Водородните горивни клетки преобразуват химическата енергия на горивото в електричество, заобикаляйки неефективните процеси на изгаряне със загуби и преобразуването на топлинната енергия в механична енергия.
Описание:
Водородните горивни клетки преобразуват химическата енергия на горивото в електричество, заобикаляйки неефективните процеси на изгаряне със загуби и преобразуването на топлинната енергия в механична енергия. Водородната горивна клетка е електрохимиченустройството в резултат на високоефективно "студено" изгаряне на гориво директно генерира електричество. Горивната клетка водород-въздух с протонна обменна мембрана (PEMFC) е една от най-обещаващите горивни технологии. елементи.
Протон-проводима полимерна мембрана разделя двата електрода, анода и катода. Всеки електрод е въглеродна плоча (матрица), покрита с катализатор. Върху анодния катализатор молекулярният водород дисоциира и отдава електрони. Водородните катиони се провеждат през мембраната към катода, но електроните се отделят към външната верига, тъй като мембраната не позволява на електроните да преминават.
Върху катодния катализатор кислородна молекула се свързва с електрон (който се доставя от електрическата верига) и входящ протон и образува вода, която е единственият реакционен продукт (под формата на пара и/или течност).
Мембранно-електродните блокове са направени от водородни горивни клетки, които са ключовият генериращ елемент на енергийната система.
Предимства на водородните горивни клетки в сравнение с традиционните решения:
– повишена специфична енергийна интензивност (500 ÷ 1000 W*h/kg),
– разширен температурен диапазон на работа (-40 0 C / +40 0 C),
– липса на топлинно петно, шум и вибрации,
– надеждност при студен старт
– практически неограничен период на съхранение на енергия (без саморазреждане),
– възможност за промяна на енергийната интензивност на системата чрез промяна на броя на горивните касети, което осигурява почти неограничена автономност,
– способността да се осигури почти всеки разумен енергиен интензитет на системата чрез промяна на капацитета на хранилището за водород,
– висока консумация на енергия
– толерантност към примеси във водорода,
– дълъг експлоатационен живот,
- екологичност и безшумна работа.
Приложение:
– системи за захранване на UAV,
– преносими зарядни устройства,
– непрекъсваеми захранвания,
– Други устройства.
В съвременния живот химическите източници на електричество са навсякъде около нас: батерии във фенерчета, батерии в мобилни телефони, водородни горивни клетки, които вече се използват в някои автомобили. Бързото развитие на електрохимичните технологии може да доведе до факта, че в близко бъдеще вместо с бензинови коли ще бъдем заобиколени само от електрически превозни средства, телефоните вече няма да се изчерпват бързо и всяка къща ще има собствена горивна клетка електрически генератор. Една от съвместните програми на Уралския федерален университет с Института по високотемпературна електрохимия на Уралския клон на Руската академия на науките, в партньорство с които публикуваме тази статия, е посветена на подобряване на ефективността на електрохимичните акумулатори и генератори на енергия .
Днес има много различни видове батерии, сред които е все по-трудно да се ориентирате. Далеч не е ясно за всички как батерията се различава от суперкондензатор и защо водородната горивна клетка може да се използва без страх от вреда на околната среда. В тази статия ще говорим за това как се използват химични реакции за генериране на електричество, каква е разликата между основните видове съвременни химически източници на ток и какви перспективи се отварят за електрохимичната енергия.
Химията като източник на електричество
Първо, нека да разгледаме защо химическата енергия изобщо може да се използва за генериране на електричество. Работата е там, че при окислително-редукционните реакции електроните се прехвърлят между два различни йона. Ако двете половини на химическата реакция са разделени в пространството, така че окислението и редукцията да се извършват отделно една от друга, тогава е възможно да се гарантира, че електрон, който се откъсва от един йон, не попада веднага върху втория, а първо върви по предварително определен за него път. Тази реакция може да се използва като източник на електрически ток.
Тази концепция е въведена за първи път през 18 век от италианския физиолог Луиджи Галвани. Действието на традиционната галванична клетка се основава на реакциите на редукция и окисление на метали с различна активност. Например, класическа клетка е галванична клетка, в която цинкът се окислява и медта се редуцира. Реакциите на редукция и окисление протичат съответно на катода и анода. И така, че медните и цинковите йони да не попадат на "чужда територия", където могат да реагират директно един с друг, обикновено между анода и катода се поставя специална мембрана. В резултат на това между електродите възниква потенциална разлика. Ако свържете електродите, например, с електрическа крушка, токът започва да тече в получената електрическа верига и електрическата крушка светва.
Схема на галваничен елемент
Wikimedia Commons
В допълнение към материалите на анода и катода, важен компонент на химическия източник на ток е електролитът, вътре в който се движат йони и на чиято граница протичат всички електрохимични реакции с електродите. В този случай електролитът не трябва да е течен - той може да бъде както полимер, така и керамичен материал.
Основният недостатък на галваничния елемент е ограниченото време на работа. Веднага след като реакцията стигне до края (т.е. целият постепенно разтварящ се анод е напълно изразходван), такъв елемент просто ще спре да работи.
Пръстови алкални батерии
Акумулаторна
Първата стъпка към разширяване на възможностите на химическите източници на ток беше създаването на батерия - източник на ток, който може да се презарежда и следователно да се използва повторно. За да направят това, учените просто предложиха да се използват обратими химични реакции. След пълно разреждане на батерията за първи път, с помощта на външен източник на ток, протичащата в нея реакция може да се стартира в обратна посока. Това ще възстанови първоначалното състояние, така че батерията да може да се използва отново след презареждане.
Автомобилна оловно-киселинна батерия
Към днешна дата са създадени много различни видове батерии, които се различават по вида на протичащата в тях химична реакция. Най-често срещаните видове батерии са оловно-киселинни (или просто оловни) батерии, които се основават на окислително-редукционната реакция на оловото. Такива устройства имат доста дълъг експлоатационен живот, а консумацията им на енергия е до 60 ватчаса на килограм. Още по-популярни напоследък са литиево-йонните батерии, базирани на литиево-редукционната реакция. Енергийната интензивност на съвременните литиево-йонни батерии вече надхвърля 250 ватчаса на килограм.
Li-ion батерия за мобилен телефон
Основните проблеми на литиево-йонните батерии са ниската им ефективност при ниски температури, бързото стареене и повишената експлозивност. И поради факта, че литиевият метал реагира много активно с водата, за да образува водороден газ и се отделя кислород, когато батерията гори, спонтанното запалване на литиево-йонна батерия е много трудно за използване с традиционните методи за гасене на пожар. За да се подобри безопасността на такава батерия и да се ускори времето за зареждане, учените предлагат катоден материал, който предотвратява образуването на дендритни литиеви структури и добавя вещества към електролита, които образуват експлозивни структури и компоненти, които се запалват в ранните етапи .
Твърд електролит
Като друг по-малко очевиден начин за подобряване на ефективността и безопасността на батериите, химиците предложиха да не се ограничават до течни електролити в химически източници на енергия, а да създадат изцяло източник на енергия в твърдо състояние. В такива устройства изобщо няма течни компоненти, но има слоеста структура от твърд анод, твърд катод и твърд електролит между тях. Електролитът в същото време изпълнява функцията на мембраната. Носителите на заряд в твърдия електролит могат да бъдат различни йони, в зависимост от неговия състав и реакциите, протичащи на анода и катода. Но те винаги са достатъчно малки йони, които могат да се движат относително свободно през кристала, например H + протони, Li + литиеви йони или O 2-кислородни йони.
Водородни горивни клетки
Възможността за презареждане и специалните мерки за сигурност правят батериите много по-обещаващ източник на ток от конвенционалните батерии, но все пак всяка батерия съдържа ограничено количество реагенти вътре и следователно ограничен запас от енергия и всеки път, когато батерията трябва да се презарежда за възобновяване на изпълнението му.
За да направите батерията „безкрайна“, е възможно да използвате като източник на енергия не онези вещества, които са вътре в клетката, а гориво, специално изпомпвано през нея. Най-доброто от всичко е, че вещество, което е възможно най-просто по състав, екологично чисто и налично в изобилие на Земята, е най-подходящо като такова гориво.
Най-подходящото вещество от този тип е водородният газ. Неговото окисление с атмосферен кислород до образуване на вода (според реакцията 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) е проста редокс реакция и транспортът на електрони между йони също може да се използва като източник на ток. Реакцията, протичаща в този случай, е нещо като реакция, обратна на реакцията на електролиза на водата (при която под действието на електрически ток водата се разлага на кислород и водород), като за първи път такава схема е предложена още в средата на 19 век.
Но въпреки факта, че схемата изглежда доста проста, създаването на ефективно устройство, базирано на този принцип, изобщо не е тривиална задача. За да направите това, е необходимо да се разделят потоците от кислород и водород в пространството, да се осигури транспортирането на необходимите йони през електролита и да се намалят възможните загуби на енергия на всички етапи на работа.
Принципна схема на работа на водородна горивна клетка
Схемата на работеща водородна горивна клетка е много подобна на схемата на химически източник на ток, но съдържа допълнителни канали за подаване на гориво и окислител и отстраняване на продуктите от реакцията и излишните подадени газове. Електродите в такъв елемент са порести проводими катализатори. Газообразно гориво (водород) се подава към анода, а окислител (кислород от въздуха) се подава към катода, а на границата на всеки от електродите с електролита протича собствена полуреакция (окисление на водорода и респективно намаляване на кислорода). В този случай, в зависимост от вида на горивната клетка и вида на електролита, самото образуване на вода може да протича както в анодното, така и в катодното пространство.
Водородна горивна клетка на Toyota
Джоузеф Брент / flickr
Ако електролитът е протоннопроводим полимер или керамична мембрана, киселинен или алкален разтвор, тогава носителят на заряд в електролита са водородни йони. В този случай молекулярният водород се окислява на анода до водородни йони, които преминават през електролита и там реагират с кислорода. Ако кислородният йон O 2– е носителят на заряда, както в случая на твърд оксиден електролит, тогава кислородът се редуцира до йон на катода, този йон преминава през електролита и окислява водорода на анода, за да образува вода и освобождава електрони.
В допълнение към реакцията на окисляване на водород за горивни клетки беше предложено да се използват други видове реакции. Например, вместо водород, редукторното гориво може да бъде метанол, който се окислява от кислород до въглероден диоксид и вода.
Ефективност на горивните клетки
Въпреки всички предимства на водородните горивни клетки (като екологичност, практически неограничена ефективност, компактни размери и висока енергийна интензивност), те имат и редица недостатъци. Те включват, на първо място, постепенното стареене на компонентите и трудностите при съхранението на водород. Именно върху това как да премахнат тези недостатъци учените работят днес.
