DIY degvielas šūna mājās. Degvielas šūnu tehnoloģija un tās izmantošana automašīnās

Ņemot vērā nesenos notikumus, kas saistīti ar portatīvo datoru pārkaršanu, ugunsgrēkiem un pat sprādzieniem litija jonu akumulatoru vainas dēļ, nevar neatcerēties jaunas alternatīvas tehnoloģijas, kuras, pēc lielākās daļas ekspertu domām, nākotnē varēs papildināt vai nomainiet mūsdienu tradicionālās uzlādējamās baterijas. Runa ir par jauniem enerģijas avotiem – kurināmā elementiem.

Saskaņā ar empīrisku likumu, ko pirms 40 gadiem formulēja viens no Intel dibinātājiem Gordons Mūrs, procesora veiktspēja dubultojas ik pēc 18 mēnešiem. Baterijas nevar tikt līdzi mikroshēmām. Viņu jauda, ​​pēc ekspertu domām, palielinās tikai par 10% gadā.

Kurināmā šūna darbojas, pamatojoties uz šūnu (porainu) membrānu, kas atdala kurināmā elementa anoda un katoda telpas. Šī membrāna no abām pusēm ir pārklāta ar atbilstošiem katalizatoriem. Degviela tiek piegādāta anodam, šajā gadījumā tiek izmantots metanola šķīdums (metilspirts). Degvielas sadalīšanās ķīmiskās reakcijas rezultātā veidojas brīvie lādiņi, kas caur membrānu iekļūst katodā. Tādējādi elektriskā ķēde ir aizvērta, un tajā tiek radīta elektriskā strāva, lai darbinātu ierīci. Šāda veida kurināmā elementu sauc par tiešo metanola degvielas elementu (DMFC). Kurināmā elementu izstrāde sākās jau sen, bet pirmie rezultāti, kas lika runāt par reālu konkurenci ar litija jonu akumulatoriem, tika iegūti tikai pēdējos divos gados.

2004. gadā šādu ierīču tirgū bija aptuveni 35 ražotāji, taču tikai daži uzņēmumi varēja paziņot par vērā ņemamiem panākumiem šajā jomā. Janvārī Fujitsu prezentēja savu izstrādi – akumulatora biezums bija 15 mm, un tajā bija 300 mg 30 procentu metanola šķīduma. 15 W jauda ļāva tai darbināt klēpjdatoru 8 stundas. Mēnesi vēlāk mazs uzņēmums PolyFuel bija pirmais, kas paziņoja par to membrānu komerciālās ražošanas uzsākšanu, kuras būtu jāaprīko ar degvielas barošanas avotiem. Un jau martā Toshiba demonstrēja mobilā datora prototipu, kas darbojas ar degvielu. Ražotājs norādīja, ka šāds klēpjdators var darboties piecas reizes ilgāk nekā klēpjdators, izmantojot tradicionālo akumulatoru.

2005. gadā LG Chem paziņoja par sava kurināmā elementa izveidi. Tā izstrādei tika iztērēti aptuveni 5 gadi un 5 miljardi dolāru. Rezultātā bija iespējams izveidot ierīci ar jaudu 25 W un svaru 1 kg, kas savienota ar portatīvo datoru, izmantojot USB interfeisu un nodrošinot tās darbību 10 stundas. Arī šis, 2006. gads, iezīmējās ar vairākiem interesantiem notikumiem. Jo īpaši amerikāņu izstrādātāji no uzņēmuma Ultracell demonstrēja degvielas elementu, kas nodrošina 25 W jaudu un ir aprīkots ar trim maināmām kasetnēm ar 67 procentiem metanola. Tas spēj darbināt klēpjdatoru 24 stundas. Akumulatora svars bija aptuveni kilograms, katra patrona svēra aptuveni 260 gramus.

Papildus tam, ka metanola akumulatori spēj nodrošināt lielāku jaudu nekā litija jonu akumulatori, tie nav sprādzienbīstami. Trūkumi ietver to diezgan augstās izmaksas un nepieciešamību periodiski mainīt metanola kasetnes.

Pat ja degvielas baterijas neaizstāj tradicionālos, tās, visticamāk, tiks izmantotas kopā ar tām. Pēc ekspertu domām, degvielas šūnu tirgus 2006. gadā būs aptuveni 600 miljoni dolāru, kas ir diezgan pieticīgs rādītājs. Taču līdz 2010. gadam eksperti prognozē tā trīskāršu pieaugumu – līdz 1,9 miljardiem dolāru.

Diskusija par rakstu “Spirta baterijas aizstāj litija baterijas”

zemoneng

Sūds, es atradu informāciju par šo ierīci sieviešu žurnālā.
Nu, es teikšu dažus vārdus par šo:
1: neērtības ir tādas, ka pēc 6-10 darba stundām jums būs jāmeklē jauna kasetne, kas ir dārga. Kāpēc man vajadzētu tērēt naudu šīm muļķībām?
2: cik saprotu, pēc enerģijas saņemšanas no metilspirta vajadzētu izlaist ūdeni. Klēpjdators un ūdens ir nesavienojamas lietas.
3: kāpēc jūs rakstāt sieviešu žurnālos? Spriežot pēc komentāriem “Es neko nezinu.” un “Kas tas ir?”, šis raksts nav SKAISTUMĀM veltītas vietnes līmenī.

Es ievietoju uzpildes šļūtenes savienotāju degvielas uzpildes kakliņā un pagriežu to par pusapgriezienu, lai noslēgtu savienojumu. Pārslēgšanas slēdža klikšķis - un mirgojošā gaismas diode uz gāzes sūkņa ar milzīgu uzrakstu h3 norāda, ka ir sākusies degvielas uzpilde. Minūte - un tvertne ir pilna, varat doties!

Elegantas virsbūves kontūras, īpaši zema piekare, zema profila slīdumi rada īstu sacīkšu šķirni. Caur caurspīdīgo vāku ir redzams sarežģīts cauruļvadu un kabeļu tīkls. Es jau kaut kur esmu redzējis līdzīgu risinājumu... Ak jā, uz Audi R8 motors arī redzams pa aizmugurējo logu. Bet Audi tas ir tradicionāls benzīns, un šī automašīna darbojas ar ūdeņradi. Tāpat kā BMW Hydrogen 7, taču atšķirībā no pēdējā nav iekšdedzes dzinēja. Vienīgās kustīgās daļas ir stūres mehānisms un elektromotora rotors. Un enerģiju tam nodrošina kurināmā šūna. Šo automašīnu ražoja Singapūras uzņēmums Horizon Fuel Cell Technologies, kas specializējas degvielas elementu izstrādē un ražošanā. 2009. gadā Lielbritānijas uzņēmums Riversimple jau prezentēja pilsētas ūdeņraža automašīnu, ko darbina Horizon Fuel Cell Technologies degvielas šūnas. Tas tika izstrādāts sadarbībā ar Oksfordas un Krenfīldas universitātēm. Bet Horizon H-racer 2.0 ir solo izstrāde.

Degvielas šūna sastāv no diviem porainiem elektrodiem, kas pārklāti ar katalizatora slāni un atdalīti ar protonu apmaiņas membrānu. Ūdeņradis pie anoda katalizatora pārvēršas protonos un elektronos, kas caur anodu un ārējo elektrisko ķēdi virzās uz katodu, kur ūdeņradis un skābeklis rekombinējas, veidojot ūdeni.

"Aiziet!" - galvenais redaktors gagarina stilā iedunkā mani ar elkoni. Bet ne tik ātri: vispirms ir nepieciešams “uzsildīt” degvielas elementu ar daļēju slodzi. Pārslēdzu pārslēgšanas slēdzi uz “iesildīšanās” režīmu un gaidu atvēlēto laiku. Tad katram gadījumam es uzpildu tvertni, līdz tā ir pilna. Tagad ejam: automašīna, dzinējam vienmērīgi dūcot, virzās uz priekšu. Dinamika ir iespaidīga, lai gan, starp citu, ko gan citu var gaidīt no elektromobiļa – griezes moments ir nemainīgs pie jebkura ātruma. Lai gan ne uz ilgu laiku - pilna ūdeņraža tvertne ilgst tikai dažas minūtes (Horizon tuvākajā laikā sola izlaist jaunu versiju, kurā ūdeņradis netiek uzglabāts kā gāze zem spiediena, bet gan tiek aizturēts porainā materiālā adsorberā ). Un, atklāti sakot, tas nav īpaši vadāms - uz tālvadības pults ir tikai divas pogas. Bet jebkurā gadījumā žēl, ka šī ir tikai radio vadāma rotaļlieta, kas mums izmaksāja 150 USD. Mēs neiebilstu, lai jaudas dēļ brauktu ar īstu automašīnu ar degvielas šūnām.

Tvertne, elastīga gumijas tvertne stingrā korpusa iekšpusē, uzpildot degvielu stiepjas un darbojas kā degvielas sūknis, "izspiežot" ūdeņradi degvielas šūnā. Lai tvertne netiktu “pārpildīta”, viens no veidgabaliem ir savienots ar plastmasas cauruli ar avārijas spiediena samazināšanas vārstu.

Degvielas uzpildes stacija

Dari pats

Horizon H-racer 2.0 mašīna tiek piegādāta kā komplekts liela mēroga montāžai (dari pats), to varat iegādāties, piemēram, Amazon. Tomēr to salikšana nav grūta - vienkārši ievietojiet kurināmā elementu vietā un nostipriniet to ar skrūvēm, pievienojiet šļūtenes pie ūdeņraža tvertnes, degvielas elementa, uzpildes kakliņa un avārijas vārsta, un atliek tikai uzlikt augšējo daļu virsbūve vietā, neaizmirstot par priekšējiem un aizmugurējiem bamperiem. Komplektā ietilpst uzpildes stacija, kas ražo ūdeņradi ar ūdens elektrolīzi. Tas tiek darbināts ar divām AA baterijām, un, ja vēlaties, lai enerģija būtu pilnīgi “tīra”, tad no saules paneļiem (tie arī ir iekļauti komplektā).

www.popmech.ru

Kā ar savām rokām izgatavot kurināmā elementu?

Protams, vienkāršākais bezdegvielu sistēmu darbības nodrošināšanas problēmas risinājums ir iegādāties gatavu sekundāro enerģijas avotu uz hidrauliskā vai jebkāda cita pamata, taču šajā gadījumā noteikti nebūs iespējams izvairīties no papildu izmaksas, un šajā procesā ir diezgan grūti apsvērt jebkuru ideju radošās domas lidojumam. Turklāt kurināmā elementa izgatavošana ar savām rokām nepavisam nav tik sarežģīta, kā varētu šķist no pirmā acu uzmetiena, un pat visnepieredzējušākais meistars, ja vēlas, var tikt galā ar uzdevumu. Turklāt vairāk nekā patīkams bonuss būs zemās izmaksas par šī elementa izveidi, jo, neskatoties uz visām tā priekšrocībām un nozīmi, jūs varat pilnīgi viegli iztikt ar līdzekļiem, kas jums jau ir pa rokai.

Šajā gadījumā vienīgā nianse, kas jāņem vērā pirms uzdevuma veikšanas, ir tas, ka ar savām rokām varat izgatavot ārkārtīgi mazjaudas ierīci, un progresīvāku un sarežģītāku instalāciju ieviešana joprojām būtu jāatstāj kvalificētu speciālistu ziņā. Kas attiecas uz darbu secību un darbību secību, tad pirmais solis ir korpusa nokomplektēšana, kam vislabāk izmantot biezu sienu organisko stiklu (vismaz 5 centimetri). Korpusa sienu līmēšanai un iekšējo starpsienu uzstādīšanai, kam vislabāk ir izmantot plānāku organisko stiklu (pietiek ar 3 milimetriem), ideālā gadījumā izmantojiet divu kompozītmateriālu līmi, lai gan, ja ļoti vēlaties, kvalitatīvu lodēšanu varat veikt pats, izmantojot šādas proporcijas: uz 100 gramiem hloroforma - 6 grami skaidas no tā paša organiskā stikla.

Šajā gadījumā process jāveic tikai zem pārsega. Lai korpusu aprīkotu ar tā saukto drenāžas sistēmu, tā priekšējā sienā rūpīgi jāizurbj caurums, kura diametrs precīzi atbildīs gumijas aizbāžņa izmēriem, kas kalpo kā sava veida blīve starp korpuss un stikla drenāžas caurule. Runājot par pašas caurules izmēru, ideālā gadījumā tās platumam vajadzētu būt no pieciem līdz sešiem milimetriem, lai gan tas viss ir atkarīgs no projektējamās konstrukcijas veida. Visticamāk, ka vecā gāzmaska, kas norādīta degvielas šūnas izgatavošanai nepieciešamo elementu sarakstā, radīs zināmu pārsteigumu šī raksta potenciālajos lasītājos. Tikmēr visas šīs ierīces priekšrocības slēpjas aktīvā ogle, kas atrodas tās respiratora nodalījumos, ko vēlāk var izmantot kā elektrodus.

Tā kā runa ir par pulverveida konsistenci, tad dizaina uzlabošanai būs nepieciešamas neilona zeķes, no kurām viegli uztaisīt maisiņu un ielikt tajā ogles, pretējā gadījumā tās vienkārši izbirs no bedres. Runājot par sadales funkciju, degvielas koncentrācija notiek pirmajā kamerā, savukārt normālai degvielas šūnas darbībai nepieciešamais skābeklis, gluži pretēji, cirkulēs pēdējā, piektajā nodalījumā. Pašu elektrolītu, kas atrodas starp elektrodiem, vajadzētu iemērc īpašā šķīdumā (benzīns ar parafīnu proporcijā no 125 līdz 2 mililitriem), un tas jādara pirms gaisa elektrolīta ievietošanas ceturtajā nodalījumā. Lai nodrošinātu pareizu vadītspēju, virs oglēm tiek uzliktas vara plāksnes ar iepriekš pielodētiem vadiem, caur kurām no elektrodiem tiks pārvadīta elektrība.

Šo projektēšanas posmu var droši uzskatīt par pēdējo posmu, pēc kura tiek uzlādēta gatavā ierīce, kurai būs nepieciešams elektrolīts. Lai to pagatavotu, vienādās daļās jāsajauc etilspirts ar destilētu ūdeni un jāsāk pakāpeniski ievadīt kodīgo kāliju ar ātrumu 70 grami uz glāzi šķidruma. Izgatavotās ierīces pirmajā testā vienlaikus tiek uzpildīts pirmais (degvielas šķidrums) un trešais (elektrolīts, kas izgatavots no etilspirta un kaustiskā kālija) plexigtikla korpusa tvertnes.

uznay-kak.ru

Ūdeņraža degvielas šūnas | LAVENTS

Es jau sen gribēju jums pastāstīt par citu uzņēmuma Alfaintek virzienu. Tā ir ūdeņraža kurināmā elementu izstrāde, pārdošana un apkalpošana. Es gribētu nekavējoties izskaidrot situāciju ar šīm degvielas šūnām Krievijā.

Sakarā ar diezgan augstām izmaksām un pilnīgu ūdeņraža staciju trūkumu šo kurināmā elementu uzlādēšanai, to pārdošana Krievijā nav gaidāma. Neskatoties uz to, Eiropā, īpaši Somijā, šie kurināmā elementi katru gadu kļūst arvien populārāki. Kāds ir noslēpums? Paskatīsimies. Šī ierīce ir videi draudzīga, viegli lietojama un efektīva. Tas nāk palīgā cilvēkam, kur viņam nepieciešama elektriskā enerģija. Varat to ņemt līdzi ceļā, pārgājienā vai izmantot savā lauku mājā vai dzīvoklī kā autonomu elektrības avotu.

Elektrību kurināmā elementā ģenerē ūdeņraža ķīmiskā reakcija no tvertnes ar metāla hidrīdu un skābekli no gaisa. Cilindrs nav sprādzienbīstams un to var glabāt jūsu skapī gadiem ilgi, gaidot spārnos. Tā, iespējams, ir viena no šīs ūdeņraža uzglabāšanas tehnoloģijas galvenajām priekšrocībām. Tieši ūdeņraža uzglabāšana ir viena no galvenajām problēmām ūdeņraža degvielas attīstībā. Unikāli jauni vieglie kurināmā elementi, kas droši, klusi un bez emisijām pārvērš ūdeņradi parastā elektroenerģijā.

Šo elektrības veidu var izmantot vietās, kur nav centrālās elektrības, vai kā avārijas strāvas avotu.

Atšķirībā no parastajiem akumulatoriem, kas uzlādes procesā ir jāuzlādē un jāatvieno no elektrības patērētāja, degvielas šūna darbojas kā “gudra” ierīce. Šī tehnoloģija nodrošina nepārtrauktu jaudu visā lietošanas laikā, pateicoties unikālajai enerģijas taupīšanas funkcijai, mainot degvielas tvertni, kas ļauj lietotājam nekad izslēgt patērētāju. Slēgtā korpusā degvielas šūnas var uzglabāt vairākus gadus, nezaudējot ūdeņraža tilpumu un nesamazinot to jaudu.

Degvielas šūna ir paredzēta zinātniekiem un pētniekiem, tiesībaizsardzības iestādēm, avārijas seku likvidētājiem, laivu un jahtu piestātņu īpašniekiem un visiem citiem, kam avārijas gadījumā nepieciešams uzticams strāvas avots. Jūs varat iegūt 12 voltus vai 220 voltus, un tad jums pietiks enerģijas, lai darbinātu televizoru, stereo, ledusskapi, kafijas automātu, tējkannu, putekļu sūcēju, urbi, mikroplīti un citas elektroierīces.

