Ръководство: Как да отворите древния арсенал и къде да търсите горивни клетки - Horizon: Zero Dawn. Горивна клетка като алтернатива на "алтернативната" енергия

Напоследък темата за горивните клетки е на устните на всички. И това не е изненадващо, с навлизането на тази технология в света на електрониката, тя намери ново раждане. Световните лидери в областта на микроелектрониката се надпреварват да представят прототипи на бъдещите си продукти, които ще интегрират собствени мини електроцентрали. Това, от една страна, трябва да отслаби обвързването на мобилните устройства към „гнездото“, а от друга страна да удължи живота им на батерията.

Освен това някои от тях работят на базата на етанол, така че развитието на тези технологии е от пряка полза за производителите на алкохолни напитки - след десетина години опашки от "ИТ хора", застанали зад следващата "доза" за своите лаптоп ще се нареди в дестилерията за вино.

Не можем да останем встрани от „треската“ на горивните клетки, обхванала високотехнологичната индустрия, и ще се опитаме да разберем какво животно е тази технология, с какво се яде и кога трябва да очакваме да се появи "кетъринг". В този материал ще разгледаме пътя, изминат от горивните клетки от момента на откриването на тази технология до наши дни. Ще се опитаме да оценим и перспективите за тяхното прилагане и развитие в бъдеще.

Как беше

Принципът на горивната клетка е описан за първи път през 1838 г. от Кристиан Фридрих Шонбайн, а година по-късно Philosophical Journal публикува негова статия по тази тема. Това обаче бяха само теоретични изследвания. Първата работеща горивна клетка вижда светлината през 1843 г. в лабораторията на учен от уелски произход сър Уилям Робърт Гроув. При създаването му изобретателят използва материали, подобни на тези, използвани в съвременните батерии с фосфорна киселина. Впоследствие горивната клетка на сър Гроув е подобрена от W. Thomas Grub. През 1955 г. този химик, който е работил за легендарна компания General Electric използва сулфонирана полистиролова йонообменна мембрана като електролит в горивна клетка. Само три години по-късно неговият колега Леонард Нидрах предлага технологията за полагане на платина върху мембраната, която действа като катализатор в процеса на окисление на водорода и поглъщане на кислород.

"Баща" на горивните клетки Кристиан Шьонбайн

Тези принципи формират основата на ново поколение горивни клетки, наречени елементи "Grubb-Nidrach" на името на техните създатели. General Electric продължи да се развива в тази посока, в която със съдействието на НАСА и авиационния гигант McDonnell Aircraft беше създадена първата комерсиална горивна клетка. Новата технология беше забелязана в чужбина. И още през 1959 г. британецът Франсис Бейкън (Франсис Томас Бейкън) представи стационарна горивна клетка с мощност 5 kW. Неговите патентовани проекти впоследствие са лицензирани от американците и са използвани в Космически корабиНАСА в енергийните системи и снабдяването с питейна вода. През същата година американецът Хари Ириг построява първия трактор с горивни клетки (обща мощност 15 kW). Като електролит в батериите се използва калиев хидроксид, а като реагенти са използвани компресиран водород и кислород.

За първи път производството на стационарни горивни клетки за търговски цели беше пуснато от UTC Power, който предложи резервни енергийни системи за болници, университети и бизнес центрове. Тази компания, която е световен лидер в тази област, все още произвежда подобни решения с мощност до 200 kW. Той е и основният доставчик на горивни клетки за НАСА. Неговите продукти бяха широко използвани по време на космическата програма Аполо и все още са търсени като част от програмата Space Shuttle. UTC Power предлага също горивни клетки за "потребителска консумация" за широк спектър от приложения на превозни средства. Тя беше първата, която създаде горивна клетка, която позволява да се получава ток при отрицателни температури чрез използването на протонообменна мембрана.

Как работи

Изследователите експериментират с различни вещества като реагенти. Въпреки това, основните принципи на работа на горивните клетки, въпреки значително различни работни характеристики, остават непроменени. Всяка горивна клетка е устройство за електрохимично преобразуване на енергия. Той генерира електричество от определено количество гориво (от анодната страна) и окислител (от страната на катода). Реакцията протича в присъствието на електролит (вещество, съдържащо свободни йони и се държи като електропроводима среда). По принцип във всяко такова устройство има определени реагенти, които влизат в него и техните реакционни продукти, които се отстраняват след провеждане на електрохимичната реакция. Електролитът в този случай служи само като среда за взаимодействие на реагентите и не се променя в горивната клетка. Въз основа на такава схема идеалната горивна клетка трябва да работи, докато има запас от вещества, необходими за реакцията.

Тук горивните клетки не трябва да се бъркат с конвенционалните батерии. В първия случай се изразходва малко „гориво“ за производство на електричество, което по-късно трябва да се презареди. В случай на галванични елементи електричеството се съхранява в затворена верига. химическа система. В случай на батерии, прилагането на ток позволява да се случи обратната електрохимична реакция и да върне реагентите в първоначалното им състояние (т.е. да ги заредите). Възможни са различни комбинации от гориво и окислител. Например, водородна горивна клетка използва водород и кислород (окислител) като реагенти. Често бикарбонатите и алкохолите се използват като гориво, а въздухът, хлорът и хлорният диоксид действат като окислители.

Реакцията на катализа, протичаща в горивната клетка, избива електрони и протони от горивото и движещите се електрони се образуват електричество. Горивните клетки обикновено използват платина или нейни сплави като катализатор за ускоряване на реакцията. Друг каталитичен процес връща електроните, като ги комбинира с протони и окислител, което води до образуването на реакционни продукти (емисии). По правило тези емисии са прости вещества: вода и въглероден диоксид.

В конвенционалната горивна клетка с протонна обменна мембрана (PEMFC), полимерна протонна проводяща мембрана разделя анодната и катодната страна. От страна на катода водородът дифундира върху анодния катализатор, където впоследствие от него се освобождават електрони и протони. След това протоните преминават през мембраната към катода, а електроните, неспособни да следват протоните (мембраната е електрически изолирана), се насочват през външната верига на натоварване (системата за захранване). От страна на катодния катализатор кислородът реагира с протони, преминали през мембраната, и електрони, които влизат през външната верига на натоварване. В резултат на тази реакция се получава вода (под формата на пара или течност). Например, реакционните продукти в горивни клетки, използващи въглеводородни горива (метанол, дизелово гориво) са вода и въглероден диоксид.

Горивните клетки от почти всички видове страдат от електрически загуби, причинени както от естественото съпротивление на контактите и елементите на горивната клетка, така и от електрическото пренапрежение (допълнителна енергия, необходима за извършване на първоначалната реакция). В някои случаи не е възможно напълно да се избегнат тези загуби, а понякога „играта не си струва свещта“, но най-често те могат да бъдат намалени до приемлив минимум. Решение на този проблем е използването на комплекти от тези устройства, в които горивните клетки, в зависимост от изискванията към захранващата система, могат да бъдат свързани паралелно (по-висок ток) или последователно (по-високо напрежение).

Видове горивни клетки

Има много видове горивни клетки, но ще се опитаме накратко да се спрем на най-често срещаните от тях.

Алкални горивни клетки (AFC)

Алкалните или алкалните горивни клетки, наричани още Бейкън клетки на техния британски „баща“, са една от най-добре развитите технологии за горивни клетки. Именно тези устройства помогнаха на човека да стъпи на Луната. Като цяло НАСА използва горивни клетки от този тип от средата на 60-те години. AFC консумират водород и чист кислород, произвеждайки пия вода, топлина и електричество. До голяма степен поради факта, че тази технология е добре развита, тя има един от най-високите нива на ефективност сред подобни системи (около 70% потенциал).

