Ефективност на горивните клетки. Водородни горивни клетки. Видове горивни клетки

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-обещаващата област. 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 се наливат днес в изследвания на горивни клетки, тъй като проблемите със замърсяването продължават. заобикаляща среда, увеличаване на емисиите на парникови газове, генерирани при изгарянето на органично гориво, 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 най-активните метали са в долния ляв ъгъл, а високоактивните металоиди са в горния десен ъгъл на таблицата, 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 противогаз във второто и четвъртото отделение Активен въглен(между първата преграда и втората, както и третата и четвъртата), 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 налеете въглерод за въздушния електролит в четвъртата камера. 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.

Предимства на горивните клетки/клетки

Горивна клетка/клетка е устройство, което ефективно произвежда постоянен ток и топлина от богато на водород гориво чрез електрохимична 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, че няма шумни ротори с високо налягане, няма силен шум от изгорелите газове, няма вибрации. Горивни 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 голямо количествопарникови 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 диоксид, 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-критичните предизвикателства за горивните клетки възникна от необходимостта на Националната администрация по аеронавтика и изследване на космоса (НАСА) на САЩ от енергийни източници за дълъг период от време космически мисии. Алкалната горивна клетка на НАСА използва водород и кислород като гориво, комбинирайки двете химически елементв 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 затопляне 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 страни 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 потече към анода и кислородът към катода, започва химическа реакция, в резултат на която се генерира 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 реакция на елемента: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Видове и разнообразие от 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 горивен газ с ниска калоричност на горивото производствени процесии от 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 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 водорода, 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 + 1/2O 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. Топлоелектрически централи с мощност електрическа сила 3,0 MW. Разработват 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 горивните клетки с протонообменна мембрана, 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 - => 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 клетка работи 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 от 11 MW са преминали съответните тестове. Развиват се инсталации с изходна мощност до 100 MW.

Твърди оксидни горивни клетки/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 промените в консумацията на енергия. При такива високи работни температури не е необходим конвертор за възстановяване на водород от горивото, което позволява на топлоелектрическата централа да работи с относително нечисти горива, 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 горивни клетки с директно окисление на метанол преживява период 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 генериране на електроенергия достига до 70%.

Алкалните горивни клетки използват електролит, т.е. воден разтворкалиев 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, отново генерирайки там хидроксилни йони. 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.

Един от характерни особености SHTE – 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 кораби 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.

Различни модули с горивни клетки. Батерия с горивни клетки

1. Батерия с горивни клетки
2. Друго оборудване, работещо при високи температури (интегриран парогенератор, горивна камера, превключвател на топлинния баланс)
3. Топлоустойчива изолация

Модул горивна клетка

Сравнителен анализ на видове и разновидности на горивни клетки

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 с топлопреносни системи, като общата ефективност на системата достига до 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. Загуби в електрическата мрежа през цялата година поради лошо метеорологични условия, природни бедствия или ограничен мрежов капацитет представляват постоянно предизвикателство за мрежовите оператори.

Традиционните решения за резервно захранване на телекомуникациите включват батерии (клапанно регулирана оловно-киселинна акумулаторна клетка) 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 околната среда след изхвърляне. Дизеловите и пропан генераторите могат да осигурят дългосрочно захранване. Генераторите обаче могат да бъдат ненадеждни, да изискват сериозна 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, 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. 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 ниво на шум
• 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 шината през цялото време постоянен токи плавно приема критични натоварвания, ако напрежението на DC шината падне под зададена от потребителя точка на настройка. 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 реформинг система.

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 превъзходни икономии 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 прекъсване на електрозахранването, земетресения, бури и урагани е важно системите да продължат да работят и да бъдат осигурени с надеждно резервно захранване възможно най-дълго. дълъг периодвреме, независимо от температурата или експлоатационния живот на системата за резервно захранване.

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.

Инсталации с горивни клетки, работещи с течност горивна смесот метанол и вода, осигуряват надеждно резервно захранване с увеличена продължителност на действие, 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 относно живот на батерията> 4 часа
• Ретранслатори в оптични системи (йерархия на синхрон цифрови системи, високоскоростен интернет, гласова комуникация по IP протокол...)
• Мрежови възли за високоскоростно предаване на данни
• WiMAX предавателни възли

Инсталациите за резервно захранване с горивни клетки предлагат множество предимства за критични мрежови инфраструктури за данни в сравнение с традиционните батерийни или дизелови генератори, което позволява увеличено използване 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. Докато 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, трудни са за локализиране и имат добре известни проблеми с тяхната надеждност и техническа поддръжка. 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 диапазона на мощността от 250 W до 15 kW, съчетано с многобройни ненадминати характеристики и особено 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 достъпен 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.

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, не отделят вредни емисии в атмосферата

Вкарвам фитинга на маркуча за пълнене в гърловината за пълнене на гориво и го завъртам на половин оборот, за да уплътня връзката. Щракване на превключвателя - и мигащият светодиод на бензиновата помпа с огромен надпис h3 показва, че зареждането с гориво е започнало. Минута - и резервоарът е пълен, можете да отидете!

Елегантни контури на каросерията, ултра ниско окачване, нископрофилни сликове издават истинска състезателна порода. През прозрачния капак се вижда сложна мрежа от тръбопроводи и кабели. Вече съм виждал някъде подобно решение... О, да, на Audi R8 двигателят се вижда и през задното стъкло. Но при Audi е традиционен бензин, а тази кола работи на водород. Като BMW Hydrogen 7, но за разлика от последния, няма двигател с вътрешно горене. Единствените движещи се части са кормилният механизъм и роторът на електродвигателя. А енергията за него се осигурява от горивна клетка. Този автомобил е произведен от сингапурската компания Horizon Fuel Cell Technologies, специализирана в разработването и производството на горивни клетки. През 2009 г. британската компания Riversimple вече представи градски водороден автомобил, задвижван от горивни клетки Horizon Fuel Cell Technologies. Разработен е в сътрудничество с университетите Оксфорд и Кранфийлд. Но Horizon H-racer 2.0 е самостоятелна разработка.

