先进的燃料电池的应用在COVID-19大流行

文摘

COVID-19被世界各地的流行2019年12月。这部小说冠状病毒影响下呼吸道,引起肺炎在人类身体和人与人之间转移。每一天,新病人的数量和死亡的人数增加极大,而这种病毒特定的药物仍在发展。医院正在努力适应病人,导致大量的临时医院。这些临时医院需要一个不间断电源不断维护所有电气设施。燃料电池,特别是固体氧化物燃料电池,在会议上起着关键作用的额外能源需求人类在这关键的时刻。sofc能够供电的临时医院的主要医院大楼,以及向锁定的居民区,以缓解供应电力电网的压力在这大流行情况。由于其广泛的适用性和大量使用,固体氧化物燃料电池可以用于解决电力需求各领域的挑战。

1。介绍

COVID-19大流行造成数百万人死亡。有无情的事业为了拯救生活在世界各地的。在武汉,中国第一个爆发的疾病造成的严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2 (SARS-CoV-2)发现,后来它被命名为“冠状病毒疾病19 (COVID-19)”(1]。2019年11月17日,第一个病人被诊断为COVID-19肺炎在中国的最初症状(2),随后,一些病人被医院确诊为初始症状的肺炎2019年12月根据世界卫生组织(世卫组织)报告(3]。此后,中国各地的患者数量迅速增加,几乎在整个世界(4,5]。2020年3月11日,世卫组织宣布COVID-19作为流行[6]。截至2021年3月9日(05:58格林尼治时间点),全球已报告117751038例,死亡人数是2612196。在美国,累计COVID-19病例数上升到29744652人,超过了病例在法国(3909560)、俄罗斯(4333029年),英国(4228998),西班牙(3160970)、意大利(3081368年),中国(90002年)2021年3月9日(7]。这种新病毒已经扩散到更多的国家比2003年冠(8]。图1显示了由于COVID-19世界上影响最严重的国家。

COVID-19病毒RNA冠状病毒是一种新型的β(大小:60 - 140 nm直径与骨干预测),导致呼吸道综合症。冠状病毒患者可能另外发烧严重呼吸困难和咳嗽,和一些病人也遭受了胃肠道症状和并发症(腹泻、呕吐和胃疼)9- - - - - -11]。癌症病人,过高的血压、心脏问题、哮喘、糖尿病、消化障碍患者以及老年人,是在一个较高的机会被COVID-19影响(12,13]。随着新品种的出现,已经几次生产COVID-19疫苗(14),但某些问题与疫苗开发未来大规模和长期贮存稳定性将产生15]。研究人员仍在努力开发这个新病毒的药物(16]。这种病毒会导致严重的急性呼吸道症状在人与人之间传播。隔离由于其nosogenic自然,时期,穿无菌口罩,社会距离是强制性防止COVID-19[的传播17]。每个国家都有介绍检疫规则(通常持续14天)来防止这种疾病的传播尽可能多的(18]。

已经发现,长期空气污染在大城市中发现COVID-19加速的感染率,并有很强的感染者的死亡率之间的相关性和大量的空气污染19]。在大流行期间,几乎所有行业都是暂时关闭,由于全职政府订单,有更少的汽车在路上,导致低排放的CO₂,没有₂和其他有毒元素。人们已经发现,空气污染的原因之一是高死亡率在美国由于冠状病毒(20.]。气态污染物会损害细胞和免疫系统导致呼吸道刺激、咳嗽、喉咙发炎,对人体呼吸问题[21]。也发现COVID-19的影响和死亡率更高在意大利北部由于更高水平的空气污染(22]。

COVID-19期间,全球新病例的数量突然上升,和医院成为无法承认所有受影响的病人。因此,政府必须建立移动医院床位。每个床上都必须包含通风为了供应足够数量的人工通风病人。他们还需要通风的外部电源,以及其他电气设备(包括空调)。此外,由于在家工作的通知,人们不得不呆在家里,增加对电力的需求。这是一个关键时刻优化电能的供应,以满足额外需求(23]。正在努力适应每天能源需求增加的速度。可持续可再生能源需要满足这种日益增长的能源需求,和最可行的绿色能源的来源之一是燃料电池。图2描述了固体氧化物燃料电池(SOFC)电源连锁医院迁就。

