Spirta degvielas šūna, kas izgatavota no metāllūžņiem. Degvielas šūnu iekārtas. DIY degvielas šūna mājās. Degvielas šūnas tiek izmantotas arī civilajā sektorā

Sagatavojiet visu nepieciešamo. Lai izgatavotu vienkāršu kurināmā elementu, jums būs nepieciešams 12 collas platīna vai platīna pārklājuma stieples, stienis, 9 voltu akumulators un akumulatora turētājs, caurspīdīga lente, glāze ūdens, galda sāls (pēc izvēles), plāns metāls. stienis un voltmetrs.

  • 9 voltu akumulatoru un akumulatora turētāju var iegādāties elektronikas vai datortehnikas veikalā.

Izgrieziet divus 15 centimetrus garus gabalus no platīna vai ar platīnu pārklātas stieples. Platīna stieple tiek izmantota īpašiem mērķiem, un to var iegādāties elektronikas veikalā. Tas kalpos kā reakcijas katalizators.

  • Aptiniet stieples gabalus ap plānu metāla stieni, lai izveidotu atsperu formu. Tie būs degvielas šūnas elektrodi. Satveriet stieples galu un cieši aptiniet to ap stieni, lai izveidotu spoles atsperi. Noņemiet pirmo stiepli no stieņa un uztiniet otro stieples gabalu.

    • Kā stieni stieples uztīšanai varat izmantot naglu, stieples pakaramo vai testera zondi.

  • Pārgrieziet akumulatora turētāja vadus uz pusēm. Paņemiet stiepļu griezējus, pārgrieziet abus turētājā piestiprinātos vadus uz pusēm un noņemiet no tiem izolāciju. Jūs pievienosiet šos tukšos vadus pie elektrodiem.

    • Izmantojot atbilstošo stiepļu griezēju daļu, noņemiet izolāciju no stieples galiem. Noņemiet izolāciju no vadu galiem, kurus izgriezāt no akumulatora turētāja.
    • Pārgrieziet vadu pieaugušo uzraudzībā.

  • Pievienojiet elektrodiem vadu galus, no kuriem noņemta izolācija. Pievienojiet vadus elektrodiem, lai pēc tam varētu pievienot strāvas avotu (akumulatora turētāju) un voltmetru, lai noteiktu, cik lielu spriegumu rada degvielas šūna.

    • Pagrieziet sarkano akumulatora turētāja vadu un nogriezto sarkano vadu ap vienas stieples spoles augšējo galu, atstājot lielāko daļu brīvu.
    • Aptiniet otrās spoles augšējo galu ar melno akumulatora turētāja vadu un nogriezto melno vadu.

  • Pievienojiet elektrodus pie spieķa kociņa vai koka stieņa. Pūšļa nūjiņai jābūt garākai par ūdens glāzes kakliņu, lai tā varētu atrasties virs tās. Līmējiet elektrodus tā, lai tie karātos no kociņa un iekristu ūdenī.

    • Varat izmantot caurspīdīgu lenti vai elektrisko lenti. Galvenais, lai elektrodi būtu droši piestiprināti pie nūjas.

  • Ielejiet glāzē krāna vai sālsūdeni. Lai reakcija notiktu, ūdenim jāsatur elektrolīti. Destilēts ūdens tam nav piemērots, jo tas nesatur piemaisījumus, kas var kalpot kā elektrolīti. Lai ķīmiskā reakcija noritētu normāli, sāli vai cepamo sodu var izšķīdināt ūdenī.

    • Parastā krāna ūdens satur arī minerālu piemaisījumus, tāpēc to var izmantot kā elektrolītu, ja pie rokas nav sāls.
    • Pievienojiet sāli vai cepamo sodu ar ātrumu viena ēdamkarote (20 grami) uz glāzi ūdens. Maisiet ūdeni, līdz sāls vai cepamā soda ir pilnībā izšķīdis.

  • Novietojiet kociņu ar elektrodiem uz ūdens glāzes kakliņa.Šajā gadījumā elektrodus stiepļu atsperu veidā vajadzētu iegremdēt zem ūdens lielāko daļu to garuma, izņemot kontaktus ar akumulatora turētāja vadiem. Tikai platīna stieplei jābūt zem ūdens.

    • Ja nepieciešams, nostipriniet nūju ar lenti, lai elektrodi paliktu ūdenī.

  • Pievienojiet vadus, kas nāk no elektrodiem, ar voltmetru vai LED spuldzi. Izmantojot voltmetru, varat noteikt aktivētās degvielas šūnas radīto spriegumu. Savienojiet sarkano vadu ar voltmetra pozitīvo spaili un melno vadu ar negatīvo spaili.

    • Šajā posmā voltmetrs var parādīt nelielu vērtību, piemēram, 0,01 voltu, lai gan spriegumam pāri tam jābūt nullei.
    • Varat arī pievienot nelielu spuldzīti, piemēram, lukturīti vai LED.

    • Ūdeņraža kurināmā elementi kurināmā ķīmisko enerģiju pārvērš elektroenerģijā, apejot neefektīvos sadegšanas un siltumenerģijas pārvēršanas mehāniskajā enerģijā procesus, kas saistīti ar lieliem zudumiem. Ūdeņraža degvielas šūna ir elektroķīmiski Ierīce tieši ģenerē elektroenerģiju ļoti efektīvas “aukstās” degvielas sadegšanas rezultātā. Ūdeņraža-gaisa protonu apmaiņas membrānas degvielas šūna (PEMFC) ir viena no daudzsološākajām kurināmā elementu tehnoloģijām.

    Pirms astoņiem gadiem Rietumeiropā tika atklāti seši šķidrās dīzeļdegvielas sūkņi; tiem jābūt divsimt pirms beigām. Mēs esam ļoti tālu no tūkstošiem ātrās uzlādes termināļu, kas tiek izveidoti visur, lai veicinātu elektriskās piedziņas izplatību. Un tur sāp berze. Un mēs labāk paziņosim par grafēnu.

    Baterijām nav bijis pēdējais vārds

    Tas ir vairāk nekā autonomija, tāpēc uzlādes laika ierobežošana palēnina EV ieviešanu. Tomēr viņš šomēnes piezīmē saviem klientiem atgādināja, ka akumulatoriem ir ierobežojumi, kas attiecas tikai uz šāda veida zondēm ar ļoti augstu spriegumu. Tomasam Brahmanam paziņos, ka vēl ir jāizbūvē ūdeņraža sadales tīkls. Arguments ir tāds, ka viņš slauka roku, atgādinot, ka arī ātrās uzlādes termināļu pavairošana ir ļoti dārga, jo augstsprieguma vara kabeļi ir lielā šķērsgriezumā. "Ir vienkāršāk un lētāk transportēt sašķidrinātu ūdeņradi ar kravas automašīnu no ieraktām tvertnēm netālu no ražošanas vietām."

    Protonu vadoša polimēra membrāna atdala divus elektrodus, anodu un katodu. Katrs elektrods ir oglekļa plāksne (matrica), kas pārklāta ar katalizatoru. Pie anoda katalizatora molekulārais ūdeņradis disociējas un atsakās no elektroniem. Ūdeņraža katjoni tiek novadīti caur membrānu uz katodu, bet elektroni tiek ievadīti ārējā ķēdē, jo membrāna neļauj elektroniem iziet cauri.

    Ūdeņradis vēl nav tīrs elektrības vektors

    Runājot par paša akumulatora izmaksām, kas ir ļoti sensitīva informācija, Thomas Brachmann nešaubās, ka, palielinoties efektivitātei, tās var ievērojami samazināties. "Platīns ir elements, kas maksā vairāk." Diemžēl gandrīz viss ūdeņradis nāk no fosilajiem enerģijas avotiem. Turklāt diūdeņradis ir tikai enerģijas vektors, nevis avots, no kura nenozīmīga daļa tiek patērēta tā ražošanas, sašķidrināšanas un pēc tam pārvēršanas elektroenerģijā laikā.

    Katoda katalizatorā skābekļa molekula savienojas ar elektronu (kas tiek piegādāts no elektriskās ķēdes) un ienākošo protonu un veido ūdeni, kas ir vienīgais reakcijas produkts (tvaiku un/vai šķidruma veidā).

    Membrānas-elektrodu bloki, kas ir galvenais enerģijas sistēmas ģenerējošais elements, ir izgatavoti no ūdeņraža kurināmā elementiem.

    Nākotnes automašīna uzvedas kā īsta

    Akumulatora bilance ir aptuveni trīs reizes lielāka, neskatoties uz zaudējumiem, kas radušies vadītāju karstuma dēļ. Diemžēl brīnummašīna uz mūsu ceļiem nebrauks, izņemot publisku demonstrāciju ietvaros. Brahmans, kurš atgādina, ka elektromobiļa dabiskais klusums vairo iespaidu par dzīvi trokšņainā pasaulē. Neskatoties uz visām grūtībām, stūres un bremžu pedālis nodrošina dabisku konsistenci.

    Miniatūra baterija, bet uzlabota veiktspēja

    Sīkrīks ir redzams, centrālais ekrāns izkliedē labajā spogulī novietotās kameras attēlus, tiklīdz tiek aktivizēts pagrieziena rādītājs. Lielākā daļa mūsu amerikāņu klientu vairs neprasa, un tas ļauj mums noturēt cenas uz leju - attaisno galvenais inženieris, kurš piedāvā zemāku tarifu nekā. Patiesībā ir vērts runāt par degvielas elementu kaudzi, jo ir 358, kas darbojas kopā. Galvenais rezervuārs, kura tilpums ir 117 litri, ir piespiests pret sola aizmugurējo sienu, neļaujot to nolocīt, bet otrais - 24 litru tilpums ir paslēpts zem sēdekļa.

    Ūdeņraža kurināmā elementu priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajiem risinājumiem:

    - paaugstināta īpatnējā enerģijas intensitāte (500 ÷ 1000 Wh/kg),

    - paplašināts darba temperatūras diapazons (-40 0 C / + 40 0 ​​C),

    - karstuma plankumu, trokšņu un vibrācijas trūkums,

    - uzticamība aukstā palaišanā,

    - praktiski neierobežots enerģijas uzkrāšanas periods (bez pašizlādes),

    Pirmā divtaktu degvielas šūna

    Neskatoties uz tā kompakto izmēru, šī jaunā degvielas šūna pārvērš diūdeņradi elektriskajā strāvā ātrāk un labāk nekā tā priekšgājējs. Tas piegādā skābekli pāļu elementiem tādā ātrumā, kas iepriekš tika uzskatīts par nesaderīgu ar to izturību. Ūdens pārpalikumu, kas iepriekš ierobežoja plūsmas ātrumu, vislabāk var iztukšot. Rezultātā jauda uz vienu elementu palielinās uz pusi, un efektivitāte sasniedz 60%.

    Tas ir saistīts ar 1,7 kWh litija jonu akumulatora klātbūtni, kas atrodas zem priekšējiem sēdekļiem, kas ļauj piegādāt papildu strāvu pie spēcīga paātrinājuma. Vai arī prognozētā autonomija ir 460 km, kas ideālā gadījumā atbilst ražotāja apgalvojumiem.

    - iespēja mainīt sistēmas enerģijas intensitāti, mainot degvielas kasetņu skaitu, kas nodrošina gandrīz neierobežotu autonomiju,

    Iespēja nodrošināt gandrīz jebkuru saprātīgu sistēmas enerģijas intensitāti, mainot ūdeņraža uzglabāšanas jaudu,

    - augsta enerģijas intensitāte,

    - tolerance pret ūdeņraža piemaisījumiem,

    Bet tūkstoš detaļu atvieglo gaisa plūsmu un optimizē dzesēšanu. Šis elektromobilis pat vairāk nekā tā priekšgājējs parāda, ka degvielas šūna atrodas priekšā un centrā. Liels izaicinājums nozarei un mūsu vadītājiem. Tikmēr ir ļoti gudrs, kurš zinās, kura degvielas šūna vai akumulators gūs virsroku.

