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

Технологията за водородни горивни клетки не е нова. Започва през 1776 г., когато Хенри Кавендиш за първи път открива водород, докато разтваря метали в разредени киселини. Първата водородна горивна клетка е изобретена още през 1839 г. от Уилям Гроув. Оттогава водородните горивни клетки постепенно се усъвършенстват и сега се монтират в космически совалки, като ги захранват с енергия и служат като източник на вода. Днес технологията за водородни горивни клетки е на ръба да достигне масовия пазар, в автомобили, домове и преносими устройства.

Във водородна горивна клетка химическата енергия (под формата на водород и кислород) се преобразува директно (без изгаряне) в електрическа енергия. Горивната клетка се състои от катод, електроди и анод. Водородът се подава към анода, където се разделя на протони и електрони. Протоните и електроните имат различни пътища до катода. Протоните се движат през електрода към катода, а електроните преминават около горивните клетки, за да стигнат до катода. Това движение създава впоследствие използваема електрическа енергия. От друга страна, водородните протони и електрони се комбинират с кислорода, за да образуват вода.

Електролизерите са един от начините за извличане на водород от вода. Процесът е основно обратен на това, което се случва с водородна горивна клетка. Електролизерът се състои от анод, електрохимична клетка и катод. Вода и напрежение се прилагат към анода, който разделя водата на водород и кислород. Водородът преминава през електрохимичната клетка към катода, а кислородът се подава директно към катода. Оттам могат да се извличат и съхраняват водород и кислород. По време на време, когато не е необходимо да се произвежда електричество, натрупаният газ може да бъде отстранен от съоръжението за съхранение и върнат обратно през горивната клетка.

Тази система използва водород като гориво, което вероятно е причината да има много митове за нейната безопасност. След експлозията на Хинденбург много хора, далеч от науката и дори някои учени, започнаха да вярват, че използването на водород е много опасно. Последните изследвания обаче показаха, че причината за тази трагедия е свързана с вида на материала, който е бил използван в конструкцията, а не с водорода, който е бил изпомпван вътре. След тестване на безопасността на съхранението на водород беше открито, че съхраняването на водород в горивни клетки е по-безопасноотколкото да съхранявате бензин в резервоара на автомобила.

Колко струват съвременните водородни горивни клетки?? В момента компаниите предлагат водородни горивни системи, които произвеждат енергия за около $3000 на киловат. Маркетинговите проучвания показват, че когато цената падне до 1500 долара за киловат, потребителите на масовия енергиен пазар ще бъдат готови да преминат към този вид гориво.

Превозните средства с водородни горивни клетки все още са по-скъпи от превозните средства с двигатели с вътрешно горене, но производителите проучват начини да доведат цената до сравними нива. В някои отдалечени райони, където няма електропроводи, използването на водород като гориво или самостоятелно захранване на дома може да бъде по-икономично в момента, отколкото например изграждането на инфраструктура за традиционни енергийни източници.

Защо водородните горивни клетки все още не се използват широко? На този моменттяхната висока цена е основният проблем за разпространението на водородните горивни клетки. Водородните горивни системи просто нямат масово търсене в момента. Науката обаче не стои неподвижна и в близко бъдеще автомобил, работещ на вода, може да стане истинска реалност.

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

Горивни (водородни) клетки/клетки

Компанията Intech GmbH / LLC Intech GmbH е на пазара на инженерингови услуги от 1997 г., официален дългогодишен доставчик на различно индустриално оборудване и предлага на вашето внимание различни горивни (водородни) елементи/клетки.

Горивна клетка/клетка е

Предимства на горивните клетки/клетки

Горивна клетка/клетка е устройство, което произвежда ефективно D.C.и топлина от богато на водород гориво чрез електро химическа реакция.

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

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

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

История на развитието на горивни клетки/клетки

През 50-те и 60-те години на миналия век едно от най-належащите предизвикателства за горивните клетки възникна от нуждата на Националната аеронавтика и космическа администрация (НАСА) от източници на енергия за дългосрочни космически мисии. Алкалната горивна клетка на НАСА използва водород и кислород като гориво чрез комбиниране на двата химически елемента в електрохимична реакция. Резултатът е три полезни странични продукта от реакцията в космическия полет - електричество към мощност космически кораб, вода за питейни и охладителни системи и топлина за поддържане на топлината на астронавтите.

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

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

Интересът нараства през 50-те и 60-те години на миналия век, а също и през 80-те години на миналия век, когато индустриалният свят изпитва недостиг на петролни горива. През същия период световните държави също се загрижиха за проблема със замърсяването на въздуха и обмислиха начини за генериране на електроенергия по екологичен начин. Технологията на горивните клетки в момента търпи бързо развитие.

Принцип на действие на горивни клетки/клетки

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

Анодът и катодът са разделени от електролит, който провежда протони. След като водородът се подаде към анода и кислородът се подаде към катода, започва химическа реакция, водеща до генериране на електрически ток, топлина и вода.

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

По-долу е съответната реакция:

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

Видове и разновидности на горивни елементи/клетки

Точно както има различни видове двигатели с вътрешно горене, има различни видове горивни клетки - изборът на правилния тип горивна клетка зависи от нейното приложение.

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

Горивни клетки/клетки от 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 нискокалоричен горивен газ от промишлени процеси и други източници.

Работата на RCFC се различава от другите горивни клетки. Тези клетки използват електролит, направен 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 топене на карбонатни соли и постигане висока степенПоради подвижността на йоните в електролита, работата на горивните клетки с разтопен карбонатен електролит се извършва 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, като по този начин генерират електричествои топлината като страничен продукт.

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

Високите работни температури на горивните клетки с разтопен карбонатен електролит имат определени предимства. При високи температури природният газ се реформира вътрешно, елиминирайки нуждата от горивен процесор. Освен това предимствата включват възможността за използване на стандартни строителни материали като листове от неръждаема стомана и никелов катализатор върху електродите. Отпадната топлина може да се използва за генериране на пара под високо налягане за различни промишлени и търговски цели.

Високите реакционни температури в електролита също имат своите предимства. Използването на високи температури изисква значително време за постигане на оптимални работни условия, а системата реагира по-бавно на промените в консумацията на енергия. Тези характеристики позволяват използването на инсталации с горивни клетки с разтопен карбонатен електролит при условия на постоянна мощност. Високите температури не позволяват на въглеродния окис да повреди горивната клетка.

Горивните клетки с разтопен карбонатен електролит са подходящи за използване в големи стационарни инсталации. Произвеждат се комерсиално топлоелектрически централи с изходна електрическа мощност от 3,0 MW. Развиват се инсталации с изходна мощност до 110 MW.

Горивни клетки/клетки с фосфорна киселина (PAFC)

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

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

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

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

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

Високата производителност на ТЕЦ, използващи горивни клетки на базата на фосфорна (ортофосфорна) киселина при комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия, е едно от предимствата на този тип горивни клетки. Агрегатите използват въглероден окис с концентрация около 1,5%, което значително разширява избора на гориво. В допълнение, CO 2 не влияе на електролита и работата на горивната клетка; този тип клетки работят с реформирано естествено гориво. Опростеният дизайн, ниската степен на летливост на електролита и повишената стабилност също са предимства на този тип горивни клетки.

В търговската мрежа се произвеждат топлоелектрически централи с изходна електрическа мощност до 500 kW. Инсталациите с мощност 11 MW са преминали съответните тестове. Развиват се инсталации с изходна мощност до 100 MW.

Твърди оксидни горивни клетки (SOFC)

Горивните клетки с твърд оксид са горивните клетки с най-висока работна температура. Работната температура може да варира от 600°C до 1000°C, което позволява използването на различни видове гориво без специална предварителна обработка. За да се справи с такива високи температури, използваният електролит е тънък твърд метален оксид върху керамична основа, често сплав от итрий и цирконий, който е проводник на кислородни йони (O2-).

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

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

Ефективността на произведената електрическа енергия е най-висока от всички горивни клетки - около 60-70%. Високите работни температури позволяват комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия за генериране на пара под високо налягане. Комбинирането на високотемпературна горивна клетка с турбина прави възможно създаването на хибридна горивна клетка за увеличаване на ефективността на генериране на електрическа енергия с до 75%.

Горивните клетки с твърд оксид работят при много високи температури (600°C–1000°C), което води до значително време за достигане на оптимални работни условия и по-бавна реакция на системата към промени в потреблението 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, получени в резултат на газификация на въглища или отпадъчни газове и т.н. Горивната клетка също е отлична за приложения с висока мощност, включително промишлени и големи централни електроцентрали. В търговската мрежа се произвеждат модули с изходна електрическа мощност от 100 kW.

Горивни клетки/клетки с директно окисление на метанола (DOMFC)

Технологията за използване на горивни клетки с директно окисляване на метанола е в период на активно развитие. Успешно се е доказал в областта на захранването на мобилни телефони, лаптопи, както и за създаване на преносими източници на енергия. Това е целта на бъдещото използване на тези елементи.

Конструкцията на горивни клетки с директно окисление на метанол е подобна на горивни клетки с протонообменна мембрана (MEPFC), 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 изпращат през външна електрическа верига, като по този начин генерират електрически ток. Водородните йони преминават през електролита и реагират с кислорода от въздуха и електроните от външната верига, за да образуват вода на анода.

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

Предимството на този тип горивни клетки е техният малък размер, поради използването на течно гориво и липсата на необходимост от използване на конвертор.

Алкални горивни клетки/клетки (ALFC)

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

Алкалните горивни клетки използват електролит, 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 заряда в SHTE е хидроксилният йон (OH -), движещ се от катода към анода, където реагира с водород, произвеждайки вода и електрони. Водата, произведена на анода, се връща обратно към катода, като отново генерира хидроксилни йони там. В резултат на тази поредица от реакции, протичащи в горивната клетка, се произвежда електричество и, като страничен продукт, топлина:

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

Предимството на SHTE е, че тези горивни клетки са най-евтините за производство, тъй като катализаторът, необходим за електродите, може да бъде всяко от веществата, които са по-евтини от тези, използвани като катализатори за други горивни клетки. SFC работят при относително ниски температури и са сред най-ефективните горивни клетки - такива характеристики могат следователно 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 SHTE е ограничено до затворени пространства, като космически и подводни превозни средства, те трябва да работят с чист водород и кислород. Освен това, молекули като CO, H 2 O и CH4, които са безопасни за други горивни клетки и дори действат като гориво за някои от тях, са вредни за SHFC.

Горивни клетки с полимерен електролит (PEFC)

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 H2O+ (протон, червено) се прикрепя към водна молекула). Водните молекули представляват проблем поради бавния обмен на йони. Следователно е необходима висока концентрация на вода както в горивото, така и при изходните електроди, ограничавайки работната температура до 100°C.

Твърди киселинни горивни клетки/клетки (SFC)

В горивните клетки с твърда киселина електролитът (CsHSO 4) не съдържа вода. Следователно работната температура е 100-300°C. Въртенето на окси анионите SO 4 2- позволява на протоните (червени) да се движат, както е показано на фигурата. Обикновено горивната клетка с твърда киселина е сандвич, в който много тънък слой от твърдо киселинно съединение е поставен между два електрода, които са плътно притиснати един към друг, за да се осигури добър контакт. При нагряване органичният компонент се изпарява, излизайки през порите в електродите, поддържайки способността за множество контакти между горивото (или кислорода в другия край на елемента), електролита и електродите.

Иновативните енергийно ефективни общински топло- и електроцентрали обикновено се изграждат върху горивни клетки с твърд оксид (SOFC), горивни клетки с полимерен електролит (PEFC), горивни клетки с фосфорна киселина (PAFC), горивни клетки с протонна обменна мембрана (PEMFC) и алкални горивни клетки ( ALFC). Обикновено имат следните характеристики:

Най-подходящите трябва да се считат за твърди оксидни горивни клетки (SOFC), които:

• работят при по-високи температури, намалявайки нуждата от скъпи благородни метали (като платина)
• може да работи с различни видове въглеводородни горива, главно природен газ
• имат по-дълго време за стартиране и следователно са по-подходящи за дългосрочно действие
• демонстрират висока ефективност при генериране на електроенергия (до 70%)
• Благодарение на високите работни температури модулите могат да се комбинират със системи за пренос на топлина, като общата ефективност на системата достига 85%
• имат практически нулеви емисии, работят безшумно и имат ниски експлоатационни изисквания в сравнение със съществуващите технологии за производство на електроенергия

Тип горивна клетка	Работна температура	Ефективност на производството на електроенергия	Тип гориво	Област на приложение
РКТЕ	550–700°C	50-70%		Средни и големи инсталации
FCTE	100–220°C	35-40%	Чист водород	Големи инсталации
MOPTE	30-100°C	35-50%	Чист водород	Малки инсталации
SOFC	450–1000°C	45-70%	Повечето въглеводородни горива	Малки, средни и големи инсталации
PEMFC	20-90°С	20-30%	Метанол	Преносим
ЩЕ	50–200°C	40-70%	Чист водород	Космически изследвания
ПИТ	30-100°C	35-50%	Чист водород	Малки инсталации

Тъй като малките топлоелектрически централи могат да бъдат свързани към конвенционална газоснабдителна мрежа, горивните клетки не изискват отделна система за захранване с водород. При използване на малки топлоелектрически централи, базирани на твърди оксидни горивни клетки, генерираната топлина може да бъде интегрирана в топлообменници за загряване на вода и вентилационен въздух, повишавайки цялостната ефективност на системата. Това иновативна технологиянай-подходящ за ефективно производство на електроенергия без необходимост от скъпа инфраструктура и сложна интеграция на инструменти.

Приложение на горивни клетки/клетки

Приложение на горивни клетки/клетки в телекомуникационни системи

Поради бързото разпространение на безжични комуникационни системи по целия свят, както и нарастващите социално-икономически ползи от технологията за мобилни телефони, необходимостта от надеждно и рентабилно резервно захранване стана критична. Загубите на електрическа мрежа през цялата година поради лоши метеорологични условия, природни бедствия или ограничен капацитет на мрежата представляват постоянно предизвикателство за мрежовите оператори.

Традиционните решения за резервно захранване на телекомуникациите включват батерии (вентилно регулирани оловно-киселинни батерийни клетки) за краткосрочно резервно захранване и дизелови и пропан генератори за по-дългосрочно резервно захранване. Батериите са сравнително евтин източник на резервно захранване за 1 - 2 часа. Батериите обаче не са подходящи за по-дългосрочно резервно захранване, защото са скъпи за поддръжка, стават ненадеждни след дълги периоди на употреба, чувствителни са към температури и са опасни за живота на батерията. заобикаляща средаслед изхвърляне. Дизеловите и пропан генераторите могат да осигурят дългосрочно захранване. Генераторите обаче могат да бъдат ненадеждни, да изискват трудоемка поддръжка и да отделят високи нива на замърсители и парникови газове.

За да се преодолеят ограниченията на традиционните решения за захранване, е разработена иновативна зелена технология за горивни клетки. Горивните клетки са надеждни, тихи, съдържат по-малко движещи се части от генератора и имат повече широк обхватработни температури от батерията: от -40°C до +50°C и в резултат на това осигуряват изключително високи нива на икономия на енергия. В допълнение, разходите за целия живот на такава инсталация са по-ниски от тези на генератор. По-ниските разходи за горивни клетки са резултат само от едно посещение за поддръжка годишно и значително по-висока производителност на инсталацията. В крайна сметка горивната клетка е зелено технологично решение с минимално въздействие върху околната среда.

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

• НАДЕЖДНОСТ– малко подвижни части и липса на разряд в режим на готовност
• ПЕСТЕНЕ НА ЕНЕРГИЯ
• ТИШИНА – ниско нивошум
• УСТОЙЧИВОСТ– работен диапазон от -40°C до +50°C
• АДАПТИВНОСТ– монтаж на открито и закрито (контейнер/защитен контейнер)
• ГОЛЯМА МОЩ– до 15 kW
• НИСКА ИЗИСКВАНЕ ЗА ПОДДРЪЖКА– минимална годишна поддръжка
• ИКОНОМИЧЕН- атрактивна обща цена на притежание
• ЗЕЛЕНА ЕНЕРГИЯ– ниски емисии с минимално въздействие върху околната среда

Системата усеща напрежението на DC шината по всяко време и плавно приема критични натоварвания, ако напрежението на DC шината падне под определена от потребителя зададена точка. Системата работи с водород, който се подава към стека на горивните клетки по един от двата начина - или от промишлен източник на водород, или от течно гориво от метанол и вода, като се използва интегрирана система за реформиране.

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

Горивните клетки предлагат превъзходно спестяване на енергия, подобрена надеждност на системата, по-предсказуема производителност в широк диапазон от климатични условия и надеждна експлоатационна издръжливост в сравнение със стандартните за индустрията клапанно-регулирани оловно-киселинни батерийни пакети. Разходите през целия живот също са по-ниски поради значително по-ниските изисквания за поддръжка и подмяна. Горивните клетки предлагат ползи за околната среда на крайния потребител, тъй като разходите за изхвърляне и рисковете от отговорност, свързани с оловно-киселинните клетки, предизвикват нарастваща загриженост.

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

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

Горивото, използвано за задвижване на горивния конвертор с удължена продължителност, е горивна смес от метанол и вода. Метанолът е широко разпространено комерсиално произведено гориво, което в момента има много приложения, включително средства за измиване на предното стъкло, пластмасови бутилки, добавки за двигатели и емулсионни бои, наред с други. Метанолът се транспортира лесно, смесва се с вода, има добра биоразградимост и не съдържа сяра. Има ниска точка на замръзване (-71°C) и не се разлага при продължително съхранение.

Приложение на горивни клетки/клетки в комуникационни мрежи

Сигурните комуникационни мрежи изискват надеждни решения за резервно захранване, които могат да работят с часове или дни при извънредни ситуации, ако електрическата мрежа вече не е налична.

С малко движещи се части и без загуба на мощност в режим на готовност, иновативната технология за горивни клетки предлага привлекателно решение за настоящите системи за резервно захранване.

Най-убедителният аргумент за използването на технологията с горивни клетки в комуникационните мрежи е повишената цялостна надеждност и безопасност. По време на събития като прекъсвания на електрозахранването, земетресения, бури и урагани е важно системите да продължат да работят и да им бъде осигурено надеждно резервно захранване за продължителен период от време, независимо от температурата или възрастта на резервната захранваща система.

Линията захранващи устройства, базирани на горивни клетки, са идеални за поддържане на секретни комуникационни мрежи. Благодарение на своите енергоспестяващи принципи на проектиране, те осигуряват екологично, надеждно резервно захранване с удължена продължителност (до няколко дни) за използване в диапазон на мощност от 250 W до 15 kW.

