Kuro elementai – elementas (Fuel Cell). Kuro elementų naudojimas pastatams maitinti

Mobilioji elektronika tampa vis labiau prieinama ir plačiai paplitusi kiekvienais metais, jei ne mėnesį. Čia rasite nešiojamus kompiuterius, delninius kompiuterius, skaitmeninius fotoaparatus, mobiliuosius telefonus ir daugybę kitų naudingų ir nelabai naudingų įrenginių. Ir visi šie įrenginiai nuolat įgyja naujų funkcijų, galingesnius procesorius, didesnius spalvotus ekranus, bevielį ryšį, tuo pačiu mažindami dydį. Tačiau, skirtingai nei puslaidininkių technologijos, viso šio mobiliojo žvėryno energijos technologijos tobulėja ne šuoliais.

Įprastos baterijos ir įkraunamos baterijos tampa akivaizdžiai nepakankamos, kad būtų galima maitinti naujausius elektronikos pramonės pasiekimus ilgą laiką. O be patikimų ir talpių baterijų prarandama visa mobilumo ir belaidžio ryšio esmė. Taigi kompiuterių pramonė vis aktyviau sprendžia šią problemą alternatyvūs energijos šaltiniai. Ir šiandien yra perspektyviausia kryptis kuro elementai.

Pagrindinį kuro elementų veikimo principą atrado britų mokslininkas seras Williamas Grove'as 1839 m. Jis žinomas kaip „kuro elemento“ tėvas. William Grove gamino elektros energiją keisdamas, kad išgautų vandenilį ir deguonį. Atjungęs akumuliatorių nuo elektrolitinio elemento, Grove'as nustebo pastebėjęs, kad elektrodai pradėjo sugerti išsiskiriančias dujas ir generuoti srovę. Proceso atidarymas elektrocheminis „šaltas“ vandenilio deginimas tapo reikšmingu įvykiu energetikos pramonėje, o vėliau tokie garsūs elektrochemikai kaip Ostvaldas ir Nernstas suvaidino svarbų vaidmenį kuriant kuro elementų teorinius pagrindus ir praktinį įgyvendinimą bei numatė jiems puikią ateitį.

Aš pats terminas "kuro elementas" pasirodė vėliau – jį 1889 metais pasiūlė Ludwigas Mondas ir Charlesas Langeris, kurie bandė sukurti įrenginį, gaminantį elektros energiją iš oro ir anglies dujų.

Normalaus degimo deguonimi metu vyksta oksidacija. organinis kuras, o kuro cheminė energija neefektyviai paverčiama šilumine energija. Tačiau paaiškėjo, kad galima atlikti oksidacijos reakciją, pavyzdžiui, vandenilį su deguonimi, elektrolito aplinkoje ir, esant elektrodams, gauti elektros srovę. Pavyzdžiui, tiekdami vandenilį į elektrodą, esantį šarminėje terpėje, gauname elektronus:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

kurie, eidami per išorinę grandinę, patenka į priešingą elektrodą, į kurį teka deguonis ir kur vyksta reakcija: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Matyti, kad reakcija 2H2 + O2 → H2O yra tokia pati kaip ir įprasto degimo metu, bet kuro elemente arba kitaip - elektrocheminis generatorius, rezultatas yra didelio efektyvumo elektros srovė ir iš dalies šildoma. Atkreipkite dėmesį, kad kuro elementai taip pat gali naudoti anglį, anglies monoksidą, alkoholius, hidraziną ir kitas organines medžiagas kaip kurą, o kaip oksidatorius – orą, vandenilio peroksidą, chlorą, bromą, azoto rūgštį ir kt.

Kuro elementų plėtra buvo intensyvi tiek užsienyje, tiek Rusijoje, o vėliau ir SSRS. Iš mokslininkų, labai prisidėjusių prie kuro elementų tyrimo, pažymime V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordesh. Praėjusio amžiaus viduryje prasidėjo naujas kuro elementų problemų puolimas. Taip yra iš dalies dėl to, kad dėl gynybos tyrimų atsirado naujų idėjų, medžiagų ir technologijų.

Vienas iš mokslininkų, žengusių didelį žingsnį kuro elementų kūrimo srityje, buvo P. M. Spiridonovas. Spiridonovo vandenilio-deguonies elementai davė 30 mA/cm2 srovės tankį, kuris tuo metu buvo laikomas dideliu pasiekimu. Ketvirtajame dešimtmetyje O. Davtianas sukūrė instaliaciją, skirtą elektrocheminiam generatorių dujų, gautų dujofikuojant anglį, deginimui. Už kiekvieną kubinį metrą elemento tūrio Davtyanas gavo 5 kW galios.

Tai buvo pirmasis kietojo elektrolito kuro elementas. Jis turėjo didelį efektyvumą, tačiau laikui bėgant elektrolitas tapo netinkamas naudoti ir jį reikėjo pakeisti. Vėliau Davtyanas sukūrė šeštojo dešimtmečio pabaigoje galingas montavimas vairuoti traktorių. Tais pačiais metais anglų inžinierius T. Baconas suprojektavo ir pagamino kuro elementų bateriją, kurios bendra galia 6 kW, o efektyvumas – 80 %, veikiančią grynu vandeniliu ir deguonimi, tačiau galios ir svorio santykis baterija pasirodė per maža – tokie elementai buvo netinkami praktiniam naudojimui ir per brangūs.

Vėlesniais metais vienišių laikas praėjo. Erdvėlaivių kūrėjai susidomėjo kuro elementais. Nuo septintojo dešimtmečio vidurio į kuro elementų tyrimus buvo investuota milijonai dolerių. Tūkstančių mokslininkų ir inžinierių darbas leido pasiekti naujas lygis, o 1965 m kuro elementai buvo išbandyti JAV erdvėlaiviuose Gemini 5, o vėliau – erdvėlaivyje Apollo skrydžiams į Mėnulį ir pagal Shuttle programą.

SSRS kuro elementai buvo sukurti NPO Kvant, taip pat skirti naudoti kosmose. Tais metais jau atsirado naujų medžiagų - kietieji polimeriniai elektrolitai jonų mainų membranų pagrindu, naujų tipų katalizatoriai, elektrodai. Visgi darbinės srovės tankis buvo nedidelis – 100-200 mA/cm2 ribose, o platinos kiekis ant elektrodų siekė kelis g/cm2. Buvo daug problemų, susijusių su patvarumu, stabilumu ir saugumu.

Kitas spartaus kuro elementų vystymosi etapas prasidėjo 90-aisiais. praėjusį šimtmetį ir tęsiasi iki šiol. Ją lemia naujų efektyvių energijos šaltinių poreikis, viena vertus, susijęs su pasauline aplinkos problema – didėjančiu šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimu deginant iškastinį kurą, ir, kita vertus, dėl tokio kuro atsargų išeikvojimo. . Kadangi kuro elemente galutinis vandenilio degimo produktas yra vanduo, jie laikomi švariausiais poveikio aplinkai požiūriu. Pagrindinė problema yra tik rasti veiksmingą ir nebrangų būdą vandenilio gamybai.

Milijardai dolerių finansinės investicijos į kuro elementų ir vandenilio generatorių kūrimą turėtų lemti technologinį proveržį ir paversti jų naudojimą kasdieniame gyvenime: mobiliųjų telefonų elementuose, automobiliuose, elektrinėse. Jau dabar tokie automobilių gigantai kaip „Ballard“, „Honda“, „Daimler Chrysler“, „General Motors“ demonstruoja automobilius ir autobusus, varomus 50 kW galios kuro elementais. Susikūrė nemažai įmonių demonstracinės jėgainės, naudojančios kuro elementus su kieto oksido elektrolitu, kurių galia iki 500 kW. Tačiau, nepaisant reikšmingo proveržio gerinant kuro elementų charakteristikas, daug problemų, susijusių su jų kaina, patikimumu ir sauga, vis dar turi būti išspręstos.

Kuro elemente, skirtingai nei baterijose ir akumuliatoriuose, tiek kuras, tiek oksidatorius tiekiamas iš išorės. Kuro elementas tik tarpininkauja reakcijai ir idealiomis sąlygomis galėtų veikti beveik amžinai. Šios technologijos grožis yra tas, kad ląstelė iš tikrųjų degina kurą ir tiesiogiai paverčia išleistą energiją į elektros energiją. Tiesiogiai deginant kuras, jis oksiduojamas deguonimi, o išsiskirianti šiluma panaudojama naudingiems darbams atlikti.

Kuro elemente, kaip ir baterijose, kuro oksidacijos ir deguonies redukcijos reakcijos yra erdviškai atskirtos, o „degimo“ procesas vyksta tik tada, kai elementas tiekia srovę į apkrovą. Tai kaip tik dyzelinis elektros generatorius, tik be dyzelino ir generatoriaus. Ir taip pat be dūmų, triukšmo, perkaitimo ir daug didesnio efektyvumo. Pastarasis paaiškinamas tuo, kad, pirma, nėra tarpinių mechaninių įtaisų ir, antra, kuro elementas nėra šilumos variklis ir dėl to nepaklūsta Karno dėsniui (tai yra, jo efektyvumo nenustato temperatūros skirtumas).

