Einige kurze Einführung in die Methanol-Brennstoffzelle

Die Methanol-Brennstoffzelle ist in eine direkte Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) und eine rekombinante Methanol-Brennstoffzelle (RMFC) unterteilt, die hauptsächlich in Mobiltelefonen, Laptops und anderen tragbaren Geräten verwendet werden. Obwohl die Energiedichte der Methanol-Brennstoffzelle nicht so hoch ist wie die anderer Brennstoffzellentypen, hat sie den Vorteil, dass Methanol-Brennstoff leicht zu transportieren und zu lagern ist, sodass die Methanol-Brennstoffzelle besser für tragbare Geräte geeignet ist.

Bisher gab es keine tatsächlichen Produkte für Methanol-Brennstoffzellen, die auf den zivilen Markt gelangen könnten, da die Entwicklung von Methanol-Brennstoffzellen noch im Gange ist. Die Forschungsrichtung konzentriert sich hauptsächlich auf die Miniaturisierung, die Lebensdauer der Batterie und Energie Verbesserungen der Dichte und Energieeffizienz, Methanol-Brennstoffzellen für die reale Produktion werden einige Zeit brauchen. In jedem Fall glauben die meisten Menschen, dass Methanol-Brennstoffzellen herkömmliche Batterien als Hauptstromquelle für tragbare Geräte ersetzen werden. Es ist ersichtlich, dass verschiedene Hersteller in den letzten Jahren ihre eigenen Prototypen / Prototypen auf den Markt gebracht haben. In diesem Artikel wird das Prinzip der DMFC grob beschrieben, und DMFC-Defekte führen zu RMFC. Schließlich wurden mehrere RMFC-Prototypen und -Produkte hervorgehoben.

A, DMFC

In Bezug auf technische Prinzipien ist der DMFC ausgereift. Es erzeugt sofort eine stabile Energiequelle und erfordert keine Kühlung des Batteriekörpers während der Reaktion. Der verwendete Methanolkraftstoff ist leicht in flüssiger Form zu lagern und kondensiert in kalten Umgebungen nicht. DMFCS sind auch im Hinblick auf die Reduzierung von Größe, Gewicht und Sicherheit einfach durchzuführen. All diese Vorteile machen DMFCS in einigen Anwendungsbereichen mehr Vorteile als andere Arten von Brennstoffzellen, zum Beispiel werden wir im Rasenmäher sein, Sägen und andere Haushaltsgeräte können die Figur von DMFC sehen, können auch die Fähre sehen, Geschäfte Verwenden Sie DMFCS als Notstrom, und die Mikro-DMFC werden zu mehr Transportgeräten und alternativen Energiequellen. Abbildung 1 zeigt einen dmfc-basierten Musikplayer von Toshiba.

DMFC besteht normalerweise aus einer durchlässigen Elektrolytmembran, Methanol, das durch die Anode von DMFC strömt, und Luft, die durch die Kathode von DMFC strömt. Bei Verwendung von Methanol zur Reaktion mit Luft zur Stromerzeugung brennt der Prozess nicht und erzeugt nur CO2 und Wasser. Methanol wird in Wasserstoff und CO2 zerlegt, Protonen bilden mit O2 in der Luft H2O und Elektronen wandern durch einen externen Stromkreis zum negativen Pol des Films. Die Gleichung der chemischen Reaktion lautet wie folgt:

Vollständige Reaktionsgleichung:

CH 3 OH + o 2 = 3/2 CO 2 + 2 h 2 o

Anode:

CH 3 OH + H 2 O = CO2 + 6 h + + e -

Kathode:

