Kuro elementas Nr. 1 – Motinos širdis (Motinos įsčių ieškojimas)
Aloy suras patį pirmąjį kuro elementą, kol pasieks visą pajėgumą. atviras pasaulis. Po Iniciacijos mūsų herojė atsidurs Motinos Širdyje, šventoje Noros genties vietoje ir Matriarchų buveinėje.

Išlipusi iš lovos Aloy paeiliui pereis per kelis kambarius ir viename iš jų pamatys sandarias duris, kurių negalima atidaryti. Apsidairykite – šalia bus ventiliacijos šachta, papuošta degančiomis žvakėmis. Turėtum eiti ten.

Praėję pro kasyklą atsidursite už užrakintų durų. Pažvelkite į grindis šalia žvakių ir paslaptingos paskirties sienos bloko – čia yra kuro elementas.

Svarbu: Jei nepaimsite šio kuro elemento dabar, į šią vietą vėl patekti galėsite tik vėlesniuose žaidimo etapuose, įvykdę „Noros širdies“ užduotį.

Kuro elementas Nr. 2 – griuvėsiai
Prie šių griuvėsių Aloy yra buvęs ir anksčiau – ji čia krito vaikystėje. Pabaigus Iniciaciją, verta prisiminti vaikystę ir vėl čia sugrįžti – pasiimti antrą kuro elementą.

Įėjimas į griuvėsius atrodo taip, šokinėkite drąsiai.

Jums reikia pirmojo lygio griuvėsių, apatinės dešinės srities, žemėlapyje paryškintos purpurine spalva. Čia yra durys, kurias Alojus atidarys savo ietimi.

Įėję pro duris, lipkite laiptais ir pasukite į dešinę - Aloy jaunystėje negalėjo prasibrauti pro šiuos stalaktitus, bet dabar ji ginčijasi. Vėl išimk ietį ir sulaužyk stalaktitus – kelias aiškus, belieka paimti ant stalo gulintį kuro elementą.

Kuro elementas Nr. 3 – Master's Limit (Master's Limit užduotis)
Eikime į šiaurę. Per istorijos užduotį Master's Reach Aloy tyrinėja milžiniškus Pirmtakų griuvėsius. Dar vienas kuro elementas yra paslėptas dvyliktame griuvėsių lygyje.

Reikia ne tik užkopti į aukščiausią griuvėsių lygį, bet ir pakilti kiek aukščiau. Lipkite palei išlikusią pastato dalį, kol atsidursite nedidelėje visiems vėjams atviroje vietoje.

Čia yra trečiasis kuro elementas. Belieka tik nusileisti.

Kuro elementas Nr. 4 – Mirties lobis (Mirties lobio ieškojimas)
Ši kuro elementas taip pat paslėptas šiaurinėje žemėlapio dalyje, tačiau jis yra daug arčiau Noros genties žemių. Aloy taip pat atvyks čia per istorijos misiją.

Norėdami patekti į elementą, Aloy turi atkurti elektros tiekimą uždaroms durims, esančioms trečiame vietos lygyje.

Norėdami tai padaryti, turite išspręsti nedidelį galvosūkį - lygyje po durimis yra du keturių reguliatorių blokai.

Pirma, panagrinėkime kairįjį reguliatorių bloką. Pirmasis reguliatorius turėtų „žiūrėti“ aukštyn, antrasis „į dešinę“, trečiasis „į kairę“, ketvirtasis „žemyn“.

Pereikime prie dešiniojo bloko. Nelieskite pirmųjų dviejų reguliatorių, trečiasis ir ketvirtasis reguliatoriai turėtų atrodyti „žemyn“.

Pakylame vienu lygiu aukštyn – štai paskutinis reguliatorių blokas. Teisinga tvarka: aukštyn, žemyn, kairėn, dešinėn.

Jei viską padarysite teisingai, tada visi reguliatoriai pakeis spalvą į turkio spalvą, maitinimas bus atkurtas. Lipkite atgal prie durų ir atidarykite jas – štai dar vienas kuro elementas.

Kuro elementas Nr. 5 – GAIA Prime (užduotis Fallen Mountain)
Galiausiai paskutinis kuro elementas – ir vėl pagal siužeto užduotį. Aloy keliauja į GAIA Prime griuvėsius.

Būkite ypač atsargūs, kai pateksite į trečią lygį. Tam tikru momentu priešais Alojų atsiras patraukli bedugnė, į kurią galėsite nusileisti ant virvės - jums nereikia ten eiti.

Geriau pasukti į kairę ir apžiūrėti paslėptą urvą, į jį galima patekti atsargiai nusileidus kalno šlaitu.

Eik į vidų ir eik į priekį iki pat pabaigos. Paskutiniame kambaryje dešinėje bus lentyna, ant kurios guli paskutinis kuro elementas.

Jau visai netrukus (tiksliau, savo žavingo nuotykio pradžioje) pagrindinė veikėja užklys į Forerunner bunkerį, esantį visai netoli Noros genties žemių. Šio senovinio bunkerio viduje už galingų ir aukštųjų technologijų durų bus šarvuočiai, kurie iš tolo atrodo ne tik padoriai, bet ir labai patraukliai. Šarvai vadinami „Shield Weaver“ ir iš tikrųjų yra geriausia žaidimo įranga. Todėl iš karto kyla daug klausimų: „Kaip rasti ir gauti Shield Weaver šarvus?“, „Kur rasti kuro?“, „Kaip atidaryti bunkerio duris? ir daug kitų klausimų, susijusių su ta pačia tema. Taigi, norint atidaryti bunkerio dureles ir gauti trokštamus šarvus, reikia rasti penkis kuro elementus, kurie savo ruožtu bus išsibarstę po visą žaidimų pasaulį. Žemiau aš jums pasakysiu, kur ir kaip rasti kuro elementus, kad galėtumėte išspręsti galvosūkius paieškos metu ir senovės arsenale.

: Pateiktame vadove yra ne tik išsamus teksto aprašymas, bet ir prie kiekvieno kuro elemento pridedamos ekrano nuotraukos, o pabaigoje yra vaizdo įrašas. Visa tai buvo sukurta siekiant palengvinti jūsų paiešką, todėl jei kuris nors teksto ištraukos taškas nėra aiškus, rekomenduoju žiūrėti ekrano kopijas ir vaizdo įrašą.

