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 aukšto slėgio rotorių, neskleidžia didelio 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 didelis kiekisšiltnamio 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. Po to, kai deguonis patenka į katodą, o vandenilis patenka į anodą, prasideda cheminė reakcija, dėl kurios susidaro 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 tipo pasirinkimas kuro elementas priklauso nuo jo taikymo srities. Visi kuro elementai skirstomi į dvi pagrindines kategorijas – aukštos temperatūros ir žemos temperatūros. Pastarieji kaip kurą naudoja gryną vandenilį. Tokiems įrenginiams paprastai reikia perdirbti pirminį kurą į gryną vandenilį. Procesas atliekamas naudojant speciali įranga.

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 laikomi 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:

• Padidėjusi savitoji šiluminė galia.
• 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.
• Ilgas tarnavimo laikas.
• 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 veiksmingą vandenilio gamybos būdą. 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 vamzdelis. Aktyvuota anglis iš dujokaukės pilama į antrąjį ir ketvirtąjį kuro elementų korpuso skyrius – ji bus naudojama kaip elektrodas.

Pirmoje kameroje cirkuliuos kuras, o penktoji bus užpildyta oru, 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 turėtų 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.

IN šiuolaikinis gyvenimas Cheminių energijos šaltinių yra visur: žibintuvėlių baterijos, mobiliųjų telefonų baterijos, vandenilio kuro elementai, kurie jau naudojami kai kuriuose automobiliuose. Spartus elektrocheminių technologijų vystymasis gali lemti tai, kad artimiausiu metu vietoje benzinu varomų automobilių mus sups tik elektromobiliai, telefonai nebebus greitai išsikraunantys, o kiekviename būste bus atskiras kuro elementų elektra. generatorius. Viena iš bendrų Uralo federalinio universiteto ir Rusijos mokslų akademijos Uralo filialo Aukštatemperatūrinės elektrochemijos instituto programų yra skirta elektrocheminių kaupiklių ir elektros generatorių efektyvumui didinti, bendradarbiaudami su ja skelbiame. šis straipsnis.

Šiandien jų yra daug skirtingų tipų baterijos, tarp kurių naršyti tampa vis sunkiau. Ne visiems aišku, kuo baterija skiriasi nuo superkondensatoriaus ir kodėl galima naudoti vandenilio kuro elementą, nebijant pakenkti aplinkai. Šiame straipsnyje kalbėsime apie tai, kaip cheminės reakcijos naudojamos elektros gamybai, kuo skiriasi pagrindiniai šiuolaikinių cheminių srovės šaltinių tipai ir kokios perspektyvos atsiveria elektrocheminei energijai.

Chemija kaip elektros šaltinis

Pirmiausia išsiaiškinkime, kodėl cheminė energija apskritai gali būti naudojama elektros energijai gaminti. Reikalas tas, kad redokso reakcijų metu elektronai perkeliami tarp dviejų skirtingų jonų. Jei dvi cheminės reakcijos pusės yra atskirtos erdvėje taip, kad oksidacija ir redukcija vyktų atskirai viena nuo kitos, tada galima įsitikinti, kad elektronas, paliekantis vieną joną, ne iš karto patenka į antrąjį, o pirmiausia praeina kartu. jam iš anksto numatytu keliu. Ši reakcija gali būti naudojama kaip elektros srovės šaltinis.

Pirmą kartą šią koncepciją XVIII amžiuje įgyvendino italų fiziologas Luigi Galvani. Tradicinio galvaninio elemento veikimas pagrįstas skirtingos veiklos metalų redukcijos ir oksidacijos reakcijomis. Pavyzdžiui, klasikinis elementas yra galvaninis elementas, kuriame oksiduojamas cinkas ir redukuojamas varis. Redukcijos ir oksidacijos reakcijos vyksta atitinkamai katode ir anode. O kad vario ir cinko jonai nepatektų į „svetimą teritoriją“, kur gali tiesiogiai tarpusavyje reaguoti, tarp anodo ir katodo dažniausiai dedama speciali membrana. Dėl to tarp elektrodų atsiranda potencialų skirtumas. Jei elektrodus prijungiate, pavyzdžiui, prie lemputės, susidariusioje elektros grandinėje pradeda tekėti srovė ir lemputė užsidega.

Galvaninių elementų diagrama

Wikimedia Commons

Be anodo ir katodo medžiagų, svarbus cheminės srovės šaltinio komponentas yra elektrolitas, kurio viduje juda jonai, o ties kurio riba vyksta visos elektrocheminės reakcijos su elektrodais. Tokiu atveju elektrolitas neturi būti skystas – tai gali būti tiek polimerinė, tiek keraminė medžiaga.

Pagrindinis galvaninio elemento trūkumas yra ribotas veikimo laikas. Kai tik reakcija baigsis (tai yra, visas palaipsniui tirpstantis anodas bus visiškai sunaudotas), toks elementas tiesiog nustos veikti.

AA šarminės baterijos

Įkraunamas

Pirmasis žingsnis plečiant cheminių srovės šaltinių galimybes buvo baterijos – srovės šaltinio, kurį galima įkrauti ir todėl panaudoti pakartotinai, sukūrimas. Norėdami tai padaryti, mokslininkai tiesiog pasiūlė naudoti grįžtamas chemines reakcijas. Pirmą kartą visiškai iškrovus akumuliatorių, naudojant išorinį srovės šaltinį, jame įvykusią reakciją galima pradėti priešinga kryptimi. Taip bus atkurta pradinė būsena, kad po įkrovimo vėl būtų galima naudoti akumuliatorių.

Automobilio švino rūgšties akumuliatorius

Šiandien sukurta daug įvairių tipų baterijų, kurios skiriasi jose vykstančios cheminės reakcijos tipu. Labiausiai paplitę akumuliatorių tipai yra švino rūgšties (arba tiesiog švino) akumuliatoriai, kurie yra pagrįsti švino oksidacijos-redukcijos reakcija. Tokie įrenginiai turi gana ilgalaikis paslaugų, o jų energijos intensyvumas siekia iki 60 vatvalandžių kilogramui. Pastaruoju metu dar populiaresnės yra ličio jonų baterijos, pagrįstos ličio oksidacijos-redukcijos reakcija. Šiuolaikinių ličio jonų baterijų energijos intensyvumas dabar viršija 250 vatvalandžių vienam kilogramui.