Hidroelementu degvielas šūnas var pārdot kā vienu vienību vai akumulatoros ar 2-4 elementiem. Divus vai četrus elementus var apvienot, lai palielinātu jaudu vai palielinātu strāvas stiprumu.

SADZĪVES TEHNIKA AR DEGVIELAS ELEMENTIEM DARBĪBAS LAIKS

* - nepārtraukta darbība

Degvielas šūnas tiek pilnībā uzlādētas īpašās ūdeņraža stacijās. Bet ko darīt, ja ceļojat tālu no viņiem un nav iespējas uzlādēties? Īpaši šādiem gadījumiem Alfaintek speciālisti ir izstrādājuši balonus ūdeņraža uzglabāšanai, ar kuriem kurināmā elementi darbosies daudz ilgāk.

Pieejami divu veidu baloni: NS-MN200 un NS-MN1200 Saliktā NS-MN200 ir nedaudz lielāka par Coca-Cola skārdeni, tajā ir 230 litri ūdeņraža, kas atbilst 40Ah (12V), un tas sver tikai 2,5 kg. .Metāla hidrīda cilindrā NS-MH1200 ir 1200 litri ūdeņraža, kas atbilst 220Ah (12V). Cilindra svars ir 11 kg.

Metāla hidrīda tehnika ir drošs un vienkāršs veids, kā uzglabāt, transportēt un lietot ūdeņradi. Uzglabājot kā metāla hidrīdu, ūdeņradis ir ķīmiska savienojuma, nevis gāzes formā. Šī metode ļauj iegūt pietiekami augstu enerģijas blīvumu. Metāla hidrīda izmantošanas priekšrocība ir tāda, ka spiediens balonā ir tikai 2-4 bāri Balons nav sprādzienbīstams un to var uzglabāt gadiem, nesamazinot vielas tilpumu. Tā kā ūdeņradis tiek uzglabāts kā metāla hidrīds, no cilindra iegūtā ūdeņraža tīrība ir ļoti augsta - 99,999%. Metāla hidrīda ūdeņraža uzglabāšanas cilindrus var izmantot ne tikai ar HC 100 200 400 kurināmā elementiem, bet arī citos gadījumos, kad nepieciešams tīrs ūdeņradis. Cilindrus var viegli savienot ar degvielas šūnu vai citu ierīci, izmantojot ātrā savienojuma savienotāju un elastīgu šļūteni.

Žēl, ka Krievijā šīs kurināmā šūnas netiek pārdotas. Bet mūsu iedzīvotāju vidū ir tik daudz cilvēku, kuriem tie ir vajadzīgi. Nu, pagaidīsim un redzēsim, un jūs redzēsiet, ka tie parādīsies. Tikmēr iegādāsimies valsts uzliktās taupības spuldzes.

P.S. Izskatās, ka tēma beidzot ir aizmirsusi. Tik daudzus gadus pēc šī raksta tapšanas nekas nav sanācis. Varbūt es, protams, nemeklēju visur, bet tas, kas iekrīt acīs, nepavisam nav patīkami. Tehnoloģija un ideja ir laba, taču tā vēl nav izstrādāta.

lavent.ru

Degvielas šūna ir nākotne, kas sākas šodien!

21. gadsimta sākums ekoloģiju uzskata par vienu no svarīgākajiem globālajiem izaicinājumiem. Un pirmais, kam pašreizējos apstākļos būtu jāpievērš uzmanība, ir alternatīvu enerģijas avotu meklēšana un izmantošana. Viņi ir tie, kas spēj novērst mūsu vides piesārņošanu, kā arī pilnībā atteikties no nepārtraukti augošajām ogļūdeņražu degvielas cenām.

Jau šobrīd pielietojumu ir atraduši tādi enerģijas avoti kā saules baterijas un vēja turbīnas. Bet diemžēl to trūkums ir saistīts ar atkarību no laikapstākļiem, kā arī no sezonas un diennakts laika. Šī iemesla dēļ to izmantošana astronautikā, lidmašīnu un automobiļu rūpniecībā pamazām tiek atmesta, un stacionārai lietošanai tie tiek aprīkoti ar sekundāriem barošanas avotiem - akumulatoriem.

Tomēr labākais risinājums ir degvielas šūna, jo tai nav nepieciešama pastāvīga enerģijas uzlāde. Šī ir ierīce, kas spēj apstrādāt un pārveidot dažāda veida degvielu (benzīnu, spirtu, ūdeņradi utt.) tieši elektroenerģijā.

Kurināmā šūna darbojas pēc šāda principa: no ārpuses tiek piegādāta degviela, ko oksidē skābeklis, un atbrīvotā enerģija tiek pārvērsta elektroenerģijā. Šis darbības princips nodrošina gandrīz mūžīgu darbību.

Kopš 19. gadsimta beigām zinātnieki ir pētījuši pašu kurināmā elementu un pastāvīgi izstrādājuši jaunas tā modifikācijas. Tātad mūsdienās atkarībā no ekspluatācijas apstākļiem ir sārma vai sārma (AFC), tiešā borhidrāta (DBFC), elektrogalvaniskā (EGFC), tiešā metanola (DMFC), cinka-gaisa (ZAFC), mikrobu (MFC) modeļi. ir zināmi arī uz skudrskābes (DFAFC) bāzes un metālu hidrīdi (MHFC).

Viena no daudzsološākajām ir ūdeņraža degvielas šūna. Ūdeņraža izmantošana elektrostacijās ir saistīta ar ievērojamu enerģijas izdalīšanos, un šādas ierīces izplūdes gāze ir tīrs ūdens tvaiks vai dzeramais ūdens, kas nerada nekādus draudus videi.

Šāda veida kurināmā elementu veiksmīgā pārbaude kosmosa kuģos pēdējā laikā ir izraisījusi ievērojamu interesi elektronikas un dažādu iekārtu ražotāju vidū. Tādējādi uzņēmums PolyFuel prezentēja miniatūru ūdeņraža degvielas šūnu klēpjdatoriem. Taču šādas ierīces pārāk augstās izmaksas un grūtības netraucēti uzpildīt degvielu ierobežo tās rūpniecisko ražošanu un plašu izplatīšanu. Honda arī ražo automobiļu degvielas elementus vairāk nekā 10 gadus. Taču šāda veida transports nenonāk pārdošanā, bet gan tikai uzņēmuma darbinieku dienesta vajadzībām. Automašīnas atrodas inženieru uzraudzībā.

Daudzi cilvēki domā, vai ir iespējams montēt kurināmā elementu ar savām rokām. Galu galā ievērojama paštaisītas ierīces priekšrocība būs neliels ieguldījums, atšķirībā no rūpnieciskā modeļa. Miniatūrajam modelim jums būs nepieciešams 30 cm platīna pārklājuma niķeļa stieple, neliels plastmasas vai koka gabals, 9 voltu akumulatora klipsis un pats akumulators, caurspīdīga līmlente, glāze ūdens un voltmetrs. Šāda iekārta ļaus redzēt un izprast darba būtību, taču, protams, elektrību automobilim saražot nebūs iespējams.

fb.ru

Ūdeņraža degvielas šūnas: nedaudz vēstures | Ūdeņradis

Mūsdienās īpaši aktuāla ir tradicionālo energoresursu trūkuma problēma un planētas ekoloģijas pasliktināšanās to izmantošanas dēļ kopumā. Tāpēc pēdējā laikā ievērojami finanšu resursi un intelektuālie resursi ir iztērēti potenciāli perspektīvu ogļūdeņražu degvielu aizstājēju izstrādei. Ūdeņradis var kļūt par šādu aizstājēju jau tuvākajā nākotnē, jo tā izmantošana elektrostacijās ir saistīta ar liela enerģijas daudzuma izdalīšanos, un izplūdes gāzēs ir ūdens tvaiki, tas ir, tas nerada draudus videi.

Neskatoties uz dažām tehniskām grūtībām, kas joprojām pastāv, ieviešot ūdeņraža bāzes degvielas elementus, daudzi automašīnu ražotāji ir novērtējuši šīs tehnoloģijas solījumu un jau aktīvi izstrādā sērijveida automašīnu prototipus, kas spēj izmantot ūdeņradi kā galveno degvielu. Divtūkstoš vienpadsmitajos gados Daimler AG prezentēja konceptuālos Mercedes-Benz modeļus ar ūdeņraža spēkstacijām. Turklāt Korejas kompānija Hyndayi oficiāli paziņojusi, ka vairs negrasās attīstīt elektromobiļus, bet gan koncentrēs visus spēkus uz pieņemamu cenu ūdeņraža auto izstrādi.

Neskatoties uz to, ka pati ideja par ūdeņraža izmantošanu kā degvielu daudziem nav savvaļa, vairumam nav ne jausmas, kā darbojas kurināmā elementi, kuros izmanto ūdeņradi, un kas tajās ir tik ievērojams.

Lai saprastu šīs tehnoloģijas nozīmi, iesakām aplūkot ūdeņraža kurināmā elementu vēsturi.

Pirmais, kurš aprakstīja ūdeņraža izmantošanas iespējas kurināmā elementā, bija vācietis Kristians Frīdrihs. Tālajā 1838. gadā viņš publicēja savu darbu slavenā tā laika zinātniskajā žurnālā.

Jau nākamajā gadā Ūlsas tiesnesis sers Viljams Roberts Grovs izveidoja funkcionējoša ūdeņraža akumulatora prototipu. Taču ierīces jauda bija pārāk maza pat pēc tā laika standartiem, tāpēc tās praktiskā izmantošana nebija ne mazākā.

Kas attiecas uz terminu “degvielas šūna”, tas ir parādā par savu eksistenci zinātniekiem Ludvigam Mondam un Čārlzam Langeram, kuri 1889. gadā mēģināja izveidot kurināmā elementu, kas darbotos ar gaisu un koksa krāsns gāzi. Saskaņā ar citiem avotiem, šo terminu pirmais izmantoja Viljams Vaits Džeikss, kurš vispirms nolēma izmantot fosforskābi elektrolītā.

Pagājušā gadsimta 20. gados Vācijā tika veikti vairāki pētījumi, kuru rezultātā tika atklātas cietā oksīda kurināmā šūnas un veidi, kā izmantot karbonātu ciklu. Jāatzīmē, ka šīs tehnoloģijas mūsdienās tiek efektīvi izmantotas.

1932. gadā inženieris Frensiss T Bekons sāka darbu pie ūdeņraža kurināmā elementu tiešas izpētes. Pirms viņa zinātnieki izmantoja izveidoto shēmu - sērskābē tika ievietoti poraini platīna elektrodi. Šādas shēmas acīmredzamais trūkums, pirmkārt, ir tās nepamatoti augstās izmaksas platīna izmantošanas dēļ. Turklāt kodīgās sērskābes izmantošana apdraudēja pētnieku veselību un dažreiz pat dzīvību. Bekons nolēma optimizēt ķēdi un aizstāja platīnu ar niķeli un kā elektrolītu izmantoja sārmainu sastāvu.

Pateicoties produktīvam darbam, lai uzlabotu savas tehnoloģijas, Bekons jau 1959. gadā plašākai sabiedrībai prezentēja savu oriģinālo ūdeņraža kurināmā elementu, kas ražoja 5 kW un varēja darbināt metināšanas iekārtu. Viņš prezentēto ierīci nosauca par “Bacon Cell”.

Tā paša gada oktobrī tika izveidots unikāls traktors, kas darbojās ar ūdeņradi un ražoja divdesmit zirgspēkus.

Divdesmitā gadsimta sešdesmitajos gados amerikāņu kompānija General Electric izstrādāja Bekona izstrādāto shēmu un piemēroja to Apollo un NASA Gemini kosmosa programmām. NASA eksperti nonāca pie secinājuma, ka kodolreaktora izmantošana ir pārāk dārga, tehniski sarežģīta un nedroša. Turklāt mums bija jāatsakās no bateriju izmantošanas kopā ar saules paneļiem to lielo izmēru dēļ. Problēmas risinājums bija ūdeņraža degvielas šūnas, kas spēj apgādāt kosmosa kuģi ar enerģiju un tā apkalpi ar tīru ūdeni.

Pirmais autobuss, kurā kā degviela tika izmantots ūdeņradis, tika uzbūvēts 1993. gadā. Savukārt ar ūdeņraža degvielas šūnām darbināmo vieglo automašīnu prototipus jau 1997. gadā prezentēja tādi globāli automobiļu zīmoli kā Toyota un Daimler Benz.

Nedaudz dīvaini, ka daudzsološā videi draudzīgā degviela, kas pirms piecpadsmit gadiem tika pārdota automašīnā, vēl nav kļuvusi plaši izplatīta. Tam ir daudz iemeslu, galvenie, iespējams, ir politiski un prasības izveidot atbilstošu infrastruktūru. Cerēsim, ka ūdeņradis joprojām teiks savu vārdu un kļūs par nozīmīgu konkurentu elektromobiļiem.(odnaknopka)

energycraft.org

Mūsu materiālā sabiedrība bez enerģijas nevar ne tikai attīstīties, bet pat vispār pastāvēt. No kurienes nāk enerģija? Vēl nesen cilvēki izmantoja tikai vienu veidu, kā to iegūt, mēs cīnījāmies ar dabu, iegūtās trofejas dedzinot vispirms mājas pavardu krāsnīs, pēc tam tvaika lokomotīvēs un jaudīgās termoelektrostacijās.

Uz mūsdienu vidusmēra cilvēka patērētajām kilovatstundām nav uzlīmes, kas norādītu, cik gadus daba strādāja, lai civilizēts cilvēks varētu baudīt tehnoloģiju priekšrocības, un cik gadu viņai vēl jāstrādā, lai izlīdzinātu nodarīto kaitējumu. viņai tāda civilizācija. Tomēr sabiedrībā pieaug izpratne, ka agri vai vēlu iluzorā idille beigsies. Arvien biežāk cilvēki izgudro veidus, kā nodrošināt enerģiju savām vajadzībām, nodarot minimālu kaitējumu dabai.

Ūdeņraža degvielas šūnas ir tīras enerģijas Svētais Grāls. Viņi apstrādā ūdeņradi, kas ir viens no periodiskās tabulas parastajiem elementiem, un izdala tikai ūdeni, kas ir visizplatītākā viela uz planētas. Rožaino ainu sabojā tas, ka cilvēkiem nav pieejams ūdeņradis kā viela. To ir daudz, bet tikai saistītā stāvoklī, un to iegūt ir daudz grūtāk nekā izsūknēt naftu no dzīlēm vai izrakt ogles.

Viena no iespējām tīrai un videi draudzīgai ūdeņraža ražošanai ir mikrobu kurināmā elementi (MTB), kas izmanto mikroorganismus ūdens sadalīšanai skābeklī un ūdeņradi. Arī šeit viss nav gludi. Mikrobi lieliski veic darbu, ražojot tīru degvielu, taču, lai sasniegtu praksē nepieciešamo efektivitāti, MTB ir nepieciešams katalizators, kas paātrina vienu no procesa ķīmiskajām reakcijām.

Šis katalizators ir dārgmetāla platīns, kura izmaksas padara MTB izmantošanu ekonomiski nepamatotu un praktiski neiespējamu.

Viskonsinas-Milvoki universitātes zinātnieki ir atraduši dārgā katalizatora aizstājēju. Platīna vietā viņi ierosināja izmantot lētus nanostieņus, kas izgatavoti no oglekļa, slāpekļa un dzelzs kombinācijas. Jaunais katalizators sastāv no grafīta stieņiem ar slāpekli, kas iestrādāts virsmas slānī, un dzelzs karbīda serdeņiem. Trīs mēnešu laikā pēc jaunā produkta testēšanas katalizators demonstrēja augstākas spējas nekā platīnam. Nanostieņu darbība izrādījās stabilāka un vadāmāka.

Un pats galvenais, universitātes zinātnieku prāts ir daudz lētāks. Tādējādi platīna katalizatoru izmaksas ir aptuveni 60% no MTB izmaksām, savukārt nanostieņu izmaksas ir 5% robežās no to pašreizējās cenas.

Saskaņā ar katalītisko nanostieņu radītāju, profesoru Junhong Chen: “Degvielas elementi var tieši pārvērst degvielu elektroenerģijā. Kopā no atjaunojamiem avotiem iegūto elektroenerģiju var piegādāt tur, kur tā ir nepieciešama tīrā, efektīvā un ilgtspējīgā veidā.

Profesors Čens un viņa pētnieku komanda tagad pēta precīzas katalizatora īpašības. Viņu mērķis ir piešķirt savam izgudrojumam praktisku uzmanību, lai tas būtu piemērots masveida ražošanai un lietošanai.

Balstīts uz Gizmag materiāliem

www.facepla.net

Ūdeņraža kurināmā elementi un enerģijas sistēmas

Ar ūdeni darbināms auto drīzumā var kļūt par realitāti un daudzās mājās tiks uzstādītas ūdeņraža degvielas šūnas...

Ūdeņraža degvielas šūnu tehnoloģija nav jauna. Tas sākās 1776. gadā, kad Henrijs Kavendišs pirmo reizi atklāja ūdeņradi, šķīdinot metālus atšķaidītās skābēs. Pirmo ūdeņraža degvielas šūnu jau 1839. gadā izgudroja Viljams Grovs. Kopš tā laika ūdeņraža degvielas šūnas ir pakāpeniski uzlabotas un tagad tiek uzstādītas kosmosa kuģos, apgādājot tos ar enerģiju un kalpojot par ūdens avotu. Mūsdienās ūdeņraža kurināmā elementu tehnoloģija ir uz robežas, lai sasniegtu masu tirgu automašīnās, mājās un pārnēsājamās ierīcēs.