Deguonis kuro elementuose naudojamas kaip oksidatorius. Be to, kadangi ore yra pakankamai deguonies, nereikia jaudintis dėl oksiduojančios medžiagos tiekimo. Kalbant apie kurą, tai yra vandenilis. Taigi, reakcija vyksta kuro elemente:

2H2 + O2 → 2H2O + elektra + šiluma.

Rezultatas – naudinga energija ir vandens garai. Paprasčiausias jo dizainas yra protonų mainų membranos kuro elementas(žr. 1 pav.). Jis veikia taip: į ląstelę patekęs vandenilis, veikiamas katalizatoriaus, suyra į elektronus ir teigiamai įkrautus vandenilio jonus H+. Tada pradeda veikti speciali membrana, kuri čia atlieka elektrolito vaidmenį įprastoje baterijoje. Dėl savo cheminė sudėtis jis leidžia protonams praeiti, bet išlaiko elektronus. Taigi ant anodo susikaupę elektronai sukuria perteklinį neigiamą krūvį, o vandenilio jonai – teigiamą katodo krūvį (elemento įtampa yra apie 1 V).

Norint sukurti didelę galią, kuro elementas surenkamas iš daugelio elementų. Jei elementą prijungiate prie apkrovos, elektronai tekės per jį į katodą, sukurdami srovę ir užbaigdami vandenilio oksidacijos su deguonimi procesą. Ant anglies pluošto nusodintos platinos mikrodalelės dažniausiai naudojamos kaip katalizatorius tokiuose kuro elementuose. Dėl savo struktūros toks katalizatorius gerai praleidžia dujas ir elektrą. Membrana dažniausiai gaminama iš sieros turinčio polimero Nafion. Membranos storis yra dešimtosios milimetro. Reakcijos metu, žinoma, išsiskiria ir šiluma, tačiau jos ne tiek daug, todėl darbinė temperatūra palaikoma 40-80°C.

1 pav. Kuro elemento veikimo principas

Yra ir kitų kuro elementų tipų, kurie daugiausia skiriasi naudojamo elektrolito rūšimi. Beveik visuose jų kaip kuro reikia vandenilio, todėl kyla logiškas klausimas: kur jo gauti. Žinoma, būtų galima naudoti suslėgtą vandenilį iš balionų, tačiau iš karto kyla problemų, susijusių su šių labai degių dujų transportavimu ir laikymu aukštu slėgiu. Žinoma, galima naudoti surištą vandenilį, kaip ir metalo hidrido baterijos. Tačiau užduotis jį išgauti ir transportuoti vis dar išlieka, nes vandenilio papildymo infrastruktūra neegzistuoja.

Tačiau čia yra ir sprendimas – skystas angliavandenilių kuras gali būti naudojamas kaip vandenilio šaltinis. Pavyzdžiui, etilo arba metilo alkoholis. Tiesa, tam reikia specialaus papildomo įrenginio – kuro keitiklio, kuris aukštoje temperatūroje (metanoliui bus apie 240 °C) paverčia alkoholius į dujinio H2 ir CO2 mišinį. Tačiau šiuo atveju jau sunkiau galvoti apie nešiojamumą - tokius įrenginius gerai naudoti kaip stacionarias arba, tačiau kompaktiškai mobiliajai įrangai jums reikia kažko mažiau didelių gabaritų.

Ir štai priėjome būtent prie įrenginio, kurį su baisia ​​jėga kuria beveik visi didžiausi elektronikos gamintojai - metanolio kuro elementas(2 pav.).

2 pav. Kuro elemento veikimo principas metanolyje

Pagrindinis skirtumas tarp vandenilio ir metanolio kuro elementų yra naudojamas katalizatorius. Katalizatorius metanolio kuro elemente leidžia protonus pašalinti tiesiai iš alkoholio molekulės. Taigi, klausimas dėl kuro išspręstas – metilo alkoholis gaminamas masiškai chemijos pramonei, jį patogu laikyti ir transportuoti, o norint įkrauti metanolio kuro elementą pakanka tiesiog pakeisti kuro kasetę. Tiesa, yra vienas reikšmingas minusas – metanolis yra toksiškas. Be to, metanolio kuro elemento efektyvumas yra žymiai mažesnis nei vandenilio.

Ryžiai. 3. Metanolio kuro elementas

Labiausiai viliojantis variantas yra naudoti etilo alkoholį kaip kurą, nes bet kokios sudėties ir stiprumo alkoholinių gėrimų gamyba ir platinimas yra gerai žinomas visame pasaulyje. Tačiau etanolinių kuro elementų efektyvumas, deja, net mažesnis nei metanolinių.

Kaip jau buvo pastebėta per daugelį kuro elementų plėtros metų, Įvairių tipų kuro elementai. kuro elementai klasifikuojami pagal elektrolito ir kuro rūšį.

1. Kieto polimero vandenilio-deguonies elektrolitas.

2. Kieto polimero metanolio kuro elementai.

3. Šarminiai elektrolitų elementai.

4. Fosforo rūgšties kuro elementai.

5. Kuro elementai iš išlydytų karbonatų.

6. Kietojo oksido kuro elementai.

Idealiu atveju kuro elementų efektyvumas yra labai didelis, tačiau realiomis sąlygomis atsiranda nuostolių, susijusių su nepusiausvyros procesais, pvz.: ominiai nuostoliai dėl elektrolito ir elektrodų specifinio laidumo, aktyvacijos ir koncentracijos poliarizacijos, difuzijos nuostoliai. Dėl to dalis kuro elementuose pagamintos energijos paverčiama šiluma. Specialistų pastangomis siekiama sumažinti šiuos nuostolius.

Pagrindinis ominių nuostolių šaltinis, taip pat didelės kuro elementų kainos priežastis yra perfluorintos sulfoninės katijonų mainų membranos. Šiuo metu ieškoma alternatyvių, pigesnių protonams laidžių polimerų. Kadangi šių membranų (kietųjų elektrolitų) laidumas pasiekia priimtiną vertę (10 Ohm/cm) tik esant vandeniui, į kuro elementą tiekiamos dujos turi būti papildomai drėkinamos specialus prietaisas, o tai taip pat padidina sistemos kainą. Katalizinių dujų difuzijos elektroduose daugiausia naudojama platina ir kai kurie kiti taurieji metalai, o kol kas jiems pakaitalo nerasta. Nors platinos kiekis kuro elementuose yra keli mg/cm2, didelėse baterijose jos kiekis siekia keliasdešimt gramų.

Projektuojant kuro elementus didelis dėmesys skiriamas šilumos šalinimo sistemai, nes esant dideliam srovės tankiui (iki 1A/cm2) sistema įkaista savaime. Aušinimui naudojamas vanduo, cirkuliuojantis kuro elemente specialiais kanalais, o esant mažoms galioms – pučiant orą.

Taigi šiuolaikinė elektrocheminių generatorių sistema, be paties kuro elementų akumuliatoriaus, yra „apaugusi“ daugybe pagalbinių įrenginių, tokių kaip: siurbliai, kompresorius oro tiekimui, vandenilio įpurškimas, dujų drėkintuvas, aušinimo blokas, dujos. nuotėkio stebėjimo sistema, keitiklis nuolatinė srovėį kintamąjį, valdymo procesorių ir tt Visa tai lemia tai, kad kuro elementų sistemos kaina 2004-2005 metais buvo 2-3 tūkst.$/kW. Ekspertų teigimu, kuro elementus bus galima naudoti transporto ir stacionariose elektrinėse už 50–100 USD/kW kainą.

Norėdami kasdieniame gyvenime įdiegti kuro elementus kartu su pigesniais komponentais, turime tikėtis naujų originalios idėjos ir prieiti. Visų pirma, didelės viltys dedamos į nanomedžiagų ir nanotechnologijų naudojimą. Pavyzdžiui, neseniai kelios įmonės paskelbė apie itin efektyvių katalizatorių, ypač deguonies elektrodų, pagrįstų įvairių metalų nanodalelių sankaupomis, sukūrimą. Be to, buvo pranešimų apie bemembranines kuro elementų konstrukcijas, kuriose skystasis kuras (pvz., metanolis) tiekiamas į kuro elementą kartu su oksidatoriumi. Taip pat įdomi yra besivystanti biokuro elementų, veikiančių užterštuose vandenyse ir sunaudojančių ištirpusį oro deguonį kaip oksidatorių, o organines priemaišas kaip kurą, koncepcija.

Ekspertų teigimu, artimiausiais metais kuro elementai pateks į masinę rinką. Ir iš tiesų, kūrėjai laimi vienas po kito techninių problemų, praneškite apie sėkmę ir pristatykite kuro elementų prototipus. Pavyzdžiui, „Toshiba“ pademonstravo gatavą metanolio kuro elementų prototipą. Jo dydis yra 22x56x4,5 mm, o jo galia yra apie 100 mW. Vieno papildymo 2 kubeliais koncentruoto (99,5%) metanolio pakanka 20 valandų MP3 grotuvo veikimo. „Toshiba“ išleido komercinį kuro elementą mobiliesiems telefonams maitinti. Vėl ta pati „Toshiba“ demonstravo 275x75x40mm nešiojamojo kompiuterio maitinimo elementą, leidžiantį kompiuteriui nuo vieno įkrovimo dirbti 5 valandas.