Понастоящем се предлага да се повиши ефективността на горивните клетки чрез промяна на състава на електролита, свойствата на електрода на катализатора и геометрията на системата (което осигурява подаването на горивни газове до желаната точка и намалява страничните ефекти). За решаване на проблема със съхранението на водороден газ се използват материали, съдържащи платина, за насищане на които, например, графенови мембрани.
В резултат на това е възможно да се постигне увеличаване на стабилността на горивната клетка и живота на отделните й компоненти. Сега коефициентът на преобразуване на химическата енергия в електрическа енергия в такива клетки достига 80 процента, а при определени условия може да бъде дори по-висок.
Огромните перспективи за водородната енергия са свързани с възможността за комбиниране на горивни клетки в цели батерии, превръщайки ги в електрически генератори с висока мощност. Дори сега електрическите генератори, работещи с водородни горивни клетки, имат мощност до няколкостотин киловата и се използват като източници на енергия за превозни средства.
Алтернативно електрохимично съхранение
В допълнение към класическите електрохимични източници на ток, по-необичайни системи също се използват като устройства за съхранение на енергия. Една от тези системи е суперкондензатор (или йонистор) - устройство, в което се получава разделяне и натрупване на заряда поради образуването на двоен слой близо до заредена повърхност. На интерфейса електрод-електролит в такова устройство йони с различни знаци се подреждат в два слоя, така нареченият "двоен електрически слой", образувайки вид много тънък кондензатор. Капацитетът на такъв кондензатор, тоест количеството натрупан заряд, ще се определя от специфичната повърхност на електродния материал; следователно е изгодно да се вземат порести материали с максимална специфична повърхност като материал за суперкондензатори.
Йонисторите са шампиони сред зарядно-разрядните химически източници на ток по отношение на скоростта на зареждане, което е несъмнено предимство на този тип устройства. За съжаление, те също са рекордьори по отношение на скоростта на разреждане. Енергийната плътност на йонисторите е осем пъти по-малка в сравнение с оловните батерии и 25 пъти по-малка от литиево-йонните. Класическите "двуслойни" йонистори не използват електрохимична реакция в сърцевината си и терминът "кондензатор" се прилага най-точно към тях. Въпреки това, в тези версии на йонистори, които се основават на електрохимична реакция и натрупването на заряд се простира в дълбочината на електрода, е възможно да се постигнат по-високи времена на разреждане, като същевременно се поддържа бърза скорост на зареждане. Усилията на разработчиците на суперкондензатори са насочени към създаване на хибридни устройства с батерии, които съчетават предимствата на суперкондензаторите, предимно висока скорост на зареждане, и предимствата на батериите - висока енергийна интензивност и дълго време за разреждане. Представете си в близко бъдеще йонисторна батерия, която ще се зарежда за няколко минути и ще захранва лаптоп или смартфон за ден или повече!
Въпреки факта, че сега енергийната плътност на суперкондензаторите все още е няколко пъти по-малка от енергийната плътност на батериите, те се използват в потребителската електроника и за двигатели на различни превозни средства, включително най-много.
* * *
По този начин днес има голям брой електрохимични устройства, всяко от които е обещаващо за своите специфични приложения. За да подобрят ефективността на тези устройства, учените трябва да решат редица проблеми, както фундаментални, така и технологични. Повечето от тези задачи в рамките на един от революционните проекти се решават в Уралския федерален университет, затова попитахме Максим Ананиев, директор на Института по високотемпературна електрохимия на Уралския клон на Руската академия на науките, Професор от катедрата по технология на електрохимичното производство на Химикотехнологичния институт на Уралския федерален университет, за да ни разкаже за непосредствените планове и перспективи за разработването на съвременни горивни клетки.
N+1: Има ли алтернатива на най-популярните Li-Ion батерии в близко бъдеще?
Максим Ананиев:Съвременните усилия на разработчиците на батерии са насочени към замяна на типа носител на заряд в електролита от литий на натрий, калий и алуминий. В резултат на замяната на лития ще бъде възможно да се намали цената на батерията, въпреки че характеристиките на теглото и размерите ще се увеличат пропорционално. С други думи, при същите електрически характеристики натриево-йонната батерия ще бъде по-голяма и по-тежка от литиево-йонната батерия.
В допълнение, една от обещаващите области на развитие за подобряване на батериите е създаването на хибридни химически източници на енергия, базирани на комбинацията от метални йонни батерии с въздушен електрод, както в горивните клетки. Като цяло посоката на създаване на хибридни системи, както вече беше показано на примера на суперкондензаторите, очевидно в близко бъдеще ще позволи да се видят на пазара химически източници на енергия с високи потребителски характеристики.
Уралският федерален университет, заедно с академични и индустриални партньори от Русия и света, в момента изпълнява шест мегапроекта, които са фокусирани върху пробивни области на научните изследвания. Един от тези проекти е "Перспективни технологии на електрохимичното енергийно инженерство от химическо проектиране на нови материали до ново поколение електрохимични устройства за енергоспестяване и преобразуване".
Група учени от Стратегическото академично звено (SAU) UrFU School of Natural Sciences and Mathematics, която включва Максим Ананиев, се занимава с проектиране и разработване на нови материали и технологии, включително горивни клетки, електролитни клетки, метални графенови батерии, електрохимични системи за съхранение на енергия и суперкондензатори.
Изследователската и научна работа се извършва в постоянно сътрудничество с Института по високотемпературна електрохимия на Уралския клон на Руската академия на науките и с подкрепата на партньори.
Кои горивни клетки се разработват в момента и имат най-голям потенциал?
Един от най-обещаващите видове горивни клетки са протонно-керамичните клетки. Те имат предимства пред полимерните горивни клетки с протонообменна мембрана и твърди оксидни клетки, тъй като могат да работят с директно захранване с въглеводородно гориво. Това значително опростява дизайна на електроцентрала, базирана на протонно-керамични горивни клетки и системата за управление, и следователно повишава надеждността на работа. Вярно е, че този тип горивни клетки е исторически по-малко развит в момента, но съвременните научни изследвания ни позволяват да се надяваме на висок потенциал на тази технология в бъдеще.
С какви проблеми, свързани с горивните клетки, се занимават сега Уралският федерален университет?
Сега учените от UrFU, заедно с Института по високотемпературна електрохимия (IHTE) на Уралския клон на Руската академия на науките, работят върху създаването на високоефективни електрохимични устройства и автономни генератори на енергия за приложения в разпределената енергия. Създаването на електроцентрали за разпределена енергия първоначално предполага разработването на хибридни системи, базирани на генератор на електрическа енергия и устройство за съхранение, които са батерии. В същото време горивната клетка работи постоянно, осигурявайки натоварване в пиковите часове, а в неактивен режим зарежда батерията, която сама по себе си може да служи като резерв както при висока консумация на енергия, така и в случай на аварийни ситуации.
Химиците от Уралския федерален университет и IHTE постигнаха най-голям успех в разработването на твърди оксидни и протонно-керамични горивни клетки. От 2016 г. в Урал, съвместно с държавната корпорация „Росатом“, е създадено първото руско производство на електроцентрали, базирани на твърди оксидни горивни клетки. Разработката на уралските учени вече е преминала "полеви" изпитания в станцията за катодна защита на газопровода на експерименталната площадка на ООО "Уралтрансгаз". Електроцентралата с номинална мощност 1,5 киловата е работила повече от 10 хиляди часа и е показала висок потенциал за използване на подобни устройства.
В рамките на съвместната лаборатория на Уралския федерален университет и IHTE се разработват електрохимични устройства на базата на протоннопроводима керамична мембрана. Това ще позволи в близко бъдеще да се намалят работните температури за твърди оксидни горивни клетки от 900 на 500 градуса по Целзий и да се откаже от предварителния реформинг на въглеводородното гориво, като по този начин се създадат рентабилни електрохимични генератори, способни да работят в условията на развита инфраструктура за доставка на газ в Русия.
Александър Дубов
Вкарвам фитинга на маркуча за пълнене в гърловината за пълнене на гориво и го завъртам на половин оборот, за да уплътня връзката. Щракване на превключвателя и мигането на светодиода на бензиностанцията с огромен надпис h3 показва, че зареждането е започнало. Минута - и резервоарът е пълен, можете да отидете!
Елегантни контури на каросерията, ултраниско окачване, нископрофилни сликове издават истинска състезателна порода. През прозрачния капак можете да видите тънкостите на тръбопроводите и кабелите. Някъде вече съм виждал подобно решение ... О, да, на Audi R8 двигателят се вижда и през задното стъкло. Но при Audi е традиционен бензин, а тази кола работи на водород. Подобно на BMW Hydrogen 7, но за разлика от последния, тук няма двигател с вътрешно горене. Единствените движещи се части са кормилното устройство и роторът на електродвигателя. А енергията за него се осигурява от горивна клетка. Тази кола е пусната от сингапурската компания Horizon Fuel Cell Technologies, която е специализирана в разработването и производството на горивни клетки. През 2009 г. британската компания Riversimple вече представи градски водороден автомобил, задвижван от горивни клетки Horizon Fuel Cell Technologies. Той е разработен в сътрудничество с университетите в Оксфорд и Кранфийлд. Но Horizon H-racer 2.0 е самостоятелна разработка.
Горивната клетка се състои от два порести електрода, покрити със слой катализатор и разделени от протонообменна мембрана. Водородът на анодния катализатор се превръща в протони и електрони, които чрез анода и външна електрическа верига достигат до катода, където водородът и кислородът се рекомбинират, за да образуват вода.
"Отивам!" - по гагарински ме побутва с лакът главният редактор. Но не толкова бързо: първо трябва да „загреете“ горивната клетка при частично натоварване. Превключвам превключвателя в режим „загряване“ („загряване“) и чакам определеното време. След това за всеки случай доливам резервоара докрай. Сега да тръгваме: машината, плавно бръмчейки с двигателя, се движи напред. Динамиката е впечатляваща, но обаче какво друго да очакваме от електрически автомобил - моментът е постоянен при всяка скорост. Макар и не за дълго - пълен резервоар с водород стига само за няколко минути (Horizon обещава да пусне нова версия в близко бъдеще, в която водородът не се съхранява като газ под налягане, а се задържа от порест материал в адсорбер) . Да, и се контролира, честно казано, не много добре - има само два бутона на дистанционното управление. Но във всеки случай е жалко, че това е само радиоуправляема играчка, която ни струва 150 долара. Нямаме нищо против да караме истински автомобил с горивни клетки като електроцентрала.
Резервоарът, еластичен гумен контейнер в твърд корпус, се разтяга при зареждане с гориво и работи като горивна помпа, "изстисквайки" водород в горивната клетка. За да не се "пълни" резервоарът, един от фитингите е свързан с пластмасова тръба към авариен предпазен клапан.
