Горивна клетка

Как да преобразуваме енергията

Водата е молекула, която се състои от един кислороден атом и два водородни атома. За разделянето на водата на кислород и водород е необходима енергия, която се освобождава при повторното им съединяване като вода. Горивната клетка съединява водорода и кислорода по начин, при който енергията се освобождава под формата на електричество.

Горивото (източникът на енергия, обикновено водород) и въздухът (който съдържа кислород) се поставят в противоположни страни на горивната клетка. В средата на горивната клетка има "екран", наречен електролит, поставен между две метални плочи, наречени електроди, който държи горивото и въздуха разделени. Различните видове горивни клетки получават имената си въз основа на това какъв тип екран се използва за разделяне на горивото и въздуха. Екранът позволява преминаването през него само на определени заредени молекули, известни също като йони.

За да се създадат йони, електроните трябва да се пренесат от едната страна на системата до другата. Електроните се отделят от горивото от металната пластина от страната на горивото и трябва да се придвижат до страната на въздуха, за да завършат реакцията. Тъй като екранът не пропуска електрони, те преминават през отделен проводник до другата метална пластина от страната на въздуха. Придвижването на електроните създава електрически ток (електричество). Проводникът е мястото, където електричеството може да се използва. Например проводникът може да бъде разрязан наполовина и между двете половини да се свърже електрическа крушка.

Междувременно йоните преминават през екрана и реагират с молекулите (които вече са от другата страна) и електроните (които са преминали през проводника, отделяйки енергия за захранване на електрониката) от другата страна. Образува се вода (и, в зависимост от вида на горивото, понякога други продукти), която излиза през изпускателната тръба.

Ефективност

Горивните клетки произвеждат електричество чрез комбиниране на кислород и водород. Ефективността им е много добра (около 40-70%). Максималната им ефективност е 83 %, ако при реакцията се използва топлината на отработените газове. Освен това горивните клетки могат да използват различни горива, например природен газ, метанол, втечнен нефтен газ (LPG), нафта, керосин и др.

Функции

Някои видове горивни клетки произвеждат само вода, което означава, че няма замърсяване. Повечето видове горивни клетки отделят много по-малко вредни емисии в сравнение с класическото ("калорично") производство на електроенергия. Те могат да консумират същите видове горива като класическите генератори на електроенергия, например дизеловите двигатели, но са около два пъти по-ефективни, което означава, че могат да произвеждат същото количество енергия с два пъти по-малко гориво, а следователно и с поне два пъти по-малко замърсяване. Освен това при използването на горивни клетки с директно преобразуване има по-малък риск от образуване на вторични емисии като NOx, SOx и прахови частици, които са странични ефекти от горенето, допринасят за глобалното затопляне и са известни като критерии за замърсяване.

Горивните клетки са много тихи. Те нямат движещи се части, освен някои вентилатори за движение на въздуха и помпи за движение на водата, което означава, че много рядко се нуждаят от ремонт, но някои големи горивни клетки, използвани за захранване на сгради, могат да бъдат доста крехки.

Поради много ниските емисии на замърсители горивните клетки често се използват в превозни средства, които се движат вътре в сградите, като например мотокари. Тъй като са много тихи, те се използват в някои военни подводници, за да не бъдат открити. Горивото се използва по-ефективно, което означава, че горивните клетки могат да работят по-дълго, без да се налага да се зареждат с ново гориво. Това позволява използването им на места, до които е трудно да се стигне, като метеорологични или изследователски станции, космически кораби или военни бази.

Тъй като космическите кораби се изстрелват с ракети, съдържащи чист водород и кислород, електричеството на борда се произвежда с помощта на много ефективни горивни клетки, които могат да използват тези горива. Освен това горивните клетки на космическите кораби произвеждат чиста вода в отработените газове, която може да бъде уловена и използвана като питейна вода за астронавтите, което означава, че не се губи абсолютно нищо.

Видове горивни клетки

Горивните клетки могат да бъдат класифицирани според вида на вътрешния екран (електролит). Например горивните клетки с фосфорна киселина са предназначени за ниски температури. Тя се използва в мобилните телефони и автомобилните захранвания, които изискват високи токове, тъй като е много по-безопасна. Алкалните горивни клетки обикновено съдържат калиев хидроксид (KOH). Метаноловите горивни клетки се използват чрез електрохимична реакция на метанол. Този тип горивна клетка е по-добър избор за по-прости системи. Но метаноловите горивни клетки имат ниска плътност на изхода, тъй като скоростта на реакцията им е бавна.

Някои важни видове горивни клетки са:

• Горивна клетка с фосфорна киселина (PAFC) - Днес горивните клетки с фосфорна киселина са достъпни на пазара. Те са най-разпространените горивни клетки за комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия.
• Горивна клетка с протонно-обменна мембрана (PEM) - Тези горивни клетки работят при относително ниски температури (около 175 °F), имат висока плътност на мощността, могат бързо да променят мощността си, за да отговорят на промените в търсенето на енергия, и са подходящи за приложения, като например в автомобилите, където се изисква бързо стартиране. Всички търговски превозни средства с горивни клетки използват този тип горивни клетки. Недостатъкът на тези горивни клетки е, че те изискват водород с висока чистота, чието производство е скъпо.
• Горивна клетка с разтопен карбонат (MCFC) - тези горивни клетки работят при много високи температури, което им позволява да преобразуват по-сложни горива, като природен газ, във водородно гориво, което да се използва от самата клетка. Пускането и спирането им отнема няколко часа, така че се използват само в приложения, в които могат да работят непрекъснато, като например стационарно захранване на големи сгради/предприятия.
• Микробна горивна клетка (MFC) - горивна клетка, която използва дишащи микроби за преобразуване на органични субстрати в електрическа енергия чрез окислително-редукционни реакции.

Приложения

Горивните клетки имат много приложения - големи производители на автомобили работят за комерсиализиране на автомобили с горивни клетки. Toyota и Honda пуснаха на пазара съответно Mirai и Clarity. Горивните клетки захранват автобуси, лодки, влакове, самолети, скутери, мотокари и велосипеди. Съществуват автомати за продажба, прахосмукачки и пътни знаци на магистрали, задвижвани от горивни клетки. Предвижда се създаването на миниатюрни горивни клетки за мобилни телефони, преносими компютри и преносима електроника. Болници, центрове за кредитни карти, полицейски участъци и банки използват горивни клетки, за да осигурят захранване на своите обекти. Пречиствателните станции за отпадни води и депата за отпадъци ги използват за преобразуване на метана, който произвеждат, в електричество. Горивните клетки отдавна се използват в космоса. Телекомуникационните компании използват горивни клетки в кулите за мобилни телефони, радио и 911.