Kompaktiško kuro elemento trūkumai. DIY kuro elementas

kuro elementas yra elektrocheminis prietaisas, panašus į galvaninį elementą, tačiau nuo jo skiriasi tuo, kad elektrocheminei reakcijai reikalingos medžiagos į jį tiekiamos iš išorės – priešingai nei galvaniniame elemente ar baterijoje sukauptas ribotas energijos kiekis.

Ryžiai. vienas. Kai kurie kuro elementai

Kuro elementai cheminę kuro energiją paverčia elektra, aplenkdami neefektyvius degimo procesus, kurie vyksta su dideliais nuostoliais. Dėl cheminės reakcijos jie vandenilį ir deguonį paverčia elektra. Dėl šio proceso susidaro vanduo ir išsiskiria daug šilumos. Kuro elementas yra labai panašus į akumuliatorių, kurį galima įkrauti ir tada naudoti elektros energijai kaupti. Kuro elemento išradėjas yra Williamas R. Grove'as, kuris jį išrado dar 1839 m. Šiame kuro elemente kaip elektrolitas buvo naudojamas sieros rūgšties tirpalas, o kaip kuras – vandenilis, kuris oksiduojančioje terpėje susijungė su deguonimi. Dar visai neseniai kuro elementai buvo naudojami tik laboratorijose ir erdvėlaiviuose.

Ryžiai. 2.

Skirtingai nuo kitų elektros generatorių, tokių kaip vidaus degimo varikliai ar turbinos, varomos dujomis, anglimi, nafta ir kt., kuro elementai nedegina kuro. Tai reiškia, kad nėra triukšmingų aukšto slėgio rotorių, nėra didelio išmetimo triukšmo, nėra vibracijos. Kuro elementai generuoja elektros energiją per tylią elektrocheminę reakciją. Kitas kuro elementų bruožas yra tai, kad jie paverčia kuro cheminę energiją tiesiogiai į elektros energiją, šilumą ir vandenį.

Kuro elementai yra labai efektyvūs ir neišskiria daug šiltnamio efektą sukeliančių dujų, tokių kaip anglies dioksidas, metanas ir azoto oksidas. Vieninteliai produktai, kuriuos išskiria kuro elementai, yra vanduo garų pavidalu ir nedidelis anglies dioksido kiekis, kuris visiškai neišsiskiria, jei kaip kuras naudojamas grynas vandenilis. Kuro elementai surenkami į mazgus, o vėliau į atskirus funkcinius modulius.

Kuro elementai neturi judančių dalių (bent jau ne pačioje kameroje), todėl jie nepaklūsta Carnot įstatymui. Tai yra, jie turės daugiau nei 50% efektyvumo ir yra ypač veiksmingi esant mažoms apkrovoms. Taigi, kuro elementų transporto priemonės gali būti (ir jau buvo įrodyta, kad yra) efektyvesnės degalų nei įprastos transporto priemonės realiomis vairavimo sąlygomis.

Kuro elementas generuoja nuolatinę elektros srovę, kuri gali būti naudojama elektros varikliui, apšvietimo įtaisams ir kitoms transporto priemonės elektros sistemoms valdyti.

Yra keletas kuro elementų tipų, kurie skiriasi naudojamais cheminiais procesais. Kuro elementai paprastai klasifikuojami pagal naudojamo elektrolito tipą.

Kai kurios kuro elementų rūšys yra perspektyvios naudoti elektrinėse, o kitos skirtos nešiojamiesiems įrenginiams ar vairuoti automobilius.

1. Šarminiai kuro elementai (AFC)

Šarminis kuro elementas– Tai vienas iš pirmųjų sukurtų elementų. Šarminiai kuro elementai (ALFC) yra viena iš labiausiai ištirtų technologijų, NASA naudotų nuo septintojo dešimtmečio vidurio „Apollo“ ir „Space Shuttle“ programose. Šiuose erdvėlaiviuose kuro elementai gamina elektrą ir geriamąjį vandenį.

Ryžiai. 3.

Šarminio kuro elementai yra vienas iš efektyviausių elementų, naudojamų elektros energijai gaminti, o energijos gamybos efektyvumas siekia iki 70%.

Šarminiuose kuro elementuose naudojamas elektrolitas, t. y. vandeninis kalio hidroksido tirpalas, esantis porėtoje, stabilizuotoje matricoje. Kalio hidroksido koncentracija gali skirtis priklausomai nuo kuro elemento darbinės temperatūros, kuri svyruoja nuo 65°C iki 220°C. Krūvio nešiklis SFC yra hidroksido jonas (OH-), judantis nuo katodo iki anodo, kur reaguoja su vandeniliu, kad susidarytų vanduo ir elektronai. Ant anodo pagamintas vanduo grįžta atgal į katodą ir vėl sukuria hidroksido jonus. Dėl šios kuro elemente vykstančių reakcijų serijos gaminama elektra, o kaip šalutinis produktas – šiluma:

Anodo reakcija: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Reakcija prie katodo: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Bendra sistemos reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O

SFC privalumas yra tas, kad šiuos kuro elementus gaminti yra pigiausia, nes ant elektrodų reikalingas katalizatorius gali būti bet kuri medžiaga, kuri yra pigesnė už tas, kurios naudojamos kaip kitų kuro elementų katalizatoriai. Be to, SFC veikia palyginti žemoje temperatūroje ir yra vieni efektyviausių.

Viena iš būdingų SFC savybių yra didelis jautrumas CO2, kuris gali būti degaluose arba ore. CO2 reaguoja su elektrolitu, greitai jį nuodija ir labai sumažina kuro elemento efektyvumą. Todėl SFC naudojimas apsiriboja uždaromis erdvėmis, tokiomis kaip kosmoso ir povandeninės transporto priemonės, jie veikia naudojant gryną vandenilį ir deguonį.

2. Karbonato lydalo kuro elementai (MCFC)

Kuro elementai su išlydytu karbonato elektrolitu yra aukštos temperatūros kuro elementai. Aukšta darbinė temperatūra leidžia tiesiogiai naudoti gamtines dujas be kuro procesoriaus ir mažo šilumingumo kuro dujas iš technologinio kuro ir kitų šaltinių. Šis procesas buvo sukurtas septintojo dešimtmečio viduryje. Nuo to laiko buvo patobulinta gamybos technologija, našumas ir patikimumas.

Ryžiai. keturi.

RCFC veikimas skiriasi nuo kitų kuro elementų. Šiose ląstelėse naudojamas elektrolitas iš išlydytų karbonato druskų mišinio. Šiuo metu naudojami dviejų tipų mišiniai: ličio karbonatas ir kalio karbonatas arba ličio karbonatas ir natrio karbonatas. Norint išlydyti karbonato druskas ir pasiekti aukštą jonų mobilumo laipsnį elektrolite, kuro elementai su išlydytu karbonato elektrolitu veikia aukštoje temperatūroje (650°C). Efektyvumas svyruoja tarp 60-80%.

Kaitinant iki 650°C temperatūros, druskos tampa karbonato jonų (CO32-) laidininku. Šie jonai keliauja nuo katodo iki anodo, kur jie susijungia su vandeniliu ir sudaro vandenį, anglies dioksidą ir laisvuosius elektronus. Šie elektronai per išorinę elektros grandinę siunčiami atgal į katodą, sukuriant elektros srovę ir šilumą kaip šalutinis produktas.

Anodo reakcija: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reakcija prie katodo: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Bendroji elemento reakcija: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katodas) => H2O(g) + CO2(anodas)

Aukšta išlydyto karbonato elektrolito kuro elementų darbo temperatūra turi tam tikrų pranašumų. Privalumas – galimybė naudoti standartines medžiagas (nerūdijančio plieno lakštą ir nikelio katalizatorių ant elektrodų). Atliekinė šiluma gali būti naudojama aukšto slėgio garams gaminti. Aukšta reakcijos temperatūra elektrolite taip pat turi savo privalumų. Naudojant aukštą temperatūrą, reikia daug laiko pasiekti optimalias darbo sąlygas, o sistema lėčiau reaguoja į energijos suvartojimo pokyčius. Šios charakteristikos leidžia naudoti kuro elementų sistemas su išlydytu karbonato elektrolitu pastovios galios sąlygomis. Aukšta temperatūra neleidžia kuro elementui pakenkti anglies monoksidu, „apsinuodijimu“ ir kt.

Išlydyto karbonato kuro elementai tinkami naudoti dideliuose stacionariuose įrenginiuose. Pramoniniu būdu gaminamos šiluminės elektrinės, kurių išėjimo elektros galia yra 2,8 MW. Kuriamos iki 100 MW išėjimo galios elektrinės.

