Горивна клетка
от Уикипедия, свободната енциклопедия
Горивна клетка е електрохимично устройство подобно на батерия, но различаващо се от нея с това, че е проектирано за непрекъснато зареждане на консумираните реактанти (например: произвеждане на електричество от външно захранване с гориво водород и кислород, противоположно на ограниченото количество вътрешна енергия, запасено като капацитет на една обикновена батерия). Електродите в една батерия реагират (химически) и се променят при зареждане и разреждане на батерията, докато електродите на горивната клетка са катализаторни и са относително стабилни. Типичните реактанти, използвани в горивната клетка са водород, подаван на анодната страна и кислород (от въздуха) на катодната страна (водородна клетка). Типично за горивните клетки е, че реактантите се втичат, а продуктите от реакцията изтичат непрекъснато и по такъв начин се осъществява дълготраен процес на производство на енергия, с виртуална продължителност, равна на продължителността на подаване на флуидите.
Поради голямата им ефективност и идеалната беземисионна работа (за разлика от текущо по-използваните горива като метан и природен газ, които отделят при горенето си въглероден диоксид), горивните клетки са много привлекателни за редица приложения. Единственият остатъчен продукт на водородната горивна клетка е водната пара. Обаче все още съществува проблемът за енергоемкия процес за производството на водород, който също води до замърсяване и все още изисква изкопаемо гориво, ядрена енергия или някакъв друг алтернативен добив на енергия. В това отношение не може да се каже, че водородната горивна технология може да намали зависимостта от изкопаемите горива.
Съдържание |
[редактиране] Принцип на действие
Горивните клетки не са ограничени от максималната ефективност на цикъла на Карно като двигателите с вътрешно горене. Следователно, те могат да имат много висока ефективност при преобразуване на химическата енергия в електрическа. В прототипa на водородно/кислородната горивна клетка с протонно-обменна мембрана (ПОМГК;PEMFC), протонно-проводяща полимерна мембрана разделя анодната и катодната страна. От двете и страни има по един проводящ електрод, покрит с катализатор от платина и отделен от мембраната с карбонова хартия. На анодната страна водородът дифундира до анодния катализатор и дисоциира на протони и електрони. Протоните преминават през мембраната към катода, но електроните са принудени да пътуват по външна верига (доставяйки енергия), тъй като мембраната пропуска само положителни йони.
На катализатора на катода молекулите кислород реагират с електроните (които са пропътували по външната верига) и протоните, за да образуват вода, при което се отделя топлина.
В този пример единственият отпадъчен продукт е водна пара и/или вода.
Друг вид горивни елементи са алкалните (AFC). Това един от най-старите типове. Те са били използвани в космическата програма на Съединените щати от 1960. В космическите кораби „Аполо” са използвани едновременно за получаване на електричество и вода за пиене. В тях се използва скъп платинов катализатор, поради което този тип клетки са много чувствителни към замърсяванията и изискват чист кислород и водород. Те също така са много скъпи, така че едва ли този тип горивни клетки ще намерят широко приложение. Те работят с сгъстен водород и кислород. Обикновено използват като електролит разтвор на калиева основа. Ефективността им е около 60 процента, като работят при температури от 150-200 0С. Имат производителност от 0,3 до 5 kW.
Третия от известните видове е фосфорно - кислелинната горивна клетка (PAFC). Електролитът в тези клетки е фосфорна киселина. Притежаваният от тях потенциал е за малки стационарни генератори. Тяхната ефективност е от 40 до 70 процента. Те работят при температури 300-400 0С , т.е при по-високи температури от клетките с полимерни мембрани (PEM), така те трябва по-дълго да се загряват (това е температура на максимална ефективност). Мощността на такива клетки нормално е до 200 kW. Правени са експерименти и с клетки до 10 MW. Този тип клетки понасят концентрации от въглероден моно оксид до около 1,5 %, което разширява възможността на използваните горива. Ако се използва бензин като гориво, сярата от него трябва да бъде отстранена. Необходими са платиновите електроди (катализатори), а вътрешните елементи на клетката трябва да са устойчиви на киселинната корозия.
