Горивни клетки. Доста реална алтернатива на съществуващите ТЕЦ

Няма да изненадате никого нито със слънчеви панели, нито със вятърни турбини, които генерират електричество във всички региони на света. Но генерирането от тези устройства не е постоянно и трябва да инсталирате резервни източници на захранване или да се свържете към мрежата, за да генерирате електричество през периода, когато ВЕИ съоръженията не генерират електричество. Има обаче инсталации, разработени през 19-ти век, които използват "алтернативни" горива за генериране на електроенергия, тоест не изгарят газ или петролни продукти. Горивните клетки са такива инсталации.

ИСТОРИЯ НА СЪЗДАВАНЕТО

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

Справка: Водната електролиза е процес на разлагане на вода под действието на електрически ток на водородни и кислородни молекули

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

"Растеж на батерията"

(източник: Кралско дружество на Националния природонаучен музей)

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

КАК РАБОТИ?

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

Как работи водородната горивна клетка

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

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

Чрез подаване на водород към електрод в алкална среда възниква химическа реакция:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

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

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Може да се види, че получената реакция 2H 2 + O 2 → H 2 O е същата като при конвенционалното горене, но в горивната клетка се произвежда електрически ток и частично топлина.

ВИДОВЕ ГОРИВНИ КЛЕТКИ

Горивните клетки се класифицират според вида на електролита, използван за реакцията:

Обърнете внимание, че въглищата, въглеродният окис, алкохолите, хидразинът и други органични вещества също могат да се използват като гориво в горивните клетки, а въздухът, водороден прекис, хлор, бром, азотна киселина и др. могат да се използват като окислители.

ЕФЕКТИВНОСТ НА ГОРИВНИ КЛЕТКИ

Характеристика на горивните клетки е няма твърдо ограничение на ефективносттакато топлинни двигатели.

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

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

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

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

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

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

справка:През четиридесетте години английският инженер Т. Бейкън проектира и конструира батерия от горивни клетки с общ капацитет 6 kW и ефективност 80%, работеща на чист водород и кислород, но съотношението мощност/тегло на батерията се оказа твърде малък - такива клетки бяха неподходящи за практическа употреба и твърде скъпи (източник: http://www.powerinfo.ru/).

ПРОБЛЕМИ С ГОРИВНИ КЛЕТКИ

Почти всички горивни клетки използват водород като гориво, така че възниква логичен въпрос: "Откъде мога да го взема?"

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

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

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

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

катализатор

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

ИЗПОЛЗВАНЕ НА ГОРИВНИ КЛЕТКИ

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

Източник: http://www.planetseed.com/

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

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

Вече производители на автомобили като Honda, Ford, Nissan и Mercedes-Benz са създали превозни средства с водородни горивни клетки.

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

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

Горивните клетки се използват широко в мобилни телефони и лаптопи. Вече мина времето, когато телефонът се зареждаше веднъж седмично. Сега телефонът се зарежда почти всеки ден, а лаптопът работи без мрежа 3-4 часа. Затова производителите на мобилни технологии решиха да синтезират горивна клетка с телефони и лаптопи за зареждане и работа. Например компанията Toshiba през 2003г. демонстрира завършен прототип на метанолова горивна клетка. Той дава мощност от около 100mW. Едно пълнене в 2 кубчета концентриран (99,5%) метанол е достатъчен за 20 часа работа на MP3 плейъра. Отново същата "Toshiba" демонстрира батерия за преносими компютри с размери 275x75x40mm, която позволява на компютъра да работи 5 часа от едно зареждане.

Но някои производители отидоха по-далеч. Компанията "PowerTrekk" пусна едноименно зарядно устройство. PowerTrekk е първото зарядно устройство за вода в света. Той е много лесен за използване. Към PowerTrekk трябва да се добави вода, за да осигури незабавно захранване чрез USB кабела. Тази горивна клетка съдържа силициев прах и натриев силицид (NaSi), когато се смеси с вода, тази комбинация генерира водород. Водородът се смесва с въздуха в самата горивна клетка и преобразува водорода в електричество чрез своя мембранно-протонен обмен, без вентилатори или помпи. Можете да закупите такова преносимо зарядно за 149 € (

Горивна клетка- какво е? Кога и как се появи? Защо е необходимо и защо толкова често се говори за тях в наше време? Какъв е неговият обхват, характеристики и свойства? Неудържимият напредък изисква отговори на всички тези въпроси!

Какво е горивна клетка?

Горивна клеткае химичен източник на ток или електрохимичен генератор, устройство за преобразуване на химическа енергия в електрическа енергия. В съвременния живот химическите източници на ток се използват навсякъде и са батерии за мобилни телефони, лаптопи, PDA, както и акумулаторни батерии в автомобили, непрекъсваеми захранвания и др. Следващият етап от развитието на тази област ще бъде повсеместното разпространение на горивните клетки и това вече е неопровержим факт.

Историята на горивните клетки

Историята на горивните клетки е друга история за това как свойствата на материята, веднъж открити на Земята, намират широко приложение далеч в космоса и в началото на хилядолетието се завръщат от небето на Земята.

Всичко започва през 1839 гкогато немският химик Кристиан Шьонбайн публикува принципите на горивната клетка във Philosophical Journal. През същата година англичанин, завършил Оксфорд, Уилям Робърт Гроув проектира галванична клетка, по-късно наречена галванична клетка на Гроув, тя също е призната за първата горивна клетка. Самото име "горивна клетка" е представено на изобретението в годината на неговата годишнина - през 1889 г. Лудвиг Монд и Карл Лангер са автори на термина.

Малко по-рано, през 1874 г., Жул Верн предсказва настоящата енергийна ситуация в романа си „Мистериозният остров“, като пише, че „Водата един ден ще бъде използвана като гориво, водородът и кислородът ще бъдат използвани, които го съставят“.

Междувременно новата технология за захранване постепенно се усъвършенства и от 50-те години на XX век не е минавала година без съобщения за най-новите изобретения в тази област. През 1958 г. първият трактор с горивни клетки се появява в Съединените щати, през 1959 г. пусна се захранване 5kW за заваръчна машина и др. През 70-те години водородната технология излетя в космоса: появиха се самолети и водородни ракетни двигатели. През 60-те години RSC Energia разработи горивни клетки за съветската лунна програма. Програмата Buran също не мина без тях: разработени са алкални горивни клетки с мощност 10 kW. И към края на века горивните клетки прекосиха нулева надморска височина над морското равнище - на тяхна основа, захранваненемска подводница. Връщайки се на Земята, първият локомотив беше пуснат в експлоатация в Съединените щати през 2009 г. Естествено, на горивни клетки.

Интересното в красивата история на горивните клетки е, че колелото все още е несравнимо изобретение в природата. Факт е, че по своята структура и принцип на работа горивните клетки са подобни на биологична клетка, която всъщност е миниатюрна водородно-кислородна горивна клетка. В резултат на това човекът отново е изобретил това, което природата е използвала от милиони години.

Как работят горивните клетки

Принципът на действие на горивните клетки е очевиден дори от училищната програма по химия и именно той е заложен в експериментите на Уилям Гроув през 1839 г. Работата е там, че процесът на водна електролиза (дисоциация на водата) е обратим.Точно както е вярно, че при преминаване на електрически ток през водата, последният се разделя на водород и кислород, така е вярно и обратното: водородът и кислородът могат да се комбинират, за да се получи вода и електричество. В експеримента на Гроув два електрода бяха поставени в камера, в която под налягане се подават ограничени порции чист водород и кислород. Поради малките обеми газ, както и поради химичните свойства на въглеродните електроди, в камерата протича бавна реакция с отделяне на топлина, вода и, най-важното, с образуването на потенциална разлика между електродите .

