Технологии за производство на нискотемпературни електрохимични горивни клетки. Отделна горивна клетка

Горивните клетки за шофиране на автомобили са електрохимични преобразуватели на енергията, съдържаща се в горивото, директно в електричество. В кислородно-водородна горивна клетка водородът претърпява реакция на "студено изгаряне" с кислород, което произвежда вода и генерира електричество. Горивните клетки не съдържат движещи се части, работят без механично триене, с ниски нива на шум и без замърсяващи емисии.

Съдържание

Принципът на работа на горивните клетки

Горивната клетка се състои от два елемента (анод и катод), разделени от електролит ( виж фиг. "Принципът на работа на горивната клетка тип PEM"). Електролитът е непроницаем за електрони. Електродите са свързани един с друг чрез външна електрическа верига.

Превозните средства използват главно горивни клетки с полимерна мембрана като електролит, наричан още протонен обмен ( REM) (виж фиг. "Структурата на горивната клетка тип PEM"). Принципът на работа на горивните клетки е описан по-долу, като се използва примерът на клетки от този тип.

В горивна клетка PEM водородът се насочва към анода, където се окислява. Това произвежда йони H+ (протони) и електрони (виж фиг. 1, а).

анод: 2 H 2 -» 4 H + + 4 e - .

Електролитът може да се разглежда като полимерна мембрана, проводяща протон. Електролитът е пропусклив за протони, но не и за електрони. H+ протоните, произведени на анода, преминават през мембраната и достигат до катода. За да могат протоните да преминат през мембраната, тя трябва да бъде достатъчно навлажнена. Кислородът се изпраща към катода, където се редуцира ( виж фиг. b, "Принцип на действие на горивна клетка PEM"). Възстановяването става поради преминаване на електрони от анода към катода през външна електрическа верига.

катод: O 2 + 4 e - -> 2 O 2- .

В следващия етап на реакцията йоните Около 2- реагират с протони, за да образуват вода.

катод: 4 H + + 2 O 2- -> 2 H 2 O .

В резултат на общата реакция, протичаща в горивната клетка, се образува вода от водород и кислород ( виж фиг. в, "Принцип на действие на горивна клетка PEM"). За разлика от оксиводородната реакция, при която водородът и кислородът реагират експлозивно един с друг, тук реакцията протича под формата на "студено изгаряне", тъй като етапите на реакцията протичат отделно на анода и катода.

Обща реакция: 2 H 2 + O 2 -> 2 H 2 O .

Описаните по-горе реакции протичат върху каталитичните покрития на електродите. Най-често използваният катализатор е платината.

Теоретично напрежение на един елемент

Теоретичното напрежение на една водородно-кислородна горивна клетка при 25°C е 1,23 V. Тази стойност се извлича от стандартните електродни потенциали. На практика обаче по време на работа на елемента това напрежение не се достига; тя е 0,5-1,0 V. Загубата на напрежение може да се обясни с вътрешното съпротивление на елемента или ограниченията, наложени от газовата дифузия ( виж фиг. "Електрически характеристики на горивната клетка"). По принцип напрежението зависи от температурата, стехиометричните съотношения на водород и кислород към количеството произведено електричество, парциалното налягане на водорода и кислорода и плътността на тока.

Превозните средства използват батерии с горивни клетки с капацитет от 5 до 100 kW. За да се получат високите напрежения, необходими за техническото приложение на клетките, клетките се свързват последователно в батерии (вж. Фиг. 4 „Структура на стек от горивни клетки“). Батериите могат да включват от 40 до 450 клетки, т.е. максималното им работно напрежение е между 40 и 450 V.

Високи стойности на електрическия ток се постигат благодарение на подходящата повърхност на мембраната. Изходният ток на батериите с горивни клетки за автомобили достига 500 A.

Принципът на работа на системата с горивни клетки

Използването на стек от горивни клетки изисква подсистеми за подаване на водород и кислород ( виж Фиг. 5 "Електрическо задвижване със система от горивни клетки"). По принцип тези системи могат да се реализират по различни начини. Опцията, описана тук, се използва в много случаи.

Система за подаване на водород за горивни клетки

Захранването с водород се съхранява в цилиндър с високо налягане (700 bar). С помощта на редуктор налягането на водорода се намалява до приблизително 10 бара и водородът влиза в газовия инжектор.