Колона за пълнене
Направи го сам
Horizon H-racer 2.0 идва като SKD (направи си сам) комплект, можете да го закупите например от Amazon. Въпреки това не е трудно да се сглоби - просто поставете горивната клетка на място и я фиксирайте с винтове, свържете маркучите към резервоара за водород, горивната клетка, гърловината за пълнене и аварийния клапан и остава само да поставите горната част на тялото на място, без да забравяме предната и задната броня. Комплектът се предлага със станция за зареждане, която получава водород чрез електролиза на вода. Захранва се с две АА батерии, а ако желаете енергията да е напълно “чиста” - от соларни панели (те също са включени).
www.popmech.ru
Как да направите горивна клетка със собствените си ръце?
Разбира се, най-простото решение на проблема с осигуряването на непрекъсната работа на системи без гориво е закупуването на готов вторичен източник на енергия на хидравлична или друга основа, но в този случай със сигурност няма да е възможно да се избегне допълнителни разходи и в този процес е доста трудно да се обмисли каквато и да е идея за полет на творческа мисъл. Освен това да направите горивна клетка със собствените си ръце изобщо не е толкова трудно, колкото може да си помислите на пръв поглед, и ако желаете, дори и най-неопитен майстор може да се справи със задачата. В допълнение, повече от приятен бонус ще бъдат ниските разходи за създаване на този елемент, тъй като въпреки всичките му предимства и важност, ще бъде абсолютно безопасно да се справите с наличните импровизирани средства.
В същото време единственият нюанс, който трябва да се вземе предвид, преди да изпълните задачата, е, че можете да направите устройство с изключително ниска мощност със собствените си ръце, а изпълнението на по-напреднали и сложни инсталации все още трябва да бъде оставено на квалифицирани специалисти . Що се отнася до реда на работа и последователността на действията, на първо място трябва да се завърши кутията, за която е най-добре да се използва дебелостенен плексиглас (поне 5 сантиметра). За залепване на стените на кутията и монтиране на вътрешни прегради, за които е най-добре да използвате по-тънък плексиглас (3 милиметра са достатъчни), идеално е да използвате двукомпозитно лепило, въпреки че при силно желание можете да направите висококачествено запояване направено независимо, като се използват следните пропорции: на 100 грама хлороформ - 6 грама стърготини от същия плексиглас.
В този случай процесът трябва да се извърши изключително под капака. За да оборудвате кутията с така наречената дренажна система, е необходимо внимателно да пробиете проходен отвор в предната му стена, чийто диаметър ще съответства точно на размерите на гумената запушалка, която служи като вид уплътнение между кутията и стъклената дренажна тръба. Що се отнася до размерите на самата тръба, идеално е да се предвиди нейната ширина, равна на пет или шест милиметра, въпреки че всичко зависи от вида на проектираната конструкция. По-вероятно е потенциалните читатели на тази статия да бъдат малко изненадани от стария противогаз, посочен в списъка с необходимите елементи за направата на горивна клетка. Междувременно, цялата полза от това устройство се крие в активния въглен, разположен в отделенията на неговия респиратор, който по-късно може да се използва като електроди.
Тъй като говорим за прахообразна консистенция, за да подобрите дизайна, ще ви трябват найлонови чорапи, от които лесно можете да направите торба и да поставите въглища там, в противен случай просто ще се излее от дупката. Що се отнася до разпределителната функция, горивото се концентрира в първата камера, докато кислородът, необходим за нормалното функциониране на горивната клетка, напротив, ще циркулира в последното, пето отделение. Самият електролит, разположен между електродите, трябва да се импрегнира със специален разтвор (бензин с парафин в съотношение 125 към 2 милилитра), като това трябва да стане дори преди въздушният електролит да бъде поставен в четвъртото отделение. За да се осигури правилна проводимост, върху въглищата се поставят медни плочи с предварително запоени проводници, през които ще се предава електричество от електродите.
Този етап на проектиране може безопасно да се счита за окончателен, след което готовото устройство се зарежда, за което е необходим електролит. За да го приготвите, е необходимо да смесите равни части етилов алкохол с дестилирана вода и да продължите с постепенното въвеждане на каустичен калий в размер на 70 грама на чаша течност. Първият тест на изработеното устройство се състои в едновременното пълнене на първия (горивна течност) и третия (електролит от етилов алкохол и каустик поташ) контейнери на корпуса от плексиглас.
www.uznay-kak.ru
Водородни горивни клетки | ЛАВЕНТ
От дълго време исках да ви разкажа за друга посока на компанията Alfaintek. Това е разработка, продажба и сервиз на водородни горивни клетки. Искам веднага да обясня ситуацията с тези горивни клетки в Русия.
Поради доста високата цена и пълното отсъствие на водородни станции за зареждане на тези горивни клетки, не се очаква те да бъдат продавани в Русия. Въпреки това в Европа, особено във Финландия, тези горивни клетки набират популярност всяка година. каква е тайната Нека да погледнем. Това устройство е екологично, лесно за работа и ефективно. Той идва на помощ на човек, когато има нужда от електрическа енергия. Можете да го вземете със себе си на път, на поход, да го използвате в страната, в апартамента като автономен източник на електроенергия.
Електричеството в горивната клетка се генерира от химическата реакция на водород от цилиндър с метален хидрид и кислород от въздуха. Цилиндърът не е експлозивен и може да се съхранява в гардероба ви с години, чакайки времето си. Това е може би едно от основните предимства на тази технология за съхранение на водород. Именно съхранението на водород е един от основните проблеми при разработването на водородно гориво. Уникални нови леки горивни клетки, които преобразуват водорода в конвенционално електричество по безопасен, тих начин и без емисии.
Този вид електричество може да се използва на места, където няма централно електричество, или като авариен източник на захранване.
За разлика от конвенционалните батерии, които трябва да се зареждат и в същото време да се изключват от консуматора на електроенергия по време на процеса на зареждане, горивната клетка работи като „умно“ устройство. Тази технология осигурява непрекъснато захранване през целия период на използване благодарение на уникалната функция за поддържане на мощността при смяна на резервоара за гориво, което позволява на потребителя никога да не изключва консуматора. В затворен корпус горивните клетки могат да се съхраняват няколко години без загуба на водород и намаляване на мощността им.
Горивната клетка е предназначена за учени и изследователи, служители на реда, спасители, собственици на кораби и яхтени пристанища и всеки, който се нуждае от надежден източник на енергия в случай на авария. Можете да получите напрежение от 12 волта или 220 волта и тогава ще имате достатъчно енергия, за да използвате телевизор, стерео уредба, хладилник, кафе машина, чайник, прахосмукачка, бормашина, микро печка и други електрически уреди.
Хидроклетъчните горивни клетки могат да се продават като единична единица или като батерии от 2-4 клетки. Два или четири елемента могат да се комбинират или за увеличаване на мощността, или за увеличаване на тока.
ВРЕМЕ НА РАБОТА НА ДОМАКИНСКИ УРЕДИ С ГОРИВНИ КЛЕТКИ
| Електрически уреди | Работно време на ден (мин.) | минуси мощност на ден (W*h) | Време на работа с горивни клетки |
|||
| Електрическа кана | ||||||
| Кафе машина | ||||||
| Микроплака | ||||||
| телевизор | ||||||
| 1 крушка 60W | ||||||
| 1 крушка 75W | ||||||
| 3 крушки 60W | ||||||
| компютър лаптоп | ||||||
| Хладилник | ||||||
| Енергоспестяваща лампа | ||||||
* - непрекъсната работа
Горивните клетки се зареждат напълно в специални водородни станции. Но какво ще стане, ако пътувате далеч от тях и няма начин да презаредите? Специално за такива случаи специалистите на Alfaintek са разработили цилиндри за съхранение на водород, с които горивните клетки ще работят много по-дълго.
Произвеждат се два вида бутилки: NS-MN200 и NS-MN1200.Сглобената NS-MN200 е с размер малко по-голям от кутия на Coca-Cola, побира 230 литра водород, което съответства на 40Ah (12V) и тежи само 2.5 кг. Бутилка с метален хидрид NS-MH1200 побира 1200 литра водород, което отговаря на 220Ah (12V). Теглото на цилиндъра е 11 кг.
Техниката на металния хидрид е безопасен и лесен начин за съхранение, транспортиране и използване на водород. Когато се съхранява като метален хидрид, водородът е под формата на химично съединение, а не в газообразна форма. Този метод дава възможност да се получи достатъчно висока енергийна плътност. Предимството на използването на метален хидрид е, че налягането вътре в цилиндъра е само 2-4 бара.Цилиндърът не е взривоопасен и може да се съхранява с години, без да се намалява обемът на веществото. Тъй като водородът се съхранява като метален хидрид, чистотата на водорода, получен от цилиндъра, е много висока, 99,999%. Цилиндри за съхранение на водород под формата на метален хидрид могат да се използват не само с горивни клетки HC 100,200,400, но и в други случаи, когато е необходим чист водород. Цилиндрите могат лесно да бъдат свързани към горивна клетка или друго устройство с конектор за бързо свързване и гъвкав маркуч.
Жалко, че тези горивни клетки не се продават в Русия. Но сред нашето население има толкова много хора, които се нуждаят от тях. Е, да почакаме и да видим, вие погледнете и ние ще имаме. Междувременно ще купуваме наложени от държавата енергоспестяващи крушки.
P.S. Изглежда, че темата окончателно е потънала в забрава. Толкова години след написването на тази статия нищо не излезе. Може би, разбира се, не търся навсякъде, но това, което хваща окото ми, никак не е приятно. Технологията и идеята са добри, но развитие все още не е намерено.
lavent.ru
Горивната клетка е бъдещето, което започва днес!
Началото на 21 век разглежда екологията като една от най-важните световни задачи. И първото нещо, на което трябва да се обърне внимание при сегашните условия, е търсенето и използването на алтернативни източници на енергия. Именно те са в състояние да предотвратят замърсяването на околната среда около нас, както и напълно да се откажат от непрекъснато нарастващата цена на въглеводородното гориво.
Още днес се използват източници на енергия като слънчеви клетки и вятърни турбини. Но, за съжаление, липсата им е свързана с зависимостта от времето, както и от сезона и времето на деня. Поради тази причина тяхното използване в космонавтиката, самолетостроенето и автомобилостроенето постепенно се изоставя, а за стационарно използване се оборудват с вторични източници на енергия - батерии.
Най-доброто решение обаче е горивната клетка, тъй като не изисква постоянно зареждане с енергия. Това е устройство, което може да обработва и преобразува различни видове гориво (бензин, алкохол, водород и др.) директно в електрическа енергия.
