• HSK и HSKK изпити: правила, от какво се състои, моят опит
• Модални глаголи must, have to и ought to
• Как се казва "червен квадрат" на английски - Ans4
• Най-важният френски глагол être
• Наклон на английски
• Прилагателни в немски език
• Модален глагол трябва да: съвет с нотка на морален дълг
• Тема на английски с превод – „Моят университет
• Present Simple: упражнения
• Има ли много чужди заемки на английски?

Част 1

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

Въведение

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

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

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

От практическа гледна точка горивната клетка прилича на обикновена галванична батерия. Разликата се състои във факта, че първоначално батерията е заредена, тоест напълнена с „гориво“. По време на работа се изразходва "гориво" и батерията се разрежда. За разлика от батерията, горивната клетка използва гориво, подадено от външен източник, за да генерира електрическа енергия (фиг. 1).

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

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

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

Предимства и недостатъци на горивните клетки

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

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

Важно предимство на горивните клетки е тяхната екологичност. Въздушните емисии от горивните клетки са толкова ниски, че в някои райони на Съединените щати не изискват специални разрешения от правителствените агенции за качество на въздуха.

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

Предимствата на горивните клетки са също наличието на гориво, надеждност (в горивната клетка няма движещи се части), издръжливост и лекота на работа.

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

Най-ефективното използване на чист водород като гориво, обаче, това ще изисква създаването на специална инфраструктура за неговото генериране и транспортиране. В момента всички търговски проекти използват природен газ и подобни горива. Моторните превозни средства могат да използват обикновен бензин, което ще позволи поддържането на съществуващата развита мрежа от бензиностанции. Въпреки това, използването на такова гориво води до вредни емисии в атмосферата (макар и много ниски) и усложнява (и следователно увеличава цената на) горивната клетка. В бъдеще се обмисля възможността за използване на екологично чисти възобновяеми енергийни източници (например слънчева енергия или вятърна енергия) за разлагане на водата до водород и кислород чрез електролиза и след това преобразуване на полученото гориво в горивна клетка. Такива комбинирани инсталации, работещи в затворен цикъл, могат да бъдат напълно екологичен, надежден, издръжлив и ефективен източник на енергия.

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

История и съвременна употреба на горивните клетки

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

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

У нас се работи и по създаване на горивни клетки за използване в космонавтиката. Например горивни клетки са били използвани за захранване на съветската космическа совалка Буран.

Разработването на методи за търговска употреба на горивни клетки започва в средата на 60-те години на миналия век. Тези разработки бяха частично финансирани от правителствени организации.

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

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

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

маса 1 Обхват на горивните клетки

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

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

Обещаваща посока за използване на горивни клетки е използването им във връзка с възобновяеми енергийни източници, като фотоволтаични панели или вятърни турбини. Тази технология ви позволява напълно да избегнете замърсяването на въздуха. Подобна система се планира да бъде създадена например в Центъра за обучение на Адам Джоузеф Люис в Оберлин (виж ABOK, 2002, № 5, стр. 10). В момента слънчевите панели се използват като един от енергийните източници в тази сграда. Съвместно със специалистите на НАСА беше разработен проект за използване на фотоволтаични панели за производство на водород и кислород от вода чрез електролиза. След това водородът се използва в горивните клетки за генериране на електричество и топла вода. Това ще позволи на сградата да поддържа работата на всички системи през облачни дни и през нощта.

Принципът на работа на горивните клетки

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

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

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

Анодът и катодът са поставени между две метални пластини, които доставят водород и кислород към анода и катода и отстраняват топлината и водата, както и електрическата енергия.

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

	Фигура 5 () Схематична диаграма на горивна клетка с протонна обменна мембрана (PEM).
	Фигура 6 () Водородните молекули през каналите в плочата влизат в анода, където молекулите се разлагат на отделни атоми
	Фигура 7 () В резултат на хемосорбция в присъствието на катализатор, водородните атоми се превръщат в протони
	Фигура 8 () Положително заредените водородни йони дифундират през мембраната към катода и потокът от електрони се насочва към катода през външна електрическа верига, към която е свързан товарът.
	Фигура 9 () Кислородът, подаван към катода, в присъствието на катализатор, влиза в химическа реакция с водородни йони от протонообменната мембрана и електрони от външната електрическа верига. Водата се образува в резултат на химическа реакция

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

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

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

Химическата реакция в горивна клетка от друг тип (например с кисел електролит, който е разтвор на фосфорна киселина H 3 PO 4) е абсолютно идентична с химичната реакция в горивна клетка с протонна обменна мембрана.

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

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

Количеството електрическа енергия, произведена от горивната клетка, зависи от вида на горивната клетка, геометричните размери, температурата, налягането на газа. Една горивна клетка осигурява EMF по-малко от 1,16 V. Възможно е да се увеличи размерът на горивните клетки, но на практика се използват няколко клетки, свързани в батерии (фиг. 10).

Устройство с горивна клетка

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

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

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

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

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

CH 4 (метан) + H 2 O 3H 2 + CO

(реакция ендотермична, с абсорбция на топлина);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(реакцията е екзотермична, с отделяне на топлина).

Общата реакция се изразява с уравнението:

CH 4 (метан) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(реакция ендотермична, с абсорбция на топлина).

За да се осигури високата температура, необходима за преобразуване на природен газ, част от отработеното гориво от стека на горивните клетки се изпраща към горелка, която поддържа риформера при желаната температура.

Парата, необходима за реформиране, се генерира от кондензата, образуван по време на работата на горивната клетка. В този случай се използва топлината, отведена от стека на горивните клетки (фиг. 12).

Комбинацията от горивни клетки генерира периодичен постоянен ток, който се характеризира с ниско напрежение и висок ток. Преобразувател на напрежение се използва за преобразуването му в промишлен стандартен AC. В допълнение, блокът за преобразувател на напрежение включва различни устройства за управление и вериги за безопасност, които позволяват изключване на горивната клетка в случай на различни повреди.

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

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

Видове горивни клетки

В момента са известни няколко вида горивни клетки, които се различават по състава на използвания електролит. Следните четири типа са най-разпространени (Таблица 2):

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

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

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

4. Твърдооксидни горивни клетки (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). В момента най-големият парк от горивни клетки е изграден на базата на PAFC технология.