这些燃料电池技术的下一代可以利用氢经济零燃烧(25]。燃料电池的选择安装是成功的关键。燃料电池应用程序可以取代大多数内燃引擎,提供静态和便携式电源。燃料电池是二十世纪以来科技进步26]。燃料电池的原理是最早在1839年由威廉•格罗夫氢气和氧气生产研究电解水。关闭时,他发现一个电解单元采用硫酸和铂催化剂产生一个小的电流。蒙德和兰格首先由称谓“燃料电池”,1889年,他们发明了一种electrolyte-supported细胞与多孔电极Pt的H₂和O₂(27]。操作温度、效率、电解液内容、应用程序和离子传输机制都是用于燃料电池的分类。

固体氧化物燃料电池(SOFC)提供了相对很高的能力在所有类型的燃料电池,燃料灵活性(氢、天然气、沼气从生物质28- - - - - -32),和气体由煤),低排放,导致使用固体氧化物燃料电池作为未来发电技术(33,34]。它显示效率高(> 60%效率)与清洁环境凭证(35]。因此,固体氧化物燃料电池可以作为一个最合适的,可持续的能源。固体氧化物燃料电池还可以使用作为一个广泛的发电系统和热电联产应用程序结合micro-CHP系统。便携式发电(36),交通便利(37)其他固体氧化物燃料电池的优点。此外,固体氧化物燃料电池可以支持病人在医院,也同时居民区供电。这些异构的使用可以在固体氧化物燃料电池(38]。有几家大型制造商的固体氧化物燃料电池能满足人们在这大流行的电力需求(见表1)。每个公司生产不同类型的固体氧化物燃料电池,取决于每一个使用场景。

在当前流感大流行的形势、固体氧化物燃料电池的使用是必不可少的在会议这巨大的能源需求。因此,固体氧化物燃料电池将发挥重要作用,产生足够的便携式能量比目前的化石燃料更可持续。

2。固体氧化物燃料电池(sofc)

高污染的化石燃料是一个关注环境和经济两方面的好处。这导致了更多的关注燃料电池,这被广泛认为是未来的发电,在科学领域广泛研究的一个领域。一种电化学装置称为固体氧化物燃料电池(SOFC)是能够直接将化学能转化为电能的48- - - - - -50]。电解质陶瓷材料将阳极和阴极组成。燃料在阳极发生氧化,而减少氧气在阴极发生,和离子的运输发生在电解液(51]。在阳极氧化,电子被释放。然后阴极收到这些电子,发生还原过程。这一运动的电子在阳极和阴极之间发电(52]。因此,传统的固体氧化物燃料电池(SOFC)可用于能源生产零污染排放,以水为发射,如图3。

在阳极氧化发生侧(54]: 和减少在阴极发生

因此,整体的反应

值得注意的是整个固体氧化物燃料电池的效率取决于输入(H₂作为燃料和O₂)和输出(电、热、和水)。为输入参数,必须考虑质量和能量平衡分析细胞的效率。输出参数,能量和质量平衡水,电,和热能也应该被考虑。所有这些术语可以被有效地确定整个单元的电流和电压。

一个ion-conducting氧化膜通常是用于固体氧化物燃料电池(sofc)。这种氧化ion-conducting SOFC执行700°C和1000°C之间,这是一个非常高温范围。固体氧化物燃料电池在高温下操作有很多好处。从本质上说,昂贵的铂(Pt)和钌(俄文)不需要催化剂[35),高温燃料(防止硫中毒55]。

固体氧化物燃料电池的阳极扮演着重要的角色在提供无功网站对燃料氧化反应发生在氧化物阴离子交付的电解液。阳极必须在高温下稳定在减少大气组成的H₂气态碳氢化合物,取决于所使用的燃料来源。阳极金属陶瓷Nickel-YSZ (Ni-YSZ)发展的一个至关重要的发现固体氧化物燃料电池(56]。这种材料符合所有所需的基准为阳极。一个廉价的发展,合适的固体氧化物燃料电池阳极材料是一项持久的努力(57,58]。

