Breve introducción a la pila de combustible de metanol

La celda de combustible de metanol se divide en celda de combustible de metanol directo (DMFC) y celda de combustible de metanol recombinante (RMFC), que se utilizan principalmente en teléfonos móviles, computadoras portátiles y otros dispositivos portátiles. Aunque la densidad de energía de la pila de combustible de metanol no es tan alta como la de otros tipos de pilas de combustible, tiene la ventaja de ser fácil de transportar y almacenar combustible de metanol, por lo que la pila de combustible de metanol es más adecuada para dispositivos portátiles.

Hasta ahora, no ha habido productos de celdas de combustible de metanol reales para ingresar al mercado civil, ya que el desarrollo de celdas de combustible de metanol aún está en progreso, la dirección de la investigación se concentra principalmente en la miniaturización, la vida útil de la batería, la energía Mejoras de densidad y eficiencia energética, las celdas de combustible de metanol para la producción real llevará tiempo. En cualquier caso, la mayoría de la gente cree que las pilas de combustible de metanol reemplazarán a las baterías tradicionales como fuente de energía principal para los dispositivos portátiles. Se puede ver que varios fabricantes han lanzado sus propios prototipos / prototipos en los últimos años. Este documento describe aproximadamente el principio de DMFC, y los defectos de DMFC conducen a RMFC, finalmente destacó varios prototipos y productos de RMFC.

A, DMFC

En términos de principios técnicos, el DMFC está maduro. Produce inmediatamente una fuente de energía estable y no requiere enfriamiento del cuerpo de la batería durante la reacción. El combustible de metanol utilizado se almacena fácilmente en forma líquida y no se condensa en ambientes fríos. Los DMFCS también son fáciles de hacer en términos de reducción de tamaño, peso y seguridad. Todas estas ventajas, hacen que DMFCS en algunos campos de aplicación tenga más ventajas que otros tipos de pilas de combustible, por ejemplo estaremos en la cortadora de césped, sierras y otros dispositivos de electrodomésticos podemos ver la figura de DMFC, también podemos ver el ferry, tiendas use DMFCS como energía de respaldo, y el micro DMFC se convierte en un equipo de transporte, fuentes de energía alternativas. La Figura 1 muestra un reproductor de música basado en dmfc de Toshiba.

El DMFC generalmente consiste en una membrana de electrolito permeable, metanol que pasa a través del ánodo de DMFC y aire que pasa a través del cátodo de DMFC. Al usar metanol para reaccionar con el aire para producir electricidad, el proceso no se quema y solo produce CO2 y agua. El metanol se descompone en hidrógeno y CO2, los protones forman H2O con O2 en el aire y los electrones viajan a través de un circuito externo al polo negativo de la película. La ecuación de la reacción química es la siguiente:

Ecuación de reacción completa:

CH3OH + o2 = 3/2 CO2 + 2 h2o

Ánodo:

CH3OH + H2O = CO2 + 6 h + + e -

Cátodo:

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

2. Defectos de DMFC

Celda de combustible de membrana de electrolito acuoso de metanol (DMFC), principalmente con material de ácido perfluorosulfona, porque este material se formará en el grupo interno, rodeado de moléculas de agua (Protón) puede formar hidrato de protón del canal, por lo que la conductividad del protón es muy alta, Sin embargo, al igual que la combinación de hidrato de protón de metanol puede atravesar la membrana y reducir la utilización de metanol, que se denomina fenómeno de metanol a través (cruzamiento), una vez que la penetración de metanol será en el cátodo, el catalizador reaccionará con oxígeno, lo que trae problemas como como voltaje más bajo. Es muy eficaz utilizar una solución acuosa de metanol de alta concentración para aumentar la capacidad de la batería, pero la solución acuosa de metanol de alta concentración también es fácil de provocar la penetración de metanol, por lo que la membrana del electrolito requiere una alta conductividad de protones y, al mismo tiempo, la penetración de metanol necesita ser controlado. De hecho, este es también el defecto fatal de DMFC. Los iones de hidrógeno deben ser transportados por agua a través de la película de polímero. Para evitar esta situación, los investigadores actualmente adoptan varios otros métodos para evitar la penetración de metanol, como aumentar la capa de separación entre el metanol y la película de polímero, utilizar el gradiente hidrófugo y otras medidas.