Приложение на горивни клетки/клетки в мрежи за данни

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

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

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

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

Инсталациите за резервно захранване с горивни клетки предлагат множество предимства за критични за мисията мрежови инфраструктури за данни в сравнение с традиционните батерийни или дизелови генератори, което позволява увеличени възможности за внедряване на място:

1. Технологията за течно гориво решава проблема с разположението на водорода и осигурява практически неограничена резервна мощност.
2. Благодарение на тяхната тиха работа, ниско тегло, устойчивост на температурни промени и практически без вибрации, горивните клетки могат да бъдат инсталирани извън сгради, в промишлени сгради/контейнери или на покриви.
3. Подготовката за използване на системата на място е бърза и икономична, а експлоатационните разходи са ниски.
4. Горивото е биоразградимо и осигурява екологично решение за градска среда.

Приложение на горивни клетки/клетки в системи за сигурност

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

Жизненоважни системи като системи за наблюдение и контрол на достъпа за видеонаблюдение (четци за лични карти, устройства за заключване на врати, технология за биометрична идентификация и др.), автоматични пожароизвестителни и пожарогасителни системи, системи за управление на асансьори и телекомуникационни мрежи са изложени на риск при липса на надеждно, дълготрайно алтернативно захранване.

Дизеловите генератори издават много шум, трудно се намират и имат добре известни проблеми с надеждността и поддръжката. За разлика от това, инсталацията с горивни клетки, която осигурява резервно захранване, е тиха, надеждна, произвежда нулеви или много ниски емисии и може лесно да бъде инсталирана на покрив или извън сграда. Не се разрежда и не губи мощност в режим на готовност. Той гарантира непрекъсната работа на критични системи, дори след като съоръжението прекрати дейността си и сградата бъде освободена.

Иновативните инсталации с горивни клетки защитават скъпите инвестиции в критични приложения. Те осигуряват екологосъобразно, надеждно резервно захранване с удължена продължителност (до много дни) за използване в диапазон на мощност от 250 W до 15 kW, съчетано с множество ненадминати характеристики и най-вече с високи нива на енергоспестяване.

Инсталациите за резервно захранване с горивни клетки предлагат многобройни предимства за използване в критични приложения като системи за сигурност и контрол на сгради пред традиционните приложения, захранвани от батерии или дизел генератори. Технологията за течно гориво решава проблема с разположението на водорода и осигурява практически неограничена резервна мощност.

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

Горивните клетки с твърд оксид (SOFC) осигуряват надеждни, енергийно ефективни и без емисии топлоелектрически централи за генериране на електричество и топлина от широко разпространен природен газ и възобновяеми източници на гориво. Тези иновативни инсталации се използват на различни пазари, от домашно производство на електроенергия до дистанционно захранване, както и спомагателни захранвания.

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

Приложение на горивни клетки/клетки в разпределителните мрежи

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

Фигурата по-долу показва загубата на ефективност на производството на електроенергия, когато се генерира в топлоелектрическа централа и се пренася до домовете чрез традиционните мрежи за пренос на електроенергия, които се използват в момента. Загубите на ефективност при централизирано производство включват загуби от електроцентралата, пренос на ниско и високо напрежение и загуби при разпределение.

Фигурата показва резултатите от интегрирането на малки топлоелектрически централи: електричеството се генерира с производствена ефективност до 60% в точката на използване. В допълнение към това едно домакинство може да използва топлината, генерирана от горивните клетки, за затопляне на вода и пространство, което повишава общата ефективност на преработката на енергия от горивото и увеличава спестяването на енергия.

Използване на горивни клетки за опазване на околната среда - оползотворяване на свързания нефтен газ

Една от най-важните задачи в петролната индустрия е оползотворяването на свързания нефтен газ. Съществуващите методи за оползотворяване на свързания нефтен газ имат много недостатъци, основният от които е, че не са икономически изгодни. Изгаря се свързан петролен газ, което причинява огромни вреди на околната среда и човешкото здраве.

Иновативни топлоелектрически централи, използващи горивни клетки, използващи свързан петролен газ като гориво, отварят пътя към радикално и рентабилно решение на проблемите с използването на свързания нефтен газ.

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

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

Водородното гориво, използвано в момента в горивните клетки, обикновено се произвежда от парно реформиране на метан (т.е. преобразуване на въглеводороди с помощта на пара и топлина в метан), въпреки че може да се използва по-екологичен подход, като електролиза на вода с помощта на слънчева енергия.

Основните компоненти на горивната клетка са:

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

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

История на създаването

Историята на горивните клетки датира от 30-те години на миналия век, когато първата водородна горивна клетка е проектирана от Уилям Р. Гроув. Тази клетка използва сярна киселина като електролит. Гроув се опита да отложи мед от воден разтвор на меден сулфат върху желязна повърхност. Той забеляза, че под въздействието на електронен ток водата се разпада на водород и кислород. След това откритие Гроув и неговият колега Кристиан Шьонбайн, химик от университета в Базел (Швейцария), едновременно демонстрираха през 1839 г. възможността за производство на енергия във водородно-кислородна горивна клетка с помощта на киселинен електролит. Тези първи опити, макар и доста примитивни по природа, привлякоха вниманието на няколко от съвременниците им, включително Майкъл Фарадей.

Проучванията на горивните клетки продължават и през 30-те години F.T. Бейкън въведе нов компонент в алкалната горивна клетка (вид горивна клетка) - йонообменна мембрана за улесняване на транспортирането на хидроксидни йони.

Едно от най-известните исторически приложения на алкалните горивни клетки е използването им като основен източник на енергия по време на космически полети в програмата Apollo.

НАСА ги избра заради тяхната издръжливост и техническа стабилност. Те използваха хидроксид-проводима мембрана, която беше по-добра по ефективност от своята сестра за протонен обмен.

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

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

Тези и други подобрения в крайна сметка създадоха технология, достатъчно ефективна, за да се използва в автомобили като Toyota Mirai.

Горивни клетки с хидрокси обменни мембрани

Университетът на Делауеър провежда изследвания за разработването на горивни клетки с хидроксидна мембрана (HEMFC). Горивните клетки с хидрокси обменни мембрани вместо протоннообменни мембрани - PEMFC (горивни клетки с протоннообменна мембрана) - е по-малко вероятно да се сблъскат с един от големи проблеми PEMFC създават проблем със стабилността на катализатора, защото са много голямо количествокатализаторите от неблагородни метали са по-стабилни в алкална среда, отколкото в кисела среда. Стабилността на катализаторите в алкални разтвори е по-висока поради факта, че разтварянето на металите освобождава повече енергия при ниско pH, отколкото при високо pH. Голяма част от работата в тази лаборатория също е посветена на разработването на нови анодни и катодни катализатори за реакции на водородно окисление и кислородна редукция, за да се ускорят още по-ефективно. В допълнение, лабораторията разработва нови хидрокси обменни мембрани, тъй като проводимостта и издръжливостта на такива мембрани все още трябва да бъдат подобрени, за да могат да се конкурират с протоннообменните мембрани.

Търсене на нови катализатори

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

Предимства на горивните клетки

За разлика от въглеводородните горива, горивните клетки са повече, ако не напълно, екологични и не отделят парникови газове в резултат на работата си. Освен това тяхното гориво (водород) по принцип е възобновяемо, тъй като може да бъде произведено чрез хидролиза на вода. По този начин водородните горивни клетки в бъдеще обещават да станат пълноценна част от процеса на производство на енергия, в който слънчевата и вятърната енергия се използват за производство на водородно гориво, което след това се използва в горивната клетка за производство на вода. Това затваря цикъла и не оставя въглероден отпечатък.

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

Водородните горивни клетки са сред най-обещаващите енергийни източници поради тяхната преносимост и гъвкавост в мащаба.

Трудността при съхраняване на водород

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

Перспективи за региона

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

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

Горивната клетка е електрохимично устройство за преобразуване на енергия, което превръща водорода и кислорода в електричество чрез химическа реакция. В резултат на този процес се образува вода и се отделя голямо количество топлина. Горивната клетка е много подобна на батерия, която може да се зарежда и след това да използва съхранената електрическа енергия.
Уилям Р. Гроув се смята за изобретател на горивната клетка, който я изобретява през 1839 г. В тази горивна клетка разтвор на сярна киселина е използван като електролит, а водородът е използван като гориво, което е комбинирано с кислород в окислител. Трябва да се отбележи, че доскоро горивните клетки се използваха само в лаборатории и на космически кораби.
В бъдеще горивните клетки ще могат да се конкурират с много други системи за преобразуване на енергия (включително газови турбини в електроцентрали), двигатели с вътрешно горене в автомобили и електрически батерии в преносими устройства. Двигателите с вътрешно горене изгарят гориво и използват налягането, създадено от разширяването на горивните газове, за да извършват механична работа. Батериите съхраняват електрическа енергия, след което я преобразуват в химическа енергия, която може да бъде преобразувана обратно в електрическа енергия, ако е необходимо. Горивните клетки са потенциално много ефективни. През 1824 г. френският учен Карно доказва, че циклите компресия-разширение на двигател с вътрешно горене не могат да осигурят ефективност на преобразуване на топлинната енергия (която е химическата енергия на изгаряне на гориво) в механична енергия над 50%. Горивната клетка няма движещи се части (поне не в самата клетка) и следователно те не се подчиняват на закона на Карно. Естествено, те ще имат повече от 50% ефективност и са особено ефективни при ниски натоварвания. По този начин превозните средства с горивни клетки са готови да станат (и вече са доказали, че са) по-ефективни от конвенционалните превозни средства в реални условия на шофиране.
Горивната клетка произвежда електрически ток с постоянно напрежение, който може да се използва за задвижване на електрическия мотор, осветлението и други електрически системи в превозното средство. Има няколко вида горивни клетки, които се различават по използваните химични процеси. Горивните клетки обикновено се класифицират според вида на електролита, който използват. Някои видове горивни клетки са обещаващи за задвижване на електроцентрали, докато други могат да бъдат полезни за малки преносими устройства или за захранване на автомобили.
Алкалната горивна клетка е една от първите разработени клетки. Те се използват в американската космическа програма от 60-те години на миналия век. Такива горивни клетки са много податливи на замърсяване и следователно изискват много чист водород и кислород. Те също са много скъпи, което означава, че този тип горивни клетки вероятно няма да се използват широко в автомобилите.
Горивните клетки на базата на фосфорна киселина могат да намерят приложение в стационарни инсталации с ниска мощност. Те работят при доста високи температури и поради това отнемат много време за загряване, което също ги прави неефективни за използване в автомобили.
Горивните клетки с твърд оксид са по-подходящи за големи стационарни генератори на електроенергия, които биха могли да захранват фабрики или селища. Този тип горивна клетка работи при много високи температури (около 1000 °C). Високата работна температура създава известни проблеми, но от друга страна има предимство - парата, произведена от горивната клетка, може да бъде изпратена към турбини за генериране на повече електричество. Като цяло, това подобрява общата ефективност на системата.
Една от най-обещаващите системи е горивната клетка с протонна обменна мембрана (PEMFC - Protone Exchange Membrane Fuel Cell). В момента този тип горивни клетки е най-обещаващият, тъй като може да задвижва автомобили, автобуси и други превозни средства.

Химични процеси в горивна клетка

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

Диаграма на горивна клетка с протонообменна мембрана:
1 - анод;
2 - протонообменна мембрана (PEM);
3 - катализатор (червен);
4 - катод

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

Едноклетъчна горивна клетка

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

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

NECAR V е базиран на автомобил Mercedes-Benz A-класа, като цялата електроцентрала, заедно с горивните клетки, са разположени под пода на автомобила. Това дизайнерско решение дава възможност за настаняване на четирима пътници и багаж в колата. Тук не водородът, а метанолът се използва като гориво за автомобила. Метанолът, с помощта на реформатор (устройство, което превръща метанола във водород), се превръща във водород, необходим за захранване на горивната клетка. Използването на реформатор на борда на автомобил прави възможно използването на почти всякакви въглеводороди като гориво, което ви позволява да зареждате автомобил с горивни клетки, като използвате съществуващата мрежа от бензиностанции. На теория горивните клетки не произвеждат нищо друго освен електричество и вода. Преобразуването на гориво (бензин или метанол) във водород, необходимо за горивна клетка, донякъде намалява екологичната привлекателност на такъв автомобил.
Honda, която се занимава с горивни клетки от 1989 г., произведе малка партида превозни средства Honda FCX-V4 през 2003 г. с горивни клетки за протонен обмен на мембрана Ballard. Тези горивни клетки генерират 78 kW електрическа мощност, а тягови електрически двигатели с мощност от 60 kW и въртящ момент от 272 Nm се използват за задвижване на задвижващите колела.Колата с горивни клетки, в сравнение с традиционната кола, има маса приблизително 40% по-малко, което му гарантира отлична динамика, а захранването със сгъстен водород му позволява да измине до 355 км.

Honda FCX използва електрическа енергия, генерирана от горивни клетки за шофиране.
Honda FCX е първото в света превозно средство с горивни клетки, което получава държавен сертификат в Съединените щати. Автомобилът е сертифициран по стандартите ZEV - Zero Emission Vehicle. Honda все още няма да продава тези автомобили, но наема около 30 автомобила на лизинг. Калифорния и Токио, където вече съществува инфраструктура за зареждане с водород.

Концептуалният автомобил Hy Wire на General Motors има задвижваща система с горивни клетки

General Motors провежда задълбочени изследвания в разработването и създаването на превозни средства с горивни клетки.

Автомобилно шаси Hy Wire

Концептуалният автомобил GM Hy Wire получи 26 патента. Основата на автомобила е функционална платформа с дебелина 150 мм. Вътре в платформата има резервоари за водород, задвижване с горивни клетки и системи за управление на автомобила, използващи най-новите технологии задвижване по кабел. Шасито на превозното средство Hy Wire е тънка платформа, която съдържа всички основни елементи от конструкцията на превозното средство: резервоари за водород, горивни клетки, батерии, електрически двигатели и системи за управление. Този подход към дизайна дава възможност за смяна на каросерията на автомобилите по време на работа.Компанията също така тества прототипи на автомобили Opel с горивни клетки и проектира завод за производство на горивни клетки.

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

BMW обръща голямо внимание на проблема с използването на водород като гориво за автомобили. Заедно с Magna Steyer, известна с работата си по използването на втечнен водород в изследването на космоса, BMW разработи резервоар за гориво за втечнен водород, който може да се използва в автомобили.

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

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

Първият в света сериен автомобил с горивна клетка вместо батерия

През 2003 г. BMW обяви производството на първия сериен автомобил с горивна клетка, BMW 750 hL. Използва се батерия с горивни клетки вместо традиционна батерия. Този автомобил има 12-цилиндров двигател с вътрешно горене, работещ с водород, а горивната клетка служи като алтернатива на конвенционалната батерия, позволявайки на климатика и другите електрически консуматори да работят, когато колата е паркирана за дълги периоди без двигател.

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

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

Описание:

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

Използване на горивни клетки за захранване на сгради

Част 1

Тази статия разглежда по-подробно принципа на работа на горивните клетки, техния дизайн, класификация, предимства и недостатъци, обхват на приложение, 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 енергия (или само захранване).

Въведение

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

Първоначално използвани само в космическата индустрия, горивните клетки сега намират все по-голямо приложение в различни области - като стационарни електроцентрали, топлинни и електрически източници на сгради, двигатели на превозни средства, захранващи устройства за лаптопи и мобилни телефони. Някои от тези устройства са лабораторни прототипи, някои са подложени на предпроизводствени тестове или се използват за демонстрационни цели, но много модели се произвеждат масово и се използват в търговски проекти.

Горивна клетка (електрохимичен генератор) е устройство, което директно преобразува химическата енергия на горивото (водород) в електрическа енергия чрез електрохимична реакция, 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 освобождава минимално количествозамърсители и няма силен шум или вибрации.

От практическа гледна точка горивната клетка прилича на конвенционална волтова батерия. Разликата е, че батерията първоначално 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 да произвежда електрическа енергия (фиг. 1).

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

Когато се използва чист водород като гориво, продуктите на реакцията, в допълнение към електрическата енергия, са топлина и вода (или водна пара), т.е. газове, които причиняват замърсяване на въздуха или предизвикват парников ефект, не се отделят в атмосферата. 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 количеството е много по-ниско, отколкото при изгаряне на същото количество природен газ.

Процесът на химическо преобразуване на гориво за производство 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 ограничение за термодинамичната енергийна ефективност за горивните клетки. Ефективността на горивните клетки е 50%, докато ефективността на двигателите с вътрешно горене е 12-15%, а ефективността на парните турбини не надвишава 40%. Чрез използването на топлина и вода ефективността на горивните клетки се повишава допълнително.

За разлика например от двигателите с вътрешно горене, ефективността на горивните клетки остава много висока дори когато не работят на пълна мощност. В допълнение, мощността на горивните клетки може да се увеличи чрез просто добавяне на отделни единици, докато ефективността не се променя, т.е. големите инсталации са също 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 в атмосферата от работа с горивни клетки са толкова ниски, че в някои райони на Съединените щати тяхната работа не изисква специално разрешение от правителствени агенции, контролирайки качеството на въздуха.

Горивните клетки могат да бъдат поставени директно в сграда, намалявайки загубите по време на транспортирането на енергия, а топлината, генерирана в резултат на реакцията, може да се използва за доставяне на топлина или топла вода в сградата. Автономните източници на топлина и електричество могат да бъдат много полезни в отдалечени райони и в региони, характеризиращи се с недостиг на електроенергия и 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 относително високата им цена, но този недостатък скоро може да бъде преодолян - все повече компании произвеждат търговски образци на горивни клетки, те непрекъснато се подобряват и цената им намалява.

Най-ефективният начин е използването 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 се разглежда възможността за използване на екологични възобновяеми енергийни източници (например слънчева или вятърна енергия) за разлагане на водата на водород и кислород чрез електролиза и след това преобразуване на полученото гориво в горивна клетка. Такива комбинирани инсталации, работещи в затворен цикъл, могат да представляват 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. Не всяко съоръжение обаче има възможност да използва топлинна енергия. Ако горивните клетки се използват само за генериране на електрическа енергия, тяхната ефективност намалява, въпреки че надвишава ефективността на „традиционните“ инсталации.

История и съвременна употреба на горивни клетки

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

Активното развитие на технологиите за използване на горивни клетки започва след Втората световна война и е свързано с космическата индустрия. По това време течеше търсене на 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 горивните клетки като източник на енергия за Космически корабипрограмите "Аполо" (пилотирани полети до Луната), "Аполо-Союз", "Джемини" и "Скайлаб". Космическият кораб Apollo използва три инсталации с мощност 1,5 kW (2,2 kW пик), 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 един модул, беше достатъчна за безопасно връщане. По време на 18 полета горивните клетки са работили общо 10 000 часа без никакви повреди. В момента горивните клетки се използват в космическата совалка, която използва три 12 W модула за генериране на цялата електрическа енергия на борда на космическия кораб (фиг. 2). Водата, получена в резултат на електрохимичната реакция, се използва за питейна вода, а също и за охлаждане на оборудване.