Инжекторът е соленоиден клапан, чрез който налягането на водорода се задава от анодната страна. За разлика от инжектори за гориво двигатели с вътрешно горене, водородният инжектор трябва да осигурява постоянен масов поток. Типичната скорост на водородния поток при мощност от 100 kW е 2,1 g/s. Максималното налягане на водорода е 2,5 бара.

Работата на стека на горивните клетки изисква постоянен поток от водород от страната на анода (мярка за хомогенизиране). За тази цел в системата е организирана рециркулация на водорода.

Унищожаващите анода чужди газове от страната на анода непрекъснато се изхвърлят през електромагнитния вентил за обезвъздушаване. Това предотвратява натрупването на чужди газове, напускащи цилиндъра или дифузионни газове (азот, водна пара) от страната на катода. Клапанът е монтиран на изхода на акумулатора, от страната на анода. За източване на излишната вода в анодния път се използва вентил, който е отворен при нулев електрически ток.

Водородът, който неизбежно излиза по време на източването на водата, се разрежда силно с въздух или каталитично се превръща във вода.

Снабдяване с кислород на горивните клетки

Кислородът, необходим за електрохимичната реакция, се взема от околния въздух. Необходимият масов дебит на кислорода, който в зависимост от необходимата мощност на акумулатора е до 100 g/s, се доставя от компресор. Кислородът се компресира от компресора до максимум 2,5 бара и се подава към катодната страна на горивната клетка. Налягането на горивната клетка се контролира от вентил за динамично регулиране на налягането, инсталиран в пътя на отработените газове след горивната клетка.

За да се гарантира, че полимерната мембрана е достатъчно навлажнена, въздухът, подаван към клетката, се овлажнява или чрез допълнителна мембрана, или чрез инжектиране на кондензирана вода.

Топлинен баланс на горивните клетки

Електрическа ефективност горивните клетки е приблизително 50%. С други думи, процесът на преобразуване на химическа енергия генерира приблизително същото количество топлинна енергия като количеството електрическа енергия. Тази топлина трябва да се разсейва. Работната температура на PEM горивните клетки е приблизително 85°C, което е по-ниско от температурата на двигателите с вътрешно горене. Въпреки по-високата ефективност, радиаторът и вентилаторът на радиатора, когато се използват на превозно средство с горивни клетки, трябва да бъдат увеличени.

Тъй като използваната охлаждаща течност е в директен контакт с горивните клетки, тя трябва да бъде електрически непроводима (дейонизирана). Циркулацията на охлаждащата течност се осигурява от електрическа помпа. Дебитът на охлаждащата течност е до 12 000 l/h. Клапанът за регулиране на температурата разпределя потока на охлаждащата течност между радиатора и байпаса.

Системата използва охлаждаща течност, която е смес от дейонизирана вода и етилен гликол. Охлаждащата течност трябва да бъде дейонизирана на превозното средство. За целта се прекарва през йонообменник, напълнен със специална смола и пречистен в процеса на отстраняване на йони. Проводимостта на охлаждащата течност трябва да бъде по-малка от 5 µS/cm.

Ефективност на системата на горивните клетки

Освен че стекът на горивните клетки е готов да доставя енергия бързо при най-оптималните работни условия, важно е да се гарантира висока ефективност. системи.

На ориз. „Ефективност на стек от горивни клетки и система от горивни клетки“е дадено сравнение на ефективността. стекове от горивни клетки с ефективност цялата система. Част от електроенергията се консумира от спомагателни компоненти като компресора, което намалява общата ефективност. системи. Системите с горивни клетки обаче са по-ефективни от двигателите с вътрешно горене, особено когато работят в диапазона на частично натоварване.

Безопасност на горивните клетки на автомобила

За да се гарантира безопасността, на превозното средство са монтирани няколко сензора за концентрация на водород. Водородът е газ без цвят и мирис, който при концентрация от около 4% от обема превръща въздуха в горима смес. Сензорите могат да открият концентрация на водород от 1%.

Принципът на работа на задвижването на автомобила с горивни клетки

Превозните средства с горивни клетки са електрически превозни средства, в които електрическата енергия за захранване на електрическото задвижване се генерира от система от горивни клетки.