Ličio jonų baterija mobiliajam telefonui

Pagrindinės ličio jonų baterijų problemos – mažas jų efektyvumas esant žemai temperatūrai, greitas senėjimas ir padidėjusi sprogimo rizika. O dėl to, kad ličio metalas labai aktyviai reaguoja su vandeniu, susidaro vandenilio dujos, o akumuliatoriui degant išsiskiria deguonis, savaiminis ličio jonų akumuliatoriaus užsidegimas yra labai sunkus naudojant tradicinius gaisro gesinimo būdus. Siekdami padidinti tokio akumuliatoriaus saugumą ir pagreitinti jo įkrovimo laiką, mokslininkai siūlo katodinę medžiagą, neleidžiančią susidaryti dendritinėms ličio struktūroms, o į elektrolitą įpilti medžiagų, kurios sukelia sprogstamųjų struktūrų ir komponentų, kurie užsiliepsnoja akumuliatoriuje, susidarymą. ankstyvosios stadijos.

Kietas elektrolitas

Kaip dar vieną mažiau akivaizdų būdą padidinti baterijų efektyvumą ir saugą, chemikai pasiūlė neapriboti cheminių srovės šaltinių tik skystais elektrolitais, o sukurti visiškai kietojo kūno srovės šaltinį. Tokiuose įrenginiuose iš viso nėra skystų komponentų, o sluoksniuota kietojo anodo, kietojo katodo ir kietojo elektrolito struktūra tarp jų. Elektrolitas vienu metu atlieka membranos funkciją. Krūvio nešikliai kietajame elektrolite gali būti įvairūs jonai, priklausomai nuo jo sudėties ir reakcijų, vykstančių anode ir katode. Bet jie visada yra pakankamai maži jonai, kurie gali gana laisvai judėti visame kristale, pavyzdžiui, H + protonai, ličio jonai Li + arba deguonies jonai O 2-.

Vandenilio kuro elementai

Dėl galimybės įkrauti ir specialių saugos priemonių akumuliatoriai yra daug perspektyvesni srovės šaltiniai nei įprasti akumuliatoriai, tačiau vis tiek kiekvienoje baterijoje yra ribotas reagentų kiekis, taigi ir energijos tiekimas ribotas, todėl kiekvieną kartą akumuliatorių reikia įkrauti, kad būtų atkurtas. funkcionalumą.

Norėdami, kad akumuliatorius būtų „begalinis“, kaip energijos šaltinį galite naudoti ne ląstelės viduje esančias medžiagas, o specialiai per ją pumpuojamą kurą. Geriausias tokio kuro pasirinkimas yra kuo paprastesnės sudėties, aplinkai nekenksminga ir Žemėje gausiai prieinama medžiaga.

Tinkamiausia šios rūšies medžiaga yra vandenilio dujos. Jo oksidacija atmosferos deguonimi, kad susidarytų vanduo (pagal reakciją 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) yra paprasta redokso reakcija, o elektronų pernešimas tarp jonų taip pat gali būti naudojamas kaip srovės šaltinis. Vykstanti reakcija yra savotiška atvirkštinė reakcija į vandens elektrolizę (kurioje, veikiant elektros srovei, vanduo suskaidomas į deguonį ir vandenilį), ir tokia schema pirmą kartą buvo pasiūlyta XIX a. .

Tačiau nepaisant to, kad grandinė atrodo gana paprasta, efektyviai veikiančio įrenginio kūrimas pagal šį principą nėra nereikšminga užduotis. Tam būtina atskirti deguonies ir vandenilio srautus erdvėje, užtikrinti reikiamų jonų pernešimą per elektrolitą ir sumažinti galimus energijos nuostolius visuose darbo etapuose.

Scheminė diagrama vandenilio kuro elementų veikimas

Veikiančio vandenilio kuro elemento grandinė yra labai panaši į cheminio srovės šaltinio grandinę, tačiau turi papildomų kanalų kuro ir oksidatoriaus tiekimui bei reakcijos produktų ir tiekiamų dujų pertekliaus pašalinimui. Tokiame elemente esantys elektrodai yra akyti laidūs katalizatoriai. Į anodą tiekiamas dujinis kuras (vandenilis), o į katodą tiekiamas oksidatorius (deguonis iš oro), o ties kiekvieno elektrodo riba su elektrolitu vyksta jo paties pusreakcija (vandenilio oksidacija ir. deguonies mažinimas, atitinkamai). Šiuo atveju, priklausomai nuo kuro elemento tipo ir elektrolito tipo, pats vanduo gali susidaryti arba anode, arba katodo erdvėje.

Toyota vandenilio kuro elementas

Joseph Brent / flickr

Jei elektrolitas yra protonams laidus polimeras arba keraminė membrana, rūgšties arba šarmo tirpalas, tai elektrolito krūvininkas yra vandenilio jonai. Šiuo atveju prie anodo molekulinis vandenilis oksiduojamas iki vandenilio jonų, kurie praeina per elektrolitą ir ten reaguoja su deguonimi. Jei krūvininkas yra deguonies jonas O 2–, kaip ir kieto oksido elektrolito atveju, tai deguonis prie katodo redukuojamas į joną, šis jonas praeina per elektrolitą ir prie anodo oksiduoja vandenilį, kad susidarytų vanduo ir laisvas. elektronų.

Be vandenilio oksidacijos reakcijos, kuro elementams buvo pasiūlyta naudoti ir kitų tipų reakcijas. Pavyzdžiui, vietoj vandenilio redukuojančiu kuru gali būti metanolis, kurį deguonis oksiduoja iki anglies dioksido ir vandens.

Kuro elementų efektyvumas

Nepaisant visų vandenilio kuro elementų privalumų (tokių kaip ekologiškumas, praktiškai neribotas efektyvumas, kompaktiškumas ir didelis energijos intensyvumas), jie turi ir nemažai trūkumų. Tai visų pirma apima laipsnišką komponentų senėjimą ir vandenilio saugojimo sunkumus. Būtent kaip pašalinti šiuos trūkumus šiandien dirba mokslininkai.

Šiuo metu kuro elementų efektyvumą siūloma didinti keičiant elektrolito sudėtį, katalizatoriaus elektrodo savybes, sistemos geometriją (tai užtikrina kuro dujų tiekimą į norimą tašką ir sumažina šalutinį poveikį). Vandenilio dujų kaupimo problemai išspręsti naudojamos medžiagos, turinčios platinos, kurių prisotinimui, pavyzdžiui, grafeno membranos.

Dėl to galima padidinti kuro elemento stabilumą ir atskirų jo komponentų tarnavimo laiką. Dabar tokiuose elementuose cheminės energijos pavertimo elektros energija koeficientas siekia 80 procentų, o tam tikromis sąlygomis gali būti ir didesnis.

Milžiniškos vandenilio energijos perspektyvos yra susijusios su galimybe kuro elementus sujungti į visas baterijas, paverčiant jas didelės galios elektros generatoriais. Jau dabar vandenilio kuro elementais varomi elektros generatoriai turi iki kelių šimtų kilovatų galią ir yra naudojami kaip energijos šaltiniai transporto priemonių.