3. Kuro elementai, kurių pagrindą sudaro fosforo rūgštis (PFC)

Kuro elementai, kurių pagrindą sudaro fosforo (ortofosforo) rūgštis tapo pirmaisiais komerciniam naudojimui skirtais kuro elementais. Šis procesas buvo sukurtas XX amžiaus 60-ųjų viduryje, bandymai buvo atliekami nuo XX amžiaus 70-ųjų. Dėl to padidėjo stabilumas ir našumas, o kaina sumažėjo.

Ryžiai. 5.

Kuro elementuose, kurių pagrindą sudaro fosforo (ortofosforo) rūgštis, naudojamas elektrolitas ortofosforo rūgšties (H3PO4) pagrindu, kurio koncentracija yra iki 100%. Fosforo rūgšties joninis laidumas žemoje temperatūroje yra mažas, todėl šie kuro elementai naudojami esant iki 150-220°C temperatūrai.

Šio tipo kuro elementų krūvininkas yra vandenilis (H+, protonas). Panašus procesas vyksta ir protonų mainų membranos kuro elementuose (MEFC), kurių metu į anodą tiekiamas vandenilis suskaidomas į protonus ir elektronus. Protonai praeina per elektrolitą ir jungiasi su deguonimi iš oro prie katodo, sudarydami vandenį. Elektronai nukreipiami išilgai išorinės elektros grandinės ir sukuriama elektros srovė. Žemiau pateikiamos reakcijos, kurios gamina elektrą ir šilumą.

Anodo reakcija: 2H2 => 4H+ + 4e

Reakcija prie katodo: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Bendroji elemento reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O

Kuro elementų, kurių pagrindą sudaro fosforo (ortofosforo) rūgštis, efektyvumas generuojant elektros energiją yra didesnis nei 40%. Bendrai gaminant šilumą ir elektrą bendras naudingumo koeficientas siekia apie 85 proc. Be to, atsižvelgiant į darbo temperatūrą, atliekų šiluma gali būti naudojama vandeniui šildyti ir atmosferos slėgio garams gaminti.

Didelis kuro elementų šiluminių elektrinių, kurių pagrindą sudaro fosforo (ortofosforo) rūgštis, našumas kartu gaminant šilumą ir elektrą yra vienas iš šio tipo kuro elementų privalumų. Gamyklos naudoja apie 1,5% koncentracijos anglies monoksidą, kuris labai išplečia kuro pasirinkimą. Paprasta konstrukcija, mažas elektrolitų lakumas ir didesnis stabilumas taip pat yra tokių kuro elementų privalumai.

Pramoniniu būdu gaminamos šiluminės elektrinės, kurių išėjimo elektros galia iki 400 kW. 11 MW galios įrenginiai išlaikė atitinkamus testus. Kuriamos iki 100 MW išėjimo galios elektrinės.

4. Kuro elementai su protonų mainų membrana (MOFEC)

Kuro elementai su protonų mainų membrana yra laikomi geriausiu kuro elementų tipu transporto priemonių energijos gamybai, galinčiu pakeisti benzininius ir dyzelinius vidaus degimo variklius. Šiuos kuro elementus NASA pirmą kartą panaudojo Gemini programai. Sukurti ir parodyti MOPFC įrenginiai, kurių galia nuo 1 W iki 2 kW.

Ryžiai. 6.

Šių kuro elementų elektrolitas yra kieta polimerinė membrana (plona plastikinė plėvelė). Įmirkytas vandeniu, šis polimeras praleidžia protonus, bet nelaidžia elektronams.

Kuras yra vandenilis, o krūvininkas yra vandenilio jonas (protonas). Prie anodo vandenilio molekulė yra atskirta į vandenilio joną (protoną) ir elektronus. Vandenilio jonai pereina per elektrolitą į katodą, o elektronai juda aplink išorinį ratą ir gamina elektros energiją. Deguonis, paimtas iš oro, tiekiamas į katodą ir susijungia su elektronais ir vandenilio jonais, sudarydamas vandenį. Ant elektrodų vyksta šios reakcijos: Anodo reakcija: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eKatodo reakcija: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Bendra elementų reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O Palyginti su kitų tipų kuro elementais, kuro elementais su protonų mainų membrana gamina daugiau energijos tam tikram kuro elemento tūriui arba svoriui. Ši funkcija leidžia jiems būti kompaktiškiems ir lengviems. Be to, darbinė temperatūra yra mažesnė nei 100°C, o tai leidžia greitai pradėti darbą. Šios charakteristikos, taip pat galimybė greitai keisti energijos išeigą, yra tik keletas savybių, dėl kurių šie kuro elementai yra pagrindinis kandidatas naudoti transporto priemonėse.

Kitas privalumas yra tai, kad elektrolitas yra kietas, o ne skystas. Kietu elektrolitu lengviau išlaikyti dujas prie katodo ir anodo, todėl tokius kuro elementus pigiau pagaminti. Naudojant kietą elektrolitą, nekyla tokių sunkumų kaip orientacija ir mažiau problemų dėl korozijos, kuri padidina elemento ir jo komponentų patvarumą.

Ryžiai. 7.

5. Kietojo oksido kuro elementai (SOFC)

Kietojo oksido kuro elementai yra kuro elementai, kurių darbinė temperatūra aukščiausia. Darbinė temperatūra gali svyruoti nuo 600°C iki 1000°C, kas leidžia naudoti įvairių rūšių kurą be specialaus išankstinio apdorojimo. Šioms aukštoms temperatūroms atlaikyti naudojamas elektrolitas yra plonas keramikos pagrindo kietas metalo oksidas, dažnai itrio ir cirkonio lydinys, kuris yra deguonies (O2-) jonų laidininkas. Kietojo oksido kuro elementų naudojimo technologija buvo vystoma nuo šeštojo dešimtmečio pabaigos ir turi dvi konfigūracijas: plokštuminę ir vamzdinę.

Kietas elektrolitas užtikrina hermetišką dujų perėjimą iš vieno elektrodo į kitą, o skysti elektrolitai yra porėtame substrate. Šio tipo kuro elementų krūvininkas yra deguonies jonas (О2-). Prie katodo deguonies molekulės yra atskirtos nuo oro į deguonies joną ir keturis elektronus. Deguonies jonai praeina per elektrolitą ir susijungia su vandeniliu, sudarydami keturis laisvus elektronus. Elektronai nukreipiami per išorinę elektros grandinę, sukuriant elektros srovę ir atliekamą šilumą.

Ryžiai. aštuoni.

Anodo reakcija: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Reakcija prie katodo: O2 + 4e- => 2O2-

Bendroji elemento reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O

Elektros energijos gamybos efektyvumas yra didžiausias iš visų kuro elementų – apie 60 proc. Be to, aukšta darbinė temperatūra leidžia kartu gaminti šilumą ir elektros energiją, kad susidarytų aukšto slėgio garai. Aukštos temperatūros kuro elementą sujungus su turbina sukuriamas hibridinis kuro elementas, kuris padidina elektros energijos gamybos efektyvumą iki 70%.

Kietojo oksido kuro elementai veikia esant labai aukštai temperatūrai (600°C-1000°C), todėl reikia daug laiko pasiekti optimalias darbo sąlygas, o sistema lėčiau reaguoja į energijos suvartojimo pokyčius. Esant tokioms aukštoms eksploatacinėms temperatūroms, nereikia jokio keitiklio, kuris atgautų vandenilį iš kuro, todėl šiluminė elektrinė galėtų veikti su santykinai nešvariu kuru iš anglies dujinimo arba išmetamųjų dujų ir panašiai. Be to, šis kuro elementas puikiai tinka didelės galios reikmėms, įskaitant pramonines ir dideles centrines elektrines. Pramoninės gamybos moduliai, kurių išėjimo elektros galia 100 kW.

6. Kuro elementai su tiesiogine metanolio oksidacija (DOMTE)

Kuro elementai su tiesiogine metanolio oksidacija Sėkmingai naudojami mobiliųjų telefonų, nešiojamųjų kompiuterių maitinimo srityje, taip pat kuriant nešiojamus maitinimo šaltinius – būtent to ir siekiama ateityje panaudoti tokius elementus.

