Повеќе нема да изненадувате никого ниту со соларни панели ниту со турбини на ветер, кои произведуваат електрична енергија во сите региони на светот. Но, излезот од овие уреди не е константен и потребно е да се инсталираат резервни извори на енергија или да се поврзат на мрежата за да се добие електрична енергија во периодот кога обновливите извори на енергија не произведуваат електрична енергија. Сепак, постојат постројки развиени во 19 век кои користат „алтернативни“ горива за производство на електрична енергија, односно не согоруваат гас или нафтени продукти. Таквите инсталации се горивни ќелии.

ИСТОРИЈА НА СОЗДАВАЊЕТО

Горивните ќелии (ФК) или горивни ќелии биле откриени во 1838-1839 година од Вилијам Гроув (Гроув, Гроув), кога ја проучувал електролизата на водата.

Помош: Електролиза на водата е процес на распаѓање на водата под влијание на електрична струја во молекули на водород и кислород

Откако ја исклучил батеријата од електролитичката ќелија, тој бил изненаден кога открил дека електродите почнале да го апсорбираат ослободениот гас и да генерираат струја. Откривањето на процесот на електрохемиско „ладно“ согорување на водород беше значаен настан во енергетската индустрија. Подоцна ја создаде батеријата Grove. Овој уред имаше платина електрода потопена во азотна киселина и цинкова електрода во цинк сулфат. Создаде струја од 12 ампери и напон од 8 волти. Самиот Гру го нарече овој дизајн „влажна батерија“. Потоа создаде батерија користејќи две платински електроди. Едниот крај на секоја електрода беше во сулфурна киселина, а другите краеви беа затворени во контејнери со водород и кислород. Помеѓу електродите имаше стабилна струја, а количината на вода во контејнерите се зголеми. Grow успеа да ја разложи и подобри водата во овој уред.

„Растење на батеријата“

(извор: Кралско друштво на Националниот музеј за природна историја)

Терминот „горивни ќелии“ (англиски „Fuel Cell“) се појави дури во 1889 година од Л. Монд и
C. Langer, кој се обидел да создаде уред за производство на електрична енергија од воздух и јаглен гас.

КАКО РАБОТИ?

Горивната ќелија е релативно едноставен уред. Има две електроди: анодна (негативна електрода) и катода (позитивна електрода). На електродите се јавува хемиска реакција. За да се забрза, површината на електродите е обложена со катализатор. ФК се опремени со уште еден елемент - мембрана.Претворањето на хемиската енергија на горивото директно во електрична енергија се случува благодарение на работата на мембраната. Ги одвојува двете комори на елементот во кој се снабдуваат гориво и оксидатор. Мембраната дозволува само протоните, кои се произведени како резултат на разделување на горивото, да минуваат од една комора во друга на електрода обложена со катализатор (електроните потоа патуваат низ надворешно коло). Во втората комора, протоните се комбинираат со електрони (и атоми на кислород) за да формираат вода.

Принцип на работа на водородна горивни ќелии

На хемиско ниво, процесот на претворање на енергијата на горивото во електрична енергија е сличен на конвенционалниот процес на согорување (оксидација).

При нормално согорување во кислород, настанува оксидација на органското гориво, а хемиската енергија на горивото се претвора во топлинска енергија. Ајде да видиме што се случува за време на оксидацијата на водородот со кислород во електролитна средина и во присуство на електроди.

Со снабдување со водород на електрода лоцирана во алкална средина, се јавува хемиска реакција:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

Како што можете да видите, добиваме електрони кои, минувајќи низ надворешното коло, пристигнуваат до спротивната електрода, до која тече кислород и каде се одвива реакцијата:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Може да се види дека добиената реакција 2H 2 + O 2 → H 2 O е иста како при нормално согорување, но Горивната ќелија произведува електрична струја и малку топлина.

ВИДОВИ ГОРИВНИ ќелии

Вообичаено е да се класифицираат горивни ќелии според видот на електролит што се користи за реакцијата:

Забележете дека горивните ќелии можат да користат и јаглен, јаглерод моноксид, алкохоли, хидразин и други органски супстанции како гориво, а воздухот, водород пероксид, хлор, бром, азотна киселина итн. како оксидирачки агенси.

ЕФИКАСНОСТ НА ГОРИВНИ ќелии

Карактеристика на горивни ќелии е нема строго ограничување на ефикасноста, како топлинските мотори.

Помош: ЕфикасностЦиклус Карно е најголемата можна ефикасност кај сите топлински мотори со исти минимални и максимални температури.

Затоа, ефикасноста на горивни ќелии во теорија може да биде повисока од 100%. Многумина се насмевнаа и мислеа: „Машината за вечно движење е измислена“. Не, тука треба да се вратиме на училишниот курс по хемија. Горивната ќелија се заснова на конверзија на хемиската енергија во електрична енергија. Тука се случуваат чуда. Одредени хемиски реакции како што се случуваат може да ја апсорбираат топлината од околината.

Помош: Ендотермичките реакции се хемиски реакции придружени со апсорпција на топлина. За ендотермички реакции, промените во енталпијата и внатрешната енергија имаат позитивни вредности (ΔХ >0, Δ У >0), така што производите на реакцијата содржат повеќе енергија од почетните компоненти.

Пример за таква реакција е оксидацијата на водородот, кој се користи во повеќето горивни ќелии. Затоа, теоретски, ефикасноста може да биде повеќе од 100%. Но, денес, горивните ќелии се загреваат за време на работата и не можат да ја апсорбираат топлината од околината.

Помош: Ова ограничување е наметнато од вториот закон на термодинамиката. Процесот на пренос на топлина од „ладно“ тело во „топло“ не е возможен.

Плус, има загуби поврзани со нерамнотежни процеси. Како што се: омски загуби поради специфичната спроводливост на електролитот и електродите, поларизација на активирање и концентрација, загуби на дифузија. Како резултат на тоа, дел од енергијата генерирана во горивни ќелии се претвора во топлина. Затоа, горивните ќелии не се машини за постојано движење и нивната ефикасност е помала од 100%. Но, нивната ефикасност е поголема од онаа на другите машини. Денес Ефикасноста на горивни ќелии достигнува 80%.

Референца:Во четириесеттите години, англискиот инженер Т. се покажа дека е премногу мал - таквите елементи беа несоодветни за практична употреба и премногу скапи (извор: http://www.powerinfo.ru/).

ПРОБЛЕМИ СО ГОРИВНИ ќелии

Речиси сите горивни ќелии користат водород како гориво, па се поставува логичното прашање: „Каде можам да го набавам?

Се чини дека горивната ќелија била откриена како резултат на електролиза, па затоа е можно да се користи водородот ослободен како резултат на електролизата. Но, ајде да го разгледаме овој процес подетално.

Според законот на Фарадеј: количината на супстанција која се оксидира на анодата или се намалува на катодата е пропорционална на количината на електрична енергија што минува низ електролитот. Тоа значи дека за да добиете повеќе водород, треба да потрошите повеќе електрична енергија. Постојните методи на електролиза на вода работат со ефикасност помала од една. Потоа го користиме добиениот водород во горивни ќелии, каде што ефикасноста е исто така помала од единството. Затоа, ќе потрошиме повеќе енергија отколку што можеме да произведеме.

Се разбира, можете да користите водород произведен од природен гас. Овој метод на производство на водород останува најевтин и најпопуларен. Во моментов, околу 50% од водородот произведен ширум светот доаѓа од природен гас. Но, има проблем со складирањето и транспортот на водородот. Водородот има мала густина ( еден литар водород тежи 0,0846 g), па за да се транспортира на долги растојанија мора да се компресира. А тоа се дополнителни енергетски и парични трошоци. Исто така, не заборавајте за безбедноста.

Сепак, тука има и решение - течното јаглеводородно гориво може да се користи како извор на водород. На пример, етил или метил алкохол. Точно, ова бара посебен дополнителен уред - конвертор на гориво, кој на високи температури (за метанол ќе биде околу 240 ° C) ги претвора алкохолите во мешавина од гасовити H 2 и CO 2. Но, во овој случај, веќе е потешко да се размислува за преносливост - таквите уреди се добри за користење како стационарни или автомобилски генератори, но за компактна мобилна опрема ви треба нешто помалку обемно.

Катализатор

За да се подобри реакцијата во горивната ќелија, површината на анодата обично се третира со катализатор. До неодамна, платината се користеше како катализатор. Затоа, цената на горивната ќелија беше висока. Второ, платината е релативно редок метал. Според експертите, со индустриското производство на горивни ќелии, докажаните резерви на платина ќе снемаат за 15-20 години. Но, научниците ширум светот се обидуваат да ја заменат платината со други материјали. Патем, некои од нив постигнаа добри резултати. Така, кинеските научници ја замениле платината со калциум оксид (извор: www.cheburek.net).

КОРИСТЕЊЕ НА ГОРИВНИ ќелии

Првата горивни ќелии во автомобилската технологија беше тестирана во 1959 година. Тракторот Alice-Chambers користеше 1008 батерии за работа. Горивото беше мешавина од гасови, главно пропан и кислород.

Извор: http://www.planetseed.com/

Од средината на 60-тите, во екот на „вселенската трка“, креаторите на вселенски летала се заинтересираа за горивни ќелии. Работата на илјадници научници и инженери ни овозможи да достигнеме ново ниво, а во 1965 г. горивни ќелии беа тестирани во САД на вселенското летало Gemini 5, а подоцна и на вселенското летало Аполо за летови до Месечината и програмата Шатл. Во СССР, горивни ќелии беа развиени во НПО Квант, исто така за употреба во вселената (извор: http://www.powerinfo.ru/).

Бидејќи во горивни ќелии финалниот производ од согорувањето на водород е вода, тие се сметаат за најчисти во однос на влијанието врз животната средина. Затоа, горивните ќелии почнаа да се здобиваат со популарност наспроти позадината на општиот интерес за животната средина.

Веќе производителите на автомобили како Хонда, Форд, Нисан и Мерцедес-Бенц создадоа автомобили напојувани од водородни горивни ќелии.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force напојуван од водород

При користење на водородни автомобили, проблемот со складирање на водород е решен. Изградбата на водородни бензински пумпи ќе овозможи полнење гориво каде било. Покрај тоа, полнењето гориво на автомобил со водород е побрзо од полнењето на електричен автомобил на бензинска пумпа. Но, при спроведување на вакви проекти наидовме на проблем сличен на оној на електричните возила. Луѓето се подготвени да се префрлат на водороден автомобил доколку има инфраструктура за нив. И изградбата на бензински пумпи ќе започне доколку има доволен број потрошувачи. Затоа, повторно дојдовме до дилемата за јајцето и пилешкото.

Горивните ќелии се широко користени во мобилните телефони и лаптопите. Веќе помина времето кога телефонот се полнеше еднаш неделно. Сега телефонот се полни речиси секој ден, а лаптопот работи 3-4 часа без мрежа. Затоа, производителите на мобилна технологија одлучија да синтетизираат горивни ќелии со телефони и лаптопи за полнење и работа. На пример, компанијата Toshiba во 2003 г. покажа готов прототип на горивни ќелии со метанол. Произведува моќност од околу 100 mW. Едно полнење од 2 коцки концентриран (99,5%) метанол е доволно за 20 часа работа на MP3 плеерот. Повторно, истата Toshiba демонстрираше ќелија за напојување на лаптопи со димензии 275x75x40mm, овозможувајќи му на компјутерот да работи 5 часа со едно полнење.

Но, некои производители отидоа подалеку. Компанијата PowerTrekk објави полнач со исто име. PowerTrekk е првиот полнач за вода во светот. Многу е лесен за употреба. PowerTrekk бара додавање вода за да обезбеди моментална струја преку USB-кабелот. Оваа горивни ќелии содржи силициум во прав и натриум силицид (NaSi) кога се меша со вода, комбинацијата генерира водород. Водородот се меша со воздухот во самата горивна ќелија и го претвора водородот во електрична енергија преку својата мембрана-протонска размена, без вентилатори или пумпи. Ваков пренослив полнач можете да купите за 149 € (

Горивните ќелии (електрохемиски генератори) претставуваат многу ефикасен, издржлив, сигурен и еколошки метод за генерирање енергија. Првично, тие се користеа само во вселенската индустрија, но денес електрохемиските генератори се повеќе се користат во различни области: напојувања за мобилни телефони и лаптопи, мотори на возила, автономни извори на енергија за згради и стационарни електрани. Некои од овие уреди функционираат како лабораториски прототипови, додека други се користат за демонстративни цели или се подложени на тестирање пред производство. Сепак, многу модели веќе се користат во комерцијални проекти и се масовно произведени.

Уред

Горивните ќелии се електрохемиски уреди способни да обезбедат висока стапка на конверзија на постоечката хемиска енергија во електрична енергија.

Уредот за горивни ќелии вклучува три главни делови:

1. Дел за производство на енергија;
2. Процесорот;
3. Трансформатор на напон.

Главниот дел од горивната ќелија е делот за производство на енергија, кој е батерија направена од индивидуални горивни ќелии. Платински катализатор е вклучен во структурата на електродите на горивни ќелии. Користејќи ги овие ќелии, се создава постојана електрична струја.

Еден од овие уреди ги има следните карактеристики: на напон од 155 волти се произведуваат 1400 ампери. Димензиите на батеријата се 0,9 m во ширина и висина, и 2,9 m во должина. Електрохемискиот процес во него се изведува на температура од 177 °C, за што е потребно загревање на батеријата во моментот на стартување, како и отстранување на топлината при нејзиното работење. За таа цел, во горивната ќелија е вклучено посебно коло за вода, а батеријата е опремена со специјални ладилни плочи.

Процесот на гориво го претвора природниот гас во водород, кој е потребен за електрохемиска реакција. Главниот елемент на процесорот за гориво е реформаторот. Во него, природниот гас (или друго гориво што содржи водород) комуницира при висок притисок и висока температура (околу 900 ° C) со водена пареа под дејство на никел катализатор.

За одржување на потребната температура на реформаторот има горилник. Пареата потребна за реформа се создава од кондензатот. Во батеријата на горивните ќелии се генерира нестабилна директна струја и се користи конвертор на напон за нејзино претворање.

Исто така, во блокот на конверторот на напон има:

• Контролни уреди.
• Безбедносни кола кои ја исклучуваат горивната ќелија при различни дефекти.

Принцип на работа

Наједноставната мембранска ќелија за размена на протони се состои од полимерна мембрана која се наоѓа помеѓу анодата и катодата, како и катодните и анодните катализатори. Полимерната мембрана се користи како електролит.

• Мембраната за размена на протони изгледа како тенко цврсто органско соединение со мала дебелина. Оваа мембрана работи како електролит; во присуство на вода, ја дели супстанцијата на негативно и позитивно наелектризирани јони.
• Оксидацијата започнува на анодата, а редукцијата се јавува на катодата. Катодата и анодата во PEM ќелијата се направени од порозен материјал; тоа е мешавина од платина и јаглеродни честички. Платинумот делува како катализатор, кој ја промовира реакцијата на дисоцијација. Катодата и анодата се направени порозни така што кислородот и водородот слободно минуваат низ нив.
• Анодата и катодата се наоѓаат помеѓу две метални плочи, тие снабдуваат кислород и водород до катодата и анодата и ја отстрануваат електричната енергија, топлината и водата.
• Преку каналите во плочата, молекулите на водород влегуваат во анодата, каде што молекулите се распаѓаат на атоми.
• Како резултат на хемисорпција под влијание на катализатор, атомите на водород се претвораат во позитивно наелектризирани водородни јони H+, односно протони.
• Протоните се дифузираат до катодата низ мембраната, а протокот на електрони оди до катодата преку специјално надворешно електрично коло. Со него е поврзан товар, односно потрошувач на електрична енергија.
• Кислородот, кој се доставува до катодата, по изложувањето влегува во хемиска реакција со електрони од надворешното електрично коло и водородни јони од мембраната за размена на протони. Како резултат на оваа хемиска реакција се појавува вода.

Хемиската реакција што се јавува во други видови горивни ќелии (на пример, со кисел електролит во форма на ортофосфорна киселина H3PO4) е целосно идентична со реакцијата на уред со мембрана за размена на протони.

Видови

Во моментов, познати се неколку видови горивни ќелии, кои се разликуваат во составот на користениот електролит:

• Горивни ќелии базирани на ортофосфорна или фосфорна киселина (PAFC, Горивни ќелии со фосфорна киселина).
• Уреди со мембрана за размена на протони (PEMFC, горивни ќелии со мембрана за размена на протон).
• Горивни ќелии со цврст оксид (SOFC, горивни ќелии со цврст оксид).
• Електрохемиски генератори базирани на стопен карбонат (MCFC, горивни ќелии од стопен карбонат).

Во моментов, електрохемиските генератори кои користат PAFC технологија станаа пошироко распространети.

Апликација

Денес, горивни ќелии се користат во вселенскиот шатл, летало за повеќекратна употреба. Тие користат единици од 12 W. Тие ја генерираат целата електрична енергија на леталото. Водата што се формира за време на електрохемиската реакција се користи за пиење, вклучително и за опрема за ладење.

Електрохемиски генератори беа користени и за напојување на советскиот Буран, вселенско летало за повеќекратна употреба.

Горивните ќелии се користат и во цивилниот сектор.

• Стационарни инсталации со моќност од 5–250 kW и погоре. Тие се користат како автономни извори за снабдување со топлина и електрична енергија на индустриски, јавни и станбени згради, итни и резервни напојувања и непрекинато напојување.
• Преносливи единици со моќност од 1–50 kW. Тие се користат за вселенски сателити и бродови. Се создаваат примероци за колички за голф, инвалидски колички, железнички и товарни фрижидери и патни знаци.
• Мобилни инсталации со моќност од 25–150 kW. Тие почнуваат да се користат во воени бродови и подморници, вклучувајќи автомобили и други возила. Прототипи веќе се создадени од автомобилски гиганти како Рено, Неоплан, Тојота, Фолксваген, Хјундаи, Нисан, ВАЗ, Џенерал Моторс, Хонда, Форд и други.
• Микроуреди со моќност од 1–500 W. Тие наоѓаат примена во напредни рачни компјутери, лаптопи, електронски уреди за широка потрошувачка, мобилни телефони и модерни воени уреди.

Особености

• Дел од енергијата од хемиската реакција во секоја горивна ќелија се ослободува како топлина. Потребно е ладење. Во надворешно коло, протокот на електрони создава директна струја што се користи за извршување на работата. Запирањето на движењето на водородните јони или отворањето на надворешното коло доведува до прекин на хемиската реакција.
• Количината на електрична енергија што ја создаваат горивните ќелии се одредува според притисокот на гасот, температурата, геометриските димензии и видот на горивни ќелии. За да се зголеми количината на електрична енергија произведена од реакцијата, горивните ќелии може да се направат поголеми, но во пракса се користат неколку ќелии, кои се комбинираат во батерии.
• Хемискиот процес во некои типови на горивни ќелии може да биде обратен. Односно, кога на електродите ќе се примени потенцијална разлика, водата може да се разложи на кислород и водород, кои ќе се соберат на порозните електроди. Кога товарот е вклучен, таквата горивни ќелии ќе генерира електрична енергија.