Alternatyvus elektrocheminis saugojimas

Be klasikinių elektrocheminių srovės šaltinių, kaip energijos kaupimo įrenginiai naudojami ir neįprastesnės sistemos. Viena iš tokių sistemų yra superkondensatorius (arba jonistorius) – įtaisas, kuriame krūvis atsiskiria ir kaupiasi dėl to, kad šalia įkrauto paviršiaus susidaro dvigubas sluoksnis. Tokio įrenginio elektrodo ir elektrolito sąsajoje skirtingų ženklų jonai yra išdėstyti dviem sluoksniais, vadinamuoju „dvigubu elektriniu sluoksniu“, sudarydami savotišką labai ploną kondensatorių. Tokio kondensatoriaus talpa, tai yra sukaupto krūvio kiekis, priklausys nuo elektrodo medžiagos savitojo paviršiaus ploto, todėl naudinga naudoti akytas medžiagas, turinčias maksimalų specifinį paviršiaus plotą. superkondensatoriai.

Jonizatoriai yra rekordininkai tarp įkrovimo ir iškrovos cheminių srovės šaltinių pagal įkrovimo greitį, o tai yra neabejotinas pranašumas šio tipo prietaisai. Deja, jiems priklauso ir iškrovimo greičio rekordas. Jonistorių energijos tankis yra aštuonis kartus mažesnis nei švino baterijų ir 25 kartus mažesnis nei ličio jonų akumuliatorių. Klasikiniai „dvisluoksniai“ jonistoriai nenaudoja elektrocheminės reakcijos, todėl jiems tiksliausiai taikomas terminas „kondensatorius“. Tačiau tose jonistorių versijose, kurios yra pagrįstos elektrochemine reakcija ir krūvio kaupimasis tęsiasi iki elektrodo gylio, galima pasiekti didesnį iškrovimo laiką išlaikant greitą įkrovimo greitį. Superkondensatorių kūrėjų pastangomis siekiama sukurti hibridinius įrenginius su baterijomis, kurie apjungia superkondensatorių privalumus, pirmiausia didelį įkrovimo greitį, ir baterijų privalumus – didelį energijos intensyvumą ir. ilgą laiką iškrovimas. Įsivaizduokite artimiausioje ateityje akumuliatorių-jonistorių, kuris įkraus per kelias minutes ir maitins nešiojamąjį kompiuterį ar išmanųjį telefoną dieną ar ilgiau!

Nepaisant to, kad dabar superkondensatorių energijos tankis vis dar kelis kartus mažesnis už baterijų energijos tankį, jie naudojami plataus vartojimo elektronikoje ir įvairių transporto priemonių varikliams, įskaitant daugiausiai.

* * *

Taigi šiandien yra daug elektrocheminių prietaisų, kurių kiekvienas yra perspektyvus savo specifiniam pritaikymui. Norėdami pagerinti šių prietaisų efektyvumą, mokslininkai turi išspręsti daugybę esminių ir technologinio pobūdžio problemų. Dauguma šių užduočių atliekamos pagal vieną iš proveržio projektų Uralo federaliniame universitete, todėl paklausėme Maksimo Ananyevo, Rusijos mokslų akademijos Uralo filialo Aukštos temperatūros elektrochemijos instituto direktoriaus, profesoriaus. Uralo federalinio universiteto Cheminės technologijos instituto Elektrocheminės gamybos technologijos katedroje, pakalbėti apie artimiausius šiuolaikinių kuro elementų kūrimo planus ir perspektyvas.

N+1: Ar artimiausiu metu tikimasi kokių nors alternatyvų šiuo metu populiariausioms ličio jonų baterijoms?

Maksimas Ananyevas:Šiuolaikinės baterijų kūrėjų pastangos yra skirtos elektrolito įkroviklio tipą pakeisti iš ličio į natrio, kalio ir aliuminio. Pakeitus litį, bus galima sumažinti akumuliatoriaus kainą, nors svorio ir dydžio charakteristikos proporcingai padidės. Kitaip tariant, turėdamas tas pačias elektrines charakteristikas, natrio jonų akumuliatorius bus didesnis ir sunkesnis, palyginti su ličio jonų baterija.

Be to, viena iš perspektyvių baterijų tobulinimo sričių yra hibridinių cheminių energijos šaltinių kūrimas, pagrįstas metalo jonų baterijų sujungimu su oro elektrodu, kaip kuro elementuose. Apskritai hibridinių sistemų kūrimo kryptis, kaip jau buvo parodyta superkondensatorių pavyzdžiu, artimiausiu metu, matyt, leis rinkoje pamatyti cheminių energijos šaltinių, pasižyminčių aukštomis vartotojų savybėmis.

Uralo federalinis universitetas kartu su akademiniais ir pramonės partneriais Rusijoje ir pasaulyje šiandien įgyvendina šešis megaprojektus, orientuotus į proveržio mokslinių tyrimų sritis. Vienas iš tokių projektų yra „Pažangios elektrocheminės energijos technologijos nuo naujų medžiagų cheminio projektavimo iki naujos kartos elektrocheminių prietaisų energijos taupymui ir konversijai“.

Mokslininkų grupė iš UrFU gamtos mokslų ir matematikos mokyklos strateginio akademinio padalinio (SAE), kuriame yra Maksimas Ananyevas, užsiima naujų medžiagų ir technologijų, įskaitant kuro elementus, elektrolitinius elementus, metalo-grafeną, projektavimu ir kūrimu. baterijos, elektrocheminės energijos kaupimo sistemos ir superkondensatoriai.

Moksliniai tyrimai ir mokslinis darbas vykdomas nuolat bendradarbiaujant su Rusijos mokslų akademijos Uralo filialo Aukštos temperatūros elektrochemijos institutu ir padedant partneriams.

Kurie kuro elementai šiuo metu kuriami ir turi didžiausią potencialą?

Vienas iš perspektyviausių kuro elementų tipų yra protonų keramikos elementai. Jie turi pranašumų prieš polimerinius kuro elementus su protonų mainų membrana ir kietojo oksido elementais, nes gali veikti tiesiogiai tiekiant angliavandenilį. Tai žymiai supaprastina protonų-keraminių kuro elementų ir valdymo sistemos elektrinės projektavimą, todėl padidėja eksploatavimo patikimumas. Tiesa, šio tipo kuro elementai šiuo metu istoriškai mažiau išvystyti, tačiau šiuolaikiniai moksliniai tyrimai leidžia tikėtis didelio šios technologijos potencialo ateityje.

Kokios su kuro elementais susijusios problemos šiuo metu sprendžiamos Uralo federaliniame universitete?