Kuro elementų su tiesiogine metanolio oksidacija struktūra panaši į kuro elementų su protonų mainų membrana (MOFEC), t.y. polimeras naudojamas kaip elektrolitas, o vandenilio jonas (protonas) – kaip krūvininkas. Bet skystas metanolis (CH3OH) oksiduojasi esant vandeniui prie anodo, išskiriant CO2, vandenilio jonus ir elektronus, kurie siunčiami per išorinę elektros grandinę, ir susidaro elektros srovė. Vandenilio jonai praeina per elektrolitą ir reaguoja su deguonimi iš oro ir elektronais iš išorinės grandinės, kad susidarytų vanduo prie anodo.

Anodo reakcija: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eKatodo reakcija: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Bendra elementų reakcija: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O 1990 m. padidėjo jų savitoji galia ir efektyvumas iki 40 proc.

Šie elementai buvo išbandyti 50-120°C temperatūros diapazone. Dėl žemos darbinės temperatūros ir nereikia keitiklio, šie kuro elementai geriausiai tinka naudoti mobiliuosiuose telefonuose ir kitose plataus vartojimo prekėse, taip pat automobilių varikliuose. Jų pranašumas taip pat yra maži matmenys.

7. Polimerinių elektrolitų kuro elementai (PETE)

Polimerinių elektrolitų kuro elementų atveju polimero membrana susideda iš polimerinių pluoštų su vandens sritimis, kuriose vandens jonų laidumas H2O+ (protonas, raudonas) yra prijungtas prie vandens molekulės. Vandens molekulės kelia problemų dėl lėto jonų mainų. Todėl tiek degaluose, tiek ant išmetimo elektrodų reikalinga didelė vandens koncentracija, kuri riboja darbo temperatūrą iki 100°C.

8. Kietosios rūgšties kuro elementai (SCFC)

Kietosios rūgšties kuro elementuose elektrolitas (CsHSO4) neturi vandens. Todėl darbinė temperatūra yra 100-300°C. SO42-oksianijonų sukimasis leidžia protonams (raudoniems) judėti, kaip parodyta paveikslėlyje. Paprastai kietojo rūgšties kuro elementas yra sumuštinis, kuriame labai plonas kieto rūgšties junginio sluoksnis yra įterptas tarp dviejų sandariai suspaustų elektrodų, kad būtų užtikrintas geras kontaktas. Kaitinamas, organinis komponentas išgaruoja, išeina pro poras elektroduose, išsaugodamas daug kuro (arba deguonies kitame elemento gale), elektrolito ir elektrodų kontaktų galimybę.

Ryžiai. 9.

9. Kuro elementų svarbiausių charakteristikų palyginimas

Ryžiai. dešimt.

10. Kuro elementų naudojimas automobiliuose

Ryžiai. vienuolika.

Ryžiai. 12.

Energetikos ekspertai pastebi, kad daugumoje išsivysčiusių šalių sparčiai auga susidomėjimas išsklaidytais, palyginti mažos talpos energijos šaltiniais. Pagrindiniai šių autonominių elektrinių privalumai yra nedidelės kapitalo sąnaudos statybos metu, greitas paleidimas, gana paprasta priežiūra ir geras aplinkosauginis veiksmingumas. Esant autonominei elektros tiekimo sistemai, investicijos į elektros linijas ir pastotes nereikalingos. Autonominių energijos šaltinių išdėstymas tiesiai vartojimo vietose ne tik pašalina nuostolius tinkluose, bet ir padidina elektros energijos tiekimo patikimumą.

Savarankiški energijos šaltiniai, tokie kaip mažos dujų turbinos (dujų turbinos), vidaus degimo varikliai, vėjo turbinos ir puslaidininkinės saulės baterijos, yra gerai žinomi.

Skirtingai nuo vidaus degimo variklių ar anglies/dujų turbinų, kuro elementai nedegina kuro. Cheminės reakcijos būdu jie paverčia kuro cheminę energiją į elektros energiją. Todėl kuro elementai neišskiria didelio kuro deginimo metu išsiskiriančių šiltnamio efektą sukeliančių dujų, tokių kaip anglies dioksidas (CO2), metanas (CH4) ir azoto oksidas (NOx). Kuro elementų emisija – tai vanduo garų pavidalu ir mažas anglies dioksido kiekis (arba neišskiriamas CO2), kai elementuose kaip kuras naudojamas vandenilis. Be to, kuro elementai veikia tyliai, nes juose nėra triukšmingų aukšto slėgio rotorių, o veikimo metu nėra išmetamųjų dujų triukšmo ar vibracijos.

Kuro elementas cheminę kuro energiją paverčia elektra cheminės reakcijos metu su deguonimi ar kitu oksiduojančiu agentu. Kuro elementus sudaro anodas (neigiama pusė), katodas (teigiama pusė) ir elektrolitas, leidžiantis krūviams judėti tarp dviejų kuro elemento pusių (Paveikslėlis: kuro elementų schema).

Elektronai juda iš anodo į katodą per išorinę grandinę, sukurdami nuolatinę elektros energiją. Atsižvelgiant į tai, kad pagrindinis skirtumas tarp skirtingų kuro elementų tipų yra elektrolitas, kuro elementai skirstomi pagal naudojamo elektrolito tipą, t.y. aukštos ir žemos temperatūros kuro elementai (TEPM, PMTE). Vandenilis yra labiausiai paplitęs kuras, tačiau kartais gali būti naudojami ir angliavandeniliai, tokie kaip gamtinės dujos ir alkoholiai (t. y. metanolis). Kuro elementai skiriasi nuo baterijų tuo, kad jiems reikalingas nuolatinis kuro ir deguonies/oro šaltinis, kad vyktų cheminė reakcija, ir jie gamina elektros energiją tol, kol tiekiama.

Kuro elementai, palyginti su įprastiniais energijos šaltiniais, tokiais kaip vidaus degimo varikliai ar akumuliatoriai, turi šiuos pranašumus:

• Kuro elementai yra efektyvesni nei dyzeliniai ar dujiniai varikliai.
• Dauguma kuro elementų yra tylūs, palyginti su vidaus degimo varikliais. Todėl jie tinka pastatams, kuriems keliami specialūs reikalavimai, pavyzdžiui, ligoninėms.
• Kuro elementai nesukelia taršos, kurią sukelia deginant iškastinį kurą; pavyzdžiui, vienintelis vandenilio kuro elementų šalutinis produktas yra vanduo.
• Jei vandenilis gaunamas elektrolizės būdu iš vandens, tiekiamo iš atsinaujinančių energijos šaltinių, tai naudojant kuro elementus, šiltnamio efektą sukeliančių dujų neišsiskiria viso ciklo metu.
• Kuro elementams nereikia įprastinio kuro, pavyzdžiui, naftos ar dujų, todėl galima panaikinti ekonominę priklausomybę nuo naftą gaminančių šalių ir pasiekti didesnį energetinį saugumą.
• Kuro elementai nepriklauso nuo elektros tinklų, nes vandenilį galima gaminti visur, kur yra vandens ir elektros, o pagamintą kurą galima paskirstyti.
• Naudojant stacionarius kuro elementus energijai gaminti vartojimo vietoje, galima naudoti decentralizuotus energijos tinklus, kurie yra potencialiai stabilesni.
• Žemos temperatūros kuro elementai (LEPM, PMFC) pasižymi žemu šilumos perdavimo lygiu, todėl puikiai tinka įvairioms reikmėms.
• Aukštesnės temperatūros kuro elementai kartu su elektra gamina aukštos kokybės proceso šilumą ir puikiai tinka termofikacijai (pvz., gyvenamajai kogeneracijai).
• Veikimo laikas yra daug ilgesnis nei baterijų veikimo laikas, nes reikia tik daugiau degalų, kad pailgėtų veikimo laikas, ir nereikia didinti augalų produktyvumo.
• Skirtingai nuo baterijų, kuro elementai turi „atminties efektą“, kai į juos pilamas kuras.
• Kuro elementų priežiūra yra paprasta, nes jie neturi didelių judančių dalių.

Dažniausias kuro elementų kuras yra vandenilis, nes jis neišskiria kenksmingų teršalų. Tačiau gali būti naudojamas ir kitas kuras, o gamtinių dujų kuro elementai laikomi efektyvia alternatyva, kai gamtinių dujų galima įsigyti konkurencingomis kainomis. Kuro elementuose kuro ir oksidatorių srautas praeina per elektrodus, kuriuos skiria elektrolitas. Tai sukelia cheminę reakciją, kuri gamina elektros energiją; nereikia deginti kuro ar pridėti šiluminės energijos, kas dažniausiai būna naudojant tradicinius elektros gamybos būdus. Naudojant natūralų gryną vandenilį kaip kurą, o deguonį kaip oksidatorių, kuro elemente vykstančios reakcijos metu susidaro vanduo, šiluminė energija ir elektra. Naudojant su kitu kuru, kuro elementai išskiria labai mažai teršalų ir gamina aukštos kokybės, patikimą elektros energiją.

