Cara Sel Bahan Api Berfungsi: Penukaran Elektrokimia dan Operasi Bebas Pelepasan

Proses elektrokimia utama: pengoksidaan hidrogen dan penurunan oksigen

Sel bahan api menghasilkan elektrik menggunakan tindak balas kimia antara hidrogen dan oksigen, dan yang penting, ia melakukan ini tanpa membakar apa-apa. Apabila hidrogen sampai ke bahagian anod, ia dipecahkan kepada proton dan elektron berkat mangkin yang terdiri kebanyakkannya daripada platinum. Elektron bergerak melalui wayar di luar sel, menghasilkan arus elektrik yang boleh kita gunakan sebagai kuasa. Sementara itu, proton-proton tersebut meresap melalui sesuatu yang dikenali sebagai membran penukaran proton (atau PEM ringkasannya) ke sebelah lain sel. Apabila tiba di katod, proton-proton ini bertemu dengan molekul oksigen dan elektron-elektron yang telah kembali dari litar. Bersama-sama mereka membentuk hanya air bersih sebagai hasil sampingan. Seluruh proses ini berfungsi dengan sangat cekap kerana ia tidak bergantung kepada pemindahan haba seperti enjin tradisional. Akibatnya, sel bahan api PEM biasanya menukar kira-kira separuh hingga dua pertiga tenaga masukan secara langsung kepada tenaga elektrik. Ini kira-kira dua kali ganda lebih tinggi daripada kebanyakan kenderaan bertenaga petrol, kerana prestasi mereka terhad oleh prinsip asas termodinamik yang dikenali sebagai kitar Carnot.

Kelebihan utama termasuk:

• Operasi hampir senyap tanpa komponen bergerak selain sistem bantu
• Output kuasa berterusan selagi bahan api dan pengoksida dibekalkan
• Skalabiliti modular—daripada unit portabel kilowatt hingga loji pegun berbilang megawatt

Tidak seperti bateri, sel bahan api adalah penukar tenaga, bukan peranti penyimpan—membolehkan operasi berterusan tanpa masa hentian pengecasan.

Mengapa sel bahan api hanya membebaskan air — tiada CO₂, NO₂, atau zarah

Sel bahan api tidak mengeluarkan sebarang bahan yang dikawal kerana ia berfungsi melalui tindak balas elektrokimia dan bukan melalui pembakaran. Hidrogen tidak mengandungi karbon, yang bermakna tiada kemungkinan pembentukan CO2 semasa operasi. Selain itu, tindak balas berlaku pada suhu maksimum kira-kira 100 darjah Celsius, jauh daripada tahap 1,300 darjah tempat oksida nitrogen bermula terbentuk. Tiada nyalaan terlibat juga, jadi selamat tinggal jelaga, abu, dan hidrokarbon yang tidak terbakar yang mencemarkan udara. Apa yang dikeluarkan? Secara asasnya hanya wap air tulen, kadangkala dikumpulkan dan diguna semula dalam proses industri. Oleh itu, sistem ini berfungsi dengan baik di dalam bangunan, kawasan bandar yang sesak, atau mana-mana tempat yang sensitif terhadap piawaian kualiti udara. Ia selari dengan cadangan EPA, mematuhi peraturan udara bersih Eropah, dan memenuhi garis panduan World Health Organization juga.