Една от ключовите характеристики на различните видове горивни клетки е работната температура. В много отношения температурата е тази, която определя обхвата на горивните клетки. Например, високите температури са критични за лаптопите, така че горивните клетки с протонна обменна мембрана с ниски работни температури се разработват за този пазарен сегмент.

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

Протоннообменни мембранни горивни клетки (PEMFC)

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

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

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

таблица 2 Видове горивни клетки

Тип на артикула работници температура, °C ефективност на изхода електрически енергия), % Обща сума Ефективност, % Горивни клетки с протонна обменна мембрана (PEMFC) 60–160 30–35 50–70 горивни клетки на базата на ортофосфорна (фосфорна) киселина (PAFC) 150–200 35 70–80 На базата на горивни клетки разтопен карбонат (MCFC) 600–700 45–50 70–80 Твърдо състояние оксид горивни клетки (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

Горивни клетки с фосфорна киселина (PAFC)

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

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

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

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

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

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

Горивни клетки с разтопен карбонат (MCFC)

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

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

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

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

Горивни клетки с твърд оксид (SOFC)

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

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

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

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

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

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

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

Предимства на горивните клетки/клетките

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/клетките могат непрекъснато да генерират електричество, стига да разполагат с гориво и въздух.

За разлика от други генератори на енергия като двигатели с вътрешно горене или турбини, захранвани с газ, въглища, петрол 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/клетките 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, отделяни 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 клетки/клетките 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-големите предизвикателства пред горивните клетки се ражда от нуждата на Националната администрация по аеронавтика и космос (НАСА) на САЩ от енергийни източници за продължителни космически мисии. Алкалната горивна клетка/клетка на НАСА използва водород и кислород като гориво, комбинирайки двете в електрохимична реакция. Резултатът е три странични продукта от реакцията, полезни в космическите полети - 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 започва работата по алкалните горивни клетки и до 1939 г. е построена 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 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 1980-те, когато индустриалният свят изпитва недостиг на мазут. През същия период световните страни също се загрижиха за проблема със замърсяването на въздуха и обмислиха начини за генериране на екологично чиста електроенергия. Понастоящем технологията на горивните клетки/клетките е в процес на бързо развитие.

Как работят горивните клетки/клетките

Горивните клетки/клетките генерират електричество и топлина чрез протичаща електрохимична реакция 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 генерира 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 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).

По-долу е съответната реакция:

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

Видове и разнообразие от горивни клетки/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 му.

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 консумира 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 (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 от технологични горива и други източници.

Работата на RCFC е различна от другите горивни клетки. Тези клетки използват електролит от смес от разтопени карбонатни соли. В момента се използват два вида смеси: литиев карбонат и калиев карбонат или литиев карбонат и натриев карбонат. За да се стопят карбонатните соли и да се постигне висока степен на подвижност на йоните 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 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 изпращат през външна електрическа верига обратно към катода, генерирайки електрически ток и топлина като страничен продукт.

Анодна реакция: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Реакция на катода: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Реакция на основния елемент: 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 своите предимства. Прилагането на високи температури отнема значително време за постигане на оптимални работни условия и системата реагира по-бавно на промените в консумацията на енергия. Тези характеристики позволяват използването на системи с горивни клетки с разтопен карбонатен електролит при условия на постоянна мощност. Високите температури предотвратяват повреда на горивната клетка от въглероден окис.

Горивните клетки от разтопен карбонат 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 на базата на фосфорна киселина (PFC)

Горивните клетки на базата на фосфорна (ортофосфорна) киселина са първите горивни клетки за търговска употреба.

Горивните клетки на базата на фосфорна (ортофосфорна) киселина използват електролит на базата на ортофосфорна 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 горивните клетки от този тип е водород (H+, протон). Подобен процес протича в горивните клетки с протонна обменна мембрана, при които 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 насочват по външна електрическа верига и се генерира електрически ток. По-долу са реакциите, които генерират електричество и топлина.

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

Ефективността на горивните клетки на базата на фосфорна (ортофосфорна) киселина е повече от 40% при генериране на електрическа енергия. При комбинираното производство на топлинна и електрическа енергия общата ефективност е около 85%. Освен това, при дадени работни 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 в концентрация от около 1,5%, което значително разширява избора на гориво. В допълнение, CO 2 не влияе върху електролита и работата на горивната клетка, този тип клетки работят с реформирано естествено гориво. Опростената конструкция, 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. Инсталациите за 11 MW са преминали съответните тестове. 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 твърд метален оксид на керамична основа, често сплав от итрий и цирконий, който е проводник на кислородни (O 2-) йони.

Твърдият електролит осигурява херметичен преход на газ от един електрод към друг, докато течните електролити са разположени в порест субстрат. Носител на заряд в горивните клетки от този тип е кислородният йон (O 2-). На катода кислородните молекули се отделят от въздуха на кислороден йон и четири електрона. Кислородните йони преминават през електролита и се свързват с водорода, за да образуват четири свободни електрона. Електроните се насочват 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 - \u003d\u003e 2O 2-
Реакция на общ елемент: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

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

Горивните клетки с твърд оксид работят при много високи температури (600°C - 1000°C), което води до дълго време за достигане на оптимални работни условия и системата е по-бавна да реагира 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 от газификация на въглища или отпадъчни газове и други подобни. Освен това тази горивна клетка е отлична за приложения с висока мощност, включително промишлени и големи централни електроцентрали. Промишлено произведени модули с изходна електрическа мощност 100 kW.

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

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 приложение на тези елементи.

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

Алкални горивни клетки/клетки (AFC)

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, т.е. воден разтвор на калиев хидроксид, съдържащ се в пореста, стабилизирана матрица. Концентрацията на калиев хидроксид може да варира в зависимост от работната температура на горивната клетка, която варира от 65°C до 220°C. Носителят на заряда в SFC е хидроксиден йон (OH-), движещ се от катода към анода, където реагира с водород, за да произведе вода и електрони. Водата, произведена на анода, се връща обратно към катода, като отново генерира хидроксидни йони там. В резултат на тази серия от реакции, протичащи в горивната клетка, се 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 SFC е, че тези горивни клетки са най-евтини за производство, тъй като катализаторът, 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 ниски температури и са сред най-ефективните горивни клетки - такива характеристики могат съответно да допринесат за по-бързо генериране на енергия и висока горивна ефективност.