Тази технология обаче има и своите недостатъци. Поради спецификата на използването на течно алкално вещество като електролит, което не блокира въглеродния диоксид, е възможно калиевият хидроксид (един от вариантите за използвания електролит) да реагира с този компонент на обикновения въздух. Резултатът може да бъде отровно съединение на калиев карбонат. За да избегнете това, е необходимо да използвате или чист кислород, или да почистите въздуха от въглероден диоксид. Естествено, това се отразява на цената на такива устройства. Въпреки това, AFCs са най-евтините горивни клетки за производство, налични днес.

Директни борохидридни горивни клетки (DBFC)

Този подтип алкални горивни клетки използва натриев борохидрид като гориво. Въпреки това, за разлика от конвенционалните водородни AFC, тази технология има едно значително предимство - няма риск от производство на токсични съединения след контакт с въглероден диоксид. Продуктът от реакцията му обаче е веществото боракс, което се използва широко в детергентите и сапуните. Бораксът е сравнително нетоксичен.

DBFC могат да бъдат направени дори по-евтини от традиционните горивни клетки, защото не изискват скъпи платинени катализатори. Освен това те имат по-висока енергийна плътност. Смята се, че производството на килограм натриев борохидрид струва 50 долара, но ако се организира масово производство и се преработи боракс, тази лента може да бъде намалена 50 пъти.

Метални хидридни горивни клетки (MHFC)

Този подклас алкални горивни клетки в момента се проучва активно. Характеристика на тези устройства е способността да съхраняват химически водород в горивната клетка. Директната борохидридна горивна клетка има същата способност, но за разлика от нея, MHFC е пълен с чист водород.

Сред отличителните характеристики на тези горивни клетки са следните:

• способността за презареждане от електрическа енергия;
• работа при ниски температури - до -20°C;
• дълъг срок на годност;
• бърз "студен" старт;
• способността да работи известно време без външен източник на водород (за периода на смяна на горивото).

Въпреки факта, че много компании работят върху създаването на масово произвеждани MHFC, ефективността на прототипите не е достатъчно висока в сравнение с конкурентните технологии. Една от най-добрите плътности на тока за тези горивни клетки е 250 милиампера на квадратен сантиметър, като конвенционалните PEMFC горивни клетки осигуряват плътност на тока от 1 ампера на квадратен сантиметър.

Електрогалванични горивни клетки (EGFC)

Химическата реакция в EGFC протича с участието на калиев хидроксид и кислород. Това създава електрически ток между оловния анод и златния катод. Изходното напрежение от електро-галванична горивна клетка е право пропорционално на количеството кислород. Тази функция позволи на EGFC да се използва широко като устройство за кислороден тест в водолазни съоръжения и медицинско оборудване. Но именно поради тази зависимост горивните клетки на базата на калиев хидроксид имат много ограничен период от време. ефективна работа(докато концентрацията на кислород е висока).

Първите сертифицирани кислородни тестери на EGFC станаха широко достъпни през 2005 г., но тогава не спечелиха голяма популярност. Издаден две години по-късно, значително модифициран модел беше много по-успешен и дори получи награда за "иновация" на специализирано водолазно шоу във Флорида. В момента организации като NOAA (Национална администрация за океани и атмосфера) и DDRC (Център за изследване на заболяванията при гмуркане) ги използват.

Директни горивни клетки с мравчена киселина (DFAFC)

Тези горивни клетки са подтип устройства за директна мравчена киселина PEMFC. Поради специфичните си характеристики тези горивни клетки имат голям шанс да се превърнат в основен източник на енергия за такава преносима електроника като лаптопи, мобилни телефони и др. в бъдеще.

Подобно на метанола, мравчена киселина се подава директно в горивната клетка без специална стъпка на пречистване. Също така е много по-безопасно да се съхранява това вещество, отколкото, например, водород, и освен това не е необходимо да се осигуряват някакви специфични условия за съхранение: мравчена киселина е течност при нормална температура. Освен това тази технология има две неоспорими предимства пред горивните клетки с директен метанол. Първо, за разлика от метанола, мравчена киселина не прониква през мембраната. Следователно ефективността на DFAFC по дефиниция трябва да бъде по-висока. Второ, в случай на понижаване на налягането, мравчена киселина не е толкова опасна (метанолът може да причини слепота, а при силна доза - смърт).

Интересното е, че доскоро много учени не смятаха, че тази технология има практическо бъдеще. Причината, която накара изследователите да сложат край на мравчена киселина в продължение на много години, беше високото електрохимично пренапрежение, което доведе до значителни електрически загуби. Но резултатите от последните експерименти показват, че причината за тази неефективност е използването на платина като катализатор, който традиционно се използва широко за тази цел в горивните клетки. След като учени от Университета на Илинойс проведоха редица експерименти с други материали, се оказа, че при използване на паладий като катализатор, производителността на DFAFC е по-висока от тази на еквивалентни горивни клетки с директен метанол. В момента правата върху тази технология са собственост на американската компания Tekion, която предлага своята продуктова линия Formira Power Pack за микроелектронни устройства. Тази система е "дуплекс", състоящ се от акумулаторна батерия и действителната горивна клетка. След изчерпване на запаса от реагенти в касетата, която зарежда батерията, потребителят просто я заменя с нов. Така той става напълно независим от "гнездото". Според обещанията на производителя, времето между зарежданията ще се удвои, въпреки факта, че технологията ще струва само 10-15% повече от конвенционалните батерии. Единствената сериозна пречка по пътя на тази технология може да бъде, че тя се поддържа от средна компания и може просто да бъде „затрупана“ от по-мащабни конкуренти, представящи своите технологии, които дори може да са по-ниски от DFAFC в редица параметри.

Директни горивни клетки с метанол (DMFC)

Тези горивни клетки са подгрупа от мембранни устройства за обмен на протони. Те използват метанол, зареден в горивната клетка без допълнително пречистване. Въпреки това, метиловият алкохол е много по-лесен за съхранение и не е експлозивен (въпреки че е запалим и може да причини слепота). В същото време енергийният капацитет на метанола е значително по-висок от този на компресирания водород.

Въпреки това, поради факта, че метанолът може да проникне през мембраната, ефективността на DMFC с големи обеми гориво е ниска. Въпреки че не са подходящи за транспорт и големи инсталации поради тази причина, тези устройства са чудесни като заместители на батерии за мобилни устройства.

Обработени метанолни горивни клетки (RMFC)

Обработените метанолни горивни клетки се различават от DMFC само по това, че превръщат метанола във водород и въглероден диоксид преди да генерират електричество. Това се случва в специално устройство, наречено горивен процесор. След този предварителен етап (реакцията се провежда при температура над 250°C), водородът преминава през реакция на окисление, която води до образуване на вода и електричество.

Използването на метанол в RMFC се дължи на факта, че той е естествен носител на водород и при достатъчно ниска температура (в сравнение с други вещества) може да се разложи на водород и въглероден диоксид. Следователно тази технология е по-напреднала от DMFC. Обработените метанолни горивни клетки са по-ефективни, по-компактни и работят при минусови температури.

Директни горивни клетки с етанол (DEFC)

Друг представител на класа горивни клетки с решетка за обмен на протони. Както подсказва името, етанолът влиза в горивната клетка, заобикаляйки етапите на допълнително пречистване или разлагане до по-прости вещества. Първият плюс на тези устройства е използването на етилов алкохол вместо токсичен метанол. Това означава, че не е необходимо да инвестирате много пари в разработването на това гориво.

