Каква е целта на мембраната в горивната клетка? Различни модули с горивни клетки

Част 1

Тази статия разглежда по-подробно принципа на работа на горивните клетки, техния дизайн, класификация, предимства и недостатъци, обхват, ефективност, история на създаване и съвременни перспективи за използване. Във втората част на статията, който ще бъде публикуван в следващия брой на списание АБОК, дава примери за съоръжения, където различни видове горивни клетки са използвани като източници на топлина и електричество (или само електричество).

Въведение

Горивните клетки са много ефективен, надежден, издръжлив и екологичен начин за генериране на енергия.

Първоначално използвани само в космическата индустрия, горивните клетки сега намират все по-широко приложение в различни области - като стационарни електроцентрали, автономни източници на топлина и захранване на сгради, двигатели Превозно средство, захранвания за лаптопи и мобилни телефони. Някои от тези устройства са лабораторни прототипи, някои са подложени на предсерийни тестове или се използват за демонстрационни цели, но много модели се произвеждат масово и се използват в търговски проекти.

Горивна клетка (електрохимичен генератор) е устройство, което преобразува химическата енергия на горивото (водород) в електрическа енергия в процеса на електрохимична реакция директно, за разлика от традиционните технологии, които използват изгаряне на твърди, течни и газообразни горива. Директното електрохимично преобразуване на горивото е много ефективно и привлекателно от екологична гледна точка, тъй като по време на работа се отделя минимално количество замърсители и няма силни шумове и вибрации.

От практическа гледна точка горивната клетка прилича на обикновена галванична батерия. Разликата се състои в това, че първоначално батерията е заредена, т.е. пълна с „гориво“. По време на работа "горивото" се изразходва и батерията се разрежда. За разлика от батерията, горивната клетка използва гориво, доставяно от външен източник за генериране на електрическа енергия (фиг. 1).

За производството на електрическа енергия може да се използва не само чист водород, но и други съдържащи водород суровини, като природен газ, амоняк, метанол или бензин. Като източник на кислород, който също е необходим за реакцията, се използва обикновен въздух.

Когато чистият водород се използва като гориво, продуктите на реакцията, в допълнение към електрическата енергия, са топлина и вода (или водна пара), т.е. в атмосферата не се отделят газове, които причиняват замърсяване на въздуха или предизвикват парников ефект. Ако суровина, съдържаща водород, като природен газ, се използва като гориво, други газове, като въглеродни и азотни оксиди, ще бъдат страничен продукт от реакцията, но тяхното количество е много по-малко, отколкото при изгарянето на същото количество природен газ.

Процесът на химическо преобразуване на гориво с цел получаване на водород се нарича реформинг, а съответното устройство се нарича реформатор.

Предимства и недостатъци на горивните клетки

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

За разлика например от вътрешните двигатели ефективност на горенегоривните клетки остава много висока дори когато не работят на пълна мощност. В допълнение, мощността на горивните клетки може да се увеличи чрез просто добавяне на отделни блокове, докато ефективността не се променя, т.е. големите инсталации са толкова ефективни, колкото и малките. Тези обстоятелства позволяват много гъвкав избор на състава на оборудването в съответствие с желанията на клиента и в крайна сметка водят до намаляване на разходите за оборудване.

Важно предимство на горивните клетки е тяхната екологичност. Емисиите на замърсители във въздуха от работата на горивни клетки са толкова ниски, че в някои райони на Съединените щати не се изисква специално разрешение от правителствени агенцииконтрол на качеството на въздушната среда.

Горивните клетки могат да се поставят директно в сградата, като по този начин се намаляват загубите при пренос на енергия, а генерираната в резултат на реакцията топлина може да се използва за подаване на топлина или топла вода на сградата. Автономните източници на топлина и електроенергия могат да бъдат много полезни в отдалечени райони и в региони, които се характеризират с недостиг на електроенергия и нейната висока цена, но в същото време има запаси от водородсъдържащи суровини (петрол, природен газ) .

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

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

Най-ефективното използване на чист водород като гориво, но това ще изисква създаването на специална инфраструктура за неговото производство и транспортиране. В момента всички търговски проекти използват природен газ и подобни горива. Моторните превозни средства могат да използват обикновен бензин, което ще позволи поддържането на съществуващата развита мрежа от бензиностанции. Използването на такова гориво обаче води до вредни емисии в атмосферата (макар и много ниски) и усложнява (и съответно оскъпява) горивната клетка. В бъдеще възможността за използване на екологични възобновяеми енергийни източници (напр. слънчева енергияили вятърна енергия), за да разложи водата на водород и кислород чрез електролиза и след това да преобразува полученото гориво в горивна клетка. Такива комбинирани инсталации, работещи в затворен цикъл, могат да бъдат напълно екологичен, надежден, издръжлив и ефективен източник на енергия.

Друга характеристика на горивните клетки е, че те са най-ефективни, когато използват едновременно електрическа и топлинна енергия. Възможността за използване на топлинна енергия обаче не е налице във всяко съоръжение. В случай на използване на горивни клетки само за генериране на електрическа енергия, тяхната ефективност намалява, въпреки че надвишава ефективността на "традиционните" инсталации.

История и съвременни приложения на горивните клетки

Принципът на действие на горивните клетки е открит през 1839 г. Английският учен Уилям Гроув (1811-1896) открива, че процесът на електролиза - разлагането на водата на водород и кислород с помощта на електрически ток - е обратим, т.е. водородът и кислородът могат да се комбинират във водни молекули без изгаряне, но с отделянето на топлина и електрически ток. Гроув нарече устройството, в което се проведе такава реакция, "газова батерия", което беше първата горивна клетка.

Активното развитие на технологиите за горивни клетки започва след Втората световна война и е свързано с космическата индустрия. По това време се търсеше ефективен и надежден, но в същото време доста компактен източник на енергия. През 60-те години на миналия век специалистите на НАСА (Национална администрация по аеронавтика и изследване на космоса, НАСА) избраха горивни клетки като източник на енергия за космически кораби на програмите Аполо (пилотирани полети до Луната), Аполо-Союз, Джемини и Скайлаб. Apollo използва три единици от 1,5 kW (2,2 kW пикова мощност), използващи криогенен водород и кислород за производство на електричество, топлина и вода. Масата на всяка инсталация е 113 кг. Тези три клетки работеха паралелно, но енергията, генерирана от една единица, беше достатъчна за безопасно връщане. По време на 18 полета горивните клетки са натрупали общо 10 000 часа без никакви повреди. В момента горивни клетки се използват в космическата совалка „Спейс шатъл“, която използва три блока с мощност 12 W, които генерират цялата електрическа енергия на борда на космическия кораб (фиг. 2). Водата, получена в резултат на електрохимична реакция, се използва като питейна вода, както и за охлаждане на оборудване.