固体氧化物燃料电池电解质起着至关重要的作用在电极之间的导电离子物种,完成电路(59,60]。材料应该有足够高的离子和电子电导率低跨细胞避免短路。此外,材料必须稳定在正常温度和氧化,减少大气层能够形成一个薄,密集的电影。目前,8摩尔%钇掺杂ZrO₂是高温燃料电池的电解质的选择因为它的离子电导率,稳定,兼容其他细胞组件。然而,YSZ仅限于高温操作由于其可怜的离子电导率温度低于800°C。目标为固体氧化物燃料电池操作温度为500°C,减少高温材料的要求和降低成本(61年]。这提高了平衡,这样生成的热量可以用于进一步的能源生产,因此最大限度地提高设备的效率。这些变量推动进步的中间,和其他一些材料低温固体氧化物燃料电池电解质。低温固体氧化物燃料电池一直鼓励的发展,例如,小型便携设备的制造,如笔记本电脑、工业扫描仪、电池充电器、手机、摄像机等电子设备,需要延长使用期限(62年,63年]。

固体氧化物燃料电池阴极材料是建立在过去50年里,与广泛的工作优化导电率,热稳定性,促进氧气还原反应。阴极材料化学与电解质系统兼容,应该足够高导率(通常是S /厘米)增强反应。需要相结合的离子和电子电导率的大小增加三相边界(图则,反应网站在阴极氧气减少和转移到电解液。在一个纯粹的电子导电阴极,如洛杉矶_0.8老_0.2MnO₃(LSM),“网站仅限于cathode-electrolyte的接口(64年]。此外,阴极必须在不同温度范围的化学稳定性和足够的孔隙度通过阴极有效分发气态氧阴极/电解液界面(65年]。

固体氧化物燃料电池提供了几个优势相对于其他燃料电池设备。直接利用碳氢化合物燃料,可没有任何预处理,是固体氧化物燃料电池的主要好处之一66年]。高温固体氧化物燃料电池可以操作不同类型的燃料,不仅依靠纯粹的H₂。这种燃料灵活性的设施不仅来自直接从高温氧化在高温下还在阳极内部改革,容易将天然燃料转化为氢气或甲烷。随着燃料灵活,一个坚实的,热,机械稳定电解质是固体氧化物燃料电池的另一个主要优势。固体氧化物燃料电池的另一个重大好处结合热量和电力(CHP)系统是生产电加热家庭和住宅小区。考虑到住宅供暖一直被认为是一个具有挑战性的部门在燃料电池领域脱碳,固体氧化物燃料电池,结合micro-CHP单位,可以大大减少相关的排放67年]。固体氧化物燃料电池的整体效率可达90 - 95%热时利用。在英国,天然气的成本大约是£4每千瓦时。如果我们将它转化为电能效率60%,它将花费£6每千瓦时发电的家园。相比之下,电网的电力成本是£14每千瓦时,而标准的电力成本是16.6 p / kWh 2019年在英国(68年]。在美国,使用固体氧化物燃料电池发电每千瓦时成本将只在9美分到2021年底(69年),而平均标准电力成本是13.19美分每千瓦时(70年]。因此,它更方便,使用固体氧化物燃料电池发电的天然气价格下降,和多余的固体氧化物燃料电池发电的可以交给网格。

3所示。在大流行COVID-19固体氧化物燃料电池的作用

在COVID-19,医务工作者在从病人传播的风险最高。美国,受影响最严重国家截至2021年3月9日,是影响和死亡率最高的大流行期间,发现近2860万例(71年]。大约有1738812人受到影响只在纽约(截至2021年3月9日),在死亡的人数是48643 (72年]。在纽约有213家医院(73年]。由于COVID-19,床上的人数增加,但仍不足以满足需求。纽约州政府已经临时医院,和医院提供的主要分支,对所有受影响的病人。这些临时帐篷需要连续供电启动通风系统和操作其他电子服务。燃料电池可以克服这些挑战,并提供不间断发电以较低的成本。

