo-gas.co.jp </ A>). Стационарных призывы рынка топливных элементах органов по ряду причин, в том числе более высокий порог расходов для массового проникновения на рынок (например, $ 3000-3500 / кВт для стационарных против $ 100/kW для автомобилей), указывает на Мороза

Одним из примеров такой передачи технологии 75-кВт ячейки PEM топлива выступили автогиганта General Motors (Detroit; <A HREF = "http://www.gm.com/company/gmability/adv_tech/index.html" целевых = "_blank" относительной = "NOFOLLOW"> www.gm.com / Компания / gmability / adv_tech / index.html </>), который был установлен в феврале этого года в с Dow Chemical Ко (Мидленд, ИМ, < HREF = "http://www.dow.com" целевых = "_blank" относительной = "NOFOLLOW"> www.dow.com </ A>) Фрипорт, штат Техас, месте (КЭП, март 2004; стр. 14). Система использует H ^ 2 ^ к югу производится с выездом к заказчику хлор-щелочного процесса Dow, и будет расширяться в течение летних месяцев, при условии его жизнеспособности промышленного назначения доказана.

Катализаторы

H ^ 2 ^ к югу, топливо американской администрации выбора, необходимо на высоком уровне чистоты для клеток PEM топлива, так как материалы катализатора и мембраны легко отравляют или отключить серы и окиси углерода. Но даже на его дешевый - когда она производится из природного газа - H ^ 2 ^ к югу расходы четыре раза больше, чем бензина. Но, инженеры-химики работают над получением H ^ 2 ^ к югу на сырьевые товары.

Удаление серы из топлива имеет решающее значение для H ^ 2 югу ^ производства для топливных элементов. Но в то время сероочистки является хорошо знакомой переработчиков, топливные элементы поднимает планку производительности. "Для большинства НПЗ и других топливно-обработки заявок," с низким содержанием серы топлива "означает 15-30 г / т", указывает Ke Лю, бывший лидер задачи HydrogenSource (С. Виндзор, штат Коннектикут; <A HREF = "http:// www.hydrogensource.com "целевых =" _blank "относительной =" NOFOLLOW "> www.hydrogensource.com </ A>), совместное предприятие между UTC Fuel Cells (С. Виндзор, штат Коннектикут; <A HREF =" http:/ / www.utcfuelcells.com "целевых =" _blank "относительной =" NOFOLLOW "> www.utcfuelcells.com </ A>) и Shell ойл компани" (г. Хьюстон, штат Техас; <A HREF = "http://www.shellus . Ком "целевых =" _blank "относительной =" NOFOLLOW "> www.shellus.com </ A>), направленная на развитие топливно-технологии обработки. "Клетки PEM топлива необходимо серы atppb", подчеркивает он.

Функции включают пассивной адсорбции и гидрообессеривания (HDS), которая использует вторичного H ^ 2 ^ к югу в присутствии катализатора для преобразования серы H ^ 2 югу ^ S, который адсорбируется. Engelhard Корпорация 'с (Iselin, NJ; <a target="_blank" href="http://www.engelhard" rel="nofollow"> www.engelhard </ A>. Сот) селективного каталитического окисления (ШОС) процесс сочетает в себе топлива с воздухом в присутствии катализатора выборочно окисляют серу до SO ^ х ^ к югу, которые адсорбируются вниз по течению.

Исследователи обнаружили, что удаления серы более чем 99,9% как для природного газа и сжиженного газа пропан (СНГ), происходит, когда oxygemcarbon соотношение 0.03:1.0 и топливно-вход температуры 250-270 ° С, при космических скоростях ниже 6000 / час В отличие от пассивной адсорбции и HDS, ШОС не использования или создания каких-либо токсичных или опасных веществ, использует гораздо меньше адсорбента, и не требует H ^ 2 ^ к югу переработки.

После десульфурации, H ^ 2 ^ к югу могут быть получены через: каталитического частичного окисления (СРО), в которой воздух в сочетании с каталитическим топлива; парового риформинга (SR), которая объединяет топлива с помощью пара или автотермический реформирования (ATR), сочетание из двух. Sud-Chemie в (Луисвилль, штат Кентукки; <a target="_blank" href="http://www.sud-chemie.com" rel="nofollow"> www.sud-chemie.com </ A>) ATR катализатора состоит из платиновой группы металлов поддерживается на глинозем washcoat, содержащие редкоземельные оксиды, применяемого для керамических или металлических монолит. Catalyst производительность зависит от пропорции СРО и SR используется в АТР, а также космической скоростью - так, объем драгоценных металлов могут быть оптимизированы для условий эксплуатации и требуемой производительности.