Горивната клетка се състои от два порести електрода, покрити със слой катализатор и разделени от протонообменна мембрана. Водородът в анодния катализатор се превръща в протони и електрони, които преминават през анода и външна електрическа верига до катода, където водородът и кислородът се рекомбинират, за да образуват вода.

"Отивам!" - по гагарински ме побутва с лакът Главен редактор. Но не толкова бързо: първо трябва да „загреете“ горивната клетка при частично натоварване. Превключвам превключвателя на режим „загряване“ и чакам определеното време. След това, за всеки случай, допълвам резервоара, докато се напълни. Сега да тръгваме: колата, двигателят бръмчи гладко, се движи напред. Динамиката е впечатляваща, въпреки че, между другото, какво друго можете да очаквате от електрическа кола - въртящият момент е постоянен при всяка скорост. Макар и не за дълго - пълен резервоар с водород стига само за няколко минути (Horizon обещава да пусне нова версия в близко бъдеще, в която водородът не се съхранява като газ под налягане, а се задържа от порест материал в адсорбера ). И, честно казано, не се контролира много - има само два бутона на дистанционното. Но във всеки случай е жалко, че това е само радиоуправляема играчка, която ни струва 150 долара. Нямаме нищо против да караме истинска кола с горивни клетки за захранване.

Резервоарът, еластичен гумен контейнер в твърд корпус, се разтяга при зареждане с гориво и работи като горивна помпа, „изстисквайки“ водород в горивната клетка. За да не се "препълни" резервоарът, един от фитингите е свързан с пластмасова тръба към аварийния предпазен клапан.

Бензиностанция

Направи го сам

Машината Horizon H-racer 2.0 се доставя като комплект за широкомащабно сглобяване (тип „направи си сам“), можете да я закупите например в Amazon. Сглобяването му обаче не е трудно - просто поставете горивната клетка на място и я закрепете с винтове, свържете маркучите към резервоара за водород, горивната клетка, гърловината за пълнене и аварийния клапан и остава само да поставите горната част на каросерията на място, като не забравяме предната и задната броня. Комплектът включва станция за зареждане, която произвежда водород чрез електролиза на вода. Захранва се от две АА батерии, а ако желаете енергията да е напълно „чиста“ и от соларни панели (те също са включени в комплекта).

www.popmech.ru

Как да направите горивна клетка със собствените си ръце?

Разбира се, най-простото решение на проблема с осигуряването на постоянна работа на системи без гориво е закупуването на готов вторичен източник на енергия на хидравлична или друга основа, но в този случай със сигурност няма да е възможно да се избегнат допълнителни разходи и в този процес е доста трудно да се обмисли каквато и да е идея за полет на творческа мисъл. Освен това да направите горивна клетка със собствените си ръце изобщо не е толкова трудно, колкото може да си помислите на пръв поглед, и дори най-неопитен майстор може да се справи със задачата, ако желае. В допълнение, повече от приятен бонус ще бъде ниската цена за създаване на този елемент, защото въпреки всичките му предимства и важност, можете абсолютно лесно да се справите със средствата, които вече имате под ръка.

В този случай единственият нюанс, който трябва да се вземе предвид, преди да изпълните задачата, е, че можете да направите устройство с изключително ниска мощност със собствените си ръце, а изпълнението на по-напреднали и сложни инсталации все още трябва да бъде оставено на квалифицирани специалисти. Що се отнася до реда на работа и последователността на действията, първата стъпка е да завършите тялото, за което е най-добре да използвате дебелостенен плексиглас (поне 5 сантиметра). За лепене на стени на корпуса и монтаж вътрешни прегради, за които е най-добре да използвате по-тънък плексиглас (3 милиметра са достатъчни), в идеалния случай използвайте двукомпозитно лепило, въпреки че ако наистина искате, можете сами да направите висококачествено запояване, като използвате следните пропорции: на 100 грама хлороформ - 6 грама стърготини от същия плексиглас.

В този случай процесът трябва да се извършва изключително под капак. За да оборудвате кутията с така наречената дренажна система, е необходимо внимателно да пробиете проходен отвор в предната му стена, чийто диаметър ще съответства точно на размерите на гумената тапа, която служи като вид уплътнение между кутията и стъклената дренажна тръба. Що се отнася до размера на самата тръба, в идеалния случай нейната ширина трябва да бъде от пет до шест милиметра, въпреки че всичко зависи от вида на проектираната конструкция. По-вероятно е да се каже, че старата противогаз, посочена в списъка с необходимите елементи за направата на горивна клетка, ще предизвика известна изненада сред потенциалните читатели на тази статия. Междувременно, цялата полза от това устройство се крие в активния въглен, разположен в отделенията на неговия респиратор, който по-късно може да се използва като електроди.

Тъй като говорим за прахообразна консистенция, за подобряване на дизайна ще ви трябват найлонови чорапи, от които лесно можете да направите торба и да поставите въглищата в нея, в противен случай те просто ще се изсипят от дупката. Що се отнася до разпределителната функция, концентрацията на горивото се извършва в първата камера, докато кислородът, необходим за нормалното функциониране на горивната клетка, напротив, ще циркулира в последното, пето отделение. Самият електролит, разположен между електродите, трябва да се накисне в специален разтвор (бензин с парафин в съотношение 125 към 2 милилитра), като това трябва да стане преди поставянето на въздушния електролит в четвъртото отделение. За да се осигури правилна проводимост, върху въглищата се поставят медни плочи с предварително запоени проводници, през които ще се предава електричество от електродите.

Този етап на проектиране може безопасно да се счита за последния етап, след който готовото устройство се зарежда, за което ще е необходим електролит. За да го приготвите, трябва да смесите етилов алкохол с дестилирана вода в равни части и да започнете постепенно да въвеждате каустичен калий в размер на 70 грама на чаша течност. Провеждането на първия тест на изработеното устройство се състои в едновременно пълнене на първия (горивна течност) и третия (електролит от етилов алкохол и калий каустик) контейнери на плексигласовия корпус.

uznay-kak.ru

Водородни горивни клетки | ЛАВЕНТ

Отдавна исках да ви разкажа за друга посока на компанията Alfaintek. Това е разработка, продажба и сервиз на водородни горивни клетки. Бих искал веднага да обясня ситуацията с тези горивни клетки в Русия.