Изгледите

Во моментов, електрохемиските генератори бараат големи почетни трошоци да се користат како главен извор на енергија. Со воведувањето на постабилни мембрани со висока спроводливост, ефикасни и евтини катализатори и алтернативни извори на водород, горивните ќелии ќе станат високо економски привлечни и ќе се имплементираат насекаде.

• Автомобилите ќе работат на горивни ќелии, нема да има мотори со внатрешно согорување. Како извор на енергија ќе се користи вода или водород во цврста состојба. Полнењето гориво ќе биде едноставно и безбедно, а возењето ќе биде еколошки - ќе се произведува само водена пареа.
• Сите згради ќе имаат свои преносливи генератори на енергија со горивни ќелии.
• Електрохемиските генератори ќе ги заменат сите батерии и ќе бидат инсталирани во секоја електроника и апарати за домаќинство.

Предности и недостатоци

Секој тип на горивни ќелии има свои недостатоци и предности. Некои бараат висококвалитетно гориво, други имаат сложен дизајн и бараат високи работни температури.

Општо земено, може да се забележат следниве предности на горивни ќелии:

• безбедност на животната средина;
• електрохемиските генератори не треба да се полнат;
• електрохемиските генератори можат постојано да создаваат енергија, не се грижат за надворешните услови;
• флексибилност во обем и преносливост.

Меѓу недостатоците се:

• технички тешкотии со складирање и транспорт на гориво;
• несовршени елементи на уредот: катализатори, мембрани и така натаму.

Горивна ќелија ( Горивна ќелија) е уред кој ја претвора хемиската енергија во електрична енергија. Во принцип е сличен на конвенционалната батерија, но се разликува по тоа што нејзината работа бара постојано снабдување со супстанции однадвор за да се случи електрохемиската реакција. Водород и кислород се доставуваат до горивните ќелии, а излезот е струја, вода и топлина. Нивните предности вклучуваат еколошка пријатност, сигурност, издржливост и леснотија на работа. За разлика од конвенционалните батерии, електрохемиските конвертори можат да работат практично неодредено се додека се снабдува со гориво. Тие не треба да се полнат со часови додека не се наполнат целосно. Освен тоа, самите ќелии можат да ја полнат батеријата додека автомобилот е паркиран со исклучен мотор.

Најшироко користени горивни ќелии во водородни возила се горивни ќелии со протонска мембрана (PEMFC) и горивни ќелии со цврст оксид (SOFCs).

Горивната ќелија на мембрана за размена на протони работи на следниов начин. Помеѓу анодата и катодата има специјална мембрана и катализатор обложен со платина. Водородот се доставува до анодата, а кислородот (на пример, од воздухот) се доставува до катодата. На анодата, водородот се разложува на протони и електрони со помош на катализатор. Водородните протони минуваат низ мембраната и стигнуваат до катодата, а електроните се пренесуваат во надворешното коло (мембраната не дозволува да минуваат низ). Вака добиената потенцијална разлика доведува до создавање електрична струја. На страната на катодата, водородните протони се оксидираат со кислород. Како резултат на тоа, се појавува водена пареа, која е главниот елемент на автомобилските издувни гасови. Поседувајќи висока ефикасност, PEM-клетките имаат еден значаен недостаток - нивната работа бара чист водород, чие складирање е прилично сериозен проблем.

Доколку се најде таков катализатор кој ќе ја замени скапата платина во овие ќелии, тогаш веднаш ќе се создаде евтина горивна ќелија за производство на електрична енергија, што значи дека светот ќе се ослободи од зависноста од нафта.

Цврсти оксидни клетки

SOFC ќелиите со цврст оксид се многу помалку барани за чистотата на горивото. Дополнително, благодарение на употребата на POX реформатор (Делумна оксидација), таквите ќелии можат да трошат обичен бензин како гориво. Процесот на директно претворање на бензинот во електрична енергија е како што следува. Во посебен уред - реформатор, на температура од околу 800 ° C, бензинот испарува и се распаѓа на неговите составни елементи.

Ова ослободува водород и јаглерод диоксид. Понатаму, исто така под влијание на температурата и директно користејќи SOFC (составен од порозен керамички материјал базиран на циркониум оксид), водородот се оксидира со кислород во воздухот. По добивањето на водород од бензин, процесот продолжува според сценариото опишано погоре, со само една разлика: горивната ќелија SOFC, за разлика од уредите кои работат на водород, е помалку чувствителна на нечистотии во оригиналното гориво. Значи, квалитетот на бензинот не треба да влијае на перформансите на горивната ќелија.

Високата работна температура на SOFC (650–800 степени) е значителен недостаток; процесот на загревање трае околу 20 минути. Но, вишокот топлина не е проблем, бидејќи целосно се отстранува со преостанатиот воздух и издувните гасови произведени од реформаторот и самата горивна ќелија. Ова овозможува системот SOFC да се интегрира во возило како посебен уред во термички изолирано куќиште.

Модуларната структура ви овозможува да го постигнете потребниот напон со поврзување на сет стандардни ќелии во серија. И, можеби најважно од гледна точка на имплементација на такви уреди, SOFC не содржи многу скапи електроди базирани на платина. Високата цена на овие елементи е една од пречките во развојот и ширењето на технологијата PEMFC.

Видови горивни ќелии

Во моментов, постојат следниве типови на горивни ќелии:

• А.Ф.Ц.– Alkaline Fuel Cell (алкална горивни ќелии);
• PAFC– Горивни ќелии со фосфорна киселина (горивни ќелии со фосфорна киселина);
• PEMFC– Горивна ќелија на мембрана за размена на протон (горивни ќелии со мембрана за размена на протони);
• DMFC– Директна горивни ќелии со метанол (горивни ќелии со директно разградување на метанолот);
• MCFC– Топена карбонатна горивна ќелија (горивни ќелии од стопен карбонат);
• SOFC– Горивни ќелии со цврст оксид (горивни ќелии со цврст оксид).

Предности на горивни ќелии/ќелии

Горивни ќелии/ќелија е уред кој ефикасно произведува директна струја и топлина од гориво богато со водород преку електрохемиска реакција.

Горивната ќелија е слична на батеријата по тоа што произведува директна струја преку хемиска реакција. Горивната ќелија вклучува анода, катода и електролит. Меѓутоа, за разлика од батериите, горивните ќелии не можат да складираат електрична енергија и не се испуштаат или бараат електрична енергија за да се наполнат. Горивните ќелии/ќелиите можат континуирано да произведуваат електрична енергија се додека имаат снабдување со гориво и воздух.

За разлика од другите генератори на енергија, како што се моторите со внатрешно согорување или турбините напојувани со гас, јаглен, мазут итн., горивни ќелии/ќелии не согоруваат гориво. Ова значи дека нема бучни ротори со висок притисок, нема силен шум од издувните гасови, нема вибрации. Горивните ќелии/ќелиите произведуваат електрична енергија преку тивка електрохемиска реакција. Друга карактеристика на горивни ќелии/ќелии е тоа што тие ја претвораат хемиската енергија на горивото директно во електрична енергија, топлина и вода.

Горивните ќелии се многу ефикасни и не произведуваат големи количини на стакленички гасови како што се јаглерод диоксид, метан и азотен оксид. Единствените издувни производи за време на работата се вода во форма на пареа и мала количина на јаглерод диоксид, кој воопшто не се ослободува ако се користи чист водород како гориво. Горивните елементи/ќелиите се составуваат во склопови, а потоа во поединечни функционални модули.

Историја на развој на горивни ќелии/ќелии

Во 1950-тите и 1960-тите, еден од најитните предизвици за горивните ќелии произлезе од потребата на Националната аеронаутичка и вселенска администрација (НАСА) од извори на енергија за долготрајни вселенски мисии. Алкалната горивни ќелии на НАСА користи водород и кислород како гориво со комбинирање на двата хемиски елементи во електрохемиска реакција. Излезот е три корисни нуспроизводи од реакцијата при летот во вселената - електрична енергија за напојување на вселенското летало, вода за пиење и системи за ладење и топлина за загревање на астронаутите.

Откривањето на горивни ќелии датира од почетокот на 19 век. Првиот доказ за ефектот на горивни ќелии е добиен во 1838 година.

Во доцните 1930-ти, започна работата на горивни ќелии со алкален електролит и до 1939 година беше изградена ќелија која користеше никелирани електроди под висок притисок. За време на Втората светска војна, горивни ќелии/ќелии беа развиени за подморници на британската морнарица и во 1958 година беше воведен состав на гориво што се состои од алкални горивни ќелии/ќелии со дијаметар од нешто повеќе од 25 cm.

Интересот се зголеми во 1950-тите и 1960-тите, а исто така и во 1980-тите, кога индустрискиот свет доживеа недостиг од нафтени горива. Во истиот период, светските земји, исто така, станаа загрижени за проблемот со загадувањето на воздухот и разгледуваа начини за производство на електрична енергија на еколошки начин. Технологијата на горивни ќелии моментално е во процес на брз развој.

Принцип на работа на горивни ќелии/ќелии

Горивните ќелии/ќелиите произведуваат електрична енергија и топлина поради електрохемиска реакција што се одвива со помош на електролит, катода и анода.

Анодата и катодата се одделени со електролит кој спроведува протони. Откако водородот тече до анодата, а кислородот до катодата, започнува хемиска реакција, како резултат на која се генерираат електрична струја, топлина и вода.

Кај анодниот катализатор, молекуларниот водород се дисоцира и губи електрони. Водородните јони (протони) се спроведуваат преку електролитот до катодата, додека електроните се пренесуваат низ електролитот и патуваат низ надворешно електрично коло, создавајќи директна струја што може да се користи за напојување на опремата. Кај катодниот катализатор, молекула на кислород се комбинира со електрон (кој се снабдува од надворешни комуникации) и дојдовен протон и формира вода, која е единствениот производ на реакција (во форма на пареа и/или течност).

Подолу е соодветната реакција:

Реакција на анодата: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Реакција на катодата: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Општа реакција на елементот: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Видови и разновидност на горивни елементи/ќелии

Исто како што постојат различни типови на мотори со внатрешно согорување, постојат различни типови на горивни ќелии - изборот на вистинскиот тип на горивни ќелии зависи од неговата примена.

Горивните ќелии се поделени на висока температура и ниска температура. Горивните ќелии со ниска температура бараат релативно чист водород како гориво. Ова често значи дека е потребна преработка на гориво за да се претвори примарното гориво (како што е природниот гас) во чист водород. Овој процес троши дополнителна енергија и бара посебна опрема. На високотемпературните горивни ќелии не им е потребна оваа дополнителна процедура бидејќи тие можат „внатрешно да го претворат“ горивото при покачени температури, што значи дека нема потреба да се инвестира во водородна инфраструктура.

Горивни ќелии/ќелии со стопен карбонат (MCFC)

Горивните ќелии со стопен карбонат електролит се горивни ќелии со висока температура. Високата работна температура овозможува директна употреба на природен гас без процесор за гориво и ниска калориска вредност на гориво гас од индустриски процеси и други извори.

Работата на RCFC се разликува од другите горивни ќелии. Овие ќелии користат електролит направен од мешавина на стопени карбонатни соли. Во моментов се користат два вида мешавини: литиум карбонат и калиум карбонат или литиум карбонат и натриум карбонат. За да се стопат карбонатните соли и да се постигне висок степен на јонска подвижност во електролитот, горивни ќелии со стопен карбонат електролит работат на високи температури (650°C). Ефикасноста варира помеѓу 60-80%.

Кога се загреваат на температура од 650°C, солите стануваат спроводник за карбонатните јони (CO 3 2-). Овие јони минуваат од катодата до анодата, каде што се комбинираат со водород за да формираат вода, јаглерод диоксид и слободни електрони. Овие електрони се испраќаат преку надворешно електрично коло назад во катодата, генерирајќи електрична струја и топлина како нуспроизвод.

Реакција на анодата: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Реакција на катодата: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Општа реакција на елементот: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (катода) => H 2 O (g) + CO 2 (анода)

Високите работни температури на горивни ќелии со стопен карбонат електролит имаат одредени предности. При високи температури, природниот гас внатрешно се реформира, со што се елиминира потребата од процесор за гориво. Покрај тоа, предностите вклучуваат можност за користење на стандардни градежни материјали како што се лимови од нерѓосувачки челик и никел катализатор на електродите. Отпадната топлина може да се користи за производство на пареа со висок притисок за различни индустриски и комерцијални цели.

Високите температури на реакција во електролитот исто така имаат свои предности. Употребата на високи температури бара значително време за да се постигнат оптимални работни услови, а системот реагира побавно на промените во потрошувачката на енергија. Овие карактеристики овозможуваат употреба на инсталации на горивни ќелии со стопен карбонат електролит во услови на постојана моќност. Високите температури го спречуваат јаглерод моноксидот да ја оштети горивната ќелија.

Горивните ќелии со стопен карбонат електролит се погодни за употреба во големи стационарни инсталации. Комерцијално се произведуваат термоелектрани со излезна електрична моќност од 3,0 MW. Се развиваат инсталации со излезна моќност до 110 MW.

Горивни ќелии/ќелии со фосфорна киселина (PAFC)

Горивните ќелии со фосфорна (ортофосфорна) киселина беа првите горивни ќелии за комерцијална употреба.

Горивните ќелии со фосфорна (ортофосфорна) киселина користат електролит базиран на ортофосфорна киселина (H 3 PO 4) со концентрација до 100%. Јонската спроводливост на фосфорната киселина е ниска при ниски температури, поради оваа причина овие горивни ќелии се користат на температури до 150–220 °C.

Носачот на полнење во горивни ќелии од овој тип е водородот (H+, протон). Сличен процес се случува во горивни ќелии со мембрана за размена на протони, во која водородот што се доставува до анодата се дели на протони и електрони. Протоните патуваат низ електролитот и се комбинираат со кислородот од воздухот на катодата за да формираат вода. Електроните се испраќаат преку надворешно електрично коло, со што се генерира електрична струја. Подолу се прикажани реакции кои генерираат електрична струја и топлина.

Реакција на анодата: 2H 2 => 4H + + 4e -
Реакција на катодата: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2 H 2 O
Општа реакција на елементот: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Ефикасноста на горивни ќелии базирани на фосфорна (ортофосфорна) киселина е повеќе од 40% при генерирање електрична енергија. Со комбинирано производство на топлинска и електрична енергија, вкупната ефикасност е околу 85%. Дополнително, со оглед на работните температури, отпадната топлина може да се користи за загревање на водата и генерирање на пареа под атмосферски притисок.

Високите перформанси на термоелектраните кои користат горивни ќелии на база на фосфорна (ортофосфорна) киселина во комбинираното производство на топлинска и електрична енергија е една од предностите на овој тип горивни ќелии. Агрегатите користат јаглерод моноксид со концентрација од околу 1,5%, што значително го проширува изборот на гориво. Покрај тоа, CO 2 не влијае на електролитот и работата на горивната ќелија; овој тип на ќелии работи со реформирано природно гориво. Едноставниот дизајн, нискиот степен на нестабилност на електролитот и зголемената стабилност се исто така предности на овој тип на горивни ќелии.

Комерцијално се произведуваат термоелектрани со излезна електрична моќност до 500 kW. Инсталациите од 11 MW ги поминаа соодветните тестови. Се развиваат инсталации со излезна моќност до 100 MW.

Горивни ќелии со цврст оксид (SOFC)

Горивните ќелии со цврст оксид се горивни ќелии со највисока работна температура. Работната температура може да варира од 600°C до 1000°C, што овозможува користење на различни видови гориво без специјална претходна обработка. За справување со такви високи температури, електролитот што се користи е тенок цврст метален оксид на керамичка основа, често легура на итриум и циркониум, кој е спроводник на јони на кислород (O2-).

Цврстиот електролит обезбедува запечатена транзиција на гас од една електрода во друга, додека течните електролити се наоѓаат во порозна подлога. Носител на полнење во горивни ќелии од овој тип е кислородниот јон (O 2-). На катодата, молекулите на кислород од воздухот се поделени на кислороден јон и четири електрони. Кислородните јони минуваат низ електролитот и се комбинираат со водородот, создавајќи четири слободни електрони. Електроните се испраќаат преку надворешно електрично коло, генерирајќи електрична струја и отпадна топлина.

Реакција на анодата: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Реакција на катодата: O 2 + 4e - => 2O 2-
Општа реакција на елементот: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Ефикасноста на произведената електрична енергија е најголема од сите горивни ќелии - околу 60-70%. Високите работни температури овозможуваат комбинирано производство на топлинска и електрична енергија за генерирање на пареа со висок притисок. Комбинирањето на горивни ќелии со висока температура со турбина овозможува да се создаде хибридна горивни ќелии за да се зголеми ефикасноста на генерирањето електрична енергија до 75%.

Горивните ќелии со цврст оксид работат на многу високи температури (600°C–1000°C), што резултира со значително време за постигнување оптимални работни услови и побавен одговор на системот на промените во потрошувачката на енергија. При толку високи работни температури, не е потребен никаков конвертор за враќање на водородот од горивото, што овозможува термоелектраната да работи со релативно нечисти горива што произлегуваат од гасификација на јаглен или отпадни гасови итн. Горивната ќелија е исто така одлична за апликации со висока моќност, вклучувајќи индустриски и големи централни централи. Комерцијално се произведуваат модули со излезна електрична моќност од 100 kW.

Горивни ќелии/ќелии со директна оксидација на метанол (DOMFC)

Технологијата на користење на горивни ќелии со директна оксидација на метанол поминува низ период на активен развој. Успешно се докажа во полето на напојување на мобилни телефони, лаптопи, како и за создавање преносни извори на енергија. Ова е она кон што е насочена идната употреба на овие елементи.

Дизајнот на горивни ќелии со директна оксидација на метанол е сличен на горивни ќелии со мембрана за размена на протони (MEPFC), т.е. Полимер се користи како електролит, а водороден јон (протон) се користи како носител на полнење. Меѓутоа, течниот метанол (CH 3 OH) оксидира во присуство на вода на анодата, ослободувајќи CO 2, водородни јони и електрони, кои се испраќаат преку надворешно електрично коло, а со тоа генерира електрична струја. Водородните јони минуваат низ електролитот и реагираат со кислородот од воздухот и електроните од надворешното коло за да формираат вода на анодата.

Реакција на анодата: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Реакција на катодата: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Општа реакција на елементот: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Предноста на овој тип на горивни ќелии е нивната мала големина, поради употребата на течно гориво, и отсуството на потреба од употреба на конвертор.

Алкални горивни ќелии/ќелии (ALFC)

Алкалните горивни ќелии се едни од најефикасните ќелии што се користат за производство на електрична енергија, со ефикасност на производството на енергија до 70%.

