AFC

kinetika pengurangan Oksigen pada suhu kamar lebih cepat dalam elektrolit basa daripada di elektrolit asam, dan penggunaan electrocatalysts non-mulia, dalam kondisi yang sama, adalah layak. Namun, kelemahan utama AFCs adalah bahwa elektrolit alkali, seperti NaOH atau KOH, bereaksi dengan CO2 ke endapan karbonat. Konsekuensi utama bahwa reaksi samping yang AFCs sedang dibatasi untuk aplikasi khusus di mana H2 dan O2 murni digunakan. AFCs Oleh karena itu dianggap sesuai untuk kedirgantaraan daya kecil dan aplikasi pertahanan, namun penggunaannya dalam aplikasi komersial sejauh ini masih terbatas. Gambaran skematik dari komponen dalam sebuah AFC yang ditampilkan di sini:

Pendanaan untuk pengembangan dan proyek percontohan untuk AFC secara substansial lebih kecil daripada untuk teknologi bahan bakar sel lain. Sel-sel bahan bakar tidak benar-benar kompetitif untuk produksi kekuasaan di pembangkit listrik stasioner atau kendaraan listrik darat, terutama karena sensitivitas tinggi kinerja mereka pada kehadiran karbon dioksida.

DMFC

Sel Bahan Bakar Metanol Langsung (DMFCs) telah dipertimbangkan untuk digunakan dalam aplikasi transportasi karena kompleksitas sistem yang rendah. Saat memberikan arus, metanol secara elektrokimia teroksidasi pada anoda elektrokatalis untuk menghasilkan elektron yang bergerak melalui sirkuit eksternal ke elektrokatalis katoda dimana mereka dikonsumsi bersamaan dengan oksigen dalam reaksi reduksi. Rangkaian dipertahankan di dalam sel oleh konduksi proton dalam elektrolit. Pada sel modern, elektrolit berdasarkan proton menjalankan membran elektrolit polimer (misalnya, Nafion ™) yang sering digunakan, karena ini memungkinkan untuk sel yang mudah digunakan dan suhu tinggi dan tekanan operasi. Gambaran skematis komponen dalam sebuah DMFC yang ditampilkan di sini:

For an overall reaction:

2 CH3OH + 3 O2 --> 2 CO2 + 4 H2O

Jantung dari sel bahan bakar metanol langsung adalah pertukaran proton membran: selaput tipis di kedua sisi ditutupi dengan lapisan tipis katalis berbasis platinum dan diapit di antara dua elektroda. Sebuah metanol / larutan air dimasukkan ke elektroda bermuatan negatif yang secara spontan bereaksi

dengan memecah molekul metanol terpisah. Setelah pecah, atom karbon mengkombinasikan dengan atom oksigen dari metanol dan air pada elektroda negatif untuk membentuk karbon dioksida.

Atom hidrogen selanjutnya terbagi, sementara proton melewati membran ke elektroda bermuatan positif. Sementara itu, elektron hidrogen dipaksa untuk pergi mengelilingi membran membentuk arus listrik. Dua bagian dari atom hidrogen bertemu kembali pada elektroda positif, dan dikombinasikan dengan oksigen untuk menghasilkan air. Karena hidrogen bebas mudah untuk bereaksi pada sel bahan bakar, metanol merupakan pengangkut hidrogen yang ideal.

MCFC

MCFC sering disebut sebagai sel bahan bakar generasi kedua karena diperkirakan akan mencapai komersialisasi setelah PAFCs telah mencapai pasar. Sel bahan bakar ini beroperasi pada suhu relatif tinggi (600-650 ° C) yang memungkinkan mereka untuk beroperasi dengan bahan bakar yang tidak terbarukan. Mereka membutuhkan waktu yang lama untuk mencapai temperatur operasi dan, oleh karena itu, paling cocok untuk penyediaan listrik dalam aplikasi utilitas. Program sedang berlangsung di Jepang, Amerika Serikat, dan Eropa untuk mengembangkan sistem skala besar. Gambaran skematik dari komponen dalam sebuah MCFC yang ditampilkan di sini