Поради редица причини е препоръчително да включите тягова батерия в системата:

• това позволява да се съхранява енергия по време на регенеративно спиране;
• това подобрява динамичните характеристики на задвижването;
• чрез промяна на разпределението на натоварването между системата на горивните клетки и тяговата батерия, ефективността може да се увеличи допълнително. карам.

Тъй като тяговата батерия е допълнителен източник на енергия, такива превозни средства са известни като хибридни превозни средства с горивни клетки. Съотношението на мощността на тяговата батерия към общата мощност (степен на хибридизация) варира в зависимост от приложението на системата.

Обикновено системите с горивни клетки се използват като основен източник на енергия за задвижване. Такива превозни средства са известни като хибридни превозни средства с горивни клетки ( FCHV). Обикновено системите с горивни клетки имат мощност от 60-100 kW. Тяговите акумулатори имат номинална мощност до 30 kW с капацитет 1-2 kWh.

Като алтернатива, тяговата батерия може да има значително по-висока мощност и капацитет и да се зарежда от система с горивни клетки, когато е необходимо. В този случай е достатъчно да има стек с горивни клетки с номинална мощност от 10 до 30 kW. Превозните средства с тази конфигурация на източника на енергия са известни като превозни средства с горивни клетки с удължен обхват ( FC-REX).

Разпределението на електричеството между системата с горивни клетки, тяговата батерия и електрическото задвижване се осъществява от един или повече DC/DC преобразуватели. Показани са различни конфигурации на такива преобразуватели, чийто избор зависи от приложението ориз. ". Конфигурации на преобразуватели на напрежение в задвижващи системи с горивни клетки». В зависимост от конфигурацията, захранващото напрежение на задвижването е идентично с напрежението на един от двата източника на захранване ( виж фиг. аи б), или изолиран от напрежението на тяговата батерия и стека на горивните клетки ( виж фиг. с).

Електрическа задвижваща система

Електрическата задвижваща система включва силов електронен блок (преобразувател) и електродвигател. Електрическият двигател е синхронна или асинхронна електрическа машина, която се захранва от преобразувател по такъв начин, че да получи необходимия въртящ момент. Тъй като електрическото задвижване има висока мощност (приблизително 100 kW), работното напрежение може да бъде до 450 V. В автомобилната индустрия се използват термините "високо напрежение" и "електрическа система с високо напрежение". Електрическата система за високо напрежение е изолирана от земята на превозното средство.

По време на спиране на автомобила електродвигателят преминава в генераторен режим и генерира електрически ток. Електричеството се съхранява в тяговата батерия.

С помощта на преобразувател високото постоянно напрежение се преобразува в многофазно променливо напрежение, чиято амплитуда се регулира в зависимост от необходимия въртящ момент. Като правило се използват преобразуватели с изходни стъпала върху биполярни транзистори с изолиран затвор ( IGBT).

Тягова батерия

В зависимост от степента на хибридизация се използват батерии с голям капацитет или високоенергийни батерии с напрежение от 150 до 400 V. Батериите с голям капацитет използват никел-металхидридни или литиево-йонни батерии, докато високоенергийните батерии само литиево-йонни батерии. Системата за наблюдение на тяговата батерия следи състоянието на заряда и капацитета на акумулатора.

Тягова батерия DC/DC преобразувател

Преобразувателят на DC напрежение на тяговата батерия регулира тока на зареждане на тяговата батерия и изходния ток (до 300 A ) . Някои системни конфигурации позволяват да не се използва този преобразувател.

DC/DC преобразувател на стек на горивни клетки

Друг DC/DC преобразувател е преобразувателят на напрежението на горивните клетки, който регулира изходния ток до 500 A. Някои системни конфигурации не изискват този преобразувател.

DC преобразувател на напрежение 12 V

Точно като конвенционалните автомобили, превозните средства с горивни клетки имат електрическа система 12 V. 12 V се преобразува от високо напрежение. За целта между двете системи е свързан преобразувател на DC напрежение. От съображения за безопасност този преобразувател е електрически изолиран. Работи еднопосочно или двупосочно и има номинална мощност до 3 kW.

Перспективи на системата за задвижване на горивни клетки

Системите за задвижване с горивни клетки вече са доказали своята стойност при ежедневна употреба. Въпреки това, за търговска употреба в автомобилните задвижващи системи, горивните клетки трябва да бъдат подобрени по отношение на икономичност и масово производство.