Горивната клетка работи на следния принцип: отвън се подава гориво, което се окислява от кислород, а освободената в този случай енергия се превръща в електричество. Този принцип на работа осигурява почти вечна работа.
Започвайки от края на 19-ти век, учените изучават директно горивната клетка и непрекъснато разработват нови нейни модификации. И така, днес, в зависимост от условията на работа, има алкални или алкални (AFC), директен борохидрат (DBFC), електрогалваничен (EGFC), директен метанол (DMFC), цинков въздух (ZAFC), микробен (MFC), известни са също модели на мравчена киселина (DFAFC) и метален хидрид (MHFC).
Една от най-обещаващите е водородната горивна клетка. Използването на водород в електроцентралите е придружено от значително освобождаване на енергия, а отработените газове на такова устройство са чиста водна пара или питейна вода, която не представлява заплаха за околната среда.
Успешното тестване на горивни клетки от този тип на космически кораби наскоро предизвика значителен интерес сред производителите на електроника и различно оборудване. Например PolyFuel представи миниатюрна водородна горивна клетка за лаптопи. Но твърде високата цена на такова устройство и трудността при безпрепятственото му зареждане ограничава промишленото производство и широкото разпространение. Honda също така произвежда горивни клетки за автомобили повече от 10 години. Този вид транспорт обаче не се продава, а само за служебни нужди на служителите на компанията. Автомобилите са под надзора на инженери.
Мнозина се чудят дали е възможно да сглобите горивна клетка със собствените си ръце. В крайна сметка значително предимство на домашно приготвено устройство ще бъде малка инвестиция, за разлика от индустриалния модел. За миниатюрен модел ще ви трябват 30 см платинова никелирана тел, малко парче пластмаса или дърво, щипка за 9-волтова батерия и самата батерия, прозрачно тиксо, чаша вода и волтметър. Такова устройство ще ви позволи да видите и разберете същността на работата, но, разбира се, няма да работи за генериране на електричество за автомобила.
fb.ru
Водородни горивни клетки: малко история | Водород
В наше време проблемът с недостига на традиционни енергийни ресурси и влошаването на екологията на планетата като цяло поради тяхното използване е особено остър. Ето защо през последните години бяха изразходвани значителни финансови и интелектуални ресурси за разработването на потенциално обещаващи заместители на въглеводородните горива. Водородът може да стане такъв заместител в много близко бъдеще, тъй като използването му в електроцентралите е придружено от освобождаване на голямо количество енергия, а отработените газове са водни пари, тоест не представляват опасност за околната среда.
Въпреки някои все още съществуващи технически трудности при въвеждането на базирани на водород горивни клетки, много производители на автомобили са оценили обещанието на технологията и вече активно разработват прототипи на масово произвеждани превозни средства, способни да използват водород като основно гориво. Още през 2011 г. Daimler AG представи концептуални модели на Mercedes-Benz с водородни електроцентрали. Освен това корейската компания Hyndayi официално обяви, че не възнамерява повече да разработва електрически автомобили, а ще концентрира всички усилия върху разработването на достъпна водородна кола.
Въпреки че идеята за използване на водород като гориво не е дива за мнозина, повечето не разбират как работят водородните горивни клетки и какво е толкова забележително в тях.
За да разберем важността на технологията, предлагаме да се обърнем към историята на водородните горивни клетки.
Първият човек, който описва потенциала на използването на водород в горивна клетка, е германецът Кристиан Фридрих. Още през 1838 г. той публикува работата си в известно научно списание от онова време.
Още на следващата година съдия от Ouls, сър Уилям Робърт Гроув, създаде прототип на работеща водородна батерия. Мощността на устройството обаче беше твърде малка дори по тогавашните стандарти, така че нямаше въпрос за практическата му употреба.
Що се отнася до термина "горивна клетка", той дължи своето съществуване на учените Лудвиг Монд и Чарлз Лангер, които през 1889 г. се опитват да създадат горивна клетка, работеща с въздух и коксов газ. Според други терминът е използван за първи път от Уилям Уайт Жак, който пръв решава да използва фосфорна киселина в електролита.
През 20-те години на миналия век в Германия са проведени редица изследвания, резултатът от които е откриването на твърди оксидни горивни клетки и начини за използване на карбонатния цикъл. Трябва да се отбележи, че тези технологии се използват ефективно в наше време.
През 1932 г. инженерът Франсис Т. Бейкън започва работа по изследването на директни горивни клетки, базирани на водород. Преди него учените използваха утвърдена схема - порести платинени електроди се поставяха в сярна киселина. Очевидният недостатък на такава схема е преди всичко в нейната неоправдана висока цена поради използването на платина. Освен това използването на сярна киселина каустик представлява заплаха за здравето, а понякога и за живота на изследователите. Бейкън реши да оптимизира веригата и замени платината с никел и използва алкален състав като електролит.
Благодарение на продуктивната работа за усъвършенстване на технологията си, Бейкън още през 1959 г. представя на широката общественост оригиналната си водородна горивна клетка, която произвежда 5 kW и може да захранва заваръчна машина. Той нарече представеното устройство „Бекон сел“.
През октомври същата година е създаден уникален трактор, който работи с водород и произвежда двадесет конски сили.
През шейсетте години на двадесети век американската компания General Electric, схемата, разработена от Бейкън, беше подобрена и приложена към космическите програми Apollo и NASA Gemini. Специалисти от НАСА стигнаха до извода, че използването на ядрен реактор е твърде скъпо, технически трудно и небезопасно. Освен това беше необходимо да се откаже от използването на батерии със слънчеви панели поради големите им размери. Решението на проблема бяха водородните горивни клетки, които са в състояние да снабдяват космическия кораб с енергия, а неговия екипаж с чиста вода.
Първият автобус, използващ водород като гориво, е построен през 1993 г. А прототипи на леки автомобили, задвижвани от водородни горивни клетки, вече бяха представени през 1997 г. от световни автомобилни марки като Toyota и Daimler Benz.
Малко странно е, че обещаващо екологично чисто гориво, внедрено преди петнадесет години в автомобил, все още не е широко разпространено. Има много причини за това, основните от които може би са политически и взискателност при създаването на подходяща инфраструктура. Да се надяваме, че водородът все пак ще си каже думата и ще бъде сериозен конкурент на електрическите автомобили.(odnaknopka)
energycraft.org
Създадена на 14.07.2012 20:44 Автор: Алексей Норкин
Нашето материално общество без енергия не може не само да се развива, но и изобщо да съществува. Откъде идва енергията? Доскоро хората използваха само един начин да го получат, ние се борихме с природата, изгаряйки извлечените трофеи в горивните камери, първо у дома, а след това в парни локомотиви и мощни ТЕЦ.
Няма етикети върху киловатчасовете, консумирани от съвременния лаик, които да показват колко години природата е работила, за да може един цивилизован човек да се възползва от предимствата на технологиите, и колко години трябва да работи, за да смекчи вредите, причинени на я от такава цивилизация. В обществото обаче назрява разбирането, че рано или късно илюзорната идилия ще приключи. Все по-често хората измислят начини да осигурят енергия за своите нужди с минимални щети за природата.
Водородните горивни клетки са свещеният граал на чистата енергия. Те обработват водород, един от често срещаните елементи на периодичната таблица, и отделят само вода, най-разпространеното вещество на планетата. Розовата картина се разваля от липсата на достъп на хората до водорода като вещество. Има много, но само в свързано състояние и е много по-трудно да се извлече, отколкото да се изпомпва нефт от недрата или да се изкопаят въглища.
Един от вариантите за чисто и екологично производство на водород са микробните горивни клетки (MTB), които използват микроорганизми за разлагане на водата на кислород и водород. Тук също не всичко е гладко. Микробите вършат отлична работа за производството на чисто гориво, но за да постигне необходимата на практика ефективност, MTB се нуждае от катализатор, който ускорява една от химичните реакции на процеса.
Този катализатор е благородният метал платина, чиято цена прави използването на MTB икономически неоправдано и практически невъзможно.
Учени от университета на Уисконсин-Милуоки намериха заместител на скъп катализатор. Вместо платина, те предложиха да се използват евтини нанопръчки, направени от комбинация от въглерод, азот и желязо. Новият катализатор се състои от графитни пръчки с въведен азот в повърхностния слой и ядра от железен карбид. По време на тримесечното тестване на новостта катализаторът показа по-високи възможности от тези на платината. Работата на нанопръчките се оказа по-стабилна и контролируема.
И най-важното е, че идеята на учените от университета е много по-евтина. Така цената на платиновите катализатори е приблизително 60% от цената на MTB, докато цената на нанопръчките е 5% от текущата им цена.
Според създателя на каталитичните нанопръчки, професор Юхонг Чен (Junhong Chen): „Горивните клетки са в състояние директно да преобразуват горивото в електричество. Заедно с тях електричеството от възобновяеми източници може да бъде доставено там, където е необходимо, което е чисто, ефективно и устойчиво.“
Сега професор Чен и неговият екип от изследователи са заети с изучаването на точните характеристики на катализатора. Тяхната цел е да придадат практическа насоченост на изобретението си, да го направят подходящо за масово производство и използване.
Според Gizmag
www.facepla.net
Водородни горивни клетки и енергийни системи
Автомобилът, задвижван с вода, скоро може да стане реалност и водородните горивни клетки ще бъдат инсталирани в много домове...
Технологията за водородни горивни клетки не е нова. Започва през 1776 г., когато Хенри Кавендиш за първи път открива водород, докато разтваря метали в разредени киселини. Първата водородна горивна клетка е изобретена още през 1839 г. от Уилям Гроув. Оттогава водородните горивни клетки постепенно се усъвършенстват и сега се монтират в космически совалки, като ги захранват с енергия и служат като източник на вода. Днес технологията за водородни горивни клетки е на ръба да достигне масовия пазар, в автомобили, домове и преносими устройства.
Във водородна горивна клетка химическата енергия (под формата на водород и кислород) се преобразува директно (без изгаряне) в електрическа енергия. Горивната клетка се състои от катод, електроди и анод. Водородът се подава към анода, където се разделя на протони и електрони. Протоните и електроните имат различни пътища до катода. Протоните преминават през електрода към катода, а електроните пътуват около горивните клетки, за да стигнат до катода. Това движение създава впоследствие използваема електрическа енергия. От друга страна, водородните протони и електрони се комбинират с кислорода, за да образуват вода.