Seperti diilustrasikan dalam gambar ini, operasi dari sebuah MCFC didasarkan pada aksi antar-jemput yang disediakan oleh ion karbonat. Ion-ion karbonat juga berfungsi sebagai elektrolit asam. Gas gas CO2 produk kaya anoda diumpankan ke katoda dimana CO2 berubah menjadi ion karbonat selama pengurangan oksigen. Suhu operasi yang lebih tinggi pada MCFCs memberikan kesempatan untuk mencapai efisiensi sistem yang lebih tinggi secara keseluruhan dan fleksibilitas yang lebih besar dalam penggunaan bahan bakar yang tersedia. Di sisi lain, suhu operasi yang lebih tinggi menuntut pada stabilitas korosi dan umur komponen sel yang lebih. Elektrolit pada sel bahan bakar ini biasanya merupakan kombinasi dari alkali (Na, K, Li) karbonat ditahan dalam matriks keramik yang terbuat dari LiAlO2. Pada suhu operasi yang tinggi dari sel bahan bakar Ni dan nikel masing-masing electrocatalysts memadai untuk anoda dan katoda

MCFCs, yang beroperasi pada suhu yang lebih tinggi dan lebih efisien daripada PAFCs, diharapkan dapat menyesuaikan pada aplikasi beban-dasar listrik terdistribusi yang lebih besar (1 - 20 MW), terutama di pasar industri tertentu di mana kesempatan kogenerasi ada. Jika dibangun dalam jumlah rendah, biaya MCFCs kemungkinan sekitar $ 3000/kW. Jika biaya dapat dikurangi menjadi $ 1500/kW, yang akan membutuhkan komitmen untuk mendukung manufaktur bervolume tinggi, sistem ini bisa menemukan pasar utilitas yang signifikan untuk pembangkit listrik tersebar dalam aplikasi grid-support. Dalam sebuah proyek demonstrasi cosponsored oleh EPRI dan sejumlah utilitas, 2-MW MCFC pilot unit di Santa Clara, California, baru saja menyelesaikan 4000 jam operasi uji sukses.

PAFC

Sistem ini sudah tersedia secara komersial, dengan instalasi operasional pada gedung-gedung, hotel, rumah sakit dan utilitas listrik. Ada lebih dari 50 MW demonstrator, di seluruh dunia, yang telah diuji. Sebagian besar plan di rentang kapasitas 50 sampai 200 kW, namun plan besar sebesar 1 MW dan 5 MW telah dibangun. Pabrik terbesar dioperasikan hingga saat ini mencapai 11 MW listrik daya AC berkualitas grid. Sampai beberapa tahun terakhir, sebagian besar dana untuk pengembangan PAFC datang dari gas AS dan utilitas listrik. Sejak berdirinya program Moonlight, pada, banyak fokus awal telah bergeser ke Jepang dan kedua Utilitas utama, Tokyo Gas dan Osaka Gas. Semua proyek saat berlangsung demonstrasi besar yang berlokasi di Jepang. Penggunaan utama pada sistem ini diperkirakan untuk aplikasi tak berubah, karena elektrolit cair korosif dan temperatur tinggi (160-220 ° C) mengharuskan sistem yang kompleks. Namun Sanyo membuat 24 V, 250 W PAFC portabel. Sistem bobot 60-pound dan menggunakan hidrogen murni. Gambaran skematik dari komponen pada sebuah PAFC yang ditampilkan di sini

Reaksi elektrokimia dalam PAFC terjadi pada partikel elektrokatalis sangat terdispersi yang didukung pada karbon hitam. Platinum (Pt) atau paduan Pt digunakan sebagai katalis pada kedua elektroda. Konsentrat asam fosfat digunakan sebagai elektrolit di PAFCs. Pada suhu lebih rendah dari 160oC, asam fosfat adalah sebuah konduktor ionik yang buruk dan keracunan CO dari electrocalyst Pt pada anoda menjadi lebih hebat. Penggunaan asam pekat, yaitu "100%, dipertahankan pada silikon karbida matriks dapat meminimalkan tekanan uap air dan dengan demikian memfasilitasi pengelolaan air dari sel-sel tersebut.

