Технологии за производство на нискотемпературни електрохимични горивни клетки. Различни модули на горивни клетки

Горивната клетка е устройство, което ефективно генерира топлина и постоянен ток чрез електрохимична реакция и използва богато на водород гориво. По принцип на работа е подобен на батерията. Структурно горивната клетка е представена от електролит. Защо е забележителен? За разлика от батериите, водородните горивни клетки не съхраняват електрическа енергия, не се нуждаят от електричество за презареждане и не се разреждат. Клетките продължават да произвеждат електричество, докато имат запас от въздух и гориво.

Особености

Разликата между горивните клетки и другите генератори на енергия е, че те не изгарят гориво по време на работа. Благодарение на тази функция те не се нуждаят от ротори с високо налягане, не излъчват силен шум и вибрации. Електричеството в горивните клетки се генерира чрез безшумна електрохимична реакция. Химическата енергия на горивото в такива устройства се преобразува директно във вода, топлина и електричество.

Горивните клетки са високоефективни и не произвеждат големи количества парникови газове. Изходът на клетките по време на работа е малко количество вода под формата на пара и въглероден диоксид, който не се отделя, ако се използва чист водород като гориво.

История на външния вид

През 50-те и 60-те години на миналия век нуждата на НАСА от енергийни източници за дългосрочни космически мисии провокира една от най-взискателните задачи за горивни клетки, съществували по това време. Алкалните клетки използват кислород и водород като гориво, които в хода на електрохимична реакция се превръщат в странични продукти, полезни по време на космически полет - електричество, вода и топлина.

Горивните клетки са открити за първи път в началото на 19 век - през 1838 година. В същото време се появи и първата информация за тяхната ефективност.

Работата върху горивните клетки, използващи алкални електролити, започва в края на 30-те години на миналия век. Никелирани електродни клетки с високо налягане не са изобретени до 1939 г. По време на Втората световна война са разработени горивни клетки за британски подводници, състоящи се от алкални клетки с диаметър около 25 сантиметра.

Интересът към тях нараства през 1950-80-те години, характеризиращ се с недостиг на нефтено гориво. Държавите по света започнаха да се занимават с проблемите на замърсяването на въздуха и околната среда в опит да разработят екологосъобразни начини за генериране на електроенергия. В момента технологията за производство на горивни клетки е в процес на активно развитие.

Принцип на действие

Топлината и електричеството се генерират от горивните клетки в резултат на електрохимична реакция, протичаща с помощта на катод, анод и електролит.

Катодът и анодът са разделени от протонен електролит. След подаването на кислород към катода и водород към анода започва химическа реакция, която води до топлина, ток и вода.

Дисоциира върху анодния катализатор, което води до загуба на електрони. Водородните йони влизат в катода през електролита, докато електроните преминават през външната електрическа мрежа и създават постоянен ток, който се използва за захранване на оборудването. Молекулата на кислорода на катодния катализатор се комбинира с електрон и входящ протон, като в крайна сметка образува вода, която е единственият продукт на реакцията.

Видове

Изборът на конкретен тип горивна клетка зависи от областта на нейното приложение. Всички горивни клетки са разделени на две основни категории - високотемпературни и нискотемпературни. Последните използват чист водород като гориво. Такива устройства като правило изискват преработка на първично гориво в чист водород. Процесът се извършва с помощта на специално оборудване.

Високотемпературните горивни клетки не се нуждаят от това, защото преобразуват горивото при повишени температури, елиминирайки необходимостта от водородна инфраструктура.

Принципът на работа на водородните горивни клетки се основава на преобразуването на химическата енергия в електрическа без неефективни горивни процеси и превръщането на топлинната енергия в механична.

Общи понятия

Водородните горивни клетки са електрохимични устройства, които генерират електричество чрез високоефективно "студено" изгаряне на гориво. Има няколко вида такива устройства. Най-обещаващата технология се счита за водородно-въздушни горивни клетки, оборудвани с протонообменна мембрана PEMFC.

Протон-проводящата полимерна мембрана е предназначена да разделя два електрода - катоден и анод. Всеки от тях е представен от въглеродна матрица, покрита с катализатор. дисоциира върху анодния катализатор, дарявайки електрони. Катионите се отвеждат към катода през мембраната, но електроните се прехвърлят към външната верига, тъй като мембраната не е предназначена да пренася електрони.

Молекулата на кислорода на катодния катализатор се комбинира с електрон от електрическата верига и входящ протон, като в крайна сметка образува вода, която е единственият продукт на реакцията.

Водородните горивни клетки се използват за производство на мембранно-електродни блокове, които действат като основни генериращи елементи на енергийната система.

Предимства на водородните горивни клетки

Сред тях трябва да се подчертае:

• Повишен специфичен топлинен капацитет.
• Широк работен температурен диапазон.
• Без вибрации, шум и топлина.
• Надеждност при студен старт.
• Липса на саморазреждане, което гарантира дълъг живот на съхранение на енергия.
• Неограничена автономия благодарение на възможността за регулиране на енергийната интензивност чрез промяна на броя на горивните касети.
• Осигуряване на почти всякаква енергийна интензивност чрез промяна на капацитета на водородното съхранение.
• Дълъг експлоатационен живот.
• Безшумна и екологична работа.
• Високо ниво на енергийна интензивност.
• Толерантност към чужди примеси във водорода.

Област на приложение

Поради високата си ефективност водородните горивни клетки се използват в различни области:

• Преносими зарядни устройства.
• Системи за захранване на БЛА.
• Непрекъсваеми захранвания.
• Други устройства и оборудване.