Ūdeņraža kurināmā šūnā ķīmiskā enerģija (ūdeņraža un skābekļa veidā) tiek tieši (bez sadegšanas) pārvērsta elektroenerģijā. Degvielas šūna sastāv no katoda, elektrodiem un anoda. Ūdeņradis tiek padots uz anodu, kur tas tiek sadalīts protonos un elektronos. Protoniem un elektroniem ir dažādi ceļi uz katodu. Protoni pārvietojas pa elektrodu uz katodu, un elektroni iet ap kurināmā elementiem, lai nokļūtu katodā. Šī kustība rada vēlāk izmantojamu elektrisko enerģiju. No otras puses, ūdeņraža protoni un elektroni savienojas ar skābekli, veidojot ūdeni.

Elektrolizatori ir viens no veidiem, kā iegūt ūdeņradi no ūdens. Process būtībā ir pretējs tam, kas notiek ar ūdeņraža kurināmā elementu. Elektrolizators sastāv no anoda, elektroķīmiskās šūnas un katoda. Uz anoda tiek pievadīts ūdens un spriegums, kas ūdeni sadala ūdeņradī un skābeklī. Ūdeņradis caur elektroķīmisko elementu nonāk katodā, un skābeklis tiek piegādāts tieši katodam. No turienes var iegūt un uzglabāt ūdeņradi un skābekli. Laikā, kad elektrība nav jāražo, uzkrāto gāzi var izņemt no krātuves un izvadīt atpakaļ caur kurināmā elementu.

Šī sistēma kā degvielu izmanto ūdeņradi, iespējams, tāpēc par tās drošību ir daudz mītu. Pēc Hindenburgas sprādziena daudzi cilvēki, kas bija tālu no zinātnes, un pat daži zinātnieki sāka uzskatīt, ka ūdeņraža izmantošana ir ļoti bīstama. Tomēr jaunākie pētījumi liecina, ka šīs traģēdijas cēlonis ir saistīts ar būvniecībā izmantotā materiāla veidu, nevis ar ūdeņradi, kas tika sūknēts iekšā. Pārbaudot ūdeņraža uzglabāšanas drošību, tika konstatēts, ka ūdeņraža uzglabāšana degvielas šūnās ir drošāka nekā benzīna uzglabāšana automašīnas degvielas tvertnē.

Cik maksā mūsdienu ūdeņraža kurināmā elementi? Pašlaik uzņēmumi piedāvā ūdeņraža degvielas sistēmas, kas ražo jaudu par aptuveni 3000 USD par kilovatu. Mārketinga pētījumi ir atklājuši, ka tad, kad izmaksas samazināsies līdz USD 1500 par kilovatu, patērētāji masu enerģijas tirgū būs gatavi pāriet uz šāda veida degvielu.

Ūdeņraža degvielas šūnu transportlīdzekļi joprojām ir dārgāki nekā transportlīdzekļi ar iekšdedzes dzinēju, taču ražotāji pēta veidus, kā panākt cenu līdz salīdzināmam līmenim. Atsevišķos attālos apgabalos, kur nav elektropārvades līniju, ūdeņraža izmantošana kā kurināmā vai patstāvīga mājas barošana šobrīd var būt ekonomiskāk nekā, piemēram, tradicionālo enerģijas avotu infrastruktūras izbūve.

Kāpēc ūdeņraža degvielas šūnas joprojām netiek plaši izmantotas? Šobrīd to augstās izmaksas ir galvenā ūdeņraža kurināmā elementu izplatības problēma. Ūdeņraža degvielas sistēmām šobrīd vienkārši nav masveida pieprasījuma. Taču zinātne nestāv uz vietas un jau tuvākajā nākotnē pa ūdeni braucošs auto var kļūt par īstu realitāti.

www.tesla-tehnika.biz

Ar ūdeni darbināms auto drīzumā var kļūt par realitāti un daudzās mājās tiks uzstādītas ūdeņraža degvielas šūnas...

Ūdeņraža tehnoloģija degvielas šūnas nav jauns. Tas sākās 1776. gadā, kad Henrijs Kavendišs pirmo reizi atklāja ūdeņradi, šķīdinot metālus atšķaidītās skābēs. Pirmo ūdeņraža degvielas šūnu jau 1839. gadā izgudroja Viljams Grovs. Kopš tā laika ūdeņraža degvielas šūnas ir pakāpeniski uzlabotas un tagad tiek uzstādītas kosmosa kuģos, apgādājot tos ar enerģiju un kalpojot par ūdens avotu. Mūsdienās ūdeņraža kurināmā elementu tehnoloģija ir uz robežas, lai sasniegtu masu tirgu automašīnās, mājās un pārnēsājamās ierīcēs.

Ūdeņraža kurināmā šūnā ķīmiskā enerģija (ūdeņraža un skābekļa veidā) tiek tieši (bez sadegšanas) pārvērsta elektroenerģijā. Degvielas šūna sastāv no katoda, elektrodiem un anoda. Ūdeņradis tiek padots uz anodu, kur tas tiek sadalīts protonos un elektronos. Protoniem un elektroniem ir dažādi ceļi uz katodu. Protoni pārvietojas pa elektrodu uz katodu, un elektroni iet ap kurināmā elementiem, lai nokļūtu katodā. Šī kustība rada vēlāk izmantojamu elektrisko enerģiju. No otras puses, ūdeņraža protoni un elektroni savienojas ar skābekli, veidojot ūdeni.

Elektrolizatori ir viens no veidiem, kā iegūt ūdeņradi no ūdens. Process būtībā ir pretējs tam, kas notiek ar ūdeņraža kurināmā elementu. Elektrolizators sastāv no anoda, elektroķīmiskās šūnas un katoda. Uz anoda tiek pievadīts ūdens un spriegums, kas ūdeni sadala ūdeņradī un skābeklī. Ūdeņradis caur elektroķīmisko elementu nonāk katodā, un skābeklis tiek piegādāts tieši katodam. No turienes var iegūt un uzglabāt ūdeņradi un skābekli. Laikā, kad elektrība nav jāražo, uzkrāto gāzi var izņemt no krātuves un izvadīt atpakaļ caur kurināmā elementu.

Šī sistēma kā degvielu izmanto ūdeņradi, iespējams, tāpēc par tās drošību klīst daudz mītu. Pēc Hindenburgas sprādziena daudzi cilvēki, kas bija tālu no zinātnes, un pat daži zinātnieki sāka uzskatīt, ka ūdeņraža izmantošana ir ļoti bīstama. Tomēr jaunākie pētījumi liecina, ka šīs traģēdijas cēlonis ir saistīts ar būvniecībā izmantotā materiāla veidu, nevis ar ūdeņradi, kas tika sūknēts iekšā. Pēc ūdeņraža uzglabāšanas drošības pārbaudes tika atklāts, ka ūdeņraža uzglabāšana kurināmā elementos ir drošāka nekā benzīna uzglabāšana automašīnas degvielas tvertnē.

Cik maksā mūsdienu ūdeņraža kurināmā elementi?? Uzņēmumi šobrīd piedāvā ūdeņradi degvielas sistēmas saražo enerģiju par aptuveni 3000 USD par kilovatu. Mārketinga pētījumi ir atklājuši, ka tad, kad izmaksas samazināsies līdz USD 1500 par kilovatu, patērētāji masu enerģijas tirgū būs gatavi pāriet uz šāda veida degvielu.

Ūdeņraža degvielas šūnu transportlīdzekļi joprojām ir dārgāki nekā transportlīdzekļi ar iekšdedzes dzinēju, taču ražotāji pēta veidus, kā panākt cenu līdz salīdzināmam līmenim. Atsevišķos attālos apgabalos, kur nav elektropārvades līniju, ūdeņraža izmantošana kā kurināmā vai patstāvīga mājas barošana šobrīd var būt ekonomiskāk nekā, piemēram, tradicionālo enerģijas avotu infrastruktūras izbūve.

Kāpēc ūdeņraža degvielas šūnas joprojām netiek plaši izmantotas? Šobrīd to augstās izmaksas ir galvenā ūdeņraža kurināmā elementu izplatības problēma. Ūdeņraža degvielas sistēmām šobrīd vienkārši nav masveida pieprasījuma. Taču zinātne nestāv uz vietas un jau tuvākajā nākotnē pa ūdeni braucošs auto var kļūt par īstu realitāti.

Kurināmā (ūdeņraža) elementu/elementu izgatavošana, montāža, testēšana un testēšana
Ražots rūpnīcās ASV un Kanādā

Kurināmā (ūdeņraža) šūnas/elementi

Uzņēmums Intech GmbH / LLC Intech GmbH ir inženierpakalpojumu tirgū kopš 1997. gada, oficiālais ilggadējs dažādu industriālo iekārtu ierēdnis, vēršot Jūsu uzmanībai dažādus degvielas (ūdeņraža) elementus/elementus.

Kurināmā šūna/šūna ir

Kurināmā elementu/elementu priekšrocības

Kurināmā šūna/elements ir ierīce, kas elektroķīmiskas reakcijas ceļā efektīvi ražo līdzstrāvu un siltumu no degvielas, kas bagāta ar ūdeņradi.

Degvielas šūna ir līdzīga akumulatoram ar to, ka ķīmiskās reakcijas rezultātā tā rada līdzstrāvu. Kurināmā elementā ietilpst anods, katods un elektrolīts. Tomēr atšķirībā no akumulatoriem kurināmā elementi nevar uzglabāt elektroenerģiju un neizlādējas vai nav nepieciešama elektrība, lai to uzlādētu. Kurināmā elementi/elementi var nepārtraukti ražot elektroenerģiju, ja vien tiem ir degvielas un gaisa padeve.

Atšķirībā no citiem enerģijas ģeneratoriem, piemēram, iekšdedzes dzinējiem vai turbīnām, ko darbina gāze, ogles, mazuts utt., kurināmā elementi/elementi nededzina degvielu. Tas nozīmē, ka nav trokšņainu augstspiediena rotoru, nav skaļa izplūdes trokšņa, nav vibrācijas. Kurināmā elementi/elementi ražo elektroenerģiju, izmantojot klusu elektroķīmisku reakciju. Vēl viena kurināmā elementu/elementu iezīme ir tā, ka tie pārvērš degvielas ķīmisko enerģiju tieši elektroenerģijā, siltumā un ūdenī.

Kurināmā elementi ir ļoti efektīvi un nerada lielu daudzumu siltumnīcefekta gāzu, piemēram, oglekļa dioksīda, metāna un slāpekļa oksīda. Vienīgie izmešu produkti darbības laikā ir ūdens tvaika veidā un neliels daudzums oglekļa dioksīda, kas vispār neizdalās, ja par degvielu izmanto tīru ūdeņradi. Degvielas elementi/elementi tiek montēti mezglos un pēc tam atsevišķos funkcionālajos moduļos.

Kurināmā elementu/elementu attīstības vēsture

1950. un 1960. gados viens no aktuālākajiem izaicinājumiem degvielas elementiem radās no Nacionālās aeronautikas un kosmosa administrācijas (NASA) nepieciešamības pēc enerģijas avotiem ilgstošām kosmosa misijām. NASA sārmainā kurināmā šūna izmanto ūdeņradi un skābekli kā degvielu, apvienojot divus ķīmiskos elementus elektroķīmiskā reakcijā. Rezultāts ir trīs noderīgi kosmosa lidojuma reakcijas blakusprodukti - elektrība kosmosa kuģa darbināšanai, ūdens dzeršanas un dzesēšanas sistēmām un siltums astronautu sasildīšanai.

Kurināmā elementu atklāšana aizsākās 19. gadsimta sākumā. Pirmie pierādījumi par kurināmā elementu iedarbību tika iegūti 1838. gadā.

30. gadu beigās sākās darbs pie kurināmā elementiem ar sārmainu elektrolītu, un līdz 1939. gadam tika uzbūvēta šūna, kurā tika izmantoti augstspiediena niķelēti elektrodi. Otrā pasaules kara laikā britu flotes zemūdenēm tika izstrādātas degvielas šūnas/elementi, un 1958. gadā tika ieviests degvielas komplekts, kas sastāvēja no sārmainām kurināmā elementiem/elementiem, kuru diametrs nedaudz pārsniedz 25 cm.

Interese pieauga 20. gadsimta 50. un 60. gados, kā arī 80. gados, kad rūpnieciskajā pasaulē trūka naftas degvielas. Tajā pašā laika posmā pasaules valstis arī satraucās par gaisa piesārņojuma problēmu un apsvēra veidus, kā ražot elektroenerģiju videi draudzīgā veidā. Degvielas šūnu tehnoloģija šobrīd strauji attīstās.

Kurināmā elementu/elementu darbības princips

Kurināmā elementi/elementi ražo elektroenerģiju un siltumu elektroķīmiskas reakcijas rezultātā, kas notiek, izmantojot elektrolītu, katodu un anodu.

Anodu un katodu atdala elektrolīts, kas vada protonus. Pēc ūdeņraža nonākšanas anodā un skābekļa pie katoda sākas ķīmiska reakcija, kuras rezultātā elektrība, siltums un ūdens.

Pie anoda katalizatora molekulārais ūdeņradis sadalās un zaudē elektronus. Ūdeņraža joni (protoni) tiek novadīti caur elektrolītu uz katodu, bet elektroni tiek izvadīti caur elektrolītu un iziet cauri ārējam. elektriskā ķēde, radot līdzstrāvu, ko var izmantot iekārtu barošanai. Katoda katalizatorā skābekļa molekula savienojas ar elektronu (kas tiek piegādāts no ārējiem sakariem) un ienākošo protonu, un veido ūdeni, kas ir vienīgais reakcijas produkts (tvaiku un/vai šķidruma veidā).

Zemāk ir atbilstošā reakcija:

Reakcija pie anoda: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reakcija pie katoda: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Elementa vispārējā reakcija: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Degvielas elementu/elementu veidi un dažādība

Tāpat kā ir dažāda veida iekšdedzes dzinēji, ir dažādi kurināmā elementu veidi – pareizā degvielas elementa veida izvēle ir atkarīga no tā pielietojuma.

Kurināmā elementi ir sadalīti augstas temperatūras un zemas temperatūras. Zemas temperatūras kurināmā elementiem kā degviela ir nepieciešams salīdzinoši tīrs ūdeņradis. Tas bieži nozīmē, ka ir nepieciešama degvielas apstrāde, lai primāro degvielu (piemēram, dabasgāzi) pārvērstu par tīru ūdeņradi. Šis process patērē papildu enerģiju un prasa īpašu aprīkojumu. Augstas temperatūras kurināmā elementiem šī papildu procedūra nav nepieciešama, jo tās var "iekšēji pārveidot" degvielu paaugstinātā temperatūrā, kas nozīmē, ka nav jāiegulda ūdeņraža infrastruktūrā.

Izkausētas karbonāta kurināmā elementi/elementi (MCFC)

Izkausēta karbonāta elektrolīta kurināmā elementi ir augstas temperatūras kurināmā elementi. Augsta darba temperatūra ļauj tieši izmantot dabasgāzi bez degvielas procesora un zemas degvielas gāzi siltumspēja degviela ražošanas procesiem un no citiem avotiem.

RCFC darbība atšķiras no citām kurināmā elementiem. Šajās šūnās tiek izmantots elektrolīts, kas izgatavots no izkausētu karbonātu sāļu maisījuma. Pašlaik tiek izmantoti divu veidu maisījumi: litija karbonāts un kālija karbonāts vai litija karbonāts un nātrija karbonāts. Lai izkausētu karbonātu sāļus un panāktu augstu jonu mobilitātes pakāpi elektrolītā, kurināmā elementi ar izkausētu karbonāta elektrolītu darbojas augstā temperatūrā (650°C). Efektivitāte svārstās no 60-80%.

Karsējot līdz 650°C temperatūrai, sāļi kļūst par karbonātu jonu (CO 3 2-) vadītāju. Šie joni pāriet no katoda uz anodu, kur tie savienojas ar ūdeņradi, veidojot ūdeni, oglekļa dioksīdu un brīvos elektronus. Šie elektroni caur ārējo elektrisko ķēdi tiek nosūtīti atpakaļ uz katodu, radot elektrisko strāvu un siltumu kā blakusproduktu.

Reakcija pie anoda: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakcija pie katoda: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Elementa vispārējā reakcija: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katods) => H 2 O (g) + CO 2 (anods)

Izkausētu karbonāta elektrolītu kurināmā elementu augstajai darba temperatūrai ir noteiktas priekšrocības. Augstās temperatūrās notiek iekšējā reformēšanās dabasgāze, novēršot nepieciešamību pēc degvielas procesora. Turklāt priekšrocības ietver iespēju uz elektrodiem izmantot standarta celtniecības materiālus, piemēram, nerūsējošā tērauda loksnes un niķeļa katalizatoru. Atkritumu siltumu var izmantot augstspiediena tvaika ražošanai dažādiem rūpnieciskiem un komerciāliem mērķiem.

Augstai reakcijas temperatūrai elektrolītā ir arī savas priekšrocības. Augstas temperatūras izmantošana prasa ievērojamu laiku, lai sasniegtu optimālus darbības apstākļus, un sistēma lēnāk reaģē uz enerģijas patēriņa izmaiņām. Šīs īpašības ļauj izmantot kurināmā elementu iekārtas ar izkausētu karbonāta elektrolītu nemainīgas jaudas apstākļos. Augsta temperatūra neļauj oglekļa monoksīdam sabojāt degvielas elementu.

Kurināmā elementi ar izkausētu karbonāta elektrolītu ir piemēroti izmantošanai lielās stacionārās iekārtās. Komerciāli tiek ražotas termoelektrostacijas ar elektrisko izejas jaudu 3,0 MW. Tiek izstrādātas iekārtas ar izejas jaudu līdz 110 MW.

