Химия и ток. Горивни клетки

Горивни клетки Горивните клетки са класифицирани като химически източници на енергия. Те осъществяват директното преобразуване на енергията на горивото в електричество, заобикаляйки неефективните процеси на горене с големи загуби. Това електрохимично устройство директно генерира електричество в резултат на високоефективното "студено" изгаряне на гориво.

Биохимиците са установили, че биологична водород-кислородна горивна клетка е „вградена“ във всяка жива клетка (вж. Глава 2).

Източникът на водород в организма е храната - мазнини, протеини и въглехидрати. В стомаха, червата, клетките в крайна сметка се разлага на мономери, които от своя страна след поредица от химични трансформации дават водород, прикрепен към молекулата носител.

Кислородът от въздуха влиза в кръвния поток през белите дробове, комбинира се с хемоглобина и се пренася до всички тъкани. Процесът на комбиниране на водород с кислород е в основата на биоенергията на организма. Тук при меки условия (стайна температура, нормално налягане, водна среда) химическата енергия с висока ефективност се превръща в топлинна, механична (движение на мускулите), електричество (електрически лъч), светлина (насекоми, излъчващи светлина).

Човекът отново повтори устройството за получаване на енергия, създадена от природата. В същото време този факт говори за перспективите на посоката. Всички процеси в природата са много рационални, следователно стъпките към реалното използване на горивните клетки дават надежда за бъдещето на енергията.

Откритието през 1838 г. на водород-кислородната горивна клетка принадлежи на английския учен У. Гроув. Изследвайки разлагането на водата на водород и кислород, той открива страничен ефект - електролизаторът произвежда електрически ток.

Какво гори в горивна клетка?
Изкопаемите горива (въглища, газ и нефт) се състоят предимно от въглерод. При изгаряне атомите на горивото губят електрони и кислородните атоми на въздуха ги придобиват. Така че в процеса на окисляване въглеродните и кислородните атоми се комбинират, за да образуват продукти на горенето - молекули въглероден диоксид. Този процес протича енергично: атомите и молекулите на веществата, участващи в горенето, придобиват високи скорости и това води до повишаване на тяхната температура. Те започват да излъчват светлина - появява се пламък.

Химичната реакция на изгарянето на въглерод е:

C + O2 = CO2 + топлина

В процеса на горене химическата енергия се превръща в топлинна енергия поради обмена на електрони между атомите на горивото и окислителя. Този обмен е хаотичен.

Горенето е обмен на електрони между атомите, а електрическият ток е насоченото движение на електрони. Ако електроните са принудени да работят в хода на химическа реакция, температурата на процеса на горене ще намалее. В горивните клетки електроните се вземат от реагентите на единия електрод, отделят енергията си под формата на електрически ток и се присъединяват към реагентите от другия.

Основата на всеки HIT е два електрода, свързани с електролит. FC се състои от анод, катод и електролит (виж гл. 2). Той се окислява на анода, т.е. отдава електрони, редуциращият агент (гориво CO или H2), свободните електрони от анода навлизат във външната верига, а положителните йони се задържат на интерфейса анод-електролит (CO +, H +). От другия край на веригата електроните се приближават до катода, където протича редукционната реакция (добавянето на електрони от окислителя О2–). След това йоните на окислителя се пренасят от електролита към катода.

В TE три фази на физико -химичната система са събрани заедно:

газ (гориво, окислител);
електролит (йонни проводници);
метален електрод (електронен проводник).
В горивните клетки енергията на окислително -възстановителната реакция се превръща в електрическа, а процесите на окисляване и редукция са пространствено разделени от електролит. Електродите и електролитите не участват в реакцията, но в реални структури те се замърсяват с примеси от гориво с течение на времето. Електрохимичното горене може да протича при ниски температури и практически без загуби. На фиг. p087 показва ситуацията, при която смес от газове (CO и H2) навлиза в горивната клетка, т.е. може да изгаря газообразни горива (виж глава 1). Така TE се оказва „всеяден“.

Използването на горивни клетки се усложнява от факта, че горивото трябва да бъде „подготвено“ за тях. За FC водородът се произвежда чрез преобразуване на изкопаеми горива или газификация на въглища. Следователно структурната диаграма на електроцентрала, базирана на FC, в допълнение към FC батерии, DC-към-AC преобразувател (виж гл. 3) и спомагателно оборудване, включва агрегат за производство на водород.

Две направления на развитие на ТЕ

Има две области на прилагане на ФК: автономно и голямо енергийно инженерство.

За автономна употреба основните са специфичните характеристики и лекотата на използване. Цената на генерираната енергия не е основният показател.

За мащабно производство на енергия ефективността е решаващият фактор. Освен това инсталациите трябва да са издръжливи, да не съдържат скъпи материали и да използват естествено гориво с минимални разходи за подготовка.

Най -големи ползи обещава използването на горивни клетки в автомобил. Тук, както никъде другаде, компактността на горивната клетка ще се отрази. При директното получаване на електроенергия от гориво икономичността на последното ще бъде около 50%.

За първи път идеята за използване на горивни клетки в мащабна електроенергетика е формулирана от германския учен В. Освалд през 1894 г. По -късно се развива идеята за създаване на ефективни източници на автономна енергия на базата на горивна клетка.

След това се правят многократни опити да се използват въглища като активно вещество в горивните клетки. През 30 -те години на миналия век немският изследовател Е. Бауер създава лабораторен прототип на ФК с твърд електролит за директно анодно окисляване на въглища. В същото време са изследвани кислород-водородни горивни клетки.

През 1958 г. в Англия Ф. Бейкън създава първата 5 kW kW кислород-водородна инсталация. Но това беше тромаво поради използването на високо налягане на газ (2 ... 4 МРа).

От 1955 г. К. Кордеш разработва нискотемпературни горивно-кислород-водородни горивни клетки в САЩ. Те използваха въглеродни електроди с платинени катализатори. В Германия Е. Юст работи върху създаването на неплатинени катализатори.

След 1960 г. бяха създадени демонстрационни и рекламни образци. Първото практическо приложение на TE е открито на космическия кораб Аполо. Те бяха основните електроцентрали за захранване на бордовото оборудване и снабдяваха астронавтите с вода и топлина.

Основните области на използване за автономни инсталации с горивни клетки бяха военни и военноморски приложения. В края на 60 -те години обемът на изследванията на топлинната енергия намалява, а след 80 -те години отново се увеличава по отношение на голямото енергетично оборудване.

VARTA разработи FC, използвайки двустранни газодифузионни електроди. Електроди от този тип се наричат ​​"Янус". Siemens е разработил електроди с плътност на мощността до 90 W / kg. В Съединените щати работата по кислород-водородни клетки се извършва от United Technology Corp.

В мащабната енергетика използването на горивни клетки за мащабно съхранение на енергия е много обещаващо, например производството на водород (виж глава 1). (слънце и вятър) са дифузни (вж. гл. 4). Тяхната сериозна употреба, която е незаменима в бъдеще, е немислима без мощни батерии, които съхраняват енергия под една или друга форма.

Проблемът с акумулирането е актуален днес: дневните и седмичните колебания в натоварването на електроенергийните системи значително намаляват тяхната ефективност и изискват така наречените гъвкави капацитети. Една от опциите за устройство за съхранение на електрохимична енергия е горивна клетка в комбинация с електролизатори и държачи за газ *.

* Газов държач [газ + английски. държач] - съхранение за големи количества газ.

Първо поколение TE

Най-голямото технологично съвършенство е постигнато от първо поколение среднотемпературни горивни клетки, работещи при температури 200 ... 230 ° C на течно гориво, природен газ или технически водород *. Електролитът в тях е фосфорна киселина, която запълва порестата въглеродна матрица. Електродите са направени от въглерод, а катализаторът е платина (платина се използва в количества от порядъка на няколко грама на киловат мощност).

* Техническият водород е продукт на превръщането на изкопаеми горива, съдържащи незначителни примеси въглероден окис.

Една такава електроцентрала е въведена в експлоатация в щата Калифорния през 1991 г. Състои се от осемнадесет батерии с тегло 18 тона всяка и се помещава в калъф с диаметър малко над 2 м и височина около 5 м. Обмислена е процедурата за подмяна на батерията с помощта на рамкова конструкция, движеща се по релси навън.

Две електроцентрали на US TE бяха доставени на Япония. Първият от тях стартира в началото на 1983 г. Показателите за работа на станцията бяха в съответствие с изчислените. Тя работеше с товар от 25 до 80% от номинала. Ефективността достигна 30 ... 37% - това е близо до съвременните големи топлоелектрически централи. Времето за стартирането му от студено състояние е от 4 часа до 10 минути, а продължителността на промяната на мощността от нула до пълна е само 15 s.

Малки когенерационни инсталации с мощност 40 kW всяка със степен на оползотворяване на гориво от около 80% в момента се тестват в различни части на Съединените щати. Те могат да загряват вода до 130 ° C и се поставят в перални, спортни комплекси, на комуникационни точки и др. Около сто инсталации вече са работили за общо стотици хиляди часове. Екологичната чистота на електроцентралите на базата на горивни клетки им позволява да бъдат разположени директно в градовете.

Първата горивна електроцентрала в Ню Йорк, с мощност 4,5 MW, обхваща площ от 1,3 хектара. Сега за нови централи с капацитет два и половина пъти размерът 30x60 м. Необходими са няколко демонстрационни електроцентрали с мощност 11 MW. Времето за строителство (7 месеца) и площта (30x60 m), заета от електроцентралата, са поразителни. Прогнозният експлоатационен живот на новите електроцентрали е 30 години.

Второ и трето поколение ТЕ

Най-добрите характеристики притежават вече проектирани модулни инсталации с мощност 5 MW със среднотемпературни горивни клетки от второ поколение. Те работят при температури 650 ... 700 ° C. Техните аноди са направени от синтеровани частици от никел и хром, катодите са от спечен и окислен алуминий, а електролитът е стопилка от смес от литиеви и калиеви карбонати. Повишената температура помага за решаване на два основни електрохимични проблема:

за намаляване на "отравянето" на катализатора с въглероден оксид;
за повишаване на ефективността на процеса на редукция на окислителя при катода.
Високотемпературните горивни клетки от трето поколение с твърд оксиден електролит (главно циркониев диоксид) ще бъдат още по-ефективни. Работната им температура е до 1000 ° С. Ефективността на електроцентралите с такива горивни клетки е близо 50%. Тук продуктите от газификацията на твърди въглища със значително съдържание на въглероден оксид също са подходящи като гориво. Също толкова важно е, че отпадъчната топлина от високотемпературни инсталации може да се използва за генериране на пара, която задвижва турбините на електрогенераторите.

Vestingaus се занимава с горивни клетки от твърд оксид от 1958 г. Разработва електроцентрали с мощност 25 ... 200 kW, които могат да използват газообразно гориво от въглища. Подготвят се за изпитване експериментални инсталации с мощност няколко мегавата. Друга американска фирма, Engelgurd, проектира 50 kW горивни клетки, които работят на метанол с фосфорна киселина като електролит.

Все повече компании по целия свят участват в създаването на горивни клетки. American United Technology и японската Toshiba образуват Международната корпорация за горивни клетки. В Европа белгийско-холандският консорциум Elenko, западногерманската фирма Siemens, италианският Fiat и британецът Jonson Metju се занимават с горивни клетки.