Tersedia secara komersial 200-kW PAFCs, yang sekarang biaya sekitar $ 3000/kW (dengan penjualan awal kualifikasi untuk subsidi federal $ 1000/kW), diharapkan ke menemukan ceruk pasar di aplikasi di bawah 1 MW dimana tinggi reliabilitas layanan yang diinginkan dan di mana ada kebutuhan untuk uap suhu rendah cogenerated. Para produsen utama PAFCs, International Fuel Sel, adalah perusahaan patungan Toshiba dari Jepang dan divisi Hamilton Standar induk perusahaan Pratt & Whitney, United Technologies Corporation. UTC sumber daya yang substansial telah berkomitmen ke menurunkan biaya diinstal untuk PAFCs menjadi sekitar $ 1500/kW.

PEFC

PEFCs menggunakan membran polimer sebagai elektrolit, seperti Nafion 117 polimer, dianalogikan keasaman ke elektrolit pada baterai otomotif, tapi dimensi tetap. Hal ini menyederhanakan penyegel pada proses produksi serta memberikan sel kedua dan stack umur panjang. PEFCs dapat menghasilkan densitas tenaga yang tinggi pada temperatur di bawah 100 ° C, yang memungkinkan fast start-up dan tanggapan langsung ke perubahan dalam permintaan atas daya. Mereka sangat sesuai untuk transportasi dan aplikasi tak berubah yang lebih kecil. Salah satu aplikasi paling awal dari sel bahan bakar PE General Electrical-dibangun 1 kW Gemini pembangkit listrik yang digunakan pada pesawat ruang angkasa Gemini dibangun di awal 1960-an. Kinerja dan kehidupan dari sel bahan bakar Gemini tersebut terbatas pada membran yang digunakan pada saat itu. Sejak itu, sel performance dan ukuran telah meningkat secara signifikan. Gambaran skematik dari komponen di sebuah PEFC yang ditampilkan di sini:

Ini terdiri dari dua elektroda berpori di mana proses konversi energi terjadi. Hidrogen dipasok untuk anoda sedangkan oksigen dari udara dipasok untuk katoda. Molekul Hidrogen menyerahkan elektron untuk elektroda menghasilkan arus listrik melintasi sebuah beban eksternal. Dalam proses oksidasi, hidrogen diubah menjadi proton atau ion hidrogen bermuatan positif. Ketika elektron, ditarik kembali oleh tegangan, tiba di elektroda oksidan, mereka dikeluarkan dari elektrode oleh molekul oksigen, menghasilkan ion negatif bermuatan yang bereaksi dengan ion hidrogen untuk membentuk molekul air.

Dalam Gambar ini, membran, atau elektrolit, memungkinkan ion hidrogen bermuatan positif untuk bermigrasi dari anoda ke katoda dimana mereka bereaksi dengan ion oksigen negatif untuk menghasilkan produk reaksi, air. The PEFCs individu dapat ditumpuk untuk menciptakan kekuatan yang diperlukan atas aplikasi seperti yang diilustrasikan pada Gambar 13. MARK V stack di Gambar 13 adalah, pada 1990-an, patokan atas aplikasi daya menuntut seperti bus kota atau kendaraan listrik lainnya.

PEFCs yang menarik bagi produsen mobil sebagai plan listrik mini-masa yang akan datang (sekitar 50 kW) atas kendaraan listrik. Selain itu, cepat-start kemampuan mereka, kekasaran, dan berpotensi biaya rendah membuat mereka menarik atas aplikasi tak berubah kekuasaan dibagi, termasuk aplikasi off-grid remote. Sel PE ditargetkan untuk digunakan di layanan premium-power secara berkelanjutan dan generator memuncak sebagai kecil di pasar eceran. Meskipun efisiensi operasional mereka diperkirakan menjadi agak lebih rendah dari PAFCs komersial, para ahli percaya PE pembangkit sel dapat mencapai biaya dipasang di bawah $ 1000/kW atas layanan premium-power secara berkelanjutan dan di bawah $ 500/kW sebagai unit puncak. Rapat target biaya seperti itu akan membuat mereka kompetitif sebagai siaga, sumber daya cadangan atau sebagai puncak didistribusikan kapasitas.

