Aprašymas:

Šiame straipsnyje išsamiau nagrinėjamas jų dizainas, klasifikacija, privalumai ir trūkumai, taikymo sritis, efektyvumas, sukūrimo istorija ir šiuolaikinės naudojimo perspektyvos.

Kuro elementų naudojimas pastatams maitinti

1 dalis

Šiame straipsnyje išsamiau nagrinėjamas kuro elementų veikimo principas, jų konstrukcija, klasifikacija, privalumai ir trūkumai, taikymo sritis, efektyvumas, sukūrimo istorija ir šiuolaikinės naudojimo perspektyvos. Antroje straipsnio dalyje, kuris bus publikuojamas kitame ABOK žurnalo numeryje, pateikia objektų, kuriuose kaip šilumos ir elektros tiekimo (arba tik maitinimo) šaltiniai buvo naudojami įvairių tipų kuro elementai.

Vanduo gali būti laikomas net abiem kryptimis tiek suspaustas, tiek suskystintas, tačiau tai taip pat yra dumblas, kurį abu sukelia didelės techninės problemos. Taip yra dėl didelio slėgio ir itin žemos temperatūros dėl suskystinimo. Dėl šios priežasties, pavyzdžiui, vandens kuro balionėlio stovas turi būti suprojektuotas kitaip, nei esame įpratę, roboto ranką sujungia su automobilio vožtuvu. Sujungimas ir užpildymas yra gana pavojingas, todėl geriausia, jei tai įvyktų be žmogaus.

Įvadas

Kuro elementai yra labai efektyvus, patikimas, patvarus ir aplinkai nekenksmingas būdas gaminti energiją.

Kuro elementai iš pradžių buvo naudojami tik kosmoso pramonėje, dabar vis dažniau naudojami įvairiose srityse – kaip stacionarios elektrinės, pastatų šilumos ir maitinimo šaltiniai, transporto priemonių varikliai, nešiojamųjų kompiuterių ir mobiliųjų telefonų maitinimo šaltiniai. Kai kurie iš šių įrenginių yra laboratoriniai prototipai, kai kuriems atliekami priešgamybiniai bandymai arba jie naudojami demonstravimo tikslais, tačiau daugelis modelių gaminami masiškai ir naudojami komerciniuose projektuose.

Toks prietaisas yra bandomasis važiavimas Miuncheno oro uoste, pabandykite čia važiuoti su individualiais automobiliais ir autobusais. Didelis kilometras yra šaunus, tačiau praktiškai tai svarbu tiek pat, kiek kilogramų jis kainuos, ir kiek vietos automobilyje užims tvirtas izoliuotas degalų bakas. Kai kurios kitos vandens problemos: - sukurti sudėtingą oro vonią - problema su garažais, automobilių remonto dirbtuvėmis ir kt. - Dėl mažos molekulės, prasiskverbiančios į kiekvieną kliūtį, varžtus ir vožtuvus, suspaudimas ir suskystinimas reikalauja didelių energijos sąnaudų.

Kuro elementas (elektrocheminis generatorius) yra įrenginys, kuris, priešingai nei tradicinės technologijos, kuriose deginamas kietasis, skystasis ir dujinis kuras, tiesiogiai per elektrocheminę reakciją paverčia kuro (vandenilio) cheminę energiją į elektros energiją. Tiesioginė elektrocheminė kuro konversija yra labai efektyvi ir patraukli aplinkosaugos požiūriu, nes eksploatacijos procese susidaro minimalus teršalų kiekis ir nėra stipraus triukšmo ar vibracijos.

Specialūs slėgiai, suspaudimas ir būtinų saugos priemonių rinkinys turi labai gerą vertę vertinant vandens gale, palyginti su skystu angliavandenilių kuru, kuris gaminamas naudojant lengvus konteinerius be slėgio. Todėl galbūt labai skubios aplinkybės gali prisidėti prie jo tikrai glostančio malonumo.

Artimiausiu metu automobilių gamintojai vis dar ieško pigesnių ir santykinai mažiau pavojingų skystųjų degalų. Karštas lydalas gali būti metanolis, kurį galima palyginti lengvai ekstrahuoti. Jo pagrindinė ir vienintelė problema yra toksiškumas, kita vertus, metanas gali būti naudojamas tiek vidaus degimo varikliuose, tiek tam tikro tipo kuro grandinėje. Jis taip pat turi tam tikrų pranašumų vidaus degimo varikliuose, įskaitant išmetamųjų teršalų kiekį.

Praktiniu požiūriu kuro elementas primena įprastą įtampos bateriją. Skirtumas tas, kad baterija iš pradžių įkraunama, t.y. pripildoma „degalais“. Veikimo metu „degalai“ sunaudojami ir akumuliatorius išsikrauna.

Šiuo atžvilgiu vanduo gali pakilti į gana netikėtą ir vis dėlto pajėgią konkurenciją. Kuro elementas yra elektros srovės šaltinis, sukuriamas elektrocheminės reakcijos metu. Skirtingai nuo visų mums žinomų baterijų, jis yra maitinamas reagentais, o atliekos nuolat išsikrauna, todėl skirtingai nei akumuliatorius, jis yra praktiškai neišsenkantis. Nors yra daug skirtingų tipų, toliau pateikta vandenilio kuro elemento diagrama padeda suprasti, kaip jis veikia.

Kuras tiekiamas į teigiamą elektrodą, kur jis oksiduojamas. O2 deguonis patenka į neigiamą elektrodą ir gali būti sumažintas.

Netgi buvo įmanoma sukurti kuro elementą, kuris tiesiogiai degintų anglį. Kadangi Lawrence'o Livermore'o laboratorijos mokslininkų darbas, sugebėjęs išbandyti kuro elementą, kuris tiesiogiai paverčia anglį į elektrą, gali būti labai svarbus energijos plėtros etapas, sustosime ties keliais žodžiais. Akmens anglies dirvožemis iki 1 mikrono dydžio sumaišomas 750–850 ° C temperatūroje su išlydytu ličio, natrio arba kalio karbonatu.

Elektros energijai gaminti gali būti naudojamas ne tik grynas vandenilis, bet ir kitos vandenilio turinčios žaliavos, pavyzdžiui, gamtinės dujos, amoniakas, metanolis ar benzinas. Paprastas oras naudojamas kaip deguonies šaltinis, taip pat būtinas reakcijai.

Kaip kurą naudojant gryną vandenilį, reakcijos produktai, be elektros energijos, yra šiluma ir vanduo (arba vandens garai), t.y. į atmosferą neišskiriamos dujos, kurios sukelia oro taršą ar sukelia šiltnamio efektą. Jei kaip kuras yra naudojama vandenilio turinti žaliava, pvz., gamtinės dujos, kitos dujos, tokios kaip anglies ir azoto oksidai, bus šalutinis reakcijos produktas, tačiau jų kiekis yra daug mažesnis nei deginant tokį patį kiekį natūralios. dujų.

Tada viskas daroma standartiniu būdu pagal aukščiau pateiktą schemą: ore esantis deguonis su anglimi reaguoja į anglies dioksidą, o energija išsiskiria elektros pavidalu. Nors žinome keletą skirtingų kuro elementų tipų, jie visi veikia pagal aprašytą principą. Tai savotiškas kontroliuojamas degimas. Kai sumaišome vandenilį su deguonimi, gauname dalijimosi mišinį, kuris sprogdamas suformuoja vandenį. Energija išsiskiria šilumos pavidalu. Vandenilio kuro elemento reakcija yra tokia pati, produktas taip pat yra vanduo, tačiau energija išsiskiria kaip elektra.

Cheminio kuro konvertavimo į vandenilį procesas vadinamas riformingu, o atitinkamas prietaisas vadinamas riformingu.

Kuro elementų privalumai ir trūkumai

Kuro elementai yra efektyvesni nei vidaus degimo varikliai, nes kuro elementams nėra jokių termodinaminių energijos vartojimo efektyvumo apribojimų. Kuro elementų naudingumo koeficientas siekia 50 proc., o vidaus degimo variklių – 12-15 proc., o garo turbinų jėgainių – ne daugiau kaip 40 proc. Naudojant šilumą ir vandenį kuro elementų efektyvumas dar labiau padidinamas.

Didelis kuro elemento privalumas yra tas, kad jis vienaip ar kitaip gamina elektrą iš kuro tiesiogiai, be tarpinės šiluminės elektrinės, todėl emisijos mažesnės ir efektyvumas didesnis. Jis pasiekia 70%, o standartiškai pasiekiame 40% anglies pavertimo elektra. Kodėl vietoj elektrinių nestačius milžiniškų kuro elementų? Kuro elementas yra gana sudėtingas įrenginys, veikiantis aukštoje temperatūroje, todėl reikalavimai elektrodų medžiagoms ir pačiam elektrolitui yra dideli.

Skirtingai nei, pavyzdžiui, vidaus degimo variklių, kuro elementų efektyvumas išlieka labai aukštas net ir neveikiant visa galia.

Be to, kuro elementų galią galima padidinti tiesiog pridedant atskirus agregatus, o efektyvumas nesikeičia, t.y. didelės instaliacijos yra tokios pat efektyvios kaip ir mažos. Tokios aplinkybės leidžia labai lanksčiai parinkti įrangos sudėtį pagal užsakovo pageidavimus ir galiausiai sumažinti įrangos sąnaudas.

Susidomėjimas vėl atslūgo, kai tapo aišku, kad platesnis naudojimas to meto technologijos nepajėgia. Tačiau per pastaruosius trisdešimt metų plėtra nesustojo, atsirado naujų medžiagų ir koncepcijų, pasikeitė mūsų prioritetai – dabar aplinkos apsaugai skiriame daug daugiau dėmesio nei tada. Todėl kuro elementų, kurie vis dažniau naudojami daugelyje sričių, atgimimą išgyvename. Pasaulyje yra 200 tokių įrenginių. Pavyzdžiui, jie naudojami kaip atsarginis įrenginys, kuriame tinklo gedimas gali sukelti rimtų problemų, pavyzdžiui, ligoninėse ar karinėse įstaigose.

Svarbus kuro elementų privalumas yra jų ekologiškumas. Kuro elementų emisija yra tokia maža, kad kai kuriose JAV vietose jų veikimui nereikia specialaus vyriausybės oro kokybės reguliavimo institucijų patvirtinimo.

Kuro elementai gali būti dedami tiesiai į pastatą, sumažinant nuostolius energijos transportavimo metu, o reakcijos metu susidariusią šilumą galima panaudoti pastatui tiekti šilumą ar karštą vandenį. Autonominiai šilumos ir elektros šaltiniai gali būti labai naudingi atokiose vietovėse ir regionuose, kuriems būdingas elektros trūkumas ir brangumas, tačiau kartu yra ir vandenilio turinčių žaliavų (naftos, gamtinių dujų) atsargų.

