Горивна клетка, направете го сами у дома. Технология на горивните клетки и нейното използване в автомобилите

В светлината на последните събития, свързани с прегряване, пожари и дори експлозии на лаптопи по вина на литиево-йонни батерии, не може да не се припомнят нови алтернативни технологии, които според повечето експерти в бъдеще ще могат да допълнят или заменят традиционни батерии днес. Говорим за нови източници на енергия - горивни клетки.

Според основното правило, формулирано преди 40 години от един от основателите на Intel, Гордън Мур, производителността на процесора се удвоява на всеки 18 месеца. Батериите не могат да се справят с чиповете. Техният капацитет, според експерти, се увеличава само с 10% на година.

Горивната клетка работи на базата на клетъчна (пореста) мембрана, която разделя анодното и катодното пространство на горивната клетка. Тази мембрана е покрита от двете страни с подходящи катализатори. Към анода се подава гориво, в този случай се използва разтвор на метанол (метилов алкохол). В резултат на химическата реакция на разлагане на горивото се образуват свободни заряди, които проникват през мембраната към катода. Така електрическата верига се затваря и в нея се създава електрически ток, който захранва устройството. Този тип горивна клетка се нарича горивна клетка с директен метанол (DMFC). Развитието на горивните клетки започна отдавна, но първите резултати, които дадоха основание да се говори за реална конкуренция с литиево-йонните батерии, бяха получени едва през последните две години.

През 2004 г. имаше около 35 производители на пазара за такива устройства, но само няколко компании успяха да заявят значителен успех в тази област. През януари Fujitsu представи своя разработка - батерията беше с дебелина 15 мм и съдържаше 300 mg 30% разтвор на метанол. Мощността от 15 W й позволи да осигури лаптопа за 8 часа. Месец по-късно малка компания PolyFuel първа обяви комерсиално производство на самите мембрани, с които трябва да бъдат оборудвани захранващите устройства за гориво. И още през март Toshiba демонстрира прототип на мобилен компютър, който работи на гориво. Производителят твърди, че такъв лаптоп може да издържи до пет пъти по-дълго от лаптоп, използващ традиционна батерия.

През 2005 г. LG Chem обяви създаването на своя горивна клетка. За разработването му са похарчени около 5 години и 5 милиарда долара. В резултат на това беше възможно да се създаде устройство с мощност 25 W и тегло 1 kg, свързано към лаптоп чрез USB интерфейс и осигуряващо неговата работа в продължение на 10 часа. Тази 2006 г. също беше белязана от редица интересни събития. По-специално, американските разработчици от Ultracell демонстрираха горивна клетка, която осигурява 25 W мощност и е оборудвана с три сменяеми касети с 67% метанол. Той е в състояние да осигури захранване на лаптопа за 24 часа. Теглото на батерията беше около килограм, всяка касета тежеше около 260 грама.

Освен че могат да осигурят повече капацитет от литиево-йонните батерии, метаноловите батерии не са експлозивни. Недостатъците включват тяхната доста висока цена и необходимостта от периодична смяна на патроните с метанол.

Ако горивните батерии не заменят традиционните, тогава най-вероятно те могат да се използват заедно с тях. Според експерти пазарът на горивни клетки през 2006 г. ще бъде около 600 милиона долара, което е доста скромна цифра. До 2010 г. обаче експертите прогнозират трикратно увеличение - до 1,9 млрд. долара.

Обсъждане на статията "Алкохолните батерии заменят литиевите"

земоненг

Мамка му, намерих информация за това устройство в едно женско списание.
Е, нека кажа няколко думи за това:
1: неудобството е, че след 6-10 часа работа ще трябва да търсите нова касета, а тя е скъпа. Защо да харча пари за тези глупости
2: доколкото разбирам, след получаване на енергия от метилов алкохол трябва да се отдели вода. Лаптоп и вода са несъвместими неща.
3: защо пишеш в женски списания? Съдейки по коментарите „Нищо не знам.“ и „Какво е това?“, тази статия не е на нивото на сайт, посветен на КРАСОТАТА.

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, ултра ниско 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 Да видим. 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

* - 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 технически трудности, които все още съществуват 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 и 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 директно 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 подобряване 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

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

Автомобилът, задвижван с вода, скоро може да стане реалност и водородните горивни клетки ще бъдат инсталирани в много домове...

Водородна технология горивни клеткине е ново. 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 тестване на безопасността на съхранението на водород беше установено, че съхраняването на водород в горивни клетки е по-безопасноотколкото да съхранявате бензин в резервоара на автомобила.

Колко струват съвременните водородни горивни клетки?? В момента компаниите предлагат водород горивни системипроизводство на енергия на цена от 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.

Производство, монтаж, тестване и изпитване на горивни (водородни) клетки/клетки
Произвежда се във фабрики в САЩ и Канада

Горивни (водородни) клетки/клетки

Компанията Intech GmbH / LLC Intech GmbH е на пазара на инженерингови услуги от 1997 г., официалният в продължение на много години разнообразно индустриално оборудване предлага на вашето внимание различни горивни (водородни) клетки / клетки.

Горивна клетка/клетка е

Предимства на горивните клетки/клетки

Горивна клетка/клетка е устройство, което ефективно генерира постоянен ток и топлина от богато на водород гориво чрез електрохимична реакция.

Горивната клетка е подобна на батерията по това, че генерира постоянен ток чрез химическа реакция. Горивната клетка включва анод, катод и електролит. Въпреки това, за разлика от батериите, горивните клетки/клетки не могат да съхраняват електрическа енергия, не се разреждат и не изискват електричество за презареждане. Горивните клетки/клетки могат непрекъснато да генерират електричество, докато имат запас от гориво и въздух.