. Pirmasis kuras - "Motinos širdis"

Kur ir kaip rasti pirmąjį kuro elementą – kuro vietą.

Taigi, Aloy'us galės rasti patį pirmąjį kuro elementą (arba, paprasčiau tariant, kurą) gerokai prieš patekdamas į atvirą pasaulį, atlikdamas užduotį „Motinos įsčios“. Esmė ta, kad po užduoties „Iniciacija“ (kuri, beje, taip pat taikoma siužetas) pagrindinė veikėja atsidurs vietoje, vadinamoje „Motinos širdimi“, kuri yra šventa Noros genties vieta ir Matriarchų buveinė.

Kai tik mergina išlipa iš lovos, paeiliui eikite per kelis kambarius (kambarius), kur viename iš jų atsidursite sandariomis durimis, kurių tiesiog negalite atidaryti. Šiuo metu primygtinai rekomenduoju apsidairyti, nes šalia herojės (arba prie durų - kas patogiau) yra ventiliacijos šachta, papuošta degančiomis žvakėmis (apskritai, čia reikia eiti) .

Pravažiavus tam tikrą kelio dalį išilgai ventiliacijos šachtos, herojė atsidurs už užrakintų durų. Pažvelkite į grindis šalia sienos bloko ir paslaptingos paskirties žvakes – šioje vietoje guli pirmasis kuro elementas.

: Būtinai atminkite, kad jei nepasiimsite pirmojo kuro elemento prieš patekdami į atvirą pasaulį, tada po to į šią vietą galėsite patekti tik vėlesniuose perėjimo etapuose. Bet jei tiksliau, atlikus misiją „Noros širdis“, rekomenduoju kuro pasiimti jau dabar.

. Antrasis kuras - "griuvėsiai"

Kur ir kaip rasti antrą kuro elementą – kuro vietą.

Pirmas dalykas, kurį reikia žinoti ieškant antrojo kuro: pagrindinė veikėja jau buvo šioje vietoje, kai vaikystėje seniai pateko į griuvėsius (pačioje žaidimo pradžioje). Taigi atlikę užduotį „Iniciacija“ turėsite prisiminti gilią vaikystę ir dar kartą nusileisti į šią vietą, kad gautumėte antrą kuro elementą.

Žemiau yra keletas nuotraukų (ekrano kopijų). Pirmoje nuotraukoje pavaizduotas įėjimas į griuvėsius (raudona spalva). Griuvėsių viduje turėsite patekti į pirmąjį lygį – tai apatinė dešinė sritis, kuri bus paryškinta violetinėžemėlapyje. Be to, bus ir durys, kurias mergina galės atidaryti su ietimi.

Kai tik Aloy įeis pro duris, kilkite laiptais ir pasitaikius pirmai progai pasukite į dešinę: gilioje jaunystėje Aloy negalėjo ropštis per stalaktitus, tačiau dabar ji turi naudingų „žaisliukų“, kurie gali susidoroti su bet kokia užduotimi. . Taigi, išimkite ietį ir sulaužykite stalaktitus. Greitai kelias bus aiškus, tad beliks imti ant stalo gulintį kuro elementą ir eiti kito. Jei kuris nors ištraukos momentas nėra aiškus, toliau pateikiamos ekrano kopijos.

. Trečiasis kuras – „Master's Limit“

Kur ir kaip rasti trečiąjį kuro elementą – kuro vietą.

Laikas eiti į šiaurę. Vykdydamas užduotį „Master's Limit“, Aloy'us turės atidžiai ištirti ir tyrinėti milžiniškus pirmtakų griuvėsius. Taigi šiuose dvylikto lygio griuvėsiuose bus paslėptas kitas, trečiasis kuro elementas.

Todėl teks užkopti ne tik į viršutinį šių griuvėsių lygį, bet ir ten pakilti kiek aukščiau. Negaiškite brangaus laiko ir lipkite aukščiau išlikusia pastato dalimi. Lipkite aukštyn, kol atsidursite ant nedidelės platformos, atviros visiems vėjams. Tada viskas paprasta, nes viršuje bus trečias kuro elementas: jokių galvosūkių, jokių mįslių ar paslapčių. Taigi pasiimkite kuro, nusileiskite ir pirmyn.

. Ketvirtasis kuras – „Mirties lobis“

Kur ir kaip rasti ketvirtą kuro elementą – kuro vietą.

Geros naujienos yra tai, kad šis kuro elementas taip pat yra šiaurinėje Horizonto žemėlapio dalyje: Nulinė aušra, bet kartu kiek arčiau Noros genties žemių. Pagrindinis veikėjas vėl atsidurs šioje žemėlapio dalyje kitos istorijos misijos metu. Tačiau prieš patekdamas į priešpaskutinį kuro elementą, Aloy turės atkurti elektros tiekimą į sandarias duris, kurios yra trečiame vietos lygyje. Be to, norėdami tai padaryti, turėsite išspręsti mažą ir ne per sudėtingą galvosūkį. Dėlionė apima blokus ir reguliatorius (yra du blokai iš keturių reguliatorių lygiu žemiau durų). Taigi, pirmiausia rekomenduoju susitvarkyti su kairiuoju reguliatorių bloku: pirmasis reguliatorius turi būti pakeltas (žiūrėkite) aukštyn, antrasis - į dešinę, trečias - į kairę, ketvirtas - žemyn.

Po to eikite į bloką su dešinėje pusėje. Nelieskite pirmųjų dviejų reguliatorių, tačiau trečiąjį ir ketvirtąjį reguliatorius reikės išjungti. Todėl pakilkite vienu lygiu aukštyn – štai paskutinis reguliatorių blokas. Teisinga tvarka atrodys taip: 1 – aukštyn, 2 – žemyn, 3 – kairėn, 4 – dešinėn.

Kai viską padarysite teisingai, valdikliai pakeis spalvą iš baltos į turkio spalvą. Taigi elektros tiekimas bus atkurtas. Todėl grįžkite prie durų ir atidarykite jas. Už durų heroję „pasveiks“ priešpaskutinis kuro elementas, todėl ji galės eiti kito, paskutinio kuro.

. Penktasis kuras – „GAIA Prime“

Kur ir kaip rasti penktąjį kuro elementą – kuro vietą.