Четвъртия и предпоследен тип от популярните ГК е стопения карбонат (MCFC). Тези клетки са също много подходящи за широка гама от стационарни генератори. Те използват като електролит стопени соли (най-често Na2CO3 и MgCO3). Ефективността на работата им е от 60 до 70%. Работното им температура е в интервала 600-650 0С, при което се произвежда водна пара, което увеличава тяхната ефективност, тъй като тя може да се използва за добива на допълнителна енергия. Те могат да достигнат мощности до 2 MW, като са разработени проекти за мощности до 100 MW. В този тип горивни клетки могат да се използват никелови електроди (катализатори), които са по-евтини в сравнение с платиновите. Сравнително високите температури, обаче ограничават, както тяхната безопасност, така и вида на изполваните конструктивни материали. Карбонатните йони от електролите се изразходват в реакциите и създава необходимост да се впръсква допълнително въглероден диоксид.
ГЕ със стопен оксид (SOFC) са най - ефективните и най - перспективните от всички изброени до тук. Тези горивни клетки, са най-подходящи за широка гама от стационарни генератори, които могат да осигурят електричество за фабрики или градове. Като електролит в тези клетки се използват итриеви и циркониеви оксиди. Този тип горивни клетки работят при много високи температури (1000 0С). Тя от една страна създава проблеми за надежността, но от друга има известно предимство. Парата произведена от горивната клетка може да бъде подадена към турбини за да се получи допълнително електричство. Това подобрява ефективността на работа на системата. Високата работна температура намалява приложението на тези горивни клетки.
Горивните клетки не могат да складират енергията като батерия, но в някои приложения, като възобновяемите източници на енергия (вятърни и слънчеви електроцентрали), те се комбинират с електролизатори и системи за съхранение на енергия. Ефективността на подобни електростанции (превръщащи електричество във водород и обратно) е около 30 - 40 % (при PEMFC горивните станции). Освен чист водород, изследователите са успели да използват като материал за горивни клетки и въглеводороди, в т.число и дизел. В този случай отпадният продукт е въглероден диоксид.
[редактиране] Ефективност
Горивната клетка преобразува химическата енергия на горивото си в електричество с ефективност типично около 50% (останалата енергия се превръща в топлина). Ако горивната клетка се използва за захранване на превозно средство, тогава е важно да се вземат предвид и загубите при производството, транспортирането и съхранението. Автомобилите с горивни клетки, движещи се със сгъстен водород, имат ефективност (от източника на електричество до колелата) от 22%, ако водородът се съхранява като газ под високо налягане и 17%, ако се втечнява криогенно.
Едно ново приложение на горивните клетки е т.нар. "комбиниране на топлина и енергия" (combined heat and power, CHP) или когенерация, приложимо за цели сгради. В този случай горивната клетка се използва в непрекъснат режим за генериране както на електричеството, така и на топлина. Дори топлината се използва в по-голяма степен за отопление на сградата, а излишъкът от генерирано електричество се предава към енергийната мрежа. В този случай е допустима и по-ниска ефективност гориво-електричество (типично 15-20%), тъй като топлината също се използва. Част от топлината обаче се губи, точно както е при обикновена печка и поради това комбинираната ефективност (КПД) е под 100% - типично около 80%.
[редактиране] Термодинамични аспекти при работата на горивните клетки
Според цикълът на Карно една обратимо работеща термична машина в идеални условия не може да превръща изцяло получената топлина (Q) в механична енергия (работа (W)). Термичната машина получава топлина (Q1) от по-горещия резервоар (T1), извършва работа (W) и връща определена топлина (Q2) на по-студения резервоар (T2). Колкото е по-голяма разликата в температурите на двата резервоара, толково по-голям е коефициентът на полезно действие (η) на машината - най - високата температура минус най - ниската температура върху най - високата температура. Тъй като горивните клетки прeвръщат химичната енергия директно в електрична, то този процес не включва превръщането на топлина в механична енергия. Ето защо, ефективността на горивните клетки превишава ограничението поставено от цикъла на Карно, дори когато работят при сравнително ниски температури (например 80 0С).