За разлика от други генератори на енергия като двигатели с вътрешно горене или турбини, захранвани с газ, въглища, нефт и др., горивните клетки/клетки не изгарят гориво. Това означава без шумни ротори с високо налягане, без силен шум от изгорелите газове, без вибрации. Горивните клетки/клетки генерират електричество чрез тиха електрохимична реакция. Друга особеност на горивните клетки/клетки е, че те преобразуват химическата енергия на горивото директно в електричество, топлина и вода.

Горивните клетки са високоефективни и не произвеждат големи количества парникови газове като въглероден диоксид, метан и азотен оксид. Единствените продукти, отделяни по време на работа, са вода под формата на пара и малко количество въглероден диоксид, който изобщо не се отделя, ако като гориво се използва чист водород. Горивните клетки/клетки се сглобяват в сглобки и след това в отделни функционални модули.

История на развитието на горивната клетка/клетка

През 50-те и 60-те години на миналия век едно от най-големите предизвикателства за горивните клетки се роди от нуждата на Националната администрация по аеронавтика и изследване на космоса (НАСА) на САЩ от източници на енергия за дългосрочни космически мисии. Алкалната горивна клетка/клетка на НАСА използва водород и кислород като гориво, комбинирайки двете в електрохимична реакция. Резултатът е три странични продукта от реакцията, полезни в космическите полети - електричество за захранване на космическия кораб, вода за питейни и охладителни системи и топлина за поддържане на топлината на астронавтите.

Откриването на горивните клетки датира от началото на 19 век. Първите доказателства за ефекта на горивните клетки са получени през 1838 г.

В края на 30-те години на миналия век започва работата по алкални горивни клетки и до 1939 г. е изградена клетка, използваща никелирани електроди с високо налягане. По време на Втората световна война са разработени горивни клетки/клетки за подводници на британския флот и през 1958 г. е въведена горивна група, състояща се от алкални горивни клетки/клетки с диаметър малко над 25 cm.

Интересът нараства през 50-те и 60-те години на миналия век, а също и през 80-те години, когато индустриалният свят изпитва недостиг на мазут. През същия период световните страни също се загрижиха за проблема със замърсяването на въздуха и обмислиха начини за генериране на екологично чиста електроенергия. Понастоящем технологията за горивни клетки/клетки се развива бързо.

Как работят горивните клетки/клетки

Горивните клетки/клетки генерират електричество и топлина чрез протичаща електрохимична реакция, използваща електролит, катод и анод.

Анодът и катодът са разделени от електролит, който провежда протони. След като водородът влезе в анода и кислородът влезе в катода, започва химическа реакция, в резултат на която електричество, топлина и вода.

Върху анодния катализатор молекулярният водород се дисоциира и губи електрони. Водородните йони (протоните) се провеждат през електролита към катода, докато електроните преминават през електролита и преминават през външния електрическа верига, създавайки постоянен ток, който може да се използва за захранване на оборудване. На катодния катализатор молекулата на кислорода се комбинира с електрон (който се доставя от външни комуникации) и входящ протон и образува вода, която е единственият реакционен продукт (под формата на пара и/или течност).

По-долу е съответната реакция:

Анодна реакция: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Реакция на катода: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Реакция на общ елемент: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Видове и разновидности на горивни клетки/клетки

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. Нискотемпературните горивни клетки изискват 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. Високотемпературните горивни клетки не се нуждаят от тази допълнителна процедура, тъй като те могат да „преобразуват вътрешно“ горивото при повишени температури, което означава, че няма нужда да се инвестира във водородна инфраструктура.

Горивни клетки/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 калорична стойностгориво производствени процесии от други източници.

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 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Обща реакция на елемент: H 2 (g) + 1/2O 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 се извършва вътрешно реформиране природен газ, което елиминира 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 индустриални и търговски приложения.

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 горивната клетка от въглероден окис.

Горивните клетки от стопен карбонат са подходящи за използване в големи стационарни инсталации. Промишлено произведени са топлоелектрически централи с изходна електрическа мощност 3,0 MW. Разработват се инсталации с изходна мощност до 110 MW.

Горивни клетки/клетки на базата на фосфорна киселина (PFC)

Горивните клетки на базата на фосфорна (ортофосфорна) киселина бяха първите горивни клетки за търговска употреба.

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, 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 2 H 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 500 kW. Инсталациите за 11 MW са преминали съответните тестове. Разработват се инсталации с изходна мощност до 100 MW.

Твърди оксидни горивни клетки/клетки (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.

Твърдият електролит осигурява херметичен преход на газ от един електрод към друг, докато течните електролити са разположени в порест субстрат. Носителят на заряда 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 - \u003d\u003e 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 60-70%. 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 до 75%.

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/клетки с директно метанолно окисление (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: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Реакция на общ елемент: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

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/клетки (AFC)

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, като отново генерира 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 - => 4 OH -
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. SCFC работят при относително ниски температури 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 CH4, които са безопасни за други горивни клетки и дори гориво за някои от тях, са вредни за SFC.

Горивни клетки/клетки с полимерен електролит (PETE)

В случай на полимерни електролитни горивни клетки, полимерната мембрана се състои от полимерни влакна с водни области, в които има проводимост на водни йони (H 2 O + (протон, червен), прикрепен 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.

Твърди киселинни горивни клетки/клетки (SCFC)

В горивните клетки с твърда киселина електролитът (CsHSO 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.