Gamtinių dujų kuro elementų pranašumai yra šie:

• Nauda aplinkai- Kuro elementai yra švarus būdas gaminti elektrą iš iškastinio kuro. kadangi grynu vandeniliu ir deguonimi varomi kuro elementai gamina tik vandenį, elektrą ir šilumą; kitų tipų kuro elementai išskiria nedidelį kiekį sieros junginių ir labai mažą anglies dioksido kiekį. Tačiau kuro elementų išskiriamas anglies dioksidas yra koncentruotas ir gali būti lengvai sulaikomas, o ne išleistas į atmosferą.
• Efektyvumas- Kuro elementai iškastinio kuro energiją paverčia elektros energija daug efektyviau nei įprastiniai kuro deginimo elektros gamybos būdai. Tai reiškia, kad tam pačiam elektros energijos kiekiui pagaminti reikia mažiau degalų. Nacionalinės energetikos technologijų laboratorijos 58 duomenimis, galima gaminti kuro elementus (kartu su gamtinių dujų turbinomis), kurie veiks nuo 1 iki 20 MWe galios 70 proc. naudingumo koeficientu. Šis efektyvumas yra daug didesnis nei efektyvumas, kurį galima pasiekti naudojant tradicinius energijos gamybos metodus nurodytame galios diapazone.
• Gamyba su platinimu- Kuro elementai gali būti gaminami labai mažų dydžių; tai leidžia juos pastatyti tose vietose, kur reikalinga elektra. Tai taikoma gyvenamosioms, komercinėms, pramoninėms ir net transporto priemonėms.
• Patikimumas- Kuro elementai yra visiškai uždari įrenginiai, kuriuose nėra judančių dalių ar sudėtingų mechanizmų. Dėl to jie yra patikimi elektros energijos šaltiniai, galintys veikti daug valandų. Be to, jie yra beveik tylūs ir saugūs elektros energijos šaltiniai. Taip pat kuro elementuose nėra elektros šuolių; tai reiškia, kad jie gali būti naudojami tais atvejais, kai reikia nuolat veikiančio, patikimo elektros šaltinio.

Dar visai neseniai mažiau populiarūs buvo kuro elementai (FC) – elektrocheminiai generatoriai, galintys cheminę energiją paversti elektros energija, aplenkdami degimo procesus, šiluminę energiją paverčiant mechanine, o pastarąją – į elektros energiją. Elektros energija susidaro kuro elementuose dėl cheminės reakcijos tarp redukcijos agento ir oksidatoriaus, kurie nuolat tiekiami į elektrodus. Reduktorius dažniausiai yra vandenilis, oksidatorius – deguonis arba oras. Kuro elementų kamino ir įtaisų, skirtų tiekti reagentus, šalinti reakcijos produktus ir šilumą (kurią galima panaudoti), derinys yra elektrocheminis generatorius.
Paskutiniame XX amžiaus dešimtmetyje, kai elektros energijos tiekimo patikimumas ir aplinkosaugos klausimai buvo ypač svarbūs, daugelis firmų Europoje, Japonijoje ir JAV pradėjo kurti ir gaminti kelis kuro elementų variantus.
Paprasčiausi yra šarminiai kuro elementai, nuo kurių ir prasidėjo tokio tipo autonominių energijos šaltinių kūrimas. Darbinė temperatūra šiuose kuro elementuose yra 80-95°C, elektrolitas yra 30% kaustinės kalio tirpalas. Šarminiai kuro elementai veikia grynu vandeniliu.
Pastaruoju metu plačiai paplito PEM kuro elementas su protonų mainų membranomis (su polimeriniu elektrolitu). Darbinė temperatūra šiame procese taip pat yra 80-95°C, tačiau kaip elektrolitas naudojama kieta jonų mainų membrana su perfluorsulfonrūgštimi.
Tiesa, komerciškai patraukliausias yra PAFC fosforo rūgšties kuro elementas, kurio efektyvumas yra 40% vien gaminant elektrą ir -85% naudojant generuojamą šilumą. Šio kuro elemento darbinė temperatūra 175–200°C, elektrolitas – skysta fosforo rūgštimi impregnuojantis silicio karbidas, sujungtas su teflonu.

Elementų pakete yra du akytieji grafito elektrodai ir ortofosforo rūgštis kaip elektrolitas. Elektrodai padengti platinos katalizatoriumi. Reformeryje gamtinės dujos, sąveikaudamos su garais, pereina į vandenilį ir CO, kuris konverteryje papildomai oksiduojamas iki CO2. Toliau vandenilio molekulės, veikiamos katalizatoriaus, prie anodo disocijuoja į H jonus, kurių metu išsiskiriantys elektronai per apkrovą nukreipiami į katodą. Prie katodo jie reaguoja su vandenilio jonais, difunduojančiais per elektrolitą, ir su deguonies jonais, kurie susidaro dėl katalizinės oro deguonies oksidacijos katode ir galiausiai susidaro vanduo.
Kuro elementai su išlydytu MCFC tipo karbonatu taip pat priklauso perspektyviems kuro elementų tipams. Šis kuro elementas, dirbant su metanu, turi 50-57% naudingumo koeficientą elektros energijai. Darbinė temperatūra 540-650°C, elektrolitas – išlydytas kalio ir natrio šarmo karbonatas apvalkale – ličio-aliuminio oksido matrica LiA102.
Ir, galiausiai, perspektyviausias kuro elementas yra SOFC. Tai kietojo oksido kuro elementas, kuris naudoja bet kokį dujinį kurą ir labiausiai tinka santykinai dideliems įrenginiams. Jo energinis naudingumas siekia 50-55%, o naudojant kombinuoto ciklo įrenginiuose – iki 65%. Darbinė temperatūra 980-1000°C, elektrolitas – kietas cirkonis, stabilizuotas itriu.

Ant pav. 2 parodyta 24 elementų SOFC baterija, kurią sukūrė Siemens Westinghouse Power Corporation (SWP – Vokietija). Ši baterija yra gamtinėmis dujomis maitinamo elektrocheminio generatoriaus pagrindas. Pirmieji demonstraciniai tokio tipo 400 W galios jėgainės bandymai buvo atlikti dar 1986 m. Vėlesniais metais buvo tobulinama kietojo oksido kuro elementų konstrukcija ir padidinta jų galia.

Sėkmingiausi buvo 1999 metais pradėto eksploatuoti 100 kW agregato demonstraciniai bandymai. Taigi buvo įrodyta galimybė elektrinę eksploatuoti mažiausiai 40 tūkst. valandų su priimtinu jos galios sumažėjimu.

2001 metais buvo sukurta nauja kietųjų oksidinių elementų jėgainė, veikianti esant atmosferos slėgiui. Akumuliatorius (elektrocheminis generatorius), kurio elektrinė galia 250 kW, kartu generuojant elektrą ir šilumą, apėmė 2304 kieto oksido vamzdinius elementus. Be to, gamykloje buvo inverteris, regeneratorius, kuro (gamtinių dujų) šildytuvas, degimo kamera oro šildymui, šilumokaitis vandeniui šildyti naudojant išmetamųjų dujų šilumą ir kita pagalbinė įranga. Tuo pačiu metu bendri įrenginio matmenys buvo gana nedideli: 2,6x3,0x10,8 m.
Japonijos specialistai padarė tam tikrą pažangą kurdami didelius kuro elementus. Japonijoje moksliniai tyrimai buvo pradėti dar 1972 m., tačiau reikšminga pažanga buvo pasiekta tik dešimtojo dešimtmečio viduryje. Eksperimentinių kuro elementų modulių galia buvo nuo 50 iki 1000 kW, 2/3 jų veikė gamtinėmis dujomis.
1994 metais Japonijoje buvo pastatyta 1 MW kuro elementų elektrinė. Kai bendras naudingumo koeficientas (gaminant garą ir karštą vandenį) buvo lygus 71%, įrenginio elektros energijos tiekimo naudingumo koeficientas buvo ne mažesnis kaip 36%. Nuo 1995 m., remiantis spaudos pranešimais, Tokijuje veikia 11 MW fosforo rūgšties kuro elementų elektrinė, o 2000 m. bendra kuro elementų galia pasiekė 40 MW.

