Водородни горивни клетки – Част 1

12.05.2023   |   Начало»Тенденции

Редактор
Екатерина Амова

Редактор
Екатерина Амова

Водородните горивни клетки се класифицират основно според вида на електролита, с който работят. Електролитът определя типа и скоростта на химическите реакции, които протичат в клетката, вида на използвания катализатор, температурния обхват, в който работи клетката, необходимото гориво и редица други фактори. В процес на разработка са няколко вида горивни клетки, всеки от които се характеризира с редица предимства, ограничения и възможни приложения. 

Като най-перспективни, от гледна точка мощност и цена, се определят следните видове горивни клетки:

• с полимерна електролитна мембрана;
• фосфорна киселина;
• директен метанол;
• алкална клетка;
• течен карбонат;
• твърд оксид;
• регенеративна (реверсивна) клетка.

Горивни клетки с полимерна електролитна мембрана

Полимерните електролитни мембранни горивни клетки (ПЕМ) се характеризират с голяма енергийна плътност. Сред предимствата им са малко тегло и обем в сравнение с останалите видове горивни клетки. ПЕМ клетките използват твърд полимер като електролит и електроди от порест въглерод, съдържащи платина във функцията на катализатор. Нуждаят се само от водород, кислород от въздуха и вода, за да работят. 

Реакциите в ПЕМ горивните клетки протичат при относително ниски температури (около 80 °С). Платиненият катализатор е високо чувствителен към въглероден оксид, което прави необходимо използването на допълнителен реактор за намаляване на въглеродния оксид. В  процес на разработка са платина/рутениеви катализатори, които са по-устойчиви към въглеродния оксид.

ПЕМ горивните клетки са предназначени основно за транспортни приложения. Поради малкото им време на пуск, ниска чувствителност към пространствената ориентация на клетката и оптимално съотношение енергия/тегло са особено подходящи за приложение в превозни средства като коли и автобуси. Основен проблем при използването им е водородният резервоар. 

Повечето превозни средства, използващи горивни клетки, захранвани с чист водород, трябва да съхраняват водорода на борда като компресиран газ, в резервоари под налягане. Поради ниската енергийна плътност на водорода е трудно да се съхрани достатъчно количество от него на борда, което да е достатъчно за изминаването на разстояния сравними с работещите с бензин превозни средства за едно зареждане. 

Течните горива с по-голяма плътност на мощността като метанол, етанол, природен газ, втечнен нефтен газ и бензин могат да се използват като гориво, но превозните средства трябва да имат бордова горивна инсталация за реформинг, която да преобразува метанола във водород.

Горивни клетки с фосфорна киселина

Фосфорно-киселинните горивни клетки използват течна фосфорна киселина като електролит. Киселината се поставя в силициево карбидна матрица със свързващо вещество тефлон и електроди от порест въглерод, съдържащи платинен катализатор. 

Този вид горивна клетка се приема като "първо поколение" на съвременните горивни клетки. Използва се за стационарно генериране на енергия, но някои от фосфорно-киселинните горивни клетки са предназначени за големи превозни средства като автобуси. Фосфорно-киселинните горивни клетки са по-малко чувствителни към съдържанието на въглероден оксид. Той се свързва с платинения катализатор на анода, намалявайки ефективността на горивната клетка. 

Клетките имат КПД около 85%, когато се използват за когенерация на електрическа и топлинна енергия и по-малка ефективност при производството на електричество (37 - 42%). Фосфорно киселинните горивни клетки имат по-малка мощност от други горивни клетки със същото тегло и обем. В резултат тези клетки обикновено са не само големи и тежки, но и скъпи.

Алкални горивни клетки

Алкалните горивни клетки принадлежат към категорията на най-старите технологии за оползотворяване на водородно гориво. Широко се използват в космическите програми за генериране на електрическа енергия и вода на борда на космическите апарати. Работят с калиев хидрооксид във вода като електролит и използват широко разнообразие от нескъпи метали като катализатори в анода и катода.

Високотемпературните алкални горивни клетки работят при температури между 100 °С и 250 °С. Съвременните алкални горивни клетки работят при по-ниски температури (от 23 до 70 °С. Алкалните горивни клетки се отличават с голяма производителност, дължаща се на високата скорост на протичащите в тях химически реакции. Клетките са много ефективни - ефективността им е от порядъка на 60%.

Недостатък на този тип горивни клетки е, че лесно се "натравят" от въглеродния диоксид. Дори и незначителни количества въглероден диоксид във въздуха може да повлияе върху работата на клетката. Податливостта на "натравяне" оказва влияние върху експлоатационния период на клетката и допълнително повишава цената й. 

Алкалните горивни клетки запазват стабилната си работа повече от 8000 работни часа. Сериозно предизвикателство за комерсиализирането им е необходимостта от постигане на време на работа над 40 000 часа.

Ключови думи: Водородни горивни клетки   генериране на енергия   когенерация  

Област: Енергетика