Една от характерните особености на SHTE е неговата висока чувствителност към CO 2 , който може да се съдържа в горивото или въздуха. CO 2 реагира с електролита, бързо го отравя и значително намалява ефективността на горивната клетка. Следователно използването на SFC е ограничено до затворени пространства като космически и подводни превозни средства, те трябва да работят 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 SFC.

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 има проводимост на водни йони (H 2 O + (протон, червено), прикрепен към водната молекула). Водните молекули представляват проблем поради бавния йонообмен. Поради това е необходима висока концентрация на вода както в горивото, така и върху изпускателните електроди, което ограничава работната температура до 100°C.

Горивни клетки/клетки с твърда киселина (SCFC)

В горивните клетки с твърда киселина електролитът (CsHSO 4 ) не съдържа вода. Следователно работната температура е 100-300°C. Въртенето на SO 4 2-окси аниони 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 многобройни контакти между горивото (или кислорода в другия край на клетката), електролита и електродите.

Различни модули на горивни клетки. батерия с горивна клетка

1. Батерия с горивна клетка
2. Друго високотемпературно оборудване (интегриран парогенератор, горивна камера, превключвател на топлинния баланс)
3. Топлоустойчива изолация

модул горивна клетка

Сравнителен анализ на видовете и разновидностите на горивните клетки

Иновативните енергоспестяващи общински топлоенергийни централи обикновено се изграждат върху горивни клетки от твърд оксид (SOFC), горивни клетки с полимерен електролит (PEFC), горивни клетки с фосфорна киселина (PCFC), горивни клетки с протонна обменна мембрана (MPFC) и алкални горивни клетки ( APFCs). Обикновено те имат следните характеристики:

Горивните клетки с твърд оксид (SOFC) трябва да бъдат признати като най-подходящи, които:

• работят при по-висока температура, което намалява нуждата от скъпи благородни метали (като платина)
• може да работи на различни видове въглеводородни горива, главно на природен газ
• имат по-дълго време за стартиране и следователно са по-подходящи за продължителна експлоатация
• 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 почти 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 генериране на енергия	Тип гориво	Област на приложение
RKTE	550–700°С	50-70%		Средни и големи инсталации
FKTE	100–220°C	35-40%	чист водород	Големи инсталации
MOPTE	30-100°С	35-50%	чист водород	Малки инсталации
SOFC	450–1000°C	45-70%	Повечето въглеводородни горива	Малки, средни и големи инсталации
POMTE	20-90°С	20-30%	метанол	Преносим
ЩЕ	50–200°C	40-70%	чист водород	космически изследвания
ПИТ	30-100°С	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 подаване на водород. При използване на малки топлоелектрически централи, базирани 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 инструментите.

Приложения за горивни клетки/клетки

Приложение на горивни клетки/клетки в телекомуникационни системи

С бързото разпространение на безжичните комуникационни системи по света, както и нарастващите социални и икономически ползи от технологията на мобилните телефони, необходимостта от надеждно и рентабилно резервно захранване стана критична. Загубите на 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 захранване на телекомите включват батерии (регулирана с клапан оловно-киселинна батерия) за краткосрочно резервно захранване и дизелови и пропан генератори за по-дълго резервно захранване. Батериите са сравнително евтин източник на резервно захранване за 1 до 2 часа. Батериите обаче не са подходящи за по-дълги периоди на резервиране, тъй като 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 непрекъснато резервно захранване. Въпреки това, генераторите могат да бъдат ненадеждни, да изискват обширна поддръжка и да отделят високи нива на замърсители и парникови газове в атмосферата.

За да се премахнат ограниченията на традиционните решения за резервно захранване, е разработена иновативна технология за зелени 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. Освен това цената на живота 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 екологично 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 комуникации в телекомуникационната система, вариращи от 250W до 15kW, те предлагат много ненадминати иновативни функции:

• НАДЕЖДНОСТ– Малко движещи се части и без разреждане в режим на готовност
• ПЕСТЕНЕ НА ЕНЕРГИЯ
• ТИШИНА– ниско ниво на шум
• СТАБИЛНОСТ– работен диапазон от -40°C до +50°C
• АДАПТИВНОСТ– външен и вътрешен монтаж (контейнер/защитен контейнер)
• ГОЛЯМА МОЩ– до 15 kW
• НУЖДА ОТ НИСКА ПОДДРЪЖКА– минимална годишна поддръжка
• ИКОНОМИКА- атрактивна обща цена на притежание
• ЧИСТА 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 зададена от потребителя зададена точка. Системата работи с водород, който влиза в стека на горивните клетки по един от двата начина - или от търговски източник на водород, или от течно гориво от метанол и вода, като се използва бордова система за реформиране.

Електричеството се произвежда от стека на горивните клетки под формата на постоянен ток. DC мощността се изпраща към преобразувател, който преобразува нерегулираната 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 е ограничена само от количеството водород или метанол/водно гориво, налично на склад.

Горивните клетки предлагат превъзходна енергийна ефективност, 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 на крайния потребител ползи за околната среда, тъй като разходите за изхвърляне и рисковете, 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. Предоставената енергия ще варира в зависимост от тези фактори и не е лесно да се предвиди. Производителността на горивната клетка с протонна обменна мембрана (PEMFC) е относително незасегната от тези фактори и може да осигури критична мощност, докато горивото е налично. 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, 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 срок, е смес от метанол и вода. Метанолът е широко достъпно търговско гориво, което понастоящем има много приложения, включително измиване на предното стъкло, пластмасови бутилки, добавки за двигатели и емулсионни бои. Метанолът е лесен за транспортиране, 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

Мрежите за сигурност изискват надеждни решения за резервно захранване, които могат да продължат с часове или дни при извънредна ситуация, ако електрическата мрежа стане недостъпна.

С малко движещи се части и без намаляване на мощността в режим на готовност, иновативната технология на горивните клетки предлага атрактивно решение в сравнение с наличните в момента резервни системи за захранване.

Най-убедителната причина за използване на технологията на горивните клетки в комуникационните мрежи е повишената цялостна надеждност и сигурност. По време на събития 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 възрастта на системата за резервно захранване.