Перспективи за водородната енергия

Широкото използване на горивни клетки с водороден пероксид ще бъде възможно само след създаването на ефективен метод за производство на водород. Необходими са нови идеи, за да се въведе технологията в активно използване, като се възлагат големи надежди на концепцията за биогоривни клетки и нанотехнологии. Някои компании сравнително наскоро пуснаха ефективни катализатори на базата на различни метали, в същото време се появи информация за създаването на горивни клетки без мембрани, което направи възможно значително намаляване на разходите за производство и опростяване на дизайна на такива устройства. Предимствата и характеристиките на водородните горивни клетки не надвишават основния им недостатък - висока цена, особено в сравнение с въглеводородните устройства. Създаването на една водородна електроцентрала изисква минимум 500 хиляди долара.

Как да изградим водородна горивна клетка?

Горивна клетка с ниска мощност може да бъде създадена самостоятелно в условията на обикновена домашна или училищна лаборатория. Използваните материали са стара противогаз, парчета плексиглас, воден разтвор на етилов алкохол и алкали.

Корпусът на водородната горивна клетка "Направи си сам" е изработен от плексиглас с дебелина най-малко пет милиметра. Преградите между отделенията могат да бъдат по-тънки - около 3 милиметра. Плексигласът се залепва със специално лепило, направено от хлороформ или дихлороетан и стърготини от плексиглас. Цялата работа се извършва само когато качулката работи.

Във външната стена на кутията се пробива отвор с диаметър 5-6 сантиметра, в който се вкарват гумена запушалка и дренажна стъклена тръба. Активният въглен от противогаз се излива във второто и четвъртото отделение на тялото на горивната клетка - ще се използва като електрод.

Горивото ще циркулира в първата камера, а петата се пълни с въздух, от който ще се подава кислород. Електролитът, излят между електродите, се импрегнира с разтвор на парафин и бензин, за да се предотврати навлизането му във въздушната камера. Медните плочи се поставят върху слой от въглища със запоени към тях проводници, през които ще се отклонява токът.

Сглобената водородна горивна клетка се зарежда с водка, разредена с вода в съотношение 1:1. Към получената смес внимателно се добавя каустичен калий: 70 грама калий се разтварят в 200 грама вода.

Преди да се тества горивна клетка на водород, горивото се излива в първата камера, а електролитът в третата камера. Волтметърът, свързан към електродите, трябва да отчита между 0,7 и 0,9 волта. За да се осигури непрекъсната работа на елемента, отработеното гориво трябва да се отстрани и да се излее ново гориво през гумената тръба. Чрез притискане на тръбата се контролира скоростта на подаване на гориво. Такива водородни горивни клетки, сглобени у дома, имат малка мощност.

Малко след началото на пътуването си, Алой ще се натъкне на бункер Предтеча, разположен точно извън земите на племето Нора. Вътре в бункера, зад мощна врата, има някакъв вид броня, която изглежда много привлекателна отдалеч.

телеграф

туитвам

Малко след началото на пътуването си, Алой ще се натъкне на бункер Предтеча, разположен точно извън земите на племето Нора. Вътре в бункера, зад мощна врата, има някакъв вид броня, която изглежда много привлекателна отдалеч.

Това е Shield Weaver, всъщност - най-доброто оборудване в играта. Как да стигна до него? За да отворите херметически затворената врата на бункера и да получите Shield Weaver, ще трябва да намерите пет горивни клетки, разпръснати из света на играта.

По-долу ще ви покажем къде да търсите горивни клетки и как да решавате пъзели, докато търсите и в Древната оръжейна палата.

Горивна клетка №1 - Сърцето на майката (квест Утроба на майката)

Aloy ще намери първата горивна клетка дори преди да влезе в напълно отворен свят. След Посвещението нашата героиня ще се озове в Сърцето на Майката, свещеното място на племето Нора и обителта на Матриарсите.

Ставайки от леглото, Алой ще премине през няколко стаи последователно и в една от тях ще се натъкне на запечатана врата, която не може да се отвори. Огледайте се - наблизо ще има вентилационна шахта, украсена с горящи свещи. ти там.

След като преминете през мината, ще се озовете зад заключена врата. Погледнете пода до свещите и мистериозния стенен блок - тук има горивна клетка.

Важно: Ако не вземете тази горивна клетка сега, ще можете да стигнете до това място отново в по-късните етапи на играта, след като завършите мисията "Heart of the Burrow".

Горивна клетка №2 - Руини

Алой е била в тези руини и преди - тя е паднала тук като дете. След като преминете Посвещението, си струва да си спомните детството си и да се върнете отново тук - да вземете втората горивна клетка.

Входът на руините изглежда така, скачайте смело.

Имате нужда от първото ниво на руините, долната дясна област, подчертана в лилаво на картата. Тук има врата, която Алой ще отвори с копието си.

След като преминете през вратата, качете се по стълбите и завийте надясно - Алой не можеше да се изкачи през тези сталактити в младостта си, но сега има спор. Извадете отново копието и счупете сталактитите - пътят е чист, остава да вземете горивния елемент, лежащ на масата.

Горивна клетка #3 - Master's Limit (Master's Limit Quest)

Тръгваме на север. По време на сюжетната мисия, Master's Reach, Алой изследва гигантските руини на Предтеча. На дванадесетото ниво на руините е скрита друга горивна клетка.

Трябва не само да се изкачите до горното ниво на руините, но и да се изкачите малко по-високо. Изкачете се по оцелелата част от сградата, докато се озовете на малка платформа, отворена за всички ветрове.

Тук се намира третата горивна клетка. Остава да се спусне.