В нашата страна се работи и по създаването на горивни клетки за използване в космонавтиката. Например горивни клетки са използвани за захранване на съветския космически кораб за 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 протича в няколко посоки. Това е създаването на стационарни електроцентрали на горивни клетки (както за централизирано, така и за децентрализирано енергоснабдяване), електроцентрали за превозни средства (създадени са образци на автомобили и автобуси на горивни клетки, включително в нашата страна) (фиг. 3) и също и захранвания за различни мобилни устройства (преносими компютри, мобилни телефони и др.) (фиг. 4).

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

Един от първите търговски модели на горивни клетки, предназначени за автономно отопление и захранване на сгради, беше PC25 Model A, произведен от ONSI Corporation (сега United Technologies, Inc.). Тази горивна клетка с номинална мощност 200 kW е вид клетка с електролит на базата на фосфорна киселина (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Числото “25” в името на модела означава серийния номер на дизайна. Повечето предишни модели бяха експериментални или тестови единици, като модела 12,5 kW "PC11", представен през 70-те години. Новите модели увеличиха мощността, извлечена от отделна 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 A, това е напълно автоматична 200 kW PAFC горивна клетка, предназначена за инсталиране на място като самостоятелен източник на топлина и енергия. Такава горивна клетка може да бъде инсталирана извън сграда. Външно представлява паралелепипед с дължина 5,5 м, ширина и височина 3 м, тегло 18,140 кг. Разликата от предишните модели е подобрен реформатор и по-висока плътност на тока.

маса 1 Област на приложение на горивните клетки

Регион приложения Номинална мощност Примери за използване Стационарен инсталации 5–250 kW и по-висок Автономни източници на топлинна и електрическа енергия за жилищни, обществени и промишлени сгради, непрекъсваеми захранвания, резервни и аварийни източници на захранване Преносим инсталации 1–50 kW Пътни знаци, товарни и хладилни железопътни камиони, инвалидни колички, колички за голф, космически кораби и сателити Подвижен инсталации 25–150 kW коли ( прототиписъздадени например DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), автобуси (например MAN ", "Neoplan", "Renault") и други превозни средства, военни кораби и подводници Микроустройства 1–500 W Мобилни телефони, лаптопи, персонални цифрови асистенти (PDA), различни потребителски електронни устройства, модерни военни устройства

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

Обещаваща посока за използването на горивни клетки е използването им заедно с възобновяеми енергийни източници, например фотоволтаични панели или вятърни електроцентрали. Тази технология ни позволява напълно да избегнем замърсяването на въздуха. Предвижда се да се създаде подобна система, например в тренировъчен центърАдам Джоузеф Луис в Оберлин (виж ABOK, 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 производство на електрическа енергия и топла вода. Това ще позволи на сградата да поддържа функционалността на всички системи през облачните дни и през нощта.

Принцип на действие на горивните клетки

Нека разгледаме принципа на работа на горивна клетка, използвайки примера на прост елемент с протонна обменна мембрана (Proton Exchange Membrane, PEM). Такава клетка се състои от полимерна мембрана, поставена между анод (положителен електрод) и катод (отрицателен електрод) заедно с анодни и катодни катализатори. Полимерната мембрана се използва като електролит. Диаграмата на PEM елемента е показана на фиг. 5.

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

Случва се на анода окислителен процес, а при катода - редукция. Анодът и катодът в PEM клетка са направени от порест материал, който е смес от въглеродни и платинени частици. Платината действа като катализатор, който насърчава реакцията на дисоциация. Анодът и катодът са направени порести за свободното преминаване съответно на водород и кислород през тях.

Анодът и катодът са поставени между две метални пластини, които подават водород и кислород към анода и катода и отвеждат топлина и вода, както и електрическа енергия.

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

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

След това, в резултат на хемосорбция в присъствието на катализатор, водородните атоми, всеки от които отделя 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 други видове горивни клетки (например с киселинен електролит, който използва разтвор на ортофосфорна киселина H 3 PO 4) е абсолютно идентична с химическата реакция в горивна клетка с протонообменна мембрана.

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

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

Количеството електрическа енергия, произведена от горивна клетка, зависи от вида на горивната клетка, геометричните размери, температурата, налягането на газа. Отделна горивна клетка осигурява ЕМП по-малко от 1,16 V. Размерът на горивните клетки може да бъде увеличен, но на практика се използват няколко елемента, свързани в батерии (фиг. 10).

Дизайн на горивни клетки

Нека да разгледаме дизайна на горивна клетка, използвайки PC25 модел C като пример. Диаграмата на горивната клетка е показана на фиг. единадесет.

Горивната клетка PC25 модел C се състои от три основни части: горивен процесор, действителна секция за генериране на енергия и преобразувател на напрежение.

Основната част от горивната клетка - секцията за генериране на електроенергия - е батерия, съставена от 256 отделни горивни клетки. Електродите на горивните клетки съдържат платинен катализатор. Тези клетки произвеждат постоянен електрически ток от 1400 ампера при 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 се постигне това, горивната клетка включва отделна водна верига, а батерията е оборудвана със специални охлаждащи плочи.

Горивният процесор превръща природния газ във водород, 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 водна пара при висока температура (900 °C) и високо налягане в присъствието на никелов катализатор. В този случай протичат следните химични реакции:

CH 4 (метан) + H 2 O 3H 2 + CO

(реакцията е ендотермична, с поглъщане на топлина);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(реакцията е екзотермична, отделя се топлина).

Общата реакция се изразява с уравнението:

CH 4 (метан) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(реакцията е 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 необходимата температура на реформатора.

Парата, необходима за реформинг, се генерира от кондензат, генериран по време на работа на горивната клетка. Това използва топлината, отстранена от батерията на горивните клетки (фиг. 12).

Комплектът горивни клетки произвежда прекъсващ постоянен ток, който е с ниско напрежение и висок ток. Преобразувател на напрежение се използва за преобразуването му в индустриален стандартен променлив ток. 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 горивната енергия може да се преобразува в електрическа енергия. Приблизително същото количество, около 40% от енергията на горивото, може да се преобразува в енергия, която след това да 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 неговата автоматична работа. За поддръжка собствениците на съоръжението, където 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 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 (SOFC). В момента най-големият парк от горивни клетки е базиран на технологията PAFC.

Една от основните характеристики различни видовегоривни клетки е работната температура. В много отношения температурата е тази, която определя областта на приложение 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 има възможност за използване на топлинна енергия, така че 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 имат висока плътност на мощността, позволяват бързо регулиране на изходната мощност и могат да се включват бързо. Недостатъкът на този тип елемент е високите изисквания за качество на горивото, тъй като замърсеното гориво може да повреди мембраната. Номиналната мощност на този тип горивни клетки е 1-100 kW.

Горивните клетки с протонообменна мембрана първоначално са разработени от General Electric през 60-те години за НАСА. Този тип горивна клетка използва полимерен електролит в твърдо състояние, 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 тяхната простота и надеждност, такива горивни клетки бяха използвани като източник на енергия на пилотирания космически кораб Gemini.

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

таблица 2 Видове горивни клетки

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

Горивни клетки с фосфорна киселина (PAFC)

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

Тези горивни клетки използват разтвор на фосфорна киселина като електролит. Електродите са изработени 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 доста висока температура, е възможно да се използва парата, генерирана в резултат на работа. В този случай общата ефективност може да достигне 80%.

За да се произвежда енергия, съдържащата водород суровина трябва да се преобразува в чист водород чрез процес на реформиране. Например, ако бензинът се използва като гориво, е необходимо да се отстранят съединенията, съдържащи сяра, тъй като сярата може да повреди платиновия катализатор.

Горивните клетки PAFC бяха първите комерсиални горивни клетки, използвани икономично. 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 топлинна и електрическа енергия в полицейския участък в Central Park в Ню Йорк или като допълнителен източник на енергия в Conde Nast Building & Four Times Square. Най-голямата инсталация от този тип се тества като 11 MW електроцентрала, разположена в Япония.

Горивните клетки с 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 използването на отделен реформатор. Този процес беше наречен „вътрешна реформа“. Това дава възможност за значително опростяване на 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 топлинна и електрическа енергия. Те обаче се характеризират 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 приблизително 650 °C. При тези условия солите са в разтопено състояние, образувайки електролит. На анода водородът реагира 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 известния английски писател и учен от 17 век, работи с тези клетки, поради което горивните клетки MCFC понякога се наричат ​​клетки на Бейкън. В програмите на НАСА Аполо, Аполо-Союз и Сцилаб тези горивни клетки са използвани като източник на енергия (фиг. 14). През същите тези години военното ведомство на САЩ тества няколко проби от MCFC горивни клетки, произведени от Texas Instruments, които използват военен бензин като гориво. В средата на 70-те години Министерството на енергетиката на САЩ започна изследвания за създаване на стационарна горивна клетка от разтопен карбонат, подходяща за практически приложения. През 90-те години на миналия век бяха въведени редица търговски инсталации с номинална мощност до 250 kW, например в американската военновъздушна база Miramar в Калифорния. През 1996 г. FuelCell Energy, Inc. стартира предпроизводствен завод с мощност 2 MW в Санта Клара, Калифорния.

Оксидни горивни клетки в твърдо състояние (SOFC)

Твърдотелните оксидни горивни клетки са прости по дизайн и работят при много високи температури - 700-1000 °C. Такива високи температури позволяват използването на относително „мръсно“, нерафинирано гориво. Същите характеристики като тези на горивните клетки на базата на разтопен карбонат обуславят сходна област на приложение - големи стационарни източници на топлинна и електрическа енергия.

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 използваният електролит е смес от циркониев оксид и калциев оксид, но могат да се използват и други оксиди. Електролитът се образува кристална решетка, покрити от двете страни с порест електроден материал. Структурно такива елементи са направени под формата на тръби или плоски дъски, което позволява да се използват 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, което ги прави изгодни 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 отделя от природния газ директно в клетката, т.е. няма нужда от отделен риформинг.

Теоретичните основи за създаването на твърдотелни оксидни горивни клетки са положени в края на 30-те години на миналия век, когато швейцарските учени Emil Bauer и H. Preis експериментират с цирконий, итрий, церий, лантан и волфрам, използвайки ги 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 търговски модел на тръбна твърдотелна оксидна горивна клетка, която се очаква да бъде налична 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.

SOFC горивните клетки са показали много висока надеждност. Например прототип на горивна клетка, произведен от Siemens Westinghouse, е постигнал 16 600 часа работа и продължава да работи, което я прави най-дългият непрекъснат живот на горивната 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 електроенергия. Първата подобна хибридна инсталация 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.

Нисан с водородна горивна клетка

Мобилната електроника се подобрява всяка година, става все по-разпространена и достъпна: PDA, лаптопи, мобилни и цифрови устройства, рамки за снимки и др. Всички те непрекъснато се актуализират с нови функции, по-големи монитори, безжични комуникации, по-мощни процесори, като същевременно намаляват по размер . Енергийните технологии, за разлика от полупроводниковите технологии, не напредват скокообразно.

Съществуващите батерии и акумулатори за захранване на постиженията на индустрията стават недостатъчни, така че въпросът за алтернативните източници стои много остро. Горивните клетки са най-много обещаваща посока. Принципът на тяхното действие е открит през 1839 г. от Уилям Гроув, който генерира електричество чрез промяна на електролизата на водата.

Видео: Документален филм, горивни клетки за транспорт: минало, настояще, бъдеще

Горивните клетки представляват интерес за производителите на автомобили, а също и дизайнерите на космически кораби. През 1965 г. те дори са тествани от Америка на космическия кораб Джемини 5, изстрелян в космоса, а по-късно и на Аполо. Милиони долари все още се инвестират в изследвания на горивни клетки днес, когато има проблеми, свързани със замърсяването на околната среда и увеличаващите се емисии на парникови газове, генерирани при изгарянето на изкопаеми горива, чиито запаси също не са безкрайни.

Горивната клетка, често наричана електрохимичен генератор, работи по описания по-долу начин.

Като акумулаторите и батериите е галваничен елемент, но с тази разлика, че активните вещества се съхраняват в него отделно. Те се подават към електродите, докато се използват. Естественото гориво или всяко вещество, получено от него, изгаря върху отрицателния електрод, който може да бъде газообразен (водород, например и въглероден окис) или течен, като алкохоли. Кислородът обикновено реагира на положителния електрод.

Но привидно простият принцип на работа не е лесен за превръщане в реалност.

Направи си сам горивна клетка

Видео: Направи си сам водородна горивна клетка

За съжаление нямаме снимки как трябва да изглежда този горивен елемент, разчитаме на вашето въображение.

Можете да направите горивна клетка с ниска мощност със собствените си ръце дори в училищна лаборатория. Трябва да се запасите със стара противогаз, няколко парчета плексиглас, алкали и воден разтвор на етилов алкохол (по-просто водка), който ще служи като „гориво“ за горивната клетка.

На първо място, имате нужда от корпус за горивната клетка, който е най-добре да бъде направен от плексиглас с дебелина най-малко пет милиметра. Вътрешните прегради (вътре има пет отделения) могат да бъдат направени малко по-тънки - 3 см. За залепване на плексиглас използвайте лепило със следния състав: шест грама плексигласови стърготини се разтварят в сто грама хлороформ или дихлороетан (работата е свършена под капак).

Сега трябва да пробиете дупка във външната стена, в която трябва да поставите стъклена дренажна тръба с диаметър 5-6 сантиметра през гумена запушалка.

Всеки знае, че в периодичната таблица в долния ляв ъгъл са най-много активни метали, а високоактивните металоиди са в таблицата в горния десен ъгъл, т.е. способността за отдаване на електрони се увеличава отгоре надолу и отдясно наляво. Елементите, които при определени условия могат да се проявят като метали или металоиди, са в центъра на таблицата.

Сега изсипваме активен въглен от противогаза във второто и четвъртото отделение (между първата преграда и второто, както и третото и четвъртото), които ще действат като електроди. За да предотвратите изтичането на въглища през дупките, можете да ги поставите в найлонова тъкан (подходящи са дамски найлонови чорапи). IN

Горивото ще циркулира в първата камера, а в петата трябва да има доставчик на кислород - въздух. Между електродите ще има електролит и за да предотвратите изтичането му във въздушната камера, трябва да го накиснете с разтвор на парафин в бензин (съотношение 2 грама парафин към половин чаша бензин) преди да го напълните. четвъртата камера с въглерод за въздушния електролит. Върху слоя въглища трябва да поставите (с леко натискане) медни пластини, към които са запоени проводниците. Чрез тях токът ще бъде отклонен от електродите.

Остава само да заредите елемента. За целта ви трябва водка, която трябва да се разреди с вода 1:1. След това внимателно добавете триста до триста и петдесет грама калий каустик. За електролита 70 грама калиев хидроксид се разтварят в 200 грама вода.

Горивната клетка е готова за тестване.Сега трябва едновременно да налеете гориво в първата камера и електролит в третата. Волтметър, свързан към електродите, трябва да показва от 07 волта до 0,9. За да се осигури непрекъсната работа на елемента, е необходимо да се отстрани отработеното гориво (източване в чаша) и добавяне на ново гориво (през гумена тръба). Скоростта на подаване се регулира чрез притискане на тръбата. Ето как изглежда в лабораторни условия работата на една горивна клетка, чиято мощност разбираемо е ниска.

Видео: Горивна клетка или вечна батерия у дома

За да осигурят по-голяма мощност, учените работят по този проблем от дълго време. Активната стомана в процес на разработка съдържа метанол и горивни клетки с етанол. Но, за съжаление, те все още не са приложени на практика.

Защо горивната клетка е избрана като алтернативен източник на енергия

Като алтернативен източник на енергия е избрана горивна клетка, тъй като крайният продукт от изгарянето на водород в нея е вода. Единственият проблем е намирането на евтин и ефективен начин за производство на водород. Огромните средства, инвестирани в разработването на водородни генератори и горивни клетки, не могат да не дадат плод, така че технологичният пробив и тяхното реално използване в Ежедневието, само въпрос на време.

Вече днес чудовищата на автомобилната индустрия: General Motors, Honda, Draimler Coyler, Ballard демонстрират автобуси и автомобили, работещи с горивни клетки, чиято мощност достига 50 kW. Но проблемите, свързани с тяхната безопасност, надеждност и цена, все още не са решени. Както вече споменахме, за разлика от традиционните източници на енергия - батерии и акумулатори, в този случай окислителят и горивото се доставят отвън, а горивната клетка е само посредник в протичащата реакция на изгаряне на гориво и преобразуване на освободената енергия в електричество. „Изгаряне“ възниква само ако елементът подава ток към товара, като дизелов електрически генератор, но без генератор и дизелов двигател, а също и без шум, дим и прегряване. В същото време ефективността е много по-висока, тъй като няма междинни механизми.

Видео: Автомобил с водородни горивни клетки

Големи надежди се възлагат на използването на нанотехнологиите и наноматериалите, което ще помогне за миниатюризиране на горивните клетки, като същевременно ще увеличи тяхната мощност. Има съобщения, че са създадени свръхефективни катализатори, както и проекти за горивни клетки, които нямат мембрани. При тях горивото (например метан) се подава към елемента заедно с окислителя. Интересни решения използват разтворения във въздуха кислород като окислител, а органичните примеси, които се натрупват в замърсените води, се използват като гориво. Това са така наречените биогоривни елементи.

Горивните клетки, според експерти, може да навлязат на масовия пазар през следващите години.

Водородните горивни клетки преобразуват химическата енергия на горивото в електричество, заобикаляйки неефективните процеси на изгаряне и преобразуване на топлинната енергия в механична енергия, които включват големи загуби. Водородната горивна клетка е електрохимиченУстройството директно генерира електричество в резултат на високоефективно „студено“ изгаряне на гориво. Горивната клетка с протонна мембрана за обмен на водород-въздух (PEMFC) е една от най-много обещаващи технологиигоривни клетки.

Преди осем години в Западна Европаоткрити са шест помпи за течен дизел; трябва да са двеста преди края. Далеч сме от хилядите терминали за бързо зареждане, които се излюпват навсякъде, за да насърчат разпространението на електрическо задвижване. И това е мястото, където търкането боли. И по-добре да обявим графена.