Гамата от захранвания с горивни клетки е идеална за поддръжка на защитени комуникационни мрежи. Благодарение на техните енергоспестяващи принципи на проектиране, те осигуряват екологично чиста, надеждна резервна мощност с удължена продължителност (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 и като правило води до значителни финансови загуби. Надеждните, иновативни инсталации с горивни клетки, които осигуряват захранване в режим на готовност, осигуряват надеждността, от която се нуждаете, за да осигурите непрекъснато захранване.

Елементите с горивни клетки, работещи на течна горивна смес от метанол и вода, осигуряват надеждно резервно захранване с удължена продължителност, до няколко дни. В допълнение, тези устройства имат значително намалени изисквания за поддръжка в сравнение с генераторите и батериите, изискващи само едно посещение за поддръжка годишно.

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

• Приложения с входяща 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...)
• Мрежови възли за високоскоростно предаване на данни
• WiMAX предавателни възли

Инсталациите в режим на готовност за горивни клетки предлагат многобройни предимства за критични мрежови инфраструктури за данни в сравнение с традиционните акумулаторни или дизелови генератори, което позволява по-голямо използване на място:

1. Технологията за течно гориво решава проблема със съхранението на водород и осигурява практически неограничена резервна мощност.
2. Благодарение на тяхната тиха работа, ниско тегло, устойчивост на температурни крайности и работа практически без вибрации, горивните клетки могат да се монтират на открито, в промишлени помещения/контейнери или на покриви.
3. Подготовката на място за използване на системата е бърза и икономична, а разходите за експлоатация са ниски.
4. Горивото е биоразградимо и представлява екологично решение за градската среда.

Приложение на горивни клетки/клетки в системи за сигурност

Най-внимателно проектираните системи за сигурност и комуникация на сградите са толкова надеждни, колкото и мощността, която ги захранва. Докато повечето системи включват някакъв вид резервна система за непрекъсваемо захранване за краткотрайни загуби на електроенергия, те не предвиждат по-дълги 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 видеонаблюдение и контрол на достъпа (четци на лични карти, устройства за затваряне на врати, технология за биометрична идентификация и др.), автоматични системи за пожароизвестяване и пожарогасене, системи за управление на асансьорите и телекомуникационни мрежи, са изложени на риск при липса на надежден алтернативен източник на непрекъснато захранване.

Дизеловите генератори са шумни, трудни за локализиране и са добре запознати с тяхната надеждност и проблеми с поддръжката. За разлика от тях, резервната инсталация на горивни клетки е тиха, надеждна, има нулеви или много ниски емисии и е лесна за инсталиране на покрив или извън сграда. Не се разрежда и не губи захранване в режим на готовност. Той осигурява непрекъсната работа на критични системи, дори след като институцията преустанови дейността си и сградата е изоставена от хора.

Иновативните инсталации с горивни клетки предпазват скъпите инвестиции в критични приложения. Те осигуряват екологично чиста, надеждна, дълготрайна резервна мощност (до много дни) за използване в диапазона на мощността от 250 W до 15 kW, съчетана с множество ненадминати характеристики и особено високо ниво на пестене на енергия.

Резервните блокове за захранване с горивни клетки предлагат многобройни предимства за критични приложения като системи за сигурност и управление на сгради пред традиционните акумулаторни или дизелови генератори. Технологията за течно гориво решава проблема със съхранението на водород и осигурява практически неограничена резервна мощност.

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

Горивните клетки с твърд оксид (SOFC) 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 горива. Тези иновативни устройства се използват в голямо разнообразие от пазари, от домашно производство на електроенергия до захранване до отдалечени райони, както и спомагателни източници на енергия.

Приложение на горивни клетки/клетки в разпределителните мрежи

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

Фигурата по-долу показва загубата в ефективността на производството на електроенергия, когато се генерира от ТЕЦ и се предава до домовете чрез традиционните преносни мрежи, които се използват в момента. Загубите на ефективност в районното 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 ефективност на генериране до 60% в точката на използване. В допълнение, домакинството може да използва топлината, генерирана от горивните клетки за отопление на вода и помещения, което повишава общата ефективност на преработката на енергията на горивото и подобрява спестяването на енергия.

Използване на горивни клетки за опазване на околната среда - Използване на асоцииран нефтен газ

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

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

1. Едно от основните предимства на инсталациите с горивни клетки е, че те могат да работят надеждно и устойчиво на свързан нефтен газ с променлив състав. Поради безпламковата химическа реакция, лежаща в основата на работата на горивната клетка, намаляването на процента на, например, метан причинява само съответно намаляване на мощността.
2. Гъвкавост по отношение на електрическото натоварване на консуматорите, диференциал, пренапрежение на натоварването.
3. За инсталирането и свързването на топлоелектрически централи на горивни клетки, тяхното изпълнение не изисква капиталови разходи, т.к Уредите се монтират лесно на неподготвени площадки в близост до полета, лесни са за работа, надеждни и ефективни.
4. Високата автоматизация и модерното дистанционно управление не изискват постоянно присъствие на персонал в завода.
5. 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.
6. Разход на вода: никакъв при околни температури до +30 °C и незначителен при по-високи температури.
7. Изход за вода: няма.
8. Освен това топлоелектрическите централи с горивни клетки не издават шум, не вибрират, не отделят вредни емисии в атмосферата

горивна клетка- какво е? Кога и как се появи той? 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 клетка- Това е химически източник на ток или електрохимичен генератор, това е 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 батерии в автомобили, непрекъсваеми захранвания и др. Следващият етап от развитието на тази област ще бъде широкото разпространение на горивни клетки и това е неоспорим факт.

История на горивните клетки

Историята на горивните клетки е друга история за това как свойствата на материята, веднъж открити на Земята, са били широко използвани далеч в космоса и в началото на хилядолетието те 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, наречена по-късно галванична клетка на Гроув, която също е призната за първата горивна клетка. Самото име "горивна клетка" е дадено 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 в „Мистериозният остров“ предсказва настоящата енергийна ситуация, като пише, че „Водата един ден ще се използва като гориво, водородът и кислородът, от които се състои, ще бъдат използвани“.