Алкалните горивни ќелии користат електролит, воден раствор на калиум хидроксид, содржан во порозна, стабилизирана матрица. Концентрацијата на калиум хидроксид може да варира во зависност од работната температура на горивната ќелија, која се движи од 65°C до 220°C. Носачот на полнење во SHTE е хидроксил јон (OH -), кој се движи од катодата до анодата, каде што реагира со водородот, произведувајќи вода и електрони. Водата произведена на анодата се враќа назад кон катодата, повторно генерирајќи таму хидроксилни јони. Како резултат на оваа серија реакции што се случуваат во горивната ќелија, се произведува електрична енергија и, како нуспроизвод, топлина:

Реакција на анодата: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Реакција на катодата: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Општа реакција на системот: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Предноста на SHTE е што овие горивни ќелии се најевтини за производство, бидејќи бараниот катализатор на електродите може да биде која било од супстанциите што се поевтини од оние што се користат како катализатори за други горивни ќелии. SFCs работат на релативно ниски температури и се меѓу најефикасните горивни ќелии - таквите карактеристики може последователно да придонесат за побрзо производство на енергија и висока ефикасност на горивото.

Една од карактеристичните карактеристики на SHTE е неговата висока чувствителност на CO 2, кој може да се содржи во горивото или воздухот. CO 2 реагира со електролитот, брзо го труе и во голема мера ја намалува ефикасноста на горивната ќелија. Затоа, употребата на SHTE е ограничена на затворени простори, како што се вселенски и подводни возила, тие мора да работат на чист водород и кислород. Покрај тоа, молекулите како CO, H 2 O и CH4, кои се безбедни за други горивни ќелии, па дури и дејствуваат како гориво за некои од нив, се штетни за SHFC.

Горивни ќелии со полимер електролит (PEFC)

Во случај на горивни ќелии со полимер електролит, полимерната мембрана се состои од полимерни влакна со водени региони во кои има спроводливост на водни јони H2O+ (протон, црвено) се прикачуваат на молекулата на водата). Молекулите на водата претставуваат проблем поради бавната јонска размена. Затоа, потребна е висока концентрација на вода и во горивото и на излезните електроди, ограничувајќи ја работната температура на 100°C.

Горивни ќелии/ќелии со цврста киселина (SFC)

Во горивни ќелии со цврста киселина, електролитот (CsHSO 4) не содржи вода. Затоа, работната температура е 100-300°C. Ротацијата на анјоните на кислород SO 4 2- им овозможува на протоните (црвено) да се движат како што е прикажано на сликата. Вообичаено, горивни ќелии со цврста киселина е сендвич во кој многу тенок слој од цврсто киселинско соединение е сместено помеѓу две електроди кои се цврсто притиснати заедно за да се обезбеди добар контакт. Кога се загрева, органската компонента испарува, излегувајќи низ порите во електродите, одржувајќи ја способноста за повеќекратни контакти помеѓу горивото (или кислородот на другиот крај на елементот), електролитот и електродите.

Различни модули на горивни ќелии. Батерија со горивни ќелии

1. Батерија со горивни ќелии
2. Друга опрема што работи на високи температури (интегриран генератор на пареа, комора за согорување, менувач на топлинска рамнотежа)
3. Изолација отпорна на топлина

Модул за горивни ќелии

Компаративна анализа на типови и сорти на горивни ќелии

Иновативните енергетски ефикасни општински топлински и електрани обично се изградени на горивни ќелии со цврст оксид (SOFC), горивни ќелии со полимер електролит (PEFC), горивни ќелии со фосфорна киселина (PAFC), горивни ќелии со мембрана за размена на протони (PEMFC) и алкални горивни ќелии ( ALFC). Обично ги имаат следните карактеристики:

Најпогодни треба да се сметаат за горивни ќелии со цврст оксид (SOFC), кои:

• работат на повисоки температури, намалувајќи ја потребата за скапи благородни метали (како што е платината)
• може да работи на различни видови јаглеводородни горива, главно природен гас
• имаат подолго време на стартување и затоа се посоодветни за долгорочно дејствување
• покажуваат висока ефикасност на производството на енергија (до 70%)
• Поради високите работни температури, единиците може да се комбинираат со системи за пренос на топлина, со што севкупната ефикасност на системот ќе достигне 85%.
• имаат практично нула емисии, работат тивко и имаат ниски работни барања во споредба со постоечките технологии за производство на енергија

Тип на горивни ќелии	Работна температура	Ефикасност на производство на енергија	Тип на гориво	Областа на апликација
RKTE	550–700°C	50-70%		Средни и големи инсталации
FCTE	100–220°C	35-40%	Чист водород	Големи инсталации
МОПТЕ	30-100°C	35-50%	Чист водород	Мали инсталации
SOFC	450–1000°C	45-70%	Повеќето јаглеводородни горива	Мали, средни и големи инсталации
PEMFC	20-90°C	20-30%	Метанол	Пренослив
ШТЕ	50-200°C	40-70%	Чист водород	Вселенско истражување
ПИТ	30-100°C	35-50%	Чист водород	Мали инсталации

Бидејќи малите термоелектрани можат да се поврзат со конвенционална мрежа за снабдување со гас, горивни ќелии не бараат посебен систем за снабдување со водород. Кога се користат мали термоелектрани базирани на горивни ќелии со цврст оксид, генерираната топлина може да се интегрира во разменувачи на топлина за загревање на водата и воздухот за вентилација, зголемувајќи ја севкупната ефикасност на системот. Оваа иновативна технологија најдобро одговара за ефикасно производство на електрична енергија без потреба од скапа инфраструктура и сложена интеграција на инструменти.

Примена на горивни ќелии/ќелии

Примена на горивни ќелии/ќелии во телекомуникациски системи

Поради брзото ширење на безжични комуникациски системи ширум светот, како и зголемените социо-економски придобивки од технологијата на мобилни телефони, потребата за сигурна и исплатлива резервна копија на енергија стана критична. Загубите на електричната мрежа во текот на годината поради лошите временски услови, природните катастрофи или ограничениот капацитет на мрежата претставуваат тековен предизвик за операторите на мрежата.

Традиционалните телекомуникациски резервни решенија вклучуваат батерии (оловно-киселински батериски ќелии регулирани со вентил) за краткорочно резервно напојување и генератори на дизел и пропан за подолгорочно резервно напојување. Батериите се релативно евтин извор на резервна енергија за 1-2 часа. Сепак, батериите не се погодни за подолгорочно резервно напојување бидејќи се скапи за одржување, стануваат несигурни по долги периоди на употреба, се чувствителни на температури и се опасни за околината по отстранувањето. Генераторите на дизел и пропан можат да обезбедат долгорочна резервна енергија. Сепак, генераторите можат да бидат несигурни, да бараат големо одржување и да испуштаат високи нивоа на загадувачи и стакленички гасови.

За да се надминат ограничувањата на традиционалните решенија за резервна моќност, развиена е иновативна технологија на зелени горивни ќелии. Горивните ќелии се сигурни, тивки, содржат помалку подвижни делови од генератор, имаат поширок опсег на работна температура од батеријата: од -40°C до +50°C и, како резултат на тоа, обезбедуваат исклучително високи нивоа на заштеда на енергија. Дополнително, животните трошоци за таква инсталација се пониски од оние на генератор. Пониските трошоци за горивни ќелии произлегуваат од само една посета на одржување годишно и значително поголема продуктивност на постројката. На крајот на денот, горивната ќелија е решение за зелена технологија со минимално влијание врз животната средина.

Инсталациите на горивни ќелии обезбедуваат резервна моќност за критичните комуникациски мрежни инфраструктури за безжични, постојани и широкопојасни комуникации во телекомуникацискиот систем, кои се движат од 250 W до 15 kW, тие нудат многу незаменливи иновативни карактеристики:

• ДОВЕРЛИВОСТ– малку подвижни делови и без празнење во режим на подготвеност
• ЗА ЗАШТЕДА НА ЕНЕРГИЈА
• МОЛК– ниско ниво на бучава
• ОДРЖЛИВОСТ– работен опсег од -40°C до +50°C
• ПРИСТАПЛИВОСТ– инсталација на отворено и на затворено (контејнер/заштитен контејнер)
• ВИСОКА МОЌ– до 15 kW
• НИСКИ БАРАЊА ЗА ОДРЖУВАЊЕ– минимално годишно одржување
• ЕКОНОМСКИ- атрактивен вкупен трошок за сопственост
• ЗЕЛЕНА ЕНЕРГИЈА– ниски емисии со минимално влијание врз животната средина

Системот го чувствува напонот на DC магистралата во секое време и непречено ги прифаќа критичните оптоварувања доколку напонот на DC магистралата падне под поставената точка дефинирана од корисникот. Системот работи на водород, кој се доставува до оџакот на горивни ќелии на еден од двата начини - или од индустриски извор на водород или од течно гориво од метанол и вода, користејќи интегриран систем за реформирање.

Електричната енергија се произведува од оџакот на горивни ќелии во форма на директна струја. DC моќноста се пренесува на конвертор, кој ја претвора нерегулираната DC моќност што доаѓа од купот на горивни ќелии во висококвалитетна регулирана еднонасочна моќност за потребните оптоварувања. Инсталирањето на горивни ќелии може да обезбеди резервна моќност многу денови, бидејќи времетраењето на работата е ограничено само од количината на водород или метанол/вода гориво што е на располагање.

Горивните ќелии нудат супериорни заштеди на енергија, подобрена доверливост на системот, попредвидливи перформанси во широк опсег на клими и сигурна оперативна издржливост во споредба со стандардните индустриски пакети со оловни киселински ќелии со вентили регулирани. Доживотните трошоци се исто така помали поради значително помалите барања за одржување и замена. Горивните ќелии нудат еколошки придобивки за крајниот корисник бидејќи трошоците за отстранување и ризиците од одговорност поврзани со ќелиите со оловна киселина се сè поголема загриженост.

На ефикасноста на електричните батерии може негативно да влијаат широк спектар на фактори како што се нивото на полнење, температурата, возењето велосипед, животниот век и други променливи. Обезбедената енергија ќе варира во зависност од овие фактори и не е лесно да се предвиди. Работата на горивни ќелии со мембрана за размена на протони (PEMFC) е релативно незасегната од овие фактори и може да обезбеди критична моќност сè додека е достапно горивото. Зголемената предвидливост е важна придобивка кога се префрлате на горивни ќелии за апликации за резервна енергија кои се критични за мисијата.

Горивните ќелии генерираат енергија само кога се снабдува гориво, слично на генератор на гасна турбина, но немаат подвижни делови во областа за производство. Затоа, за разлика од генераторот, тие не се предмет на брзо абење и не бараат постојано одржување и подмачкување.

Горивото што се користи за придвижување на конверторот на гориво со продолжено траење е мешавина на гориво од метанол и вода. Метанолот е широко достапно, комерцијално произведено гориво кое во моментов има многу намени, вклучувајќи миење на шофершајбната, пластични шишиња, адитиви за мотори и бои за емулзија, меѓу другото. Метанолот лесно се транспортира, може да се меша со вода, има добра биоразградливост и не содржи сулфур. Има ниска точка на замрзнување (-71°C) и не се распаѓа при долгорочно складирање.

Примена на горивни ќелии/ќелии во комуникациски мрежи

Безбедносните комуникациски мрежи бараат сигурни решенија за резервна енергија што можат да работат со часови или денови во итни ситуации доколку електричната мрежа повеќе не е достапна.

Со малку подвижни делови и без загуба на енергија во мирување, иновативната технологија на горивни ќелии нуди атрактивно решение за сегашните резервни системи за напојување.

Најубедливиот аргумент за користење на технологијата на горивни ќелии во комуникациските мрежи е зголемената севкупна доверливост и безбедност. За време на настани како што се прекини на струја, земјотреси, бури и урагани, важно е системите да продолжат да работат и да им се обезбеди сигурна резервна моќност во подолг временски период, без оглед на температурата или староста на резервниот електроенергетски систем.

Линијата на уреди за напојување базирани на горивни ќелии се идеални за поддршка на класифицирани комуникациски мрежи. Благодарение на нивните дизајнерски принципи за заштеда на енергија, тие обезбедуваат еколошки, сигурна резервна моќност со продолжено времетраење (до неколку дена) за употреба во опсегот на моќност од 250 W до 15 kW.

Примена на горивни ќелии/ќелии во податочни мрежи

Сигурното напојување за податочни мрежи, како што се брзи податочни мрежи и столбови со оптички влакна, е од клучно значење низ целиот свет. Информациите што се пренесуваат преку таквите мрежи содржат критични податоци за институции како што се банки, авиокомпании или медицински центри. Прекинот на струја во таквите мрежи не само што претставува опасност за пренесените информации, туку, како по правило, доведува до значителни финансиски загуби. Сигурните, иновативни инсталации на горивни ќелии кои обезбедуваат резервно напојување ја обезбедуваат сигурноста потребна за да се обезбеди непречено напојување.

Единиците за горивни ќелии, напојувани од мешавина на течно гориво од метанол и вода, обезбедуваат сигурна резервна моќност со продолжено времетраење, до неколку дена. Покрај тоа, овие единици имаат значително намалени барања за одржување во споредба со генераторите и батериите, за што е потребна само една посета за одржување годишно.

Типични карактеристики на локацијата на апликацијата за користење инсталации на горивни ќелии во податочни мрежи:

• Апликации со потрошувачка на енергија од 100 W до 15 kW
• Апликации со барања за траење на батеријата > 4 часа
• Повторувачи во системи со оптички влакна (хиерархија на синхрони дигитални системи, брз интернет, глас преку IP...)
• Мрежни јазли за пренос на податоци со голема брзина
• WiMAX преносни јазли

Резервните инсталации за напојување со горивни ќелии нудат бројни бенефиции за мрежни инфраструктури за податоци кои се критични за мисијата во споредба со традиционалните генератори на батерии или дизел, овозможувајќи зголемени опции за распоредување на лице место:

1. Технологијата на течно гориво го решава проблемот со поставување на водород и обезбедува практично неограничена резервна моќност.
2. Благодарение на нивната тивка работа, малата тежина, отпорноста на температурни промени и практичното работење без вибрации, горивни ќелии може да се инсталираат надвор од згради, во индустриски згради/контејнери или на покриви.
3. Подготовките за користење на системот на лице место се брзи и економични, а оперативните трошоци се ниски.
4. Горивото е биоразградливо и обезбедува еколошки прифатливо решение за урбаните средини.

Примена на горивни ќелии/ќелии во безбедносни системи

Највнимателно дизајнираните безбедносни и комуникациски системи на згради се доверливи само како напојувањето што ги поддржува. Додека повеќето системи вклучуваат некој тип на систем за непрекинато резервно напојување за краткорочни загуби на електрична енергија, тие не ги опфаќаат подолготрајните прекини на електрична енергија што може да се случат по природни катастрофи или терористички напади. Ова може да биде критично прашање за многу корпоративни и владини агенции.

Во отсуство на сигурно, долгорочно алтернативно напојување.

Дизел генераторите прават многу бучава, тешко се лоцираат и имаат познати проблеми со сигурноста и одржувањето. Спротивно на тоа, инсталацијата на горивни ќелии што обезбедува резервна моќност е тивка, сигурна, произведува нула или многу ниски емисии и може лесно да се инсталира на покрив или надвор од зграда. Во режим на подготвеност не се испушта или губи енергија. Обезбедува континуирана работа на критичните системи, дури и откако објектот ќе престане со работа и зградата е испразнета.

Иновативните инсталации на горивни ќелии ги штитат скапите инвестиции во критичните апликации. Тие обезбедуваат еколошки, сигурна резервна моќност со продолжено времетраење (до многу денови) за употреба во опсегот на моќност од 250 W до 15 kW, во комбинација со бројни незаменливи карактеристики и, особено, високи нивоа на заштеда на енергија.

Резервните инсталации за напојување со горивни ќелии нудат бројни предности за употреба во апликации кои се клучни за мисијата, како што се безбедноста и системите за контрола на зградите во однос на традиционалните апликации на батерии или дизел генератори. Технологијата на течно гориво го решава проблемот со поставување на водород и обезбедува практично неограничена резервна моќност.

Примена на горивни ќелии/ќелии во комуналното греење и производство на електрична енергија

Солидните оксидни горивни ќелии (SOFC) обезбедуваат сигурни, енергетски ефикасни и без емисија на термоелектрани за производство на електрична енергија и топлина од широко достапни извори на природен гас и обновливи извори на гориво. Овие иновативни инсталации се користат на различни пазари, од домашно производство на електрична енергија до далечинско напојување, како и помошни напојувања.

Примена на горивни ќелии/ќелии во дистрибутивни мрежи

Малите термоелектрани се дизајнирани да работат во дистрибуирана мрежа за производство на енергија која се состои од голем број мали генераторски комплети наместо една централизирана електрана.

Сликата подолу ја покажува загубата во ефикасноста на производството на електрична енергија кога таа се генерира во термоцентрала и се пренесува до домовите преку традиционалните мрежи за пренос на електрична енергија што се користат моментално. Загубите во ефикасноста во централизираното производство вклучуваат загуби од електраната, нисконапонски и високонапонски пренос и загуби во дистрибуцијата.

На сликата се прикажани резултатите од интеграцијата на малите термоелектрани: електричната енергија се произведува со ефикасност на производство до 60% на местото на употреба. Дополнително на ова, домаќинството може да ја користи топлината генерирана од горивните ќелии за загревање на водата и просторот, што ја зголемува севкупната ефикасност на обработката на енергијата на горивото и ја зголемува заштедата на енергија.

Употреба на горивни ќелии за заштита на животната средина - искористување на придружниот нафтен гас

Една од најважните задачи во нафтената индустрија е искористувањето на придружниот нафтен гас. Постојните методи за искористување на придружниот нафтен гас имаат многу недостатоци, а главната е тоа што тие не се економски исплатливи. Се согорува поврзан нафтен гас, што предизвикува огромна штета на животната средина и здравјето на луѓето.

Иновативните термоелектрани кои користат горивни ќелии кои користат поврзан нафтен гас како гориво го отвораат патот кон радикално и економично решение за проблемите со придружното користење на нафтениот гас.

1. Една од главните предности на инсталациите на горивни ќелии е тоа што тие можат да работат сигурно и стабилно на поврзан нафтен гас со променлив состав. Поради беспламната хемиска реакција што е во основата на работата на горивната ќелија, намалувањето на процентот на, на пример, метан предизвикува само соодветно намалување на излезната моќност.
2. Флексибилност во однос на електричното оптоварување на потрошувачите, пад, наплив на оптоварување.
3. За поставување и поврзување на термоелектрани на горивни ќелии за нивно спроведување не се потребни капитални трошоци, бидејќи Единиците може лесно да се инсталираат на неподготвени локации во близина на полиња, се лесни за употреба, сигурни и ефикасни.
4. Високата автоматизација и модерниот далечински управувач не бараат постојано присуство на персонал на инсталацијата.
5. Едноставност и техничко совршенство на дизајнот: отсуството на подвижни делови, системи за триење и подмачкување обезбедува значителни економски придобивки од работата на инсталациите на горивни ќелии.
6. Потрошувачка на вода: нема на амбиентални температури до +30 °C и занемарлива на повисоки температури.
7. Излез на вода: нема.
8. Покрај тоа, термоелектраните кои користат горивни ќелии не создаваат бучава, не вибрираат, не произведуваат штетни емисии во атмосферата

горивни ќелии со водород на Nissan

Мобилната електроника се подобрува секоја година, станува се пораспространета и достапна: PDA, лаптопи, мобилни и дигитални уреди, рамки за фотографии итн. Сите тие постојано се ажурираат со нови функции, поголеми монитори, безжични комуникации, посилни процесори, додека се намалуваат во големина . Енергетските технологии, за разлика од полупроводничката технологија, не напредуваат со скокови и граници.