Fosforskābes kurināmā elementi/elementi (PAFC)

Fosforskābes (ortofosforskābes) kurināmā elementi bija pirmie kurināmā elementi komerciālai lietošanai.

Fosforskābes (ortofosforskābes) kurināmā elementos tiek izmantots elektrolīts uz ortofosforskābes (H 3 PO 4) bāzes ar koncentrāciju līdz 100%. Fosforskābes jonu vadītspēja zemās temperatūrās ir zema, tāpēc šīs kurināmā šūnas tiek izmantotas temperatūrā līdz 150–220°C.

Lādiņa nesējs šāda veida kurināmā elementos ir ūdeņradis (H+, protons). Līdzīgs process notiek kurināmā elementos ar protonu apmaiņas membrānu, kurā anodam piegādātais ūdeņradis tiek sadalīts protonos un elektronos. Protoni pārvietojas pa elektrolītu un savienojas ar skābekli no gaisa pie katoda, veidojot ūdeni. Elektroni tiek nosūtīti caur ārēju elektrisko ķēdi, tādējādi radot elektrisko strāvu. Zemāk ir reakcijas, kas rada elektrisko strāvu un siltumu.

Reakcija pie anoda: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakcija pie katoda: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2 H 2 O
Elementa vispārējā reakcija: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Kurināmā elementu efektivitāte uz fosforskābes (ortofosforskābes) bāzes ir vairāk nekā 40%, ģenerējot elektroenerģiju. Ar kombinēto siltumenerģijas un elektroenerģijas ražošanu kopējā efektivitāte ir aptuveni 85%. Turklāt, ņemot vērā darba temperatūru, atkritumu siltumu var izmantot ūdens sildīšanai un atmosfēras spiediena tvaika radīšanai.

Viena no šāda veida kurināmā elementu priekšrocībām ir termoelektrostaciju augstā veiktspēja, kas izmanto kurināmā elementus uz fosforskābes (ortofosforskābes) bāzes kombinētajā siltumenerģijas un elektroenerģijas ražošanā. Vienībās tiek izmantots oglekļa monoksīds ar koncentrāciju aptuveni 1,5%, kas būtiski paplašina degvielas izvēli. Turklāt CO 2 neietekmē elektrolītu, un šāda veida šūnas darbojas ar pārveidotu dabisko degvielu. Vienkāršs dizains, zema elektrolīta nepastāvības pakāpe un paaugstināta stabilitāte ir arī šāda veida degvielas elementu priekšrocības.

Komerciāli tiek ražotas termoelektrostacijas ar elektrisko izejas jaudu līdz 500 kW. 11 MW iekārtas ir izturējušas atbilstošos testus. Tiek izstrādātas iekārtas ar izejas jaudu līdz 100 MW.

Cietā oksīda kurināmā elementi (SOFC)

Cietā oksīda kurināmā elementi ir kurināmā elementi ar visaugstāko darba temperatūru. Darba temperatūra var svārstīties no 600°C līdz 1000°C, ļaujot izmantot dažāda veida degvielu bez īpašas priekšapstrādes. Lai izturētu tik augstu temperatūru, izmantotais elektrolīts ir plāns ciets metāla oksīds uz keramikas bāzes, bieži itrija un cirkonija sakausējums, kas ir skābekļa jonu (O2-) vadītājs.

Cietais elektrolīts nodrošina noslēgtu gāzes pāreju no viena elektroda uz otru, savukārt šķidrie elektrolīti atrodas porainā substrātā. Lādiņa nesējs šāda veida kurināmā elementos ir skābekļa jons (O 2-). Katodā skābekļa molekulas no gaisa tiek sadalītas skābekļa jonos un četros elektronos. Skābekļa joni iziet cauri elektrolītam un savienojas ar ūdeņradi, radot četrus brīvos elektronus. Elektroni tiek nosūtīti caur ārēju elektrisko ķēdi, radot elektrisko strāvu un atkritumu siltumu.

Reakcija pie anoda: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reakcija pie katoda: O 2 + 4e - => 2O 2-
Elementa vispārējā reakcija: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Saražotās elektroenerģijas lietderības koeficients ir visaugstākais no visiem kurināmā elementiem - aptuveni 60-70%. Augsta darba temperatūra ļauj kombinēti ražot siltumenerģiju un elektroenerģiju, lai radītu augstspiediena tvaiku. Augstas temperatūras kurināmā elementa apvienošana ar turbīnu ļauj izveidot hibrīda kurināmā elementu, lai palielinātu elektroenerģijas ražošanas efektivitāti līdz pat 75%.

Cietā oksīda kurināmā elementi darbojas ļoti augstā temperatūrā (600°C–1000°C), kā rezultātā paiet ievērojams laiks optimālu darbības apstākļu sasniegšanai un lēnāka sistēmas reakcija uz enerģijas patēriņa izmaiņām. Pie tik augstām darba temperatūrām nav nepieciešams pārveidotājs, lai atgūtu ūdeņradi no kurināmā, ļaujot termoelektrostacijai darboties ar salīdzinoši netīru kurināmo, kas rodas ogļu vai dūmgāzu gazifikācijas rezultātā. Kurināmā elementi ir lieliski piemēroti arī lieljaudas lietojumiem, tostarp rūpnieciskām un lielām centrālajām spēkstacijām. Komerciāli tiek ražoti moduļi ar elektrisko izejas jaudu 100 kW.

Tiešās metanola oksidācijas kurināmā elementi/šūnas (DOMFC)

Kurināmā elementu izmantošanas tehnoloģija ar tiešu metanola oksidēšanu piedzīvo aktīvu attīstības periodu. Tas ir veiksmīgi pierādījis sevi mobilo tālruņu, klēpjdatoru barošanas jomā, kā arī portatīvo barošanas avotu izveidē. Tieši uz to ir vērsta šo elementu izmantošana nākotnē.

Kurināmā elementu konstrukcija ar tiešu metanola oksidēšanu ir līdzīga kurināmā elementiem ar protonu apmaiņas membrānu (MEPFC), t.i. Polimēru izmanto kā elektrolītu, un ūdeņraža jonu (protonu) izmanto kā lādiņa nesēju. Tomēr šķidrais metanols (CH 3 OH) oksidējas ūdens klātbūtnē pie anoda, izdalot CO 2, ūdeņraža jonus un elektronus, kas tiek nosūtīti caur ārēju elektrisko ķēdi, tādējādi radot elektrisko strāvu. Ūdeņraža joni iziet cauri elektrolītam un reaģē ar skābekli no gaisa un elektroniem no ārējās ķēdes, veidojot ūdeni pie anoda.

Reakcija pie anoda: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakcija pie katoda: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Elementa vispārējā reakcija: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Šāda veida kurināmā elementu priekšrocība ir to mazais izmērs, jo tiek izmantota šķidrā degviela, kā arī tas, ka nav nepieciešams izmantot pārveidotāju.

Sārma kurināmā elementi/elementi (ALFC)

Sārma kurināmā elementi ir viens no visefektīvākajiem elementiem, ko izmanto elektroenerģijas ražošanai, un elektroenerģijas ražošanas efektivitāte sasniedz pat 70%.

Sārmainās kurināmā elementi izmanto elektrolītu, kālija hidroksīda ūdens šķīdumu, kas atrodas porainā, stabilizētā matricā. Kālija hidroksīda koncentrācija var mainīties atkarībā no kurināmā elementa darba temperatūras, kas svārstās no 65°C līdz 220°C. Lādiņa nesējs SHTE ir hidroksiljons (OH -), kas pārvietojas no katoda uz anodu, kur tas reaģē ar ūdeņradi, radot ūdeni un elektronus. Pie anoda iegūtais ūdens pārvietojas atpakaļ uz katodu, atkal radot hidroksiljonus. Šīs kurināmā elementā notiekošo reakciju sērijas rezultātā tiek ražota elektrība un kā blakusprodukts siltums:

Reakcija pie anoda: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakcija pie katoda: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Sistēmas vispārējā reakcija: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

SHTE priekšrocība ir tā, ka šīs kurināmā šūnas ir lētākās ražot, jo uz elektrodiem nepieciešamais katalizators var būt jebkura no vielām, kas ir lētākas nekā tās, ko izmanto kā katalizatorus citiem kurināmā elementiem. SFC darbojas salīdzinoši zemās temperatūrās un ir vienas no efektīvākajām kurināmā elementiem – šādi raksturlielumi var veicināt ātrāku elektroenerģijas ražošanu un augstu degvielas efektivitāti.

Viena no SHTE raksturīgajām iezīmēm ir tā augstā jutība pret CO 2, ko var saturēt degviela vai gaiss. CO 2 reaģē ar elektrolītu, ātri to saindē un ievērojami samazina degvielas šūnas efektivitāti. Tāpēc SHTE izmantošana ir ierobežota ar slēgtām telpām, piemēram, kosmosa un zemūdens transportlīdzekļiem, tiem jādarbojas ar tīru ūdeņradi un skābekli. Turklāt tādas molekulas kā CO, H 2 O un CH4, kas ir drošas citām kurināmā elementiem un pat darbojas kā degviela dažām no tām, ir kaitīgas SHFC.

Polimēru elektrolītu kurināmā elementi (PEFC)

Polimēru elektrolītu kurināmā elementu gadījumā polimēra membrāna sastāv no polimēra šķiedrām ar ūdens apgabaliem, kuros notiek ūdens jonu vadīšana H2O+ (protons, sarkans) pievienojas ūdens molekulai). Ūdens molekulas rada problēmas lēnas jonu apmaiņas dēļ. Tāpēc ir nepieciešama augsta ūdens koncentrācija gan degvielā, gan pie izplūdes elektrodiem, ierobežojot darba temperatūru līdz 100°C.

Cietskābes kurināmā elementi/elementi (SFC)

Cietās skābes kurināmā elementos elektrolīts (CsHSO 4) nesatur ūdeni. Tāpēc darba temperatūra ir 100-300°C. Skābekļa anjonu SO 4 2- rotācija ļauj protoniem (sarkanajiem) pārvietoties, kā parādīts attēlā. Parasti cietās skābes degvielas šūna ir sviestmaize, kurā ļoti plāns cietās skābes savienojuma slānis ir iestiprināts starp diviem elektrodiem, kas ir cieši saspiesti kopā, lai nodrošinātu labu kontaktu. Sildot, organiskā sastāvdaļa iztvaiko, izejot caur porām elektrodos, saglabājot daudzkārtēju kontaktu spēju starp degvielu (vai skābekli elementa otrā galā), elektrolītu un elektrodiem.

Inovatīvas energoefektīvas pašvaldības siltumenerģijas un elektrostacijas parasti tiek būvētas uz cietā oksīda kurināmā elementiem (SOFC), polimēru elektrolīta kurināmā elementiem (PEFC), fosforskābes kurināmā elementiem (PAFC), protonu apmaiņas membrānas kurināmā elementiem (PEMFC) un sārma kurināmā elementiem ( ALFC). Parasti ir šādas īpašības:

Par vispiemērotākajiem jāuzskata cietā oksīda kurināmā elementi (SOFC), kas:

• darboties augstākā temperatūrā, samazinot vajadzību pēc dārgiem dārgmetāliem (piemēram, platīna)
• var strādāt dažādi veidi ogļūdeņražu degviela, galvenokārt dabasgāze
• tiem ir ilgāks palaišanas laiks, un tāpēc tie ir labāk piemēroti ilgstošai darbībai
• demonstrē augstu elektroenerģijas ražošanas efektivitāti (līdz 70%)
• Pateicoties augstajai darba temperatūrai, iekārtas var kombinēt ar siltuma pārneses sistēmām, paaugstinot kopējo sistēmas efektivitāti līdz 85%
• tām praktiski nav izmešu, tās darbojas klusi un tām ir zemas darbības prasības salīdzinājumā ar esošajām elektroenerģijas ražošanas tehnoloģijām

Tā kā mazās termoelektrostacijas var pieslēgt parastajam gāzes apgādes tīklam, kurināmā elementi nav nepieciešami atsevišķa sistēmaūdeņraža padeve. Izmantojot mazās termoelektrostacijas, kuru pamatā ir cietā oksīda kurināmā elementi, radīto siltumu var integrēt siltummaiņos ūdens un ventilācijas gaisa sildīšanai, palielinot sistēmas kopējo efektivitāti. Šī novatoriskā tehnoloģija ir vislabāk piemērota efektīvai elektroenerģijas ražošanai bez dārgas infrastruktūras un sarežģītas instrumentu integrācijas.

Kurināmā elementu/elementu pielietojums

Kurināmā elementu/elementu pielietojums telekomunikāciju sistēmās

Sakarā ar bezvadu sakaru sistēmu straujo izplatību visā pasaulē, kā arī pieaugošajiem mobilo tālruņu tehnoloģiju sociālekonomiskajiem ieguvumiem, nepieciešamība pēc uzticamas un rentablas jaudas rezerves ir kļuvusi kritiska. Elektrotīkla zudumi visa gada garumā sliktu laika apstākļu, dabas katastrofu vai ierobežotas tīkla jaudas dēļ rada pastāvīgu izaicinājumu tīkla operatoriem.

Tradicionālie telekomunikāciju jaudas rezerves risinājumi ietver baterijas (ar vārstu regulējamu svina-skābes akumulatoru elementu) īstermiņa rezerves jaudai un dīzeļdegvielas un propāna ģeneratorus ilgtermiņa rezerves jaudai. Baterijas ir salīdzinoši lēts rezerves enerģijas avots 1-2 stundām. Tomēr akumulatori nav piemēroti ilgstošai rezerves jaudai, jo to uzturēšana ir dārga, pēc ilgstošas ​​lietošanas kļūst neuzticama, ir jutīga pret temperatūru un pēc izmešanas ir bīstama videi. Dīzeļdegvielas un propāna ģeneratori var nodrošināt ilgtermiņa enerģijas rezerves. Tomēr ģeneratori var būt neuzticami, tiem ir nepieciešama liela apkope, un tie izdala lielu piesārņotāju un siltumnīcefekta gāzu līmeni.

Lai pārvarētu tradicionālo jaudas rezerves risinājumu ierobežojumus, ir izstrādāta inovatīva zaļo kurināmā elementu tehnoloģija. Kurināmā elementi ir uzticami, klusi, satur mazāk kustīgu detaļu nekā ģeneratoram, tiem ir plašāks darba temperatūras diapazons nekā akumulatoram: no -40°C līdz +50°C un rezultātā nodrošina ārkārtīgi augstu enerģijas ietaupījumu. Turklāt šādas iekārtas mūža izmaksas ir zemākas nekā ģeneratora izmaksas. Zemākas kurināmā elementu izmaksas nodrošina tikai viens apkopes apmeklējums gadā un ievērojami augstāka iekārtas produktivitāte. Galu galā degvielas šūna ir zaļo tehnoloģiju risinājums ar minimālu ietekmi uz vidi.

Kurināmā elementu iekārtas nodrošina rezerves jaudu kritiskām sakaru tīkla infrastruktūrām bezvadu, pastāvīgajiem un platjoslas sakariem telekomunikāciju sistēmā, sākot no 250 W līdz 15 kW, tās piedāvā daudzas nepārspējamas novatoriskas iespējas:

• UZTICAMĪBA– maz kustīgu daļu un bez izlādes gaidstāves režīmā
• ENERĢIJAS TAUPĪŠANA
• KLUSUMS- zems trokšņa līmenis
• ILGTSPĒJĪBA– darbības diapazons no -40°C līdz +50°C
• PIEEJAMĪBA– uzstādīšana ārā un iekštelpās (konteiners/aizsargkonteiners)
• AUGSTA JAUDA- līdz 15 kW
• ZEMA APKOPES PRASĪBAS- minimāla ikgadējā apkope
• EKONOMISKI- pievilcīgas kopējās īpašuma izmaksas
• ZAĻĀ ENERĢIJA– zemas emisijas ar minimālu ietekmi uz vidi

Sistēma vienmēr uztver līdzstrāvas kopnes spriegumu un vienmērīgi pieņem kritiskās slodzes, ja līdzstrāvas kopnes spriegums nokrītas zem lietotāja noteiktā iestatītā punkta. Sistēma darbojas ar ūdeņradi, kas tiek piegādāts kurināmā elementu skurstenim vienā no diviem veidiem – vai nu no rūpnieciskā ūdeņraža avota, vai no šķidrās degvielas, kas sastāv no metanola un ūdens, izmantojot integrētu riforminga sistēmu.

Elektroenerģiju ražo kurināmā elementu skurstenis līdzstrāvas veidā. Līdzstrāvas jauda tiek pārsūtīta uz pārveidotāju, kas pārvērš neregulētu līdzstrāvas jaudu, kas nāk no kurināmā elementu skursteņa, augstas kvalitātes regulētā līdzstrāvas strāvā nepieciešamajām slodzēm. Degvielas elementu iekārtas var nodrošināt rezerves enerģiju daudzas dienas, jo ilgumu ierobežo tikai pieejamā ūdeņraža vai metanola/ūdens degvielas daudzums.

Kurināmā elementi nodrošina izcilu enerģijas ietaupījumu, uzlabotu sistēmas uzticamību, paredzamāku veiktspēju dažādos klimatiskajos apstākļos un uzticamu darbības izturību salīdzinājumā ar nozares standarta ar vārstu regulējamiem svina-skābes akumulatoru blokiem. Arī mūža izmaksas ir zemākas, jo ievērojami zemākas apkopes un nomaiņas prasības. Kurināmā elementi piedāvā vides ieguvumus galalietotājam, jo ​​apglabāšanas izmaksas un atbildības riski, kas saistīti ar svina-skābes elementiem, rada arvien lielākas bažas.