    Kurināmā šūna ir elektroķīmiskas enerģijas pārveidošanas ierīce, kas var ražot elektroenerģiju līdzstrāvas veidā, ķīmiskā reakcijā apvienojot degvielu un oksidētāju, lai iegūtu atkritumu produktu, parasti degvielas oksīdu.

    - ilgs kalpošanas laiks,

    - videi draudzīgums un klusa darbība.

    Barošanas sistēmas, kuru pamatā ir ūdeņraža degvielas elementi bezpilota lidaparātiem:

    Kurināmā elementu uzstādīšana uz bezpilota transportlīdzekļi tradicionālo bateriju vietā tas reizina lidojuma ilgumu, svaru kravnesība, ļauj palielināt lidmašīnas uzticamību, paplašināt UAV palaišanas un darbības temperatūras diapazonu, samazinot robežu līdz -40 0C. Salīdzinājumā ar iekšdedzes dzinējiem uz degvielas šūnām balstītas sistēmas ir klusas, bez vibrācijām, darbojas zemā temperatūrā, ir grūti pamanāmas lidojuma laikā, nerada kaitīgus izmešus un spēj efektīvi veikt uzdevumus no videonovērošanas līdz kravas piegādei.

    Katrai kurināmā elementam ir divi elektrodi, viens pozitīvs un otrs negatīvs, un reakcija, kas rada elektrību, notiek pie elektrodiem elektrolīta klātbūtnē, kas pārnes lādētas daļiņas no elektroda uz elektrodu, bet elektroni cirkulē ārējos vados, kas atrodas starp elektrodiem. lai radītu elektrību.

    Kurināmā šūna var nepārtraukti ražot elektroenerģiju, kamēr tiek uzturēta nepieciešamā degvielas un oksidētāja plūsma. Daži kurināmā elementi saražo tikai dažus vatus, savukārt citi var saražot vairākus simtus kilovatu, savukārt mazākas baterijas, visticamāk, ir atrodamas klēpjdatoros un mobilajos tālruņos, taču kurināmā elementi ir pārāk dārgi, lai kļūtu par maziem ģeneratoriem, ko izmanto elektroenerģijas ražošanai mājām un uzņēmumiem.

    UAV barošanas sistēmas sastāvs:

    Kurināmā elementu ekonomiskie izmēri

    Ūdeņraža kā degvielas avota izmantošana rada ievērojamas izmaksas. Šī iemesla dēļ ūdeņradis tagad ir neekonomisks avots, jo īpaši tāpēc, ka var izmantot citus lētākus avotus. Ūdeņraža ražošanas izmaksas var atšķirties, jo tās atspoguļo to resursu izmaksas, no kuriem tas tiek iegūts.

    Akumulatora degvielas avoti

    Kurināmā elementi parasti tiek klasificēti šādās kategorijās: ūdeņraža kurināmā elementi, organiskā kurināmā elementi, metāla kurināmā elementi un redoksakumulatori. Ja ūdeņradi izmanto kā degvielas avotu, ķīmiskā enerģija tiek pārvērsta elektroenerģijā reversās hidrolīzes procesā, lai radītu tikai ūdeni un siltumu kā atkritumus. Ūdeņraža kurināmā elementu skaits ir ļoti zems, bet ūdeņraža ražošanā var būt vairāk vai mazāk augsts, it īpaši, ja to ražo no fosilā kurināmā.

    • - degvielas šūnu akumulators,
    • - Li-Po bufera akumulators, lai segtu īslaicīgas maksimālās slodzes,
    • - elektroniski kontroles sistēma ,
    • - degvielas sistēma, kas sastāv no cilindra ar saspiestu ūdeņradi vai cietu ūdeņraža avotu.

    Degvielas sistēmā tiek izmantoti augstas stiprības vieglie cilindri un reduktori, lai nodrošinātu maksimālu saspiestā ūdeņraža padevi uz kuģa. Atļauts izmantot dažāda izmēra balonus (no 0,5 līdz 25 litriem) ar reduktoriem, kas nodrošina nepieciešamo ūdeņraža patēriņu.

    Ūdeņraža baterijas ir iedalītas divās kategorijās: zemas temperatūras akumulatori un augstas temperatūras akumulatori, kur augstas temperatūras akumulatori var arī tieši izmantot fosilo kurināmo. Pēdējie sastāv no ogļūdeņražiem, piemēram, eļļas vai benzīna, spirta vai biomasas.

    Citi degvielas avoti akumulatoros ir, bet ne tikai, spirti, cinks, alumīnijs, magnijs, jonu šķīdumi un daudzi ogļūdeņraži. Pie citiem oksidētājiem pieder, bet ne tikai, gaiss, hlors un hlora dioksīds. Pašlaik ir vairāki kurināmā elementu veidi.

    UAV barošanas sistēmas raksturojums:

    Pārnēsājami lādētāji, kuru pamatā ir ūdeņraža kurināmā elementi:

    Portatīvie lādētāji, kuru pamatā ir ūdeņraža kurināmā elementi, ir kompaktas ierīces, kas pēc svara un izmēriem ir salīdzināmas ar esošajiem, pasaulē aktīvi izmantotajiem akumulatoru lādētājiem.

    Mūsdienu pasaulē visuresošās pārnēsājamās tehnoloģijas ir regulāri jāuzlādē. Tradicionālās pārnēsājamās sistēmas zemās temperatūrās ir praktiski bezjēdzīgas, un pēc savas funkcijas veikšanas tām nepieciešama arī uzlāde, izmantojot (elektriskos tīklus), kas arī samazina to efektivitāti un ierīces autonomiju.

    Katra diūdeņraža molekula iegūst 2 elektronus. H jons pārvietojas no anoda uz katodu un, pārnesot elektronu, izraisa elektrisko strāvu. Kā varētu izskatīties degvielas šūnas lidmašīnām? Šodien lidmašīnām tiek veikti testi, lai mēģinātu ar tiem lidot, izmantojot litija jonu hibrīda degvielas elementu akumulatoru. Degvielas elementa patiesā priekšrocība ir tās zemā svara integritāte: tā ir vieglāka, kas palīdz samazināt lidmašīnas svaru un līdz ar to arī degvielas patēriņu.

    Taču pagaidām lidot ar degvielas šūnu lidmašīnu nav iespējams, jo tai joprojām ir daudz trūkumu. Kurināmā elementa attēls. Kādi ir degvielas elementa trūkumi? Pirmkārt, ja ūdeņradis būtu izplatīts, tā izmantošana lielos daudzumos būtu problemātiska. Patiešām, tas ir pieejams ne tikai uz Zemes. Tas ir atrodams skābekli saturošā ūdenī un amonjakā. Tāpēc, lai to iegūtu, ir nepieciešams elektrolizēt ūdeni, un šī metode vēl nav plaši izplatīta.

    Ūdeņraža degvielas šūnu sistēmām nepieciešama tikai kompaktas degvielas kasetnes nomaiņa, pēc kuras ierīce ir nekavējoties gatava lietošanai.

    Pārnēsājamo lādētāju īpašības:

    Nepārtrauktās barošanas avoti, kuru pamatā ir ūdeņraža kurināmā elementi:

    Garantētās barošanas sistēmas, kuru pamatā ir ūdeņraža kurināmā elementi, ir paredzētas rezerves barošanas un pagaidu barošanas organizēšanai. Garantētās barošanas sistēmas, kuru pamatā ir ūdeņraža kurināmā elementi, piedāvā būtiskas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajiem risinājumiem pagaidu un rezerves barošanas organizēšanai, izmantojot baterijas un dīzeļģeneratorus.

    Ūdeņradis ir gāze, kas apgrūtina to saturēšanu un transportēšanu. Vēl viens risks, kas saistīts ar ūdeņraža lietošanu, ir sprādziena risks, jo tā ir uzliesmojoša gāze. tam, kas nodrošina akumulatoru tā ražošanai plašā mērogā, ir nepieciešams cits enerģijas avots, vai tā būtu nafta, gāze vai ogles, vai kodolenerģija, kas padara tā vides līdzsvaru ievērojami sliktāku nekā petroleja un padara kaudzi, platīnu, par metālu, kas ir vēl retāks. un dārgāks par zeltu.

    Degvielas šūna nodrošina enerģiju, oksidējot degvielu pie anoda un samazinot oksidētāju pie katoda. Kurināmā elementa principa atklāšana un pirmās ieviešanas laboratorijā, izmantojot sērskābi kā elektrolītu, ir ķīmiķim Viljamam Grovam.


    Nepārtrauktās barošanas sistēmas raksturojums:

    Degvielas šūna ir elektroķīmiska ierīce, kas līdzīga galvaniskajam elementam, taču atšķiras no tās ar to, ka vielas elektroķīmiskajai reakcijai tai tiek piegādātas no ārpuses - atšķirībā no ierobežotā enerģijas daudzuma, kas tiek uzkrāts galvaniskajā elementā vai akumulatorā.

    Patiešām, kurināmā elementiem ir dažas priekšrocības: tie, kas izmanto diūdeņradi un dioksīdu, izdala tikai ūdens tvaikus, tāpēc tā ir tīra tehnoloģija. Ir vairāki kurināmā elementu veidi atkarībā no elektrolīta veida, degvielas veida, tiešās vai netiešās oksidācijas un darba temperatūras.

    Nākamajā tabulā ir apkopotas šo dažādo ierīču galvenās īpašības. Vairākas Eiropas programmas meklē citus polimērus, piemēram, polibenzimidazola atvasinājumus, kas ir stabilāki un lētāki. Akumulatora kompaktums ir arī pastāvīgs izaicinājums ar membrānām, kuru izmērs ir 15–50 mikroni, porainiem oglekļa anodiem un nerūsējošā tērauda bipolārām plāksnēm. Paredzamo dzīves ilgumu var arī palielināt, jo, no vienas puses, oglekļa monoksīda pēdas aptuveni dažu ppm ūdeņražā ir reālas indes katalizatoram, un, no otras puses, ūdens kontrole polimērā ir obligāta.



    Rīsi. 1. Dažas degvielas šūnas


    Kurināmā elementi pārvērš degvielas ķīmisko enerģiju elektroenerģijā, apejot neefektīvus sadegšanas procesus, kas notiek ar lieliem zudumiem. Viņi ķīmiskās reakcijas ceļā pārvērš ūdeņradi un skābekli elektroenerģijā. Šī procesa rezultātā veidojas ūdens un izdalās liels daudzums siltuma. Degvielas šūna ir ļoti līdzīga akumulatoram, kuru var uzlādēt un pēc tam izmantot uzkrāto elektroenerģiju. Par kurināmā elementa izgudrotāju tiek uzskatīts Viljams R. Grove, kurš to izgudroja tālajā 1839. gadā. Šajā degvielas šūnā kā elektrolītu izmantoja sērskābes šķīdumu un kā degvielu ūdeņradi, kas tika apvienots ar skābekli oksidētājā. Vēl nesen degvielas šūnas tika izmantotas tikai laboratorijās un kosmosa kuģos.