Jie naudojami labai atokiose vietose, kur kurą lengviau transportuoti nei ištempti kabelį. Jie taip pat gali pradėti konkuruoti su elektrinėmis. Tai galingiausias įdiegtas modulis pasaulyje.

Beveik kiekvienas didelis automobilių gamintojas dirba prie kuro elementų elektrinių transporto priemonių projekto. Tai atrodo daug perspektyvesnė koncepcija nei įprastas akumuliatorinis elektromobilis, nes jam nereikia ilgo įkrovimo laiko, o būtini infrastruktūros pokyčiai nėra tokie dideli.

Kuro elementų privalumai taip pat yra kuro prieinamumas, patikimumas (kuro elemente nėra judančių dalių), ilgaamžiškumas ir naudojimo paprastumas.

Vienas pagrindinių kuro elementų trūkumų šiandien yra gana didelė kaina, tačiau šį trūkumą greitai pavyks įveikti – vis daugiau įmonių gamina komercinius kuro elementų pavyzdžius, jie nuolat tobulinami, o jų savikaina mažėja.

Didėjančią kuro elementų svarbą iliustruoja ir faktas, kad Bušo administracija neseniai pergalvojo savo požiūrį į automobilių kūrimą, o lėšos, kurias skyrė kuo geresnės ridos automobilių kūrimui, dabar perkeliamos kuro elementų projektams. Plėtros finansavimas nelieka tiesiog valstybės rankose.

Žinoma, naujoji pavaros koncepcija neapsiriboja lengvaisiais automobiliais, bet ją galime rasti ir masinio transporto metu. Kuro elementų autobusai veža keleivius kelių miestų gatvėmis. Be automobilių pavarų, rinkoje yra keletas mažesnių, tokių kaip kompiuteriai, vaizdo kameros ir mobilieji telefonai. Nuotraukoje matome kuro elementą, kuris maitins eismo signalizaciją.

Veiksmingiausias būdas yra naudoti gryną vandenilį kaip kurą, tačiau tam reikės sukurti specialią infrastruktūrą jo gamybai ir transportavimui.

Šiuo metu visuose komerciniuose projektuose naudojamos gamtinės dujos ir panašus kuras. Variklinės transporto priemonės gali naudoti įprastą benziną, o tai leis išlaikyti esamą išvystytą degalinių tinklą.

Chemikai sukūrė katalizatorių, galintį pakeisti brangią platiną kuro elementuose. Vietoje to jis naudoja apie du šimtus tūkstančių pigios geležies. Kuro elementai cheminę energiją paverčia elektros energija. Skirtingų molekulių elektronai turi skirtingą energiją. Energijos skirtumas tarp vienos ir kitos molekulės gali būti naudojamas kaip energijos šaltinis. Tiesiog suraskite reakciją, kuri perkelia elektronus iš aukštesnio į žemesnį. Tokios reakcijos yra pagrindinis gyvų organizmų energijos šaltinis.

Kitas kuro elementų bruožas yra tai, kad jie yra efektyviausi, kai vienu metu naudojami tiek elektros, tiek šilumos energija. Tačiau ne kiekvienas objektas turi galimybę naudoti šiluminę energiją. Jei kuro elementai naudojami tik elektros energijai gaminti, jų efektyvumas mažėja, nors ir viršija „tradicinių“ įrenginių efektyvumą.

Labiausiai žinomas yra kvėpavimas, kuris cukrų paverčia anglies dioksidu ir vandeniu. Vandenilio kuro elemente dviejų atomų vandenilio molekulės susijungia su deguonimi ir sudaro vandenį. Energijos skirtumas tarp vandenilio ir vandens elektronų naudojamas elektros energijai gaminti. Vandenilio elementai šiandien yra bene dažniausiai naudojami automobiliams vairuoti. Didelis jų išsiplėtimas taip pat apsaugo nuo nedidelių užkabinimų.

Kad vyktų daug energijos turinti reakcija, reikalingas katalizatorius. Katalizatoriai yra molekulės, padidinančios reakcijos tikimybę. Be katalizatoriaus jis taip pat galėtų veikti, bet rečiau arba lėčiau. Vandenilio ląstelėse kaip katalizatorius naudojama brangioji platina.

Kuro elementų istorija ir šiuolaikinis naudojimas

Kuro elementų veikimo principas buvo atrastas 1839 m. Anglų mokslininkas Williamas Robertas Grove'as (1811-1896) atrado, kad elektrolizės procesas – vandens skilimas į vandenilį ir deguonį veikiant elektros srovei – yra grįžtamasis, t.y. vandenilis ir deguonis gali susijungti į vandens molekules nedegdami, bet išsiskiriant. šilumos ir elektros srovės. Grove'as prietaisą, kuriame tokia reakcija buvo įmanoma, pavadino „dujų baterija“, kuri buvo pirmasis kuro elementas.

Ta pati reakcija, kuri vyksta vandenilio ląstelėse, vyksta ir gyvose ląstelėse. Fermentai yra palyginti didelės molekulės, sudarytos iš aminorūgščių, kurias galima sujungti kaip Lego kaladėles. Kiekvienas fermentas turi vadinamąją aktyviąją vietą, kurioje pagreitėja reakcija. Aktyvioje vietoje dažnai yra ir kitų molekulių, išskyrus aminorūgštis.

Vandenilio rūgšties atveju tai yra geležis. Chemikų komanda, vadovaujama Morriso Bullocko iš JAV Energetikos departamento Ramiojo vandenyno laboratorijos, sugebėjo imituoti reakciją aktyvioje hidrinimo vietoje. Kaip ir fermentą, hidrinimo pakanka platinos su geležimi. Jis gali suskaidyti nuo 0,66 iki 2 vandenilio molekulių per sekundę. Įtampos skirtumas svyruoja nuo 160 iki 220 tūkstančių voltų. Abu yra panašūs į dabartinius platinos katalizatorius, naudojamus vandenilio elementuose. Reakcija vykdoma kambario temperatūroje.

Aktyvus kuro elementų panaudojimo technologijų vystymas prasidėjo po Antrojo pasaulinio karo ir siejamas su aviacijos ir kosmoso pramone. Šiuo metu buvo ieškoma efektyvaus ir patikimo, bet kartu gana kompaktiško energijos šaltinio. 1960-aisiais NASA (Nacionalinė aeronautikos ir kosmoso administracija, NASA) specialistai pasirinko kuro elementus kaip energijos šaltinį Apollo (pilotuojami skrydžiai į Mėnulį), Apollo-Soyuz, Gemini ir Skylab. Erdvėlaivis „Apollo“ naudojo tris 1,5 kW (2,2 kW maksimumo) jėgaines, naudojančias kriogeninį vandenilį ir deguonį elektrai, šilumai ir vandeniui gaminti. Kiekvieno įrenginio masė buvo 113 kg. Šios trys ląstelės veikė lygiagrečiai, tačiau vieno bloko pagamintos energijos pakako saugiam grįžimui.

Vienas kilogramas geležies kainuoja 0,5 CZK. Todėl geležis yra 200 tūkstančių kartų pigesnė nei platina. Ateityje kuro elementai gali būti pigesni. Brangi platina nėra vienintelė priežastis, kodėl jos neturėtų būti naudojamos, bent jau ne dideliu mastu. Su juo elgtis sunku ir pavojinga.

Jei vandenilio kameros būtų naudojamos urmu automobiliams vairuoti, jos turėtų sukurti tokią pačią infrastruktūrą kaip benzinas ir dyzelinas. Be to, vario reikia elektros varikliams, varomiems vandeniliu varomiems automobiliams, gaminti. Tačiau tai nereiškia, kad kuro elementai yra nenaudingi. Kai yra naftos, galbūt neturime kito pasirinkimo, kaip tik važiuoti vandeniliu.

Mūsų šalyje taip pat buvo dirbama kuriant kuro elementus, skirtus naudoti astronautikoje. Pavyzdžiui, kuro elementai buvo naudojami sovietų daugkartinio naudojimo erdvėlaiviui „Buran“.

Kuro elementų komercinio naudojimo metodai pradėti kurti septintojo dešimtmečio viduryje. Šiuos pokyčius iš dalies finansavo vyriausybinės organizacijos.

Šiuo metu kuro elementų naudojimo technologijų plėtra vyksta keliomis kryptimis. Tai stacionarių jėgainių ant kuro elementų (tiek centralizuotai tiek decentralizuoto energijos tiekimo), transporto priemonių elektrinių (sukurti automobilių ir autobusų ant kuro elementų pavyzdžiai, taip pat ir mūsų šalyje) (3 pav.), o. taip pat įvairių mobiliųjų įrenginių (nešiojamųjų kompiuterių, mobiliųjų telefonų ir kt.) maitinimo šaltiniai (4 pav.).

Kuro elementų panaudojimo įvairiose srityse pavyzdžiai pateikti lentelėje. 1.

Vienas iš pirmųjų komercinių kuro elementų modelių, skirtų autonominiam pastatų šilumos ir energijos tiekimui, buvo PC25 modelis A, pagamintas ONSI Corporation (dabar United Technologies, Inc.).

Kai kurių tipų kuro elementuose cheminis procesas gali būti apverstas: pritaikius elektrodams potencialų skirtumą, vanduo gali būti suskaidytas į vandenilį ir deguonį, kurie kaupiasi ant poringų elektrodų. Prijungus apkrovą, toks regeneracinis kuro elementas pradės gaminti elektros energiją.

Daug žadanti kuro elementų naudojimo kryptis yra jų naudojimas kartu su atsinaujinančiais energijos šaltiniais, pavyzdžiui, fotovoltinėmis plokštėmis ar vėjo elektrinėmis. Ši technologija leidžia visiškai išvengti oro taršos. Panašią sistemą planuojama sukurti, pavyzdžiui, Adam Joseph Lewis mokymo centre Oberline (žr. ABOK, 2002, Nr. 5, p. 10). Šiuo metu saulės baterijos yra naudojamos kaip vienas iš energijos šaltinių šiame pastate. Kartu su NASA specialistais buvo sukurtas fotovoltinių plokščių panaudojimo projektas vandenilį ir deguonį gaminti iš vandens elektrolizės būdu. Tada vandenilis naudojamas kuro elementuose elektros energijai gaminti ir. Tai leis pastate išlaikyti visų sistemų funkcionalumą debesuotomis dienomis ir naktį.