Elektrisko akumulatoru darbību var nelabvēlīgi ietekmēt dažādi faktori, piemēram, uzlādes līmenis, temperatūra, riteņbraukšana, kalpošanas laiks un citi mainīgie. Nodrošinātā enerģija mainīsies atkarībā no šiem faktoriem, un to nav viegli paredzēt. Šie faktori relatīvi neietekmē protonu apmaiņas membrānas degvielas šūnas (PEMFC) veiktspēju, un tā var nodrošināt kritisko jaudu, kamēr vien ir pieejama degviela. Palielināta paredzamība ir svarīgs ieguvums, pārejot uz kurināmā elementiem misijai kritiskām rezerves enerģijas lietojumprogrammām.

Kurināmā elementi ģenerē enerģiju tikai tad, kad tiek piegādāta degviela, līdzīgi kā gāzes turbīnas ģeneratoram, bet ražošanas zonā nav kustīgu daļu. Tāpēc atšķirībā no ģeneratora tie nav pakļauti ātram nodilumam un tiem nav nepieciešama pastāvīga apkope un eļļošana.

Degviela, ko izmanto ilgstošas ​​​​degvielas pārveidotāja darbināšanai, ir metanola un ūdens degvielas maisījums. Metanols ir plaši pieejama, komerciāli ražota degviela, kurai pašlaik ir daudz pielietojumu, tostarp vējstiklu mazgātāji, plastmasas pudeles, dzinēja piedevas un emulsijas krāsas. Metanols ir viegli transportējams, var sajaukt ar ūdeni, tam ir laba bionoārdīšanās spēja un tas nesatur sēru. Tam ir zems sasalšanas punkts (-71°C), un tas nesadalās ilgstošas ​​uzglabāšanas laikā.

Kurināmā elementu/elementu pielietojums sakaru tīklos

Drošiem sakaru tīkliem ir nepieciešami uzticami rezerves jaudas risinājumi, kas ārkārtas situācijās var darboties stundām vai dienām, ja elektrotīkls vairs nav pieejams.

Ar dažām kustīgām daļām un bez jaudas zuduma gaidīšanas režīmā, novatoriskā degvielas šūnu tehnoloģija piedāvā pievilcīgu risinājumu pašreizējām rezerves barošanas sistēmām.

Pārliecinošākais arguments kurināmā elementu tehnoloģijas izmantošanai sakaru tīklos ir paaugstināta vispārējā uzticamība un drošība. Tādu notikumu laikā kā strāvas padeves pārtraukumi, zemestrīces, vētras un viesuļvētras ir svarīgi, lai sistēmas turpinātu darboties un tiktu nodrošinātas ar uzticamu rezerves barošanu ilgākā laika periodā neatkarīgi no temperatūras vai rezerves energosistēmas vecuma.

Kurināmā elementu barošanas ierīču līnija ir ideāli piemērota klasificētu sakaru tīklu atbalstam. Pateicoties energotaupības projektēšanas principiem, tie nodrošina videi draudzīgu, uzticamu rezerves jaudu ar ilgāku laiku (līdz pat vairākām dienām) izmantošanai jaudas diapazonā no 250 W līdz 15 kW.

Kurināmā elementu/elementu pielietojums datu tīklos

Uzticama barošana datu tīkliem, piemēram, ātrgaitas datu tīkliem un optiskās šķiedras mugurkauliem, ir ļoti svarīga visā pasaulē. Šādos tīklos pārraidītā informācija satur svarīgus datus iestādēm, piemēram, bankām, aviokompānijām vai medicīnas centriem. Strāvas padeves pārtraukums šādos tīklos ne tikai apdraud pārraidīto informāciju, bet arī parasti rada ievērojamus finansiālus zaudējumus. Uzticamas, novatoriskas kurināmā elementu iekārtas, kas nodrošina rezerves barošanu, nodrošina uzticamību, kas nepieciešama nepārtrauktas barošanas nodrošināšanai.

Kurināmā elementu bloki, ko darbina šķidrā kurināmā maisījums, kas sastāv no metanola un ūdens, nodrošina uzticamu rezerves jaudu ar ilgāku laiku, līdz pat vairākām dienām. Turklāt, salīdzinot ar ģeneratoriem un akumulatoriem, šīm vienībām ir ievērojami samazinātas apkopes prasības, kas prasa tikai vienu apkopes apmeklējumu gadā.

Tipiski lietošanas vietas raksturlielumi kurināmā elementu iekārtu izmantošanai datu tīklos:

• Lietojumprogrammas ar jaudas patēriņu no 100 W līdz 15 kW
• Lietojumprogrammas, kuru akumulatora darbības laiks pārsniedz 4 stundas
• Retranslatori optiskās šķiedras sistēmās (sinhrono digitālo sistēmu hierarhija, ātrgaitas internets, balss, izmantojot IP...)
• Tīkla mezgli liela ātruma datu pārraidei
• WiMAX pārraides mezgli

Degvielas elementu jaudas rezerves instalācijas piedāvā daudzas priekšrocības misijai kritiskām datu tīkla infrastruktūrām salīdzinājumā ar tradicionālajiem akumulatoru vai dīzeļa ģeneratoriem, nodrošinot lielākas izvietošanas iespējas uz vietas:

1. Šķidrās degvielas tehnoloģija atrisina ūdeņraža novietošanas problēmu un nodrošina praktiski neierobežotu rezerves jaudu.
2. Pateicoties to klusajai darbībai, nelielajam svaram, izturībai pret temperatūras izmaiņām un praktiski bez vibrācijas, kurināmā elementus var uzstādīt ārpus ēkām, industriālās ēkās/konteineros vai uz jumtiem.
3. Sagatavošanās sistēmas lietošanai uz vietas notiek ātri un ekonomiski, ekspluatācijas izmaksas ir zemas.
4. Degviela ir bioloģiski noārdāma un nodrošina videi draudzīgu risinājumu pilsētvidē.

Kurināmā elementu/elementu pielietojums drošības sistēmās

Visrūpīgāk izstrādātās ēkas drošības un sakaru sistēmas ir tik uzticamas, cik uzticamas ir tās uzturošais barošanas avots. Lai gan lielākajā daļā sistēmu ir iekļauta kāda veida nepārtrauktās barošanas rezerves sistēma īstermiņa jaudas zudumiem, tās nav piemērotas ilgākiem strāvas padeves pārtraukumiem, kas var rasties pēc dabas katastrofām vai teroristu uzbrukumiem. Tas varētu būt kritisks jautājums daudzām korporatīvajām un valsts aģentūrām.

Tādas svarīgas sistēmas kā CCTV piekļuves uzraudzības un kontroles sistēmas (ID karšu lasītāji, durvju slēdzenes, biometriskās identifikācijas tehnoloģija utt.), automātiskās ugunsgrēka signalizācijas un ugunsdzēšanas sistēmas, liftu vadības sistēmas un telekomunikāciju tīkli ir apdraudētas, ja nav uzticams, ilgmūžīgs alternatīvs barošanas avots.

Dīzeļģeneratori rada lielu troksni, tos ir grūti novietot, un tiem ir labi zināmas problēmas ar to uzticamību un tehniskā apkope. Turpretim kurināmā elementu iekārta, kas nodrošina rezerves jaudu, ir klusa, uzticama, nerada vai ļoti zemas emisijas, un to var viegli uzstādīt uz jumta vai ārpus ēkas. Gaidīšanas režīmā tas neizlādējas un nezaudē strāvu. Tas nodrošina kritisko sistēmu nepārtrauktu darbību pat pēc objekta darbības pārtraukšanas un ēkas atbrīvošanas.

Novatoriskas kurināmā elementu iekārtas aizsargā dārgas investīcijas kritiskos lietojumos. Tie nodrošina videi draudzīgu, uzticamu rezerves jaudu ar ilgstošu darbības laiku (līdz pat daudzām dienām) izmantošanai jaudas diapazonā no 250 W līdz 15 kW, apvienojumā ar daudzām nepārspējamām funkcijām un, jo īpaši, augstu enerģijas ietaupījumu.

Degvielas elementu jaudas rezerves instalācijas piedāvā daudzas priekšrocības misijai kritiskām lietojumprogrammām, piemēram, drošības un ēku kontroles sistēmām, salīdzinot ar tradicionālajām ar akumulatoru darbināmām vai dīzeļģeneratoru lietojumprogrammām. Šķidrās degvielas tehnoloģija atrisina ūdeņraža novietošanas problēmu un nodrošina praktiski neierobežotu rezerves jaudu.

Kurināmā elementu/elementu pielietojums komunālajā apkurē un elektroenerģijas ražošanā

Cietā oksīda kurināmā elementi (SOFC) nodrošina uzticamas, energoefektīvas un bezemisijas termoelektrostacijas, lai ražotu elektroenerģiju un siltumu no plaši pieejamiem dabasgāzes un atjaunojamiem kurināmā avotiem. Šīs novatoriskās iekārtas tiek izmantotas dažādos tirgos, sākot no mājas elektroenerģijas ražošanas līdz attālinātai barošanas avotam, kā arī papildu barošanas avotos.

Šīs enerģijas taupīšanas iekārtas ražo siltumu telpu apkurei un ūdens sildīšanai, kā arī elektrību, ko var izmantot mājās un ievadīt atpakaļ tīklā. Sadalītie elektroenerģijas ražošanas avoti var ietvert fotoelementus (saules) un mikrovēja turbīnas. Šīs tehnoloģijas ir redzamas un plaši pazīstamas, taču to darbība ir atkarīga no laikapstākļiem un tās nevar konsekventi ražot elektroenerģiju visu gadu. Termoelektrostaciju jauda var būt no mazāk nekā 1 kW līdz 6 MW vai lielāka.

Kurināmā elementu/elementu pielietojums sadales tīklos

Mazās termoelektrostacijas ir paredzētas darbam dalītā elektroenerģijas ražošanas tīklā, kas sastāv no liela skaita mazu ģeneratoru bloku vienas centralizētas elektrostacijas vietā.

Zemāk redzamajā attēlā ir parādīts elektroenerģijas ražošanas efektivitātes zudums, ja to ražo termoelektrostacijā un pārvada uz mājām, izmantojot pašlaik izmantotos tradicionālos elektropārvades tīklus. Efektivitātes zudumi centralizētajā ražošanā ietver zudumus no elektrostacijas, zemsprieguma un augstsprieguma pārvades un sadales zudumus.

Attēlā parādīti mazo termoelektrostaciju integrācijas rezultāti: elektroenerģija tiek ražota ar ražošanas efektivitāti līdz 60% lietošanas vietā. Papildus tam mājsaimniecība var izmantot kurināmā elementu radīto siltumu ūdens un telpas sildīšanai, kas palielina kopējo degvielas enerģijas apstrādes efektivitāti un palielina enerģijas ietaupījumu.

Kurināmā elementu izmantošana vides aizsardzībai – saistītās naftas gāzes izmantošana

Viens no svarīgākajiem uzdevumiem naftas rūpniecībā ir saistītās naftas gāzes izmantošana. Esošajām saistītās naftas gāzes izmantošanas metodēm ir daudz trūkumu, no kuriem galvenais ir tas, ka tās nav ekonomiski dzīvotspējīgas. Tiek sadedzināta saistītā naftas gāze, kas rada milzīgu kaitējumu videi un cilvēku veselībai.

Inovatīvas termoelektrostacijas, kurās izmanto kurināmā elementus, kā kurināmo izmanto saistīto naftas gāzi, paver ceļu uz radikālu un rentablu risinājumu saistītās naftas gāzes izmantošanas problēmām.

1. Viena no galvenajām kurināmā elementu iekārtu priekšrocībām ir tā, ka tās var droši un stabili darboties ar mainīga sastāva naftas gāzi. Sakarā ar bezliesmas ķīmisko reakciju, kas ir kurināmā elementa darbības pamatā, piemēram, metāna procentuālā samazināšanās izraisa tikai atbilstošu jaudas samazināšanos.
2. Elastība attiecībā pret patērētāju elektrisko slodzi, kritumu, slodzes pieaugumu.
3. Termoelektrostaciju uzstādīšanai un pieslēgšanai uz kurināmā elementiem to ieviešana neprasa kapitāla izmaksas, jo Iekārtas var viegli uzstādīt nesagatavotās vietās lauku tuvumā, tās ir viegli lietojamas, uzticamas un efektīvas.
4. Augsta automatizācija un moderna tālvadības pults neprasa pastāvīgu personāla klātbūtni instalācijā.
5. Dizaina vienkāršība un tehniskā pilnība: kustīgu daļu, berzes un eļļošanas sistēmu neesamība nodrošina ievērojamus ekonomiskus ieguvumus no kurināmā elementu iekārtu darbības.
6. Ūdens patēriņš: nav pie apkārtējās vides temperatūras līdz +30 °C un niecīgs augstākā temperatūrā.
7. Ūdens izvads: nav.
8. Turklāt termoelektrostacijas, kurās izmanto kurināmā elementus, nerada troksni, nevibrē,

Kurināmā elementi ir metode, kā elektroķīmiski pārveidot ūdeņraža degvielas enerģiju elektroenerģijā, un vienīgais šī procesa blakusprodukts ir ūdens.

Ūdeņraža degvielu, ko pašlaik izmanto kurināmā elementos, parasti ražo, pārveidojot metānu ar tvaiku (tas ir, ogļūdeņražus, izmantojot tvaiku un siltumu, pārvēršot metānā), lai gan var izmantot zaļāku pieeju, piemēram, ūdens elektrolīzi, izmantojot saules enerģiju.

Kurināmā elementa galvenās sastāvdaļas ir:

• anods, kurā notiek ūdeņraža oksidēšanās;
• katods, kur notiek skābekļa samazināšana;
• polimēra elektrolīta membrāna, caur kuru tiek transportēti protoni vai hidroksīda joni (atkarībā no vides) - tā neļauj ūdeņradim un skābeklim iziet cauri;
• skābekļa un ūdeņraža plūsmas lauki, kas ir atbildīgi par šo gāzu piegādi elektrodam.

Piemēram, lai darbinātu automašīnu, akumulatorā tiek samontēti vairāki degvielas elementi, un šī akumulatora piegādātās enerģijas daudzums ir atkarīgs no elektrodu kopējā laukuma un elementu skaita tajā. Enerģija kurināmā elementā tiek ģenerēta šādi: ūdeņradis tiek oksidēts pie anoda, un elektroni no tā tiek nosūtīti uz katodu, kur tiek reducēts skābeklis. Elektroniem, kas iegūti, oksidējot ūdeņradi pie anoda, ir lielāks ķīmiskais potenciāls nekā elektroniem, kas reducē skābekli pie katoda. Šī atšķirība starp elektronu ķīmiskajiem potenciāliem ļauj iegūt enerģiju no kurināmā elementiem.

Radīšanas vēsture

Kurināmā elementu vēsture aizsākās 1930. gados, kad pirmo ūdeņraža kurināmā elementu izstrādāja Viljams R. Grovs. Šajā šūnā kā elektrolītu tika izmantota sērskābe. Grove mēģināja uz dzelzs virsmas uzklāt varu no vara sulfāta ūdens šķīduma. Viņš pamanīja, ka elektronu strāvas ietekmē ūdens sadalās ūdeņradī un skābeklī. Pēc šī atklājuma Grovs un viņa līdzstrādnieks Kristians Šēnbeins, ķīmiķis Bāzeles Universitātē (Šveice), 1839. gadā vienlaikus demonstrēja iespēju ražot enerģiju ūdeņraža-skābekļa degvielas šūnā, izmantojot skābes elektrolītu. Šie pirmie mēģinājumi, lai arī pēc būtības bija diezgan primitīvi, piesaistīja vairāku viņu laikabiedru, tostarp Maikla Faradeja, uzmanību.

Kurināmā elementu izpēte turpinājās, un 1930. gados F.T. Bekons sārmainā kurināmā elementā (kurināmā elementa veids) ieviesa jaunu komponentu – jonu apmaiņas membrānu, lai atvieglotu hidroksīda jonu transportēšanu.

Viens no slavenākajiem sārmainās kurināmā elementu vēsturiskajiem lietojumiem ir to izmantošana kā galvenais enerģijas avots kosmosa lidojumu laikā Apollo programmā.

NASA tos izvēlējās to izturības un tehniskās stabilitātes dēļ. Viņi izmantoja hidroksīdu vadošu membrānu, kuras efektivitāte bija augstāka par tās protonu apmaiņas māsu.

Gandrīz divu gadsimtu laikā kopš pirmā kurināmā elementu prototipa izveides ir paveikts liels darbs, lai tos uzlabotu. Kopumā no kurināmā elementa iegūtā galīgā enerģija ir atkarīga no redoksreakcijas kinētikas, šūnas iekšējās pretestības un reaģējošo gāzu un jonu masas pārneses uz katalītiski aktīvajiem komponentiem. Gadu gaitā sākotnējā idejā ir veikti daudzi uzlabojumi, piemēram:

1) platīna vadu aizstāšana ar elektrodiem uz oglekļa bāzes ar platīna nanodaļiņām; 2) augstas vadītspējas un selektīvu membrānu izgudrošana, piemēram, Nafion, lai atvieglotu jonu transportēšanu; 3) katalītiskā slāņa, piemēram, platīna nanodaļiņu, kas sadalītas pa oglekļa bāzi, apvienošana ar jonu apmaiņas membrānām, kā rezultātā veidojas membrānas-elektroda vienība ar minimālu iekšējo pretestību; 4) plūsmas lauku izmantošana un optimizācija, lai nogādātu ūdeņradi un skābekli uz katalītisko virsmu, nevis tiešā veidā atšķaidītu tos šķīdumā.

