Fuel Cell

Горивна клетка
Цеца Цолова Христова
ПГ по КТС гр. Правец, към ТУ-София

Има няколко различни видa горивни клетки, но принципното устройство се състои от два електрода, включващи отрицателен анод и положителен катод. Те са разделени от течен или твърд електролит, който пренася електрически заредените частици между двата електродa. Катализаторът по принцип е направен от платина и се използва да ускорява реакциите при електродите . Горивни клетки в дадената таблица са класифицирани спрямо вида на електролита и тяхната работна температура . Всеки вид изисква определени материали и горива и е подходящ за различни приложения .


Електролит Температура С°
Alkaline (AFC) 90
Proton Exchange Membrane (PEMFC) 80-100
Direct methanol fuel cell (DMFC) 90
Phosphoric acid (PAFC) 140
Molten carbonate (MCFC) 800
Solid oxide (SOFC 800-1000
Regenerative fuel cell -

Какъв е принципът на работа на горивните клетки ?
Горивната клетка се състои от електролит който е поставен между два електрода . Кислородът преминава през единия електрод, а водородът през другия, генерирайки електричество , вода и горещина . Горивната клетка може да използва водород, преобразуван от каквото и да е гориво с въглеводород . От друга страна, горивните клетки за висока температура нямат нужда от преобразувател за гориво и направо могат да използват природни горива като естествена газ , газ от въглища , и т.н. Откакто горивната клетка разчита на химичните процеси и горенето, вредните емисии са много по-малко от емисиите при горене и на най-чистото гориво.

Преглед на технологията.
Горивната клетка е електро-химичен преобразувател на енергия . Тя съединява водород и кислород, за да произвежда вода и електричество .Тя всъщност е електро-химично устройство , приличащо по функция на батерия, но за разлика от батерията тя не складира енергия. Това е процес за поток, който тегли течност или газообразно гориво от отделен резервоар и ако е необходимо го превръща във водород чрез преобразуване. Тогава водородът се комбинира с кислорода от въздуха в горивната клетка и произвежда вода и електричество. Превръщането на енергията в горивната клетка по принцип е чист и тих процес.
Горивната клетка обикновено използува водород като гориво, но също така могат да бъдат използвани и други горива като естествен газ , метанол и дори въглища. В повечето видове горивни клетки тези горива първо трябва да бъдат преобразувани във водород с помощта на преобразувател.В зависимост от вида на горивната клетка крайният продукт може да бъде електричество и топлина от 80°C дo 800°C.

Какви са различните аспекти в технологията и приложенията на горивната клетка?
Централната работеща част от “PEM” (Proton Exchange Membrane) горивна клетка е съвкупността от електрод и мембрана , която има слоеста структура и се състои от анод, електролит във вид на полимерна мембрана и катод . Водородът се подава на анода и прониква през него към катализатор от тънък платинен слой, намиращ се на границата между анода и полимерната мембрана. Тук водородът се превръща в протони и електрони . На катода протоните и електроните се събират отново и се комбинират с кислорода от въздуха, при което се отделя вода и топлина.

Какво представлява горивната клетка?
Горивната клетка е електро-химично устройство, което комбинира водород и кислород ( от въздуха) за да произвежда електричество, горещина и вода . Клеткита за гориво работят без горене, и затова не замърсяват въздуха. И тъй като няма движещи се части, горивните клетки са изключително тихи. Горивната клетка се състои от анод ( отрицателен електрод, който отблъсква електроните ), и от катод (положителен електрод, който привлича електроните).
Когато водородът навлиза в анода на горивната клетка,катализаторът към анода спомага за разделяне на протоните от електроните.
Електролитът в центъра позволява само на протоните да преминат през мембраната към страната на катода на горивната клетка. Електроните не могат да преминат през тази мембрана и текат през външна верига във формата на електрически ток .
Когато кислородът протича през катода на горивната клетка, друг катализатор помага на кислорода, протоните и електроните да се комбинират за произвеждане на чиста вода и горещина. Горивните клетки са комбинирани според размера си, който от своя страна зависи от необходимото количество електричество. Тя е само част от електроцентралата с горивна клетка.
Тъй като горивната клетка произвежда само прав ток чрез конвертор той се превръща в променлив. Също така,понеже водородът често не е наличен, e необходим процесор за превръщането на въглеводородните горива във водород за горивната клетка. Електроцентралата също изисква да има контролер.