Междувременно новата технология за захранване постепенно се усъвършенства и от 50-те години на XX век не е минавала година без обявяване на най-новите изобретения в тази област. През 1958 г. в Съединените щати се появява първият трактор, задвижван от горивни клетки, през 1959 г. Освободено е захранване 5KW за заваръчна машина и др. През 70-те години водородната технология излетя в космоса: самолетни и ракетни двигатели се появиха на водород. През 60-те години на миналия век RSC Energia разработва горивни клетки за съветската лунна програма. Програмата Buran също не мина без тях: бяха разработени алкални горивни клетки от 10 kW. И към края на века горивните клетки прекосиха нулева надморска височина над морското равнище - на тяхна база е разработено захранването на немската подводница. Връщайки се на Земята, през 2009 г. първият локомотив беше пуснат в експлоатация в САЩ. Естествено, на горивни клетки.

В цялата красива история на горивните клетки интересното е, че колелото все още е несравнимото изобретение на човечеството в природата. Факт е, че по своя дизайн и принцип на работа горивните клетки са подобни на биологична клетка, която всъщност е миниатюрна водородно-кислородна горивна клетка. В резултат на това човек отново изобрети това, което природата използва от милиони години.

Принципът на работа на 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 когато електрически ток преминава през вода, 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 образуване на потенциална разлика между електроди.

Най-простата горивна клетка се състои от специална мембрана, използвана като електролит, от двете страни на която са поставени прахообразни електроди. Водородът влиза от едната страна (анод), а кислородът (въздух) влиза в другата (катод). Всеки електрод има различна химична реакция. На анода водородът се разпада на смес от протони и електрони. В някои горивни клетки електродите са заобиколени от катализатор, обикновено изработен от платина или други благородни метали, за да подпомогнат реакцията на дисоциация:

2H 2 → 4H + + 4e -

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

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

4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O

Цялостна реакцияв горивната клетка е написано, както следва:

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 външната проводяща верига. Това движение на електроните е електрическият ток, който може да се използва за захранване на външно устройство, свързано към горивната клетка (товар като електрическа крушка):

В своята работа горивните клетки използват водородно гориво и кислород. Най-лесният начин е с кислород – взема се от въздуха. Водородът може да се доставя директно от определен 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 водорода. В момента повечето от технологиите за горивни клетки, които се разработват 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 се доставят 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 1AT. 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.
• За горивни клетки няма твърдо ограничение на ефективността, както за 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 генераторни установки, получената пара или газ завърта турбина или вал на двигателя с вътрешно горене, който от своя страна завърта електрически генератор. Резултатът е ефективност от максимум 42%, по-често е около 35-38%. Освен това, поради многото връзки, както и поради термодинамичните ограничения за максимална ефективност на топлинните двигатели, е малко вероятно съществуващата ефективност да бъде повишена по-високо. За съществуващи горивни клетки Ефективността е 60-80%,
• Ефективност почти не зависи от коефициента на натоварване,
• Капацитетът е няколко пъти по-високотколкото съществуващите батерии
• Завършен няма вредни за околната среда емисии. Излъчват се само чиста водна пара и топлинна енергия (за разлика от дизеловите генератори, които имат замърсяващи емисии и изискват отстраняването им).

Видове горивни клетки

горивни клетки класифициранна следните основания:

• по използвано гориво
• работно налягане и температура,
• според естеството на заявлението.

Като цяло има следните видове горивни клетки:

• Твърдооксидни горивни клетки (SOFC);
• Горивна клетка с протонообменна мембрана (PEMFC);
• Реверсивна горивна клетка (RFC);
• Директна метанолова горивна клетка (Direct-methanol fuel cell - DMFC);
• Разтопена карбонатна горивна клетка (Molten-carbonate fuel cells - 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 елементи с йонообменна мембрана. Получената вода не разтваря твърдия електролит, изтича и лесно се отстранява.

Проблеми с горивните клетки

• Основният проблем на 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 и проблема с източника на водород. Понастоящем водородът се произвежда от природен газ, но нарастващите разходи за енергия също ще повишат цената на водорода. В същото време присъствието на CO и H 2 S (сероводород) е неизбежно във водорода от природен газ, които отравят катализатора.
• Обикновените платинени катализатори използват много скъп и незаменим в природата метал - платина. Планира се обаче този проблем да бъде решен чрез използване на катализатори на базата на ензими, които са евтино и лесно произвеждано вещество.
• Топлината също е проблем. Ефективността ще се увеличи рязко, ако генерираната топлина се насочи към полезен канал - за производство на топлинна енергия за топлоснабдителната система, за използване като отпадна топлина в абсорбционни охладители и др.

Метанолни горивни клетки (DMFC): реално приложение

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

Типичната DMFC верига съдържа, освен 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 намерят варианти за използване на метанолния разтвор с най-високата му 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 работа. Ако по-рано беше използван 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 Toshiba получиха горивни клетки, работещи на чист метанол.

Горивните клетки са бъдещето!

И накрая, фактът, 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, говори за очевидното голямо бъдеще на горивата клетки.

Текстът на творбата е поставен без изображения и формули.
Пълната версия на работата е налична в раздела „Данни файлове“ в PDF формат

Въведение

Нарастващите нужди от потребление на енергия изискват търсене на нейните перспективни източници. При решаването на това ПроблемиВажна роля могат да играят източниците на ток, наречени горивни клетки.

Целта на този проект- След като се запознаете с принципите на работа на горивните клетки, направете работещ модел на този вид източник на електрическа енергия. Задача за работа: след като проучи теоретичния материал за основите на функционирането на горивните клетки и след като се запознае със съществуващите типове на тези източници на ток, направете валиден авторски модел на елемента. Избран е този конкретен източник на ток, тъй като при него енергията на горивото се преобразува директно в електрическа енергия без използването на различни междинни устройства.

Хипотеза -възможността за самостоятелно разработване и създаване на авторски модел на горивната клетка. Обект на изследване: текущи източници - горивни елементи. Предмет на изследване- технически и електрически характеристики на тези източници на ток. Изследователски методи- изучаване на необходимия теоретичен материал, провеждане на експерименти за създаване на собствена работеща горивна клетка за водородно-кислородна горивна клетка с алкален електролит и тестване на работата на получения източник на ток. Практическа значимост и уместностГоривните клетки са много интересни и обещаващи поради факта, че преобразуват химическата енергия на горивото директно в електричество, топлина и вода. По този начин те са високоефективни, безшумни, не замърсяват атмосферата и следователно имат предимства от гледна точка на екологията.