    Atšķirībā no citiem enerģijas ģeneratoriem, piemēram, iekšdedzes dzinējiem vai turbīnām, ko darbina gāze, ogles, mazuts utt., kurināmā elementi nededzina degvielu. Tas nozīmē, ka nav trokšņainu augstspiediena rotoru, nav skaļa izplūdes trokšņa, nav vibrāciju. Kurināmā elementi ražo elektroenerģiju, izmantojot klusu elektroķīmisku reakciju. Vēl viena kurināmā 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. Vienīgās emisijas no kurināmā elementiem ir ūdens tvaika veidā un neliels daudzums oglekļa dioksīda, kas vispār neizdalās, ja par degvielu izmanto tīru ūdeņradi. Degvielas šūnas tiek montētas mezglos un pēc tam atsevišķos funkcionālajos moduļos.


    Degvielas šūnām nav kustīgu daļu (vismaz ne pašā šūnā), un tāpēc tās neievēro Kārno likumu. Tas nozīmē, ka to efektivitāte būs lielāka par 50%, un tie ir īpaši efektīvi zemās slodzēs. Tādējādi degvielas šūnu transportlīdzekļi var kļūt (un jau ir pierādījuši, ka tie ir) degvielas patēriņa ziņā efektīvāki nekā parastie transportlīdzekļi reālos braukšanas apstākļos.


    Degvielas šūna ražo elektrisko strāvu Līdzstrāvas spriegums, ko var izmantot, lai vadītu elektromotoru, apgaismojumu un citas elektriskās sistēmas transportlīdzeklī.


    Ir vairāki kurināmā elementu veidi, kas atšķiras ar izmantotajiem ķīmiskajiem procesiem. Kurināmā elementus parasti klasificē pēc izmantotā elektrolīta veida.


    Daži kurināmā elementu veidi ir daudzsološi spēkstaciju piedziņai, savukārt citi ir daudzsološi portatīvām ierīcēm vai automašīnu vadīšanai.

    1. Sārma kurināmā elementi (ALFC)

    Sārma degvielas šūna- Šis ir viens no pašiem pirmajiem elementiem, kas tika izstrādāti. Sārma kurināmā elementi (AFC) ir viena no visvairāk pētītajām tehnoloģijām, ko NASA izmanto kopš divdesmitā gadsimta 60. gadu vidus programmās Apollo un Space Shuttle. Uz šiem kosmosa kuģiem kurināmā elementi ražo elektroenerģiju un dzeramo ūdeni.





    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, veidojot 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: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e


    Reakcija pie katoda: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH


    Sistēmas vispārējā reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O


    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. Turklāt SHTE darbojas salīdzinoši zemā temperatūrā un ir vieni no efektīvākajiem.


    Viena no SHTE raksturīgajām iezīmēm ir tā augstā jutība pret CO2, ko var saturēt degviela vai gaiss. CO2 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; tie darbojas ar tīru ūdeņradi un skābekli.

    2. Izkausētas karbonāta degvielas šūnas (MCFC)

    Kurināmā elementi ar izkausētu karbonāta elektrolītu ir augstas temperatūras kurināmā elementi. Augstā darba temperatūra ļauj tieši izmantot dabasgāzi bez kurināmā procesora un zemas siltumspējas deggāzi no rūpnieciskiem procesiem un citiem avotiem. Šis process tika izstrādāts divdesmitā gadsimta 60. gadu vidū. Kopš tā laika ražošanas tehnoloģija, veiktspēja un uzticamība ir uzlabota.





    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 (CO32-) 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: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e


    Reakcija pie katoda: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-


    Elementa vispārējā reakcija: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katods) => H2O(g) + CO2(anods)


    Izkausētu karbonāta elektrolītu kurināmā elementu augstajai darba temperatūrai ir noteiktas priekšrocības. Priekšrocība ir iespēja izmantot standarta materiālus (nerūsējošā tērauda loksnes un niķeļa katalizatoru uz elektrodiem). Atkritumu siltumu var izmantot augstspiediena tvaika ražošanai. Augstai reakcijas temperatūrai elektrolītā ir arī savas priekšrocības. Augstas temperatūras izmantošana prasa ilgu 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 novērš degvielas elementa bojājumus ar oglekļa monoksīdu, “saindēšanos” utt.


    Kurināmā elementi ar izkausētu karbonāta elektrolītu ir piemēroti izmantošanai lielās stacionārās iekārtās. Komerciāli tiek ražotas termoelektrostacijas ar elektrisko izejas jaudu 2,8 MW. Tiek izstrādātas iekārtas ar izejas jaudu līdz 100 MW.

    3. Fosforskābes kurināmā elementi (PAFC)

    Kurināmā elementi uz fosforskābes (ortofosforskābes) bāzes kļuva par pirmajām degvielas šūnām komerciālai lietošanai. Šis process tika izstrādāts divdesmitā gadsimta 60. gadu vidū, testi tiek veikti kopš divdesmitā gadsimta 70. gadiem. Rezultātā tika palielināta stabilitāte un veiktspēja un samazinātas izmaksas.





    Fosforskābes (ortofosforskābes) kurināmā elementi izmanto elektrolītu uz ortofosforskābes (H3PO4) bāzes koncentrācijās līdz 100%. Fosforskābes jonu vadītspēja zemā temperatūrā 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 protonu apmaiņas membrānas kurināmā elementos (PEMFC), 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: 2H2 => 4H+ + 4e


    Reakcija pie katoda: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O


    Elementa vispārējā reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O


    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. Vienkāršs dizains, zema elektrolīta nepastāvības pakāpe un paaugstināta stabilitāte arī ir šādu kurināmā elementu priekšrocības.


    Komerciāli tiek ražotas termoelektrostacijas ar elektrisko izejas jaudu līdz 400 kW. Iekārtas ar jaudu 11 MW ir izturējušas atbilstošus testus. Tiek izstrādātas iekārtas ar izejas jaudu līdz 100 MW.

    4. Protonu apmaiņas membrānas degvielas šūnas (PEMFC)

    Protonu apmaiņas membrānas degvielas šūnas tiek uzskatīti par labāko kurināmā elementu veidu transportlīdzekļu enerģijas ražošanai, kas var aizstāt benzīna un dīzeļa iekšdedzes dzinējus. Šīs degvielas šūnas pirmo reizi izmantoja NASA Gemini programmai. Ir izstrādātas un demonstrētas iekārtas, kuru pamatā ir MOPFC ar jaudu no 1 W līdz 2 kW.





    Elektrolīts šajos kurināmā elementos ir cieta polimēra membrāna (plāna plastmasas plēve). Kad šis polimērs ir piesātināts ar ūdeni, tas ļauj protoniem iziet cauri, bet nevada elektronus.


    Degviela ir ūdeņradis, un lādiņa nesējs ir ūdeņraža jons (protons). Pie anoda ūdeņraža molekula tiek sadalīta ūdeņraža jonos (protonos) un elektronos. Ūdeņraža joni nokļūst caur elektrolītu uz katodu, un elektroni pārvietojas pa ārējo apli un ražo elektrisko enerģiju. Skābeklis, kas tiek ņemts no gaisa, tiek piegādāts katodam un savienojas ar elektroniem un ūdeņraža joniem, veidojot ūdeni. Pie elektrodiem notiek šādas reakcijas: Reakcija pie anoda: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e Reakcija pie katoda: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Kopējā šūnas reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O Salīdzinot ar citiem veidiem kurināmā elementi, kurināmā elementi ar protonu apmaiņas membrānu ražo vairāk enerģijas noteiktam kurināmā elementa tilpumam vai svaram. Šī funkcija ļauj tiem būt kompaktiem un viegliem. Turklāt darba temperatūra ir mazāka par 100°C, kas ļauj ātri uzsākt darbību. Šīs īpašības, kā arī spēja ātri mainīt enerģijas izvadi ir tikai daži no tiem, kas padara šīs degvielas šūnas par galveno kandidātu izmantošanai transportlīdzekļos.


    Vēl viena priekšrocība ir tā, ka elektrolīts ir ciets, nevis šķidrs. Izmantojot cieto elektrolītu, ir vieglāk noturēt gāzes pie katoda un anoda, tāpēc šādu kurināmā elementu ražošana ir lētāka. Izmantojot cieto elektrolītu, nav orientācijas problēmu un mazāk korozijas problēmu, palielinot šūnas un tās sastāvdaļu ilgmūžību.



    5. Cietā oksīda kurināmā elementi (SOFC)

    Cietā oksīda degvielas šūnas ir augstākās darba temperatūras kurināmā elementi. 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. Cietā oksīda kurināmā elementu izmantošanas tehnoloģija ir attīstīta kopš divdesmitā gadsimta 50. gadu beigām, un tai ir divas konfigurācijas: plakana un cauruļveida.


    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 (O2-). Katodā skābekļa molekulas no gaisa tiek sadalītas skābekļa jonos un četros elektronos. Skābekļa joni iziet cauri elektrolītam un savienojas ar ūdeņradi, radot četrus brīvus elektronus. Elektroni tiek nosūtīti caur ārēju elektrisko ķēdi, radot elektrisko strāvu un atkritumu siltumu.





    Reakcija pie anoda: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e


    Reakcija pie katoda: O2 + 4e- => 2O2-


    Elementa vispārējā reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O


    Elektroenerģijas ražošanas efektivitāte ir visaugstākā no visiem kurināmā elementiem - aptuveni 60%. Turklāt augstā 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 70%.


    Cietā oksīda kurināmā elementi darbojas ļoti augstā temperatūrā (600°C-1000°C), kā rezultātā ir vajadzīgs ievērojams laiks, lai sasniegtu optimālos darbības apstākļus, 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.

    6. Tiešās metanola oksidācijas kurināmā elementi (DOMFC)

    Tiešās metanola oksidācijas kurināmā elementi Tos veiksmīgi izmanto mobilo tālruņu, klēpjdatoru barošanas jomā, kā arī portatīvo barošanas avotu radīšanā, uz ko ir vērsta šādu elementu izmantošana nākotnē.


    Kurināmā elementu konstrukcija ar tiešu metanola oksidēšanu ir līdzīga kurināmā elementu konstrukcijai ar protonu apmaiņas membrānu (MEPFC), t.i. Polimēru izmanto kā elektrolītu, un ūdeņraža jonu (protonu) izmanto kā lādiņa nesēju. Bet šķidrais metanols (CH3OH) oksidējas ūdens klātbūtnē pie anoda, izdalot CO2, 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: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e Reakcija pie katoda: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Vispārējā elementa reakcija: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Tāda attīstība kurināmā elementi tiek veikti kopš 20. gadsimta 90. gadu sākuma un to īpatnējā jauda un efektivitāte tika palielināta līdz 40%.


    Šie elementi tika pārbaudīti temperatūras diapazonā no 50-120°C. Tā kā šādas degvielas šūnas ir zemas darba temperatūras un nav nepieciešams pārveidotājs, tās ir galvenais kandidāts izmantošanai mobilajos tālruņos un citos patēriņa produktos, kā arī automašīnu dzinējos. To priekšrocība ir arī mazais izmērs.

    7. Polimēru elektrolītu degvielas šūnas (PEFC)



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

    8. Cietās skābes kurināmā elementi (SFC)



    Cietās skābes kurināmā elementos elektrolīts (CsHSO4) nesatur ūdeni. Tāpēc darba temperatūra ir 100-300°C. SO42 oksianjonu 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.



