Стационарни системи с горивни клетки

Алтернативно захранване на критични инфраструктури

Cравнително наскоро в сферата на резервното електрозахранване се появиха нови системи, базирани на горивни клетки. Тези системи предлагат функционалните характеристики на класическите системи за аварийно електрозахранване, но с нови, подобрени работни параметри и нулеви въглеродни емисии при преобразуването на енергията, с което технологията спомага за опазването на околната среда.

Единственият остатъчен продукт на водородната горивна клетка е водната пара, към която само в някои видове се прибавят малки количества въглероден двуокис. Поради голямата си ефективност и беземисионна работа горивните клетки са подходяща технология за редица приложения.

Така например в областта на IT и телекомуникациите горивните клетки могат да заместят батериите за резервно електрозахранване, както и да се използват в мобилни телекомуникационни и дейта центрове. Системите с горивни клетки биха могли да намерят приложение като аварийно захранване и в енергийни или транспортни инфраструктури с цел поддържане на балансиращи мощности или резервно захранващо напрежение в контролните центрове.

Екстремните условия в мините и при строителството на тунели също изискват надеждни технически решения за резервно захранване. В тези случаи те могат да се използват за поддържане на системите за контрол, наблюдение и осветление в критични инсталации по време на авария.

В горивните клетки няма движещи се части, което е сериозна предпоставка за тяхната практически безшумна работа. Това би могло да се окаже решаващо предимство при избора на резервно захранване в болници, административни сгради, учебни заведения и на много други места.

Системи с акумулаторни батерии или с горивни клетки

Акумулаторните батерии и горивните клетки произвеждат електричество на базата на електрохимична реакция, като основната им разлика е в принципа на действие. При горивните клетки анодните и катодните активни вещества (водород или заместващият го газ и кислород) не се намират в самите тях, а се подават на съответните електроди отвън и то само тогава, когато е необходимо захранването на даден консуматор.

Произвеждането на електрическа енергия чрез подаване на гориво е непрекъснато и може да бъде постоянно, докато капацитетът на една обикновена батерия е ограничен от количество на реактантите в нея. 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.

Те не се изтощават окончателно и не се изисква повторното им зареждане чрез подаване на напрежение от външен източник. Горивните клетки не могат да складират енергията като акумулаторните батерии, но в някои приложения, като системите за оползотворяване на възобновяеми източници на енергия, те се комбинират с електролизатори и се получават системи за съхранение на енергия. Работната ефективност на подобни електростанции (трансформиращи електрическа енергия във водород и обратно) е около 40%, но теоретично може да достигне над 60%.

За реализацията на системите се използват няколко вида горивни клетки

Горивните клетки с твърд оксиден електролит (Solid oxide fuel cell, SOFC) са най-ефективните и най-перспективните за момента. Подходящи са за широка гама от стационарни генератори, които могат да осигуряват електроенергия за промишлени и комунални нужди.

Този тип горивни клетки работят при много високи температури (1000 °C), което позволява употребата на различни въглеводороди като гориво и работа в режим на когенерация. Като електролит в тези клетки се използва керамичният материал итриев цирконат (YSZ). Анодът на SOFC е смес от Ni, Y2O3 и ZrO2 с дебелина около 0,15 mm, докато катодът е сплав от манган и лантан с дебелина около 2 мм.

В катода (отрицателния полюс) се впръсква кислород и се образуват отрицателни йони, които преминават през електролита и достигайки анода влизат в химична реакция с впръскания там водород. В резултат на нея се получават електрони, които напускат анода и образуват тока във външната верига, а остатъчният продукт отново е вода.

Важна специфична особеност на SOFC е възможността им освен с водород да работят и с някои хидрокарбонати. Нещо повече, електролитът може самостоятелно да превърне метан, пропан и бутан във водород, докато използването на по-тежки хидрокарбонати (бензин и дизел) изисква допълнителна външна инсталация за получаване на водород.

Типичната стойност на к. п. д. е около 60%, а на плътността на тока - между 50 и 400 mA/cm2. Практически използваните батерии от SOFC са с мощност от 1 kW до 2 MW.

Основните предимства на SOFC са твърдият електролит, възможността за използване на различни материали при производството им, възможността за работа с други “горива” освен водород, добрият к. п. д. и реализацията с тях на смесени електроцентрали (със SOFC и някое от класическите горива).