Горивна клетка #4 - Съкровището на смъртта (задача Съкровището на смъртта)

Този горивен елемент също е скрит в северната част на картата, но е много по-близо до земите на племето Нора. Алой също ще стигне тук по време на преминаването на сюжетната мисия.

За да стигне до елемента, Aloy трябва да възстанови захранването на запечатаната врата, разположена на третото ниво на локацията.

За да направите това, трябва да решите малък пъзел - има два блока от четири регулатора на нивото под вратата.

Първо, нека се справим с левия блок от регулатори. Първото копче трябва да "гледа" нагоре, второто "надясно", третото "наляво", четвъртото "надолу".

Преминаваме към десния блок. Не пипате първите два регулатора, третият и четвъртият регулатори трябва да гледат "надолу".

Издигаме се с едно ниво нагоре - тук е последният блок от регулатори. Правилният ред е: нагоре, надолу, наляво, надясно.

Ако направите всичко правилно, тогава всички контроли ще променят цвета си на тюркоаз, захранването се възстановява. Качете се обратно до вратата и я отворете - това е друг горивен елемент.

Горивна клетка #5 - GAIA Prime (квест Fallen Mountain)

И накрая, последната горивна клетка - и отново върху сюжетната задача. Алой пътува до руините на GAEA Prime.

Бъдете особено внимателни, когато стигнете до третото ниво. В един момент пред Ала ще има привлекателна пропаст, в която можете да слезете по въже - отивате там няма нужда.

По-добре е да завиете наляво и да разгледате скритата пещера, можете да влезете в нея, ако внимателно слезете по склона на планината.

Влезте вътре и продължете напред до самия край. В последната стая вдясно ще има багажник с последната горивна клетка върху него. Направи го!

Отправяме се към Античния арсенал

Остава да се върнете в Древния арсенал и да получите заслужена награда. Помните ли координатите на арсенала? Ако не, ето картата.

Слезте надолу и поставете горивни клетки в празните клетки. Регулаторите горят, сега трябва да решите пъзела, за да отворите вратата.

Първото копче трябва да гледа нагоре, второто надясно, третото надолу, четвъртото наляво, петото нагоре. Готово, вратата е отворена - но още не е свършила.

Сега трябва да отключите стойките за броня, друг пъзел за регулатор, където останалите горивни клетки ще ви бъдат полезни. Тук първото копче трябва да гледа надясно, второто наляво, третото нагоре, четвъртото надясно, петото наляво.

Най-накрая, след всичките тези мъки, вие завзехте древните доспехи. Това е Shield Weaver, много готино оборудване, което прави Aloy практически неуязвима за известно време.

Основното нещо е внимателно да следите цвета на бронята: ако мига бяло, значи всичко е наред. Ако е червено, няма повече защита.

Никой няма да бъде изненадан нито от слънчеви панели, нито от вятърни турбини, които генерират електричество във всички региони на света. Но изходът от тези устройства не е постоянен и е необходимо да се инсталират резервни източници на захранване или да се свържат към мрежата за получаване на електроенергия през периода, когато съоръженията за възобновяема енергия не генерират електричество. Въпреки това, има инсталации, разработени през 19-ти век, които използват "алтернативни" горива за генериране на електроенергия, тоест не изгарят газ или петролни продукти. Такива инсталации са горивни клетки.

ИСТОРИЯ НА СЪЗДАВАНЕТО

Горивните клетки (FC) или горивните клетки са открити още през 1838-1839 г. от Уилям Гроув (Grow, Grove), когато той изучава електролизата на водата.

Справка: Електролизата на водата е процес на разлагане на водата под действието на електрически ток на водородни и кислородни молекули.

Изключвайки батерията от електролитната клетка, той с изненада установи, че електродите започват да абсорбират освободения газ и да генерират ток. Откриването на процеса на електрохимично "студено" изгаряне на водород се превърна в значимо събитие в енергийната индустрия. По-късно той създава акумулатора Grove. Това устройство имаше платинен електрод, потопен в азотна киселина, и цинков електрод в цинков сулфат. Той генерира ток от 12 ампера и напрежение от 8 волта. Самият Раст нарече тази конструкция "мокра батерия". След това той създаде батерия, използвайки два платинени електрода. Единият край на всеки електрод беше в сярна киселина, докато другите краища бяха запечатани в контейнери с водород и кислород. Между електродите имаше стабилен ток и количеството вода вътре в контейнерите се увеличи. Grow успя да разложи и подобри водата в това устройство.

"Батерия на растеж"

(източник: Кралско дружество на Националния природонаучен музей)

Терминът "горивна клетка" (на английски "Fuel Cell") се появява едва през 1889 г. от Л. Монд и
Ч. Лангер, който се опитва да създаде устройство за генериране на електричество от въздух и въглищен газ.

КАК РАБОТИ?

Горивната клетка е сравнително просто устройство. Има два електрода: анод (отрицателен електрод) и катод (положителен електрод). Върху електродите протича химическа реакция. За да се ускори, повърхността на електродите е покрита с катализатор. Горивните клетки са оборудвани с още един елемент - мембрана.Преобразуването на химическата енергия на горивото директно в електричество се осъществява поради работата на мембраната. Той разделя двете камери на елемента, в който се подават гориво и окислител. Мембраната позволява само протоните, които се получават в резултат на разделяне на горивото, да преминават от една камера в друга върху електрод, покрит с катализатор (след това електроните преминават през външната верига). Във втората камера протоните се рекомбинират с електрони (и кислородни атоми), за да образуват вода.

Принцип на работа на водородната горивна клетка

На химическо ниво процесът на преобразуване на енергията на горивото в електрическа енергия е подобен на обичайния процес на горене (окисляване).