В нашата страна също се работи за създаване на горивни клетки за използване в космонавтиката. Например горивните клетки са били използвани за захранване съветски корабза многократна употреба "Буран".

Разработването на методи за търговско използване на горивни клетки започва в средата на 60-те години. Тези разработки бяха частично финансирани от държавни организации.

В момента развитието на технологиите за използване на горивни клетки върви в няколко посоки. Това е създаването на стационарни електроцентрали на горивни клетки (както за централизирано, така и за децентрализирано енергоснабдяване), електроцентрали на превозни средства (създадени са проби от автомобили и автобуси на горивни клетки, включително в нашата страна) (фиг. 3) и както и различни източници на енергия мобилни устройства(лаптопи, мобилни телефони и др.) (фиг. 4).

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

Един от първите търговски модели на горивни клетки, предназначени за автономно отопление и захранване на сгради, беше PC25 Model A, произведен от ONSI Corporation (сега United Technologies, Inc.). Тази горивна клетка с номинална мощност 200 kW принадлежи към типа клетки с електролит на базата на фосфорна киселина (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Числото "25" в името на модела означава сериен номердизайни. Повечето от предишните модели бяха експериментални или тестови, като модела 12,5 kW "PC11", който се появи през 70-те години. Новите модели увеличиха мощността, взета от една горивна клетка, и също така намалиха цената на киловат произведена енергия. В момента един от най-ефективните търговски модели е горивната клетка PC25 Model C. Подобно на модел "А", това е напълно автоматична горивна клетка тип PAFC с мощност 200 kW, предназначена за инсталиране директно върху обслужвания обект като самостоятелен източник на топлина и електроенергия. Такава горивна клетка може да бъде инсталирана извън сградата. Външно представлява паралелепипед с дължина 5,5 м, ширина 3 м и височина 3 м, с тегло 18 140 кг. Разликата от предишните модели е подобрен реформатор и по-висока плътност на тока.

В някои видове горивни клетки химическият процес може да бъде обърнат: чрез прилагане на потенциална разлика към електродите водата може да се разложи на водород и кислород, които се събират върху порести електроди. Когато се свърже товар, такава регенеративна горивна клетка ще започне да генерира електрическа енергия.

Обещаващо направление за използване на горивни клетки е използването им заедно с възобновяеми енергийни източници, като фотоволтаични панели или вятърни турбини. Тази технология ви позволява напълно да избегнете замърсяването на въздуха. Подобна система се планира да бъде създадена например в Центъра за обучение на Адам Джоузеф Луис в Оберлин (вж. АБОК, 2002, № 5, стр. 10). В момента слънчевите панели се използват като един от източниците на енергия в тази сграда. Съвместно със специалисти от НАСА е разработен проект за използване на фотоволтаични панели за производство на водород и кислород от вода чрез електролиза. След това водородът се използва в горивни клетки за генериране на електрическа енергия и топла вода. Това ще позволи на сградата да поддържа работата на всички системи през облачните дни и през нощта.

Принципът на действие на горивните клетки

Нека разгледаме принципа на работа на горивна клетка, използвайки като пример най-простия елемент с протонна обменна мембрана (Proton Exchange Membrane, PEM). Такъв елемент се състои от полимерна мембрана, поставена между анода (положителен електрод) и катода (отрицателен електрод) заедно с анода и катодния катализатор. Като електролит се използва полимерна мембрана. Диаграмата на PEM елемента е показана на фиг. 5.

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

На анода протича окислителен процес, а на катода - процес на редукция. Анодът и катодът в клетката PEM са направени от порест материал, който е смес от частици от въглерод и платина. Платината действа като катализатор, който насърчава реакцията на дисоциация. Анодът и катодът са направени порести за свободно преминаване на водород и кислород съответно през тях.

Анодът и катодът са разположени между два метални пластини, които доставят водород и кислород към анода и катода и отнемат топлина и вода, както и електрическа енергия.

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

След това, в резултат на хемосорбция в присъствието на катализатор, водородните атоми, всеки от които отдава един електрон e - , се превръщат в положително заредени водородни йони Н +, т.е. протони (фиг. 7).

Положително заредените водородни йони (протони) дифундират през мембраната към катода, а потокът от електрони се насочва към катода през външна електрическа верига, към която е свързан товарът (консуматор на електрическа енергия) (фиг. 8).

Кислородът, подаден на катода, в присъствието на катализатор, влиза в химична реакция с водородни йони (протони) от протонообменната мембрана и електрони от външната електрическа верига (фиг. 9). В резултат на химическа реакция се образува вода.

Химическата реакция в горивна клетка от други видове (например с кисел електролит, който е разтвор на фосфорна киселина H 3 PO 4) е абсолютно идентична с химическата реакция в горивна клетка с протонообменна мембрана.

Във всяка горивна клетка част от енергията на химическа реакция се освобождава като топлина.

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

Количеството електрическа енергия, произведена от горивна клетка, зависи от вида на горивната клетка, геометрични размери, температура, налягане на газа. Една горивна клетка осигурява ЕМП под 1,16 V. Възможно е увеличаване на размера на горивните клетки, но на практика се използват няколко клетки, свързани в батерии (фиг. 10).

Устройство с горивна клетка

Нека разгледаме устройството с горивни клетки на примера на модела PC25 Model C. Схемата на горивната клетка е показана на фиг. единадесет.

Горивната клетка "PC25 Model C" се състои от три основни части: горивен процесор, същинска секция за генериране на електроенергия и преобразувател на напрежение.

Основната част от горивната клетка - секцията за производство на електроенергия - е стек, съставен от 256 отделни горивни клетки. Съставът на електродите на горивните клетки включва платинен катализатор. Чрез тези клетки се генерира постоянен електрически ток от 1400 ампера при напрежение 155 волта. Размерите на батерията са приблизително 2,9 м дължина и 0,9 м ширина и височина.

Тъй като електрохимичният процес протича при температура от 177 ° C, е необходимо батерията да се нагрее по време на стартиране и да се отстрани топлината от нея по време на работа. За да направите това, горивната клетка включва отделна водна верига, а батерията е оборудвана със специални охлаждащи плочи.

Горивният процесор ви позволява да преобразувате природния газ във водород, който е необходим за електрохимична реакция. Този процес се нарича реформиране. Основният елемент на горивния процесор е реформаторът. В реформатора природният газ (или друго гориво, съдържащо водород) реагира с пара при висока температура (900 °C) и високо налягане в присъствието на никелов катализатор. Протичат следните химични реакции:

CH 4 (метан) + H 2 O 3H 2 + CO

(реакция ендотермична, с поглъщане на топлина);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(реакцията е екзотермична, с отделяне на топлина).

Общата реакция се изразява с уравнението:

CH 4 (метан) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(реакция ендотермична, с поглъщане на топлина).