Най-простата горивна клетка се състои от специална мембрана, използвана като електролит, от двете страни на която са поставени прахообразни електроди. Водородът отива от едната страна (анод), а кислородът (въздух) към другата (катод). На всеки електрод протичат различни химични реакции. На анода водородът се разпада в смес от протони и електрони. В някои горивни клетки електродите са заобиколени от катализатор, обикновено изработен от платина или други благородни метали, които улесняват реакцията на дисоциация:

2H 2 → 4H + + 4e -

където Н2 е двуатомна водородна молекула (формата, в която водородът присъства под формата на газ); H + - йонизиран водород (протон); e - - електрон.

От катодната страна на горивната клетка протоните (преминали през електролита) и електроните (които преминаха през външен товар) се обединяват отново и реагират с кислорода, подаван към катода, за да образуват вода:

4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O

Пълна реакцияв горивна клетка се пише така:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

Работата на горивната клетка се основава на факта, че електролитът пропуска протони през себе си (към катода), но електроните не. Електроните се движат към катода по външна проводяща верига. Това движение на електроните е електрически ток, който може да се използва за задвижване на външно устройство, свързано към горивна клетка (зареждане, например, електрическа крушка):

Горивните клетки използват водородно гориво и кислород в работата си. Най-лесният начин е с кислород – взема се от въздуха. Водородът може да се доставя директно от контейнер или чрез отделяне от външен източник на гориво (природен газ, бензин или метилов алкохол - метанол). В случай на външен източник, той трябва да бъде химически преобразуван за извличане на водород. Понастоящем повечето технологии за горивни клетки, разработени за преносими устройства, използват метанол.

Характеристики на горивните клетки

Горивните клетки са аналогични на съществуващите батерии в смисъл, че и в двата случая електрическата енергия се получава от химическа енергия. Но има и фундаментални разлики:

те работят само докато горивото и окислителят идват от външен източник (т.е. не могат да съхраняват електрическа енергия),
химическият състав на електролита не се променя по време на работа (горивната клетка не трябва да се презарежда),
те са напълно независими от електричеството (докато конвенционалните батерии съхраняват енергия от електрическата мрежа).

Всяка горивна клетка създава напрежение в 1V... По-голямо напрежение се постига чрез последователното им свързване. Увеличаването на мощността (тока) се осъществява чрез паралелно свързване на каскади от последователно свързани горивни клетки.

Горивни клетки няма твърдо ограничение на ефективносттакакто при топлинните двигатели (ефективността на цикъла на Карно е максимално възможната ефективност сред всички топлинни двигатели с еднакви минимални и максимални температури).

Висока ефективностпостигнато чрез директно преобразуване на енергията на горивото в електричество. Ако горивото първо се изгаря в дизел генератор, получената пара или газ задвижва турбина или вала на двигател с вътрешно горене, който от своя страна задвижва електрически генератор. Резултатът е ефективност от максимум 42%, по-често е около 35-38%. Освен това, поради множеството връзки, както и поради термодинамичните ограничения за максималната ефективност на топлинните двигатели, е малко вероятно съществуващата ефективност да бъде повишена по-високо. Съществуващи горивни клетки Ефективността е 60-80%,

Ефективност почти не зависи от коефициента на натоварване,

Капацитетът е няколко пъти по-високотколкото в съществуващите батерии,

Завършен няма вредни за околната среда емисии... Освобождават се само чисти водни пари и топлинна енергия (за разлика от дизеловите генератори, които имат замърсяващи емисии на отработени газове и изискват тяхното отстраняване).

Видове горивни клетки

Горивни клетки класифициранна следните основания:

по използвано гориво,

чрез работно налягане и температура,

от естеството на приложението.

Като цяло се разграничават следните видове горивни клетки:

Горивни клетки с твърд оксид (SOFC)

Горивна клетка с протонообменна мембрана (PEMFC);

Реверсивна горивна клетка (RFC)

Горивна клетка с директен метанол (DMFC);

Горивни клетки с разтопен карбонат (MCFC);

Горивни клетки с фосфорна киселина (PAFC);

Алкални горивни клетки (AFC).

Един от видовете горивни клетки, работещи при нормални температури и налягания, използващи водород и кислород, са йонообменните мембранни клетки. Получената вода не разтваря твърдия електролит, изтича надолу и лесно се разрежда.

Проблеми с горивните клетки

Основният проблем с горивните клетки е свързан с необходимостта от "опакован" водород, който може да бъде закупен свободно. Очевидно проблемът трябва да бъде решен с времето, но досега ситуацията предизвиква лека усмивка: кое е първо - пилето или яйцето? Горивните клетки все още не са достатъчно напреднали, за да изградят водородни инсталации, но техният напредък е немислим без тези инсталации. Тук отбелязваме проблема с източника на водород. В момента водородът се получава от природен газ, но увеличението на цената на енергийните носители също ще увеличи цената на водорода. В този случай е неизбежно наличието на CO и H 2 S (сероводород) във водорода от природен газ, които отравят катализатора.

Обикновените платинени катализатори използват много скъп и естествено незаменим метал - платина. Планира се обаче този проблем да се реши чрез използване на катализатори на базата на ензими, които са евтини и лесно произвеждани вещества.

Генерираната топлина също е проблем. Ефективността ще се увеличи рязко, ако генерираната топлина се насочи към полезен канал - за производство на топлинна енергия за системата за топлоснабдяване, използвайте я като отпадна топлина при абсорбция хладилни машинии т.н.

Метанолни горивни клетки (DMFC): Реални приложения

Горивните клетки с директен метанол (DMFC) са от най-голям практически интерес днес. Лаптоп Portege M100, захранван от DMFC горивна клетка, изглежда така:

Типичната верига на DMFC елемент съдържа, в допълнение към анода, катода и мембраната, няколко допълнителни компонента: горивен патрон, сензор за метанол, циркулационна помпа за гориво, въздушна помпа, топлообменник и др.

Работното време, например, на лаптоп в сравнение с батериите се планира да се увеличи 4 пъти (до 20 часа), на мобилен телефон - до 100 часа в активен режим и до шест месеца в режим на готовност. Презареждането ще се извърши чрез добавяне на порция течен метанол.

Основната задача е да се търсят варианти за използване на метанолния разтвор с най-висока концентрация. Проблемът е, че метанолът е доста силна отрова, смъртоносна в дози от няколко десетки грама. Но концентрацията на метанол пряко влияе върху продължителността на работата. Ако преди това се използва 3-10% разтвор на метанол, тогава вече се появиха мобилни телефони и PDA, използващи 50% разтвор, а през 2008 г., в лабораторни условия, MTI MicroFuel Cells и малко по-късно специалистите на Toshiba получиха горивни клетки, работещи на чист метанол.

Горивните клетки са бъдещето!

И накрая, доказателството за голямото бъдеще на горивните клетки се доказва от факта, че международната организация IEC (Международна електротехническа комисия), която определя индустриалните стандарти за електронни устройства, вече обяви създаването на работна група за разработване на международен стандарт за миниатюрни горивни клетки.

Предимства на горивните клетки / клетки

Горивна клетка / клетка е устройство, което ефективно генерира постоянен ток и топлина от богато на водород гориво чрез електрохимична реакция.

Горивната клетка е подобна на батерията по това, че генерира постоянен ток чрез химическа реакция. Горивната клетка включва анод, катод и електролит. Въпреки това, за разлика от батериите, горивните клетки/клетките не могат да съхраняват електрическа енергия, не се разреждат и не изискват електричество за презареждане. Горивните клетки/клетки могат непрекъснато да генерират електричество, стига да разполагат с гориво и въздух.

За разлика от други генератори на електричество, като двигатели с вътрешно горене или турбини, които работят на газ, въглища, мазут и др., горивните клетки/клетките не изгарят гориво. Това означава, че няма шумни ротори с високо налягане, няма силен шум от отработените газове, няма вибрации. Горивните клетки/клетки генерират електричество чрез безшумна електрохимична реакция. Друга особеност на горивните клетки/клетките 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 продукти на емисии по време на работа са вода под формата на пара и малко количество въглероден диоксид, който изобщо не се отделя, ако се използва чист водород като гориво. Горивните клетки / клетки се сглобяват в възли и след това в отделни функционални модули.