При нормално горене в кислород, органичното гориво се окислява и химическата енергия на горивото се превръща в топлинна енергия. Нека видим какво се случва, когато водородът се окислява от кислород в електролитна среда и в присъствието на електроди.

Чрез подаване на водород към електрод, разположен в алкална среда, протича химическа реакция:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

Както можете да видите, получаваме електрони, които, преминавайки през външната верига, влизат в противоположния електрод, към който влиза кислород и където протича реакцията:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Може да се види, че получената реакция 2H 2 + O 2 → H 2 O е същата като при конвенционалното горене, но горивната клетка генерира електричество и малко топлина.

ВИДОВЕ ГОРИВНИ КЛЕТКИ

FC се класифицира според вида на електролита, използван за реакцията:

Трябва да се отбележи, че въглища, въглероден окис, алкохоли, хидразин и други органични вещества също могат да се използват като гориво в горивните клетки, а въздухът, водороден прекис, хлор, бром, азотна киселина и др. могат да се използват като окислители.

Ефективност на ГОРИВНИ КЛЕТКИ

Характеристика на горивните клетки е няма твърдо ограничение на ефективносттакато топлинен двигател.

Помощ: ефективностЦикъл на Карно е максимално възможната ефективност сред всички топлинни двигатели с еднакви минимални и максимални температури.

Следователно ефективността на горивните клетки на теория може да бъде по-висока от 100%. Мнозина се усмихнаха и си помислиха: „Вечният двигател е изобретен“. Не, струва си да се върнем към училищния курс по химия. Горивната клетка се основава на преобразуването на химическата енергия в електрическа. Тук се случват чудеса. Някои химични реакции в процеса могат да абсорбират топлина от околната среда.

Справка: Ендотермичните реакции са химични реакции, придружени от поглъщане на топлина. За ендотермичните реакции промяната в енталпията и вътрешната енергия имат положителни стойности (ΔХ >0, Δ У >0), по този начин реакционните продукти съдържат повече енергия от оригиналните компоненти.

Пример за такава реакция е окисляването на водорода, което се използва в повечето горивни клетки. Следователно, теоретично ефективността може да бъде повече от 100%. Но днес горивните клетки се нагряват по време на работа и не могат да абсорбират топлината от околната среда.

Справка: Това ограничение е наложено от втория закон на термодинамиката. Процесът на пренасяне на топлина от "студено" тяло към "горещо" не е възможен.

Плюс това има загуби, свързани с неравновесни процеси. Като например: омични загуби поради специфичната проводимост на електролита и електродите, активационна и концентрационна поляризация, дифузионни загуби. В резултат на това част от енергията, генерирана в горивните клетки, се превръща в топлина. Следователно горивните клетки не са вечни двигатели и тяхната ефективност е под 100%. Но тяхната ефективност е по-голяма от тази на други машини. днес ефективността на горивните клетки достига 80%.

справка:През четиридесетте години английският инженер Т. Бейкън проектира и конструира батерия с горивна клетка с обща мощност 6 kW и ефективност 80%, работеща на чист водород и кислород, но съотношението мощност/тегло на батерията се променя са твърде малки - такива клетки не са подходящи за практическа употреба и са твърде скъпи (източник: http://www.powerinfo.ru/).

ПРОБЛЕМИ С ГОРИВНИ КЛЕТКИ

Почти всички горивни клетки използват водород като гориво, така че логичният въпрос е: „Откъде мога да го взема?“

Изглежда, че горивна клетка е била открита в резултат на електролиза, така че можете да използвате водорода, освободен в резултат на електролизата. Но нека разгледаме по-отблизо този процес.

Според закона на Фарадей: количеството вещество, което се окислява на анода или се редуцира на катода, е пропорционално на количеството електричество, преминало през електролита. Това означава, че за да получите повече водород, трябва да изразходвате повече електроенергия. Съществуващите методи за водна електролиза работят с ефективност, по-малка от единица. След това използваме получения водород в горивните клетки, където ефективността също е по-малка от единица. Следователно ще изразходваме повече енергия, отколкото можем да генерираме.

Разбира се, може да се използва и водород, получен от природен газ. Този метод за производство на водород остава най-евтиният и популярен. В момента около 50% от водорода, произвеждан в световен мащаб, се получава от природен газ. Но има проблем със съхранението и транспортирането на водорода. Водородът има ниска плътност ( един литър водород тежи 0,0846 грама), следователно, за да го транспортирате на дълги разстояния, той трябва да бъде компресиран. А това са допълнителни енергийни и парични разходи. Също така, не забравяйте за безопасността.

Тук обаче също има решение - течно въглеводородно гориво може да се използва като източник на водород. Например, етилов или метилов алкохол. Вярно е, че тук вече е необходимо специално допълнително устройство - преобразувател на гориво, при висока температура (за метанол ще бъде някъде около 240 ° C), превръщащ алкохолите в смес от газообразни H 2 и CO 2. Но в този случай вече е по-трудно да се мисли за преносимост - такива устройства е добре да се използват като стационарни или автомобилни генератори, но за компактно мобилно оборудване се нуждаете от нещо по-малко обемно.

катализатор

За да се засили реакцията в горивна клетка, анодната повърхност обикновено е катализатор. Доскоро платината се използваше като катализатор. Следователно цената на горивната клетка беше висока. Второ, платината е сравнително рядък метал. Според експерти при промишленото производство на горивни клетки проучените запаси от платина ще се изчерпят след 15-20 години. Но учени от цял ​​свят се опитват да заменят платината с други материали. Между другото, някои от тях постигнаха добри резултати. Така китайски учени замениха платината с калциев оксид (източник: www.cheburek.net).