Енергийната плътност на алкохола е приблизително 30% по-висока от тази на метанола. Освен това може да се получи в големи количества от биомаса. За да се намалят цената на горивните клетки с етанол, се извършва активно търсене на алтернативен катализаторен материал. Платината, традиционно използвана в горивните клетки за тези цели, е твърде скъпа и е значителна пречка за масовото възприемане на тези технологии. Решението на този проблем могат да бъдат катализатори, направени от смес от желязо, мед и никел, които демонстрират впечатляващи резултати в експериментални системи.

Цинк-въздушни горивни клетки (ZAFC)

ZAFC използва окисляването на цинк с кислород от въздуха за генериране на електричество. Тези горивни клетки са евтини за производство и осигуряват доста висока енергийна плътност. В момента те се използват в слухови апарати и експериментални електрически автомобили.

От страната на анода има смес от цинкови частици с електролит, а от страна на катода вода и кислород от въздуха, които реагират помежду си и образуват хидроксил (молекулата му е кислороден атом и водороден атом, между които има ковалентна връзка). В резултат на реакцията на хидроксила с цинковата смес се освобождават електрони, отиващи към катода. Максимално напрежение, което се издава от такива горивни клетки, е 1,65 V, но като правило се намалява изкуствено до 1,4–1,35 V, ограничавайки достъпа на въздух до системата. Крайните продукти на тази електрохимична реакция са цинков оксид и вода.

Възможно е да се използва тази технология както в батерии (без презареждане), така и в горивни клетки. В последния случай камерата от анодната страна се почиства и напълва отново с цинкова паста. Като цяло технологията ZAFC се е доказала като прости и надеждни батерии. Тяхното безспорно предимство е възможността да се контролира реакцията само чрез регулиране на подаването на въздух към горивната клетка. Много изследователи разглеждат цинк-въздушни горивни клетки като бъдещ основен източник на енергия за електрически превозни средства.

Микробни горивни клетки (MFC)

Идеята за използване на бактерии в полза на човечеството не е нова, въпреки че едва наскоро стигна до реализацията на тези идеи. В момента въпросът за търговското използване на биотехнологии за производство на различни продукти (например производство на водород от биомаса), неутрализиране вредни веществаи производство на електроенергия. Микробните горивни клетки, наричани още биологични горивни клетки, са биологична електрохимична система, която генерира електричество чрез използването на бактерии. Тази технология се основава на катаболизма (разлагане на сложна молекула в по-проста с освобождаване на енергия) на вещества като глюкоза, ацетат (сол на оцетната киселина), бутират (сол на маслена киселина) или отпадъчни води. Поради тяхното окисляване се отделят електрони, които се прехвърлят към анода, след което генерираният електрически ток преминава през проводника към катода.

В такива горивни клетки обикновено се използват медиатори за подобряване на пропускливостта на електроните. Проблемът е, че веществата, които играят ролята на медиатори, са скъпи и токсични. Въпреки това, в случай на използване на електрохимично активни бактерии, няма нужда от медиатори. Такива микробни горивни клетки „без предавател“ започнаха да се създават съвсем наскоро и следователно далеч не всичките им свойства са добре проучени.

Въпреки препятствията, които MFC тепърва предстои да преодолее, тази технология има огромен потенциал. Първо, не е трудно да се намери "гориво". Освен това днес въпросът за пречистването на отпадъчните води и изхвърлянето на много отпадъци е много остър. Прилагането на тази технология би могло да реши и двата проблема. Второ, теоретично неговата ефективност може да бъде много висока. Основният проблемза инженерите микробните горивни клетки са и всъщност най-важният елемент на това устройство са микробите. И докато микробиолозите, които получават множество грантове за изследвания, се радват, писателите на научна фантастика също потриват ръце, очаквайки успеха на книгите за последствията от „публикуването“ на грешните микроорганизми. Естествено съществува риск да се извади нещо, което би „смилало“ не само ненужните отпадъци, но и нещо ценно. Така че по принцип, както при всички нови биотехнологии, хората са предпазливи от идеята да носят кутия, заразена с бактерии в джоба си.

Приложение

Стационарни битови и промишлени електроцентрали

Горивните клетки се използват широко като енергийни източници в различни автономни системи, като космически кораби, отдалечени метеорологични станции, военни инсталации и др. Основното предимство на такава система за захранване е нейната изключително висока надеждност в сравнение с други технологии. Поради липсата на движещи се части и всякакви механизми в горивните клетки, надеждността на системите за захранване може да достигне 99,99%. Освен това, в случай на използване на водород като реагент, може да се постигне много малко тегло, което е един от най-важните критерии при космическото оборудване.

Напоследък все по-разпространени са комбинираните топлоенергийни инсталации, широко използвани в жилищни сгради и офиси. Особеността на тези системи е, че постоянно генерират електричество, което, ако не се изразходва веднага, се използва за загряване на вода и въздух. Въпреки факта, че електрическата ефективност на такива инсталации е само 15-20%, този недостатък се компенсира от факта, че неизползваната електроенергия се използва за производство на топлина. Като цяло енергийната ефективност на такива комбинирани системи е около 80%. Един от най-добрите реагенти за такива горивни клетки е фосфорната киселина. Тези агрегати осигуряват енергийна ефективност от 90% (35-50% електричество и останалата топлинна енергия).

Транспорт

Енергийните системи, базирани на горивни клетки, също намират широко приложение в транспорта. Между другото, германците бяха сред първите, които инсталираха горивни клетки на превозните средства. Така че първата търговска лодка в света, оборудвана с такава настройка, дебютира преди осем години. Този малък кораб, наречен "Hydra" и предназначен да превозва до 22 пътници, беше пуснат на вода близо до бившата столица на Германия през юни 2000 г. Водородът (алкална горивна клетка) действа като реагент, пренасящ енергия. Благодарение на използването на алкални (алкални) горивни клетки, инсталацията е в състояние да генерира ток при температури до -10°C и не се „страхува“ от солена вода. Лодката "Хидра", задвижвана от електродвигател с мощност 5 kW, е способна да развива скорост до 6 възела (около 12 км/ч).

лодка "Хидра"

Горивните клетки (особено задвижвани с водород) са станали много по-разпространени в сухопътния транспорт. Като цяло водородът се използва като гориво за автомобилните двигатели от доста дълго време и по принцип конвенционален двигател с вътрешно горене може лесно да се преобразува, за да използва това алтернативно гориво. Въпреки това, конвенционалното изгаряне на водород е по-малко ефективно от генерирането на електричество чрез химическа реакция между водород и кислород. И в идеалния случай, водородът, ако се използва в горивни клетки, ще бъде абсолютно безопасен за природата или, както се казва, "приятелски на околната среда", тъй като по време на химическата реакция, която докосва "оранжерията", не се отделя въглероден диоксид или други вещества ефект".

Вярно е, че тук, както може да се очаква, има няколко големи „но“. Факт е, че много технологии за производство на водород от невъзобновяеми ресурси (природен газ, въглища, нефтопродукти) не са толкова екологични, тъй като в процеса им се отделя голямо количество въглероден диоксид. Теоретично, ако се използват възобновяеми ресурси за получаването му, тогава изобщо няма да има вредни емисии. Въпреки това, в този случай цената се увеличава значително. Според много експерти поради тези причини потенциалът на водорода като заместител на бензина или природния газ е много ограничен. Вече има по-евтини алтернативи и най-вероятно горивните клетки на първия елемент от периодичната таблица няма да могат да се превърнат в масово явление в превозните средства.