    9. Kurināmā elementu svarīgāko raksturlielumu salīdzinājums

    Kurināmā elementu raksturojums

    Degvielas šūnas tips

    Darbības temperatūra

    Enerģijas ražošanas efektivitāte

    Degvielas veids

    Piemērošanas joma

    Vidējas un lielas instalācijas

    Tīrs ūdeņradis

    instalācijas

    Tīrs ūdeņradis

    Mazas instalācijas

    Lielākā daļa ogļūdeņražu degvielas

    Mazas, vidējas un lielas instalācijas

    Pārnēsājams

    instalācijas

    Tīrs ūdeņradis

    Kosmoss

    pētīta

    Tīrs ūdeņradis

    Mazas instalācijas


    10. Kurināmā elementu izmantošana automašīnās





    Zināšanu ekoloģija. Zinātne un tehnoloģijas. Mobilā elektronika katru gadu uzlabojas, kļūst arvien izplatītāka un pieejamāka: plaukstdatori, klēpjdatori, mobilās un digitālās ierīces, foto rāmji utt. Tie visi tiek pastāvīgi papildināti

    DIY degvielas šūna mājās

    Mobilā elektronika ar katru gadu pilnveidojas, kļūst arvien izplatītāka un pieejamāka: plaukstdatori, klēpjdatori, mobilās un digitālās ierīces, foto rāmji utt. Tie visi tiek pastāvīgi atjaunināti ar jaunām funkcijām, lielākiem monitoriem, bezvadu sakariem, spēcīgākiem procesoriem, vienlaikus samazinot izmērus. . Enerģijas tehnoloģijas, atšķirībā no pusvadītāju tehnoloģijas, neattīstās lēcieniem un robežām.

    Esošās baterijas un akumulatori, lai darbinātu nozares sasniegumus, kļūst nepietiekami, tāpēc jautājums par alternatīviem avotiem ir ļoti aktuāls. Degvielas šūnas ir visdaudzsološākā joma. To darbības principu tālajā 1839. gadā atklāja Viljams Grovs, kurš ģenerēja elektrību, mainot ūdens elektrolīzi.

    Kas ir degvielas šūnas?

    Video: dokumentālā filma, kurināmā elementi transportam: pagātne, tagadne, nākotne

    Degvielas elementi interesē automašīnu ražotājus, un par tiem interesējas arī kosmosa kuģu dizaineri. 1965. gadā Amerika tos pat izmēģināja kosmosā palaistajā kosmosa kuģī Gemini 5 un vēlāk ar Apollo. Kurināmā elementu pētniecībā šodien tiek ieguldīti miljoniem dolāru, jo joprojām pastāv piesārņojuma problēmas. vidi, palielinot organiskās degvielas sadegšanas laikā radušos siltumnīcefekta gāzu emisijas, kuru rezerves arī nav bezgalīgas.

    Degvielas šūna, ko bieži sauc par elektroķīmisko ģeneratoru, darbojas tālāk aprakstītajā veidā.

    Esot, tāpat kā akumulatori un baterijas, galvaniskais elements, bet ar to atšķirību, ka aktīvās vielas tajā tiek uzglabātas atsevišķi. Tie tiek piegādāti elektrodiem, kad tie tiek izmantoti. Dabiskā degviela vai jebkura no tās iegūta viela sadeg uz negatīvā elektroda, kas var būt gāzveida (piemēram, ūdeņradis un oglekļa monoksīds) vai šķidrs, piemēram, spirti. Skābeklis parasti reaģē uz pozitīvo elektrodu.

    Taču šķietami vienkāršo darbības principu nav viegli pārvērst realitātē.

    DIY degvielas šūna

    Diemžēl mums nav fotogrāfiju, kā šim degvielas elementam vajadzētu izskatīties, mēs paļaujamies uz jūsu iztēli.

    Jūs varat izgatavot mazjaudas degvielas šūnu ar savām rokām pat skolas laboratorijā. Jums ir jāuzkrāj veca gāzmaska, vairāki organiskā stikla gabali, sārmi un etilspirta (vienkāršāk, degvīna) ūdens šķīdums, kas kalpos kā degvielas elementa “degviela”.


    Pirmkārt, jums ir nepieciešams kurināmā elementa korpuss, kas vislabāk ir izgatavots no organiskā stikla, vismaz piecus milimetrus biezs. Iekšējās starpsienas (iekšā ir pieci nodalījumi) var padarīt nedaudz plānākas - 3 cm.. Pleksistikla līmēšanai izmantojiet šāda sastāva līmi: sešus gramus organiskā stikla skaidu izšķīdina simts gramos hloroforma vai dihloretāna (darbs tiek veikts). zem pārsega).

    Tagad ārsienā jāizurbj caurums, kurā caur gumijas aizbāzni jāievieto stikla drenāžas caurule 5-6 centimetru diametrā.

    Ikviens zina, ka periodiskajā tabulā visaktīvākie metāli atrodas apakšējā kreisajā stūrī, bet augsti aktīvie metaloīdi atrodas tabulas augšējā labajā stūrī, t.i. spēja ziedot elektronus palielinās no augšas uz leju un no labās uz kreiso pusi. Elementi, kas noteiktos apstākļos var izpausties kā metāli vai metaloīdi, atrodas tabulas centrā.

    Tagad mēs ielejam gāzmasku otrajā un ceturtajā nodalījumā Aktivētā ogle(starp pirmo nodalījumu un otro, kā arī trešo un ceturto), kas darbosies kā elektrodi. Lai ogles neizšļakstītos pa caurumiem, varat tās ievietot neilona audumā (piemērotas ir sieviešu neilona zeķes).

    Degviela cirkulēs pirmajā kamerā, un piektajā vajadzētu būt skābekļa piegādātājam - gaisam. Starp elektrodiem būs elektrolīts, un, lai tas nenokļūtu gaisa kamerā, pirms ogļu ieliešanas ceturtajā gaisa elektrolīta kamerā, tas ir jāsamērcē ar parafīna šķīdumu benzīnā (attiecība 2 grami parafīna uz pusi glāzes benzīna). Uz ogļu slāņa jānovieto (nedaudz nospiežot) vara plāksnes, pie kurām pielodēti vadi. Caur tiem strāva tiks novirzīta no elektrodiem.

    Atliek tikai uzlādēt elementu. Šim nolūkam ir nepieciešams degvīns, kas jāatšķaida ar ūdeni 1:1. Pēc tam uzmanīgi pievienojiet trīs simti līdz trīs simti piecdesmit gramus kaustiskā kālija. Elektrolītam 70 gramus kālija hidroksīda izšķīdina 200 gramos ūdens.

    Degvielas šūna ir gatava pārbaudei. Tagad jums vienlaikus jāielej degviela pirmajā kamerā un elektrolīts trešajā. Voltmetram, kas savienots ar elektrodiem, vajadzētu parādīt no 07 voltiem līdz 0,9 voltiem. Lai nodrošinātu nepārtrauktu elementa darbību, ir nepieciešams izņemt izlietoto degvielu (izliet glāzē) un pievienot jaunu degvielu (caur gumijas cauruli). Padeves ātrumu regulē, saspiežot cauruli. Šādi laboratorijas apstākļos izskatās kurināmā elementa darbība, kuras jauda ir saprotami zema.

    Lai nodrošinātu lielāku jaudu, zinātnieki jau ilgu laiku ir strādājuši pie šīs problēmas. Izstrādes procesā esošajā aktīvajā tēraudā ir metanols un etanola degvielas šūnas. Bet diemžēl tie vēl nav ieviesti praksē.

    Kāpēc degvielas šūna ir izvēlēta kā alternatīvs enerģijas avots


    Kā alternatīvs enerģijas avots tika izvēlēta kurināmā šūna, jo ūdeņraža sadegšanas galaprodukts tajā ir ūdens. Vienīgā problēma ir atrast lētu un efektīvu veidu, kā ražot ūdeņradi. Milzīgie līdzekļi, kas ieguldīti ūdeņraža ģeneratoru un kurināmā elementu attīstībā, nevar nest augļus, tāpēc tehnoloģisks izrāviens un to reāla izmantošana ikdienā ir tikai laika jautājums.

    Jau šodien autoindustrijas monstri: General Motors, Honda, Draimler Coyler, Ballard demonstrē autobusus un automašīnas, kas darbojas ar degvielas šūnām, kuru jauda sasniedz 50 kW. Taču problēmas, kas saistītas ar to drošību, uzticamību un izmaksām, vēl nav atrisinātas. Kā jau minēts, atšķirībā no tradicionālajiem barošanas avotiem - baterijām un akumulatoriem, šajā gadījumā oksidētājs un degviela tiek piegādāti no ārpuses, un kurināmā šūna ir tikai starpnieks notiekošajā degvielas sadegšanas reakcijā un izdalītās enerģijas pārvēršanā elektroenerģijā. “Sadegšana” notiek tikai tad, ja elements piegādā slodzei strāvu, piemēram, dīzeļa elektroģenerators, bet bez ģeneratora un dīzeļdzinēja, kā arī bez trokšņa, dūmiem un pārkaršanas. Tajā pašā laikā efektivitāte ir daudz augstāka, jo nav starpposma mehānismu.

    Lielas cerības tiek liktas uz nanotehnoloģiju un nanomateriālu izmantošanu, kas palīdzēs miniaturizēt kurināmā elementus, vienlaikus palielinot to jaudu. Ir ziņots, ka ir radīti īpaši efektīvi katalizatori, kā arī kurināmā elementu konstrukcijas, kurām nav membrānu. Tajos degviela (piemēram, metāns) tiek piegādāta elementam kopā ar oksidētāju. Interesantos risinājumos kā oksidētājs tiek izmantots gaisā izšķīdināts skābeklis, bet kā degviela tiek izmantoti organiskie piemaisījumi, kas uzkrājas piesārņotajos ūdeņos. Tie ir tā sauktie biodegvielas elementi.

    Kurināmā elementi, pēc ekspertu domām, masu tirgū var ienākt tuvāko gadu laikā. publicēts

    Pievienojieties mums

    Uzreiz gribu brīdināt, ka šī tēma nav pilnībā par Habr tēmu, taču komentāros pie ieraksta par MIT izstrādāto elementu ideja šķita atbalstīta, tāpēc tālāk aprakstīšu dažas domas par biodegvielu. elementi.
    Darbu, par kuru rakstīta šī tēma, veicu es 11. klasē, un ieguvu otro vietu starptautiskajā konferencē INTEL ISEF.