ИЗПОЛЗВАНЕ НА ГОРИВНИ КЛЕТКИ

За първи път горивна клетка в автомобилната технология е тествана през 1959 г. Тракторът Alice-Chambers използва 1008 батерии за работа. Горивото беше смес от газове, главно пропан и кислород.

Източник: http://www.planetseed.com/

От средата на 60-те години, в разгара на "космическата надпревара", създателите на космически кораби се интересуват от горивни клетки. Работата на хиляди учени и инженери направи възможно достигането на ново ниво и през 1965г. горивните клетки бяха тествани в САЩ на космическия кораб Gemini 5, а по-късно и на космическия кораб Apollo за полети до Луната и по програмата Shuttle. В СССР горивните клетки са разработени в НПО Квант, също за използване в космоса (източник: http://www.powerinfo.ru/).

Тъй като крайният продукт от горенето на водорода в горивната клетка е вода, те се считат за най-чистите по отношение на въздействието върху околната среда. Следователно горивните клетки започнаха да набират популярност на фона на общия интерес към екологията.

В момента производители на автомобили като Honda, Ford, Nissan и Mercedes-Benz са създали превозни средства, задвижвани от водородни горивни клетки.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force, задвижван от водород

При използване на автомобили на водород, проблемът със съхранението на водород е решен. Изграждането на водородни бензиностанции ще направи възможно зареждането с гориво навсякъде. Освен това пълненето на автомобил с водород е по-бързо от зареждането на електрическа кола на бензиностанция. Но при реализирането на подобни проекти те се сблъскаха с проблем като този на електрическите превозни средства. Хората са готови да се „прехвърлят” на водороден автомобил, ако има инфраструктура за тях. И изграждането на бензиностанции ще започне, ако има достатъчен брой потребители. Затова отново стигнахме до дилемата яйца и пиле.

Горивните клетки се използват широко в мобилни телефони и лаптопи. Отминаха дните, когато телефонът се зареждаше веднъж седмично. Сега телефонът се зарежда, почти всеки ден, а лаптопа работи без мрежа 3-4 часа. Затова производителите на мобилни технологии решават да синтезират горивна клетка с телефони и лаптопи за зареждане и работа. Например Toshiba през 2003 г демонстрира завършен прототип на метанолова горивна клетка. Той дава мощност от около 100mW. Едно зареждане с 2 кубчета концентриран (99,5%) метанол е достатъчно за 20 часа работа на MP3 плейъра. Отново същата "Toshiba" демонстрира захранващ елемент за лаптоп 275x75x40mm, който позволява на компютъра да работи 5 часа от едно зареждане.

Но някои производители отидоха по-далеч. PowerTrekk пусна зарядно устройство със същото име. PowerTrekk е първото зарядно устройство за вода в света. Много е лесно да го използвате. PowerTrekk се нуждае от добавяне на вода, за да осигури незабавно захранване чрез USB кабела. Тази горивна клетка съдържа силициев прах и натриев силицид (NaSi), когато се смеси с вода, тази комбинация генерира водород. Водородът се смесва с въздуха в самата горивна клетка и превръща водорода в електричество чрез своя мембранен протонен обмен, без вентилатори или помпи. Можете да закупите такова преносимо зарядно за 149 € (

Съединените щати предприеха няколко инициативи за разработване на водородни горивни клетки, инфраструктура и технологии, за да направят превозните средства с горивни клетки практични и икономични до 2020 г. За тези цели са отделени повече от един милиард долара.

Горивните клетки генерират електричество тихо и ефективно, без да замърсяват околната среда. За разлика от енергийните източници на изкопаеми горива, страничните продукти на горивните клетки са топлина и вода. Как работи?

В тази статия ще разгледаме накратко всяка от съществуващите горивни технологии днес, както и ще говорим за дизайна и работата на горивните клетки и ще ги сравним с други форми на производство на енергия. Ще обсъдим също някои от препятствията, пред които са изправени изследователите, за да направят горивните клетки практични и достъпни за потребителите.

Горивните клетки са устройства за електрохимично преобразуване на енергия. Горивната клетка преобразува химикали, водород и кислород, във вода, в процеса на генериране на електричество.

Друго електрохимично устройство, с което всички знаем, е батерията. Батерията има всички необходими химични елементи вътре в нея и превръща тези вещества в електричество. Това означава, че батерията в крайна сметка "умира" и вие или я изхвърляте, или я презареждате.

В горивната клетка непрекъснато се подават химикали в нея, така че тя никога да не „умира“. Електричеството ще се генерира, докато химикалите влизат в клетката. Повечето горивни клетки, използвани днес, използват водород и кислород.

Водородът е най-разпространеният елемент в нашата галактика. Водородът обаче практически не съществува на Земята в неговата елементарна форма. Инженерите и учените трябва да извличат чист водород от водородни съединения, включително изкопаеми горива или вода. За да извлечете водород от тези съединения, трябва да изразходвате енергия под формата на топлина или електричество.

Изобретението на горивни клетки

Сър Уилям Гроув изобретява първата горивна клетка през 1839 г. Гроув знаеше, че водата може да се раздели на водород и кислород чрез преминаване на електрически ток през нея (процес, наречен електролиза). Той предположи, че в обратен ред може да се получи ток и вода. Той създаде примитивна горивна клетка и я нарече газова галванична батерия. След като експериментира с новото си изобретение, Гроув доказа хипотезата си. Петдесет години по-късно учените Лудвиг Монд и Чарлз Лангер измислиха термина горивни клеткикогато се опитваме да изградим практичен модел за производство на електроенергия.