Производителите на автомобили доста активно експериментират с водорода като източник на енергия. И основната причина за това е доста твърдата позиция на ЕС по отношение на вредните емисии в атмосферата. Подтикнати от все по-строгите ограничения в Европа, Daimler AG, Fiat и Ford Motor Company разкриха своята визия за бъдещето на горивните клетки в автомобилната индустрия, оборудвайки базовите си модели с подобни задвижващи системи. Друг европейски автомобилен гигант, Volkswagen, в момента подготвя своя автомобил с горивни клетки. Японските и южнокорейските фирми не изостават от тях. Не всеки обаче залага на тази технология. Много хора предпочитат да модифицират двигателите с вътрешно горене или да ги комбинират с електрически двигатели, захранвани от батерии. Toyota, Mazda и BMW следваха този път. Що се отнася до американските компании, освен Ford с неговия модел Focus, General Motors представи и няколко превозни средства с горивни клетки. Всички тези начинания се насърчават активно от много държави. Например, в Съединените щати има закон, според който нов хибриден автомобил, който навлиза на пазара, е освободен от данъци, което може да бъде доста прилична сума, тъй като като правило такива автомобили са по-скъпи от техните колеги с традиционно вътрешно горене двигатели. Така хибридите като покупка стават още по-привлекателни. Вярно е, че засега този закон се прилага само за модели, които влизат на пазара до достигане на ниво на продажби от 60 000 автомобила, след което предимството автоматично се анулира.

електроника

Не толкова отдавна горивните клетки започнаха да намират все по-голяма употреба в лаптопите, мобилни телефонии други мобилни електронни устройства. Причината за това беше бързо нарастващата лакомия на устройства, предназначени за дълъг живот на батерията. В резултат на използването на големи сензорни екрани в телефони, мощни аудио възможности и въвеждането на поддръжка за Wi-Fi, Bluetooth и други високочестотни безжични комуникационни протоколи, изискванията за капацитет на батерията също се промениха. И въпреки че батериите изминаха дълъг път от дните на първите мобилни телефони, по отношение на капацитет и компактност (в противен случай днес феновете нямаше да бъдат допускани на стадионите с това оръжие с комуникационна функция), те все още не са в крак. с миниатюризацията на електронните схеми, нито с желанието на производителите да вградят в своите продукти всички повече функции. Друг съществен недостатък на текущите батерии е тяхното дълго време за зареждане. Всичко води до факта, че колкото повече функции в един телефон или джобен мултимедиен плейър, предназначени да увеличат автономността на неговия собственик (безжичен интернет, навигационни системи и т.н.), толкова по-зависими от "гнездото" става това устройство.

Няма какво да се каже за лаптопи, които са много по-малки от ограничените в максималните размери. От доста време се оформи ниша от ултраефективни лаптопи, които изобщо не са предназначени за автономна работа, освен за такова прехвърляне от един офис в друг. И дори най-рентабилните членове на света на лаптопите се борят да осигурят цял ​​ден живот на батерията. Ето защо въпросът за намиране на алтернатива на традиционните батерии, която не би била по-скъпа, но и много по-ефективна, е много остър. И водещите представители на индустрията напоследък решават този проблем. Не толкова отдавна бяха въведени и търговски метанолови горивни клетки, чиито масови доставки могат да започнат още през следващата година.

Изследователите избраха метанола пред водорода по някаква причина. Много по-лесно е да се съхранява метанол, защото не изисква високо налягане или специално температурен режим. Метиловият алкохол е течност при -97,0°C до 64,7°C. При което специфична енергиясъдържащият се в N-тия обем метанол е с порядък по-голям, отколкото в същия обем водород под високо налягане. Технологията на горивните клетки с директен метанол, широко използвана в мобилните електронни устройства, включва използването на метанол след просто напълване на контейнера на горивните клетки, заобикаляйки процедурата на каталитично преобразуване (оттук и името "директен метанол"). Това също е основно предимство на тази технология.

Въпреки това, както може да се очаква, всички тези плюсове имаха своите минуси, което значително ограничи обхвата на неговото приложение. С оглед на факта, че тази технология все още не е напълно разработена, проблемът с ниската ефективност на такива горивни клетки, причинен от "изтичане" на метанол през материала на мембраната, остава неразрешен. Освен това те нямат впечатляващи динамични характеристики. Не е лесно да се реши какво да се прави с въглеродния диоксид, произведен на анода. Съвременните DMFC устройства не са способни да генерират висока енергия, но имат висок енергиен капацитет за малък обем материя. Това означава, че въпреки че много енергия все още не е налична, директните горивни клетки с метанол могат да я генерират. дълго време. Това не им позволява да намерят директно приложение в превозни средства поради ниската им мощност, но ги прави почти идеално решение за мобилни устройства, за които животът на батерията е критичен.

Последни тенденции

Въпреки че горивните клетки за превозни средства се произвеждат от дълго време, досега тези решения не са получили широко разпространение. Има много причини за това. И основните от тях са икономическата нецелесъобразност и нежеланието на производителите да пуснат производството на достъпно гориво. Опитите за форсиране на естествения процес на преход към възобновяеми енергийни източници, както може да се очаква, не доведоха до нищо добро. Разбира се, причината за рязкото покачване на цените на селскостопанските продукти по-скоро се крие не във факта, че те започнаха масово да се превръщат в биогорива, а във факта, че много страни в Африка и Азия не са в състояние да произвеждат достатъчно продукти дори за задоволяване на вътрешното търсене на продукти.

Очевидно отхвърлянето на използването на биогорива няма да доведе до значително подобрение на ситуацията на световния пазар на храни, но, напротив, може да удари европейски и американски фермери, които за първи път от много години получиха възможността да печелите добри пари. Но не може да се отпише етичният аспект на този въпрос, грозно е да се пълни "хляб" в резервоари, когато милиони хора гладуват. Следователно, по-специално европейски политицисега ще има по-хладно отношение към биотехнологиите, което вече се потвърждава от преразглеждането на стратегията за преминаване към възобновяеми енергийни източници.

В тази ситуация микроелектрониката трябва да се превърне в най-обещаващата област на приложение на горивните клетки. Това е мястото, където горивните клетки имат най-голям шанс да се утвърдят. Първо, хората, които купуват мобилни телефони, са по-склонни да експериментират, отколкото, да речем, купувачите на автомобили. И второ, те са готови да харчат пари и като правило не са против „спасяването на света“. Огромният успех на червената версия „Bono“ на iPod Nano може да послужи като потвърждение за това, част от парите от продажбата на която отидоха за Червения кръст.

"Bono" версия на Apple iPod Nano

Сред тези, които са насочили вниманието си към горивните клетки за преносима електроника, като фирми, които преди се специализираха в създаването на горивни клетки, а сега просто откриха нова сфератехните приложения и водещи производители на микроелектроника. Например наскоро MTI Micro, която преназначи бизнеса си за производство на метанолни горивни клетки за мобилни електронни устройства, обяви, че ще започне масово производство през 2009 г. Тя също така представи първото в света GPS устройство с метанолни горивни клетки. Според представители на тази компания в близко бъдеще нейните продукти ще заменят напълно традиционните литиево-йонни батерии. Вярно е, че в началото те няма да са евтини, но този проблем придружава всяка нова технология.

За компания като Sony, която наскоро показа своя DMFC вариант на медийно устройство, тези технологии са нови, но са сериозни да не се изгубят на обещаващ нов пазар. От своя страна Sharp отиде още по-далеч и със своя прототип на горивна клетка наскоро постави световен рекорд за специфичен енергиен капацитет от 0,3 вата на кубичен сантиметър метанол. Дори правителствата на много страни се срещнаха с компаниите, произвеждащи тези горивни клетки. Така летищата в САЩ, Канада, Великобритания, Япония и Китай, въпреки токсичността и запалимостта на метанола, отмениха съществуващите досега ограничения за транспортирането му в кабината. Разбира се, това е разрешено само за сертифицирани горивни клетки с максимален капацитет от 200 ml. Това обаче още веднъж потвърждава интереса към тези разработки от страна не само на ентусиасти, но и на държави.