Виктор ЛАВРУС.

Ако този материал ви е харесал, тогава ние ви предлагаме селекция от най -добрите материали на нашия сайт по мнение на нашите читатели. Селекция - ТОП за екологично чисти технологии, нова наука и научни открития, можете да намерите къде е най -удобно за вас

Мобилната електроника всяка година, ако не и месец, става все по -достъпна и разпространена. Тук имате лаптопи, КПК, цифрови фотоапарати, мобилни телефони и много други полезни и не толкова полезни устройства. И всички тези устройства непрекъснато придобиват нови функции, по -мощни процесори, по -големи цветни екрани, безжична връзка, като същевременно намаляват по размер. Но, за разлика от полупроводниковите технологии, енергийните технологии на цялата тази мобилна зверинка изобщо не са скокове.

Конвенционалните акумулатори и батерии очевидно не са достатъчни, за да захранват най -новите постижения в електронната индустрия за значително време. И без надеждни батерии с голям капацитет, цялата точка на мобилност и безжичност се губи. Така че компютърната индустрия работи все по -активно по проблема алтернативни захранвания... И най -обещаващото направление тук днес е горивни клетки.

Основният принцип на горивните клетки е открит от британския учен сър Уилям Гроув през 1839 г. Той е известен като бащата на "горивната клетка". Уилям Гроув генерира електричество чрез промяна, за да извлече водород и кислород. Изключвайки батерията от електролитната клетка, Гроув с изненада откри, че електродите започнаха да абсорбират отделения газ и да генерират ток. Отваряне на процес електрохимично "студено" изгаряне на водородсе превърна в значимо събитие в енергийния сектор, а по-късно такива известни електрохимици като Оствалд и Нернст изиграха важна роля в развитието на теоретичните основи и практическото внедряване на горивните клетки и предсказаха голямо бъдеще за тях.

На себе си терминът "горивна клетка"се появява по -късно - предложено е през 1889 г. от Лудвиг Монд и Чарлз Лангер, които се опитват да създадат устройство за генериране на електричество от въздух и въглищен газ.

При нормално изгаряне в кислород органичното гориво се окислява и химическата енергия на горивото се превръща неефективно в топлинна енергия. Но се оказа възможно реакцията на окисляване, например на водород с кислород, да се проведе в електролитна среда и в присъствието на електроди да се получи електрически ток. Например, подавайки водород към електрод в алкална среда, получаваме електрони:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

които, преминавайки през външната верига, влизат в противоположния електрод, към който влиза кислород и където протича реакцията: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Може да се види, че получената реакция 2H2 + O2 → H2O е същата като при конвенционалното горене, но в горивна клетка, или по друг начин - в електрохимичен генератор, се получава електрически ток с голяма ефективност и частично топлина. Имайте предвид, че въглищата, въглеродният окис, алкохолите, хидразинът и други органични вещества могат също да се използват като гориво в горивните клетки, а въздухът, водородният пероксид, хлор, бром, азотна киселина и др. Могат да се използват като окислители.

Развитието на горивните клетки продължи енергично както в чужбина, така и в Русия, а след това и в СССР. Сред учените, които имат голям принос в изследването на горивните клетки, отбелязваме В. Яко, П. Яблочков, Ф. Бейкън, Е. Бауер, Е. Юсти, К. Кордеш. В средата на миналия век започна нова буря с проблеми с горивните клетки. Това отчасти се дължи на появата на нови идеи, материали и технологии в резултат на отбранителни изследвания.

Един от учените, които са направили голяма крачка в развитието на горивните клетки, е П. М. Спиридонов. Водород-кислородни елементи на Спиридоновдаде плътност на тока от 30 mA / cm2, което за това време се счита за голямо постижение. През четиридесетте години О. Давтян създава инсталация за електрохимично изгаряне на генераторния газ, получен чрез газификация на въглища. За всеки кубичен метър от обема на елемента Давтян получава 5 kW мощност.

Беше първата горивна клетка от твърд електролит... Той имаше висока ефективност, но с течение на времето електролитът се влоши и трябваше да се смени. Впоследствие Давтян в края на петдесетте години създава мощна инсталация, която привежда трактора в движение. През същите години английският инженер Т. Бейкън проектира и изгражда батерия от горивни клетки с общ капацитет 6 kW и КПД 80%, работещ на чист водород и кислород, но съотношението мощност-тегло батерията се оказа твърде малка - такива клетки бяха неподходящи за практическа употреба и твърде скъпи.

През следващите години времето на самотниците отмина. Създателите на космически кораби се интересуват от горивни клетки. От средата на 60-те години милиони долари са инвестирани в изследвания на горивни клетки. Работата на хиляди учени и инженери направи възможно достигането на ново ниво, а през 1965г. Горивните клетки бяха тествани в САЩ на космически кораб Gemini-5, а по-късно на космическия кораб Apollo за полети до Луната и по програмата Shuttle.

В СССР горивните клетки са разработени в NPO Kvant, също за използване в космоса. През тези години вече се появиха нови материали - твърди полимерни електролити на базата на йонообменни мембрани, нови видове катализатори, електроди. Въпреки това плътността на работния ток беше малка - в рамките на 100-200 mA / cm2, а съдържанието на платина върху електродите беше няколко g / cm2. Имаше много проблеми, свързани с издръжливостта, стабилността, безопасността.

Следващият етап в бързото развитие на горивните клетки започва през 90 -те години. миналия век и продължава и сега. То е причинено от необходимостта от нови ефективни енергийни източници във връзка, от една страна, с глобалния екологичен проблем за увеличаващите се емисии на парникови газове от изгарянето на изкопаеми горива и, от друга страна, с изчерпването на такова гориво резерви. Тъй като крайният продукт от изгарянето на водород в горивна клетка е водата, те се считат за най -чистите по отношение на въздействието върху околната среда. Основният проблем се крие само в намирането на ефективен и евтин метод за производство на водород.

Милиарди финансови инвестиции в развитието на горивни клетки и водородни генератори трябва да доведат до технологичен пробив и да ги превърнат в реалност в ежедневието: в клетки за мобилни телефони, в автомобили, в електроцентрали. Вече такива автомобилни гиганти като Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors демонстрират автомобили и автобуси, работещи с горивни клетки с мощност 50 kW. Развити са редица компании демонстрационни електроцентрали на горивни клетки с твърд оксиден електролит с мощност до 500 kW... Но въпреки значителния пробив в подобряването на характеристиките на горивните клетки, все още има много проблеми за решаване, свързани с тяхната цена, надеждност и безопасност.

В горивната клетка, за разлика от батериите и акумулаторите, както горивото, така и окислителят се подават към нея отвън. Горивната клетка е само посредник в реакцията и при идеални условия би могла да работи почти вечно. Красотата на тази технология е, че всъщност елементът изгаря гориво и директно преобразува освободената енергия в електричество. При директно изгаряне на горивото, то се окислява от кислород, а отделената при това топлина се използва за извършване на полезна работа.

В горивната клетка, както и в батериите, реакциите на окисляване на горивото и редукция на кислород са пространствено разделени и процесът на "изгаряне" протича само ако клетката подава ток към товара. Това е като дизелов електрически генератор, само без дизел и генератор... И също така без дим, шум, прегряване и с много по -висока ефективност. Последното се обяснява с факта, че, първо, няма междинни механични устройства и, второ, горивната клетка не е топлинен двигател и в резултат на това не се подчинява на закона на Карно (т.е. неговата ефективност не се определя от температурната разлика).

Кислородът се използва като окислител в горивните клетки. Освен това, тъй като във въздуха има достатъчно кислород, няма нужда да се притеснявате за доставката на окислителя. Горивото е водород. И така, в горивната клетка се осъществява реакция:

2H2 + O2 → 2H2O + електричество + топлина.

Резултатът е полезна енергия и водни пари. Най -простият в своята структура е горивна клетка с протонообменна мембрана(виж фигура 1). Той работи по следния начин: водородът, влизащ в елемента, се разлага под действието на катализатора на електрони и положително заредени водородни йони Н +. Тогава влиза в действие специална мембрана, която играе ролята на електролит в конвенционалната батерия. Поради химичния си състав той позволява на протоните да преминават през себе си, но задържа електрони. По този начин, натрупаните на анода електрони създават излишен отрицателен заряд, а водородните йони създават положителен заряд в катода (напрежението в клетката е около 1V).

За да се създаде висока мощност, горивна клетка се сглобява от множество клетки. Ако елементът е включен в товара, тогава електроните ще преминават през него към катода, създавайки ток и завършвайки процеса на окисляване на водорода с кислород. Като катализатор в такива горивни клетки обикновено се използват платинени микрочастици, поддържани върху въглеродни влакна. Поради структурата си такъв катализатор е силно пропусклив за газ и електричество. Мембраната обикновено е направена от съдържащ сяра полимер, Nafion. Дебелината на мембраната е равна на десети от милиметъра. По време на реакцията, разбира се, също се отделя топлина, но няма толкова много, така че работната температура се поддържа в диапазона от 40-80 ° C.

Фиг. 1. Как работи горивната клетка

Има и други видове горивни клетки, които се различават главно по вида на използвания електролит. Почти всички те изискват водород като гориво, така че възниква логичен въпрос: откъде да го вземем. Разбира се, би било възможно да се използва сгъстен водород от бутилки, но тогава веднага възникват проблеми, свързани с транспортирането и съхранението на този силно запалим газ под високо налягане. Разбира се, водородът може да се използва в свързана форма, както в метални хидридни батерии. Но все пак проблемът с неговото производство и транспортиране остава, тъй като инфраструктурата за зареждане с водород не съществува.

Съществува обаче и решение - течно въглеводородно гориво може да се използва като източник на водород. Например етилов или метилов алкохол. Вярно е, че тук вече се изисква специално допълнително устройство - преобразувател на гориво, който превръща алкохолите в смес от газообразни Н2 и CO2 при висока температура (за метанола ще бъде някъде около 240 ° C). Но в този случай вече е по -трудно да се мисли за преносимост - такива устройства е добре да се използват като стационарни или, но за компактно мобилно оборудване се нуждаете от нещо по -малко тромаво.

И тук стигаме точно до устройството, чието разработване се извършва със страшна сила от почти всички най -големи производители на електроника - горивна клетка от метанол(Фигура 2).

Фиг. 2. Как работи метаноловата горивна клетка

Основната разлика между горивните клетки с водород и метанол се крие в използвания катализатор. Катализатор в метанолова горивна клетка позволява протоните да бъдат отстранени директно от молекулата на алкохола. Така въпросът с горивото е решен - метиловият алкохол се произвежда масово за химическата промишленост, лесно се съхранява и транспортира, а за зареждане на метанолна горивна клетка е достатъчно просто да се смени горивната касета. Вярно е, че има един съществен недостатък - метанолът е токсичен. В допълнение, ефективността на метанолна горивна клетка е значително по -ниска от тази на водородна горивна клетка.

Ориз. 3. Горивна клетка от метанол

Най -изкусителният вариант е да се използва етилов алкохол като гориво, тъй като производството и разпространението на алкохолни напитки от всякакъв състав и сила са добре установени по целия свят. Ефективността на горивните клетки от етанол обаче за съжаление е дори по -ниска от тази на метанола.