Visi aukščiau išvardyti įrenginiai priklauso pramoninei klasei. Jų kūrėjai nuolat siekia didinti agregatų galią, siekdami pagerinti sąnaudų charakteristikas (specifines sąnaudas už įdiegtos galios kW ir pagamintos elektros savikainą). Tačiau yra keletas įmonių, kurios kelia kitokį tikslą: sukurti paprasčiausius buitiniam vartojimui skirtus įrenginius, įskaitant individualius maitinimo šaltinius. Ir šioje srityje yra didelių laimėjimų:

• Plug Power LLC sukūrė 7 kW kuro elementų bloką, skirtą maitinti namus;
• H Power Corporation gamina 50-100 W akumuliatorių įkroviklius, naudojamus transporte;
• Stažuotojo įmonė. Fuel Cells LLC gamina 50–300 W transporto priemones ir asmeninius maitinimo šaltinius;
• „Analytic Power Inc.“ sukūrė 150 W asmeninius maitinimo šaltinius JAV armijai, taip pat nuo 3 kW iki 10 kW kuro elementų namų maitinimo šaltinius.

Kokie yra kuro elementų pranašumai, skatinantys daugybę įmonių daug investuoti į jų plėtrą?
Be didelio patikimumo, elektrocheminiai generatoriai turi aukštą naudingumo koeficientą, kuris juos palankiai išskiria iš garo turbinų ir net nuo įrenginių su paprasto ciklo dujų turbinomis. Svarbus kuro elementų privalumas yra jų, kaip išsklaidytų energijos šaltinių, naudojimo patogumas: modulinė konstrukcija leidžia nuosekliai sujungti bet kokį atskirų elementų skaičių, kad susidarytų baterija – ideali kokybė norint padidinti galią.

Tačiau svarbiausias argumentas kuro elementų naudai yra jų aplinkosauginis veiksmingumas. NOX ir CO emisija iš šių įrenginių yra tokia maža, kad, pavyzdžiui, apskrities oro kokybės institucijos regionuose (kur aplinkos kontrolės taisyklės yra griežčiausios JAV) šios įrangos net nemini visuose apsaugos reikalavimuose. atmosferos.

Daugybė kuro elementų privalumų, deja, šiuo metu negali nusverti vienintelio jų trūkumo – didelės kainos. Pavyzdžiui, JAV specifinės kapitalo sąnaudos elektrinės statybai net ir turint konkurencingiausius kuro elementus yra apie 3500 USD/kW. . Nors vyriausybė teikia 1000 USD/kWh subsidiją, kad paskatintų šios technologijos paklausą, tokių įrenginių statybos kaina išlieka gana didelė. Ypač lyginant su kapitalo sąnaudomis statant mini kogeneracinę elektrinę su dujų turbinomis arba megavatų galios vidaus degimo varikliais, kurie yra apie 500 USD/kW.

Pastaraisiais metais buvo padaryta tam tikra pažanga mažinant FC įrenginių išlaidas. Aukščiau paminėtų 0,2–1,0 MW galios fosforo rūgšties kuro elementų elektrinių statyba kainavo 1700 USD / kW. Energijos gamybos kaina tokiuose įrenginiuose Vokietijoje, naudojant juos 6000 valandų per metus, yra skaičiuojama 7,5-10 centų / kWh. 200 kW galios PC25 gamykla, kurią eksploatuoja Hessische EAG (Darmstadt), taip pat pasižymi gerais ekonominiais rodikliais: elektros kaina, įskaitant nusidėvėjimą, kurą ir įrenginio priežiūros išlaidas, sudarė 15 centų/kWh. Energetikos įmonėje rusvosios anglies AE toks pat rodiklis buvo 5,6 cento / kWh, anglies - 4,7 cento / kWh, kombinuoto ciklo elektrinėse - 4,7 cento / kWh ir dyzelinėse - 10,3 cento / kWh.

Didesnės kuro elementų gamyklos (N=1564 kW), veikiančios nuo 1997 m. Kelne, statyba reikalavo 1500-1750 USD/kW specifinių kapitalo sąnaudų, tačiau tikroji kuro elementų kaina siekė tik 400 USD/kW.

Visa tai, kas išdėstyta pirmiau, rodo, kad kuro elementai yra perspektyvi energijos gamybos įranga, skirta tiek pramonei, tiek autonominiams įrenginiams buityje. Didelis dujų naudojimo efektyvumas ir puikios aplinkosauginės charakteristikos leidžia manyti, kad išsprendus svarbiausią užduotį – kaštų mažinimą – tokio tipo elektros įrenginiai bus paklausūs autonominių šilumos ir elektros tiekimo sistemų rinkoje.

Žinių ekologija Mokslas ir technologijos: Vandenilio energetika yra viena iš efektyviausių pramonės šakų, o kuro elementai leidžia jai išlikti novatoriškų technologijų priešakyje.

Kuro elementas yra prietaisas, kuris elektrocheminės reakcijos būdu efektyviai generuoja nuolatinę srovę ir šilumą iš kuro, kuriame gausu vandenilio.

Kuro elementas yra panašus į akumuliatorių, nes per cheminę reakciją generuoja nuolatinę srovę. Vėlgi, kaip ir akumuliatorius, kuro elementą sudaro anodas, katodas ir elektrolitas. Tačiau, skirtingai nei baterijos, kuro elementai negali kaupti elektros energijos, neišsikrauna ir nereikia įkrauti elektros energijos. Kuro elementai gali nuolat gaminti elektrą tol, kol jie turi kuro ir oro tiekimą. Tinkamas terminas veikiančiam kuro elementui apibūdinti yra elementų sistema, nes norint tinkamai veikti, reikia kai kurių pagalbinių sistemų.

Skirtingai nuo kitų elektros generatorių, tokių kaip vidaus degimo varikliai ar turbinos, veikiančios dujomis, anglimi, nafta ir kt., kuro elementai nedegina kuro. Tai reiškia, kad nėra triukšmingų aukšto slėgio rotorių, nėra didelio išmetimo triukšmo, nėra vibracijos. Kuro elementai generuoja elektros energiją per tylią elektrocheminę reakciją. Kitas kuro elementų bruožas yra tai, kad jie paverčia kuro cheminę energiją tiesiogiai į elektros energiją, šilumą ir vandenį.

Kuro elementai yra labai efektyvūs ir neišskiria daug šiltnamio efektą sukeliančių dujų, tokių kaip anglies dioksidas, metanas ir azoto oksidas. Vieninteliai produktai, kuriuos išskiria kuro elementai, yra vanduo garų pavidalu ir nedidelis anglies dioksido kiekis, kuris visiškai neišsiskiria, jei kaip kuras naudojamas grynas vandenilis. Kuro elementai surenkami į mazgus, o vėliau į atskirus funkcinius modulius.

Kuro elementų veikimo principas

Kuro elementai generuoja elektrą ir šilumą dėl vykstančios elektrocheminės reakcijos, naudojant elektrolitą, katodą ir anodą.

Anodas ir katodas yra atskirti elektrolitu, kuris praleidžia protonus. Į anodą patekus vandeniliui, o į katodą – deguoniui, prasideda cheminė reakcija, kurios metu susidaro elektros srovė, šiluma ir vanduo. Ant anodo katalizatoriaus molekulinis vandenilis disocijuoja ir praranda elektronus. Vandenilio jonai (protonai) per elektrolitą patenka į katodą, o elektronai perduodami per elektrolitą ir per išorinę elektros grandinę, sukuriant nuolatinę srovę, kuri gali būti naudojama įrangai maitinti. Ant katodo katalizatoriaus deguonies molekulė susijungia su elektronu (kuris tiekiamas iš išorinių ryšių) ir įeinančiu protonu ir sudaro vandenį, kuris yra vienintelis reakcijos produktas (garų ir (arba) skysčio pavidalu).

Žemiau pateikiama atitinkama reakcija:

Anodo reakcija: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reakcija prie katodo: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Bendroji elemento reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O

Kuro elementų tipai

Panašiai kaip egzistuoja įvairių tipų vidaus degimo varikliai, yra įvairių kuro elementų tipų – tinkamo kuro elemento tipo pasirinkimas priklauso nuo jo pritaikymo.Kuro elementai skirstomi į aukštos temperatūros ir žemos temperatūros. Žemos temperatūros kuro elementams kaip kuras reikalingas palyginti grynas vandenilis.