Otro problema al que se enfrenta DMFC es la emisión de CO2. Aunque el metanol se puede suministrar de forma pasiva (es decir, sin el uso de bombas), la acumulación de CO2 en el catalizador conducirá a la reducción de la tasa de utilización del catalizador. Y el uso del sistema de bomba aumentará la complejidad del sistema y aumentará el volumen. Finalmente, a medida que los átomos de carbono y oxígeno producen CO2, también producen CO. En los sistemas que utilizan catalizadores de platino, el CO envenena temporalmente el catalizador de platino. Aunque al electrodo se le puede agregar un átomo de rutenio para hacer que el CO del catalizador envenenado reaccione y se separe del catalizador, cuando la concentración de CO es demasiado alta, la pila de combustible tiene que aumentar el contenido de rutenio del electrodo, que también es la razón por la que el área activa del electrodo de DMFC es 10 veces mayor que la de PEMFC.

Desarrolló un sistema DMFC para motocicleta. La figura 4 muestra la estructura del sistema y los nombres de cada parte del dispositivo. La Figura 5 también muestra el principio de generación de energía y la estructura del tema de la batería. El sistema tiene una potencia nominal de 500 W, un voltaje nominal de 24 V y un peso de 20 kg. En este sistema, se incluyen el tanque de combustible y un tanque de agua. En el tanque de combustible, se almacena la solución de metanol con una concentración del 50%. La función del tanque de agua es garantizar que la solución de metanol-agua suministrada al cuerpo de la batería se mantenga a una concentración constante de 1 M / L (3,2% en masa). En el cuerpo de la batería, la solución acuosa contiene burbujas de CO2 generadas por la reacción química, que se envían de regreso al tanque a través de un circuito de tubería y las burbujas se aíslan. Yamaha ha desarrollado un sensor de concentración especial y un circuito de control utilizado para monitorear la concentración de metanol, el principio de funcionamiento de este sistema es que cuando el cuerpo principal de la batería en una solución de metanol a baja concentración hasta cierto punto, el sistema generará una señal de control , de un tanque de transferencia de metanol para reaccionar en una solución de alta concentración de solución de metanol con el fin de mejorar su concentración. Además, Yamaha ha desarrollado su propia bomba de aire altamente eficiente que bombea aire al cátodo del cuerpo de la batería, incluido un programa de detección. Finalmente, el aire pasa a través de los dispositivos de vapor a través de los dispositivos de intercambio de calor, donde el calor se usa para acelerar la concentración de la solución, y finalmente se transfieren fuera del sistema. En los tanques de solución de baja concentración, se controla el contenido de humedad de las soluciones usadas y el exceso de humedad se descarga fuera del sistema. Para integrar este sistema en la bicicleta, la estructura de la batería debe ajustarse de acuerdo con la forma de la bicicleta para lograr el equilibrio de peso.

Un DMFC desarrollado para uso militar. La celda de combustible exhibida en la feria de celdas de combustible en noviembre de 2006 muestra la celda de combustible portátil "MOBION1M" desarrollada por MTI para uso militar. UTILIZA metanol al 100% como combustible, la potencia nominal es de 0,7 w y las dimensiones son 34 mm x 95 mm x 153 mm. La caja de combustible está incorporada, con una densidad de energía de 150 Wh por carga. Mediante el uso de la tecnología mobion del MIT, se puede inyectar 100% de metanol directamente en el ánodo del DMFC, evitando así el problema de inyectar metanol en el cuerpo de la batería con el agua requerida por otros DMFCS, así como el subsistema de agregar microbomba y micro -catéter en el sistema. Se puede hacer referencia a su principio en la tecnología MTI controlando para mantener un suministro constante de 100% de concentración de metanol y distribuyéndolos uniformemente a través del cuerpo de la batería sin usar la bomba.

En segundo lugar, el RMFC

El RMFC es en realidad un PEMFC de metanol recombinante, nuevamente utilizando solo metanol como materia prima principal. La diferencia es que se usa un recombinador externo, generalmente un micro recombinador de metanol. En RMFC, el metanol no ingresa directamente al cuerpo de la batería para la reacción química, evitando así los defectos de DMFC descritos anteriormente, y también puede compensar la falta de potencia de salida de DMFC. Según la investigación de casio e Hitachi del año pasado, la celda de combustible de metanol podría aumentar su densidad de energía de salida a 200 mW / cm2 o más, lo que significaría que su potencia de salida podría superar los 10 vatios para impulsar dispositivos portátiles.

1, la introducción

Para mantener la densidad de energía de PEMFC y evitar la atenuación de potencia causada por recombinación externa; Además, dado que se requiere un entorno de cierta temperatura en el proceso de recombinación, el aumento de la temperatura de recombinación contribuirá a aumentar la tasa de conversión de hidrógeno-oxígeno del metanol. Por lo tanto, la concentración esperada de hidrógeno y oxígeno se puede obtener con un control adecuado de la temperatura y la dosis química. La temperatura de reestructuración del vapor o de autocalentamiento puede ser tan baja como 200-300 ℃. Otra ventaja de usar la recombinación externa es que el gas recombinado puede oxidar cualitativamente el CO, reduciendo así los problemas de CO y reduciendo la cantidad de catalizador. Sin embargo, también se pueden utilizar pilas de combustible de alta temperatura resistentes al envenenamiento por CO.