История на развитие на горивна клетка/клетка

През 50-те и 60-те години на миналия век една от най-предизвикателните задачи за горивните клетки се ражда от нуждата на Националното управление по аеронавтика и космос (НАСА) от енергийни източници за дългосрочни космически мисии. Алкалната горивна клетка/клетка на НАСА използва водород и кислород като гориво, комбинирайки двете в електрохимична реакция. Резултатът е три полезни странични продукта от реакцията в космическия полет - електричество за захранване на космическия кораб, вода за питейни и охладителни системи и топлина, за да се стоплят астронавтите.

Откриването на горивните клетки датира от началото на 19 век. Първите доказателства за ефекта на горивните клетки са получени през 1838 г.

В края на 30-те години на миналия век започва работата по горивните клетки с алкален електролит и до 1939 г. е построена клетка с помощта на 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 сборка, състояща се от алкални горивни клетки/клетки с диаметър малко над 25 см.

Интересът нараства през 50-те и 60-те години на миналия век, а също и през 80-те години, когато индустриалният свят изпитва недостиг на мазут. През същия период световните страни също се занимават с проблема със замърсяването на въздуха и обмислят методи за екологично чисто производство на електроенергия. В момента технологията за производство на горивни клетки/клетки преживява етап на бързо развитие.

Как работят горивните клетки/клетките

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

Върху 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. На катодния катализатор кислородна молекула се комбинира с електрон (който се доставя от външни комуникации) и входящ протон и образува вода, която е единственият продукт на реакцията (под формата на пара и/или течност).

Следва съответната реакция:

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

Видове и разнообразие от горивни клетки/клетки

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 горивото, за да се превърне основното гориво (като природен газ) в чист водород. Този процес изразходва допълнителна енергия и изисква специално оборудване. Високотемпературните горивни клетки не се нуждаят от тази допълнителна процедура, тъй като те могат да "вътрешно преобразуват" горивото при повишени температури, което означава, че няма нужда да се инвестира във водородна инфраструктура.

Горивни клетки / клетки върху разтопен карбонат (RKTE)

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

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

Реакция при 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. В допълнение, предимствата включват възможността за използване на стандартни материали за конструкция като лист от неръждаема стомана и никелов катализатор върху електродите. Отпадната топлина може да се използва за генериране на пара под високо налягане за различни промишлени и търговски цели.

Високите реакционни температури в електролита също имат предимства. Използването на високи температури отнема много време за постигане на оптимални работни условия и 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 увреждането на горивната клетка от въглероден оксид.

Горивните клетки от разтопен карбонатен електролит са подходящи за използване в големи стационарни инсталации. Топлоелектрическите централи с изходна електрическа мощност 3,0 MW се произвеждат индустриално. Разработват се инсталации с изходна мощност до 110 MW.

Горивни клетки/клетки с фосфорна киселина (FCTE)

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

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

Носителят на заряда в този тип горивни клетки е водород (H +, протон). Подобен процес протича в горивни клетки с протонна обменна мембрана, при която водородът, подаван 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 канализират през външна електрическа верига за генериране на електрически ток. По-долу са реакциите, които генерират електрически ток и топлина.

Реакция при 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, предвид работните температури, отпадната топлина може да се използва за загряване на вода и генериране на пара при атмосферно налягане.

Високата производителност на топлоелектрическите централи на 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. Инсталациите използват въглероден окис с концентрация около 1,5%, което значително разширява избора на гориво. Освен това CO 2 не влияе върху електролита и работата на горивната клетка; този тип клетки работят с реформирано естествено гориво. Опростеният дизайн, ниската летливост на електролита и повишената стабилност също са предимствата на този тип горивни клетки.

Топлоелектрическите централи с изходна електрическа мощност до 500 kW се произвеждат индустриално. 11 MW блоковете са тествани съответно. Разработват се инсталации с изходна мощност до 100 MW.

Горивни клетки/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 тези високи температури, използваният електролит е тънък, на керамична основа, твърд метален оксид, често сплав от итрий и цирконий, който е проводник на кислородни (O 2-) йони.

Твърдият електролит осигурява херметически затворен преход на газ от един електрод към друг, докато течните електролити са разположени в порест субстрат. Носителят на заряда в този тип горивна клетка е кислороден 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, за да образуват четири свободни електрона. Електроните се канализират през външна електрическа верига, генерирайки електрически ток и отпадна топлина.

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

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

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

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

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

Конструкцията на горивните клетки с директно окисление на метанол е подобна на горивните клетки с протонна обменна мембрана (MOPTE), 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 с освобождаване на CO 2, водородни йони и електрони, които се канализират през външна електрическа верига, като по този начин се генерира електрически ток. Водородните йони преминават през електролита и реагират с кислород от въздуха и електрони от външната верига, за да образуват вода на анода.

Реакция при 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 малкият им размер, поради използването на течно гориво, и липсата на необходимост от преобразувател.

Алкални горивни клетки/клетки (SHFC)

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

Алкалните горивни клетки използват електролит, тоест воден разтвор на калиев хидроксид, съдържащ се в пореста стабилизирана матрица. Концентрацията на калиев хидроксид може да варира в зависимост от работната температура на горивната клетка, която варира от 65 ° C до 220 ° C. Носителят на заряда в SHFC е хидроксилен йон (OH -), който се движи от катода към анода, където реагира с водорода, произвеждайки вода и електрони. Водата, произведена на анода, се връща обратно към катода, като отново генерира хидроксилни йони там. Тази серия от реакции в горивната клетка произвежда електричество и, като страничен продукт, топлина:

Реакция при 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 SHFC е, че тези горивни клетки са най-евтините в производството, тъй като катализаторът, който е необходим на електродите, може да бъде всяко от веществата, които са по-евтини от тези, използвани като катализатори за други горивни клетки. SCFC работят при относително ниска температура и са едни от най-ефективните горивни клетки - такива характеристики могат съответно да допринесат за ускоряване на производството на енергия и висока горивна ефективност.

Една от характерните особености на SHFC 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 на чист водород и кислород. Освен това, молекули като CO, H2O и CH4, които са безопасни за други горивни клетки и дори гориво за някои от тях, са вредни за SHFC.

Полимерни електролитни горивни клетки/клетки (PETE)

В случай на горивни клетки с полимерен електролит, полимерната мембрана се състои от полимерни влакна с водни области, в които съществува проводимостта на водните йони (H 2 O + (протон, червено) е прикрепена към водната молекула). Водните молекули представляват проблем поради бавния им йонообмен. Следователно е необходима висока концентрация на вода както в горивото, така и на изходните електроди, което ограничава работната температура до 100 ° C.