Вярно е, че производителите все още се опитват да играят на сигурно и предлагат горивни клетки главно като резервна система за захранване. Едно такова решение е комбинация от горивна клетка и батерия: докато има гориво, тя непрекъснато зарежда батерията и след като се изтощи, потребителят просто сменя празния патрон с нов контейнер с метанол. Друга популярна тенденция е създаването на зарядни устройства за горивни клетки. Могат да се използват в движение. В същото време те могат да зареждат батериите много бързо. С други думи, в бъдеще може би всеки ще носи такава „гнездо“ в джоба си. Този подход може да бъде особено уместен в случая на мобилни телефони. От своя страна лаптопите може и в обозримо бъдеще да придобият вградени горивни клетки, които ако не заменят напълно зареждането от "гнездото", то поне ще се превърнат в сериозна алтернатива на него.

Така според прогнозата на най-голямата германска химическа компания BASF, която наскоро обяви изграждането на своя център за разработка на горивни клетки в Япония, до 2010 г. пазарът на тези устройства ще бъде 1 милиард долара. В същото време неговите анализатори прогнозират ръста на пазара на горивни клетки до 20 милиарда долара до 2020 г. Между другото, в този център BASF планира да разработи горивни клетки за преносима електроника (по-специално лаптопи) и стационарни енергийни системи. Мястото за това предприятие не е избрано случайно - германската компания вижда местни фирми като основни купувачи на тези технологии.

Вместо заключение

Разбира се, не трябва да се очаква от горивните клетки, че те ще станат заместител на съществуващата система за захранване. Поне в обозримо бъдеще. Това е нож с две остриета: преносимите електроцентрали със сигурност са по-ефективни поради липсата на загуби, свързани с доставката на електроенергия до потребителя, но също така си струва да се има предвид, че те могат да се превърнат в сериозен конкурент на централизираното захранване система само ако е създадена централизирана система за подаване на гориво за тези инсталации. Тоест „гнездото“ в крайна сметка трябва да бъде заменено от определена тръба, която доставя необходимите реагенти до всяка къща и всяко кътче. И това не е съвсем свободата и независимостта от външни източници на ток, за които говорят производителите на горивни клетки.

Тези устройства имат неоспоримо предимство под формата на скорост на зареждане - те просто смениха метанолната касета (в последна инстанция, отпуши трофея Jack Daniel "s) в камерата и отново подскача по стълбите на Лувъра. От друга страна, ако, да речем, обикновен телефон ще се зареди за два часа и ще изисква презареждане на всеки 2-3 дни, тогава е малко вероятно алтернатива под формата на смяна на касета, продавана само в специализирани магазини, дори веднъж на две седмици, ще бъде толкова търсена от масовия потребител. И, разбира се, докато тези няколкостотин милилитра гориво скрит в безопасен херметичен контейнер, достигне до крайния потребител, цената му ще има време да се повиши значително. Ще бъде възможно да се бори само с мащаба на производството, но този мащаб ще бъде ли търсен на пазара? И докато оптималният тип е избрано гориво, ще бъде много проблематично да се реши този проблем.

От друга страна, комбинация от традиционно зареждане с включване, горивни клетки и други алтернативни системи за захранване с енергия (напр. слънчеви панели) може да бъде решението на проблема с разнообразяването на източниците на енергия и преминаването към екологични типове. Въпреки това, за определена група електронни продукти горивните клетки могат да бъдат широко използвани. Това се потвърждава от факта, че Canon наскоро патентова собствени горивни клетки за цифрови фотоапарати и обяви стратегия за вграждане на тези технологии в своите решения. Що се отнася до лаптопите, ако горивните клетки достигнат до тях в близко бъдеще, то най-вероятно само като резервна система за захранване. Сега, например, говорим основно за външни модули за зареждане, които са свързани допълнително към лаптоп.

Но тези технологии имат огромни перспективи за развитие в дългосрочен план. Особено в светлината на заплахата от нефтен глад, който може да възникне през следващите няколко десетилетия. При тези условия е по-важно дори не колко евтино ще бъде производството на горивни клетки, а колко ще бъде производството на гориво за тях независимо от нефтохимическата индустрия и дали тя ще може да покрие нуждата от нея.

Никой няма да бъде изненадан нито от слънчеви панели, нито от вятърни мелници, които генерират електричество във всички региони на света. Но изходът от тези устройства не е постоянен и е необходимо да се инсталират резервни източници на захранване или да се свържат към мрежата за получаване на електроенергия през периода, когато възобновяемите енергийни съоръжения не генерират електричество. Въпреки това, има инсталации, разработени през 19-ти век, които използват "алтернативни" горива за генериране на електроенергия, тоест не изгарят газ или петролни продукти. Такива инсталации са горивни клетки.

ИСТОРИЯ НА СЪЗДАВАНЕТО

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

Справка: Електролизата на водата е процес на разлагане на водата под действието на електрически ток на водородни и кислородни молекули.

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

"Батерия на растеж"

(източник: Кралско дружество на Националния природонаучен музей)

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

КАК РАБОТИ?

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

Принцип на работа на водородната горивна клетка

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

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

Чрез подаване на водород към електрод, разположен в алкална среда, протича химическа реакция:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

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

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Може да се види, че получената реакция 2H 2 + O 2 → H 2 O е същата като при конвенционалното горене, но горивната клетка генерира електричество и малко топлина.

ВИДОВЕ ГОРИВНИ КЛЕТКИ

FC се класифицира според вида на електролита, използван за реакцията:

Трябва да се отбележи, че въглища, въглероден окис, алкохоли, хидразин и други органични вещества също могат да се използват като гориво в горивните клетки, а въздухът, водороден прекис, хлор, бром, азотна киселина и др. могат да се използват като окислители.

Ефективност на ГОРИВНИ КЛЕТКИ

Характеристика на горивните клетки е няма твърдо ограничение на ефективносттакато топлинен двигател.

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

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

Справка: Ендотермичните реакции са химични реакции, придружени от поглъщане на топлина. За ендотермични реакции промяната в енталпията и вътрешна енергияимат положителни стойности (ΔХ >0, Δ У >0), по този начин реакционните продукти съдържат повече енергия от оригиналните компоненти.

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

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

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

справка:През четиридесетте години английският инженер Т. Бейкън проектира и конструира батерия с горивна клетка с обща мощност 6 kW и ефективност 80%, работеща на чист водород и кислород, но съотношението мощност/тегло на батерията се променя са твърде малки - такива клетки не са подходящи за практическа употреба и са твърде скъпи (източник: http://www.powerinfo.ru/).

ПРОБЛЕМИ С ГОРИВНИ КЛЕТКИ

Почти всички горивни клетки използват водород като гориво, така че логичният въпрос е: „Откъде мога да го взема?“

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

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

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

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

катализатор

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

ИЗПОЛЗВАНЕ НА ГОРИВНИ КЛЕТКИ

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

Източник: http://www.planetseed.com/

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

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

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

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

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

Горивните клетки се използват широко в мобилни телефони и лаптопи. Отминаха дните, когато телефонът се зареждаше веднъж седмично. Сега телефонът се зарежда, почти всеки ден, а лаптопа работи без мрежа 3-4 часа. Затова производителите на мобилни технологии решават да синтезират горивна клетка с телефони и лаптопи за зареждане и работа. Например Toshiba през 2003 г демонстрира завършен прототип на метанолова горивна клетка. Той дава мощност от около 100mW. Едно зареждане с 2 кубчета концентриран (99,5%) метанол е достатъчно за 20 часа работа на MP3 плейъра. Отново същата "Toshiba" демонстрира захранващ елемент за лаптоп 275x75x40mm, който позволява на компютъра да работи 5 часа с едно зареждане.

