Изготовление топливных элементов более доступным

При ценах на нефть вблизи $ 50 за баррель, альтернативы бензина, таких как топливные элементы, нашли свое отражение в экспериментальных систем питания для портативных компьютеров и во многих экспериментальных автомобилей. Главный недостаток коммерциализации топливных элементов является их стоимость. Так, например, автомобильного двигателя топливных элементов может стоить как $ 100 тысяч за штуку - почти в 25 раз расходы на бензиновый двигатель равной мощности. В обмен протонами мембраной (PEM) двигатели на топливных элементах, сама мембрана может стоить почти столько же, сколько весь бензиновый двигатель. Кроме того, на сегодняшний день топливо клеточных мембран требует замены каждый год или около того.

PolyFuel, Inc (Mountain View, Калифорния; <a target="_blank" href="http://www.polyfuel.com" rel="nofollow"> www.polyfuel.com </ A>) разработала углеводородов мембранной технологии для водородной основе автомобильных топливных элементов, которые якобы стоят примерно в два раза дороже за квадратный метр, как обычные перфторированные мембраны PEM. "Современные продукты, такие как Nafion Дюпон позволит достаточно протонов проскользнуть генерировать около 6,5 кВт / м, но наши углеводородов мембраны принесет более 7 кВт," объясняет Джим Балка, президент PolyFuel в (автомобиль потребует от 50 до 75 кВт) . Кроме того, водород мембраны PolyFuel технология продемонстрировала 35-50% увеличение прочности по сравнению с его коллегами перфторированных.

Основу мембраны Nafion формируется из относительно слабых политетрафторэтилена (PTFE)-как полимерных волокон. Проводящий кластеров воды форме на концах боковых цепей, простирающейся от PTFE магистралей. "Боковых цепей имеет сульфанат групп на концах, которые являются гидрофильными, так что они привлекают к себе воды", объясняет Балка. Протоны последующей извилистый путь от кластера к кластеру, при пересечении мембраны (рис. 1); между кластерами, она вынуждена использовать меньше свободных молекул воды в проводящих путей. С проводящих кластеров относительно далеко друг от друга, большое количество свободной воды (Le, более высокий уровень увлажнения) должны держать проводимости происходит. При повышенных температурах, PTFE-как основу расширяется, потянув проводящих групп дальше друг от друга. Некоторые из свободной воды и испаряется. В совокупности эти эффекты снижения мембранной проводимости.

В отличие от PolyFuel мембрана состоит из чередующихся структурных блоков углеводородных и проводящих сульфированных блоков. Структурных блоков связать вместе, в результате чего проводящих блоков на линии вверх (рис. 2). Вода привлекает в эти блоки, поскольку их молекулярной структуры и формы непрерывного проводящих путей протонов топлива стороны мембраны на воздухе стороны. Балка отмечает, что характер структуры углеводородов составляет основу мембраны Poly топлива 16 раз сильнее, чем перфторированные мембраны, даже при повышенных температурах. "Потому что проводящие блоки тесно связаны, мембрана экспонатов хорошей проводимостью при низких увлажнения, а также при более высоких температурах - на 95 ° C и 50% воздуха относительная влажность воздуха - сочетание производительности, что и не был достигнут прежде с другими материалами" поясняет он. "Это также хорошо работает при низких температурах (около 32 ° F), а фтора основе мембран производят очень мало энергии при столь низких температурах", Балком продолжается.

Есть проблемы, которые необходимо решить, прежде чем мембраны PolyFuel достигает на рынке, в том числе материально-технического обеспечения производства водорода и его транспортировку на топливных элементах транспортного средства автозаправочных станций (см. стр. 16). Ближе перспективу коммерциализации можно углеводородного фирмы мембран, которые направлены на прямые метанола портативных топливных элементов (метанолом), для которых PolyFuel планирует начать коммерческие испытания в 2005 году. "В отличие от Nafion мембран, которые предназначены для водородной среде, мембранные PolyFuel является надежной в присутствии метанола, в результате чего только 1 / 3 от метанола кроссовер видели в обычных перфторированные мембраны на том же уровне производства, говорит Балка. Это позволяет портативных систем топливных элементов основе DMFC мембраны составляет около 1 / 3 меньше, легче и дешевле, а также до 35% дольше работает на том же количество топлива. "Мы ожидаем, рано Коммерческий запуск переносной мембран DMFC в 2006 году и полномасштабного запуска в 2007 году", говорит Балка.