Опростяването на системата води до по-ниски разходи и по-висока надеждност. Едно от посоките е разработването на нови полимерни мембрани за горивни клетки, които не изискват овлажняване на газовете, образувани по време на реакцията, и в същото време дават възможност за повишаване на работната температура.

Освен това е необходимо значително да се намали цената на всички компоненти. В тази връзка има голям потенциал за намаляване на количеството платина в каталитичния слой на горивните клетки.

В следващата статия ще говоря за .

Никой няма да бъде изненадан нито от слънчеви панели, нито от вятърни мелници, 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 275x75x40mm захранващ елемент за лаптоп, 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 € (

В съвременния живот химическите източници на енергия са навсякъде около нас: батерии във фенерчета, батерии в мобилни телефони, водородни горивни клетки, които вече се използват в някои автомобили. Бързото развитие на електрохимичните технологии може да доведе до факта, че в близко бъдеще, вместо бензинови автомобили, ще бъдем заобиколени само от електрически превозни средства, телефоните вече няма да се разреждат бързо и всяка къща ще има своя собствена електрическа горивна клетка генератор. Една от съвместните програми на Уралския федерален университет с Института по високотемпературна електрохимия на Уралския клон на Руската академия на науките, в партньорство с която публикуваме тази статия, е посветена на подобряването на ефективността на електрохимичното съхранение и генераторите на енергия .

Днес има много различни видове батерии, сред които е все по-трудно да се ориентирате. Далеч не е ясно за всички как батерията се различава от суперкондензатора и защо може да се използва водородна горивна клетка без страх от вреда на околната среда. В тази статия ще говорим за това как химичните реакции се използват за генериране на електричество, каква е разликата между основните видове съвременни химически източници на ток и какви перспективи се отварят за електрохимичната енергия.

Химията като източник на електричество

Първо, нека да разгледаме защо химическата енергия изобщо може да се използва за генериране на електричество. Работата е там, че при редокс реакции електроните се прехвърлят между два различни йона. Ако двете половини на химическата реакция са разделени в пространството, така че окисляването и редукцията да се извършват отделно една от друга, тогава е възможно да се уверите, че електрон, който се откъсва от един йон, не попада веднага върху втория, а първо върви по предварително определен за него път. Тази реакция може да се използва като източник на електрически ток.

Тази концепция е приложена за първи път през 18 век от италианския физиолог Луиджи Галвани. Действието на традиционната галванична клетка се основава на реакциите на редукция и окисление на метали с различна активност. Например, класическата клетка е галванична клетка, в която цинкът се окислява, а медта се редуцира. Реакциите на редукция и окисление протичат съответно на катода и анода. И за да не попаднат йони на мед и цинк на „чужда територия“, където могат да реагират директно помежду си, между анода и катода обикновено се поставя специална мембрана. В резултат на това възниква потенциална разлика между електродите. Ако свържете електродите, например, с електрическа крушка, тогава в получената електрическа верига започва да тече ток и крушката светва.

Схема на галванична клетка

Wikimedia Commons

В допълнение към материалите на анода и катода, важен компонент на химическия източник на ток е електролитът, вътре в който се движат йони и на границата на който протичат всички електрохимични реакции с електродите. В този случай не е задължително електролитът да е течен - може да бъде както полимер, така и керамичен материал.

Основният недостатък на галваничната клетка е ограниченото време на работа. Веднага след като реакцията стигне до края (тоест целият постепенно разтварящ се анод е напълно изразходван), такъв елемент просто ще спре да работи.

Пръстови алкални батерии

Презареждащ се

Първата стъпка към разширяване на възможностите на химическите източници на ток беше създаването на батерия - източник на ток, който може да се презарежда и следователно да се използва повторно. За да направят това, учените просто предложиха да се използват обратими химични реакции. След пълно разреждане на батерията за първи път, с помощта на външен източник на ток, реакцията, която е протекла в нея, може да започне в обратна посока. Това ще възстанови първоначалното състояние, така че батерията да може да се използва отново след презареждане.

Автомобилна оловна батерия

Към днешна дата са създадени много различни видове батерии, които се различават по вида на протичащата в тях химична реакция. Най-често срещаните видове батерии са оловно-киселинни (или просто оловни) батерии, които се основават на окислително-редукционната реакция на оловото. Такива устройства имат доста дълъг експлоатационен живот, а консумацията им на енергия е до 60 ватчаса на килограм. Още по-популярни напоследък са литиево-йонните батерии, базирани на литиево-редокс реакцията. Енергийната интензивност на съвременните литиево-йонни батерии вече надхвърля 250 ватчаса на килограм.