Но някои производители отидоха по-далеч. PowerTrekk пусна зарядно устройствосъс същото име. PowerTrekk е първото зарядно устройство за вода в света. Много е лесно да го използвате. PowerTrekk се нуждае от добавяне на вода, за да осигури незабавно захранване чрез USB кабела. Тази горивна клетка съдържа силициев прах и натриев силицид (NaSi), когато се смеси с вода, тази комбинация генерира водород. Водородът се смесва с въздуха в самата горивна клетка и превръща водорода в електричество чрез своя мембранен протонен обмен, без вентилатори или помпи. Можете да закупите такова преносимо зарядно за 149 € (

Екология на знанието Наука и технологии: Водородната енергия е една от най-високоефективните индустрии, а горивните клетки й позволяват да остане в челните редици на иновативните технологии.

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

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

За разлика от други генератори на енергия като двигатели с вътрешно горене или турбини, работещи на газ, въглища, петрол и др., горивните клетки не изгарят гориво. Това означава, че няма шумни ротори високо налягане, силен шум от ауспуха, вибрации. Горивните клетки генерират електричество чрез безшумна електрохимична реакция. Друга особеност на горивните клетки е, че те преобразуват химическата енергия на горивото директно в електричество, топлина и вода.

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

Принципът на работа на горивните клетки

Горивните клетки генерират електричество и топлина поради протичащата електрохимична реакция, използвайки електролит, катод и анод.

Анодът и катодът са разделени от електролит, който провежда протони. След като водородът навлезе в анода и кислородът влезе в катода, започва химическа реакция, в резултат на която се генерират електрически ток, топлина и вода. Върху анодния катализатор молекулярният водород се дисоциира и губи електрони. Водородните йони (протони) се провеждат през електролита към катода, докато електроните преминават през електролита и 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: 2H2 => 4H+ + 4e-
Реакция на катода: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Реакция на общ елемент: 2H2 + O2 => 2H2O

Видове горивни клетки

Точно както има различни видове двигатели с вътрешно горене, има различни видове горивни клетки - изборът подходящ типгоривната клетка зависи от нейното приложение.Горивните клетки се делят на високотемпературни и нискотемпературни. Нискотемпературните горивни клетки изискват относително чист водород като гориво.

Това често означава, че е необходима обработка на 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 елементи 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 калорична стойностгориво производствени процесии от други източници. Този процес е разработен в средата на 60-те години. Оттогава производствената технология, производителността и надеждността са подобрени.

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 карбонатни йони (CO32-). Тези йони преминават от катода към анода, където се комбинират с водород, за да образуват вода, въглероден диоксид и свободни електрони. Тези електрони се изпращат през външна електрическа верига обратно към катода, генерирайки електрически ток и топлина като страничен продукт.

Анодна реакция: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Реакция на катода: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Реакция на основния елемент: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(катод) => H2O(g) + CO2(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 изработка, 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 увреждането на горивните клетки от въглероден окис, „отравяне“ и т.н.

Горивните клетки от разтопен карбонат са подходящи за използване в големи стационарни инсталации. Промишлено произведени топлоелектрически централи с мощност електрическа енергия 2,8 MW. Разработват се инсталации с изходна мощност до 100 MW.

Горивни клетки на базата на фосфорна киселина (PFC).

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

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

Носител на заряд в горивни клетки от този типе водород (Н+, протон). Подобен процес протича в горивните клетки с протонообменна мембрана (MEFC), 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.

Анодна реакция: 2H2 => 4H+ + 4e-
Реакция на катода: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Реакция на общ елемент: 2H2 + O2 => 2H2O

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, CO2 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 400 kW се произвеждат индустриално. Инсталациите за 11 MW са преминали съответните тестове. Разработват се инсталации с изходна мощност до 100 MW.

Горивни клетки с протонна обменна мембрана (PME)

Най-много се считат горивните клетки с протонна обменна мембрана най-добрият типгоривни клетки за генериране на мощност на превозни средства, които могат да заменят бензиновите и дизелови двигатели с вътрешно горене. Тези горивни клетки бяха използвани за първи път от НАСА за програмата Gemini. Днес се разработват и демонстрират инсталации на MOPFC с мощност от 1 W до 2 kW.

Тези горивни клетки използват твърда полимерна мембрана (тънък пластмасов филм) като електролит. Когато се импрегнира с вода, този полимер пропуска протони, но не провежда електрони.

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

Анодна реакция: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Реакция на катода: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Реакция на общ елемент: 2H2 + O2 => 2H2O

В сравнение с други видове горивни клетки, горивните клетки с протонна обменна мембрана произвеждат повече мощност за даден обем или тегло на горивните клетки. Тази функция им позволява да бъдат компактни и леки. Освен това работната температура е под 100°C, което ви позволява бързо да започнете работа. Тези характеристики, както и способността за бърза промяна на мощността на енергия, са само част от характеристиките, които правят тези горивни клетки основен кандидат за използване в превозни средства.

Друго предимство е, че електролитът е твърдо, а не течно вещество. Задържането на газовете на катода и анода е по-лесно с твърд електролит и следователно такива горивни клетки са по-евтини за производство. В сравнение с други електролити, използването на твърд електролит не създава проблеми като ориентация, има по-малко проблеми поради появата на корозия, което води до по-дълга издръжливост на клетката и нейните компоненти.

Горивни клетки с твърд оксид (SOFC)

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

Твърдият електролит осигурява 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 (О2-). 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.

Анодна реакция: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Реакция на катода: O2 + 4e- => 2O2-
Реакция на общ елемент: 2H2 + O2 => 2H2O

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

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 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 (CH3OH) обаче се окислява в присъствието на вода на анода, освобождавайки CO2, 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.

Анодна реакция: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Реакция на катода: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Реакция на общ елемент: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

Разработването на тези горивни клетки започва в началото на 90-те години. След разработването на подобрени катализатори и благодарение на други скорошни иновации, плътността на мощността и ефективността са увеличени до 40%.

Тези елементи са тествани в температурен диапазон от 50-120°C. С ниски работни температури и без нужда от преобразувател, горивните клетки с директен метанол са най-добрият кандидат за приложения, вариращи от мобилни телефони и други потребителски продукти до автомобилни двигатели. Предимството на този тип горивни клетки са малките им размери, поради използването на течно гориво, и липсата на необходимост от използване на преобразувател.

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

Алкалните горивни клетки използват електролит, тоест воден разтвор на калиев хидроксид, съдържащ се в пореста, стабилизирана матрица. Концентрацията на калиев хидроксид може да варира в зависимост от работната температура на горивната клетка, която варира от 65°C до 220°C. Носителят на заряда в 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:

Анодна реакция: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Реакция на катода: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Обща реакция на системата: 2H2 + O2 => 2H2O

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. В допълнение, SCFC работят при относително ниска температура и са сред най-ефективните горивни клетки - такива характеристики могат съответно да допринесат за по-бързо генериране на енергия и висока горивна ефективност.

Един от характерни черти SHTE - висока чувствителност към CO2, който може да се съдържа в горивото или въздуха. CO2 реагира с електролита, бързо го отравя и значително намалява ефективността на горивната клетка. Следователно използването на 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 (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 H2O+ (протон, червено) е 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 с твърда киселина (SCFC)

В горивните клетки с твърда киселина електролитът (CsHSO4) не съдържа вода. Следователно работната температура е 100-300°C. Въртенето на SO42-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 клетките), електролита и електродите.публикувано

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	Преносими единици
ЩЕ	50–200°C	40-65%	чист водород	космически изследвания
ПИТ	30-100°С	35-50%	чист водород	Малки инсталации

Присъединете се към нас в

Малко след началото на пътуването си, Алой ще се натъкне на бункер Предтеча, разположен точно извън земите на племето Нора. Вътре в бункера, зад мощна врата, има някакъв вид броня, която изглежда много привлекателна отдалеч.

