Какво представляват горивните клетки

Мобилната електроника всяка година, ако не и месец, става все по-достъпна и широко разпространена. Тук имате лаптопи, и PDA, и цифрови фотоапарати, и мобилни телефони, и тон от всякакви полезни и не толкова устройства. И всички тези устройства непрекъснато придобиват нови функции, по-мощни процесори, големи цветни екрани, безжична комуникация, като в същото време намаляват по размер. Но за разлика от полупроводниковите технологии, енергийните технологии на цялата тази мобилна менажерия не вървят по скокове.

Конвенционалните акумулаторни батерии и батерии очевидно не са достатъчни, за да захранват най-новите постижения в електронната индустрия за значителен период от време. И без надеждни и вместими батерии, цялата точка на мобилност и безжична връзка се губи. Така компютърната индустрия работи все по-активно по проблема алтернативни захранвания, И най-обещаващата днес насока е горивни клетки.

Основният принцип на работа на горивните клетки е открит от британския учен сър Уилям Гроув през 1839г. Той е известен като бащата на горивната клетка. Уилям Гроув генерира електричество чрез промяна електролиза на водата за извличане на водород и кислород. След като изключи акумулатора от електролитичната клетка, Гроув с изненада откри, че електродите започват да абсорбират освободения газ и да генерират ток. Отваряне на процеса електрохимично студено изгаряне на водород събитие в енергийния сектор стана значимо и в бъдеще такива известни електрохимици като Ostwald и Nernst изиграха голяма роля в разработването на теоретичните основи и практическото прилагане на горивните клетки и предсказаха голямо бъдеще за тях.

себе си терминът "горивна клетка" (горивна клетка) се появява по-късно - той е предложен през 1889 г. от Лудвиг Монд и Чарлз Лангер, които се опитват да създадат устройство за генериране на електричество от въздух и въглищен газ.

По време на нормалното изгаряне кислородът окислява изкопаемите горива, а химическата енергия на горивото се преобразува неефективно в топлинна енергия. Но се оказа възможно провеждането на реакцията на окисляване, например, водород с кислород, в електролитна среда и в присъствието на електроди, за да се получи електрически ток. Например, доставяйки водород на електрод, разположен в алкална среда, получаваме електрони:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

които, преминавайки през външна верига, отиват до противоположния електрод, към който влиза кислородът и където протича реакцията: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Вижда се, че получената реакция 2H2 + O2 → H2O е същата като при нормално изгаряне, но в горивната клетка или по друг начин - в електрохимичен генератор, се оказва електрически ток с висока ефективност и частично топлина. Имайте предвид това въглища, въглероден оксид, алкохоли, хидразин, други органични вещества също могат да се използват като гориво в горивните клетки, а въздух, водороден прекис, хлор, бром, азотна киселина и др. могат да бъдат използвани като окислители.

Развитието на горивните клетки продължи енергично и в чужбина, и в Русия, и по-нататък в СССР. Сред учените, които направиха голям принос в изследването на горивните клетки, споменаваме В. Жако, П. Яблочков, Ф. Бейкън, Е. Бауер, Е. Лоусти, К. Кордес. В средата на миналия век започва ново нападение върху проблемите с горивните клетки. Отчасти това се дължи на появата на нови идеи, материали и технологии в резултат на отбранителни изследвания.

Един от учените, който направи голяма стъпка в развитието на горивните клетки, беше П. М. Спиридонов. Водород-кислородни елементи на Спиридонов даде плътност на тока от 30 mA / cm2, което за онова време се смяташе за голямо постижение.През четиридесетте години О. Давтян създава инсталация за електрохимично изгаряне на генераторния газ, получена чрез газификация на въглища. С всеки кубичен метър обем на елементи, Давтян получи 5 кВт мощност.

Това беше първа твърда електролитна горивна клетка, Той имаше висока ефективност, но с течение на времето електролитът стана неизползваем и трябваше да бъде променен. Впоследствие, в края на петдесетте години, Давтян създава мощна инсталация, която задвижва трактора. През същите тези години английският инженер Т. Бейкън проектира и изгради батерия с горивни клетки с общ капацитет от 6 кВт и ефективност от 80%, работеща на чист водород и кислород, но съотношението мощност към теглото на батерията беше твърде малко - такива елементи бяха неподходящи за практическа употреба и също скъпи.

В следващите години времето на самотниците мина. Създателите на космически кораби се заинтересували от горивни клетки. От средата на 60-те години в изследвания на горивни клетки са инвестирани милиони долари. Работата на хиляди учени и инженери позволи да достигне ново ниво и през 1965г. горивните клетки са тествани в Съединените щати на космическия кораб „Близнаци 5“, а по-късно и на корабите „Аполон“ за полети до Луната и по програмата „Совалка“.