Горивни клетки/клетки с твърда киселина (TFCF)

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

Различни модули на горивни клетки. Батерия с горивна клетка

Батерия с горивна клетка
Друго оборудване, работещо при високи температури (интегриран парогенератор, горивна камера, превключвател на топлинния баланс)
Топлоустойчива изолация

Модул горивна клетка

Сравнителен анализ на видовете и разновидностите на горивните клетки

Иновативните енергийно ефективни общински топлоенергийни централи обикновено се изграждат върху горивни клетки от твърд оксид (SOFC), горивни клетки с полимерен електролит (PETF), горивни клетки с фосфорна киселина (PFC), горивни клетки с протонен обмен (MOPFC) и алкални горивни клетки ( PSFC) ... Обикновено те имат следните характеристики:

Най-подходящи трябва да бъдат признати горивните клетки с твърд оксид (SOFC), които:

работят при по-висока температура, което намалява 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 дългосрочни действия
демонстрират висока ефективност на производството на електроенергия (до 70%)
поради високите работни температури, модулите могат да се комбинират със системи за рекуперация на топлина, като общата ефективност на системата достига до 85%
имат практически нулеви емисии, работят тихо и имат ниски оперативни изисквания в сравнение със съществуващите технологии за производство на електроенергия

Тип горивна клетка	Работна температура	Ефективност при генериране на енергия	Тип гориво	Област на приложение
RKTE	550-700°С	50-70%		Средни и големи инсталации
FKTE	100-220°С	35-40%	Чист водород	Големи инсталации
MOPTE	30-100°С	35-50%	Чист водород	Малки инсталации
SOFC	450-1000°С	45-70%	Повечето въглеводородни горива	Малки, средни и големи инсталации
POMTE	20-90°С	20-30%	метанол	Преносим
ЩЕ	50-200°С	40-70%	Чист водород	Изследване на космоса
ПИТ	30-100°С	35-50%	Чист водород	Малки инсталации

Тъй като малките когенерационни инсталации могат да бъдат свързани към конвенционална газоснабдителна мрежа, горивните клетки не изискват отделна система за подаване на водород. При използване на малки агрегати за комбинирано производство на горивни клетки от твърд оксид, генерираната топлина може да бъде интегрирана в топлообменници за отопление на вода и вентилационен въздух, повишавайки цялостната ефективност на системата. Тази иновативна технология е най-подходяща за ефективно производство на електроенергия без нужда от скъпа инфраструктура и сложна интеграция на уреди.

Приложения за горивни клетки/клетки

Приложения на горивни клетки/клетки в телекомуникационните системи

С разпространението на безжичните комуникационни системи по света и нарастващите социално-икономически ползи от технологията на мобилните телефони, необходимостта от надеждно и рентабилно резервно захранване стана критична. Загубите в мрежата през цялата година поради лошо време, природни бедствия или ограничен капацитет на мрежата са постоянно предизвикателство за операторите на мрежата.

Традиционните решения за резервно копиране на телекомуникациите включват батерии (оловно-киселинни батерии с регулиране на клапана) за краткосрочно резервно и дизелови и пропан генератори за по-продължително резервно копиране. Батериите са сравнително евтин резервен източник на захранване за 1 до 2 часа. Батериите обаче не са подходящи за по-дълго резервно захранване, тъй като са скъпи за поддръжка, стават ненадеждни след дълги периоди на употреба, чувствителни са към температурата и са опасни за околната среда след изхвърляне. Дизеловите и пропан генераторите могат да осигурят непрекъснато резервно захранване. Въпреки това, генераторите могат да бъдат ненадеждни, да изискват отнемаща време поддръжка и да отделят високи нива на замърсяване и парникови газове в атмосферата.

За да се преодолеят ограниченията на традиционните решения за захранване в режим на готовност, е разработена иновативна технология за зелени горивни клетки. Горивните клетки са надеждни, безшумни, съдържат по-малко движещи се части от генератора, имат по-широк работен температурен диапазон от батерията, от -40 ° C до + 50 ° C, и в резултат на това осигуряват изключително високи нива на икономия на енергия. Освен това цената на жизнения цикъл на такава инсталация е по-ниска от тази на генератор. По-ниските разходи за горивни клетки са резултат само от едно посещение за поддръжка на година и значително по-висока производителност на инсталацията. В крайна сметка горивната клетка е зелено технологично решение с минимално въздействие върху околната среда.

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

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

Системата усеща напрежението на DC шината през цялото време и плавно приема критични натоварвания, ако напрежението на DC шината падне под предварително зададена от потребителя стойност. Системата работи с водород, който влиза в стека на горивните клетки по един от двата начина - или от индустриален източник на водород, или от течни горива от метанол и вода, като се използва интегрирана система за реформиране.

Електричеството се произвежда от стека на горивните клетки под формата на постоянен ток. DC мощността се предава към преобразувател, който преобразува нерегулирана DC мощност от стека на горивните клетки във висококачествена регулирана DC мощност за необходимите товари. Инсталацията с горивни клетки може да осигури резервно захранване за много дни, тъй като продължителността на работа е ограничена само от количеството водород или метанол/водно гориво на склад.

Горивните клетки предлагат високи нива на икономия на енергия, повишена надеждност на системата, по-предвидима производителност в широк диапазон от климатични условия и надежден експлоатационен живот в сравнение със стандартните в индустрията оловно-киселинни батерии с регулиране на клапани. Разходите за жизнения цикъл също са по-ниски поради значително по-малкото изискване за поддръжка и подмяна. Горивните клетки предлагат екологични ползи за крайния потребител, тъй като разходите за изхвърляне и рисковете от отговорност, свързани с оловно-киселинните клетки, са нарастваща загриженост.

Производителността на електрическите батерии може да бъде неблагоприятно повлияна от широк спектър от фактори като ниво на зареждане, температура, цикли, живот и други променливи. Доставената енергия ще варира в зависимост от тези фактори и не е лесно да се предвиди. Производителността на горивната клетка с протонна обменна мембрана (PROF) е относително незасегната от тези фактори и може да осигури критична електрическа мощност, докато горивото е налично. Повишената предсказуемост е важно предимство при мигриране към горивни клетки за критични приложения за резервно захранване.

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

Горивото, използвано за задвижване на горивния преобразувател с удължен ход, е смес от метанол/вода. Метанолът е широко достъпно в търговската мрежа гориво, което в момента има много приложения, включително миещи стъкла, пластмасови бутилки, добавки за двигатели и емулсионни бои. Метанолът е лесен за транспортиране, може да се смесва с вода, има добра биоразградимост и не съдържа сяра. Има ниска точка на замръзване (-71°C) и не се разгражда при продължително съхранение.

Приложение на горивни клетки/клетки в комуникационни мрежи

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

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

Най-убедителната причина за използване на технологията на горивните клетки в комуникационните мрежи е повишената цялостна надеждност и безопасност. По време на инциденти като прекъсвания на електрозахранването, земетресения, бури и урагани, е важно системите да продължат да работят и да имат надеждно резервно захранване за продължителен период от време, независимо от температурата или живота на системата за резервно захранване.

Гамата от захранвания с горивни клетки е идеална за поддръжка на защитени комуникационни мрежи. Благодарение на своите енергоспестяващи принципи, те осигуряват екологично и надеждно резервно захранване с удължено време на работа (до няколко дни) за използване в диапазона на мощността от 250 W до 15 kW.

Приложение на горивни клетки/клетки в мрежи за данни

Надеждното захранване за мрежи за данни като високоскоростни мрежи за данни и оптични мрежи е от ключово значение в целия свят. Информацията, предавана по такива мрежи, съдържа критични данни за институции като банки, авиокомпании или медицински центрове. Прекъсването на електрозахранването в такива мрежи не само представлява опасност за предаваната информация, но като правило води до значителни финансови загуби. Надеждните и иновативни инсталации с горивни клетки с резервно захранване осигуряват надеждността, от която се нуждаете, за да осигурите непрекъснато захранване.

Инсталациите с горивни клетки работят със смес от течно гориво от метанол и вода, осигуряват надеждно резервно захранване с удължено време на работа, до няколко дни. В допълнение, тези устройства имат значително намалени изисквания за поддръжка в сравнение с генераторите и батериите, като изискват само едно посещение за поддръжка годишно.

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

Приложения с консумация на мощност от 100 W до 15 kW
Приложения с изисквания за живот на батерията> 4 часа
Повторители във фиброоптични системи (йерархия на синхронни цифрови системи, високоскоростен интернет, глас през IP...)
Високоскоростни мрежови възли
WiMAX предавателни възли

Резервните инсталации с горивни клетки предлагат многобройни предимства за критични мрежови инфраструктури за данни в сравнение с традиционните самостоятелни батерии или дизелови генератори, което позволява по-голяма употреба на място:

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

Използването на горивни клетки/клетки в системите за сигурност

Най-сложните системи за сигурност и комуникация на сградите са толкова надеждни, колкото и захранването, което ги поддържа да работят. Въпреки че повечето системи включват някакъв тип UPS за краткотрайни загуби на захранване, те не създават условия за по-дълги прекъсвания на захранването след природни бедствия или терористични атаки. Това може да бъде критичен проблем за много корпоративни и правителствени агенции.