Поради доста високата цена и пълната липса на водородни станции за зареждане на тези горивни клетки, продажбата им в Русия не се очаква. Въпреки това в Европа, особено във Финландия, тези горивни клетки набират популярност всяка година. каква е тайната Нека да погледнем. Това устройствоекологичен, лесен за използване и ефективен. Той идва на помощ на човек, когато има нужда от електрическа енергия. Можете да го вземете със себе си на път, на поход или да го използвате във вашата селска къща или апартамент като автономен източник на електроенергия.

Електричеството в горивната клетка се генерира от химическа реакция на водород от резервоара с метален хидрид и кислород от въздуха. Цилиндърът не е експлозивен и може да се съхранява в гардероба ви с години, чакайки времето си. Това е може би едно от основните предимства на тази технология за съхранение на водород. Именно съхранението на водород е един от основните проблеми при разработването на водородно гориво. Уникални нови леки горивни клетки, които преобразуват водорода в конвенционално електричество безопасно, тихо и без емисии.

Този виделектричеството може да се използва на места, където няма централно електричество, или като авариен източник на захранване.

За разлика от конвенционалните батерии, които трябва да бъдат заредени и изключени от електрическия консуматор по време на процеса на зареждане, горивната клетка работи като „интелигентно“ устройство. Тази технология осигурява непрекъснато захранване през целия период на използване, благодарение на уникалната функция за пестене на енергия при смяна на резервоара за гориво, която позволява на потребителя никога да не изключва консуматора. В затворен корпус горивните клетки могат да се съхраняват няколко години, без да се губи обемът на водорода и да се намалява мощността им.

Горивната клетка е предназначена за учени и изследователи, правоприлагащи органи, лица за спешно реагиране, собственици на лодки и яхтени пристанища и всеки друг, който се нуждае от надежден източник на енергия в случай на авария. Можете да получите 12 волта или 220 волта и тогава ще имате достатъчно енергия, за да работите с вашия телевизор, уредба, хладилник, кафе машина, електрическа кана, прахосмукачка, бормашина, микропечка и други електрически уреди.

Хидроклетъчните горивни клетки могат да се продават като единична единица или в батерии от 2-4 клетки. Два или четири елемента могат да се комбинират за увеличаване на мощността или силата на тока.

ВРЕМЕ НА РАБОТА НА ДОМАКИНСКИ УРЕДИ С ГОРИВНИ КЛЕТКИ

	Електрически уреди	Работно време на ден (мин.)	Задължително мощност на ден (Wh)	Време на работа с горивни клетки
	Електрическа кана
	Кафе машина
	Микроплоча
	телевизор
	1 крушка 60W
	1 крушка 75W
	3 крушки 60W
	Компютър лаптоп
	Хладилник
	Енергоспестяваща лампа

* - непрекъсната работа

Горивните клетки се зареждат напълно в специални водородни станции. Но какво ще стане, ако пътувате далеч от тях и няма начин да презаредите? Специално за такива случаи специалистите на Alfaintek са разработили цилиндри за съхранение на водород, с които горивните клетки ще работят много по-дълго.

Предлагат се два вида бутилки: NS-MN200 и NS-MN1200. Сглобената NS-MN200 е малко по-голяма от кутия Coca-Cola, побира 230 литра водород, което съответства на 40Ah (12V), и тежи само 2,5 kg. .Металхидридният цилиндър NS-MN1200 побира 1200 литра водород, което отговаря на 220Ah (12V). Теглото на цилиндъра е 11 кг.

Техниката на металния хидрид е безопасен и лесен начин за съхранение, транспортиране и използване на водород. Когато се съхранява като метален хидрид, водородът е под формата на химично съединение, а не на газ. Този метод дава възможност да се получи достатъчно висока енергийна плътност. Предимството на използването на метален хидрид е, че налягането в бутилката е само 2-4 бара, което не е експлозивно и може да се съхранява с години, без да се намалява обемът на веществото. Тъй като водородът се съхранява като метален хидрид, чистотата на водорода, получен от цилиндъра, е много висока - 99,999%. Металохидридни бутилки за съхранение на водород могат да се използват не само с горивни клетки HC 100,200,400, но и в други случаи, когато е необходим чист водород. Цилиндрите могат лесно да се свържат към горивна клетка или друго устройство с помощта на съединител за бързо свързване и гъвкав маркуч.

Жалко, че тези горивни клетки не се продават в Русия. Но сред нашето население има толкова много хора, които се нуждаят от тях. Е, да почакаме и да видим, и ще видите, че ще се появят. Междувременно ще купуваме наложени от държавата енергоспестяващи крушки.

P.S. Изглежда, че темата окончателно е потънала в забрава. Толкова години след написването на тази статия нищо не се получава. Може би не търся навсякъде, разбира се, но това, което хваща окото ми, изобщо не е приятно. Технологията и идеята са добри, но все още не са намерили развитие.

lavent.ru

Горивната клетка е бъдеще, което започва днес!

Началото на 21 век разглежда екологията като едно от най-важните глобални предизвикателства. И първото нещо, на което трябва да се обърне внимание в сегашните условия, е търсенето и използването на алтернативни източници на енергия. Те са тези, които са в състояние да предотвратят замърсяването на околната среда около нас, както и напълно да се откажат от непрекъснато растящите цени на въглеводородните горива.

Още днес източници на енергия като слънчеви клетки и вятърни турбини са намерили приложение. Но, за съжаление, техният недостатък е свързан с зависимостта от времето, както и от сезона и времето на деня. Поради тази причина тяхното използване в космонавтиката, самолетостроенето и автомобилостроенето постепенно се изоставя, а за стационарно използване се оборудват с вторични източници на енергия - батерии.

въпреки това най-доброто решениее горивна клетка, тъй като не изисква постоянно зареждане с енергия. Това е устройство, което може да се рециклира и трансформира различни видовегориво (бензин, алкохол, водород и др.) директно в електрическа енергия.

Горивната клетка работи на следния принцип: отвън се подава гориво, което се окислява от кислорода, а освободената енергия се преобразува в електричество. Този принцип на работа осигурява почти вечна работа.