Постојните батерии и акумулатори за напојување на достигнувањата на индустријата стануваат недоволни, па прашањето за алтернативни извори е многу акутно. Горивните ќелии се убедливо најперспективната област. Принципот на нивната работа бил откриен уште во 1839 година од Вилијам Гроув, кој генерирал електрична енергија со промена на електролизата на водата.

Видео: документарен филм, горивни ќелии за транспорт: минато, сегашност, иднина

Горивните ќелии се од интерес за производителите на автомобили, а за нив се интересираат и дизајнерите на вселенски бродови. Во 1965 година дури беа тестирани од Америка на вселенскиот брод Gemini 5 лансиран во вселената, а подоцна и на Аполо. Милиони долари сè уште се инвестираат во истражување на горивни ќелии денес, кога има проблеми поврзани со загадувањето на животната средина и зголемените емисии на стакленички гасови генерирани при согорувањето на фосилните горива, чии резерви исто така не се бескрајни.

Горивната ќелија, често наречена електрохемиски генератор, работи на начин опишан подолу.

Да се ​​биде, како акумулаторите и батериите, галвански елемент, но со таа разлика што активните супстанции се складираат во него посебно. Тие се доставуваат до електродите како што се користат. Природното гориво или која било супстанца добиена од него гори на негативната електрода, која може да биде гасовита (водород, на пример, и јаглерод моноксид) или течна, како алкохоли. Кислородот обично реагира на позитивната електрода.

Но, навидум едноставниот принцип на работа не е лесно да се преведе во реалност.

горивни ќелии DIY

Видео: DIY водородна горивни ќелии

За жал, немаме фотографии како треба да изгледа овој елемент за гориво, се потпираме на вашата имагинација.

Можете да направите горивни ќелии со мала моќност со свои раце дури и во училишна лабораторија. Треба да складирате стара гас-маска, неколку парчиња плексиглас, алкали и воден раствор на етил алкохол (поедноставно, вотка), што ќе послужи како „гориво“ за горивната ќелија.

Пред сè, ви треба куќиште за горивната ќелија, кое најдобро е направено од плексиглас, дебел најмалку пет милиметри. Внатрешните прегради (внатре има пет прегради) може да се направат малку потенки - 3 см За лепење плексиглас користете лепак од следниот состав: шест грама струготини од плексиглас се раствораат во сто грама хлороформ или дихлороетан (работата е завршена под хауба).

Сега треба да вежбате дупка во надворешниот ѕид, во која треба да вметнете стаклена одводна цевка со дијаметар од 5-6 сантиметри преку гумен затворач.

Секој знае дека во периодниот систем најактивните метали се во долниот лев агол, а високо активните металоиди се наоѓаат во горниот десен агол на табелата, т.е. способноста да се даруваат електрони се зголемува од врвот до дното и од десно кон лево. Елементите кои под одредени услови можат да се манифестираат како метали или металоиди се во центарот на табелата.

Сега истураме активен јаглен од гасната маска во вториот и четвртиот оддел (помеѓу првата преграда и втората, како и третата и четвртата), кои ќе дејствуваат како електроди. За да спречите излевање на јаглен низ дупките, можете да го ставите во најлонска ткаенина (погодни се женски најлонски чорапи). ВО

Горивото ќе циркулира во првата комора, а во петтата треба да има добавувач на кислород - воздух. Помеѓу електродите ќе има електролит, а за да не истече во воздушната комора, пред да истурите јаглен во четвртата комора за воздушниот електролит, треба да го натопите со раствор од парафин во бензин (сооднос 2 грам парафин до половина чаша бензин). На слојот јаглен треба да поставите (со благо притискање) бакарни плочи на кои се залемени жиците. Преку нив струјата ќе се пренасочи од електродите.

Останува само да се наполни елементот. За ова ви треба вотка, која мора да се разреди со вода 1:1. Потоа внимателно додадете триста до триста и педесет грама каустичен калиум. За електролитот, 70 грама калиум хидроксид се раствораат во 200 грама вода.

Горивната ќелија е подготвена за тестирање.Сега треба истовремено да истурате гориво во првата комора и електролит во третата. Волтметар поврзан со електродите треба да покажува од 07 волти до 0,9. За да се обезбеди континуирано функционирање на елементот, потребно е да се отстрани потрошеното гориво (исцеди во чаша) и да се додаде ново гориво (преку гумена цевка). Стапката на напојување се прилагодува со стискање на цевката. Вака изгледа работата на горивни ќелии во лабораториски услови, чија моќност е разбирливо мала.

Видео: Горивни ќелии или вечна батерија дома

За да обезбедат поголема моќ, научниците долго време работат на овој проблем. Во активниот челик во развој се сместени горивни ќелии со метанол и етанол. Но, за жал, тие се уште не се спроведени во пракса.

Зошто горивната ќелија е избрана како алтернативен извор на енергија

Како алтернативен извор на енергија беше избрана горивни ќелии, бидејќи крајниот производ на согорувањето на водород во него е вода. Единствениот проблем е да се најде евтин и ефикасен начин за производство на водород. Огромните средства вложени во развој на водородни генератори и горивни ќелии не можат а да не вродат со плод, така што технолошкиот пробив и нивната вистинска употреба во секојдневниот живот е само прашање на време.

Веќе денес чудовиштата на автомобилската индустрија: General Motors, Honda, Draimler Coyler, Ballard демонстрираат автобуси и автомобили кои работат на горивни ќелии, чија моќност достигнува 50 kW. Но, проблемите поврзани со нивната безбедност, сигурност и цена сè уште не се решени. Како што веќе споменавме, за разлика од традиционалните извори на енергија - батериите и акумулаторите, во овој случај оксидаторот и горивото се снабдуваат однадвор, а горивната ќелија е само посредник во тековната реакција на согорувањето на горивото и претворањето на ослободената енергија во електрична енергија. „Согорување“ се случува само ако елементот снабдува струја на товарот, како дизел електричен генератор, но без генератор и дизел мотор, а исто така и без бучава, чад и прегревање. Во исто време, ефикасноста е многу поголема, бидејќи нема средни механизми.

Видео: Автомобил со водородни горивни ќелии

Големи надежи се полагаат во употребата на нанотехнологијата и наноматеријалите, што ќе помогне да се минијатуризираат горивните ќелии додека ја зголемуваат нивната моќност. Има извештаи дека се создадени ултра-ефикасни катализатори, како и дизајни за горивни ќелии кои немаат мембрани. Во нив, горивото (метан, на пример) се доставува до елементот заедно со оксидаторот. Интересните решенија користат кислород растворен во воздухот како оксидатор, а органските нечистотии кои се акумулираат во загадените води се користат како гориво. Тоа се таканаречените елементи на биогориво.

Горивните ќелии, според експертите, може да влезат на масовниот пазар во наредните години.

Водородните горивни ќелии ја претвораат хемиската енергија на горивото во електрична енергија, заобиколувајќи ги неефикасните процеси на согорување и претворање на топлинската енергија во механичка енергија, кои вклучуваат големи загуби. Водородна горивни ќелии е електрохемискиУредот директно генерира електрична енергија како резултат на високо ефикасно „ладно“ согорување на горивото. Горивната ќелија со мембрана за размена на протони водород-воздух (PEMFC) е една од најперспективните технологии на горивни ќелии.

Пред осум години, во Западна Европа беа откриени шест пумпи за течен дизел; тие мора да бидат двесте пред крајот. Ние сме далеку од илјадниците терминали за брзо полнење што се отвораат насекаде за да го поттикнат ширењето на електричниот погон. И тука боли триењето. И подобро да го објавиме графенот.

Батериите не го кажаа последниот збор

Има повеќе од автономија, па затоа ограничувањето на времето на полнење го забавува прифаќањето на EV. Сепак, тој потсети во забелешката овој месец до неговите клиенти дека батериите имаат ограничување, ограничено на овој тип на сонда при многу висок напон. На Томас Брахман ќе му се каже дека допрва треба да се изгради дистрибутивна мрежа за водород. Аргументот е дека тој ја брише раката, потсетувајќи дека множењето на терминалите за брзо полнење е исто така многу скапо, поради високиот пресек на високонапонските бакарни кабли. „Полесно и поевтино е да се транспортира течен водород со камиони од закопани резервоари во близина на производствените локации.

Полимерната мембрана што спроведува протон одвојува две електроди - анода и катода. Секоја електрода е јаглеродна плоча (матрица) обложена со катализатор. Кај анодниот катализатор, молекуларниот водород се дисоцира и дава електрони. Водородните катјони се спроведуваат преку мембраната до катодата, но електроните се даваат во надворешното коло, бидејќи мембраната не дозволува електрони да минуваат низ.

Водородот сè уште не е чист вектор на електрична енергија

Што се однесува до цената на самата батерија, која е многу чувствителна информација, Томас Брахман не се сомнева дека може значително да се намали како што се зголемува ефикасноста. „Платината е елементот што чини повеќе“. За жал, речиси целиот водород доаѓа од фосилни извори на енергија. Згора на тоа, диводородот е само вектор на енергија, а не извор од кој се троши незанемарлив дел при неговото производство, неговото втечнување, а потоа и неговото претворање во електрична енергија.

Кај катодниот катализатор, молекула на кислород се комбинира со електрон (кој се снабдува од електричното коло) и дојдовен протон и формира вода, која е единствениот производ од реакцијата (во форма на пареа и/или течност).

Мембранско-електродните единици, кои се клучниот генератор на енергетскиот систем, се направени од водородни горивни ќелии.

Автомобилот на иднината се однесува како вистински

Балансот на батеријата е приближно три пати поголем, и покрај загубите поради топлината кај двигателите. За жал, чудотворниот автомобил нема да се удри по нашите патишта освен како дел од јавни демонстрации. Брахман, кој не потсетува дека природната тишина на електричниот автомобил го подобрува впечатокот за живеење во бучен свет. И покрај сите тешкотии, педалата за управување и сопирачката обезбедуваат природна конзистентност.

Минијатурна батерија, но подобрени перформанси

Гаџетот е видлив, централниот екран ги дифузира сликите на камерата поставена во десното огледало штом се активира трепкачот. Повеќето од нашите американски клиенти повеќе не бараат, а тоа ни овозможува да ги одржуваме цените надолу - оправдува главниот инженер, кој нуди пониска тарифа од. Всушност, вреди да се зборува за куп горивни ќелии бидејќи има 358 кои работат заедно. Главниот резервоар, со капацитет од 117 литри, е притиснат на задниот ѕид на клупата, спречувајќи го да се преклопи, а вториот - 24 литри, се крие под седиштето.

Предности на водородните горивни ќелии во споредба со традиционалните решенија:

- зголемен специфичен енергетски интензитет (500 ÷ 1000 Wh/kg),

- продолжен опсег на работна температура (-40 0 C / +40 0 C),

- отсуство на топлинска точка, бучава и вибрации,

- сигурност при ладен почеток,

- практично неограничен период на складирање на енергија (без само-празнење),

Првата двотактна горивни ќелии

И покрај неговата компактна големина, оваа нова горивни ќелии го претвора диводородот во електрична струја побрзо и подобро од својот претходник. Доставува кислород до елементите на купот со брзина која претходно се сметаше за некомпатибилна со нивната издржливост. Вишокот вода што претходно ја ограничуваше брзината на протокот најдобро е да се евакуира. Како резултат на тоа, моќноста по елемент се зголемува за половина, а ефикасноста достигнува 60%.

Ова се должи на присуството на литиум-јонска батерија од 1,7 kWh - сместена под предните седишта, што овозможува дополнителна струја при силни забрзувања. Или прогнозирана автономија е 460 km, идеално во согласност со она што го тврди производителот.

- способноста да се промени енергетскиот интензитет на системот со промена на бројот на касети за гориво, што обезбедува речиси неограничена автономија,

Способност да се обезбеди речиси секој разумен енергетски интензитет на системот со промена на капацитетот за складирање на водород,

- висок енергетски интензитет,

- толеранција на нечистотии во водород,

Но, илјада делови го олеснуваат протокот на воздух и го оптимизираат ладењето. Дури и повеќе од неговиот претходник, овој електричен автомобил покажува дека горивната ќелија е напред и во центарот. Голем предизвик за индустријата и нашите лидери. Во меѓувреме, многу е паметно кој ќе знае која горивна ќелија или батерија ќе преовлада.

Горивната ќелија е уред за електрохемиска конверзија на енергија што може да произведе електрична енергија во форма на директна струја со комбинирање на гориво и оксидатор во хемиска реакција за да се произведе отпаден производ, обично оксид на гориво.

- долг работен век,

- еколошка пријатност и тивко работење.

Системи за напојување базирани на водородни горивни ќелии за UAV:

Инсталација на горивни ќелии на возила без екипажнаместо традиционалните батерии, го множи времетраењето на летот и тежината на носивоста, ја зголемува доверливоста на авионот, го проширува температурниот опсег на лансирање и работа на UAV, намалувајќи ја границата на -40 0C. Во споредба со моторите со внатрешно согорување, системите базирани на горивни ќелии се тивки, без вибрации, работат на ниски температури, тешко се откриваат за време на летот, не произведуваат штетни емисии и можат ефикасно да извршуваат задачи од видео надзор до испорака на товар.

Секоја горивна ќелија има две електроди, едната позитивна, а другата негативна, а реакцијата што произведува електрична енергија се јавува кај електродите во присуство на електролит, кој носи наелектризирани честички од електрода до електрода, додека електроните циркулираат во надворешните жици лоцирани помеѓу електродите. да се создаде електрична енергија.

Горивната ќелија може постојано да генерира електрична енергија се додека се одржува потребниот проток на гориво и оксидатор. Некои горивни ќелии произведуваат само неколку вати, додека други можат да произведат неколку стотици киловати, додека помалите батерии најверојатно ќе се најдат во лаптопите и мобилните телефони, но горивните ќелии се премногу скапи за да станат мали генератори што се користат за производство на електрична енергија за домови и деловни активности.

Состав на системот за напојување за UAV:

Економски димензии на горивни ќелии

Користењето на водород како извор на гориво повлекува значителни трошоци. Поради оваа причина, водородот сега е неекономичен извор, особено затоа што може да се користат други поевтини извори. Трошоците за производство на водород може да варираат бидејќи ги одразуваат трошоците за ресурсите од кои се извлекува.

Извори на гориво за батерии

Горивните ќелии генерално се класифицираат во следните категории: водородни горивни ќелии, органски горивни ќелии, метални горивни ќелии и редокс батерии. Кога водородот се користи како извор на гориво, хемиската енергија се претвора во електрична енергија за време на процесот на обратна хидролиза за да се произведе само вода и топлина како отпад. Водородната горивни ќелии е многу ниска, но може да биде повеќе или помалку висока во производството на водород, особено ако е произведена од фосилни горива.

• - батерија со горивни ќелии,
• - Li-Po тампон батерија за покривање на краткорочни врвни оптоварувања,
• - електронски контролен систем ,
• - систем за гориво кој се состои од цилиндар со компримиран водород или цврст извор на водород.

Системот за гориво користи лесни цилиндри и редуктори со висока јачина за да се обезбеди максимално снабдување со компримиран водород на бродот. Дозволено е користење на различни големини на цилиндри (од 0,5 до 25 литри) со редуктори кои ја обезбедуваат потребната потрошувачка на водород.

Водородните батерии се поделени во две категории: батерии со ниска температура и батерии со висока температура, каде што батериите со висока температура можат директно да користат фосилни горива. Последните се состојат од јаглеводороди како нафта или бензин, алкохол или биомаса.

Други извори на гориво во батериите вклучуваат, но не се ограничени на, алкохоли, цинк, алуминиум, магнезиум, јонски раствори и многу јаглеводороди. Други оксидирачки агенси вклучуваат, но не се ограничени на, воздух, хлор и хлор диоксид. Во моментов, постојат неколку видови на горивни ќелии.

Карактеристики на системот за напојување за UAV:

Преносливи полначи базирани на водородни горивни ќелии:

Преносливи полначи базирани на водородни горивни ќелии се компактни уреди, споредливи по тежина и димензии со постоечките полначи за батерии кои активно се користат во светот.

Сеприсутната пренослива технологија во современиот свет редовно треба да се надополнува. Традиционалните преносни системи се практично бескорисни при ниски температури, а по извршувањето на нивната функција бараат и полнење со помош на (електрични мрежи), што исто така ја намалува нивната ефикасност и автономијата на уредот.

Секоја молекула на диводород добива 2 електрони. H јонот се движи од анодата до катодата и предизвикува електрична струја со пренесување на електрон. Како би можеле да изгледаат горивни ќелии за авиони? Денес, се вршат тестови на авиони за да се обидат да летаат со нив користејќи литиум-јонска хибридна батерија со горивни ќелии. Вистинската придобивка на горивните ќелии лежи во нејзиниот интегритет со мала тежина: таа е полесна, што помага да се намали тежината на авионот, а со тоа и потрошувачката на гориво.

Но, засега, летањето со авион со горивни ќелии не е возможно бидејќи сè уште има многу недостатоци. Слика на горивни ќелии. Кои се недостатоците на горивни ќелии? Најпрво, доколку водородот беше вообичаен, неговото користење во големи количини би било проблематично. Навистина, тој е достапен не само на Земјата. Се наоѓа во водата што содржи кислород и амонијак. Затоа, потребна е електролиза на водата за да се добие, а тоа сè уште не е широко распространет метод.

Системите за водородни горивни ќелии бараат само замена на компактен кертриџ за гориво, по што уредот веднаш е подготвен за употреба.

Карактеристики на преносливи полначи:

Непрекинато напојување базирано на водородни горивни ќелии:

Гарантираните системи за напојување базирани на водородни горивни ќелии се дизајнирани да организираат резервно напојување и привремено напојување. Гарантираните системи за напојување базирани на водородни горивни ќелии нудат значителни предности во однос на традиционалните решенија за организирање на привремено и резервно напојување, користејќи батерии и дизел генератори.

Водородот е гас, што го отежнува неговото задржување и транспортирање. Друг ризик поврзан со употребата на водород е ризикот од експлозија, бидејќи тоа е запалив гас. она што ја снабдува батеријата за нејзино производство во голем обем бара друг извор на енергија, било да е тоа нафта, гас или јаглен или нуклеарна енергија, што ја прави нејзината еколошка рамнотежа значително полоша од керозинот и прави грамада, платина, метал што е уште поретко и поскапо од златото.

Горивната ќелија обезбедува енергија со оксидирање на горивото на анодата и намалување на оксидаторот на катодата. Откривањето на принципот на горивни ќелии и првите имплементации во лабораторија со користење на сулфурна киселина како електролит му се припишува на хемичарот Вилијам Гроув.