3/2 o2 + 6 h + + e - = 3 h2o

2. Mängel an DMFC

Wässrige Methanol-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle (DMFC), hauptsächlich unter Verwendung von Perfluorsulfonsäurematerial, da dieses Material im inneren Cluster gebildet wird, umgeben von Wassermolekülen (Proton), kann Protonenhydrat des Kanals bilden, so dass die Protonenleitfähigkeit sehr hoch ist. Das gleiche wie die Protonenhydratkombination von Methanol kann jedoch durch die Membran und die Verwendung von Methanol, das als Methanol durch (Crossover-) Phänomen bezeichnet wird, reduzieren, sobald die Methanolpenetration am Kathodenkatalysator mit Sauerstoff reagiert, was die Probleme wie z als niedrigere Spannung. Es ist sehr effektiv, eine hochkonzentrierte wässrige Methanollösung zu verwenden, um die Batteriekapazität zu erhöhen, aber eine hochkonzentrierte wässrige Methanollösung kann auch leicht eine Methanolpenetration verursachen, so dass die Elektrolytmembran eine hohe Protonenleitfähigkeit erfordert und gleichzeitig die Methanolpenetration benötigt kontrolliert werden. In der Tat ist dies auch der tödliche Defekt von DMFC. Wasserstoffionen müssen von Wasser durch den Polymerfilm transportiert werden. Um diese Situation zu vermeiden, wenden die Forscher derzeit verschiedene andere Methoden an, um das Eindringen von Methanol zu verhindern, beispielsweise die Erhöhung der Trennschicht zwischen Methanol und dem Polymerfilm unter Verwendung des wasserabweisenden Gradienten und anderer Maßnahmen.

Ein weiteres Problem von DMFC ist die CO2-Emission. Obwohl Methanol passiv zugeführt werden kann (dh ohne Verwendung von Pumpen), führt die Anreicherung von CO2 im Katalysator zu einer Verringerung der Nutzungsrate des Katalysators. Und die Verwendung eines Pumpensystems erhöht die Komplexität des Systems und erhöht das Volumen. Wenn Kohlenstoff- und Sauerstoffatome CO2 produzieren, produzieren sie schließlich auch CO. In Systemen mit Platinkatalysatoren vergiftet CO den Platinkatalysator vorübergehend. Obwohl die Elektrode wie ein Rutheniumatom zugesetzt werden kann, um das CO auf dem vergifteten Katalysator reagieren zu lassen und sich vom Katalysator zu lösen, muss die Brennstoffzelle bei zu hoher CO-Konzentration den Rutheniumgehalt der Elektrode erhöhen, was ebenfalls der Fall ist Der Grund dafür ist, dass die aktive Elektrodenfläche von DMFC zehnmal so groß ist wie die von PEMFC.

Entwicklung eines DMFC-Systems für Motorräder. Abbildung 4 zeigt die Struktur des Systems und die Namen der einzelnen Teile des Geräts. Abbildung 5 zeigt auch das Prinzip der Stromerzeugung und die Struktur des Batteriethemas. Das System beansprucht eine Nennleistung von 500 W, eine Nennspannung von 24 V und ein Gewicht von 20 kg. In diesem System sind der Kraftstofftank und ein Wassertank enthalten. Im Kraftstofftank wird die Methanollösung mit einer Konzentration von 50% gelagert. Die Aufgabe des Wassertanks besteht darin, sicherzustellen, dass die dem Batteriekörper zugeführte Methanol-Wasser-Lösung auf einer konstanten Konzentration von 1 M / l (3,2% Masse) gehalten wird. Im Batteriekörper enthält die wässrige Lösung durch die chemische Reaktion erzeugte CO2-Blasen, die über eine Rohrschleife zum Tank zurückgesendet werden und die Blasen isoliert werden. Yamaha hat einen speziellen Konzentrationssensor und einen Steuerkreis entwickelt, der zur Überwachung der Methanolkonzentration verwendet wird. Das Funktionsprinzip dieses Systems besteht darin, dass das System ein Steuersignal erzeugt, wenn der Batteriehauptkörper in einer Methanollösung bis zu einem gewissen Grad eine niedrige Konzentration aufweist aus einem Methanoltank Transfer, um in einer Lösung mit hoher Konzentration an Methanollösung zu reagieren, um deren Konzentration zu verbessern. Darüber hinaus hat yamaha eine eigene hocheffiziente Luftpumpe entwickelt, die Luft zur Kathode des Batteriekörpers pumpt, einschließlich eines Screening-Programms. Schließlich strömt die Luft durch die Dampfvorrichtungen durch die Wärmeaustauschvorrichtungen, wo die Wärme verwendet wird, um die Konzentration der Lösung zu beschleunigen, und schließlich werden sie aus dem System übertragen. In Lösungstanks mit niedriger Konzentration wird der Feuchtigkeitsgehalt der verwendeten Lösungen kontrolliert und überschüssige Feuchtigkeit aus dem System abgegeben. Um dieses System in das Fahrrad zu integrieren, sollte die Batteriestruktur entsprechend der Form des Fahrrads angepasst werden, um eine Gewichtsbalance zu erreichen.