Kuro elementų veikimo principas

Panagrinėkime kuro elemento veikimo principą naudodami paprasto elemento su protonų mainų membrana (Proton Exchange Membrane, PEM) pavyzdį. Toks elementas susideda iš polimerinės membranos, esančios tarp anodo (teigiamo elektrodo) ir katodo (neigiamo elektrodo), kartu su anodo ir katodo katalizatoriais.

Polimerinė membrana naudojama kaip elektrolitas. PEM elemento schema parodyta fig. 5.

Protonų mainų membrana (PEM) yra plonas (apie 2–7 popieriaus lapų storio) kietas organinis junginys. Ši membrana veikia kaip elektrolitas: esant vandeniui, ji atskiria medžiagą į teigiamo ir neigiamo krūvio jonus.

Anode vyksta oksidacijos procesas, o katode – redukcijos procesas.

Vandenilio molekulės plokštelėje esančiais kanalais patenka į anodą, kur molekulės suskaidomos į atskirus atomus (6 pav.).

Tada, vykstant chemisorbcijai, dalyvaujant katalizatoriui, vandenilio atomai, kiekvienas atiduodami po vieną elektroną e –, paverčiami teigiamai įkrautais vandenilio jonais H +, t.y. protonais (7 pav.).

Teigiamai įkrauti vandenilio jonai (protonai) difunduoja per membraną į katodą, o elektronų srautas nukreipiamas į katodą per išorinę elektros grandinę, prie kurios prijungta apkrova (elektros energijos vartotojas) (8 pav.).

Į katodą tiekiamas deguonis, esant katalizatoriui, vyksta į cheminę reakciją su vandenilio jonais (protonais) iš protonų mainų membranos ir elektronais iš išorinės elektros grandinės (9 pav.). Dėl cheminės reakcijos susidaro vanduo.

Cheminė reakcija kitų tipų kuro elementuose (pavyzdžiui, su rūgštiniu elektrolitu, kuriame naudojamas ortofosforo rūgšties H 3 PO 4 tirpalas) yra visiškai identiška cheminei reakcijai kuro elemente su protonų mainų membrana.

Bet kuriame kuro elemente dalis cheminės reakcijos energijos išsiskiria kaip šiluma.

Elektronų srautas išorinėje grandinėje yra nuolatinė srovė, kuri naudojama darbui atlikti. Atidarius išorinę grandinę arba sustabdžius vandenilio jonų judėjimą, cheminė reakcija sustabdoma.

Kuro elemento pagaminamos elektros energijos kiekis priklauso nuo kuro elemento tipo, geometrinių matmenų, temperatūros, dujų slėgio. Atskiras kuro elementas užtikrina mažesnį nei 1,16 V EML. Kuro elementų dydį galima padidinti, tačiau praktiškai naudojami keli elementai, sujungti į baterijas (10 pav.).

Kuro elementų dizainas

Pažvelkime į kuro elemento konstrukciją, kaip pavyzdį naudodami PC25 modelį C.

Kuro elementų diagrama parodyta fig. 11.

PC25 Model C kuro elementas susideda iš trijų pagrindinių dalių: kuro procesoriaus, tikrosios energijos gamybos sekcijos ir įtampos keitiklio.

Pagrindinė kuro elemento dalis, energijos gamybos sekcija, yra baterija, sudaryta iš 256 atskirų kuro elementų. Kuro elementų elektroduose yra platinos katalizatoriaus. Šios ląstelės gamina nuolatinę 1400 amperų elektros srovę esant 155 voltams. Akumuliatoriaus matmenys yra maždaug 2,9 m ilgio ir 0,9 m pločio ir aukščio.

Kadangi elektrocheminis procesas vyksta 177 °C temperatūroje, paleidžiant akumuliatorių būtina pašildyti, o eksploatacijos metu iš jo pašalinti šilumą.

Norėdami tai pasiekti, kuro elemente yra atskira vandens grandinė, o akumuliatoriuje yra specialios aušinimo plokštės.

Kuro procesorius gamtines dujas paverčia vandeniliu, reikalingu elektrocheminei reakcijai. Šis procesas vadinamas reformavimu. Pagrindinis kuro procesoriaus elementas yra reformeris. Reformeryje gamtinės dujos (arba kitas vandenilio turintis kuras) reaguoja su vandens garais esant aukštai temperatūrai (900 °C) ir aukštam slėgiui, esant nikelio katalizatoriui. Tokiu atveju vyksta šios cheminės reakcijos:

CH 4 (metanas) + H 2 O 3H 2 + CO

(reakcija yra endoterminė, su šilumos absorbcija);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(reakcija egzoterminė, išsiskiria šiluma).

Bendra reakcija išreiškiama lygtimi:

CH 4 (metanas) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(reakcija yra endoterminė, su šilumos absorbcija).

Kuro elementų kaminas gamina nuolatinę srovę, kuri yra žemos įtampos ir didelės srovės. Įtampos keitiklis naudojamas paversti jį į pramoninę standartinę kintamosios srovės srovę. Be to, įtampos keitiklio bloke yra įvairūs valdymo įtaisai ir saugos blokavimo grandinės, kurios leidžia išjungti kuro elementą esant įvairiems gedimams.

Tokiame kuro elemente maždaug 40 % kuro energijos gali būti paversta elektros energija. Maždaug tiek pat, apie 40% kuro energijos, galima paversti šilumine energija, kuri vėliau naudojama kaip šilumos šaltinis šildymui, karšto vandens tiekimui ir panašiems tikslams. Taigi bendras tokio įrenginio efektyvumas gali siekti 80%.

Svarbus tokio šilumos ir elektros šaltinio privalumas yra galimybė jį automatiškai veikti. Priežiūrai objekto, kuriame įrengtas kuro elementas, savininkams nereikia prižiūrėti specialiai apmokyto personalo – periodinę priežiūrą gali atlikti eksploatuojančios organizacijos darbuotojai.

Kuro elementų tipai

Šiuo metu yra žinomi keli kuro elementų tipai, kurie skiriasi naudojamo elektrolito sudėtimi. Šios keturios rūšys yra plačiausiai paplitusios (2 lentelė):

1. Kuro elementai su protonų mainų membrana (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Kuro elementai, kurių pagrindą sudaro ortofosforo rūgštis (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Kuro elementai išlydyto karbonato pagrindu (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Kietojo oksido kuro elementai (SOFC).

Šiuo metu didžiausias kuro elementų parkas yra pagrįstas PAFC technologija.

Viena iš pagrindinių skirtingų kuro elementų tipų savybių yra darbinė temperatūra. Daugeliu atžvilgių kuro elementų taikymo sritį lemia temperatūra. Pavyzdžiui, nešiojamiesiems kompiuteriams itin svarbi aukšta temperatūra, todėl šiam rinkos segmentui kuriami žemos darbinės temperatūros protonų mainų membraniniai kuro elementai.

Protonų mainų membranos kuro elementai (PEMFC)

Šie kuro elementai veikia palyginti žemoje darbinėje temperatūroje (60-160 °C). Jie pasižymi dideliu galios tankiu, leidžia greitai reguliuoti išėjimo galią ir gali būti greitai įjungiami. Šio tipo elementų trūkumas yra aukšti degalų kokybės reikalavimai, nes užterštas kuras gali pažeisti membraną. Šio tipo kuro elementų vardinė galia yra 1-100 kW.

Protonų mainų membranos kuro elementus iš pradžių NASA sukūrė General Electric septintajame dešimtmetyje. Šio tipo kuro elementuose naudojamas kietojo kūno polimero elektrolitas, vadinamas protonų mainų membrana (PEM). Protonai gali judėti per protonų mainų membraną, bet elektronai negali praeiti pro ją, todėl tarp katodo ir anodo atsiranda potencialų skirtumas. Dėl savo paprastumo ir patikimumo tokie kuro elementai buvo naudojami kaip energijos šaltinis pilotuojamame erdvėlaivyje Gemini.

Šio tipo kuro elementai naudojami kaip maitinimo šaltinis įvairiems įrenginiams, įskaitant prototipus ir prototipus, nuo mobiliųjų telefonų iki autobusų ir stacionarių maitinimo sistemų. Žema darbinė temperatūra leidžia tokius elementus naudoti įvairių tipų sudėtingiems elektroniniams prietaisams maitinti. Jų naudojimas yra mažiau efektyvus kaip šilumos ir elektros energijos tiekimo šaltinis visuomeniniams ir pramoniniams pastatams, kur reikalingi dideli šiluminės energijos kiekiai. Tuo pačiu metu tokie elementai yra perspektyvūs kaip autonominis maitinimo šaltinis mažiems gyvenamiesiems pastatams, pavyzdžiui, kotedžams, pastatytiems karšto klimato regionuose.

Fosforo rūgšties kuro elementai (PAFC)

Šio tipo kuro elementų bandymai buvo atlikti jau aštuntojo dešimtmečio pradžioje. Darbinės temperatūros diapazonas - 150-200 °C. Pagrindinė taikymo sritis – autonominiai vidutinės galios (apie 200 kW) šilumos ir elektros energijos tiekimo šaltiniai.

Šiuose kuro elementuose kaip elektrolitas naudojamas fosforo rūgšties tirpalas. Elektrodai yra pagaminti iš popieriaus, padengto anglimi, kuriame yra platinos katalizatorius.

PAFC kuro elementų elektrinis naudingumo koeficientas yra 37-42%. Tačiau kadangi šie kuro elementai veikia gana aukštoje temperatūroje, galima panaudoti darbo metu susidarančius garus. Šiuo atveju bendras efektyvumas gali siekti 80%.

Norint gaminti energiją, vandenilio turinčios žaliavos turi būti konvertuojamos į gryną vandenilį per reformavimo procesą. Pavyzdžiui, jei benzinas naudojamas kaip kuras, būtina pašalinti sieros turinčius junginius, nes siera gali pažeisti platinos katalizatorių.

PAFC kuro elementai buvo pirmieji komerciniai kuro elementai, kurie buvo naudojami ekonomiškai. Labiausiai paplitęs modelis buvo 200 kW PC25 kuro elementas, pagamintas ONSI Corporation (dabar United Technologies, Inc.) (13 pav.). Pavyzdžiui, šie elementai naudojami kaip šiluminės ir elektros energijos šaltinis Niujorko Centrinio parko policijos nuovadoje arba kaip papildomas energijos šaltinis Conde Nast pastate ir Four Times Square.

Didžiausia tokio tipo instaliacija bandoma kaip 11 MW galios jėgainė, esanti Japonijoje.

Fosforo rūgšties kuro elementai taip pat naudojami kaip energijos šaltinis transporto priemonėse. Pavyzdžiui, 1994 metais H-Power Corp., Džordžtauno universitetas ir JAV Energetikos departamentas įrengė autobusą su 50 kW galios jėgaine.