Tai dažnai reiškia, kad norint paversti pirminį kurą (pvz., gamtines dujas) į gryną vandenilį, reikia apdoroti kurą. Šis procesas sunaudoja papildomos energijos ir reikalauja specialios įrangos. Aukštos temperatūros kuro elementams ši papildoma procedūra nereikalinga, nes jie gali „viduje konvertuoti“ kurą esant aukštesnei temperatūrai, o tai reiškia, kad nereikia investuoti į vandenilio infrastruktūrą.

Kuro elementai ant išlydyto karbonato (MCFC).

Išlydyto karbonato elektrolito kuro elementai yra aukštos temperatūros kuro elementai. Aukšta darbinė temperatūra leidžia tiesiogiai naudoti gamtines dujas be kuro procesoriaus ir mažo šilumingumo kuro dujas iš technologinio kuro ir kitų šaltinių. Šis procesas buvo sukurtas septintojo dešimtmečio viduryje. Nuo to laiko buvo patobulinta gamybos technologija, našumas ir patikimumas.

RCFC veikimas skiriasi nuo kitų kuro elementų. Šiose ląstelėse naudojamas elektrolitas iš išlydytų karbonato druskų mišinio. Šiuo metu naudojami dviejų tipų mišiniai: ličio karbonatas ir kalio karbonatas arba ličio karbonatas ir natrio karbonatas. Norint išlydyti karbonato druskas ir pasiekti aukštą jonų mobilumo laipsnį elektrolite, kuro elementai su išlydytu karbonato elektrolitu veikia aukštoje temperatūroje (650°C). Efektyvumas svyruoja tarp 60-80%.

Kaitinant iki 650°C temperatūros, druskos tampa karbonato jonų (CO32-) laidininku. Šie jonai pereina iš katodo į anodą, kur jie susijungia su vandeniliu ir sudaro vandenį, anglies dioksidą ir laisvuosius elektronus. Šie elektronai per išorinę elektros grandinę siunčiami atgal į katodą, sukuriant elektros srovę ir šilumą kaip šalutinis produktas.

Anodo reakcija: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Reakcija prie katodo: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Bendroji elemento reakcija: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katodas) => H2O(g) + CO2(anodas)

Aukšta išlydyto karbonato elektrolito kuro elementų darbo temperatūra turi tam tikrų pranašumų. Esant aukštai temperatūrai, gamtinės dujos yra reformuojamos iš vidaus, todėl nebereikia kuro procesoriaus. Be to, privalumai yra galimybė ant elektrodų naudoti standartines statybines medžiagas, tokias kaip nerūdijančio plieno lakštas ir nikelio katalizatorius. Atliekinė šiluma gali būti naudojama aukšto slėgio garams gaminti įvairiems pramoniniams ir komerciniams tikslams.

Aukšta reakcijos temperatūra elektrolite taip pat turi savo privalumų. Taikant aukštą temperatūrą, reikia nemažai laiko pasiekti optimalias darbo sąlygas, o sistema lėčiau reaguoja į energijos suvartojimo pokyčius. Šios charakteristikos leidžia naudoti kuro elementų sistemas su išlydytu karbonato elektrolitu pastovios galios sąlygomis. Aukšta temperatūra apsaugo nuo kuro elementų pažeidimo anglies monoksidu, „apsinuodijimo“ ir kt.

Išlydyto karbonato kuro elementai tinkami naudoti dideliuose stacionariuose įrenginiuose. Pramoniniu būdu gaminamos šiluminės elektrinės, kurių išėjimo elektros galia yra 2,8 MW. Kuriamos iki 100 MW išėjimo galios elektrinės.

Kuro elementai fosforo rūgšties (PFC) pagrindu.

Kuro elementai, kurių pagrindą sudaro fosforo (ortofosforo) rūgštis, buvo pirmieji komerciniam naudojimui skirti kuro elementai. Šis procesas buvo sukurtas septintojo dešimtmečio viduryje ir buvo išbandytas nuo aštuntojo dešimtmečio. Nuo to laiko padidėjo stabilumas, našumas ir kaina.

Kuro elementuose, kurių pagrindą sudaro fosforo (ortofosforo) rūgštis, naudojamas elektrolitas ortofosforo rūgšties (H3PO4) pagrindu, kurio koncentracija yra iki 100%. Fosforo rūgšties joninis laidumas žemoje temperatūroje yra mažas, todėl šie kuro elementai naudojami iki 150–220°C temperatūroje.

Šio tipo kuro elementų krūvininkas yra vandenilis (H+, protonas). Panašus procesas vyksta ir protonų mainų membranos kuro elementuose (MEFC), kurių metu į anodą tiekiamas vandenilis suskaidomas į protonus ir elektronus. Protonai praeina per elektrolitą ir jungiasi su deguonimi iš oro prie katodo, sudarydami vandenį. Elektronai nukreipiami išilgai išorinės elektros grandinės ir sukuriama elektros srovė. Žemiau pateikiamos reakcijos, kurios gamina elektrą ir šilumą.

Anodo reakcija: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reakcija prie katodo: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Bendroji elemento reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O

Kuro elementų, kurių pagrindą sudaro fosforo (ortofosforo) rūgštis, efektyvumas generuojant elektros energiją yra didesnis nei 40%. Bendrai gaminant šilumą ir elektrą bendras naudingumo koeficientas siekia apie 85 proc. Be to, atsižvelgiant į darbo temperatūrą, atliekinė šiluma gali būti naudojama vandeniui šildyti ir garams gaminti esant atmosferos slėgiui.

Didelis kuro elementų šiluminių elektrinių, kurių pagrindą sudaro fosforo (ortofosforo) rūgštis, našumas kartu gaminant šilumą ir elektrą yra vienas iš šio tipo kuro elementų privalumų. Gamyklos naudoja apie 1,5% koncentracijos anglies monoksidą, kuris labai išplečia kuro pasirinkimą. Be to, CO2 neturi įtakos elektrolitui ir kuro elemento darbui, šio tipo elementai veikia su reformuotu natūraliu kuru. Paprasta konstrukcija, mažas elektrolitų lakumas ir padidėjęs stabilumas taip pat yra šio tipo kuro elementų pranašumai.

Pramoniniu būdu gaminamos šiluminės elektrinės, kurių išėjimo elektros galia iki 400 kW. 11 MW įrenginiai išlaikė atitinkamus bandymus. Kuriamos iki 100 MW išėjimo galios elektrinės.

Kuro elementai su protonų mainų membrana (PME)

Protonų mainų membranos kuro elementai laikomi geriausiu kuro elementų tipu transporto priemonių energijos gamybai, galinčiu pakeisti benzininius ir dyzelinius vidaus degimo variklius. Šiuos kuro elementus NASA pirmą kartą panaudojo Gemini programai. Šiandien kuriami ir demonstruojami MOPFC įrenginiai, kurių galia nuo 1 W iki 2 kW.

Šie kuro elementai naudoja kietą polimerinę membraną (ploną plastikinę plėvelę) kaip elektrolitą. Įmirkytas vandeniu, šis polimeras praleidžia protonus, bet nelaidžia elektronams.

Kuras yra vandenilis, o krūvininkas yra vandenilio jonas (protonas). Prie anodo vandenilio molekulė yra atskirta į vandenilio joną (protoną) ir elektronus. Vandenilio jonai pereina per elektrolitą į katodą, o elektronai juda aplink išorinį ratą ir gamina elektros energiją. Deguonis, paimtas iš oro, tiekiamas į katodą ir susijungia su elektronais ir vandenilio jonais, sudarydamas vandenį. Ant elektrodų vyksta šios reakcijos:

Anodo reakcija: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reakcija prie katodo: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Bendroji elemento reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O

Palyginti su kitų tipų kuro elementais, protonų mainų membranos kuro elementai gamina daugiau galios tam tikram kuro elemento tūriui arba svoriui. Ši funkcija leidžia jiems būti kompaktiškiems ir lengviems. Be to, darbinė temperatūra yra mažesnė nei 100°C, o tai leidžia greitai pradėti darbą. Šios charakteristikos, taip pat galimybė greitai pakeisti energijos išeigą, yra tik keletas savybių, dėl kurių šie kuro elementai yra pagrindinis kandidatas naudoti transporto priemonėse.

Kitas privalumas yra tai, kad elektrolitas yra kieta, o ne skysta medžiaga. Išlaikyti dujas prie katodo ir anodo lengviau naudojant kietąjį elektrolitą, todėl tokius kuro elementus pigiau pagaminti. Lyginant su kitais elektrolitais, kieto elektrolito naudojimas nesukelia problemų, tokių kaip orientacija, mažiau problemų kyla dėl korozijos atsiradimo, dėl ko pailgėja elemento ir jo komponentų patvarumas.