Ein DMFC, der für militärische Zwecke entwickelt wurde. Die auf der Brennstoffzellenausstellung im November 2006 gezeigte Brennstoffzelle zeigt die tragbare Brennstoffzelle "MOBION1M", die von MTI für militärische Zwecke entwickelt wurde. Es verwendet 100% Methanol als Kraftstoff, die Nennleistung beträgt 0,7 W und die Abmessungen betragen 34 mm x 95 mm x 153 mm. Der Kraftstoffkasten ist mit einer Energiedichte von 150 Wh pro Ladung eingebaut. Durch die Verwendung der Mobion-Technologie des MIT kann 100% Methanol direkt in die Anode des DMFC injiziert werden, wodurch das Problem der Injektion von Methanol in den Batteriekörper mit Wasser, das von anderen DMFCS benötigt wird, sowie das Subsystem zum Hinzufügen von Mikropumpe und Mikro vermieden werden -Katheter in das System. Auf sein Prinzip kann in der MTI-Technologie Bezug genommen werden, indem gesteuert wird, um eine konstante Zufuhr von 100% Methanolkonzentration aufrechtzuerhalten und diese ohne Verwendung der Pumpe gleichmäßig im Batteriekörper zu verteilen.

Zweitens die RMFC

RMFC ist eigentlich eine rekombinante Methanol-PEMFC, die wiederum nur Methanol als Hauptrohstoff verwendet. Der Unterschied besteht darin, dass ein externer Rekombinator verwendet wird, üblicherweise ein Mikromethanol-Rekombinator. In RMFC gelangt Methanol nicht direkt zur chemischen Reaktion in den Batteriekörper, wodurch die oben beschriebenen DMFC-Defekte vermieden werden, und es kann auch den Mangel an DMFC-Ausgangsleistung ausgleichen. Laut Untersuchungen von casio und Hitachi im letzten Jahr könnte die Methanol-Brennstoffzelle ihre Ausgangsenergiedichte auf 200 mW / cm2 oder mehr erhöhen, was bedeuten würde, dass ihre Ausgangsleistung 10 Watt überschreiten könnte, um tragbare Geräte anzutreiben.

1, die Einführung

Um die Energiedichte von PEMFC aufrechtzuerhalten und eine durch externe Rekombination verursachte Leistungsdämpfung zu vermeiden; Da im Rekombinationsprozess eine bestimmte Temperaturumgebung erforderlich ist, trägt die Erhöhung der Rekombinationstemperatur außerdem zur Erhöhung der Wasserstoff-Sauerstoff-Umwandlungsrate von Methanol bei. Daher kann die erwartete Konzentration von Wasserstoff und Sauerstoff bei richtiger Kontrolle der Temperatur und der chemischen Dosis erhalten werden. Die Dampfumstrukturierungs- oder Selbsterwärmungstemperatur kann so niedrig wie 200-300 ° C sein. Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer externen Rekombination besteht darin, dass das rekombinierte Gas CO qualitativ oxidieren kann, wodurch CO-Probleme und die Menge an Katalysator verringert werden. Es können jedoch auch Hochtemperatur-Brennstoffzellen verwendet werden, die gegen CO-Vergiftungen resistent sind.

