Soorten brandstofcellen
Er zijn verschillende soorten brandstofcellen ontwikkeld. Ze worden over het algemeen geclassificeerd op basis van de gebruikte elektrolyt, omdat de elektrolyt de bedrijfstemperatuur van een systeem bepaalt en gedeeltelijk het soort brandstof dat kan worden gebruikt.
Alkalische brandstofcellen
Dit zijn apparaten die per definitie een waterige oplossing van natriumhydroxide of kaliumhydroxide als elektrolyt bevatten. De brandstof is bijna altijd waterstofgas, met zuurstof (of zuurstof in lucht) als oxidator. Zink of aluminium zou echter als anode kunnen worden gebruikt als de bijproductoxiden efficiënt werden verwijderd en het metaal continu als strip of als poeder werd toegevoerd. Brandstofcellen werken over het algemeen bij minder dan 100 ° C (212 ° F) en zijn gemaakt van metaal en bepaalde kunststoffen. Elektroden zijn gemaakt van koolstof en een metaal zoals nikkel. Water, als reactieproduct, moet uit het systeem worden verwijderd, meestal door verdamping van de elektrolyt via de elektroden of in een aparte verdamper. Het ondersteunende besturingssysteem heeft een aanzienlijk ontwerpprobleem. De sterke, hete alkalische elektrolyt tast de meeste kunststoffen aan en dringt vaak door in structurele naden en gewrichten. Dit probleem is echter overwonnen en alkalische brandstofcellen worden gebruikt op de Amerikaanse ruimteveerbanen. Algehele efficiëntie varieert van 30 tot 80 procent, afhankelijk van de brandstof en oxidator en op basis van de berekening.
Fosforzuur-brandstofcellen
Dergelijke cellen hebben een orthofosforzuurelektrolyt die een werking tot ongeveer 200 ° C (400 ° F) mogelijk maakt. Ze kunnen een met kooldioxide verontreinigde waterstofbrandstof en een oxidator van lucht of zuurstof gebruiken. De elektroden bestaan uit gekatalyseerde koolstof en zijn gerangschikt in paren die achter elkaar zijn geplaatst om een circuit voor het genereren van series te creëren. De framestructuur voor dit samenstel van cellen is gemaakt van grafiet, wat de kosten aanzienlijk verhoogt. De hogere temperatuur en het agressieve hete fosfaat zorgen voor structurele ontwerpproblemen, vooral voor verbindingen, ondersteunende pompen en sensoren. Brandstofcellen met fosforzuur zijn op beperkte schaal voorgesteld en getest voor lokale gemeentelijke energiecentrales en voor generatoren op afstand.
Gesmolten carbonaatbrandstofcellen
Brandstofcellen van dit type werken heel anders dan tot nu toe besproken. De brandstof bestaat uit een mengsel van waterstof en koolmonoxide uit water en een fossiele brandstof. De elektrolyt is gesmolten kaliumlithiumcarbonaat, waarvoor een bedrijfstemperatuur van ongeveer 650 ° C (1200 ° F) nodig is. Het opwarmen tot bedrijfstemperaturen kan enkele uren duren, waardoor deze cellen niet geschikt zijn voor voertuigen. In de meeste gevallen zijn de elektroden op metaal gebaseerd en is het insluitsysteem gemaakt van metalen en speciale technische kunststoffen. Dergelijke combinaties van materialen zijn naar verwachting relatief goedkoop, misschien slechts driemaal die van de alkalische brandstofcel en minder dan die van de fosforzuurvariëteit. De cellen combineren de waterstof en koolmonoxide eerst met de carbonaatelektrolyt en vervolgens met oxiderende zuurstof om een reactieproduct van waterdamp en kooldioxide te produceren.
Brandstofcellen met gesmolten carbonaat zullen naar verwachting nuttig zijn in zowel lokale als grotere energiecentrales. Waar fossiele brandstoffen al worden gebruikt, kan een efficiëntie van 45 procent worden bereikt. Bedrijf bij hoge temperaturen creëert een ontwerpprobleem voor langlevende systeemonderdelen en verbindingen, vooral als de cellen vaak moeten worden verwarmd en gekoeld. De giftige brandstof en de hoge temperatuur samen maken de veiligheid van energiecentrales tot een bijzonder aandachtspunt bij het ontwerpen en testen van constructies en bij commercieel gebruik.
Brandstofcellen met vast oxide
In sommige opzichten lijken brandstofcellen met vast oxide op apparaten met gesmolten carbonaat. De meeste celmaterialen zijn echter speciaal keramiek met wat nikkel. De elektrolyt is een ionengeleidend oxide zoals zirkoniumoxide behandeld met yttria. De brandstof voor deze experimentele cellen is naar verwachting waterstof in combinatie met koolmonoxide, net als voor gesmolten carbonaatcellen. Hoewel interne reacties verschillend zouden zijn in termen van pad, zouden de celproducten waterdamp en kooldioxide zijn. Vanwege de hoge bedrijfstemperaturen (900 tot 1.000 ° C of 1.600 tot 1.800 ° F) verlopen de elektrodereacties zeer gemakkelijk. Net als bij de brandstofcel met gesmolten carbonaat, zijn er veel technische uitdagingen bij het creëren van een langdurig insluitsysteem voor cellen die op zo'n hoog temperatuurbereik werken.
Brandstofcellen met vaste oxide zouden worden ontworpen voor gebruik in centrale energiecentrales waar temperatuurschommelingen efficiënt kunnen worden beheerst en waar fossiele brandstoffen beschikbaar zouden zijn. Het systeem zou in de meeste gevallen worden geassocieerd met de zogenaamde cyclus van bodemstoom (turbine) - dwz het hete gasproduct (bij 1.000 ° C) van de brandstofcel zou kunnen worden gebruikt om stoom te genereren om een turbine te laten draaien en meer vermogen te onttrekken van warmte-energie. Een algehele efficiëntie van 60 procent is mogelijk mogelijk.
