A tüzelőanyag-cella egy sejt , amelyben a generációs egy villamos feszültség történik azáltal, hogy a oxidációs egyik elektróda egy redukáló tüzelőanyag (például dihidrogén- ) párosulva a csökkentést a másik elektródán egy oxidálószer. , Mint például az oxigén a a levegő .
A tüzelőanyag-cella hatását fedezte fel a német Christian Schönbein a 1839 . Az első üzemanyagcellás laboratóriumi modellt William R. Grove gyártotta a következő három évben. 1889-ben Ludwig Mond és Carl Langer adták az üzemanyagcella nevét és jelenlegi formáját. Francis T. Bacon 1932-ben folytatta az üzemanyagcellák tanulmányozását, és az első 1 kW-os prototípust 1953-ban, majd 5 kW -ot 1959-ben állította elő. Ez a prototípus modellként szolgál majd az Apollo űrmissziók során használt jövőbeni üzemanyagcellákhoz .
A nagyon hosszú idő különbség (több mint egy évszázada) között eltelt megvalósítása az első modell az üzemanyagcella és az első felhasználás magyarázható az igen erőteljes fejlődése által tapasztalt más típusú üzemanyagcella generátorok. Villamos energia , valamint a tény, hogy a az üzemanyagcellában felhasznált anyagok költsége jelenleg is magas.
Az üzemanyagcella olyan generátor , amelyben az áramtermelés egy redukáló tüzelőanyag (például dihidrogén ) egyik elektródján történő oxidációval történik , egy oxidálószer, például a levegőben lévő oxigén redukciójával párosulva . A hidrogén-oxidációs reakciót egy általában platina katalizátor gyorsítja fel . Ha más kombinációk lehetségesek, a leggyakrabban vizsgált és használt akkumulátor a hidrogén üzemanyagcella - dioxogén vagy hidrogén-levegő (ezt elsősorban a Földön található hidrogénkészletek bősége és a hidrogéntermelés egyszerűsége magyarázza).
1977 óta néhány (műholdakon használt) elem tartalmaz vezetőképessé tett polimer membránt (szilárd sav vagy alkáli elektrolit), amely vékony membrán formájában választja el a két elektródot. Ezek a polimerek platinát tartalmaznak . Mivel ritka, szennyező és drága fémről van szó, ezért alternatívákat keresünk; például Kínában polimer ( poliszulfon vagy kvaterner ammóniummal rendelkező poliszulfon ) tesztelése katóddal (oxigén oldalon) ezüstben és anóddal (hidrogén oldalon) krómmal bevont nikkelben .
2010-ben amerikai és német kutatók egy további katalizátor beépítését javasolták, amely olcsóbb és amely felére csökkentheti a platina mennyiségét a Nature Chemistry üzemanyagcelláiban ; ezek nanogömbök beépített atomokkal platina és a réz , amelyből a rezet részecskéket ezután részben extraháljuk, így egyfajta platina nanoshell néhány atom vastag. E nanoszférák előállításának módja olyan, hogy csökkenti oxigénkötő képességüket, ami elősegíti a víz képződését azáltal, hogy a sejtet produktívabbá teszi. E csapat szerint ez 80% -kal csökkentheti az üzemanyagcellák árát. Ez a folyamat más fémekre is alkalmazható más típusú katalizátorok előállítására, amelyek lehetővé tehetik például a hidrogén és az oxigén termelését a vízből, mint a szélturbinák vagy turbinák által előállított elektromos energia kémiai tárolását, mielőtt azt visszaadnák formában. villamos energia.
2012-ben, az izraeli cég Cellera azt mondta, hogy tervezett egy membrános tüzelőanyag-cella, amely nem használja a platina, egy szilárd polimer elektrolit, hogy végez -hidroxid (HO - ) ionok lúgos közegben. Ez a vállalat tíz szabadalmat nyújtott be ezzel a technikával kapcsolatban.
A művelet egy hidrogén - dioxigénnel sejt különösen tiszta, mert termel csak víz fogyasztása mindössze gázok . De 2010-ig, a gyártás ezek az akkumulátorok rendkívül költséges volt, különösen azért, mert a jelentős mennyiségű platina szükség, és a költség a csere membránok ionok .