Новостпроект: създаване на собствена работеща горивна клетка за водородно-кислородна горивна клетка с алкален електролит (като протонообменна мембрана авторът използва микроканална плоча, като безплатинов катализатор - игловидни монокристали от молибденов оксид, легиран със злато).

2. Теоретична част.

2.1. горивни клетки

горивна клетка Устройство, което ефективно генерира постоянен ток и топлина от богато на водород гориво чрез електрохимична реакция.

Горивната клетка (FC) е подобна на батерията по това, че генерира постоянен ток чрез химическа реакция. Подобно на батерията, тя има 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. FC могат непрекъснато да генерират електричество, стига да разполагат с гориво и въздух.

Въпреки факта, че първите горивни клетки се появяват преди повече от 100 години, все още не е възможно да се създаде „идеална“ горивна клетка. Съществуващите в момента горивни клетки са изградени по различни схеми, работят при температури от стайна температура до няколкостотин градуса, използват течно или газообразно гориво. Всички те са обединени от факта, че както горивото, така и окислителят се доставят от външни резервоари. По този начин количеството електрическа енергия, което една горивна клетка може да произведе, е ограничено само от капацитета на тези външни хранилища. Техният капацитет може да бъде практически безкраен.

Предимства. За разлика от традиционните галванични клетки или батерии, в които горивото и окислителят се съхраняват вътре в кутията и не могат да се заменят или добавят, докато се изразходват, някои видове горивни клетки могат да се използват веднага след доставянето на горивото и окислителя (други типове изискват предварителна процедура за стартиране). Горивните клетки, използващи течно гориво, имат значително по-висока ефективност в сравнение с традиционните двигатели, използващи същото гориво и свързани към електрически генератор. Горивната клетка преобразува реакцията на окисление на горивото директно в електрическа енергия без междинни устройства.

Недостатъци. Те включват високата цена на платинените катализатори, които са основен компонент на много видове горивни клетки. Възможността за необратимо "отравяне" на такъв катализатор в случай на използване на замърсено гориво. И като следствие, или пълна неработоспособност на горивната клетка, или загуба на мощност с едновременно влошаване на ефективността. Съществува и проблемът за безопасното съхранение на големи обеми водород в случай на водородно-кислородни горивни клетки. Следващият недостатък е неспособността на FCs да предоставят краткосрочни пикови мощности. (Трябва да инсталираме допълнително батерии с традиционен дизайн).

В момента е в ход търсенето на ефективни безплатинови катализатори и протонообменни мембрани, както и оптимизиране на дизайна на електродите и подобряване на методите за съхранение на гориво в случай на използване на горивни клетки за превозни средства.

2. 2. Видове горивни клетки

Нека разгледаме някои видове горивни клетки. За разлика от други генератори на енергия, като двигатели с вътрешно горене или турбини, работещи 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. FC генерират електричество директно чрез безшумна електрохимична реакция. Единствените продукти, отделяни 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. FCs се сглобяват в модули и след това в отделни функционални модули. Има няколко различни типа горивни клетки, всяка от които използва различни химични процеси. Горивните клетки обикновено се класифицират според техните Работна температураи вид електролиткоито използват. Някои видове горивни клетки са подходящи за използване в стационарни електроцентрали, други за малки преносими устройства или за захранване на автомобили и др.

ФК се делят на високотемпературни и нискотемпературни.

Нискотемпературни 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 консумира допълнителна енергия и изисква специално оборудване.

Високотемпературни 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 .

2.2.1. Горивна клетка с полимерна обменна мембрана

Горивната клетка с полимерна обменна мембрана (PEMFC) е една от обещаващите технологии за горивни клетки. Състои се от:

1. анод- TE отрицателна клема. Той провежда електрони, които се освобождават от водородните молекули, след което електроните се използват във външната верига. Той е гравиран с канали, през които водородният газ се разпределя равномерно по повърхността на катализатора.

2.катод- положителният извод на горивната клетка също има канали за разпределение на кислорода по повърхността на катализатора. Той също така отвежда електроните обратно от външната верига на катализатора, където те могат да се комбинират с водородни и кислородни йони, за да образуват вода.

3.Електролитно-протонна обменна мембрана. Това е специално обработен материал, който провежда само положително заредени йони и блокира електроните. При PEMFC мембраната трябва да бъде хидратирана, за да функционира правилно и да остане стабилна.

4. катализаторе специален материал, който насърчава реакцията на кислород и водород. Обикновено се прави от платинени наночастици, отложени върху въглеродна хартия или плат. Катализаторът има повърхностна структура, така че максималната повърхност на платината може да бъде изложена на водород или кислород.

Реакцията в една горивна клетка произвежда само около 0,7 волта. За да се повиши напрежението, много отделни горивни клетки трябва да се комбинират.

2.2.2. Водородно-кислородна горивна клетка

Това е химичен източник на ток, в който активните вещества непрекъснато се подават отвън към зоната на електрохимична реакция. Ориз. 1. Работи при нормални или леко повишени температури, използвайки водни електролити. Елементите от този тип се характеризират с наличието на порести електроди, изработени от подходящи електропроводими материали (въглища, никел и др.), които са частично импрегнирани с електролит, но запазват газопропускливостта. На вътрешната повърхност на порите, където влизат активни газове (водород и кислород), протичат електродни процеси, които се състоят в прехода на адсорбираните газове в йонно състояние и са източник на електродвижещата сила на елемента.

Основно предимствоПредложената водородно-кислородна FC се състои във факта, че степента на импрегниране на електродите, създадени в началото (по време на производството на елемента), остава почти постоянна, тъй като не се случва по-нататъшно спонтанно импрегниране на електродите от удебеления електролит. Или се осъществява само в малка степен, което води до висока стабилност на електродите. Продуктът работи без повишено налягане на газа.

недостатъкелектроди, работещи без повишено налягане на газа, е значително по-ниската плътност на тока, която тези електроди могат да издържат.