Иновативните енергоспестяващи общински топло- и електроцентрали обикновено се изграждат върху горивни клетки с твърд оксид (SOFC), горивни клетки с полимерен електролит (PEFC), горивни клетки с фосфорна киселина (PCFC), горивни клетки с протонна обменна мембрана (MPFC) и алкални горивни клетки ( APFCs). Те обикновено имат следните характеристики:

Горивните клетки с твърд оксид (SOFC) трябва да бъдат признати за най-подходящи, които:

• работят при по-висока температура, което намалява нуждата от скъпи благородни метали (като платина)
• може да работи за различни видовевъглеводородни горива, предимно природен газ
• имат по-дълго време за стартиране и следователно са по-подходящи за продължителна работа
• демонстрират висока ефективност на генериране на електроенергия (до 70%)
• поради високите работни температури модулите могат да се комбинират със системи за рекуперация на топлина, като цялостната ефективност на системата достига до 85%
• имат почти нулеви емисии, работят безшумно и имат ниски експлоатационни изисквания в сравнение със съществуващите технологии за производство на електроенергия

Тъй като малките топлоелектрически централи могат да бъдат свързани към конвенционална газоснабдителна мрежа, горивните клетки не се нуждаят отделна системадоставка на водород. При използване на малки топлоелектрически централи, базирани на твърди оксидни горивни клетки, генерираната топлина може да се интегрира в топлообменници за отопление на вода и вентилационен въздух, повишавайки цялостната ефективност на системата. Тази иновативна технология е най-подходяща за ефективно производство на електроенергия без необходимост от скъпа инфраструктура и сложна интеграция на инструменти.

Приложения на горивни клетки/клетки

Приложение на горивни клетки/клетки в телекомуникационни системи

С бързото разпространение на безжичните комуникационни системи по света, както и с нарастващите социални и икономически ползи от технологията за мобилни телефони, необходимостта от надеждно и рентабилно резервно захранване стана критична. Загубите в мрежата през цялата година поради лошо време, природни бедствия или ограничен капацитет на мрежата са постоянно предизвикателство за мрежовите оператори.

Традиционните решения за резервно захранване на телекомуникациите включват батерии (вентилно регулирана оловно-киселинна акумулаторна клетка) за краткотрайно резервно захранване и дизелови и пропан генератори за по-дълго резервно захранване. Батериите са сравнително евтин източник на резервно захранване за 1 до 2 часа. Батериите обаче не са подходящи за по-дълги резервни периоди, защото са скъпи за поддръжка, стават ненадеждни след продължителна употреба, чувствителни са към температури и са опасни за околната среда след изхвърляне. Дизеловите и пропан генераторите могат да осигурят непрекъснато резервно захранване. Генераторите обаче могат да бъдат ненадеждни, да изискват сериозна поддръжка и да отделят високи нива на замърсители и парникови газове в атмосферата.

За да се премахнат ограниченията на традиционните решения за резервно захранване, е разработена иновативна зелена технология за горивни клетки. Горивните клетки са надеждни, тихи, съдържат по-малко движещи се части от генератора, имат по-широк работен температурен диапазон от -40°C до +50°C и в резултат на това осигуряват изключително високи нива на икономия на енергия. В допълнение, цената на живота на такава инсталация е по-ниска от тази на генератор. По-ниските разходи за горивни клетки са резултат от само едно посещение за поддръжка годишно и значително по-висока производителност на инсталацията. В крайна сметка горивната клетка е екологично технологично решение с минимално въздействие върху околната среда.

Устройствата с горивни клетки осигуряват резервно захранване за критични комуникационни мрежови инфраструктури за безжични, постоянни и широколентови комуникации в телекомуникационната система, вариращи от 250W до 15kW, те предлагат много ненадминати иновативни характеристики:

• НАДЕЖДНОСТ– Малко движещи се части и без разреждане в режим на готовност
• ПЕСТЕНЕ НА ЕНЕРГИЯ
• ТИШИНА– ниско ниво на шум
• СТАБИЛНОСТ– работен диапазон от -40°C до +50°C
• АДАПТИВНОСТ– външен и вътрешен монтаж (контейнер/предпазен контейнер)
• ГОЛЯМА МОЩ– до 15 kW
• НИСКА НУЖДА ОТ ПОДДРЪЖКА– минимална годишна поддръжка
• ИКОНОМИКА- атрактивна обща цена на притежание
• ЧИСТА ЕНЕРГИЯ– ниски емисии с минимално въздействие върху околната среда

Системата усеща напрежението на DC шината през цялото време и плавно приема критични натоварвания, ако напрежението на DC шината падне под зададена от потребителя точка. Системата работи с водород, който навлиза в стека на горивните клетки по един от двата начина - или от търговски източник на водород, или от течно гориво от метанол и вода, използвайки бордова система за реформиране.

Електричеството се произвежда от купчината горивни клетки под формата на постоянен ток. DC мощността се изпраща към преобразувател, който преобразува нерегулираната DC мощност от стека на горивните клетки във висококачествена, регулирана DC мощност за необходимите товари. Инсталацията с горивни клетки може да осигури резервно захранване за много дни, тъй като продължителността е ограничена само от количеството водород или метанол/водно гориво, налично на склад.

Горивните клетки предлагат превъзходна енергийна ефективност, повишена надеждност на системата, по-предсказуема производителност в широк диапазон от климатични условия и надежден експлоатационен живот в сравнение със стандартните за промишлеността вентилно регулирани оловни акумулаторни пакети. Разходите през жизнения цикъл също са по-ниски поради значително по-малкото изисквания за поддръжка и подмяна. Горивните клетки предлагат на крайния потребител ползи за околната среда, тъй като разходите за изхвърляне и рисковете от отговорност, свързани с оловно-киселинните клетки, предизвикват нарастваща загриженост.

Работата на електрическите батерии може да бъде неблагоприятно повлияна от широк набор от фактори като ниво на зареждане, температура, цикли, живот и други променливи. Предоставената енергия ще варира в зависимост от тези фактори и не е лесно да се предвиди. Ефективността на горивната клетка с протонна обменна мембрана (PEMFC) е относително незасегната от тези фактори и може да осигури критична мощност, стига да има гориво. Повишената предсказуемост е важно предимство при преминаване към горивни клетки за критични приложения за резервно захранване.

Горивните клетки генерират енергия само когато се доставя гориво, като генератор на газова турбина, но нямат движещи се части в зоната на генериране. Следователно, за разлика от генератора, те не са обект на бързо износване и не изискват постоянна поддръжка и смазване.