Pagaliau paskutinis kuro elementas. Ir vėlgi, tai galima gauti tik siužeto eigoje. Šį kartą pagrindinis veikėjas turės eiti į griuvėsius, vadinamus „GAIA Prime“. Šiuo metu būtina atkreipti dėmesį ypatingas dėmesys, kai atsiduriate netoli trečiojo lygio. Esmė ta, kad į tam tikras momentas priešais merginą atsiras patraukli bedugnė, į kurią ji galės nusileisti virve, nors ir neturėtų ten eiti.

Prieš bedugnę turėtumėte pasukti į kairę ir pirmiausia apžiūrėti paslėptą urvą: į jį galite patekti atsargiai nusileidę kalno šlaitu. Eikite į vidų ir judėkite pirmyn iki pat pabaigos. Paskutiniame kambaryje dešinėje pusėje bus lentyna, ant kurios pagaliau guli paskutinis kuro elementas. Kartu su juo dabar galite saugiai grįžti į bunkerį ir atidaryti visas spynas, kad gautumėte prabangios įrangos.

. Kaip patekti į senovės arsenalą?

Na, o dabar belieka grįžti prie Senovės arsenalas gauti ilgai lauktą atlygį. Jei neprisimenate arsenalo koridorių, pažiūrėkite į žemiau esančias ekrano kopijas, kurios padės prisiminti visą kelią.

Kai pasieksite reikiama vieta ir nusileiskite, įdėkite kuro elementus į tuščius elementus. Dėl to užsidegs reguliatoriai, todėl reikia išspręsti naują galvosūkį, kaip atidaryti duris. Taigi, pirmasis reguliatorius turi būti nukreiptas aukštyn, antrasis - į dešinę, trečias - žemyn, ketvirtas - į kairę, penktas - į viršų. Kai viską padarysite teisingai, durys atsidarys, bet tai toli gražu nesibaigė.

Toliau tenka atrakinti šarvų užraktą (ar tvirtinimus) – tai dar vienas paprastas su reguliatoriais susijęs galvosūkis, kuriame tenka panaudoti likusius kuro elementus. Pirmą rankenėlę reikia pasukti į dešinę, antrąją į kairę, trečią į viršų, ketvirtą į dešinę, penktą vėl į kairę.

Pagaliau po visų šių ilgų kankinimų bus galima pasiimti šarvus. "Skydo audėjas" yra labai gera įranga, dėl kurios pagrindinis veikėjas kurį laiką tampa beveik nepažeidžiamas. Svarbiausia nuolat stebėti šarvų spalvą: jei šarvai mirga baltai, vadinasi, viskas tvarkoje. Jei jis raudonas, skydo nebėra.

Kuro elementas yra prietaisas, kuris efektyviai gamina šilumą ir nuolatinę srovę per elektrocheminę reakciją ir naudoja kurą, kuriame gausu vandenilio. Jo veikimo principas panašus į akumuliatoriaus. Struktūriškai kuro elementą vaizduoja elektrolitas. Kuo jis ypatingas? Skirtingai nuo baterijų, vandenilio kuro elementai nekaupia elektros energijos, jų įkrovimui nereikia elektros energijos ir jie neišsikrauna. Ląstelės gamina elektrą tol, kol turi oro ir kuro tiekimą.

Ypatumai

Skirtumas tarp kuro elementų ir kitų elektros generatorių yra tas, kad eksploatuodami jie nedegina kuro. Dėl šios savybės jiems nereikia rotorių aukšto slėgio, neskleidžia stipraus triukšmo ar vibracijos. Elektra kuro elementuose susidaro tylios elektrocheminės reakcijos metu. Cheminė kuro energija tokiuose įrenginiuose tiesiogiai paverčiama vandeniu, šiluma ir elektra.

Kuro elementai yra labai efektyvūs ir negamina daug šiltnamio efektą sukeliančių dujų. Emisijos produktas ląstelės veikimo metu yra mažas kiekis vandens garų pavidalu ir anglies dvideginio, kuris neišsiskiria, jei kaip kuras naudojamas grynas vandenilis.

Išvaizdos istorija

1950-aisiais ir 1960-aisiais NASA didėjantis energijos šaltinių poreikis ilgalaikėms kosminėms misijoms išprovokavo vieną iš svarbiausių tuo metu egzistavusių kuro elementų iššūkių. Šarminės ląstelės kaip kurą naudoja deguonį ir vandenilį, kurie elektrocheminės reakcijos metu paverčiami šalutiniais produktais, naudingais skrydžio į kosmosą metu – elektra, vandeniu ir šiluma.

Kuro elementai pirmą kartą buvo atrasti m pradžios XIX amžiuje – 1838 m. Tuo pačiu metu pasirodė pirmoji informacija apie jų veiksmingumą.

Kuro elementų, naudojant šarminius elektrolitus, darbas prasidėjo XX amžiaus ketvirtojo dešimtmečio pabaigoje. Ląstelės su nikeliu padengtais aukšto slėgio elektrodais buvo išrastos tik 1939 m. Antrojo pasaulinio karo metu britų povandeniniams laivams buvo sukurti kuro elementai, sudaryti iš maždaug 25 centimetrų skersmens šarminių elementų.

Susidomėjimas jais išaugo 1950–80-aisiais, kuriam būdingas naftos kuro trūkumas. Pasaulio šalys ėmėsi spręsti oro ir aplinkos taršos problemas, siekdamos sukurti aplinkai nekenksmingus elektros gamybos būdus. Šiuo metu aktyviai vystoma kuro elementų gamybos technologija.

Veikimo principas

Šilumą ir elektrą gamina kuro elementai dėl elektrocheminės reakcijos, kurioje dalyvauja katodas, anodas ir elektrolitas.

Katodas ir anodas yra atskirti protonams laidžiu elektrolitu. Kai deguonis patenka į katodą, o vandenilis - į anodą, jis prasideda cheminė reakcija, kurio rezultatas – šiluma, srovė ir vanduo.

Disocijuoja ant anodo katalizatoriaus, todėl prarandami elektronai. Vandenilio jonai patenka į katodą per elektrolitą, o elektronai tuo pačiu metu praeina per išorinį. elektros tinklas ir sukurti nuolatinę srovę, kuri naudojama įrangai maitinti. Deguonies molekulė ant katodo katalizatoriaus susijungia su elektronu ir įeinančiu protonu, galiausiai sudarydama vandenį, kuris yra vienintelis reakcijos produktas.