Dabar UrFU mokslininkai kartu su Rusijos mokslų akademijos Uralo skyriaus Aukštos temperatūros elektrochemijos institutu (IVTE) kuria labai efektyvius elektrocheminius prietaisus ir autonominius elektros generatorius, skirtus naudoti paskirstytoje energija. Paskirstytos energijos jėgainių kūrimas iš pradžių reiškia hibridinių sistemų, pagrįstų elektros generatoriumi ir kaupikliu, kurie yra baterijos, kūrimą. Tuo pačiu metu kuro elementas veikia nuolat, teikdamas apkrovą piko valandomis, o tuščiosios eigos režimu įkrauna akumuliatorių, kuris pats gali veikti kaip rezervas tiek esant didelėms energijos sąnaudoms, tiek avarinėms situacijoms.

Didžiausią sėkmę UrFU ir IVTE chemikai pasiekė kuriant kietojo oksido ir protonų keramikos kuro elementus. Nuo 2016 m. Urale kartu su valstybine korporacija „Rosatom“ buvo sukurtos pirmosios Rusijoje kietojo oksido kuro elementų pagrindu pagamintos elektrinės. Uralo mokslininkų plėtra jau praėjo „viso masto“ bandymus dujotiekio katodinės apsaugos stotyje, esančioje „Uraltransgaz LLC“ eksperimentinėje vietoje. 1,5 kilovato vardinės galios elektrinė dirbo daugiau nei 10 tūkstančių valandų ir parodė didelį tokių įrenginių panaudojimo potencialą.

Bendroje UrFU ir IVTE laboratorijoje vyksta elektrocheminių prietaisų, pagrįstų protonus laidžia keramine membrana, kūrimas. Tai leis artimiausiu metu sumažinti kietojo oksido kuro elementų darbinę temperatūrą nuo 900 iki 500 laipsnių Celsijaus ir atsisakyti išankstinio angliavandenilių kuro reformavimo, taip sukuriant ekonomiškus elektrocheminius generatorius, galinčius veikti tokiomis sąlygomis. išvystyta dujų tiekimo infrastruktūra Rusijoje.

Aleksandras Dubovas

JAV turi keletą iniciatyvų, kurių tikslas – plėtoti vandenilio kuro elementus, infrastruktūrą ir technologijas, kad iki 2020 m. kuro elementų transporto priemonės būtų praktiškos ir efektyviai naudotų degalus. Šiems tikslams buvo skirta daugiau nei milijardas dolerių.

Kuro elementai elektrą gamina tyliai ir efektyviai, neteršdami aplinkos. Skirtingai nuo energijos šaltinių, kuriuose naudojamas iškastinis kuras, kuro elementų šalutiniai produktai yra šiluma ir vanduo. Kaip tai veikia?

Šiame straipsnyje trumpai apžvelgsime kiekvieną iš šiandien egzistuojančių kuro technologijų, taip pat pakalbėsime apie kuro elementų konstrukciją ir veikimą bei palyginsime jas su kitomis energijos gamybos formomis. Taip pat aptarsime kai kurias kliūtis, su kuriomis susiduria mokslininkai siekdami, kad kuro elementai būtų praktiški ir prieinami vartotojams.

Kuro elementai yra elektrocheminiai energijos konvertavimo įrenginiai. Kuro elementas chemines medžiagas, vandenilį ir deguonį paverčia vandeniu, gamindamas elektros energiją.

Kitas mums visiems puikiai pažįstamas elektrocheminis prietaisas yra baterija. Baterijoje yra viskas, ko reikia cheminiai elementai savyje ir šias medžiagas paverčia elektra. Tai reiškia, kad baterija ilgainiui miršta ir jūs arba išmetate, arba vėl įkraunate.

Kuro elemente cheminės medžiagos nuolat tiekiamos į jį, kad jis niekada „nemirtų“. Elektra bus gaminama tol, kol bus tiekiama cheminių medžiagųį elementą. Dauguma šiandien naudojamų kuro elementų naudoja vandenilį ir deguonį.

Vandenilis yra labiausiai paplitęs elementas mūsų galaktikoje. Tačiau vandenilio elementinės formos Žemėje praktiškai nėra. Inžinieriai ir mokslininkai turi išgauti gryną vandenilį iš vandenilio junginių, įskaitant iškastinį kurą ar vandenį. Norėdami išgauti vandenilį iš šių junginių, turite išleisti energiją šilumos arba elektros pavidalu.

Kuro elementų išradimas

Seras Williamas Grove'as išrado pirmąjį kuro elementą 1839 m. Grove'as žinojo, kad vanduo gali būti padalintas į vandenilį ir deguonį, leidžiant per jį elektros srovę (procesas vadinamas elektrolizė). Jis pasiūlė, kad atvirkštine tvarka būtų galima gauti elektros ir vandens. Jis sukūrė primityvų kuro elementą ir pavadino jį dujinis galvaninis akumuliatorius. Eksperimentavęs su savo nauju išradimu, Grove'as įrodė savo hipotezę. Po penkiasdešimties metų mokslininkai Ludwigas Mondas ir Charlesas Langeris sukūrė terminą kuro elementai kai bandoma sukurti praktinį elektros gamybos modelį.

Kuro elementas konkuruos su daugeliu kitų energijos konvertavimo įrenginių, įskaitant dujų turbinas miesto elektrinėse, vidaus degimo variklius automobiliuose ir visų rūšių baterijas. Vidaus degimo varikliai, kaip ir dujų turbinos, dega įvairių tipų degalų ir naudoti slėgį, susidarantį dėl dujų plėtimosi atlikti mechaninis darbas. Kai reikia, baterijos cheminę energiją paverčia elektros energija. Kuro elementai šias užduotis turi atlikti efektyviau.

Kuro elementas suteikia nuolatinę (nuolatinės srovės) įtampą, kurią galima naudoti elektros varikliams, šviesoms ir kitiems elektros prietaisams maitinti.

Yra keletas skirtingų kuro elementų tipų, kurių kiekvienas naudoja skirtingą cheminiai procesai. Kuro elementai paprastai klasifikuojami pagal juos darbinė temperatūra Ir tipoelektrolitas, kuriuos jie naudoja. Kai kurie kuro elementų tipai puikiai tinka naudoti stacionariose elektrinėse. Kiti gali būti naudingi mažiesiems nešiojamieji įrenginiai arba varyti automobilius. Pagrindiniai kuro elementų tipai yra šie:

Polimerų mainų membranos kuro elementas (PEMFC)

PEMFC laikomas labiausiai tikėtinu kandidatu į transportą. PEMFC turi ir didelę galią, ir santykinai žemą darbinę temperatūrą (svyruoja nuo 60 iki 80 laipsnių Celsijaus). Žemas darbinė temperatūra Tai reiškia, kad kuro elementai gali greitai sušilti ir pradėti gaminti elektros energiją.