Li-ion батерия за мобилен телефон

Основните проблеми на литиево-йонните батерии са ниската им ефективност при ниски температури, бързото стареене и повишената експлозивност. И поради факта, че металният литий реагира много активно с вода, за да образува водороден газ и кислород се отделя, когато батерията изгори, спонтанното запалване на литиево-йонна батерия е много трудно да се използва с традиционните методи за гасене на пожар. За да подобрят безопасността на такава батерия и да ускорят времето й за зареждане, учените предлагат катоден материал, който предотвратява образуването на дендритни литиеви структури и добавя вещества към електролита, които образуват експлозивни структури и компоненти, които се запалват в ранните етапи .

Твърд електролит

Като друг по-малко очевиден начин за повишаване на ефективността и безопасността на батериите, химиците предложиха да не се ограничават до течни електролити в химически източници на ток, а да се създаде изцяло твърд източник на ток. В такива устройства изобщо няма течни компоненти, но има слоеста структура от твърд анод, твърд катод и твърд електролит между тях. Електролитът в същото време изпълнява функцията на мембраната. Носители на заряд в твърд електролит могат да бъдат различни йони, в зависимост от неговия състав и реакциите, които протичат на анода и катода. Но те винаги са достатъчно малки йони, които могат да се движат относително свободно през кристала, например H + протони, Li + литиеви йони или O 2- кислородни йони.

Водородни горивни клетки

Възможността за презареждане и специалните мерки за сигурност правят батериите много по-обещаващ източник на ток от конвенционалните батерии, но все пак всяка батерия съдържа ограничено количество реагенти вътре и следователно ограничен запас от енергия и всеки път батерията трябва да се презарежда да възобнови изпълнението си.

За да направите батерията „безкрайна“, е възможно да използвате като източник на енергия не онези вещества, които са вътре в клетката, а гориво, специално изпомпвано през нея. Най-доброто от всичко е, че вещество, което е възможно най-просто по състав, екологично чисто и достъпно в изобилие на Земята, е най-подходящо като такова гориво.

Най-подходящото вещество от този тип е водородният газ. Окислението му с кислород на въздуха до образуване на вода (според реакцията 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) е проста редокс реакция и като източник на ток може да се използва и електронен транспорт между йони. Реакцията, протичаща в този случай, е вид обратна реакция на реакцията на водна електролиза (при която под действието на електрически ток водата се разлага на кислород и водород), като за първи път такава схема е предложена още в средата на 19 век.

Но въпреки факта, че схемата изглежда доста проста, създаването на ефективно устройство, базирано на този принцип, изобщо не е тривиална задача. За да направите това, е необходимо да се разделят потоците от кислород и водород в пространството, да се осигури транспортирането на необходимите йони през електролита и да се намалят възможните загуби на енергия на всички етапи на работа.

Схематична диаграма на работата на водородна горивна клетка

Схемата на работеща водородна горивна клетка е много подобна на схемата на химически източник на ток, но съдържа допълнителни канали за подаване на гориво и окислител и отстраняване на реакционните продукти и излишните подадени газове. Електродите в такъв елемент са порести проводими катализатори. Газообразно гориво (водород) се подава към анода, а окислител (кислород от въздуха) се подава към катода и на границата на всеки от електродите с електролита протича собствена полуреакция (окисляване на водород и редукция на кислород, съответно). В този случай, в зависимост от вида на горивната клетка и вида на електролита, самото образуване на вода може да протича или в анодното или катодното пространство.

Водородна горивна клетка на Toyota

Джоузеф Брент / flickr

Ако електролитът е протон-проводим полимер или керамична мембрана, киселинен или алкален разтвор, тогава носителят на заряда в електролита са водородни йони. В този случай молекулният водород се окислява на анода до водородни йони, които преминават през електролита и там реагират с кислорода. Ако кислородният йон O 2– е носител на заряд, както в случая на твърд оксиден електролит, тогава кислородът се редуцира до йон на катода, този йон преминава през електролита и окислява водорода на анода, за да образува вода и свободен електрони.