Другим важным шагом в H ^ 2 югу ^ производства водогазопроводных смену (иногда проводятся в отдельных высоких температур и низкой температуры сдвиг шаги), в котором CO реагирует с водой для получения H ^ 2 ^ к югу и СО2 , снижение CO ниже 1%. WGS-либо новая отрасль - аммиака промышленности, как Лю указывает, использует Cu-Zn WGS катализаторов на протяжении 50 лет - но топливные элементы появились новые требования. Традиционные катализаторов, с типичными газа часа космических скоростях ниже 4000 / ч, требует огромных объемов реактора и пирофорных - просто неудобство в аммиаке растений, которые закрыли достаточно редко и могут использовать азот подушки. "Но на топливных элементах приложений означает положить это в подвалах людей и автомобили", добавляет Лю. Он говорит, что запатентованная технология HydrogenSource, который использует благородных металлов WGS технологии Sud-Chemie, решает пространства и вопросы безопасности традиционных процессов WGS (Sud-Chemie также разработки не пирофорных в основном металле WGS катализаторов).

Эта технология используется в 150 кВт топливо обработки HydrogenSource система, в которой работает HDS, а затем собственной реформатор СРО, WGS и преференциальных окисления (Prox, в котором остальные CO преобразуется в CO2). "Эта задача разработки обработку топлива для такой большой масштаб отложным отношение, которое 7:01", говорит старший системный инженер HydrogenSource в Цзинъю Кюи. "Менее чем за минуту, мы можем нарастить от 30 кВт до 150 кВт". (7:01 H ^ 2 ^ к югу отказ в топливный процессор переводится 5:01 отложным власти в топливных элементах.)

СРО и благородных металлов WGS технологии легли в основу 50 HydrogenSource в кВт, 75-L на борту процессор бензина для автомобилей. "Вы в основном положить H ^ 2 ^ к югу завода под капот", говорит Лю, который был привести системы для программы. Процессор рамп на полную проектную мощность менее чем за 4 мин, в течение которого автомобиль работает на хранится батареи (топливных элементах все гибридов в настоящее время).

Консолидация стратегии

Быстрый запуск был также идея (PNNL Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории; Richland, WA; <a target="_blank" href="http://www.pnl.gov" rel="nofollow"> www.pnl.gov < />) на борту паром реформатора, который начинается, чтобы произвести риформинга в 12 с (рис. 2, стр. 8). Во время запуска значительное количество избыточного пара образуется тепла вниз реактора WGS, при одновременном снижении уровня CO до реактора WGS достигает рабочей температуры.

Реформатора и воды испарителя настроены как тонких панелей (рис. 3, справа), что позволяет большой поток сгорания с низким перепадом давления. "Flow в микроканалов нагрева газа ламинарное так что высокий коэффициент теплопередачи могут быть получены, несмотря на уменьшение скорости", объясняет Грег Уйятт, сотрудников инженером в PNNL.

Предыдущие системы (рис. 3) была ниже сечению потока и увеличения притока расстояние для потока сгорания газа. Перепад давления ограничивает степень, в которой горение потока может быть увеличена во время запуска. "За счет уменьшения перепада давления для нормальной работы до 1 дюйма H2O, поток может быть существенно увеличена при загрузке, без каких-высокий перепад давления, что позволит более быстрого запуска", Уйятт продолжается, добавив, что конструкция также уменьшает массу компонентов, которые требуют нагрева до риформинга производства.

Shell Международный Форум по разведке

SMR сдвиги равновесия реакции в пользу H ^ 2 ^ SUP производства, постоянно удаления чистого H ^ 2 ^ SUP в качестве топлива и расход пара через слой катализатора. "Кроме того, процесс преобразования топлива достигает выше 90%, и создает концентрированный высокого давления СО2 на селективность больше чем на 98%, которые могут быть поглощенным или для повышения нефтеотдачи пластов", добавляет Андрей Matzakos, Shell научных сотрудников инженером. Реактор может работать при температурах до 450 ° C. Shell прогнозирует, что реактор с 10 м ^ 2 ^ SUP области и 0,27 м ^ 3 ^ SUP катализатора может производить до 3700 кг / сут H ^ 2 югу ^, когда магнитная мембраны достигает своего полного потенциала.

"Мембрана совмещает в себе функции пара реформатор, высокотемпературный сдвиг, низкотемпературные смену, Prox, и H ^ 2 ^ к югу разделения в одной операции", говорит профессор химического машиностроения Yi-Hua млн на Вустер политехнического института (Worcester, М.; <a target="_blank" href="http://www.wpi.edu" rel="nofollow"> www.wpi.edu </ A>), руководитель группы, которая разработала мембрану. "Вы экономите много материалов и эксплуатационных расходов, а также сохранить номер для мобильных приложений." Мембрана состоит из сплава палладия на пористой нержавеющей стали поддерживать, потому что высокие температуры могут вызвать операции интерметаллических диффузии, ученые разработали на месте техника для создания оксидного слоя на поддержку перед применением драгоценных металлов.