В СССР горивните клетки са разработени в NPO Kvant, също за използване в космоса. В онези години вече се появиха нови материали - твърди полимерни електролити на базата на йонообменни мембрани, нови видове катализатори, електроди. И все пак плътността на работния ток беше малка - в диапазона 100-200 mA / cm2, а съдържанието на платина в електродите беше няколко g / cm2. Имаше много проблеми, свързани с трайността, стабилността и сигурността.

Следващият етап на бързото развитие на горивните клетки започва през 90-те години. миналия век и продължава и сега. Причинено е от необходимостта от нови ефективни енергийни източници, дължащи се, от една страна, на глобалния екологичен проблем на увеличаващите се емисии на парникови газове от изгарянето на изкопаеми горива, а от друга - на изчерпването на такива горива. Тъй като водата е краен продукт на изгарянето на водород в горивна клетка, те се считат за най-чистите от гледна точка на въздействието върху околната среда. Основният проблем е само в намирането на ефективен и евтин начин за производство на водород.

Милиарди финансови инвестиции в развитието на горивни клетки и водородни генератори трябва да доведат до технологичен пробив и да превърнат използването им в ежедневието в реалност: в клетките на клетъчните телефони, в колите, в електроцентралите. Вече автомобилни гиганти като Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors демонстрират автомобили и автобуси, работещи на 50kW горивни клетки. Разработени са редица компании Устройства за демонстрация на електролитни твърди горивни клетки до 500 kW, Но въпреки значителния пробив в подобряването на работата на горивните клетки, все още трябва да се решат много проблеми, свързани с тяхната цена, надеждност и безопасност.

В горивна клетка, за разлика от батериите и акумулаторите, и горивото, и окислителят се доставят към нея отвън. Горивната клетка е само посредник в реакцията и при идеални условия може да работи почти завинаги. Красотата на тази технология е това всъщност горивото се изгаря в елемента и освободената енергия се преобразува директно в електричество, При директно изгаряне на горивото той се окислява от кислород, а топлината, генерирана в този процес, се използва за завършване на полезна работа.

В горивната клетка, както в батериите, реакциите на окисляване на горивото и намаляване на кислорода са пространствено разделени и процесът на "изгаряне" протича само ако клетката отделя ток към товара. Все едно дизелов генератор, само без дизел и генератор, А също и без дим, шум, прегряване и с много по-висока ефективност. Последното се обяснява с факта, че, първо, няма междинни механични устройства и, второ, горивната клетка не е топлинен двигател и следователно не се подчинява на закона на Карно (тоест неговата ефективност не се определя от температурната разлика).

Кислородът се използва като окислител в горивните клетки. Освен това, тъй като кислородът е напълно достатъчен във въздуха, няма нужда да се притеснявате за доставката на окислител. Що се отнася до горивото, то е водород. И така, реакцията се проявява в горивната клетка:

2H2 + O2 → 2H2O + електричество + топлина.

Резултатът е полезна енергия и водни пари. Най-простият в неговия дизайн е протонна мембрана горивна клетка (виж фигура 1). Той работи по следния начин: водородът, влизащ в елемента, се разлага под действието на катализатора в електрони и положително заредени водородни йони Н +. Тогава в игра влиза специална мембрана, която действа като електролит в конвенционална батерия. Поради своя химичен състав, той преминава протоните през себе си, но улавя електрони. По този начин натрупаните на анода електрони създават излишен отрицателен заряд, а водородните йони създават положителен заряд на катода (напрежението върху елемента е около 1V).

За да създадете висока мощност, горивна клетка се сглобява от множество клетки. Ако включите елемент в товара, тогава електроните преминават през него към катода, създавайки ток и завършвайки процеса на окисление на водорода с кислород. Като катализатор в такива горивни клетки обикновено се използват микрочастици от платина, отложени върху въглеродни влакна. Поради своята структура такъв катализатор преминава добре на газ и електричество. Мембраната обикновено е направена от съдържащ сяра Nafion полимер. Дебелината на мембраната е равна на десети милиметър. По време на реакцията, разбира се, се отделя и топлина, но тя не е толкова много, така че работната температура да се поддържа в границите 40-80 ° C.

Фиг. Принципът на работа на горивната клетка

Съществуват и други видове горивни клетки, които се различават главно по типа на използвания електролит. Почти всички изискват водород като гориво, така че възниква логичен въпрос: къде да го вземем. Разбира се, би било възможно да се използва сгъстен водород от цилиндри, но веднага след това възникват проблеми, свързани с транспортирането и съхранението на този силно запалим газ под високо налягане. Разбира се, можете да използвате водород в свързана форма, както в метални хидридни батерии. Но все пак остава задачата му за добив и транспортиране, тъй като инфраструктурата на водородните бензиностанции не съществува.