Tipai

Konkretaus kuro elemento tipo pasirinkimas priklauso nuo jo pritaikymo. Visi kuro elementai skirstomi į dvi pagrindines kategorijas – aukšta temperatūra ir žema temperatūra. Pastarieji kaip kurą naudoja gryną vandenilį. Tokiems įrenginiams paprastai reikia perdirbti pirminį kurą į gryną vandenilį. Procedūra atliekama naudojant specialią įrangą.

Aukštos temperatūros kuro elementams to nereikia, nes jie konvertuoja kurą esant pakilusios temperatūros, todėl nebereikia kurti vandenilio infrastruktūros.

Vandenilio kuro elementų veikimo principas pagrįstas cheminės energijos pavertimu elektros energija be neefektyvių degimo procesų ir šiluminės energijos pavertimu mechanine energija.

Bendrosios sąvokos

Vandenilio kuro elementai yra elektrocheminiai prietaisai, kurie gamina elektros energiją labai efektyviai „šaltai“ degindami kurą. Yra keletas tipų panašių įrenginių. Perspektyviausia technologija laikomos vandenilio-oro kuro elementai su protonų mainų membrana PEMFC.

Protonams laidžios polimerinės membranos skirtos atskirti du elektrodus – katodą ir anodą. Kiekvienas iš jų yra pavaizduotas anglies matrica, ant kurios yra nusodintas katalizatorius. disocijuoja ant anodo katalizatoriaus, atiduodamas elektronus. Katijonai per membraną nukreipiami į katodą, tačiau elektronai perduodami į išorinę grandinę, nes membrana nėra skirta elektronams perduoti.

Deguonies molekulė ant katodo katalizatoriaus susijungia su elektronu iš elektros grandinė ir įeinantį protoną, galiausiai sudarantį vandenį, kuris yra vienintelis reakcijos produktas.

Vandenilio kuro elementai naudojami membraniniams elektrodams gaminti, kurie veikia kaip pagrindiniai energijos sistemos generuojantys elementai.

Vandenilio kuro elementų privalumai

Tarp jų yra:

• Padidėjęs specifinė šiluma.
• Platus darbinės temperatūros diapazonas.
• Nėra vibracijos, triukšmo ar karščio dėmių.
• Šalto užvedimo patikimumas.
• Nėra savaiminio išsikrovimo, kuris užtikrina ilgalaikį energijos kaupimą.
• Neribota autonomija dėl galimybės reguliuoti energijos intensyvumą keičiant kuro kasečių skaičių.
• Teikti praktiškai bet kokį energijos intensyvumą keičiant vandenilio kaupimo talpą.
• Ilgalaikis operacija.
• Tylus ir aplinkai nekenksmingas veikimas.
• Aukštas energijos intensyvumo lygis.
• Atsparumas pašalinėms vandenilio priemaišoms.

Taikymo sritis

Dėl didelio efektyvumo vandenilio kuro elementai naudojami įvairiose srityse:

• Nešiojami įkrovikliai.
• UAV maitinimo sistemos.
• Nepertraukiamo maitinimo šaltiniai.
• Kiti įrenginiai ir įranga.

Vandenilio energijos perspektyvos

Plačiai panaudoti vandenilio peroksido kuro elementus bus galima tik sukūrus efektyvus būdas vandenilio gavimas. Reikia naujų idėjų, kad technologija būtų pradėta aktyviai naudoti, daug vilčių dedant į biokuro elementų ir nanotechnologijų koncepciją. Kai kurios įmonės palyginti neseniai išleido veiksmingus katalizatorius įvairių metalų, tuo pačiu metu pasirodė informacija apie kuro elementų be membranų sukūrimą, o tai leido žymiai sumažinti gamybos sąnaudas ir supaprastinti dizainą panašių įrenginių. Vandenilio kuro elementų privalumai ir charakteristikos nenusveria pagrindinio jų trūkumo – didelės kainos, ypač lyginant su angliavandenilių įrenginiais. Vienai vandenilio jėgainei sukurti reikia mažiausiai 500 tūkstančių dolerių.

Kaip surinkti vandenilio kuro elementą?

Mažos galios kuro elementą galite sukurti patys įprastoje namų ar mokyklos laboratorijoje. Naudotos medžiagos – sena dujokaukė, organinio stiklo gabalai, vandeninis etilo alkoholio ir šarmo tirpalas.

Vandenilio kuro elemento korpusas yra sukurtas savo rankomis iš organinio stiklo, kurio storis ne mažesnis kaip penki milimetrai. Pertvaros tarp skyrių gali būti plonesnės – apie 3 milimetrus. Plexiglas klijuojamas specialiais klijais iš chloroformo arba dichloretano ir organinio stiklo drožlių. Visi darbai atliekami tik veikiant gaubtui.

IN išorinė siena korpuse išgręžiama 5-6 centimetrų skersmens skylė, į kurią įkišamas guminis kamštis ir kanalizacija stiklinis vamzdis. Aktyvuota anglis iš dujokaukės pilamas į antrąjį ir ketvirtąjį kuro elementų korpuso skyrius – jis bus naudojamas kaip elektrodas.

Pirmoje kameroje cirkuliuos kuras, o penktoji pripildyta oro, iš kurio bus tiekiamas deguonis. Elektrolitas, pilamas tarp elektrodų, impregnuojamas parafino ir benzino tirpalu, kad nepatektų į oro kamerą. Ant anglies sluoksnio dedamos varinės plokštės su prie jų prilituotais laidais, per kurias bus nuleidžiama srovė.

Surinktas vandenilio kuro elementas įkraunamas degtine, praskiesta vandeniu santykiu 1:1. Į gautą mišinį atsargiai įpilamas kaustinis kalis: 70 gramų kalio ištirpinama 200 gramų vandens.

Prieš bandant vandenilio kuro elementą, degalai pilami į pirmąją kamerą, o elektrolitas – į trečią. Prie elektrodų prijungto voltmetro rodmenys turi svyruoti nuo 0,7 iki 0,9 volto. Norint užtikrinti nenutrūkstamą elemento veikimą, panaudotas kuras turi būti pašalintas ir per guminis vamzdis- įkelti naują. Suspaudus vamzdelį, reguliuojamas kuro padavimo greitis. Tokie vandenilio kuro elementai, surinkti namuose, turi mažai galios.