Както бе отбелязано в многогодишното развитие в областта на горивните клетки, бяха изградени различни видове горивни клетки. Горивните клетки се класифицират по електролит и вид гориво.

1. Твърд полимерен водород-кислороден електролит.

2. Горивни клетки от твърд полимер метанол.

3. Клетки на алкален електролит.

4. Горивни клетки с фосфорна киселина.

5. Горивни клетки на базата на разтопени карбонати.

6. Горивни клетки от твърд оксид.

В идеалния случай ефективността на горивните клетки е много висока, но в реални условия има загуби, свързани с неравновесни процеси, като: омични загуби поради специфичната проводимост на електролита и електродите, активиране и концентрационна поляризация, загуби при дифузия. В резултат на това част от енергията, генерирана в горивните клетки, се превръща в топлина. Усилията на специалистите са насочени към намаляване на тези загуби.

Основният източник на омични загуби, както и причината за високата цена на горивните клетки, са перфлуорираните сулфонови катионообменни мембрани. В момента тече търсене на алтернативни, по-евтини протонопроводими полимери. Тъй като проводимостта на тези мембрани (твърди електролити) достига приемлива стойност (10 Ohm / cm) само в присъствието на вода, газовете, подавани към горивната клетка, трябва да бъдат допълнително овлажнени в специално устройство, което също увеличава цената на система. В каталитичните газообразни дифузионни електроди се използват главно платина и някои други благородни метали и досега за тях не е намерена замяна. Въпреки че съдържанието на платина в горивните клетки е няколко mg / cm2, за големи батерии количеството му достига десетки грамове.

При проектирането на горивни клетки се обръща голямо внимание на системата за отвеждане на топлината, тъй като при високи плътности на тока (до 1A / cm2) се получава самонагряване на системата. За охлаждане се използва вода, циркулираща в горивната клетка по специални канали, а при ниска мощност се издухва въздух.

Така че съвременната система на електрохимичен генератор, в допълнение към самата горивна клетка, е "обрасла" с много спомагателни устройства, като: помпи, компресор за подаване на въздух, прием на водород, овлажнител на газ, охлаждащ агрегат, система за контрол на изтичане на газ, DC-to-AC преобразувател, контролен процесор и др. Всичко това води до факта, че цената на системата с горивни клетки през 2004-2005 г. е била 2-3 хиляди USD / kW. Според експерти горивните клетки ще станат достъпни за използване в транспортни и стационарни електроцентрали на цена от $ 50-100 / kW.

За въвеждането на горивни клетки в ежедневието, заедно с намаляването на цената на компонентите, трябва да се очакват нови оригинални идеи и подходи. По -специално, големи надежди се възлагат на използването на наноматериали и нанотехнологии. Например, няколко компании наскоро обявиха създаването на ултраефективни катализатори, по-специално за кислороден електрод на базата на групи от наночастици от различни метали. Освен това има съобщения за конструкции на безмембранни горивни клетки, при които течно гориво (като метанол) се подава в горивната клетка заедно с окислител. Интересна е и разработената концепция за биогоривни клетки, работещи в замърсени води и консумиращи разтворен атмосферен кислород като окислител и органични примеси като гориво.

Според експерти горивните клетки ще навлязат на масовия пазар през следващите години. Всъщност разработчиците един след друг побеждават технически проблеми, отчитат успехи и представят прототипи на горивни клетки. Например, Toshiba демонстрира завършен прототип на метанолова горивна клетка. Той има размер 22x56x4.5mm и дава мощност от около 100mW. Едно пълнене в 2 кубчета концентриран (99,5%) метанол е достатъчно за 20 часа работа на MP3 плейъра. Toshiba стартира търговска горивна клетка за захранване на мобилни телефони. Отново същата Toshiba демонстрира батерия за преносими компютри с размери 275x75x40mm, което позволява на компютъра да работи 5 часа от едно зареждане с гориво.

Друга японска компания, Fujitsu, не изостава от Toshiba. През 2004 г. тя въвежда и елемент, който действа върху 30% воден разтвор на метанол. Тази горивна клетка работи на едно 300 мл пълнене в продължение на 10 часа и в същото време доставя 15 вата мощност.

Casio разработва горивна клетка, в която метанолът първо се превръща в смес от газове H2 и CO2 в миниатюрен конвертор на гориво и след това се подава в горивната клетка. По време на демонстрацията прототипът на Casio захранва лаптопа в продължение на 20 часа.

Samsung също си направи име в областта на горивните клетки - през 2004 г. демонстрира своя 12W прототип, предназначен за захранване на лаптоп. Като цяло Samsung възнамерява да използва горивни клетки преди всичко в смартфоните от четвърто поколение.

Трябва да кажа, че японските компании като цяло са подходили много задълбочено към развитието на горивните клетки. Още през 2003 г. компании като Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony и Toshiba обединиха усилия, за да разработят единен стандарт за горивни клетки за лаптопи, мобилни телефони, PDA и други електронни устройства. Американските компании, които също са много на този пазар, работят предимно по договори с военните и разработват горивни клетки за електрификация на американски войници.

Германците не изостават - Smart Fuel Cell продава горивни клетки за захранване на мобилен офис. Устройството се нарича Smart Fuel Cell C25, има размери 150x112x65 мм и може да достави до 140 ват-часа при едно зареждане с гориво. Това е достатъчно за захранване на лаптопа за около 7 часа. След това касетата може да бъде сменена и можете да продължите да работите. Размерът на метанолната касета е 99x63x27 mm и тежи 150 g. Самата система тежи 1,1 кг, така че не можете да я наречете напълно преносима, но все пак това е напълно завършено и удобно устройство. Компанията разработва и горивен модул за захранване на професионални видеокамери.

По принцип горивните клетки вече са навлезли на пазара на мобилна електроника. Остава на производителите да решат последните технически проблеми, преди да започнат масово производство.

Първо, необходимо е да се реши въпросът за миниатюризацията на горивните клетки. В края на краищата, колкото по -малка е горивната клетка, толкова по -малко енергия ще може да достави - така че постоянно се разработват нови катализатори и електроди, за да се увеличи максимално работната повърхност с малки размери. Тук последните разработки в областта на нанотехнологиите и наноматериалите (например нанотръби) са много полезни. Отново постиженията на микроелектромеханиката се използват все по -често за миниатюризиране на тръбопроводите на елементи (горивни и водни помпи, охладителни системи и преобразуване на горивото).

Вторият основен проблем, който трябва да бъде разгледан, е цената. Всъщност много скъпата платина се използва като катализатор в повечето горивни клетки. Отново някои от производителите се опитват да се възползват максимално от вече утвърдените силициеви технологии.

Що се отнася до други области на използване на горивни клетки, горивните клетки вече са се утвърдили там, въпреки че все още не са станали масови нито в енергийния сектор, нито в транспорта. Вече много производители на автомобили представиха своите концептуални автомобили, задвижвани от горивни клетки. В няколко града по света има автобуси с горивни клетки. Canadian Ballard Power Systems произвежда гама от стационарни генератори от 1 до 250 kW. В същото време киловатните генератори са проектирани да захранват незабавно един апартамент с електричество, топлина и топла вода.

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, тъй като генерира постоянен ток чрез химична 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, стига да имат запас от гориво и въздух.

За разлика от други генератори на електричество, като двигатели с вътрешно горене или турбини, които работят на газ, въглища, мазут и др., Горивните клетки / клетки не изгарят гориво. Това означава, че няма шумни ротори с високо налягане, няма силен шум от отработените газове, няма вибрации. Горивните клетки / клетки генерират електричество чрез тиха електрохимична реакция. Друга особеност на горивните клетки / клетки е, че те превръщат 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. Единственият продукт на емисии по време на работа е 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 развитие на горивни клетки / клетки

През 50-те и 60-те години на миналия век една от най-предизвикателните задачи за горивните клетки се роди от нуждата на Националната администрация по аеронавтика и космос (НАСА) от енергийни източници за дългосрочни космически мисии. Алкалната горивна клетка / клетка на НАСА използва водород и кислород като гориво, съчетавайки двете в електрохимична реакция. Резултатът произвежда три странични продукта от реакцията, които са полезни при космически полети - електричество за захранване на космическия кораб, вода за питейни и охлаждащи системи и топлина за поддържане на космонавтите на топло.

Откриването на горивни 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 започва работа по горивни клетки с алкален електролит и до 1939 г. е построена клетка, използваща никелирани електроди с високо налягане. По време на Втората световна война са разработени горивни клетки / клетки за подводници на ВМС на Великобритания и през 1958 г. е въведен горивен възел, състоящ се от алкални горивни клетки / клетки с диаметър малко над 25 cm.

Интересът нараства през 1950 -те и 1960 -те години, а също и през 80 -те години, когато индустриалният свят изпитва недостиг на мазут. През същия период световните държави също се загрижиха за проблема със замърсяването на въздуха и обмислиха методи за екологосъобразно производство на електроенергия. В момента технологията за производство на горивни клетки / клетки преживява етап на бързо развитие.

Как работят горивните клетки / клетките

Горивните клетки / клетки генерират електричество и топлина от електрохимична реакция, протичаща с помощта на електролит, катод и анод.

Анодът и катодът са разделени от електролит, който провежда протони. След като водородът влиза в анода и кислородът влиза в катода, започва химическа реакция, в резултат на която се генерират електрически ток, топлина и вода.

На анодния катализатор молекулярният водород се дисоциира и губи електрони. Водородните йони (протони) се провеждат през електролита към катода, докато електроните преминават през електролита и преминават през външна електрическа верига, създавайки постоянен ток, който може да се използва за захранване на оборудването. На катодния катализатор кислородната молекула се комбинира с електрон (който се подава от външни комуникации) и входящ протон и образува вода, която е единственият продукт на реакцията (под формата на пара и / или течност).

Следва съответната реакция:

Реакция на анода: 2H 2 => 4H + + 4e -
Реакция на катода: O 2 + 4H + + 4e - => 2H 2 O
Обща реакция на елемента: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Видове и разнообразие от горивни клетки / клетки

Подобно на съществуването на различни видове двигатели с вътрешно горене, има различни видове горивни клетки - изборът на подходящ тип горивни клетки зависи от приложението.

Горивните клетки са разделени на високи и ниски температури. Нискотемпературните горивни клетки изискват сравнително чист водород като гориво. Това често означава, че е необходима преработка на гориво, за да се превърне основното гориво (като природен газ) в чист водород. Този процес консумира допълнителна енергия и изисква специално оборудване. Горивните клетки с висока температура не се нуждаят от тази допълнителна процедура, тъй като те могат да „вътрешно преобразуват“ горивото при повишени температури, което означава, че няма нужда да се инвестира във водородна инфраструктура.

Горивни клетки / клетки върху разтопения карбонат (RKTE)

Разтопените карбонатни електролитни горивни клетки са горивни клетки с висока температура. Високата работна температура позволява използването на природен газ директно без гориво за процесори и гориво с ниска калоричност за промишлени процеси и други източници.