Карактеристики на системот за непрекинато напојување:

Горивна ќелијае електрохемиски уред сличен на галванска ќелија, но се разликува од него по тоа што супстанциите за електрохемиската реакција му се доставуваат однадвор - за разлика од ограничената количина на енергија складирана во галванска ќелија или батерија.

Навистина, горивните ќелии имаат некои предности: оние што користат диводород и диоксид испуштаат само водена пареа: затоа тоа е чиста технологија. Постојат неколку видови на горивни ќелии, во зависност од природата на електролитот, природата на горивото, директната или индиректната оксидација и работната температура.

Следната табела ги сумира главните карактеристики на овие различни уреди. Неколку европски програми разгледуваат други полимери, како што се дериватите на полибензимидазол, кои се постабилни и поевтини. Компактноста на батеријата е исто така тековен предизвик со мембрани од редот од 15-50 микрони, порозни јаглеродни аноди и биполарни плочи од нерѓосувачки челик. Очекуваниот животен век исто така може да се подобри бидејќи, од една страна, трагите на јаглерод моноксид од редот на неколку ppm во водород се вистински отрови за катализаторот, а од друга страна, контролата на водата во полимерот е задолжителна.

Ориз. 1. Некои горивни ќелии

Горивните ќелии ја претвораат хемиската енергија на горивото во електрична енергија, заобиколувајќи ги неефикасните процеси на согорување кои се случуваат со големи загуби. Тие ги претвораат водородот и кислородот во електрична енергија преку хемиска реакција. Како резултат на овој процес, се формира вода и се ослободува голема количина на топлина. Горивната ќелија е многу слична на батеријата што може да се наполни и потоа да ја искористи складираната електрична енергија. Пронаоѓач на горивни ќелии се смета за Вилијам Р. Гроув, кој ја измислил во 1839 година. Оваа горивни ќелии користела раствор на сулфурна киселина како електролит и водород како гориво, кој бил комбиниран со кислород во оксидирачки агенс. До неодамна, горивни ќелии се користеа само во лаборатории и на вселенски летала.

За разлика од другите генератори на енергија, како што се моторите со внатрешно согорување или турбините напојувани со гас, јаглен, мазут итн., горивните ќелии не согоруваат гориво. Ова значи дека нема бучни ротори под висок притисок, нема силен шум од издувните гасови, нема вибрации. Горивните ќелии произведуваат електрична енергија преку тивка електрохемиска реакција. Друга карактеристика на горивните ќелии е тоа што тие ја претвораат хемиската енергија на горивото директно во електрична енергија, топлина и вода.

Горивните ќелии се многу ефикасни и не произведуваат големи количини на стакленички гасови како што се јаглерод диоксид, метан и азотен оксид. Единствените емисии од горивни ќелии се вода во форма на пареа и мала количина на јаглерод диоксид, кој воопшто не се ослободува ако се користи чист водород како гориво. Горивните ќелии се составуваат во склопови, а потоа во поединечни функционални модули.

Горивните ќелии немаат подвижни делови (барем не во самата ќелија) и затоа не го почитуваат законот на Карно. Односно, тие ќе имаат поголема од 50% ефикасност и се особено ефикасни при мали оптоварувања. Така, возилата со горивни ќелии можат да станат (и веќе се покажаа) поефикасни од конвенционалните возила во реални услови на возење.

Горивната ќелија произведува електрична струја со постојан напон што може да се користи за придвижување на електричниот мотор, осветлувањето и другите електрични системи во возилото.

Постојат неколку видови на горивни ќелии, кои се разликуваат во хемиските процеси што се користат. Горивните ќелии обично се класифицираат според видот на електролитот што го користат.

Некои типови на горивни ќелии се ветувачки за погон на електрани, додека други ветуваат за преносни уреди или за возење автомобили.

1. Алкални горивни ќелии (ALFC)

Алкална горивни ќелии- Ова е еден од првите развиени елементи. Алкалните горивни ќелии (AFC) се една од најпроучените технологии, користени од средината на 60-тите години на дваесеттиот век од НАСА во програмите Аполо и Спејс шатл. На овие вселенски летала, горивни ќелии произведуваат електрична енергија и вода за пиење.

Алкалните горивни ќелии се едни од најефикасните ќелии што се користат за производство на електрична енергија, со ефикасност на производството на енергија до 70%.

Алкалните горивни ќелии користат електролит, воден раствор на калиум хидроксид, содржан во порозна, стабилизирана матрица. Концентрацијата на калиум хидроксид може да варира во зависност од работната температура на горивната ќелија, која се движи од 65°C до 220°C. Носачот на полнење во SHTE е хидроксил јон (OH-), кој се движи од катодата до анодата, каде што реагира со водородот, произведувајќи вода и електрони. Водата произведена на анодата се враќа назад кон катодата, повторно генерирајќи таму хидроксилни јони. Како резултат на оваа серија реакции што се случуваат во горивната ќелија, се произведува електрична енергија и, како нуспроизвод, топлина:

Реакција на анодата: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Реакција на катодата: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Општа реакција на системот: 2H2 + O2 => 2H2O

Предноста на SHTE е што овие горивни ќелии се најевтини за производство, бидејќи катализаторот потребен на електродите може да биде која било од супстанциите што се поевтини од оние што се користат како катализатори за други горивни ќелии. Покрај тоа, SHTE работат на релативно ниски температури и се меѓу најефикасните.

Една од карактеристичните карактеристики на SHTE е неговата висока чувствителност на CO2, кој може да се содржи во горивото или воздухот. CO2 реагира со електролитот, брзо го труе и во голема мера ја намалува ефикасноста на горивната ќелија. Затоа, употребата на SHTE е ограничена на затворени простори, како што се вселенски и подводни возила; тие работат на чист водород и кислород.

2. Топени карбонатни горивни ќелии (MCFC)

Горивни ќелии со стопен карбонат електролитсе горивни ќелии со висока температура. Високата работна температура овозможува директна употреба на природен гас без процесор за гориво и ниска калориска вредност на гориво гас од индустриски процеси и други извори. Овој процес беше развиен во средината на 60-тите години на дваесеттиот век. Оттогаш, технологијата на производство, перформансите и доверливоста се подобрени.

Работата на RCFC се разликува од другите горивни ќелии. Овие ќелии користат електролит направен од мешавина на стопени карбонатни соли. Во моментов се користат два вида мешавини: литиум карбонат и калиум карбонат или литиум карбонат и натриум карбонат. За да се стопат карбонатните соли и да се постигне висок степен на јонска подвижност во електролитот, горивни ќелии со стопен карбонат електролит работат на високи температури (650°C). Ефикасноста варира помеѓу 60-80%.

Кога се загреваат на температура од 650°C, солите стануваат спроводник за карбонатните јони (CO32-). Овие јони минуваат од катодата до анодата, каде што се комбинираат со водород за да формираат вода, јаглерод диоксид и слободни електрони. Овие електрони се испраќаат преку надворешно електрично коло назад во катодата, генерирајќи електрична струја и топлина како нуспроизвод.

Реакција на анодата: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Реакција на катодата: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Општа реакција на елементот: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(катода) => H2O(g) + CO2(анода)

Високите работни температури на горивни ќелии со стопен карбонат електролит имаат одредени предности. Предноста е можноста за користење на стандардни материјали (лимови од не'рѓосувачки челик и никел катализатор на електродите). Отпадната топлина може да се користи за производство на пареа со висок притисок. Високите температури на реакција во електролитот исто така имаат свои предности. Употребата на високи температури бара долго време за да се постигнат оптимални работни услови, а системот реагира побавно на промените во потрошувачката на енергија. Овие карактеристики овозможуваат употреба на инсталации на горивни ќелии со стопен карбонат електролит во услови на постојана моќност. Високите температури спречуваат оштетување на горивната ќелија со јаглерод моноксид, „труење“ итн.

Горивните ќелии со стопен карбонат електролит се погодни за употреба во големи стационарни инсталации. Комерцијално се произведуваат термоелектрани со излезна електрична моќност од 2,8 MW. Се развиваат инсталации со излезна моќност до 100 MW.

3. Горивни ќелии со фосфорна киселина (PAFC)

Горивни ќелии базирани на фосфорна (ортофосфорна) киселинастанаа првите горивни ќелии за комерцијална употреба. Овој процес е развиен во средината на 60-тите години на дваесеттиот век, тестовите се спроведуваат од 70-тите години на дваесеттиот век. Резултатот беше зголемена стабилност и перформанси и намалени трошоци.

Горивните ќелии со фосфорна (ортофосфорна) киселина користат електролит базиран на ортофосфорна киселина (H3PO4) во концентрации до 100%. Јонската спроводливост на фосфорната киселина е ниска при ниски температури, така што овие горивни ќелии се користат на температури до 150-220 °C.

Носачот на полнење во горивни ќелии од овој тип е водородот (H+, протон). Сличен процес се случува во горивни ќелии со мембрана за размена на протони (PEMFC), во кои водородот што се доставува до анодата се дели на протони и електрони. Протоните патуваат низ електролитот и се комбинираат со кислородот од воздухот на катодата за да формираат вода. Електроните се испраќаат преку надворешно електрично коло, со што се генерира електрична струја. Подолу се прикажани реакции кои генерираат електрична струја и топлина.

Реакција на анодата: 2H2 => 4H+ + 4e

Реакција на катодата: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Општа реакција на елементот: 2H2 + O2 => 2H2O

Ефикасноста на горивни ќелии базирани на фосфорна (ортофосфорна) киселина е повеќе од 40% при генерирање електрична енергија. Со комбинирано производство на топлинска и електрична енергија, вкупната ефикасност е околу 85%. Дополнително, со оглед на работните температури, отпадната топлина може да се користи за загревање на водата и генерирање на пареа под атмосферски притисок.

Високите перформанси на термоелектраните кои користат горивни ќелии на база на фосфорна (ортофосфорна) киселина во комбинираното производство на топлинска и електрична енергија е една од предностите на овој тип горивни ќелии. Агрегатите користат јаглерод моноксид со концентрација од околу 1,5%, што значително го проширува изборот на гориво. Едноставниот дизајн, нискиот степен на нестабилност на електролитот и зголемената стабилност се исто така предности на ваквите горивни ќелии.

Комерцијално се произведуваат термоелектрани со излезна електрична моќност до 400 kW. Инсталациите со моќност од 11 MW поминале соодветни тестови. Се развиваат инсталации со излезна моќност до 100 MW.

4. Горивни ќелии со мембрана за размена на протон (PEMFC)

Горивни ќелии на мембрана за размена на протонисе сметаат за најдобар тип на горивни ќелии за генерирање на енергија за возила, кои можат да ги заменат бензинските и дизел моторите со внатрешно согорување. Овие горивни ќелии првпат беа користени од НАСА за програмата Gemini. Развиени и демонстрирани се инсталации базирани на MOPFC со моќност од 1 W до 2 kW.

Електролитот во овие горивни ќелии е цврста полимерна мембрана (тенок филм од пластика). Кога е заситен со вода, овој полимер дозволува протоните да минуваат низ него, но не ги спроведува електроните.

Горивото е водород, а носител на полнење е водороден јон (протон). На анодата, молекулата на водородот се дели на водороден јон (протон) и електрони. Водородните јони минуваат низ електролитот до катодата, а електроните се движат околу надворешниот круг и произведуваат електрична енергија. Кислородот, кој се зема од воздухот, се доставува до катодата и се комбинира со електрони и водородни јони за да формира вода. На електродите се случуваат следните реакции: Реакција на анодата: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e Реакција на катодата: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Севкупна реакција на клетките: 2H2 + O2 => 2H2O Во споредба со другите видови на горивни ќелии, горивни ќелии со мембрана за размена на протони произведуваат повеќе енергија за даден волумен или тежина на горивната ќелија. Оваа карактеристика им овозможува да бидат компактни и лесни. Покрај тоа, работната температура е помала од 100°C, што ви овозможува брзо да започнете со работа. Овие карактеристики, како и способноста за брзо менување на излезната енергија, се само неколку што ги прават овие горивни ќелии главен кандидат за употреба во возилата.

Друга предност е тоа што електролитот е цврст, а не течен. Полесно е да се задржат гасовите на катодата и анодата со помош на цврст електролит, така што таквите горивни ќелии се поевтини за производство. Со цврст електролит, нема проблеми со ориентацијата и помалку проблеми со корозија, со што се зголемува долговечноста на ќелијата и нејзините компоненти.

5. Горивни ќелии со цврст оксид (SOFC)

Горивни ќелии со цврст оксидсе горивни ќелии со највисока работна температура. Работната температура може да варира од 600°C до 1000°C, што овозможува користење на различни видови гориво без специјална претходна обработка. За справување со такви високи температури, електролитот што се користи е тенок цврст метален оксид на керамичка основа, често легура на итриум и циркониум, кој е спроводник на јони на кислород (O2-). Технологијата за користење на горивни ќелии со цврст оксид се развива од доцните 50-ти години на дваесеттиот век и има две конфигурации: рамни и тубуларни.

Цврстиот електролит обезбедува запечатена транзиција на гас од една електрода во друга, додека течните електролити се наоѓаат во порозна подлога. Носител на полнење во горивни ќелии од овој тип е кислородниот јон (O2-). На катодата, молекулите на кислород од воздухот се поделени на кислороден јон и четири електрони. Кислородните јони минуваат низ електролитот и се комбинираат со водородот, создавајќи четири слободни електрони. Електроните се испраќаат преку надворешно електрично коло, генерирајќи електрична струја и отпадна топлина.

Реакција на анодата: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Реакција на катодата: O2 + 4e- => 2O2-

Општа реакција на елементот: 2H2 + O2 => 2H2O

Ефикасноста на производството на електрична енергија е најголема од сите горивни ќелии - околу 60%. Покрај тоа, високите работни температури овозможуваат комбинирано производство на топлинска и електрична енергија за генерирање на пареа под висок притисок. Комбинирањето на горивни ќелии со висока температура со турбина овозможува да се создаде хибридна горивни ќелии за да се зголеми ефикасноста на генерирањето електрична енергија до 70%.

Горивните ќелии со цврст оксид работат на многу високи температури (600°C-1000°C), што резултира со значително време потребно за постигнување оптимални работни услови и побавен одговор на системот на промените во потрошувачката на енергија. При толку високи работни температури, не е потребен никаков конвертор за враќање на водородот од горивото, што овозможува термоелектраната да работи со релативно нечисти горива што произлегуваат од гасификација на јаглен или отпадни гасови итн. Горивната ќелија е исто така одлична за апликации со висока моќност, вклучувајќи индустриски и големи централни централи. Комерцијално се произведуваат модули со излезна електрична моќност од 100 kW.

6. Горивни ќелии со директна оксидација на метанол (DOMFC)

Горивни ќелии со директна оксидација на метанолУспешно се користат во областа на напојување на мобилни телефони, лаптопи, како и за создавање преносни извори на енергија, кон што е насочена идната употреба на таквите елементи.

Дизајнот на горивни ќелии со директна оксидација на метанол е сличен на дизајнот на горивни ќелии со мембрана за размена на протони (MEPFC), т.е. Полимер се користи како електролит, а водороден јон (протон) се користи како носител на полнење. Но, течниот метанол (CH3OH) оксидира во присуство на вода на анодата, ослободувајќи CO2, водородни јони и електрони, кои се испраќаат преку надворешно електрично коло, а со тоа генерира електрична струја. Водородните јони минуваат низ електролитот и реагираат со кислородот од воздухот и електроните од надворешното коло за да формираат вода на анодата.

Реакција на анодата: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e Реакција на катодата: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Општа реакција на елементот: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Развојот на таков горивни ќелии се изведуваат од почетокот на 90-тите години на дваесеттиот век и нивната специфична моќност и ефикасност се зголемени на 40%.

Овие елементи беа тестирани во температурен опсег од 50-120°C. Поради нивните ниски работни температури и отсуството на потреба од конвертор, ваквите горивни ќелии се главен кандидат за употреба во мобилни телефони и други производи за широка потрошувачка, како и кај мотори на автомобили. Нивната предност е и нивната мала големина.

7. Горивни ќелии со полимер електролит (PEFC)

Во случај на горивни ќелии со полимер електролит, полимерната мембрана се состои од полимерни влакна со водени области во кои спроводливите водни јони H2O+ (протон, црвено) се прикачуваат на молекулата на водата. Молекулите на водата претставуваат проблем поради бавната јонска размена. Затоа, потребна е висока концентрација на вода и во горивото и на излезните електроди, што ја ограничува работната температура на 100°C.

8. Горивни ќелии со цврста киселина (SFC)

Во горивни ќелии со цврста киселина, електролитот (CsHSO4) не содржи вода. Затоа, работната температура е 100-300°C. Ротацијата на SO42 оксијаните им овозможува на протоните (црвените) да се движат како што е прикажано на сликата. Вообичаено, горивни ќелии со цврста киселина е сендвич во кој многу тенок слој од цврсто киселинско соединение е сместено помеѓу две електроди кои се цврсто притиснати заедно за да се обезбеди добар контакт. Кога се загрева, органската компонента испарува, излегувајќи низ порите во електродите, одржувајќи ја способноста за повеќекратни контакти помеѓу горивото (или кислородот на другиот крај на елементот), електролитот и електродите.

9. Споредба на најважните карактеристики на горивни ќелии

Карактеристики на горивни ќелии

Тип на горивни ќелии	Работна температура	Ефикасност на производство на енергија	Тип на гориво	Опсег на примена
				Средни и големи инсталации
			Чист водород	инсталации
			Чист водород	Мали инсталации
			Повеќето јаглеводородни горива	Мали, средни и големи инсталации
				Пренослив инсталации
			Чист водород	Простор истражуван
			Чист водород	Мали инсталации

10. Употреба на горивни ќелии во автомобилите

Во светло на неодамнешните настани поврзани со прегревање, пожари, па дури и експлозии на лаптопи поради вина на литиум-јонски батерии, не може а да не се потсетиме на новите алтернативни технологии, кои, според повеќето експерти, во иднина ќе можат да ги надополнат или заменете ги денешните традиционални батерии на полнење. Зборуваме за нови извори на енергија - горивни ќелии.

Според емпирискиот закон формулиран пред 40 години од еден од основачите на Интел, Гордон Мур, перформансите на процесорот се удвојуваат на секои 18 месеци. Батериите не можат да бидат во чекор со чиповите. Нивниот капацитет, според експертите, се зголемува само за 10% годишно.

Горивната ќелија работи врз основа на клеточна (порозна) мембрана која ги дели анодните и катодните простори на горивната ќелија. Оваа мембрана е обложена од двете страни со соодветни катализатори. Горивото се доставува до анодата; во овој случај, се користи раствор на метанол (метил алкохол). Како резултат на хемиската реакција на распаѓање на горивото, се формираат слободни полнежи кои продираат низ мембраната до катодата. На тој начин електричното коло е затворено и во него се создава електрична струја за напојување на уредот. Овој тип на горивни ќелии се нарекува директна горивни ќелии со метанол (DMFC). Развојот на горивни ќелии започна многу одамна, но првите резултати, од кои се зборува за вистинска конкуренција со литиум-јонските батерии, беа добиени само во последните две години.