Батериите не са казали последната си дума

Има нещо повече от автономност, поради което ограничаването на времето за зареждане забавя приемането на EV. Той обаче припомни в бележка този месец до своите клиенти, че батериите имат ограничение, ограничено до този тип сонда при много високо напрежение. На Томас Брахман ще бъде казано, че все още трябва да бъде изградена мрежа за разпространение на водород. Аргументът е, че той размахва ръката си, припомняйки, че умножаването на терминали за бързо зареждане също е много скъпо, поради голямото напречно сечение на високоволтовите медни кабели. „По-лесно и по-евтино е да транспортирате втечнен водород с камион от заровени резервоари в близост до производствените площадки.“

Протон-проводима полимерна мембрана разделя два електрода - анод и катод. Всеки електрод е въглеродна плоча (матрица), покрита с катализатор. В анодния катализатор молекулярният водород се дисоциира и отдава електрони. Водородните катиони се провеждат през мембраната към катода, но електроните се подават във външната верига, тъй като мембраната не позволява на електроните да преминават.

Водородът все още не е чист вектор на електричество

Що се отнася до цената на самата батерия, която е много чувствителна информация, Томас Брахман не се съмнява, че тя може да бъде значително намалена с увеличаване на ефективността. „Платината е елементът, който струва повече.“ За съжаление почти целият водород идва от изкопаеми енергийни източници. Освен това диводородът е просто вектор на енергия, а не източник, от който се изразходва незначителна част по време на производството му, втечняването му и след това превръщането му в електричество.

В катодния катализатор кислородна молекула се свързва с електрон (който се доставя от електрическата верига) и входящ протон и образува вода, която е единственият продукт на реакцията (под формата на пара и/или течност).

Водородните горивни клетки се използват за направата на мембранно-електродни блокове, които са ключовият генериращ елемент на енергийната система.

Автомобилът на бъдещето се държи като истински

Балансът на батерията е приблизително три пъти по-висок, въпреки загубите поради топлина в драйверите. Уви, автомобилът-чудо няма да излезе по пътищата ни, освен като част от публични демонстрации. Брахман, който ни напомня, че естествената тишина на електрическата кола засилва впечатлението за живот в шумен свят. Въпреки всички трудности педалът на волана и спирачката осигуряват естествена последователност.

Миниатюрна батерия, но с подобрена производителност

Джаджата е видима, централният екран разсейва изображенията на камерата, поставена в дясното огледало, веднага щом се активира мигачът. Повечето от нашите американски клиенти вече не изискват и това ни позволява да поддържаме цените ниски - оправдава се главният инженер, който предлага по-ниска тарифа от. Всъщност си струва да говорим за куп горивни клетки, тъй като има 358, които работят заедно. Основният резервоар, с капацитет 117 литра, е притиснат към задната стена на пейката, предотвратявайки сгъването й, а вторият - 24 литра, е скрит под седалката.

Предимства на водородните горивни клетки в сравнение с традиционните решения:

- повишена специфична енергийна интензивност (500 ÷ 1000 Wh/kg),

- разширен температурен диапазон на работа (-40 0 C / +40 0 C),

- липса на топлинни петна, шум и вибрации,

- надеждност при студен старт,

- практически неограничен период на съхранение на енергия (без саморазреждане),

Първата двутактова горивна клетка

Въпреки компактния си размер, тази нова горивна клетка преобразува дихидрогена в електрически ток по-бързо и по-добре от своя предшественик. Той доставя кислород до пилотните елементи със скорост, считана преди това за несъвместима с тяхната издръжливост. Излишната вода, която преди това е ограничавала дебита, е най-добре да се евакуира. В резултат мощността на елемент се увеличава наполовина, а ефективността достига 60%.

Това се дължи на наличието на 1,7 kWh литиево-йонна батерия – разположена под предните седалки, която позволява подаване на допълнителен ток при силни ускорения. Или прогнозираната автономност е 460 км, идеално съответстваща на това, което производителят твърди.

- възможност за промяна на енергийната интензивност на системата чрез промяна на броя на горивните касети, което осигурява почти неограничена автономност,

Способността да се осигури почти всеки разумен енергиен интензитет на системата чрез промяна на капацитета за съхранение на водород,

- висока енергийна интензивност,

- толерантност към примеси във водорода,

Но хиляди части улесняват въздушния поток и оптимизират охлаждането. Дори повече от своя предшественик, този електрически автомобил показва, че горивната клетка е отпред и в центъра. Голямо предизвикателство за индустрията и нашите лидери. Междувременно е много умен кой ще знае коя горивна клетка или батерия ще надделее.

Горивната клетка е устройство за електрохимично преобразуване на енергия, което може да произвежда електричество под формата на постоянен ток чрез комбиниране на гориво и окислител в химическа реакция за получаване на отпадъчен продукт, обикновено горивен оксид.

- дълъг експлоатационен живот,

- екологичност и тиха работа.

Системи за захранване на базата на водородни горивни клетки за UAV:

Монтаж на горивни клетки на безпилотни превозни средствавместо традиционните батерии, той умножава продължителността на полета и теглото на полезния товар, повишава надеждността на самолета, разширява температурния диапазон на изстрелване и работа на UAV, намалявайки границата до -40 0C. В сравнение с двигателите с вътрешно горене, базираните на горивни клетки системи са безшумни, без вибрации, работят при ниски температури, трудно се откриват по време на полет, не произвеждат вредни емисии и могат ефективно да изпълняват задачи от видеонаблюдение до доставка на полезен товар.

Всяка горивна клетка има два електрода, един положителен, а другият отрицателен, и реакцията, която произвежда електричество, се случва на електродите в присъствието на електролит, който пренася заредени частици от електрод на електрод, докато електроните циркулират във външни проводници, разположени между електродите за създаване на електричество.

Горивната клетка може да генерира електричество непрекъснато, докато се поддържа необходимия поток от гориво и окислител. Някои горивни клетки произвеждат само няколко вата, докато други могат да произвеждат няколкостотин киловата, докато по-малките батерии вероятно ще бъдат намерени в лаптопи и мобилни телефони, но горивните клетки са твърде скъпи, за да се превърнат в малки генератори, използвани за производство на електричество за домове и предприятия.

Състав на системата за захранване на UAV:

Икономически измерения на горивните клетки

Използването на водород като източник на гориво води до значителни разходи. Поради тази причина водородът сега е неикономичен източник, особено защото могат да се използват други по-евтини източници. Разходите за производство на водород могат да варират, тъй като отразяват цената на ресурсите, от които се извлича.

Акумулаторни източници на гориво

Горивните клетки обикновено се класифицират в следните категории: водородни горивни клетки, органични горивни клетки, метални горивни клетки и редокс батерии. Когато водородът се използва като източник на гориво, химическата енергия се преобразува в електричество по време на процеса на обратна хидролиза, за да се произведат само вода и топлина като отпадъци. Водородната горивна клетка е много ниска, но може да има повече или по-малко високо производство на водород, особено ако се произвежда от изкопаеми горива.

• - батерия с горивни клетки,
• - Li-Po буферна батерия за покриване на краткотрайни пикови натоварвания,
• - електронен контролна система ,
• - горивна система, състояща се от цилиндър със сгъстен водород или твърд източник на водород.

Горивната система използва високоякостни леки цилиндри и редуктори, за да осигури максимално снабдяване със сгъстен водород на борда. Разрешено е използването на различни размери на бутилки (от 0,5 до 25 литра) с редуктори, които осигуряват необходимия разход на водород.

Водородните батерии са разделени на две категории: нискотемпературни батерии и високотемпературни батерии, където високотемпературните батерии могат също да използват директно изкопаеми горива. Последните се състоят от въглеводороди като нефт или бензин, алкохол или биомаса.

Други източници на гориво в батериите включват, но не се ограничават до, алкохоли, цинк, алуминий, магнезий, йонни разтвори и много въглеводороди. Други окислители включват, но не се ограничават до въздух, хлор и хлорен диоксид. В момента има няколко вида горивни клетки.

Характеристики на системата за захранване на UAV:

Преносими зарядни устройства, базирани на водородни горивни клетки:

Преносимите зарядни устройства, базирани на водородни горивни клетки, са компактни устройства, сравними по тегло и размери със съществуващите зарядни устройства за батерии, които се използват активно в света.

Вездесъщата преносима технология в съвременния свят редовно се нуждае от презареждане. Традиционните преносими системи са практически безполезни при ниски температури, а след изпълнение на функцията си изискват и презареждане чрез (електрически мрежи), което също намалява тяхната ефективност и автономността на устройството.

Всяка дихидрогенна молекула придобива 2 електрона. Йонът Н се движи от анода към катода и предизвиква електрически ток чрез прехвърляне на електрон. Как могат да изглеждат горивните клетки за самолети? Днес се провеждат тестове на самолети, за да се опитат да ги управляват с помощта на литиево-йонна хибридна батерия с горивни клетки. Истинската полза на горивната клетка се крие в нейната цялост с ниско тегло: тя е по-лека, което помага за намаляване на теглото на самолета и следователно на разхода на гориво.

Но засега летенето на самолет с горивни клетки не е възможно, защото все още има много недостатъци. Изображение на горивна клетка. Какви са недостатъците на горивната клетка? Първо, ако водородът беше обичаен, използването му в големи количества би било проблематично. Наистина го има не само на Земята. Намира се в кислородсъдържаща вода и амоняк. Затова е необходимо водата да се електролизира, за да се получи, а това все още не е широко разпространен метод.

Системите с водородни горивни клетки изискват само смяна на компактна горивна касета, след което устройството веднага е готово за употреба.

Характеристики на преносимите зарядни устройства:

Непрекъсваеми източници на енергия, базирани на водородни горивни клетки:

Системите за гарантирано захранване, базирани на водородни горивни клетки, са предназначени да организират резервно захранване и временно захранване. Гарантираните системи за електрозахранване, базирани на водородни горивни клетки, предлагат значителни предимства пред традиционните решения за организиране на временно и резервно електрозахранване, използващи батерии и дизелови генератори.

Водородът е газ, което го прави труден за задържане и транспортиране. Друг риск, свързан с използването на водород, е рискът от експлозия, тъй като той е запалим газ. това, което захранва батерията за нейното производство в голям мащаб, изисква друг източник на енергия, било то нефт, газ или въглища, или ядрена енергия, което прави нейния екологичен баланс значително по-лош от керосина и прави купчина, платина, метал, който е още по-рядък и по-скъпо от златото.

Горивната клетка осигурява енергия чрез окисляване на горивото на анода и намаляване на окислителя на катода. Откриването на принципа на горивната клетка и първите внедрявания в лабораторията с използване на сярна киселина като електролит се приписват на химика Уилям Гроув.

Характеристики на системата за непрекъсваемо захранване:

Горивна клеткае електрохимично устройство, подобно на галваничния елемент, но се различава от него по това, че веществата за електрохимичната реакция му се подават отвън – за разлика от ограниченото количество енергия, съхранявано в галваничния елемент или батерия.

Наистина, горивните клетки имат някои предимства: тези, които използват дихидроген и диоксид, отделят само водни пари: следователно това е чиста технология. Съществуват няколко вида горивни клетки в зависимост от естеството на електролита, естеството на горивото, пряко или непряко окисляване и работна температура.

Следващата таблица обобщава основните характеристики на тези различни устройства. Няколко европейски програми разглеждат други полимери, като производни на полибензимидазол, които са по-стабилни и по-евтини. Компактността на батерията също е постоянно предизвикателство с мембрани от порядъка на 15-50 микрона, порести въглеродни аноди и биполярни плочи от неръждаема стомана. Продължителността на живота също може да бъде подобрена, тъй като, от една страна, следите от въглероден окис от порядъка на няколко ppm във водорода са истински отрови за катализатора, а от друга страна, контролът на водата в полимера е задължителен.

Ориз. 1. Някои горивни клетки

Горивните клетки преобразуват химическата енергия на горивото в електричество, заобикаляйки неефективните горивни процеси, протичащи с големи загуби. Те превръщат водорода и кислорода в електричество чрез химическа реакция. В резултат на този процес се образува вода и се отделя голямо количество топлина. Горивната клетка е много подобна на батерия, която може да се зарежда и след това да използва съхранената електрическа енергия. За изобретател на горивната клетка се смята Уилям Р. Гроув, който я изобретява през 1839 г. Тази горивна клетка използва разтвор на сярна киселина като електролит и водород като гориво, което се комбинира с кислород в окислител. Доскоро горивните клетки се използваха само в лаборатории и на космически кораби.

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

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

Горивните клетки нямат движещи се части (поне не в самата клетка) и следователно не се подчиняват на закона на Карно. Тоест, те ще имат повече от 50% ефективност и са особено ефективни при ниски натоварвания. По този начин превозните средства с горивни клетки могат да станат (и вече са доказали, че са) по-ефективни от конвенционалните превозни средства в реални условия на шофиране.

Горивната клетка произвежда електрически ток с постоянно напрежение, който може да се използва за задвижване на електрическия мотор, осветлението и други електрически системи в превозното средство.

Има няколко вида горивни клетки, които се различават по използваните химични процеси. Горивните клетки обикновено се класифицират според вида на електролита, който използват.

Някои видове горивни клетки са обещаващи за задвижване на електроцентрали, докато други са обещаващи за преносими устройства или за задвижване на автомобили.

1. Алкални горивни клетки (ALFC)

Алкална горивна клетка- Това е един от първите разработени елементи. Алкалните горивни клетки (AFC) са една от най-изследваните технологии, използвани от средата на 60-те години на ХХ век от НАСА в програмите Аполо и Космическата совалка. На борда на тези космически кораби горивните клетки произвеждат електрическа енергия и питейна вода.

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

Алкалните горивни клетки използват електролит, 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 заряда в SHTE е хидроксилният йон (OH-), движещ се от катода към анода, където реагира с водород, произвеждайки вода и електрони. Водата, произведена на анода, се връща обратно към катода, като отново генерира хидроксилни йони там. В резултат на тази поредица от реакции, протичащи в горивната клетка, се произвежда електричество и, като страничен продукт, топлина:

Реакция на анода: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Реакция на катода: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Обща реакция на системата: 2H2 + O2 => 2H2O

Предимството на SHTE 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, SHTEs работят при относително ниски температури и са сред най-ефективните.

Една от характерните черти на SHTE е неговата висока чувствителност към CO2, който може да се съдържа в горивото или въздуха. CO2 реагира с електролита, бързо го отравя и значително намалява ефективността на горивната клетка. Следователно използването на SHTE е ограничено до затворени пространства, като космически и подводни превозни средства; те работят с чист водород и кислород.

2. Горивни клетки от разтопен карбонат (MCFC)

Горивни клетки с разтопен карбонатен електролитса високотемпературни горивни клетки. Високата работна температура позволява директно използване на природен газ без горивен процесор и горивен газ с ниска калоричност на горивото производствени процесии от други източници. Този процес е разработен в средата на 60-те години на ХХ век. Оттогава производствената технология, производителността и надеждността са подобрени.

Работата на RCFC се различава от другите горивни клетки. Тези клетки използват електролит, направен 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 (CO32-). 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.

Реакция на анода: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Реакция на катода: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Обща реакция на елемента: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(катод) => H2O(g) + CO2(анод)

Високите работни температури на горивните клетки с разтопен карбонатен електролит имат определени предимства. Предимството е възможността за използване на стандартни материали (ламарина от неръждаема стомана и никелов катализатор върху електродите). Отпадната топлина може да се използва за производство на пара под високо налягане. Високите реакционни температури в електролита също имат своите предимства. Използването на високи температури изисква дълго време за постигане на оптимални работни условия, а системата реагира по-бавно на промени в потреблението на енергия. Тези характеристики позволяват използването на инсталации с горивни клетки с разтопен карбонатен електролит при условия на постоянна мощност. Високите температури предотвратяват повреда на горивната клетка от въглероден окис, „отравяне“ и др.

Горивните клетки с разтопен карбонатен електролит са подходящи за използване в големи стационарни инсталации. Произвеждат се комерсиално топлоелектрически централи с изходна електрическа мощност 2,8 MW. Развиват се инсталации с изходна мощност до 100 MW.

3. Горивни клетки с фосфорна киселина (PAFC)

Горивни клетки на базата на фосфорна (ортофосфорна) киселинастанаха първите горивни клетки за търговска употреба. Този процес е разработен в средата на 60-те години на ХХ век, тестове се провеждат от 70-те години на ХХ век. Резултатът беше повишена стабилност и производителност и намалени разходи.

Горивните клетки с фосфорна (ортофосфорна) киселина използват електролит на основата на ортофосфорна киселина (H3PO4) в концентрации до 100%. Йонната проводимост на фосфорната киселина е ниска при ниски температури, така че 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 (PEMFC), в които водородът, подаден към анода, се разделя на протони и електрони. Протоните преминават през електролита и се комбинират с кислорода от въздуха на катода, за да образуват вода. Електроните се изпращат през външна електрическа верига, като по този начин генерират електрически ток. По-долу са реакциите, които генерират електрически ток и топлина.

Реакция на анода: 2H2 => 4H+ + 4e

Реакция на катода: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Обща реакция на елемента: 2H2 + O2 => 2H2O

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

Високата производителност на ТЕЦ, използващи горивни клетки на базата на фосфорна (ортофосфорна) киселина при комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия, е едно от предимствата на този тип горивни клетки. Агрегатите използват въглероден окис с концентрация около 1,5%, което значително разширява избора на гориво. Опростеният дизайн, ниската степен на летливост на електролита и повишената стабилност също са предимства на такива горивни клетки.

В търговската мрежа се произвеждат топлоелектрически централи с изходна електрическа мощност до 400 kW. Инсталациите с мощност 11 MW са преминали съответните тестове. Развиват се инсталации с изходна мощност до 100 MW.

4. Горивни клетки с протонообменна мембрана (PEMFC)

Горивни клетки с протонообменна мембранасе считат за най-добрият тип горивни клетки за генериране на енергия за превозни средства, които могат да заменят бензиновите и дизеловите двигатели с вътрешно горене. Тези горивни клетки бяха използвани за първи път от НАСА за програмата Джемини. Разработени и демонстрирани са инсталации на базата на MOPFC с мощност от 1 W до 2 kW.

Електролитът в тези горивни клетки е твърда полимерна мембрана (тънък слой от пластмаса). Когато е наситен с вода, този полимер позволява на протоните да преминават, 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, а 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. Следните реакции протичат на електродите: Реакция на анода: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e Реакция на катода: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Обща реакция на клетката: 2H2 + O2 => 2H2O В сравнение с други видове горивни клетки, горивни клетки с протонообменна мембрана произвеждат повече енергия 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 няколко, които правят тези горивни клетки основен кандидат за използване в превозни средства.

Друго предимство е, че електролитът е твърд, а не течно вещество. По-лесно е да се задържат газове на катода и анода, като се използва твърд електролит, така че такива горивни клетки са по-евтини за производство. С твърд електролит няма проблеми с ориентацията и по-малко проблеми с корозията, което увеличава дълготрайността на клетката и нейните компоненти.