Išlydyto karbonato kuro elementai (MCFC)

Išlydyto karbonato pagrindu pagaminti kuro elementai reikalauja ilgo paleidimo laiko ir neleidžia greitai reguliuoti išėjimo galios, todėl pagrindinė jų taikymo sritis yra dideli stacionarūs šiluminės ir elektros energijos šaltiniai. Tačiau jiems būdingas didelis kuro konversijos efektyvumas – 60 % elektros naudingumo koeficientas ir iki 85 % bendras efektyvumas.

Šio tipo kuro elementuose elektrolitas susideda iš kalio karbonato ir ličio karbonato druskų, įkaitintų iki maždaug 650 °C. Tokiomis sąlygomis druskos yra išlydytos ir sudaro elektrolitą. Prie anodo vandenilis reaguoja su CO 3 jonais, sudarydamas vandenį, anglies dioksidą ir išskirdamas elektronus, kurie siunčiami į išorinę grandinę, o prie katodo deguonis sąveikauja su anglies dioksidu ir elektronais iš išorinės grandinės ir vėl susidaro CO 3 jonai. .

Šio tipo kuro elementų laboratorinius pavyzdžius šeštojo dešimtmečio pabaigoje sukūrė olandų mokslininkai G. H. J. Broersas ir J. A. A. Ketelaaras. 1960-aisiais su šiais elementais dirbo inžinierius Francis T. Bacon, žymaus XVII amžiaus anglų rašytojo ir mokslininko palikuonis, todėl MCFC kuro elementai kartais vadinami Bekono elementais. NASA Apollo, Apollo-Soyuz ir Scylab programose šie kuro elementai buvo naudojami kaip energijos tiekimo šaltinis (14 pav.). Tais pačiais metais JAV karinis departamentas išbandė kelis MCFC kuro elementų pavyzdžius, pagamintus „Texas Instruments“, kuriuose kaip kuras buvo naudojamas karinis benzinas. Aštuntojo dešimtmečio viduryje JAV Energetikos departamentas pradėjo tyrimus, siekdamas sukurti stacionarų išlydyto karbonato kuro elementą, tinkantį praktiniam pritaikymui. Dešimtajame dešimtmetyje buvo pristatyta keletas komercinių įrenginių, kurių vardinė galia iki 250 kW, pavyzdžiui, JAV karinio jūrų laivyno oro stotyje Miramar Kalifornijoje. 1996 m. FuelCell Energy, Inc.

Santa Klaroje, Kalifornijoje, paleido ikigamybinę 2 MW elektrinę.

Kietojo kūno oksido kuro elementai yra paprastos konstrukcijos ir veikia labai aukštoje – 700-1000 °C temperatūroje. Tokios aukštos temperatūros leidžia naudoti santykinai „nešvarų“, nerafinuotą kurą.

Tos pačios savybės kaip ir kuro elementų, kurių pagrindą sudaro išlydytas karbonatas, lemia panašią taikymo sritį – didelius stacionarius šiluminės ir elektros energijos šaltinius.

Kietojo oksido kuro elementai struktūriškai skiriasi nuo kuro elementų, pagrįstų PAFC ir MCFC technologijomis. Anodas, katodas ir elektrolitas yra pagaminti iš specialių keramikos rūšių. Dažniausiai naudojamas elektrolitas yra cirkonio oksido ir kalcio oksido mišinys, tačiau gali būti naudojami ir kiti oksidai.

Elektrolitas sudaro kristalinę gardelę, iš abiejų pusių padengtą akyta elektrodo medžiaga. Struktūriškai tokie elementai gaminami vamzdžių arba plokščių plokščių pavidalu, todėl jų gamyboje galima panaudoti elektronikos pramonėje plačiai naudojamas technologijas. Dėl to kietojo kūno oksido kuro elementai gali veikti labai aukštoje temperatūroje, todėl jie yra naudingi tiek elektros, tiek šiluminės energijos gamybai.

Pirmuosius tokių kuro elementų prototipus šeštojo dešimtmečio pabaigoje sukūrė nemažai Amerikos ir Olandijos kompanijų. Dauguma šių įmonių netrukus atsisakė tolesnių tyrimų dėl technologinių sunkumų, tačiau viena iš jų – Westinghouse Electric Corp. (dabar Siemens Westinghouse Power Corporation), tęsė darbą. Šiuo metu bendrovė priima išankstinius komercinio vamzdinio kietojo kūno oksido kuro elemento modelio, kurį tikimasi įsigyti šiais metais, užsakymus (15 pav.). Tokių elementų rinkos segmentas – stacionarūs šilumos ir elektros energijos gamybos įrenginiai, kurių galia nuo 250 kW iki 5 MW.

SOFC kuro elementai pademonstravo labai didelį patikimumą.

Pavyzdžiui, „Siemens Westinghouse“ pagamintas kuro elemento prototipas pasiekė 16 600 darbo valandų ir toliau veikia, todėl tai yra ilgiausias nepertraukiamas kuro elementų eksploatavimo laikas pasaulyje.

Aukštos temperatūros ir aukšto slėgio SOFC kuro elementų darbo režimas leidžia sukurti hibridines jėgaines, kuriose kuro elementų emisijos varo dujų turbinas, naudojamas elektros energijai gaminti. Pirmoji tokia hibridinė instaliacija veikia Irvine, Kalifornijoje. Šio įrenginio vardinė galia – 220 kW, iš kurių 200 kW – kuro elemento ir 20 kW – mikroturbinos generatoriaus. Kuro elementas

yra elektrocheminis prietaisas, panašus į galvaninį elementą, tačiau nuo jo skiriasi tuo, kad medžiagos elektrocheminei reakcijai į jį tiekiamos iš išorės – priešingai nei galvaniniame elemente ar baterijoje sukauptas ribotas energijos kiekis. Ryžiai. 1.

Kuro elementai cheminę kuro energiją paverčia elektra, aplenkdami neefektyvius degimo procesus, kurie vyksta su dideliais nuostoliais. Per cheminę reakciją jie paverčia vandenilį ir deguonį į elektros energiją. Dėl šio proceso susidaro vanduo ir išsiskiria daug šilumos. Kuro elementas yra panašus į akumuliatorių, kurį galima įkrauti ir tada naudoti sukauptą elektros energiją. Kuro elemento išradėju laikomas Williamas R. Grove'as, kuris jį išrado dar 1839 m. Šiame kuro elemente kaip elektrolitas buvo naudojamas sieros rūgšties tirpalas, o kaip kuras – vandenilis, kuris buvo sujungtas su deguonimi oksidatoriuje. Dar visai neseniai kuro elementai buvo naudojami tik laboratorijose ir erdvėlaiviuose.

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 elementai neturi judančių dalių (bent jau ne pačioje kameroje) ir todėl nepaklūsta Carnot dėsniui. Tai yra, jie turės didesnį nei 50% efektyvumą ir yra ypač veiksmingi esant mažoms apkrovoms. Taigi, kuro elementų transporto priemonės gali tapti (ir jau įrodė, kad yra) efektyvesnės degalų nei įprastos transporto priemonės realiomis vairavimo sąlygomis.

Kuro elementas gamina pastovios įtampos elektros srovę, kuri gali būti naudojama elektros varikliui, apšvietimui ir kitoms transporto priemonės elektros sistemoms valdyti.

Yra keletas kuro elementų tipų, kurie skiriasi naudojamais cheminiais procesais. Kuro elementai paprastai klasifikuojami pagal naudojamo elektrolito tipą.

Kai kurie kuro elementų tipai yra perspektyvūs naudoti elektrinėse, o kiti – nešiojamiesiems įrenginiams arba automobiliams vairuoti.

1. Šarminiai kuro elementai (ALFC)

Šarminis kuro elementas– Tai vienas iš pirmųjų sukurtų elementų. Šarminiai kuro elementai (AFC) yra viena iš labiausiai ištirtų technologijų, nuo XX amžiaus 60-ųjų vidurio NASA naudota „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, o energijos gamybos efektyvumas siekia iki 70%.

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

Reakcija prie anodo: 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, SHTE veikia palyginti žemoje temperatūroje ir yra vieni efektyviausių.

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 naudojami tik uždarose erdvėse, pavyzdžiui, erdvėse ir povandeninėse transporto priemonėse, kuriose naudojamas grynas vandenilis ir deguonis.

2. Išlydyto karbonato kuro elementai (MCFC)

Kuro elementai su išlydytu karbonato elektrolitu 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 XX amžiaus 60-ųjų viduryje. Nuo to laiko buvo patobulinta gamybos technologija, našumas ir patikimumas.

RCFC veikimas skiriasi nuo kitų kuro elementų. Šiose ląstelėse naudojamas elektrolitas, pagamintas iš išlydytų karbonato druskų mišinio. Šiuo metu naudojami dviejų tipų mišiniai: ličio karbonatas ir kalio karbonatas arba ličio karbonatas ir natrio karbonatas. Norint išlydyti karbonato druskas ir pasiekti aukštą jonų mobilumo laipsnį elektrolite, kuro elementai su išlydytu karbonato elektrolitu veikia 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-

Bendroji 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. Privalumas – galimybė naudoti standartines medžiagas (nerūdijančio plieno lakštus ir nikelio katalizatorių ant elektrodų). Atliekinė šiluma gali būti naudojama aukšto slėgio garams gaminti. 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 apsaugo kuro elementą nuo anglies monoksido, „apsinuodijimo“ ir kt.

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

3. Fosforo rūgšties kuro elementai (PAFC)

Kuro elementai, kurių pagrindą sudaro fosforo (ortofosforo) rūgštis tapo pirmaisiais komerciniam naudojimui skirtais kuro elementais. Šis procesas buvo sukurtas XX amžiaus 60-ųjų viduryje, bandymai buvo atliekami nuo XX amžiaus aštuntojo dešimtmečio. Rezultatas buvo didesnis stabilumas ir našumas bei sumažintos išlaidos.

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 esant iki 150-220 °C temperatūrai.

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 atmosferos 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. Paprasta konstrukcija, mažas elektrolito nepastovumas ir didesnis stabilumas taip pat yra tokių kuro elementų privalumai.

Komerciniu būdu gaminamos šiluminės elektrinės, kurių elektros išėjimo galia iki 400 kW. 11 MW galios įrenginiai praėjo atitinkamus bandymus. Plėtojami įrenginiai, kurių išėjimo galia iki 100 MW.