За да се осигури високата температура, необходима за преобразуване на природен газ, част от отработеното гориво от комина на горивните клетки се насочва към горелка, която поддържа реформатора при необходимата температура.

Парата, необходима за реформинг, се генерира от кондензата, образуван по време на работата на горивната клетка. В този случай се използва топлината, отстранена от купчината горивни клетки (фиг. 12).

Комплектът горивни клетки генерира периодичен постоянен ток, който се характеризира с ниско напрежение и висок ток. Преобразувател на напрежение се използва за преобразуването му в промишлен стандарт AC. Освен това модулът за преобразуване на напрежение включва различни контролни устройства и вериги за блокиране на безопасността, които позволяват изключване на горивната клетка в случай на различни повреди.

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

Важно предимство на такъв източник на топлина и електричество е възможността за него автоматична работа. За поддръжка собствениците на съоръжението, на което е инсталирана горивната клетка, не е необходимо да поддържат специално обучен персонал - периодичната поддръжка може да се извършва от служители на експлоатационната организация.

Видове горивни клетки

Понастоящем са известни няколко вида горивни клетки, които се различават по състава на използвания електролит. Най-разпространени са следните четири типа (Таблица 2):

1. Горивни клетки с протоннообменна мембрана (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Горивни клетки на основата на ортофосфорна (фосфорна) киселина (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Горивни клетки на базата на разтопен карбонат (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Горивни клетки с твърд оксид (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). В момента най-големият парк от горивни клетки е изграден на базата на технологията PAFC.

Един от Основни функции различни видовегоривната клетка е работна температура. В много отношения температурата е тази, която определя обхвата на горивните клетки. Например високите температури са критични за лаптопите, така че за този пазарен сегмент се разработват горивни клетки с протонна обменна мембрана с ниски работни температури.

За автономно захранване на сгради са необходими горивни клетки с висока инсталирана мощност, като в същото време е възможно да се използва топлинна енергия, следователно за тези цели могат да се използват други видове горивни клетки.

Горивни клетки с протонна обменна мембрана (PEMFC)

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

Горивните клетки с протонообменна мембрана първоначално са разработени от General Electric Corporation през 60-те години за НАСА. Този тип горивна клетка използва твърд полимерен електролит, наречен протонна обменна мембрана (PEM). Протоните могат да се движат през протонообменната мембрана, но електроните не могат да преминат през нея, което води до потенциална разлика между катода и анода. Поради своята простота и надеждност, такива горивни клетки бяха използвани като източник на енергия на пилотирания космически кораб Gemini.

Този тип горивна клетка се използва като източник на енергия за широк спектър от различни устройства, включително прототипи и прототипи, от мобилни телефони до автобуси и стационарни енергийни системи. Ниската работна температура позволява такива клетки да се използват за захранване на различни видове комплекси електронни устройства. По-малко ефективно е използването им като източник на топлина и електричество за обществени и промишлени сгради, където се изискват големи количества топлинна енергия. В същото време такива елементи са обещаващи като автономен източник на захранване за малки жилищни сгради като вили, построени в райони с горещ климат.

Горивни клетки с фосфорна киселина (PAFC)

Тестове на горивни клетки от този тип вече са извършени в началото на 70-те години. Работен температурен диапазон - 150-200 °C. Основната област на приложение са автономни източници на топлина и захранване със средна мощност (около 200 kW).

Електролитът, използван в тези горивни клетки, е разтвор на фосфорна киселина. Електродите са направени от хартия, покрита с въглерод, в който е диспергиран платинен катализатор.

Електрическата ефективност на горивните клетки PAFC е 37-42%. Въпреки това, тъй като тези горивни клетки работят при достатъчно висока температура, е възможно да се използва парата, генерирана в резултат на работа. В такъв случай обща ефективностможе да достигне 80%.

За да се генерира енергия, съдържащата водород суровина трябва да се преобразува в чист водород чрез процес на реформиране. Например, ако бензинът се използва като гориво, тогава серните съединения трябва да бъдат отстранени, тъй като сярата може да повреди платиновия катализатор.

Горивните клетки PAFC бяха първите търговски горивни клетки, които бяха икономически оправдани. Най-разпространеният модел беше 200 kW PC25 горивна клетка, произведена от ONSI Corporation (сега United Technologies, Inc.) (фиг. 13). Например, тези елементи се използват като източник на топлина и електричество в полицейски участък в Сентрал парк в Ню Йорк или като допълнителен източник на енергия за Conde Nast Building & Four Times Square. Повечето голяма платформаот този тип се тества като 11 MW електроцентрала, разположена в Япония.

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

Горивни клетки от разтопен карбонат (MCFC)

Горивните клетки от този тип работят при много високи температури - 600-700 °C. Тези работни температури позволяват горивото да се използва директно в самата клетка, без необходимост от отделен реформатор. Този процес се нарича "вътрешно реформиране". Позволява значително да се опрости дизайна на горивната клетка.

Горивните клетки на базата на разтопен карбонат изискват значително време за стартиране и не позволяват бързо регулиране на изходната мощност, така че основната им област на приложение са големи стационарни източници на топлина и електричество. Въпреки това се отличават с висока ефективност на преобразуване на горивото - 60% електрическа ефективност и до 85% обща ефективност.

В този тип горивна клетка електролитът се състои от соли на калиев карбонат и литиев карбонат, загряти до около 650 °C. При тези условия солите са в разтопено състояние, образувайки електролит. На анода водородът взаимодейства с CO 3 йони, образувайки вода, въглероден диоксид и освобождавайки електрони, които се изпращат към външната верига, а на катода кислородът взаимодейства с въглероден диоксид и електрони от външната верига, отново образувайки CO 3 йони.

Лабораторни образци на горивни клетки от този тип са създадени в края на 50-те години на миналия век от холандските учени G. H. J. Broers и J. A. A. Ketelaar. През 60-те години на миналия век инженерът Франсис Т. Бейкън, потомък на известен английски писател и учен от 17-ти век, работи с тези елементи, поради което горивните клетки MCFC понякога се наричат ​​елементи на Бейкън. Програмите Apollo, Apollo-Soyuz и Scylab на НАСА използваха точно такива горивни клетки като източник на енергия (фиг. 14). През същите години военното ведомство на САЩ тества няколко проби от горивни клетки MCFC, произведени от Texas Instruments, в които като гориво се използва армейски бензин. В средата на 70-те години Министерството на енергетиката на САЩ започна изследвания за разработване на стационарна горивна клетка от разтопен карбонат, подходяща за практически приложения. През 90-те години на миналия век бяха пуснати в експлоатация редица търговски единици с мощност до 250 kW, като например в американската военновъздушна станция Мирамар в Калифорния. През 1996 г. FuelCell Energy, Inc. пусна в експлоатация 2 MW предсерийна инсталация в Санта Клара, Калифорния.

