Водородни горивни клетки (Част 2)

19.05.2023   |   Начало»Технологии

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.

Горивни клетки с директен метанол

Повечето горивни клетки се захранват с водород, който се подава на горивната клетъчна система директно или чрез реформинг на богати на водород горива като метанол, етанол и въглеводородни горива. Директните метанолови горивни клетки обаче се захранват с чист метанол, който е смесен с пара и се подава директно към анода на горивната клетка.

Използването на директни метанолови клетки избягва проблема със съхранението на горивото, типичен за някои горивни клетки, тъй като метанолът има по-висока енергийна плътност от водорода, макар и значително по-малка в сравнение с тази на бензина или дизеловото гориво. Метанолът също е по-лесен за транспортиране, тъй като е течен като бензина.

Горивни клетки с разтопен карбонат

Горивните клетки с течен въглерод са разработени специално за приложение в електроцентрали, работещи на природен газ и въглища, в областта на индустрията, военната промишленост и др. Представляват високотемпературни горивни клетки, които използват електролит, съдържащ сол на течен карбонат, суспендирана в шуплеста, химически инертна керамична литиево-алуминиева оксидна матрица. 

Тъй като този тип клетки работят при изключително високи температури (около и по-високи от 650 °С) във функцията на катализатори в катода и анода могат да се използват евтини метали, което разкрива възможности за намаляване себестойността на клетката. Високата ефективност на горивните клетки с течен карбонат е допълнителна причина за по-ниската им цена в сравнение с фосфорно-киселинните горивни клетки. 

Направените изследвания показват, че КПД на горивните клетки с течен карбонат е от порядъка на 60%. При максимално оползотворяване на отпадъчната топлинна енергия, ефективността на клетката може да достигне 85%.

За разлика от алкалните, фосфорно-киселинните и полимерно-електролитните мембранни горивни клетки, решенията, базирани на течен карбонат, не изискват използването на външна реформинг инсталация, която да преобразува горива с по-голяма енергийна плътност във водородно гориво. Вследствие на високите температури, при които работи клетката, използваните горива се преобразуват във водород в самата клетка чрез процес, наречен вътрешен реформинг.

Горивните клетки с течен карбонат не са предразположени към “натравяне” с въглероден оксид и въглероден диоксид. Горивните клетки с течен карбонат могат да работят с въглеродни оксиди като гориво. Въпреки че са по-устойчиви към примеси в сравнение с някои от останалите типове горивни клетки, все още се разработват методи за повишаване на устойчивостта им към замърсители.

Основен недостатък на използваната в момента технология за производство на горивни клетки с течен карбонат e краткият им експлоатационен живот. Високите температури, при които работят тези клетки, и използваният агресивен електролит ускоряват процеса на износване на компонентите им и повишават скоростта на корозията, което в крайна сметка води до намаляване живота на клетката. 

На изследователски етап са намирането на корозионноустойчиви материали и разработването на клетки с по-дълъг живот при запазване на коефициента им на полезно действие.

Горивни клетки с твърд оксид

Горивните клетки с твърд оксид използват твърда нешуплеста керамична смес като електролит. Тъй като електролитът е твърд, клетките имат различна конструкция от тази на останалите типове горивни клетки. Ефективността на горивните клетки с твърд оксид ще достигне 50-60% при производство на електрическа енергия. 

В приложения, проектирани за комбинирано производство на топло- и електроенергия, пълната ефективност на клетката може да достигне 80 - 85%. Горивните клетки с твърд оксид работят при много високи температури (от порядъка на 1000 °С). Работата при високи температури премахва необходимостта от използване на скъп метален катализатор, което намалява цената на клетката.

Сред спецификите на клетките с твърд оксид е най-високата им устойчивост към сяра в сравнение с останалите видове водородни горивни клетки. Предимство на този тип клетки е устойчивостта им към въглероден оксид, което определя способността им да се захранват с въглищни газове.

Работата при високи температури е съпроводена с редица недостатъци, сред които бавен пуск и необходимост от топлинно екраниране с цел задържане на топлината и предпазване на обслужващия персонал. Горивните клетки с твърд електролит са по-приложими в битовия и комуналния сектор, отколкото за решаване на транспортни задачи. 

Също така, високите работни температури налагат строги изисквания по отношение устойчивостта на използваните материали към високи температури. Разработването на относително евтини материали с голяма температурна устойчивост се определя като основно техническо предизвикателство пред по-масовото използване на тази клетъчна технология.

Разработват се нискотемпературни горивни клетки с твърд оксид, които работят при температури от порядъка на 800 °С, имащи по-малки проблеми с дълговечността и по-ниска цена. За съжаление, резултатите от изследванията за момента показват, че по-нискотемпературните горивни клетки с твърд оксид са по-малко ефективни.

Регенеративни (реверсивни) горивни клетки

Регенеративните горивни клетки произвеждат електрическа енергия от водород и кислород и генерират топлина и вода като вторични продукти, съпътстващи работата на клетката. Сред спецификите на регенеративните горивни системи е възможността да използват слънчевата енергия за производство на кислородно и водородно гориво.

Ключови думи: Горивни клетки   разтопен карбонат   генериране на енергия   горивни системи  

Област: Енергетика