На един от най-обещаващите алтернативни енергийни източници, водород хибриден автомобил Toyota Mirai и опазване на околната среда

Горивни клетки са електрохимична преобразуване на енергия гориво водород в електричество, и единственият страничен продукт на този процес е вода.

Водородно гориво сега се използва в горивни клетки, обикновено получен от паров реформинг на метан (т.е., превръщането на въглеводороди с пара и топлина в метан), въпреки че подходът може да бъде повече "зелени" например електролиза на вода използване на слънчевата енергия.

Основните компоненти на горивната клетка са:

• анод, при който окислението на водород;
• катод, където има намаление на кислород;
• полимер електролитна мембрана, през която транспортирането на протони или хидроксидни йони (в зависимост от околната среда), - то не преминава през водород и кислород;
• областта на потока на кислород и водород, които са отговорни за доставяне на газ на електрода.

За да мотивира, например, кола, множество горивни елементи се събират в батерията, и количеството енергия, доставена от батерията на това зависи от общата площ на електродите и броят на елементите в него. Енергията в горивната клетка се генерира както следва: водород, се окислява при анода и електрони от него се изпращат към катода, където се намалява кислород. Електроните, получени чрез окисление на водород при анода да имат по-висока химическа потенциал от електрони, които намаляват кислород на катода. Тази разлика между химичните потенциали на електроните може да извлича енергия от горивни клетки.

История на създаване

Изследвания в областта на горивните клетки продължи и през 1930 г. FT Bacon въведе нов компонент в алкална горивна клетка (тип горивна клетка) - йонообменна мембрана, за да се улесни транспортирането на хидроксидни йони.

Един от най-известните исторически примери за алкални горивни клетки е да ги използват като основен източник на енергия по време на космически полет в програмата "Аполо".

избор на НАСА падна върху тях, защото на тяхната издръжливост и техническа устойчивост. Те са използвали gidroksidprovodyaschaya мембрана надминава ефективността на обмен протон сестра му.

В продължение на почти два века, тъй като първият прототип на горивна клетка много работа е свършена, за да ги подобри. Най-общо, крайният енергията получена от горивната клетка, зависи от кинетиката на реакцията на редокси, вътрешното съпротивление на елемент и масов трансфер на йони и взаимодействие газ на каталитично активни компоненти. В продължение на много години, много подобрения в първоначалната идея е направено, като:

1) замяна на платина проводниците на електродите въглерод-базирани наночастици с платина; 2) съгласно изобретението селективността мембрана и висока проводимост, като Nafion, за да се улесни йонен транспорт; 3) смесване на катализатор слой като платинови наночастици разпределени въглерод-базирани йонообменна мембрана, при което беше монтаж мембрана-електрод с минимум вътрешното съпротивление; 4) използването и оптимизиране на полета на потока, за доставка на водород и кислород на повърхността на катализатор, отколкото директно към тях се разрежда в разтвор.

Тези и други подобрения в крайна сметка ще дадоха технологията е достатъчно силна, че тя може да се използва в автомобилите, като Toyota Mirai.

Горивни клетки с мембрани gidroksidobmennymi

Университета на Делауеър извършва изследване на развитието на гориво клетъчни мембрани gidroksidobmennymi - HEMFCs (хидроксид обмен мембрана горивни клетки). Горивни клетки с gidroksidobmennymi мембрани вместо protonoobmennyh - PEMFCs (обмен протон мембрана горивни клетки) - долната страна на една от най-големите проблеми PEMFCs - проблем катализатор стабилност, тъй като много по-голям брой на катализатори на базата на благородни метали е стабилна в алкална среда, отколкото в кисела. стабилност катализатор в алкални разтвори по-горе, тъй като освобождава метал разтваряне повече енергия при ниско рН, отколкото при висока. Голяма част от работата в лабораторията също е посветена на разработването на нови катодни и анодни катализатори окисление на водород и намаляване на кислород за още по-ефективно им ускорение. В допълнение, лабораторията се развива нов gidroksidobmennye мембрана като проводимост и трайност на тези мембрани трябва да се подобри, за да им се даде възможност да се конкурират с обмен протон.