Работата на RKTE е различна от другите горивни клетки. Тези клетки използват електролит от смес от разтопени карбонатни соли. Понастоящем се използват два вида смеси: литиев карбонат и калиев карбонат или литиев карбонат и натриев карбонат. За да се стопят карбонатни соли и да се постигне висока степен на йонна подвижност в електролита, горивните клетки с разтопен карбонатен електролит работят при високи температури (650 ° C). Ефективността варира между 60-80%.

При нагряване до 650 ° C солите се превръщат в 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 насочват обратно към катода чрез външна електрическа верига, генерирайки електрически ток и топлина като страничен продукт.

Реакция на анода: 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 елемента: H 2 (g) + 1 / 2O 2 (g) + CO 2 (катод) => H 2 O (g) + CO 2 (анод)

Високите работни температури на разтопените карбонатни електролитни горивни клетки имат определени предимства. При високи температури природният газ се реформира вътрешно, премахвайки необходимостта от горивен процесор. В допълнение, предимствата включват възможността да се използват стандартни строителни материали като лист от неръждаема стомана и никелов катализатор върху електродите. Отпадната топлина може да се използва за генериране на пара под високо налягане за различни промишлени и търговски цели.

Високите реакционни температури в електролита също имат своите предимства. Използването на високи температури отнема много време за постигане на оптимални условия на работа и системата реагира по -бавно на промените в консумацията на енергия. Тези характеристики позволяват използването на инсталации на горивни клетки с разтопен карбонатен електролит при условия на постоянна мощност. Високите температури предотвратяват увреждането на въглеродния окис на горивната клетка.

Разтопените карбонатни електролитни горивни клетки са подходящи за използване в големи стационарни инсталации. Топлоелектрическите централи с изходна електрическа мощност 3,0 MW се произвеждат индустриално. Развиват се инсталации с изходна мощност до 110 MW.

Горивни клетки / клетки от фосфорна киселина (FCTE)

Горивните клетки с фосфорна (ортофосфорна) киселина са първите горивни клетки за търговска употреба.

Горивните клетки на основата на фосфорна (ортофосфорна) киселина използват електролит на основата на фосфорна киселина (H 3 PO 4) с концентрация до 100%. Йонната проводимост на фосфорната киселина е ниска при ниски температури, поради което тези горивни клетки се използват при температури до 150-220 ° C.

Носителят на заряд в този тип горивни клетки е водород (Н +, протон). Подобен процес протича в горивните клетки с протонообменна мембрана, при която водородът, доставен към анода, се разделя на протони и електрони. Протоните преминават през електролита и се комбинират с кислород от въздуха при катода, за да образуват вода. Електроните се канализират през външна електрическа верига, генерирайки 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 - => 2 H 2 O
Обща реакция на елемента: 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 комбинирано производство на топлина и електроенергия общата ефективност е около 85%. Освен това, като се имат предвид работните температури, отпадъчната топлина може да се използва за загряване на вода и генериране на пара при атмосферно налягане.

Високото представяне на топлинни и електроцентрали на горивни клетки на базата на фосфорна (ортофосфорна) киселина при комбинираното производство на топлинна и електрическа енергия е едно от предимствата на този вид горивни клетки. Заводите използват въглероден окис с концентрация от около 1,5%, което значително разширява избора на гориво. В допълнение, CO 2 не влияе върху електролита и работата на горивната клетка; този тип клетки работят с реформирано естествено гориво. Простият дизайн, ниската летливост на електролитите и повишената стабилност също са предимства на този вид горивни клетки.

Индустриално се произвеждат топлоелектрически централи с изходна електрическа мощност до 500 kW. Единиците от 11 MW са тествани съответно. Развиват се инсталации с изходна мощност до 100 MW.

Горивни клетки / клетки от твърд оксид (SOFC)

Горивните клетки с твърд оксид са горивните клетки с най -висока работна температура. Работната температура може да варира от 600 ° C до 1000 ° C, което позволява да се използват различни видове гориво без специална предварителна обработка. За да се справят 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 херметически затворен преход на газ от един електрод към друг, докато течните електролити се намират в пореста основа. Носителят на заряд в този тип горивни клетки е кислороден йон (O 2-). На катода кислородните молекули от въздуха са разделени на кислороден йон и четири електрона. Кислородните йони преминават през електролита и се комбинират с водород, за да образуват четири свободни електрона. Електроните се канализират през външна електрическа верига, генерирайки електрически ток и отпадна топлина.

Реакция на анода: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Реакция на катода: O 2 + 4e - => 2O 2-
Обща реакция на елемента: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Ефективността на генерираната електрическа енергия е най -високата от всички горивни клетки - около 60-70%. Високите работни температури позволяват комбинирано генериране на топлина и енергия за генериране на пара под високо налягане. Комбинирането на високотемпературна горивна клетка с турбина прави възможно създаването на хибридна горивна клетка, за да се увеличи ефективността на генерирането на електрическа енергия с до 75%.

Горивните клетки от твърд оксид работят при много високи температури (600 ° C - 1000 ° C), което отнема много време за постигане на оптимални условия на работа, а системата реагира по -бавно на промените в консумацията на енергия. При такива високи работни температури не се изисква преобразувател за възстановяване на водород от горивото, което позволява на ТЕЦ да работи със сравнително нечисти горива в резултат на газификацията на въглища или отпадъчни газове и други подобни. Освен това тази горивна клетка е отлична за работа с висока мощност, включително промишлени и големи централни електроцентрали. Модулите с изходна електрическа мощност 100 kW се произвеждат в търговската мрежа.

Горивни клетки / клетки с директно окисляване на метанол (POMTE)

Технологията за използване на горивни клетки с директно окисление на метанол преминава през период на активно развитие. Успешно се утвърди в областта на захранването на мобилни телефони, лаптопи, както и за създаване на преносими източници на захранване. към какво е насочена бъдещата употреба на тези елементи.

Дизайнът на горивните клетки с директно окисляване на метанол е подобен на горивните клетки с протонообменна мембрана (MOPTE), т.е. като електролит се използва полимер, а като носител на заряд се използва водороден йон (протон). Течният метанол (CH3OH) обаче се окислява в присъствието на вода на анода с отделянето на CO 2, водородни йони и електрони, които се насочват през външна електрическа верига, като по този начин се генерира електрически ток. Водородните йони преминават през електролита и реагират с кислород от въздуха и електрони от външната верига, за да образуват вода на анода.

Реакция на анода: CH3OH + H2O => CO 2 + 6H + + 6e -
Реакция на катода: 3 / 2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Обща реакция на елемента: CH 3 OH + 3 / 2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Предимството на този вид горивни клетки е неговият малък размер, дължащ се на използването на течно гориво, и липсата на необходимост от преобразувател.

Алкални горивни клетки / клетки (SHFC)

Алкалните горивни клетки са един от най -ефективните елементи, използвани за генериране на електричество, като ефективността на генериране на електроенергия достига до 70%.

Алкалните горивни клетки използват електролит, тоест 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 SHFC е хидроксилен йон (OH -), който се движи от катода към анода, където реагира с водород, произвеждайки вода и електрони. Водата, произведена на анода, се връща обратно към катода, отново генерирайки там хидроксилни йони. Тази поредица от реакции в горивната клетка 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 SHFCs е, че тези горивни клетки са най -евтините за производство, тъй като катализаторът, който е необходим върху електродите, може да бъде всяко от веществата, които са по -евтини от тези, използвани като катализатори за други горивни клетки. SCFC работят при относително ниска температура и са едни от най -ефективните горивни клетки - съответно тези характеристики могат да допринесат за ускоряване на генерирането на енергия и висока горивна ефективност.

Една от характерните особености на SHFC е неговата висока чувствителност към CO 2, която може да се съдържа в гориво или въздух. CO 2 реагира с електролита, бързо го отрови и значително намалява ефективността на горивната клетка. Следователно използването на SHTE 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 SHFC.

Горивни клетки / клетки от полимерни електролити (PETE)

В случай на полимерни електролитни горивни клетки, полимерната мембрана се състои от полимерни влакна с водни участъци, в които има проводимост на водни йони (Н 2 О + (протон, червен), прикрепен към молекулата на водата). Водните молекули представляват проблем поради бавния си йонообмен. Поради това се изисква висока концентрация на вода както в горивото, така и в изходните електроди, което ограничава работната температура до 100 ° C.

Горивни клетки / клетки с твърда киселина (TKTE)

В горивните клетки с твърда киселина електролитът (CsHSO 4) не съдържа вода. Следователно работната температура е 100-300 ° C. Въртенето на оксионите аниони SO 4 2- 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 притиснат между два плътно компресирани електрода, за да се осигури добър контакт. При нагряване органичният компонент се изпарява, оставяйки през порите в електродите, запазвайки способността за множество контакти между горивото (или кислорода в другия край на клетките), електролита и електродите.

Различни модули на горивни клетки. Батерия с горивни клетки

1. Батерия с горивни клетки
2. Друго оборудване, работещо при високи температури (вграден парогенератор, горивна камера, топлообменник)
3. Топлоустойчива изолация

Модул за горивни клетки

Сравнителен анализ на видовете и разновидностите на горивните клетки

Иновативните енергийно ефективни общински топлоелектрически централи обикновено се изграждат от горивни клетки от твърд оксид (SOFC), горивни клетки от полимерни електролити (PETF), горивни клетки от фосфорна киселина (PCFC), горивни клетки с мембрана с протонен обмен (MOPFC) и алкални горивни клетки (PSFC) ) ... Обикновено те имат следните характеристики:

Най -подходящите трябва да бъдат признати като горивни клетки от твърд оксид (SOFCs), които:

• работа при по -висока температура, което намалява нуждата от скъпи благородни метали (като платина)
• може да работи с различни видове въглеводородни горива, предимно природен газ
• имат по-дълго време за стартиране и следователно са по-подходящи за дългосрочни действия
• демонстрират висока ефективност на генерирането на енергия (до 70%)
• поради високите работни температури, агрегатите могат да се комбинират със системи за рекуперация на топлина, като така общата ефективност на системата достига до 85%
• имат практически нулеви емисии, работят тихо и имат ниски експлоатационни изисквания в сравнение със съществуващите технологии за производство на електроенергия

Тип горивни клетки	Работна температура	Ефективност на генерирането на електроенергия	Тип гориво	Област на приложение
RKTE	550-700 ° C	50-70%		Средни и големи инсталации
FKTE	100-220 ° C	35-40%	Чист водород	Големи инсталации
MOPTE	30-100 ° C	35-50%	Чист водород	Малки инсталации
SOFC	450-1000 ° C	45-70%	Повечето въглеводородни горива	Малки, средни и големи инсталации
ПОМТЕ	20-90 ° C	20-30%	Метанол	Преносим
SHTE	50-200 ° C	40-70%	Чист водород	Изследване на космоса
ПИТ	30-100 ° C	35-50%	Чист водород	Малки инсталации

Тъй като малките когенерационни инсталации могат да бъдат свързани към конвенционална мрежа за доставка на газ, горивните клетки не изискват отделна система за подаване на водород. Когато се използват малки когенерационни агрегати с твърди оксидни горивни клетки, генерираната топлина може да бъде интегрирана в топлообменници за отопление на вода и вентилационен въздух, увеличавайки общата ефективност на системата. Тази иновативна технология е най -подходяща за ефективно производство на електроенергия без нужда от скъпа инфраструктура и сложна интеграция на уреди.