    Kurināmā šūna ir ķīmisks strāvas avots, kurā reducētāja (degvielas) un oksidētāja ķīmiskā enerģija, kas nepārtraukti un atsevišķi tiek piegādāta elektrodiem, tiek tieši pārveidota elektroenerģijā.
    enerģiju. Kurināmā elementa (FC) shematiskā diagramma ir parādīta zemāk:

    Degvielas šūna sastāv no anoda, katoda, jonu vadītāja, anoda un katoda kamerām. Šobrīd biodegvielas elementu jauda nav pietiekama izmantošanai rūpnieciskā mērogā, bet mazjaudas BFC var izmantot medicīniskiem nolūkiem kā jutīgus sensorus, jo strāvas stiprums tajos ir proporcionāls pārstrādājamās degvielas daudzumam.
    Līdz šim ir ierosināts liels skaits kurināmā elementu dizaina variantu. Katrā konkrētajā gadījumā kurināmā elementa konstrukcija ir atkarīga no kurināmā elementa mērķa, reaģenta veida un jonu vadītāja. Īpašā grupā ietilpst biodegvielas šūnas, kurās izmanto bioloģiskos katalizatorus. Būtiska bioloģisko sistēmu atšķirīgā iezīme ir to spēja selektīvi oksidēt dažādus degvielu zemā temperatūrā.
    Vairumā gadījumu bioelektrokatalīzē izmanto imobilizētus enzīmus, t.i. fermenti, kas izolēti no dzīviem organismiem un piestiprināti pie nesēja, bet saglabā katalītisko aktivitāti (daļēji vai pilnībā), kas ļauj tos izmantot atkārtoti. Apskatīsim biodegvielas šūnas piemēru, kurā fermentatīvā reakcija tiek savienota ar elektrodu reakciju, izmantojot mediatoru. Biodegvielas šūnas shēma, kuras pamatā ir glikozes oksidāze:

    Biodegvielas šūna sastāv no diviem inertiem elektrodiem, kas izgatavoti no zelta, platīna vai oglekļa un ir iegremdēti buferšķīdumā. Elektrodus atdala jonu apmaiņas membrāna: anoda nodalījums tiek iztīrīts ar gaisu, katoda nodalījums ar slāpekli. Membrāna ļauj telpiski atdalīt šūnas elektrodu nodalījumos notiekošās reakcijas un vienlaikus nodrošina protonu apmaiņu starp tām. Biosensoriem piemērotas membrānas dažādi veidi Apvienotajā Karalistē ražo daudzi uzņēmumi (VDN, VIROKT).
    Glikozes ievadīšana biodegvielas šūnā, kurā ir glikozes oksidāze un šķīstošs mediators 20 °C temperatūrā, izraisa elektronu plūsmu no fermenta uz anodu caur mediatoru. Elektroni pārvietojas caur ārējo ķēdi uz katodu, kur ideālos apstākļos protonu un skābekļa klātbūtnē veidojas ūdens. Iegūtā strāva (ja nav piesātinājuma) ir proporcionāla ātrumu noteicošās sastāvdaļas (glikozes) pievienošanai. Mērot stacionāras strāvas, jūs varat ātri (5 s) noteikt pat zemas glikozes koncentrācijas - līdz 0,1 mM. Kā sensoram aprakstītajai biodegvielas šūnai ir noteikti ierobežojumi, kas saistīti ar mediatora klātbūtni un noteiktām prasībām skābekļa katodam un membrānai. Pēdējam jāsaglabā ferments un tajā pašā laikā jāļauj iziet cauri komponentiem ar zemu molekulmasu: gāzi, mediatoru, substrātu. Jonu apmaiņas membrānas parasti atbilst šīm prasībām, lai gan to difūzijas īpašības ir atkarīgas no buferšķīduma pH. Komponentu difūzija caur membrānu noved pie elektronu pārneses efektivitātes samazināšanās blakusreakciju dēļ.
    Mūsdienās ir pieejami laboratorijas modeļi kurināmā elementiem ar enzīmu katalizatoriem, kuru raksturlielumi neatbilst to praktiskā pielietojuma prasībām. Galvenie centieni tuvākajos gados būs vērsti uz biodegvielas šūnu attīrīšanu, un turpmākie biodegvielas elementu pielietojumi būs vairāk saistīti ar medicīnu, piemēram: implantējama biodegvielas šūna, kurā izmanto skābekli un glikozi.
    Izmantojot fermentus elektrokatalīzē, galvenā risināmā problēma ir fermentatīvās reakcijas savienošanas problēma ar elektroķīmisko, tas ir, efektīvas elektronu transportēšanas nodrošināšana no fermenta aktīvā centra uz elektrodu, ko var panākt šādi veidi:
    1. Elektronu pārnešana no fermenta aktīvā centra uz elektrodu, izmantojot mazmolekulāro nesēju - mediatoru (mediatora bioelektrokatalīze).
    2. Tieša, tieša fermenta aktīvo vietu oksidēšana un reducēšana uz elektroda (tiešā bioelektrokatalīze).
    Šajā gadījumā fermentatīvo un elektroķīmisko reakciju mediatoru savienojumu var veikt četros veidos:
    1) enzīms un mediators atrodas šķīduma lielākajā daļā, un mediators izkliedējas uz elektroda virsmu;
    2) enzīms atrodas uz elektroda virsmas, un mediators atrodas šķīduma tilpumā;
    3) enzīms un mediators ir imobilizēti uz elektroda virsmas;
    4) starpnieks ir piešūts pie elektroda virsmas, un ferments atrodas šķīdumā.

    Šajā darbā lakāze kalpoja kā katalizators skābekļa reducēšanas katodiskajai reakcijai, un glikozes oksidāze (GOD) kalpoja kā katalizators glikozes oksidācijas anodiskajai reakcijai. Fermenti tika izmantoti kā daļa no kompozītmateriāliem, kuru izveide ir viens no svarīgākajiem posmiem biodegvielas šūnu radīšanā, kas vienlaikus kalpo arī kā analītisks sensors. Šajā gadījumā biokompozītmateriāliem jānodrošina selektivitāte un jutība substrāta noteikšanai un tajā pašā laikā ir augsta bioelektrokatalītiskā aktivitāte, kas tuvojas fermentatīvajai aktivitātei.
    Lakāze ir Cu saturoša oksidoreduktāze, kuras galvenā funkcija dabiskos apstākļos ir organisko substrātu (fenolu un to atvasinājumu) oksidēšana ar skābekli, kas tiek reducēts līdz ūdenim. Fermenta molekulmasa ir 40 000 g/mol.

    Līdz šim ir pierādīts, ka lakāze ir visaktīvākais elektrokatalizators skābekļa samazināšanai. Tā klātbūtnē uz elektroda skābekļa atmosfērā tiek izveidots potenciāls, kas ir tuvu līdzsvara skābekļa potenciālam, un skābekļa reducēšana notiek tieši ūdenī.
    Kā katodiskās reakcijas (skābekļa reducēšanas) katalizators tika izmantots kompozītmateriāls, kura pamatā ir lakāze, acetilēna melnais AD-100 un Nafion. Kompozīta īpatnība ir tā struktūra, kas nodrošina fermenta molekulas orientāciju attiecībā pret elektronu vadošo matricu, kas nepieciešama tiešai elektronu pārnesei. Lakāzes specifiskā bioelektrokatalītiskā aktivitāte saliktajās pieejās, kas novērota fermentatīvā katalīzē. Fermentatīvo un elektroķīmisko reakciju savienošanas metode lakāzes gadījumā, t.i. metode elektrona pārvietošanai no substrāta caur lakāzes enzīma aktīvo centru uz elektrodu - tiešā bielektrokatalīze.

    Glikozes oksidāze (GOD) ir oksidoreduktāzes klases enzīms, kam ir divas apakšvienības, no kurām katrai ir savs aktīvais centrs - (flavīna adenīna dinukleotīds) FAD. GOD ir enzīms, kas selektīvs elektronu donoram, glikozei, un var izmantot daudzus substrātus kā elektronu akceptorus. Fermenta molekulmasa ir 180 000 g/mol.

    Šajā darbā mēs izmantojām kompozītmateriālu, kura pamatā ir GOD un ferocēns (FC), lai glikozes oksidētu anodiski, izmantojot mediatora mehānismu. Kompozītmateriālā ietilpst GOD, augsti disperss koloidālais grafīts (HCG), Fc un Nafion, kas ļāva iegūt elektronu vadošu matricu ar augsti attīstītu virsmu, nodrošināt efektīvu reaģentu transportēšanu reakcijas zonā un stabilas kompozīta īpašības. materiāls. Fermentatīvo un elektroķīmisko reakciju savienošanas metode, t.i. nodrošinot efektīvu elektronu transportēšanu no GOD aktīvā centra uz mediatora elektrodu, savukārt enzīms un mediators tika imobilizēti uz elektroda virsmas. Ferocēns tika izmantots kā starpnieks – elektronu akceptors. Kad organiskais substrāts, glikoze, tiek oksidēts, ferocēns tiek reducēts un pēc tam oksidēts pie elektroda.

    Ja kādam ir interese, varu detalizēti aprakstīt elektrodu pārklājuma iegūšanas procesu, bet par to labāk rakstīt personīgā ziņā. Un tēmā es vienkārši aprakstīšu iegūto struktūru.

    1. AD-100.
    2. lakāze.
    3. hidrofobs porains substrāts.
    4. Nafion.

    Pēc vēlētāju saņemšanas mēs pārgājām tieši uz eksperimentālo daļu. Šādi izskatījās mūsu darba šūna:

    1. Ag/AgCl atskaites elektrods;
    2. darba elektrods;
    3. palīgelektrods - Рt.
    Eksperimentā ar glikozes oksidāzi - attīrīšana ar argonu, ar lakāzi - ar skābekli.

    Skābekļa reducēšana uz sodrējiem, ja nav lakāzes, notiek pie potenciāla, kas ir zem nulles, un notiek divos posmos: starpposmā veidojoties ūdeņraža peroksīdam. Attēlā parādīta uz AD-100 imobilizētas lakāzes skābekļa elektroredukcijas polarizācijas līkne, kas iegūta skābekļa atmosfērā šķīdumā ar pH 4,5. Šādos apstākļos tiek izveidots stacionārs potenciāls tuvu līdzsvara skābekļa potenciālam (0,76 V). Pie katoda potenciāla 0,76 V pie enzīma elektroda tiek novērota skābekļa katalītiskā reducēšana, kas caur tiešas bioelektrokatalīzes mehānismu nonāk tieši ūdenī. Potenciālajā reģionā zem 0,55 V katoda uz līknes tiek novērots plato, kas atbilst skābekļa samazināšanas ierobežojošajai kinētiskajai strāvai. Ierobežojošā strāvas vērtība bija aptuveni 630 μA/cm2.

    Kompozītmateriāla elektroķīmiskā uzvedība, kuras pamatā ir GOD Nafion, ferocēns un VKG, tika pētīta ar ciklisko voltammetriju (CV). Kompozītmateriāla stāvoklis bez glikozes fosfāta buferšķīdumā tika uzraudzīts, izmantojot uzlādes līknes. Uzlādes līknē pie (-0,40) V potenciāla tiek novēroti maksimumi, kas saistīti ar GOD aktīvā centra (FAD) redokstransformācijām, un pie 0,20-0,25 V ir ferocēna oksidācijas un reducēšanās maksimumi.

    No iegūtajiem rezultātiem izriet, ka, pamatojoties uz katodu ar lakāzi kā skābekļa reakcijas katalizatoru, un uz anodu, kura pamatā ir glikozes oksidāze glikozes oksidēšanai, pastāv būtiska iespēja izveidot biodegvielas elementu. Tiesa, šajā ceļā ir daudz šķēršļu, piemēram, fermentu aktivitātes maksimumi tiek novēroti pie dažādiem pH līmeņiem. Tas radīja nepieciešamību pievienot BFC jonu apmaiņas membrānu, kas ļauj telpiski atdalīt šūnas elektrodu nodalījumos notiekošās reakcijas un vienlaikus nodrošina protonu apmaiņu starp tām. Gaiss iekļūst anoda nodalījumā.
    Glikozes ievadīšana biodegvielas šūnā, kas satur glikozes oksidāzi un mediatoru, izraisa elektronu plūsmu no fermenta uz anodu caur mediatoru. Elektroni pārvietojas caur ārējo ķēdi uz katodu, kur ideālos apstākļos protonu un skābekļa klātbūtnē veidojas ūdens. Iegūtā strāva (ja nav piesātinājuma) ir proporcionāla ātrumu noteicošā komponenta, glikozes, pievienošanai. Mērot stacionāras strāvas, jūs varat ātri (5 s) noteikt pat zemas glikozes koncentrācijas - līdz 0,1 mM.

    Diemžēl man neizdevās šī BFC ideju īstenot praksē, jo Uzreiz pēc 11. klases devos mācīties par programmētāju, ko cītīgi daru arī šodien. Paldies visiem, kas to pabeidza.