Оксидни горивни клетки в твърдо състояние (SOFC)

Твърдотелните оксидни горивни клетки са прости по конструкция и работят при много високи температури - 700-1000 °C. Такива високи температури позволяват използването на относително "мръсно", нерафинирано гориво. Същите характеристики като в горивните клетки на базата на разтопен карбонат определят подобна област на приложение - големи стационарни източници на топлина и електричество.

Горивните клетки с твърд оксид са структурно различни от горивните клетки, базирани на PAFC и MCFC технологии. Анодът, катодът и електролитът са изработени от специални класове керамика. Най-често като електролит се използва смес от циркониев оксид и калциев оксид, но могат да се използват и други оксиди. Електролитът образува кристална решетка, покрита от двете страни с порест електроден материал. Структурно такива елементи са направени под формата на тръби или плоски дъски, което прави възможно използването на технологии, широко използвани в електронната индустрия при тяхното производство. В резултат на това горивните клетки от твърд оксид могат да работят при много високи температури, така че могат да се използват за производство както на електрическа, така и на топлинна енергия.

При високи работни температури на катода се образуват кислородни йони, които мигрират през кристалната решетка към анода, където взаимодействат с водородни йони, образувайки вода и освобождавайки свободни електрони. В този случай водородът се освобождава от природния газ директно в клетката, т.е. няма нужда от отделен риформър.

Теоретичните основи за създаването на твърдотелни оксидни горивни клетки са положени още в края на 30-те години на миналия век, когато швейцарските учени Бауер (Emil Bauer) и Прейс (H. Preis) експериментират с цирконий, итрий, церий, лантан и волфрам, като ги използват като електролити.

Първите прототипи на такива горивни клетки са създадени в края на 50-те години на миналия век от редица американски и холандски компании. Повечето от тези компании скоро се отказаха от по-нататъшни изследвания поради технологични трудности, но една от тях, Westinghouse Electric Corp. (сега "Siemens Westinghouse Power Corporation"), продължи работата. В момента компанията приема предварителни поръчки за комерсиален модел на горивна клетка с твърд оксид с тръбна топология, който се очаква тази година (Фигура 15). Пазарният сегмент на такива елементи са стационарни инсталации за производство на топлинна и електрическа енергия с мощност от 250 kW до 5 MW.

Горивните клетки от тип SOFC са показали много висока надеждност. Например, прототип на горивна клетка на Siemens Westinghouse е записал 16 600 часа и продължава да работи, което го прави най-дългият непрекъснат живот на горивна клетка в света.

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

Съвсем скоро (по-точно в началото на своето вълнуващо приключение) главната героиня ще се натъкне на бункера Предтеча, който се намира съвсем близо до земите на племето Нора. Вътре в този древен бункер бронята ще бъде затворена зад мощна и високотехнологична врата, която отдалеч изглежда не само достойна, но и много привлекателна. Бронята се нарича "Shield Weaver" и всъщност е най-доброто оборудване в играта. Следователно веднага възникват куп въпроси: „Как да намеря и да взема бронята Shield Weaver?“, „Къде да намеря гориво?“, „Как да отворя вратите на бункера?“ и много други въпроси, свързани със същата тема. И така, за да отворите вратите на бункера и да получите желаната броня, трябва да намерите пет горивни клетки, които от своя страна ще бъдат разпръснати из света на играта. По-долу ще ви кажа къде и как да намерите горивни елементи за решаване на пъзели по време на търсенето и в Древната оръжейна зала.

: Представеното ръководство има не само подробен текстов преглед, но и екранни снимки са приложени към всеки горивен елемент, а в края има видео. Всичко това е създадено, за да улесни вашето търсене, така че ако някоя точка от текстовото ръководство не е ясна, тогава препоръчвам да гледате екранните снимки и видеоклипа.

. Първото гориво е "Майчино сърце"

Къде и как да намерите първата горивна клетка - място за гориво.

И така, първият горивен елемент (или по-просто гориво) Aloy ще може да намери много преди да влезе в отворения свят на заданието „Майчината утроба“. Изводът е, че след задачата "Инициация" (която, между другото, важи и за сюжетната линия), главният герой ще бъде на място, наречено "Сърцето на майката", което е свещено място на племето Нора и обиталище на Матриарсите.

Веднага след като момичето стане от леглото, преминете последователно през няколко стаи (стаи), където в една от тях ще се натъкнете на запечатана врата, която не може да се отвори просто така. В този момент силно препоръчвам да се огледате, защото до героинята (или близо до вратата - както е по-удобно) има вентилационна шахта, освен това, украсена с горящи свещи (като цяло имате нужда от нея тук).

След като преминете определен участък от пътя през вентилационната шахта, героинята ще бъде зад заключена врата. Погледнете на пода до стенния блок и свещи с мистериозна цел - на това място се намира първият горивен елемент.

: Не забравяйте да запомните, че ако не вземете първия горивен елемент, преди да влезете в отворения свят, след това ще можете да стигнете до това място само на по-късните етапи от преминаването. Но за да бъдем по-точни, след като изпълните задачата „Сърцето на Нора“, затова препоръчвам да вземете горивото сега.

. Второ гориво - "Руини"

Къде и как да намерите втората горивна клетка - местоположение на горивото.

Първото нещо, което трябва да знаете, когато търсите второ гориво, е, че главният герой вече е бил на това място, когато е паднал в руините като дете преди много време (в самото начало на играта). Така че след като завършите задачата "Инициация", ще трябва да си спомните дълбокото си детство и да слезете на това място още веднъж, за да получите втория горивен елемент.

По-долу има няколко снимки (екранни снимки). Входът към руините е отбелязан на първата снимка (в червено). Вътре в руините ще трябва да стигнете до първото ниво - това е долната дясна зона, която ще бъде осветена лилавона картата. Освен това ще има и врата, която момичето може да отвори с копието си.

Веднага щом Алой премине през вратите, изкачете се по стълбите отгоре и завийте надясно при първа възможност: в дълбоката си младост Алой не можеше да се катери през сталактити, но сега тя има полезни „играчки“, които ще се справят с всяка задача. Така че, извадете копие и счупете сталактити с него. Скоро пътят ще бъде свободен, така че остава да вземете горивния елемент, който лежи на масата, и да отидете за следващия. Ако някой момент от пасажа не е ясен, екранните снимки са приложени по-долу по ред.

. Трето гориво - "Master's Limit"

Къде и как да намерите третия горивен елемент - местоположението на горивото.

Време е да тръгнем на север. По време на мисията "Master's Limit", Aloy ще трябва внимателно да изследва и изучава гигантските руини на Forerunners. И така, в тези руини на дванадесето ниво ще бъде скрит следващият, трети горивен елемент.