Има обаче и решение - течното въглеводородно гориво може да се използва като източник на водород. Например етилов или метилов алкохол. Вярно е, че тук вече се изисква специално допълнително устройство - горивен преобразувател, който превръща алкохолите в смес от газообразни H2 и CO2 при висока температура (за метанола той ще бъде някъде около 240 ° C). Но в този случай вече е по-трудно да се мисли за преносимостта - такива устройства се използват добре като стационарни или автомобилни алтернаториНо за компактно мобилно оборудване се нуждаете от нещо по-малко тромаво.

И тук стигаме до това устройство, чието развитие почти всички най-големи производители на електроника са ангажирани със страшна сила - метанолна горивна клетка (фигура 2).

Фиг. 2. Принципът на работа на горивната клетка върху метанол

Основната разлика между водородните и метаноловите пълнежни елементи е използваният катализатор. Катализаторът в метанолната горивна клетка позволява протоните да бъдат отстранени директно от молекулата на алкохола.Така проблемът с горивото се решава - метиловият алкохол се произвежда масово за химическата промишленост, лесно се съхранява и транспортира, а за зареждане на метанолна горивна клетка е достатъчно просто да смените патрона с гориво. Вярно е, че има един съществен минус - метанолът е токсичен. В допълнение, ефективността на метаноловата горивна клетка е значително по-ниска от тази на водородна.

Фиг. 3. Метанолна горивна клетка

Най-изкусителният вариант е да се използва етилов алкохол като гориво, тъй като производството и разпространението на алкохолни напитки с всякакъв състав и сила са добре установени по целия свят. За съжаление обаче, ефективността на горивните клетки с етанол е дори по-ниска от тази на метанола.

Както вече беше отбелязано в продължение на много години на развитие в областта на горивните клетки, са изградени различни видове горивни клетки. Горивните клетки се класифицират по електролит и вид гориво.

1. Твърд полимерен водород-кислороден електролит.

2. Твърди полимерни метанолни горивни клетки.

3. Елементи на алкален електролит.

4. Горивни клетки от фосфорна киселина.

5. Горивни клетки върху разтопени карбонати.

6. Твърди оксидни горивни клетки.

В идеалния случай ефективността на горивните клетки е много висока, но в реални условия има загуби, свързани с неравновесни процеси, като омични загуби поради проводимостта на електролита и електродите, активиране и поляризация на концентрацията, дифузионни загуби. В резултат на това част от генерираната в горивните клетки енергия се преобразува в топлина. Усилията на специалистите са насочени към намаляване на тези загуби.

Основният източник на омични загуби, както и причината за високата цена на горивните клетки, са перфлуорирани сулфокакално-йонообменни мембрани. Сега търсим алтернативни, по-евтини протон-проводящи полимери. Тъй като проводимостта на тези мембрани (твърди електролити) достига приемлива стойност (10 Ohm / cm) само при наличие на вода, газовете, доставяни в горивната клетка, трябва да бъдат допълнително навлажнени в специално устройство, което също прави системата по-скъпа. В каталитичните газови дифузионни електроди се използват главно платина и някои други благородни метали и досега не е намерена замяна. Въпреки че съдържанието на платина в горивните клетки е няколко mg / cm2, за големи батерии количеството й достига десетки грама.

При проектирането на горивни клетки се обръща много внимание на системата за отстраняване на топлината, тъй като при висока плътност на тока (до 1А / см2) системата се самозагрява. За охлаждане се използва вода, циркулираща в горивната клетка през специални канали, а при ниски мощности се използва въздушно издухване.

И така, съвременната система на електрохимичния генератор, освен самата батерия на горивните клетки, „нараства“ с много помощни устройства, като: помпи, компресор за подаване на въздух, вход на водород, газов овлажнител, охлаждащ блок, система за контрол на изтичане на газ, преобразувател на постоянен и променлив ток, контролен процесор и всичко това води до факта, че цената на системата за горивни клетки през 2004-2005 г. е била 2-3 хиляди $ / kW. Според експерти горивните клетки ще станат достъпни за използване в транспорта и в стационарни електроцентрали на цена от 50-100 $ / kW.