    Jūs vairs nevienu nepārsteigsiet ne ar saules baterijām, ne ar vēja turbīnām, kas ražo elektroenerģiju visos pasaules reģionos. Taču šo ierīču jauda nav nemainīga un ir nepieciešams uzstādīt rezerves barošanas avotus vai pieslēgties tīklam, lai iegūtu elektroenerģiju periodā, kad atjaunojamie energoresursi neražo elektroenerģiju. Taču ir 19. gadsimtā izstrādātas rūpnīcas, kas elektroenerģijas ražošanai izmanto “alternatīvās” degvielas, t.i., nededzina gāzi vai naftas produktus. Šādas iekārtas ir kurināmā elementi.

    RADĪŠANAS VĒSTURE

    Kurināmā elementi (FC) jeb kurināmā elementi 1838.–1839. gadā atklāja Viljams Grovs (Grove, Grove), kad viņš pētīja ūdens elektrolīzi.

    Palīdzība: Ūdens elektrolīze ir ūdens sadalīšanās process elektriskās strāvas ietekmē ūdeņraža un skābekļa molekulās

    Atvienojis akumulatoru no elektrolītiskās šūnas, viņš pārsteigts atklāja, ka elektrodi sāk absorbēt izdalīto gāzi un radīt strāvu. Ūdeņraža elektroķīmiskās “aukstās” sadegšanas procesa atklāšana bija nozīmīgs notikums enerģētikas nozarē. Vēlāk viņš izveidoja Grove akumulatoru. Šai ierīcei bija platīna elektrods, kas iegremdēts slāpekļskābē, un cinka elektrods cinka sulfātā. Tas radīja 12 ampēru strāvu un 8 voltu spriegumu. Grow pats sauca šo dizainu "slapjš akumulators". Pēc tam viņš izveidoja akumulatoru, izmantojot divus platīna elektrodus. Katra elektroda viens gals bija sērskābē, bet pārējie gali bija noslēgti traukos ar ūdeņradi un skābekli. Starp elektrodiem bija stabila strāva, un ūdens daudzums konteineros palielinājās. Grow spēja sadalīt un uzlabot ūdeni šajā ierīcē.

    "Akumulatora izaugsme"

    (avots: Nacionālā dabas vēstures muzeja Karaliskā biedrība)

    Termins “degvielas šūna” (angļu valodā “Fuel Cell”) parādījās tikai 1889. gadā L. Monds un
    C. Langers, kurš mēģināja izveidot ierīci elektroenerģijas ražošanai no gaisa un ogļu gāzes.

    KĀ TAS STRĀDĀ?

    Degvielas šūna ir salīdzinoši vienkārša ierīce. Tam ir divi elektrodi: anods (negatīvs elektrods) un katods (pozitīvs elektrods). Pie elektrodiem notiek ķīmiska reakcija. Lai to paātrinātu, elektrodu virsma ir pārklāta ar katalizatoru. FC ir aprīkoti ar vēl vienu elementu - membrāna. Degvielas ķīmiskās enerģijas pārvēršana tieši elektroenerģijā notiek, pateicoties membrānas darbam. Tas atdala abas elementa kameras, kurās tiek piegādāta degviela un oksidētājs. Membrāna ļauj tikai protoniem, kas rodas degvielas sadalīšanas rezultātā, pāriet no vienas kameras uz otru pie elektroda, kas pārklāts ar katalizatoru (elektroni pēc tam pārvietojas pa ārējo ķēdi). Otrajā kamerā protoni savienojas ar elektroniem (un skābekļa atomiem), veidojot ūdeni.

    Ūdeņraža degvielas šūnas darbības princips

    Ķīmiskajā līmenī kurināmā enerģijas pārvēršanas process elektroenerģijā ir līdzīgs parastajam sadegšanas procesam (oksidācijai).

    Normālas sadegšanas laikā skābeklī notiek organiskā kurināmā oksidēšanās, un degvielas ķīmiskā enerģija tiek pārvērsta siltumenerģijā. Apskatīsim, kas notiek ūdeņraža oksidēšanas laikā ar skābekli elektrolīta vidē un elektrodu klātbūtnē.

    Piegādājot ūdeņradi elektrodam, kas atrodas sārmainā vidē, notiek ķīmiska reakcija:

    2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

    Kā redzat, mēs iegūstam elektronus, kas, izejot caur ārējo ķēdi, nonāk pretējā elektrodā, uz kuru plūst skābeklis un kur notiek reakcija:

    4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

    Var redzēt, ka iegūtā reakcija 2H 2 + O 2 → H 2 O ir tāda pati kā normālas sadegšanas laikā, bet Kurināmā šūna ražo elektrisko strāvu un nedaudz siltuma.

    DEGVIELAS ŠUNU VEIDI

    Kurināmā elementus ir ierasts klasificēt pēc reakcijā izmantotā elektrolīta veida:

    Ņemiet vērā, ka kurināmā elementos kā degvielu var izmantot arī ogles, oglekļa monoksīdu, spirtus, hidrazīnu un citas organiskas vielas, bet kā oksidētājus — gaisu, ūdeņraža peroksīdu, hloru, bromu, slāpekļskābi utt.

    DEGVIELAS ŠUNAS EFEKTIVITĀTE

    Kurināmā elementu iezīme ir nav stingru efektivitātes ierobežojumu, piemēram, siltuma dzinēji.

    Palīdzība: efektivitāteCarnot cikls ir augstākā iespējamā efektivitāte starp visiem siltumdzinējiem ar vienādu minimālo un maksimālo temperatūru.

    Tāpēc kurināmā elementu efektivitāte teorētiski var būt lielāka par 100%. Daudzi smaidīja un domāja: "Ir izgudrota mūžīgā kustība." Nē, šeit mums vajadzētu atgriezties pie skolas ķīmijas kursa. Kurināmā elementa pamatā ir ķīmiskās enerģijas pārvēršana elektroenerģijā. Šeit notiek brīnumi. Noteiktas ķīmiskās reakcijas var absorbēt siltumu no vides.

    Palīdzība: Endotermiskās reakcijas ir ķīmiskas reakcijas, ko pavada siltuma absorbcija. Endotermiskām reakcijām entalpijas un iekšējās enerģijas izmaiņām ir pozitīvas vērtības (Δ H >0, Δ U >0), tādējādi reakcijas produkti satur vairāk enerģijas nekā sākuma komponenti.

    Šādas reakcijas piemērs ir ūdeņraža oksidēšana, ko izmanto lielākajā daļā kurināmā elementu. Tāpēc teorētiski efektivitāte var būt lielāka par 100%. Taču mūsdienās kurināmā elementi darbības laikā uzsilst un nespēj absorbēt siltumu no apkārtējās vides.

    Palīdzība: Šo ierobežojumu nosaka otrais termodinamikas likums. Siltuma pārneses process no “aukstā” ķermeņa uz “karstu” nav iespējams.

    Turklāt ir zaudējumi, kas saistīti ar nelīdzsvarotiem procesiem. Piemēram: omi zudumi elektrolīta un elektrodu īpatnējās vadītspējas dēļ, aktivācijas un koncentrācijas polarizācija, difūzijas zudumi. Rezultātā daļa kurināmā elementos saražotās enerģijas tiek pārvērsta siltumā. Tāpēc degvielas šūnas nav mūžīgās kustības mašīnas un to efektivitāte ir mazāka par 100%. Bet to efektivitāte ir lielāka nekā citām mašīnām. Šodien Degvielas šūnu efektivitāte sasniedz 80%.

    Atsauce:Četrdesmitajos gados angļu inženieris T. Bēkons projektēja un uzbūvēja kurināmā elementu akumulatoru ar kopējo jaudu 6 kW un efektivitāti 80%, kas darbojas ar tīru ūdeņradi un skābekli, bet akumulatora jaudas un svara attiecība. izrādījās pārāk mazs - šādi elementi nebija piemēroti praktiskai lietošanai un pārāk dārgi (avots: http://www.powerinfo.ru/).

    DEGVIELAS ŠONU PROBLĒMAS

    Gandrīz visi kurināmā elementi izmanto ūdeņradi kā degvielu, tāpēc rodas loģisks jautājums: "Kur es varu to iegūt?"

    Šķiet, ka degvielas šūna atklāta elektrolīzes rezultātā, tāpēc iespējams izmantot elektrolīzes rezultātā izdalīto ūdeņradi. Bet aplūkosim šo procesu sīkāk.

    Saskaņā ar Faradeja likumu: vielas daudzums, kas tiek oksidēts pie anoda vai reducēts pie katoda, ir proporcionāls elektroenerģijas daudzumam, kas iet caur elektrolītu. Tas nozīmē, ka, lai iegūtu vairāk ūdeņraža, ir jāpatērē vairāk elektrības. Esošās ūdens elektrolīzes metodes darbojas ar efektivitāti, kas ir mazāka par vienu. Tad mēs izmantojam iegūto ūdeņradi kurināmā elementos, kur arī efektivitāte ir mazāka par vienību. Tāpēc mēs tērēsim vairāk enerģijas, nekā spēsim saražot.

    Protams, jūs varat izmantot ūdeņradi, kas ražots no dabasgāzes. Šī ūdeņraža ražošanas metode joprojām ir lētākā un populārākā. Pašlaik aptuveni 50% no pasaulē saražotā ūdeņraža tiek iegūti no dabasgāzes. Bet ir problēma ar ūdeņraža uzglabāšanu un transportēšanu. Ūdeņradim ir zems blīvums ( viens litrs ūdeņraža sver 0,0846 g), lai to transportētu uz lielos attālumos to vajag saspiest. Un tās ir papildu enerģijas un naudas izmaksas. Tāpat neaizmirstiet par drošību.

    Taču arī šeit ir risinājums – šķidro ogļūdeņražu degvielu var izmantot kā ūdeņraža avotu. Piemēram, etilspirts vai metilspirts. Tiesa, tam nepieciešama speciāla papildu ierīce – degvielas pārveidotājs, kad paaugstināta temperatūra(metanolam tas būs kaut kur ap 240°C), pārvēršot spirtus gāzveida H 2 un CO 2 maisījumā. Taču šajā gadījumā jau ir grūtāk domāt par pārnesamību – šādas ierīces ir labi izmantot kā stacionārus vai auto ģeneratorus, bet kompaktai mobilajai tehnikai vajag kaut ko mazāk apjomīgu.

    Katalizators

    Lai uzlabotu reakciju degvielas šūnā, anoda virsmu parasti apstrādā ar katalizatoru. Vēl nesen platīns tika izmantots kā katalizators. Tāpēc degvielas šūnas izmaksas bija augstas. Otrkārt, platīns ir salīdzinoši rets metāls. Pēc ekspertu domām, rūpnieciski ražojot kurināmā elementus, pierādītās platīna rezerves beigsies 15-20 gadu laikā. Bet zinātnieki visā pasaulē cenšas aizstāt platīnu ar citiem materiāliem. Starp citu, daži no viņiem sasniedza labus rezultātus. Tātad Ķīnas zinātnieki aizstāja platīnu ar kalcija oksīdu (avots: www.cheburek.net).

    DEGVIELAS ŠONU IZMANTOŠANA

    Pirmā degvielas šūna automobiļu tehnoloģijā tika pārbaudīta 1959. gadā. Traktora Alice-Chambers darbībai tika izmantoti 1008 akumulatori. Degviela bija gāzu, galvenokārt propāna un skābekļa, maisījums.