Šie un citi uzlabojumi galu galā radīja tehnoloģiju, kas ir pietiekami efektīva, lai to izmantotu tādās automašīnās kā Toyota Mirai.

Kurināmā elementi ar hidroksi apmaiņas membrānām

Delavēras Universitāte veic pētījumus par hidroksīda apmaiņas membrānas kurināmā elementu (HEMFC) izstrādi. Kurināmā elementi ar hidroksi apmaiņas membrānām protonu apmaiņas membrānu vietā — PEMFC (protonu apmaiņas membrānas kurināmā elementi) — mazāk saskaras ar vienu no lielajām PEMFC problēmām — katalizatora stabilitātes problēmu, jo daudz vairāk parasto metālu katalizatoru ir stabili sārmainos apstākļos nekā skābos apstākļos. Katalizatoru stabilitāte sārmainos šķīdumos ir augstāka tāpēc, ka metālu šķīdināšana pie zema pH izdala vairāk enerģijas nekā pie augsta pH. Liela daļa darba šajā laboratorijā ir veltīta arī jaunu anodisko un katoda katalizatoru izstrādei ūdeņraža oksidācijas un skābekļa reducēšanas reakcijām, lai tās vēl efektīvāk paātrinātu. Turklāt laboratorija izstrādā jaunas hidroksi apmaiņas membrānas, jo vēl ir jāuzlabo šādu membrānu vadītspēja un izturība, lai tās konkurētu ar protonu apmaiņas membrānām.

Meklējiet jaunus katalizatorus

Pārsprieguma zudumu cēlonis skābekļa reducēšanas reakcijā ir izskaidrojams ar lineārām mēroga attiecībām starp šīs reakcijas starpproduktiem. Šīs reakcijas tradicionālajā četru elektronu mehānismā skābeklis tiek secīgi reducēts, radot starpproduktus OOH*, O* un OH*, lai galu galā veidotu ūdeni (H2O) uz katalītiskās virsmas. Tā kā starpproduktu adsorbcijas enerģijas atsevišķiem katalizatoriem ir ļoti savstarpēji saistītas, vēl nav atrasts neviens katalizators, kuram, vismaz teorētiski, nebūtu zudumu pārsprieguma dēļ. Lai gan šīs reakcijas ātrums ir zems, skābas vides aizstāšana ar sārmainu, piemēram, HEMFC, to īpaši neietekmē. Tomēr ūdeņraža oksidācijas reakcijas ātrums samazinās gandrīz uz pusi, un šis fakts motivē pētījumus, kuru mērķis ir atrast šī samazināšanās iemeslu un atklāt jaunus katalizatorus.

Kurināmā elementu priekšrocības

Atšķirībā no ogļūdeņraža degvielas, kurināmā elementi ir videi draudzīgāki, ja ne pilnībā, un to darbības rezultātā nerada siltumnīcefekta gāzes. Turklāt to degviela (ūdeņradis) principā ir atjaunojama, jo to var iegūt, hidrolizējot ūdeni. Tādējādi ūdeņraža kurināmā elementi nākotnē solās kļūt par pilnvērtīgu daļu no enerģijas ražošanas procesa, kurā saules un vēja enerģija tiek izmantota ūdeņraža degvielas ražošanai, kas pēc tam tiek izmantota kurināmā elementā ūdens ražošanai. Tas noslēdz ciklu un neatstāj oglekļa pēdas nospiedumu.

Atšķirībā no uzlādējamām baterijām, kurināmā elementiem ir tāda priekšrocība, ka tās nav jāuzlādē – tās var nekavējoties sākt piegādāt enerģiju, tiklīdz tā ir nepieciešama. Respektīvi, ja tos izmantos, piemēram, transportlīdzekļu jomā, tad patērētāju pusē gandrīz nekādu izmaiņu nebūs. Atšķirībā no saules un vēja enerģijas, kurināmā elementi var pastāvīgi ražot enerģiju un ir daudz mazāk atkarīgi no ārējiem apstākļiem. Savukārt ģeotermālā enerģija ir pieejama tikai atsevišķos ģeogrāfiskos apgabalos, savukārt kurināmā elementiem šīs problēmas atkal nav.

Ūdeņraža kurināmā elementi ir vieni no daudzsološākajiem enerģijas avotiem, pateicoties to pārnesamībai un apjoma elastībai.

Ūdeņraža uzglabāšanas grūtības

Papildus problēmām, kas saistītas ar pašreizējo membrānu un katalizatoru trūkumiem, citas degvielas elementu tehniskās problēmas ir saistītas ar ūdeņraža degvielas uzglabāšanu un transportēšanu. Ūdeņradim ir ļoti zema īpatnējā enerģija uz tilpuma vienību (enerģijas daudzums, kas atrodas tilpuma vienībā noteiktā temperatūrā un spiedienā), un tāpēc tas ir jāuzglabā ļoti augstā spiedienā, lai to izmantotu transportlīdzekļos. Pretējā gadījumā konteinera izmērs vajadzīgā degvielas daudzuma uzglabāšanai būs neticami liels. Šo ūdeņraža uzglabāšanas ierobežojumu dēļ ir mēģināts atrast veidus, kā ražot ūdeņradi no kaut kā cita, nevis gāzveida formas, piemēram, metāla hidrīda kurināmā elementos. Tomēr pašreizējās patērētāju kurināmā elementu lietojumprogrammās, piemēram, Toyota Mirai, tiek izmantots superkritiskais ūdeņradis (ūdeņradis tiek turēts temperatūrā virs 33 K un spiedienā virs 13,3 atmosfēras, t.i., virs kritiskajām vērtībām), un tas tagad ir ērtākais risinājums.

Reģiona izredzes

Sakarā ar pašreizējām tehniskajām grūtībām un problēmām, kas saistītas ar ūdeņraža ražošanu no ūdens, izmantojot saules enerģiju, tuvākajā nākotnē pētījumi, visticamāk, galvenokārt būs vērsti uz alternatīvu ūdeņraža avotu atrašanu. Viena populāra ideja ir ūdeņraža vietā izmantot amonjaku (ūdeņraža nitrīdu) tieši kurināmā elementā vai izgatavot ūdeņradi no amonjaka. Iemesls tam ir tas, ka amonjaks ir mazāk prasīgs spiediena ziņā, kas padara to ērtāku uzglabāšanai un pārvietošanai. Turklāt amonjaks ir pievilcīgs kā ūdeņraža avots, jo tajā nav oglekļa. Tas atrisina saindēšanās ar katalizatoru problēmu, ko izraisa neliels CO daudzums ūdeņradi, kas ražots no metāna.

Nākotnē kurināmā elementiem var būt plaši pielietojumi mobilitātes tehnoloģijās un sadalītā enerģijas ražošanā, piemēram, dzīvojamos rajonos. Lai gan kurināmā elementu kā galvenā enerģijas avota izmantošana šobrīd prasa daudz naudas, ja tiks atklāti lētāki un efektīvāki katalizatori, stabilas membrānas ar augstu vadītspēju un alternatīvi ūdeņraža avoti, ūdeņraža kurināmā elementi var kļūt ļoti ekonomiski pievilcīgi.

Ķīmiskie procesi kurināmā elementā

Kurināmā elementi izmanto elektroķīmisku procesu, lai apvienotu ūdeņradi ar skābekli, kas iegūts no gaisa. Tāpat kā baterijas, kurināmā elementi izmanto elektrodus (cietos elektriskos vadītājus) elektrolītā (elektriski vadošā vidē). Kad ūdeņraža molekulas nonāk saskarē ar negatīvo elektrodu (anodu), pēdējie tiek sadalīti protonos un elektronos. Protoni iet caur protonu apmaiņas membrānu (POEM) uz kurināmā elementa pozitīvo elektrodu (katodu), ražojot elektrību. Ūdeņraža un skābekļa molekulu ķīmiskā kombinācija rodas, veidojot ūdeni kā šīs reakcijas blakusproduktu. Vienīgais emisiju veids no kurināmā elementa ir ūdens tvaiki.
Kurināmā elementu saražoto elektroenerģiju var izmantot transportlīdzekļa elektriskajā spēka piedziņā (kas sastāv no elektriskās strāvas pārveidotāja un maiņstrāvas asinhronā motora), lai nodrošinātu mehānisko enerģiju transportlīdzekļa virzīšanai. Elektroenerģijas pārveidotāja uzdevums ir pārveidot degvielas elementu radīto līdzstrāvu maiņstrāvā, kas darbina transportlīdzekļa vilces motoru.

Kurināmā elementa diagramma ar protonu apmaiņas membrānu:
1 - anods;
2 - protonu apmaiņas membrāna (PEM);
3 - katalizators (sarkans);
4 - katods

Protonu apmaiņas membrānas degvielas šūnā (PEMFC) tiek izmantota viena no vienkāršākajām jebkuras degvielas šūnas reakcijām.

Vienas šūnas degvielas šūna

Apskatīsim, kā darbojas degvielas šūna. Anods, kurināmā elementa negatīvais spailis, vada elektronus, kas ir atbrīvoti no ūdeņraža molekulām, lai tos varētu izmantot ārējā elektriskā ķēdē. Lai to izdarītu, tajā tiek iegravēti kanāli, kas vienmērīgi sadala ūdeņradi pa visu katalizatora virsmu. Katodam (kurināmā elementa pozitīvajam polam) ir iegravēti kanāli, kas sadala skābekli pa katalizatora virsmu. Tas arī vada elektronus atpakaļ no ārējās cilpas (ķēdes) uz katalizatoru, kur tie var apvienoties ar ūdeņraža joniem un skābekli, veidojot ūdeni. Elektrolīts ir protonu apmaiņas membrāna. Šis ir īpašs materiāls, kas līdzīgs parastajai plastmasai, taču tam ir iespēja ļaut pozitīvi lādētiem joniem iziet cauri un bloķēt elektronu pāreju.
Katalizators ir īpašs materiāls, kas atvieglo reakciju starp skābekli un ūdeņradi. Katalizators parasti ir izgatavots no platīna pulvera, kas ļoti plānā kārtā uzklāts uz koppapīra vai auduma. Katalizatoram jābūt raupjam un porainam, lai tā virsma varētu maksimāli saskarties ar ūdeņradi un skābekli. Katalizatora ar platīnu pārklātā puse atrodas protonu apmaiņas membrānas (PEM) priekšā.
Ūdeņraža gāze (H2) tiek piegādāta degvielas šūnai zem spiediena no anoda. Kad H2 molekula saskaras ar platīnu uz katalizatora, tā sadalās divās daļās, divos jonos (H+) un divos elektronos (e–). Elektroni tiek vadīti caur anodu, kur tie iziet cauri ārējai cilpai (ķēdei), veicot noderīgu darbu (piemēram, vada elektromotoru), un atgriežas degvielas elementa katoda pusē.
Tikmēr kurināmā elementa katoda pusē skābekļa gāze (O 2 ) tiek izspiesta cauri katalizatoram, kur tā veido divus skābekļa atomus. Katram no šiem atomiem ir spēcīgs negatīvs lādiņš, kas piesaista divus H+ jonus pāri membrānai, kur tie savienojas ar skābekļa atomu un diviem elektroniem no ārējās ķēdes, veidojot ūdens molekulu (H 2 O).
Šī reakcija vienā kurināmā elementā rada aptuveni 0,7 W jaudu. Lai palielinātu jaudu līdz vajadzīgajam līmenim, daudzas atsevišķas kurināmā elementi ir jāapvieno, lai izveidotu kurināmā elementu kaudzi.
POM kurināmā elementi darbojas salīdzinoši zemā temperatūrā (apmēram 80°C), kas nozīmē, ka tās var ātri uzsildīt līdz darba temperatūrai, un tām nav nepieciešamas dārgas dzesēšanas sistēmas. Nepārtraukti pilnveidojoties šajās šūnās izmantotajās tehnoloģijās un materiālos, to jauda ir tuvinājusies līmenim, kurā šādu kurināmā elementu akumulators, kas aizņem nelielu daļu no automašīnas bagāžnieka, var nodrošināt automašīnas vadīšanai nepieciešamo enerģiju.
Pēdējo gadu laikā lielākā daļa pasaules vadošo automobiļu ražotāju ir ieguldījuši lielus ieguldījumus tādu transportlīdzekļu konstrukciju izstrādē, kuros tiek izmantotas degvielas šūnas. Daudzi jau ir demonstrējuši degvielas šūnu transportlīdzekļus ar apmierinošiem jaudas un veiktspējas parametriem, lai gan tie bija diezgan dārgi.
Šādu automašīnu konstrukciju uzlabošana notiek ļoti intensīvi.

Degvielas šūnu transportlīdzeklis izmanto spēkstaciju, kas atrodas zem transportlīdzekļa grīdas

NECAR V pamatā ir Mercedes-Benz A klases automašīna, visa spēkstacija kopā ar degvielas šūnām atrodas zem automašīnas grīdas. Šis dizaina risinājums ļauj automašīnā ievietot četrus pasažierus un bagāžu. Šeit par degvielu automašīnai tiek izmantots nevis ūdeņradis, bet metanols. Metanols, izmantojot reformatoru (ierīci, kas metanolu pārvērš ūdeņradi), tiek pārveidots par ūdeņradi, kas nepieciešams degvielas šūnas darbināšanai. Reformera izmantošana automašīnā dod iespēju kā degvielu izmantot gandrīz jebkuru ogļūdeņražu, kas ļauj uzpildīt degvielas šūnu automašīnu, izmantojot esošo degvielas uzpildes staciju tīklu. Teorētiski kurināmā elementi ražo tikai elektrību un ūdeni. Degvielas (benzīna vai metanola) pārvēršana par ūdeņradi, kas nepieciešama degvielas šūnai, nedaudz samazina šādas automašīnas vides pievilcību.
Honda, kas nodarbojas ar degvielas elementiem kopš 1989. gada, 2003. gadā ražoja nelielu Honda FCX-V4 automašīnu partiju ar protonu apmaiņas degvielas šūnām. membrānas tips no Ballarda. Šīs kurināmā šūnas saražo 78 kW elektriskā jauda, un piedziņas riteņu piedziņai tiek izmantoti vilces elektromotori ar jaudu 60 kW un griezes momentu 272 Nm Degvielas šūnu automašīnai, salīdzinot ar tradicionālo automašīnu, ir aptuveni par 40% mazāka masa, kas to nodrošina lieliska dinamika, un saspiestā ūdeņraža rezerve ļauj nobraukt līdz 355 km.

Honda FCX braukšanai izmanto kurināmā elementu radīto elektroenerģiju.
Honda FCX ir pasaulē pirmais degvielas šūnu transportlīdzeklis, kas saņēmis valdības sertifikātu Amerikas Savienotajās Valstīs. Auto ir sertificēts atbilstoši ZEV – Zero Emission Vehicle standartiem. Honda pagaidām negrasās šīs automašīnas pārdot, bet līzingā uz vienu vienību ir aptuveni 30 automašīnas. Kalifornijā un Tokijā, kur jau pastāv ūdeņraža uzpildes infrastruktūra.

General Motors Hy Wire konceptautomobilim ir degvielas šūnu spēka piedziņa

General Motors veic plašus pētījumus par degvielas šūnu transportlīdzekļu izstrādi un izveidi.

Hy Wire automašīnas šasija

Konceptautomobilim GM Hy Wire tika izsniegti 26 patenti. Automašīnas pamatā ir funkcionāla 150 mm bieza platforma. Platformas iekšpusē ir ūdeņraža baloni, degvielas šūnu spēkstacija un transportlīdzekļa vadības sistēmas Jaunākās tehnoloģijas elektroniskā vadība ar vadu. Hy Wire transportlīdzekļa šasija ir plāna platforma, kurā atrodas visi galvenie transportlīdzekļa struktūras elementi: ūdeņraža tvertnes, degvielas šūnas, akumulatori, elektromotori un vadības sistēmas. Šāda pieeja dizainam ļauj mainīt automašīnu virsbūves ekspluatācijas laikā. Uzņēmums arī testē Opel degvielas šūnu automašīnu prototipus un projektē rūpnīcu degvielas elementu ražošanai.

"Drošas" sašķidrinātās ūdeņraža degvielas tvertnes dizains:
1 - uzpildes ierīce;
2 - ārējā tvertne;
3 - balsti;
4 - līmeņa sensors;
5 - iekšējā tvertne;
6 - uzpildes līnija;
7 - izolācija un vakuums;
8 - sildītājs;
9 - montāžas kaste

BMW lielu uzmanību pievērš ūdeņraža kā automašīnu degvielas izmantošanas problēmai. Kopā ar Magna Steyer, kas ir slavens ar savu darbu pie sašķidrinātā ūdeņraža izmantošanas kosmosa izpētē, BMW ir izstrādājis degvielas tvertni sašķidrinātam ūdeņradim, ko var izmantot automašīnās.

Testi ir apstiprinājuši šķidrās ūdeņraža degvielas tvertnes lietošanas drošību

Uzņēmums veica virkni testu konstrukcijas drošībai, izmantojot standarta metodes, un apstiprināja tās uzticamību.
2002. gadā auto izstādē Frankfurtē pie Mainas (Vācija) tika demonstrēts Mini Cooper Hydrogen, kas kā degvielu izmanto sašķidrinātu ūdeņradi. Degvielas tvertneŠī automašīna aizņem tikpat daudz vietas kā parasta degvielas tvertne. Ūdeņradi šajā automašīnā izmanto nevis degvielas šūnām, bet gan kā degvielu iekšdedzes dzinējam.