Между тем, Тикона (Флоренция, KY; <a target="_blank" href="http://www.ticona.com" rel="nofollow"> www.ticona.com </ A>), технический бизнес полимеров Селейнс группы (Kelsterbach, Германия), снизил расходы на изготовление топливных элементов PEM биполярных пластин по крайней мере на 50% с новой модели, которая производится исключительно из литья под давлением термопластов (ИМП) по сравнению с другими материалами (например, алюминия, с золотым покрытием из нержавеющей стали, графита или термореактивных смесей графита), а также сокращения расходов в расчете на киловатт, необходимые для работы стека от $ 4000 / кВт до $ 1050 / кВт. Франк Reil, развитие рынка Тикона менеджер, указывает, что использование компонентов IMT представляет собой значительный прогресс в достижении целевых расходов Европейского союза в размере 665/kW 2010 году на 2-х кВт жилых домов.

17-ячейки прототип функции литой биполярных пластин (размером 150 мм Биполярные пластины изготавливаются в объеме (в настоящее время в SGL Carbon; Майтинген, Германия), в конце пластины изготавливаются Энсингер (Нуфринген, Германия), мембран PEMEAS (Франкфурт, Германия) и стека сборка ZSW (Ульм, Германия ). "С цикла всего 30 с, биполярные пластины изготавливаются в объеме без труда и стоимости интенсивной обработки и отделки других шагов, необходимых для формирования их сложных каналов при использовании других материалов", говорит Reil. "Кроме того, способность к LCP нести углерода загрузки более 80% и до сих пор процесс намного превышает работоспособность практически во всех других инженерных термопластичных". Оба полимера, как известно, противостоять агрессивным средам нашли в топливных элементах, сохраняя при этом стабильность размеров, даже при температурах до 200 ° C.

Улучшение стационарных топливных элементов

Стационарные клетки топлива, возможно, новое поколение котлов - как правило, работает на природном газе, в котором содержится большая доля водорода в виде метана, а также производства электроэнергии и тепла с общей эффективностью свыше 80%. С мощностью от 10 кВт и 250 кВт электрической энергии и мощности КПД 30-50%, они уже совпадают уровня эффективности этих экспозиции большие запасы угля и газовые электростанции. Препятствием на пути к коммерциализации топливных элементов стационарного объясняется главным образом предварительной обработки природного газа для получения чистого водорода корма.

Инженеры компании BASF AG (Людвигсхафен, Германия; <a target="_blank" href="http://www.basf.com" rel="nofollow"> www.basf.com </ A>) упростили этих реакций переход от так называемого автотермический реформирования (реакция метана с воздухом и паром) для парового риформинга (реакция метана с паром только) для получения водорода. "Это устраняет некоторые каталитические этапы выполнения преобразования, тем самым снижения издержек производства на целых 30%", говорит Маркус Хельцле, BASF менеджер по продукции для топливно-обработки катализаторов.

Генерирование водорода автотермический реформирование шесть этапов, которые включает в себя: сероочистки природных подача газа; реформирования природного газа в газовой смеси водорода и окиси углерода (СО) при 750-900 ° С в течение платины / родия ( Pt / Rh) катализатора; 3 каталитической реакции шаги на снижение температуры для преобразования СО в СО2 (высокотемпературная удаления CO (350-400 ° C) в присутствии катализатора Pt, низкотемпературные CO удаление (170-250 ° C) по сравнению с катализатора Cu, и тонкой очистки окисления СО при 100-200 ° С в течение Pt / Rh катализатора) и заключительный этап с участием каталитического реактора с Pt / Pd катализатора для сжигания топливных элементах газы. "Большинство из этих этапов, которые необходимы для удаления окиси углерода, который является сильным ядом для катализаторов в топливных элементах", говорит Хельцле.

Переход от автотермический для парового риформинга требуется меньше дорогостоящих катализаторов для реформирования (Ni / Rh против Pt), устраняет необходимость в точной дозировки воздуха, вырезает исходной высокотемпературной реакции, необходимые для удаления CO, CO очищает при 100-200 ° C в течение Ni / Ru катализатор и испепеляет тепловой газы при 600-800 ° C. Наконец, упрощенной установки по сравнению с первоначальным 5 каталитической реакции результаты шаги, с тремя каталитических реакторов и одна горелка.

Два из этих реакторов, а именно: реакторы для удаления CO и CO очистки, могут быть связаны между собой теплообменник, поскольку они работают на том же уровне температуры. И, наконец, тепловые горелки генерирует тепло для heatconsuming парового риформинга реактора. Хельцле что компания ведет работу по дальнейшему сокращению расходов путем совершенствования катализаторов для производства водорода, а также для электродов топливных элементов. В долгосрочной перспективе, в общей сложности замена всех драгоценных металлических катализаторов системами недрагоценных металлов является конечной цели (боковой панели на предыдущей странице).