Во 2004 година, имаше околу 35 производители на пазарот за вакви уреди, но само неколку компании беа во можност да прогласат значителен успех во оваа област. Во јануари Fujitsu го претстави својот развој - батеријата имаше дебелина од 15 mm и содржеше 300 mg 30 отсто раствор на метанол. Моќноста од 15 W му овозможи да го напојува лаптопот 8 часа. Еден месец подоцна, малата компанија, PolyFuel, беше првата што го објави започнувањето на комерцијалното производство на самите мембрани што треба да бидат опремени со напојување со гориво. И веќе во март, Toshiba демонстрираше прототип на мобилен компјутер кој работи на гориво. Производителот изјави дека таков лаптоп може да трае пет пати подолго од лаптопот што користи традиционална батерија.

Во 2005 година, LG Chem најави создавање на сопствена горивни ќелии. За неговиот развој беа потрошени околу 5 години и 5 милијарди долари. Како резултат на тоа, беше можно да се создаде уред со моќност од 25 W и тежина од 1 кг, поврзан со лаптоп преку USB-интерфејс и да се обезбеди негова работа 10 часа. И оваа 2006 година беше одбележана со голем број интересни случувања. Конкретно, американските програмери од компанијата Ultracell демонстрираа горивна ќелија која обезбедува моќност од 25 W и е опремена со три заменливи касети со 67 проценти метанол. Тој е способен да напојува лаптоп 24 часа. Тежината на батеријата беше околу еден килограм, секој кертриџ тежеше околу 260 грама.

Покрај тоа што можат да обезбедат поголем капацитет од литиум-јонските батерии, метанолните батерии се неексплозивни. Недостатоците ја вклучуваат нивната прилично висока цена и потребата периодично да се менуваат касетите со метанол.

Дури и ако батериите за гориво не ги заменат традиционалните, тие најверојатно ќе се користат заедно со нив. Според експертите, пазарот на горивни ќелии во 2006 година ќе изнесува околу 600 милиони долари, што е прилично скромна бројка. Сепак, до 2010 година, експертите предвидуваат негово трикратно зголемување - до 1,9 милијарди долари.

Дискусија за написот „Алкохолните батерии ги заменуваат литиумските“

Земоненг

Свето срање, најдов информации за овој уред во женски магазин.
Па, ќе кажам неколку зборови за ова:
1: непријатноста е што по 6-10 часа работа, ќе треба да барате нов кертриџ, кој е скап. Зошто да трошам пари на оваа глупост?
2: колку што разбрав, по добивањето на енергија од метил алкохол, водата треба да се ослободи. Лаптопот и водата се некомпатибилни работи.
3: зошто пишувате во женски списанија? Судејќи според коментарите „Не знам ништо“ и „Што е ова?“, оваа статија не е на ниво на страница посветена на УБАВИЦИТЕ.

Опис:

Оваа статија подетално го разгледува нивниот дизајн, класификација, предности и недостатоци, опсег на примена, ефективност, историја на создавање и модерни изгледи за употреба.

Користење на горивни ќелии за напојување згради

Дел 1

Оваа статија подетално го разгледува принципот на работа на горивни ќелии, нивниот дизајн, класификација, предности и недостатоци, опсег на примена, ефикасност, историја на создавање и современи изгледи за употреба. Во вториот дел од статијата, кој ќе биде објавен во следниот број на списанието АБОК, дава примери на објекти каде што се користеле различни видови горивни ќелии како извори за снабдување со топлина и електрична енергија (или само напојување).

Водата може да се складира дури и во двете насоки и во компримирана и во течна форма, но ова е исто така кашест снег, и двете се предизвикани од значителни технички проблеми. Ова се должи на високите притисоци и екстремно ниските температури поради втечнување. Поради оваа причина, на пример, држачот за диспензерот за гориво за вода мора да биде дизајниран поинаку отколку што сме навикнати; крајот на линијата за полнење ја поврзува роботската рака со вентилот на автомобилот. Поврзувањето и полнењето е доста опасно и затоа е најдобро да се случи без човечко присуство.

Вовед

Горивните ќелии се многу ефикасен, сигурен, издржлив и еколошки начин за генерирање енергија.

Првично користени само во вселенската индустрија, горивните ќелии сега се повеќе се користат во различни области - како стационарни електрани, топлинска и електрична енергија за згради, мотори на возила, напојувања за лаптопи и мобилни телефони. Некои од овие уреди се лабораториски прототипови, некои се подложени на тестирање пред производство или се користат за демонстративни цели, но многу модели се масовно произведени и се користат во комерцијални проекти.

Таков уред е на тест на аеродромот во Минхен, обидете се да возите овде со индивидуални автомобили и автобуси. Високиот килограм километража е кул, но во пракса е исто толку важно колку килограми ќе чини и колку простор во автомобилот ќе зафати силен, изолиран резервоар за гориво. Некои други проблеми со водата: - создадете сложена воздушна бања - проблем со гаражи, автомеханичарски работилници итн. - благодарение на малата молекула која продира во секое тесно грло, завртки и вентили - компресија и втечнување бараат значителни трошоци за енергија.

Горивни ќелии (електрохемиски генератор) е уред кој ја претвора хемиската енергија на горивото (водород) во електрична енергија директно преку електрохемиска реакција, за разлика од традиционалните технологии кои користат согорување на цврсти, течни и гасовити горива. Директната електрохемиска конверзија на горивото е многу ефикасна и привлечна од еколошка гледна точка, бидејќи процесот на работа произведува минимална количина на загадувачи и нема силен шум или вибрации.

Посебните притисоци, компресија и комплетот неопходни безбедносни мерки имаат многу добра вредност во проценката на крајот на водата, во споредба со течните јаглеводородни горива, кои се произведуваат со помош на лесни контејнери без притисок. Затоа, можеби многу итни околности можат да придонесат за неговото навистина ласкаво задоволство.

Во блиска иднина, производителите на автомобили сè уште бараат поевтини и релативно помалку опасни течни горива. Топлото топење може да биде метанол, кој може релативно лесно да се екстрахира. Нејзиниот главен и единствен проблем е токсичноста, од друга страна, како и водата, метанот може да се користи и кај моторите со внатрешно согорување и во одреден тип на горивна верига. Исто така, има некои предности кај моторите со внатрешно согорување, вклучително и во однос на емисиите.

Од практична гледна точка, горивната ќелија наликува на конвенционална напонска батерија. Разликата е во тоа што батеријата првично се полни, односно се полни со „гориво“. За време на работата, „горивото“ се троши и батеријата е испразнета. За разлика од батеријата, горивната ќелија користи гориво што се снабдува од надворешен извор за производство на електрична енергија (сл. 1).

Во овој поглед, водата може да се зголеми до релативно неочекувана, а сепак способна конкуренција. Горивната ќелија е извор на струја генерирана од електрохемиска реакција. За разлика од сите наши познати батерии, тој прима реагенси и постојано го испушта отпадот, така што за разлика од батеријата, таа е практично неисцрпна. Иако има многу различни типови, следниот дијаграм на водородна горивни ќелии ни помага да разбереме како функционира.

Горивото се доставува до позитивната електрода, каде што се оксидира. O2 кислород влегува во негативната електрода и може да се намали.

Дури беше можно да се развие горивни ќелии што директно согоруваа јаглен. Бидејќи работата на научниците од лабораторијата Лоренс Ливермор, која можеше да тестира горивна ќелија која директно го претвора јагленот во електрична енергија, може да биде многу важна пресвртница во развојот на енергијата, ќе застанеме на неколку зборови. Јаглен почва со големина до 1 микрон се меша на 750-850 ° C со стопен литиум, натриум или калиум карбонат.

За производство на електрична енергија, не може да се користи само чист водород, туку и други суровини што содржат водород, на пример, природен гас, амонијак, метанол или бензин. Обичниот воздух се користи како извор на кислород, исто така неопходен за реакцијата.

Кога се користи чист водород како гориво, продуктите на реакцијата, покрај електричната енергија, се топлина и вода (или водена пареа), т.е. гасови кои предизвикуваат загадување на воздухот или предизвикуваат ефект на стаклена градина не се испуштаат во атмосферата. Ако суровина што содржи водород, како што е природниот гас, се користи како гориво, други гасови како јаглерод и азотни оксиди ќе бидат нуспроизвод на реакцијата, но количината е многу помала отколку кога се согорува иста количина на природен гас.

Потоа сè е направено на стандарден начин според горната шема: кислородот во воздухот реагира со јаглерод до јаглерод диоксид, а енергијата се ослободува во форма на електрична енергија. Иако знаеме за неколку различни типови на горивни ќелии, сите тие работат според опишаниот принцип. Ова е еден вид контролирано согорување. Кога мешаме водород со кислород, добиваме мешавина од фисија која експлодира и формира вода. Енергијата се ослободува во форма на топлина. Водородната горивни ќелии ја има истата реакција, производот е исто така вода, но енергијата се ослободува како електрична енергија.

Процесот на хемиска конверзија на горивото за производство на водород се нарекува реформирање, а соодветниот уред се нарекува реформатор.

Предности и недостатоци на горивни ќелии

Горивните ќелии се енергетски поефикасни од моторите со внатрешно согорување бидејќи не постои ограничување на термодинамичката енергетска ефикасност за горивни ќелии. Ефикасноста на горивни ќелии е 50%, додека ефикасноста на моторите со внатрешно согорување е 12-15%, а ефикасноста на парните турбини не надминува 40%. Со користење на топлина и вода, дополнително се зголемува ефикасноста на горивни ќелии.

Големата предност на горивни ќелии е тоа што таа произведува електрична енергија од гориво на еден или друг начин директно, без интермедијарна термоцентрала, така што емисиите се помали, а ефикасноста е поголема. Достигнува 70%, додека стандардно постигнуваме 40% претворање на јаглен во електрична енергија. Зошто не градиме гигантски горивни ќелии наместо електрани? Горивната ќелија е прилично сложен уред кој работи на високи температури, така што барањата за материјалите на електродата и самиот електролит се високи.

За разлика од, на пример, моторите со внатрешно согорување, ефикасноста на горивни ќелии останува многу висока дури и кога тие не работат со целосна моќност. Дополнително, моќта на горивните ќелии може да се зголеми со едноставно додавање на поединечни единици, додека ефикасноста не се менува, односно големите инсталации се исто толку ефикасни како и малите. Овие околности овозможуваат многу флексибилно да се избере составот на опремата во согласност со желбите на купувачот и на крајот да доведе до намалување на трошоците за опремата.

Електролитите вклучуваат, на пример, мембрани за размена на јони или спроводливи керамички материјали, или поточно скапи материјали, или фосфорна киселина, натриум хидроксид или стопени карбонати на алкални метали, кои се многу агресивни за менување на ткивото. Токму оваа тешкотија, по почетниот ентузијазам во дваесеттиот век, горивните ќелии, надвор од вселенската програма, не беа позначајни.

Интересот потоа повторно исчезна кога стана јасно дека пошироката употреба е надвор од можностите на технологијата во тоа време. Сепак, во текот на изминатите триесет години, развојот не запре, се појавија нови материјали и концепти, а нашите приоритети се сменија - сега посветуваме многу повеќе внимание на заштитата на животната средина отколку тогаш. Затоа, доживуваме нешто како ренесанса во горивни ќелии, кои се повеќе се користат во многу области. Во светот има 200 такви уреди. На пример, тие служат како резервен уред каде неуспехот на мрежата може да предизвика сериозни проблеми - на пример, во болници или воени установи.

Важна предност на горивните ќелии е нивната еколошка пријатност. Емисиите на горивни ќелии се толку ниски што во некои области на Соединетите држави, за нивното работење не е потребно посебно одобрение од владините регулатори за квалитетот на воздухот.

Горивните ќелии може да се постават директно во зградата, намалувајќи ги загубите за време на транспортот на енергијата, а топлината што се создава како резултат на реакцијата може да се користи за снабдување со топлина или топла вода до зградата. Автономните извори на топлина и електрична енергија можат да бидат многу корисни во оддалечените области и во регионите кои се карактеризираат со недостиг на електрична енергија и неговата висока цена, но во исто време има резерви на суровини што содржат водород (нафта, природен гас).

Тие се користат на многу оддалечени локации каде што е полесно да се транспортира гориво отколку да се протега кабелот. Можеби ќе почнат да се натпреваруваат и со електрани. Ова е најмоќниот модул инсталиран во светот.

Речиси секој голем производител на автомобили работи на проект за електрични возила со горивни ќелии. Се чини дека е многу поперспективен концепт од конвенционален електричен автомобил со батерии бидејќи не бара долго време на полнење и потребната промена на инфраструктурата не е толку обемна.

Предностите на горивни ќелии се и достапноста на горивото, доверливоста (нема подвижни делови во горивната ќелија), издржливоста и леснотијата на работа.

Еден од главните недостатоци на горивни ќелии денес е нивната релативно висока цена, но овој недостаток наскоро може да се надмине - се повеќе компании произведуваат комерцијални примероци на горивни ќелии, тие постојано се подобруваат, а нивната цена се намалува.

Зголемената важност на горивните ќелии се илустрира и со фактот што администрацијата на Буш неодамна го преиспита својот пристап кон развојот на автомобилите, а средствата што ги потроши за развој на автомобили со најдобра можна километража сега се префрлени на проекти за горивни ќелии. Финансирањето на развојот не останува едноставно во рацете на државата.

Се разбира, новиот концепт на погон не е ограничен само на патнички автомобили, туку можеме да го најдеме и во масовен транспорт. Автобусите со горивни ќелии превезуваат патници на улиците во неколку градови. Заедно со погоните за автомобили, на пазарот има и голем број помали, како што се компјутери со напојување, видео камери и мобилни телефони. На сликата гледаме горивна ќелија за напојување на сообраќајниот аларм.

Најефективен начин е да се користи чист водород како гориво, но тоа ќе бара создавање на посебна инфраструктура за негово производство и транспорт. Во моментов, сите комерцијални модели користат природен гас и слични горива. Моторните возила можат да користат редовен бензин, што ќе овозможи одржување на постојната развиена мрежа на бензински пумпи. Сепак, употребата на такво гориво води до штетни емисии во атмосферата (иако многу ниски) и ја комплицира (а со тоа и ја зголемува цената на) горивната ќелија. Во иднина, се разгледува можноста за користење на еколошки обновливи извори на енергија (на пример, сончева или ветерна енергија) за разградување на водата во водород и кислород со помош на електролиза, а потоа и претворање на добиеното гориво во горивна ќелија. Таквите комбинирани постројки, кои работат во затворен циклус, можат да претставуваат целосно еколошки, сигурен, издржлив и ефикасен извор на енергија.

Вреди да се спомене употребата на горивни ќелии во депониите, каде што тие можат да ги согорат емисиите на гас и да помогнат во подобрувањето на животната средина покрај производството на електрична енергија. Во моментов работат неколку капацитети за тестирање, а се подготвува обемна програма за инсталација на овие објекти на 150 полигони за тестирање низ САД. Горивните ќелии се едноставно корисни уреди и сигурно ќе ги гледаме сè почесто.

Хемичарите развија катализатор кој може да ја замени скапата платина во горивните ќелии. Наместо тоа, тој користи околу двесте илјади евтино железо. Горивните ќелии ја претвораат хемиската енергија во електрична енергија. Електроните во различни молекули имаат различни енергии. Енергетската разлика помеѓу една и друга молекула може да се користи како извор на енергија. Само најдете реакција во која електроните се движат од повисоко кон пониско. Ваквите реакции се главниот извор на енергија за живите организми.

Друга карактеристика на горивни ќелии е тоа што тие се најефикасни кога се користат и електрична и топлинска енергија истовремено. Сепак, не секој објект има можност да користи топлинска енергија. Ако горивни ќелии се користат само за производство на електрична енергија, нивната ефикасност се намалува, иако ја надминува ефикасноста на „традиционалните“ инсталации.

Најпознато е дишењето, кое ги претвора шеќерите во јаглерод диоксид и вода. Во горивни ќелии на водород, молекули на водород со два атоми се комбинираат со кислород за да формираат вода. Енергетската разлика помеѓу електроните во водородот и водата се користи за производство на електрична енергија. Водородните ќелии се веројатно најчесто користени за возење автомобили денес. Нивното масивно проширување, исто така, спречува мало закачување.

За да се случи енергетски богата реакција, потребен е катализатор. Катализаторите се молекули кои ја зголемуваат веројатноста за појава на реакција. Без катализатор, тој исто така може да работи, но поретко или побавно. Водородните клетки користат скапоцена платина како катализатор.

Историја и модерна употреба на горивни ќелии

Принципот на работа на горивни ќелии е откриен во 1839 година. Англискиот научник Вилијам Роберт Гроув (1811-1896) открил дека процесот на електролиза - распаѓање на водата во водород и кислород преку електрична струја - е реверзибилен, односно водородот и кислородот може да се комбинираат во молекули на вода без согорување, но со ослободување на топлинска и електрична струја. Гроув го нарече уредот во кој е можна таква реакција „гасна батерија“, која беше првата горивна ќелија.

Истата реакција што се јавува во водородните клетки се јавува и кај живите клетки. Ензимите се релативно големи молекули составени од амино киселини кои можат да се комбинираат како Лего коцки. Секој ензим има таканаречено активно место, каде што реакцијата се забрзува. На активното место често се присутни и други молекули освен аминокиселините.

Во случај на водородна киселина, ова е железо. Тим хемичари, предводени од Морис Булок од Пацифичката лабораторија на Министерството за енергетика на САД, успеаја да ја имитираат реакцијата на активното место на хидрогенизација. Како ензим, хидрогенизацијата е доволна за платината со железо. Може да раздели 0,66 до 2 молекули на водород во секунда. Разликата во напонот се движи од 160 до 220 илјади волти. И двата се споредливи со сегашните платински катализатори кои се користат во водородните ќелии. Реакцијата се изведува на собна температура.

Активниот развој на технологии за употреба на горивни ќелии започна по Втората светска војна, а се поврзува со воздушната индустрија. Во тоа време, беше во тек потрага по ефикасен и сигурен, но во исто време и доста компактен извор на енергија. Во 1960-тите, специјалистите на НАСА (Националната аеронаутичка и вселенска администрација, НАСА) избраа горивни ќелии како извор на енергија за вселенското летало на програмите Аполо (летови со екипаж до Месечината), Аполо-Сојуз, Гемини и Скајлаб. Вселенското летало Аполо користело три постројки со моќност од 1,5 kW (2,2 kW врв) користејќи криоген водород и кислород за производство на електрична енергија, топлина и вода. Масата на секоја инсталација беше 113 кг. Овие три ќелии работеа паралелно, но енергијата генерирана од една единица беше доволна за безбедно враќање. Во текот на 18 летови, горивните ќелии работеа вкупно 10.000 часа без никакви дефекти. Во моментов, горивни ќелии се користат во вселенскиот шатл, кој користи три единици од 12 W за да ја генерира целата електрична енергија на леталото (сл. 2). Водата добиена како резултат на електрохемиската реакција се користи за вода за пиење, но и за опрема за ладење.