Жизненоважни системи като системи за видеонаблюдение и контрол на достъпа (четци на лични карти, устройства за затваряне на врати, техники за биометрична идентификация и др.), системи за автоматична пожароизвестителна и пожарогасителна система, системи за управление на асансьорите и телекомуникационни мрежи, са изложени на риск при липса на надежден алтернативен непрекъснат източник на захранване.

Дизеловите генератори създават много шум, трудни са за поставяне и са добре известни със своята надеждност и проблеми с поддръжката. За разлика от тях, инсталацията с горивни клетки, осигуряваща резервно захранване, е тиха, надеждна, има нулеви или много ниски емисии и е лесна за инсталиране на покрив или извън сграда. Не се изчерпва и не губи захранване в режим на готовност. Той гарантира, че критичните системи продължават да работят дори след като съоръжението бъде спряно и сградата е изоставена.

Иновативните инсталации с горивни клетки защитават ценни инвестиции в критични приложения. Те осигуряват екологично чиста, надеждна, дълготрайна (до много дни) резервна мощност за използване в диапазона на мощността от 250 W до 15 kW, съчетана с множество ненадминати функции и особено високи икономии на енергия.

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

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

Горивните клетки с твърд оксид (SFC) се използват за изграждане на надеждни, енергийно ефективни и без емисии топлоелектрически централи за генериране на електроенергия и топлина от широко достъпен природен газ и възобновяеми източници на гориво. Тези иновативни устройства се използват в голямо разнообразие от пазари, от домашно производство на електроенергия до доставка на електроенергия до отдалечени райони, както и спомагателни захранвания.

Приложение на горивни клетки/клетки в разпределителните мрежи

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

Фигурата по-долу показва загубите в ефективността на производството на електроенергия, когато тя се генерира в когенерационни централи и се предава към къщи чрез традиционните електропреносни мрежи, които се използват в момента. Загубите на ефективност от 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: електроенергия се генерира с ефективност на генериране до 60% на мястото на използване. Освен това домакинството може да използва топлината, генерирана от горивните клетки, за затопляне на водата и помещенията, което повишава общата енергийна ефективност на горивото и повишава нивото на икономия на енергия.

Използване на горивни клетки за опазване на околната среда – оползотворяване на свързан нефтен газ

Една от най-важните задачи в петролната индустрия е оползотворяването на свързан нефтен газ. Съществуващите методи за оползотворяване на породен нефтен газ имат много недостатъци, основният от които е, че са икономически неизгодни. Смесеният нефтен газ се изгаря, което причинява голяма вреда на околната среда и човешкото здраве.

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

Едно от основните предимства на инсталациите с горивни клетки е, че те могат да работят надеждно и стабилно с променлив свързан нефтен газ. Поради безпламъчната химическа реакция, лежаща в основата на работата на горивната клетка, намаляването на процента на, например, метан причинява само съответно намаляване на мощността.
Гъвкавост по отношение на електрическото натоварване на консуматорите, спад, пренапрежение на натоварването.
За инсталирането и свързването на топлоелектрически централи на горивни клетки, тяхното изпълнение не изисква капиталови разходи, т.к агрегатите се монтират лесно на неподготвени площадки в близост до нивите, удобни са за работа, надеждни и ефективни.
Високата автоматизация и модерното дистанционно управление не изискват постоянно присъствие на персонал на инсталацията.
Простота и техническо съвършенство на дизайна: липсата на движещи се части, триене, системи за смазване осигурява значителни икономически ползи от работата на инсталациите с горивни клетки.
Разход на вода: никакъв при околни температури до +30°C и незначителен при по-високи температури.
Изход за вода: липсва.
Освен това инсталациите за комбинирано производство на горивни клетки не вдигат шум, не вибрират, не отделят вредни емисии в атмосферата

Енергийните експерти посочват, че в повечето развити страни интересът към разпределените енергийни източници с относително ниска мощност нараства бързо. Основните предимства на тези автономни електроцентрали са умерените капиталови разходи по време на строителството, бързото въвеждане в експлоатация, относително лесната поддръжка и добрата екологична ефективност. При автономна система за захранване не са необходими инвестиции в електропроводи и подстанции. Разположението на автономни източници на енергия директно в точките на потребление не само елиминира загубите в мрежите, но и повишава надеждността на електрозахранването.

Автономните източници на енергия като малки газови турбинни агрегати (газотурбинни агрегати), двигатели с вътрешно горене, вятърни турбини и полупроводникови слънчеви клетки са добре известни.

За разлика от двигателите с вътрешно горене или турбините, захранвани с въглища/газ, горивните клетки не изгарят гориво. Те преобразуват химическата енергия на горивото в електричество чрез химическа реакция. Следователно горивните клетки не произвеждат големи количества парникови газове от изгарянето на гориво, като въглероден диоксид (CO2), метан (CH4) и азотен оксид (NOx). Емисиите от горивните клетки са вода под формата на пара и ниски нива на въглероден диоксид (или никакви емисии на CO2), ако водородът се използва като гориво за клетките. Освен това горивните клетки работят тихо, защото не включват шумни ротори с високо налягане и няма шум от изгорелите газове и вибрации по време на работа.

Горивната клетка преобразува химическата енергия на горивото в електричество чрез химическа реакция с кислород или друг окислител. Горивните клетки се състоят от анод (отрицателна страна), катод (положителна страна) и електролит, който позволява на зарядите да се движат между двете страни на горивната клетка (Фигура: Схематична диаграма на горивната клетка).

Електроните пътуват от анода до катода през външния контур, създавайки постоянен ток. Поради факта, че основната разлика между различните видове горивни клетки е електролитът, горивните клетки се разделят според вида на използвания електролит, т.е. високотемпературни и нискотемпературни горивни клетки (TEPM, PMTE). Водородът е най-разпространеното гориво, но понякога могат да се използват и въглеводороди като природен газ и алкохоли (т.е. метанол). Горивните клетки се различават от батериите по това, че изискват постоянен източник на гориво и кислород/въздух за поддържане на химическа реакция и произвеждат електричество, докато се доставят.

Горивните клетки предлагат следните предимства пред конвенционалните източници на енергия като двигатели с вътрешно горене или батерии:

Горивните клетки са по-ефективни от дизеловите или газовите двигатели.
Повечето горивни клетки работят тихо в сравнение с двигателите с вътрешно горене. Поради това те са подходящи за сгради със специални изисквания, като болници.
Горивните клетки не водят до замърсяване, причинено от изгаряне на изкопаеми горива; например само водата е страничен продукт на водородните горивни клетки.
Ако водородът се произвежда чрез електролиза на вода, осигурена от възобновяем източник на енергия, тогава при използване на горивни клетки не се отделя парников газ през целия цикъл.
Горивните клетки не изискват конвенционални горива като петрол или газ, така че можете да се отървете от икономическата зависимост от страните производителки на петрол и да осигурите по-голяма енергийна сигурност.
Горивните клетки не зависят от електрическите мрежи, тъй като водородът може да се произвежда навсякъде, където има вода и електричество, и произведеното гориво може да се разпределя.
При използване на стационарни горивни клетки за производство на енергия в точката на потребление могат да се използват децентрализирани енергийни мрежи, които са потенциално по-стабилни.
Нискотемпературните горивни клетки (TEPM, PMTE) имат нисък топлопренос, което ги прави идеални за различни приложения.
Горивните клетки с по-висока температура произвеждат висококачествена технологична топлинна енергия заедно с електричество и са много подходящи за комбинирано производство (като комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия за жилищни сгради).
Времето на работа е значително по-дълго от времето на работа на батериите, тъй като е необходимо само повече гориво, за да се увеличи времето на работа и не е необходимо повишаване на производителността на инсталацията.
За разлика от батериите, горивните клетки имат „ефект на паметта“, когато се зареждат с гориво.
Горивните клетки са лесни за поддръжка, тъй като нямат големи движещи се части.