Pasaulē pirmā sērijveida automašīna ar degvielas elementu, nevis akumulatoru

2003. gadā BMW paziņoja par pirmās sērijveida automašīnas ar degvielas šūnu BMW 750 hL ražošanu. Tradicionālā akumulatora vietā tiek izmantots kurināmā elementa akumulators. Šai automašīnai ir 12 cilindru iekšdedzes dzinējs, kas darbojas ar ūdeņradi, un degvielas šūna kalpo kā alternatīva parastajam akumulatoram, ļaujot gaisa kondicionētājam un citiem elektrības patērētājiem darboties, kad automašīna ilgstoši tiek novietota stāvvietā bez dzinēja darbības.

Ūdeņraža uzpildīšanu veic robots, vadītājs šajā procesā nav iesaistīts

Tas pats BMW uzņēmums ir izstrādājis arī robotizētus degvielas uzpildes dozatorus, kas nodrošina ātru un drošu automašīnu uzpildīšanu ar sašķidrinātu ūdeņradi.
Pēdējos gados parādījies liels skaits izstrādņu, kuru mērķis ir radīt automašīnas, kurās izmanto alternatīvas degvielas un alternatīvus spēka piedziņas, liecina, ka iekšdedzes dzinēji, kas automobiļos dominēja pagājušajā gadsimtā, galu galā dosies uz tīrāku, efektīvāku un klusāku dizainu. To plašo ieviešanu pašlaik ierobežo nevis tehniskas, bet gan ekonomiskas un sociālas problēmas. To plašai izmantošanai ir nepieciešams izveidot noteiktu infrastruktūru alternatīvo degvielu ražošanas attīstībai, jaunu degvielas uzpildes staciju izveidei un izplatīšanai un pārvarēt vairākas psiholoģiskas barjeras. Lai izmantotu ūdeņradi kā transportlīdzekļu degvielu, būs jārisina uzglabāšanas, piegādes un izplatīšanas jautājumi, veicot nopietnus drošības pasākumus.
Ūdeņradis teorētiski ir pieejams neierobežotā daudzumā, taču tā ražošana ir ļoti energoietilpīga. Turklāt, lai pārveidotu automašīnas, lai tās darbotos ar ūdeņraža degvielu, ir jāveic divas lielas izmaiņas energosistēmā: pirmkārt, tās darbība jāpārslēdz no benzīna uz metanolu un pēc tam noteiktā laika periodā uz ūdeņradi. Paies kāds laiks, līdz šī problēma tiks atrisināta.

Apraksts:

Šajā rakstā sīkāk apskatīts to dizains, klasifikācija, priekšrocības un trūkumi, pielietojuma joma, efektivitāte, radīšanas vēsture un mūsdienu izmantošanas iespējas.

Kurināmā elementu izmantošana ēku darbināšanai

1. daļa

Šajā rakstā sīkāk apskatīts kurināmā elementu darbības princips, to konstrukcija, klasifikācija, priekšrocības un trūkumi, pielietojuma apjoms, efektivitāte, radīšanas vēsture un mūsdienu izmantošanas perspektīvas. Raksta otrajā daļā, kas tiks publicēts nākamajā žurnāla ABOK numurā, ir sniegti piemēri objektiem, kur dažāda veida kurināmā elementi tika izmantoti kā siltuma un elektroapgādes (vai tikai barošanas) avoti.

Ievads

Kurināmā elementi ir ļoti efektīvs, uzticams, izturīgs un videi draudzīgs veids, kā iegūt enerģiju.

Kurināmā elementi, kas sākotnēji tika izmantoti tikai kosmosa industrijā, tagad arvien vairāk tiek izmantoti dažādās jomās – kā stacionāras elektrostacijas, ēku siltumapgādes un barošanas bloki, transportlīdzekļu dzinēji, barošanas bloki klēpjdatoriem un mobilajiem tālruņiem. Dažas no šīm ierīcēm ir laboratorijas prototipi, dažām tiek veiktas pirmsražošanas pārbaudes vai tās tiek izmantotas demonstrācijas nolūkos, taču daudzi modeļi tiek ražoti masveidā un tiek izmantoti komerciālos projektos.

Kurināmā šūna (elektroķīmiskais ģenerators) ir ierīce, kas tieši pārveido degvielas (ūdeņraža) ķīmisko enerģiju elektroenerģijā, izmantojot elektroķīmisku reakciju, atšķirībā no tradicionālajām tehnoloģijām, kas izmanto cietā, šķidrā un gāzveida kurināmā sadedzināšanu. Degvielas tiešā elektroķīmiskā pārveidošana ir ļoti efektīva un pievilcīga no vides viedokļa, jo darbības process rada minimālu piesārņojošo vielu daudzumu un nav spēcīga trokšņa vai vibrācijas.

No praktiskā viedokļa degvielas šūna atgādina parasto volta akumulatoru. Atšķirība ir tāda, ka akumulators sākotnēji ir uzlādēts, t.i., piepildīts ar “degvielu”. Darbības laikā tiek patērēta “degviela”, un akumulators ir izlādējies. Atšķirībā no akumulatora, kurināmā elementā elektroenerģijas ražošanai tiek izmantota degviela, kas tiek piegādāta no ārēja avota (1. att.).

Elektroenerģijas ražošanai var izmantot ne tikai tīru ūdeņradi, bet arī citas ūdeņradi saturošas izejvielas, piemēram, dabasgāzi, amonjaku, metanolu vai benzīnu. Parasts gaiss tiek izmantots kā skābekļa avots, kas arī nepieciešams reakcijai.

Par degvielu izmantojot tīru ūdeņradi, reakcijas produkti papildus elektroenerģijai ir siltums un ūdens (vai ūdens tvaiki), t.i., atmosfērā netiek izdalītas gāzes, kas rada gaisa piesārņojumu vai siltumnīcas efektu. Ja par kurināmo izmanto ūdeņradi saturošu izejvielu, piemēram, dabasgāzi, reakcijas blakusprodukts būs citas gāzes, piemēram, oglekļa un slāpekļa oksīdi, taču to daudzums ir daudz mazāks, nekā sadedzinot tādu pašu daudzumu dabiskās. gāze.

Degvielas ķīmiskās pārveidošanas procesu, lai iegūtu ūdeņradi, sauc par reformēšanu, un atbilstošo ierīci sauc par reformētāju.

Kurināmā elementu priekšrocības un trūkumi

Kurināmā elementi ir energoefektīvāki nekā iekšdedzes dzinēji, jo kurināmā elementiem nav termodinamisku energoefektivitātes ierobežojumu. Kurināmā elementu efektivitāte ir 50%, savukārt iekšdedzes dzinēju efektivitāte ir 12-15%, tvaika turbīnu spēkstaciju efektivitāte nepārsniedz 40%. Izmantojot siltumu un ūdeni, kurināmā elementu efektivitāte tiek vēl vairāk palielināta.

Atšķirībā no, piemēram, iekšdedzes dzinējiem, kurināmā elementu efektivitāte saglabājas ļoti augsta arī tad, ja tie nedarbojas ar pilnu jaudu. Turklāt kurināmā elementu jaudu var palielināt, vienkārši pievienojot atsevišķas vienības, savukārt efektivitāte nemainās, t.i., lielas iekārtas ir tikpat efektīvas kā mazas. Šie apstākļi ļauj ļoti elastīgi izvēlēties iekārtu sastāvu atbilstoši klienta vēlmēm un galu galā noved pie aprīkojuma izmaksu samazināšanās.

Svarīga kurināmā elementu priekšrocība ir to videi draudzīgums. Degvielas elementu emisijas ir tik zemas, ka dažos ASV apgabalos to darbībai nav nepieciešams īpašs valdības gaisa kvalitātes regulatoru apstiprinājums.

Kurināmā elementi var tikt novietoti tieši ēkā, samazinot zudumus enerģijas transportēšanas laikā, un reakcijas rezultātā radušos siltumu var izmantot siltuma vai karstā ūdens piegādei ēkai. Autonomie siltuma un elektroenerģijas avoti var būt ļoti izdevīgi attālos apgabalos un reģionos, kuriem raksturīgs elektroenerģijas trūkums un augstās izmaksas, bet tajā pašā laikā ir ūdeņradi saturošu izejvielu (naftas, dabasgāzes) rezerves.

Kurināmā elementu priekšrocības ir arī degvielas pieejamība, uzticamība (kurināmā elementā nav kustīgu detaļu), izturība un darbības vienkāršība.

Viens no galvenajiem kurināmā elementu trūkumiem mūsdienās ir to salīdzinoši augstās izmaksas, taču šo mīnusu jau pavisam drīz iespējams pārvarēt – arvien vairāk uzņēmumu ražo kurināmā elementu komerciālos paraugus, tie tiek nepārtraukti pilnveidoti, un to izmaksas samazinās.

Visefektīvākais veids ir izmantot tīru ūdeņradi kā degvielu, taču tam būs jāizveido īpaša infrastruktūra tā ražošanai un transportēšanai. Pašlaik visos komerciālajos dizainparaugos tiek izmantota dabasgāze un līdzīga degviela. Automašīnas var izmantot parasto benzīnu, kas ļaus uzturēt esošo attīstīto degvielas uzpildes staciju tīklu. Tomēr šādas degvielas izmantošana rada kaitīgus izmešus atmosfērā (lai gan ļoti zemu) un sarežģī (un līdz ar to palielina) kurināmā elementu. Nākotnē tiek apsvērta iespēja izmantot videi draudzīgus atjaunojamos enerģijas avotus (piemēram, saules vai vēja enerģiju), lai elektrolīzes ceļā sadalītu ūdeni ūdeņradī un skābeklī un pēc tam iegūto degvielu pārveidotu kurināmā šūnā. Šādas kombinētās iekārtas, kas darbojas slēgtā ciklā, var būt pilnīgi videi draudzīgs, uzticams, izturīgs un efektīvs enerģijas avots.

Vēl viena kurināmā elementu iezīme ir tā, ka tās ir visefektīvākās, ja vienlaikus izmanto gan elektrisko, gan siltumenerģiju. Tomēr ne katram objektam ir iespēja izmantot siltumenerģiju. Ja kurināmā elementi tiek izmantoti tikai elektroenerģijas ražošanai, to efektivitāte samazinās, lai gan tas pārsniedz "tradicionālo" iekārtu efektivitāti.

Kurināmā elementu vēsture un mūsdienu izmantošana

Kurināmā elementu darbības princips tika atklāts 1839. gadā. Angļu zinātnieks Viljams Roberts Grovs (1811-1896) atklāja, ka elektrolīzes process - ūdens sadalīšanās ūdeņradī un skābeklī caur elektrisko strāvu - ir atgriezenisks, t.i., ūdeņradi un skābekli var apvienot ūdens molekulās bez sadegšanas, bet ar izdalīšanos. siltuma un elektriskās strāvas. Grove ierīci, kurā bija iespējama šāda reakcija, sauca par “gāzes akumulatoru”, kas bija pirmā degvielas šūna.

Aktīva kurināmā elementu izmantošanas tehnoloģiju attīstība aizsākās pēc Otrā pasaules kara, un tā tiek saistīta ar kosmosa nozari. Šajā laikā tika meklēts efektīvs un uzticams, bet tajā pašā laikā diezgan kompakts enerģijas avots. Sešdesmitajos gados NASA (Nacionālā aeronautikas un kosmosa administrācija, NASA) speciālisti izvēlējās kurināmā elementus kā enerģijas avotu Apollo (pilota lidojumi uz Mēnesi), Apollo-Soyuz, Gemini un Skylab programmām. Kosmosa kuģis Apollo izmantoja trīs 1,5 kW (2,2 kW maksimuma) iekārtas, kurās izmantoja kriogēno ūdeņradi un skābekli, lai ražotu elektrību, siltumu un ūdeni. Katras iekārtas masa bija 113 kg. Šīs trīs šūnas darbojās paralēli, taču vienas vienības saražotā enerģija bija pietiekama drošai atgriešanai. 18 lidojumu laikā kurināmā elementi darbojās kopumā 10 000 stundu bez kļūmēm. Pašlaik kurināmā elementi tiek izmantoti Space Shuttle, kas izmanto trīs 12 W vienības, lai ģenerētu visu kosmosa kuģī esošo elektroenerģiju (2. att.). Elektroķīmiskās reakcijas rezultātā iegūto ūdeni izmanto kā dzeramo ūdeni un arī dzesēšanas iekārtām.

Mūsu valstī tika strādāts arī pie kurināmā elementu izveides izmantošanai astronautikā. Piemēram, kurināmā elementi tika izmantoti padomju atkārtoti lietojamā kosmosa kuģa Buran darbināšanai.

Kurināmā elementu komerciālās izmantošanas metožu izstrāde sākās 60. gadu vidū. Šīs norises daļēji finansēja valdības organizācijas.

Šobrīd kurināmā elementu izmantošanas tehnoloģiju attīstība noris vairākos virzienos. Tā ir stacionāro spēkstaciju uz kurināmā elementiem izveide (gan centralizētai, gan decentralizētai energoapgādei), transportlīdzekļu elektrostacijas (ir izveidoti automašīnu un autobusu paraugi uz kurināmā elementiem, arī mūsu valstī) (3. att.), un arī dažādu mobilo ierīču (portatīvie datori, mobilie tālruņi u.c.) barošanas bloki (4. att.).

Kurināmā elementu izmantošanas piemēri dažādās jomās ir sniegti tabulā. 1.

Viens no pirmajiem komerciālajiem kurināmā elementu modeļiem, kas paredzēts ēku autonomai siltuma un elektroenerģijas piegādei, bija PC25 modelis A, ko ražoja ONSI Corporation (tagad United Technologies, Inc.). Šī kurināmā šūna ar nominālo jaudu 200 kW ir elementa veids ar elektrolītu, kura pamatā ir fosforskābe (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Skaitlis “25” modeļa nosaukumā nozīmē dizaina sērijas numuru. Lielākā daļa iepriekšējo modeļu bija eksperimentālas vai testa vienības, piemēram, 12,5 kW "PC11" modelis, kas tika ieviests 1970. gados. Jaunie modeļi palielināja jaudu, kas iegūta no atsevišķas degvielas šūnas, kā arī samazināja izmaksas par saražotās enerģijas kilovatu. Pašlaik viens no efektīvākajiem komerciālajiem modeļiem ir PC25 Model C degvielas šūna. Tāpat kā A modelis, arī šī ir pilnībā automātiska 200 kW PAFC degvielas šūna, kas paredzēta uzstādīšanai uz vietas kā autonoms siltuma un enerģijas avots. Šādu kurināmā elementu var uzstādīt ārpus ēkas. Ārēji tas ir 5,5 m garš, 3 m plats un augsts paralēlskaldnis, kas sver 18 140 kg. Atšķirība no iepriekšējiem modeļiem ir uzlabots reformators un lielāks strāvas blīvums.

Dažos kurināmā elementu veidos ķīmisko procesu var apgriezt pretējā virzienā: piemērojot elektrodiem potenciālu starpību, ūdeni var sadalīt ūdeņradī un skābeklī, kas sakrājas uz porainajiem elektrodiem. Kad ir pievienota slodze, šāda reģeneratīvā kurināmā šūna sāks ražot elektrisko enerģiju.

Daudzsološs kurināmā elementu izmantošanas virziens ir to izmantošana kopā ar atjaunojamiem enerģijas avotiem, piemēram, fotoelementu paneļiem vai vēja elektrostacijām. Šī tehnoloģija ļauj mums pilnībā izvairīties no gaisa piesārņojuma. Līdzīgu sistēmu plānots izveidot, piemēram, Ādama Džozefa Lūisa mācību centrā Oberlinā (sk. ABOK, 2002, Nr. 5, 10. lpp.). Šobrīd šajā ēkā kā viens no enerģijas avotiem tiek izmantoti saules paneļi. Kopā ar NASA speciālistiem izstrādāts projekts fotoelektrisko paneļu izmantošanai, lai elektrolīzes ceļā no ūdens iegūtu ūdeņradi un skābekli. Pēc tam ūdeņradis tiek izmantots kurināmā elementos, lai ražotu elektroenerģiju un karsts ūdens. Tas ļaus ēkai saglabāt visu sistēmu funkcionalitāti mākoņainās dienās un naktī.

Kurināmā elementu darbības princips

Apskatīsim kurināmā elementa darbības principu, izmantojot vienkārša elementa piemēru ar protonu apmaiņas membrānu (Proton Exchange Membrane, PEM). Šāda šūna sastāv no polimēra membrānas, kas novietota starp anodu (pozitīvo elektrodu) un katodu (negatīvo elektrodu), kā arī anoda un katoda katalizatoriem. Polimēru membrāna tiek izmantota kā elektrolīts. PEM elementa diagramma ir parādīta attēlā. 5.

Protonu apmaiņas membrāna (PEM) ir plāns (apmēram 2–7 papīra loksnes biezs) ciets organisks savienojums. Šī membrāna darbojas kā elektrolīts: tā ūdens klātbūtnē sadala vielu pozitīvi un negatīvi lādētos jonos.

Pie anoda notiek oksidācijas process, un pie katoda notiek reducēšanās process. Anods un katods PEM šūnā ir izgatavoti no poraina materiāla, kas ir oglekļa un platīna daļiņu maisījums. Platīns darbojas kā katalizators, kas veicina disociācijas reakciju. Anods un katods ir padarīti poraini, lai caur tiem varētu brīvi pārvietoties ūdeņradis un skābeklis.

Anods un katods ir novietoti starp divām metāla plāksnēm, kas piegādā anodu un katodu ūdeņradi un skābekli, kā arī noņem siltumu un ūdeni, kā arī elektrisko enerģiju.