Еден килограм железо чини 0,5 CZK. Затоа, железото е 200 илјади пати поевтино од платината. Во иднина, горивните ќелии може да бидат поевтини. Скапата платина не е единствената причина зошто тие не треба да се користат, барем не во големи размери. Ракувањето со него е тешко и опасно.

Ако водородните комори се користат на големо за возење автомобили, тие ќе треба да ја изградат истата инфраструктура како бензинот и дизелот. Покрај тоа, бакар е потребен за производство на електрични мотори кои ги напојуваат автомобилите на водород. Сепак, тоа не значи дека горивни ќелии се бескорисни. Кога има нафта, можеби немаме друг избор освен да работиме на водород.

Кај нас се работеше и на создавање на горивни ќелии за употреба во астронаутика. На пример, горивни ќелии беа користени за напојување на советското вселенско летало Буран за повеќекратна употреба.

Развојот на методи за комерцијална употреба на горивни ќелии започна во средината на 1960-тите. Овие случувања беа делумно финансирани од владини организации.

Во моментов, развојот на технологии за употреба на горивни ќелии се одвива во неколку насоки. Ова е создавање на стационарни централи на горивни ќелии (и за централизирано и за децентрализирано снабдување со енергија), електрани за возила (создадени се примероци од автомобили и автобуси на горивни ќелии, вклучително и кај нас) (сл. 3) и исто така и напојувања за различни мобилни уреди (лаптоп компјутери, мобилни телефони итн.) (сл. 4).

Примери за употреба на горивни ќелии во различни области се дадени во Табела. 1.

Еден од првите комерцијални модели на горивни ќелии дизајниран за автономно снабдување со топлина и електрична енергија на зградите беше PC25 Model A произведен од ONSI Corporation (сега United Technologies, Inc.). Оваа горивни ќелии со номинална моќност од 200 kW е тип на ќелија со електролит базиран на фосфорна киселина (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Бројот „25“ во името на моделот значи сериски број на дизајнот. Повеќето претходни модели беа експериментални или тест единици, како што е моделот „PC11“ од 12,5 kW претставен во 1970-тите. Новите модели ја зголемија моќноста извлечена од поединечна горивни ќелии, а исто така ја намалија цената по киловат произведена енергија. Во моментов, еден од најефикасните комерцијални модели е PC25 Model C горивни ќелии. Како и моделот А, ова е целосно автоматска PAFC горивни ќелии од 200 kW дизајнирани за инсталација на лице место како самостоен извор на топлина и енергија. Таква горивни ќелии може да се инсталира надвор од зграда. Однадвор, тоа е паралелепипед долг 5,5 m, широк и висок 3 m, тежок 18.140 kg. Разликата од претходните модели е подобрен реформатор и поголема густина на струја.

Табела 1 Поле на примена на горивни ќелии

Регионот апликации Номинална моќ Примери за користење Стационарни инсталации 5–250 kW и повисоко Автономни извори на топлинска и електрична енергија за станбени, јавни и индустриски згради, непрекинато напојување, резервни и итни извори на напојување Пренослив инсталации 1–50 kW Патни знаци, товарни и ладилни железнички камиони, инвалидски колички, колички за голф, вселенски бродови и сателити Мобилен инсталации 25–150 kW Автомобили (прототипови се создадени, на пример, од DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), автобуси (на пр. „MAN“, „Neoplan“, „Renault“) и други возила , воени бродови и подморници Микроуреди 1–500 W Мобилни телефони, лаптопи, лични дигитални асистенти (PDA), разни електронски уреди за широка потрошувачка, современи воени уреди

Кај некои типови на горивни ќелии, хемискиот процес може да се промени: со примена на потенцијална разлика на електродите, водата може да се разложи на водород и кислород, кои се собираат на порозните електроди. Кога ќе се поврзе товарот, таквата регенеративна горивна ќелија ќе почне да произведува електрична енергија.

Ветувачка насока за користење на горивни ќелии е нивната употреба во врска со обновливите извори на енергија, на пример, фотоволтаични панели или ветерни електрани. Оваа технологија ни овозможува целосно да го избегнеме загадувањето на воздухот. Се планира да се создаде сличен систем, на пример, во Центарот за обука Адам Џозеф Луис во Оберлин (види ABOK, 2002, бр. 5, стр. 10). Во моментов, соларните панели се користат како еден од изворите на енергија во оваа зграда. Заедно со специјалистите на НАСА, развиен е проект за користење фотоволтаични панели за производство на водород и кислород од вода со електролиза. Водородот потоа се користи во горивни ќелии за производство на електрична енергија и. Ова ќе и овозможи на зградата да ја одржува функционалноста на сите системи за време на облачни денови и ноќе.

Принцип на работа на горивни ќелии

Да го разгледаме принципот на работа на горивни ќелии користејќи го примерот на едноставен елемент со мембрана за размена на протони (мембрана за размена на протон, PEM). Таквата ќелија се состои од полимерна мембрана поставена помеѓу анода (позитивна електрода) и катода (негативна електрода) заедно со анодни и катодни катализатори. Полимерната мембрана се користи како електролит. Дијаграмот на елементот PEM е прикажан на сл. 5.

Мембрана за размена на протони (ПЕМ) е тенко (околу 2-7 листови хартија со дебелина) цврсто органско соединение. Оваа мембрана функционира како електролит: ја одвојува супстанцијата на позитивно и негативно наелектризирани јони во присуство на вода.

На анодата се јавува процес на оксидација, а на катодата се јавува процес на редукција. Анодата и катодата во PEM ќелијата се направени од порозен материјал, кој е мешавина од честички од јаглерод и платина. Платинумот делува како катализатор кој ја промовира реакцијата на дисоцијација. Анодата и катодата се направени порозни за слободно поминување на водород и кислород низ нив, соодветно.

Анодата и катодата се поставени помеѓу две метални плочи, кои ги снабдуваат со водород и кислород на анодата и катодата и ја отстрануваат топлината и водата, како и електричната енергија.

Молекулите на водород минуваат низ каналите во плочата до анодата, каде што молекулите се распаѓаат на поединечни атоми (сл. 6).

	Слика 5. () Шема на горивна ќелија со мембрана за размена на протони (ПЕМ ќелија)
	Слика 6. () Молекулите на водород минуваат низ каналите во плочата до анодата, каде што молекулите се распаѓаат на поединечни атоми
	Слика 7. () Како резултат на хемисорпција во присуство на катализатор, атомите на водород се претвораат во протони
	Слика 8. () Позитивно наелектризираните водородни јони дифузираат низ мембраната до катодата, а протокот на електрони е насочен кон катодата преку надворешно електрично коло на кое е поврзан товарот
	Слика 9. () Кислородот што се доставува до катодата, во присуство на катализатор, влегува во хемиска реакција со водородни јони од мембраната за размена на протони и електрони од надворешното електрично коло. Како резултат на хемиска реакција, се формира вода

Потоа, како резултат на хемисорпција во присуство на катализатор, водородните атоми, од кои секој дава по еден електрон e –, се претвораат во позитивно наелектризирани водородни јони H +, т.е. протони (сл. 7).

Позитивно наелектризираните водородни јони (протони) дифузираат низ мембраната до катодата, а протокот на електрони се насочува кон катодата преку надворешно електрично коло на кое е поврзан товарот (потрошувач на електрична енергија) (сл. 8).

Кислородот што се доставува до катодата, во присуство на катализатор, влегува во хемиска реакција со водородни јони (протони) од мембраната за размена на протони и електрони од надворешното електрично коло (сл. 9). Како резултат на хемиска реакција, се формира вода.

Хемиската реакција кај другите видови горивни ќелии (на пример, со киселински електролит, кој користи раствор од ортофосфорна киселина H 3 PO 4) е апсолутно идентична со хемиската реакција во горивната ќелија со мембрана за размена на протони.

Во секоја горивна ќелија, дел од енергијата од хемиската реакција се ослободува како топлина.

Протокот на електрони во надворешно коло е директна струја што се користи за извршување на работата. Отворањето на надворешното коло или запирањето на движењето на водородните јони ја запира хемиската реакција.

Количината на електрична енергија произведена од горивната ќелија зависи од видот на горивната ќелија, геометриските димензии, температурата, притисокот на гасот. Посебна горивни ќелии обезбедува EMF помал од 1,16 V. Големината на горивни ќелии може да се зголеми, но во пракса се користат неколку елементи поврзани со батерии (сл. 10).

Дизајн на горивни ќелии

Да го погледнеме дизајнот на горивни ќелии користејќи го PC25 Model C како пример. Дијаграмот на горивни ќелии е прикажан на сл. единаесет.

Горивната ќелија PC25 Model C се состои од три главни делови: процесор за гориво, дел за вистинско производство на енергија и конвертор на напон.

Главниот дел од горивната ќелија, делот за производство на енергија, е батерија составена од 256 индивидуални горивни ќелии. Електродите на горивни ќелии содржат платина катализатор. Овие ќелии произведуваат постојана електрична струја од 1.400 ампери на 155 волти. Димензиите на батеријата се приближно 2,9 m во должина и 0,9 m во ширина и висина.

Бидејќи електрохемискиот процес се одвива на температура од 177 °C, неопходно е да се загрее батеријата во моментот на стартување и да се отстрани топлината од неа за време на работата. За да се постигне ова, горивната ќелија вклучува посебно коло за вода, а батеријата е опремена со специјални ладилни плочи.

Процесорот за гориво го претвора природниот гас во водород потребен за електрохемиска реакција. Овој процес се нарекува реформирање. Главниот елемент на процесорот за гориво е реформаторот. Во реформаторот, природниот гас (или друго гориво што содржи водород) реагира со водена пареа на висока температура (900 °C) и висок притисок во присуство на никел катализатор. Во овој случај, се случуваат следниве хемиски реакции:

CH 4 (метан) + H 2 O 3H 2 + CO

(реакцијата е ендотермична, со апсорпција на топлина);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(реакцијата е егзотермна, ослободувајќи топлина).

Целокупната реакција се изразува со равенката:

CH 4 (метан) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(реакцијата е ендотермична, со апсорпција на топлина).

За да се обезбеди висока температура потребна за претворање на природниот гас, дел од потрошеното гориво од оџакот на горивни ќелии се насочува кон горилникот, кој ја одржува потребната температура на реформаторот.

Пареата потребна за реформирање се генерира од кондензат генериран за време на работата на горивната ќелија. Ова ја користи топлината отстранета од батеријата на горивни ќелии (сл. 12).

Оџакот на горивни ќелии произведува интермитентна директна струја која е низок напон и висока струја. Конвертор на напон се користи за да се претвори во индустриска стандардна наизменична струја. Покрај тоа, единицата за конвертор на напон вклучува различни контролни уреди и сигурносни кола за блокирање кои овозможуваат исклучување на горивната ќелија во случај на разни дефекти.

Во таква горивни ќелии, приближно 40% од енергијата на горивото може да се претвори во електрична енергија. Приближно истото количество, околу 40% од енергијата на горивото, може да се претвори во топлинска енергија, која потоа се користи како извор на топлина за греење, снабдување со топла вода и слични намени. Така, вкупната ефикасност на таквата инсталација може да достигне 80%.

Важна предност на таков извор на топлина и електрична енергија е можноста за негово автоматско работење. За одржување, сопствениците на објектот каде што е инсталирана горивната ќелија не треба да одржуваат специјално обучен персонал - периодично одржување може да го вршат вработените во оперативната организација.

Видови горивни ќелии

Во моментов, познати се неколку видови горивни ќелии, кои се разликуваат во составот на користениот електролит. Следниве четири типа се најраспространети (Табела 2):

1. Горивни ќелии со мембрана за размена на протони (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Горивни ќелии базирани на ортофосфорна киселина (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Горивни ќелии базирани на стопен карбонат (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Горивни ќелии со цврст оксид (SOFC). Во моментов, најголемата флота на горивни ќелии се базира на технологијата PAFC.

Една од клучните карактеристики на различните типови горивни ќелии е работната температура. На многу начини, температурата е таа што ја одредува областа на примена на горивни ќелии. На пример, високите температури се критични за лаптопите, така што горивни ќелии со мембрана за размена на протони со ниски работни температури се развиваат за овој пазарен сегмент.

За автономно напојување на зградите потребни се горивни ќелии со висока инсталирана моќност, а во исто време постои можност за користење на топлинска енергија, па за овие цели може да се користат и други видови горивни ќелии.

Горивни ќелии со мембрана за размена на протон (PEMFC)

Овие горивни ќелии работат на релативно ниски работни температури (60-160 °C). Тие имаат голема густина на моќност, ви овозможуваат брзо прилагодување на излезната моќност и може брзо да се вклучат. Недостаток на овој тип на елемент е високите барања за квалитет на горивото, бидејќи контаминираното гориво може да ја оштети мембраната. Номиналната моќност на овој тип горивни ќелии е 1-100 kW.

Горивните ќелии со мембрана за размена на протони првично беа развиени од General Electric во 1960-тите за НАСА. Овој тип на горивни ќелии користи полимер електролит во цврста состојба наречена мембрана за размена на протони (PEM). Протоните можат да се движат низ мембраната за размена на протони, но електроните не можат да поминат низ неа, што резултира со потенцијална разлика помеѓу катодата и анодата. Поради нивната едноставност и доверливост, таквите горивни ќелии се користеа како извор на енергија на вселенското летало Gemini со екипаж.

Овој тип на горивни ќелии се користи како извор на енергија за широк опсег на различни уреди, вклучувајќи прототипови и прототипови, од мобилни телефони до автобуси и стационарни системи за напојување. Ниската работна температура овозможува таквите ќелии да се користат за напојување на разни видови сложени електронски уреди. Нивната употреба е помалку ефикасна како извор за снабдување со топлина и електрична енергија на јавните и индустриските згради, каде што се потребни големи количини на топлинска енергија. Во исто време, таквите елементи ветуваат како автономен извор на напојување за мали станбени згради како што се куќи изградени во региони со топла клима.

табела 2 Видови горивни ќелии

Тип на ставка Работници температура, °C Излез на ефикасност електрични енергија),% Вкупно Ефикасност, % Горивни ќелии со мембрана за размена на протони (PEMFC) 60–160 30–35 50–70 Горивни ќелии врз основа на фосфор (фосфорна) киселина (PAFC) 150–200 35 70–80 Горивни ќелии базирани стопен карбонат (MCFC) 600–700 45–50 70–80 Цврст оксид горивни ќелии (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

Горивни ќелии со фосфорна киселина (PAFC)

Тестовите на горивни ќелии од овој тип беа извршени веќе во раните 1970-ти. Работен температурен опсег - 150-200 °C. Главната област на примена е автономни извори на топлинска и електрична енергија со средна моќност (околу 200 kW).

Овие горивни ќелии користат раствор на фосфорна киселина како електролит. Електродите се направени од хартија обложена со јаглерод во која е дисперзиран платински катализатор.

Електричната ефикасност на горивни ќелии PAFC е 37-42%. Меѓутоа, бидејќи овие горивни ќелии работат на прилично висока температура, можно е да се користи пареата што се создава како резултат на работата. Во овој случај, вкупната ефикасност може да достигне 80%.

За да се произведе енергија, суровина што содржи водород мора да се претвори во чист водород преку процес на реформирање. На пример, ако бензинот се користи како гориво, неопходно е да се отстранат соединенијата што содржат сулфур, бидејќи сулфурот може да го оштети катализаторот на платина.

Горивните ќелии PAFC беа првите комерцијални горивни ќелии што се користеа економично. Најчестиот модел беше горивни ќелии PC25 од 200 kW, произведени од ONSI Corporation (сега United Technologies, Inc.) (сл. 13). На пример, овие елементи се користат како извор на топлинска и електрична енергија во полициската станица во Централ парк во Њујорк или како дополнителен извор на енергија во зградата Conde Nast & Four Times Square. Најголемата инсталација од овој тип се тестира како електрана од 11 MW лоцирана во Јапонија.

Горивните ќелии со фосфорна киселина се користат и како извор на енергија во возилата. На пример, во 1994 година, H-Power Corp., Универзитетот Џорџтаун и Министерството за енергетика на САД опремија автобус со електрана од 50 kW.

Горивни ќелии со стопен карбонат (MCFC)

Горивните ќелии од овој тип работат на многу високи температури - 600-700 °C. Овие работни температури овозможуваат горивото да се користи директно во самата ќелија, без употреба на посебен реформатор. Овој процес беше наречен „внатрешна реформа“. Тоа овозможува значително да се поедностави дизајнот на горивната ќелија.

Горивните ќелии базирани на стопен карбонат бараат значително време на стартување и не дозволуваат брзо прилагодување на излезната моќност, така што нивната главна област на примена се големи стационарни извори на топлинска и електрична енергија. Сепак, тие се карактеризираат со висока ефикасност на конверзија на горивото - 60% електрична ефикасност и до 85% вкупна ефикасност.

Во овој тип на горивни ќелии, електролитот се состои од калиум карбонат и литиум карбонат соли загреани на приближно 650 °C. Под овие услови, солите се во стопена состојба, формирајќи електролит. На анодата, водородот реагира со јоните на CO 3, формирајќи вода, јаглерод диоксид и ослободувајќи електрони, кои се испраќаат во надворешното коло, а на катодата, кислородот комуницира со јаглерод диоксид и електроните од надворешното коло, повторно формирајќи јони CO 3 .

Лабораториски примероци на горивни ќелии од овој тип беа создадени во доцните 1950-ти од холандските научници G. H. J. Broers и J. A. A. Ketelaar. Во 1960-тите, инженерот Френсис Т. Во програмите на НАСА Apollo, Apollo-Soyuz и Scylab, овие горивни ќелии се користеа како извор на снабдување со енергија (сл. 14). Во текот на истите тие години, американскиот воен оддел тестираше неколку примероци на горивни ќелии MCFC произведени од Texas Instruments, кои користеа бензин од воена класа како гориво. Во средината на 1970-тите, Министерството за енергетика на САД започна со истражување за создавање на стационарна стопена карбонатна горивни ќелии погодна за практични апликации. Во 1990-тите беа воведени голем број комерцијални инсталации со номинална моќност до 250 kW, на пример во американската поморска воздушна станица Мирамар во Калифорнија. Во 1996 година, FuelCell Energy, Inc. лансираше претпроизводна постројка од 2 MW во Санта Клара, Калифорнија.

Горивни ќелии со оксиди во цврста состојба (SOFC)

Горивните ќелии со оксиди во цврста состојба се едноставни во дизајнот и работат на многу високи температури - 700-1.000 °C. Ваквите високи температури овозможуваат користење на релативно „валкано“, нерафинирано гориво. Истите карактеристики како оние на горивни ќелии базирани на стопен карбонат одредуваат слично поле на примена - големи стационарни извори на топлинска и електрична енергија.

Горивните ќелии со цврст оксид структурно се разликуваат од горивни ќелии базирани на технологиите PAFC и MCFC. Анодата, катодата и електролитот се направени од специјални сорти на керамика. Најчесто користен електролит е мешавина од циркониум оксид и калциум оксид, но може да се користат и други оксиди. Електролитот формира кристална решетка обложена од двете страни со порозен електроден материјал. Структурно, таквите елементи се направени во форма на цевки или рамни табли, што овозможува да се користат технологии широко користени во електронската индустрија во нивното производство. Како резултат на тоа, горивните ќелии со оксиди во цврста состојба можат да работат на многу високи температури, што ги прави поволни за производство и на електрична и на топлинска енергија.