Приложения за горивни клетки / клетки

Приложения за горивни клетки / клетки в телекомуникационни системи

С разпространението на безжичните комуникационни системи по света и нарастващите социално-икономически ползи от технологиите за мобилни телефони, необходимостта от надеждна и рентабилна резервна енергия стана критична. Загубите на мрежата през цялата година поради лошо време, природни бедствия или ограничен капацитет на мрежата са постоянно предизвикателство за операторите на мрежа.

Традиционните телекомуникационни резервни решения включват батерии (оловна акумулаторна батерия с регулирана клапа) за краткосрочно резервно копие и генератори на дизел и пропан за по-дълго резервно копие. Батериите са сравнително евтин резервен източник на енергия за 1 до 2 часа. Батериите обаче не са подходящи за по -дълго резервно захранване, тъй като са скъпи за поддръжка, стават ненадеждни след дълги периоди на употреба, чувствителни са към температурата и са опасни за околната среда след изхвърляне. Дизеловите и пропановите генератори могат да осигурят непрекъснато резервно захранване. Въпреки това, генераторите могат да бъдат ненадеждни, да изискват продължителна поддръжка и да отделят високи нива на замърсяване и парникови газове в атмосферата.

За справяне с ограниченията на традиционните решения за захранване в режим на готовност е разработена иновативна технология за зелени горивни клетки. Горивните клетки са надеждни, тихи, съдържат по -малко движещи се части от генератора, имат по -широк работен температурен диапазон от батерията, от -40 ° C до + 50 ° C и в резултат осигуряват изключително високи нива на икономия на енергия. Освен това разходите за целия живот на такова инсталация са по -ниски от тези на генератора. По -ниските разходи за горивни клетки са резултат от само едно посещение за поддръжка годишно и значително по -висока производителност на завода. В крайна сметка горивната клетка е екологично технологично решение с минимално въздействие върху околната среда.

Блоковете с горивни клетки осигуряват резервно захранване за критични комуникационни мрежови инфраструктури за безжични, постоянни и широколентови телекомуникации, вариращи от 250W до 15kW, предлагащи много ненадминати иновативни функции:

• НАДЕЖДНОСТ- малко движещи се части и без разреждане в режим на готовност
• ПЕСТЕНЕ НА ЕНЕРГИЯ
• МЪЛЧАНИЕ- ниско ниво на шум
• УСТОЙЧИВОСТ- работен диапазон от -40 ° C до + 50 ° C
• АДАПТИВНОСТ- външен и вътрешен монтаж (контейнер / защитен контейнер)
• ГОЛЯМА МОЩ- до 15 kW
• НИЗКИ НЕОБХОДИМИ ПОДДРЪЖКА- минимална годишна поддръжка
• ЕФЕКТИВНОСТ- атрактивна обща цена на собственост
• ЕКОЛОГИЧНО ПРИЯТЕЛСКА ЕНЕРГИЯ- ниски емисии с минимално въздействие върху околната среда

Системата усеща постоянно напрежението на DC шината и плавно приема критични натоварвания, ако напрежението на DC шината падне под определена от потребителя предварително зададена стойност. Системата работи на водород, който влиза в купчината горивни клетки по един от двата начина - или от промишлен източник на водород, или от течни горива от метанол и вода, като се използва интегрирана система за риформинг.

Електричеството се произвежда от горивните клетки под формата на постоянен ток. Постоянната мощност се предава към преобразувател, който преобразува нерегламентирана постоянна мощност от купчината горивни клетки във висококачествена регулирана постоянна мощност за необходимите товари. Инсталацията с горивни клетки може да осигури резервно захранване в продължение на много дни, тъй като продължителността на работа е ограничена само от количеството водород или гориво от наличния метанол / вода.

Горивните клетки предлагат висока икономия на енергия, повишена надеждност на системата, по -предвидими характеристики в широк диапазон от климатични условия и надежден експлоатационен живот в сравнение със стандартните за индустрията клапанни оловно -киселинни батерии. Разходите за жизнения цикъл също са по -ниски поради значително по -малко изисквания за поддръжка и подмяна. Горивните клетки предлагат ползи за околната среда на крайния потребител, тъй като разходите за изхвърляне и рисковете от отговорност, свързани с оловно -киселинните клетки, са нарастваща загриженост.

Работата на електрическите батерии може да бъде неблагоприятно повлияна от широк спектър от фактори като ниво на зареждане, температура, цикли, живот и други променливи. Доставената енергия ще варира в зависимост от тези фактори и не е лесно да се предвиди. Работата на горивна клетка с протонна обменна мембрана (POMFC) е относително незасегната от тези фактори и може да осигури критична електрическа енергия, докато има налично гориво. Повишената предсказуемост е важна полза при мигрирането към горивни клетки за критични приложения за резервно захранване.

Горивните клетки генерират енергия само когато се подава гориво, като генератор на газова турбина, но нямат движещи се части в генериращата зона. Следователно, за разлика от генератора, те не подлежат на бързо износване и не изискват постоянна поддръжка и смазване.

Горивото, използвано за задвижване на горивния преобразувател с удължен ход, е смес от метанол / вода. Метанолът е широко достъпно гориво в търговската мрежа, което в момента има много приложения, включително шайби за предно стъкло, пластмасови бутилки, добавки към двигателя и емулсионни бои. Метанолът е лесен за транспортиране, може да се смесва с вода, има добра биоразградимост и не съдържа сяра. Той има ниска точка на замръзване (-71 ° C) и не се разгражда, когато се съхранява дълго време.

Приложение на горивни клетки / клетки в комуникационни мрежи

Защитените комуникационни мрежи изискват надеждни решения за резервно захранване, които могат да функционират часове или дни при спешни случаи, ако електрическата мрежа вече не е налична.

С малко движещи се части и без намаляване на стойностите в режим на готовност, иновативната технология на горивните клетки предлага атрактивно решение в сравнение с настоящите системи за захранване в режим на готовност.

Най -убедителната причина за използването на технологията на горивните клетки в комуникационните мрежи е повишената обща надеждност и безопасност. По време на инциденти като прекъсвания на електрозахранването, 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 живота на резервната електрозахранваща система.

Гамата от захранвания с горивни клетки е идеална за поддържане на сигурни комуникационни мрежи. Благодарение на своите принципи на пестене на енергия, те осигуряват екологично, надеждно резервно захранване с удължено време на работа (до няколко дни) за използване в диапазона на мощността 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 основи е от ключово значение по 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, като правило, води до значителни финансови загуби. Надеждни, иновативни инсталации с горивни клетки с резервно захранване осигуряват надеждността, от която се нуждаете, за да осигурите непрекъснато захранване.

Блоковете с горивни клетки, работещи на течна смес метанол / вода, осигуряват надеждно резервно захранване с удължено време на работа, до няколко дни. В допълнение, тези агрегати имат значително намалени изисквания за поддръжка в сравнение с генераторите и батериите, като изискват само едно посещение за поддръжка годишно.

Типични характеристики на обекта за използване на инсталации с горивни клетки в мрежи за данни:

• Приложения с консумирана енергия от 100 W до 15 kW
• Приложения с изисквания за живот на батерията> 4 часа
• Повторители в оптични системи (йерархия на синхронни цифрови системи, високоскоростен интернет, глас по IP ...)
• Високоскоростни мрежови възли
• Предавателни възли WiMAX

Инсталациите в режим на готовност на горивни клетки предлагат многобройни предимства за критичните инфраструктури на мрежата за данни в сравнение с традиционните самостоятелни батерии или дизелови генератори, което позволява по-голямо използване на полето:

1. Технологията на течно гориво решава проблема със съхранението на водород и осигурява практически неограничена работа на резервното захранване.
2. Благодарение на тяхната тиха работа, ниско тегло, устойчивост на температурни крайности и практически без вибрации, горивните клетки могат да бъдат инсталирани извън сградата, в промишлени помещения / контейнери или на покриви.
3. Подготовката на място за използване на системата е бърза и икономична, а експлоатационните разходи са ниски.
4. Горивото е биоразградимо и осигурява екологично решение за градска среда.

Използването на горивни клетки / клетки в системите за сигурност

Най -сложните системи за сигурност и комуникация на сградите са толкова надеждни, колкото и захранването, което ги поддържа работещи. Въпреки че повечето системи включват някакъв вид UPS за краткосрочни загуби на електроенергия, те не създават условия за по-дълги прекъсвания на електрозахранването след природни бедствия или терористични атаки. Това може да бъде критичен въпрос за много корпоративни и държавни агенции.

Жизнено важни системи като системи за видеонаблюдение и контрол на достъпа (четци за лични карти, устройства за затваряне на врати, техники за биометрична идентификация и др.), Автоматични пожароизвестителни и гасителни системи, системи за управление на асансьори и телекомуникационни мрежи, са изложени на риск при липса на надежден алтернативен непрекъснат източник на захранване.

Дизеловите генератори вдигат много шум, трудно се поставят и са добре известни със своите проблеми с надеждността и поддръжката. За разлика от това, инсталация с горивни клетки, осигуряваща резервно захранване, е тиха, надеждна, с нулеви или много ниски емисии и е лесна за инсталиране на покрив или извън сграда. Той не изчерпва или губи захранване в режим на готовност. Той гарантира, че критичните системи продължават да работят, дори след като съоръжението е затворено и хората напуснат сградата.

Иновативните инсталации с горивни клетки защитават ценни инвестиции в критично важни приложения. Те осигуряват екологично, надеждно резервно захранване с удължено време на работа (до много дни) за използване в диапазон на мощност от 250 W до 15 kW, съчетано с множество ненадминати функции и особено високи нива на икономия на енергия.

Резервните електроцентрали с горивни клетки предлагат многобройни предимства за използване в критично важни приложения като системи за сигурност и управление на сгради пред традиционните самостоятелни батерии или дизелови генератори. Технологията на течно гориво решава проблема със съхранението на водород и осигурява практически неограничена работа на резервното захранване.

Използването на горивни клетки / клетки за битово отопление и производство на електроенергия

Горивни клетки от твърд оксид (SFC) се използват за изграждане на надеждни, енергийно ефективни и без емисии топлинни електроцентрали за генериране на електричество и топлина от широко достъпни природен газ и възобновяеми източници на гориво. Тези иновативни агрегати се използват на голямо разнообразие от пазари, от производство на електроенергия в домашни условия до доставка на електроенергия до отдалечени райони, както и помощни захранвания.

Приложение на горивни клетки / клетки в разпределителни мрежи

Малките когенерационни централи са проектирани да работят в разпределена електроенергийна мрежа, състояща се от голям брой малки генераторни агрегати вместо една централизирана електроцентрала.

Фигурата по -долу показва загубите в ефективността на производството на електроенергия, когато тя се генерира в когенерационни централи и се предава до къщи чрез традиционните мрежи за пренос на електроенергия, които се използват в момента. Загубите на ефективност при централизирано производство включват загуби от електроцентралата, предаване на ниско и високо напрежение и загуби в разпределението.