От края на 19 век учените изучават самата горивна клетка и постоянно разработват нови нейни модификации. И така, днес, в зависимост от условията на работа, има алкални или алкални (AFC), директни борохидрати (DBFC), електрогалванични (EGFC), директни метанолови (DMFC), цинково-въздушни (ZAFC), микробни (MFC), модели на базата на мравчена киселина (DFAFC) и метални хидриди (MHFC) също са известни.

Една от най-обещаващите е водородната горивна клетка. Използването на водород в електроцентрали е придружено от значително освобождаване на енергия, а отработените газове от такова устройство са чиста водна пара или питейна вода, която не представлява заплаха за околната среда.

Успешно тестване на горивни клетки от този тип на Космически корабинапоследък предизвика значителен интерес сред производителите на електроника и различно оборудване. Така компанията PolyFuel представи миниатюрна водородна горивна клетка за лаптопи. Но твърде високата цена на такова устройство и трудностите при безпрепятственото зареждане с гориво ограничават промишленото му производство и широко разпространение. Honda също така произвежда горивни клетки за автомобили повече от 10 години. Този вид транспорт обаче не се продава, а само за служебни нужди на служителите на компанията. Автомобилите са под надзора на инженери.

Много хора се чудят дали е възможно да се сглоби горивна клетка със собствените си ръце. В края на краищата, значително предимство на домашно устройство ще бъде малка инвестиция, за разлика от индустриален модел. За миниатюрния модел ще ви трябват 30 см никелова тел с платинено покритие, малко парче пластмаса или дърво, щипка за 9-волтова батерия и самата батерия, прозрачно тиксо, чаша вода и волтметър. Такова устройство ще ви позволи да видите и разберете същността на работата, но, разбира се, няма да е възможно да генерирате електричество за автомобила.

fb.ru

Водородни горивни клетки: малко история | Водород

В наше време проблемът с недостига на традиционни енергийни ресурси и влошаването на екологията на планетата като цяло поради тяхното използване е особено остър. Ето защо напоследък бяха изразходвани значителни финансови и интелектуални ресурси за разработването на потенциално обещаващи заместители на въглеводородните горива. Водородът може да стане такъв заместител в много близко бъдеще, тъй като използването му в електроцентралите е придружено от освобождаване на голямо количество енергия, а отработените газове са водни пари, тоест не представляват опасност за околната среда.

Въпреки някои технически трудности, които все още съществуват при внедряването на базирани на водород горивни клетки, много производители на автомобили са оценили обещанието на технологията и вече активно разработват прототипи на производствени автомобили, способни да използват водород като основно гориво. Още през две хиляди и единадесета Daimler AG представи концептуални модели Mercedes-Benz с водород електроцентрали. Освен това корейската компания Hyndayi официално обяви, че вече няма намерение да разработва електрически автомобили, а ще концентрира всичките си усилия върху разработването на достъпна водородна кола.

Въпреки факта, че самата идея за използване на водород като гориво не е дива за мнозина, повечето нямат представа как работят горивните клетки, които използват водород и какво е толкова забележително за тях.

За да разберем важността на технологията, предлагаме да разгледаме историята на водородните горивни клетки.

Първият човек, който описва потенциала на използването на водород в горивни клетки, е германецът Кристиан Фридрих. Още през 1838 г. той публикува работата си в известно научно списание от онова време.

Още на следващата година прототип на работеща водородна батерия е създаден от съдия от Uhls, сър Уилям Робърт Гроув. Мощността на устройството обаче беше твърде малка дори по тогавашните стандарти, така че практическата му употреба не можеше да се използва.

Що се отнася до термина „горивна клетка“, той дължи своето съществуване на учените Лудвиг Монд и Чарлз Лангер, които през 1889 г. се опитват да създадат горивна клетка, работеща с въздух и коксов газ. Според други източници терминът е използван за първи път от Уилям Уайт Жак, който пръв решава да използва фосфорна киселина в електролит.

През 20-те години на миналия век в Германия бяха проведени редица изследвания, които доведоха до откриването на твърди оксидни горивни клетки и начини за използване на карбонатния цикъл. Трябва да се отбележи, че тези технологии се използват ефективно в наше време.

През 1932 г. инженерът Франсис Т. Бейкън започва работа по директно изследване на горивни клетки на основата на водород. Преди него учените използваха утвърдена схема - порести платинени електроди се поставяха в сярна киселина. Очевидният недостатък на такава схема е преди всичко в нейната неоправдана висока цена поради използването на платина. В допълнение, използването на сярна киселина каустик представлява заплаха за здравето, а понякога дори и за живота на изследователите. Бейкън реши да оптимизира веригата и замени платината с никел и използва алкален състав като електролит.

Благодарение на продуктивната работа за подобряване на технологията си, Бейкън още през 1959 г. представя на широката общественост своята оригинална водородна горивна клетка, която произвежда 5 kW и може да захранва машина за заваряване. Той нарече представеното устройство „Bacon Cell“.

През октомври същата година е създаден уникален трактор, който работи с водород и произвежда двадесет конски сили.

През шейсетте години на двадесети век американската компания General Electric разработи схемата, разработена от Бейкън, и я приложи към космическите програми Apollo и NASA Gemini. Експерти от НАСА стигнаха до извода, че използването на ядрен реактор е твърде скъпо, технически трудно и небезопасно. Освен това трябваше да спрем да използваме батерии с слънчеви панелипоради големите си размери. Решението на проблема бяха водородните горивни клетки, които са в състояние да снабдяват космическия кораб с енергия и неговия екипаж с чиста вода.

Първият автобус, използващ водород като гориво, е построен през 1993 г. А прототипи на леки автомобили, задвижвани от водородни горивни клетки, бяха представени още през 1997 г. от световни автомобилни марки като Toyota и Daimler Benz.

Малко странно е, че обещаващо екологично чисто гориво, продавано преди петнадесет години в кола, все още не е широко разпространено. Има много причини за това, основните може би са политически и исканията за създаване на подходяща инфраструктура. Да се ​​надяваме, че водородът все пак ще си каже думата и ще се превърне в значителен конкурент на електрическите автомобили. (odnaknopka)

energycraft.org

Създаден на 14.07.2012 20:44 Автор: Алексей Норкин

Нашето материално общество без енергия не може не само да се развива, но дори изобщо да съществува. Откъде идва енергията? Доскоро хората използваха само един начин за получаването му; ние се борихме с природата, изгаряйки получените трофеи в пещите първо на домашни огнища, след това на парни локомотиви и мощни ТЕЦ.