Kietojo oksido kuro elementas (SOFC)

Šie kuro elementai labiausiai tinka dideliems stacionariems elektros generatoriams, kurie galėtų maitinti gamyklas ar miestus. Šio tipo kuro elementai veikia labai aukštoje temperatūroje (nuo 700 iki 1000 laipsnių Celsijaus). Aukšta temperatūra kelia patikimumo problemą, nes kai kurie kuro elementai gali sugesti po kelių įjungimo ir išjungimo ciklų. Tačiau kietojo oksido kuro elementai yra labai stabilūs nuolatinio veikimo metu. Tiesą sakant, SOFC tam tikromis sąlygomis įrodė ilgiausią bet kurio kuro elemento eksploatavimo laiką. Aukšta temperatūra taip pat turi pranašumą, kad kuro elementų gaminami garai gali būti nukreipti į turbinas ir pagaminti daugiau elektros energijos. Šis procesas vadinamas šilumos ir elektros kogeneracija ir pagerina bendrą sistemos efektyvumą.

Šarminis kuro elementas (AFC)

Tai vienas seniausių kuro elementų konstrukcijų, naudojamas nuo septintojo dešimtmečio. AFC yra labai jautrūs užteršimui, nes jiems reikia gryno vandenilio ir deguonies. Be to, jie yra labai brangūs, todėl tokio tipo kuro elementai vargu ar bus išleisti į masinę gamybą.

Išlydyto karbonato kuro elementas (MCFC)

Kaip ir SOFC, šie kuro elementai taip pat geriausiai tinka didelėms stacionarioms elektrinėms ir generatoriams. Jie veikia 600 laipsnių Celsijaus temperatūroje, todėl gali generuoti garą, kuris savo ruožtu gali būti panaudotas dar daugiau energijos generuoti. Jų darbo temperatūra žemesnė nei kietojo oksido kuro elementų, vadinasi, jiems nereikia tokių karščiui atsparių medžiagų. Tai daro juos šiek tiek pigesnius.

Fosforo rūgšties kuro elementas (PAFC)

Fosforo rūgšties kuro elementas gali būti naudojamas mažose stacionariose elektros energijos sistemose. Tai veikia daugiau aukšta temperatūra nei polimerų mainų membraninis kuro elementas, todėl įšilimas trunka ilgiau, todėl jis netinkamas naudoti automobiliuose.

Tiesioginis metanolio kuro elementas (DMFC)

Pagal darbo temperatūrą metanolio kuro elementai yra panašūs į PEMFC, tačiau nėra tokie veiksmingi. Be to, DMFC reikia gana daug platinos kaip katalizatoriaus, todėl šie kuro elementai yra brangūs.

Kuro elementas su polimerų mainų membrana

Polimerų mainų membranos kuro elementas (PEMFC) yra viena iš perspektyviausių kuro elementų technologijų. PEMFC naudoja vieną iš paprasčiausių bet kurio kuro elemento reakcijų. Pažiūrėkime, iš ko jis susideda.

1. A mazgas – neigiamas kuro elemento gnybtas. Jis praleidžia elektronus, kurie išsiskiria iš vandenilio molekulių, po to jie gali būti naudojami išorinėje grandinėje. Jame yra išgraviruoti kanalai, kuriais vandenilio dujos tolygiai paskirstomos katalizatoriaus paviršiuje.

2.KAM atodas - teigiamas kuro elemento gnybtas, taip pat turi kanalus deguoniui paskirstyti katalizatoriaus paviršiuje. Jis taip pat veda elektronus atgal iš katalizatoriaus išorinės grandinės, kur jie gali susijungti su vandenilio ir deguonies jonais ir sudaryti vandenį.

3.Elektrolitų-protonų mainų membrana. Tai specialiai apdorota medžiaga, kuri praleidžia tik teigiamai įkrautus jonus ir blokuoja elektronus. Naudojant PEMFC, membrana turi būti hidratuota, kad tinkamai veiktų ir išliktų stabili.

4. Katalizatorius yra speciali medžiaga, skatinanti deguonies ir vandenilio reakciją. Paprastai jis gaminamas iš platinos nanodalelių, kurios labai plonai užtepamos ant anglinio popieriaus arba audinio. Katalizatoriaus paviršiaus struktūra tokia, kad didžiausias platinos paviršiaus plotas gali būti veikiamas vandenilio arba deguonies.

Paveikslėlyje pavaizduotos vandenilio dujos (H2), patenkančios į kuro elementą esant slėgiui iš anodo pusės. Kai H2 molekulė liečiasi su katalizatoriaus platina, ji suskyla į du H+ jonus ir du elektronus. Elektronai praeina per anodą, kur naudojami išorinėje grandinėje (atliekant naudingą darbą, pavyzdžiui, sukant variklį), ir grįžta į kuro elemento katodo pusę.

Tuo tarpu kuro elemento katodo pusėje deguonis (O2) iš oro praeina per katalizatorių, kur sudaro du deguonies atomus. Kiekvienas iš šių atomų turi stiprų neigiamą krūvį. Šis neigiamas krūvis pritraukia du H+ jonus per membraną, kur jie susijungia su deguonies atomu ir dviem elektronais, ateinančiais iš išorinės grandinės, sudarydami vandens molekulę (H2O).

Ši reakcija viename kuro elemente sukuria tik apie 0,7 volto. Norint padidinti įtampą iki pagrįsto lygio, daug atskirų kuro elementų turi būti sujungti, kad susidarytų kuro elementų krūva. Bipolinės plokštės yra naudojamos sujungti vieną kuro elementą su kitu ir oksiduojasi, kad sumažintų potencialą. Didelė problema bipolinės plokštelės – jų stabilumas. Metalinės dvipolės plokštės gali būti korozijos, o šalutiniai produktai (geležies ir chromo jonai) sumažina kuro elementų membranų ir elektrodų efektyvumą. Todėl žemos temperatūros kuro elementuose naudojami lengvieji metalai, grafitas ir anglies bei termoreaktingo junginio (termoreaktingo plastiko rūšis, kuri išlieka kieta net ir veikiant aukštai temperatūrai) dvipolio lakšto pavidalu.

Kuro elementų efektyvumas

Taršos mažinimas yra vienas iš pagrindinių kuro elementų tikslų. Palyginę kuro elementu varomą automobilį su benzininiu varikliu ir akumuliatoriumi varomu automobiliu, pamatysite, kaip kuro elementai galėtų pagerinti automobilių efektyvumą.

Kadangi visų trijų tipų automobiliai turi daug tų pačių komponentų, šios automobilio dalies nepaisysime ir palyginsime naudingus veiksmus iki mechaninės energijos gamybos. Pradėkime nuo kuro elementų automobilio.