4. Protonų mainų membranos kuro elementai (PEMFC)

Protonų mainų membranos kuro elementai yra laikomi geriausiu kuro elementų tipu transporto priemonėms energijai gaminti, kurie gali pakeisti benzininius ir dyzelinius vidaus degimo variklius. Šiuos kuro elementus NASA pirmą kartą panaudojo Gemini programai. Sukurti ir pademonstruoti įrenginiai MOPFC pagrindu, kurių galia nuo 1 W iki 2 kW.

Šių kuro elementų elektrolitas yra kieta polimerinė membrana (plona plastiko plėvelė). Prisotintas vandeniu, 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. Prie elektrodų vyksta šios reakcijos: Reakcija prie anodo: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e Reakcija prie katodo: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Bendra ląstelių reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O Palyginti su kitų tipų kuro elementai, kuro elementai su protonų mainų membrana 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 darbą. Šios charakteristikos, taip pat galimybė greitai pakeisti energijos išeigą, yra tik keletas, 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 pagaminti pigiau. Naudojant kietą elektrolitą, nėra orientacijos problemų ir mažiau korozijos problemų, todėl pailgėja elemento ir jo komponentų ilgaamžiškumas.

5. 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 naudojimo technologija buvo vystoma nuo XX amžiaus šeštojo dešimtmečio pabaigos ir turi dvi konfigūracijas: plokštuminę 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

Elektros energijos gamybos efektyvumas yra didžiausias iš visų kuro elementų – apie 60 proc. 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, kad būtų pasiektos optimalios darbo sąlygos, 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.

6. Tiesioginio metanolio oksidacijos kuro elementai (DOMFC)

Tiesioginės metanolio oksidacijos kuro elementai Jie sėkmingai naudojami maitinant mobiliuosius telefonus, nešiojamus kompiuterius, taip pat kuriant nešiojamus maitinimo šaltinius, į ką ir siekiama ateityje naudoti tokius 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+ + 6eReakcija prie katodo: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Bendra elemento reakcija: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Tokių vystymasis kuro elementai buvo vykdomi nuo XX amžiaus 90-ųjų pradžios ir jų savitoji galia bei efektyvumas buvo padidintas iki 40%.

Šie elementai buvo išbandyti 50-120°C temperatūros diapazone. Dėl žemos darbinės temperatūros ir to, kad nereikia keitiklio, tokius kuro elementus galima naudoti mobiliuosiuose telefonuose ir kitose plataus vartojimo prekėse, taip pat automobilių varikliuose. Jų pranašumas taip pat yra mažas dydis.

7. Polimerinių 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.

8. Kietosios rūgšties kuro elementai (SFC)

Kietosios rūgšties kuro elementuose elektrolitas (CsHSO4) neturi vandens. Todėl darbinė temperatūra yra 100-300°C. SO42 oksianijonų 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. Kaitinamas organinis komponentas išgaruoja, išeina per elektroduose esančias poras, išlaikydamas daugkartinio kontakto tarp kuro (arba deguonies kitame elemento gale), elektrolito ir elektrodų galimybę.

9. Kuro elementų svarbiausių charakteristikų palyginimas

10. Kuro elementų naudojimas automobiliuose

Iš karto noriu perspėti, kad ši tema ne vien Habro tema, tačiau komentaruose prie įrašo apie MIT sukurtą elementą idėjai atrodė pritarta, todėl žemiau aprašysiu keletą minčių apie biokurą. elementai.
Darbą, kuriuo parašyta ši tema, atlikau 11 klasėje, tarptautinėje konferencijoje INTEL ISEF užėmiau antrąją vietą.

Kuro elementas yra cheminis srovės šaltinis, kuriame reduktorių (kuro) ir oksidatoriaus cheminė energija, nuolat ir atskirai tiekiama į elektrodus, tiesiogiai paverčiama elektros energija.
energijos. Kuro elemento (FC) schema pateikta žemiau:

Kuro elementas susideda iš anodo, katodo, joninio laidininko, anodo ir katodo kamerų. Šiuo metu biokuro elementų galios nepakanka naudoti pramoniniu mastu, tačiau mažos galios BFC gali būti naudojami medicininiais tikslais kaip jautrūs jutikliai, nes srovės stiprumas juose yra proporcingas apdorojamo kuro kiekiui.
Iki šiol buvo pasiūlyta daug kuro elementų dizaino variantų. Kiekvienu konkrečiu atveju kuro elemento konstrukcija priklauso nuo kuro elemento paskirties, reagento tipo ir joninio laidininko. Į specialią grupę įeina biokuro elementai, kuriuose naudojami biologiniai katalizatoriai. Svarbus skiriamasis biologinių sistemų bruožas yra jų gebėjimas selektyviai oksiduoti įvairius degalus esant žemai temperatūrai.
Dažniausiai bioelektrokatalizėje naudojami imobilizuoti fermentai, t.y. fermentai, išskirti iš gyvų organizmų ir pritvirtinti prie nešiklio, tačiau išlaikantys katalizinį aktyvumą (iš dalies arba visiškai), todėl juos galima panaudoti pakartotinai. Panagrinėkime biokuro elemento pavyzdį, kuriame fermentinė reakcija sujungiama su elektrodo reakcija naudojant tarpininką. Biokuro elemento, pagrįsto gliukozės oksidaze, schema:

Biokuro elementas susideda iš dviejų inertiškų elektrodų, pagamintų iš aukso, platinos arba anglies, panardintų į buferinį tirpalą. Elektrodai atskirti jonų mainų membrana: anodo skyrius prapučiamas oru, katodo skyrius – azotu. Membrana leidžia erdviškai atskirti ląstelės elektrodų skyriuose vykstančias reakcijas ir tuo pačiu užtikrina protonų mainus tarp jų. Įvairių tipų biosensoriams tinkamas membranas Didžiojoje Britanijoje gamina daugelis įmonių (VDN, VIROKT).
Gliukozės įvedimas į biokuro elementą, kuriame yra gliukozės oksidazės ir tirpaus mediatoriaus 20 °C temperatūroje, sukelia elektronų srautą iš fermento į anodą per tarpininką. Elektronai per išorinę grandinę keliauja į katodą, kur idealiomis sąlygomis, esant protonams ir deguoniui, susidaro vanduo. Gauta srovė (nesant soties) yra proporcinga greitį lemiančio komponento (gliukozės) pridėjimui. Matuodami stacionarią srovę, galite greitai (5 s) nustatyti net mažas gliukozės koncentracijas – iki 0,1 mM. Kaip jutiklis, aprašytas biokuro elementas turi tam tikrų apribojimų, susijusių su tarpininko buvimu ir tam tikrais reikalavimais deguonies katodui ir membranai. Pastarieji turi išlaikyti fermentą ir tuo pačiu leisti prasiskverbti mažos molekulinės masės komponentams: dujoms, tarpininkui, substratui. Jonų mainų membranos paprastai atitinka šiuos reikalavimus, nors jų difuzijos savybės priklauso nuo buferinio tirpalo pH. Dėl komponentų difuzijos per membraną sumažėja elektronų perdavimo efektyvumas dėl šalutinių reakcijų.
Šiandien yra laboratoriniai kuro elementų su fermentiniais katalizatoriais modeliai, kurių charakteristikos neatitinka jų praktinio pritaikymo reikalavimų. Per artimiausius kelerius metus pagrindinės pastangos bus nukreiptos į biokuro elementų rafinavimą, o tolesnis biokuro elementų pritaikymas bus labiau susijęs su medicina, pavyzdžiui: implantuojamas biokuro elementas naudojant deguonį ir gliukozę.
Naudojant fermentus elektrokatalizėje, pagrindinė problema, kurią reikia išspręsti, yra fermentinės reakcijos sujungimo su elektrochemine problema, ty užtikrinti efektyvų elektronų pernešimą iš fermento aktyvaus centro į elektrodą, kurį galima pasiekti šiais būdais:
1. Elektronų perkėlimas iš aktyvaus fermento centro į elektrodą naudojant mažamolekulinį nešiklį – mediatorių (mediator bioelektrokatalizė).
2. Tiesioginė, tiesioginė fermento aktyviųjų vietų ant elektrodo oksidacija ir redukcija (tiesioginė bioelektrokatalizė).
Šiuo atveju fermentinių ir elektrocheminių reakcijų tarpininko sujungimas, savo ruožtu, gali būti atliekamas keturiais būdais:
1) fermentas ir mediatorius yra didžiojoje tirpalo dalyje, o mediatorius difunduoja į elektrodo paviršių;
2) fermentas yra elektrodo paviršiuje, o mediatorius yra tirpalo tūryje;
3) fermentas ir mediatorius imobilizuojami elektrodo paviršiuje;
4) mediatorius prisiūtas prie elektrodo paviršiaus, o fermentas yra tirpale.

Šiame darbe lakazė tarnavo kaip katodinės deguonies redukcijos reakcijos katalizatorius, o gliukozės oksidazė (GOD) – kaip anodinės gliukozės oksidacijos reakcijos katalizatorius. Fermentai buvo naudojami kaip sudėtinių medžiagų dalis, kurių kūrimas yra vienas iš svarbiausių etapų kuriant biokuro elementus, kurie kartu tarnauja ir kaip analitinis jutiklis. Šiuo atveju biokompozitinės medžiagos turi užtikrinti selektyvumą ir jautrumą substrato nustatymui ir tuo pačiu turėti didelį bioelektrokatalizinį aktyvumą, artėjantį prie fermentinio aktyvumo.
Lakazė yra Cu turinti oksidoreduktazė, kurios pagrindinė funkcija natūraliomis sąlygomis yra organinių substratų (fenolių ir jų darinių) oksidacija deguonimi, kuris redukuojamas į vandenį. Fermento molekulinė masė yra 40 000 g/mol.

Iki šiol buvo įrodyta, kad lakazė yra aktyviausias deguonies mažinimo elektrokatalizatorius. Jam esant ant elektrodo deguonies atmosferoje, susidaro potencialas, artimas pusiausvyriniam deguonies potencialui, o deguonies redukcija vyksta tiesiai į vandenį.
Kaip katodinės reakcijos (deguonies redukcijos) katalizatorius buvo naudojama kompozicinė medžiaga, pagaminta iš lakazės, acetileno juodojo AD-100 ir Nafiono. Ypatinga kompozito savybė yra jo struktūra, užtikrinanti fermento molekulės orientaciją elektronams laidžios matricos atžvilgiu, būtina tiesioginiam elektronų perdavimui. Specifinis lakkazės bioelektrokatalizinis aktyvumas naudojant sudėtinius metodus, pastebėtus fermentinėje katalizėje. Fermentinių ir elektrocheminių reakcijų sujungimo būdas lakkazės atveju, t.y. elektrono perkėlimo iš substrato per lakazės fermento aktyvų centrą į elektrodą būdas – tiesioginė bielektrokatalizė.