Електролизерите са един от начините за извличане на водород от вода. Процесът е по същество обратен на това, което се случва, когато работи водородна горивна клетка. Електролизерът се състои от анод, електрохимична клетка и катод. Вода и напрежение се прилагат към анода, който разделя водата на водород и кислород. Водородът преминава през електрохимичната клетка към катода, а кислородът се подава директно към катода. Оттам могат да се извличат и съхраняват водород и кислород. По време на време, когато не е необходимо да се произвежда електричество, натрупаният газ може да бъде изтеглен от хранилището и върнат обратно през горивната клетка.
Тази система използва водород като гориво, което вероятно е причината да има много митове за нейната безопасност. След експлозията на Хинденбург много хора, далеч от науката и дори някои учени, започнаха да вярват, че използването на водород е много опасно. Последните изследвания обаче показаха, че причината за тази трагедия се дължи на вида на материала, който е използван в конструкцията, а не на водорода, който е изпомпван вътре. След провеждане на тестове за безопасността на съхранението на водород беше установено, че съхраняването на водород в горивни клетки е по-безопасно от съхраняването на бензин в резервоар за гориво на автомобил.
Колко струват съвременните водородни горивни клетки? В момента компаниите предлагат водородни горивни системи за производство на енергия за около $3000 на киловат. Проучване на пазара установи, че когато цената падне до 1500 долара за киловат, потребителите на масовия енергиен пазар ще бъдат готови да преминат към този вид гориво.
Превозните средства с водородни горивни клетки все още са по-скъпи от превозните средства с двигатели с вътрешно горене, но производителите проучват начини да повишат цената до сравнимо ниво. В някои отдалечени райони, където няма електропроводи, използването на водород като гориво или автономно захранване у дома сега може да бъде по-икономично, отколкото например изграждането на инфраструктура за традиционни енергийни носители.
Защо водородните горивни клетки все още не се използват широко? В момента високата им цена е основният проблем за разпространението на водородни горивни клетки. Водородните горивни системи просто нямат масово търсене в момента. Науката обаче не стои неподвижна и в близко бъдеще автомобил, работещ на вода, може да стане истинска реалност.
www.tesla-tehnika.biz
Подобно на съществуването на различни видове двигатели с вътрешно горене, има различни видове горивни клетки - изборът на подходящ тип горивна клетка зависи от нейното приложение.
Горивните клетки се делят на високотемпературни и нискотемпературни. Нискотемпературни горивни клеткиизискват относително чист водород като гориво. Това често означава, че е необходима преработка на гориво, за да се превърне първичното гориво (като природен газ) в чист водород. Този процес изисква допълнителна енергия и изисква специално оборудване. Високотемпературни горивни клеткине се нуждаят от тази допълнителна процедура, тъй като могат да "вътрешно преобразуват" горивото при повишени температури, което означава, че няма нужда да се инвестира във водородна инфраструктура.
Горивни клетки върху разтопен карбонат (MCFC)
Горивните клетки с разтопен карбонатен електролит са високотемпературни горивни клетки. Високата работна температура позволява директно използване на природен газ без горивен процесор и горивен газ с ниска калоричност от технологични горива и други източници. Този процес е разработен в средата на 60-те години. Оттогава технологията на производство, производителността и надеждността са подобрени.
Работата на RCFC е различна от другите горивни клетки. Тези клетки използват електролит от смес от разтопени карбонатни соли. В момента се използват два вида смеси: литиев карбонат и калиев карбонат или литиев карбонат и натриев карбонат. За стопяване на карбонатни соли и постигане на висока степен на подвижност на йони в електролита, горивните клетки с разтопен карбонатен електролит работят при високи температури (650°C). Ефективността варира между 60-80%.
При нагряване до температура от 650°C солите стават проводник за карбонатни йони (CO 3 2-). Тези йони преминават от катода към анода, където се комбинират с водород, за да образуват вода, въглероден диоксид и свободни електрони. Тези електрони се изпращат през външна електрическа верига обратно към катода, генерирайки електрически ток и топлина като страничен продукт.
Анодна реакция: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Реакция на катода: CO 2 + 1 / 2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Обща реакция на елемент: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (катод) => H 2 O (g) + CO 2 (анод)
Високите работни температури на горивните клетки с разтопен карбонатен електролит имат определени предимства. При високи температури природният газ се реформира вътрешно, елиминирайки нуждата от горивен процесор. В допълнение, предимствата включват възможността за използване на стандартни материали за изработка, като лист от неръждаема стомана и никелов катализатор върху електродите. Отпадната топлина може да се използва за генериране на пара под високо налягане за различни промишлени и търговски цели.
Високите реакционни температури в електролита също имат своите предимства. Използването на високи температури отнема много време за достигане на оптимални работни условия и системата реагира по-бавно на промените в консумацията на енергия. Тези характеристики позволяват използването на системи с горивни клетки с разтопен карбонатен електролит при условия на постоянна мощност. Високите температури предотвратяват повреда на горивните клетки от въглероден окис, "отравяне" и т.н.
Горивните клетки от стопен карбонат са подходящи за използване в големи стационарни инсталации. Промишлено произведени са топлоелектрически централи с изходна електрическа мощност 2,8 MW. Разработват се инсталации с изходна мощност до 100 MW.
Горивни клетки с фосфорна киселина (PFC)
Горивните клетки на базата на фосфорна (ортофосфорна) киселина бяха първите горивни клетки за търговска употреба. Този процес е разработен в средата на 60-те години на миналия век и е тестван от 70-те години на миналия век. Оттогава стабилността, производителността и цената са увеличени.
Горивните клетки на базата на фосфорна (ортофосфорна) киселина използват електролит на основата на ортофосфорна киселина (H 3 PO 4) с концентрация до 100%. Йонната проводимост на фосфорната киселина е ниска при ниски температури, поради тази причина тези горивни клетки се използват при температури до 150–220°C.
Носителят на заряд в горивните клетки от този тип е водород (Н +, протон). Подобен процес протича в горивните клетки с протонообменна мембрана (MEFC), в които водородът, подаден към анода, се разделя на протони и електрони. Протоните преминават през електролита и се свързват с кислорода от въздуха на катода, за да образуват вода. Електроните се насочват по външна електрическа верига и се генерира електрически ток. По-долу са реакциите, които генерират електричество и топлина.
Реакция на анода: 2H 2 => 4H + + 4e -
Реакция на катода: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2H 2 O
Реакция на общ елемент: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Ефективността на горивните клетки на базата на фосфорна (ортофосфорна) киселина е повече от 40% при генериране на електрическа енергия. При комбинираното производство на топлинна и електрическа енергия общата ефективност е около 85%. В допълнение, при дадени работни температури, отпадната топлина може да се използва за загряване на вода и генериране на пара при атмосферно налягане.
Високата производителност на ТЕЦ с горивни клетки на базата на фосфорна (ортофосфорна) киселина при комбинирано производство на топлина и електричество е едно от предимствата на този тип горивни клетки. Инсталациите използват въглероден оксид в концентрация от около 1,5%, което значително разширява избора на гориво. Освен това CO 2 не влияе на електролита и работата на горивната клетка, този тип клетки работят с реформирано естествено гориво. Простата конструкция, ниската летливост на електролита и повишената стабилност също са предимства на този тип горивни клетки.
Промишлено се произвеждат топлоелектрически централи с изходна електрическа мощност до 400 kW. Инсталациите за 11 MW са преминали съответните тестове. Разработват се инсталации с изходна мощност до 100 MW.
Горивни клетки с протонна обменна мембрана (PME)
Горивните клетки с протонообменна мембрана се считат за най-добрия тип горивни клетки за производство на енергия от превозни средства, които могат да заменят бензиновите и дизеловите двигатели с вътрешно горене. Тези горивни клетки бяха използвани за първи път от НАСА за програмата Джемини. Днес се разработват и демонстрират инсталации на MOPFC с мощност от 1 W до 2 kW.
Тези горивни клетки използват твърда полимерна мембрана (тънък пластмасов филм) като електролит. Когато се импрегнира с вода, този полимер пропуска протони, но не провежда електрони.
Горивото е водород, а носителят на заряд е водороден йон (протон). На анода водородната молекула се разделя на водороден йон (протон) и електрони. Водородните йони преминават през електролита към катода, докато електроните се движат около външния кръг и произвеждат електрическа енергия. Кислородът, който се взема от въздуха, се подава към катода и се комбинира с електрони и водородни йони, за да образува вода. Върху електродите протичат следните реакции:
Реакция на анода: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Реакция на катода: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Реакция на общ елемент: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
В сравнение с други видове горивни клетки, горивните клетки с протонообменна мембрана произвеждат повече мощност за даден обем или тегло на горивната клетка. Тази функция им позволява да бъдат компактни и леки. Освен това работната температура е под 100°C, което ви позволява бързо да започнете работа. Тези характеристики, както и способността за бърза промяна на изхода на енергия, са само някои от характеристиките, които правят тези горивни клетки основен кандидат за използване в превозни средства.
Друго предимство е, че електролитът е твърдо, а не течно вещество. Задържането на газовете на катода и анода е по-лесно с твърд електролит и следователно такива горивни клетки са по-евтини за производство. В сравнение с други електролити, използването на твърд електролит не създава проблеми като ориентация, има по-малко проблеми поради появата на корозия, което води до по-дълъг живот на клетката и нейните компоненти.
Горивни клетки с твърд оксид (SOFC)
Горивните клетки с твърд оксид са горивните клетки с най-висока работна температура. Работната температура може да варира от 600°C до 1000°C, което позволява използването на различни видове гориво без специална предварителна обработка. За да се справи с тези високи температури, използваният електролит е тънък твърд метален оксид на керамична основа, често сплав от итрий и цирконий, който е проводник на кислородни (O 2 -) йони. Технологията за използване на твърди оксидни горивни клетки се развива от края на 50-те години на миналия век. и има две конфигурации: равнинна и тръбна.
Твърдият електролит осигурява херметичен преход на газ от един електрод към друг, докато течните електролити са разположени в порест субстрат. Носителят на заряд в горивните клетки от този тип е кислородният йон (O 2 -). На катода кислородните молекули се отделят от въздуха на кислороден йон и четири електрона. Кислородните йони преминават през електролита и се комбинират с водорода, за да образуват четири свободни електрона. Електроните се насочват през външна електрическа верига, генерирайки електрически ток и отпадна топлина.
Реакция на анода: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Реакция на катода: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Реакция на общ елемент: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Ефективността на генерираната електрическа енергия е най-висока от всички горивни клетки - около 60%. В допълнение, високите работни температури позволяват комбинирано производство на топлина и електроенергия за генериране на пара под високо налягане. Комбинирането на високотемпературна горивна клетка с турбина създава хибридна горивна клетка за увеличаване на ефективността на производството на електроенергия с до 70%.