    Avots: http://www.planetseed.com/

    Kopš 60. gadu vidus, "kosmosa sacensību" augstumā, kosmosa kuģu veidotāji sāka interesēties par degvielas elementiem. Tūkstošiem zinātnieku un inženieru darbs ļāva sasniegt jaunu līmeni, un 1965. g. degvielas šūnas tika pārbaudītas Amerikas Savienotajās Valstīs uz Gemini 5 kosmosa kuģa, bet vēlāk ar Apollo kosmosa kuģi lidojumiem uz Mēnesi un Shuttle programmu. PSRS kurināmā elementi tika izstrādāti NPO Kvant, arī izmantošanai kosmosā (avots: http://www.powerinfo.ru/).

    Tā kā kurināmā elementā ūdeņraža sadegšanas galaprodukts ir ūdens, tie tiek uzskatīti par tīrākajiem vides ietekmes ziņā. Tāpēc kurināmā elementi sāka iegūt popularitāti, ņemot vērā vispārēju interesi par vidi.

    Jau tagad tādi automašīnu ražotāji kā Honda, Ford, Nissan un Mercedes-Benz ir radījuši automašīnas, kuras darbina ūdeņraža degvielas šūnas.

    Mercedes-Benz - Ener-G-Force, ko darbina ūdeņradis

    Izmantojot ūdeņraža automašīnas, tiek atrisināta problēma ar ūdeņraža uzglabāšanu. Ūdeņraža degvielas uzpildes staciju būvniecība ļaus uzpildīt degvielu jebkurā vietā. Turklāt automašīnas degvielas uzpilde ar ūdeņradi ir ātrāka nekā elektromobiļa uzlāde degvielas uzpildes stacijā. Taču, īstenojot šādus projektus, mēs saskārāmies ar problēmu, kas līdzīga elektriskajiem transportlīdzekļiem. Cilvēki ir gatavi pārslēgties uz ūdeņraža auto, ja viņiem ir infrastruktūra. Un degvielas uzpildes staciju celtniecība sāksies, ja būs pietiekams patērētāju skaits. Tāpēc mēs atkal nonācām pie olu un vistas dilemmas.

    Kurināmā elementi tiek plaši izmantoti mobilajos tālruņos un klēpjdatoros. Jau pagājis laiks, kad tālrunis tika uzlādēts reizi nedēļā. Tagad tālrunis tiek uzlādēts gandrīz katru dienu, un klēpjdators darbojas 3-4 stundas bez tīkla. Tāpēc mobilo tehnoloģiju ražotāji nolēma sintezēt degvielas elementu ar tālruņiem un klēpjdatoriem uzlādēšanai un darbībai. Piemēram, kompānija Toshiba 2003.g. demonstrēja gatavo metanola degvielas šūnas prototipu. Tas ražo aptuveni 100 mW jaudu. Viena uzpilde ar 2 kubiņiem koncentrēta (99,5%) metanola ir pietiekama 20 MP3 atskaņotāja darbības stundām. Atkal tā pati Toshiba demonstrēja klēpjdatoru darbināšanas šūnu, kuras izmēri ir 275x75x40 mm, ļaujot datoram darboties 5 stundas ar vienu uzlādi.

    Bet daži ražotāji ir gājuši tālāk. Uzņēmums PowerTrekk ir izlaidis tāda paša nosaukuma lādētāju. PowerTrekk ir pasaulē pirmais ūdens lādētājs. Tas ir ļoti viegli lietojams. PowerTrekk ir nepieciešams pievienot ūdeni, lai nodrošinātu tūlītēju elektrību, izmantojot USB vadu. Šajā degvielas šūnā ir silīcija pulveris un nātrija silicīds (NaSi), sajaucot ar ūdeni, kombinācija rada ūdeņradi. Ūdeņradis tiek sajaukts ar gaisu pašā kurināmā elementā, un tas, izmantojot membrānas-protonu apmaiņu, bez ventilatoriem vai sūkņiem pārvērš ūdeņradi elektroenerģijā. Šādu portatīvo lādētāju varat iegādāties par 149 € (

    Kurināmā elementi (elektroķīmiskie ģeneratori) ir ļoti efektīva, izturīga, uzticama un videi draudzīga enerģijas iegūšanas metode. Sākotnēji tos izmantoja tikai kosmosa industrijā, taču mūsdienās elektroķīmiskos ģeneratorus arvien vairāk izmanto dažādās jomās: mobilo telefonu un portatīvo datoru barošanas blokos, transportlīdzekļu dzinējos, ēku autonomos barošanas avotos un stacionārajās elektrostacijās. Dažas no šīm ierīcēm darbojas kā laboratorijas prototipi, bet citas tiek izmantotas demonstrācijas nolūkos vai tiek veiktas pirmsražošanas pārbaudes. Tomēr daudzi modeļi jau tiek izmantoti komerciālos projektos un tiek ražoti masveidā.

    Ierīce

    Kurināmā elementi ir elektroķīmiskas ierīces, kas spēj nodrošināt augstu esošās ķīmiskās enerģijas pārvēršanas ātrumu elektroenerģijā.

    Degvielas elementa ierīce sastāv no trim galvenajām daļām:

    1. Enerģijas ražošanas sadaļa;
    2. PROCESORS;
    3. Sprieguma transformators.

    Galvenā kurināmā elementa daļa ir elektroenerģijas ražošanas sadaļa, kas ir akumulators, kas izgatavots no atsevišķām degvielas šūnām. Kurināmā elementu elektrodu struktūrā ir iekļauts platīna katalizators. Izmantojot šīs šūnas, tiek izveidota pastāvīga elektriskā strāva.

    Vienai no šīm ierīcēm ir šādas īpašības: pie 155 voltu sprieguma tiek ražoti 1400 ampēri. Akumulatora izmēri ir 0,9 m platumā un augstumā un 2,9 m garumā. Elektroķīmiskais process tajā tiek veikts 177 °C temperatūrā, kas prasa akumulatora uzsildīšanu palaišanas brīdī, kā arī siltuma noņemšanu tā darbības laikā. Šim nolūkam degvielas šūnā ir iekļauta atsevišķa ūdens ķēde, un akumulators ir aprīkots ar īpašām dzesēšanas plāksnēm.

    Degvielas procesā dabasgāze tiek pārveidota par ūdeņradi, kas nepieciešams elektroķīmiskai reakcijai. Galvenais degvielas procesora elements ir reformators. Tajā dabasgāze (vai cita ūdeņradi saturoša degviela) augstā spiedienā un augstā temperatūrā (apmēram 900 ° C) mijiedarbojas ar ūdens tvaikiem niķeļa katalizatora iedarbībā.

    Lai uzturētu nepieciešamo reformētāja temperatūru, ir deglis. Reformēšanai nepieciešamais tvaiks tiek radīts no kondensāta. Kurināmā elementa akumulatorā rodas nestabila līdzstrāva, un tās pārveidošanai tiek izmantots sprieguma pārveidotājs.

    Arī sprieguma pārveidotāja blokā ir:

    • Vadības ierīces.
    • Drošības bloķēšanas ķēdes, kas izslēdz degvielas elementu dažādu bojājumu laikā.

    Darbības princips

    Vienkāršākā protonu apmaiņas membrānas šūna sastāv no polimēra membrānas, kas atrodas starp anodu un katodu, kā arī no katoda un anoda katalizatoriem. Polimēru membrāna tiek izmantota kā elektrolīts.

    • Protonu apmaiņas membrāna izskatās kā plāns ciets organisks savienojums ar mazu biezumu. Šī membrāna darbojas kā elektrolīts, ūdens klātbūtnē tā sadala vielu negatīvi un pozitīvi lādētos jonos.
    • Oksidācija sākas pie anoda, un reducēšana notiek pie katoda. Katods un anods PEM šūnā ir izgatavoti no poraina materiāla; tas ir platīna un oglekļa daļiņu maisījums. Platīns darbojas kā katalizators, kas veicina disociācijas reakciju. Katods un anods ir padarīti poraini, lai skābeklis un ūdeņradis tiem brīvi izietu cauri.
    • Anods un katods atrodas starp divām metāla plāksnēm, tie piegādā katodam un anodam skābekli un ūdeņradi, kā arī noņem elektrisko enerģiju, siltumu un ūdeni.
    • Caur plāksnē esošajiem kanāliem ūdeņraža molekulas nonāk anodā, kur molekulas sadalās atomos.
    • Ķīmisorbcijas rezultātā katalizatora ietekmē ūdeņraža atomi pārvēršas pozitīvi lādētos ūdeņraža jonos H+, tas ir, protonos.
    • Protoni izkliedējas uz katodu caur membrānu, un elektronu plūsma iet uz katodu caur īpašu ārējo elektrisko ķēdi. Tam ir pievienota slodze, tas ir, elektroenerģijas patērētājs.
    • Skābeklis, kas tiek piegādāts katodam pēc iedarbības, nonāk ķīmiskā reakcijā ar elektroniem no ārējās elektriskās ķēdes un ūdeņraža joniem no protonu apmaiņas membrānas. Šīs ķīmiskās reakcijas rezultātā parādās ūdens.

    Ķīmiskā reakcija, kas notiek cita veida kurināmā elementos (piemēram, ar skābu elektrolītu ortofosforskābes H3PO4 formā), ir pilnīgi identiska ierīces reakcijai ar protonu apmaiņas membrānu.

    Veidi

    Pašlaik ir zināmi vairāki kurināmā elementu veidi, kas atšķiras pēc izmantotā elektrolīta sastāva:

    • Kurināmā elementi, kuru pamatā ir ortofosforskābe vai fosforskābe (PAFC, fosforskābes kurināmā elementi).
    • Ierīces ar protonu apmaiņas membrānu (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
    • Cietā oksīda kurināmā elementi (SOFC, Solid Oxide Fuel Cells).
    • Elektroķīmiskie ģeneratori, kuru pamatā ir izkausēts karbonāts (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

    Pašlaik elektroķīmiskie ģeneratori, kas izmanto PAFC tehnoloģiju, ir kļuvuši plaši izplatīti.

    Pieteikums

    Mūsdienās kurināmā elementi tiek izmantoti atkārtoti lietojamajos kosmosa kuģos Space Shuttle. Tie izmanto 12 W vienības. Viņi ģenerē visu kosmosa kuģa elektroenerģiju. Ūdens, kas veidojas elektroķīmiskās reakcijas laikā, tiek izmantots dzeršanai, tai skaitā dzesēšanas iekārtām.

    Elektroķīmiskie ģeneratori tika izmantoti arī padomju Buran, atkārtoti lietojama kosmosa kuģa, darbināšanai.

    Degvielas šūnas tiek izmantotas arī civilajā sektorā.

    • Stacionāras iekārtas ar jaudu 5–250 kW un vairāk. Tos izmanto kā autonomus avotus siltumapgādei un elektroapgādei rūpnieciskām, sabiedriskām un dzīvojamām ēkām, avārijas un rezerves barošanas avotiem, kā arī nepārtrauktās barošanas avotiem.
    • Pārnēsājamas ierīces ar jaudu 1–50 kW. Tos izmanto kosmosa satelītiem un kuģiem. Eksemplāri ir izveidoti golfa ratiem, ratiņkrēsliem, dzelzceļa un kravas ledusskapjiem un ceļa zīmēm.
    • Mobilās iekārtas ar jaudu 25–150 kW. Tos sāk izmantot militārajos kuģos un zemūdenēs, tostarp automašīnās un citos transportlīdzekļos. Prototipus jau radījuši tādi autobūves giganti kā Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford un citi.
    • Mikroierīces ar jaudu 1–500 W. Tie atrod pielietojumu modernos rokas datoros, klēpjdatoros, plaša patēriņa elektroniskajās ierīcēs, mobilajos tālruņos un modernās militārajās ierīcēs.