Горивото, използвано за задвижване на преобразувателя на гориво с удължена продължителност, е смес от метанол и вода. Метанолът е широко разпространено търговско гориво, което в момента има много приложения, включително за миене на предно стъкло, пластмасови бутилки, добавки за двигатели и емулсионни бои. Метанолът е лесен за транспортиране, смесва се с вода, има добра биоразградимост и не съдържа сяра. Има ниска точка на замръзване (-71°C) и не се разлага при дълго съхранение.

Приложение на горивни клетки/клетки в комуникационни мрежи

Мрежите за сигурност изискват надеждни решения за резервно захранване, които могат да издържат часове или дни при спешност, ако електрическата мрежа стане недостъпна.

С малко движещи се части и без намаляване на мощността в режим на готовност, иновативната технология за горивни клетки предлага привлекателно решение в сравнение с наличните в момента системи за резервно захранване.

Най-убедителната причина за използването на технологията с горивни клетки в комуникационните мрежи е повишената цялостна надеждност и сигурност. По време на събития като прекъсване на захранването, земетресения, бури и урагани е важно системите да продължат да работят и да имат надеждно резервно захранване за продължителен период от време, независимо от температурата или възрастта на резервната захранваща система.

Гамата от захранвания с горивни клетки е идеална за поддръжка на сигурни комуникационни мрежи. Благодарение на своите енергоспестяващи конструктивни принципи, те осигуряват екологично, надеждно резервно захранване с удължена продължителност (до няколко дни) за използване в диапазон на мощност от 250 W до 15 kW.

Приложение на горивни клетки/клетки в мрежи за данни

Надеждното захранване за мрежи за данни, като високоскоростни мрежи за данни и оптични гръбнаци, е от ключово значение в целия свят. Информацията, предавана през такива мрежи, съдържа критични данни за институции като банки, авиокомпании или медицински центрове. Прекъсването на захранването в такива мрежи не само представлява опасност за предаваната информация, но и като правило води до значителни финансови загуби. Надеждни, иновативни инсталации с горивни клетки, които осигуряват захранване в режим на готовност, осигуряват надеждността, от която се нуждаете, за да осигурите непрекъснато захранване.

Устройствата с горивни клетки, работещи със смес от течно гориво от метанол и вода, осигуряват надеждно резервно захранване с удължена продължителност, до няколко дни. В допълнение, тези модули се отличават със значително намалени изисквания за поддръжка в сравнение с генераторите и батериите, като изискват само едно посещение за поддръжка годишно.

Характеристики на типично приложение за използване на инсталации с горивни клетки в мрежи за данни:

• Приложения с входяща мощност от 100 W до 15 kW
• Приложения с изисквания за живот на батерията > 4 часа
• Ретранслатори в оптични системи (йерархия на синхронни цифрови системи, високоскоростен интернет, глас по IP...)
• Мрежови възли за високоскоростно предаване на данни
• WiMAX предавателни възли

Резервните инсталации с горивни клетки предлагат многобройни предимства за критични мрежови инфраструктури за данни пред традиционните батерийни или дизелови генератори, което позволява увеличено използване на място:

1. Технологията за течно гориво решава проблема със съхранението на водород и осигурява практически неограничена резервна мощност.
2. Благодарение на тяхната тиха работа, ниско тегло, устойчивост на температурни крайности и практически без вибрации, горивните клетки могат да се инсталират на открито, в промишлени помещения/контейнери или на покриви.
3. Подготовката на място за използване на системата е бърза и икономична, а разходите за експлоатация са ниски.
4. Горивото е биоразградимо и представлява екологично решение за градската среда.

Приложение на горивни клетки/клетки в системи за сигурност

Най-внимателно проектираните системи за сигурност и комуникация на сградата са толкова надеждни, колкото и мощността, която ги захранва. Въпреки че повечето системи включват някакъв вид резервна система за непрекъсваемо захранване за краткотрайни загуби на захранване, те не осигуряват по-дълги прекъсвания на захранването, които могат да възникнат след природни бедствия или терористични атаки. Това може да бъде критичен проблем за много корпоративни и държавни агенции.

Жизненоважни системи като системи за видеонаблюдение и контрол на достъпа (четци за лични карти, устройства за затваряне на врати, технология за биометрична идентификация и др.), автоматични пожароизвестителни и пожарогасителни системи, системи за управление на асансьори и телекомуникационни мрежи са изложени на риск при липса на надежден алтернативен източник на непрекъснато захранване.

Дизеловите генератори са шумни, трудни за намиране и са добре известни със своята надеждност и поддръжка. За разлика от това, резервната инсталация с горивни клетки е тиха, надеждна, има нулеви или много ниски емисии и е лесна за инсталиране на покрив или извън сграда. Не се разрежда и не губи мощност в режим на готовност. Той осигурява непрекъсната работа на критични системи, дори след като институцията прекрати дейността си и сградата е изоставена от хората.

Иновативните инсталации с горивни клетки защитават скъпите инвестиции в критични приложения. Те осигуряват екологично, надеждно резервно захранване с удължена продължителност (до много дни) за използване в диапазона на мощността от 250 W до 15 kW, съчетано с множество ненадминати характеристики и най-вече с високо ниво на пестене на енергия.

Устройствата за резервно захранване с горивни клетки предлагат множество предимства за критични приложения като системи за сигурност и управление на сгради пред традиционните батерийни или дизелови генератори. Технологията за течно гориво решава проблема със съхранението на водород и осигурява практически неограничена резервна мощност.

Приложение на горивни клетки/клетки в битово отопление и производство на електроенергия

Горивните клетки с твърд оксид (SOFC) се използват за изграждане на надеждни, енергийно ефективни и без емисии топлоелектрически централи за генериране на електричество и топлина от широко разпространен природен газ и възобновяеми горивни източници. Тези иновативни модули се използват в голямо разнообразие от пазари, от битово производство на електроенергия до захранване на отдалечени райони, както и спомагателни източници на енергия.