Горивните клетки с твърд оксид работят при много високи температури (600°C-1000°C), което води до дълго време за достигане на оптимални работни условия, а системата реагира по-бавно на промените в консумацията на енергия. При такива високи работни температури не е необходим конвертор за възстановяване на водород от горивото, което позволява на топлоелектрическата централа да работи с относително нечисти горива от газификация на въглища или отпадъчни газове и други подобни. Също така, тази горивна клетка е отлична за приложения с висока мощност, включително промишлени и големи централни електроцентрали. Индустриално произведени модули с изходна електрическа мощност 100 kW.
Горивни клетки с директно окисление на метанол (DOMTE)
Технологията за използване на горивни клетки с директно окисление на метанол е в период на активно развитие. Успешно се наложи в областта на захранването на мобилни телефони, лаптопи, както и за създаване на преносими източници на енергия. към какво е насочено бъдещото приложение на тези елементи.
Структурата на горивните клетки с директно окисление на метанол е подобна на горивните клетки с протонна обменна мембрана (MOFEC), т.е. като електролит се използва полимер, а като носител на заряд се използва водороден йон (протон). Течният метанол (CH 3 OH) обаче се окислява в присъствието на вода на анода, освобождавайки CO 2 , водородни йони и електрони, които се насочват през външна електрическа верига, и се генерира електрически ток. Водородните йони преминават през електролита и реагират с кислорода от въздуха и електроните от външната верига, за да образуват вода на анода.
Реакция на анода: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Реакция на катода: 3 / 2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Реакция на общ елемент: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O
Разработването на тези горивни клетки започва в началото на 90-те години. След разработването на подобрени катализатори и благодарение на други скорошни иновации, плътността на мощността и ефективността са увеличени до 40%.
Тези елементи са тествани в температурен диапазон 50-120°C. С ниски работни температури и без нужда от преобразувател, горивните клетки с директен метанол са най-добрият кандидат за приложения, вариращи от мобилни телефони и други потребителски продукти до автомобилни двигатели. Предимството на този тип горивни клетки е техният малък размер, поради използването на течно гориво и липсата на необходимост от използване на конвертор.
Алкални горивни клетки (AFC)
Алкалните горивни клетки (ALFC) са една от най-изследваните технологии и се използват от средата на 60-те години на миналия век. от НАСА в програмите Аполо и Космическата совалка. На борда на тези космически кораби горивните клетки произвеждат електричество и питейна вода. Алкалните горивни клетки са едни от най-ефективните елементи, използвани за генериране на електричество, като ефективността на производството на електроенергия достига до 70%.
Алкалните горивни клетки използват електролит, т.е. воден разтвор на калиев хидроксид, съдържащ се в пореста, стабилизирана матрица. Концентрацията на калиев хидроксид може да варира в зависимост от работната температура на горивната клетка, която варира от 65°C до 220°C. Носителят на заряд в SFC е хидроксиден йон (OH-), който се движи от катода към анода, където реагира с водород, за да произведе вода и електрони. Водата, произведена на анода, се връща обратно към катода, отново генерирайки хидроксидни йони там. В резултат на тази поредица от реакции, протичащи в горивната клетка, се произвежда електричество и, като страничен продукт, топлина:
Реакция на анода: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Реакция на катода: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Обща реакция на системата: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Предимството на SFC е, че тези горивни клетки са най-евтините за производство, тъй като необходимият катализатор на електродите може да бъде всяко от веществата, които са по-евтини от тези, използвани като катализатори за други горивни клетки. В допълнение, SCFC работят при относително ниска температура и са сред най-ефективните горивни клетки - такива характеристики могат съответно да допринесат за по-бързо генериране на енергия и висока горивна ефективност.
Една от характерните черти на SHTE е неговата висока чувствителност към CO 2 , който може да се съдържа в горивото или въздуха. CO 2 реагира с електролита, бързо го отравя и значително намалява ефективността на горивната клетка. Следователно използването на SFC е ограничено до затворени пространства като космически и подводни превозни средства, те трябва да работят с чист водород и кислород. Освен това, молекули като CO, H 2 O и CH 4, които са безопасни за други горивни клетки и дори гориво за някои от тях, са вредни за SFC.
Горивни клетки с полимерен електролит (PETE)
В случай на горивни клетки с полимерен електролит, полимерната мембрана се състои от полимерни влакна с водни области, в които има проводимост на водни йони H 2 O + (протон, червено), прикрепени към водната молекула. Водните молекули представляват проблем поради бавния обмен на йони. Поради това е необходима висока концентрация на вода както в горивото, така и върху изпускателните електроди, което ограничава работната температура до 100°C.
Горивни клетки с твърда киселина (SCFC)
В горивните клетки с твърда киселина електролитът (C s HSO 4 ) не съдържа вода. Следователно работната температура е 100-300°C. Въртенето на SO 4 2-окси анионите позволява на протоните (червени) да се движат, както е показано на фигурата. Обикновено горивната клетка с твърда киселина е сандвич, в който много тънък слой от твърдо киселинно съединение е поставен между два плътно компресирани електрода, за да се осигури добър контакт. При нагряване органичният компонент се изпарява, излизайки през порите в електродите, запазвайки способността за многобройни контакти между горивото (или кислорода в другия край на клетката), електролита и електродите.
| Тип горивна клетка | Работна температура | Ефективност на производството на електроенергия | Тип гориво | Област на приложение |
|---|---|---|---|---|
| РКТЕ | 550–700°C | 50-70% | Средни и големи инсталации | |
| FKTE | 100–220°C | 35-40% | чист водород | Големи инсталации |
| MOPTE | 30-100°C | 35-50% | чист водород | Малки инсталации |
| SOFC | 450–1000°C | 45-70% | Повечето въглеводородни горива | Малки, средни и големи инсталации |
| ПОМТЕ | 20-90°С | 20-30% | метанол | Преносими единици |
| ЩЕ | 50–200°C | 40-65% | чист водород | космически изследвания |
| ПИТ | 30-100°C | 35-50% | чист водород | Малки инсталации |
Част 1
Тази статия разглежда по-подробно принципа на работа на горивните клетки, техния дизайн, класификация, предимства и недостатъци, обхват, ефективност, история на създаване и съвременни перспективи за използване. Във втората част на статията, който ще бъде публикуван в следващия брой на списание АБОК, дава примери за съоръжения, където различни видове горивни клетки са използвани като източници на топлина и електричество (или само електричество).
Въведение
Горивните клетки са много ефективен, надежден, издръжлив и екологичен начин за генериране на енергия.
Първоначално използвани само в космическата индустрия, горивните клетки сега се използват все повече в различни области - като стационарни електроцентрали, автономни източници на топлина и енергия за сгради, двигатели на превозни средства, захранвания за лаптопи и мобилни телефони. Някои от тези устройства са лабораторни прототипи, някои са подложени на предсерийни тестове или се използват за демонстрационни цели, но много модели се произвеждат масово и се използват в търговски проекти.
Горивна клетка (електрохимичен генератор) е устройство, което преобразува химическата енергия на горивото (водород) в електрическа енергия в процеса на електрохимична реакция директно, за разлика от традиционните технологии, които използват изгаряне на твърди, течни и газообразни горива. Директното електрохимично преобразуване на горивото е много ефективно и привлекателно от екологична гледна точка, тъй като по време на работа се отделя минимално количество замърсители и няма силни шумове и вибрации.
От практическа гледна точка горивната клетка прилича на обикновена галванична батерия. Разликата се състои в това, че първоначално батерията е заредена, т.е. пълна с „гориво“. По време на работа "горивото" се изразходва и батерията се разрежда. За разлика от батерията, горивната клетка използва гориво, доставяно от външен източник за генериране на електрическа енергия (фиг. 1).
За производството на електрическа енергия може да се използва не само чист водород, но и други съдържащи водород суровини, като природен газ, амоняк, метанол или бензин. Като източник на кислород, който също е необходим за реакцията, се използва обикновен въздух.
Когато чистият водород се използва като гориво, продуктите на реакцията, в допълнение към електрическата енергия, са топлина и вода (или водна пара), т.е. в атмосферата не се отделят газове, които причиняват замърсяване на въздуха или предизвикват парников ефект. Ако суровина, съдържаща водород, като природен газ, се използва като гориво, други газове, като въглеродни и азотни оксиди, ще бъдат страничен продукт от реакцията, но тяхното количество е много по-малко, отколкото при изгарянето на същото количество природен газ.
Процесът на химическо преобразуване на гориво с цел получаване на водород се нарича реформинг, а съответното устройство се нарича реформатор.
Предимства и недостатъци на горивните клетки
Горивните клетки са по-енергийно ефективни от двигателите с вътрешно горене, тъй като няма термодинамично ограничение за енергийната ефективност на горивните клетки. Ефективността на горивните клетки е 50%, докато ефективността на двигателите с вътрешно горене е 12-15%, а ефективността на парните турбини не надвишава 40%. Чрез използването на топлина и вода ефективността на горивните клетки се повишава допълнително.
За разлика например от двигателите с вътрешно горене, ефективността на горивните клетки остава много висока дори когато не работят на пълна мощност. В допълнение, мощността на горивните клетки може да се увеличи чрез просто добавяне на отделни блокове, докато ефективността не се променя, т.е. големите инсталации са толкова ефективни, колкото и малките. Тези обстоятелства позволяват много гъвкав избор на състава на оборудването в съответствие с желанията на клиента и в крайна сметка водят до намаляване на разходите за оборудване.
Важно предимство на горивните клетки е тяхната екологичност. Емисиите във въздуха от горивните клетки са толкова ниски, че в някои части на Съединените щати не се изискват специални разрешителни от държавните агенции за качеството на въздуха.
Горивните клетки могат да се поставят директно в сградата, като по този начин се намаляват загубите при пренос на енергия, а генерираната в резултат на реакцията топлина може да се използва за подаване на топлина или топла вода на сградата. Автономните източници на топлина и електроенергия могат да бъдат много полезни в отдалечени райони и в региони, които се характеризират с недостиг на електроенергия и нейната висока цена, но в същото време има запаси от водородсъдържащи суровини (петрол, природен газ) .
Предимствата на горивните клетки също са наличието на гориво, надеждността (в горивната клетка няма движещи се части), издръжливостта и лекотата на работа.
Един от основните недостатъци на горивните клетки днес е тяхната относително висока цена, но този недостатък може да бъде преодолян скоро - все повече компании произвеждат търговски образци на горивни клетки, те непрекъснато се подобряват и цената им намалява.