В допълнение към реакцията на окисление на водорода за горивни клетки, беше предложено да се използват и други видове реакции. Например, вместо водород, редукционното гориво може да бъде метанол, който се окислява от кислород до въглероден диоксид и вода.

Ефективност на горивните клетки

Въпреки всички предимства на водородните горивни клетки (като екологичност, практически неограничена ефективност, компактни размери и висока енергийна интензивност), те имат и редица недостатъци. Те включват преди всичко постепенното стареене на компонентите и трудностите при съхранение на водород. Днес учените работят върху това как да премахнат тези недостатъци.

Понастоящем се предлага да се подобри ефективността на горивните клетки чрез промяна на състава на електролита, свойствата на катализаторния електрод и геометрията на системата (което осигурява подаването на горивни газове до желаната точка и намалява страничните ефекти). За решаване на проблема със съхраняването на водороден газ се използват материали, съдържащи платина, за чието насищане, например, графенови мембрани.

В резултат на това е възможно да се постигне увеличаване на стабилността на горивната клетка и живота на отделните й компоненти. Сега коефициентът на преобразуване на химическата енергия в електрическа енергия в такива клетки достига 80 процента, а при определени условия може да бъде дори по-висок.

Огромните перспективи за водородната енергия са свързани с възможността за комбиниране на горивни клетки в цели батерии, превръщайки ги в електрически генератори с висока мощност. Дори сега електрическите генератори, работещи с водородни горивни клетки, имат мощност до няколкостотин киловата и се използват като източници на енергия за превозни средства.

Алтернативно електрохимично съхранение

В допълнение към класическите електрохимични източници на ток, по-необичайни системи се използват и като устройства за съхранение на енергия. Една от тези системи е суперкондензатор (или йонистор) - устройство, в което се получава разделяне и натрупване на заряд поради образуването на двоен слой близо до заредена повърхност. На интерфейса електрод-електролит в такова устройство йони с различни знаци се подреждат в два слоя, така наречения "двоен електрически слой", образувайки един вид много тънък кондензатор. Капацитетът на такъв кондензатор, тоест количеството натрупания заряд, ще се определя от специфичната повърхност на материала на електрода; следователно е изгодно да се вземат порести материали с максимална специфична повърхност като материал за суперкондензатори.

Йонисторите са шампиони сред зарядно-разрядните химически източници на ток по отношение на скоростта на зареждане, което е несъмнено предимство на този тип устройства. За съжаление те са и рекордьори по скорост на разреждане. Енергийната плътност на йонисторите е осем пъти по-малка в сравнение с оловните батерии и 25 пъти по-малка от литиево-йонните. Класическите "двуслойни" йонистори не използват електрохимична реакция в основата си и терминът "кондензатор" е най-точно приложен към тях. Въпреки това, в тези версии на йонистори, които се основават на електрохимична реакция и натрупването на заряд се простира в дълбочината на електрода, е възможно да се постигнат по-високи времена на разреждане, като се поддържа бърза скорост на зареждане. Усилията на разработчиците на суперкондензатори са насочени към създаването на хибридни устройства с батерии, които съчетават предимствата на суперкондензаторите, преди всичко висока скорост на зареждане, и предимствата на батериите - висока енергийна интензивност и дълго време на разреждане. Представете си в близко бъдеще йонистна батерия, която ще се зареди за няколко минути и ще захранва лаптоп или смартфон за ден или повече!

Въпреки факта, че сега енергийната плътност на суперкондензаторите все още е няколко пъти по-малка от енергийната плътност на батериите, те се използват в потребителската електроника и за двигатели на различни превозни средства, включително повечето.

* * *

По този начин днес има голям брой електрохимични устройства, всяко от които е обещаващо за своите специфични приложения. За да подобрят ефективността на тези устройства, учените трябва да решат редица проблеми, както фундаментални, така и технологични. Повечето от тези задачи в рамките на един от пробивните проекти се решават в Уралския федерален университет, затова попитахме Максим Ананиев, директор на Института по високотемпературна електрохимия на Уралския клон на Руската академия на науките, проф. от катедрата по технология на електрохимичното производство на Института по химикали на Уралския федерален университет, за да говорим за непосредствените планове и перспективи за развитие на съвременни горивни клетки. .