Няма етикети за киловатчасовете, консумирани от съвременния среден човек, които да показват колко години природата е работила, за да може цивилизованият човек да се възползва от предимствата на технологията, и колко години трябва да работи, за да изглади щетите, причинени на я от такава цивилизация. В обществото обаче нараства разбирането, че рано или късно илюзорната идилия ще приключи. Все по-често хората измислят начини да осигурят енергия за своите нужди с минимални щети за природата.

Водородните горивни клетки са Светият Граал на чистата енергия. Те обработват водород, един от често срещаните елементи периодичната таблицаи освобождават само вода, най-разпространеното вещество на планетата. Розовата картина се разваля от липсата на достъп на хората до водород като вещество. Има много от него, но само в свързано състояние и извличането му е много по-трудно от изпомпването на нефт от дълбините или изкопаването на въглища.

Един от вариантите за чисто и екологично производство на водород са микробните горивни клетки (MTB), които използват микроорганизми за разлагане на водата на кислород и водород. И тук не всичко е гладко. Микробите вършат отлична работа за производството на чисто гориво, но за да се постигне необходимата на практика ефективност, MTB изисква катализатор, който ускорява една от химичните реакции на процеса.

Този катализатор е благородният метал платина, чиято цена прави използването на MTB икономически неоправдано и практически невъзможно.

Учени от университета на Уисконсин-Милуоки намериха заместител на скъпия катализатор. Вместо платина, те предложиха да се използват евтини нанопръчки, направени от комбинация от въглерод, азот и желязо. Новият катализатор се състои от графитни пръчки с азот, вграден в повърхностния слой, и ядра от железен карбид. По време на три месеца тестване на новия продукт, катализаторът демонстрира по-високи възможности от тези на платината. Работата на нанопръчките се оказа по-стабилна и контролируема.

И най-важното е, че идеята на учените от университета е много по-евтина. Така цената на платиновите катализатори е приблизително 60% от цената на MTB, докато цената на нанопръчките е в рамките на 5% от текущата им цена.

Според създателя на каталитичните нанопръчки, професор Джунхонг Чен: „Горивните клетки са способни директно да преобразуват горивото в електричество. Заедно електрическата енергия от възобновяеми източници може да бъде доставена там, където е необходима, по чист, ефективен и устойчив начин.“

Професор Чен и неговият екип от изследователи сега изучават точните характеристики на катализатора. Тяхната цел е да придадат практическа насоченост на изобретението си, да го направят подходящо за масово производство и използване.

По материали от Gizmag

www.facepla.net

Водородни горивни клетки и енергийни системи

Кола, задвижвана с вода, скоро може 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 по същество 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 генерира 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. Скорошни 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 установено, че съхраняването на водород в горивни клетки е по-безопасно от съхраняването на бензин в резервоар за горивокола.

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? В момента високата им 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.

www.tesla-tehnika.biz

Предприемачът Данила Шапошников казва, че се е заел да пусне продукта на пазара от лабораторията. Стартъпът AT Energy прави водородни горивни клетки, които ще позволят на дроновете да летят многократно по-дълго, отколкото сега.

Предприемачът Данила Шапошников помага на учените Юрий Доброволски и Сергей Нефедкин да комерсиализират своето изобретение - компактни водородни горивни клетки, които могат да работят няколко часа без страх от замръзване и влага. Създадената от тях компания AT Energy вече е събрала около 100 милиона рубли. инвестиции и се готви да завладее световния пазар на дронове за 7 милиарда долара, който досега използва предимно литиево-йонни батерии.

От лаборатория до пазар

Бизнесът започва от запознанството на Шапошников с двама доктори на науките в областта на енергетиката и електрохимията - Доброволски от Института по проблеми на химическата физика на Руската академия на науките в Черноголовка и Нефедкин, който ръководи Центъра по водородна енергия в Москва. Институт по енергетика. Професорите имаха идея как да направят нискотемпературни горивни клетки, но не разбраха как да пуснат изобретението си на пазара. „Действах като предприемач-инвеститор, който пое риска да пусне продукт на пазара от лабораторията“, спомня си Шапошников в интервю за RBC.

През август 2012 г. Шапошников, Доброволски и Нефедкин регистрират компанията AT Energy (AT Energy LLC) и започват подготовката на прототипи. Компанията подаде заявление и стана резидент на Сколково. През 2013 г. в наетата база на института в Черноголовка основателите на AT Energy работиха за радикално увеличаване на експлоатационния живот на батериите, базирани на горивни клетки. „Черноголовка е научен град, там е доста лесно да намерите и привлечете лаборанти, инженери и електрохимици“, казва Шапошников. Тогава AT Energy се премести в технологичния парк Черноголовски. Там се появява първият продукт – горивна клетка за дронове.

„Сърцето“ на горивната клетка, разработена от AT Energy, е мембранно-електродна единица, в която протича електрохимична реакция: от едната страна се подава въздух с кислород, от другата се подава сгъстен водороден газ и в резултат се генерира енергия на химическата реакция на окисление на водорода.

За реален продукт AT Energy успя да получи две безвъзмездни средства за Сколково (в размер на почти 47 милиона рубли), а също така да привлече около 1 милион долара инвестиции. В проекта повярваха фондът North Energy Ventures (получи 13,8% от AT Energy, негов партньор е самият Шапошников), рисковият фонд Phystech Ventures (13,8%), основан от възпитаници на Московския физико-технологичен институт, и разработчик Morton (10%); Сега Шапошников и Доброволски притежават пряко 26,7% от AT Energy, а Нефедкин - 9% (всички според Единния държавен регистър на юридическите лица).