Недостатъците са свързани с работата при висока температура - по-голямата опасност от корозия и повреди, както и сравнително бавното навлизане в нормален работен режим след включването. Приложенията са за електроцентрали от класически тип, в такива с малка мощност за местно производство на електроенергия и за аварийно захранване.

Друг вид високотемпературни горивни клетки

са тези със стопен карбонат (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC). Електролитът е твърд литиево-калиев карбонат, но при работната температура от 650 °С се разтопява, което позволява движението на йоните през него. При впръскване на кислород в катода се получават отрицателни йони, които, достигайки до анода, реагират с впръсквания там водород и създават електрони във външната верига и вода като остатъчен продукт.

Важна подробност е, че в анода се отделя и въглероден двуокис, който чрез допълнителна тръба се подава в катода за осъществяване на описаната реакция. Анодът е от никел-хромова или никел-алуминиева сплав, а катодът е никелов окис. Разстоянието между двата електрода е 0,5-1 мм и не е необходимо да имат покритие от благородни метали.

Основните предимства са възможността вместо водород да се използва природен газ или такъв, добит чрез преработка на въглища, липсата на благородни метали в структурата на MCFC, допустимите неголеми замърсявания в използваните газове и възможността за съвместна работа с класически електрогенериращи мощности. Недостатъците са както на SOFC.

Високотемпературните горивни клетки (MCFC и SOFC) не съдържат платина, която е една от най-скъпите съставни части на ниско- и среднотемпературните горивни елементи. Друго основно предимство е възможността за работа с по-голяма гама от горива, включително природен газ.

На трето място, те могат да работят в режим на когенерация - получената при работата им прегрята пара може да се използва за задвижване на електрически микротурбини, където се генерира допълнително количество електроенергия. От друга страна, високата работна температура усложнява поддръжката и намалява приложението на тези горивни клетки. Те могат да се използват почти само за стационарна електрогенерация.

Горивни клетки с протонно-обменна мембрана

Друг вида са горивните клетки с протонно-обменна мембрана (Polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC). Протонно-обменната мембрана от двете страни е импрегнирана с метални частици, най-често платинени. Тази мембрана разделя анодната и катодната страна и пропуска само протоните да минават през нея, за да достигнат катода. Електроните са принудени да преминат по външната електрическа верига, доставяйки енергия.

На катализатора на катода молекулите кислород реагират с електроните (които са пропътували по външната верига) и протоните (дифундиралите през мембраната), за да образуват вода, при което се отделя топлина. В този пример единственият отпадъчен продукт е водна пара. Използваният електролит е твърд ограничен полимер. Това намалява корозията и проблемите при производството им.

Съществените практически особености на тези клетки са три. Първата е необходимостта от съдържащите платина анод и катод, благодарение на които химичните реакции могат да се осъществят при сравнително ниска температура (най-добрата й стойност е 80 °С).

Втората особеност е, че за поддържането на температурата е необходимо охлаждане. И на трето място, по принцип не е възможно целият впръскан водород да бъде използван - неголяма част от него излиза от горивната клетка в околното пространство.

Типичното напрежение на празен ход на горивната клетка при нейна температура 80 °С и налягане на впръскваните газове 1 atm е 1,16 V, но реалните му стойности са 0,7 - 0,9 V. Както при всеки източник на електрическа енергия, напрежението намалява с увеличаване на консумирания ток. Допустимите граници на работната температура на разглежданите горивни клетки са от 50 до 100 °С.

Основните предимства на PEMFC са работата при сравнително ниска температура, бързото подаване на енергия при включване на товар, лесната поддръжка и малката опасност от кородиране (последните две са заради твърдия електролит). Като недостатъци могат да се споменат необходимостта от голяма чистота на водорода и повишената цена главно заради използването на платина. При приложения в стационарни електроцентрали типичният к. п. д. е 35%.

Горивни клетки с директно използване на метанол

Конструктивно тези горивни клетки (DMFC - Direct-methanol fuel cells) са аналогични на PEMFC поради използването на протонно-обменна мембрана като електролит. Характерното тук е, че самият аноден катализатор извлича водородът от течния метанол и така отпада необходимостта от преобразувател.

Някои от основните предимства на тези горивни клетки са по-лесното съхраняване на метанола. Не се налага използването на съд за високо налягане, както е при водородните клетки. Освен това, метанолът притежава по-висока енергоносимост за единица обем в сравнение с водорода и не е необходимо използването на скъпи и сложни електроди, изпълняващи ролята и на катализатор както при водород-кислородните клетки.