Най-разпространеното гориво за горивните клетки е водородът, тъй като не отделя вредни замърсители. Въпреки това, други горива могат да се използват и горивните клетки на природен газ се считат за ефективна алтернатива, когато природният газ е наличен на конкурентни цени. В горивните клетки потокът от гориво и оксиданти преминава през електроди, които са разделени от електролит. Това предизвиква химическа реакция, която произвежда електричество; не изисква изгаряне на гориво или добавяне на топлинна енергия, което обикновено се случва при традиционните методи за производство на електроенергия. Когато естественият чист водород се използва като гориво, а кислородът се използва като окислител, в резултат на реакцията, която протича в горивната клетка, се генерират вода, топлинна енергия и електричество. Когато се използват с други горива, горивните клетки отделят много ниски емисии на замърсители и произвеждат висококачествено и надеждно електричество.

Предимствата на горивните клетки с природен газ са както следва:

Ползи за околната среда- Горивните клетки са чист метод за генериране на електроенергия от изкопаеми горива. Междувременно горивните клетки, използващи чист водород и кислород, произвеждат само вода, електричество и топлина; други видове горивни клетки отделят незначителни серни съединения и много ниски нива на въглероден диоксид. Въпреки това, въглеродният диоксид, излъчван от горивните клетки, е концентриран и може лесно да бъде задържан, вместо да бъде изпускан в атмосферата.
Ефективност„Горивните клетки преобразуват енергията, налична в изкопаемите горива, в електричество много по-ефективно от традиционното производство на електроенергия чрез изгаряне. Това означава, че е необходимо по-малко гориво за генериране на същото количество електроенергия. Според Националната лаборатория за енергийни технологии могат да бъдат произведени 58 горивни клетки (в комбинация с турбини на природен газ), които ще работят в диапазона на мощността от 1 до 20 MWe с ефективност от 70%. Тази ефективност е много по-висока от ефективността, която може да се постигне с конвенционалните методи за генериране на енергия в определения диапазон на мощността.
Разпределено производство- Горивните клетки могат да се произвеждат в много малки размери; това им позволява да бъдат поставени там, където се изисква захранване. Това се отнася за инсталации за жилищни, търговски, промишлени сгради и дори превозни средства.
Надеждност- Горивните клетки са напълно затворени устройства без движещи се части или сложни машини. Това ги прави надеждни източници на електричество, които могат да работят много часове. Освен това те са почти безшумни и безопасни източници на електричество. Също така няма скокове в електричеството в горивните клетки; това означава, че те могат да се използват в случаите, когато имате нужда от постоянно работещ, надежден източник на електричество.

Доскоро горивните клетки (FC), които са електрохимични генератори, способни да преобразуват химическата енергия в електрическа енергия, заобикаляйки горивните процеси, превръщайки топлинната енергия в механична енергия, а последната в електрическа, бяха по-малко популярни. Електрическата енергия се генерира в горивните клетки чрез химическа реакция между редуциращ агент и окислител, които непрекъснато се подават към електродите. Водородът е най-често редуциращият агент, кислородът или въздухът е окислителят. Комбинацията от батерия от горивни клетки и устройства за подаване на реагенти, отстраняване на реакционните продукти и топлина (която може да се използва) е електрохимичен генератор.
През последното десетилетие на XX век, когато въпросите за надеждността на електрозахранването и проблемите с околната среда станаха особено важни, много фирми в Европа, Япония и Съединените щати започнаха да разработват и произвеждат няколко варианта за горивни клетки.
Най-простите са алкалните горивни клетки, от които започва развитието на този тип автономни енергийни източници. Работната температура в тези горивни клетки е 80-95 ° C, електролитът е 30% разтвор на каустик калий. Алкалните горивни клетки работят на чист водород.
Напоследък широко се разпространи PEM горивна клетка с протонообменни мембрани (с полимерен електролит). Работната температура в този процес също е 80-95 ° C, но като електролит се използва твърда йонообменна мембрана с перфлуоросулфонова киселина.
Общопризнато е, че най-атрактивната в търговската мрежа горивна клетка с фосфорна киселина PAFC, която има ефективност от 40% само за генериране на електроенергия и 85% при използване на отделената топлина. Работната температура на тази горивна клетка е 175-200 ° C, електролитът е течна фосфорна киселина, импрегнираща силициев карбид, свързан с тефлон.

Клетъчната опаковка е оборудвана с два порести графитни електрода и фосфорна киселина като електролит. Електродите са покрити с платинен катализатор. В реформатора природният газ, когато взаимодейства с пара, се трансформира във водород и CO, който допълнително се окислява до CO2 в конвертора. Освен това, молекулите на водорода под въздействието на катализатора се дисоциират на анода в йони Н. Освободените при тази реакция електрони се насочват през товара към катода. На катода те реагират с водородни йони, дифундиращи през електролита, и с кислородни йони, които се образуват в резултат на реакцията на каталитично окисление на кислорода във въздуха на катода, като в крайна сметка се образува вода.
Горивните клетки с разтопен карбонат от типа MCFC също са обещаващи видове горивни клетки. При работа на метан тази горивна клетка има електрическа ефективност от 50-57%. Работна температура 540–650 ° С, електролит - разтопен карбонат на калиеви и натриеви основи в обвивка - матрица от литиево-алуминиев оксид LiA102.
И накрая, най-обещаващата горивна клетка е SOFC. Това е горивна клетка от твърд оксид, която използва всяко газообразно гориво и е най-подходяща за относително големи инсталации. Енергийната му ефективност е 50-55%, а когато се използва в инсталации с комбиниран цикъл, до 65%. Работната температура е 980-1000 ° C, електролитът е твърд цирконий, стабилизиран с итрий.

На фиг. 2 показва 24-клетъчна SOFC батерия, разработена от Siemens Westinghouse Power Corporation (SWP - Германия). Тази батерия е гръбнакът на електрохимичен генератор на природен газ. Първите демонстрационни тестове на електроцентрала от този тип с мощност 400 W са проведени през далечната 1986 г. През следващите години дизайнът на горивните клетки от твърд оксид е подобрен и тяхната мощност се увеличава.

Най-успешни бяха демонстрационните тестове на блок с мощност 100 kW, пуснат в експлоатация през 1999 г. Електроцентралата потвърди възможността за генериране на електроенергия с висока ефективност (46%), а също така показа висока стабилност на характеристиките. Така се доказа възможността за работа на електроцентралата най-малко 40 хил. часа с допустим спад на нейната мощност.

През 2001 г. е разработена нова електроцентрала на твърд оксид, работеща при атмосферно налягане. Батерията (електрохимичен генератор) с електроцентрала от 250 kW с комбинирано производство на мощност и топлина включва 2304 тръбни клетки от твърд оксид. Освен това блокът включваше инвертор, регенератор, нагревател на гориво (природен газ), горивна камера за нагряване на въздух, топлообменник за нагряване на вода с помощта на топлината на димните газове и друго спомагателно оборудване. В същото време общите размери на инсталацията бяха доста умерени: 2,6x3,0x10,8 m.
Японските специалисти постигнаха известен успех в разработването на големи горивни клетки. Изследователската работа започва в Япония още през 1972 г., но значителен напредък е постигнат едва в средата на 90-те години. Експерименталните модули с горивни клетки са с мощност от 50 до 1000 kW, като 2/3 от тях работят на природен газ.
През 1994 г. в Япония е построена инсталация за горивни клетки с мощност 1 MW. При обща ефективност (при генериране на пара и топла вода) равна на 71%, блокът имаше ефективност от най-малко 36% по отношение на електроснабдяването. От 1995 г., според съобщения в пресата, в Токио работи електроцентрала на горивни клетки с фосфорна киселина с мощност 11 MW, а общият капацитет на произвежданите горивни клетки към 2000 г. достига 40 MW.