Най-ефективното използване на чист водород като гориво, но това ще изисква създаването на специална инфраструктура за неговото производство и транспортиране. В момента всички търговски проекти използват природен газ и подобни горива. Моторните превозни средства могат да използват обикновен бензин, което ще позволи поддържането на съществуващата развита мрежа от бензиностанции. Използването на такова гориво обаче води до вредни емисии в атмосферата (макар и много ниски) и усложнява (и съответно оскъпява) горивната клетка. В бъдеще се обмисля възможността за използване на екологични възобновяеми енергийни източници (например слънчева енергия или вятърна енергия) за разлагане на водата на водород и кислород чрез електролиза и след това преобразуване на полученото гориво в горивна клетка. Такива комбинирани инсталации, работещи в затворен цикъл, могат да бъдат напълно екологичен, надежден, издръжлив и ефективен източник на енергия.
Друга характеристика на горивните клетки е, че те са най-ефективни, когато използват едновременно електрическа и топлинна енергия. Възможността за използване на топлинна енергия обаче не е налице във всяко съоръжение. В случай на използване на горивни клетки само за генериране на електрическа енергия, тяхната ефективност намалява, въпреки че надвишава ефективността на "традиционните" инсталации.
История и съвременни приложения на горивните клетки
Принципът на действие на горивните клетки е открит през 1839 г. Английският учен Уилям Гроув (1811-1896) открива, че процесът на електролиза - разлагането на водата на водород и кислород с помощта на електрически ток - е обратим, т.е. водородът и кислородът могат да се комбинират във водни молекули без изгаряне, но с отделянето на топлина и електрически ток. Гроув нарече устройството, в което се проведе такава реакция, "газова батерия", което беше първата горивна клетка.
Активното развитие на технологиите за горивни клетки започва след Втората световна война и е свързано с космическата индустрия. По това време се търсеше ефективен и надежден, но в същото време доста компактен източник на енергия. През 60-те години на миналия век специалистите на НАСА (Национална администрация по аеронавтика и изследване на космоса, НАСА) избраха горивни клетки като източник на енергия за космически кораби на програмите Аполо (пилотирани полети до Луната), Аполо-Союз, Джемини и Скайлаб. Apollo използва три единици от 1,5 kW (2,2 kW пикова мощност), използващи криогенен водород и кислород за производство на електричество, топлина и вода. Масата на всяка инсталация е 113 кг. Тези три клетки работеха паралелно, но енергията, генерирана от една единица, беше достатъчна за безопасно връщане. По време на 18 полета горивните клетки са натрупали общо 10 000 часа без никакви повреди. В момента горивни клетки се използват в космическата совалка „Спейс шатъл“, която използва три блока с мощност 12 W, които генерират цялата електрическа енергия на борда на космическия кораб (фиг. 2). Водата, получена в резултат на електрохимична реакция, се използва като питейна вода, както и за охлаждане на оборудване.
В нашата страна също се работи за създаване на горивни клетки за използване в космонавтиката. Например горивни клетки са използвани за захранване на съветската космическа совалка Буран.
Разработването на методи за търговско използване на горивни клетки започва в средата на 60-те години. Тези разработки бяха частично финансирани от държавни организации.
В момента развитието на технологиите за използване на горивни клетки върви в няколко посоки. Това е създаването на стационарни електроцентрали на горивни клетки (както за централизирано, така и за децентрализирано енергоснабдяване), електроцентрали на превозни средства (създадени са проби от автомобили и автобуси на горивни клетки, включително в нашата страна) (фиг. 3) и също и захранвания за различни мобилни устройства (лаптопи, мобилни телефони и др.) (фиг. 4).
Примери за използване на горивни клетки в различни области са дадени в таблица. 1.
Един от първите търговски модели на горивни клетки, предназначени за автономно отопление и захранване на сгради, беше PC25 Model A, произведен от ONSI Corporation (сега United Technologies, Inc.). Тази горивна клетка с номинална мощност 200 kW принадлежи към типа клетки с електролит на базата на фосфорна киселина (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Числото "25" в името на модела означава серийния номер на дизайна. Повечето предишни модели бяха експериментални или тестови, като модела 12,5kW "PC11", представен през 70-те години. Новите модели увеличиха мощността, взета от една горивна клетка, и също така намалиха цената на киловат произведена енергия. В момента един от най-ефективните търговски модели е горивната клетка PC25 Model C. Подобно на модел "А", това е напълно автоматична горивна клетка тип PAFC с мощност 200 kW, предназначена за инсталиране директно върху обслужвания обект като самостоятелен източник на топлина и електроенергия. Такава горивна клетка може да бъде инсталирана извън сградата. Външно представлява паралелепипед с дължина 5,5 м, ширина 3 м и височина 3 м, с тегло 18 140 кг. Разликата от предишните модели е подобрен реформатор и по-висока плътност на тока.
| маса 1 Обхват на горивните клетки |
|||||||||||||||
|
В някои видове горивни клетки химическият процес може да бъде обърнат: чрез прилагане на потенциална разлика към електродите водата може да се разложи на водород и кислород, които се събират върху порести електроди. Когато се свърже товар, такава регенеративна горивна клетка ще започне да генерира електрическа енергия.
Обещаващо направление за използване на горивни клетки е използването им заедно с възобновяеми енергийни източници, като фотоволтаични панели или вятърни турбини. Тази технология ви позволява напълно да избегнете замърсяването на въздуха. Подобна система се планира да бъде създадена например в Центъра за обучение на Адам Джоузеф Луис в Оберлин (вж. АБОК, 2002, № 5, стр. 10). В момента слънчевите панели се използват като един от източниците на енергия в тази сграда. Съвместно със специалисти от НАСА е разработен проект за използване на фотоволтаични панели за производство на водород и кислород от вода чрез електролиза. След това водородът се използва в горивни клетки за генериране на електричество и топла вода. Това ще позволи на сградата да поддържа работата на всички системи през облачните дни и през нощта.
Принципът на действие на горивните клетки
Нека разгледаме принципа на работа на горивна клетка, използвайки като пример най-простия елемент с протонна обменна мембрана (Proton Exchange Membrane, PEM). Такъв елемент се състои от полимерна мембрана, поставена между анода (положителен електрод) и катода (отрицателен електрод) заедно с анода и катодния катализатор. Като електролит се използва полимерна мембрана. Диаграмата на PEM елемента е показана на фиг. 5.
Протонообменната мембрана (PEM) е тънко (с дебелина приблизително 2-7 листа обикновена хартия) твърдо органично съединение. Тази мембрана функционира като електролит: тя разделя материята на положително и отрицателно заредени йони в присъствието на вода.
На анода протича окислителен процес, а на катода - процес на редукция. Анодът и катодът в клетката PEM са направени от порест материал, който е смес от частици от въглерод и платина. Платината действа като катализатор, който насърчава реакцията на дисоциация. Анодът и катодът са направени порести за свободно преминаване на водород и кислород съответно през тях.
Анодът и катодът са поставени между две метални пластини, които подават водород и кислород към анода и катода и отвеждат топлина и вода, както и електрическа енергия.
Молекулите на водорода преминават през каналите в плочата до анода, където молекулите се разпадат на отделни атоми (фиг. 6).
Фигура 5 () Схематична диаграма на горивна клетка с протонообменна мембрана (PEM). |
|
Фигура 6 () Молекулите на водорода през каналите в плочата навлизат в анода, където молекулите се разлагат на отделни атоми |
|
Фигура 7 () В резултат на хемосорбция в присъствието на катализатор водородните атоми се превръщат в протони |
|
Фигура 8 () Положително заредените водородни йони дифундират през мембраната към катода и потокът от електрони се насочва към катода през външна електрическа верига, към която е свързан товарът. |
|
Фигура 9 () Кислородът, подаден към катода, в присъствието на катализатор, влиза в химична реакция с водородни йони от протонообменната мембрана и електрони от външната електрическа верига. Водата се образува в резултат на химическа реакция |
След това, в резултат на хемосорбция в присъствието на катализатор, водородните атоми, всеки от които отдава един електрон e - , се превръщат в положително заредени водородни йони Н +, т.е. протони (фиг. 7).
Положително заредените водородни йони (протони) дифундират през мембраната към катода, а потокът от електрони се насочва към катода през външна електрическа верига, към която е свързан товарът (консуматор на електрическа енергия) (фиг. 8).
Кислородът, подаден на катода, в присъствието на катализатор, влиза в химична реакция с водородни йони (протони) от протонообменната мембрана и електрони от външната електрическа верига (фиг. 9). В резултат на химическа реакция се образува вода.
Химическата реакция в горивна клетка от други видове (например с кисел електролит, който е разтвор на фосфорна киселина H 3 PO 4) е абсолютно идентична с химическата реакция в горивна клетка с протонообменна мембрана.
Във всяка горивна клетка част от енергията на химическа реакция се освобождава като топлина.
Потокът от електрони във външна верига е постоянен ток, който се използва за извършване на работа. Отварянето на външната верига или спирането на движението на водородните йони спира химическата реакция.
Количеството електрическа енергия, произведена от горивна клетка, зависи от вида на горивната клетка, геометричните размери, температурата, налягането на газа. Една горивна клетка осигурява ЕМП под 1,16 V. Възможно е увеличаване на размера на горивните клетки, но на практика се използват няколко клетки, свързани в батерии (фиг. 10).
Устройство с горивна клетка
Нека разгледаме устройството с горивни клетки на примера на модела PC25 Model C. Схемата на горивната клетка е показана на фиг. единадесет.
Горивната клетка "PC25 Model C" се състои от три основни части: горивен процесор, същинска секция за генериране на електроенергия и преобразувател на напрежение.
Основната част от горивната клетка - секцията за производство на електроенергия - е стек, съставен от 256 отделни горивни клетки. Съставът на електродите на горивните клетки включва платинен катализатор. Чрез тези клетки се генерира постоянен електрически ток от 1400 ампера при напрежение от 155 волта. Размерите на батерията са приблизително 2,9 м дължина и 0,9 м ширина и височина.
Тъй като електрохимичният процес протича при температура от 177 ° C, е необходимо батерията да се нагрее по време на стартиране и да се отстрани топлината от нея по време на работа. За да направите това, горивната клетка включва отделна водна верига, а батерията е оборудвана със специални охлаждащи плочи.
Горивният процесор ви позволява да преобразувате природния газ във водород, който е необходим за електрохимична реакция. Този процес се нарича реформиране. Основният елемент на горивния процесор е реформаторът. В реформатора природният газ (или друго гориво, съдържащо водород) реагира с пара при висока температура (900 °C) и високо налягане в присъствието на никелов катализатор. Протичат следните химични реакции:
CH 4 (метан) + H 2 O 3H 2 + CO
(реакция ендотермична, с поглъщане на топлина);
CO + H 2 O H 2 + CO 2
(реакцията е екзотермична, с отделяне на топлина).
Общата реакция се изразява с уравнението:
CH 4 (метан) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2
(реакция ендотермична, с поглъщане на топлина).