Фигурата показва резултатите от интегрирането на малки топлоелектрически централи: електроенергията се генерира с ефективност на производство до 60% в точката на използване. В допълнение, домакинството може да използва топлината, генерирана от горивните клетки, за затопляне на вода и пространство, което увеличава общата енергийна ефективност на 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 нефт. Съществуващите методи за оползотворяване на свързания нефтен газ имат много недостатъци, основният от които е, че са икономически неизгодни. Изгаря се свързан петролен газ, който причинява голяма вреда на околната среда и здравето на хората.

Иновативните топлинни електроцентрали с горивни клетки, които използват свързан петролен газ като гориво, отварят пътя към радикално и рентабилно решение на проблемите с оползотворяването на свързания петролен газ.

1. Едно от основните предимства на инсталациите с горивни клетки е, че те могат да работят надеждно и стабилно с променлив свързан петролен газ. Поради безвредната химическа реакция, която стои 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 електрическото натоварване на потребителите, спад, натоварване.
3. За инсталирането и свързването на топлинни и електроцентрали на горивни клетки, тяхното изпълнение не изисква капиталови разходи, т.к блоковете се монтират лесно на неподготвени обекти в близост до нивите, удобни са в експлоатация, надеждни и ефективни.
4. Високата автоматизация и модерното дистанционно управление не изискват постоянно присъствие на персонал в инсталацията.
5. Простотата и техническото съвършенство на дизайна: липсата на движещи се части, триене, системи за смазване осигуряват значителни икономически ползи от експлоатацията на инсталации с горивни клетки.
6. Консумация на вода: няма при стайна температура до +30 ° C и пренебрежимо при по -високи температури.
7. Изход за вода: липсва.
8. В допълнение, топлинните и електроцентралите на горивните клетки не издават шум, вибрират, не отделят вредни емисии в атмосферата

ГОРИВЕН ЕЛЕМЕНТ
електрохимичен генератор, устройство, което директно преобразува химическата енергия в електрическа. Докато същото нещо се случва в електрическите батерии, горивните клетки имат две важни разлики: 1) те функционират, докато горивото и окислителят се доставят от външен източник; 2) химическият състав на електролита не се променя по време на работа, т.е. горивната клетка не се нуждае от презареждане.
Вижте същоЗАХРАНВАЩА БАТЕРИЯ.
Принцип на действие.Горивната клетка (фиг. 1) се състои от два електрода, разделени от електролит, и системи за подаване на гориво към единия електрод и окислител към другия, както и система за отстраняване на продуктите от реакцията. В повечето случаи се използват катализатори за ускоряване на химическата реакция. Външна електрическа верига свързва горивната клетка с товар, който консумира електричество.

На снимката, показана на фиг. В кисела горивна клетка водородът се подава през кухия анод и навлиза в електролита през много фини пори в материала на електрода. В този случай настъпва разлагането на водородни молекули на атоми, които в резултат на хемосорбция, дарявайки по един електрон, се превръщат в положително заредени йони. Този процес може да бъде описан чрез следните уравнения:

Водородните йони дифундират през електролита към положителната страна на клетката. Доставеният към катода кислород преминава в електролита и също реагира на повърхността на електрода с участието на катализатор. Когато се комбинира с водородни йони и електрони, идващи от външната верига, се образува вода:

В горивните клетки с алкален електролит (обикновено концентрирани натриеви или калиеви хидроксиди) протичат подобни химични реакции. Водородът преминава през анода и реагира в присъствието на катализатор с хидроксилни йони (OH-), присъстващи в електролита, за да образува вода и електрон:

На катода кислородът реагира с водата в електролита и електроните от външната верига. В последователни етапи на реакциите се образуват хидроксилни йони (а също и перхидроксил О2Н-). Получената реакция на катода може да бъде записана като:

Потокът от електрони и йони поддържа баланса на заряда и веществото в електролита. Получената вода частично разрежда електролита. Във всяка горивна клетка част от енергията на химична реакция се превръща в топлина. Потокът от електрони във външната верига е постоянен ток, който се използва за извършване на работа. Повечето реакции в горивните клетки осигуряват ЕРС от около 1 V. Отварянето на веригата или спирането на движението на йони спира работата на горивната клетка. Процесът, който протича в горивна клетка с водород-кислород, по своята същност е противоположен на добре познатия процес на електролиза, при който водата се дисоциира при преминаване на електрически ток през електролита. Всъщност при някои видове горивни клетки процесът може да се обърне - чрез прилагане на напрежение към електродите, водата може да се разложи на водород и кислород, които могат да бъдат събрани върху електродите. Ако спрете зареждането на клетката и свържете товар към нея, такава регенеративна горивна клетка веднага ще започне да работи в нормалния си режим. На теория размерите на горивната клетка могат да бъдат колкото желаете. На практика обаче няколко клетки са комбинирани в малки модули или батерии, които са свързани последователно или паралелно.
Видове горивни клетки.Има различни видове горивни клетки. Те могат да бъдат класифицирани например според използваното гориво, работното налягане и температурата според естеството на приложението.
Водородни горивни клетки.В тази типична клетка, описана по -горе, водородът и кислородът се прехвърлят към електролита чрез микропорести въглеродни или метални електроди. Висока плътност на тока се постига в клетки, работещи при повишени температури (около 250 ° C) и високо налягане. Клетките, използващи водородно гориво, получени от преработката на въглеводородни горива, като природен газ или петролни продукти, вероятно ще намерят най -широко разпространените търговски приложения. Комбинирайки голям брой елементи, можете да създадете мощни енергийни инсталации. В тези инсталации постоянният ток, генериран от елементите, се преобразува в променлив ток със стандартни параметри. Нов тип елементи, способни да работят с водород и кислород при нормални температура и налягане, са елементи с йонообменни мембрани (фиг. 2). В тези клетки вместо течен електролит между електродите се намира полимерна мембрана, през която свободно преминават йони. В такива елементи въздухът може да се използва заедно с кислорода. Водата, образувана по време на работата на клетката, не разтваря твърдия електролит и може лесно да се отстрани.

Елементи за въглеводородни и въглищни горива. Горивните клетки, които могат да преобразуват химическата енергия на широко достъпни и сравнително евтини горива като пропан, природен газ, метилов алкохол, керосин или бензин директно в електричество, са обект на интензивни изследвания. Все още обаче не е постигнат значителен напредък в развитието на горивните клетки, работещи с газове, получени от въглеводородни горива при нормални температури. За да се увеличи скоростта на реакция на въглеводородните и въглищните горива, е необходимо да се увеличи работната температура на горивната клетка. Електролитите са стопилки от карбонати или други соли, които са затворени в пореста керамична матрица. Горивото "се разделя" в клетката, образувайки водород и въглероден оксид, които поддържат генериращата ток реакция в клетката. Елементи, захранвани от други видове гориво. По принцип реакциите в горивните клетки не трябва да са реакции на окисляване на конвенционалните горива. В бъдеще могат да бъдат открити други химични реакции, които ще направят възможно провеждането на ефективно директно производство на електроенергия. В някои устройства електроенергията се получава чрез окисляване, например, цинк, натрий или магнезий, от които се правят консумиращи електроди.
Ефективност.Трансформацията на енергията на конвенционалните горива (въглища, нефт, природен газ) в електричество досега е била многоетапен процес. Изгарянето на гориво, което произвежда пара или газ, необходими за работа на турбина или двигател с вътрешно горене, което от своя страна върти електрически генератор, не е много ефективен процес. Наистина, коефициентът на използване на енергията при такава трансформация е ограничен от втория закон на термодинамиката и едва ли може да бъде значително повишен над съществуващото ниво (вж. Също ТОПЛИНА; ТЕРМОДИНАМИКА). Коефициентът на използване на енергията на горивото на най -съвременните парни турбинни електроцентрали не надвишава 40%. За горивните клетки няма термодинамично ограничение на енергийната ефективност. В съществуващите горивни клетки 60 до 70% от енергията на горивото се преобразува директно в електричество, а електроцентралите на горивни клетки, използващи водород от въглеводородно гориво, са проектирани да бъдат 40-45% ефективни.
Приложения.Горивните клетки могат да се превърнат в широко използван енергиен източник в транспорта, промишлеността и домакинствата в близко бъдеще. Високата цена на горивните клетки ограничава използването им във военни и космически приложения. Перспективните приложения на горивните клетки включват използването им като преносими енергийни източници за военни нужди и компактни алтернативни източници на енергия за околоземни спътници със слънчеви панели по време на преминаването им през разширени сенчести участъци на орбитата. Малкият размер и маса на горивните клетки направиха възможно използването им за пилотирани полети до Луната. Горивните клетки на борда на триместния космически кораб Apollo бяха използвани за захранване на бордови компютри и радиокомуникационни системи. Горивните клетки могат да се използват като източник на енергия за оборудване в отдалечени райони, за високопроходими превозни средства като строителство. В комбинация с DC електродвигател, горивната клетка ще бъде ефективен източник на задвижване за превозното средство. Широкото използване на горивни клетки изисква значителен технологичен напредък, намаляване на разходите им и възможност за ефективно използване на евтино гориво. Когато тези условия са изпълнени, горивните клетки ще направят електрическата и механичната енергия широко достъпна по целия свят.
Вижте същоЕНЕРГЕТИЧНИ РЕСУРСИ.
ЛИТЕРАТУРА
Багоцки В.С., Скундин А.М. Химически източници на енергия. М., 1981 Crompton T. Текущи източници. М., 1985, 1986

Енциклопедия на Collier. - Отворено общество. 2000 .

Вижте какво представлява „FUEL ELEMENT“ в други речници:

ГОРИВНА КЛЕТКА, ЕЛЕКТРОХИМИЧЕН ЕЛЕМЕНТ за директно преобразуване на окислителната енергия на горивото в електрическа. Електродите с подходящ дизайн са потопени в ELECTROLYTE и гориво (напр. Водород) се подава към един ... Научно -технически енциклопедичен речник

Галванична клетка, в която окислително -възстановителната реакция се поддържа от непрекъснато подаване на реагенти (гориво, например водород, и окислител, например кислород) от специални резервоари. Най -важният компонент ... ... Голям енциклопедичен речник

горивна клетка- Първична клетка, в която електрическата енергия се генерира чрез електрохимични реакции между активни вещества, непрекъснато подавани към електродите отвън. [ГОСТ 15596 82] EN горивна клетка, която може да променя химическата енергия от …… Ръководство за технически преводач

Горивна клетка с директен метанол Горивната клетка е електрохимично устройство, подобно на, но различно от галваничната клетка ... Уикипедия

Част 1

Тази статия разглежда по -подробно принципа на работа на горивните клетки, тяхната структура, 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 "AVOK", предоставя примери за съоръжения, където различни видове горивни клетки са били използвани като източници на топлина и електрозахранване (или само захранване).

Въведение

Горивните клетки са много ефективен, надежден, издръжлив и щадящ околната среда начин за генериране на енергия.

Първоначално използвани само в космическата индустрия, в днешно време горивните клетки се използват все повече в най -различни области - като стационарни електроцентрали, автономни източници на топлина и електрозахранване за сгради, двигатели на превозни средства, захранвания за лаптопи и мобилни телефони. Някои от тези устройства са лабораторни прототипи, някои преминават предпроизводствени 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 гориво (водород) в електрическа енергия в процеса на електрохимична реакция директно, за разлика от традиционните технологии, които използват изгарянето на твърди, течни и газообразни горива. Директната електрохимична конверсия на гориво е много ефективна и привлекателна от гледна точка на околната среда, тъй като по време на работа се отделят минимални количества замърсители и няма силни шумове и вибрации.