AT Енергия в числа

Около 1 00 милиона рубли.— общ размер на привлечените инвестиции

3-30 кг— много дронове, за които AT Energy прави захранващи системи

7 милиарда доларана година - обемът на световния пазар на дронове през 2015 г

90 милиона долара- сила на звука руски пазарвоенни дронове през 2014 г

5 милиона долара— обемът на руския пазар за граждански дронове през 2014 г

2,6 милиарда долара— обем на световния пазар на горивни клетки през 2014 г

Източник: фирмени данни, Business Insider, Markets & Markets

Лети по-дълго, дори по-дълго

Днес почти 80% от дроните в света използват електрически двигатели, които се захранват от литиево-йонни или литиево-полимерни батерии. „Най-големият проблем с батериите е, че те имат ограничения на енергийния капацитет поради техния размер. Ако искаш два пъти повече енергия, сложи още една батерия, и още една и т.н. А при дроновете най-важният параметър е неговата маса“, обяснява Шапошников.

Теглото на дрона определя неговия полезен товар - броят на устройствата, които могат да бъдат закачени на него (например камери, термовизионни камери, сканиращи устройства и др.), както и времето за полет. Днес дроновете обикновено летят от половин час до час и половина. „Не е интересно за половин час“, казва Шапошников. „Оказва се, че веднага щом го вдигнете във въздуха, е време да смените батерията.“ Освен това литиево-йонните батерии се държат капризно при ниски температури. Шапошников твърди, че горивните клетки, разработени от AT Energy, позволяват на дроновете да летят до пет пъти по-дълго: от два часа и половина до четири часа и не се страхуват от замръзване (до минус 20 градуса).

AT Energy закупува консумативи и компоненти за своите батерии както в Русия, така и в чужбина. „За научните разработки се подразбират малки серии, така че все още не можем да дадем на потенциалните руски производители на необходимите ни компоненти хоризонт за планиране, за да могат да локализират производството си“, обяснява Шапошников.​​

През 2014 г. AT Energy завърши първите си договори: тя достави на военните 20 батерийни системи, базирани на своите горивни клетки (Шапошников не назовава клиента). Те бяха оборудвани и с дронове на компанията AFM-Servers, която ги използва при заснемането на Олимпиадата в Сочи. „Една от целите на компанията беше да тества нашите системи върху дронове и не ни интересуваше дали ни плащат за това или не“, спомня си Шапошников. Към днешна дата AT Energy е подписала редица договори и предварителни договори, потенциалните приходи за които според Шапошников са 100 милиона рубли. (основно с държавни агенции).

Шапошников не разкрива финансовите резултати на AT Energy. Според Kontur.Focus през 2014 г. компанията е имала приходи от 12,4 милиона рубли. и нетна загуба от 1,2 милиона рубли. Цената на горивните клетки с мощност до 0,5 kW, произведени от AT Energy, според Шапошников, варира от $10-25 хиляди в зависимост от вида на дрона, задачите, които се изправят, продължителността на полета и други параметри.

Девалвацията на рублата, според Шапошников, ще улесни излизането на компанията на световния пазар. „Поставихме си за цел да установим отношения със западни играчи през 2016 г., а през 2017 г. да направим първите продукти за основните видове чуждестранни дронове“, казва той.

ИНВЕСТИТОР

„AT Energy успя да създаде горивна клетка с уникални характеристики“

Олег Перцовски, директор по операциите на клъстера за енергийно ефективни технологии на фондация "Сколково"

„Те успяха да направят устройство, което работи при минусови температури, като същевременно е доста компактно и евтино. За наукоемките проекти четири години са малко време, така че те се движат с нормално темпо според нас. Дроновете са една от очевидните и най-обещаващи области за използване на горивни клетки. С подмяната на източника на захранване дронът ще може да увеличи времето на полет няколко пъти при същите масово-габаритни характеристики. Съществува и пазар за автономно захранване, например за клетъчни мрежи, където има голяма нужда от захранвания с ниска мощност в отдалечени райони, където не са свързани електрически мрежи.

„Създаването на конкурентен продукт и навлизането на този пазар крие значителни инвестиционни рискове“

Сергей Филимонов, ръководител на корпоративния фонд за рисков капитал GS Venture (като част от GS Group)

„Пазарът на горивни клетки с голям капацитет е много по-широк и по-сложен от индустрията на дронове. Но горивните клетки ще трябва да се конкурират с редица съществуващи енергийни източници, както по отношение на ефективността, така и по отношение на разходите. Създаването на конкурентен продукт и навлизането на този пазар крие значителни инвестиционни рискове. За GS Venture областите на UAV и горивните клетки са доста интересни, но фондът не е готов да инвестира в стартиране само защото тази компания работи в развиваща се област и е насочена към активно развиващ се пазар.

КЛИЕНТИ

„Това е най-добрата технология на пазара, но твърде скъпа“

Олег Панфиленок, основател и главен изпълнителен директор на Copter Express

„AT Energy има много силна технология. Комбинацията от „горивна клетка плюс водороден цилиндър“ прави възможно постигането на надежден енергиен интензитет, значително по-висок от този при литиево-полимерните или литиево-йонните батерии. Вече сме проектирали дрон за картографиране, с диаметър около 1 метър, който да лети над голяма площ - ако му поставите водородни горивни клетки, той ще лети до четири часа. Би било удобно и ефективно; няма да се налага да сядате на устройството няколко пъти, за да презареждате.

В момента това определено е най-добрата технология на пазара, но има един проблем: тя е твърде скъпа за нас. Една батерия от AT Energy може да струва около 500 хиляди рубли. - порядък по-висок от литиево-полимерна батерия. Да, това е един и половина пъти по-евтино от чуждите аналози, но имаме нужда от десет. Ние не сме военни, които имат бюджети, ние сме търговско дружество и не сме готови да плащаме големи пари. За военните характеристиките на дрона са по-важни от цената му, но за търговията, напротив, по-добре е да е по-лош, но по-евтин.

„Времето на полет на дрон е най-важният фактор за много мисии.“

Максим Шинкевич, главен изпълнителен директор на групата компании Unmanned Systems

„Ние сме много запознати с AT Energy и сме подписали споразумение за сътрудничество с тях. Наскоро завършихме разработката на нов по-голям мултикоптер с полезен товар до 2 кг, който ще бъде оборудван с горивни клетки от AT Energy и ще лети с тях от 2,5 до 4 часа. На литиеви батериитакъв дрон би летял само 30 минути. Този дрон може да се използва както за граждански, така и за военни цели - това е система за видеонаблюдение за издирване и спасяване на хора, вече сме готови да го пуснем в серия. Вече имаме първия цивилен клиент за него и веднага щом го покажем в действие, ще се появят и други договори.