Ūdeņraža molekulas caur kanāliem plāksnē nonāk anodā, kur molekulas sadalās atsevišķos atomos (6. att.).

Pēc tam ķīmiskās sorbcijas rezultātā katalizatora klātbūtnē ūdeņraža atomi, katrs atdodot vienu elektronu e –, pārvēršas pozitīvi lādētos ūdeņraža jonos H +, t.i., protonos (7. att.).

Pozitīvi lādēti ūdeņraža joni (protoni) izkliedējas caur membrānu uz katodu, un elektronu plūsma tiek virzīta uz katodu caur ārēju elektrisko ķēdi, kurai ir pievienota slodze (elektroenerģijas patērētājs) (8. att.).

Katodam piegādātais skābeklis katalizatora klātbūtnē nonāk ķīmiskā reakcijā ar ūdeņraža joniem (protoniem) no protonu apmaiņas membrānas un elektroniem no ārējās elektriskās ķēdes (9. att.). Ķīmiskās reakcijas rezultātā veidojas ūdens.

Ķīmiskā reakcija cita veida kurināmā elementos (piemēram, ar skābu elektrolītu, kurā tiek izmantots ortofosforskābes H 3 PO 4 šķīdums) ir absolūti identiska ķīmiskajai reakcijai degvielas šūnā ar protonu apmaiņas membrānu.

Jebkurā kurināmā elementā daļa no ķīmiskās reakcijas enerģijas tiek atbrīvota kā siltums.

Elektronu plūsma ārējā ķēdē ir līdzstrāva, ko izmanto darba veikšanai. Ārējās ķēdes atvēršana vai ūdeņraža jonu kustības apturēšana aptur ķīmisko reakciju.

Kurināmā elementa saražotās elektriskās enerģijas daudzums ir atkarīgs no kurināmā elementa veida, ģeometriskajiem izmēriem, temperatūras, gāzes spiediena. Atsevišķa kurināmā elementa EML nodrošina mazāku par 1,16 V. Kurināmā elementu izmērus var palielināt, bet praksē tiek izmantoti vairāki elementi, kas savienoti baterijās (10. att.).

Degvielas šūnu dizains

Apskatīsim degvielas šūnas dizainu, kā piemēru izmantojot PC25 modeli C. Degvielas elementu diagramma ir parādīta attēlā. vienpadsmit.

PC25 modeļa C degvielas šūna sastāv no trim galvenajām daļām: degvielas procesora, faktiskās enerģijas ražošanas sadaļas un sprieguma pārveidotāja.

Galvenā kurināmā elementa daļa – elektroenerģijas ražošanas sekcija – ir akumulators, kas sastāv no 256 atsevišķām degvielas šūnām. Kurināmā elementu elektrodos ir platīna katalizators. Šīs šūnas rada pastāvīgu elektrisko strāvu 1400 ampēri pie 155 voltiem. Akumulatora izmēri ir aptuveni 2,9 m garumā un 0,9 m platumā un augstumā.

Tā kā elektroķīmiskais process notiek 177 °C temperatūrā, palaišanas brīdī ir nepieciešams uzsildīt akumulatoru un darbības laikā no tā noņemt siltumu. Lai to panāktu, degvielas šūnā ir iekļauta atsevišķa ūdens ķēde, un akumulators ir aprīkots ar īpašām dzesēšanas plāksnēm.

Degvielas procesors pārvērš dabasgāzi par ūdeņradi, kas nepieciešams elektroķīmiskai reakcijai. Šo procesu sauc par reformēšanu. Galvenais degvielas procesora elements ir reformators. Reformatorā dabasgāze (vai cita ūdeņradi saturoša degviela) reaģē ar ūdens tvaikiem augstā temperatūrā (900 °C) un augstā spiedienā niķeļa katalizatora klātbūtnē. Šajā gadījumā notiek šādas ķīmiskas reakcijas:

CH 4 (metāns) + H 2 O 3H 2 + CO

(reakcija ir endotermiska, ar siltuma absorbciju);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(reakcija ir eksotermiska, izdalot siltumu).

Kopējo reakciju izsaka ar vienādojumu:

CH 4 (metāns) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(reakcija ir endotermiska, ar siltuma absorbciju).

Lai nodrošinātu augstu temperatūru, kas nepieciešama dabasgāzes konvertēšanai, daļa izlietotās degvielas no kurināmā elementu kaudzes tiek novirzīta uz degli, kas uztur nepieciešamo reformera temperatūru.

Reformēšanai nepieciešamo tvaiku ģenerē no kondensāta, kas rodas degvielas šūnas darbības laikā. Tas izmanto no kurināmā elementu akumulatora izņemto siltumu (12. att.).

Degvielas elementu kaudze rada neregulāru līdzstrāvu, kas ir zemspriegums un augsta strāva. Sprieguma pārveidotājs tiek izmantots, lai to pārveidotu par rūpniecisko standarta maiņstrāvu. Turklāt sprieguma pārveidotāja blokā ir iekļautas dažādas vadības ierīces un drošības bloķēšanas ķēdes, kas ļauj izslēgt degvielas elementu dažādu bojājumu gadījumā.

Šādā kurināmā elementā aptuveni 40% degvielas enerģijas var pārvērst elektroenerģijā. Aptuveni tikpat daudz, aptuveni 40% no kurināmā enerģijas, var pārvērst enerģijā, ko pēc tam izmanto kā siltuma avotu apkurei, karstā ūdens apgādei un tamlīdzīgiem mērķiem. Tādējādi šādas iekārtas kopējā efektivitāte var sasniegt 80%.

Šāda siltuma un elektroenerģijas piegādes avota svarīga priekšrocība ir tā iespēja automātiska darbība. Apkopes veikšanai objekta, kurā ir uzstādīta degvielas šūna, īpašniekiem nav jāuztur īpaši apmācīts personāls - periodisko apkopi var veikt ekspluatējošās organizācijas darbinieki.

Kurināmā elementu veidi

Pašlaik ir zināmi vairāki kurināmā elementu veidi, kas atšķiras pēc izmantotā elektrolīta sastāva. Visizplatītākie ir šādi četri veidi (2. tabula):

1. Kurināmā elementi ar protonu apmaiņas membrānu (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Kurināmā elementi uz ortofosforskābes bāzes (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Kurināmā elementi, kuru pamatā ir izkausēts karbonāts (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Cietā oksīda kurināmā elementi (SOFC). Pašlaik lielākā kurināmā elementu flote ir balstīta uz PAFC tehnoloģiju.

Viena no galvenajām dažāda veida kurināmā elementu īpašībām ir darba temperatūra. Daudzos veidos kurināmā elementu pielietojuma zonu nosaka temperatūra. Piemēram, augsta temperatūra ir kritiska klēpjdatoriem, tāpēc šim tirgus segmentam tiek izstrādātas protonu apmaiņas membrānas degvielas šūnas ar zemu darba temperatūru.

Ēku autonomai elektroapgādei nepieciešami kurināmā elementi ar augstu uzstādīto jaudu, un tajā pašā laikā ir iespēja izmantot siltumenerģiju, tāpēc šiem mērķiem var izmantot cita veida kurināmā elementus.

Protonu apmaiņas membrānas degvielas šūnas (PEMFC)

Šīs degvielas šūnas darbojas salīdzinoši zemā darba temperatūrā (60-160 °C). Tiem ir augsts jaudas blīvums, tie ļauj ātri pielāgot izejas jaudu, un tos var ātri ieslēgt. Šāda veida elementu trūkums ir augstās prasības attiecībā uz degvielas kvalitāti, jo piesārņota degviela var sabojāt membrānu. Šāda veida kurināmā elementu nominālā jauda ir 1-100 kW.

Protonu apmaiņas membrānas degvielas šūnas sākotnēji izstrādāja General Electric 1960. gados NASA vajadzībām. Šāda veida kurināmā elementi izmanto cietvielu polimēru elektrolītu, ko sauc par protonu apmaiņas membrānu (PEM). Protoni var pārvietoties pa protonu apmaiņas membrānu, bet elektroni nevar iziet cauri tai, kā rezultātā rodas potenciāla atšķirība starp katodu un anodu. To vienkāršības un uzticamības dēļ šādas degvielas šūnas tika izmantotas kā enerģijas avots pilotējamā Gemini kosmosa kuģī.

Šāda veida degvielas šūnas tiek izmantotas kā barošanas avots dažādām ierīcēm, tostarp prototipiem un prototipiem, no mobilajiem tālruņiem līdz autobusiem un stacionārām energosistēmām. Zemā darba temperatūra ļauj šādas šūnas izmantot dažāda veida sarežģītu elektronisko ierīču barošanai. To izmantošana ir mazāk efektīva kā siltumenerģijas un elektroenerģijas piegādes avots sabiedriskām un rūpnieciskām ēkām, kur nepieciešami lieli siltumenerģijas apjomi. Tajā pašā laikā šādi elementi ir daudzsološi kā autonoms barošanas avots mazām dzīvojamām ēkām, piemēram, kotedžām, kas celtas reģionos ar karstu klimatu.

Fosforskābes kurināmā elementi (PAFC)

Šāda veida kurināmā elementu pārbaudes tika veiktas jau 70. gadu sākumā. Darba temperatūras diapazons - 150-200 °C. Galvenā pielietojuma joma ir autonomi vidējas jaudas (apmēram 200 kW) siltuma un elektroenerģijas piegādes avoti.

Šajās kurināmā šūnās kā elektrolīts tiek izmantots fosforskābes šķīdums. Elektrodi ir izgatavoti no papīra, kas pārklāts ar oglekli, kurā ir izkliedēts platīna katalizators.

PAFC kurināmā elementu elektriskā efektivitāte ir 37-42%. Taču, tā kā šīs kurināmā šūnas darbojas diezgan augstā temperatūrā, ir iespējams izmantot darbības rezultātā radušos tvaiku. Šajā gadījumā kopējā efektivitāte var sasniegt 80%.

Lai ražotu enerģiju, ūdeņradi saturoša izejviela reformēšanas procesā jāpārvērš par tīru ūdeņradi. Piemēram, ja benzīnu izmanto kā degvielu, ir jānoņem sēru saturoši savienojumi, jo sērs var sabojāt platīna katalizatoru.

PAFC kurināmā elementi bija pirmie komerciālie kurināmā elementi, kas tika izmantoti ekonomiski. Visizplatītākais modelis bija ONSI Corporation (tagad United Technologies, Inc.) ražotā 200 kW PC25 degvielas šūna (13. att.). Piemēram, šie elementi tiek izmantoti kā siltuma un elektriskās enerģijas avots policijas iecirknī Centrālparkā Ņujorkā vai kā papildu enerģijas avots Conde Nast ēkā un Four Times Square. Visvairāk liela instalācijaŠis tips tiek testēts kā 11 MW spēkstacija, kas atrodas Japānā.

Fosforskābes degvielas šūnas tiek izmantotas arī kā enerģijas avots transportlīdzekļos. Piemēram, 1994. gadā H-Power Corp., Džordžtaunas Universitāte un ASV Enerģētikas departaments aprīkoja autobusu ar 50 kW elektrostaciju.

Izkausētās karbonāta kurināmā šūnas (MCFC)

Šāda veida kurināmā elementi darbojas ļoti augstā temperatūrā - 600-700 °C. Šīs darba temperatūras ļauj degvielu izmantot tieši pašā šūnā, neizmantojot atsevišķu reformētāju. Šo procesu sauca par "iekšējo reformu". Tas ļauj ievērojami vienkāršot degvielas šūnas konstrukciju.

Kurināmā elementiem, kuru pamatā ir izkausēts karbonāts, ir nepieciešams ievērojams palaišanas laiks un tie neļauj ātri pielāgot izejas jaudu, tāpēc to galvenā pielietojuma joma ir lieli stacionāri siltuma un elektroenerģijas avoti. Tomēr tiem ir raksturīga augsta degvielas konversijas efektivitāte - 60% elektriskā efektivitāte un līdz 85% kopējā efektivitāte.

Šāda veida kurināmā elementā elektrolīts sastāv no kālija karbonāta un litija karbonāta sāļiem, kas uzkarsēti līdz aptuveni 650 °C. Šādos apstākļos sāļi ir izkausētā stāvoklī, veidojot elektrolītu. Pie anoda ūdeņradis reaģē ar CO 3 joniem, veidojot ūdeni, oglekļa dioksīdu un izdalot elektronus, kas tiek nosūtīti uz ārējo ķēdi, bet katodā skābeklis mijiedarbojas ar oglekļa dioksīdu un elektroniem no ārējās ķēdes, atkal veidojot CO 3 jonus. .

Šāda veida kurināmā elementu laboratorijas paraugus 50. gadu beigās izveidoja holandiešu zinātnieki G. H. J. Broers un J. A. A. Ketelaar. 60. gados ar šīm šūnām strādāja inženieris Frensiss T. Bēkons, slavenā angļu rakstnieka un 17. gadsimta zinātnieka pēctecis, tāpēc MCFC kurināmā elementus dažkārt sauc par Bekona šūnām. NASA Apollo, Apollo-Soyuz un Scylab programmās šīs kurināmā šūnas tika izmantotas kā enerģijas piegādes avots (14. att.). Šajos pašos gados ASV militārais departaments pārbaudīja vairākus Texas Instruments ražoto MCFC degvielas elementu paraugus, kuros kā degvielu izmantoja militāras kvalitātes benzīnu. 70. gadu vidū ASV Enerģētikas departaments sāka pētījumus, lai izveidotu stacionāru kurināmā elementu, kura pamatā ir izkausēts karbonāts, kas piemērots praktisks pielietojums. Deviņdesmitajos gados tika ieviestas vairākas komerciālas iekārtas ar nominālo jaudu līdz 250 kW, piemēram, ASV Jūras spēku gaisa stacijā Miramar Kalifornijā. 1996. gadā FuelCell Energy, Inc. uzsāka pirmsražošanas 2 MW rūpnīcu Santaklārā, Kalifornijā.

Cietvielu oksīda kurināmā elementi (SOFC)

Cietvielu oksīda degvielas šūnas ir vienkāršas konstrukcijas un darbojas ļoti augstā temperatūrā - 700-1000 °C. Šādas augstas temperatūras ļauj izmantot salīdzinoši “netīru”, nerafinētu degvielu. Tās pašas īpašības kā kurināmā elementiem, kuru pamatā ir izkausēts karbonāts, nosaka līdzīgu pielietojuma jomu - lielus stacionārus siltuma un elektroenerģijas avotus.

Cietā oksīda kurināmā elementi strukturāli atšķiras no kurināmā elementiem, kuru pamatā ir PAFC un MCFC tehnoloģijas. Anods, katods un elektrolīts ir izgatavoti no īpašas klases keramikas. Visbiežāk izmantotais elektrolīts ir cirkonija oksīda un kalcija oksīda maisījums, taču var izmantot arī citus oksīdus. Elektrolīts veido kristāla režģi, kas no abām pusēm pārklāts ar porainu elektrodu materiālu. Strukturāli šādi elementi ir izgatavoti cauruļu vai plakanu dēļu veidā, kas ļauj to ražošanā izmantot elektronikas rūpniecībā plaši izmantotās tehnoloģijas. Rezultātā cietvielu oksīda kurināmā elementi var darboties ļoti augstā temperatūrā, padarot tās izdevīgas gan elektroenerģijas, gan siltumenerģijas ražošanai.

Augstā darba temperatūrā pie katoda veidojas skābekļa joni, kas caur kristāla režģi migrē uz anodu, kur mijiedarbojas ar ūdeņraža joniem, veidojot ūdeni un atbrīvojot brīvos elektronus. Šajā gadījumā ūdeņradis tiek atdalīts no dabasgāzes tieši šūnā, t.i., nav nepieciešams atsevišķs reformators.

Teorētiskie pamati cietvielu oksīda kurināmā elementu radīšanai tika likti 20. gadsimta 30. gadu beigās, kad Šveices zinātnieki Emīls Bauers un H. Preiss eksperimentēja ar cirkoniju, itriju, cēriju, lantānu un volframu, izmantojot tos kā elektrolītus.

Pirmos šādu kurināmā elementu prototipus 1950. gadu beigās radīja vairākas Amerikas un Nīderlandes kompānijas. Lielākā daļa šo uzņēmumu drīz vien atteicās no turpmākiem pētījumiem tehnoloģisku grūtību dēļ, bet viens no tiem, Westinghouse Electric Corp. (tagad Siemens Westinghouse Power Corporation), turpināja darbu. Uzņēmums pašlaik pieņem priekšpasūtījumus komerciālam cauruļveida cietvielu oksīda kurināmā elementam, kas būs pieejams šogad (15. attēls). Šādu elementu tirgus segments ir stacionāras iekārtas siltumenerģijas un elektroenerģijas ražošanai ar jaudu no 250 kW līdz 5 MW.

SOFC kurināmā elementi ir pierādījuši ļoti augstu uzticamību. Piemēram, Siemens Westinghouse ražotais kurināmā elementa prototips ir sasniedzis 16 600 darba stundas un turpina darboties, padarot to par ilgāko nepārtraukto degvielas elementu kalpošanas laiku pasaulē.

SOFC kurināmā elementu augstas temperatūras un augsta spiediena darbības režīms ļauj izveidot hibrīda iekārtas, kurās kurināmā elementu emisijas darbina gāzes turbīnas, ko izmanto elektroenerģijas ražošanai. Pirmā šāda hibrīdinstalācija darbojas Ērvinā, Kalifornijā. Šīs iekārtas nominālā jauda ir 220 kW, no kuriem 200 kW no kurināmā elementa un 20 kW no mikroturbīnas ģeneratora.