Nedaug nuo Toshiba atsilieka ir kita Japonijos kompanija „Fujitsu“. 2004 m. ji taip pat pristatė elementą, kuris veikia 30% vandeninį metanolio tirpalą. Šis kuro elementas vienu 300 ml papildymu veikė 10 valandų ir tuo pačiu metu pagamino 15 vatų galios.

Casio kuria kuro elementą, kuriame metanolis miniatiūriniame kuro keitiklyje pirmiausia paverčiamas į H2 ir CO2 dujų mišinį, o po to tiekiamas į kuro elementą. Demonstracinės versijos metu „Casio“ prototipas nešiojamąjį kompiuterį maitino 20 valandų.

„Samsung“ taip pat išgarsėjo kuro elementų srityje – 2004 m. pademonstravo savo 12 W prototipą, skirtą nešiojamam kompiuteriui maitinti. Apskritai „Samsung“ kuro elementus visų pirma ketina naudoti ketvirtos kartos išmaniuosiuose telefonuose.

Turiu pasakyti, kad Japonijos įmonės kuro elementų kūrimą apskritai vertino labai kruopščiai. Dar 2003 m. tokios kompanijos kaip „Canon“, „Casio“, „Fujitsu“, „Hitachi“, „Sanyo“, „Sharp“, „Sony“ ir „Toshiba“ suvienijo jėgas, kad sukurtų bendrą kuro elementų standartą nešiojamiesiems kompiuteriams, mobiliesiems telefonams, delniniams kompiuteriams ir kt. Elektroniniai prietaisai. Amerikos įmonės, kurių šioje rinkoje taip pat yra daug, daugiausia dirba pagal sutartis su kariuomene ir kuria kuro elementus amerikiečių kariams elektrifikuoti.

Neatsilieka ir vokiečiai – bendrovė „Smart Fuel Cell“ parduoda kuro elementus, kad galėtų maitinti mobilųjį biurą. Prietaisas vadinamas Smart Fuel Cell C25, jo matmenys yra 150 x 112 x 65 mm ir gali tiekti iki 140 vatvalandžių vienam užpildymui. To pakanka, kad nešiojamasis kompiuteris veiktų maždaug 7 valandas. Tada kasetė gali būti pakeista ir galite tęsti darbą. Metanolio kasetės dydis yra 99x63x27 mm, o svoris - 150 g. Pati sistema sveria 1,1 kg, todėl jos negalima vadinti visiškai nešiojama, tačiau vis tiek tai visiškai sukomplektuotas ir patogus įrenginys. Įmonė taip pat vystosi kuro modulis profesionalioms vaizdo kameroms maitinti.

Apskritai kuro elementai beveik pateko į mobiliosios elektronikos rinką. Prieš pradėdami masinę gamybą, gamintojai dar turi išspręsti paskutines technines problemas.

Pirma, būtina išspręsti kuro elementų miniatiūrizavimo klausimą. Galų gale, kuo mažesnis kuro elementas, tuo mažiau galios jis gali pagaminti – todėl nuolat kuriami nauji katalizatoriai ir elektrodai, leidžiantys maksimaliai padidinti darbinį paviršių esant mažais dydžiais. Čia tai praverčia naujausius pokyčius nanotechnologijų ir nanomedžiagų (pavyzdžiui, nanovamzdelių) srityje. Vėlgi, norint sumažinti elementų (kuro ir vandens siurblių, aušinimo ir kuro konversijos sistemų) vamzdynus, vis dažniau naudojami mikroelektromechanikos pasiekimai.

Antra svarbi problema, kurią reikia spręsti, yra kaina. Juk daugumoje kuro elementų kaip katalizatorius naudojama labai brangi platina. Vėlgi, kai kurie gamintojai stengiasi kuo geriau išnaudoti jau nusistovėjusias silicio technologijas.

Kalbant apie kitas kuro elementų panaudojimo sritis, kuro elementai ten jau gana tvirtai įsitvirtino, nors jie dar neįtvirtino nei energetikos, nei transporto sektoriuje. Jau dabar daugelis automobilių gamintojų pristatė savo koncepcinius automobilius, varomus kuro elementais. Kuro elementų autobusai važinėja keliuose pasaulio miestuose. Canadian Ballard Power Systems gamina daugybę stacionarių generatorių, kurių galia nuo 1 iki 250 kW. Tuo pačiu metu kilovatų generatoriai skirti iš karto aprūpinti vieną butą elektra, šiluma ir karštu vandeniu.

Energetikos ekspertai pastebi, kad daugumoje išsivysčiusių šalių susidomėjimas paskirstytais energijos šaltiniais palyginti sparčiai auga mažai energijos. Pagrindiniai šių autonominių elektrinių privalumai yra nedidelės kapitalo sąnaudos statybos metu, greitas paleidimas, gana paprasta priežiūra ir geras aplinkosauginis veiksmingumas. Esant autonominei elektros energijos 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.

Tokie autonominiai energijos šaltiniai kaip mažos dujų turbinos ( dujų turbinų blokai), vidaus degimo varikliai, vėjo turbinos ir saulės elementai ant puslaidininkių.

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 nedidelis anglies dioksido kiekis (arba iš viso 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 elementai susideda iš anodo ( neigiama pusė), katodas ( teigiama pusė) ir elektrolitas, leidžiantis krūviams judėti tarp dviejų kuro elemento pusių (Pav.: grandinės schema kuro elementai).

Elektronai pereina iš anodo į katodą per išorinę grandinę, sukurdami nuolatinės srovės 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 (TEFC, PMFC). Vandenilis yra labiausiai paplitęs kuras, tačiau kartais gali būti naudojami ir angliavandeniliai, tokie kaip gamtinės dujos ir alkoholiai (t. y. metanolis). Kuro elementai nuo baterijų skiriasi tuo, kad cheminei reakcijai palaikyti reikalingas nuolatinis kuro ir deguonies/oro šaltinis, be to, jie gamina elektrą tol, kol tiekiama.

Kuro elementai turi šiuos privalumus Palyginti su įprastais energijos šaltiniais, tokiais kaip vidaus degimo varikliai ar akumuliatoriai:

• Kuro elementai turi didesnį efektyvumą nei dyzeliniai ar dujiniai varikliai.
• Dauguma kuro elementų veikia tyliai, palyginti su vidaus degimo varikliais. Todėl jie tinka pastatams, kuriems taikomi specialūs reikalavimai, pavyzdžiui, ligoninėms.
• Kuro elementai nesukelia taršos, kurią sukelia deginant iškastinį kurą; pavyzdžiui, vandenilio kuro elementų šalutinis produktas yra tik vanduo.
• Jei vandenilis gaunamas elektrolizės būdu iš vandens, tiekiamo iš atsinaujinančių energijos šaltinių, tai naudojant kuro elementus šiltnamio efektą sukeliančių dujų neišskiriama per visą ciklą.
• Kuro elementams nereikia įprastinio kuro, pavyzdžiui, naftos ar dujų, todėl jie gali panaikinti ekonominę priklausomybę nuo naftą gaminančių šalių ir užtikrinti didesnį energetinį saugumą.
• Kuro elementai yra nepriklausomi nuo tinklo, nes vandenilį galima gaminti visur, kur yra vandens ir elektros, o pagamintas kuras gali būti paskirstytas.
• Naudojant stacionarius kuro elementus energijai gaminti vartojimo vietoje, galima naudoti decentralizuotus elektros tinklus, kurie yra potencialiai stabilesni.
• Žemos temperatūros kuro elementai (TEFC, PMFC) turi žemas lygisšilumos perdavimas, todėl jie idealiai tinka įvairioms reikmėms.
• Aukštesnės temperatūros kuro elementai gamina aukštos kokybės proceso šiluminę energiją kartu su elektra ir puikiai tinka kogeneracijai (pvz. bendros gamybosšiluminė ir elektros energija gyvenamiesiems pastatams).
• Veikimo laikas yra žymiai ilgesnis nei baterijų veikimo laikas, nes ilginant veikimo laiką reikia tik daugiau degalų, o įrenginio našumo didinti nereikia.
• Skirtingai nuo baterijų, kuro elementai turi „atminties efektą“, kai jie papildomi.
• Kuro elementų priežiūra yra paprasta, nes juose nėra didelių judančių dalių.