Kietojo oksido kuro elementai (SOFC)

Kietojo oksido kuro elementai yra kuro elementai, kurių darbinė temperatūra yra aukščiausia. Darbinė temperatūra gali svyruoti nuo 600°C iki 1000°C, kas leidžia naudoti įvairių rūšių kurą be specialaus išankstinio apdorojimo. Šioms aukštoms temperatūroms atlaikyti naudojamas elektrolitas yra plonas keramikos pagrindo kietas metalo oksidas, dažnai itrio ir cirkonio lydinys, kuris yra deguonies (O2-) jonų laidininkas. Kietojo oksido kuro elementų naudojimo technologija buvo vystoma nuo šeštojo dešimtmečio pabaigos. ir turi dvi konfigūracijas: plokštuminę ir vamzdinę.

Kietas elektrolitas užtikrina hermetišką dujų perėjimą iš vieno elektrodo į kitą, o skysti elektrolitai yra porėtame substrate. Šio tipo kuro elementų krūvininkas yra deguonies jonas (О2-). Prie katodo deguonies molekulės yra atskirtos nuo oro į deguonies joną ir keturis elektronus. Deguonies jonai praeina per elektrolitą ir susijungia su vandeniliu, sudarydami keturis laisvus elektronus. Elektronai nukreipiami per išorinę elektros grandinę, sukuriant elektros srovę ir atliekamą šilumą.

Anodo reakcija: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Reakcija prie katodo: O2 + 4e- => 2O2-
Bendroji elemento reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O

Pagamintos elektros energijos naudingumo koeficientas yra didžiausias iš visų kuro elementų – apie 60%. Be to, aukšta darbinė temperatūra leidžia kartu gaminti šilumą ir elektros energiją, kad susidarytų aukšto slėgio garai. Aukštos temperatūros kuro elementą sujungus su turbina sukuriamas hibridinis kuro elementas, kuris padidina elektros energijos gamybos efektyvumą iki 70%.

Kietojo oksido kuro elementai veikia labai aukštoje temperatūroje (600°C – 1000°C), todėl ilgai pasiekia optimalias darbo sąlygas, o sistema lėčiau reaguoja į energijos suvartojimo pokyčius. Esant tokioms aukštoms eksploatacinėms temperatūroms, nereikia jokio keitiklio, kuris atgautų vandenilį iš kuro, todėl šiluminė elektrinė galėtų veikti su santykinai nešvariu kuru iš anglies dujinimo arba išmetamųjų dujų ir panašiai. Be to, šis kuro elementas puikiai tinka didelės galios reikmėms, įskaitant pramonines ir dideles centrines elektrines. Pramoninės gamybos moduliai, kurių išėjimo elektros galia 100 kW.

Kuro elementai su tiesiogine metanolio oksidacija (DOMTE)

Kuro elementų naudojimo su tiesiogine metanolio oksidacija technologija aktyviai vystosi. Jis sėkmingai įsitvirtino mobiliųjų telefonų, nešiojamųjų kompiuterių maitinimo, taip pat nešiojamų maitinimo šaltinių kūrimo srityje. ko siekiama ateityje taikant šiuos elementus.

Kuro elementų su tiesiogine metanolio oksidacija struktūra panaši į kuro elementų su protonų mainų membrana (MOFEC), t.y. polimeras naudojamas kaip elektrolitas, o vandenilio jonas (protonas) – kaip krūvininkas. Tačiau skystas metanolis (CH3OH) oksiduojasi esant vandeniui prie anodo, išskiriant CO2, vandenilio jonus ir elektronus, kurie nukreipiami per išorinę elektros grandinę, ir susidaro elektros srovė. Vandenilio jonai praeina per elektrolitą ir reaguoja su deguonimi iš oro ir elektronais iš išorinės grandinės, kad susidarytų vanduo prie anodo.

Anodo reakcija: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Reakcija prie katodo: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Bendroji elemento reakcija: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

Šių kuro elementų kūrimas prasidėjo 1990-ųjų pradžioje. Sukūrus patobulintus katalizatorius ir įdiegus kitas naujausias naujoves, galios tankis ir efektyvumas padidėjo iki 40%.

Šie elementai buvo išbandyti 50-120°C temperatūros diapazone. Esant žemai darbo temperatūrai ir nereikia keitiklio, tiesioginio metanolio kuro elementai yra geriausias pasirinkimas įvairiems pritaikymams nuo mobiliųjų telefonų ir kitų plataus vartojimo prekių iki automobilių variklių. Šio tipo kuro elementų pranašumas yra jų maži matmenys dėl skystojo kuro naudojimo ir poreikio naudoti keitiklį.

Šarminiai kuro elementai (AFC)

Šarminiai kuro elementai (ALFC) yra viena iš labiausiai ištirtų technologijų ir buvo naudojamos nuo septintojo dešimtmečio vidurio. NASA „Apollo“ ir „Space Shuttle“ programose. Šiuose erdvėlaiviuose kuro elementai gamina elektrą ir geriamąjį vandenį. Šarminio kuro elementai yra vienas iš efektyviausių elementų, naudojamų elektros energijai gaminti, o energijos gamybos efektyvumas siekia iki 70%.

Šarminiuose kuro elementuose naudojamas elektrolitas, t. y. vandeninis kalio hidroksido tirpalas, esantis porėtoje, stabilizuotoje matricoje. Kalio hidroksido koncentracija gali skirtis priklausomai nuo kuro elemento darbinės temperatūros, kuri svyruoja nuo 65°C iki 220°C. Krūvio nešiklis SFC yra hidroksido jonas (OH-), judantis nuo katodo iki anodo, kur reaguoja su vandeniliu, kad susidarytų vanduo ir elektronai. Ant anodo pagamintas vanduo grįžta atgal į katodą ir vėl sukuria hidroksido jonus. Dėl šios kuro elemente vykstančių reakcijų serijos gaminama elektra, o kaip šalutinis produktas – šiluma:

Anodo reakcija: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reakcija prie katodo: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Bendra sistemos reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O

SFC pranašumas yra tas, kad šiuos kuro elementus gaminti yra pigiausia, nes ant elektrodų reikalingas katalizatorius gali būti bet kuri medžiaga, kuri yra pigesnė už tas, kurios naudojamos kaip kitų kuro elementų katalizatoriai. Be to, SCFC veikia palyginti žemoje temperatūroje ir yra vieni iš efektyviausių kuro elementų – tokios charakteristikos atitinkamai gali prisidėti prie greitesnės energijos gamybos ir didelio kuro efektyvumo.

Viena iš būdingų SFC savybių yra didelis jautrumas CO2, kuris gali būti degaluose arba ore. CO2 reaguoja su elektrolitu, greitai jį nuodija ir labai sumažina kuro elemento efektyvumą. Todėl SFC naudojami tik uždarose erdvėse, tokiose kaip kosmoso ir povandeninės transporto priemonės, jos turi veikti naudojant gryną vandenilį ir deguonį. Be to, tokios molekulės kaip CO, H2O ir CH4, kurios yra saugios kitiems kuro elementams ir netgi kai kuriems iš jų kuras, kenkia SFC.

Polimerinių elektrolitų kuro elementai (PETE)

Polimerinių elektrolitų kuro elementų atveju polimero membrana susideda iš polimerinių pluoštų su vandens sritimis, kuriose vandens jonų laidumas H2O+ (protonas, raudonas) yra prijungtas prie vandens molekulės. Vandens molekulės kelia problemų dėl lėto jonų mainų. Todėl tiek degaluose, tiek ant išmetimo elektrodų reikalinga didelė vandens koncentracija, kuri riboja darbo temperatūrą iki 100°C.

Kietosios rūgšties kuro elementai (SCFC)

Kietosios rūgšties kuro elementuose elektrolitas (CsHSO4) neturi vandens. Todėl darbinė temperatūra yra 100-300°C. SO42-oksi anijonų sukimasis leidžia protonams (raudoniems) judėti, kaip parodyta paveikslėlyje.

Paprastai kietojo rūgšties kuro elementas yra sumuštinis, kuriame labai plonas kieto rūgšties junginio sluoksnis yra įterptas tarp dviejų sandariai suspaustų elektrodų, kad būtų užtikrintas geras kontaktas. Kaitinamas organinis komponentas išgaruoja, išeina pro poras elektroduose, išsaugodamas galimybę daug kontaktų tarp kuro (arba deguonies kitame elementų gale), elektrolito ir elektrodų.