Следователно ще трябва да се изкачите не само до горното ниво на тези руини, но и да се изкачите малко по-високо там. Не губете ценно време и се изкачете по-високо по оцелялата част от сградата. Качете се нагоре, докато се озовете на малка платформа, отворена за всички ветрове. Тогава всичко е просто, защото третият елемент на горивото ще лежи на върха: без пъзели, без загадки и тайни. Така че вземете гориво, слезте и отидете по-нататък.

. Четвъртото гориво - "Съкровището на смъртта"

Къде и как да намерите четвъртия горивен елемент - местоположението на горивото.

Добрата новина е, че тази горивна клетка също се намира в северната част на картата Horizon: Zero Dawn, но малко по-близо до земите на племето Нора. Главният герой отново ще попадне в тази част от картата по време на преминаването на следващата сюжетна мисия. Но преди да стигне до предпоследната горивна клетка, Aloy ще трябва да възстанови захранването на запечатаната врата, която се намира на третото ниво на местоположението. И за това ще трябва да решите малък и не много труден пъзел. Пъзелът е свързан с блокове и регулатори (има два блока с по четири регулатора на нивото под вратите). Така че, за начало, препоръчвам да се справите с левия блок от регулатори: първият регулатор трябва да бъде повдигнат (поглед) нагоре, вторият - надясно, третият - наляво, четвъртият - надолу.

След това отидете до блока от дясната страна. Не докосвайте първите две копчета, но третото и четвъртото копче ще трябва да бъдат обърнати надолу. Затова отидете едно ниво нагоре - тук е последният блок от регулатори. Правилният ред ще изглежда така: 1 - нагоре, 2 - надолу, 3 - наляво, 4 - надясно.

Веднъж направено правилно, контролите ще се променят от бяло на тюркоазено. Така захранването ще бъде възстановено. Затова се издигнете обратно до вратите и ги отворете. Зад вратите героинята ще бъде „посрещната“ от предпоследния горивен елемент, така че можете да отидете за следващото, последно гориво.

. Пето гориво - "GAYA Prime"

Къде и как да намерите петия горивен елемент - местоположението на горивото.

И накрая, последната горивна клетка. И отново можете да го получите само по време на преминаването на сюжетната линия. Този път главният герой ще трябва да отиде до руините, наречени "GAYA Prime". На това място трябва да обърнете специално внимание, когато се окажете близо до третото ниво. Основното е, че в определен момент пред момичето ще се появи привлекателна бездна, в която ще бъде възможно да се спуснете по въже, въпреки че не трябва да ходите там.

Преди бездната трябва да завиете наляво и първо да изследвате пещерата, скрита от очите: можете да влезете в нея, ако внимателно слезете по склона на планината. Влезте вътре и продължете напред до самия край. В последната стая в стаята от дясната страна ще има стелаж, върху който накрая лежи последната горивна клетка. Заедно с него вече можете безопасно да се върнете обратно в бункера и да отворите всички ключалки, за да получите шикозно оборудване.

. Как да влезете в Древния арсенал?

Е, сега остава да се върнем в Античния арсенал, за да получим дългоочакваната награда. Ако не си спомняте коридорите на арсенала, погледнете екранните снимки по-долу, които ще ви помогнат да запомните целия път.

Когато стигнете до правилното място и започнете надолу, поставете горивните елементи в празните клетки. В резултат на това регулаторите ще светнат, така че има нов пъзел за решаване, за да отворите вратите. И така, първият бутон трябва да бъде насочен нагоре, вторият - надясно, третият - надолу, четвъртият - наляво, петият - нагоре. Веднага щом направите всичко както трябва, вратите ще се отворят, но това далеч не е краят.

Следващата стъпка е да отключите ключалката (или опорите) на бронята - това е друг прост пъзел, свързан с регулатора, в който трябва да използвате останалите горивни клетки. Първото копче трябва да се завърти - надясно, второто - наляво, третото - нагоре, четвъртото - надясно, петото - отново наляво.

Най-накрая, след всички тези дълги мъчения, ще бъде възможно да вземете броня. "Shield Weaver" е много добро оборудване, което прави главния герой почти неуязвим за известно време. Най-важното е постоянно да наблюдавате цвета на бронята: ако бронята мига в бяло, значи всичко е наред. Ако е червено, щитът вече не е.

Горивната клетка е устройство, което ефективно генерира топлина и постоянен ток чрез електрохимична реакция и използва богато на водород гориво. По принцип на работа той 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 захранване с въздух и гориво.

Особености

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

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

История на появата

През 50-те и 60-те години на миналия век нуждата на НАСА от източници на енергия 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 полет в космоса- ток, вода и топлина.

Горивните клетки са открити за първи път в началото на 19 век - през 1838 г. В същото време се появиха първите сведения за тяхната ефективност.

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

Интересът към тях нараства през 50-80-те години на миналия век, характеризиращи се с недостиг на петролно гориво. Страните по света започнаха да се занимават с проблемите на замърсяването на въздуха и околен святв опит да се разработят екологични начини за генериране на електроенергия. Технологията за производство на горивни клетки в момента е в процес на активно развитие.

Принцип на действие

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

Катодът и анодът са разделени от протоннопроводим 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 от него. Водородните йони влизат в катода през електролита, докато електроните преминават през външния електрическа мрежаи създават постоянен ток, който се използва за захранване на оборудването. Кислородната молекула 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, тъй като преобразуват горивото в повишени температури, което премахва необходимостта от създаване на водородна инфраструктура.

Принципът на действие на водородните горивни клетки се основава на преобразуването на химическата енергия в електрическа без неефективни горивни процеси и трансформирането 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.

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

• Повишена специфична топлина.
• Широк температурен диапазон на работа.
• Без вибрации, шум и топлина.
• надеждност при студен старт.
• Липса на саморазреждане, което осигурява дълъг живот на съхранение на енергия.
• Неограничена автономност благодарение на възможността за регулиране на енергийния интензитет чрез промяна на броя на горивните касети.
• Осигуряване на почти всякаква енергийна интензивност чрез промяна на капацитета на хранилището за водород.
• Дълъг експлоатационен живот.
• Безшумна и екологична работа.
• Високо ниво на енергийна интензивност.
• Толерантност към чужди примеси във водорода.

Област на приложение

Благодарение на високата ефективност, водородните горивни клетки се използват в различни области:

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

Перспективи за водородна енергия

Широкото използване на горивни клетки с водороден прекис ще бъде възможно едва след създаването на ефективен начинполучаване на водород. Необходими са нови идеи, за да се въведе технологията в активно използване, като големи надежди се възлагат на концепцията за биогоривните клетки и нанотехнологиите. 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 производствените разходи 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 въглеводородни 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 стар противогаз, парчета плексиглас, воден разтвор етилов алкохоли 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 от хлороформ или дихлоретан и плексигласови стърготини. Всички работи се извършват само когато аспираторът работи.