За да се осигури високата температура, необходима за преобразуване на природен газ, част от отработеното гориво от комина на горивните клетки се насочва към горелка, която поддържа реформатора при необходимата температура.
Парата, необходима за реформинг, се генерира от кондензата, образуван по време на работата на горивната клетка. В този случай се използва топлината, отстранена от купчината горивни клетки (фиг. 12).
Комплектът горивни клетки генерира периодичен постоянен ток, който се характеризира с ниско напрежение и висок ток. Преобразувател на напрежение се използва за преобразуването му в промишлен стандарт AC. Освен това модулът за преобразуване на напрежение включва различни контролни устройства и вериги за блокиране на безопасността, които позволяват изключване на горивната клетка в случай на различни повреди.
В такава горивна клетка приблизително 40% от енергията в горивото може да се преобразува в електрическа енергия. Приблизително същото количество, около 40% от енергията на горивото, може да се преобразува в топлинна енергия, която след това се използва като източник на топлина за отопление, топла вода и други подобни цели. Така общата ефективност на такава инсталация може да достигне 80%.
Важно предимство на такъв източник на топлина и електричество е възможността за неговата автоматична работа. За поддръжка собствениците на съоръжението, на което е инсталирана горивната клетка, не е необходимо да поддържат специално обучен персонал - периодичната поддръжка може да се извършва от служители на експлоатационната организация.
Видове горивни клетки
Понастоящем са известни няколко вида горивни клетки, които се различават по състава на използвания електролит. Най-разпространени са следните четири типа (Таблица 2):
1. Горивни клетки с протоннообменна мембрана (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).
2. Горивни клетки на основата на ортофосфорна (фосфорна) киселина (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).
3. Горивни клетки на базата на разтопен карбонат (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).
4. Горивни клетки с твърд оксид (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). В момента най-големият парк от горивни клетки е изграден на базата на технологията PAFC.
Една от ключовите характеристики на различните видове горивни клетки е работната температура. В много отношения температурата е тази, която определя обхвата на горивните клетки. Например високите температури са критични за лаптопите, така че за този пазарен сегмент се разработват горивни клетки с протонна обменна мембрана с ниски работни температури.
За автономно захранване на сгради са необходими горивни клетки с висока инсталирана мощност, като в същото време е възможно да се използва топлинна енергия, следователно за тези цели могат да се използват други видове горивни клетки.
Горивни клетки с протонна обменна мембрана (PEMFC)
Тези горивни клетки работят при относително ниски работни температури (60-160°C). Те се характеризират с висока плътност на мощността, позволяват бързо регулиране на изходната мощност и могат бързо да се включат. Недостатъкът на този тип елементи е високите изисквания към качеството на горивото, тъй като замърсеното гориво може да повреди мембраната. Номиналната мощност на горивните клетки от този тип е 1-100 kW.
Горивните клетки с протонообменна мембрана първоначално са разработени от General Electric Corporation през 60-те години за НАСА. Този тип горивна клетка използва твърд полимерен електролит, наречен протонна обменна мембрана (PEM). Протоните могат да се движат през протонообменната мембрана, но електроните не могат да преминат през нея, което води до потенциална разлика между катода и анода. Поради своята простота и надеждност, такива горивни клетки бяха използвани като източник на енергия на пилотирания космически кораб Gemini.
Този тип горивна клетка се използва като източник на енергия за широк спектър от различни устройства, включително прототипи и прототипи, от мобилни телефони до автобуси и стационарни енергийни системи. Ниската работна температура позволява такива клетки да се използват за захранване на различни видове сложни електронни устройства. По-малко ефективно е използването им като източник на топлина и електричество за обществени и промишлени сгради, където се изискват големи количества топлинна енергия. В същото време такива елементи са обещаващи като автономен източник на захранване за малки жилищни сгради като вили, построени в райони с горещ климат.
| таблица 2 Видове горивни клетки |
||||||||||||||||||||
|
Горивни клетки с фосфорна киселина (PAFC)
Тестове на горивни клетки от този тип вече са извършени в началото на 70-те години. Работен температурен диапазон - 150-200 °C. Основната област на приложение са автономни източници на топлина и захранване със средна мощност (около 200 kW).
Тези горивни клетки използват разтвор на фосфорна киселина като електролит. Електродите са направени от хартия, покрита с въглерод, в който е диспергиран платинен катализатор.
Електрическата ефективност на горивните клетки PAFC е 37-42%. Въпреки това, тъй като тези горивни клетки работят при достатъчно висока температура, е възможно да се използва парата, генерирана в резултат на работа. В този случай общата ефективност може да достигне 80%.
За да се генерира енергия, съдържащата водород суровина трябва да се преобразува в чист водород чрез процес на реформиране. Например, ако бензинът се използва като гориво, тогава серните съединения трябва да бъдат отстранени, тъй като сярата може да повреди платиновия катализатор.
Горивните клетки PAFC бяха първите търговски горивни клетки, които бяха икономически оправдани. Най-разпространеният модел беше 200 kW PC25 горивна клетка, произведена от ONSI Corporation (сега United Technologies, Inc.) (фиг. 13). Например, тези елементи се използват като източник на топлина и електричество в полицейски участък в Сентрал парк в Ню Йорк или като допълнителен източник на енергия за Conde Nast Building & Four Times Square. Най-голямата централа от този тип се тества като 11 MW електроцентрала, разположена в Япония.
Горивните клетки на базата на фосфорна киселина също се използват като източник на енергия в превозните средства. Например през 1994 г. H-Power Corp., Джорджтаунският университет и Министерството на енергетиката на САЩ оборудваха автобус с електроцентрала от 50 kW.
Горивни клетки от разтопен карбонат (MCFC)
Горивните клетки от този тип работят при много високи температури - 600-700 °C. Тези работни температури позволяват горивото да се използва директно в самата клетка, без необходимост от отделен реформатор. Този процес се нарича "вътрешно реформиране". Позволява значително да се опрости дизайна на горивната клетка.
Горивните клетки на базата на разтопен карбонат изискват значително време за стартиране и не позволяват бързо регулиране на изходната мощност, така че основната им област на приложение са големи стационарни източници на топлина и електричество. Въпреки това се отличават с висока ефективност на преобразуване на горивото - 60% електрическа ефективност и до 85% обща ефективност.
В този тип горивна клетка електролитът се състои от соли на калиев карбонат и литиев карбонат, загряти до около 650 °C. При тези условия солите са в разтопено състояние, образувайки електролит. На анода водородът взаимодейства с CO 3 йони, образувайки вода, въглероден диоксид и освобождавайки електрони, които се изпращат към външната верига, а на катода кислородът взаимодейства с въглероден диоксид и електрони от външната верига, отново образувайки CO 3 йони.
Лабораторни образци на горивни клетки от този тип са създадени в края на 50-те години на миналия век от холандските учени G. H. J. Broers и J. A. A. Ketelaar. През 60-те години на миналия век инженерът Франсис Т. Бейкън, потомък на известен английски писател и учен от 17-ти век, работи с тези елементи, поради което горивните клетки MCFC понякога се наричат елементи на Бейкън. Програмите Apollo, Apollo-Soyuz и Scylab на НАСА използваха точно такива горивни клетки като източник на енергия (фиг. 14). През същите години военното ведомство на САЩ тества няколко проби от горивни клетки MCFC, произведени от Texas Instruments, в които като гориво се използва армейски бензин. В средата на 70-те години Министерството на енергетиката на САЩ започна изследвания за разработване на стационарна горивна клетка от разтопен карбонат, подходяща за практически приложения. През 90-те години на миналия век бяха пуснати в експлоатация редица търговски единици с мощност до 250 kW, като например в американската военновъздушна станция Мирамар в Калифорния. През 1996 г. FuelCell Energy, Inc. пусна в експлоатация 2 MW предсерийна инсталация в Санта Клара, Калифорния.
Оксидни горивни клетки в твърдо състояние (SOFC)
Твърдотелните оксидни горивни клетки са прости по конструкция и работят при много високи температури - 700-1000 °C. Такива високи температури позволяват използването на относително "мръсно", нерафинирано гориво. Същите характеристики като в горивните клетки на базата на разтопен карбонат определят подобна област на приложение - големи стационарни източници на топлина и електричество.
Горивните клетки с твърд оксид са структурно различни от горивните клетки, базирани на PAFC и MCFC технологии. Анодът, катодът и електролитът са изработени от специални класове керамика. Най-често като електролит се използва смес от циркониев оксид и калциев оксид, но могат да се използват и други оксиди. Електролитът образува кристална решетка, покрита от двете страни с порест електроден материал. Структурно такива елементи са направени под формата на тръби или плоски дъски, което прави възможно използването на технологии, широко използвани в електронната индустрия при тяхното производство. В резултат на това горивните клетки от твърд оксид могат да работят при много високи температури, така че могат да се използват за производство както на електрическа, така и на топлинна енергия.
При високи работни температури на катода се образуват кислородни йони, които мигрират през кристалната решетка към анода, където взаимодействат с водородни йони, образувайки вода и освобождавайки свободни електрони. В този случай водородът се освобождава от природния газ директно в клетката, т.е. няма нужда от отделен риформър.
Теоретичните основи за създаването на твърдотелни оксидни горивни клетки са положени още в края на 30-те години на миналия век, когато швейцарските учени Бауер (Emil Bauer) и Прейс (H. Preis) експериментират с цирконий, итрий, церий, лантан и волфрам, като ги използват като електролити.
Първите прототипи на такива горивни клетки са създадени в края на 50-те години на миналия век от редица американски и холандски компании. Повечето от тези компании скоро се отказаха от по-нататъшни изследвания поради технологични трудности, но една от тях, Westinghouse Electric Corp. (сега "Siemens Westinghouse Power Corporation"), продължи работата. В момента компанията приема предварителни поръчки за комерсиален модел на горивна клетка с твърд оксид с тръбна топология, който се очаква тази година (Фигура 15). Пазарният сегмент на такива елементи са стационарни инсталации за производство на топлинна и електрическа енергия с мощност от 250 kW до 5 MW.
Горивните клетки от тип SOFC са показали много висока надеждност. Например, прототип на горивна клетка на Siemens Westinghouse е записал 16 600 часа и продължава да работи, което го прави най-дългият непрекъснат живот на горивна клетка в света.
Режимът на работа при висока температура и високо налягане на горивните клетки SOFC позволява създаването на хибридни инсталации, в които емисиите от горивни клетки задвижват газови турбини, използвани за генериране на електричество. Първият такъв хибриден завод работи в Ървайн, Калифорния. Номиналната мощност на тази инсталация е 220 kW, от които 200 kW от горивната клетка и 20 kW от микротурбинния генератор.