Az energiahordozóként történő alkalmazás kihívásának része a hidrogén szintézise, tárolása és ellátása. Míg a Földön bőségesen van hidrogén, szinte mindig oxigénnel (H 2 O, Például a vízben), kén ( hidrogén-szulfid , H 2 S), szén ( földgáz vagy kőolaj ) stb.
Az általános hatékonyság, amely a hidrogén üzemanyagcella által termelt villamos energia és az elektrolízis során a hidrogén szintetizálásához felhasznált villamos energia mennyiségének aránya, meglehetősen alacsony.
A generátorkészlet 25% -os hatékonyságot tesz lehetővé, a hidrogén-üzemanyagcellák pedig elérhetik az elektromos hatásfok 50-60% -át, vagy annál többet, ha szükség van a visszanyerő hőre, de a dihidrogén szintézisének és a sűrítésnek vagy cseppfolyósításnak az összesített hozama még mindig elég alacsonyak. Itt a hidrogén nem elsődleges energiaforrás; ez egy energiavektor .
Egy autó megtérülése 35% lenne. A Környezetvédelmi és Energiagazdálkodási Ügynökség szerint a villamos energia-hidrogén-villamos energia lánc általános hatékonysága körülbelül 25%.
Az üzemanyagcella elve az elektrolízis fordítottja . Az oxidáció és a gázok találkozása során keletkező kémiai reakció áramot, vizet és hőt termel. Az üzemanyagcella működéséhez üzemanyag-ellátásra van szükség, a leggyakrabban hidrogén. Az üzemanyagcella cellája a terheléstől ( áramsűrűség ) függően körülbelül 0,7–0,8 V elektromos feszültséget termel, és hőt termel. Üzemi hőmérsékletük modelltől függően 60 és 1050 ° C között változik. A vizet általában gőz formájában ürítik a felesleges oxigénnel együtt.
Többféle üzemanyagcella létezik, amelyek közül a leghíresebbek:
A protoncserélő membrán üzemanyagcellája a következőket tartalmazza:
Hidrogénnel kétatomos formában (dihidrogén-H 2) az ábra bal oldalán lévő bipoláris lemezen keresztül lép be.
Az anódhoz érve disszociál ionokká (H + ) és elektronokká (e - ) a 2 H 2 egyenlet szerint= 4 H + + 4 e - . Ezután az ionok átjutnak a membránon, de a blokkolt elektronok külső áramkörre kényszerülnek, amely elektromos áramot generál.
A katódnál a hidrogénionok, az elektronok és az oxigén (tiszta vagy levegőből) találkozva víz képződik a reakciónak megfelelően: 4 H + + 4 e - + O 2= 2 H20. A víz és az oxigén átjut a jobb bipoláris lemezen. Ez a reakció hőt is termel, amely visszanyerhető.
Szilárd oxid sejtAz elv hasonló. Az egyetlen különbség az, hogy a protoncserélő membránt egy másik, „szilárd oxid membránnak” nevezett membrán helyettesíti. Az üzemanyagcellában lévő molekulák ekkor nem reagálnak ugyanúgy:
De az ilyen típusú cella nem hatékonyabb, mint a protoncserélő membrános cellában, csak akkor működik, a nagyon magas hőmérsékleten (körülbelül 600 , hogy 800 ° C-on ), és a gyártás drágább az alacsony teljesítmény sejtek.. Ezért csak bizonyos, nagy teljesítményt igénylő alkalmazásokhoz vannak fenntartva.
Kétféle metanolos üzemanyagcella létezik:
A hidrogént használó akkumulátorokkal ellentétben ezek csak akkor lehetnek "tisztaak", ha ennek a metanolnak az eredete megújuló eredetű, mert széndioxidot bocsát ki .sőt CO .