Във външната стена на кутията се пробива дупка с диаметър 5-6 сантиметра, в която се поставя гумена запушалка и дренажна стъклена тръба. Активен въгленот противогаз се излива във второто и четвъртото отделение на корпуса на горивната клетка - ще се използва като електрод.

В първата камера ще циркулира горивото, а петата е пълна 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. Медни плочи се поставят върху слой въглища със запоени към тях жици, 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 каустик калий: 70 грама калий се разтварят в 200 грама вода.

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

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 източниците на енергия от изкопаеми горива, страничните продукти на горивните клетки са топлина и вода. Как работи?

В тази статия ще прегледаме накратко всеки от съществуващите горивни технологииднес, както и да говорим за дизайна и работата на горивните клетки, да ги сравняваме с други форми на производство на енергия. Ще обсъдим и 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 сме много запознати, 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 в нея непрекъснато се подават химикали, така че тя никога да не „умре“. Електричеството ще се генерира, докато има поток химически веществав елемента. Повечето горивни клетки, които се използват днес, използват водород и кислород.

Водородът е най-често срещаният елемент в нашата галактика. Водородът обаче практически не съществува на Земята в 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.

Изобретяване 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 предложи в обратен редможе да се осигури ток и вода. Той създаде примитивна горивна клетка и я кръсти газ галванична батерия . След като експериментира с новото си изобретение, Гроув доказва хипотезата си. Петдесет години по-късно учените Лудвиг Монд и Чарлз Лангер въвеждат термина горивни клеткикогато се опитвате да изградите 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, като газовите турбини, горят различни видовегориво и използват налягането, създадено от разширяването на газовете, за извършване на механична работа. Батериите преобразуват химическата енергия в електрическа, 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 вида горивни клетки, всяка от които използва различно химически 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:

Горивна клетка с полимерна обменна мембрана (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 затоплят, за да започнат да генерират електричество.

Горивна клетка с твърд оксид (SOFC)

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

Алкална горивна клетка (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 е малко вероятно да бъдат пуснати в масово производство.

Горивна клетка от 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, така че 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 твърдите оксидни горивни клетки, 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 полимерна обменна мембрана, така че отнема повече време за загряване, което го прави неподходящ за употреба в автомобили.

Горивни клетки с метанол Директна горивна клетка с метанол (DMFC)

Горивните клетки с метанол 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 – Отрицателна клема на горивната клетка. Той провежда електрони, които се освобождават от водородните молекули, след което могат да бъдат използвани 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 електрони 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 електрони. При PEMFC мембраната трябва да бъде хидратирана, за да функционира правилно и да остане стабилна.

4. Катализатор- това е специален материал, което насърчава реакцията на кислород и водород. Обикновено се прави от платинени наночастици, нанесени много тънко върху карбонова хартия или плат. Катализаторът има такава повърхностна структура, че максимална площплатинената повърхност може да бъде изложена на водород или кислород.

Фигурата показва водороден газ (H2), влизащ под налягане в горивната клетка от страната на анода. Когато молекула Н2 влезе в контакт с платината на катализатора, тя се разделя на два Н+ йона и два електрона. Електроните преминават през анода, където се използват във външни вериги (вършат полезна работа като въртене на двигател) и се връщат към страната на катода на горивната клетка.

Междувременно, от страната на катода 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 Н+ йона през мембраната, където те се комбинират с кислороден атом и два електрона, идващи от външна веригаза образуване на водна молекула (H2O).

Тази реакция в една горивна клетка произвежда само приблизително 0,7 волта. За да се повиши напрежението до разумно ниво, трябва да се комбинират много отделни горивни клетки, за да се образува купчина горивни клетки. Биполярните пластини се използват за свързване на една горивна клетка с друга и се подлагат на окисление с намаляващ потенциал. Големият проблем с биполярните пластини е тяхната стабилност. Металните биполярни пластини 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 (термореактивен 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. Чрез сравняване на автомобил, задвижван от горивна клетка, с автомобил, задвижван от бензинов двигател, и автомобил, задвижван от батерия, можете да видите как горивните клетки могат да подобрят ефективността на автомобилите.

Тъй като и трите вида автомобили имат много от едни и същи компоненти, ние ще пренебрегнем тази част от колата и ще сравним ефективността до момента, в който механична енергия. Да започнем с автомобила с горивни клетки.

Ако една горивна клетка се захранва с чист водород, нейната ефективност може да достигне до 80 процента. По този начин той преобразува 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 двигателя + инвертора също е приблизително 80 процента. Това дава обща ефективност от приблизително 80*80/100=64 процента. Съобщава се, че концептуалното превозно средство 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. Използват се различни устройства за пречистване на получения водород, 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 с бензин, е учудващо ниска. Цялата топлина, която излиза под формата на отработени газове или се абсорбира от радиатора, е изразходвана 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 на бензина се превръща в механична работа.

Електрическият автомобил, захранван с батерии, има доста висока ефективност. Батерията е с приблизително 90 процента ефективност (повечето батерии генерират малко топлина или изискват отопление), а моторът + инверторът е с приблизително 80 процента ефективност. Това дава обща ефективност от приблизително 72 процента.

Но това не е всичко. За да се движи една електрическа кола, първо някъде трябва да се генерира електричество. Ако това е електроцентрала, която използва процес на изгаряне на изкопаеми горива (а не ядрена, водноелектрическа, слънчева или вятърна енергия), тогава само около 40 процента от горивото, консумирано от електроцентралата, се превръща в електричество. Освен това процесът на зареждане на автомобил изисква преобразуване на променлив ток (AC) в 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 зареждане на колата. 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 автомобила се генерира например от водноелектрическа централа, тогава ефективността на електрическия автомобил ще бъде около 65 процента.

Учените проучват и усъвършенстват дизайна, за да продължат да подобряват ефективността на горивните клетки. Един от новите подходи е комбинирането на превозни средства с горивни клетки и батерии. Разработва се концептуално превозно средство, което да се задвижва от хибридно задвижване с 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 с батерии, който се зарежда от електроцентрала без изкопаеми горива. Но постигането на такъв потенциал чрез практически и достъпен начинможе да се окаже трудно.

Защо да използваме горивни клетки?

Основната причина е всичко свързано с петрола. Америка трябва да внася почти 60 процента от петрола си. 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 са консумирали през 2000 г. Наистина, Америка консумира една четвърт от целия нефт, произведен в света, въпреки че само 4,6% от населението на света живее тук.

Експертите очакват цените на петрола да продължат да растат през следващите няколко десетилетия, тъй като по-евтините източници пресъхват. Петролните компании трябва да разработват петролни полета 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 харчат за подкрепа на международния тероризъм, радикален политически партии, нестабилна ситуация в петролните райони.