Тези енергоспестяващи модули произвеждат топлина за отопление на помещения и топла вода, както и електричество, което може да се използва в дома и да се подава обратно в електрическата мрежа. Разпределените източници на електроенергия могат да включват фотоволтаични (слънчеви) клетки и микровятърни турбини. Тези технологии са видими и широко известни, но работата им зависи от метеорологичните условия и не могат постоянно да генерират електричество през цялата година. По отношение на мощността топлоелектрическите централи могат да варират от по-малко от 1 kW до 6 MW и повече.

Приложение на горивни клетки/клетки в разпределителните мрежи

Малките топлоелектрически централи са проектирани да работят в разпределена мрежа за производство на електроенергия, състояща се от голям брой малки генераторни комплекти вместо една централизирана електроцентрала.

Фигурата по-долу показва загубата на ефективност на производството на електричество, когато то се генерира от CHP и се предава до домовете чрез традиционните преносни мрежи, използвани в момента. Загубите на ефективност в районното производство включват загуби от електроцентралата, пренос на ниско и високо напрежение и загуби при разпределение.

Фигурата показва резултатите от интегрирането на малки топлоелектрически централи: електроенергията се генерира с ефективност на генериране до 60% в точката на използване. В допълнение, домакинството може да използва топлината, генерирана от горивните клетки, за отопление на вода и помещения, което повишава общата ефективност на преработката на енергия от горивото и подобрява икономията на енергия.

Използване на горивни клетки за опазване на околната среда - оползотворяване на свързан петролен газ

Една от най-важните задачи в петролната индустрия е оползотворяването на свързания нефтен газ. Съществуващите методи за оползотворяване на свързания нефтен газ имат много недостатъци, основният от които е, че не са икономически изгодни. Свързаният нефтен газ се изгаря във факел, което причинява голяма вреда на околната среда и човешкото здраве.

Иновативни топлинни и електроцентрали с горивни клетки, използващи свързан петролен газ като гориво, откриват пътя към радикално и рентабилно решение на проблемите с оползотворяването на свързания нефтен газ.

1. Едно от основните предимства на инсталациите с горивни клетки е, че те могат да работят надеждно и устойчиво на свързан нефтен газ с променлив състав. Поради безпламъчната химическа реакция, която е в основата на работата на горивната клетка, намаляването на процента например на метан причинява само съответно намаляване на изходната мощност.
2. Гъвкавост по отношение на електрическия товар на консуматорите, диференциал, пренапрежение на товара.
3. За инсталирането и свързването на топлоелектрически централи на горивни клетки, тяхното внедряване не изисква капиталови разходи, т.к Уредите се монтират лесно на неподготвени площадки в близост до полета, лесни са за работа, надеждни и ефективни.
4. Високата автоматизация и модерното дистанционно управление не изискват постоянно присъствие на персонал в завода.
5. Простота и техническо съвършенство на дизайна: липсата на движещи се части, системи за триене, смазване осигурява значителни икономически ползи от работата на инсталациите с горивни клетки.
6. Консумация на вода: никаква при околни температури до +30 °C и незначителна при по-високи температури.
7. Изход за вода: няма.
8. Освен това топлоелектрическите централи с горивни клетки не правят шум, не вибрират,

Горивните клетки са начин за електрохимично преобразуване на енергията от водородно гориво в електричество и единственият страничен продукт от този процес е водата.

Водородното гориво, използвано в момента в горивните клетки, обикновено се получава от парно преобразуване на метан (т.е. преобразуване на въглеводороди с пара и топлина в метан), въпреки че подходът може да бъде по-екологичен, като например електролиза на вода, използваща слънчева енергия.

Основните компоненти на горивната клетка са:

• анод, в който се окислява водородът;
• катод, където кислородът се редуцира;
• полимерна електролитна мембрана, през която се транспортират протони или хидроксидни йони (в зависимост от средата) - не пропуска водород и кислород;
• поток полета на кислород и водород, които са отговорни за доставката на тези газове към електрода.

За да се захранва например автомобил, няколко горивни клетки се сглобяват в батерия и количеството енергия, доставяно от тази батерия, зависи от общата площ на електродите и броя на клетките в нея. Енергията в горивната клетка се генерира по следния начин: водородът се окислява на анода, а електроните от него се изпращат към катода, където се редуцира кислородът. Електроните, получени от окисляването на водорода на анода, имат по-висок химичен потенциал от електроните, които редуцират кислорода на катода. Тази разлика между химичните потенциали на електроните прави възможно извличането на енергия от горивните клетки.

История на създаването

Историята на горивните клетки датира от 30-те години на миналия век, когато първата водородна горивна клетка е проектирана от Уилям Р. Гроув. Тази клетка използва сярна киселина като електролит. Гроув се опита да отложи мед от воден разтвор на меден сулфат върху желязна повърхност. Той забеляза, че под действието на електронен ток водата се разлага на водород и кислород. След това откритие Grove и Christian Schoenbein, химик от университета в Базел (Швейцария), който работи паралелно с него, едновременно демонстрираха през 1839 г. възможността за генериране на енергия във водородно-кислородна горивна клетка с помощта на киселинен електролит. Тези ранни опити, макар и доста примитивни по природа, привлякоха вниманието на няколко от техните съвременници, включително Майкъл Фарадей.

Проучванията на горивните клетки продължават и през 30-те години F.T. Бейкън представи нов компонент за алкална горивна клетка (един от видовете горивни клетки) - йонообменна мембрана за улесняване на транспортирането на хидроксидни йони.

Един от най-известните исторически примери за използването на алкални горивни клетки е използването им като основен източник на енергия по време на космически полети в програмата Apollo.