N+1: Има ли алтернатива на най-популярните Li-Ion батерии в близко бъдеще?

Максим Ананиев:Съвременните усилия на разработчиците на батерии са насочени към замяна на типа носител на заряд в електролита от литий с натрий, калий и алуминий. В резултат на подмяната на литий ще бъде възможно да се намали цената на батерията, въпреки че характеристиките на теглото и размера ще се увеличат пропорционално. С други думи, за същите електрически характеристики, натриево-йонната батерия ще бъде по-голяма и по-тежка от литиево-йонната батерия.

В допълнение, една от обещаващите развиващи се области за подобряване на батериите е създаването на хибридни химически източници на енергия, базирани на комбинацията от метално-йонни батерии с въздушен електрод, както в горивните клетки. Като цяло, посоката на създаване на хибридни системи, както вече беше показано на примера на суперкондензаторите, очевидно ще ни позволи да видим химически източници на енергия с високи потребителски характеристики на пазара в близко бъдеще.

Уралският федерален университет, заедно с академични и индустриални партньори от Русия и света, в момента изпълнява шест мегапроекта, които са фокусирани върху пробивни области на научни изследвания. Един от тези проекти е „Перспективни технологии на електрохимичната енергия от химическо проектиране на нови материали до електрохимични устройства от ново поколение за енергоспестяване и преобразуване“.

Група учени от Природо-математическото звено на Стратегическото академично звено (САУ) на УрФУ, в която влиза Максим Ананиев, се занимава с проектиране и разработване на нови материали и технологии, включително горивни клетки, електролитни клетки, метални графенови батерии, електрохимични системи за съхранение на енергия и суперкондензатори.

Изследователската и научна работа се извършва в постоянно сътрудничество с Института по високотемпературна електрохимия на Уралския клон на Руската академия на науките и с подкрепата на партньори.

Кои горивни клетки се разработват в момента и имат най-голям потенциал?

Един от най-обещаващите видове горивни клетки са протонно-керамичните клетки. Те имат предимства пред полимерните горивни клетки с протонна обменна мембрана и твърди оксидни клетки, тъй като могат да работят с директно подаване на въглеводородно гориво. Това значително опростява проектирането на електроцентрала, базирана на протон-керамични горивни клетки и системата за управление, и следователно повишава надеждността на работа. Вярно е, че този тип горивни клетки е исторически по-слабо развит в момента, но съвременните научни изследвания ни позволяват да се надяваме на висок потенциал на тази технология в бъдеще.

Какви проблеми, свързани с горивните клетки, се решават в Уралския федерален университет сега?

Сега учените от UrFU, заедно с Института по високотемпературна електрохимия (IHTE) на Уралския клон на Руската академия на науките, работят върху създаването на високоефективни електрохимични устройства и автономни генератори на енергия за приложения в разпределената енергия. Създаването на електроцентрали за разпределена енергия първоначално предполага разработването на хибридни системи на базата на електрогенератор и акумулаторно устройство, които са батерии. В същото време горивната клетка работи постоянно, осигурявайки натоварване в пиковите часове, а в режим на празен ход зарежда батерията, която сама по себе си може да действа като резерв както при висока консумация на енергия, така и в случай на аварийни ситуации.

Химиците от Уралския федерален университет и IHTE постигнаха най-голям успех в разработването на твърдооксидни и протон-керамични горивни клетки. От 2016 г. в Урал, съвместно с държавната корпорация Росатом, е създадено първото руско производство на електроцентрали на базата на горивни клетки от твърд оксид. Разработката на учените от Урал вече премина "полеви" тестове в станцията за катодна защита на газопровода в експерименталната площадка на Uraltransgaz LLC. Електроцентралата с номинална мощност от 1,5 киловата е работила повече от 10 хиляди часа и е показала висок потенциал за използване на такива устройства.

В рамките на съвместната лаборатория на Уралския федерален университет и IHTE се разработват електрохимични устройства на базата на протон-проводяща керамична мембрана. Това ще позволи в близко бъдеще да се намалят работните температури на горивните клетки от твърд оксид от 900 до 500 градуса по Целзий и да се изостави предварителното реформиране на въглеводородното гориво, като по този начин се създават рентабилни електрохимични генератори, способни да работят в условията на развита инфраструктура за доставка на газ в Русия.

Александър Дубов

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 предвид това. 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.

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.