Aufgrund der Mikroumstrukturierung der Betriebstemperatur der Methanol-Brennstoffzelle von bis zu 200-300 ° C und der Probleme, mit denen die aktuelle RMFC konfrontiert ist, sind Startzeit und Starttemperatur. Daher behält die Mikro-RMFC zur Beschleunigung des Starts normalerweise die Katalysatorverbrennung bei Restrukturierung Starttemperatur des Obermaterials, um schnell Restrukturierung zu erreichen. Sowohl DMFC als auch RMFC müssen wiederaufladbare Mikrobatterien hinzufügen, um dem plötzlichen Strombedarf gerecht zu werden, und der Strombedarf von Brennstoffzellen kann auch mithilfe von Hybridbrennstoffzellen und Sekundärzellen reduziert werden.

2. Von Casio entwickelter RMFC-Prototyp

Im November 2006 wurde für Casio ein Prototyp einer rekombinanten Methanol-Brennstoffzelle demonstriert, bei dem das System eine Digitalkamera mit Strom versorgen kann. Der Prototyp wird umstrukturiert (Reformer), der Brennstoffzellenkörper (CellStack) und zwei Brennstoffkästen (Fuelcartridge) zusammen kompakt, die Brennstoffleitung wird unten installiert. Die Zusammensetzung einer anderen Vorrichtung umfasst zwei Flüssigkeitspumpen, die zur Versorgung mit Hauptmethanol der Batterie verwendet werden, einen Flüssigkeitsströmungssensor zur Messung der Methanolströmungsrate, ein Ein / Aus-Schaltventil zur Steuerung der Methanolzufuhr, eine Pumpe mit Luft und Wasserstoff Zwei verschiedene Ventile regeln den Luftstrom, zwei dienen zur Messung des Luftströmungssensors als Hilfsgerät. Wie aus dem Prototyp ersichtlich ist, ist die Steuerschaltung nicht zusammen integriert. Die DC / DC-Schaltung und die Steuerschaltung sind Peripherieschaltungen, die in 8 nicht gezeigt sind.

(1) Struktur des Casio-Prototyps. Das System verwendet 60% Methanol als Kraftstoff. Methanol wird von zwei Flüssigkeitspumpen aus zwei 8-ml-Kraftstofftanks (18 mm Durchmesser, 10 mm Länge) zum Rekombinator gepumpt, und der Durchfluss wird von einem Flüssigkeitssensor gesteuert. Die Flüssigkeitspumpe wurde gemeinsam von Casio und FraunhoferIZM, einer deutschen Forschungsorganisation, entwickelt. Der Rekombinator erzeugt Wasserstoff aus Methanol durch Dampfrekombination. Der resultierende Wasserstoff wird auf den Brennstoffzellenkörper übertragen oder in einem Rekombinator verbrannt, um den Katalysator für den Start auf der richtigen Temperatur zu halten. Aus diesem Grund werden Ein / Aus-Ventile verwendet, um den Durchfluss in verschiedenen Durchflusspfaden zu steuern.

Zusätzlich zur Zufuhr von Luft zum Brennstoffzellenkörper muss die Luftpumpe dem Rekombinator Luft zuführen, um das zugehörige CO zu entfernen. Zusätzlich wird Luft zur Verbrennung von Wasserstoff zugeführt, um die Reaktionsgeschwindigkeit des Katalysators im Rekombinator zu erleichtern. Luft wird ohne Ventil direkt in den Brennstoffzellenkörper gepumpt. In jedem Kanal des Rekombinators sind Luftstromsensoren und verschiedene Ventiltypen installiert, um den Luftstrom genau zu steuern. Die von der Brennstoffzelle erzeugte Energie wird durch eine DC / DC-Wandlerschaltung eingespeist, um eine separate Spannung zum Ansteuern der Digitalkamera bereitzustellen. Während der Brennstoffzellenkörper vier Batterien zu verwenden scheint, um eine Digitalkamera auf die in der Demo gezeigte Weise mit Strom zu versorgen, behauptet Casio, dass 20 Batterien einen Laptop mit Strom versorgen können. Das Unternehmen soll 2008 kommerzialisiert werden und plant, nach dem Upgrade des Prototyps Brennstoffzellenproben freizugeben.