При високи работни температури, на катодата се формираат јони на кислород, кои мигрираат низ кристалната решетка до анодата, каде што комуницираат со водородните јони, формирајќи вода и ослободувајќи слободни електрони. Во овој случај, водородот се одвојува од природниот гас директно во ќелијата, односно нема потреба од посебен реформатор.

Теоретските основи за создавање на горивни ќелии со оксиди во цврста состојба беа поставени кон крајот на 1930-тите, кога швајцарските научници Емил Бауер и Х. Преис експериментираа со циркониум, итриум, цериум, лантан и волфрам, користејќи ги како електролити.

Првите прототипови на такви горивни ќелии беа создадени кон крајот на 1950-тите од голем број американски и холандски компании. Повеќето од овие компании набрзо ги напуштија понатамошните истражувања поради технолошки тешкотии, но една од нив, Westinghouse Electric Corp. (сега Siemens Westinghouse Power Corporation), продолжи со работа. Компанијата моментално прифаќа пред-нарачки за комерцијален модел на цевчести горивни ќелии со цврста состојба на оксид, кој се очекува да биде достапен оваа година (Слика 15). Пазарниот сегмент на ваквите елементи се стационарни инсталации за производство на топлинска и електрична енергија со моќност од 250 kW до 5 MW.

Горивните ќелии SOFC покажаа многу висока доверливост. На пример, прототип на горивни ќелии произведени од Siemens Westinghouse постигна 16.600 часа работа и продолжува да работи, што го прави најдолгиот континуиран живот на горивни ќелии во светот.

Режимот на работа со висока температура и висок притисок на горивните ќелии SOFC овозможува создавање хибридни постројки во кои емисиите на горивни ќелии ги поттикнуваат гасните турбини што се користат за производство на електрична енергија. Првата ваква хибридна инсталација работи во Ирвин, Калифорнија. Номиналната моќност на оваа инсталација е 220 kW, од кои 200 kW од горивната ќелија и 20 kW од микротурбинскиот генератор.

Горивна ќелијае електрохемиски уред сличен на галванска ќелија, но се разликува од него по тоа што супстанциите за електрохемиската реакција му се доставуваат однадвор - за разлика од ограничената количина на енергија складирана во галванска ќелија или батерија.

Ориз. 1. Некои горивни ќелии

Горивните ќелии ја претвораат хемиската енергија на горивото во електрична енергија, заобиколувајќи ги неефикасните процеси на согорување кои се случуваат со големи загуби. Тие ги претвораат водородот и кислородот во електрична енергија преку хемиска реакција. Како резултат на овој процес, се формира вода и се ослободува голема количина на топлина. Горивната ќелија е многу слична на батеријата што може да се наполни и потоа да ја искористи складираната електрична енергија. Пронаоѓач на горивни ќелии се смета за Вилијам Р. Гроув, кој ја измислил во 1839 година. Оваа горивни ќелии користела раствор на сулфурна киселина како електролит и водород како гориво, кој бил комбиниран со кислород во оксидирачки агенс. До неодамна, горивни ќелии се користеа само во лаборатории и на вселенски летала.

За разлика од другите генератори на енергија, како што се моторите со внатрешно согорување или турбините напојувани со гас, јаглен, мазут итн., горивните ќелии не согоруваат гориво. Ова значи дека нема бучни ротори под висок притисок, нема силен шум од издувните гасови, нема вибрации. Горивните ќелии произведуваат електрична енергија преку тивка електрохемиска реакција. Друга карактеристика на горивните ќелии е тоа што тие ја претвораат хемиската енергија на горивото директно во електрична енергија, топлина и вода.

Горивните ќелии се многу ефикасни и не произведуваат големи количини на стакленички гасови како што се јаглерод диоксид, метан и азотен оксид. Единствените емисии од горивни ќелии се вода во форма на пареа и мала количина на јаглерод диоксид, кој воопшто не се ослободува ако се користи чист водород како гориво. Горивните ќелии се составуваат во склопови, а потоа во поединечни функционални модули.

Горивните ќелии немаат подвижни делови (барем не во самата ќелија) и затоа не го почитуваат законот на Карно. Односно, тие ќе имаат поголема од 50% ефикасност и се особено ефикасни при мали оптоварувања. Така, возилата со горивни ќелии можат да станат (и веќе се покажаа) поефикасни од конвенционалните возила во реални услови на возење.

Горивната ќелија произведува електрична струја со постојан напон што може да се користи за придвижување на електричниот мотор, осветлувањето и другите електрични системи во возилото.

Постојат неколку видови на горивни ќелии, кои се разликуваат во хемиските процеси што се користат. Горивните ќелии обично се класифицираат според видот на електролитот што го користат.

Некои типови на горивни ќелии се ветувачки за погон на електрани, додека други ветуваат за преносни уреди или за возење автомобили.

1. Алкални горивни ќелии (ALFC)

Алкална горивни ќелии- Ова е еден од првите развиени елементи. Алкалните горивни ќелии (AFC) се една од најпроучените технологии, користени од средината на 60-тите години на дваесеттиот век од НАСА во програмите Аполо и Спејс шатл. На овие вселенски летала, горивни ќелии произведуваат електрична енергија и вода за пиење.

Алкалните горивни ќелии се еден од најефикасните елементи што се користат за производство на електрична енергија, а ефикасноста на производството на енергија достигнува и до 70%.

Алкалните горивни ќелии користат електролит, воден раствор на калиум хидроксид, содржан во порозна, стабилизирана матрица. Концентрацијата на калиум хидроксид може да варира во зависност од работната температура на горивната ќелија, која се движи од 65°C до 220°C. Носачот на полнење во SHTE е хидроксил јон (OH-), кој се движи од катодата до анодата, каде што реагира со водородот, произведувајќи вода и електрони. Водата произведена на анодата се враќа назад кон катодата, повторно генерирајќи таму хидроксилни јони. Како резултат на оваа серија реакции што се случуваат во горивната ќелија, се произведува електрична енергија и, како нуспроизвод, топлина:

Реакција на анодата: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Реакција на катодата: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Општа реакција на системот: 2H2 + O2 => 2H2O

Предноста на SHTE е што овие горивни ќелии се најевтини за производство, бидејќи катализаторот потребен на електродите може да биде која било од супстанциите што се поевтини од оние што се користат како катализатори за други горивни ќелии. Покрај тоа, SHTE работат на релативно ниски температури и се меѓу најефикасните.

Една од карактеристичните карактеристики на SHTE е неговата висока чувствителност на CO2, кој може да се содржи во горивото или воздухот. CO2 реагира со електролитот, брзо го труе и во голема мера ја намалува ефикасноста на горивната ќелија. Затоа, употребата на SHTE е ограничена на затворени простори, како што се вселенски и подводни возила; тие работат на чист водород и кислород.

2. Топени карбонатни горивни ќелии (MCFC)

Горивни ќелии со стопен карбонат електролитсе горивни ќелии со висока температура. Високата работна температура овозможува директна употреба на природен гас без процесор за гориво и ниска калориска вредност на гориво гас од индустриски процеси и други извори. Овој процес беше развиен во средината на 60-тите години на дваесеттиот век. Оттогаш, технологијата на производство, перформансите и доверливоста се подобрени.

Работата на RCFC се разликува од другите горивни ќелии. Овие ќелии користат електролит направен од мешавина на стопени карбонатни соли. Во моментов се користат два вида мешавини: литиум карбонат и калиум карбонат или литиум карбонат и натриум карбонат. За да се стопат карбонатните соли и да се постигне висок степен на јонска подвижност во електролитот, горивни ќелии со стопен карбонат електролит работат на високи температури (650°C). Ефикасноста варира помеѓу 60-80%.

Кога се загреваат на температура од 650°C, солите стануваат спроводник за карбонатните јони (CO32-). Овие јони минуваат од катодата до анодата, каде што се комбинираат со водород за да формираат вода, јаглерод диоксид и слободни електрони. Овие електрони се испраќаат преку надворешно електрично коло назад во катодата, генерирајќи електрична струја и топлина како нуспроизвод.

Реакција на анодата: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Реакција на катодата: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Општа реакција на елементот: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(катода) => H2O(g) + CO2(анода)

Високите работни температури на горивни ќелии со стопен карбонат електролит имаат одредени предности. Предноста е можноста за користење на стандардни материјали (лимови од не'рѓосувачки челик и никел катализатор на електродите). Отпадната топлина може да се користи за производство на пареа со висок притисок. Високите температури на реакција во електролитот исто така имаат свои предности. Употребата на високи температури бара долго време за да се постигнат оптимални работни услови, а системот реагира побавно на промените во потрошувачката на енергија. Овие карактеристики овозможуваат употреба на инсталации на горивни ќелии со стопен карбонат електролит во услови на постојана моќност. Високите температури спречуваат оштетување на горивната ќелија со јаглерод моноксид, „труење“ итн.

Горивните ќелии со стопен карбонат електролит се погодни за употреба во големи стационарни инсталации. Комерцијално се произведуваат термоелектрани со излезна електрична моќност од 2,8 MW. Се развиваат инсталации со излезна моќност до 100 MW.

3. Горивни ќелии со фосфорна киселина (PAFC)

Горивни ќелии базирани на фосфорна (ортофосфорна) киселинастанаа првите горивни ќелии за комерцијална употреба. Овој процес е развиен во средината на 60-тите години на дваесеттиот век, тестовите се спроведуваат од 70-тите години на дваесеттиот век. Резултатот беше зголемена стабилност и перформанси и намалени трошоци.

Горивните ќелии со фосфорна (ортофосфорна) киселина користат електролит базиран на ортофосфорна киселина (H3PO4) во концентрации до 100%. Јонската спроводливост на фосфорната киселина е ниска при ниски температури, така што овие горивни ќелии се користат на температури до 150-220 °C.

Носачот на полнење во горивни ќелии од овој тип е водородот (H+, протон). Сличен процес се случува во горивни ќелии со мембрана за размена на протони (PEMFC), во кои водородот што се доставува до анодата се дели на протони и електрони. Протоните патуваат низ електролитот и се комбинираат со кислородот од воздухот на катодата за да формираат вода. Електроните се испраќаат преку надворешно електрично коло, со што се генерира електрична струја. Подолу се прикажани реакции кои генерираат електрична струја и топлина.

Реакција на анодата: 2H2 => 4H+ + 4e

Реакција на катодата: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Општа реакција на елементот: 2H2 + O2 => 2H2O

Ефикасноста на горивни ќелии базирани на фосфорна (ортофосфорна) киселина е повеќе од 40% при генерирање електрична енергија. Со комбинирано производство на топлинска и електрична енергија, вкупната ефикасност е околу 85%. Дополнително, со оглед на работните температури, отпадната топлина може да се користи за загревање на водата и генерирање на пареа под атмосферски притисок.

Високите перформанси на термоелектраните кои користат горивни ќелии на база на фосфорна (ортофосфорна) киселина во комбинираното производство на топлинска и електрична енергија е една од предностите на овој тип горивни ќелии. Агрегатите користат јаглерод моноксид со концентрација од околу 1,5%, што значително го проширува изборот на гориво. Едноставниот дизајн, нискиот степен на нестабилност на електролитот и зголемената стабилност се исто така предности на ваквите горивни ќелии.

Комерцијално се произведуваат термоелектрани со излезна електрична моќност до 400 kW. Инсталациите со моќност од 11 MW поминале соодветни тестови. Се развиваат инсталации со излезна моќност до 100 MW.

4. Горивни ќелии со мембрана за размена на протон (PEMFC)

Горивни ќелии на мембрана за размена на протонисе сметаат за најдобар тип на горивни ќелии за генерирање на енергија за возила, кои можат да ги заменат бензинските и дизел моторите со внатрешно согорување. Овие горивни ќелии првпат беа користени од НАСА за програмата Gemini. Развиени и демонстрирани се инсталации базирани на MOPFC со моќност од 1 W до 2 kW.

Електролитот во овие горивни ќелии е цврста полимерна мембрана (тенок филм од пластика). Кога е заситен со вода, овој полимер дозволува протоните да минуваат низ него, но не ги спроведува електроните.

Горивото е водород, а носител на полнење е водороден јон (протон). На анодата, молекулата на водородот се дели на водороден јон (протон) и електрони. Водородните јони минуваат низ електролитот до катодата, а електроните се движат околу надворешниот круг и произведуваат електрична енергија. Кислородот, кој се зема од воздухот, се доставува до катодата и се комбинира со електрони и водородни јони за да формира вода. На електродите се случуваат следните реакции: Реакција на анодата: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e Реакција на катодата: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Севкупна реакција на клетките: 2H2 + O2 => 2H2O Во споредба со другите видови на горивни ќелии, горивни ќелии со мембрана за размена на протони произведуваат повеќе енергија за даден волумен или тежина на горивната ќелија. Оваа карактеристика им овозможува да бидат компактни и лесни. Покрај тоа, работната температура е помала од 100°C, што ви овозможува брзо да започнете со работа. Овие карактеристики, како и способноста за брзо менување на излезната енергија, се само неколку што ги прават овие горивни ќелии главен кандидат за употреба во возилата.

Друга предност е тоа што електролитот е цврст, а не течен. Полесно е да се задржат гасовите на катодата и анодата со помош на цврст електролит, така што таквите горивни ќелии се поевтини за производство. Со цврст електролит, нема проблеми со ориентацијата и помалку проблеми со корозија, со што се зголемува долговечноста на ќелијата и нејзините компоненти.

5. Горивни ќелии со цврст оксид (SOFC)

Горивни ќелии со цврст оксидсе горивни ќелии со највисока работна температура. Работната температура може да варира од 600°C до 1000°C, што овозможува користење на различни видови гориво без специјална претходна обработка. За справување со такви високи температури, електролитот што се користи е тенок цврст метален оксид на керамичка основа, често легура на итриум и циркониум, кој е спроводник на јони на кислород (O2-). Технологијата за користење на горивни ќелии со цврст оксид се развива од доцните 50-ти години на дваесеттиот век и има две конфигурации: рамни и тубуларни.

Цврстиот електролит обезбедува запечатена транзиција на гас од една електрода во друга, додека течните електролити се наоѓаат во порозна подлога. Носител на полнење во горивни ќелии од овој тип е кислородниот јон (O2-). На катодата, молекулите на кислород од воздухот се поделени на кислороден јон и четири електрони. Кислородните јони минуваат низ електролитот и се комбинираат со водородот, создавајќи четири слободни електрони. Електроните се испраќаат преку надворешно електрично коло, генерирајќи електрична струја и отпадна топлина.

Реакција на анодата: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Реакција на катодата: O2 + 4e- => 2O2-

Општа реакција на елементот: 2H2 + O2 => 2H2O

Ефикасноста на производството на електрична енергија е најголема од сите горивни ќелии - околу 60%. Покрај тоа, високите работни температури овозможуваат комбинирано производство на топлинска и електрична енергија за генерирање на пареа под висок притисок. Комбинирањето на горивни ќелии со висока температура со турбина овозможува да се создаде хибридна горивни ќелии за да се зголеми ефикасноста на генерирањето електрична енергија до 70%.

Горивните ќелии со цврст оксид работат на многу високи температури (600°C-1000°C), што резултира со значително време потребно за постигнување оптимални работни услови и побавен одговор на системот на промените во потрошувачката на енергија. При толку високи работни температури, не е потребен никаков конвертор за враќање на водородот од горивото, што овозможува термоелектраната да работи со релативно нечисти горива што произлегуваат од гасификација на јаглен или отпадни гасови итн. Горивната ќелија е исто така одлична за апликации со висока моќност, вклучувајќи индустриски и големи централни централи. Комерцијално се произведуваат модули со излезна електрична моќност од 100 kW.

6. Горивни ќелии со директна оксидација на метанол (DOMFC)

Горивни ќелии со директна оксидација на метанолУспешно се користат во областа на напојување на мобилни телефони, лаптопи, како и за создавање преносни извори на енергија, кон што е насочена идната употреба на таквите елементи.

Дизајнот на горивни ќелии со директна оксидација на метанол е сличен на дизајнот на горивни ќелии со мембрана за размена на протони (MEPFC), т.е. Полимер се користи како електролит, а водороден јон (протон) се користи како носител на полнење. Но, течниот метанол (CH3OH) оксидира во присуство на вода на анодата, ослободувајќи CO2, водородни јони и електрони, кои се испраќаат преку надворешно електрично коло, а со тоа генерира електрична струја. Водородните јони минуваат низ електролитот и реагираат со кислородот од воздухот и електроните од надворешното коло за да формираат вода на анодата.

Реакција на анодата: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e Реакција на катодата: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Општа реакција на елементот: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Развојот на таков горивни ќелии се изведуваат од почетокот на 90-тите години на дваесеттиот век и нивната специфична моќност и ефикасност се зголемени на 40%.

Овие елементи беа тестирани во температурен опсег од 50-120°C. Поради нивните ниски работни температури и отсуството на потреба од конвертор, ваквите горивни ќелии се главен кандидат за употреба во мобилни телефони и други производи за широка потрошувачка, како и кај мотори на автомобили. Нивната предност е и нивната мала големина.

7. Горивни ќелии со полимер електролит (PEFC)

Во случај на горивни ќелии со полимер електролит, полимерната мембрана се состои од полимерни влакна со водени области во кои спроводливите водни јони H2O+ (протон, црвено) се прикачуваат на молекулата на водата. Молекулите на водата претставуваат проблем поради бавната јонска размена. Затоа, потребна е висока концентрација на вода и во горивото и на излезните електроди, што ја ограничува работната температура на 100°C.

8. Горивни ќелии со цврста киселина (SFC)

Во горивни ќелии со цврста киселина, електролитот (CsHSO4) не содржи вода. Затоа, работната температура е 100-300°C. Ротацијата на SO42 оксијаните им овозможува на протоните (црвените) да се движат како што е прикажано на сликата. Вообичаено, горивни ќелии со цврста киселина е сендвич во кој многу тенок слој од цврсто киселинско соединение е сместено помеѓу две електроди кои се цврсто притиснати заедно за да се обезбеди добар контакт. Кога се загрева, органската компонента испарува, излегувајќи низ порите во електродите, одржувајќи ја способноста за повеќекратни контакти помеѓу горивото (или кислородот на другиот крај на елементот), електролитот и електродите.

9. Споредба на најважните карактеристики на горивни ќелии

Карактеристики на горивни ќелии

Тип на горивни ќелии	Работна температура	Ефикасност на производство на енергија	Тип на гориво	Опсег на примена
				Средни и големи инсталации
			Чист водород	инсталации
			Чист водород	Мали инсталации
			Повеќето јаглеводородни горива	Мали, средни и големи инсталации
				Пренослив инсталации
			Чист водород	Простор истражуван
			Чист водород	Мали инсталации

10. Употреба на горивни ќелии во автомобилите