Горивната клетка ще се конкурира с много други устройства за преобразуване на енергия, включително газови турбини в градски електроцентрали, двигатели с вътрешно горене в автомобили и батерии от всякакъв вид. Двигателите с вътрешно горене, подобно на газовите турбини, изгарят различни горива и използват налягането, създадено от разширяването на газовете, за извършване на механична работа. Батериите преобразуват химическата енергия в електрическа енергия, когато е необходимо. Горивните клетки трябва да изпълняват тези задачи по-ефективно.

Горивната клетка осигурява DC (постоянен ток) напрежение, което може да се използва за захранване на електрически двигатели, осветление и други електрически уреди.

Има няколко различни типа горивни клетки, всяка от които използва различни химични процеси. Горивните клетки обикновено се класифицират според техните Работна температураи Типелектролит,които използват. Някои видове горивни клетки са много подходящи за използване в стационарни електроцентрали. Други могат да бъдат полезни за малки преносими устройства или за захранване на автомобили. Основните видове горивни клетки включват:

Полимерно обменна мембранна горивна клетка (PEMFC)

PEMFC се счита за най-вероятния кандидат за транспортни приложения. PEMFC има както висока мощност, така и относително ниска работна температура (в диапазона от 60 до 80 градуса по Целзий). Ниската работна температура означава, че горивните клетки могат бързо да се загреят, за да започнат да генерират електричество.

Горивна клетка от твърд оксид (SOFC)

Тези горивни клетки са най-подходящи за големи стационарни генератори, които биха могли да осигурят електричество на фабрики или градове. Този тип горивни клетки работят при много високи температури (700 до 1000 градуса по Целзий). Високата температура е проблем с надеждността, тъй като някои от горивните клетки могат да се повредят след няколко цикъла на включване и изключване. Въпреки това горивните клетки от твърд оксид са много стабилни при продължителна работа. Наистина, SOFC са демонстрирали най-дългия експлоатационен живот на всяка горивна клетка при определени условия. Високата температура също има предимството, че парата, генерирана от горивните клетки, може да бъде насочена към турбини и да генерира повече електроенергия. Този процес се нарича комбинирано производство на топлинна и електрическа енергияи подобрява цялостната ефективност на системата.

Алкални горивни клетки (AFC)

Това е един от най-старите дизайни на горивни клетки, използван от 60-те години на миналия век. AFC са много податливи на замърсяване, тъй като изискват чист водород и кислород. Освен това те са много скъпи, така че този тип горивни клетки едва ли ще бъдат пуснати в масово производство.

Горивна клетка с разтопен карбонат (MCFC)

Подобно на SOFC, тези горивни клетки също са най-подходящи за големи стационарни електроцентрали и генератори. Те работят при 600 градуса по Целзий, за да могат да генерират пара, която от своя страна може да се използва за генериране на още повече енергия. Те имат по-ниска работна температура от горивните клетки с твърд оксид, което означава, че не се нуждаят от такива топлоустойчиви материали. Това ги прави малко по-евтини.

Горивна клетка с фосфорна киселина (PAFC)

Горивна клетка с фосфорна киселинаима потенциал за използване в малки стационарни енергийни системи. Той работи при по-висока температура от горивната клетка с полимеробменна мембрана, така че отнема повече време за загряване, което я прави неподходяща за автомобилна употреба.

Метанол горивни клетки Директен метанол горивна клетка (DMFC)

Метанолните горивни клетки са сравними с PEMFC по отношение на работната температура, но не са толкова ефективни. В допълнение, DMFC изискват доста платина като катализатор, което прави тези горивни клетки скъпи.

Горивна клетка с полимерна обменна мембрана

Горивната клетка с полимерна обменна мембрана (PEMFC) е една от най-обещаващите технологии за горивни клетки. PEMFC използва една от най-простите реакции на всяка горивна клетка. Помислете от какво се състои.

1. НО възел – Отрицателен извод на горивната клетка. Той провежда електрони, които се освобождават от водородните молекули, след което могат да се използват във външна верига. Той е гравиран с канали, през които водородният газ се разпределя равномерно по повърхността на катализатора.

2.Да се атом - положителният извод на горивната клетка също има канали за разпределение на кислорода по повърхността на катализатора. Той също така отвежда електроните обратно от външната верига на катализатора, където те могат да се комбинират с водородни и кислородни йони, за да образуват вода.

3.Електролитно-протонна обменна мембрана. Това е специално обработен материал, който провежда само положително заредени йони и блокира електроните. При PEMFC мембраната трябва да бъде хидратирана, за да функционира правилно и да остане стабилна.

4. катализаторе специален материал, който насърчава реакцията на кислород и водород. Обикновено се прави от платинени наночастици, нанесени много тънко върху въглеродна хартия или плат. Катализаторът има повърхностна структура, така че максималната повърхност на платината може да бъде изложена на водород или кислород.

Фигурата показва водороден газ (H2), влизащ под налягане в горивната клетка от анодната страна. Когато молекула H2 влезе в контакт с платина на катализатора, тя се разделя на два H+ йона и два електрона. Електроните преминават през анода, където се използват във външни схеми (вършат полезна работа, като например завъртане на двигател) и се връщат към катодната страна на горивната клетка.

Междувременно от катодната страна на горивната клетка кислородът (O2) от въздуха преминава през катализатора, където образува два кислородни атома. Всеки от тези атоми има силен отрицателен заряд. Този отрицателен заряд привлича два H+ йона през мембраната, където те се комбинират с кислороден атом и два електрона от външната верига, за да образуват водна молекула (H2O).