Prisijunkite prie mūsų adresu

Nissan vandenilio kuro elementas

Mobilioji elektronika kasmet tobulėja, populiarėja ir tampa vis labiau prieinama: delniniai kompiuteriai, nešiojamieji kompiuteriai, mobilieji ir skaitmeniniai įrenginiai, nuotraukų rėmeliai ir kt. Visi jie nuolat atnaujinami naujomis funkcijomis, didesniais monitoriais, bevieliu ryšiu, stipresniais procesoriais, o mažėja dydis.. Energijos technologijos, skirtingai nei puslaidininkių technologijos, nevyksta šuoliais.

Turimų baterijų ir akumuliatorių pramonės pasiekimams maitinti vis nebepakanka, todėl alternatyvių šaltinių problema yra labai opi. Kuro elementai yra pati perspektyviausia kryptis. Jų veikimo principą dar 1839 metais atrado Williamas Grove'as, kuris elektrą gamino keisdamas vandens elektrolizę.

Vaizdo įrašas: dokumentinis filmas, kuro elementai transportui: praeitis, dabartis, ateitis

Kuro elementai domisi automobilių gamintojus, jais domisi ir erdvėlaivių kūrėjai. 1965 metais Amerika juos net išbandė į kosmosą paleistu Gemini 5, o vėliau ir Apollo. Milijonai dolerių į kuro elementų tyrimus investuojami ir šiandien, kai kyla problemų, susijusių su aplinkos tarša, didėjančiu šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimu deginant iškastinį kurą, kurio atsargos taip pat nėra begalinės.

Kuro elementas, dažnai vadinamas elektrocheminiu generatoriumi, veikia toliau aprašytu būdu.

Būdamas, kaip ir akumuliatoriai bei baterijos, galvaninis elementas, tačiau su tuo skirtumu, kad veikliosios medžiagos jame saugomos atskirai. Jie patenka į elektrodus, kai jie naudojami. Natūralus kuras arba bet kuri iš jo gauta medžiaga dega ant neigiamo elektrodo, kuris gali būti dujinis (pvz., vandenilis ir anglies monoksidas) arba skystas, kaip alkoholiai. Prie teigiamo elektrodo, kaip taisyklė, deguonis reaguoja.

Tačiau paprastai atrodantį veikimo principą nėra lengva paversti realybe.

DIY kuro elementas

Vaizdo įrašas: „pasidaryk pats“ vandenilio kuro elementas

Deja, nuotraukų, kaip turėtų atrodyti šis kuro elementas, neturime, tikimės jūsų fantazijos.

Mažos galios kuro elementą savo rankomis galima pasigaminti net mokyklos laboratorijoje. Būtina sukaupti seną dujokaukę, kelis organinio stiklo gabalėlius, šarmą ir vandeninį etilo alkoholio tirpalą (paprasčiau – degtinę), kurie pasitarnaus kaip „degalai“ kuro elementui.

Visų pirma, jums reikia kuro elemento korpuso, kuris geriausiai būtų pagamintas iš organinio stiklo, bent penkių milimetrų storio. Vidines pertvaras (viduje penki skyriai) galima padaryti šiek tiek plonesnes - 3 cm.. Planšetinio stiklo klijavimui naudojami tokios sudėties klijai: šeši gramai organinio stiklo drožlių ištirpinami šimte gramų chloroformo arba dichloretano (jie veikia po gaubtu ).

Išorinėje sienoje dabar reikia išgręžti skylę, į kurią per guminį kamštį reikia įkišti 5-6 centimetrų skersmens drenažo stiklinį vamzdelį.

Visi žino, kad periodinėje lentelėje apatiniame kairiajame kampe yra aktyviausi metalai, o didelio aktyvumo metaloidai yra lentelėje viršutiniame dešiniajame kampe, t.y. galimybė paaukoti elektronus didėja iš viršaus į apačią ir iš dešinės į kairę. Elementai, kurie tam tikromis sąlygomis gali pasireikšti kaip metalai arba metaloidai, yra lentelės centre.

Dabar antrame ir ketvirtame skyriuose iš dujokaukės pilame aktyvuotą anglį (tarp pirmos pertvaros ir antrosios, taip pat trečios ir ketvirtos), kuri veiks kaip elektrodai. Kad anglys neišsilietų pro skylutes, jas galima įdėti į nailoninį audinį (tiks moteriškos nailoninės kojinės). AT

Pirmoje kameroje cirkuliuos kuras, penktoje turėtų būti deguonies tiekėjas – oras. Tarp elektrodų bus elektrolitas, o kad jis nepatektų į oro kamerą, būtina jį pamirkyti parafino tirpalu benzine (2 gramų parafino ir pusės stiklinės benzino santykis) prieš užpildydami ketvirtą kamerą anglimi oro elektrolitui. Ant anglies sluoksnio reikia dėti (šiek tiek prispaudžiant) varines plokštes, prie kurių prilituoti laidai. Per juos srovė bus nukreipta nuo elektrodų.

Belieka tik įkrauti elementą. Tam reikia degtinės, kuri turi būti praskiesta vandeniu santykiu 1: 1. Tada atsargiai įpilkite nuo trijų šimtų iki trijų šimtų penkiasdešimt gramų kaustinės kalio. Elektrolitui 70 gramų šarmo kalio ištirpinama 200 gramų vandens.

Kuro elementas paruoštas bandymui. Dabar reikia vienu metu pilti kurą į pirmąją kamerą, o elektrolitą į trečią. Prie elektrodų pritvirtintas voltmetras turėtų rodyti nuo 07 voltų iki 0,9 voltų. Norint užtikrinti nenutrūkstamą elemento veikimą, reikia išleisti panaudotą kurą (išpilti į stiklinę) ir įpilti naujo kuro (per guminį vamzdelį). Tiekimo greitis valdomas suspaudžiant vamzdelį. Taip laboratorinėmis sąlygomis atrodo kuro elemento veikimas, kurio galia suprantamai maža.

Vaizdo įrašas: kuro elementas arba amžina baterija namuose

Norėdami padidinti galią, mokslininkai ilgą laiką dirbo su šia problema. Metanolio ir etanolio kuro elementai yra ant aktyvaus vystymo plieno. Bet, deja, kol kas nėra galimybės jų pritaikyti praktiškai.

Kodėl kuro elementas pasirinktas kaip alternatyvus energijos šaltinis

Kuro elementas buvo pasirinktas kaip alternatyvus energijos šaltinis, nes galutinis vandenilio degimo produktas jame yra vanduo. Problema yra tik rasti nebrangų ir veiksmingą vandenilio gamybos būdą. Kolosalios lėšos, investuotos į vandenilio generatorių ir kuro elementų kūrimą, negali neduoti vaisių, todėl technologinis proveržis ir realus jų panaudojimas kasdieniame gyvenime – tik laiko klausimas.

Jau šiandien automobilių pramonės monstrai:„General Motors“, „Honda“, „Dreimler Koisler“, „Ballard“ demonstruoja iki 50 kW galios kuro elementais varomus autobusus ir automobilius. Tačiau problemos, susijusios su jų saugumu, patikimumu, kaina – dar neišspręstos. Kaip jau minėta, skirtingai nuo tradicinių maitinimo šaltinių – baterijų ir baterijų, šiuo atveju oksidatorius ir kuras tiekiami iš išorės, o kuro elementas yra tik tarpininkas vykstančioje reakcijoje deginant kurą ir paverčiant išsiskiriančią energiją į elektros energiją. . „Degimas“ įvyksta tik tada, kai elementas tiekia srovę į apkrovą, kaip dyzelinis generatorius, bet be generatoriaus ir dyzelino, taip pat be triukšmo, dūmų ir perkaitimo. Tuo pačiu metu efektyvumas yra daug didesnis, nes nėra tarpinių mechanizmų.

Vaizdo įrašas: Vandenilio kuro elementų automobilis

Didelės viltys dedamos į nanotechnologijų ir nanomedžiagų naudojimą, kuris padės sumažinti kuro elementus ir padidins jų galią. Buvo pranešimų, kad buvo sukurti itin efektyvūs katalizatoriai, taip pat kuro elementų konstrukcijos, neturinčios membranų. Juose kartu su oksidatoriumi į elementą tiekiamas kuras (pavyzdžiui, metanas). Įdomūs sprendimai, kai kaip oksidatorius naudojamas vandenyje ištirpęs deguonis, o kaip kuras – organinės priemaišos, besikaupiančios užterštuose vandenyse. Tai vadinamieji biokuro elementai.

Kuro elementai, ekspertų teigimu, ateinančiais metais gali patekti į masinę rinką