Debido a la micro reestructuración de la temperatura de funcionamiento de la celda de combustible de metanol tan alta como 200-300 ℃, y los problemas que enfrenta el RMFC actual son la hora de inicio y la temperatura de inicio, por lo que el micro RMFC para acelerar el inicio, generalmente mantiene la combustión del catalizador en reestructuración de la temperatura de inicio de la parte superior para llegar rápidamente a la reestructuración. Tanto DMFC como RMFC necesitan agregar microbaterías recargables para hacer frente a la repentina demanda de energía, y la demanda de energía de las celdas de combustible también se puede reducir mediante celdas de combustible híbridas y celdas secundarias.

2. Prototipo RMFC desarrollado por Casio

En noviembre de 2006 se demostró un prototipo de celda de combustible de metanol recombinante para Casio, en el que el sistema podía alimentar una cámara digital. El prototipo se reestructurará (Reformer), el cuerpo de la celda de combustible (CellStack) y dos cajas de combustible (Fuelcartridge) se compactarán juntos, la tubería de combustible se instalará en la parte inferior. La composición de otro dispositivo incluye dos bombas de líquido que se utilizan para suministrar metanol principal a la batería, un sensor de flujo de líquido se utiliza para medir la tasa de flujo de metanol, una válvula de encendido / apagado que se utiliza para controlar el suministro de metanol, la bomba proporciona aire e hidrógeno , dos válvulas diferentes regulan el flujo de aire, dos utilizadas para medir el sensor de flujo de aire como dispositivo auxiliar. Como puede verse en el prototipo, el circuito de control no está integrado entre sí. El circuito CC / CC y el circuito de control son circuitos periféricos, que no se muestran en la figura 8.

(1) estructura del prototipo de Casio. El sistema UTILIZA metanol al 60% en masa como combustible. El metanol se bombea mediante dos bombas de líquido desde dos tanques de combustible de 8 ml (18 mm de diámetro, 10 mm de longitud) al recombinador, y el flujo se controla mediante un sensor de líquido. La bomba de líquido fue desarrollada conjuntamente por Casio y FraunhoferIZM, una organización de investigación alemana. El recombinador produce hidrógeno a partir de metanol mediante recombinación con vapor. El hidrógeno resultante se transfiere al cuerpo de la pila de combustible o se quema en un recombinador para mantener el catalizador a la temperatura adecuada para el arranque. Por esta razón, las válvulas de encendido / apagado se utilizan para controlar el flujo en diferentes rutas de flujo.

Además de suministrar aire al cuerpo de la celda de combustible, la bomba de aire debe suministrar aire al recombinador para eliminar el CO asociado. Además, también se suministra aire para la combustión de hidrógeno para facilitar la velocidad de reacción del catalizador en el recombinador. El aire se bombea directamente al cuerpo de la celda de combustible sin necesidad de una válvula. Se instalan sensores de flujo de aire y diferentes tipos de válvulas en cada canal del recombinador para controlar con precisión el flujo de aire. La energía generada por la celda de combustible se alimenta a través de un circuito convertidor CC / CC para proporcionar un voltaje separado para impulsar la cámara digital. Si bien el cuerpo de la celda de combustible parece usar cuatro baterías para alimentar una cámara digital de la forma que se muestra en la demostración, Casio afirma que 20 baterías pueden alimentar una computadora portátil. Para ser comercializado en 2008, la compañía planea liberar muestras de celdas de combustible después de actualizar el prototipo.

(2) varios componentes importantes del prototipo de Casio. Entre los prototipos se encuentra la bomba de ósmosis electrónica (EO), que se lanzó el 29 de noviembre del año pasado. El dispositivo asigna con precisión el combustible de metanol a alta presión en una celda de compresión de 0,5 cc. Está hecho de materiales producidos por tecnologías de nanofusión. La exitosa experiencia de Casio en RMFC incluye otros componentes clave, como recombinadores con aislamiento térmico, utilizados para extraer hidrógeno del metanol, y cuerpos de celdas de combustible, entre otros, como se muestra en la figura 9. La llamada bomba EO es una pequeña bomba de combustible que Consiste en un material electroosmótico, un dieléctrico similar al silicio que genera un potencial eléctrico cuando entra en contacto con un líquido. Cuando se le aplica un voltaje, el líquido del interior fluye. Distribuye líquidos a alta presión independientemente del tamaño, no utiliza accionamiento por motor y, lo que es más importante, funciona sin ruido y elimina problemas como la vibración. Casio combinó su tecnología patentada con los materiales electro-osmóticos de NanoFusion (1 mm de diámetro y 1 mm de espesor) para desarrollar la bomba de combustible líquido, que se utiliza principalmente en dispositivos móviles RMFC. Casio ha solucionado problemas inherentes a las bombas de OE, como cambios de magnetización en el material electroosmótico debido a colisiones o la acumulación de burbujas de vapor en la electrólisis líquida. Finalmente, la bomba EO se puede concentrar en un recipiente de 0,5 cc y mantener un caudal de 90 L / min incluso a una presión de 100 kPa.