Всички горепосочени инсталации са класифицирани като промишлени. Техните разработчици непрекъснато се стремят да увеличат мощността на блоковете, за да подобрят разходните характеристики (единични разходи за kW инсталирана мощност и цена на произведената електроенергия). Но има няколко компании, които си поставят различна задача: да разработят най-простите инсталации за битово потребление, включително индивидуални захранвания. И в тази област има значителни постижения:

Plug Power LLC разработи инсталация с горивни клетки с мощност 7 kW за захранване на дом;
H Power Corporation произвежда зарядни устройства, използвани в транспорта за батерии с капацитет 50-100 W;
Стажантска компания. Fuel Cells LLC произвежда превозни средства и лични захранвания с мощност 50-300 вата;
Analytic Power Corporation е разработила 150W персонални захранвания за армията на САЩ, както и модули с горивни клетки за битови захранвания в диапазона от 3 до 10 kW.

Какви са предимствата на горивните клетки, които накараха много компании да инвестират огромни суми пари в тяхното развитие?
В допълнение към високата надеждност, електрохимичните генератори имат висока ефективност, което ги отличава благоприятно от парните турбинни агрегати и дори от агрегатите с обикновен цикъл на газотурбинен агрегат. Важно предимство на горивните клетки е тяхната лекота на използване като разпръснати енергийни източници: модулният дизайн позволява произволен брой отделни клетки да бъдат свързани последователно, за да образуват батерия - идеална за увеличаване на мощността.

Но най-важният аргумент в полза на горивните клетки е тяхната екологична ефективност. Емисиите на NOX и CO от тези инсталации са толкова ниски, че например окръжните служби за качество на въздуха в региони (където екологичните разпоредби са най-строги в Съединените щати) дори не споменават това оборудване във всички изисквания, свързани със защитата на атмосферата.

Многобройните предимства на горивните клетки, за съжаление, в момента не могат да надхвърлят единствения им недостатък - високата им цена. В САЩ например специфичните капиталови разходи за изграждане на електроцентрала дори с най-конкурентните горивни клетки са около $ 3500 / kW. И въпреки че правителството предоставя субсидия от $1OO / kWh, за да стимулира търсенето на тази технология, цената на изграждането на такива съоръжения остава доста висока. Особено в сравнение с капиталовите разходи за изграждане на мини-CHP с газова турбина или с двигатели с вътрешно горене с мегаватов диапазон на мощност, които са приблизително $ 500 / kW.

През последните години има известен напредък в намаляването на цената на горивните инсталации. Изграждането на електроцентрали с FC на базата на фосфорна киселина с мощност 0,2-1,0 MW, споменати по-горе, струва $ 1700 / kW. Разходите за производство на енергия в такива инсталации в Германия, използвайки ги за 6000 часа годишно, се оценяват на 7,5-10 цента / kWh. Блокът PC25 с мощност 200 kW, който се управлява от енергийната компания Hessische EAG (Дармщат), също има добри икономически показатели: цената на електроенергията, включително амортизационните отчисления, разходите за гориво и разходите за поддръжка на единицата, възлиза на общо 15 цента / kWh . Същият показател за ТЕЦ с кафяви въглища е 5,6 цента/кВтч в електроцентралите, 4,7 цента/кВтч за въглищните електроцентрали, 4,7 цента/кВтч за комбинираните електроцентрали, а за дизеловите централи – 10,3 цента/ kWh.

Изграждането на по-голяма инсталация за горивни клетки (N = 1564 kW), работеща в Кьолн от 1997 г., изисква специфични капиталови разходи в размер на $ 1500-1750 / kW, но цената на самите горивни клетки беше само $ 400 / kW .

Всичко по-горе показва, че горивните клетки са обещаващ вид оборудване за производство на енергия както за промишлеността, така и за автономните инсталации в сектора на комуналните услуги. Високата ефективност на използването на газ и отличните екологични характеристики дават основание да се смята, че след решаването на най-важната задача - намаляване на разходите - този тип енергийно оборудване ще бъде търсено на пазара на автономни системи за топло и електроснабдяване.

Екология на познанието Наука и технологии: Водородната енергия е една от най-високоефективните индустрии и горивните клетки я държат в челните редици на иновативните технологии.

Горивната клетка е устройство, което ефективно генерира постоянен ток и топлина от богато на водород гориво чрез електрохимична реакция.

Горивната клетка е подобна на батерията по това, че генерира постоянен ток чрез химическа реакция. Отново, като батерия, горивната клетка включва анод, катод и електролит. Въпреки това, за разлика от батериите, горивните клетки не могат да съхраняват електрическа енергия, не се разреждат и не изискват електричество за презареждане. Горивните клетки могат непрекъснато да генерират електричество, стига да имат запас от гориво и въздух. Правилният термин за описание на работеща горивна клетка е клетъчна система, тъй като някои спомагателни системи са необходими, за да функционират правилно.

За разлика от други генератори на електричество, като двигатели с вътрешно горене или турбини, които работят на газ, въглища, мазут и др., горивните клетки не изгарят гориво. Това означава, че няма шумни ротори с високо налягане, няма силен шум от отработените газове, няма вибрации. Горивните клетки генерират електричество чрез безшумна 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, произвеждани от горивните клетки, са вода под формата на пара и малко количество въглероден диоксид, който изобщо не се отделя, ако се използва чист водород като гориво. Горивните клетки се сглобяват в възли и след това в отделни функционални модули.

Как работят горивните клетки

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

Анодът и катодът са разделени от електролит, който провежда протони. След като водородът навлезе в анода и кислородът влезе в катода, започва химическа реакция, в резултат на която се генерират електрически ток, топлина и вода. Върху 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. На катодния катализатор кислородна молекула се комбинира с електрон (който се доставя от външни комуникации) и входящ протон и образува вода, която е единственият продукт на реакцията (под формата на пара и/или течност).

Следва съответната реакция:

Реакция при анода: 2H2 => 4H + + 4e-
Катодна реакция: O2 + 4H + + 4e- => 2H2O
Обща реакция на елемента: 2H2 + O2 => 2H2O

Видове горивни клетки

Подобно на съществуването на различни видове двигатели с вътрешно горене, има различни видове горивни клетки - изборът на подходящия тип горивна клетка зависи от приложението.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 горивото, за да се превърне основното гориво (като природен газ) в чист водород. Този процес изразходва допълнителна енергия и изисква специално оборудване. Високотемпературните горивни клетки не се нуждаят от тази допълнителна процедура, тъй като те могат да "вътрешно преобразуват" горивото при повишени температури, което означава, че няма нужда да се инвестира във водородна инфраструктура.

Горивни клетки на базата на разтопен карбонат (RKTE).

Горивните клетки с разтопен карбонатен електролит са високотемпературни горивни клетки. Високата работна температура позволява природен газ да се използва директно без процесорно гориво и горивен газ с ниска калоричност за промишлени процеси и други източници. Този процес е разработен в средата на 60-те години. Оттогава технологията на производство, производителността и надеждността са подобрени.

При нагряване до 650 ° C солите стават проводник за карбонатните 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 насочват обратно към катода чрез външна електрическа верига, генерирайки електрически ток и топлина като страничен продукт.

Анодна реакция: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Катодна реакция: CO2 + 1 / 2O2 + 2e- => CO32-
Обща реакция на елемента: H2 (g) + 1 / 2O2 (g) + CO2 (катод) => H2O (g) + CO2 (анод)

Горивните клетки от разтопен карбонатен електролит са подходящи за използване в големи стационарни инсталации. Топлоелектрическите централи с изходна електрическа мощност 2,8 MW се произвеждат индустриално. Разработват се инсталации с изходна мощност до 100 MW.