От практическа гледна точка горивната клетка прилича на конвенционална галванична батерия. Разликата се крие във факта, че батерията първоначално е заредена, тоест е напълнена с "гориво". По време на работа "горивото" се изразходва и батерията се разрежда. За разлика от батерията, горивната клетка използва гориво, доставено 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, например природен газ, амоняк, метанол или бензин. Обикновеният въздух се използва като източник на кислород, който също е необходим за реакцията.

Когато като гориво се използва чист водород, реакционните продукти, в допълнение към електрическата енергия, са топлина и вода (или водни пари), тоест газове, които причиняват замърсяване на въздуха или предизвикват парников ефект, не се отделят в атмосферата. Ако като гориво се използва водородсъдържаща суровина, например природен газ, други газове, например въглеродни и азотни оксиди, също ще бъдат страничен продукт от реакцията, но количеството му е много по-ниско, отколкото при изгарянето на същото количество природен газ.

Процесът на химическо превръщане на гориво за производство на водород се нарича риформинг, а съответното устройство се нарича риформинг.

Предимства и недостатъци на горивните клетки

Горивните клетки са по -енергийно ефективни от двигателите с вътрешно горене, тъй като няма термодинамично ограничение на енергийната ефективност за горивните клетки. Ефективността на горивните клетки е 50%, докато ефективността на двигателите с вътрешно горене е 12-15%, а коефициентът на полезно действие на парните турбинни електроцентрали не надвишава 40%. Чрез използване на топлина и вода, ефективността на горивните клетки се увеличава допълнително.

За разлика от например двигателите с вътрешно горене, ефективността на горивните клетки остава много висока дори когато те не работят с пълна мощност. В допълнение, мощността на горивните клетки може да се увеличи чрез просто добавяне на отделни блокове, без да се променя ефективността, т.е. големите инсталации са толкова ефективни, колкото 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. Въздушните емисии на горивни клетки са толкова ниски, че в някои райони на Съединените щати те не изискват специално одобрение от правителствените агенции за контрол на качеството на въздуха, за да ги експлоатират.

Горивните клетки могат да бъдат поставени директно в сградата, като по този начин се намалят загубите при транспортиране на енергия, а топлината, генерирана от реакцията, може да се използва за захранване на сградата с отопление или топла вода. Автономните източници на топлина и електрозахранване могат да бъдат много полезни в отдалечени райони и в региони, които се характеризират с недостиг на електроенергия и високата му цена, но в същото време има запаси от водородсъдържащи суровини (нефт, природен газ) .

Предимствата на горивните клетки също са наличието на гориво, надеждността (в горивната клетка няма движещи се части), издръжливостта и лекотата на използване.

Един от основните недостатъци на горивните клетки днес е относително високата им цена, но този недостатък може да бъде преодолян скоро - все повече компании произвеждат търговски горивни клетки, те непрекъснато се подобряват, а цената им намалява.

Най -ефективното използване на чист водород като гориво обаче ще изисква създаването на специална инфраструктура за неговото производство и транспортиране. Всички търговски проекти в момента използват природен газ и подобни горива. Моторните превозни средства могат да използват обикновен бензин, който ще запази съществуващата развита мрежа от бензиностанции. Използването на такива горива обаче води до вредни емисии в атмосферата (макар и много ниски) и усложнява (и следователно увеличава цената) на горивната клетка. В бъдеще се обмисля възможността за използване на екологично чисти възобновяеми източници на енергия (например слънчева или вятърна енергия) за разлагане на вода във водород и кислород чрез електролиза и след това преобразуване на полученото гориво в горивна клетка. Такива комбинирани инсталации, работещи в затворен цикъл, могат да осигурят напълно екологичен, надежден, издръжлив и ефективен източник на енергия.

Друга особеност на горивните клетки е, че те са най -ефективни, когато се използват едновременно електрическа и топлинна енергия. Възможността за използване на топлинна енергия обаче не е налична 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 съвременна употреба на горивни клетки

Принципът на действие на горивните клетки е открит през 1839 г. Английският учен Уилям Гроув (William Robert Grove, 1811-1896) открива, че процесът на електролиза - разлагането на водата във водород и кислород чрез електрически ток - е обратим, тоест водородът и кислородът могат да се комбинират във вода молекули без изгаряне, но с отделяне на топлина и електрически ток. Гроув нарича устройството, което е в състояние да осъществи такава реакция, „газова батерия“, която е първата горивна клетка.

Активното развитие на технологията с горивни клетки започва след Втората световна война и е свързано с космическата индустрия. По това време се търси ефективен и надежден, но в същото време достатъчно компактен източник на енергия. През 60-те години на миналия век НАСА (Национална администрация по аеронавтика и космическо пространство, НАСА) избра горивни клетки като източник на енергия за Аполон (пилотирани мисии до Луната), Аполо-Союз, Близнаци и Skylab. ... Apollo се захранва от три 1.5 kW (2.2 kW пик) агрегата, използващи криогенен водород и кислород за генериране на електричество, топлина и вода. Теглото на всяка инсталация беше 113 кг. Трите клетки работеха паралелно, но мощността, генерирана от една единица, беше достатъчна за безопасно връщане. По време на 18 полета горивните клетки са работили общо 10 000 часа без никакви повреди. Понастоящем горивните клетки се използват в космическата совалка, която използва три 12 W електроцентрали, които генерират цялата електрическа енергия на борда на космическия кораб (фиг. 2). Водата, получена при електрохимичната реакция, се използва като питейна вода, а също и за охлаждащо оборудване.

У нас също се работи за създаване на горивни клетки за използване в космонавтиката. Например горивните клетки бяха 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 правителствени агенции.

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 енергийно захранване), електроцентрали на превозни средства (създадени са проби от автомобили и автобуси на горивни клетки, включително у нас) (фиг. 3), и също така и захранвания за различни мобилни устройства (преносими компютри, мобилни телефони и др.) (Фиг. 4).

Примери за използване на горивни клетки в различни области са дадени в таблица. 1.

Един от първите търговски модели на горивни клетки, предназначени за автономно отопление и захранване на сгради, беше PC25 Модел А, произведен от ONSI Corporation (сега United Technologies, Inc.). Тази горивна клетка с номинална мощност 200 kW е тип горивни клетки с фосфорна киселина (PAFC). Цифрата "25" в името на модела означава серийния номер на конструкцията. Повечето от предишните модели бяха експериментални или тестови образци, като 12,5 kW "PC11", който се появи през 70 -те години. Новите модели увеличават мощността, взета от отделна горивна клетка, и също така намаляват разходите за произведен киловат енергия. В момента един от най -ефективните търговски модели е горивната клетка PC25 модел C. Подобно на модел "А", това е напълно автоматична горивна клетка тип PAFC с мощност 200 kW, предназначена за инсталиране директно в обслужваното съоръжение като автономен източник на топлина и електрозахранване. Такава горивна клетка може да бъде инсталирана извън сградата. Външно това е паралелепипед с дължина 5,5 м, ширина 3 м и височина 3 м, тегло 18 140 кг. Разликата от предишните модели е подобрен реформатор и по -висока плътност на тока.

маса 1 Приложение на горивни клетки

Регион приложение Номинално мощност Примери за използване Стационарен инсталации 5-250 kW и по -горе Автономни източници на топлина и електрозахранване за жилищни, обществени и промишлени сгради, непрекъснато захранване, резервни и аварийни захранвания Преносим инсталации 1-50 kW Пътни знаци, товарни и железопътни хладилници, инвалидни колички, колички за голф, космически кораби и спътници Подвижен инсталации 25-150 кВт Автомобили (прототипи са създадени например от DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), автобуси (например "MAN", "Neoplan", "Renault") и други превозни средства , военни кораби и подводници Микроустройства 1-500 W Мобилни телефони, лаптопи, лични цифрови асистенти (PDA), различни потребителски електронни устройства, съвременни военни устройства

При някои видове горивни клетки химическият процес може да се обърне: когато се приложи потенциална разлика към електродите, водата може да се разложи на водород и кислород, които се събират върху порести електроди. Когато е свързан товар, такава регенеративна горивна клетка ще започне да генерира електрическа енергия.

Обещаващо направление за използване на горивни клетки е използването им във връзка с възобновяеми източници на енергия, например фотоволтаични панели или вятърни електроцентрали. Тази технология ви позволява напълно да избегнете замърсяването на въздуха. Подобна система се планира да бъде създадена например в учебния център на Адам Джоузеф Люис в Оберлин (вж. ABOK, 2002, № 5, стр. 10). В момента слънчевите панели се използват като един от източниците на енергия в тази сграда. Заедно със специалистите на НАСА е разработен проект за използване на фотоволтаични панели за получаване на водород и кислород от вода чрез електролиза. След това водородът се използва в горивните клетки за генериране на електричество и топла вода. Това ще позволи на сградата да поддържа всички системи работещи в облачни дни и през нощта.

Как работят горивните клетки

Нека разгледаме принципа на действие на горивна клетка, като използваме примера на най -простата клетка с протонообменна мембрана (Proton Exchange Membrane, PEM). Такъв елемент се състои от полимерна мембрана, поставена между анода (положителен електрод) и катода (отрицателен електрод) заедно с анодните и катодните катализатори. Като електролит се използва полимерна мембрана. Схемата на PEM елемента е показана на фиг. 5.

Протонообменната мембрана (PEM) е тънко (около 2-7 листа обикновена хартия) твърдо органично съединение. Тази мембрана функционира като електролит: разделя веществото на положително и отрицателно заредени йони в присъствието на вода.

На анода протича процес на окисляване, а на катода - процес на редукция. Анодът и катодът в PEM клетка са изработени от порест материал, който е смес от въглеродни и платинени частици. Платината действа като катализатор за улесняване на 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 плочи, които доставят водород и кислород към анода и катода и отстраняват топлината и водата, както и електрическата енергия.

Молекулите на водорода преминават през каналите в плочата към анода, където молекулите се разлагат на отделни атоми (фиг. 6).

	Фигура 5. () Диаграма на горивна клетка с протонообменна мембрана (PEM клетка)
	Фигура 6. () Молекулите на водорода преминават през каналите в плочата към анода, където молекулите се разлагат на отделни атоми.
	Фигура 7. () В резултат на хемосорбция в присъствието на катализатор водородните атоми се превръщат в протони
	Фигура 8. () Положително заредените водородни йони дифундират през мембраната към катода, а потокът от електрони се насочва към катода през външна електрическа верига, към която е свързан товарът
	Фигура 9. () Кислородът, подаван към катода, в присъствието на катализатор, влиза в химическа реакция с водородни йони от протонообменната мембрана и електрони от външната електрическа верига. Водата се образува в резултат на химична реакция

След това, в резултат на хемосорбция, в присъствието на катализатор, водородните атоми, всеки даряващ по един електрон е -, 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).

Доставеният към катода кислород 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 химична реакция се образува вода.

Химичната 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 химична реакция се отделя като топлина.

Потокът от електрони във външната верига е постоянен ток, който се използва за извършване на работа. Отварянето на външната верига или спирането на движението на водородни йони спира химическата реакция.