Labiausiai paplitęs kuras kuro elementams yra vandenilis, nes jis negamina kenksmingų teršalų. Tačiau gali būti naudojamas ir kitas kuras, o gamtinių dujų kuro elementai laikomi veiksminga alternatyva, kai gamtinių dujų galima įsigyti konkurencingomis kainomis. Kuro elementuose kuro ir oksidatorių srautas praeina per elektrodus, atskirtus elektrolitu. 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 ir deguonį kaip oksidatorių, kuro elemente vykstanti reakcija gamina vandenį, šiluminę energiją ir elektrą. 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. Tuo tarpu gryno vandenilio ir deguonies varomi kuro elementai gamina tik vandenį, elektrą ir šiluminę energiją; 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 elektra daug efektyviau nei tradiciniai elektros gamybos būdai deginant kurą. Tai reiškia, kad pagaminti tiek pat elektros energijos reikia mažiau degalų. Nacionalinė energetikos technologijų laboratorija58 apskaičiavo, kad būtų galima pagaminti kuro elementus (kartu su gamtinių dujų turbinomis), kurie veiktų nuo 1 iki 20 MWe galios ir 70 % efektyvumo. Šis efektyvumas yra daug didesnis nei efektyvumas, kurį galima pasiekti naudojant tradicinius energijos gamybos būdus 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 gyvenamųjų, komercinių, pramoninių pastatų ir net transporto priemonių įrenginiams.
• Patikimumas- Kuro elementai yra visiškai uždari įrenginiai, kuriuose nėra judančių dalių ar sudėtingų mechanizmų. Dėl to jie yra patikimi elektros energijos šaltiniai, kurie gali veikti daug valandų. Be to, jie yra beveik tylūs ir saugūs elektros energijos šaltiniai. Kuro elementuose taip pat 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), kurie yra elektrocheminiai generatoriai, galinti cheminę energiją paversti elektros energija, aplenkdama degimo procesus, šiluminę energiją paversti mechanine, o pastarąją – elektros energija. Elektros energija kuro elementuose generuojama per cheminę reakciją tarp redukcijos agento ir oksidatoriaus, kurie nuolat tiekiami į elektrodus. Reduktorius dažniausiai yra vandenilis, oksidatorius – deguonis arba oras. Kuro elementų baterijos ir reagentų tiekimo, reakcijos produktų šalinimo ir šilumos (kurią galima panaudoti) įrenginių derinys yra elektrocheminis generatorius.
Paskutiniame XX amžiaus dešimtmetyje, kai tapo ypač aktualūs elektros energijos tiekimo patikimumo ir aplinkosaugos klausimai, daugelis įmonių Europoje, Japonijoje ir JAV pradėjo kurti ir gaminti kelis kuro elementų variantus.
Paprasčiausi yra šarminiai kuro elementai, nuo kurių buvo pradėti kurti tokio tipo autonominiai energijos šaltiniai. Darbinė temperatūrašiuose kuro elementuose temperatūra 80-95°C, elektrolitas – 30 % kalio hidroksido tirpalas. Šarminiai kuro elementai veikia grynu vandeniliu.
Paskutinį kartą plačiai paplitęs gavo PEM kuro elementą 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, o -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, veikiant katalizatoriui, prie anodo vandenilio molekulės 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. Šio kuro elemento, naudojant metaną, elektrinis naudingumas yra 50-57%. 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.

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

Sėkmingiausi buvo 1999 m. pradėto eksploatuoti 100 kW įrenginio demonstraciniai bandymai. Jėgainė patvirtino galimybę gaminti elektros energiją dideliu naudingumo koeficientu (46%), taip pat parodė didelį charakteristikų stabilumą. Taigi buvo įrodyta galimybė elektrinę eksploatuoti mažiausiai 40 tūkstančių valandų su priimtinu jos galios sumažėjimu.

2001 metais buvo sukurta nauja jėgainė, kurios pagrindą sudaro kietieji oksidiniai elementai, veikiantys esant atmosferos slėgiui. Akumuliatorius (elektrocheminis generatorius), kurio elektrinė galia 250 kW su kombinuota elektros ir šilumos gamyba, apėmė 2304 kieto oksido vamzdinius elementus. Be to, įrenginyje buvo inverteris, regeneratorius, kuro (gamtinių dujų) šildytuvas, degimo kamera orui šildyti, 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 pasiekė tam tikros sėkmės kurdami didelius kuro elementus. Tyrimai Japonijoje prasidėjo dar 1972 m., tačiau reikšminga pažanga buvo pasiekta tik 90-ųjų viduryje. Eksperimentinių kuro elementų modulių galia svyravo 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. bendroji galia pagamintų kuro elementų iki 2000 m. 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 transporto ir asmeninio maitinimo blokus, kurių galia 50-300 W;
• „Analytic Power Corporation“ JAV armijai sukūrė asmeninius maitinimo šaltinius, kurių galia yra 150 W, taip pat kuro elementų įrenginius namų maitinimui, kurių galia nuo 3 iki 10 kW.

Kokie yra kuro elementų pranašumai, dėl kurių daugelis įmonių į jų plėtrą investuoja didžiules pinigų sumas?
Be to didelis patikimumas elektrocheminiai generatoriai pasižymi dideliu efektyvumu, o tai išskiria juos iš garo turbinų ir net nuo įrenginių su paprasto ciklo dujų turbinomis. Svarbus kuro elementų privalumas yra tai, kad juos lengva naudoti kaip išsklaidytus energijos šaltinius: modulinė konstrukcija leidžia nuosekliai sujungti bet kokį skaičių atskirų elementų, kad būtų suformuota baterija – tai ideali kokybė norint padidinti galią.

Tačiau svarbiausias argumentas kuro elementų naudai yra jų aplinkos savybės. Šių gamyklų NOx ir CO emisijos yra tokios mažos, kad, pavyzdžiui, apskričių oro kokybės agentūros (kur JAV aplinkosaugos taisyklės yra pačios griežčiausios) šios įrangos net nemini visuose oro apsaugos reikalavimuose.

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

IN pastaraisiais metais Padaryta tam tikra pažanga mažinant FC įrengimų išlaidas. Aukščiau paminėtų 0,2–1,0 MW galios fosforo rūgšties kuro elementų elektrinių statyba kainavo 1700 USD / kW. Skaičiuojama, kad energijos gamybos sąnaudos Vokietijoje tokiuose įrenginiuose, naudojant 6000 valandų per metus, yra 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 priežiūrą, sudarė 15 centų/kWh. Tas pats rusvosios anglies AE rodiklis buvo 5,6 cento / kWh energetikos įmonėje, 4,7 cento / kWh anglies, 4,7 cento / kWh kombinuoto ciklo jėgainėse ir dyzelinių elektrinių- 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 realių kuro elementų kaina siekė tik 400 USD/kW.

Visa tai, kas išdėstyta aukščiau, rodo, kad kuro elementai yra perspektyvinis vaizdas energijos gamybos įranga tiek pramonei, tiek autonominiams buitinio sektoriaus įrenginiams. Didelis dujų naudojimo efektyvumas ir puikios aplinkosauginės charakteristikos leidžia manyti, kad išsprendus svarbiausią problemą – sumažinus savikainą – tokio tipo jėgos įrenginiai bus paklausūs rinkoje. autonominės sistemosšilumos ir elektros tiekimas.

Kuro elementas- kas tai yra? Kada ir kaip jis atsirado? Kodėl to reikia ir kodėl šiais laikais apie juos taip dažnai kalbama? Kokios jo taikymo sritys, savybės ir savybės? Nesustabdoma pažanga reikalauja atsakymų į visus šiuos klausimus!

Kas yra kuro elementas?

Kuro elementas- yra cheminis srovės šaltinis arba elektrocheminis generatorius; tai įtaisas, skirtas cheminei energijai paversti elektros energija. Šiuolaikiniame gyvenime cheminių šaltinių srovės naudojamos visur ir yra mobiliųjų telefonų, nešiojamųjų kompiuterių, delninių kompiuterių, taip pat automobilių baterijos, nepertraukiamo maitinimo šaltiniai ir kt. Kitas šios srities plėtros etapas bus platus kuro elementų platinimas ir tai yra nepaneigiamas faktas.

Kuro elementų istorija

Kuro elementų istorija – tai dar viena istorija apie tai, kaip Žemėje atrastos materijos savybės buvo plačiai pritaikytos toli kosmose, o tūkstantmečių sandūroje sugrįžo iš dangaus į Žemę.

Viskas prasidėjo 1839 m, kai vokiečių chemikas Christianas Schönbeinas „Philosophical Journal“ paskelbė kuro elemento principus. Tais pačiais metais anglas ir Oksfordo absolventas Williamas Robertas Grove'as sukūrė galvaninį elementą, vėliau pavadintą Grove galvaniniu elementu, kuris taip pat pripažintas pirmuoju kuro elementu. Pavadinimas „kuro elementas“ išradimui buvo suteiktas jo jubiliejaus metais – 1889 m. Sąvokos autoriai yra Ludwigas Mondas ir Karlas Langeris.

Kiek anksčiau, 1874 m., Jules'as Verne'as savo romane „Paslaptingoji sala“ numatė dabartinę energetikos situaciją, rašydamas, kad „vanduo vieną dieną bus naudojamas kaip kuras, o vandenilis ir deguonis, iš kurių jis susideda, bus panaudoti“.