típus | Elektrolit | Ionok megvalósítva | Gáz / folyadék az anódnál | Katódgáz | Erő | Hőmérséklet- üzemeltetés |
Elektromos hatékonyság |
Érettség | Terület |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
AFC - alkáli | Kálium-hidroxid | HO - | hidrogén | oxigén | 10 , hogy 100 kW | 60 , hogy 90 ° C-on | Csak akkumulátor: 60-70% Rendszer: 62% |
Kereskedelemben / fejlesztés | Hordozható, szállítható |
DBFC - közvetlen bór-hidrid | Proton membrán
Anionos membrán |
H + HO - |
Folyékony NaBH 4 | oxigén | 250 mW / cm 2 | 20- , hogy 80 ° C-on | 50% egysejtű | Fejlődés | hordozható <20 W |
PEMFC - protoncserélő membrán | Nafion-PBI polimer membránok | H + | hidrogén | oxigén | 0,1 , hogy 500 kW | 60 , hogy 220 ° C-on | Akkumulátor: 50-70% Rendszer: 30-50% |
Kereskedelemben / fejlesztés | hordozható, szállító, álló |
DMFC - közvetlen metanol | Polimer membrán | H + | metanol | oxigén | mW- tól 100 kW-ig | 90 , hogy 120 ° C-on | Akkumulátor: 20–30% | Kereskedelemben / fejlesztés | közlekedés, helyhez kötött |
DEFC - közvetlen etanol | 90 , hogy 120 ° C-on | Fejlődés | |||||||
FAFC - hangyasav | 90 , hogy 120 ° C-on | Fejlődés | |||||||
PAFC - foszforsav | Foszforsav | H + | hidrogén | oxigén | 10 MW-ig | körülbelül 200 ° C | Akkumulátor: 55% Rendszer: 40% |
Fejlődés | közlekedés, helyhez kötött |
MCFC - olvadt karbonát | Alkálifém-karbonát | CO 32− | hidrogén , metán , szintézisgáz | oxigén | 100 MW-ig | körülbelül 650 ° C | Akkumulátor: 55% Rendszer: 47% |
Fejlesztés / Marketing | helyhez kötött |
PCFC - protonáns kerámia | 700 ° C | Fejlődés | |||||||
SOFC - szilárd oxid | Kerámiai | O 2− | hidrogén , metán , szintézisgáz | oxigén | 100 MW-ig | 800 , hogy 1050 ° C-on | Akkumulátor: 60–65% Rendszer: 55–60% |
Fejlődés | helyhez kötött |
A fő alkalmazási területek a következők:
2017-ben a Davosi Világgazdasági Fórumon létrehozzák a Hidrogén Tanácsot (in) , amely az energiaágazatban a világ vezető vállalata, a közlekedés és az ipar a hidrogén- és üzemanyagcellás gazdaság fejlesztése érdekében.
Az Egyesült Államok számos, a kormány által támogatott projektet fejleszt ki, amelyeket néha a globális felmelegedés elleni egyik fő megoldásként mutatnak be .
KanadaA Kanadában , a National Research Council of Canada üzemanyagcellás Innovációs Intézet (NRC-IIPC) jött létre2006. szeptembertöbb mint 6500 m 2 , Brit Columbia (UBC), a vancouveri régió technológiai klaszterében, kísérleti kísérlet ezen a területen. Célja a hidrogén- és üzemanyagcella-ipar fejlesztése Kanadában. Ez egy bemutató és egy kutatási platform, amely a Vancouveri Üzemanyagcellás Járműprogramnak, valamint a British Columbia Hidrogén Autópálya Projektnek is otthont ad, amelyet külön laboratóriumok támogatnak. Hidrogénellátás és integrált üzemanyagcellás technikák. A helyszín geotermikus szivattyúkkal és fotovoltaikus eszközökkel rendelkezik a hidrogén előállításához.
Európa2008-ban Európa elfogadta a hidrogénüzemű járművek (üzemanyagként) fejlesztésének keretrendszerét (európai rendelet), de támogatja a hidrogéncellákkal kapcsolatos kutatási projekteket is.
FranciaországA Franciaországban , ADEME , az EDF és a CEA a telepített "Fuel Cell" hálózat (Paco) szóló 1999. június 25Catherine Ronge, az Air Liquide kutatás-fejlesztési igazgatója és Roger Ballay, az EDF kutatási igazgatóhelyettese vezette, az ADEME és az Atomenergia Bizottság ( CEA ) közös vezetésével . Ennek a hálózatnak az volt a feladata, hogy felgyorsítsa a tüzelőanyag-cellával kapcsolatos kutatásokat a technológiai akadályok felismerésével, hogy a tudományos közösséget a szakértői központ köré vezesse, amely valószínűleg elősegíti és terjeszti a kutatási eredményeket, partnerségeket alakít ki. ezen technikák fejlesztéséről.