Търсенето на нови катализатори

Загубите от причина свръхнапрежение в редукционната реакция кислород приписвани линейна връзка между размера на междинните продукти на реакцията. В конвенционален четиритактов-електронен механизъм на тази реакция, кислород се намалява последователно създаване на междинни съединения - OOH *, О * и ОН *, в крайна сметка образуват вода (H2O) върху повърхността на катализатора. Тъй като адсорбция енергийни междинни съединения в отделните катализатора силно корелирани една с друга, все още не са открити никакви катализатор че поне на теория, няма да има загуби свръхнапрежение. Въпреки факта, че скоростта на реакцията е ниска, промяна на киселата среда в алкална, като в HEMFC, не е особено засегнати от него. Въпреки това, скоростта на водород окислителната реакция намалява почти два пъти и този факт мотивира изследвания, насочени към намиране на причините за намаляване и откриване на нови катализатори.

Предимствата на горивни клетки

За разлика от въглеводородни горива, горивни клетки повече, ако не всички, безопасен за околната среда и не произвеждат парникови газове в резултат на дейността му. Освен това, тяхното гориво (водород), по принцип, е възобновяем, тъй като тя може да се получи чрез хидролиза на вода. Така водород горивни клетки в бъдеще обещава да бъде пълна част от процеса на производство на енергия, при което слънчева и вятърна енергия се използва за производство на водород гориво, което след това се използва в горивна клетка за производство на вода. По този начин, цикълът е затворен и не оставят въглероден отпечатък.

За разлика от акумулаторни батерии, горивни клетки имат предимството, че те не се нуждаят от презареждане - те могат веднага да започне да доставя енергия, веднага след като той е необходим. Това означава, че ако се използват, например, в превозни средства, от страна на потребителя, ще бъде почти без промяна. За разлика от слънчевата енергия и мощност на горивата вятър клетки могат да произвеждат енергия непрекъснато и много по-малко зависими от външни условия. На свой ред, геотермалната енергия е достъпна само в някои географски райони, като горивните клетки отново такъв проблем няма.

водородни горивни клетки - един от най-обещаващите алтернативни енергийни източници, поради тяхната преносимост и гъвкавост по отношение на мащаба.

Сложността на съхранение на водород

В допълнение към проблемите с недостатъците на сегашните мембрани и катализатори, други технически трудности за горивни клетки са свързани със съхранението и транспортирането на водород гориво. Водородът има много ниска енергийна плътност на единица обем (количеството енергия, съдържаща се в единица обем при дадена температура и налягане), и поради това трябва да се съхраняват под много високо налягане, така че може да се използва в превозни средства. В противен случай, размерът на контейнера за съхранение на необходимото количество гориво не може да бъде голям. Поради тези съхранение ограничения водород опитва да намери начини за производство на водород от нещо различно от газообразна форма, като например метален хидрид горивна клетка. Но текущата потребителска употреба на горивната клетка, като Toyota Mirai, използвайки суперкритичната водород (водород при условия на температура по-висока от 33 К и по-високо налягане от 13,3 атмосфери, т.е. над критичните стойности) и сега е най-удобен вариант.

перспективи полеви

Благодарение на съществуващите технически пречки и предизвикателства, за производство на водород от вода, използвайки слънчевата енергия в близко бъдеще изследването най-вероятно ще се съсредоточи главно върху търсенето на алтернативни източници на водород. Един популярен идея е да се използва амоняк (водород нитрид) директно в горивна клетка вместо водород или за производството на водород от амоняк. Причината за това - по-ниски изисквания от страна на амоняк под налягане, което го прави по-удобен за съхранение и боравене. В допълнение, амоняк като източник на водород привлекателен, тъй като не е въглерод. Поради този проблем е решен чрез отравяне на катализатора поради определено количество СО в водородът произведен от метан.

В бъдеще, горивните клетки могат да намерят широко приложение в областта на мобилните технологии и децентрализираното производство на енергия, например, в жилищни райони. Въпреки факта, че в момента се използват горивни клетки като източник на първична енергия изисква повече средства, в случай на по-евтини и по-ефективни катализатори, стабилни мембрани с висока проводимост и алтернативни водородни източници водородни горивни клетки могат да придобиват висока икономическа привлекателност.