Tuo tarpu naujos maitinimo technologijos buvo pamažu tobulinamos, o nuo XX amžiaus 50-ųjų nepraėjo nė metai, kad nebūtų paskelbti naujausi išradimai šioje srityje. 1958 m. JAV pasirodė pirmasis traktorius, varomas kuro elementais, 1959 m. išleistas 5kW maitinimo šaltinis suvirinimo aparatui ir kt. 70-aisiais į kosmosą pakilo vandenilio technologijos: lėktuvai ir raketų varikliai ant vandenilio. 60-aisiais RSC Energia sukūrė kuro elementus sovietinei Mėnulio programai. Buran programa taip pat neapsiėjo be jų: buvo sukurti šarminiai 10 kW kuro elementai. O šimtmečio pabaigoje kuro elementai kirto nulinį aukštį virš jūros lygio – remiantis jais, maitinimo šaltinis Vokiečių povandeninis laivas. Grįžtant į Žemę pirmasis lokomotyvas buvo pradėtas eksploatuoti JAV 2009 m. Natūralu, kad ant kuro elementų.

Visoje nuostabioje kuro elementų istorijoje įdomu tai, kad ratas vis dar išlieka žmonijos išradimu, neturinčiu analogų gamtoje. Faktas yra tas, kad savo konstrukcija ir veikimo principu kuro elementai yra panašūs į biologinį elementą, kuris iš esmės yra miniatiūrinis vandenilio-deguonies kuro elementas. Dėl to žmogus vėl išrado kažką, ką gamta naudojo milijonus metų.

Kuro elementų veikimo principas

Kuro elementų veikimo principas yra akivaizdus net iš mokyklos chemijos programos, ir būtent tai buvo išdėstyta Williamo Grove'o eksperimentuose 1839 m. Reikalas tas, kad vandens elektrolizės (vandens disociacijos) procesas yra grįžtamas. Lygiai taip pat, kaip yra tiesa, kad elektros srovei tekant per vandenį, pastarasis suskaidomas į vandenilį ir deguonį, taip yra ir atvirkščiai: vandenilis ir deguonis gali būti sujungti, kad susidarytų vanduo ir elektra. Grove eksperimente du elektrodai buvo patalpinti į kamerą, į kurią esant slėgiui buvo tiekiamas ribotas kiekis gryno vandenilio ir deguonies. Dėl nedidelių dujų tūrių, taip pat dėl ​​anglies elektrodų cheminių savybių kameroje įvyko lėta reakcija, išsiskirianti šiluma, vanduo ir, svarbiausia, tarp elektrodų susidaro potencialų skirtumas.

Paprasčiausias kuro elementas susideda iš specialios membranos, naudojamos kaip elektrolitas, kurios abiejose pusėse yra uždėti miltelių pavidalo elektrodai. Vandenilis patenka į vieną pusę (anodas), o deguonis (oras) patenka į kitą (katodą). Kiekviename elektrode vyksta skirtingos cheminės reakcijos. Prie anodo vandenilis skyla į protonų ir elektronų mišinį. Kai kuriuose kuro elementuose elektrodai yra apsupti katalizatoriumi, dažniausiai pagamintu iš platinos ar kitų tauriųjų metalų, kuris skatina disociacijos reakciją:

2H 2 → 4H + + 4e -

kur H2 yra dviatomė vandenilio molekulė (forma, kurioje vandenilis yra dujų pavidalu); H + - jonizuotas vandenilis (protonas); e - - elektronas.

Kuro elemento katodo pusėje protonai (praėję per elektrolitą) ir elektronai (praėję per išorinę apkrovą) rekombinuoja ir reaguoja su į katodą tiekiamu deguonimi, sudarydami vandenį:

4H + + 4e - + O2 → 2H2O

Visiška reakcija kuro elemente parašyta taip:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

Kuro elemento veikimas pagrįstas tuo, kad elektrolitas pro save praleidžia protonus (link katodo), o elektronai – ne. Elektronai juda į katodą išorine laidžia grandine. Šis elektronų judėjimas yra elektros srovė, kurią galima naudoti išoriniam įrenginiui, prijungtam prie kuro elemento (apkrovai, pvz., elektros lemputei), maitinti:

Kuro elementams veikti naudojamas vandenilio kuras ir deguonis. Lengviausias būdas yra su deguonimi – jis paimamas iš oro. Vandenilis gali būti tiekiamas tiesiogiai iš tam tikros talpos arba izoliuojant jį nuo išorinio kuro šaltinio (gamtinių dujų, benzino arba metilo alkoholio – metanolio). Išorinio šaltinio atveju jis turi būti chemiškai paverstas vandeniliu išgauti. Šiuo metu dauguma kuro elementų technologijų, kuriamų nešiojamiesiems įrenginiams, naudoja metanolį.

Kuro elementų charakteristikos

Kuro elementai yra analogiški esamiems akumuliatoriams ta prasme, kad abiem atvejais elektros energija gaunama iš cheminės energijos. Tačiau yra ir esminių skirtumų:

• jie veikia tik tol, kol kuras ir oksidatorius tiekiami iš išorinio šaltinio (t. y. negali kaupti elektros energijos),

  elektrolito cheminė sudėtis eksploatacijos metu nekinta (kuro elemento nereikia įkrauti),

  jie visiškai nepriklauso nuo elektros (tuo tarpu įprastos baterijos kaupti energiją iš elektros tinklo).

Kiekvienas kuro elementas sukuria įtampa 1V. Didesnė įtampa pasiekiama jungiant juos nuosekliai. Galios (srovės) padidėjimas realizuojamas per lygiagretus ryšys nuosekliai sujungtų kuro elementų kaskados.

Kuro elementuose nėra griežtų efektyvumo apribojimų, kaip ir šiluminiai varikliai(Karno ciklo efektyvumas yra didžiausias įmanomas efektyvumas tarp visų šiluminių variklių, kurių minimali ir maksimali temperatūra).

Didelis efektyvumas pasiekiamas tiesiogiai paverčiant kuro energiją į elektros energiją. Jei degalai pirmiausia deginami dyzeliniuose generatoriuose, susidarę garai ar dujos suka turbinos arba vidaus degimo variklio veleną, o tai savo ruožtu suka elektros generatorių. Rezultatas – maksimalus 42 % efektyvumas, bet dažniau apie 35-38 %. Be to, dėl daugybės sąsajų, taip pat dėl ​​termodinaminių apribojimų, susijusių su maksimaliu šilumos variklių efektyvumu, esamas efektyvumas greičiausiai nebus padidintas. Esamiems kuro elementams efektyvumas yra 60-80%,

Efektyvumas beveik nepriklauso nuo apkrovos faktoriaus,

Talpa kelis kartus didesnė nei esamose baterijose,

Užbaigti jokių aplinkai kenksmingų teršalų. Išskiriami tik gryni vandens garai ir šiluminė energija (skirtingai nuo dyzelinių generatorių, kurių išmetamosios dujos yra taršios ir jas reikia pašalinti).

Kuro elementų tipai

kuro elementai klasifikuojami pagal šias charakteristikas:

pagal naudojamą kurą,

pagal darbinį slėgį ir temperatūrą,

pagal paraiškos pobūdį.

Apskritai išskiriami šie dalykai: kuro elementų tipai:

Kietojo oksido kuro elementai (SOFC);

Kuro elementas su protonų mainų membranos kuro elementu (PEMFC);

Reversable Fuel Cell (RFC);

Tiesioginio metanolio kuro elementas (DMFC);

Išlydyto karbonato kuro elementai (MCFC);

Fosforo rūgšties kuro elementai (PAFC);

Šarminiai kuro elementai (AFC).

Viena kuro elementų rūšis, kuri veikia esant normaliai temperatūrai ir slėgiui naudojant vandenilį ir deguonį, yra jonų mainų membranos elementas. Susidaręs vanduo netirpdo kieto elektrolito, teka žemyn ir lengvai pašalinamas.

Kuro elementų problemos

Pagrindinė kuro elementų problema susijusi su poreikiu turėti „supakuotą“ vandenilį, kurio būtų galima laisvai įsigyti. Akivaizdu, kad laikui bėgant problema turėtų išsispręsti, tačiau kol kas situacija kelia lengvą šypseną: kas pirmiau – višta ar kiaušinis? Kuro elementai dar nėra pakankamai išvystyti vandenilio gamykloms statyti, tačiau jų pažanga neįsivaizduojama be šių gamyklų. Čia atkreipiame dėmesį į vandenilio šaltinio problemą. Šiuo metu vandenilis gaminamas iš gamtinių dujų, tačiau didėjančios energijos sąnaudos didins ir vandenilio kainą. Tuo pačiu metu vandenilyje iš gamtinių dujų neišvengiama CO ir H 2 S (vandenilio sulfido), kurie nuodija katalizatorių.

Įprastuose platinos katalizatoriuose naudojamas labai brangus ir nepakeičiamas metalas – platina. Tačiau šią problemą planuojama išspręsti naudojant fermentų pagrindu pagamintus katalizatorius, kurie yra pigi ir lengvai pagaminama medžiaga.

Išskiriama šiluma taip pat yra problema. Efektyvumas smarkiai padidės, jei generuojama šiluma bus nukreipta į naudingą kanalą – šilumos energijos gamybai šildymo sistemai, panaudojant ją kaip atliekinę šilumą sugeriant. šaldymo mašinos ir taip toliau.