2005-ben a francia PACo hálózatot felváltotta az ANR ( Nemzeti Kutatási Ügynökség ) PAN-H programja (A hidrogén és üzemanyagcellák cselekvési terve, 2005-2008 ), majd 2009 között a HPAC (Hidrogén és üzemanyagcellák) program következett. és 2010. A Pan-H és a HPAC programok különféle kutatási tengelyeit 2010-ben pozícionálták - vagy helyezték át - az ANR PROGELEC (megújuló energiatermelés és villamosenergia-gazdálkodás) és TTD (Fenntartható szárazföldi közlekedés) programjai.
Az észak-Franciaországban, a nanotechnológia laboratóriumában Intézet Electronics, Mikroelektronika és Nanotechnológiai elvégzett2009. májusegy nagyon kicsi üzemanyagcella (5 × 3,6 mm ).
A Martinique , hidrogén üzemanyagcella-rendszer úgynevezett Cleargen avatták2019. december 5a Société anonyme de la raffinerie des Antilles (SARA). A Hydrogen de France (HDF) által szállított akkumulátor a víz fordított elektrolízisének folyamatát használja villamos energia előállítására hidrogénből és oxigénből; a finomító által termelt hidrogén feleslegét a sziget villamosenergia-hálózatának igény szerinti, egy megawattos teljesítményű ellátására fordítja, amely körülbelül 2000 házat képes ellátni.
JapánCsak 2007-ben , Japán égisze alatt kezdték meg a normák, szabályok, valamint a gyártási és biztonsági előírások mérlegelését, hogy megkönnyítsék az üzemanyagcellák vagy hidrogén üzemanyagcellák széleskörű használatát.
Néhány évvel korábban Koizumi miniszterelnök kezdeményezésére alig több mint 24 hónap alatt sikerült:
Japán tehát azt reméli, hogy 50% -kal csökkenti a kis elektronikához kapcsolódó szén-dioxid-kibocsátást azáltal , hogy olyan akkumulátorokat is kínál, amelyek autonómiáját háromszorosára növelnék.
A hidrogén üzemanyagcellák használata az autóban többféle sémán alapul:
Az első modell a folytatás. A 73 kW-os hidrogén üzemanyagcellát három tekercselt összetett hidrogén- tartály szállítja , 700 bar (2005). A második a Chevy Volt: koncepció bemutatása2007. januára detroiti autókiállításon (Egyesült Államok). A 3. modell a bemutatott Hydrogen 42008. március 6A 78 th International Motor Show Genf (Svájc). A GM HydroGen4 üzemanyagcellája 440, sorba kapcsolt cellából áll. Az egész rendszer akár 93 kW elektromos teljesítményt kínál 73 kW vagy 100 LE szinkron villanymotor táplálásával . Ez lehetővé teszi, hogy a HydroGen4 körülbelül 12 másodperc alatt átlépje a nullát 100 km / h -ra. A HydroGen4 tároló rendszere három 700 bar magas nyomású , szénszálas tartályból áll, amelyek 4,2 kg hidrogént tartalmazhatnak. Ez legfeljebb 320 km hatótávolságot tesz lehetővé .
BmwPéldák a gyártott modellekre: i8 prototípus 2015-től (Toyota Mirai akkumulátor), i Xydrogen alapon kifejlesztett i Hydrogen NEXT prototípus, amelyet a 2019-es Frankfurti Autószalonon mutattak be . A prototípust bemutató sajtóközleményében a BMW bejelenti, hogy ez a prototípus valójában egy olyan kis sorozatot készít elő, amelyet 2022-ig mutatnak be, így legkorábban 2025-ben más járműveket is felajánlanak szükség szerint. Piac és az általános helyzet.
Mercedes-BenzA Los Angeles-i kiállításon 2012-ben mutatták be az Ener-G-Force koncepcióautót, amelyet tetőre szerelt víztartályokkal hajtott üzemanyagcellával hajtottak végre. A NECAR és az F-Cell felépítését végezték: az összes járműcsalád különböző típusú üzemanyagokkal (gáznemű hidrogén, metanol stb. ). A mai napig (2010) a Daimler építette a legtöbb járművet üzemanyagcellával (több mint száz). A Mercedes 2017 -ben jelentette be a B-osztályú F-cellás hidrogén tömeggyártását a nagyközönség számára .
kalapácsA Hummer O2 egy terepjáró koncepcióautó.