Jei kuro elementas varomas grynu vandeniliu, jo efektyvumas gali siekti iki 80 proc. Taigi jis 80 procentų vandenilio energijos paverčia elektra. Tačiau mes vis tiek turime elektros energiją paversti mechaniniu darbu. Tai pasiekiama naudojant elektros variklį ir keitiklį. Variklio + keitiklio efektyvumas taip pat yra maždaug 80 procentų. Tai suteikia bendrą efektyvumą maždaug 80*80/100=64 proc. Pranešama, kad Honda koncepcinis automobilis FCX pasižymi 60 procentų energijos vartojimo efektyvumu.

Jei degalų šaltinis nėra grynas vandenilis, transporto priemonei taip pat reikės reformatoriaus. Reformatoriai paverčia angliavandenilių arba alkoholio kurą į vandenilį. Jie gamina šilumą ir be vandenilio gamina CO ir CO2. Norėdami išvalyti gautą vandenilį, jie naudoja įvairių įrenginių, tačiau šis valymas yra nepakankamas ir sumažina kuro elemento efektyvumą. Taigi mokslininkai nusprendė sutelkti dėmesį į grynu vandeniliu varomų transporto priemonių kuro elementus, nepaisant iššūkių, susijusių su vandenilio gamyba ir saugojimu.

Benzininio variklio ir akumuliatoriaus-elektrinio transporto priemonės efektyvumas

Automobilio, varomo benzinu, efektyvumas yra stebėtinai mažas. Visa šiluma, kurią išeikvoja arba sugeria radiatorius, yra švaistoma energija. Variklis taip pat sunaudoja daug besisukančios energijos įvairūs siurbliai, ventiliatoriai ir generatoriai, kurie nuolat veikia. Taigi bendras benzininio automobilio variklio efektyvumas yra maždaug 20 procentų. Taigi tik apie 20 procentų benzino šiluminės energijos paverčiama mechaniniu darbu.

Baterija varoma elektrinė transporto priemonė turi gana didelį efektyvumą. Akumuliatoriaus efektyvumas yra maždaug 90 procentų (dauguma baterijų skleidžia šiek tiek šilumos arba reikalauja šildymo), o variklio ir keitiklio efektyvumas yra maždaug 80 procentų. Dėl to bendras efektyvumas yra maždaug 72 proc.

Bet tai dar ne viskas. Kad elektromobilis pajudėtų, pirmiausia reikia kažkur pasigaminti elektrą. Jei tai buvo elektrinė, kuri naudojo iškastinio kuro deginimo procesą (o ne atominę, hidroelektrinę, saulės ar vėjo energiją), tai tik maždaug 40 procentų elektrinėje sunaudoto kuro buvo paversta elektra. Be to, norint įkrauti automobilį, reikia konvertuoti galią AC(AC) į maitinimą DC(DC). Šio proceso efektyvumas yra maždaug 90 procentų.

Dabar, jei žiūrėtume į visą ciklą, elektromobilio efektyvumas pačiai transporto priemonei yra 72 proc., jėgainei – 40 proc., transporto priemonės įkrovimui – 90 proc. Tai suteikia bendrą efektyvumą 26 proc. Bendras efektyvumas labai skiriasi priklausomai nuo to, kuri elektrinė naudojama akumuliatoriui įkrauti. Jei automobilio elektros energiją gamins, pavyzdžiui, hidroelektrinė, elektromobilio naudingumo koeficientas bus maždaug 65 proc.

Mokslininkai tiria ir tobulina projektus, siekdami toliau gerinti kuro elementų efektyvumą. Vienas iš naujų būdų būtų sujungti kuro elementais ir akumuliatoriais varomas transporto priemones. Kuriama koncepcinė transporto priemonė, varoma hibridine jėgos pavara, varoma kuro elementu. Automobiliui maitinti naudojama ličio baterija, kol kuro elementas įkrauna akumuliatorių.

Kuro elementais varomos transporto priemonės gali būti tokios pat efektyvios kaip akumuliatoriniais automobiliai, įkraunami iš elektrinės, kurioje nenaudojamas iškastinis kuras. Tačiau praktiškai ir prieinamu būdu išnaudoti šį potencialą gali būti sunku.

Kodėl naudoti kuro elementus?

Pagrindinė priežastis – viskas, kas susiję su nafta. Amerika turi importuoti beveik 60 procentų savo naftos. Numatoma, kad iki 2025 m. importas padidės iki 68 proc. Amerikiečiai kasdien transportui sunaudoja du trečdalius naftos. Net jei kiekvienas automobilis gatvėje būtų hibridinis, iki 2025 m. JAV vis tiek reikės naudoti tiek pat alyvos, kiek amerikiečiai sunaudojo 2000 m. Tiesą sakant, Amerika suvartoja ketvirtadalį visos pasaulio naftos, nors čia gyvena tik 4,6% pasaulio gyventojų.

Ekspertai tikisi, kad naftos kainos ir toliau kils per ateinančius kelis dešimtmečius, nes pigesni šaltiniai mažės. Naftos įmonės turi plėtoti naftos telkinius vis sunkesnėmis sąlygomis, o tai padidins naftos kainas.

Susirūpinimas yra daug didesnis nei ekonominis saugumas. Nemažai pinigų, gaunamų pardavus naftą, išleidžiama remti tarptautinį terorizmą, radikalias politines partijas ir nestabilią padėtį naftos gavybos regionuose.

Naftos ir kito iškastinio kuro naudojimas energijai gaminti sukelia taršą. Kiekvienam geriausia rasti alternatyvą iškastinio kuro deginimui energijai gauti.

Kuro elementai yra patraukli alternatyva priklausomybei nuo naftos. Užuot teršę, kuro elementai gamina švarų vandenį kaip šalutinį produktą. Nors inžinieriai laikinai sutelkė dėmesį į vandenilio gamybą iš įvairių iškastinių šaltinių, tokių kaip benzinas ar gamtinės dujos, yra ieškoma atsinaujinančių, aplinkai nekenksmingų būdų ateityje gaminti vandenilį. Natūralu, kad perspektyviausias bus vandenilio gamybos iš vandens procesas

Priklausomybė nuo naftos ir visuotinis atšilimas tarptautinė problema. Kelios šalys kartu skatina kuro elementų technologijos mokslinius tyrimus ir plėtrą.

Akivaizdu, kad mokslininkai ir gamintojai turi daug nuveikti, kol kuro elementai taps alternatyva šiuolaikiniai metodai energijos gamyba. Tačiau su pasauline parama ir pasauliniu bendradarbiavimu perspektyvi kuro elementų energijos sistema gali tapti realybe vos per porą dešimtmečių.

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

Kuro elementas yra prietaisas, kuris per elektrocheminę reakciją efektyviai gamina nuolatinę srovę ir šilumą iš kuro, kuriame gausu vandenilio.

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

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

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

Kuro elementų veikimo principas

Kuro elementai gamina elektrą ir šilumą per elektrocheminę reakciją, naudojant elektrolitą, katodą ir anodą.