根据卫生研究所的数据矩阵和评估,80076个床位(和9508加护病房床位)需要治疗COVID-19患者在2021年3月9日,在美国,这是一个更高的数量(74年]。学院旅馆、会议中心、酒店、体育馆变成了医院应对COVID-19病人的溢出的压力,特别是对于那些症状的病人不需要强化或紧急护理。此外,这些临时医院需要一个持续的供电系统。加州政府已经下令政府额外提供一个恒定的电源先进的医院建立应对这场灾难。布鲁姆能源,全球最大的固体氧化物燃料电池/燃料电池公司之一(75年),进行了微型智能电网"使用燃料电池系统能够为医院的迁就,以适应病人溢出。布鲁姆能源已经安装了一个400千瓦的燃料细胞微型智能电网"权力在加州一个临时医院,包含了几乎100个床位(76年]。固体氧化物燃料电池系统包括分布式发电,它可以很容易地操作没有配电线路和提供一个持续的电力供应在任何自然或人为灾害(77年]。因此,该分布式电力系统,删除临时帐篷之后,可以使用其他地方大流行的结束时间。

的电费必须每年支付相对较高。电力是昂贵的和脆弱的,燃料细胞热电联合系统可以用来发电我们需要没有麻烦的计费和网格上的额外动力。燃料电池micro-cogeneration系统是一个家庭能源系统,提供可持续的住宅和便携式能源(53]。同时,社会距离是一个重要的问题,人们必须在此COVID-19呆在家里一段时间。寒冷的天气可以减轻他们的国家能源需求通过SOFC-based micro-CHP系统。固体氧化物燃料电池已经被应用于个人住宅micro-CHP系统(67年在欧洲]。意大利、英国、德国等欧洲许多国家遭受这COVID-19,受到严重影响,造成经济损失。这些地方可以扩大本国电气化与micro-CHP系统(78年在这段锁定时间内。

是观察到的国家有炎热和潮湿的天气也可以抑制王报告的死亡人数在一个更低的利率et al。79年]。从亚洲国家通常有一个闷热和潮湿的气氛。尽管人们从这些地区的影响主要是由于新型冠状病毒,死亡率相对较低有关欧洲和北美的网站。虽然死亡人数在炎热的气候很低,受害者的数量高。适应这样大量的病人,床位的医院也需要适量所有紧急治疗设备和一个不间断电源。Micro-CCHP micro-CHP,两个系统,可以在这些区域有吸引力的能源发电技术(80年,81年]。图4描述了固体氧化物燃料电池如何cogenerated micro-CHP发电的住所和网格通过额外的权力。可再生燃料的使用低成本的材料和系统的操作弹性无疑会增加产品的需求。

固体氧化物燃料电池是一种最便宜的选择发电(82年- - - - - -84年]。这就是为什么固体氧化物燃料电池开发人员能够开发各种设计和集成和市场商业以较低的成本。通过改变细胞设计,可以减少固体氧化物燃料电池的总成本。因此,固体氧化物燃料电池的作用和使用能源生产和可持续发展是不可否认的,如果这个问题是商业化的重视。此外,不仅在大流行COVID-19或任何自然灾害的时候,固体氧化物燃料电池有可能在日常生活中帮助满足不断增长的电力需求。

4所示。结论

此刻,整个世界正在因为COVID-19大流行。为了应对这次大流行,有必要建立公众对保持社会距离和缓解能源需求增加。医生和卫生工作者不断努力拯救生命,燃料电池的角色,主要是固体氧化物燃料电池,在满足需要额外的能量在这个具有挑战性的时间是至关重要的。固体氧化物燃料电池可以提供上网和离网储能,它可以创建更大的系统的相互联系在紧急情况下能够提供能量。固体氧化物燃料电池产生大量的热量作为副产品在其操作,可以非常有用的医院的取暖和热水供应。即使最终大流行的结束和移动医院将被关闭,可以使用这些SOFC-distributed权力安排其他地方提供连续的电力。固体氧化物燃料电池的实现可持续的好处以及污染物零排放。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

克服各种奖项的研究生奖学金(UGS) Shammya Afroze由文莱达鲁萨兰国大学。

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