Automobilių vairavimo kuro elementai yra elektrocheminiai degaluose esančios energijos keitikliai tiesiai į elektros energiją. Vandenilio-deguonies kuro elemente vandenilis vyksta „šalto degimo“ reakcija su deguonimi, kurios metu susidaro ir susidaro vanduo. elektros srovė. Kuro elementuose nėra judančių dalių, jie veikia be mechaninės trinties, su žemu triukšmo lygiu ir be teršalų išmetimo.

Turinys

Kuro elementų veikimo principas

Kuro elementas susideda iš dviejų elementų (anodo ir katodo), atskirtų elektrolitu ( žr. pav. „PEM tipo kuro elemento veikimo principas“). Elektrolitas yra nepralaidus elektronams. Elektrodai yra sujungti vienas su kitu išorine elektros grandine.

Automobiliai daugiausia naudoja kuro elementus su polimerine membrana kaip elektrolitą, dar vadinamą protonų mainais. REM) (žr. pav. "PEM tipo kuro elemento struktūra"). Kuro elementų veikimo principas aprašytas toliau, naudojant tokio tipo elementus kaip pavyzdį.

PEM kuro elemente vandenilis nukreipiamas į anodą, kur jis oksiduojamas. Taip susidaro jonai H+ (protonai) ir elektronai (žr. 1 pav., a).

Anodas: 2 N 2 -» 4 N + + 4 e — .

Elektrolitas gali būti laikomas protonams laidžia polimerine membrana. Elektrolitas pralaidus protonams, bet ne elektronams. Anode susidarę H+ protonai praeina pro membraną ir pasiekia katodą. Kad protonai prasiskverbtų pro membraną, ji turi būti pakankamai drėkinama. Deguonis nukreipiamas į katodą, kur redukuojamas ( žr. pav. b, „PEM tipo kuro elemento veikimo principas“). Redukcija atsiranda dėl to, kad elektronai pereina iš anodo į katodą per išorinę elektros grandinę.

Katodas: O 2 + 4 e - -> 2 O 2- .

Įjungta kitas etapas reakcijų jonai O 2- reaguoja su protonais ir susidaro vanduo.

Katodas: 4 H + + 2 O 2- -> 2 H 2 O .

Dėl bendros reakcijos, vykstančios kuro elemente, iš vandenilio ir deguonies susidaro vanduo ( žr. pav. c, „PEM tipo kuro elemento veikimo principas“). Skirtingai nuo detonuojančių dujų reakcijos, kai vandenilis ir deguonis sprogstamai reaguoja vienas su kitu, čia reakcija vyksta „šalto nudegimo“ pavidalu, nes reakcijos etapai vyksta atskirai anode ir katode.

Bendra reakcija: 2 H 2 + O 2 -> 2 H 2 O .

Aukščiau aprašytos reakcijos vyksta ant katalizinių elektrodų dangų. Platina dažniausiai naudojama kaip katalizatorius.

Teorinė vieno elemento įtampa

Teorinė vieno vandenilio-deguonies kuro elemento įtampa 25 °C temperatūroje yra 1,23 V. Ši vertė gaunama iš standartines vertes elektrodų potencialai. Tačiau praktiškai elemento veikimo metu ši įtampa nepasiekiama; jis yra 0,5-1,0 V. Įtampos praradimas gali būti paaiškintas vidine elemento varža arba apribojimais, atsirandančiais dėl dujų difuzijos ( žr. pav. "Kuro elemento elektrinės charakteristikos"). Iš esmės įtampa priklauso nuo temperatūros, vandenilio ir deguonies stechiometrinio santykio su pagamintos elektros kiekiu, vandenilio ir deguonies dalinio slėgio bei srovės tankio.

Automobiliuose naudojami kuro elementų akumuliatoriai, kurių talpa nuo 5 iki 100 kW. Techniniam elementų panaudojimui reikalingoms aukštoms įtampoms gauti, elementai nuosekliai jungiami į baterijas (žr. 4 pav. „Kuro elementų kamino sandara“). Baterijose gali būti nuo 40 iki 450 elementų, t.y. maksimali jų darbinė įtampa svyruoja nuo 40 iki 450 V.

Didelės elektros srovės vertės pasiekiamos dėl tinkamo membranos paviršiaus ploto. Automobilių kuro elementų baterijų išėjimo srovė siekia 500 A.

Kuro elementų sistemos veikimo principas

Norint naudoti kuro elementų kaminą, reikalingi vandenilio ir deguonies tiekimo posistemiai ( žr. 5 pav. "Elektrinė pavara su kuro elementų sistema"). Iš esmės šios sistemos gali būti įdiegtos įvairiais būdais. Čia aprašyta parinktis naudojama daugeliu atvejų.

Kuro elementų vandenilio tiekimo sistema

Vandenilio tiekimas yra laikomas aukšto slėgio cilindre (700 barų). Naudojant reduktorių, vandenilio slėgis sumažinamas iki maždaug 10 barų ir vandenilis patenka į dujų purkštuką.

Purkštukas yra solenoidinis vožtuvas, kuris nustato vandenilio slėgį anodo pusėje. Skirtingai nei kuro purkštukai vidaus degimo variklių, vandenilio purkštukas turi užtikrinti pastovų masės srautas. Tipinė vandenilio suvartojimo vertė esant 100 kW galiai yra 2,1 g/s. Didžiausias vandenilio slėgis yra 2,5 baro.

Kuro elementų kamino veikimui reikalingas pastovus vandenilio srautas anodo pusėje (homogenizacijos matas). Tam tikslui sistemoje organizuojama vandenilio recirkuliacija.

Anodo pusėje esančios anodą žalingos pašalinės dujos nuolat pašalinamos per solenoidinį išleidimo vožtuvą. Tai apsaugo nuo pašalinių dujų kaupimosi iš cilindro arba difuzinių dujų (azoto, vandens garų) iš katodo pusės. Vožtuvas sumontuotas ant akumuliatoriaus išleidimo angos, anodo pusėje. Vandens pertekliui nuleisti anodo kelyje naudojamas vožtuvas, kuris atidaromas esant nulinei elektros srovei.

Vandenilis, kuris neišvengiamai išbėga nusausinant, arba stipriai atskiedžiamas oru, arba kataliziškai paverčiamas vandeniu.