Prototípusok CityjouleEz egy kísérleti autó a Nantesi Egyetemről, amelynek C x ellenállási együtthatóját 2013-ban 0,11-kor jelentették be.
GreenGTA GreenGT H2 az elektromos-hidrogén verseny első prototípusa , a GreenGT H2 genezise 2009-ben kezdődik. Hivatalosan2012. június 2a Le Mans 24 órás gyakorlati napjának részeként . Ezután nem gördül, fekete és narancssárga színt kap. A2015. június 27, ez egy első dinamikus nyilvános előadás tárgya a Paul-Ricard körversenyről a túraautók világkupa francia fordulójának részeként . Új világoskék és fehér színben sportolt, majd Olivier Panis , a Forma-1 korábbi pilótája és a Ligier-Mugen-Honda 1996-os Monacói Nagydíjának győztese hajtotta . A Michelin meghívására második bemutatót tartott az első Formula E Paris ePrix , a2016. április 23. AJúnius 26a nap végén, a Le Mans 2016 24 órája alatt, amelyet még mindig Olivier Panis vezet, ez lesz az első elektromos-hidrogén erőátviteli meghajtású autó, amely teljesíti a sarthois-i motorkör körét. Két nappal később aJúnius 28, a H2 és pilótája a verseny kezdete előtt megismétli bemutatójukat. A teljesítmény a GreenGT H2 , felszerelt két villanymotor, 2 × 200 kW at 1350 rpm , vagy 544 LE
A H2 Speed született kérésére olasz karosszéria építő Pininfarina , a Speed H2 bemutatják a 86 th International Exhibition genfi on1 st március 2016. Jean-François Weber (a GreenGT társalapítója, részvényese, kutatási és fejlesztési igazgatója), Fabio Filippini (a Pininfarina stílusigazgatója), Silvio Angori (a Pininfarina elnöke és vezérigazgatója) és Paolo Pininfarina (a Pininfarina csoport). Ebből az alkalomból az amerikai Autoweek magazin a2016. március 21, elnyerte a Legjobb koncepció díjat , amely díjat minden évben a kiállítás legszebb koncepcióautójának díjazza azzal, hogy „minden idők leggyorsabb nulla károsanyag-kibocsátású autójának” nevezi . Versenytársai a Sbarro Prom, az Italdesign GTZERO és a Morgan EV3 voltak. A2016. március 30, kérésére a H2 sebességet bemutatják II. Albert monacói hercegnek , figyelmes a fenntartható fejlődés technológiáira. A bemutató végén egy pilóta öltönyt kapnak a GreenGT színeiben Monaco szuverénje. Hímzett a nevével, mint meghívás, hogy jöjjön és próbálja ki a H2 Speed-et . A 21 ésMájus 22Ő részt vesz az eleganciát verseny a Villa d'Este a Cernobbio az olaszországi majd 8-tól2016. június 12, a torinói autókiállításon . A H2 Speed ezután bemutatott kétszer Michelin gumiabroncs partnere GreenGT, abból az alkalomból nemzetközi autóipari események, először Franciaországban a 24 órás Le Mans-i 2016 15-tőlJúnius 19, a második pedig Nagy-Britanniában, egy héttel később a Goodwood Speed of Speed Festivalon .
SuzukiA General Motors-szal együttműködve megépítette a Mr Wagon FCW autó prototípusát . A hidrogén üzemanyagcellát a 700 bar-os tartályokban lévő hidrogén hajtja .
MichelinA hidrogén üzemanyagcellával működő Hy-light autó prototípusát bemutatták2005. március. A cellát három nagynyomású kompozit tekercshenger hidrogénnel táplálja ,
A gyártó egy Hy-light 2 autó prototípusát is építette , amely üzemanyagcellán fut. -Ban mutatták be2007. szeptember. Összehasonlítva a HY-fény, a 2 -én generáció elemek és szuperkondenzátorok,
Az F-City H2 az első francia autó, amely utólagos homologizációt kapott a francia hatóságoktól. Ez a jármű a Michelin és a FAM Automobiles (amely azóta France Craft Automobiles lett) együttműködésének eredménye. Ehhez a Michelin kompakt, de teljes hidrogén üzemanyagcellás csomagot tervezett, még az 350 baros hidrogéntartályt is, amely az F-City elektromos változatának akkumulátorterét helyettesíti.