Anodas ir katodas yra atskirti elektrolitu, kuris praleidžia protonus. Vandeniliui patekus į anodą ir deguoniui į katodą, prasideda cheminė reakcija, kurios rezultatas elektros srovė, šiluma ir vanduo. Anodo katalizatoriuje molekulinis vandenilis disocijuoja ir praranda elektronus. Vandenilio jonai (protonai) yra nuvedami per elektrolitą į katodą, o elektronai praleidžiami per elektrolitą ir keliauja per išorinę elektros grandinę, sukurdami nuolatinę srovę, kurią galima naudoti įrangai maitinti. Katodiniame katalizatoriuje deguonies molekulė susijungia su elektronu (kuris tiekiamas iš išorinių ryšių) ir įeinančiu protonu ir sudaro vandenį, kuris yra vienintelis reakcijos produktas (garų ir (arba) skysčio pavidalu).

Žemiau pateikiama atitinkama reakcija:

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

Kuro elementų tipai

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

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

Išlydyto karbonato kuro elementai (MCFC).

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

RCFC veikimas skiriasi nuo kitų kuro elementų. Šiose ląstelėse naudojamas elektrolitas, pagamintas iš išlydytų karbonato druskų mišinio. Šiuo metu naudojami dviejų tipų mišiniai: ličio karbonatas ir kalio karbonatas arba ličio karbonatas ir natrio karbonatas. Karbonatinėms druskoms ištirpinti ir pasiekti aukštas laipsnis Dėl jonų mobilumo elektrolite kuro elementų veikimas su išlydytu karbonato elektrolitu vyksta aukštoje temperatūroje (650°C). Efektyvumas svyruoja tarp 60-80%.

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

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

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

Aukšta reakcijos temperatūra elektrolite taip pat turi savo privalumų. Naudojant aukštą temperatūrą reikia daug laiko pasiekti optimalias darbo sąlygas, o sistema lėčiau reaguoja į energijos suvartojimo pokyčius. Šios charakteristikos leidžia naudoti kuro elementų įrenginius su išlydytu karbonato elektrolitu esant pastoviai galiai. Aukšta temperatūra neleidžia kuro elementui pakenkti anglies monoksidu, „apsinuodijimu“ ir kt.

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

Fosforo rūgšties kuro elementai (PAFC).

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

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

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

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

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

Didelis šiluminių elektrinių, naudojančių kuro elementus, kurių pagrindą sudaro fosforo (ortofosforo) rūgštis, našumas kombinuotai šiluminės ir elektros energijos gamyboje yra vienas iš šio tipo kuro elementų privalumų. Agregatuose naudojamas apie 1,5% koncentracijos anglies monoksidas, kuris žymiai išplečia kuro pasirinkimą. Be to, CO2 neturi įtakos elektrolitui, o šio tipo elementai veikia su perdirbtu natūraliu kuru. Paprasta konstrukcija, mažas elektrolitų lakumo laipsnis ir padidėjęs stabilumas taip pat yra šio tipo kuro elementų pranašumai.

Komerciniais tikslais gaminamos šiluminės elektrinės, kurių elektros išėjimo galia iki 400 kW. 11 MW įrenginiai išlaikė atitinkamus bandymus. Plėtojami įrenginiai, kurių išėjimo galia iki 100 MW.

Protonų mainų membranos kuro elementai (PEMFC)

Labiausiai laikomi kuro elementai su protonų mainų membrana geriausias tipas kuro elementai, skirti gaminti energiją transporto priemonėms, kurios gali pakeisti benzininius ir dyzelinius vidaus degimo variklius. Šiuos kuro elementus NASA pirmą kartą panaudojo Gemini programai. Šiandien kuriami ir demonstruojami MOPFC įrenginiai, kurių galia nuo 1 W iki 2 kW.

Šie kuro elementai naudoja kietą polimerinę membraną (ploną plastiko plėvelę) kaip elektrolitą. Prisotintas vandens, šis polimeras leidžia protonams prasiskverbti, bet nelaidžia elektronams.

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

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

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

Kitas privalumas yra tai, kad elektrolitas yra kietas, o ne skystas. Naudojant kietą elektrolitą lengviau sulaikyti dujas prie katodo ir anodo, todėl tokius kuro elementus pigiau pagaminti. Palyginti su kitais elektrolitais, naudojant kietą elektrolitą, nėra jokių sunkumų, tokių kaip orientacija, mažiau problemų dėl korozijos atsiradimo, dėl kurio elementas ir jo komponentai yra patvaresni.

Kietojo oksido kuro elementai (SOFC)

Kietojo oksido kuro elementai yra aukščiausios darbinės temperatūros kuro elementai. Darbinė temperatūra gali svyruoti nuo 600°C iki 1000°C, todėl galima naudoti įvairių rūšių degalus be specialaus išankstinio apdorojimo. Tokiai aukštai temperatūrai atlaikyti naudojamas elektrolitas yra plonas kietas metalo oksidas ant keramikos pagrindo, dažnai itrio ir cirkonio lydinys, kuris yra deguonies jonų (O2-) laidininkas. Kietojo oksido kuro elementų technologija buvo vystoma nuo šeštojo dešimtmečio pabaigos. ir turi dvi konfigūracijas: plokščią ir vamzdinę.

Kietasis elektrolitas užtikrina sandarų dujų perėjimą iš vieno elektrodo į kitą, o skysti elektrolitai yra porėtame substrate. Šio tipo kuro elementų krūvininkas yra deguonies jonas (O2-). Prie katodo deguonies molekulės iš oro yra atskiriamos į deguonies joną ir keturis elektronus. Deguonies jonai praeina per elektrolitą ir susijungia su vandeniliu, sukurdami keturis laisvus elektronus. Elektronai siunčiami per išorinę elektros grandinę, sukuriant elektros srovę ir atliekamą šilumą.

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

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

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

Tiesioginio metanolio oksidacijos kuro elementai (DOMFC)

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

Kuro elementų su tiesiogine metanolio oksidacija konstrukcija yra panaši į kuro elementų su protonų mainų membrana (MEPFC), t.y. Polimeras naudojamas kaip elektrolitas, o vandenilio jonas (protonas) – kaip krūvininkas. Tačiau skystas metanolis (CH3OH) oksiduojasi esant vandeniui prie anodo, išskirdamas CO2, vandenilio jonus ir elektronus, kurie siunčiami per išorinę elektros grandinę, taip generuodami elektros srovę. Vandenilio jonai praeina per elektrolitą ir reaguoja su deguonimi iš oro ir elektronais iš išorinės grandinės, kad susidarytų vanduo prie anodo.