Экономия топлива

Расплавленный-карбонатных топливных элементов (MCFCs), чей электролит состоит из карбонатных солей (обычно это смесь карбоната лития и калия, карбонат), работают совершенно иначе, чем ПЕМ. На аноде, H ^ 2 ^ к югу-релизы электронов и в сочетании с карбонат-ионы ((CO 3 ^ ^ к югу) ^ SUP -2 ^) с образованием воды и СО2; на катоде, кислорода и СО2 в сочетании с электронами производить карбонат-ионов (CO2 перерабатывается от анода выхлопных газов с целью объединить с потоком корма катода). Системы работают при 600-650 ° C.

Высокая температура позволяет внутреннего реформирования, поэтому на топливных элементах могут напрямую использовать виды топлива, такие как природный газ. Кроме того, MCFCs может функционировать в комбинированных тепловых и электрических приложений для обеспечения общей эффективности использования энергии на 75% (электрический КПД около 47%). Энергии топливных элементов (FCE; Danbury, CT; <a target="_blank" href="http://www.fuelcellenergy.com" rel="nofollow"> www.fuelcellenergy.com </ A>) также разработало гибридный генератор fuel-cell/turbine, которая предлагает полный электрический КПД 70-75%, в соответствии с техническим директором Hansraj Мару. Хотя ее топливные элементы предназначены для стационарного применения, FCE также разрабатывает на жидком топливе системы для судов.

РКТЭ строительных материалов, как правило, относительно недорого: катализаторы на основе никеля; пластин отделения сокращения и окисляющих газов, изготовлены из нержавеющей стали, как и большая часть оборудования баланса предприятия. Проблемы включают: коррозия металлических компонентов, стабильность пористые материалы, используемые для хранения жидкого электролита; стабильности катализаторов, которые находятся в контакте с электролитом, а также теплового вопросы управления с сопутствующими высокотемпературных процессов. "Тогда, вы должны поставить все это вместе, чтобы получить какое-то осмысленное напряжения", говорит Мари, добавив, что сочетает в себе FCE 400 0,75-V топливных элементов в один стек для генерации 300 В.

FCE является одним из нескольких разработчиков топливных элементов, участвующих в США кафедра (DOE энергетики, Вашингтон, округ Колумбия, <a target="_blank" href="http://www.doe.gov" rel="nofollow"> www.doe.gov </ target="_blank">) твердого преобразования энергии Альянс (СЕК; <a href="http://www.seca.doe.gov" rel="nofollow"> www.seca. doe.gov </ A>), программы, направленной на снижение затрат стационарных топливных элементов до $ 400/kW (DOE, оценки текущих расходов составляет около $ 4500 / кВт). Еще одной важной технологией является СЕК твердых топливных элементов (ТОТЭ): На аноде, H ^ 2 ^ к югу-релизы электронов и в сочетании с ионами кислорода (O ^ ^ -2 SUP) для получения воды, на катоде, кислород соединяется с электронами для производства кислорода. ТОТЭ, которые работают на 600-1000 ° C, являются привлекательными для их эффективного использования энергии (около 60%) и умение терпеть относительно нечистого топлива (они могут напрямую использовать реформированной CO в качестве топлива).

Хотя ТОТЭ может иметь трубчатую конфигурацию (трубка состоит из электролита, зажатой между катодом и анодом материалов), большое внимание уделяется на плоских ТОТЭ. Потому что потери ТОТЭ по эффективности в значительной степени из-за сопротивления, объясняет Мару, многие разработчики принятой плоских конфигураций, которые позволили им использовать veiy тонких пленок. "Это урезать активное сопротивление значительно, что позволяет более высокой плотности мощности операции, что позволяет при использовании более низких температурах без заметного увеличения сопротивления", добавляет он. Операционная при более низких температурах позволяет FCE использовать многие из тех же материалов, используемых в ее MCFCs.

Одна из проблем для высокотемпературных топливных элементов, говорит Мари, является возможность использования более широкого спектра видов топлива (например, дизельное топливо, свалочного газа, пропана, этанол), что позволит операции в отдаленных районах. Еще одной проблемой является постоянный выпуск химической технологии. "У нас есть несколько теплообменников в нашей системе, и теплообменники" газ-газ тепла может быть очень громоздким ", говорит Мари. "Поэтому мы постоянно ищем очень компактно, теплообменники, которые выдерживают наши требования к обслуживанию при высоких температурах и долгое время обслуживания".

Ирэн КИМ является пишущим редактором с более чем 12-летним опытом писать о химической промышленности процесса.