5. Горивни клетки с твърд оксид (SOFC)

Твърди оксидни горивни клеткиса горивните клетки с най-висока работна температура. Работната температура може да варира от 600°C до 1000°C, което позволява използването на различни видове гориво без специална предварителна обработка. За да се справи с такива високи температури, използваният електролит е тънък твърд метален оксид върху керамична основа, често сплав от итрий и цирконий, който е проводник на кислородни йони (O2-). Технологията за използване на твърди оксидни горивни клетки се развива от края на 50-те години на ХХ век и има две конфигурации: планарна и тръбна.

Твърдият електролит осигурява запечатан 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 (O2-). На катода кислородните молекули от въздуха се разделят на кислороден йон и четири електрона. Кислородните йони преминават през електролита и се свързват с водорода, създавайки четири свободни електрона. Електроните се изпращат през външна електрическа верига, генерирайки електрически ток и отпадна топлина.

Реакция на анода: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Реакция на катода: O2 + 4e- => 2O2-

Обща реакция на елемента: 2H2 + O2 => 2H2O

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

Горивните клетки с твърд оксид работят при много високи температури (600°C-1000°C), което води до значително време, необходимо за достигане на оптимални работни условия и по-бавна реакция на системата към промени в потреблението 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, получени в резултат на газификация на въглища или отпадъчни газове и т.н. Горивната клетка също е отлична за приложения с висока мощност, включително промишлени и големи централни електроцентрали. В търговската мрежа се произвеждат модули с изходна електрическа мощност от 100 kW.

6. Горивни клетки с директно окисление на метанол (DOMFC)

Горивни клетки с директно окисляване на метанолТе се използват успешно в областта на захранването на мобилни телефони, лаптопи, както и за създаване на преносими източници на енергия, към което е насочено бъдещото използване на такива елементи.

Конструкцията на горивни клетки с директно окисление на метанол е подобна на конструкцията на горивни клетки с протонообменна мембрана (MEPFC), т.е. Като електролит се използва полимер, а като носител на заряд се използва водороден йон (протон). Но течният метанол (CH3OH) се окислява в присъствието на вода на анода, освобождавайки CO2, водородни йони и електрони, които се изпращат през външна електрическа верига, като по този начин генерират 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: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eРеакция на катода: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Обща реакция на елемента: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Развитието на такъв горивни клетки се провежда от началото на 90-те години на ХХ век и тяхната специфична мощност и ефективност са увеличени до 40%.

Тези елементи са тествани в температурен диапазон 50-120°C. Поради ниските си работни температури и липсата на необходимост от конвертор, такива горивни клетки са основен кандидат за използване в мобилни телефони и други потребителски продукти, както и в автомобилни двигатели. Предимството им е и малкият им размер.

7. Горивни клетки с полимерен електролит (PEFC)

В случай на горивни клетки с полимерен електролит, полимерната мембрана се състои от полимерни влакна с водни области, в които проводимите водни йони H2O+ (протон, червено) се свързват с водна молекула. Водните молекули представляват проблем поради бавния обмен на йони. Поради това е необходима висока концентрация на вода както в горивото, така и на изходните електроди, което ограничава работната температура до 100°C.

8. Горивни клетки с твърда киселина (SFC)

В горивните клетки с твърда киселина електролитът (CsHSO4) не съдържа вода. Следователно работната температура е 100-300°C. Въртенето на SO42 оксианиони позволява на протоните (червени) да се движат, както е показано на фигурата. Обикновено горивната клетка с твърда киселина е сандвич, в който много тънък слой от твърдо киселинно съединение е поставен между два електрода, които са плътно притиснати един към друг, за да се осигури добър контакт. При нагряване органичният компонент се изпарява, излизайки през порите в електродите, поддържайки способността за множество контакти между горивото (или кислорода в другия край на елемента), електролита и електродите.

9. Сравнение на най-важните характеристики на горивните клетки

Характеристики на горивните клетки

Тип горивна клетка	Работна температура	Ефективност на производството на електроенергия	Тип гориво	Обхват на приложение
				Средни и големи инсталации
			Чист водород	инсталации
			Чист водород	Малки инсталации
			Повечето въглеводородни горива	Малки, средни и големи инсталации
				Преносим инсталации
			Чист водород	пространство изследвани
			Чист водород	Малки инсталации

10. Използване на горивни клетки в автомобили

Описание:

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

Използване на горивни клетки за захранване на сгради

Част 1

Тази статия разглежда по-подробно принципа на работа на горивните клетки, техния дизайн, класификация, предимства и недостатъци, обхват на приложение, 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 енергия (или само захранване).

Водата може да се съхранява дори и в двете посоки както в компресирана, така и в втечнена форма, но това също е киша, като и двете са причинени от значителни технически проблеми. Това се дължи на високото налягане и изключително ниските температури поради втечняването. Поради тази причина, например, стойката за колонка за гориво трябва да бъде проектирана по различен начин от този, с който сме свикнали; краят на линията за пълнене свързва роботизираната ръка с клапан на автомобила. Свързването и пълненето е доста опасно и затова е най-добре да става без човешко присъствие.

Въведение

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

Първоначално използвани само в космическата индустрия, горивните клетки сега намират все по-голямо приложение в различни области - като стационарни електроцентрали, топлинни и електрически източници на сгради, двигатели на превозни средства, захранващи устройства за лаптопи и мобилни телефони. Някои от тези устройства са лабораторни прототипи, някои са подложени на предпроизводствени тестове или се използват за демонстрационни цели, но много модели се произвеждат масово и се използват в търговски проекти.

Такова устройство е в тест на летището в Мюнхен, опитайте да карате тук с отделни коли и автобуси. Големият килограм пробег е страхотен, но на практика той е също толкова важен, колкото колко килограма ще струва и колко място в колата ще заема здрав, изолиран резервоар за гориво. Някои други проблеми с водата: - създаване на сложна въздушна баня - проблем с гаражи, автосервизи и др. - благодарение на малка молекула, която прониква във всяко тясно място, винтове и клапани - компресията и втечняването изискват значителен разход на енергия.

Горивна клетка (електрохимичен генератор) е устройство, което преобразува химическата енергия на горивото (водород) в електрическа енергия директно чрез електрохимична реакция, 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 процесът на работа произвежда минимално количество замърсители и няма силен шум или вибрации.

Специално налягане, компресия и набор от необходими мерки за безопасност имат много добра ценав оценката в края на водата, в сравнение с течните въглеводородни горива, които се произвеждат с помощта на леки контейнери без налягане. Следователно може би много спешни обстоятелства могат да допринесат за неговото наистина ласкателно удоволствие.

В близко бъдеще производителите на автомобили все още търсят по-евтини и относително по-малко опасни течни горива. Горещата стопилка може да бъде метанол, който може да бъде извлечен относително лесно. Основният му и единствен проблем е токсичността, от друга страна, подобно на водата, метанът може да се използва както в двигатели с вътрешно горене, така и в определен тип горивна верига. Освен това има някои предимства при двигателите с вътрешно горене, включително по отношение на емисиите.

От практическа гледна точка горивната клетка прилича на конвенционална волтова батерия. Разликата е, че батерията първоначално 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 да произвежда електрическа енергия (фиг. 1).

В това отношение водата може да се издигне до сравнително неочаквана и все пак способна конкуренция. Горивната клетка е източник на ток, генериран от електрохимична реакция. За разлика от всички познати ни батерии, той получава реагенти и изхвърля отпадъци постоянно, така че за разлика от батерията, той е практически неизчерпаем. Въпреки че има много различни типове, следната диаграма на водородна горивна клетка ни помага да разберем как работи.

Горивото се подава към положителния електрод, където се окислява. O2 кислород навлиза в отрицателния електрод и може да бъде намален.

Дори беше възможно да се разработи горивна клетка, която изгаря директно въглища. Тъй като работата на учените от лабораторията на Лорънс Ливърмор, които успяха да тестват горивна клетка, която директно преобразува въглищата в електричество, може да бъде много важен крайъгълен камък в развитието на енергетиката, ще се спрем на няколко думи. Въглищна почва с размер до 1 микрон се смесва при 750-850 ° C с разтопен литиев, натриев или калиев карбонат.

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

Когато се използва чист водород като гориво, продуктите на реакцията, в допълнение към електрическата енергия, са топлина и вода (или водна пара), т.е. газове, които причиняват замърсяване на въздуха или предизвикват парников ефект, не се отделят в атмосферата. 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 количеството е много по-ниско, отколкото при изгаряне на същото количество природен газ.

След това всичко се прави по стандартния начин съгласно горната диаграма: кислородът във въздуха реагира с въглерод до въглероден диоксид и се освобождава енергия под формата на електричество. Въпреки че познаваме няколко различни вида горивни клетки, всички те работят според описания принцип. Това е един вид контролирано горене. Когато смесим водород с кислород, получаваме смес от делене, която експлодира и образува вода. Енергията се освобождава под формата на топлина. Водородната горивна клетка има същата реакция, продуктът също е вода, но енергията се освобождава като електричество.

Процесът на химическо преобразуване на гориво за производство 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 ограничение за термодинамичната енергийна ефективност за 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.

Голямото предимство на горивната клетка е, че тя произвежда електричество от гориво по един или друг начин директно, без междинна топлинна централа, така че емисиите са по-ниски и ефективността е по-висока. Той достига 70%, като стандартно постигаме 40% преобразуване на въглищата в електричество. Защо не изградим гигантски горивни клетки вместо електроцентрали? Горивната клетка е доста сложно устройство, което работи при високи температури, така че изискванията към електродните материали и самия електролит са високи.

За разлика например от двигателите с вътрешно горене, ефективността на горивните клетки остава много висока дори когато не работят на пълна мощност. В допълнение, мощността на горивните клетки може да се увеличи чрез просто добавяне на отделни единици, докато ефективността не се променя, т.е. големите инсталации са също 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.

Електролитите включват например йонообменни мембрани или проводими керамични материали, или по-скоро скъпи материали, или фосфорна киселина, натриев хидроксид или разтопени карбонати алкални метали, които са много агресивни за промяна на тъканите. Именно тази трудност, след първоначалния ентусиазъм през двадесети век, горивните клетки извън космическата програма не бяха по-значими.

След това интересът отново намаля, когато стана ясно, че по-широкото използване е извън възможностите на технологията по това време. Въпреки това през последните тридесет години развитието не е спряло, появиха се нови материали и концепции и нашите приоритети се промениха - сега обръщаме много повече внимание на опазването на околната среда, отколкото тогава. Следователно преживяваме нещо като ренесанс в горивните клетки, които все повече се използват в много области. По света има 200 такива устройства. Например, те служат като резервно устройство, където повреда в мрежата може да причини сериозни проблеми - например в болници или военни учреждения.

Важно предимство на горивните клетки е тяхната екологичност. Емисиите от горивни клетки са толкова ниски, че в някои райони на Съединените щати тяхната работа не изисква специално одобрение от държавните регулатори на качеството на въздуха.

Горивните клетки могат да бъдат поставени директно в сграда, намалявайки загубите по време на транспортирането на енергия, а топлината, генерирана в резултат на реакцията, може да се използва за доставяне на топлина или топла вода в сградата. Автономните източници на топлина и електричество могат да бъдат много полезни в отдалечени райони и в региони, характеризиращи се с недостиг на електроенергия и висока цена, но в същото време има запаси от водородсъдържащи суровини (петрол, природен газ).

Те се използват на много отдалечени места, където е по-лесно да се транспортира гориво, отколкото да се опъне кабела. Те също могат да започнат да се конкурират с електроцентрали. Това е най-мощният модул, инсталиран в света.

Почти всеки голям производител на автомобили работи върху проект за електрически превозни средства с горивни клетки. Изглежда, че това е много по-обещаваща концепция от конвенционалната електрическа кола с батерии, защото не изисква дълго време за зареждане и необходимата промяна на инфраструктурата не е толкова обширна.

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 относително високата им цена, но този недостатък скоро може да бъде преодолян - все повече компании произвеждат търговски образци на горивни клетки, те непрекъснато се подобряват и цената им намалява.

Нарастващото значение на горивните клетки се илюстрира и от факта, че администрацията на Буш наскоро преосмисли подхода си към автомобилното развитие и средствата, изразходвани за разработване на автомобили с възможно най-добрия пробег, сега се прехвърлят към проекти за горивни клетки. Финансирането на развитието не остава просто в ръцете на държавата.

със сигурност нова концепцияшофирането не се ограничава до леките автомобили, но можем да го намерим и в масовия транспорт. Автобуси с горивни клетки превозват пътници по улиците на няколко града. Наред с автомобилните устройства, на пазара има редица по-малки, като захранвани компютри, видеокамери и мобилни телефони. На снимката виждаме горивна клетка за захранване на алармата за движение.

Най-ефективният начин е използването 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 се разглежда възможността за използване на екологични възобновяеми енергийни източници (например слънчева или вятърна енергия) за разлагане на водата на водород и кислород чрез електролиза и след това преобразуване на полученото гориво в горивна клетка. Такива комбинирани инсталации, работещи в затворен цикъл, могат да представляват напълно екологичен, надежден, издръжлив и ефективен източник на енергия.

Заслужава да се спомене използването на горивни клетки в депата за отпадъци, където те могат да изгарят газови емисии и да помогнат за подобряване на околната среда в допълнение към производството на електричество. В момента работят няколко тестови съоръжения и се подготвя обширна програма за инсталиране на тези съоръжения на 150 тестови места в Съединените щати. Горивните клетки са просто полезни устройства и със сигурност ще ги виждаме все по-често.

Химици са разработили катализатор, който може да замени скъпата платина в горивните клетки. Вместо това той използва около двеста хиляди евтино желязо. Горивните клетки преобразуват химическата енергия в електрическа. Електроните в различните молекули имат различна енергия. Разликата в енергията между една и друга молекула може да се използва като източник на енергия. Просто намерете реакция, при която електроните се движат от по-високо към по-ниско. Такива реакции са основният източник на енергия за живите организми.

Друга характеристика на горивните клетки е, че те са най-ефективни, когато използват едновременно електрическа и топлинна енергия. Не всяко съоръжение обаче има възможност да използва топлинна енергия. Ако горивните клетки се използват само за генериране на електрическа енергия, тяхната ефективност намалява, въпреки че надвишава ефективността на „традиционните“ инсталации.

Най-известният е дишането, което превръща захарите във въглероден диоксид и вода. Във водородна горивна клетка двуатомните водородни молекули се комбинират с кислорода, за да образуват вода. Енергийната разлика между електроните във водорода и водата се използва за генериране на електричество. Водородните клетки са може би най-често използваните за задвижване на автомобили днес. Масивното им разширяване също така предотвратява малките закачки.

За да се осъществи енергийно богата реакция, е необходим катализатор. Катализаторите са молекули, които увеличават вероятността от възникване на реакция. Без катализатор също би могло да работи, но по-рядко или по-бавно. Водородните клетки използват скъпоценна платина като катализатор.

История и съвременна употреба на горивни клетки

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

Същата реакция, която се случва във водородните клетки, се случва и в живите клетки. Ензимите са сравнително големи молекули, съставени от аминокиселини, които могат да се комбинират като тухли Lego. Всеки ензим има така нареченото активно място, където реакцията се ускорява. Молекули, различни от аминокиселините, също често присъстват в активния център.

В случай на водородна киселина това е желязото. Екип от химици, ръководен от Морис Бълок от Тихоокеанската лаборатория на Министерството на енергетиката на САЩ, успя да имитира реакцията в активното място на хидрогениране. Подобно на ензим, хидрогенирането е достатъчно за платина с желязо. Може да раздели 0,66 до 2 водородни молекули в секунда. Разликата в напрежението варира от 160 до 220 хиляди волта. И двата са сравними с настоящите платинени катализатори, използвани във водородни клетки. Реакцията се провежда при стайна температура.

Активното развитие на технологиите за използване на горивни клетки започва след Втората световна война и е свързано с космическата индустрия. По това време течеше търсене на 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 космическите кораби на програмите Аполо (пилотирани полети до Луната), Аполо-Союз, Джемини и Скайлаб. Космическият кораб Apollo използва три инсталации с мощност 1,5 kW (2,2 kW пик), 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 един модул, беше достатъчна за безопасно връщане. По време на 18 полета горивните клетки са работили общо 10 000 часа без никакви повреди. В момента горивните клетки се използват в космическата совалка, която използва три 12 W модула за генериране на цялата електрическа енергия на борда на космическия кораб (фиг. 2). Водата, получена в резултат на електрохимичната реакция, се използва за питейна вода, а също и за охлаждане на оборудване.

Един килограм желязо струва 0,5 CZK. Следователно желязото е 200 хиляди пъти по-евтино от платината. В бъдеще горивните клетки може да са по-евтини. Скъпата платина не е единствената причина те да не се използват, поне не в голям мащаб. Боравенето с него е трудно и опасно.

Ако водородните камери трябва да се използват масово за задвижване на автомобили, те ще трябва да изградят същата инфраструктура като бензина и дизела. Освен това медта е необходима за производството на електрически двигатели, които задвижват автомобили, задвижвани с водород. Това обаче не означава, че горивните клетки са безполезни. Когато има петрол, може би нямаме друг избор, освен да работим с водород.

В нашата страна се работи и по създаването на горивни клетки за използване в космонавтиката. Например горивни клетки са използвани за захранване на съветския космически кораб за 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 протича в няколко посоки. Това е създаването на стационарни електроцентрали на горивни клетки (както за централизирано, така и за децентрализирано енергоснабдяване), електроцентрали за превозни средства (създадени са образци на автомобили и автобуси на горивни клетки, включително в нашата страна) (фиг. 3) и също и захранвания за различни мобилни устройства (преносими компютри, мобилни телефони и др.) (фиг. 4).

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

Един от първите търговски модели на горивни клетки, предназначени за автономно отопление и захранване на сгради, беше PC25 Model A, произведен от ONSI Corporation (сега United Technologies, Inc.). Тази горивна клетка с номинална мощност 200 kW е вид клетка с електролит на базата на фосфорна киселина (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Числото “25” в името на модела означава серийния номер на дизайна. Повечето предишни модели бяха експериментални или тестови единици, като модела 12,5 kW "PC11", представен през 70-те години. Новите модели увеличиха мощността, извлечена от отделна 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 A, това е напълно автоматична 200 kW PAFC горивна клетка, предназначена за инсталиране на място като самостоятелен източник на топлина и енергия. Такава горивна клетка може да бъде инсталирана извън сграда. Външно представлява паралелепипед с дължина 5,5 м, ширина и височина 3 м, тегло 18,140 кг. Разликата от предишните модели е подобрен реформатор и по-висока плътност на тока.