Нека разгледаме по-подробно водородно-кислородна горивна клетка с воден електролит и порести електроди, изработени от никел, въглерод или друг електропроводим материал, който работи без използване на свръхналягане на подавания газ (по-специално въздух). FC е различен по това, че за да се предотврати постепенното намокряне на електродите, както и да се увеличи стабилността и големината на разрядния ток, се използва електролитът в удебелено състояние. Електродните плочи от двата полярности (или една от тях - предимно положителна) са съставени от голям брой тесни тънки пластини, разположени успоредно една на друга и перпендикулярно на равнината на електродната плоча. Те са разделени на части с тънки порести тампони, импрегнирани с електролит, а останалите с газ (водород за отрицателния електрод и кислород или въздух за положителния електрод).

Кислородно-водородна клетка с алкален електролит е една от най-обещаващите съвременни горивни клетки. Неговите Ползиса в относителната простота на дизайна, висока степен на надеждност, възможност за използване на газове без специално пречистване и при ниско парциално налягане, включително използването на атмосферен кислород. В допълнение, този елемент запазва предимствата на най-добрите горивни клетки от други системи: продължителна работа за относително дълго време, без вредни емисии, високо използване на активни вещества и стабилност на напрежението.

2.2.3. Алкални горивни клетки (AFC)

Алкалните горивни клетки (ALFC) са една от най-изучаваните технологии и се използват 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 едни от най-ефективните клетки, използвани за генериране на електроенергия, като ефективността на генериране на енергия достига до 70%.

Алкалните горивни клетки използват електролит, т.е. воден разтвор на калиев хидроксид, съдържащ се в пореста, стабилизирана матрица. Концентрацията на калиев хидроксид може да варира в зависимост от работната температура на горивната клетка, която варира от 65°C до 220°C. Носителят на заряда в SFC е хидроксиден йон (OH-), движещ се от катода към анода, където реагира с водород, за да произведе вода и електрони. Водата, произведена на анода, се връща обратно към катода, като отново генерира хидроксидни йони там. В резултат на тази серия от реакции, протичащи в горивната клетка, се 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 - => 4OH - Обща реакция на системата: 2H 2 + O 2 => 2H 2 О.

Предимството на SFC е, че те са по-евтини за производство, тъй като цената на техните катализатори е по-ниска. В допълнение, SFC работят при относително ниски температури и са сред най-ефективните горивни клетки.

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

3. Експериментална част

За провеждане на експериментите беше решено да се направи работещ модел на водородно-кислородна горивна клетка с алкален електролит (КОН разтвор). Тъй като за работата на такава клетка са необходими газообразни водород и кислород, се наложи да се направи и устройство за непрекъснатото им производство - електролизатор. Поради факта, че клетката се нагрява по време на работата си, електролизерът беше допълнен с газов охладител на базата на термоелектричен хладилник, базиран на елемент на Пелтие. Електролизаторът също се нагрява до температура от 35 - 40 °C.

3.1. Производство на горивни клетки

Горивната клетка е трислойна сандвич структура. Със страни 8 х 8 см и дебелина 7 мм. Основата на дизайна на плочата е изработена от прозрачен поликарбонат. Фигура 2 показва изглед на страничната плоча. Виждате фитинга за газоснабдяването, електрическия контакт и винтовете, които стягат конструкцията в едно цяло. Фигура 3 показва изглед на горивната клетка от крайната повърхност.

В централната част е направен кръгъл прозорец, където е залепена протонообменната мембрана. Като мембрана беше използвана микроканална плоча. В каналите на мембраната поради капилярни сили електролитът се задържа добре - 5% разтвор на КОН. Голям брой отвори с микронен размер осигуряват безпрепятствен транспорт на протони през плочата, която е диелектричен изолатор. Той е химически инертен по отношение на каустичния поташ KOH. Външният вид на централната секция с микроканална плоча е показан на фигура 4.

Върху страничните части на горивната клетка е залепено алуминиево фолио, което е електрически контакт за електродите. Електродите са дискове, изработени от въглероден филц. Въглищният локомотив удовлетворява основните изисквания за успешна работа на горивна клетка, а именно висока електрическа проводимост, структурна порьозност за преминаване на газ и развитие на повърхността за ефективна работа на катализатора, както и химическа инертност по отношение на електролита KOH. Има две странични части. Външният вид на плочата е показан на фигура 5.

По периметъра горивната клетка е сглобена в един пакет с помощта на 9 винта. В страничните части са закрепени фитинги за подаване и отвеждане на газ.

3.2. Производство на електролизатор за непрекъснато производство на водород и кислород

Основната част на клетката е U-образна стъклена тръба, пълна с 10% разтвор на KOH. Водородът и кислородът се получават при разлагането на дестилирана вода под действието на електрически ток. Електродите се прекарват през горните гумени тапи, поставени в отворените колена на тръбата. Външен вид на напълно сглобен електролизатор със свързана към него горивна клетка - фиг. 6. Произвежданите по време на работа газове се изпускат през система от маркучи, свързани към горните части на стъклената тръба. Поради факта, че дестилираната вода има значителна устойчивост и скоростта на нейното разлагане ще бъде незначителна, към водата се добавя алкал - каустичен калий KOH. Съпротивлението рязко намалява, силата на тока се увеличава и в резултат на това скоростта на разлагане на водата до водород и кислород. За химическа устойчивост електродите, потопени в разтвора, са направени от никел.

По време на работа нивото на електролита намалява поради разлагането на водата и трябва да се доведе до нивото чрез добавяне на нови порции вода. В този случай алкалите не се консумират. За попълване на нивото на водата без намаляване на налягането на клетката, спринцовка с вода е свързана към една от горните гумени тапи. За един час работа на клетката при напрежение 14 V и ток 2 A се образуват около 120 cm 3 H 2 и 60 cm 3 O 2. Скоростта на получаване на газове е достатъчна за експеримента. Също така, като се има предвид експлозивността на сместа от H 2 и O 2, скоростта на тяхното производство е недостатъчна за образуването на детониращ газ в помещението. Водородът и кислородът влизат всеки през своя собствена линия, обединявайки се само вътре в горивната клетка. Потокът от газове може да бъде насочен директно към горивната клетка или да се съхранява в спринцовки с обем 60 cm 3, свързани към линиите. В този случай потокът от газове към клетката се блокира от ролкови скоби.