Metanolio kuro elementai (DMFC): tikras pritaikymas

Didžiausią praktinį susidomėjimą šiandien kelia tiesioginiai metanolio kuro elementai (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). Portege M100 nešiojamas kompiuteris, veikiantis su DMFC kuro elementu, atrodo taip:

Įprastoje DMFC elementų grandinėje, be anodo, katodo ir membranos, yra keletas papildomų komponentų: kuro kasetė, metanolio jutiklis, kuro cirkuliacinis siurblys, oro siurblys, šilumokaitis ir kt.

Pavyzdžiui, nešiojamojo kompiuterio veikimo laiką, palyginti su baterijomis, planuojama padidinti 4 kartus (iki 20 valandų), mobiliojo telefono – iki 100 valandų aktyviu režimu ir iki šešių mėnesių budėjimo režimu. Įkrovimas bus atliekamas įpilant dalį skysto metanolio.

Pagrindinė užduotis – rasti didžiausios koncentracijos metanolio tirpalo naudojimo galimybes. Bėda ta, kad metanolis yra gana stiprus nuodas, mirtinas kelių dešimčių gramų dozėmis. Tačiau metanolio koncentracija tiesiogiai veikia veikimo trukmę. Jei anksčiau buvo naudojamas 3-10% metanolio tirpalas, tai jau atsirado 50% tirpalą naudojantys mobilieji telefonai ir delniniai kompiuteriai, o 2008 metais laboratorinėmis sąlygomis MTI MicroFuel Cells, o kiek vėliau ir Toshiba specialistai gavo veikiančius kuro elementus. ant gryno metanolio.

Kuro elementai yra ateitis!

Galiausiai, apie akivaizdžią kuro elementų ateitį liudija ir tai, kad tarptautinė organizacija IEC (Tarptautinė elektrotechnikos komisija), kuri nustato pramonės standartus elektroniniams prietaisams, jau paskelbė apie darbo grupės kūrimą tarptautiniam miniatiūrinių kuro elementų standartui sukurti. .

Tradicinis vidaus degimo variklis (ICE) turi nemažai reikšmingų trūkumų, kurie verčia mokslininkus ieškoti verto pakeitimo. Populiariausias tokios alternatyvos variantas yra elektros variklis, tačiau jis ne vienintelis gali konkuruoti su vidaus degimo varikliu. Šiame straipsnyje kalbėsime apie vandenilio variklį, kuris pagrįstai laikomas automobilių pramonės ateitimi ir gali išspręsti kenksmingų išmetamųjų teršalų bei didelių degalų sąnaudų problemą.

Apsakymas

Nepaisant to, kad aplinkos apsauga tik dabar tapo plačiai paplitusia problema, mokslininkai apie standartinio vidaus degimo variklio pakeitimą galvojo ir anksčiau. Taigi variklis, varomas vandeniliu, „išvydo pasaulį“ dar 1806 m., kurį padėjo sukurti prancūzų išradėjas Francois Isaac de Rivaz (vandenilį jis gamino naudodamas vandens elektrolizę).

Praėjo keli dešimtmečiai, ir pirmasis vandenilinio variklio patentas buvo išduotas Anglijoje (1841 m.), o 1852 metais vokiečių mokslininkai sukūrė vidaus degimo variklį, galintį veikti oro ir vandenilio mišiniu.

Šiek tiek vėliau, Leningrado apgulties metu, kai benzino trūko, o vandenilio buvo galima įsigyti gana dideliais kiekiais, technikas Borisas Shelishch pasiūlė oro ir vandenilio mišinį naudoti užtvarų balionams valdyti. Po to visi balioninių gervių vidaus degimo varikliai buvo perjungti į vandenilinę, o bendras vandeniliu varomų transporto priemonių skaičius siekė 600 vnt.

Dvidešimtojo amžiaus pirmoje pusėje visuomenės susidomėjimas vandeniliniais varikliais buvo menkas, tačiau prasidėjus degalų ir energijos krizei 70-aisiais, padėtis kardinaliai pasikeitė. Visų pirma, 1879 m. BMW išleido pirmąjį automobilį, kuris gana sėkmingai važiavo vandeniliu (be sprogimų ir iš išmetimo vamzdžio išbėgančių vandens garų).

Po BMW šia kryptimi pradėjo dirbti ir kiti didieji automobilių gamintojai, o praėjusio šimtmečio pabaigoje beveik kiekviena save gerbianti automobilių kompanija jau turėjo koncepciją sukurti vandeniliniu kuru varomą automobilį. Tačiau, pasibaigus naftos krizei, visuomenės susidomėjimas alternatyviais degalų šaltiniais išnyko, nors mūsų laikais jis vėl pradeda atsibusti, skatinamas aplinkosaugininkų, kovojančių už transporto priemonių išmetamųjų dujų toksiškumo mažinimą.

Be to, energijos kainos ir noras įgyti nepriklausomybę nuo kuro tik prisideda prie daugelio pasaulio šalių mokslininkų teorinių ir praktinių tyrimų. Aktyviausios įmonės yra BMW, General motors, Honda Motor, Ford Motor.

Įdomus faktas! Vandenilis yra labiausiai paplitęs elementas Visatoje, tačiau rasti jį grynu pavidalu mūsų planetoje bus labai sunku.

Vandenilio variklio veikimo principas ir tipai

Pagrindinis skirtumas tarp vandenilio gamyklos ir tradiciniai varikliai yra kuro skysčio tiekimo ir vėlesnio darbinio mišinio uždegimo būdas. Tuo pačiu metu alkūninio mechanizmo grįžtamųjų judesių transformavimo principas į naudingo darbo lieka nepakitęs. Atsižvelgiant į tai, kad naftos kuras dega gana lėtai, kuro-oro mišinys užpildo degimo kamerą, kol stūmoklis nepasiekia savo kraštutinumo aukščiausia pozicija(vadinamasis viršutinis negyvas centras).

Greita vandenilio reakcija leidžia perkelti įpurškimo laiką arčiau to momento, kai stūmoklis pradeda grįžti į apatinį negyvąjį tašką. Reikia pažymėti, kad slėgis kuro sistemoje nebūtinai bus didelis.

Jei vandeniliniam varikliui sudaromos idealios darbo sąlygos, jis gali turėti Degalų sistema mityba uždaro tipo, kai mišinio susidarymo procesas vyksta nedalyvaujant atmosferos oro srautams. Tokiu atveju po suspaudimo takto degimo kameroje lieka vandens garai, kurie, praeidami pro radiatorių, kondensuojasi ir vėl virsta įprastu vandeniu.

Tačiau naudoti tokio tipo prietaisus galima tik tada, kai transporto priemonėje yra elektrolizatorius, kuris atskiria vandenilį nuo vandens, kad jis vėl reaguotų su deguonimi. Įjungta Šis momentas pasiekti tokių rezultatų yra labai sunku. Jis naudojamas stabiliam variklių darbui, o jo garai yra išmetamųjų dujų dalis.

Todėl be rūpesčių elektrinės paleidimas ir stabilus jos veikimas detonuojančiomis dujomis, nenaudojant atmosferos oro, kol kas yra neįmanoma užduotis. Yra dvi automobilių vandenilio įrenginių parinktys:agregatai, veikiantys vandenilio kuro elementų pagrindu, ir vandenilio vidaus degimo varikliai.

Elektrinės, kurių pagrindą sudaro vandenilio kuro elementai

Kuro elementų veikimo principas pagrįstas fizinėmis ir cheminėmis reakcijomis. Iš esmės tai yra tas pats laidas įkraunamos baterijos, tačiau kuro elemento efektyvumas yra šiek tiek didesnis nei baterijos ir yra apie 45% (kartais daugiau).

Į vandenilio-deguonies kuro elemento korpusą įdedama membrana (laidi tik protonams), skirianti kamerą su anodu ir kamerą su katodu. Vandenilis patenka į kamerą su anodu, o deguonis patenka į katodo kamerą. Kiekvienas elektrodas yra iš anksto padengtas katalizatoriaus sluoksniu, kuris dažnai yra platinos. Veikiamas jo molekulinis vandenilis pradeda prarasti elektronus.

Tuo pačiu metu protonai pereina per membraną į katodą ir, veikiami to paties katalizatoriaus, susijungia su elektronais, ateinančiais iš išorės. Dėl reakcijos susidaro vanduo, o elektronai iš anodo kameros pereina į elektros grandinę, prijungtą prie variklio. Paprasčiau tariant, gauname elektros srovę, kuri maitina variklį.

Kuro elementų pagrindu pagaminti vandenilio varikliai šiandien naudojami „Niva“ automobiliuose su „Antel-1“ jėgos agregatu ir „Lada 111“ automobiliuose su „Antel-2“, kuriuos sukūrė Uralo inžinieriai. Pirmuoju atveju vieno įkrovimo užtenka 200 km, o antruoju – 350 km.

Pažymėtina, kad dėl didelių metalų (paladžio ir platinos), įtrauktų į tokių vandenilio variklių konstrukciją, kainos tokie įrengimai yra labai brangūs, o tai žymiai padidina transporto priemonės, ant kurios jie sumontuoti, kainą.

Ar tu žinai?Specialistai Toyota kompanija pradėjo dirbti su kuro elementų technologija prieš 20 metų. Tada ir prasidėjo projektas. hibridinis automobilis Priusas.