Aplikasi Sel Bahan Api dalam Sektor Sukar Dikurangkan

Pengangkutan Berat: Lori, Bas, Kereta Api, dan Kapal Maritim

Apabila melibatkan pengangkutan berat, sel bahan api benar-benar menangani beberapa masalah utama yang tidak dapat ditangani dengan baik oleh bateri. Fikirkan tentang kapasiti storan tenaga, berapa lama masa yang diambil untuk mengisinya, dan kesannya terhadap berat kenderaan. Trak bertenaga hidrogen kini sedang mencetuskan perubahan. Kenderaan besar ini boleh bergerak dari 500 hingga 800 kilometer dengan sekali isi tangki, dan pengisian penuh mengambil masa kurang daripada dua puluh minit—secara langsung sama seperti yang kita lihat pada enjin diesel tradisional. Ini jauh lebih unggul berbanding membawa bateri besar yang akan menambahkan berat sebanyak tiga hingga empat tan. Teknologi ini sudah mula berkembang di seluruh dunia dengan lebih daripada lima ribu bas hidrogen beroperasi di tempat-tempat seperti China, sebahagian Eropah, dan juga California. Aplikasinya kini berkembang melampaui bas sahaja. Ambil contoh kereta api Coradia iLint di Jerman, atau lihat usaha Norway dengan projek feri HYDROGEN mereka. Pelabuhan khususnya bakal mendapat manfaat besar kerana kebanyakan operasi kontena sangat bergantung kepada peralatan diesel yang mengeluarkan terlalu banyak nitrogen oksida dan jirim partikulat ke udara. Peralihan kepada sel bahan api bermakna sifar pelepasan tepat di lokasi tersebut, yang membantu pihak pengurusan pelabuhan mencapai matlamat sukar International Maritime Organization untuk mengurangkan output karbon menjelang 2030 dan 2050.

Sistem Kuasa dan Sandaran Industri: Menggantikan Penjana Diesel

Sel bahan api membekalkan kuasa yang bersih dan boleh dipercayai untuk infrastruktur kritikal seperti pusat data, hospital, dan kilang di mana penjana diesel secara tradisional digunakan sebagai sumber kuasa cadangan. Berbanding pilihan diesel, sistem ini tidak membebaskan oksida nitrogen berbahaya, sulfur dioksida, atau zarah halus di dalam bangunan atau sekitar operasi sensitif. Reka bentuk mereka membolehkan penskalaan mudah daripada pemasangan kecil pada 50 kilowatt hingga susunan besar sehingga 3 megawatt. Tempoh operasi mereka bergantung terutamanya kepada bekalan hidrogen yang tersedia, bukannya risiko bateri haus dari masa ke masa. Apabila beroperasi menggunakan tangki hidrogen termampat, kebanyakan unit mampu menangani beban operasi penuh selama lebih daripada tiga hari berturut-turut, yang mengurangkan risiko kebakaran berbanding penyimpanan jumlah diesel yang besar di tapak. Jabatan Tenaga Amerika Syarikat melaporkan bahawa syarikat-syarikat yang mengadopsi sel bahan api sebagai kuasa cadangan meningkat sebanyak kira-kira 40 peratus tahun lepas. Pertumbuhan ini masuk akal apabila dilihat daripada kadar kebolehpercayaan luar biasa mereka iaitu lebih daripada 99.999 peratus masa aktif, ditambah dengan fakta bahawa ramai syarikat kini mengutamakan matlamat alam sekitar, sosial, dan tadbir urus dalam keputusan perniagaan mereka.

Membolehkan Ekosistem Sel Bahan Api: Infrastruktur, Keselamatan, dan Dasar

Penyimpanan hidrogen, infrastruktur pengecasan bahan api, dan protokol keselamatan pengendalian

Mendapatkan sel bahan api digunakan secara besar-besaran sangat bergantung kepada cara selamat untuk menghantar hidrogen tanpa membebankan kos. Secara asasnya, terdapat tiga pendekatan utama untuk menyimpan hidrogen: tangki gas bertekanan pada tekanan sekitar 350 hingga 700 bar, cecair sangat sejuk yang disimpan pada suhu minus 253 darjah Celsius, dan pilihan baharu yang melibatkan hidrid logam atau bahan penyerap khas. Setiap kaedah berfungsi lebih baik dalam situasi yang berbeza-beza mengikut keperluan. Meneliti angka-angka apabila kita memasuki tahun 2023, terdapat lebih daripada 160 stesen pengisian hidrogen awam di seluruh dunia, kebanyakannya terdapat di tempat-tempat seperti California, Jepun, Korea Selatan, dan sebahagian kawasan Jerman. Namun, apabila datang kepada pengembangan infrastruktur ini untuk kenderaan yang lebih besar seperti lori dan bas, perkara ini menjadi rumit dengan cepat. Membina satu stesen bersaiz sederhana biasanya menelan kos antara dua hingga tiga juta dolar AS, belum termasuk semua dokumen yang diperlukan untuk permit serta penyambungan ke grid elektrik sedia ada yang menambahkan satu lapisan kerumitan tambahan yang tidak siapa mahu hadapi.