(2) mehrere wichtige Komponenten des Casio-Prototyps. Zu den Prototypen gehört die elektronische Osmosepumpe (EO), die am 29. November letzten Jahres auf den Markt gebracht wurde. Die Vorrichtung ordnet Methanolkraftstoff bei hohem Druck in einer 0,5-cm3-Kompressionszelle genau zu. Es wird aus Materialien hergestellt, die mit Nanofusionstechnologien hergestellt werden. Casios erfolgreiche Erfahrung mit RMFC umfasst andere Schlüsselkomponenten, wie beispielsweise wärmeisolierte Rekombinatoren, die zur Extraktion von Wasserstoff aus Methanol verwendet werden, und Brennstoffzellenkörper, wie in Abbildung 9 dargestellt. Die sogenannte EO-Pumpe ist eine kleine Kraftstoffpumpe, die besteht aus einem elektroosmotischen Material, einem siliziumartigen Dielektrikum, das ein elektrisches Potential erzeugt, wenn es mit einer Flüssigkeit in Kontakt kommt. Wenn eine Spannung angelegt wird, fließt die Flüssigkeit im Inneren. Es verteilt Flüssigkeiten unter hohem Druck unabhängig von der Größe, verwendet keinen Motorantrieb und arbeitet vor allem geräuschlos und beseitigt Probleme wie Vibrationen. Casio kombinierte seine patentierte Technologie mit den elektroosmotischen Materialien von NanoFusion (1 mm Durchmesser und 1 mm Dicke), um die Flüssigbrennstoffpumpe zu entwickeln, die hauptsächlich in mobilen RMFC-Geräten verwendet wird. Casio hat Probleme, die EO-Pumpen inhärent sind, wie z. B. Magnetisierungsänderungen im elektroosmotischen Material aufgrund von Kollisionen oder die Bildung von Dampfblasen bei der Flüssigkeitselektrolyse. Schließlich kann die EO-Pumpe in einem 0,5-cm3-Behälter konzentriert werden und selbst bei einem Druck von 100 kPa eine Durchflussrate von 90 l / min aufrechterhalten.

Ein weiteres wichtiges Hauptgerät der Umstrukturierungsmaschine unter Verwendung der Theorie des auf 280 ° C erhitzten Wasserdampfes und des Methanolextrakts Wasserstoff. Seine Struktur ist in Abbildung 10 dargestellt. Tatsächlich wurde der Rekombinator mehrmals modifiziert. Derzeit soll er Probleme mit der Isolierung, langen Anlaufzeiten und der Erzeugung von zu viel CO lösen, und Casio behauptet, Proben des Rekombinators zu versenden Für Laptops im Jahr 2007. In Bezug auf die interne Struktur sind die Hauptkomponenten des Rekombinators zwei Glassubstrate, und sie verwenden eine Vakuumisolierung, um die Innenfläche der Substrate mit einem dünnen Goldfilm zu beschichten, um die Wärmestrahlung zu minimieren. Berichten zufolge beträgt der Arbeitszustand der Umstrukturierung der Oberflächentemperatur 40 ° C, 20 ° C oder mehr als die Raumtemperatur. Der Rekombinator umfasst drei Kanäle. Einer ist ein Wasserstoffverbrennungskanal, der verwendet wird, um Wärme für die Rekombination von Methanol zu Wasserstoff bereitzustellen. Der Rekombinationsweg, auf dem der Kraftstoff und der Wasserdampf reagieren; CO-Eliminierungskanäle werden verwendet, um CO-Nebenprodukte zu eliminieren.