    Īpatnības

    • Daļa no ķīmiskās reakcijas enerģijas katrā kurināmā elementā tiek atbrīvota kā siltums. Nepieciešama dzesēšana. Ārējā ķēdē elektronu plūsma rada līdzstrāvu, ko izmanto darba veikšanai. Ūdeņraža jonu kustības apturēšana vai ārējās ķēdes atvēršana noved pie ķīmiskās reakcijas apturēšanas.
    • Kurināmā elementu radīto elektroenerģijas daudzumu nosaka gāzes spiediens, temperatūra, ģeometriskie izmēri un kurināmā elementa veids. Lai palielinātu reakcijā saražotās elektroenerģijas daudzumu, kurināmā elementus var izgatavot lielākas, bet praksē tiek izmantotas vairākas šūnas, kuras tiek apvienotas akumulatoros.
    • Dažu veidu kurināmā elementu ķīmisko procesu var mainīt. Tas ir, ja elektrodiem tiek piemērota potenciāla atšķirība, ūdens var sadalīties skābeklī un ūdeņradi, kas tiks savākti uz porainajiem elektrodiem. Kad slodze ir ieslēgta, šāda degvielas šūna radīs elektrisko enerģiju.

    Izredzes

    Pašlaik elektroķīmiskiem ģeneratoriem ir vajadzīgas lielas sākotnējās izmaksas, lai tos izmantotu kā galveno enerģijas avotu. Ieviešot stabilākas membrānas ar augstu vadītspēju, efektīviem un lētiem katalizatoriem un alternatīviem ūdeņraža avotiem, kurināmā elementi kļūs ļoti ekonomiski pievilcīgi un tiks ieviesti visur.

    • Automašīnas darbosies ar degvielas šūnām, iekšdedzes dzinēju nebūs vispār. Kā enerģijas avots tiks izmantots ūdens vai cietvielu ūdeņradis. Degvielas uzpilde būs vienkārša un droša, un braukšana būs videi draudzīga – veidosies tikai ūdens tvaiki.
    • Visām ēkām būs savi portatīvie kurināmā elementu enerģijas ģeneratori.
    • Elektroķīmiskie ģeneratori nomainīs visas baterijas un tiks uzstādīti jebkurā elektronikā un sadzīves tehnikā.

    Priekšrocības un trūkumi

    Katram degvielas elementu veidam ir savi trūkumi un priekšrocības. Dažiem ir nepieciešama augstas kvalitātes degviela, citiem ir sarežģīts dizains un nepieciešama augsta darba temperatūra.

    Kopumā var atzīmēt šādas degvielas elementu priekšrocības:

    • vides drošība;
    • elektroķīmiskie ģeneratori nav jāuzlādē;
    • elektroķīmiskie ģeneratori var pastāvīgi radīt enerģiju, tiem nerūp ārējie apstākļi;
    • elastīgums mērogā un pārnesamība.

    Starp trūkumiem ir:

    • tehniskas grūtības ar degvielas uzglabāšanu un transportēšanu;
    • nepilnīgi ierīces elementi: katalizatori, membrānas utt.

    Degvielas šūna ( Degvielas šūna) ir ierīce, kas ķīmisko enerģiju pārvērš elektroenerģijā. Principā tas ir līdzīgs parastajam akumulatoram, taču atšķiras ar to, ka tā darbībai nepieciešama pastāvīga vielu padeve no ārpuses, lai notiktu elektroķīmiskā reakcija. Kurināmā elementiem tiek piegādāts ūdeņradis un skābeklis, un izvade ir elektrība, ūdens un siltums. To priekšrocības ietver videi draudzīgumu, uzticamību, izturību un vieglu darbību. Atšķirībā no parastajiem akumulatoriem, elektroķīmiskie pārveidotāji var darboties praktiski bezgalīgi, kamēr tiek piegādāta degviela. Tie nav jāuzlādē stundām ilgi, līdz tie ir pilnībā uzlādēti. Turklāt pašas šūnas var uzlādēt akumulatoru, kamēr automašīna ir novietota stāvvietā ar izslēgtu dzinēju.

    Visplašāk izmantotie kurināmā elementi transportlīdzekļos ar ūdeņradi ir protonu membrānas kurināmā elementi (PEMFC) un cietā oksīda kurināmā elementi (SOFC).

    Protonu apmaiņas membrānas degvielas šūna darbojas šādi. Starp anodu un katodu ir īpaša membrāna un ar platīnu pārklāts katalizators. Ūdeņradis tiek piegādāts anodam, un skābeklis (piemēram, no gaisa) tiek piegādāts katodam. Pie anoda ūdeņradis ar katalizatora palīdzību sadalās protonos un elektronos. Ūdeņraža protoni iziet cauri membrānai un sasniedz katodu, un elektroni tiek pārnesti uz ārējo ķēdi (membrāna neļauj tiem iziet cauri). Tādējādi iegūtā potenciālu starpība izraisa elektriskās strāvas veidošanos. Katoda pusē ūdeņraža protonus oksidē skābeklis. Rezultātā parādās ūdens tvaiki, kas ir galvenais automašīnu izplūdes gāzu elements. PEM šūnām, kurām ir augsta efektivitāte, ir viens būtisks trūkums - to darbībai ir nepieciešams tīrs ūdeņradis, kura uzglabāšana ir diezgan nopietna problēma.

    Ja tiks atrasts šāds katalizators, kas aizvieto dārgo platīnu šajās šūnās, tad uzreiz tiks radīta lēta kurināmā šūna elektroenerģijas ražošanai, kas nozīmē, ka pasaule atbrīvosies no atkarības no naftas.

    Cietā oksīda šūnas

    Cietā oksīda SOFC šūnas ir daudz mazāk prasīgas attiecībā uz degvielas tīrību. Turklāt, pateicoties POX reformatora (daļēja oksidēšana) izmantošanai, šādas šūnas var patērēt parasto benzīnu kā degvielu. Benzīna tiešas pārvēršanas elektrībā process ir šāds. Īpašā ierīcē - reformatorā apmēram 800 ° C temperatūrā benzīns iztvaiko un sadalās tā sastāvdaļās.

    Tas atbrīvo ūdeņradi un oglekļa dioksīdu. Turklāt, arī temperatūras ietekmē un tieši izmantojot SOFC (sastāv no poraina keramikas materiāla uz cirkonija oksīda bāzes), ūdeņradis oksidē ar gaisa skābekli. Pēc ūdeņraža iegūšanas no benzīna process turpinās saskaņā ar iepriekš aprakstīto scenāriju, tikai ar vienu atšķirību: SOFC degvielas šūna, atšķirībā no ierīcēm, kas darbojas ar ūdeņradi, ir mazāk jutīga pret sākotnējās degvielas piemaisījumiem. Tātad benzīna kvalitātei nevajadzētu ietekmēt degvielas šūnas darbību.

    Būtisks trūkums ir SOFC augstā darba temperatūra (650–800 grādi), iesildīšanās process aizņem apmēram 20 minūtes. Taču pārmērīgais siltums nav problēma, jo to pilnībā noņem atlikušais gaiss un izplūdes gāzes, ko rada reformators un pati kurināmā elementa. Tas ļauj SOFC sistēmu integrēt transportlīdzeklī kā atsevišķu ierīci siltumizolētā korpusā.

    Modulārā struktūra ļauj sasniegt nepieciešamo spriegumu, savienojot virknē standarta elementu komplektu. Un, iespējams, vissvarīgākais no šādu ierīču ieviešanas viedokļa, SOFC nesatur ļoti dārgus platīna elektrodus. Tieši šo elementu augstās izmaksas ir viens no šķēršļiem PEMFC tehnoloģijas attīstībā un izplatīšanā.

    Kurināmā elementu veidi

    Pašlaik ir šādi kurināmā elementu veidi:

    • A.F.C.– Alkaline Fuel Cell (sārma degvielas šūna);
    • PAFC– Fosforskābes degvielas šūna (fosforskābes degvielas šūna);
    • PEMFC– Proton Exchange Membrane Fuel Cell (degvielas šūna ar protonu apmaiņas membrānu);
    • DMFC– Direct Methanol Fuel Cell (degvielas šūna ar tiešu metanola sadalīšanos);
    • MCFC– izkausēta karbonāta degvielas šūna (izkausēta karbonāta degvielas šūna);
    • SOFC– Cietā oksīda degvielas šūna (cietā oksīda degvielas šūna).

    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 reakcijas blakusprodukti kosmosa lidojumā - elektrība, lai darbinātu kosmosa kuģi, ūdens dzeršanas un dzesēšanas sistēmām un siltums, lai sildītu astronautus.

    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 plūsmas uz anodu un skābekļa uz katodu sākas ķīmiska reakcija, kuras rezultātā rodas elektriskā strāva, siltums un ūdens.

    Pie anoda katalizatora molekulārais ūdeņradis sadalās un zaudē elektronus. Ūdeņraža joni (protoni) tiek novadīti caur elektrolītu uz katodu, savukārt elektroni tiek izvadīti caur elektrolītu un pārvietojas pa ārēju elektrisko ķēdi, 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. Augstā darba temperatūra ļauj tieši izmantot dabasgāzi bez kurināmā procesora un zemas siltumspējas deggāzi no rūpnieciskiem procesiem un 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 dabasgāze tiek iekšēji pārveidota, tādējādi 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 kurināmā elementa darbību, šāda veida šūnas darbojas ar reformētu 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 brīvus 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 kurināmā elementa 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.

    Dažādi degvielas šūnu moduļi. Degvielas šūnu akumulators

    1. Degvielas šūnu akumulators
    2. Citas iekārtas, kas darbojas augstā temperatūrā (integrēts tvaika ģenerators, sadegšanas kamera, siltuma bilances mainītājs)
    3. Karstumizturīga izolācija

    Degvielas šūnu modulis

    Kurināmā elementu veidu un šķirņu salīdzinošā analīze

    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
    Degvielas šūnas tips Darba temperatūra Enerģijas ražošanas efektivitāte Degvielas veids Pielietojuma zona
    RKTE 550–700°C 50-70% Vidējas un lielas instalācijas
    FCTE 100–220°C 35-40% Tīrs ūdeņradis Lielas instalācijas
    MOPTE 30-100°C 35-50% Tīrs ūdeņradis Mazas instalācijas
    SOFC 450–1000°C 45-70% Lielākā daļa ogļūdeņražu degvielas Mazas, vidējas un lielas instalācijas
    PEMFC 20-90°C 20-30% Metanols Pārnēsājams
    SHTE 50-200°C 40-70% Tīrs ūdeņradis Kosmosa izpēte
    PĪTS 30-100°C 35-50% Tīrs ūdeņradis Mazas instalācijas

    Tā kā mazās termoelektrostacijas var pieslēgt parastajam gāzes apgādes tīklam, kurināmā elementiem nav nepieciešama atsevišķa ūdeņraža padeves sistēma. 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 darbietilpīga apkope, un tie izdala augstu piesārņojošo vielu 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 uz kurināmā elementu skursteni vienā no diviem veidiem – vai nu no rūpnieciskā ūdeņraža avota, vai no šķidrās kurināmā 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, ko pašlaik izmanto daudzos veidos, tostarp vējstikla mazgātājus, plastmasas pudeles, dzinēju piedevas, 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 nepieņem ilgstošus strāvas padeves pārtraukumus, 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, to atrašanās vietu ir grūti atrast, un tiem ir labi zināmas uzticamības un apkopes problēmas. Turpretim degvielas 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 izmantošanai kritiskās lietojumprogrammās, piemēram, drošības un ēku kontroles sistēmās salīdzinājumā 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.

    Kurināmā elementu/elementu pielietojums sadales tīklos

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



    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 pārspriegumu.
    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, neizdala kaitīgas emisijas atmosfērā