Използването на нефт и други изкопаеми горива за енергия води до замърсяване. То по най-добрия начинподходящ за всеки да намери алтернатива - изгаряне на изкопаеми горива за енергия.

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

Зависимостта от петрола и глобалното затопляне е международен проблем. Няколко страни участват съвместно в разработването на изследвания и разработки за технология за горивни клетки.

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

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

Горивните клетки се делят на високотемпературни и нискотемпературни. Нискотемпературни горивни клеткиизискват относително чист водород като гориво. Това често означава, че е необходима преработка на гориво, за да се превърне първичното гориво (като природен газ) в чист водород. Този процес изисква допълнителна енергия и изисква специално оборудване. Високотемпературни горивни клеткине се нуждаят от тази допълнителна процедура, тъй като могат да "вътрешно преобразуват" горивото при повишени температури, което означава, че няма нужда да се инвестира във водородна инфраструктура.

Горивни клетки върху разтопен карбонат (MCFC)

Горивните клетки с разтопен карбонатен електролит са високотемпературни горивни клетки. Високата работна температура позволява директно използване на природен газ без горивен процесор и горивен газ с ниска калоричност производствени процесии от други източници. Този процес е разработен в средата на 60-те години. Оттогава технологията на производство, производителността и надеждността са подобрени.

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

При нагряване до температура от 650°C солите стават проводник за карбонатни йони (CO 3 2-). Тези йони преминават от катода към анода, където се комбинират с водород, за да образуват вода, въглероден диоксид и свободни електрони. Тези електрони се изпращат през външна електрическа верига обратно към катода, генерирайки електрически ток и топлина като страничен продукт.

Анодна реакция: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Реакция на катода: CO 2 + 1 / 2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Обща реакция на елемент: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (катод) => H 2 O (g) + CO 2 (анод)

Високите работни температури на горивните клетки с разтопен карбонатен електролит имат определени предимства. При високи температури природният газ се реформира вътрешно, елиминирайки нуждата от горивен процесор. В допълнение, едно от предимствата е възможността за използване стандартни материалиструктури като лист неръждаема стоманаи никелов катализатор на електродите. Отпадната топлина може да се използва за генериране на пара под високо налягане за различни промишлени и търговски цели.

Високите реакционни температури в електролита също имат своите предимства. Използването на високи температури отнема много време за достигане на оптимални работни условия и системата реагира по-бавно на промените в консумацията на енергия. Тези характеристики позволяват използването на системи с горивни клетки с разтопен карбонатен електролит при условия на постоянна мощност. Високите температури предотвратяват повреда на горивните клетки от въглероден окис, "отравяне" и т.н.

Разтопените карбонатни горивни клетки са подходящи за използване в големи стационарни инсталации. Промишлено произведени са топлоелектрически централи с изходна електрическа мощност 2,8 MW. Разработват се инсталации с изходна мощност до 100 MW.

Горивни клетки с фосфорна киселина (PFC)

Горивните клетки на базата на фосфорна (ортофосфорна) киселина бяха първите горивни клетки за търговска употреба. Този процес е разработен в средата на 60-те години на миналия век и е тестван от 70-те години на миналия век. Оттогава стабилността, производителността и цената са увеличени.

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

Носителят на заряд в горивните клетки от този тип е водород (Н +, протон). Подобен процес протича в горивните клетки с протонообменна мембрана (MEFC), в които водородът, подаден към анода, се разделя на протони и електрони. Протоните преминават през електролита и се свързват с кислорода от въздуха на катода, за да образуват вода. Електроните се насочват по външна електрическа верига и се генерира електрически ток. По-долу са реакциите, които генерират електричество и топлина.

Реакция на анода: 2H 2 => 4H + + 4e -
Реакция на катода: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2H 2 O
Реакция на общ елемент: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Ефективността на горивните клетки на базата на фосфорна (ортофосфорна) киселина е повече от 40% при генериране на електрическа енергия. При комбинираното производство на топлинна и електрическа енергия общата ефективност е около 85%. В допълнение, при дадени работни температури, отпадната топлина може да се използва за загряване на вода и генериране на пара при атмосферно налягане.

Високата производителност на ТЕЦ с горивни клетки на базата на фосфорна (ортофосфорна) киселина при комбинирано производство на топлина и електричество е едно от предимствата на този тип горивни клетки. Инсталациите използват въглероден оксид в концентрация от около 1,5%, което значително разширява избора на гориво. Освен това CO 2 не влияе на електролита и работата на горивната клетка, този тип клетки работят с реформирано естествено гориво. прост дизайн, ниска степенлетливостта на електролита и повишената стабилност също са предимства на този тип горивни клетки.

Промишлено се произвеждат топлоелектрически централи с изходна електрическа мощност до 400 kW. Инсталациите за 11 MW са преминали съответните тестове. Разработват се инсталации с изходна мощност до 100 MW.

Горивни клетки с протонна обменна мембрана (PME)

Най-много се смятат горивните клетки с протонообменна мембрана най-добър типгоривни клетки за генериране на енергия за превозни средства, която може да замени бензиновите и дизеловите двигатели с вътрешно горене. Тези горивни клетки бяха използвани за първи път от НАСА за програмата Джемини. Днес се разработват и демонстрират инсталации на MOPFC с мощност от 1 W до 2 kW.

Тези горивни клетки използват твърда полимерна мембрана (тънък пластмасов филм) като електролит. Когато се импрегнира с вода, този полимер пропуска протони, но не провежда електрони.

Горивото е водород, а носителят на заряд е водороден йон (протон). На анода водородната молекула се разделя на водороден йон (протон) и електрони. Водородните йони преминават през електролита към катода, докато електроните се движат около външния кръг и произвеждат електрическа енергия. Кислородът, който се взема от въздуха, се подава към катода и се комбинира с електрони и водородни йони, за да образува вода. Върху електродите протичат следните реакции:

Реакция на анода: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Реакция на катода: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Реакция на общ елемент: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

В сравнение с други видове горивни клетки, горивните клетки с протонообменна мембрана произвеждат повече мощност за даден обем или тегло на горивната клетка. Тази функция им позволява да бъдат компактни и леки. Освен това работната температура е под 100°C, което ви позволява бързо да започнете работа. Тези характеристики, както и способността за бърза промяна на изхода на енергия, са само някои от характеристиките, които правят тези горивни клетки основен кандидат за използване в превозни средства.

Друго предимство е, че електролитът е твърдо, а не течно вещество. Задържането на газовете на катода и анода е по-лесно с твърд електролит и следователно такива горивни клетки са по-евтини за производство. В сравнение с други електролити, когато се използва твърд електролит, няма такива трудности като ориентация, има по-малко проблемипоради появата на корозия, което води до по-голяма дълготрайност на елемента и неговите компоненти.