Deguonies tiekimas kuro elementams

Elektrocheminei reakcijai reikalingas deguonis paimamas iš aplinkinio oro. Reikalingas deguonies masės srautas, iki 100 g/s, priklausomai nuo reikalingos akumuliatoriaus galios, tiekiamas kompresoriumi. Deguonis kompresoriumi suspaudžiamas iki ne daugiau kaip 2,5 baro ir tiekiamas į kuro elemento katodo pusę. Slėgis kuro elemente reguliuojamas dinaminiu slėgio reguliavimo vožtuvu, sumontuotu išmetamųjų dujų kelyje kuro elemento išleidimo angoje.

Siekiant užtikrinti pakankamą polimerinės membranos drėkinimą, į elementą tiekiamas oras drėkinamas arba naudojant papildomą membraną, arba įpurškiant kondensuotą vandenį.

Kuro elementų terminis balansas

Elektros efektyvumas kuro elementai sudaro apie 50 proc. Kitaip tariant, cheminės energijos konversijos procesas sukuria maždaug tiek pat šiluminės energijos, kiek ir elektros energijos kiekis. Šią šilumą reikia išsklaidyti. PEM kuro elementų darbinė temperatūra yra maždaug 85 °C, tai yra žemesnė nei vidaus degimo variklių temperatūra. Nepaisant didesnio efektyvumo, naudojant kuro elementus transporto priemonėje, radiatorius ir radiatoriaus ventiliatorius turi būti padidinti.

Kadangi naudojamas aušinimo skystis tiesiogiai liečiasi su kuro elementais, jis turi būti elektrai nelaidus (dejonizuotas). Užtikrinta aušinimo skysčio cirkuliacija elektrinis siurblys. Aušinimo skysčio srautas iki 12 000 l/val. Temperatūros reguliavimo vožtuvas paskirsto aušinimo skysčio srautą tarp radiatoriaus ir aplinkkelio.

Sistemoje naudojamas aušinimo skystis, kuris yra dejonizuoto vandens ir etilenglikolio mišinys. Transporto priemonės aušinimo skystis turi būti dejonizuotas. Šiuo tikslu jis praleidžiamas per jonų keitiklį, užpildytą specialia derva, ir išvalomas jonus pašalinančio proceso metu. Aušinimo skysčio laidumas turi būti mažesnis nei 5 µS/cm.

Kuro elementų sistemos efektyvumas

Be to, kad kuro elementų kaminas būtų greitai paruoštas tiekti energiją optimaliausiomis darbo sąlygomis, svarbu užtikrinti aukštą efektyvumą. sistemos.

Įjungta ryžių. "Kuro elementų kamino ir kuro elementų sistemos efektyvumas" pateikiamas efektyvumo palyginimas. efektyvios kuro elementų baterijos visa sistema. Dalį elektros energijos suvartoja pagalbiniai komponentai, tokie kaip kompresorius, todėl sumažėja bendras efektyvumas. sistemos. Tačiau kuro elementų sistemos turi didesnį efektyvumą nei vidaus degimo varikliai, ypač kai jos veikia dalinės apkrovos diapazone.

Transporto priemonių kuro elementų sauga

Siekiant užtikrinti saugumą, transporto priemonėje sumontuoti keli vandenilio koncentracijos jutikliai. Vandenilis yra bespalvės ir bekvapės dujos, kurios, esant maždaug 4% tūrio koncentracijai, paverčia orą degiu mišiniu. Jutikliai gali aptikti vandenilio koncentraciją nuo 1%.

Kuro elementų transporto priemonių veikimo principas

Kuro elementų transporto priemonės – tai elektrinės transporto priemonės, kuriose elektrą, skirtą elektrinei pavarai maitinti, gamina kuro elementų sistema.

Dėl daugelio priežasčių patartina į sistemą įtraukti traukos akumuliatorių:

• tai leidžia kaupti energiją regeneracinio stabdymo metu;
• tai padeda pagerinti dinamines pavaros charakteristikas;
• Pakeitus apkrovos paskirstymą tarp kuro elementų sistemos ir traukos akumuliatoriaus, efektyvumą galima dar labiau padidinti. vairuoti.

Kadangi traukos akumuliatorius yra papildomas šaltinis energijos, tokios transporto priemonės yra žinomos kaip hibridinės kuro elementų transporto priemonės. Traukos akumuliatoriaus galios ir visos galios santykis (hibridizacijos laipsnis) skiriasi priklausomai nuo sistemos taikymo.

Paprastai kuro elementų sistemos naudojamos kaip pagrindinis varomosios jėgos šaltinis. Šios transporto priemonės yra žinomos kaip hibridinės kuro elementų transporto priemonės ( FCHV). Paprastai kuro elementų sistemų galia yra 60–100 kW. Traukos akumuliatoriai turi vardinė galia iki 30 kW su 1-2 kWh galia.

Arba traukos akumuliatorius gali turėti žymiai didesnę galią ir talpą, o prireikus jį įkrauti iš kuro elementų sistemos. Tokiu atveju pakanka turėti kuro elementų akumuliatorių, kurio vardinė galia nuo 10 iki 30 kW. Transporto priemonės su tokia energijos šaltinio konfigūracija yra žinomos kaip didelio nuotolio kuro elementų transporto priemonės ( FC-REX).

Elektros energijos paskirstymas tarp kuro elementų sistemos, traukos akumuliatoriaus ir elektros pavaros atliekamas vienu ar daugiau nuolatinės srovės-DC keitiklių. Pateikiamos įvairios tokių keitiklių konfigūracijos, kurių pasirinkimas priklauso nuo pritaikymo ryžių. “. Įtampos keitiklio konfigūracijos kuro elementų pavaros sistemose". Priklausomai nuo konfigūracijos, pavaros maitinimo įtampa yra identiška vieno iš dviejų maitinimo šaltinių ( žr. pav. A Ir b), arba izoliuotas nuo traukos akumuliatoriaus ir kuro elementų akumuliatoriaus įtampos ( žr. pav. Su).

Elektros pavaros sistema

Elektrinė pavaros sistema apima galią elektroninis blokas(keitiklis) ir elektros variklis. Elektros variklis – tai sinchroninė arba asinchroninė elektros mašina, kuri maitinama keitikliu taip, kad išgautų reikiamą sukimo momentą. Kadangi elektrinė pavara turi didelę galią (apie 100 kW), darbinė įtampa gali siekti net 450 V. Automobilių pramonėje vartojamos sąvokos „aukšta įtampa“ ir „aukšta įtampa“. elektros sistema aukšta įtampa“. Aukštos įtampos elektros sistema yra izoliuota nuo transporto priemonės įžeminimo.