Един от основните проблеми при масовото използване на горивни клетки е липсата на мрежа от станции за тяхното зареждане. Те са по-скъпи от батериите (в резултат на това цената на дрон, който ги използва, се увеличава с 15%), но в замяна получавате повече от два пъти продължителността на полета. Времето на полет на дрона е най-важният фактор за много приложения.“

Наталия Суворова

Горивни клетки Горивните клетки са химически източници на енергия. Те директно преобразуват енергията на горивото в електричество, заобикаляйки неефективните горивни процеси, които включват големи загуби. Това електрохимично устройство директно произвежда електричество в резултат на високоефективно „студено“ изгаряне на гориво.

Биохимиците са установили, че биологична водородно-кислородна горивна клетка е „вградена“ във всяка жива клетка (виж Глава 2).

Източник на водород в организма е храната – мазнини, протеини и въглехидрати. В стомаха, червата и клетките той в крайна сметка се разлага на мономери, които на свой ред, след серия от химични трансформации, произвеждат водород, свързан с молекулата носител.

Кислородът от въздуха навлиза в кръвта през белите дробове, свързва се с хемоглобина и се разпределя във всички тъкани. Процесът на свързване на водорода с кислорода е в основата на биоенергетиката на тялото. Тук при меки условия (стайна температура, нормално налягане, водна среда) химическата енергия с висока ефективност се преобразува в топлинна, механична (движение на мускулите), електричество (електрически скат), светлинна (насекоми, излъчващи светлина).

Човекът отново повтори създаденото от природата устройство за генериране на енергия. В същото време този факт показва перспективите на посоката. Всички процеси в природата са много рационални, така че стъпките към реалното използване на горивните клетки дават надежда за енергийното бъдеще.

Откриването на водородно-кислородната горивна клетка през 1838 г. принадлежи на английския учен У. Гроув. Докато изучава разлагането на водата на водород и кислород, той открива страничен ефект - електролизаторът произвежда електрически ток.

Какво изгаря в горивна клетка?
Изкопаемите горива (въглища, газ и нефт) се състоят основно от въглерод. При изгаряне атомите на горивото губят електрони, а атомите на кислорода във въздуха ги получават. По този начин в процеса на окисление въглеродните и кислородните атоми се комбинират, за да образуват продукти на горенето - молекули въглероден диоксид. Този процес протича енергийно: атомите и молекулите на веществата, участващи в горенето, придобиват високи скорости и това води до повишаване на тяхната температура. Те започват да излъчват светлина - появява се пламък.

Химическата реакция на изгаряне на въглерод има формата:

C + O2 = CO2 + топлина

По време на процеса на горене химическата енергия се преобразува в Термална енергияпоради обмена на електрони между горивото и атомите на окислителя. Този обмен се извършва хаотично.

Горенето е обмен на електрони между атомите, а електрическият ток е насоченото движение на електрони. Ако електроните бъдат принудени да вършат работа по време на химическа реакция, температурата на процеса на горене ще намалее. В горивната клетка електроните се вземат от реагентите на един електрод, предават енергията си под формата на електрически ток и се добавят към реагентите на друг.

Основата на всеки HIT са два електрода, свързани с електролит. Горивната клетка се състои от анод, катод и електролит (вижте глава 2). Окислява се на анода, т.е. отдава електрони, редуциращ агент (гориво CO или H2), свободните електрони от анода влизат във външната верига и положителните йони се задържат на границата анод-електролит (CO+, H+). От другия край на веригата електроните се приближават до катода, където протича реакция на редукция (добавяне на електрони от окислителя O2–). След това окислителните йони се прехвърлят от електролита към катода.

В ТЕ се обединяват три фази на една физикохимична система:

газ (гориво, окислител);
електролит (проводник на йони);
метален електрод (проводник на електрони).
В горивната клетка енергията на редокс реакцията се преобразува в електрическа енергия, а процесите на окисление и редукция са пространствено разделени от електролита. Електродите и електролитът не участват в реакцията, но в реалните конструкции те се замърсяват с горивни примеси с течение на времето. Електрохимичното изгаряне може да се случи при ниски температури и практически без загуби. На фиг. p087 показва ситуация, при която смес от газове (CO и H2) влиза в горивната клетка, т.е. може да изгаря газообразни горива (виж Глава 1). Така ТЕ се оказва „всеяден“.

Това, което усложнява използването на горивни клетки е, че горивото трябва да бъде „сготвено“ за тях. За горивните клетки водородът се произвежда чрез преобразуване на органично гориво или газификация на въглища. Следователно, блоковата схема на електроцентрала с горивни клетки, в допълнение към батериите за горивни клетки, преобразувател DC към AC (виж Глава 3) и спомагателно оборудване, включва единица за производство на водород.

Две посоки на развитие на горивните клетки

Има две области на приложение на горивните клетки: автономна и мащабна енергия.

За автономна употреба основните фактори са специфичните характеристики и лекотата на използване. Цената на генерираната енергия не е основният показател.

За мащабното производство на енергия ефективността е решаващ фактор. Освен това инсталациите трябва да са издръжливи, да не съдържат скъпи материали и да използват естествено гориво с минимални разходи за подготовка.

Най-големите ползи идват от използването на горивни клетки в автомобил. Тук, както никъде другаде, компактността на горивната клетка ще окаже влияние. При директно получаване на електроенергия от гориво спестяванията ще бъдат около 50%.

Идеята за използване на горивни клетки в мащабна енергия е формулирана за първи път от немския учен В. Освалд през 1894 г. По-късно беше разработена идеята за създаване на ефективни източници на автономна енергия на базата на горивна клетка.

След това бяха направени многократни опити за използване на въглища като активно вещество в горивните клетки. През 30-те години немският изследовател Е. Бауер създава лабораторен прототип на горивна клетка с твърд електролит за директно анодно окисляване на въглища. В същото време са изследвани кислородно-водородни горивни клетки.