Какво представлява процесорът за гориво ?
Просто устроен , процесор за гориво е механично устройство, което използва горещина и катализатор, за да промени химичният състав на въглеводорода и да се получи свободен водороден атом. Има три основни начина за преработване на горивото: катализно преобразуване на парата, автоматично термично преобразуване и катализно частично преобразуване чрез окисляване..
Катализният преобразувател за пара ( CSR ) събира заедно въглеводородното гориво, катализатора и парата и тогава прилага допълнителна горещина от външен източник, за да генерира химическата реакция . Едно преимущество на тази система е големият к.п.д.
Автоматичните термални реформатори ( ATR ) събират заедно въглеводородното гориво, катализатора, парата и кислорода. Част на горивото се използува да генерира необходимата горещина за химическата реакция . Една отличителна черта на тази система е неговата способност да преобразува много различни видове горива.
Катализните частични преобразуватели за окисление ( CPOX ) са подобни на автомобилните топлинни преобразуватели, но технологията позволява по-проста и по-малка работна система.

За какво се използва горивната клетка?

Горивни клетки може да се използват в транспорта, както за неподвижни, така и за преносими приложения. Пример на всичко това са автомобилите, производството на енергия, и малки батерии. Тъй като приложения в автомобилния пазар най-вероятно ще доведат печалба за търговското развитие в много близко бъдеще, тази секция фокусира главно на транспортни приложения.

1. Приложение в транспорта
В транспорта се изисква горивните клетки да са евтини, леки, компакти, мощни, да имат добър външен вид ,да са безопасни, да имат гъвкави конфигурации и да са лесни за използване.
Размер и големина
Горивните клетки за транспорт, особено автомобилни приложения, трябва да бъдат леки, компактни и предоставящи задоволителна производителност. Леките горивни клетки (онези с висока силова плътност) ще намалят масата на автомобила, осъществявайки и подобрението на икономика на гориво и намаление на разходи на структурните материали. Горивните клетки които са компактни позволяват на производителите на автомобили да увеличи пътническото и багажно пространство за различните автомобилни профили. Ограничението в размерът и масата на горивните клетки и съхранението на горивото може да бъде по-малко строго за маса транзитни приложения, позволявайки по-широк диапазон от различни видове горивни клетки да бъде приложен.

Производителност
Горивните клетки за автомобилните приложения изискват бързи времена и отлична характеристика на товара. Технологии които изискват време за загряване от рода на много минути или часове ще са неприемливи за автомобилните потребители, макар, че може би приемливи за маса транзит и тежки транспортни приложения. Горивните клетки използвани за транспорт трябва да отговорят адекватно на краткотрайни натоварвания както например, спиране и потегляне, внезапно ускорение, хълмисти пътища, и също така способни да започнат производство на мощност при или около температурите на замразяване. Сведения за Американското 'Mетанол' Общество откри че директните метанолови горивни клетки имат способността за бърз отговор на постъпкови промени в натоварването, и имат способността да стартират работа при температурите леко над замразяване. Веднъж стартирани, директните метанолови горивни клетки ще увеличат температурата си поради отделената генерирана топлина от купа, позволявайки трайно действие при ниските температури. Протон-обменните мембранови горивни клетки също имат бързи времена и добри отзиви за близко бъдеще

Безопасност
Докато безопасността е първостепенна във всички приложения на горивните клетки, това е особено критично за транспортни приложения. В случая на неизправност или нещастен случай, пораженията на пътниците в превозните средства и лица в околността на превозните средства трябва да бъдат намалени. Горивните клетки които работят при по-ниски температури, с обкръжаваща среда или ниската херметизация, и изградена от добри материали ще бъде предпочитана за транспортни приложения. Горивни клетки които работят при много високи температури, високо налягане, и/или съдържат разяждащи материали са по-малко желателни за транспортни приложения, и изискат по-скъпа конструкция и сигурност ако ще се ползват.