Те бяха избрани от НАСА заради тяхната издръжливост и техническа стабилност. Те използваха хидроксидно-проводима мембрана, която превъзхождаше по ефективност своята сестра за протонен обмен.

В продължение на почти два века от създаването на първия прототип на горивни клетки е извършена много работа за тяхното подобряване. Като цяло, крайната енергия, получена от горивна клетка, зависи от кинетиката на редокс реакцията, вътрешното съпротивление на клетката и масовия трансфер на реагиращите газове и йони към каталитично активните компоненти. През годините бяха направени много подобрения на първоначалната идея, като например:

1) замяна на платинени проводници с електроди на базата на въглерод с платинени наночастици; 2) изобретяването на мембрани с висока проводимост и селективност, като Nafion, за улесняване на йонния транспорт; 3) комбиниране на каталитичния слой, например платинени наночастици, разпределени върху въглеродна основа, с йонообменни мембрани, което води до мембранно-електродна единица с минимално вътрешно съпротивление; 4) използване и оптимизиране на полетата на потока за доставяне на водород и кислород към каталитичната повърхност, вместо директното им разреждане в разтвор.

Тези и други подобрения в крайна сметка доведоха до технология, която беше достатъчно ефективна, за да се използва в превозни средства като Toyota Mirai.

Горивни клетки с хидроксидни обменни мембрани

Университетът на Делауеър провежда изследвания за разработването на горивни клетки с мембрани за обмен на хидроксид - HEMFCs (hydroxide exchange membrane fuel elements). Горивните клетки с хидроксидни обменни мембрани вместо протоннообменни мембрани - PEMFC (горивни клетки с протонна обменна мембрана) - се сблъскват по-малко с един от големите проблеми на PEMFC - проблемът със стабилността на катализатора, тъй като много повече катализатори от неблагородни метали са стабилни в алкална среда, отколкото в кисела. Стабилността на катализаторите в алкални разтвори е по-висока поради факта, че разтварянето на металите освобождава повече енергия при ниско pH, отколкото при високо pH. По-голямата част от работата в тази лаборатория също е посветена на разработването на нови анодни и катодни катализатори за реакции на водородно окисление и кислородна редукция, за да се ускорят още по-ефективно. В допълнение, лабораторията разработва нови мембрани за обмен на хидроксид, тъй като проводимостта и издръжливостта на такива мембрани все още не са подобрени, за да се конкурират с мембраните за обмен на протон.

Търсене на нови катализатори

Причината за загубите на пренапрежение в реакцията на редукция на кислорода се обяснява с линейните мащабни зависимости между междинните продукти на тази реакция. В традиционния механизъм с четири електрона на тази реакция, кислородът се редуцира последователно, създавайки междинни продукти - OOH*, O* и OH*, за да се образува вода (H2O) на каталитичната повърхност. Тъй като енергиите на адсорбция на междинните продукти на отделен катализатор са силно свързани помежду си, все още не е открит катализатор, който, поне на теория, да няма загуби от пренапрежение. Въпреки че скоростта на тази реакция е ниска, промяната от кисела среда към алкална среда, като например при HEMFC, не я засяга много. Въпреки това, скоростта на реакцията на водородно окисление е почти наполовина и този факт мотивира изследванията, насочени към намиране на причината за това намаление и откриването на нови катализатори.

Предимства на горивните клетки

За разлика от въглеводородните горива, горивните клетки са повече, ако не и съвършено, екологични и не произвеждат парникови газове в резултат на тяхната дейност. Освен това тяхното гориво (водород) по принцип е възобновяемо, тъй като може да се получи чрез хидролиза на вода. По този начин водородните горивни клетки в бъдеще обещават да станат пълноценна част от процеса на производство на енергия, в който слънчевата и вятърната енергия се използват за производство на водородно гориво, което след това се използва в горивна клетка за производство на вода. Така цикълът е затворен и не остава въглероден отпечатък.

За разлика от акумулаторните батерии, горивните клетки имат предимството, че не се нуждаят от презареждане - те могат незабавно да започнат да доставят енергия, веднага щом е необходима. Тоест, ако се прилагат например в областта на превозните средства, тогава няма да има почти никакви промени от страна на потребителя. За разлика от слънчевата енергия и вятърната енергия, горивните клетки могат да произвеждат енергия непрекъснато и са много по-малко зависими от външни условия. От своя страна геотермалната енергия е достъпна само в определени географски райони, докато горивните клетки отново нямат този проблем.

Водородните горивни клетки са един от най-обещаващите източници на енергия поради тяхната преносимост и гъвкавост по отношение на мащаба.

Сложност на съхранението на водород

В допълнение към проблемите с недостатъците на настоящите мембрани и катализатори, други технически трудности за горивните клетки са свързани със съхранението и транспортирането на водородно гориво. Водородът има много ниска специфична енергия на единица обем (количеството енергия на единица обем при дадена температура и налягане) и следователно трябва да се съхранява при много високо налягане, за да се използва в превозни средства. В противен случай размерът на контейнера за съхранение на необходимото количество гориво ще бъде невъзможно голям. Поради тези ограничения за съхранение на водород са правени опити да се намерят начини за производство на водород от нещо различно от газообразната му форма, като например в метални хидридни горивни клетки. Въпреки това, настоящите потребителски приложения с горивни клетки, като Toyota Mirai, използват суперкритичен водород (водород, който е при температури над 33 К и налягания над 13,3 атмосфери, т.е. над критичните стойности) и сега това е най-удобният вариант.

Перспективи на региона

Поради съществуващите технически трудности и проблеми при получаването на водород от вода с помощта на слънчева енергия, в близко бъдеще изследванията вероятно ще се фокусират главно върху намирането на алтернативни източници на водород. Една популярна идея е да се използва амоняк (водороден нитрид) директно в горивната клетка вместо водород или да се произвежда водород от амоняк. Причината за това е, че амонякът е по-малко взискателен по отношение на налягането, което го прави по-удобен за съхранение и преместване. Освен това амонякът е привлекателен като източник на водород, защото не съдържа въглерод. Това решава проблема с отравянето на катализатора поради известно количество CO във водорода, произведен от метан.