Всички основни елементи на електролизера са фиксирани върху универсална стойка с помощта на съединители и скоби. Източникът на захранване е регулирано лабораторно захранване. Водородът и кислородът, получени по време на процеса на разлагане, преминават през охладител върху елемент на Пелтие. Охладителят всъщност е елемент на Пелтие, върху чието студено съединение, с помощта на топлопроводяща паста KPT-8, е монтирана алуминиева плоча с фиксирани върху нея медни тръби за потока на газове. Дебитът на газа е нисък. Следователно газът има време да се охлади до температура от +10 °C на изхода, при температура от +20 °C на входа. Горещият възел се охлажда от радиатор от медна пластина с принудителен въздушен поток. Радиаторът също е прикрепен към горещия възел на елемента Peltier с помощта на топлопроводяща паста KPT-8. Фиг.7.

Така газовете се охлаждат предварително, което увеличава плътността им и позволява клетката да се използва, без да се вземат мерки за нейното принудително охлаждане. В процеса на получаване на електричество клетката подлежи на самонагряване в резултат на взаимодействието на водорода с кислорода. Когато клетката работи, се генерира електричество и се образува вода. Този процес всъщност е изгаряне на водород в кислородна атмосфера. Следователно загряването на клетките е нормално. Консумацията на ток от 5 A е сумата от тока, консумиран от клетката, елемента на Пелтие и вентилатора, който охлажда горещия възел на елемента на Пелтие.

За да се потвърди ефективността на горивната клетка, когато в нея като катализатор се използват активирани със злато игловидни монокристали на молибденов оксид, беше проведен експеримент с клетка без катализатори. Предназначение: измерване на ЕМП на клетката. След свързване на сглобената клетка към електролизатора, тя се държи в газовия поток в продължение на 15 минути, за да се осигури отстраняването на атмосферните газове от порьозните електроди. Клетката е демонтирана преди експеримента. Протонообменната мембрана се навлажнява с разтвор на електролит - 5% разтвор на КОН. Максималната получена стойност на EMF: 15,5 mV. Тези. без катализатори, Н 2 и О 2 взаимодействат, но слабо.

В следващия експеримент върху крайните части на порести въглеродни електроди се отлага слой от катализатор, който представлява игловидни монокристали от молибденов оксид, легиран със злато. Клетката беше разглобена за това. Катализаторът се отлага върху двата електрода. Натрошеният катализатор (фиг. 8) се излива върху повърхността на електрода и се разпределя равномерно. Беше от частта на електрода, която е обърната към алуминиевото покритие. Клетката беше сглобена и свързана към електролизера. Тя беше държана в поток от газове в продължение на 15 минути. Максималната стойност на ЕМП в случай на използване на катализатори: 600 mV. Тези. катализаторът значително увеличава количеството на водорода и кислорода, които реагират един с друг. (Най-известните проекти на подобни горивни клетки с алкални електролити и платинени катализатори имат EMF малко по-голям от 1V.)

4. Заключение

Резултати от проекта: 1. Изследвани са теоретични основи на работата на водородно-кислородни горивни клетки с алкален електролит. 2. Изработен е работещ сгъваем модел на горивна клетка с протонообменна мембрана от микроканална плоча и порести въглеродни електроди. 3. Направен е електролизатор за производство на водород и кислород. 4. Проведен е експеримент за ефективното използване на игловидни монокристали на MoO 3, легиран със злато като катализатор без платина.

5. Литература

1. „Justi E., Winzel A. Горивни клетки. - М.: Мир, 1964. - 305 с.

2 http vezdehod-strannik.ru

3. http://att-vesti.neva.ru/J33-2.HTM

4. В.Н. Варипаев, М.А. Дасоян. Химически източници на ток: - М.: Мир, 1990. - 240 c.

5. https://postnauka.ru/faq/59642#!

6. Приложения

Ориз. 1 - Процеси, протичащи по време на работата на горивните клетки

Ориз. 2 - Горивна клетка. Ориз. 3 - Изглед от крайната повърхност

Ориз. 4 - Централна секция с мембрана 5 - Страничен капак.

Ориз. 7 - Термоелектричен охладител на елемент на Пелтие

Ориз. 8 а - Катализатор (молибденов оксид MoO 3 ) 400-кратно увеличение; b - изображение на атомно-силов микроскоп (Център за колективно използване на Североосетинския държавен университет)

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

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

Химията като източник на електричество

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

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

Схема на галванична клетка

Wikimedia Commons

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

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

Пръстови алкални батерии

Презареждащ се

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

Автомобилна оловна батерия

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

Li-ion батерия за мобилен телефон

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

Твърд електролит

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

Водородни горивни клетки

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

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

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

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

Схематична диаграма на работата на водородна горивна клетка

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

Водородна горивна клетка на Toyota

Джоузеф Брент / flickr

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

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

Ефективност на горивните клетки

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

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

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

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

Алтернативно електрохимично съхранение

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

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

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

* * *

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Александър Дубов

• Диалозите за времето са чудесен начин да започнете разговор
• Съюз в немски Синдикати на немски език и тяхната функция
• Диалог на немски
• Семейна история на английски - развлекателни дейности, семейни отношения Семейна история на английски 3
• Когато играта не си струва свещта: печелившо ли е рефинансирането на ипотека?
• Как да напишете жалба до Роспотребнадзор - извадка, обжалване чрез интернет
• Провеждане на общи събрания на собствениците на жилищни сгради
• Трябва ли да работя след уволнение?
• От какво се оплакваме или как да изгоним шумните съседи (развратник, пияница) от общежитие, общински или комунално жилище?
• Какви са изключенията от данък върху имуществото на физическите лица?

• Относно приватизацията на земя под частна къща
• Разделя ли се наследството при развод?
• Кой ще стане новият ръководител на регистъра
• Инвестиционни проекти на Русия и Турция Инцидент с руски военен самолет
• Всичко, което искахте да знаете за вашите PFR и пенсионни спестявания
• Какво е родителско ограничение
• Как да изчислим отпуск по болест: начини и методи за изчисляване, пример
• Работа за пенсионери у дома: как да намеря подходящо свободно място?
• Основания, особености и последици от ограничаване на родителските права
• Социални удръжки за лечение на родители на пенсионери