Automobiliui stabdant elektros variklis persijungia į generatoriaus režimą ir generuoja elektros srovę. Elektra kaupiama traukos akumuliatoriuje.

Naudojant aukštos įtampos keitiklį DC paverčiama daugiafaze kintamąja įtampa, kurios amplitudė reguliuojama priklausomai nuo reikalingo sukimo momento. Paprastai keitikliai su išėjimo pakopos pagrįsti izoliuotų vartų dvipoliais tranzistoriais ( IGBT).

Traukos akumuliatorius

Priklausomai nuo hibridizacijos laipsnio, naudojami didelės talpos arba didelės energijos akumuliatoriai, kurių įtampa yra nuo 150 iki 400 V. Didelės talpos akumuliatoriuose naudojami nikelio-metalo hidrido arba ličio jonų akumuliatoriai, o didelės energijos akumuliatoriuose – tik ličio. - jonų baterijos. Traukos akumuliatoriaus stebėjimo sistema stebi akumuliatoriaus įkrovos būseną ir talpą.

DC/DC keitiklis traukos akumuliatoriui

Traukos akumuliatoriaus nuolatinės srovės įtampos keitiklis reguliuoja traukos akumuliatoriaus įkrovimo srovę ir išėjimo srovę (iki 300 A ) . Kai kurios sistemos konfigūracijos leidžia apsieiti be šio keitiklio.

Kuro elementų akumuliatoriaus nuolatinės srovės įtampos keitiklis

Kitas DC-DC keitiklis yra kuro elementų akumuliatoriaus įtampos keitiklis, kuris reguliuoja išėjimo srovę iki 500 A. Kai kurioms sistemos konfigūracijoms šio keitiklio nereikia.

12V DC keitiklis

Kaip ir įprastose transporto priemonėse, kuro elementų transporto priemonėse yra 12 V elektros sistema. 12 V įtampa konvertuojama iš aukštos įtampos. Šiuo tikslu naudojamas DC-DC keitiklis, sujungtas tarp dviejų sistemų. Saugumo sumetimais šis keitiklis yra elektra izoliuotas. Jis veikia viena kryptimi arba dviem kryptimis, o jo galia yra iki 3 kW.

Kuro elementų pavaros sistemų perspektyvos

Kuro elementų pavaros sistemos jau įrodė savo tinkamumą kasdieniam naudojimui. Tačiau komerciniam naudojimui automobilių pavarų sistemose kuro elementai turi būti patobulinti efektyvumo ir masinės gamybos galimybių požiūriu.

Sistemos supaprastinimas sumažina išlaidas ir padidina patikimumą. Viena iš krypčių – naujų polimerinių membranų kuro elementams kūrimas, nereikalaujantis reakcijos metu susidarančių dujų drėkinimo ir tuo pačiu leidžiančių padidinti darbinę temperatūrą.

Be to, būtina žymiai sumažinti visų komponentų kainą. Šiuo atžvilgiu yra didelis potencialas sumažinti platinos kiekį kuro elemento kataliziniame sluoksnyje.

Kitame straipsnyje kalbėsiu apie .

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

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

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

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

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

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

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

Matyti, kad reakcija 2H2 + O2 → H2O yra tokia pati kaip ir įprasto degimo metu, bet kuro elemente arba kitaip - elektrocheminis generatorius, rezultatas yra didelio efektyvumo elektros srovė ir iš dalies šildoma. Atkreipkite dėmesį, kad anglys, anglies monoksidas, alkoholiai, hidrazinas ir kt. taip pat gali būti naudojami kaip kuras kuro elementuose. organinės medžiagos, o kaip oksidatoriai - oras, vandenilio peroksidas, chloras, bromas, azoto rūgštis ir kt.

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

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

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

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

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

Kitas spartaus kuro elementų vystymosi etapas prasidėjo 90-aisiais. praėjusį šimtmetį ir tęsiasi iki šiol. Tai lemia naujų efektyvių energijos šaltinių, susijusių, viena vertus, su pasauliniu mastu poreikis aplinkos problema didėjančios šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijos deginant iškastinį kurą ir, kita vertus, išeikvojamos tokio kuro atsargos. Kadangi kuro elemente galutinis vandenilio degimo produktas yra vanduo, jie laikomi švariausiais poveikio aplinkai požiūriu. Pagrindinė problema yra tik rasti veiksmingą ir nebrangų būdą vandenilio gamybai.

Milijardai finansines investicijas Dėl kuro elementų ir vandenilio generatorių kūrimo turėtų būti pasiektas technologinis proveržis ir jų naudojimas kasdieniame gyvenime taptų realybe: elementuose mobiliuosius telefonus, automobiliuose, elektrinėse. Jau dabar tokie automobilių gigantai kaip „Ballard“, „Honda“, „Daimler Chrysler“, „General Motors“ demonstruoja automobilius ir autobusus, varomus 50 kW galios kuro elementais. Susikūrė nemažai įmonių Demonstracinės jėgainės, kuriose naudojamos kuro elementai su kieto oksido elektrolitu, kurių galia iki 500 kW. Tačiau, nepaisant reikšmingo proveržio gerinant kuro elementų charakteristikas, daug problemų, susijusių su jų kaina, patikimumu ir sauga, vis dar turi būti išspręstos.

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

Kuro elemente, kaip ir baterijose, kuro oksidacijos ir deguonies redukcijos reakcijos yra erdviškai atskirtos, o „degimo“ procesas vyksta tik tada, kai elementas tiekia srovę į apkrovą. Tai kaip tik dyzelinis elektros generatorius, tik be dyzelino ir generatoriaus. Taip pat be dūmų, triukšmo, perkaitimo ir daug daugiau didelis efektyvumas. Pastarasis paaiškinamas tuo, kad, pirma, nėra tarpinių mechaniniai įrenginiai ir, antra, kuro elementas nėra šilumos variklis ir dėl to nepaklūsta Karno dėsniui (tai yra, jo efektyvumą lemia ne temperatūrų skirtumai).