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

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

Šie elementai buvo išbandyti 50-120°C temperatūros diapazone. Esant žemai darbinei temperatūrai ir nereikia keitiklio, tiesioginio metanolio oksidacijos kuro elementai yra pagrindinis kandidatas naudoti tiek mobiliuosiuose telefonuose, tiek kituose plataus vartojimo produktuose ir automobilių varikliuose. Šio tipo kuro elementų pranašumas yra jų mažas dydis, nes naudojamas skystas kuras, ir tai, kad nereikia naudoti keitiklio.

Šarminiai kuro elementai (ALFC)

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

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

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

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

Viena iš būdingų SHTE savybių yra didelis jautrumas CO2, kurio gali būti kure ar ore. CO2 reaguoja su elektrolitu, greitai jį nuodija ir labai sumažina kuro elemento efektyvumą. Todėl SHTE naudojamas tik uždarose erdvėse, tokiose kaip kosminės ir povandeninės transporto priemonės, jos turi važiuoti grynu vandeniliu ir deguonimi. Be to, SHFC kenksmingos molekulės, tokios kaip CO, H2O ir CH4, kurios yra saugios kitiems kuro elementams ir netgi veikia kaip kuras.

Polimeriniai elektrolitų kuro elementai (PEFC)

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

Kietosios rūgšties kuro elementai (SFC)

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

Paprastai kietojo rūgštinio kuro elementas yra sumuštinis, kuriame labai plonas kieto rūgšties junginio sluoksnis yra įterptas tarp dviejų elektrodų, kurie yra sandariai suspausti, kad būtų užtikrintas geras kontaktas. Kai šildomas, organinis komponentas išgaruoja, išeina per poras elektroduose, išlaikant daugkartinio kontakto tarp kuro (arba deguonies kitame elementų gale), elektrolito ir elektrodų galimybę

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

Prisijunk prie mūsų

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, galingesnių procesorių, didesnių spalvotų ekranų, bevielis ryšys, o tuo pačiu mažėja dydis. Tačiau, skirtingai nei puslaidininkių technologijos, viso šio mobiliojo žvėryno energijos technologijos tobulėja ne šuoliais.

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

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

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

Normalaus degimo metu deguonyje 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-

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

Matyti, kad reakcija 2H2 + O2 → H2O yra tokia pati kaip ir įprasto degimo metu, bet kuro elemente arba kitaip - elektrocheminis generatorius, rezultatas yra didelio efektyvumo elektros srovė ir iš dalies šildoma. Atkreipkite dėmesį, kad 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 puikus pasiekimas. 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 praktiniam naudojimui ir per brangūs.

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

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 galutinis vandenilio degimo kuro elemente produktas yra vanduo, jie laikomi švariausiais poveikio aplinkai požiūriu. Pagrindinė problema yra tik rasti veiksmingą ir nebrangų būdą vandenilio gamybai.

Milijardai dolerių finansinės investicijos į kuro elementų ir vandenilio generatorių kūrimą turėtų lemti technologinį proveržį ir paversti jų naudojimą kasdieniame gyvenime: 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, naudojančios kuro elementus su kieto oksido elektrolitu, kurių galia iki 500 kW. Tačiau, nepaisant reikšmingo proveržio gerinant kuro elementų charakteristikas, daug problemų, susijusių su jų kaina, patikimumu ir sauga, vis dar turi būti išspręstos.

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

Kuro elemente, kaip ir baterijose, kuro oksidacijos ir deguonies redukcijos reakcijos yra erdviškai atskirtos, o „degimo“ procesas vyksta tik tada, kai elementas tiekia srovę į apkrovą. Tai kaip tik dyzelinis elektros generatorius, tik be dyzelino ir generatoriaus. 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 cheminė sudėtis jis leidžia protonams praeiti, bet išlaiko elektronus. Taigi ant anodo susikaupę elektronai sukuria perteklinį neigiamą krūvį, o vandenilio jonai – teigiamą katodo krūvį (elemento įtampa yra apie 1 V).

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

1 pav. Kuro elemento veikimo principas

Yra ir kitų kuro elementų tipų, kurie daugiausia skiriasi naudojamo elektrolito rūšimi. Beveik visuose jų kaip kuro reikia vandenilio, todėl kyla logiškas klausimas: kur jo gauti. Žinoma, būtų galima naudoti suslėgtą vandenilį iš balionų, tačiau iš karto kyla problemų, susijusių su šių labai degių dujų transportavimu ir laikymu aukštu slėgiu. Žinoma, 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, kuris aukštoje temperatūroje (metanoliui bus apie 240 °C) paverčia alkoholius į dujinio H2 ir CO2 mišinį. Tačiau šiuo atveju jau sunkiau galvoti apie nešiojamumą – tokius įrenginius gerai naudoti kaip stacionarius arba, tačiau kompaktiškai mobiliai įrangai reikia kažko ne tokio didelio.

Ir čia mes prieiname būtent prie įrenginio, kurio kūrimas su baisi jėga Beveik visi didžiausi elektronikos gamintojai užsiima - 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 etilo alkoholį kaip kurą, nes jis gaminamas ir platinamas alkoholiniai gėrimai bet kokios sudėties ir stiprumo yra gerai žinomas visame pasaulyje. Tačiau etanolinių kuro elementų efektyvumas, deja, net mažesnis nei metanolinių.

Kaip buvo pastebėta per daugelį kuro elementų srities plėtros metų, buvo gaminami 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 didelis dėmesys skiriamas 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 Elektrocheminis generatorius, be paties kuro elemento akumuliatoriaus, 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 m. ji taip pat pristatė elementą, kuris veikia 30% vandeniniame metanolio tirpale. 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. ji 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.

Neatsilieka ir vokiečiai – bendrovė „Smart Fuel Cell“ parduoda kuro elementus, kad galėtų maitinti mobilųjį biurą. Prietaisas vadinamas Smart Fuel Cell C25, jo matmenys yra 150 x 112 x 65 mm ir gali tiekti iki 140 vatvalandžių vienam užpildymui. To pakanka, kad nešiojamasis kompiuteris veiktų maždaug 7 valandas. Tada kasetė gali būti pakeista ir galite tęsti darbą. Metanolio kasetės dydis yra 99x63x27 mm, o svoris - 150 g. Pati sistema sveria 1,1 kg, todėl jos negalima vadinti visiškai nešiojama, tačiau vis tiek tai yra 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 neįtvirtino nei energetikos, nei transporto sektoriuje. Jau dabar daugelis automobilių gamintojų pristatė savo koncepcinius automobilius, varomus kuro elementais. Kuro elementų autobusai važinėja keliuose pasaulio miestuose. Canadian Ballard Power Systems gamina daugybę stacionarių generatorių, kurių galia nuo 1 iki 250 kW. Tuo pačiu metu kilovatų generatoriai skirti iš karto aprūpinti vieną butą elektra, šiluma ir karštu vandeniu.