Тази реакция в една горивна клетка произвежда само приблизително 0,7 волта. За да се повиши напрежението до разумно ниво, много отделни горивни клетки трябва да се комбинират, за да образуват купчина горивни клетки. Биполярните плочи се използват за свързване на една горивна клетка към друга и подложени на окисляване с намаляващ потенциал. Големият проблем с биполярните плочи е тяхната стабилност. Металните биполярни плочи могат да бъдат корозирали и страничните продукти (йони на желязо и хром) намаляват ефективността на мембраните и електродите на горивните клетки. Следователно, нискотемпературните горивни клетки използват леки метали, графит и композитни съединения от въглерод и термореактивен материал (термореактивният материал е вид пластмаса, която остава твърда дори когато е подложена на високи температури) под формата на биполярен листов материал.

Ефективност на горивните клетки

Намаляването на замърсяването е една от основните цели на горивната клетка. Сравнявайки автомобил, захранван от горивна клетка с автомобил, захранван от бензинов двигател и автомобил, захранван от батерия, можете да видите как горивните клетки могат да подобрят ефективността на автомобилите.

Тъй като и трите типа автомобили имат много от едни и същи компоненти, ние ще игнорираме тази част от автомобила и ще сравним ефективността до момента, в който се произвежда механична мощност. Нека започнем с автомобила с горивни клетки.

Ако горивната клетка се захранва от чист водород, нейната ефективност може да бъде до 80 процента. Така той превръща 80 процента от енергийното съдържание на водорода в електричество. Все още обаче трябва да преобразуваме електрическата енергия в механична работа. Това се постига чрез електродвигател и инвертор. Ефективността на мотор + инвертор също е приблизително 80 процента. Това дава обща ефективност от приблизително 80*80/100=64 процента. Съобщава се, че концептуалният автомобил FCX на Honda има 60 процента енергийна ефективност.

Ако източникът на гориво не е под формата на чист водород, тогава превозното средство също ще се нуждае от реформатор. Реформаторите превръщат въглеводородни или алкохолни горива във водород. Те генерират топлина и произвеждат CO и CO2 в допълнение към водорода. За пречистване на получения водород се използват различни устройства, но това пречистване е недостатъчно и намалява ефективността на горивната клетка. Затова изследователите решават да се съсредоточат върху горивните клетки за превозни средства, работещи с чист водород, въпреки проблемите, свързани с производството и съхранението на водород.

Ефективност на бензинов двигател и автомобил на електрически батерии

Ефективността на автомобил, задвижван от бензин, е изненадващо ниска. Цялата топлина, която излиза под формата на отработени газове или се абсорбира от радиатора, е загуба на енергия. Двигателят също така използва много енергия, за да завърти различните помпи, вентилатори и генератори, които го поддържат да работи. Така общата ефективност на автомобилния бензинов двигател е приблизително 20 процента. По този начин само приблизително 20 процента от съдържанието на топлинна енергия в бензина се превръща в механична работа.

Електрическото превозно средство, захранвано от батерии, има доста висока ефективност. Батерията е приблизително 90 процента ефективна (повечето батерии генерират известна топлина или изискват отопление), а моторът + инверторът е приблизително 80 процента ефективен. Това дава обща ефективност от приблизително 72 процента.

Но това не е всичко. За да може електрическата кола да се движи, първо трябва да се генерира електричество някъде. Ако беше електроцентрала, която използваше процес на изгаряне на изкопаеми горива (а не ядрена, водноелектрическа, слънчева или вятърна енергия), тогава само около 40 процента от горивото, консумирано от електроцентралата, беше преобразувано в електричество. Освен това процесът на зареждане на автомобил изисква преобразуване на мощността на променлив ток (AC) в мощност на постоянен ток (DC). Този процес има ефективност от приблизително 90 процента.

Сега, ако погледнем целия цикъл, ефективността на електрическото превозно средство е 72 процента за самата кола, 40 процента за електроцентралата и 90 процента за зареждането на автомобила. Това дава обща ефективност от 26 процента. Общата ефективност варира значително в зависимост от това коя електроцентрала се използва за зареждане на батерията. Ако електричеството за автомобил се генерира например от водноелектрическа централа, тогава ефективността на електрическия автомобил ще бъде около 65 процента.

Учените изследват и усъвършенстват проекти, за да продължат да подобряват ефективността на горивните клетки. Един от новите подходи е да се комбинират превозни средства с горивни клетки и батерии. Концептуално превозно средство се разработва, за да се задвижва от хибриден задвижващ агрегат, задвижван от горивни клетки. Той използва литиева батерия за захранване на автомобила, докато горивна клетка презарежда батерията.

Превозните средства с горивни клетки са потенциално толкова ефективни, колкото автомобил, захранван от батерии, който се зарежда от електроцентрала без изкопаеми горива. Но постигането на такъв потенциал по практичен и достъпен начин може да бъде трудно.

Защо да използвате горивни клетки?

Основната причина е всичко свързано с петрола. Америка трябва да внася близо 60 процента от своя петрол. До 2025 г. се очаква вносът да нарасне до 68%. Американците използват две трети от петрола дневно за транспорт. Дори ако всяка кола на улицата беше хибридна кола, до 2025 г. САЩ пак ще трябва да използват същото количество петрол, което американците консумираха през 2000 г. Всъщност Америка консумира една четвърт от целия петрол, произведен в света, въпреки че само 4,6% от световното население живее тук.

Експертите очакват цените на петрола да продължат да се покачват през следващите няколко десетилетия, тъй като по-евтините източници изчерпват. Нефтените компании трябва да разработват петролни находища при все по-трудни условия, което ще доведе до повишаване на цените на петрола.