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

2H2 + O2 → 2H2O + elektra + šiluma.

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

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

1 pav. Kuro elemento veikimo principas

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

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

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

2 pav. Metanolio kuro elemento veikimo principas

Pagrindinis skirtumas tarp vandenilio ir metanolio kuro elementų yra naudojamas katalizatorius. Katalizatorius metanolio kuro elemente leidžia protonus pašalinti tiesiai iš alkoholio molekulės. Taigi, degalų problema išspręsta – metilo alkoholis gaminamas masiškai chemijos pramonė, jį lengva laikyti ir transportuoti, o metanolio kuro elementą įkrauti taip paprasta, kaip pakeisti kuro kasetę. Tiesa, yra vienas reikšmingas trūkumas – metanolis yra toksiškas. Be to, metanolio kuro elemento efektyvumas yra žymiai mažesnis nei vandenilio.

Ryžiai. 3. Metanolio kuro elementas

Labiausiai viliojantis variantas yra naudoti jį kaip kurą etanolis, naudos gamyba ir paskirstymas alkoholiniai gėrimai bet kokios sudėties ir stiprumo yra gerai žinomas visame pasaulyje. Tačiau etanolinių kuro elementų efektyvumas, deja, net mažesnis nei metanolinių.

Kaip jau buvo pastebėta per daugelį kuro elementų plėtros metų, įvairių tipų kuro elementai. Kuro elementai skirstomi pagal elektrolitą ir kuro tipą.

1. Kieto polimero vandenilio-deguonies elektrolitas.

2. Kieto polimero metanolio kuro elementai.

3. Šarminiai elektrolitų elementai.

4. Fosforo rūgšties kuro elementai.

5. Kuro elementai iš išlydytų karbonatų.

6. Kietojo oksido kuro elementai.

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

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

Projektuojant kuro elementus daug dėmesio skiriama šilumos šalinimo sistemai, nuo kada didelio tankio srovės (iki 1A/cm2) sistema savaime įkaista. Aušinimui naudojamas vanduo, cirkuliuojantis kuro elemente specialiais kanalais, o esant mažoms galioms – pučiant orą.

Taigi, moderni sistema Be paties kuro elemento akumuliatoriaus, elektrocheminis generatorius yra „apaugęs“ daugybe pagalbinių įrenginių, tokių kaip: siurbliai, oro tiekimo kompresorius, vandenilio įpurškimas, dujų drėkintuvas, aušinimo blokas, dujų nuotėkio stebėjimo sistema, DC-AC keitiklis, valdymo procesorius ir tt Visa tai lemia tai, kad kuro elementų sistemos kaina 2004-2005 m. buvo 2-3 tūkst. $/kW. Ekspertų teigimu, kuro elementus bus galima naudoti transporto ir stacionariose elektrinėse už 50–100 USD/kW kainą.

Kuro elementų įvedimui į kasdieniame gyvenime, kartu su pigesniais komponentais, turime tikėtis naujų originalių idėjų ir požiūrių. Visų pirma, didelės viltys dedamos į nanomedžiagų ir nanotechnologijų naudojimą. Pavyzdžiui, neseniai kelios įmonės paskelbė apie itin efektyvių katalizatorių, ypač deguonies elektrodų, pagrįstų įvairių metalų nanodalelių sankaupomis, sukūrimą. Be to, buvo gauta pranešimų apie bemembraninius kuro elementų dizainus, kuriuose skystas kuras(pavyzdžiui, metanolis) tiekiamas į kuro elementą kartu su oksidatoriumi. Taip pat įdomi yra besivystanti biokuro elementų, veikiančių užterštuose vandenyse ir sunaudojančių ištirpusį oro deguonį kaip oksidatorių, o organines priemaišas kaip kurą, koncepcija.

Ekspertų teigimu, artimiausiais metais kuro elementai pateks į masinę rinką. Iš tiesų, vienas po kito kūrėjai įveikia technines problemas, praneša apie sėkmę ir pristato kuro elementų prototipus. Pavyzdžiui, „Toshiba“ pademonstravo gatavą metanolio kuro elemento prototipą. Jo dydis yra 22x56x4,5 mm, o jo galia yra apie 100 mW. Vieno papildymo 2 kubeliais koncentruoto (99,5%) metanolio pakanka 20 valandų MP3 grotuvo veikimo. „Toshiba“ išleido komercinį kuro elementą mobiliesiems telefonams maitinti. Vėlgi, ta pati „Toshiba“ demonstravo 275x75x40 mm dydžio nešiojamiesiems kompiuteriams maitinimo elementą, leidžiantį kompiuteriui veikti 5 valandas vienu įkrovimu.

Nedaug nuo Toshiba atsilieka ir kita Japonijos kompanija „Fujitsu“. 2004 metais ji taip pat pristatė elementą, veikiantį 30 proc. vandeninis tirpalas metanolis. Šis kuro elementas veikė vienu 300 ml įkrovimu 10 valandų ir pagamino 15 W galią.

„Casio“ kuria kuro elementą, kuriame metanolis pirmiausia paverčiamas H2 ir CO2 dujų mišiniu miniatiūriniame kuro keitiklyje, o tada tiekiamas į kuro elementą. Demonstracijos metu „Casio“ prototipas nešiojamąjį kompiuterį maitino 20 valandų.

„Samsung“ taip pat padarė savo ženklą kuro elementų srityje – 2004 m. pademonstravo savo 12 W prototipą, skirtą nešiojamam kompiuteriui maitinti. Apskritai „Samsung“ kuro elementus pirmiausia planuoja naudoti ketvirtos kartos išmaniuosiuose telefonuose.

Reikia pasakyti, kad Japonijos įmonės paprastai labai kruopščiai kūrė kuro elementus. Dar 2003 m. tokios kompanijos kaip „Canon“, „Casio“, „Fujitsu“, „Hitachi“, „Sanyo“, „Sharp“, „Sony“ ir „Toshiba“ suvienijo jėgas, kad sukurtų vieną kuro elementų standartą nešiojamiesiems kompiuteriams, mobiliesiems telefonams, delniniams kompiuteriams ir kt. elektroniniai prietaisai. Amerikos kompanijos, kurių šioje rinkoje taip pat daug, daugiausia dirba pagal sutartis su kariuomene ir kuria kuro elementus amerikiečių karių elektrifikavimui.

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

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

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

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

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