телеграф

туитвам

Малко след началото на пътуването си, Алой ще се натъкне на бункер Предтеча, разположен точно извън земите на племето Нора. Вътре в бункера, зад мощна врата, има някакъв вид броня, която изглежда много привлекателна отдалеч.

Това е Shield Weaver, всъщност - най-доброто оборудване в играта. Как да стигна до него? За да отворите херметически затворената врата на бункера и да получите Shield Weaver, ще трябва да намерите пет горивни клетки, разпръснати из света на играта.

По-долу ще ви покажем къде да търсите горивни клетки и как да решавате пъзели, докато търсите и в Древната оръжейна палата.

Горивна клетка №1 - Сърцето на майката (квест Утроба на майката)

Aloy ще намери първата горивна клетка, дори преди да е израснала напълно отворен свят. След Посвещението нашата героиня ще се озове в Сърцето на Майката, свещеното място на племето Нора и обителта на Матриарсите.

Ставайки от леглото, Алой ще премине през няколко стаи последователно и в една от тях ще се натъкне на запечатана врата, която не може да се отвори. Огледайте се - наблизо ще има вентилационна шахта, украсена с горящи свещи. ти там.

След като преминете през мината, ще се озовете зад заключена врата. Погледнете пода до свещите и мистериозния стенен блок - тук има горивна клетка.

Важно: Ако не вземете тази горивна клетка сега, ще можете да стигнете до това място отново в по-късните етапи на играта, след като завършите мисията "Heart of the Burrow".

Горивна клетка №2 - Руини

Алой е била в тези руини и преди - тя е паднала тук като дете. След като преминете Посвещението, си струва да си спомните детството си и да се върнете отново тук - да вземете втория горивен елемент.

Входът на руините изглежда така, скачайте смело.

Имате нужда от първото ниво на руините, долната дясна област, подчертана в лилаво на картата. Тук има врата, която Алой ще отвори с копието си.

След като преминете през вратата, качете се по стълбите и завийте надясно - Алой не можеше да се изкачи през тези сталактити в младостта си, но сега има спор. Извадете отново копието и счупете сталактитите - пътят е чист, остава да вземете горивния елемент, лежащ на масата.

Горивна клетка #3 - Master's Limit (Master's Limit Quest)

Тръгваме на север. По време на сюжетната мисия, Master's Reach, Алой изследва гигантските руини на Предтеча. На дванадесетото ниво на руините е скрита друга горивна клетка.

Трябва не само да се изкачите до горното ниво на руините, но и да се изкачите малко по-високо. Изкачете се по оцелелата част от сградата, докато се озовете на малка платформа, отворена за всички ветрове.

Тук се намира третата горивна клетка. Остава да се спусне.

Горивна клетка #4 - Съкровището на смъртта (задача Съкровището на смъртта)

Този горивен елемент също е скрит в северната част на картата, но е много по-близо до земите на племето Нора. Алой също ще стигне тук по време на преминаването на сюжетната мисия.

За да стигне до елемента, Aloy трябва да възстанови захранването на запечатаната врата, разположена на третото ниво на локацията.

За да направите това, трябва да решите малък пъзел - има два блока от четири регулатора на нивото под вратата.

Първо, нека се справим с левия блок от регулатори. Първото копче трябва да "гледа" нагоре, второто "надясно", третото "наляво", четвъртото "надолу".

Преминаваме към десния блок. Не пипате първите два регулатора, третият и четвъртият регулатори трябва да гледат "надолу".

Издигаме се с едно ниво нагоре - тук е последният блок от регулатори. Правилният ред е: нагоре, надолу, наляво, надясно.

Ако направите всичко правилно, тогава всички контроли ще променят цвета си на тюркоаз, захранването се възстановява. Качете се обратно до вратата и я отворете - това е друга горивна клетка.

Горивна клетка #5 - GAIA Prime (квест Fallen Mountain)

И накрая, последната горивна клетка - и отново върху сюжетната задача. Алой пътува до руините на GAEA Prime.

Бъдете особено внимателни, когато стигнете до третото ниво. В един момент пред Ала ще има привлекателна пропаст, в която можете да слезете по въже - отивате там няма нужда.

По-добре е да завиете наляво и да разгледате скритата пещера, можете да влезете в нея, ако внимателно слезете по склона на планината.

Влезте вътре и продължете напред до самия край. В последната стая вдясно ще има багажник с последната горивна клетка върху него. Направи го!

Отправяме се към Античния арсенал

Остава да се върнете в Древния арсенал и да получите заслужена награда. Помните ли координатите на арсенала? Ако не, ето картата.

Слезте надолу и поставете горивни клетки в празните клетки. Регулаторите горят, сега трябва да решите пъзела, за да отворите вратата.

Първото копче трябва да гледа нагоре, второто надясно, третото надолу, четвъртото наляво, петото нагоре. Готово, вратата е отворена - но още не е свършила.

Сега трябва да отключите стойките за броня, друг пъзел за регулатор, където останалите горивни клетки ще ви бъдат полезни. Тук първото копче трябва да гледа надясно, второто наляво, третото нагоре, четвъртото надясно, петото наляво.

Най-накрая, след всичките тези мъки, вие завзехте древните доспехи. Това е Shield Weaver, много готино оборудване, което прави Aloy практически неуязвима за известно време.

Основното нещо е внимателно да следите цвета на бронята: ако мига бяло, значи всичко е наред. Ако е червено, няма повече защита.

Те се управляват от космически кораби на Националната администрация по аеронавтика и космос на САЩ (НАСА). Те осигуряват захранване на компютрите на Първата национална банка в Омаха. Използват се в някои обществени градски автобуси в Чикаго.

Всичко това са горивни клетки. Горивните клетки са електрохимични устройства, които генерират електричество без процес на горене - чрез химически средства, подобно на батериите. Единствената разлика е, че те използват различни химични вещества, водород и кислород, а продуктът от химичната реакция е вода. Природен газ също може да се използва, но, разбира се, определено ниво на емисии на въглероден диоксид е неизбежно при използване на въглеводородни горива.

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

История на развитие

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

След като това беше показано, много учени се втурнаха да изследват горивните клетки с усърдие, но изобретяването на двигателя с вътрешно горене и развитието на инфраструктурата за добив на петролни запаси през втората половина на деветнадесети век изоставиха развитието на горивните клетки далеч назад. Още по-ограничено е развитието на горивните клетки, тяхната висока цена.

Ръстът в развитието на горивните клетки идва през 50-те години на миналия век, когато НАСА се обръща към тях във връзка с необходимостта от компактен електрически генератор за космически полети. Бяха инвестирани съответни средства и в резултат на това полетите на Аполо и Близнаци бяха извършени на горивни клетки. Космическите кораби също работят с горивни клетки.

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

Как работи горивната клетка

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

Въпреки че както батериите, така и горивните клетки генерират електричество химически, те изпълняват две много различни функции. Батериите са акумулирани енергийни устройства: електричеството, което генерират, е резултат от химическа реакция на материята, която вече е в тях. Горивните клетки не съхраняват енергия, а преобразуват част от енергията от външно подадено гориво в електричество. В това отношение горивната клетка е по-скоро като конвенционална електроцентрала.