маса 1 Област на приложение на горивните клетки

Регион приложения Номинална мощност Примери за използване Стационарен инсталации 5–250 kW и по-висок Автономни източници на топлинна и електрическа енергия за жилищни, обществени и промишлени сгради, непрекъсваеми захранвания, резервни и аварийни източници на захранване Преносим инсталации 1–50 kW Пътни знаци, товарни и хладилни железопътни камиони, инвалидни колички, колички за голф, космически кораби и сателити Подвижен инсталации 25–150 kW Автомобили (прототипи са създадени например от DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), автобуси (напр. "MAN", "Neoplan", "Renault") и други превозни средства , военни кораби и подводници Микроустройства 1–500 W Мобилни телефони, лаптопи, персонални цифрови асистенти (PDA), различни потребителски електронни устройства, модерни военни устройства

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

Обещаваща посока за използването на горивни клетки е използването им заедно с възобновяеми енергийни източници, например фотоволтаични панели или вятърни електроцентрали. Тази технология ни позволява напълно да избегнем 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 производство на електрическа енергия и. Това ще позволи на сградата да поддържа функционалността на всички системи през облачните дни и през нощта.

Принцип на действие на горивните клетки

Нека разгледаме принципа на работа на горивна клетка, използвайки примера на прост елемент с протонна обменна мембрана (Proton Exchange Membrane, PEM). Такава клетка се състои от полимерна мембрана, поставена между анод (положителен електрод) и катод (отрицателен електрод) заедно с анодни и катодни катализатори. Полимерната мембрана се използва като електролит. Диаграмата на PEM елемента е показана на фиг. 5.

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

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

Анодът и катодът са поставени между две метални пластини, които подават водород и кислород към анода и катода и отвеждат топлина и вода, както и електрическа енергия.

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

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

След това, в резултат на хемосорбция в присъствието на катализатор, водородните атоми, всеки от които отделя 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 други видове горивни клетки (например с киселинен електролит, който използва разтвор на ортофосфорна киселина H 3 PO 4) е абсолютно идентична с химическата реакция в горивна клетка с протонообменна мембрана.

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

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

Количеството електрическа енергия, произведена от горивна клетка, зависи от вида на горивната клетка, геометричните размери, температурата, налягането на газа. Отделна горивна клетка осигурява ЕМП по-малко от 1,16 V. Размерът на горивните клетки може да бъде увеличен, но на практика се използват няколко елемента, свързани в батерии (фиг. 10).

Дизайн на горивни клетки

Нека да разгледаме дизайна на горивна клетка, използвайки PC25 модел C като пример. Диаграмата на горивната клетка е показана на фиг. единадесет.

Горивната клетка PC25 модел C се състои от три основни части: горивен процесор, действителна секция за генериране на енергия и преобразувател на напрежение.

Основната част от горивната клетка, секцията за генериране на електроенергия, е батерия, съставена от 256 отделни горивни клетки. Електродите на горивните клетки съдържат платинен катализатор. Тези клетки произвеждат постоянен електрически ток от 1400 ампера при 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 се постигне това, горивната клетка включва отделна водна верига, а батерията е оборудвана със специални охлаждащи плочи.

Горивният процесор превръща природния газ във водород, 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 водна пара при висока температура (900 °C) и високо налягане в присъствието на никелов катализатор. В този случай протичат следните химични реакции:

CH 4 (метан) + H 2 O 3H 2 + CO

(реакцията е ендотермична, с поглъщане на топлина);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(реакцията е екзотермична, отделя се топлина).

Общата реакция се изразява с уравнението:

CH 4 (метан) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(реакцията е 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 необходимата температура на реформатора.

Парата, необходима за реформинг, се генерира от кондензат, генериран по време на работа на горивната клетка. Това използва топлината, отстранена от батерията на горивните клетки (фиг. 12).

Комплектът горивни клетки произвежда прекъсващ постоянен ток, който е с ниско напрежение и висок ток. Преобразувател на напрежение се използва за преобразуването му в индустриален стандартен променлив ток. 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 горивната енергия може да се преобразува в електрическа енергия. Приблизително същото количество, около 40% от енергията на горивото, може да се преобразува в топлинна енергия, която след това се използва като източник на топлина за отопление, топла вода и 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 неговата автоматична работа. За поддръжка собствениците на съоръжението, където 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 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 (SOFC). В момента най-големият парк от горивни клетки е базиран на технологията PAFC.

Една от ключовите характеристики на различните видове горивни клетки е работната температура. В много отношения температурата е тази, която определя областта на приложение 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 има възможност за използване на топлинна енергия, така че 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 имат висока плътност на мощността, позволяват бързо регулиране на изходната мощност и могат да се включват бързо. Недостатъкът на този тип елемент е високите изисквания за качество на горивото, тъй като замърсеното гориво може да повреди мембраната. Номиналната мощност на този тип горивни клетки е 1-100 kW.

Горивните клетки с протонообменна мембрана първоначално са разработени от General Electric през 60-те години за НАСА. Този тип горивна клетка използва полимерен електролит в твърдо състояние, 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 тяхната простота и надеждност, такива горивни клетки бяха използвани като източник на енергия на пилотирания космически кораб Gemini.

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

таблица 2 Видове горивни клетки

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

Горивни клетки с фосфорна киселина (PAFC)

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

Тези горивни клетки използват разтвор на фосфорна киселина като електролит. Електродите са изработени 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 доста висока температура, е възможно да се използва парата, генерирана в резултат на работа. В този случай общата ефективност може да достигне 80%.

За да се произвежда енергия, съдържащата водород суровина трябва да се преобразува в чист водород чрез процес на реформиране. Например, ако бензинът се използва като гориво, е необходимо да се отстранят съединенията, съдържащи сяра, тъй като сярата може да повреди платиновия катализатор.

Горивните клетки PAFC бяха първите комерсиални горивни клетки, използвани икономично. 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 топлинна и електрическа енергия в полицейския участък в Central Park в Ню Йорк или като допълнителен източник на енергия в Conde Nast Building & Four Times Square. Най-голямата инсталация от този тип се тества като 11 MW електроцентрала, разположена в Япония.

Горивните клетки с 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 използването на отделен реформатор. Този процес беше наречен „вътрешна реформа“. Това дава възможност за значително опростяване на 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 топлинна и електрическа енергия. Те обаче се характеризират 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 приблизително 650 °C. При тези условия солите са в разтопено състояние, образувайки електролит. На анода водородът реагира 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 известния английски писател и учен от 17 век, работи с тези клетки, поради което горивните клетки MCFC понякога се наричат ​​клетки на Бейкън. В програмите на НАСА Аполо, Аполо-Союз и Сцилаб тези горивни клетки са използвани като източник на енергия (фиг. 14). През същите тези години военното ведомство на САЩ тества няколко проби от MCFC горивни клетки, произведени от Texas Instruments, които използват военен бензин като гориво. В средата на 70-те години Министерството на енергетиката на САЩ започна изследвания за създаване на стационарна горивна клетка от разтопен карбонат, подходяща за практически приложения. През 90-те години на миналия век бяха въведени редица търговски инсталации с номинална мощност до 250 kW, например в американската военновъздушна база Miramar в Калифорния. През 1996 г. FuelCell Energy, Inc. стартира предпроизводствен завод с мощност 2 MW в Санта Клара, Калифорния.

Оксидни горивни клетки в твърдо състояние (SOFC)

Твърдотелните оксидни горивни клетки са прости по дизайн и работят при много високи температури - 700-1000 °C. Такива високи температури позволяват използването на относително „мръсно“, нерафинирано гориво. Същите характеристики като тези на горивните клетки на базата на разтопен карбонат обуславят сходна област на приложение - големи стационарни източници на топлинна и електрическа енергия.

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 използваният електролит е смес от циркониев оксид и калциев оксид, но могат да се използват и други оксиди. Електролитът образува кристална решетка, покрита от двете страни с порест електроден материал. Структурно такива елементи са направени под формата на тръби или плоски дъски, което позволява да се използват 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, което ги прави изгодни 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 отделя от природния газ директно в клетката, т.е. няма нужда от отделен риформинг.

Теоретичните основи за създаването на твърдотелни оксидни горивни клетки са положени в края на 30-те години на миналия век, когато швейцарските учени Emil Bauer и H. Preis експериментират с цирконий, итрий, церий, лантан и волфрам, използвайки ги 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 търговски модел на тръбна твърдотелна оксидна горивна клетка, която се очаква да бъде налична 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.

SOFC горивните клетки са показали много висока надеждност. Например прототип на горивна клетка, произведен от Siemens Westinghouse, е постигнал 16 600 часа работа и продължава да работи, което я прави най-дългият непрекъснат живот на горивната 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 електроенергия. Първата подобна хибридна инсталация 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.

Горивна клеткае електрохимично устройство, подобно на галваничния елемент, но се различава от него по това, че веществата за електрохимичната реакция му се подават отвън – за разлика от ограниченото количество енергия, съхранявано в галваничния елемент или батерия.

Ориз. 1. Някои горивни клетки

Горивните клетки преобразуват химическата енергия на горивото в електричество, заобикаляйки неефективните горивни процеси, протичащи с големи загуби. Те превръщат водорода и кислорода в електричество чрез химическа реакция. В резултат на този процес се образува вода и се отделя голямо количество топлина. Горивната клетка е много подобна на батерия, която може да се зарежда и след това да използва съхранената електрическа енергия. За изобретател на горивната клетка се смята Уилям Р. Гроув, който я изобретява през 1839 г. Тази горивна клетка използва разтвор на сярна киселина като електролит и водород като гориво, което се комбинира с кислород в окислител. Доскоро горивните клетки се използваха само в лаборатории и на космически кораби.

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

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

Горивните клетки нямат движещи се части (поне не в самата клетка) и следователно не се подчиняват на закона на Карно. Тоест, те ще имат повече от 50% ефективност и са особено ефективни при ниски натоварвания. По този начин превозните средства с горивни клетки могат да станат (и вече са доказали, че са) по-ефективни от конвенционалните превозни средства в реални условия на шофиране.

Горивната клетка произвежда електрически ток с постоянно напрежение, който може да се използва за задвижване на електрическия мотор, осветлението и други електрически системи в превозното средство.

Има няколко вида горивни клетки, които се различават по използваните химични процеси. Горивните клетки обикновено се класифицират според вида на електролита, който използват.

Някои видове горивни клетки са обещаващи за задвижване на електроцентрали, докато други са обещаващи за преносими устройства или за задвижване на автомобили.

1. Алкални горивни клетки (ALFC)

Алкална горивна клетка- Това е един от първите разработени елементи. Алкалните горивни клетки (AFC) са една от най-изследваните технологии, използвани от средата на 60-те години на ХХ век от НАСА в програмите Аполо и Космическата совалка. На борда на тези космически кораби горивните клетки произвеждат електрическа енергия 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, 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 заряда в SHTE е хидроксилният йон (OH-), движещ се от катода към анода, където реагира с водород, произвеждайки вода и електрони. Водата, произведена на анода, се връща обратно към катода, като отново генерира хидроксилни йони там. В резултат на тази поредица от реакции, протичащи в горивната клетка, се произвежда електричество и, като страничен продукт, топлина:

Реакция на анода: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Реакция на катода: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Обща реакция на системата: 2H2 + O2 => 2H2O

Предимството на SHTE 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, SHTEs работят при относително ниски температури и са сред най-ефективните.

Една от характерните черти на SHTE е неговата висока чувствителност към CO2, който може да се съдържа в горивото или въздуха. CO2 реагира с електролита, бързо го отравя и значително намалява ефективността на горивната клетка. Следователно използването на SHTE е ограничено до затворени пространства, като космически и подводни превозни средства; те работят с чист водород и кислород.

2. Горивни клетки от разтопен карбонат (MCFC)

Горивни клетки с разтопен карбонатен електролитса високотемпературни горивни клетки. Високата работна температура позволява директно използване на природен газ без горивен процесор и нискокалоричен горивен газ от промишлени процеси и други източници. Този процес е разработен в средата на 60-те години на ХХ век. Оттогава производствената технология, производителността и надеждността са подобрени.

Работата на RCFC се различава от другите горивни клетки. Тези клетки използват електролит, направен 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 (CO32-). 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.

Реакция на анода: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Реакция на катода: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Обща реакция на елемента: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(катод) => H2O(g) + CO2(анод)

Високите работни температури на горивните клетки с разтопен карбонатен електролит имат определени предимства. Предимството е възможността за използване на стандартни материали (ламарина от неръждаема стомана и никелов катализатор върху електродите). Отпадната топлина може да се използва за производство на пара под високо налягане. Високите реакционни температури в електролита също имат своите предимства. Използването на високи температури изисква дълго време за постигане на оптимални работни условия, а системата реагира по-бавно на промени в потреблението на енергия. Тези характеристики позволяват използването на инсталации с горивни клетки с разтопен карбонатен електролит при условия на постоянна мощност. Високите температури предотвратяват повреда на горивната клетка от въглероден окис, „отравяне“ и др.

Горивните клетки с разтопен карбонатен електролит са подходящи за използване в големи стационарни инсталации. Произвеждат се комерсиално топлоелектрически централи с изходна електрическа мощност 2,8 MW. Развиват се инсталации с изходна мощност до 100 MW.

3. Горивни клетки с фосфорна киселина (PAFC)

Горивни клетки на базата на фосфорна (ортофосфорна) киселинастанаха първите горивни клетки за търговска употреба. Този процес е разработен в средата на 60-те години на ХХ век, тестове се провеждат от 70-те години на ХХ век. Резултатът беше повишена стабилност и производителност и намалени разходи.

Горивните клетки с фосфорна (ортофосфорна) киселина използват електролит на основата на ортофосфорна киселина (H3PO4) в концентрации до 100%. Йонната проводимост на фосфорната киселина е ниска при ниски температури, така че 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 (PEMFC), в които водородът, подаден към анода, се разделя на протони и електрони. Протоните преминават през електролита и се комбинират с кислорода от въздуха на катода, за да образуват вода. Електроните се изпращат през външна електрическа верига, като по този начин генерират електрически ток. По-долу са реакциите, които генерират електрически ток и топлина.

Реакция на анода: 2H2 => 4H+ + 4e

Реакция на катода: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Обща реакция на елемента: 2H2 + O2 => 2H2O

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

Високата производителност на ТЕЦ, използващи горивни клетки на базата на фосфорна (ортофосфорна) киселина при комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия, е едно от предимствата на този тип горивни клетки. Агрегатите използват въглероден окис с концентрация около 1,5%, което значително разширява избора на гориво. Опростеният дизайн, ниската степен на летливост на електролита и повишената стабилност също са предимства на такива горивни клетки.

В търговската мрежа се произвеждат топлоелектрически централи с изходна електрическа мощност до 400 kW. Инсталациите с мощност 11 MW са преминали съответните тестове. Развиват се инсталации с изходна мощност до 100 MW.

4. Горивни клетки с протонообменна мембрана (PEMFC)

Горивни клетки с протонообменна мембранасе считат за най-добрият тип горивни клетки за генериране на енергия за превозни средства, които могат да заменят бензиновите и дизеловите двигатели с вътрешно горене. Тези горивни клетки бяха използвани за първи път от НАСА за програмата Джемини. Разработени и демонстрирани са инсталации на базата на MOPFC с мощност от 1 W до 2 kW.

Електролитът в тези горивни клетки е твърда полимерна мембрана (тънък слой от пластмаса). Когато е наситен с вода, този полимер позволява на протоните да преминават, 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, а 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. Следните реакции протичат на електродите: Реакция на анода: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e Реакция на катода: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Обща реакция на клетката: 2H2 + O2 => 2H2O В сравнение с други видове горивни клетки, горивни клетки с протонообменна мембрана произвеждат повече енергия 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 няколко, които правят тези горивни клетки основен кандидат за използване в превозни средства.

Друго предимство е, че електролитът е твърдо вещество, а не течност. По-лесно е да се задържат газове на катода и анода, като се използва твърд електролит, така че такива горивни клетки са по-евтини за производство. С твърд електролит няма проблеми с ориентацията и по-малко проблеми с корозията, което увеличава дълготрайността на клетката и нейните компоненти.

5. Горивни клетки с твърд оксид (SOFC)

Твърди оксидни горивни клеткиса горивните клетки с най-висока работна температура. Работната температура може да варира от 600°C до 1000°C, което позволява използването на различни видове гориво без специална предварителна обработка. За да се справи с такива високи температури, използваният електролит е тънък твърд метален оксид върху керамична основа, често сплав от итрий и цирконий, който е проводник на кислородни йони (O2-). Технологията за използване на твърди оксидни горивни клетки се развива от края на 50-те години на ХХ век и има две конфигурации: планарна и тръбна.

Твърдият електролит осигурява запечатан 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 (O2-). На катода кислородните молекули от въздуха се разделят на кислороден йон и четири електрона. Кислородните йони преминават през електролита и се свързват с водорода, създавайки четири свободни електрона. Електроните се изпращат през външна електрическа верига, генерирайки електрически ток и отпадна топлина.

Реакция на анода: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Реакция на катода: O2 + 4e- => 2O2-

Обща реакция на елемента: 2H2 + O2 => 2H2O

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

Горивните клетки с твърд оксид работят при много високи температури (600°C-1000°C), което води до значително време, необходимо за достигане на оптимални работни условия и по-бавна реакция на системата към промени в потреблението 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, получени в резултат на газификация на въглища или отпадъчни газове и т.н. Горивната клетка също е отлична за приложения с висока мощност, включително промишлени и големи централни електроцентрали. В търговската мрежа се произвеждат модули с изходна електрическа мощност от 100 kW.

6. Горивни клетки с директно окисление на метанол (DOMFC)

Горивни клетки с директно окисляване на метанолТе се използват успешно в областта на захранването на мобилни телефони, лаптопи, както и за създаване на преносими източници на енергия, към което е насочено бъдещото използване на такива елементи.

Конструкцията на горивни клетки с директно окисление на метанол е подобна на конструкцията на горивни клетки с протонообменна мембрана (MEPFC), т.е. Като електролит се използва полимер, а като носител на заряд се използва водороден йон (протон). Но течният метанол (CH3OH) се окислява в присъствието на вода на анода, освобождавайки CO2, водородни йони и електрони, които се изпращат през външна електрическа верига, като по този начин генерират 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: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eРеакция на катода: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Обща реакция на елемента: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Развитието на такъв горивни клетки се провежда от началото на 90-те години на ХХ век и тяхната специфична мощност и ефективност са увеличени до 40%.

Тези елементи са тествани в температурен диапазон 50-120°C. Поради ниските си работни температури и липсата на необходимост от конвертор, такива горивни клетки са основен кандидат за използване в мобилни телефони и други потребителски продукти, както и в автомобилни двигатели. Предимството им е и малкият им размер.

7. Горивни клетки с полимерен електролит (PEFC)

В случай на горивни клетки с полимерен електролит, полимерната мембрана се състои от полимерни влакна с водни области, в които проводимите водни йони H2O+ (протон, червено) се свързват с водна молекула. Водните молекули представляват проблем поради бавния обмен на йони. Поради това е необходима висока концентрация на вода както в горивото, така и на изходните електроди, което ограничава работната температура до 100°C.