За въвеждането на горивни клетки в ежедневието, заедно с по-евтините компоненти, трябва да очаквате нови оригинални идеи и подходи. По-специално, големите надежди са свързани с използването на наноматериали и нанотехнологии. Например, наскоро няколко компании обявиха създаването на супер ефективни катализатори, по-специално за кислороден електрод, базиран на струпвания от наночастици от различни метали. В допълнение, има съобщения за дизайна на мембранни горивни клетки, в които течно гориво (като метанол) се подава в горивната клетка заедно с окислител.Интересна концепция е и разработената концепция за биогоривни елементи, работещи в замърсени води и консумиращи разтворен кислород като окислител, и органични примеси като гориво.

Според експерти горивните клетки ще навлязат на масовия пазар през следващите години. Всъщност разработчиците завладяват технически проблеми един след друг, докладват за успехите и представят прототипи на горивни клетки. Например, Toshiba демонстрира завършен прототип на метанолна горивна клетка. Той е с размер 22x56x4.5mm и дава мощност от порядъка на 100mW. Едно зареждане в 2 кубчета концентриран (99,5%) метанол е достатъчно за 20 часа работа на MP3 плейър. Toshiba пусна търговска горивна клетка за захранване на мобилни телефони. Отново същият Toshiba демонстрира елемент за захранване на лаптопи с размери 275x75x40mm, което позволява на компютъра да работи в продължение на 5 часа от едно зареждане.

Друга японска компания, Fujitsu, не изостава от Toshiba. През 2004 г. тя също въвежда елемент, действащ върху 30% воден разтвор на метанол. Тази горивна клетка работи при едно зареждане в 300 ml в продължение на 10 часа и в същото време издава мощност от 15 вата.

Casio разработва горивна клетка, в която метанолът първо се преработва в смес от газообразни H2 и CO2 в миниатюрен конвертор на гориво и след това се подава в горивната клетка. По време на демонстрацията прототипът Casio осигурява захранване на лаптопа за 20 часа.

Samsung бе забелязан и в областта на горивните клетки - през 2004 г. той демонстрира своя 12 W прототип, предназначен да захранва лаптоп. Като цяло Samsung очаква да използва горивни клетки, предимно в смартфони от четвърто поколение.

Трябва да кажа, че японските компании като цяло много внимателно подхождат към разработването на горивни клетки. През 2003 г. компании като Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony и Toshiba обединиха усилията си, за да разработят общ стандарт за горивни клетки за лаптопи, мобилни телефони, PDA устройства и други електронни устройства. Американските компании, които също са много на този пазар, работят предимно по договори с военните и разработват горивни клетки за електрифициране на американските войници.

Немците не изостават - Smart Fuel Cell продава горивни клетки за захранване на мобилен офис. Устройството се нарича Smart Fuel Cell C25, има размери 150x112x65mm и може да произвежда до 140 вата часа на една бензиностанция. Това е достатъчно, за да захранвате лаптопа за около 7 часа. Тогава касетата може да бъде сменена и можете да продължите да работите. Размерът на патрона с метанол е 99х63х27 мм, а тежи 150гр. Самата система тежи 1,1 кг, така че не можете да я наречете абсолютно преносима, но все пак това е пълно и удобно устройство. Компанията разработва и горивен модул за захранване на професионални видеокамери.

Като цяло горивните клетки почти навлязоха на пазара на мобилна електроника. Производителите са оставени да разрешат най-новите технически проблеми, преди да започнат масово производство.

Първо, необходимо е да се реши въпросът с миниатюризацията на горивните клетки. В края на краищата, колкото по-малка е горивната клетка, толкова по-малко мощност ще може да издава - затова постоянно се разработват нови катализатори и електроди, които позволяват при малки размери да се увеличи максимално работната повърхност. Тук, точно навреме, идват най-новите разработки в областта на нанотехнологиите и наноматериалите (например нанотръбите). Отново, за миниатюризиране на тръбопроводите на елементи (помпи за гориво и вода, системи за охлаждане и преобразуване на гориво), микроелектромеханичният напредък все повече се прилага.

Вторият важен проблем, който трябва да бъде решен, е цената. Всъщност като катализатор в повечето горивни клетки се използва много скъпа платина.Отново, някои от производителите се опитват да се възползват максимално от вече добре развитата силициева технология.

Що се отнася до други области на използване на горивни клетки, горивните клетки вече са добре установени там, въпреки че все още не са станали основни в енергийния сектор или в транспорта. Вече много производители на автомобили представиха концептуалните си автомобили, захранвани с горивни клетки. В няколко града по света автобусите с горивни клетки обикалят. Canadian Ballard Power Systems произвежда гама от стационарни генератори, вариращи от 1 до 250 кВт. В същото време, киловатните генератори са проектирани да снабдяват веднага един апартамент с ток, топлина и топла вода.

Вижте също: Алтернативни източници на енергия