Gliukozės oksidazė (GOD) yra oksidoreduktazės klasės fermentas, turintis du subvienetus, kurių kiekvienas turi savo aktyvųjį centrą – (flavino adenino dinukleotidą) FAD. GOD yra fermentas, selektyvus elektronų donorui, gliukozei, ir gali naudoti daugybę substratų kaip elektronų akceptorius. Fermento molekulinė masė yra 180 000 g/mol.

Šiame darbe mes panaudojome kompozicinę medžiagą, pagrįstą GOD ir ferocenu (FC), skirtą anodiniam gliukozės oksidavimui per tarpininko mechanizmą. Kompozitinė medžiaga apima GOD, labai dispersinį koloidinį grafitą (HCG), Fc ir Nafion, kurie leido gauti elektronams laidžią matricą su labai išvystytu paviršiumi, užtikrinti efektyvų reagentų transportavimą į reakcijos zoną ir stabilias kompozito charakteristikas. medžiaga. Fermentinių ir elektrocheminių reakcijų sujungimo būdas, t.y. užtikrinant efektyvų elektronų transportavimą iš aktyvaus GOD centro į mediatoriaus elektrodą, o fermentas ir mediatorius buvo imobilizuoti elektrodo paviršiuje. Ferocenas buvo naudojamas kaip tarpininkas – elektronų akceptorius. Kai organinis substratas, gliukozė, oksiduojamas, ferocenas redukuojamas ir oksiduojamas prie elektrodo.

Jei kam įdomu, galiu detaliai aprašyti elektrodų dangos gavimo procesą, bet dėl ​​to geriau rašykite asmenine žinute. O temoje aš tiesiog aprašysiu gautą struktūrą.

1. AD-100.
2. lakas.
3. hidrofobinis akytas substratas.
4. Nafionas.

Po to, kai buvo priimti rinkėjai, perėjome tiesiai į eksperimentinę dalį. Štai kaip atrodė mūsų darbo ląstelė:

1. Ag/AgCl etaloninis elektrodas;
2. darbinis elektrodas;
3. pagalbinis elektrodas - Рt.
Eksperimente su gliukozės oksidaze - valymas argonu, lakkaze - deguonimi.

Deguonies redukcija ant suodžių, kai nėra lakazės, vyksta esant potencialams žemiau nulio ir vyksta dviem etapais: per tarpinį vandenilio peroksido susidarymą. Paveikslėlyje parodyta deguonies elektroredukcijos lakkaze, imobilizuota ant AD-100, gautos deguonies atmosferoje tirpale, kurio pH 4,5, poliarizacijos kreivė. Tokiomis sąlygomis nustatomas stacionarus potencialas, artimas pusiausvyriniam deguonies potencialui (0,76 V). Kai katodinis potencialas yra 0,76 V, fermento elektrode stebimas katalizinis deguonies redukavimas, kuris per tiesioginės bioelektrokatalizės mechanizmą patenka tiesiai į vandenį. Potencialo srityje žemiau 0,55 V katodo kreivėje stebimas plokščiakalnis, kuris atitinka ribinę deguonies redukcijos kinetinę srovę. Ribinė srovės vertė buvo apie 630 μA/cm2.

Kompozicinės medžiagos, pagrįstos GOD Nafion, ferocenu ir VKG, elektrocheminis elgesys buvo tiriamas cikline voltamperometrija (CV). Kompozitinės medžiagos būsena, kai fosfato buferio tirpale nėra gliukozės, buvo stebima naudojant įkrovimo kreives. Įkrovimo kreivėje, esant (–0,40) V potencialui, stebimi maksimumai, susiję su GOD aktyviojo centro redokso transformacijomis - (FAD), o esant 0,20-0,25 V – feroceno oksidacijos ir redukcijos maksimumai.

Iš gautų rezultatų darytina išvada, kad remiantis katodu su lakkaze kaip deguonies reakcijos katalizatoriumi ir anodu, pagrįstu gliukozės oksidaze, skirtu gliukozei oksiduoti, yra esminė galimybė sukurti biokuro elementą. Tiesa, šiame kelyje yra daug kliūčių, pavyzdžiui, fermentų aktyvumo smailės stebimos esant skirtingam pH lygiui. Dėl to BFC reikėjo pridėti jonų mainų membraną. Membrana leidžia erdviškai atskirti reakcijas, vykstančias ląstelės elektrodų skyriuose, ir tuo pačiu užtikrina protonų mainus tarp jų. Oras patenka į anodo skyrių.
Gliukozės įvedimas į biokuro elementą, kuriame yra gliukozės oksidazės ir tarpininko, sukelia elektronų srautą iš fermento į anodą per tarpininką. Elektronai per išorinę grandinę keliauja į katodą, kur idealiomis sąlygomis, esant protonams ir deguoniui, susidaro vanduo. Gauta srovė (nesant soties) yra proporcinga greitį lemiančio komponento – gliukozės – pridėjimui. Matuodami stacionarią srovę, galite greitai (5 s) nustatyti net mažas gliukozės koncentracijas – iki 0,1 mM.

Deja, man nepavyko šio BFC idėjos praktiškai įgyvendinti, nes Iš karto po 11 klasės nuėjau mokytis programuotojo, ką uoliai darau ir šiandien. Ačiū visiems, kurie jį užbaigė.

Patento RU 2379795 savininkai:

Išradimas yra susijęs su tiesioginio veikimo alkoholio kuro elementais, naudojant kietus rūgštinius elektrolitus ir vidinius riformingo katalizatorius. Techninis išradimo rezultatas – padidinta elemento savitoji galia ir įtampa. Pagal išradimą kuro elementas apima anodą, katodą, kietąjį rūgšties elektrolitą, dujų difuzijos sluoksnį ir vidinį riformingo katalizatorių. Vidinis riformingo katalizatorius gali būti bet koks tinkamas riformingo keitiklis ir yra šalia anodo. Šioje konfigūracijoje šiluma, susidaranti vykstant egzoterminėms reakcijoms ant kuro elemento katalizatoriaus, ir kuro elemento elektrolito ominis kaitinimas yra varomoji jėga endoterminei kuro reformavimo reakcijai, paverčiant alkoholio kurą vandeniliu. Galima naudoti bet kokį alkoholio kurą, pavyzdžiui, metanolį arba etanolį. 5 n. ir 20 atlyginimų f-ly, 4 lig.

Technologijos sritis

Išradimas susijęs su tiesioginio alkoholio kuro elementais, naudojantys kietus rūgšties elektrolitus.

moderniausias

Alkoholiai neseniai buvo intensyviai tiriami kaip potencialus kuras. Ypač pageidaujami degalai yra alkoholiai, tokie kaip metanolis ir etanolis, nes jų energijos tankis yra nuo penkių iki septynių kartų didesnis nei standartinio suslėgto vandenilio. Pavyzdžiui, vienas litras metanolio energetiškai prilygsta 5,2 litro vandenilio, suslėgto iki 320 atm. Be to, vienas litras etanolio energetiškai prilygsta 7,2 litro vandenilio, suslėgto iki 350 atm. Tokie alkoholiai pageidautini ir dėl to, kad juos lengva tvarkyti, laikyti ir transportuoti.

Metanolis ir etanolis buvo daug tyrinėtų alkoholio kuro požiūriu. Etanolis gali būti gaminamas fermentuojant augalus, kuriuose yra cukraus ir krakmolo. Metanolis gali būti gaminamas dujofikuojant medieną arba medienos/javų atliekas (šiaudus). Tačiau metanolio sintezė yra efektyvesnė. Šie alkoholiai, be kita ko, yra atsinaujinantys ištekliai, todėl manoma, kad jie atlieka svarbų vaidmenį mažinant šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimą ir priklausomybę nuo iškastinio kuro.

Kuro elementai buvo pasiūlyti kaip prietaisai, paverčiantys tokių alkoholių cheminę energiją į elektros energiją. Šiuo atžvilgiu buvo intensyviai tiriami tiesioginio alkoholio kuro elementai, turintys polimerinių elektrolitų membranas. Konkrečiai, moksliniai tyrimai buvo skirti tiesioginiams metanolio kuro elementams ir tiesioginiams etanolio kuro elementams. Tačiau tiesioginio etanolio kuro elementų tyrimai buvo riboti dėl santykinio sunkumo oksiduoti etanolį, palyginti su oksiduojančiu metanoliu.

Nepaisant šių didelių mokslinių tyrimų pastangų, tiesioginio alkoholio kuro elementų veikimas išlieka nepatenkinamas, daugiausia dėl elektrodų katalizatorių nustatytų kinetinių apribojimų. Pavyzdžiui, tipiškų tiesioginio metanolio kuro elementų galios tankis yra maždaug 50 mW/cm 2 . Pasiektas didesnis galios tankis, pvz., 335 mW/cm2, bet tik esant itin atšiaurioms sąlygoms (Nafion®, 130°C, 5 atm deguonis ir 1 M metanolis, 2 cc/min srautui esant 1,8 atm slėgiui ). Panašiai ir tiesioginio etanolio kuro elemento galios tankis yra 110 mW/cm 2 panašiomis itin atšiauriomis sąlygomis (Nafion® – silicio dioksidas, 140°C, anodas 4 atm, deguonis 5,5 atm). Atitinkamai, kai nėra tokių ekstremalių sąlygų, reikia tiesioginio alkoholio kuro elementų, turinčių didelį galios tankį.

Išradimo santrauka

Šis išradimas yra susijęs su alkoholio kuro elementais, turinčiais kietų rūgščių elektrolitų ir naudojant vidinį riformingo katalizatorių. Kuro elementą paprastai sudaro anodas, katodas, kietasis rūgšties elektrolitas ir vidinis reformeris. Reformeris užtikrina alkoholio kuro reformavimą, kad susidarytų vandenilis. Reformavimo reakcijos varomoji jėga yra šiluma, susidaranti per egzotermines reakcijas kuro elemente.

Kietųjų rūgščių elektrolitų naudojimas kuro elemente leidžia reformerį pastatyti tiesiai prie anodo. Anksčiau manoma, kad tai nebuvo įmanoma dėl aukštesnės temperatūros, reikalingos, kad žinomos riformingos medžiagos veiktų efektyviai, ir dėl tipiškų polimerinių elektrolitų membranų jautrumo karščiui. Tačiau, palyginti su įprastomis polimerinių elektrolitų membranomis, kietieji rūgštiniai elektrolitai gali atlaikyti daug aukštesnes temperatūras, todėl reformerį galima rasti šalia anodo ir todėl arti elektrolito. Esant tokiai konfigūracijai, elektrolito generuojamą šilumą sugeria reformeris ir ji yra varomoji endoterminės riformingo reakcijos jėga.