8. Горивни клетки с твърда киселина (SFC)

В горивните клетки с твърда киселина електролитът (CsHSO4) не съдържа вода. Следователно работната температура е 100-300°C. Въртенето на SO42 оксианиони позволява на протоните (червени) да се движат, както е показано на фигурата. Обикновено горивната клетка с твърда киселина е сандвич, в който много тънък слой от твърдо киселинно съединение е поставен между два електрода, които са плътно притиснати един към друг, за да се осигури добър контакт. При нагряване органичният компонент се изпарява, излизайки през порите в електродите, поддържайки способността за множество контакти между горивото (или кислорода в другия край на елемента), електролита и електродите.

9. Сравнение на най-важните характеристики на горивните клетки

Характеристики на горивните клетки

Тип горивна клетка	Работна температура	Ефективност на производството на електроенергия	Тип гориво	Обхват на приложение
				Средни и големи инсталации
			Чист водород	инсталации
			Чист водород	Малки инсталации
			Повечето въглеводородни горива	Малки, средни и големи инсталации
				Преносим инсталации
			Чист водород	пространство изследвани
			Чист водород	Малки инсталации

10. Използване на горивни клетки в автомобили

Горивната клетка е електрохимично устройство за преобразуване на енергия, което превръща водорода и кислорода в електричество чрез химическа реакция. В резултат на този процес се образува вода и се отделя голямо количество топлина. Горивната клетка е много подобна на батерия, която може да се зарежда и след това да използва съхранената електрическа енергия.
Уилям Р. Гроув се смята за изобретател на горивната клетка, който я изобретява през 1839 г. В тази горивна клетка разтвор на сярна киселина е използван като електролит, а водородът е използван като гориво, което е комбинирано с кислород в окислител. Трябва да се отбележи, че доскоро горивните клетки се използваха само в лаборатории и на космически кораби.
В бъдеще горивните клетки ще могат да се конкурират с много други системи за преобразуване на енергия (включително газови турбини в електроцентрали), двигатели с вътрешно горене в автомобили и електрически батерии в преносими устройства. Двигателите с вътрешно горене изгарят гориво и използват налягането, създадено от разширяването на горивните газове, за да извършват механична работа. Батериите съхраняват електрическа енергия, след което я преобразуват в химическа енергия, която може да бъде преобразувана обратно в електрическа енергия, ако е необходимо. Горивните клетки са потенциално много ефективни. През 1824 г. френският учен Карно доказва, че циклите компресия-разширение на двигател с вътрешно горене не могат да осигурят ефективност на преобразуване на топлинната енергия (която е химическата енергия на изгаряне на гориво) в механична енергия над 50%. Горивната клетка няма движещи се части (поне не в самата клетка) и следователно те не се подчиняват на закона на Карно. Естествено, те ще имат повече от 50% ефективност и са особено ефективни при ниски натоварвания. По този начин превозните средства с горивни клетки са готови да станат (и вече са доказали, че са) по-ефективни от конвенционалните превозни средства в реални условия на шофиране.
Горивната клетка произвежда електрически ток с постоянно напрежение, който може да се използва за задвижване на електрическия мотор, осветлението и други електрически системи в превозното средство. Има няколко вида горивни клетки, които се различават по използваните химични процеси. Горивните клетки обикновено се класифицират според вида на електролита, който използват. Някои видове горивни клетки са обещаващи за задвижване на електроцентрали, докато други могат да бъдат полезни за малки преносими устройства или за захранване на автомобили.
Алкалната горивна клетка е една от първите разработени клетки. Те се използват в американската космическа програма от 60-те години на миналия век. Такива горивни клетки са много податливи на замърсяване и следователно изискват много чист водород и кислород. Те също са много скъпи, което означава, че този тип горивни клетки вероятно няма да се използват широко в автомобилите.
Горивните клетки на базата на фосфорна киселина могат да намерят приложение в стационарни инсталации с ниска мощност. Те работят при доста високи температури и поради това отнемат много време за загряване, което също ги прави неефективни за използване в автомобили.
Горивните клетки с твърд оксид са по-подходящи за големи стационарни генератори на електроенергия, които биха могли да доставят енергия на фабрики или общности. Този тип горивна клетка работи при много високи температури (около 1000 °C). Високата работна температура създава известни проблеми, но от друга страна има предимство - парата, произведена от горивната клетка, може да бъде изпратена към турбини за генериране на повече електричество. Като цяло, това подобрява общата ефективност на системата.
Една от най-обещаващите системи е горивната клетка с протонна обменна мембрана (PEMFC - Protone Exchange Membrane Fuel Cell). В момента този тип горивни клетки е най-обещаващият, тъй като може да задвижва автомобили, автобуси и други превозни средства.

Химични процеси в горивна клетка

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

Диаграма на горивна клетка с протонообменна мембрана:
1 - анод;
2 - протонообменна мембрана (PEM);
3 - катализатор (червен);
4 - катод

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

Едноклетъчна горивна клетка

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

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

NECAR V е базиран на автомобил Mercedes-Benz A-класа, като цялата електроцентрала, заедно с горивните клетки, са разположени под пода на автомобила. Това дизайнерско решение дава възможност за настаняване на четирима пътници и багаж в колата. Тук не водородът, а метанолът се използва като гориво за автомобила. Метанолът, с помощта на реформатор (устройство, което превръща метанола във водород), се превръща във водород, необходим за захранване на горивната клетка. Използването на реформатор на борда на автомобил прави възможно използването на почти всякакви въглеводороди като гориво, което ви позволява да зареждате автомобил с горивни клетки, като използвате съществуващата мрежа от бензиностанции. На теория горивните клетки не произвеждат нищо друго освен електричество и вода. Преобразуването на гориво (бензин или метанол) във водород, необходимо за горивна клетка, донякъде намалява екологичната привлекателност на такъв автомобил.
Honda, която се занимава с горивни клетки от 1989 г., произведе малка партида превозни средства Honda FCX-V4 през 2003 г. с горивни клетки за протонен обмен на мембрана Ballard. Тези горивни клетки генерират 78 kW електрическа мощност, а тягови електрически двигатели с мощност от 60 kW и въртящ момент от 272 Nm се използват за задвижване на задвижващите колела.Колата с горивни клетки, в сравнение с традиционната кола, има тегло приблизително 40% по-малко, което му гарантира отлична динамика, а захранването със сгъстен водород му позволява да измине до 355 км.

Honda FCX използва електрическа енергия, генерирана от горивни клетки за шофиране.
Honda FCX е първото в света превозно средство с горивни клетки, което получава държавен сертификат в Съединените щати. Автомобилът е сертифициран по стандартите ZEV - Zero Emission Vehicle. Honda все още няма да продава тези автомобили, но наема около 30 автомобила на лизинг. Калифорния и Токио, където вече съществува инфраструктура за зареждане с водород.

Концептуалният автомобил Hy Wire на General Motors има задвижваща система с горивни клетки

General Motors провежда задълбочени изследвания в разработването и създаването на превозни средства с горивни клетки.

Автомобилно шаси Hy Wire

Концептуалният автомобил GM Hy Wire получи 26 патента. Основата на автомобила е функционална платформа с дебелина 150 мм. Вътре в платформата има водородни бутилки, електроцентрала с горивни клетки и системи за управление на превозното средство Най-новите технологииелектронно управление чрез кабел. Шасито на превозното средство Hy Wire е тънка платформа, която съдържа всички основни елементи от конструкцията на превозното средство: резервоари за водород, горивни клетки, батерии, електрически двигатели и системи за управление. Този подход към дизайна дава възможност за смяна на каросерията на автомобилите по време на работа.Компанията също така тества прототипи на автомобили Opel с горивни клетки и проектира завод за производство на горивни клетки.

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

BMW обръща голямо внимание на проблема с използването на водород като гориво за автомобили. Заедно с Magna Steyer, известна с работата си по използването на втечнен водород в изследването на космоса, BMW разработи резервоар за гориво за втечнен водород, който може да се използва в автомобили.

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

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

Първият в света сериен автомобил с горивна клетка вместо батерия

През 2003 г. BMW обяви производството на първия сериен автомобил с горивна клетка, BMW 750 hL. Използва се батерия с горивни клетки вместо традиционна батерия. Този автомобил има 12-цилиндров двигател с вътрешно горене, работещ с водород, а горивната клетка служи като алтернатива на конвенционалната батерия, позволявайки на климатика и другите електрически консуматори да работят, когато колата е паркирана за дълги периоди без двигател.

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

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

Хоризонт: Нулева зора | 2017-03-14

В Horizon: Zero Dawn можете да намерите 5 горивни клетки, за да завършите мисията Античен арсеналза които дават Щит Уивър- най-добрият комплект броня в играта.

Horizon: Zero Dawn - къде да намерите горивни клетки

Ще намерите първото си захранване в началото на играта. Трябва да отидете на Разруха, която Алой помни от детството. Тази точка е маркирана на картата със зелен маркер и трябва да се насочите към нея. Можете да влезете в руините през малка дупка в земята. Вашата задача е да слезете на първо ниво.

Почти невъзможно е да се изгубите сред руините, но бъдете изключително внимателни. Понякога ще трябва да слезете по стълбите, да намерите врати и да счупите сталактити.

Горивната клетка е на масата и има зелена икона.

Вторият елемент може да бъде намерен следзавършване на мисията "Сърцето на Нора". В началото ще намерите врата с ключ, използвайте я, отключете вратата и продължете по пътя си. Завийте надясно и последвайте вратата, която е отпред.

След това ще намерите холо ключалка, която няма да можете да отворите. Вляво от него можете да видите дупка със свещи вътре. Движете се в тази посока и скоро ще намерите елемент, който лежи на земята.

Третият елемент може да бъде намерен по време на мисията "Майсторски лимит". Една от задачите на мисията ще бъде изкачването на висока сграда. И веднъж на върха, ще получите нова задача - да намерите информация в офиса на Фаро.

Когато стигнете до правилното място, не следвайте напред. Обърнете се и се изкачете по стената отпред. След като намерите горивна клетка, можете да я поставите в инвентара си и да продължите да изпълнявате задачата.

Четвърта горивна клетка

Четвъртият елемент може да бъде намерен по време на мисията "Съкровището на смъртта". След като разрешите проблема с холо-заключването, отидете на третия етаж, следвайте стълбите и скоро ще намерите правилното място. Вляво в коридора ще има врата с холо-заключване. В тази стая е горивната клетка.

Петият елемент може да бъде намерен по време на мисията "Падналата планина". В определен момент ще се озовете в огромна пещера, след което не трябва да слизате до самото дъно. Обърнете се и ще видите скала пред вас, която трябва да изкачите. На върха ще видите тунел с лилаво сияние, влезте в него и го последвайте до самия край. Захранващата клетка ще ви чака на рафта.

Съвсем скоро (по-точно в началото на своето завладяващо приключение) главната героиня ще се натъкне на бункера Предтеча, който се намира съвсем близо до земите на племето Нора. Вътре в този древен бункер, зад мощна и високотехнологична врата, ще има броня, която от разстояние изглежда не само прилична, но и много привлекателна. Бронята се нарича "Shield Weaver" и всъщност е най-доброто оборудване в играта. Ето защо веднага възникват много въпроси: „Как да намеря и получа бронята на 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 клетки за решаване на пъзели по време на търсенето и в Древния арсенал.

: Представеното ръководство не само съдържа подробен текстов преглед, но и екранни снимки са прикрепени към всяка горивна клетка, а в края има видео. Всичко това е създадено, за да улесни вашето търсене, така че ако някоя точка в текстовия пасаж не е ясна, тогава препоръчвам да гледате екранните снимки и видеоклипа.

. Първо гориво - "Майчино сърце"

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

И така, Алой ще може да намери първата горивна клетка (или по-просто казано гориво) много преди да влезе в отворения свят по заданието „Утробата на майката“. Въпросът е, че след задачата „Инициация“ (която, между другото, се отнася и за сюжетна линия) главният герой ще се озове на място, наречено „Сърцето на майката“, което е свещено място за племето Нора и обиталище на Матриарсите.

Веднага след като момичето стане от леглото, последователно преминете през няколко стаи (стаи), където в една от тях ще се натъкнете на запечатана врата, която просто не можете да отворите. В този момент силно препоръчвам да се огледате, защото до героинята (или близо до вратите - което е по-удобно) има вентилационна шахта, украсена с горящи свещи (като цяло това е мястото, където трябва да отидете) .

След като преминете определена част от пътя покрай вентилационната шахта, героинята ще се озове зад заключена врата. Погледнете пода до стенния блок и свещите с мистериозна цел - първата горивна клетка се намира на това място.

: Не забравяйте да запомните, че ако не вземете първата горивна клетка, преди да влезете в отворения свят, след това ще можете да стигнете до това място само в по-късните етапи на преминаването. Но за да бъда по-точен, след завършване на мисията „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 второто гориво: главният герой вече е бил на това място, когато е паднал в руини преди много време като дете (в самото начало на играта). Така че след като завършите задачата „Посвещение“, ще трябва да си спомните дълбокото си детство и да слезете до това място още веднъж, за да получите втората горивна клетка.

По-долу има няколко снимки (екранни снимки). Първата снимка показва входа на руините (в червено). Вътре в руините ще трябва да стигнете до първото ниво - това е долната дясна зона, която ще бъде подчертана в лилаво на 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 и завийте надясно при първа възможност: в дълбоката си младост Алой не можеше да пълзи през сталактитите, но сега има полезни „играчки“, които могат да се справят с всяка задача . Така че, извадете копието си и го използвайте, за да счупите сталактитите. Скоро пътят ще бъде свободен, така че всичко, което остава, е да вземете горивната клетка, която лежи на масата, и да отидете за следващата. Ако някой момент от преминаването не е ясен, екранните снимки са приложени по-долу по ред.

. Трето гориво - "Master's Limit"

Къде и как да намеря третата горивна клетка - място за гориво.

Време е да тръгнем на север. По време на куеста „Граница на господаря“ Алой ще трябва внимателно да проучи и проучи гигантските руини на Предшествениците. Така че в тези руини на дванадесетото ниво ще бъде скрита следващата, трета горивна клетка.

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 на върха ще има трети елемент на гориво: без пъзели, без загадки или тайни. Така че вземете горивото, слезте долу и продължете напред.

. Четвърто гориво - „Съкровището на смъртта“

Къде и как да намеря четвъртата горивна клетка - местоположение на горивото.

Добрата новина е, че тази горивна клетка също се намира в северната част на картата Horizon: Zero Dawn, но е малко по-близо до земите на племето Нора. Главният герой отново ще се озове в тази част от картата по време 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. Освен това, за да направите това, ще трябва да решите малък и не твърде сложен пъзел. Пъзелът включва блокове и регулатори (има два блока от четири регулатора на нивото под вратите). Така че, като начало, препоръчвам ви 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 два регулатора, но третият и четвъртият регулатор ще трябва да бъдат намалени. Затова отидете едно ниво нагоре - тук е последният блок от регулатори. Правилният ред би бил: 1 - нагоре, 2 - надолу, 3 - наляво, 4 - надясно.

След като направите всичко правилно, контролите ще променят цвета си от бял на тюркоазен. Така захранването ще бъде възстановено. Затова се върнете при вратите и ги отворете. Пред вратите героинята ще бъде „посрещната“ от предпоследната горивна клетка, за да може да отиде за следващото, последно гориво.

. Пето гориво - "GAIA Prime"

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

Най-накрая последната горивна клетка. И отново, той може да бъде получен само по време на преминаването на сюжетната линия. Този път главният герой ще трябва да отиде до руините, наречени „GAIA Prime“. Това е мястото, където трябва да обърнете специално внимание, когато се окажете близо до третото ниво. Въпросът е, че в определен момент момичето ще се изправи пред привлекателна пропаст, в която може да се спусне с помощта на въже, въпреки че не трябва да отива там.

Преди бездната трябва да завиете наляво и първо да изследвате пещера, скрита от погледа: можете да влезете в нея, ако внимателно слезете по склона на планината. Влезте вътре и след това продължете напред до самия край. В последната стая в стаята от дясната страна ще има рафт, на който най-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 луксозно оборудване.

. Как да влезете в Древния арсенал?

Е, сега остава само да се върнете в Античния арсенал, за да получите 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 слезете надолу, поставете горивните клетки в празните клетки. Това ще накара регулаторите да светнат, така че има нов пъзел за решаване, за да отворите вратите. И така, първият регулатор трябва да бъде насочен нагоре, вторият - надясно, третият - надолу, четвъртият - наляво, петият - нагоре. След като направите всичко както трябва, вратите ще се отворят, но това далеч не е приключило.

След това трябва да отключите ключалката (или закопчалките) на бронята - това е друг прост пъзел, свързан с регулаторите, 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 цялото това дълго мъчение, ще бъде възможно да вземете бронята. „Shield Weaver“ е много добро оборудване, което прави главния герой практически 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 го няма.

Те управляват космическия кораб на Националната аеронавтика и космическото управление на САЩ (НАСА). Те осигуряват захранване на компютрите на Първата национална банка в Омаха. Те се използват в някои обществени градски автобуси в Чикаго.

Всичко това са горивни клетки. Горивните клетки са електрохимични устройства, които произвеждат електричество без изгаряне - химически, почти по същия начин като батериите. Единствената разлика е, че използват различни химически вещества, водород и кислород, а продуктът на химичната реакция е вода. Природният газ също може да се използва, но когато се използват въглеводородни горива, разбира се, определено ниво на емисии на въглероден диоксид е неизбежно.

Тъй като горивните клетки могат да работят с висока ефективност и без вредни емисии, те имат голямо обещание като устойчив източник на енергия, който ще помогне за намаляване на емисиите на парникови газове и други замърсители. Основната пречка за широкото използване на горивните клетки е тяхната висока цена в сравнение с други устройства, които генерират електричество или задвижват превозни средства.

История на развитието

Първите горивни клетки са демонстрирани от сър Уилям Гроувс през 1839 г. Гроувс показва, че процесът на електролиза - разделянето на водата на водород и кислород под въздействието на електрически ток - е обратим. Тоест, водородът и кислородът могат да се комбинират химически, за да образуват електричество.

След като това беше демонстрирано, много учени се втурнаха да изучават горивните клетки с усърдие, но изобретяването на двигателя с вътрешно горене и развитието на инфраструктурата за нефтени резерви през втората половина на деветнадесети век оставиха развитието на горивните клетки далеч назад. Развитието на горивните клетки беше допълнително възпрепятствано от високата им цена.

Скок в развитието на горивните клетки настъпи през 50-те години, когато НАСА се обърна към тях във връзка с необходимостта от компактен електрически генератор за космически полети. Инвестицията беше направена и полетите на Аполо и Джемини бяха захранвани с горивни клетки. Космическите кораби също работят с горивни клетки.