SOFC

SOFCs baru-baru ini muncul sebagai teknologi fuel sel serius suhu tinggi. Kepentingan utama adalah kenyataan bahwa SOFCs tidak memerlukan elektrolit cair, dengan terkait masalah manajemen Corrosionand elektrolit. Sistem ini didasarkan pada penggunaan keramik yang solid sebagai elektrolit dan beroperasi pada suhu yang sangat tinggi (1000 ° C). Temperatur operasi yang tinggi ini memungkinkan internal reformasi, mempromosikan electrocatalysis cepat dengan logam non mulia, dan menghasilkan kualitas hasil sampingan panas tinggi atas kogenerasi. Hal ini paling cocok atas penyediaan listrik dalam aplikasi utilitas karena waktu yang signifikan yang diperlukan untuk mencapai suhu operasi. Program sedang berlangsung di Jepang dan di AS Pengembangan bahan yang sesuai dan pembuatan struktur keramik saat ini tantangan teknis utama yang dihadapi SOFCs. Gambaran skematis komponen di sebuah SOFC yang ditampilkan di sini:

Elektrolit ini pada umumnya terdiri dari padatan non-berpori seperti Y2O3 ZrO2 stabil dengan konduktivitas berdasarkan ion oksigen (O2-). Biasanya anoda terbuat dari Co-ZrO2 atau sermet Ni-ZrO2, dan katoda Sr doped LaMnO3. Karakter solid state dari semua komponen SOFC berarti bahwa tidak ada pembatasan mendasar pada konfigurasi sel. Sel sedang dibangun dalam dua konfigurasi utama, yaitu sel-sel tubular, seperti yang sedang dikembangkan di Westinghouse Electric Corporation sejak akhir 1950-an, dan konfigurasi pelat datar diadopsi baru-baru ini oleh pengembang lainnya.

EPRI menganggap SOFCs, yang mempekerjakan suatu elektrolit, keramik solid-state (zirkonium oksida stabil dengan yttrium oksida), teknologi sel bahan bakar hanya dengan potensi untuk aplikasi span pasar-persaingan dari beban perumahan kecil seperti 2 kW untuk grosir unit generasi terdistribusi 10 - 25 MW. Karena SOFCs beroperasi pada suhu yang lebih tinggi dari MCFCs, efisiensi sistem sederhana mereka secara teoritis tidak cukup baik seperti yang dilakukan oleh MCFCs, meskipun lebih baik daripada efisiensi PAFCs dan sel bahan bakar PEM. Tapi 850 - 1000 ° C limbah panas yang SOFCs menghasilkan, ketika digunakan atas kogenerasi atau atas mengendarai sebuah turbin gas yang terintegrasi, dapat meningkatkan efisiensi sistem energi secara keseluruhan untuk tingkat yang sangat

menarik. Selain itu, SOFCs beroperasi pada suhu yang cukup tinggi untuk memasukkan di sebuah pembaharu bahan bakar internal mereka yang menggunakan panas dari sel bahan bakar, bersama dengan uap daur ulang dan katalis, untuk mengkonversi gas alam secara langsung menjadi bahan bakar hidrogen-kaya.

Efisiensi tinggi sistem kopling canggih SOFCs dengan turbin gas kecil dan memiliki peringkat gabungan di kisaran 250 kW sampai dengan 25 MW diharapkan untuk masuk ke dalam grid-support atau industri di lokasi pasar generasi, dan mereka berpotensi bersaing frontal dengan grosir tarif listrik. Kedua sel bahan bakar PEM dan SOFCs suatu hari nanti dapat cocok atas aplikasi skala kecil pasar perumahan jika tujuan biaya akhir tercapai, yaitu $ 1000/kW.