Горивни клетки с твърд оксид (SOFC)

Горивните клетки с твърд оксид са горивните клетки с най-висока работна температура. Работна температураможе да варира от 600°C до 1000°C, което позволява използването на различни видове гориво без специални предварителна обработка. За да се справи с тези високи температури, използваният електролит е тънък твърд метален оксид на керамична основа, често сплав от итрий и цирконий, който е проводник на кислородни (O 2 -) йони. Технологията за използване на твърди оксидни горивни клетки се развива от края на 50-те години на миналия век. и има две конфигурации: равнинна и тръбна.

Твърдият електролит осигурява херметичен преход на газ от един електрод към друг, докато течните електролити са разположени в порест субстрат. Носителят на заряд в горивните клетки от този тип е кислородният йон (O 2 -). На катода кислородните молекули се отделят от въздуха на кислороден йон и четири електрона. Кислородните йони преминават през електролита и се комбинират с водорода, за да образуват четири свободни електрона. Електроните се насочват през външна електрическа верига, генерирайки електрически ток и отпадна топлина.

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

Ефективността на генерираната електрическа енергия е най-висока от всички горивни клетки - около 60%. В допълнение, високите работни температури позволяват комбинирано производство на топлина и електроенергия за генериране на пара под високо налягане. Комбинирането на високотемпературна горивна клетка с турбина създава хибридна горивна клетка за увеличаване на ефективността на производството на електроенергия с до 70%.

Горивните клетки с твърд оксид работят при много високи температури (600°C-1000°C), което води до дълго време за достигане на оптимални работни условия, а системата реагира по-бавно на промените в консумацията на енергия. При такива високи работни температури не е необходим конвертор за възстановяване на водород от горивото, което позволява на топлоелектрическата централа да работи с относително нечисти горива от газификация на въглища или отпадъчни газове и други подобни. Освен това тази горивна клетка е отлична за работа голяма мощ, включително промишлени и големи централни електроцентрали. Индустриално произведени модули с изходна електрическа мощност 100 kW.

Горивни клетки с директно окисление на метанол (DOMTE)

Технологията за използване на горивни клетки с директно окисление на метанол е в период на активно развитие. Успешно се наложи в областта на захранването на мобилни телефони, лаптопи, както и за създаване на преносими източници на енергия. към какво е насочено бъдещото приложение на тези елементи.

Структурата на горивните клетки с директно окисление на метанол е подобна на горивните клетки с протонна обменна мембрана (MOFEC), т.е. като електролит се използва полимер, а като носител на заряд се използва водороден йон (протон). Течният метанол (CH 3 OH) обаче се окислява в присъствието на вода на анода, освобождавайки CO 2 , водородни йони и електрони, които се насочват през външна електрическа верига, и се генерира електрически ток. Водородните йони преминават през електролита и реагират с кислорода от въздуха и електроните от външната верига, за да образуват вода на анода.

Реакция на анода: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Реакция на катода: 3 / 2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Реакция на общ елемент: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Разработването на тези горивни клетки започва в началото на 90-те години. След разработването на подобрени катализатори и благодарение на други скорошни иновации, плътността на мощността и ефективността са увеличени до 40%.

Тези елементи са тествани в температурен диапазон 50-120°C. С ниски работни температури и без нужда от преобразувател, горивните клетки с директен метанол са най-добрият кандидат за приложения, вариращи от мобилни телефони и други потребителски продукти до автомобилни двигатели. Предимството на този тип горивни клетки е техният малък размер, поради използването на течно гориво и липсата на необходимост от използване на конвертор.

Алкални горивни клетки (AFC)

Алкалните горивни клетки (ALFC) са една от най-изследваните технологии и се използват от средата на 60-те години на миналия век. от НАСА в програмите Аполо и Космическата совалка. На борда на тези космически кораби горивните клетки произвеждат електричество и питейна вода. Алкалните горивни клетки са едни от най-ефективните елементи, използвани за генериране на електричество, като ефективността на производството на електроенергия достига до 70%.

Алкалните горивни клетки използват електролит, т.е. воден разтвор на калиев хидроксид, съдържащ се в пореста, стабилизирана матрица. Концентрацията на калиев хидроксид може да варира в зависимост от работната температура на горивната клетка, която варира от 65°C до 220°C. Носителят на заряд в SFC е хидроксиден йон (OH-), който се движи от катода към анода, където реагира с водород, за да произведе вода и електрони. Водата, произведена на анода, се връща обратно към катода, като отново генерира хидроксидни йони там. В резултат на тази поредица от реакции, протичащи в горивната клетка, се произвежда електричество и, като страничен продукт, топлина:

Реакция на анода: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Реакция на катода: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Обща реакция на системата: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Предимството на SFC е, че тези горивни клетки са най-евтините за производство, тъй като необходимият катализатор на електродите може да бъде всяко от веществата, които са по-евтини от тези, използвани като катализатори за други горивни клетки. В допълнение, SCFC работят при относително ниска температура и са сред най-ефективните горивни клетки - такива характеристики могат съответно да допринесат за по-бързо генериране на енергия и висока горивна ефективност.

Една от характерните черти на SHTE е неговата висока чувствителност към CO 2 , който може да се съдържа в горивото или въздуха. CO 2 реагира с електролита, бързо го отравя и значително намалява ефективността на горивната клетка. Следователно използването на SFC е ограничено до затворени пространства като космически и подводни превозни средства, те трябва да работят с чист водород и кислород. Освен това, молекули като CO, H 2 O и CH 4, които са безопасни за други горивни клетки и дори гориво за някои от тях, са вредни за SFC.

Горивни клетки с полимерен електролит (PETE)

В случай на горивни клетки с полимерен електролит, полимерната мембрана се състои от полимерни влакна с водни области, в които има проводимост на водни йони H 2 O + (протон, червено), прикрепени към водната молекула. Водните молекули представляват проблем поради бавния обмен на йони. Поради това е необходима висока концентрация на вода както в горивото, така и върху изпускателните електроди, което ограничава работната температура до 100°C.

Горивни клетки с твърда киселина (SCFC)

В горивните клетки с твърда киселина електролитът (C s HSO 4 ) не съдържа вода. Следователно работната температура е 100-300°C. Въртенето на SO 4 2-окси анионите позволява на протоните (червени) да се движат, както е показано на фигурата. По правило горивната клетка с твърда киселина е сандвич, в който има много тънък слойТвърдото киселинно съединение се поставя между два плътно притиснати електрода, за да се осигури добър контакт. При нагряване органичният компонент се изпарява, излизайки през порите в електродите, запазвайки способността за многобройни контакти между горивото (или кислорода в другия край на клетката), електролита и електродите.