През 1958 г. в Англия Ф. Бейкън създава първата кислородно-водородна инсталация с мощност 5 kW. Но това беше тромаво поради използването на високо налягане на газа (2...4 MPa).

От 1955 г. в САЩ К. Кордеш разработва нискотемпературни кислородно-водородни горивни клетки. Те използваха въглеродни електроди с платинени катализатори. В Германия Е. Просто работи върху създаването на неплатинени катализатори.

След 1960 г. се създават демонстрационни и рекламни образци. Първото практическо приложение на горивните клетки е намерено на космическия кораб Аполо. Те бяха основните електроцентрали за захранване на бордовото оборудване и осигуряваха на астронавтите вода и топлина.

Основните области на използване на автономните инсталации с горивни клетки са военни и военноморски приложения. В края на 60-те години обемът на изследванията на ФК намалява, а след 80-те години отново се увеличава по отношение на мащабната енергетика.

VARTA разработи горивни клетки, използващи двустранни газодифузионни електроди. Електродите от този тип се наричат ​​"Янус". Siemens разработи електроди с плътност на мощността до 90 W/kg. В САЩ работата по кислородно-водородни клетки се извършва от United Technology Corp.

В мащабната енергийна индустрия използването на горивни клетки за мащабно съхранение на енергия, например производството на водород (виж Глава 1), е много обещаващо. (слънце и вятър) се разпръскват (виж глава 4). Тяхното сериозно използване, което не може да бъде избегнато в бъдеще, е немислимо без обемни батерии, които съхраняват енергия под една или друга форма.

Проблемът с натрупването вече е актуален днес: дневните и седмичните колебания в натоварването на енергийните системи значително намаляват тяхната ефективност и изискват така наречените маневрени мощности. Един от вариантите за електрохимично съхранение на енергия е горивна клетка в комбинация с електролизатори и газголдери*.

* Газголдер [газ + инж. държач] – склад за големи количествагаз

Първо поколение горивни клетки

Най-голямо технологично съвършенство са постигнали среднотемпературните горивни клетки от първо поколение, работещи при температура 200...230°C на течно гориво, природен газ или технически водород*. Електролитът в тях е фосфорна киселина, която запълва пореста въглеродна матрица. Електродите са въглеродни, а катализаторът е платинен (платината се използва в количества от порядъка на няколко грама на киловат мощност).

* Техническият водород е продукт на преобразуване на органично гориво, съдържащо незначителни примеси на въглероден окис.

Една такава електроцентрала е пусната в експлоатация в щата Калифорния през 1991 г. Състои се от осемнадесет батерии с тегло 18 тона всяка и е поместен в корпус с диаметър малко над 2 м и височина около 5 м. Разработена е процедура за смяна на батерията с помощта на рамкова конструкция, движеща се по релси.

Две американски горивни електроцентрали бяха доставени на Япония. Първият от тях е пуснат на вода в началото на 1983 г. Експлоатационните показатели на станцията съответстваха на изчислените. Работеше с натоварване от 25 до 80% от номиналния товар. Ефективността достигна 30...37% - това е близо до съвременните големи топлоелектрически централи. Времето за стартиране от студено състояние е от 4 часа до 10 минути, а продължителността на смяна на мощността от нула до пълна е само 15 секунди.

В момента в различни части на САЩ се тестват малки отоплителни централи с мощност 40 kW с горивна ефективност около 80%. Те могат да затоплят вода до 130°C и се намират в перални, спортни комплекси, на комуникационни точки и др. Вече са работили около стотина инсталации за общо стотици хиляди часове. Екологичността на FC електроцентралите им позволява да бъдат разположени директно в градовете.

Първата горивна електроцентрала в Ню Йорк с мощност 4,5 MW заема площ от 1,3 хектара. Сега за нови станции с два пъти и половина по-голяма мощност е необходима площадка с размери 30х60 м. Изграждат се няколко демонстрационни централи с мощност 11 MW. Времето за строителство (7 месеца) и площта (30x60 m), заета от електроцентралата, са поразителни. Прогнозният срок на експлоатация на новите електроцентрали е 30 години.

Второ и трето поколение горивни клетки

Проектираните вече модулни блокове с мощност 5 MW със среднотемпературни горивни клетки от второ поколение имат най-добри характеристики. Те работят при температури от 650...700°C. Техните аноди са направени от синтеровани частици от никел и хром, катодите са направени от синтерован и окислен алуминий, а електролитът е разтопена смес от литиеви и калиеви карбонати. Повишената температура помага за решаването на два основни електрохимични проблема:

намаляване на "отравянето" на катализатора от въглероден окис;
повишаване на ефективността на процеса на редукция на окислителя на катода.
Високотемпературните горивни клетки от трето поколение с електролит от твърди оксиди (основно циркониев диоксид) ще бъдат още по-ефективни. Работната им температура е до 1000°C. Ефективността на електроцентралите с такива горивни клетки е близо 50%. Тук продуктите от газификация на твърди въглища със значително съдържание на въглероден окис също са подходящи като гориво. Също толкова важно е, че отпадъчната топлина от високотемпературните инсталации може да се използва за производство на пара, която задвижва турбините на електрическите генератори.

Вестингаус работи върху горивни клетки с твърд оксид от 1958 г. Разработва електроцентрали с мощност 25...200 kW, които могат да използват газово гориво от въглища. Подготвят се за тестване експериментални инсталации с мощност от няколко мегавата. Друга американска компания Engelgurd проектира 50 kW горивни клетки, работещи с метанол с фосфорна киселина като електролит.

Все повече фирми по света се включват в създаването на горивни технологии. Американската United Technology и японската Toshiba създадоха International Fuel Cells Corporation. В Европа горивните клетки се разработват от белгийско-холандския консорциум Elenko, западногерманската компания Siemens, италианската Fiat и английската Jonson Metju.

Виктор ЛАВРУС.

Ако сте харесали този материал, тогава ви предлагаме селекция от най-много най-добрите материалинашия сайт според нашите читатели. Можете да намерите ТОП селекцията за екологични технологии, нова наука и научни открития, където ви е най-удобно