3, Ultracell25

Bereits im Jahr 2005 brachte Ultracell einen RMFC auf den Markt, der behauptet, die doppelte Energiedichte eines normalen lithium-ionen-akkus zu haben, der mit etwa 40 Unzen die Größe eines Flachpapier-Romans hat. Durch die Ultracell-Technologie kann verbrauchter Abfallbrennstoff "heißgetauscht" und wiederverwendet werden, um eine kontinuierliche Stromversorgung sicherzustellen. Das RMFC-Modell XX90 wurde ursprünglich von Ultracell für militärische Zwecke entwickelt und bietet eine Leistung von 45 Watt. Die kommerzielle Ultracell25 wurde 2006 veröffentlicht. Sie kann in Unternehmens-, Industrie- und Mobilgeräten verwendet werden. Sein militärisches Gegenstück ist XX25. Abbildung 11 zeigt das RMFC XX25-Produkt von Ultracell für militärische Zwecke, mit dem Produktionsanlagen 72 Stunden lang ohne Unterbrechung betrieben werden können.

Iii. Vergleich mehrerer Brennstoffzellen

Andere Brennstoffzellen umfassen geschmolzenes Carbonat FC (MCFC), festen Sauerstoff FC (SOFC) und Phosphat FC (PAFC), die ebenfalls zur Strom- und Wärmeerzeugung verwendet werden. MCFCS werden normalerweise mit Erdgas betrieben. SOFC VERWENDET Kohlenwasserstoffverbindungen oder H2 als Kraftstoff. MCFC und SOFC arbeiten bei hohen Temperaturen (> 650 ° C bzw. 800-1000 ° C). SOFC kann die höchste Energieeffizienz (44% bis 50%) bieten, und der Symbiose-Modus (Kraft-Wärme-Kopplung) kann mehr als 80% betragen. Darüber hinaus wird Polymerelektrolyt-Dünnschicht-FC (PEMFC) auch häufig in Elektrofahrzeugen verwendet, kann aber auch zur festen Stromerzeugung verwendet werden. Um keine Schadstoffe zu emittieren, benötigt PEMFC reinen H2-Eintrag und kann im Reaktionsprozess kein CO2 produzieren. Sie arbeiten bei niedrigen Temperaturen und bieten eine Umwandlungseffizienz von 35 bis 40 Prozent. Brennstoffzellenfahrzeuge werden hauptsächlich mit PEMFC betrieben, das ebenfalls einen Anteil von 70-80% am Markt für kleine Festkörperbrennstoffzellen hat. Mittel- bis langfristig dürften MCFC und SOFC den großen Markt für Festkörperbrennstoffzellen dominieren. SOFC hat derzeit einen Anteil von 15-20% an diesem Segment. Jedes Jahr werden weltweit Tausende von FCS hergestellt, 80% für feste und mobile Geräte und der Rest für Demonstrationsprojekte für Brennstoffzellenfahrzeuge.

Wenn die Kosten für H2 und Brennstoffzellen erheblich gesenkt werden und Regeln zur Begrenzung der CO2-Emissionen vorhanden sind und wirksam durchgesetzt werden, könnte FC in den nächsten 10 Jahren ein deutliches Marktwachstum verzeichnen (bis 2050 einen Marktanteil von 30% erreichen). Das Potenzial für ein Wachstum der festen FC-Verteilung hängt von den Preisregeln für Rohstoffe ab, dh vom Preis für elektronische Materialien und Erdgas. SOFC und MCFC, die Erdgas als Primärbrennstoff verwenden, werden bis 2050 5% des globalen Brennstoffzellenmarktes ausmachen.

Die Seite enthält den Inhalt der maschinellen Übersetzung.