Има няколко различни вида горивни клетки. Най-простата горивна клетка се състои от специална мембрана, известна като електролит. Прахообразните електроди се отлагат от двете страни на мембраната. Този дизайн - електролит, заобиколен от два електрода - е отделен елемент. Водородът тече от едната страна (анод) и кислород (въздух) към 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, който насърчава реакцията на дисоциация:

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

H2 = двуатомна водородна молекула, форма, инч

в който водородът присъства като газ;

Н+ = йонизиран водород, т.е. протон;

e- = електрон.

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 електрически ток, който може да се използва за захранване на външно устройство, свързано към горивната клетка, като електродвигател или електрическа крушка. Това устройство обикновено се нарича "товар".

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

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

Цялостната реакция в горивната клетка се записва като:

2H2 + O2 ==> 2H2O.

В своята работа горивните клетки използват водородно гориво и кислород от въздуха. Водородът може да се доставя директно или чрез отделянето му от външен източник на гориво, като природен газ, бензин или метанол. В случай на външен източник, той трябва да бъде химически преобразуван за извличане на водорода. Този процес се нарича "реформиране". Водородът може да се получи и от амоняк, алтернативни източници като газ от градски депа и пречиствателни станции за отпадъчни води и електролиза на водата, която използва електричество за разлагане на водата до водород и кислород. В момента повечето от технологиите на горивните клетки, използвани в транспорта, използват метанол.

Разработени са различни средства за реформиране на гориво за получаване на водород за горивни клетки. Министерството на енергетиката на САЩ разработи горивна инсталация в бензинов реформатор за доставка на водород към самостоятелна горивна клетка. Изследователи от Тихоокеанската северозападна национална лаборатория в САЩ демонстрираха компактен горивен реформатор, който е една десета от размера на силов агрегат. Американската компания, Northwest Power Systems и Националната лаборатория на Сандия демонстрираха реформатор на гориво, който преобразува дизеловото гориво във водород за горивни клетки.

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

Приложения

Горивните клетки могат да се използват както в стационарни, така и в мобилни устройства. В отговор на затягането на регулациите за вредни емисии в САЩ, автомобилните производители, включително DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda и Nissan, експериментираха и демонстрираха превозни средства с горивни клетки. Очаква се първите търговски превозни средства с горивни клетки да излязат по пътищата през 2004 или 2005 г.

Крайъгълен камък в историята на технологията на горивните клетки беше демонстрацията през юни 1993 г. на експерименталния 32-футов градски автобус на Ballard Power System с 90 киловатов двигател с водородни горивни клетки. Оттогава много различни видовеи различни поколения пътнически превозни средства с горивни клетки, задвижвани от различни видовегориво. От края на 1996 г. три колички за голф, задвижвани с водородни горивни клетки, се използват в Palm Desert в Калифорния. По пътищата на Чикаго, Илинойс; Ванкувър, Британска Колумбия; и Осло, Норвегия, тестват градски автобуси с горивни клетки. Такситата с алкални горивни клетки се тестват по улиците на Лондон.

Демонстрират се и фиксирани инсталации, използващи технология с горивни клетки, но те все още не са широко използвани в търговската мрежа. Първата национална банка на Омаха в Небраска използва система с горивни клетки за захранване на компютрите, тъй като системата е по-надеждна от старата мрежова система с резервна батерия. Най-голямата в света търговска система с горивни клетки с мощност 1,2 MW скоро ще бъде инсталирана в пощенски център в Аляска. Тестват се и се демонстрират лаптопи с горивни клетки, системи за управление, използвани в пречиствателни станции и вендинг машини.

"Предимства и недостатъци"

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

Модулният характер на дизайна на горивните клетки означава, че капацитетът на електроцентрала с горивни клетки може да бъде увеличен чрез просто добавяне на още няколко степени. Това гарантира, че факторът на недостатъчно използване на капацитета е сведен до минимум, което позволява по-добро съответствие между търсенето и предлагането. Тъй като ефективността на стека с горивни клетки се определя от производителността на отделните клетки, малките електроцентрали с горивни клетки работят също толкова ефективно, колкото и големите. В допълнение, отпадната топлина от стационарни системи с горивни клетки може да се използва за отопление на вода и помещения, като допълнително повишава енергийната ефективност.

При използване на горивни клетки практически няма вредни емисии. Когато двигателят работи на чист водород, като странични продукти се образуват само топлина и чиста водна пара. Така че на космическите кораби астронавтите пият вода, която се образува в резултат на работата на бордовите горивни клетки. Съставът на емисиите зависи от естеството на водородния източник. Използването на метанол води до нулеви емисии на азотни оксиди и въглероден оксид и само малки въглеводородни емисии. Емисиите се увеличават, когато преминавате от водород към метанол към бензин, въпреки че дори и с бензин, емисиите ще останат сравнително ниски. Във всеки случай, замяната на днешните традиционни двигатели с вътрешно горене с горивни клетки би довела до общо намаляване на емисиите на CO2 и NOx.

Използването на горивни клетки осигурява гъвкавостта на енергийната инфраструктура, създавайки допълнителни възможности за децентрализирано производство на електроенергия. Множеството децентрализирани енергийни източници позволява да се намалят загубите при пренос и да се развият пазари за продажба на енергия (което е особено важно за отдалечени и селски райони, където няма достъп до електропроводи). С помощта на горивни клетки отделните жители или квартали могат сами да си осигурят по-голямата част от електроенергията и така значително да повишат ефективността на нейното използване.

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

Технологията на горивните клетки обаче трябва да бъде допълнително подобрена, за да се подобри производителността, да се намалят разходите и по този начин да се направят горивните клетки конкурентоспособни с други енергийни технологии. Трябва да се отбележи, че когато се разглеждат разходните характеристики на енергийните технологии, следва да се правят сравнения на базата на всички компоненти на технологичните характеристики, включително капиталови експлоатационни разходи, емисии на замърсители, качество на енергията, дълготрайност, извеждане от експлоатация и гъвкавост.

Въпреки че водородният газ е най-доброто гориво, инфраструктурата или транспортната база за него все още не съществува. В краткосрочен план съществуващите системи за доставка на изкопаеми горива (бензиностанции и др.) биха могли да се използват за осигуряване на електроцентрали с източници на водород под формата на бензин, метанол или природен газ. Това би елиминирало необходимостта от специални станции за зареждане с водород, но би изисквало всяко превозно средство да бъде оборудвано с преобразувател на изкопаемо гориво към водород („реформатор“). Недостатъкът на този подход е, че той използва изкопаеми горива и по този начин води до емисии на въглероден диоксид. Метанолът, който в момента е водещият кандидат, създава по-малко емисии от бензина, но би изисквал по-голям резервоар на автомобил, тъй като заема два пъти повече място за същото енергийно съдържание.

За разлика от системите за доставка на изкопаеми горива, слънчевите и вятърните системи (използващи електричество за създаване на водород и кислород от водата) и системите за директна фотоконверсия (използващи полупроводникови материали или ензими за производство на водород) могат да доставят водород без стъпка на реформиране и по този начин емисиите на вредни вещества, което се наблюдава при използване на метанол или бензинови горивни клетки, може да се избегне. Водородът може да се съхранява и преобразува в електричество в горивната клетка, ако е необходимо. В бъдеще свързването на горивните клетки с тези видове възобновяеми енергийни източници вероятно ще бъде ефективна стратегия за осигуряване на продуктивен, екологичен и гъвкав източник на енергия.

Препоръките на IEER са, че местните и федералните власти, както и правителствата на щатите, отделиха част от своите бюджети за обществени поръчки за транспортиране до превозни средства с горивни клетки, както и за стационарни системивърху горивни клетки, за да осигури топлина и електричество на някои от своите значими или нови сгради. Това ще допринесе за развитието на жизненоважни технологии и ще намали емисиите на парникови газове.