Количеството електрическа енергия, произведено от горивна клетка, зависи от вида на горивната клетка, геометричните размери, температурата и налягането на газа. Отделна горивна клетка осигурява ЕМП под 1,16 V. Размерът на горивните клетки може да се увеличи, но на практика се използват няколко клетки, свързани в батерии (фиг. 10).

Разположение на горивните клетки

Помислете за дизайна на горивна клетка, като използвате PC25 модел C за пример. Диаграмата на горивната клетка е показана на фиг. единадесет.

Горивната клетка на PC25 модел C се състои от три основни части: горивния процесор, действителната секция за генериране на енергия и преобразувателя на напрежението.

Основното тяло на горивната клетка - секцията за производство на електроенергия - представлява купчина от 256 отделни горивни клетки. Електродите на горивните клетки включват платинен катализатор. Тези клетки генерират постоянен ток от 1400 ампера при 155 волта. Батерията е с дължина приблизително 2,9 м и ширина и височина 0,9 м.

Тъй като електрохимичният процес протича при температура 177 ° C, е необходимо да се загрее батерията по време на стартиране и да се отстрани топлината от нея по време на работа. За това в горивната клетка е включен отделен воден кръг, а батерията е оборудвана със специални охлаждащи плочи.

Горивният процесор преобразува природния газ във водород за електрохимична реакция. Този процес се нарича реформиране. Основният елемент на горивния процесор е реформаторът. В риформинга природният газ (или друго гориво, съдържащо водород) взаимодейства с водни пари при висока температура (900 ° C) и високо налягане в присъствието на катализатор - никел. В този случай възникват следните химични реакции:

CH 4 (метан) + H 2 O 3H 2 + CO

(ендотермична реакция, с абсорбция на топлина);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(реакцията е екзотермична, с отделяне на топлина).

Общият отговор се изразява с уравнението:

CH 4 (метан) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(реакцията е ендотермична, с абсорбция на топлина).

За да се осигури високата температура, необходима за преобразуване на природен газ, част от отработеното гориво от купчината горивни клетки се насочва към горелката, която поддържа необходимата температура на риформинга.

Парата, необходима за риформинг, се генерира от кондензата, образуван по време на работата на горивната клетка. Това използва топлината, отделена от купчината горивни клетки (фиг. 12).

В купчината горивни клетки се генерира нестабилен постоянен ток, който се характеризира с ниско напрежение и висок ампераж. Преобразувател на напрежение се използва за преобразуването му в индустриален стандарт AC. В допълнение, преобразувателят на напрежение включва различни устройства за управление и вериги за блокиране на безопасността, които позволяват изключването на горивната клетка в случай на различни повреди.

В такава горивна клетка приблизително 40% от енергията на горивото може да се преобразува в електрическа енергия. Приблизително същото, около 40% от енергията на горивото може да се преобразува в топлинна енергия, която след това се използва като източник на топлина за отопление, топла вода и подобни цели. По този начин общата ефективност на такава инсталация може да достигне 80%.

Важно предимство на такъв източник на топлина и електрозахранване е възможността за неговата автоматична работа. За поддръжка собствениците на съоръжението, където е инсталирана горивната клетка, не е необходимо да поддържат специално обучен персонал - периодична 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 протонообменна мембрана (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Горивни клетки на базата на фосфорна (фосфорна) киселина (горивни клетки от фосфорна киселина, PAFC).

3. Горивни клетки на базата на разтопен карбонат (разтопени карбонатни горивни клетки, MCFC).

4. Горивни клетки с твърд оксид (горивни клетки с твърд оксид, SOFC). В момента най -големият парк 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 определя областта на приложение на горивните клетки. Например, високите температури са от решаващо значение за лаптопите, така че за този пазарен сегмент се разработват мембранни горивни клетки с обмен на протони с ниски работни температури.

За автономно захранване на сгради са необходими горивни клетки с голям инсталиран капацитет и в същото време има възможност за използване на топлинна енергия, поради което горивни клетки от други видове също могат да се използват за тези цели.

Протонно -обменни мембранни горивни клетки (PEMFC)

Тези горивни клетки работят при относително ниски работни температури (60-160 ° C). Те се отличават с високата си плътност на мощността, позволяват бързо регулиране на изходната мощност и могат бързо да се включат. Недостатъкът на този тип елементи са високите изисквания за качеството на горивото, тъй като замърсеното гориво може да повреди мембраната. Номиналната мощност на този вид горивни клетки е 1-100 kW.

Протонообменните мембранни горивни клетки първоначално са разработени от General Electric през 60 -те години на миналия век за НАСА. Този тип горивни клетки използва твърд полимерен електролит, наречен протонообменна мембрана (PEM). Протоните могат да се движат през протонообменната мембрана, но електроните не преминават през нея, в резултат на което възниква потенциална разлика между катода и анода. Поради своята простота и надеждност, такива горивни клетки са били използвани като източник на енергия в космическия кораб „Близнаци“.

Този вид горивни клетки се използва като източник на захранване за голямо разнообразие от устройства, включително прототипи и прототипи, от мобилни телефони до автобуси и стационарни захранващи системи. Ниската работна температура позволява такива клетки да се използват за захранване на различни видове сложни електронни устройства. Използването им е по -малко ефективно като източник на топлинна и електрическа енергия за обществени и промишлени сгради, където се изискват големи количества топлинна енергия. В същото време такива елементи са обещаващи като автономен източник на захранване за малки жилищни сгради като вили, построени в райони с горещ климат.

таблица 2 Видове горивни клетки

Тип артикул Работници температура, ° C Изход за ефективност електрически енергия),% Обща сума Ефективност,% Горивни клетки с протонообменна мембрана (PEMFC) 60–160 30–35 50–70 Горивни клетки на база ортофосфорна (фосфорна) киселина (PAFC) 150–200 35 70–80 На основата на горивни клетки разтопен карбонат (MCFC) 600–700 45–50 70–80 Твърд оксид горивни клетки (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

Горивни клетки с фосфорна киселина (PAFC)

Горивните клетки от този тип бяха тествани още в началото на 70 -те години. Работен температурен диапазон - 150-200 ° C. Основната област на приложение са автономни източници на топлина и електрозахранване със средна мощност (около 200 kW).

Тези горивни клетки използват разтвор на фосфорна киселина като електролит. Електродите са изработени от хартия с покритие от въглерод, в която е диспергиран платинен катализатор.

Електрическата ефективност на горивните клетки с PAFC е 37-42%. Въпреки това, тъй като тези горивни клетки работят при достатъчно висока температура, е възможно да се използва парата, генерирана от операцията. В този случай общата ефективност може да достигне 80%.

За производството на енергия суровините, съдържащи водород, трябва да се превърнат в чист водород чрез процес на реформиране. Например, ако бензинът се използва като гориво, тогава съединенията, съдържащи сяра, трябва да бъдат отстранени, тъй като сярата може да повреди платиновия катализатор.

Горивните клетки от типа PAFC бяха първите търговски горивни клетки, които бяха икономически оправдани. Най -често срещаният модел е 200 kW горивна клетка PC25, 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 Централен парк в Ню Йорк или като допълнителен източник на енергия за сградата Conde Nast Building & Four Times Square. Най -голямата централа от този тип се изпитва като електроцентрала с мощност 11 MW в Япония.

Горивните клетки с фосфорна киселина също се използват като източник на енергия в превозните средства. Например през 1994 г. H-Power Corp., Университетът Джорджтаун и Министерството на енергетиката на САЩ оборудваха автобус с електроцентрала с мощност 50 kW.

Разтопени карбонатни горивни клетки (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 да е необходим отделен риформинг. Този процес се нарича „вътрешно реформиране“. Това значително опростява дизайна на горивната клетка.

Горивните клетки на основата на разтопен карбонат изискват значително време за стартиране и не позволяват бързо регулиране на изходната мощност; следователно основната област на тяхното приложение са големи стационарни източници на топлинна и електрическа енергия. Те обаче се отличават с висока ефективност на преобразуването на горивото - 60% електрическа ефективност и до 85% обща ефективност.

В този тип горивни клетки електролитът се състои от калиеви карбонатни и литиево -карбонатни соли, нагряти 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 въглеродния диоксид и електроните от външната верига, образувайки отново CO 3 йони .

Лабораторни проби от този тип горивни клетки са създадени в края на 50 -те години на миналия век от холандски учени G. H. J. Broers и J. A. A. Ketelaar. През 60 -те години инженерът Франсис Т. Бейкън, потомък на известния английски писател и учен от 17 -ти век, работи с тези елементи, така че понякога MCFC горивните клетки се наричат ​​клетки на Бейкън. Програмите Apollo, Apollo-Soyuz и Scylab на НАСА използваха точно такива горивни клетки като източник на енергия (фиг. 14). През същите тези години американските военни тестваха няколко проби от MCFC горивни клетки от Texas Instruments, които използваха като гориво военни бензини. В средата на 70-те години Министерството на енергетиката на САЩ започна проучване, насочено към създаване на неподвижна разтопена карбонатна горивна клетка, подходяща за практическа употреба. През 90 -те години на миналия век бяха пуснати в експлоатация редица търговски единици с номинален капацитет до 250 kW, например във военновъздушната база Мирамар на ВМС на САЩ в Калифорния. През 1996 г. FuelCell Energy, Inc. пуснал в експлоатация 2 MW номинален предпроизводствен блок в Санта Клара, Калифорния.

Горивни клетки от оксид в твърдо състояние (SOFC)

Твърдотелните оксидни горивни клетки са прости по дизайн и работят при много високи температури-700-1000 ° C. Тези високи температури позволяват използването на относително "мръсно", сурово гориво. Същите характеристики като тези на горивните клетки на базата на разтопен карбонат определят подобна област на приложение - големи стационарни източници на топлинна и електрическа енергия.

Горивните клетки от твърд оксид са структурно различни от горивните клетки от PAFC и MCFC. Анодът, катодът и електролитът са изработени от специална керамика. Най -често използваният електролит е 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 твърдотелните оксидни горивни клетки могат да работят при много високи температури и следователно са изгодни за производството 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 отделя от природния газ директно в клетката, т.е. няма нужда от отделен риформинг.

Теоретичните основи за създаването на твърди оксидни горивни клетки са поставени в края на 30-те години, когато швейцарските учени Емил Бауер и Х. Прейс 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. Понастоящем компанията приема предварителни поръчки за търговски модел тръбни твърди горивни клетки, който се очаква да бъде пуснат тази година (Фигура 15). Пазарният сегмент за такива елементи са стационарни инсталации за производство на топлинна и електрическа енергия с мощност от 250 kW до 5 MW.

Горивните клетки от типа SOFC демонстрират много висока надеждност. Например, прототип на горивни клетки на Siemens Westinghouse е работил 16 600 часа и продължава да работи, което го прави най -дългия непрекъснат живот на горивни клетки в света.

Режимът на работа на SOFC горивни клетки с висока температура и високо налягане позволява създаването на хибридни инсталации, в които емисиите на горивни клетки задвижват газови турбини, използвани за генериране на електричество. Първият такъв хибриден завод е в експлоатация в Ървайн, Калифорния. Номиналната мощност на тази инсталация е 220 kW, от които 200 kW от горивна клетка и 20 kW от микротурбинен генератор.