Otro dispositivo principal de la máquina de reestructuración importante mediante el uso de la teoría del vapor de agua, se calienta a 280 ℃ y el metanol extrae hidrógeno. Su estructura se muestra en la figura 10. De hecho, el recombinador se ha modificado varias veces y actualmente se dice que resuelve problemas de aislamiento, tiempos de arranque prolongados y producción de demasiado CO, y casio afirma enviar muestras del recombinador. para portátiles en 2007. En términos de estructura interna, los componentes principales del recombinador son dos sustratos de vidrio, y utilizan aislamiento al vacío para recubrir la superficie interna de los sustratos con una fina película de oro para minimizar la radiación térmica. Según los informes, las condiciones de trabajo de la reestructuración de la temperatura de la superficie de 40 ℃, 20 ℃ o superior a la temperatura ambiente. El recombinador comprende tres canales. Uno es un canal de combustión de hidrógeno utilizado para proporcionar calor para la recombinación de metanol en hidrógeno. La vía de recombinación, donde reaccionan el combustible y el vapor de agua; Los canales de eliminación de CO se utilizan para eliminar los subproductos de CO.

3, Ultracell25

En 2005, Ultracell lanzó un RMFC que afirma tener el doble de densidad de energía que una batería de iones de litio normal, que con aproximadamente 40 onzas es el tamaño de una novela de papel plano. A través de la tecnología de ultracell, el combustible de desecho usado se puede "intercambiar en caliente" y reutilizar para garantizar un suministro de energía continuo. Desarrollado originalmente por Ultracell para uso militar, el RMFC modelo XX90 proporciona 45 vatios de potencia. El ultracell25 comercial se lanzó en 2006. Se puede utilizar en dispositivos empresariales, industriales y móviles. Su contraparte militar es XX25. La Figura 11 muestra el producto RMFC XX25 de Ultracell para uso militar, que se dice que puede alimentar equipos de producción durante 72 horas sin interrupción.

Iii. Comparación de varias pilas de combustible

Otras pilas de combustible incluyen el carbonato fundido FC (MCFC), el oxígeno sólido FC (SOFC) y el fosfato FC (PAFC), que también se utilizan en la generación de energía y calor. MCFCS normalmente funciona con gas natural. SOFC UTILIZA compuestos hidrocarbonados o H2 como combustible. MCFC y SOFC trabajando a alta temperatura (> 650 ℃ respectivamente y 800-1000 ℃), SOFC puede proporcionar la mayor eficiencia energética (44% 50%) y el modo de simbiosis (cogeneración) puede ser superior al 80%. Además, el polímero electrolítico de película delgada FC (PEMFC) también se usa comúnmente en vehículos eléctricos, pero también se puede usar para la generación de electricidad fija. Para no emitir sustancias nocivas, PEMFC necesita entrada de H2 puro y no puede producir CO2 en el proceso de reacción. Trabajan a bajas temperaturas y proporcionan una eficiencia de conversión del 35 al 40 por ciento. Los vehículos de pila de combustible funcionan principalmente con PEMFC, que también tiene una participación del 70-80% en el mercado de las pequeñas pilas de combustible de estado sólido. A mediano y largo plazo, se espera que MCFC y SOFC dominen el mercado de celdas de combustible de estado sólido de gran tamaño. SOFC tiene actualmente una participación del 15-20% en este segmento. Cada año se producen miles de FCS en todo el mundo, el 80% para dispositivos fijos y móviles, y el resto para proyectos de demostración de vehículos de pila de combustible.

Si los costos de H2 y las celdas de combustible se reducen significativamente, y las reglas para limitar las emisiones de CO2 están vigentes y se aplican de manera efectiva, entonces FC podría ver un crecimiento significativo del mercado en los próximos 10 años (alcanzando una participación de mercado del 30% para 2050). El potencial de crecimiento en la distribución fija de CF depende de las reglas de precios de las materias primas, es decir, del precio de los materiales electrónicos y el gas natural. SOFC y MCFC, que utilizan gas natural como combustible principal, tendrán el 5% del mercado mundial de celdas de combustible para 2050.

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