Keselamatan ditangani melalui piawaian kejuruteraan yang selaras secara antarabangsa—terutamanya ISO/TS 15916, SAE J2601, dan European Hydrogen Safety Handbook. Ini menghendaki:

• Tangki hidrogen komposit yang disahkan mampu menahan lebih daripada 10,000 kitaran tekanan dan hentaman peluru
• Nozol pengisian bahan api dengan pengesanan kebocoran automatik, pemutus haba, dan peranti pelepasan tekanan
• Ventilasi kemudahan tertutup yang direka bentuk untuk mengekalkan kepekatan hidrogen di bawah had mudah terbakar rendah iaitu 1%

Pengesahan dunia sebenar diperoleh daripada inisiatif seperti program H2 Mobility Eropah, yang memperkenalkan protokol piawaian merentasi 29 stesen—menunjukkan interoperabiliti, keselamatan, dan keyakinan pengguna yang penting untuk penerimaan meluas.

Sel Bahan Api dalam Laluan ke Neutral Karbon

Sel bahan api menonjol sebagai pemain utama dalam usaha mencapai ekonomi neutral karbon, terutamanya di kawasan di mana elektrifikasi konvensional tidak mencukupi. Sistem ini mengambil hidrogen hijau yang dihasilkan daripada sumber terbarukan melalui elektrolisis dan menukarkannya kepada tenaga elektrik, hanya menghasilkan wap air. Ini bermakna tiada pelepasan CO₂, tiada oksida nitrogen, dan pasti tiada zarah berbahaya yang terbebas ke udara. Apa yang menjadikannya menarik ialah cara ia berfungsi bersama sumber tenaga boleh diperbaharui. Apabila terdapat terlalu banyak tenaga solar atau angin dijana, daripada membuangnya, kita boleh menyimpan lebihan tenaga itu sebagai hidrogen. Kemudian, apabila permintaan meningkat, kita hanya perlu menukar semula hidrogen tersimpan itu kepada tenaga elektrik. Pendekatan ini membantu menjadikan grid elekrik kita lebih tangguh tanpa perlu lagi kepada loji bantuan bahan api fosil lama yang semua orang mahu hapuskan.

Dunia sedang melabur wang sebenar dalam hidrogen sebagai pemain utama: menurut Agensi Tenaga Antarabangsa, lebih kurang $100 bilion telah diperuntukkan bagi infrastruktur hidrogen menjelang tahun 2030. Harga sel bahan api juga telah merosot dengan ketara, kira-kira 60% sejak tahun 2015 disebabkan oleh pengeluaran yang lebih besar dan bahan perengsang yang lebih baik. Dasar-dasar kerajaan juga mula menyusul. Ambil contoh Akta Pengurangan Inflasi AS yang terkini yang menawarkan potongan cukai sebanyak $3 per kilogram untuk hidrogen bersih, serta Arahan Tenaga Baharu Kesatuan Eropah yang dikemaskini. Perubahan ini bermaksud sel bahan api kini bukan lagi sekadar eksperimen, tetapi benar-benar menjadi sebahagian daripada infrastruktur biasa. Ke depan, anggaran menunjukkan sistem-sistem ini boleh memenuhi lebih kurang 15% keperluan tenaga dalam sektor-sektor di mana pengurangan pelepasan sangat sukar dicapai. Ini menjadikannya agak penting jika kita ingin mencapai sasaran sifar bersih, walaupun masih terdapat banyak kerja yang perlu dilakukan sebelum ia menjadi lumrah.

Soalan Lazim

Apakah itu sel bahan api?
Sel bahan api ialah peranti yang menukarkan tenaga kimia daripada hidrogen kepada tenaga elekrik melalui tindak balas elektrokimia dengan oksigen.

Adakah sel bahan api menghasilkan pelepasan?
Sel bahan api terutamanya menghasilkan wap air sebagai hasil sampingan dan tidak membebaskan pencemar yang dikawal seperti CO2, NOx, atau zarah halus.

Bolehkah sel bahan api digunakan dalam pengangkutan?
Ya, sel bahan api semakin digunakan dalam sektor pengangkutan berat, termasuk trak, bas, kereta api, dan kenderaan maritim.

Apakah langkah-langkah keselamatan untuk penggunaan hidrogen?
Langkah-langkah keselamatan termasuk tangki hidrogen yang bersijil, sistem pengesanan kebocoran, dan pengudaraan yang mencukupi untuk mengekalkan kepekatan hidrogen dalam julat selamat.