Trumpas brėžinių aprašymas

Šios ir kitos šio išradimo ypatybės bei pranašumai bus geriau suprantami remiantis toliau pateiktu detaliu aprašymu, kartu su pridedamais brėžiniais, kuriame:

Fig. 1 yra kuro elemento pagal vieną šio išradimo įgyvendinimo variantą schematiškas vaizdas;

2 paveiksle yra grafinis kuro elementų galios tankio elementų įtampos kreivių, gautų pagal 1 ir 2 pavyzdžius ir 1 lyginamąjį pavyzdį, palyginimas;

3 paveiksle yra grafinis kuro elementų galios tankio elementų įtampos kreivių, gautų pagal 3, 4 ir 5 pavyzdžius ir 2 lyginamąjį pavyzdį, palyginimas; Ir

4 paveiksle yra grafinis kuro elementų galios tankio ir elemento įtampos kreivių, gautų pagal 2 ir 3 lyginamuosius pavyzdžius, palyginimas.

Išsamus išradimo aprašymas

Šis išradimas yra susijęs su tiesioginio alkoholio kuro elementais, turinčiais kietųjų rūgščių elektrolitų ir naudojant vidinį riformingo katalizatorių, fizinį kontaktą su membraniniu elektrodo mazgu (MEA), skirtu alkoholio kurui pertvarkyti, kad susidarytų vandenilis. Kaip minėta pirmiau, kuro elementų, kurie cheminę energiją alkoholiuose tiesiogiai paverčia elektros energija, veikimas išlieka nepatenkinamas dėl kuro elementų elektrodų katalizatorių nustatytų kinetinių apribojimų. Tačiau gerai žinoma, kad naudojant vandenilio kurą šie kinetiniai apribojimai gerokai sumažėja. Atitinkamai, šiame išradime naudojamas riformingo katalizatorius arba reformeris alkoholio kurui reformuoti, kad susidarytų vandenilis, taip sumažinant arba pašalinant kinetinius apribojimus, susijusius su alkoholio kuru. Alkoholinis kuras reformuojamas garais pagal šiuos reakcijos pavyzdžius:

Metanolis į vandenilį: CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 ;

Etanolis į vandenilį: C2H5OH+3H2O→6H2+2CO2.

Tačiau reformavimo reakcija yra labai endoterminė. Todėl norint gauti reformavimo reakcijos varomąją jėgą, reformeris turi būti šildomas. Paprastai reikalingas šilumos kiekis yra maždaug 59 kJ vienam moliui metanolio (atitinka maždaug 0,25 molio vandenilio sudeginimo) ir maždaug 190 kJ vienam moliui etanolio (atitinka maždaug 0,78 molio vandenilio sudeginimą).

Dėl elektros srovės pratekėjimo kuro elementų veikimo metu susidaro atliekinė šiluma, kurios efektyvus pašalinimas yra problemiškas. Tačiau gaminant šią atliekinę šilumą, natūralu, kad reformerį būtų galima pastatyti šalia kuro elemento. Ši konfigūracija leidžia tiekti vandenilį iš reformatoriaus į kuro elementą ir aušinti kuro elementą, o kuro elementui šildyti reformerį ir suteikti jame vykstančių reakcijų varomąją jėgą. Ši konfigūracija naudojama išlydyto karbonato kuro elementuose ir metano riformingo reakcijose, vykstančiose maždaug 650 °C temperatūroje. Tačiau alkoholio riformingo reakcijos paprastai vyksta temperatūroje nuo maždaug 200 °C iki maždaug 350 °C, o tinkamo kuro elemento, naudojant alkoholio riformingą, dar nėra sukurta.

Šis išradimas yra susijęs su tokiu kuro elementu, kuriame naudojamas alkoholio riformingas. Kaip parodyta 1 paveiksle, kuro elementas 10 pagal šį išradimą paprastai turi pirmąjį srovės kolektoriaus/dujų difuzijos sluoksnį 12, anodą 12a, antrą srovės kolektoriaus/dujų difuzijos sluoksnį 14, katodą 14a, elektrolitą 16, ir vidinis riformingo katalizatorius 18. Vidinis riformingo katalizatorius 18, esantis greta anodo 12a. Tiksliau, riformingo katalizatorius 18 yra tarp pirmojo dujų difuzijos sluoksnio 12 ir anodo 12a. Gali būti naudojamas bet kuris žinomas tinkamas riformingo katalizatorius 18. Neribojami tinkamų riformingo katalizatorių pavyzdžiai yra Cu-Zn-Al oksido mišiniai, Cu-Co-Zn-Al oksido mišiniai ir Cu-Zn-Al-Zr oksido mišiniai.

Galima naudoti bet kokį alkoholio kurą, pvz., metanolį, etanolį ir propanolį. Be to, dimetilo eteris gali būti naudojamas kaip kuras.

Istoriškai ši konfigūracija alkoholio kuro elementams nebuvo laikoma įmanoma dėl reformingo reakcijos endoterminio pobūdžio ir elektrolito jautrumo šilumai. Įprastuose alkoholio kuro elementuose naudojamos polimerinės elektrolito membranos, kurios negali atlaikyti karščio, reikalingos reformingo katalizatoriaus varomajai jėgai. Tačiau šio išradimo kuro elementuose naudojamuose elektrolituose yra kietųjų rūgščių elektrolitų, tokių kaip aprašyti JAV patente Nr. 6 468 684 pavadinimu PROTONŲ LAIKI MEMBRANA, NAUDOJANT KIETĄ RŪGŠTĮ, kurio visas turinys čia įtrauktas kaip nuoroda. tuo pačiu metu laukiama JAV patento paraiškos serijos Nr. 10/139043 pavadinimu PROTONŲ LAIDI MEMBRANA, NAUDOJANT KIETĄ RŪGŠTĮ, kurios visas turinys čia taip pat įtrauktas kaip nuoroda. Vienas neribojantis kietos rūgšties, tinkamos naudoti kaip elektrolitas šiame išradime, pavyzdys yra CsH2PO4. Šio išradimo kuro elementuose naudojami kietieji rūgštiniai elektrolitai gali atlaikyti daug aukštesnes temperatūras, todėl reformingo katalizatorių galima pastatyti tiesiai prie anodo. Be to, atliekant endoterminę reformavimo reakciją, sunaudojama šiluma, kuri susidaro dėl egzoterminių reakcijų kuro elemente, sudarydama termiškai subalansuotą sistemą.

Šios kietos rūgštys naudojamos superprotiškose fazėse ir veikia kaip protonams laidžios membranos temperatūros diapazone nuo maždaug 100 °C iki maždaug 350 °C. Viršutinė šio temperatūros diapazono riba yra ideali metanolio reformavimui. Norint užtikrinti šilumos generavimą, kurio pakanka reformingo reakcijos varomajai jėgai užtikrinti, ir užtikrinti kietojo rūgšties elektrolito protonų laidumą, šio išradimo kuro elementas yra pageidautinas eksploatuoti temperatūroje nuo maždaug 100 °C iki maždaug 500 °C. Tačiau kuro elementą geriau naudoti temperatūroje nuo maždaug 200 °C iki maždaug 350 °C. Be reikšmingo alkoholio kuro elementų veikimo pagerinimo, palyginti aukšta šio išradimo alkoholio kuro elementų darbinė temperatūra gali leisti pakeisti brangius metalinius katalizatorius, tokius kaip Pt/Ru ir Pt atitinkamai ant anodo ir katodo. brangios katalizatoriaus medžiagos.

Toliau pateikti pavyzdžiai ir lyginamieji pavyzdžiai iliustruoja aukščiausios kokybės šio išradimo alkoholio kuro elementų charakteristikas. Tačiau šie pavyzdžiai pateikti tik iliustravimo tikslais ir neturėtų būti suprantami kaip apribojantys išradimą šiais pavyzdžiais.

1 pavyzdys: metanolio kuro elementas

13 mg/cm2 Pt/Ru buvo naudojamas kaip anodinis elektrokatalizatorius. Cu (30 % masės) – Zn (20 % masės) – Al buvo naudojamas kaip vidinis riformingo katalizatorius. 15 mg/cm 2 Pt buvo naudojamas kaip katodinis elektrokatalizatorius. Kaip elektrolitas buvo naudojama 160 μm storio CsH 2 PO 4 membrana. Metanolio ir vandens mišiniai, paversti garais, buvo tiekiami į anodo erdvę 100 μL/min srauto greičiu. Į katodą buvo tiekiamas 30 % drėkinamas deguonis 50 cm 3 /min srautu (standartinė temperatūra ir slėgis). Metanolio ir vandens santykis buvo 25:75. Elemento temperatūra buvo nustatyta iki 260°C.

2 pavyzdys: etanolio kuro elementas

13 mg/cm2 Pt/Ru buvo naudojamas kaip anodinis elektrokatalizatorius. Cu (30 % masės) – Zn (20 % masės) – Al buvo naudojamas kaip vidinis riformingo katalizatorius. 15 mg/cm 2 Pt buvo naudojamas kaip katodinis elektrokatalizatorius. Kaip elektrolitas buvo naudojama 160 μm storio CsH 2 PO 4 membrana. Etanolio ir vandens mišiniai, paversti garais, buvo tiekiami į anodo erdvę 100 μL/min srauto greičiu. Į katodą buvo tiekiamas 30 % drėkinamas deguonis 50 cm 3 /min srautu (standartinė temperatūra ir slėgis). Etanolio ir vandens santykis buvo 15:85. Elemento temperatūra buvo nustatyta iki 260°C.

1 lyginamasis pavyzdys – kuro elementas naudojant grynąjį H 2

13 mg/cm2 Pt/Ru buvo naudojamas kaip anodinis elektrokatalizatorius. 15 mg/cm 2 Pt buvo naudojamas kaip katodinis elektrokatalizatorius. Kaip elektrolitas buvo naudojama 160 μm storio CsH 2 PO 4 membrana. 3% drėkintas vandenilis buvo tiekiamas į anodo erdvę 100 μL / min srauto greičiu. Į katodą buvo tiekiamas 30 % drėkinamas deguonis 50 cm 3 /min srautu (standartinė temperatūra ir slėgis). Elemento temperatūra buvo nustatyta iki 260°C.