Горивните клетки все още са до голяма степен експериментална технология, но няколко компании вече ги продават на търговския пазар. Само през последните почти десет години беше постигнат значителен напредък в комерсиалната технология за горивни клетки.

Как работи горивната клетка?

Горивните клетки са подобни на батериите - те произвеждат електричество чрез химическа реакция. За разлика от тях, двигателите с вътрешно горене изгарят гориво и по този начин произвеждат топлина, която след това се превръща в механична енергия. Освен ако топлината от изгорелите газове не се използва по някакъв начин (например за отопление или климатизация), тогава ефективността на двигателя с вътрешно горене може да се каже, че е доста ниска. Например, ефективността на горивните клетки, когато се използват в превозно средство, проект, който в момента се разработва, се очаква да бъде повече от два пъти по-висока от ефективността на днешните типични бензинови двигатели, използвани в автомобилите.

Въпреки че и батериите, и горивните клетки произвеждат електричество по химичен път, те изпълняват две много различни функции. Батериите са устройства за съхраняване на енергия: електричеството, което произвеждат, е резултат от химическа реакция на вещество, което вече е вътре в тях. Горивните клетки не съхраняват енергия, а по-скоро преобразуват част от енергията от външно доставяно гориво в електричество. В това отношение горивната клетка е по-скоро като конвенционална електроцентрала.

Има няколко различни вида горивни клетки. Най-простата горивна клетка се състои от специална мембрана, известна като електролит. От двете страни на мембраната се нанасят прахообразни електроди. Този дизайн - електролит, заобиколен от два електрода - е отделен елемент. Водородът отива от едната страна (анод), а кислородът (въздух) от другата (катод). На всеки електрод протичат различни химични реакции.

На анода водородът се разпада на смес от протони и електрони. В някои горивни клетки електродите са заобиколени от катализатор, обикновено изработен от платина или други благородни метали, който насърчава реакцията на дисоциация:

2H2 ==> 4H+ + 4e-.

H2 = двуатомна водородна молекула, форма, в

в които водородът присъства под формата на газ;

H+ = йонизиран водород, т.е. протон;

e- = електрон.

Работата на горивната клетка се основава на факта, че електролитът позволява на протоните да преминават през него (към катода), но електроните не. Електроните се придвижват към катода по външна проводяща верига. Това движение на електрони е електрически ток, който може да се използва за задвижване на външно устройство, свързано към горивната клетка, като електрически мотор или електрическа крушка. Това устройство обикновено се нарича "товар".

От страната на катода на горивната клетка протоните (които са преминали през електролита) и електроните (които са преминали през външния товар) се „рекомбинират“ и реагират с кислорода, подаден към катода, за да образуват вода, H2O:

4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O.

Общата реакция в горивна клетка се записва, както следва:

2H2 + O2 ==> 2H2O.

В работата си горивните клетки използват водородно гориво и кислород от въздуха. Водородът може да се доставя директно или чрез отделянето му от външен източник на гориво като природен газ, бензин или метанол. В случай на външен източник, той трябва да бъде химически преобразуван, за да се извлече водородът. Този процес се нарича "реформиране". Водородът може да се произвежда и от амоняк, алтернативни ресурси като газ от градски сметища и от инсталации за третиране на отпадъци Отпадъчни води, както и чрез електролиза на вода, която използва електричество, за да раздели водата на водород и кислород. В момента повечето технологии с горивни клетки, използвани в транспорта, използват метанол.

Разработени са различни средства за реформиране на горивата за производство на водород за горивни клетки. Министерството на енергетиката на САЩ е разработило горивна единица в бензинов реформатор за доставяне на водород към самостоятелна горивна клетка. Изследователи от Тихоокеанската северозападна национална лаборатория в САЩ демонстрираха компактен горивен реформатор с една десета от размера на захранване. Американската енергийна компания Northwest Power Systems и Sandia National Laboratories демонстрираха горивен реформатор, който превръща дизеловото гориво във водород за горивни клетки.

Поотделно горивните клетки произвеждат около 0,7-1,0 V всяка. За да се увеличи напрежението, елементите се сглобяват в "каскада", т.е. серийна връзка. За да се създаде повече ток, набори от каскадни елементи са свързани паралелно. Ако комбинирате каскади от горивни клетки с горивна система, система за подаване на въздух и охлаждане и система за управление, получавате двигател с горивни клетки. Този двигател може да захранва превозно средство, стационарна електроцентрала или преносим електрически генератор6. Двигателите с горивни клетки се предлагат в различни размери в зависимост от приложението, вида на горивната клетка и използваното гориво. Например, всяка от четирите отделни 200 kW стационарни електроцентрали, инсталирани в банка в Омаха, е приблизително с размерите на ремарке на камион.

Приложения

Горивните клетки могат да се използват както в стационарни, така и в мобилни устройства. В отговор на затягането на регулациите за емисиите в Съединените щати производителите на автомобили, включително DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda и Nissan, започнаха да експериментират и демонстрират превозни средства, задвижвани с горивни клетки. Очаква се първите търговски автомобили с горивни клетки да излязат на пътя през 2004 или 2005 г.

Голям крайъгълен камък в развитието на технологията за горивни клетки беше демонстрацията през юни 1993 г. на експерименталния 32-футов градски автобус на Ballard Power System, задвижван от 90-киловатов двигател с водородни горивни клетки. Оттогава са разработени и пуснати в експлоатация много различни типове и различни поколения пътнически превозни средства с горивни клетки, работещи с различни видове гориво. От края на 1996 г. три колички за голф с водородни горивни клетки се използват в Палм Дезърт, Калифорния. По пътищата на Чикаго, Илинойс; Ванкувър, Британска Колумбия; и Осло, Норвегия, се тестват градски автобуси, задвижвани от горивни клетки. Таксита, задвижвани от алкални горивни клетки, се тестват по улиците на Лондон.

Демонстрират се и стационарни инсталации, използващи технология с горивни клетки, но те все още не са широко използвани в търговската мрежа. Първата национална банка на Омаха в Небраска използва система с горивни клетки за захранване на своите компютри, тъй като системата е по-надеждна от старата система, която работеше от главната мрежа с захранване от резервна батерия. Най-голямата в света търговска система с горивни клетки, оценена на 1,2 MW, скоро ще бъде инсталирана в център за обработка на поща в Аляска. Захранвани с горивни клетки преносими преносими компютри, системи за управление, използвани в пречиствателни станции за отпадни води и автомати за продажба също се тестват и демонстрират.

"Предимства и недостатъци"

Горивните клетки имат редица предимства. Докато съвременните двигатели с вътрешно горене са само с 12-15% ефективност, горивните клетки са с 50% ефективност. Ефективността на горивните клетки може да остане доста високо ниво, дори когато не се използват на пълна номинална мощност, което е сериозно предимство пред бензиновите двигатели.

Модулният дизайн на горивните клетки означава, че мощността на електроцентрала с горивни клетки може да бъде увеличена просто чрез добавяне на повече етапи. Това гарантира, че недостатъчното използване на капацитета е сведено до минимум, което позволява по-добро съвпадение на търсенето и предлагането. Тъй като ефективността на стека с горивни клетки се определя от производителността на отделните клетки, малките електроцентрали с горивни клетки работят толкова ефективно, колкото и големите. Освен това отпадъчната топлина от стационарните системи с горивни клетки може да се използва за отопление на вода и помещения, което допълнително повишава енергийната ефективност.

На практика няма вредни емисии при използване на горивни клетки. Когато един двигател работи с чист водород, като странични продукти се произвеждат само топлина и чиста водна пара. Така че на космически кораби астронавтите пият вода, която се образува в резултат на работата на бордовите горивни клетки. Съставът на емисиите зависи от естеството на източника на водород. Метанолът произвежда нулеви емисии на азотен оксид и въглероден оксид и само малки въглеводородни емисии. Емисиите се увеличават, когато преминавате от водород към метанол и бензин, въпреки че дори и с бензин емисиите ще останат сравнително ниски. Във всеки случай замяната на днешните традиционни двигатели с вътрешно горене с горивни клетки ще доведе до цялостно намаляване на емисиите на CO2 и азотен оксид.

Използването на горивни клетки осигурява гъвкавост на енергийната инфраструктура, създавайки допълнителни възможности за децентрализирано производство на електроенергия. Множеството децентрализирани енергийни източници позволяват да се намалят загубите при преноса на електроенергия и да се развият енергийните пазари (което е особено важно за отдалечени и селски райони без достъп до електропроводи). С помощта на горивни клетки отделните жители или квартали могат да осигурят по-голямата част от собственото си електричество и по този начин значително да увеличат енергийната ефективност.

Горивните клетки предлагат енергия Високо качествои повишена надеждност. Те са издръжливи, нямат движещи се части и произвеждат постоянно количество енергия.

Технологията на горивните клетки обаче трябва да бъде допълнително подобрена, за да се подобри нейната производителност, да се намалят разходите и по този начин да се направят горивните клетки конкурентни на другите енергийни технологии. Трябва да се отбележи, че когато се разглеждат разходните характеристики на енергийните технологии, трябва да се правят сравнения на базата на всички компонентни технологични характеристики, включително капиталови оперативни разходи, емисии на замърсители, качество на енергията, издръжливост, извеждане от експлоатация и гъвкавост.

Въпреки че водородният газ е най-доброто гориво, все още не съществува инфраструктура или транспортна база за него. В близко бъдеще съществуващите системи за доставка на изкопаеми горива (бензиностанции и др.) биха могли да се използват за осигуряване на електроцентрали с източници на водород под формата на бензин, метанол или природен газ. Това би премахнало необходимостта от специални станции за зареждане с водород, но ще изисква всяко превозно средство да има инсталиран конвертор от изкопаеми горива към водород („реформатор“). Недостатъкът на този подход е, че той използва изкопаеми горива и по този начин води до емисии на въглероден диоксид. Метанолът, настоящият водещ кандидат, произвежда по-малко емисии от бензина, но ще изисква по-голям контейнер в превозното средство, тъй като заема два пъти повече място за същото енергийно съдържание.

За разлика от системите за доставка на изкопаеми горива, слънчевите и вятърните системи (използващи електричество за създаване на водород и кислород от вода) и системите за директно фотопреобразуване (използващи полупроводникови материали или ензими за производство на водород) могат да осигурят доставка на водород без етап на реформиране и по този начин, емисиите на вредните вещества, които се наблюдават при използване на метанол или бензинови горивни клетки, могат да бъдат избегнати. Водородът може да се съхранява и преобразува в електричество в горивната клетка, ако е необходимо. Гледайки напред, съчетаването на горивни клетки с тези видове възобновяеми енергийни източници вероятно ще бъде ефективна стратегия за осигуряване на продуктивен, екологично интелигентен и многофункционален източник на енергия.

Препоръките на IEER са местните, федералните и щатските правителства да отделят част от бюджетите си за транспортни поръчки за превозни средства с горивни клетки, както и за стационарни системи с горивни клетки, за да осигурят топлина и енергия за някои от своите значими или нови сгради. Това ще насърчи развитието на жизненоважни технологии и ще намали емисиите на парникови газове.

Точно както има различни видове двигатели с вътрешно горене, има различни видове горивни клетки - изборът на правилния 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 обработка 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 те могат да извършат "вътрешното преобразуване" на горивото при повишени температури, което означава, че няма нужда да се инвестира във водородна инфраструктура.

Горивни клетки от 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 нискокалоричен горивен газ от промишлени процеси и други източници. Този процес е разработен в средата на 60-те години. Оттогава производствената технология, производителността и надеждността са подобрени.

Работата на RCFC се различава от другите горивни клетки. Тези клетки използват електролит, направен 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.

Реакция на анода: 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 елемента: 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. Освен това предимствата включват възможността за използване на стандартни строителни материали като листове от неръждаема стомана и никелов катализатор върху електродите. Отпадната топлина може да се използва за генериране на пара под високо налягане за различни промишлени и търговски цели.

Високите реакционни температури в електролита също имат своите предимства. Използването на високи температури изисква значително време за постигане на оптимални работни условия, а системата реагира по-бавно на промените в консумацията на енергия. Тези характеристики позволяват използването на инсталации с горивни клетки с разтопен карбонатен електролит при условия на постоянна мощност. Високите температури предотвратяват повреда на горивната клетка от въглероден окис, "отравяне" и др.

Горивните клетки с разтопен карбонатен електролит са подходящи за използване в големи стационарни инсталации. Произвеждат се комерсиално топлоелектрически централи с изходна електрическа мощност 2,8 MW. Развиват се инсталации с изходна мощност до 100 MW.

Горивни клетки с фосфорна киселина (PAFC)

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

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

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

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

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

Високата производителност на ТЕЦ, използващи горивни клетки на базата на фосфорна (ортофосфорна) киселина при комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия, е едно от предимствата на този тип горивни клетки. Агрегатите използват въглероден окис с концентрация около 1,5%, което значително разширява избора на гориво. В допълнение, CO 2 не влияе на електролита и работата на горивната клетка; този тип клетки работят с реформирано естествено гориво. Опростеният дизайн, ниската степен на летливост на електролита и повишената стабилност също са предимства на този тип горивни клетки.

В търговската мрежа се произвеждат топлоелектрически централи с изходна електрическа мощност до 400 kW. Инсталациите с мощност 11 MW са преминали съответните тестове. Развиват се инсталации с изходна мощност до 100 MW.

Горивни клетки с протонообменна мембрана (PEMFC)

Горивните клетки с протоннообменна мембрана се считат за най-добрия тип горивна клетка за генериране на мощност на 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 MOPFC инсталации с мощност от 1 W до 2 kW.

Тези горивни клетки използват твърда полимерна мембрана (тънък слой от пластмаса) като електролит. Когато е наситен с вода, този полимер позволява на протоните да преминават, 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, а 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. На електродите протичат следните реакции:

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

В сравнение с други видове горивни клетки, горивните клетки с протонообменна мембрана произвеждат повече енергия 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 вещество, а не течност. По-лесно е да се задържат газове на катода и анода, като се използва твърд електролит и следователно такива горивни клетки са по-евтини за производство. В сравнение с други електролити, твърдият електролит не поставя същите предизвикателства при ориентацията и по-малко проблеми с корозията, което води до по-дълъг живот на клетката и нейните компоненти.

Горивни клетки с твърд оксид (SOFC)

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

Твърдият електролит осигурява запечатан 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 от въздуха се разделят на кислороден йон и четири електрона. Кислородните йони преминават през електролита и се свързват с водорода, създавайки четири свободни електрона. Електроните се изпращат през външна електрическа верига, генерирайки електрически ток и отпадна топлина.

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

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

Горивните клетки с твърд оксид работят при много високи температури (600°C–1000°C), което води до значително време за достигане на оптимални работни условия и по-бавна реакция на системата към промени в потреблението 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, получени в резултат на газификация на въглища или отпадъчни газове и т.н. Горивната клетка също е отлична за приложения с висока мощност, включително промишлени и големи централни електроцентрали. В търговската мрежа се произвеждат модули с изходна електрическа мощност от 100 kW.

Горивни клетки с директно окисление на метанол (DOMFC)

Технологията за използване на горивни клетки с директно окисляване на метанола е в период на активно развитие. Успешно се е доказал в областта на захранването на мобилни телефони, лаптопи, както и за създаване на преносими източници на енергия. Това е целта на бъдещото използване на тези елементи.

Конструкцията на горивни клетки с директно окисление на метанол е подобна на горивни клетки с протонообменна мембрана (MEPFC), 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 изпращат през външна електрическа верига, като по този начин генерират 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
Обща реакция на елемента: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Разработването на тези горивни клетки започва в началото на 90-те години. С разработването на подобрени катализатори и 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 директно окисление на метанол са основен кандидат за приложения както в мобилни телефони, така и в други потребителски продукти и 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 (ALFC)

Алкалните горивни клетки (AFC) са една от най-изследваните технологии, използвани 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 електрическа енергия и питейна вода. Алкалните горивни клетки са едни от най-ефективните клетки, използвани за генериране на електричество, като ефективността на производството на електроенергия достига до 70%.

Алкалните горивни клетки използват електролит, 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 заряда в SHTE е хидроксилният йон (OH -), движещ се от катода към анода, където реагира с водород, произвеждайки вода и електрони. Водата, произведена на анода, се връща обратно към катода, като отново генерира хидроксилни 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 - => 4OH -
Обща реакция на системата: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Предимството на SHTE е, че тези горивни клетки са най-евтините за производство, тъй като катализаторът, необходим за електродите, може да бъде всяко от веществата, които са по-евтини от тези, използвани като катализатори за други горивни клетки. В допълнение, SFC работят при относително ниски температури и са сред най-ефективните горивни клетки - такива характеристики могат следователно 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 SHTE е ограничено до затворени пространства, като космически и подводни превозни средства, те трябва да работят с чист водород и кислород. Освен това молекули като CO, H 2 O и CH 4, които са безопасни за други горивни клетки, а за някои от тях дори действат като гориво, са вредни за SHFC.

Горивни клетки с полимерен електролит (PEFC)

В случай на горивни клетки с полимерен електролит, полимерната мембрана се състои от полимерни влакна с водни области, в които проводимите водни йони H2O+ (протон, червено) се свързват с водна молекула. Водните молекули представляват проблем поради бавния обмен на йони. Поради това е необходима висока концентрация на вода както в горивото, така и на изходните електроди, което ограничава работната температура до 100°C.

Горивни клетки с твърда киселина (SFC)

В горивните клетки с твърда киселина електролитът (C s HSO 4) не съдържа вода. Следователно работната температура е 100-300°C. Въртенето на окси анионите SO 4 2- позволява на протоните (червени) да се движат, както е показано на фигурата. Обикновено горивната клетка с твърда киселина е сандвич, в който много тънък слой от твърдо киселинно съединение е поставен между два електрода, които са плътно притиснати един към друг, за да се осигури добър контакт. При нагряване органичният компонент се изпарява, излизайки през порите в електродите, поддържайки способността за множество контакти между горивото (или кислорода в другия край на елемента), електролита и електродите.

Тип горивна клетка	Работна температура	Ефективност на производството на електроенергия	Тип гориво	Област на приложение
РКТЕ	550–700°C	50-70%		Средни и големи инсталации
FCTE	100–220°C	35-40%	Чист водород	Големи инсталации
MOPTE	30-100°C	35-50%	Чист водород	Малки инсталации
SOFC	450–1000°C	45-70%	Повечето въглеводородни горива	Малки, средни и големи инсталации
PEMFC	20-90°С	20-30%	Метанол	Преносими единици
ЩЕ	50–200°C	40-65%	Чист водород	Космически изследвания
ПИТ	30-100°C	35-50%	Чист водород	Малки инсталации