DMFC са ограничени в мощността, която могат да отдават, но могат да съхраняват високо енергийно съдържание в малко пространство. Това означава, че те могат да произвеждат малко количество енергия в продължение на дълъг период от време. Очакваната ефективност на този вид горивни елементи е 40%, като работната температура е в границата 50 - 100 °С.

Фосфорно-киселинни горивни клетки

Фосфорно-киселинните горивни клетки (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC) са най-масово използваните на практика, като с тях са построени множество действащи електроцентрали и блокове за аварийно производство на електроенергия. Структурата на PAFC е подобна на тази на PEMFC, но електролитът отново е течен от чиста фосфорна киселина (Н3РО4) с работна температура около 200 °С и типично налягане между 5 и 8 atm.

С киселината е напоена носещата субстанция от тефлон, покрит със силициев карбид. Анодът и катодът представляват порьозни ленти от въглерод с нанесен тънък слой на смес от много дребни частици тефлон, въглерод и платина с намалено процентно съдържание на последната (0,1 mg/cm2 в анода и 0,5 mg/cm2 в катода) благодарение на използването на въглерод.

Така за производството на PAFC батерии се необходими около 50 mg платина за всеки kW мощност. Водородът отново се впръсква в анода, кислородът - в катода, а остатъчният продукт е вода. Предимство е, че в газовете е допустимо да има замърсяване с въглероден окис до около 1,5%, което улеснява и поевтинява приложенията.

Типичното напрежение на клетка е 0,7 V, а плътността на тока е в границите 430-650 mА/cm2. Допустимо е електролитът да е с налягане 1 atm, но това води до намаляване на плътността на тока в границите 200-300 mА/cm2. В зависимост от конструкцията и останалите параметри (най-вече при PAFC батерии) к. п. д. е в границите от 40% до 80%.

Основен недостатък е сравнително бавното навлизане на PAFC в нормален работен режим, т. е. времето от започване на подаване на газовете до получаването на номиналните електрически параметри е по-дълго в сравнение с останалите видове FC. Това обаче практически е без значение за реализацията на стационарни постоянно действащи електрогенериращи мощности.

Тенденции в развитието

Като недостатък на горивните клетки често се посочва използването на платина за катализатор, която освен че е скъпа, и деградира с течение на времето. Намирането на по-евтин и масово разпространен неин заместител е цел на редица научни организации и корпорации. Наскоро учени представиха вариант на евтин, неплатинов катализатор с по-дълъг живот, за производството на който е използван графен.

Графеновият лист е покрит с наночастици от кобалт и кобалтов окис, който катализира редукцията на кислорода по същия начин като платината, но в същото време може да се използва много по-дълго време. Лабораторните тестове показват, че новият катализатор е малко по-бавен при стартиране на процеса на редукция на кислорода, но след като вече реакцията е започнала, новият материал е по-бърз от платината.

Друга посока в развитието на горивните клетки е създаването на нискоенергоемка и надеждна технология за производство на водород от вода, използвайки като източник ВЕИ енергия. Така наречените регенеративни горивни клетки (Regenerative Fuel Cell) са все още в експериментален стадий на развитие, но са атрактивни с това, че представляват затворена система за генериране на енергия.

Водата се разделя на водород и кислород с помощта на захранван от ВЕИ енергия електролизатор. Водородът и кислородът се подават в горивния елемент, който, от своя страна, генерира електричество, топлина и вода. Получената вода се връща обратно в електролизьора и процесът започва отново. Концепцията не е нова, но учените продължават да се стремят към постигане на по-високи нива на ефективност.

За момента най-високата демонстрирана ефективност при производството на водород по този метод е 60%. Екипът учени, разработил алтернативната технология, използва нанофотокатод, който представлява електрод от злато, покрит с наноклъстери от индиев фосфид. Нанофотокатодът поглъща фотоните от слънчевата светлина, които освобождават електрони и ги предават на желязно-серен комплекс.

Последният играе ролята на "фабрика за синтез", като използва освободените електрони и водородните йони в обграждащата електрода вода, за да произведе молекула чист водороден газ. Екипът работи и по посока на постигане на същите резултати с по-евтини материали вместо първоначално използваните благородни метали.