Горивни клетки с фосфорна киселина (FCTE).

Горивните клетки с фосфорна (ортофосфорна) киселина бяха първите горивни клетки за търговска употреба. Този процес е разработен в средата на 1960-те и е тестван от 1970-те години. Оттогава стабилността, производителността е увеличена и разходите са намалени.

Горивните клетки на базата на фосфорна (ортофосфорна) киселина използват електролит на базата на фосфорна киселина (H3PO4) с концентрация до 100%. Йонната проводимост на фосфорната киселина е ниска при ниски температури, поради което тези горивни клетки се използват при температури до 150–220 ° C.

Носителят на заряда в този тип горивни клетки е водород (H +, протон). Подобен процес протича в горивни клетки с протонна обменна мембрана (MOPTE), при която водородът, подаван 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 канализират през външна електрическа верига за генериране на електрически ток. По-долу са реакциите, които генерират електрически ток и топлина.

Реакция при анода: 2H2 => 4H + + 4e-
Катодна реакция: O2 (g) + 4H + + 4e- => 2H2O
Обща реакция на елемента: 2H2 + O2 => 2H2O

Високата производителност на топлоелектрическите централи на 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. Инсталациите използват въглероден окис с концентрация около 1,5%, което значително разширява избора на гориво. В допълнение, CO2 не влияе върху електролита и работата на горивната клетка; този тип клетки работят с реформирано естествено гориво. Опростеният дизайн, ниската летливост на електролита и повишената стабилност също са предимствата на този тип горивни клетки.

Топлоелектрическите централи с изходна електрическа мощност до 400 kW се произвеждат индустриално. 11 MW блоковете са тествани съответно. Разработват се инсталации с изходна мощност до 100 MW.

Мембранно-обменни протонни горивни клетки (MOPTE)

Мембранните горивни клетки се считат за най-добрия тип горивни клетки за генериране на мощност на превозни средства, които могат да заменят бензиновите и дизелови двигатели с вътрешно горене. Тези горивни клетки бяха използвани за първи път от НАСА за програмата Gemini. Днес се разработват и демонстрират агрегати MOPTE с мощност от 1W до 2 kW.

Тези горивни клетки използват твърда полимерна мембрана (тънък пластмасов филм) като електролит. Когато се накисва във вода, този полимер позволява на протоните да преминават, но не провежда електрони.

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

Реакция при анода: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Катодна реакция: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Обща реакция на елемента: 2H2 + O2 => 2H2O

В сравнение с други видове горивни клетки, горивните клетки с протонна обменна 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 позволява бързо стартиране. Тези характеристики, както и способността за бърза промяна на мощността на енергия, са само част от характеристиките, които правят тези горивни клетки основен кандидат за използване в превозни средства.

Друго предимство е, че електролитът е твърдо, а не течно вещество. Задържането на газове на катода и анода е по-лесно с твърд електролит и следователно такива горивни клетки са по-евтини за производство. В сравнение с други електролити, когато се използва твърд електролит, няма такива затруднения като ориентация, има по-малко проблеми поради появата на корозия, 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 тези високи температури, използваният електролит е тънък твърд метален оксид на керамична основа, често сплав от итрий и цирконий, който е проводник на кислородни (O2-) йони. Технологията за използване на горивни клетки от твърд оксид се развива от края на 50-те години на миналия век. и има две конфигурации: равнинна и тръбна.

Твърдият електролит осигурява херметически затворен преход на газ от един електрод към друг, докато течните електролити са разположени в порест субстрат. Носителят на заряда в този тип горивна клетка е кислороден 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, за да образуват четири свободни електрона. Електроните се канализират през външна електрическа верига, генерирайки електрически ток и отпадна топлина.

Реакция при анода: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Катодна реакция: O2 + 4e- => 2O2-
Обща реакция на елемента: 2H2 + O2 => 2H2O

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

Горивни клетки с директно окисление на метанол (POMTE)

Конструкцията на горивните клетки с директно окисление на метанол е подобна на горивните клетки с протонна обменна мембрана (MOPTE), т.е. като електролит се използва полимер, а като носител на заряд се използва водороден йон (протон). Течният метанол (CH3OH) обаче се окислява в присъствието на вода на анода с освобождаване на CO2, водородни йони и електрони, които се канализират през външна електрическа верига, като по този начин се генерира електрически ток. Водородните йони преминават през електролита и реагират с кислород от въздуха и електрони от външната верига, за да образуват вода на анода.

Реакция при анода: CH3OH + H2O => CO2 + 6H + + 6e-
Катодна реакция: 3 / 2O2 + 6H + + 6e- => 3H2O
Обща реакция на елемента: CH3OH + 3 / 2O2 => CO2 + 2H2O

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 от 50-120 ° C. С ниските си работни температури и липсата на нужда от конвертор, горивните клетки с директен метанол са най-добрият кандидат за приложения както в мобилни телефони, така и в други потребителски стоки и автомобилни двигатели. Предимството на този тип горивни клетки е малкият им размер, поради използването на течно гориво, и липсата на необходимост от преобразувател.

Алкални горивни клетки (SHFC)

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

Алкалните горивни клетки използват електролит, тоест воден разтвор на калиев хидроксид, съдържащ се в пореста стабилизирана матрица. Концентрацията на калиев хидроксид може да варира в зависимост от работната температура на горивната клетка, която варира от 65 ° C до 220 ° C. Носителят на заряда в SHFC е хидроксилен йон (OH-), който се движи от катода към анода, където реагира с водорода, произвеждайки вода и електрони. Водата, произведена на анода, се връща обратно към катода, като отново генерира хидроксилни йони там. Тази серия от реакции в горивната клетка произвежда електричество и, като страничен продукт, топлина:

Реакция при анода: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Катодна реакция: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Обща реакция на системата: 2H2 + O2 => 2H2O

Предимството на SHFC е, че тези горивни клетки са най-евтините в производството, тъй като катализаторът, който е необходим на електродите, може да бъде всяко от веществата, които са по-евтини от тези, използвани като катализатори за други горивни клетки. В допълнение, SCFC работят при относително ниска температура и са едни от най-ефективните горивни клетки - такива характеристики могат съответно да допринесат за ускоряване на производството на енергия и висока горивна ефективност.

Една от характерните особености на SHFC 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 трябва да работят на чист водород и кислород. Освен това, молекули като CO, H2O и CH4, които са безопасни за други горивни клетки и дори гориво за някои от тях, са вредни за SHFC.

Полимерни електролитни горивни клетки (PETE)

В случай на горивни клетки с полимерен електролит, полимерната мембрана се състои от полимерни влакна с водни области, в които проводимостта на водните йони H2O + (протон, червено) е прикрепена към водната молекула. Водните молекули представляват проблем поради бавния им йонообмен. Следователно 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 (TKTE)

В горивните клетки с твърда киселина електролитът (CsHSO4) не съдържа вода. Следователно работната температура е 100-300 ° C. Въртенето на кислородните аниони SO42 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 плътно компресирани електрода, за да се осигури добър контакт. При нагряване органичният компонент се изпарява, излизайки през порите в електродите, запазвайки способността за множество контакти между горивото (или кислорода в другия край на клетките), електролита и електродите.

Тип горивна клетка	Работна температура	Ефективност при генериране на енергия	Тип гориво	Област на приложение
RKTE	550-700°С	50-70%		Средни и големи инсталации
FKTE	100-220°С	35-40%	Чист водород	Големи инсталации
MOPTE	30-100°С	35-50%	Чист водород	Малки инсталации
SOFC	450-1000°С	45-70%	Повечето въглеводородни горива	Малки, средни и големи инсталации
POMTE	20-90°С	20-30%	метанол	Преносими инсталации
ЩЕ	50-200°С	40-65%	Чист водород	Изследване на космоса
ПИТ	30-100°С	35-50%	Чист водород	Малки инсталации

Присъединете се към нас в