PSAA gyártó épített egy taxi PAC demonstrátor, a tüzelőanyag-cella hajtott egy (cserélhető) panel nagynyomású hidrogén hengerek, egy H2O demonstrátor, tűz motort egy tüzelőanyag-cella tartomány-extender a in situ hidrogén- generáció. Használva nátrium-tetrahydruroborate , kvarkra demonstrátor, egy üzemanyagcellás quad, amely mind a négy kerekében található egy villanymotor, egy 207 CC Epure demonstrátor, amely a GENEPAC programból származó üzemanyagcellát tartalmazza. A PSA együttműködött a GENEPAC projektben (2002-2006) a CEA-val egy 80 kW-os PEMFC típusú hidrogén tüzelőanyag-cella kapcsán ,
Renault -Nissan2008-ban a gyártó bemutatta a Renault Scénic ZEV H2 üzemanyagcellás prototípusát .
VenturiA Venturi Buckeye Bullet 2 szünetek az FIA sebességi rekord egy elektromos jármű hajtott üzemanyagcellás: 487 km / h . Ez az első elektromos jármű, amely átlépte a szimbolikus 300 mph ( 480 km / h feletti ) akadályt .
SymbioFCellA HyKangoo egy Kangoo ZE alapján épül, amely távhosszabbítóval rendelkező elektromos járművé fejlődik, 5 kW-os akkumulátorral és egy kis hidrogén-tárolóval, amelyet a 2012. évi Párizsi Autószalonon mutattak be. A Solvay de Tavaux-ban kiállított jármű oldalon .
Szériaautók FordA gyártott modell a Focus FCV.
HondaA Honda FCX Clarity az első sorozatgyártású autó, amelyet Japánban és az Egyesült Államokban (Kalifornia állam) forgalmaznak (lízingelnek). Ötüléses jármű, 350 bar nyomású tartállyal felszerelve .
A Honda gyártotta a Honda CR-X-et is.
HyundaiA Tucson FCEV egy hibrid autó. A 80 kW-os hidrogén üzemanyagcellát összetett tekercses gázpalack hajtja.
Az iX35 FCEV a Tucson FCEV új generációja, amelyet meg lehet kezdeni néhány speciális területen, megfelelő hidrogén töltő infrastruktúrával. A Hyundai 564 km-es hatótávolságot hirdet, és a teljes tank ára 56 euró körül lenne. Technológiai partnerséget jelentettek be2018. júniusaz Audival (a Volkswagen leányvállalata , tudván, hogy Németország 2023 előtt 400 hidrogénelosztó benzinkutat célzó programot indított el. Franciaországban 2018-ban Hype taxik flottája hidrogénnel közlekedett (köztük 60 Hyundai modell).
Nikola Motor Companya 2018. május 3, Anheuser-Busch vételi megbízást adott ki 800 teherautóra, hogy sört szállítsanak az Egyesült Államokba.
ToyotaA gyártó FCHV-4 ötüléses autót és FCHV-US1 buszt gyártott. Ezeket a programokat először 2001-ben mutatták be. 90 kW-os hidrogén üzemanyagcellával rendelkeznek . A Toyota bejelenti2009. június2015-re teljes egészében az értékesített égéscellákon alapuló elektromos autók fejlesztése (ellentétben napjainkkal, ahol elektromos autókat bérelnek). Ban ben2014. június, A Toyota megerősíti a japán marketinget 2015. ápriliselső üzemanyagcellás szedánja, a Mirai , jóval alacsonyabb áron, mint a megfigyelők várták; 2015 nyarán az Egyesült Államokban és néhány töltőállomással felszerelt országban, például Svédországban is kínálják; A Toyota reméli, hogy a következő évtizedben évente tízezer ilyen autót értékesít. A Toyota Mirai 2014- ben jelent meg.