Vandeniliniai vidaus degimo varikliai

Šio tipo jėgainės labai panašios į šiandien paplitusius propaninius variklius, todėl norint pakeisti propaninį prie vandenilio kuro, tereikia iš naujo sukonfigūruoti variklį. Tokio perėjimo pavyzdžių jau yra daug, tačiau reikia pasakyti, kad tokiu atveju efektyvumas bus kiek mažesnis nei naudojant kuro elementus. Tuo pačiu metu norint gauti 1 kW vandenilio energijos, reikės mažiau, o tai visiškai kompensuoja šį trūkumą.

Naudojant šią medžiagą įprastame vidaus degimo variklyje, kils nemažai problemų. Pirmiausia, aukšta suspaudimo temperatūra „privers“ vandenilį reaguoti su metaliniais variklio elementais ar net variklio alyva. Antra, net nedidelis nuotėkis susilietus su karštu išmetimo kolektoriumi tikrai sukels gaisrą.

Dėl šios priežasties tik jėgos agregatai rotacinis tipas, nes jų konstrukcija sumažina gaisro riziką dėl atstumo tarp įsiurbimo ir išmetimo kolektorių. Bet kuriuo atveju visų problemų iki šiol pavyko išvengti, o tai leidžia vertinti vandenilį kaip gana perspektyvų kurą.

Geras vandeniliu varomos transporto priemonės pavyzdys – eksperimentinis BMW 750hL sedanas, kurio koncepcija buvo pristatyta dar 2000-ųjų pradžioje. Automobilyje sumontuotas dvylikos cilindrų variklis, veikiantis raketiniu kuru ir leidžiantis automobiliui įsibėgėti iki 140 km/val. Skystas vandenilis laikomas specialioje talpykloje, o vieno tiekimo užtenka 300 kilometrų. Jei jis visiškai sunaudojamas, sistema automatiškai persijungia į benzino maitinimą.

Šiuolaikinėje rinkoje vandenilio variklis

Naujausi mokslininkų tyrimai, susiję su vandenilinių variklių veikimu, parodė, kad jie yra ne tik labai nekenksmingi aplinkai (kaip ir elektros varikliai), bet ir gali būti labai efektyvūs veikimo požiūriu. Be to, anot techniniai rodikliai vandenilio jėgainės yra pranašesnės už savo elektrines kolegas, kas jau buvo įrodyta (pavyzdžiui, Honda Clarity).

Taip pat Reikėtų pažymėti, kad skirtingai nei Tesla Powerwall sistemos, vandenilio analogai turi vieną reikšmingas trūkumas: Akumuliatoriaus įkrauti naudojant saulės energiją nebebus galima, o vietoje to teks ieškoti specialios degalinės, kurios šiandien net pasauliniu mastu nėra tiek daug.

Dabar „Honda Clarity“ buvo išleistas gana ribotu tiražu, o automobilį galima įsigyti tik Tekančios saulės šalyje, nes Europoje ir Amerikoje transporto priemonė pasirodys tik 2016 m.

Įdomu žinoti!Power Exporter 9000 generatorius (gali būti įtrauktas į Honda įranga Clarity) gali maitinti visus buitinius prietaisus beveik savaitę.

Taip pat mūsų laikais gaminamos ir kitos transporto priemonės, naudojantys vandenilinį kurą. Tai yra Mazda RX-8 vandenilis ir BMW Hydrogen 7 (hibridai, varomi skystu vandeniliu ir benzinu), taip pat Ford E-450 ir MAN autobusai Liūto miestas Autobusas.

Tarp automobiliai Ryškiausi vandenilinių transporto priemonių atstovai šiandien yra automobiliai Mercedes-Benz GLC F-Cell(galima įkrauti iš įprasto buitinio tinklo, o bendras atstumas yra apie 500 km), Toyota Mirai(veikia tik vandeniliu, o vieno degalų papildymo turėtų pakakti 650 km kelio) ir Honda FCX Clarity(nurodytas atstumas siekia 700 km). Tačiau tai dar ne viskas, nes vandeniliu varomas transporto priemones gamina ir kitos įmonės, pavyzdžiui, „Hyundai“ („Tucson FCEV“).

Vandenilio variklių privalumai ir pagrindiniai trūkumai

Su visais privalumais negalima teigti, kad vandenilio transportavimas yra be tam tikrų trūkumų. Visų pirma, būtina suprasti, kad degi vandenilio forma kambario temperatūroje ir normaliame slėgyje yra dujų pavidalu, o tai sukelia tam tikrų sunkumų laikant ir transportuojant tokį kurą. Tai reiškia, kad kyla rimta problema kuriant saugius vandenilio rezervuarus, naudojamus kaip automobilių kurą.

Be to, balionus, kuriuose yra šios medžiagos, reikia periodiškai tikrinti ir sertifikuoti, o tai gali atlikti tik kvalifikuoti ir licencijuoti darbuotojai. Taip pat prie šių problemų reikėtų pridėti dideles vandenilinio variklio išlaikymo išlaidas, jau nekalbant apie labai ribotą degalinių skaičių (bent jau mūsų šalyje).

Nepamirškite, kad vandenilio instaliacija padidina automobilio svorį, todėl jis gali būti ne toks manevringas, kaip norėtumėte. Todėl, atsižvelgdami į visa tai, kas išdėstyta aukščiau, gerai pagalvokite, ar verta pirkti vandenilinę transporto priemonę, ar geriau kol kas su ja susilaikyti.

Tačiau reikia pasakyti, kad toks sprendimas turi daug privalumų. Pirmiausia, Jūsų automobilis neterš aplinkos nuodingomis išmetamosiomis dujomis, Antra, masinė vandenilio gamyba galėtų padėti išspręsti nepaprastai svyruojančių degalų kainų ir įprastinio kuro skysčių trūkumo problemą.

Be to, daugelis šalių jau yra nutiesę metano vamzdynų tinklus, juos galima nesunkiai pritaikyti siurbti vandenilį, o vėliau tiekti jį į degalines. Vandenilis gali būti gaminamas tiek nedideliu mastu, tai yra vietos lygmeniu o masiškai – didelėse, centralizuotose įmonėse. Padidėjusi vandenilio gamyba bus papildoma paskata didinti šios medžiagos tiekimą buitinėms reikmėms (pavyzdžiui, namų ir biurų šildymui).

Prenumeruokite mūsų kanalus adresu

Kaip yra įvairių vidaus degimo variklių, taip ir kuro elementų – tinkamo kuro elemento tipo pasirinkimas priklauso nuo jo pritaikymo.

Kuro elementai skirstomi į aukštos temperatūros ir žemos temperatūros. Žemos temperatūros kuro elementai kaip kurą reikia palyginti gryno vandenilio. Tai dažnai reiškia, kad norint paversti pirminį kurą (pvz., gamtines dujas) į gryną vandenilį, reikia apdoroti kurą. Šis procesas sunaudoja papildomos energijos ir reikalauja speciali įranga. Aukštos temperatūros kuro elementaiŠios papildomos procedūros nereikia, nes jie gali atlikti kuro „vidinę konversiją“ aukštesnėje temperatūroje, 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 kuro dujos mažo kaloringumo kuras iš pramoninių procesų 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, pagamintas 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 aukšta temperatūra(650 °C). Efektyvumas svyruoja tarp 60-80%.

Kaitinant iki 650°C temperatūros, druskos tampa karbonato jonų (CO 3 2-) 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: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakcija prie katodo: CO 2 + 1 / 2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Bendroji elementų reakcija: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (katodas) => H 2 O (g) + CO 2 (anodas)

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

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 įrenginius su išlydytu karbonato elektrolitu esant pastoviai galiai. Aukšta temperatūra neleidžia kuro elementui pakenkti anglies monoksidu, „apsinuodijimu“ ir kt.

Kuro elementai su išlydytu karbonato elektrolitu yra tinkami naudoti dideliuose stacionariuose įrenginiuose. Šiluminės elektrinės su galia elektros energija 2,8 MW. Plėtojami įrenginiai, kurių išėjimo galia iki 100 MW.

Fosforo rūgšties kuro elementai (PAFC)

Fosforo (ortofosforo) rūgšties kuro elementai buvo pirmieji komerciniam naudojimui skirti kuro elementai. Procesas buvo sukurtas septintojo dešimtmečio viduryje ir buvo išbandytas nuo aštuntojo dešimtmečio. Nuo tada stabilumas ir našumas padidėjo, o kaina sumažėjo.

Fosforo (ortofosforo) rūgšties kuro elementuose naudojamas elektrolitas ortofosforo rūgšties (H 3 PO 4) pagrindu, kurio koncentracija iki 100 proc. Fosforo rūgšties joninis laidumas žemoje temperatūroje yra mažas, todėl šie kuro elementai naudojami iki 150–220°C temperatūroje.