В бъдеще горивните клетки могат да намерят широко приложение в автомобилната технология и разпределеното генериране на енергия, като например в жилищни райони. Въпреки факта, че в момента използването на горивни клетки като основен източник на енергия изисква много пари, ако се намерят по-евтини и по-ефективни катализатори, стабилни мембрани с висока проводимост и алтернативни източници на водород, водородните горивни клетки могат да станат много икономически привлекателни.

Химични процеси в горивна клетка

Горивните клетки използват електрохимичен процес за комбиниране на водород с кислород от въздуха. Подобно на батериите, горивните клетки използват електроди (твърди електрически проводници) в електролит (електропроводима среда). Когато молекулите на водорода влязат в контакт с отрицателния електрод (анод), последните се разделят на протони и електрони. Протоните преминават през протонообменната мембрана (POM) към положителния електрод (катод) на горивната клетка, произвеждайки електричество. Съществува химическа комбинация от водородни и кислородни молекули с образуването на вода, като страничен продукт от тази реакция. Единственият вид емисии от горивна клетка са водни пари.
Електричеството, произведено от горивни клетки, може да се използва в електрическото задвижване на превозното средство (състоящо се от преобразувател на електрическа мощност и променливотоков асинхронен двигател), за да осигури механична енергия за задвижване на превозното средство. Задачата на преобразувателя на енергия е да преобразува постоянния ток, произведен от горивните клетки, в променлив ток, който се използва от тяговия двигател на превозното средство.

Принципна диаграма на горивна клетка с протонообменна мембрана:
1 - анод;
2 - протонообменна мембрана (REM);
3 - катализатор (червен);
4 - катод

Горивната клетка с протонна обменна мембрана (PEMFC) използва една от най-простите реакции на всяка горивна клетка.

Отделна горивна клетка

Помислете как работи горивната клетка. Анодът, отрицателният полюс на горивната клетка, провежда електроните, които се освобождават от водородните молекули, така че да могат да се използват във външна електрическа верига (верига). За целта в него са гравирани канали, разпределящи водорода равномерно по цялата повърхност на катализатора. Катодът (положителният полюс на горивната клетка) има гравирани канали, които разпределят кислорода по повърхността на катализатора. Той също така отвежда електрони обратно от външната верига (верига) към катализатора, където те могат да се комбинират с водородни йони и кислород, за да образуват вода. Електролитът е протонообменна мембрана. Това е специален материал, подобен на обикновената пластмаса, но със способността да пропуска положително заредени йони и да блокира преминаването на електрони.
Катализаторът е специален материал, който улеснява реакцията между кислород и водород. Катализаторът обикновено се прави от платинен прах, нанесен в много тънък слой върху карбонова хартия или плат. Катализаторът трябва да е грапав и порест, така че повърхността му да може да влезе в контакт с водород и кислород колкото е възможно повече. Покритата с платина страна на катализатора е пред протонообменната мембрана (POM).
Водородният газ (H 2 ) се подава към горивната клетка под налягане от страната на анода. Когато молекулата H2 влезе в контакт с платината на катализатора, тя се разделя на две части, два йона (H+) и два електрона (e–). Електроните се провеждат през анода, където преминават през външна верига (верига), извършвайки полезна работа (например задвижване на електрически мотор) и се връщат от страната на катода на горивната клетка.
Междувременно, от страната на катода на горивната клетка, кислородният газ (O 2 ) преминава през катализатора, където образува два кислородни атома. Всеки от тези атоми има силен отрицателен заряд, който привлича два H+ йона през мембраната, където те се комбинират с кислороден атом и два електрона от външната верига (верига), за да образуват водна молекула (H 2 O).
Тази реакция в една горивна клетка произвежда мощност от приблизително 0,7 вата. За да се повиши мощността до необходимото ниво, е необходимо да се комбинират много отделни горивни клетки, за да се образува купчина горивни клетки.
Горивните клетки POM работят при относително ниска температура (около 80°C), което означава, че могат бързо да се загреят до работна температура и не изискват скъпи охладителни системи. Непрекъснатото усъвършенстване на технологиите и материалите, използвани в тези клетки, доближи мощността им до ниво, при което батерия от такива горивни клетки, заемаща малка част от багажника на автомобила, може да осигури енергията, необходима за задвижване на автомобил.
През последните години повечето от водещите световни производители на автомобили са инвестирали сериозно в разработването на дизайни на автомобили, използващи горивни клетки. Много вече демонстрираха автомобили с горивни клетки със задоволителна мощност и динамични характеристики, въпреки че бяха доста скъпи.
Подобряването на дизайна на такива автомобили е много интензивно.

Превозно средство с горивни клетки, използва електроцентрала, разположена под пода на превозното средство

Автомобилът NECAR V е базиран на автомобила Mercedes-Benz A-класа, като цялата електроцентрала, заедно с горивните клетки, се намира под пода на автомобила. Такова конструктивно решение дава възможност за настаняване на четирима пътници и багаж в колата. Тук не водородът, а метанолът се използва като гориво за автомобила. Метанолът с помощта на реформатор (устройство, което превръща метанола във водород) се превръща във водород, който е необходим за захранване на горивната клетка. Използването на реформатор на борда на автомобил прави възможно използването на почти всеки въглеводород като гориво, което прави възможно зареждането на автомобил с горивни клетки с помощта на съществуващата мрежа от бензиностанции. Теоретично горивните клетки не произвеждат нищо друго освен електричество и вода. Преобразуването на горивото (бензин или метанол) във водород, необходим за горивната клетка, донякъде намалява екологичната привлекателност на такова превозно средство.
Honda, която е в бизнеса с горивни клетки от 1989 г., произведе малка партида автомобили Honda FCX-V4 през 2003 г. с горивни клетки за протонен обмен. тип мембранаФирма Балард. Тези горивни клетки генерират 78 kW електрическа сила, а за задвижване на задвижващите колела се използват тягови двигатели с мощност 60 kW и въртящ момент 272 N · m. Автомобилът с горивни клетки в сравнение с традиционния автомобил има около 40% по-малка маса, което му осигурява отлични динамика, а захранването със сгъстен водород дава възможност за пробег до 355 км.