Страховете се простират далеч отвъд икономическата сигурност. Голяма част от приходите от продажбата на петрол се изразходват за подкрепа на международния тероризъм, радикални политически партии и нестабилната ситуация в петролните региони.

Използването на нефт и други изкопаеми горива за енергия води до замърсяване. Най-добре е всеки да намери алтернатива – изгаряне на изкопаеми горива за енергия.

Горивните клетки са привлекателна алтернатива на зависимостта от масло. Горивните клетки произвеждат чиста вода като страничен продукт вместо замърсяване. Докато инженерите временно са се фокусирали върху производството на водород от различни изкопаеми източници като бензин или природен газ, се проучват възобновяеми, екологично чисти начини за производство на водород в бъдеще. Най-обещаващият, разбира се, ще бъде процесът на получаване на водород от водата.

Зависимостта от петрол и глобалното затопляне е международен проблем. Няколко държави участват съвместно в развитието на научноизследователската и развойна дейност за технологията на горивните клетки.

Ясно е, че учените и производителите трябва да свършат много работа, преди горивните клетки да станат алтернатива на настоящите методи за производство на енергия. И все пак, с подкрепата на целия свят и глобалното сътрудничество, една жизнеспособна енергийна система, базирана на горивни клетки, може да стане реалност след няколко десетилетия.

Мисията Ancient Armory е един от най-интересните и възнаграждаващи странични куестове в Horizon Zero Dawn. Като награда за завършването му ще получите костюма на Shield Weaver. Според нас това е най-добрата броня в играта. Тя защитава Алой със силово поле, което абсорбира всички входящи щети, докато зарядът изтече. Ще получите това търсене, когато намерите първата горивна клетка или самия древен бронен бункер. Трябва да кажа, че да го получите е много по-лесно, отколкото да го направите.

Къде да намерите всички горивни клетки в Horizon Zero Dawn?

В играта има общо 5 горивни елемента, които ще срещнете по време на преминаването на сюжетни мисии. Някои от тях са лесни за пропускане, но не се притеснявайте за това. Винаги можете да се върнете за тях по-късно. Ако умреш, ще трябва отново да отидеш за горивната клетка. Не се записва в инвентара ви незабавно, трябва да стигнете до контролния пункт. Имайте това предвид. Всички елементи са маркирани с яркозелена икона, така че е малко вероятно да ги видите, когато сте наблизо. Първите два елемента се използват за отваряне на вратата. Необходими са още три за отключване на самото бронирано устройство.

Първата горивна клетка

Намира се в локацията на Великата майка и е достъпна по време на преминаването на мисията "Утробата на планината". Много е важно да не го пропуснете по време на това търсене, защото след напускане на зоната портата с достъп до това място ще бъде блокирана и ще се отвори следващия път едва към края на играта, след завършване на „Heart of the Burrow " мисия.

Тази горивна клетка е лесна за намиране, ако знаете къде да търсите. Следователно, първото нещо, което трябва да направите, е да стигнете до маркировката Aloy, показана на екранната снимка по-долу. Точно пред вас ще има врата с ключ. Отваряме го и продължаваме напред. Отваряме и съседната врата и се озоваваме в голяма стая. Тук трябва да завием надясно и да се натъкнем на врата с ключалка, която не можем да отворим.

Ако се огледате обаче, ще забележите голяма ниша вляво със свещи вътре. Качете се в него и се движете напред по мината, докато не се сблъскате с горивна клетка.

Втора горивна клетка

Този елемент може да бъде намерен в руините, по които Алой се изкачва като дете. В детството няма да е възможно да го вземете, така че ще трябва да се върнете по-късно. Стигнете до зеления маркер и се огледайте. Входът към руините е дупка в земята. Слезте внимателно надолу.

Пускането през руините е достатъчно просто, така че е малко вероятно да се изгубите. Всъщност трябва да стигнете до знака, показан на екранната снимка по-долу. Там ще видите стая пред вас, входът на която е блокиран от заострени скални образувания. Разбийте ги с копието си и ще намерите втория горивен елемент.

Трета горивна клетка

За да намерите следващата горивна клетка в Horizon Zero Dawn, ще трябва да играете през историята. Нуждаем се от мисията Master's Limit. Не забравяйте да се върнете към това ръководство, когато стигнете до него. По време на тази мисия ще трябва да се изкачите на много висока сграда. В един момент играта ще ви каже нещо от рода на: „Намерете офиса на Фаро, за да получите повече информация за д-р Собек“.

В този момент трябва да се обърнете и да намерите стена зад себе си, по която можете да се изкачите. Вървете докрай и горивната клетка ще ви чака на земята точно на самия връх на кулата (12-ти етаж).

Четвърта горивна клетка

Този елемент може да бъде намерен по време на мисията "Съкровището на смъртта" в катакомбите.

Първо стигнете до знака на третото ниво, показан на екранната снимка по-долу. Пред вас ще има заключена врата. За да го отключите, трябва да отидете наляво и да скочите надолу. Там ще намерите три пъзела с завъртане. В близост до всеки има килер, в който е скрито решението на проблема. Просто го сканирайте. Два пъзела са разположени едно ниво под вратата, друг е на същото ниво. Когато решите и трите, вратата отгоре ще се отвори и ще получите горивната си клетка.

Пета горивна клетка

Последната горивна клетка в Horizon Zero Dawn може да бъде намерена по време на мисията Fallen Mountain в GAIA Prime.

Стигнете до местоположението на третото ниво, отбелязано на екранната снимка по-долу. Пред вас ще има място, от което трябва да слезете по въжето. Вместо това завийте наляво и внимателно проправете път надолу по склона на планината. Там ще видите входа на пещерата. В самия край ще ви очаква последният елемент.