Įkrovimo laikiklis kuro elementuose šio tipo yra vandenilis (H+, protonas). Panašus procesas vyksta ir protonų mainų membranos kuro elementuose (PEMFC), kurių metu į anodą tiekiamas vandenilis suskaidomas į protonus ir elektronus. Protonai keliauja per elektrolitą ir jungiasi su deguonimi iš oro prie katodo, sudarydami vandenį. Elektronai siunčiami per išorinę elektros grandinę, taip generuojant elektros srovę. Žemiau pateikiamos reakcijos, kurios generuoja elektros srovę ir šilumą.

Reakcija prie anodo: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakcija prie katodo: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2H 2 O
Bendroji elemento reakcija: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

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

Didelis šiluminių elektrinių, naudojančių kuro elementus, kurių pagrindą sudaro fosforo (ortofosforo) rūgštis, našumas kombinuotai šiluminės ir elektros energijos gamyboje yra vienas iš šio tipo kuro elementų privalumų. Agregatuose naudojamas apie 1,5% koncentracijos anglies monoksidas, kuris žymiai išplečia kuro pasirinkimą. Be to, CO 2 neturi įtakos elektrolitui ir kuro elemento veikimui; tokio tipo elementai veikia su reformuotu natūralus kuras. Paprastas dizainas, mažas elektrolitų lakumo laipsnis ir padidėjęs stabilumas taip pat yra šio tipo kuro elementų pranašumai.

Komerciniais tikslais gaminamos šiluminės elektrinės, kurių elektros išėjimo 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 priemonės galiai generuoti, 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 plastiko plėvelę) kaip elektrolitą. Prisotintas vandeniu, šis polimeras leidžia protonams prasiskverbti, 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:

Reakcija prie anodo: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakcija prie katodo: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Bendroji elemento reakcija: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Palyginti su kitų tipų kuro elementais, protonų mainų membranos kuro elementai 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 eksploatuoti. 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 kietas, o ne skystas. Naudojant kietą elektrolitą lengviau sulaikyti dujas prie katodo ir anodo, todėl tokius kuro elementus pigiau pagaminti. Palyginti su kitais elektrolitais, kietieji elektrolitai nekelia jokių orientacijos problemų, mažiau korozijos problemų, todėl elementas ir jo komponentai tarnauja ilgiau.

Kietojo oksido kuro elementai (SOFC)

Kietojo oksido kuro elementai yra aukščiausios darbinės temperatūros kuro elementai. Darbinė temperatūra gali svyruoti nuo 600°C iki 1000°C, todėl galima naudoti įvairių rūšių degalus be specialaus išankstinio apdorojimo. Tokioms aukštoms temperatūroms atlaikyti naudojamas elektrolitas yra plonas kietas metalo oksidas ant keramikos pagrindo, dažnai itrio ir cirkonio lydinys, kuris yra deguonies jonų (O 2 -) laidininkas. Kietojo oksido kuro elementų technologija buvo vystoma nuo šeštojo dešimtmečio pabaigos. ir turi dvi konfigūracijas: plokščią ir vamzdinę.

Kietasis elektrolitas užtikrina sandarų dujų perėjimą iš vieno elektrodo į kitą, o skysti elektrolitai yra porėtame substrate. Šio tipo kuro elementų krūvininkas yra deguonies jonas (O 2 -). Prie katodo deguonies molekulės iš oro yra atskiriamos į deguonies joną ir keturis elektronus. Deguonies jonai praeina per elektrolitą ir susijungia su vandeniliu, sukurdami keturis laisvus elektronus. Elektronai siunčiami per išorinę elektros grandinę, sukuriant elektros srovę ir atliekamą šilumą.

Reakcija prie anodo: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Reakcija prie katodo: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Bendroji elemento reakcija: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

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

Kietojo oksido kuro elementai veikia labai aukštoje temperatūroje (600°C–1000°C), todėl reikia daug laiko pasiekti optimalias darbo sąlygas, o sistema lėčiau reaguoja į energijos suvartojimo pokyčius. Esant tokioms aukštoms darbinėms temperatūroms, nereikia jokio keitiklio, kuris atgautų vandenilį iš kuro, todėl šiluminė elektrinė galėtų veikti naudojant santykinai nešvarų kurą, susidarantį dujofikuojant anglį ar išmetamąsias dujas ir pan. Šis kuro elementas taip pat puikiai tinka naudoti Aukšta įtampa, įskaitant pramonines ir dideles centrines elektrines. Komerciniu būdu gaminami moduliai, kurių elektros išėjimo galia yra 100 kW.

Tiesioginio metanolio oksidacijos kuro elementai (DOMFC)

Kuro elementų su tiesiogine metanolio oksidacija naudojimo technologija aktyviai vystosi. Jis sėkmingai pasitvirtino mobiliųjų telefonų, nešiojamųjų kompiuterių maitinimo srityje, taip pat kuriant nešiojamus maitinimo šaltinius. Būtent to ir siekiama ateityje panaudoti šiuos elementus.

Kuro elementų su tiesiogine metanolio oksidacija konstrukcija yra panaši į kuro elementų su protonų mainų membrana (MEPFC), t.y. Polimeras naudojamas kaip elektrolitas, o vandenilio jonas (protonas) – kaip krūvininkas. Tačiau skystas metanolis (CH 3 OH) oksiduojasi esant vandeniui prie anodo, išskirdamas CO 2, vandenilio jonus ir elektronus, kurie siunčiami per išorinę elektros grandinę, taip generuodami elektros srovę. Vandenilio jonai praeina per elektrolitą ir reaguoja su deguonimi iš oro ir elektronais iš išorinės grandinės, kad susidarytų vanduo prie anodo.

Reakcija prie anodo: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakcija prie katodo: 3/2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Bendroji elemento reakcija: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O

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

Šie elementai buvo išbandyti 50-120°C temperatūros diapazone. Dėl žemos darbinės temperatūros ir nereikia keitiklio, tiesioginio metanolio oksidacijos kuro elementai yra geriausi kandidatai abiem Mobilieji telefonai ir kitose plataus vartojimo prekėse, taip pat automobilių varikliuose. Šio tipo kuro elementų pranašumas yra jų mažas dydis, nes naudojamas skystas kuras, ir tai, kad nereikia naudoti keitiklio.

Šarminiai kuro elementai (ALFC)

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

Šarminiuose kuro elementuose naudojamas elektrolitas, 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 SHTE yra hidroksilo jonas (OH -), judantis nuo katodo iki anodo, kur reaguoja su vandeniliu, gamindamas vandenį ir elektronus. Ant anodo pagamintas vanduo grįžta atgal į katodą ir vėl sukuria hidroksilo jonus. Dėl šios kuro elemente vykstančių reakcijų serijos susidaro elektra ir, kaip šalutinis produktas, šiluma:

Reakcija prie anodo: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakcija prie katodo: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Bendroji sistemos reakcija: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

SHTE 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 iš efektyviausių kuro elementų – tokios charakteristikos atitinkamai gali prisidėti prie greitesnės energijos gamybos ir didelis efektyvumas kuro.

Viena iš būdingų SHTE savybių yra didelis jautrumas CO 2, kurio gali būti kure ar ore. CO 2 reaguoja su elektrolitu, greitai jį nuodija ir labai sumažina kuro elemento efektyvumą. Todėl SHTE naudojamas tik uždarose erdvėse, tokiose kaip kosminės ir povandeninės transporto priemonės, jos turi važiuoti grynu vandeniliu ir deguonimi. Be to, tokios molekulės kaip CO, H 2 O ir CH 4, kurios yra saugios kitiems kuro elementams, o kai kurios iš jų netgi veikia kaip kuras, kenkia SHFC.

Polimeriniai elektrolitų kuro elementai (PEFC)

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

Kietosios rūgšties kuro elementai (SFC)

Kietosios rūgšties kuro elementuose elektrolitas (C s HSO 4) neturi vandens. Todėl darbinė temperatūra yra 100-300°C. Deguonies anijonų SO 4 2- sukimasis leidžia protonams (raudoniems) judėti taip, kaip parodyta paveikslėlyje. Paprastai kietojo rūgštinio kuro elementas yra sumuštinis, kuriame labai plonas kieto rūgšties junginio sluoksnis yra įterptas tarp dviejų elektrodų, kurie yra sandariai suspausti, kad būtų užtikrintas geras kontaktas. Kaitinamas organinis komponentas išgaruoja, išeina per elektroduose esančias poras, išlaikydamas daugkartinio kontakto tarp kuro (arba deguonies kitame elemento gale), elektrolito ir elektrodų galimybę.

Kuro elementų tipas	Darbinė temperatūra	Energijos gamybos efektyvumas	Kuro tipas	Taikymo sritis
RKTE	550–700°C	50-70%		Vidutiniai ir dideli įrenginiai
FCTE	100–220°C	35-40%	Grynas vandenilis	Didelės instaliacijos
MOPTE	30-100°C	35-50%	Grynas vandenilis	Mažos instaliacijos
SOFC	450–1000°C	45-70%	Dauguma angliavandenilių kuro	Maži, vidutiniai ir dideli įrenginiai
PEMFC	20-90°C	20-30%	Metanolis	Nešiojamieji įrenginiai
SHTE	50–200°C	40-65%	Grynas vandenilis	Kosmoso tyrimai
PETE	30-100°C	35-50%	Grynas vandenilis	Mažos instaliacijos