Honda FCX използва енергия от горивни клетки, за да се задвижва.
Honda FCX е първото в света превозно средство с горивни клетки, което получава държавен сертификат в Съединените щати. Автомобилът е сертифициран ZEV - Zero Emission Vehicle (превозно средство с нулево замърсяване). Honda все още няма да продава тези автомобили, но наема около 30 автомобила на единица. Калифорния и Токио, където вече съществува инфраструктура за захранване с водород.

Концептуалният автомобил Hy Wire на General Motors има електроцентрала с горивни клетки

Мащабни изследвания върху разработването и създаването на превозни средства с горивни клетки се провеждат от General Motors.

Hy Wire шаси за превозни средства

Концептуалният автомобил GM Hy Wire е получил 26 патента. Основата на автомобила е функционална платформа с дебелина 150 мм. Вътре в платформата има водородни бутилки, електроцентрала с горивни клетки и системи за управление на превозното средство най-новите технологииелектронно управление чрез кабел. Шасито на автомобила Hy Wire е тънка платформа, която съдържа всички основни структурни елементи на автомобила: водородни цилиндри, горивни клетки, батерии, електрически двигатели и системи за управление. Този подход към дизайна прави възможно смяната на каросерията на автомобилите по време на работа.Компанията също така тества експериментални автомобили на Opel с горивни клетки и проектира завод за производство на горивни клетки.

Проектиране на "безопасен" резервоар за гориво за втечнен водород:
1 - устройство за пълнене;
2 - външен резервоар;
3 - опори;
4 - сензор за ниво;
5 - вътрешен резервоар;
6 - линия за пълнене;
7 - изолация и вакуум;
8 - нагревател;
9 - монтажна кутия

Проблемът с използването на водород като гориво за автомобили се обръща много внимание от BMW. Заедно с Magna Steyer, известна с работата си по използването на втечнен водород в космическите изследвания, BMW разработи резервоар за гориво с втечнен водород, който може да се използва в автомобили.

Тестовете потвърдиха безопасността на използването на резервоар за гориво с течен водород

Компанията проведе серия от тестове за безопасност на конструкцията по стандартни методи и потвърди нейната надеждност.
През 2002 г. на автомобилното изложение във Франкфурт (Германия) беше показан Mini Cooper Hydrogen, който използва като гориво втечнен водород. Резервоар за горивоТази кола заема същото място като конвенционален резервоар за газ. Водородът в този автомобил не се използва за горивни клетки, а като гориво за двигатели с вътрешно горене.

Първият в света масово произвеждан автомобил с горивна клетка вместо батерия

През 2003 г. BMW обяви пускането на първия масово произвеждан автомобил с горивни клетки, BMW 750 hL. Използва се батерия с горивни клетки вместо традиционна батерия. Този автомобил има 12-цилиндров двигател с вътрешно горене, работещ с водород, а горивната клетка служи като алтернатива на конвенционалната батерия, позволявайки на климатика и другите консуматори да работят, когато колата е паркирана за дълго време с изключен двигател.

Зареждането с водород се извършва от робот, водачът не участва в този процес

Същата компания BMW разработи и роботизирани колонки за гориво, които осигуряват бързо и безопасно зареждане на автомобили с втечнен водород.
Появата през последните години на голям брой разработки, насочени към създаване на автомобили, използващи алтернативни горива и алтернативни системи за задвижване, показва, че двигателите с вътрешно горене, които доминираха автомобилите през миналия век, в крайна сметка ще отстъпят място на по-чисти, по-ефективни и безшумни конструкции. Широкото им използване в момента се възпрепятства не от технически, а по-скоро от икономически и социални проблеми. За широкото им използване е необходимо да се създаде определена инфраструктура за развитие на производството на алтернативни горива, създаване и разпространение на нови бензиностанции и да се преодолеят редица психологически бариери. Използването на водород като гориво за превозни средства ще изисква решаване на проблеми със съхранението, доставката и дистрибуцията, като се вземат сериозни мерки за безопасност.
Теоретично водородът е достъпен в неограничени количества, но производството му е много енергоемко. Освен това, за да се преобразуват автомобилите да работят с водородно гориво, трябва да се направят две големи промени в енергийната система: първо да се прехвърли работата й от бензин на метанол и след това за известно време на водород. Ще мине известно време, преди този проблем да бъде разрешен.

Описание:

Тази статия разглежда по-подробно тяхната структура, класификация, предимства и недостатъци, обхват, ефективност, история на създаване и съвременни перспективи за използване.

Използване на горивни клетки за захранване на сгради

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 намират все по-голямо приложение в различни области - като стационарни електроцентрали, топло- и електроснабдяване на 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 генериране 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. един.

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 от предишните модели бяха експериментални или тестови, като модела 12,5 kW "PC11", който се появи 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.

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 електрическа енергия 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).

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 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 схеми 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 бъде преобразувано, което 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 него 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 и 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.

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).

Електролитът, използван в тези горивни клетки, е разтвор на фосфорна киселина. 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 Сентръл парк в Ню Йорк или като допълнителен източник на енергия за Conde Nast Building & Four Times Square. Повечето голяма платформаот 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 практическо приложение. 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 е стационарни инсталацииза 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.