2 paveiksle parodytos santykio tarp specifinės galios ir elemento įtampos 1 ir 2 pavyzdžiuose bei 1 lyginamajame pavyzdyje kreivės. Kaip parodyta, metanolio kuro elemento (1 pavyzdys) didžiausias galios tankis yra 69 mW/cm 2. etanolio (2 pavyzdys) kuro elemento didžiausias galios tankis yra 53 mW/cm2, o vandenilio kuro elemento (1 palyginamasis pavyzdys) didžiausias galios tankis yra 80

mW/cm2. Šie rezultatai rodo, kad kuro elementai, gauti pagal 1 pavyzdį ir 1 lyginamąjį pavyzdį, yra labai panašūs, o tai rodo, kad metanolio kuro elementas, turintis reformerį, pasižymi beveik tokiomis pat geromis savybėmis kaip ir vandenilio kuro elementas, o tai yra reikšmingas patobulinimas. Tačiau, kaip parodyta toliau pateiktuose pavyzdžiuose ir lyginamuosiuose pavyzdžiuose, sumažinus elektrolito storį, pasiekiamas papildomas galios tankio padidėjimas.

Kuro elementas buvo pagamintas srutų nusodinant CsH 2 PO 4 ant akytos nerūdijančio plieno atramos, kuri tarnavo ir kaip dujų difuzijos sluoksnis, ir kaip srovės kolektorius. Katodinis elektrokatalizatoriaus sluoksnis pirmiausia buvo nusodintas ant dujų difuzijos sluoksnio, o po to paspaudžiamas prieš nusodinant elektrolito sluoksnį. Po to buvo nusodintas anodo elektrokatalizatoriaus sluoksnis, o po to - antrasis dujų difuzijos elektrodas kaip galutinis konstrukcijos sluoksnis.

Kaip anodo elektrodas buvo naudojamas CsH 2 PO 4, Pt (50 masės %) Ru, Pt (40 masės %) - Ru (20 masės %) mišinys, paremtas C (40 masės %) ir naftaleno. Komponentų santykis mišinyje CsH 2 PO 4:Pt-Ru:Pt-Ru-C: naftalenas buvo 3:3:1:0,5 (masė). Iš viso sunaudota 50 mg mišinio. Pt ir Ru apkrovos buvo atitinkamai 5,6 mg/cm2 ir 2,9 mg/cm2. Anodo elektrodo plotas buvo 1,74 cm 2 .

Kaip katodo elektrodas buvo naudojamas CsH 2 PO 4, Pt, Pt (50 masės %) ir naftalino mišinys, nusodintas ant C (50 masės %). Komponentų santykis CsH 2 PO 4:Pt:Pt-C:naftaleno mišinyje buvo 3:3:1:1 (masė). Iš viso sunaudota 50 mg mišinio. Pt įkrovos buvo 7,7 mg/cm2. Katodo plotas buvo 2,3-2,9 cm1.

CuO (30 masės %) - ZnO (20 masės %) - Al 2 O 3 buvo naudojamas kaip riformingo katalizatorius, tai yra CuO (31 mol. %) - ZnO (16 mol. %) - Al 2 O 3 . Riformingo katalizatorius buvo paruoštas bendro nusodinimo metodu, naudojant vario, cinko ir aliuminio nitrato tirpalą (bendra metalo koncentracija buvo 1 mol/L) ir vandeninį natrio karbonatų tirpalą (1,1 mol/L). Nuosėdos plaunamos dejonizuotu vandeniu, filtruojamos ir džiovinamos ore 120°C temperatūroje 12 valandų. Išdžiovinti 1 g milteliai buvo lengvai presuojami iki 3,1 mm storio ir 15,6 mm skersmens, o po to 2 valandas kaitinami 350 °C temperatūroje.

Kaip elektrolitas buvo naudojama 47 μm storio CsH 2 PO 4 membrana.

Metanolio-vandens tirpalas (43 % tūrio arba 37 % masės arba 25 % mol. arba 1,85 M metanolis) buvo paduodamas per stiklinį garintuvą (200 °C) 135 μL/min srauto greičiu. Elemento temperatūra buvo nustatyta iki 260°C.

Kuro elementas buvo paruoštas pagal aukščiau pateiktą 3 pavyzdį, išskyrus tai, kad ne metanolio ir vandens mišinys, o etanolio ir vandens mišinys (36 % tūrio arba 31 % masės) buvo paduodamas per garintuvą (200 °C) 114 μl/min arba 15 mol % arba 0,98 M etanolio).

Kuro elementas buvo paruoštas pagal aukščiau pateiktą 3 pavyzdį, išskyrus tai, kad esant 100 μL/min srauto greičiui, vietoj metanolio ir vandens mišinio, degtinė (Absolut Vodka, Švedija) (40 % tūrio arba 34 % masės, arba 17% mol) buvo tiekiamas etanolis).

2 lyginamasis pavyzdys

Kuro elementas buvo paruoštas pagal aukščiau pateiktą 3 pavyzdį, išskyrus tai, kad vietoj metanolio ir vandens mišinio buvo naudojamas džiovintas vandenilis 100 standartinių kubinių centimetrų per minutę, drėkinamas karštu vandeniu (70 °C).

3 lyginamasis pavyzdys

Kuro elementas buvo paruoštas pagal aukščiau pateiktą 3 pavyzdį, išskyrus tai, kad nebuvo naudojamas riformingo katalizatorius, o elemento temperatūra buvo nustatyta iki 240 °C.

4 lyginamasis pavyzdys

Kuro elementas buvo paruoštas pagal 2 lyginamąjį pavyzdį, išskyrus tai, kad elemento temperatūra buvo nustatyta iki 240 °C.

3 paveiksle parodytos galios tankio ir elemento įtampos kreivės 3, 4 ir 5 pavyzdžiuose ir 2 lyginamajame pavyzdyje. Kaip parodyta, metanolio kuro elementas (3 pavyzdys) pasiekė didžiausią galios tankį 224 mW/cm2, o tai reiškia reikšmingą galios padidėjimą. tankis, palyginti su kuro elementu, gautu pagal 1 pavyzdį ir turinčiu daug storesnį elektrolitą. Šio metanolio kuro elemento našumas taip pat labai pagerėjo, palyginti su metanolio kuro elementais, kuriuose nenaudojamas vidinis reformeris, kaip geriau parodyta 4 paveiksle. Etanolio kuro elementas (4 pavyzdys) taip pat rodo didesnį galios tankį ir elemento įtampą, palyginti su etanolio kuro elementas, turintis storesnę elektrolito membraną (2 pavyzdys). Tačiau įrodyta, kad metanolio kuro elementas (3 pavyzdys) veikia geriau nei etanolio kuro elementas (4 pavyzdys). Degtinės kuro elemento (5 pavyzdys) galios tankis yra panašus į etanolio kuro elemento tankį. Kaip parodyta 3 paveiksle, metanolio kuro elemento (3 pavyzdys) veikimo charakteristikos yra maždaug tokios pat geros, kaip ir vandenilio kuro elemento (2 palyginamasis pavyzdys).

4 paveiksle parodytos galios tankio ir elemento įtampos kreivės 3 ir 4 lyginamiesiems pavyzdžiams. Kaip parodyta, nereformuojantis metanolio kuro elementas (3 palyginamasis pavyzdys) pasiekia galios tankį, kuris yra žymiai mažesnis nei vandenilio kuro elemento (4 palyginamasis pavyzdys). Be to, 2, 3 ir 4 paveikslai rodo, kad, palyginti su metanolio kuro elementu be riformerio (3 lyginamasis pavyzdys), metanolio kuro elementų su reformeriais (1 ir 3 pavyzdžiai) pasiekiamas žymiai didesnis galios tankis.

Ankstesnis aprašymas buvo pateiktas siekiant pristatyti šiuo metu pageidaujamus išradimo įgyvendinimo variantus. Atitinkamos srities ir technologijos, su kuria susijęs šis išradimas, specialistai supras, kad aprašytuose įgyvendinimo variantuose gali būti atlikti pakeitimai ir modifikacijos, reikšmingai nenukrypstant nuo šio išradimo principų, apimties ir dvasios. Atitinkamai, pirmiau pateiktas aprašymas neturėtų būti suprantamas kaip nurodantis tik į konkrečius aprašytus įgyvendinimo variantus, bet turi būti suprantamas kaip atitinkantis ir pagrindžiantis toliau pateiktus reikalavimus, kurie apima išsamiausią ir objektyviausią išradimo apimtį.

1. Kuro elementas, apimantis: anodo elektrokatalizinį sluoksnį, katodo elektrokatalizinį sluoksnį, elektrolito sluoksnį su kieta rūgštimi, dujų difuzijos sluoksnį ir vidinį riformingo katalizatorių, esantį greta anodo elektrokatalizinio sluoksnio, kad vidinis riformingo katalizatorius būtų esantis tarp anodo elektrokatalizinio sluoksnio ir dujų difuzijos sluoksnio ir fiziškai kontaktuoja su anodo elektrokataliziniu sluoksniu.

2. Kuro elementas pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad kietasis rūgšties elektrolitas turi CsH2PO4.

3. Kuro elementas pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad riformingo katalizatorius yra parinktas iš grupės, susidedančios iš Cu-Zn-Al oksido mišinių, Cu-Co-Zn-Al oksidų mišinių ir Cu-Zn-Al-Zr oksidų mišinių.

4. Kuro elemento veikimo būdas, įskaitant:





kuro tiekimas; ir kuro elemento veikimą temperatūroje nuo maždaug 100°C iki maždaug 500°C.

5. Būdas pagal 4 punktą, besiskiriantis tuo, kad degalai yra alkoholis.

6. Būdas pagal 4 punktą, besiskiriantis tuo, kad kuras yra parinktas iš grupės, susidedančios iš metanolio, etanolio, propanolio ir dimetilo eterio.

7. Būdas pagal 4 punktą, besiskiriantis tuo, kad kuro elementas yra eksploatuojamas temperatūroje nuo maždaug 200°C iki maždaug 350°C.

8. Būdas pagal 4 punktą, besiskiriantis tuo, kad riformingo katalizatorius yra parinktas iš grupės, susidedančios iš Cu-Zn-Al oksido mišinių, Cu-Co-Zn-Al oksidų mišinių ir Cu-Zn-Al-Zr oksidų mišinių.

9. Būdas pagal 4 punktą, besiskiriantis tuo, kad elektrolitas turi kietą rūgštį.

10. Būdas pagal 9 punktą, besiskiriantis tuo, kad kietoje rūgštyje yra CsH2PO4.

11. Kuro elemento veikimo būdas, įskaitant:
anodinio elektrokatalizinio sluoksnio susidarymas;
katodo elektrokatalizinio sluoksnio formavimas;
elektrolito sluoksnio, kuriame yra kietos rūgšties, formavimas;
dujų difuzinio sluoksnio susidarymas ir
vidinio riformingo katalizatoriaus formavimą greta anodinio elektrokatalizinio sluoksnio taip, kad vidinis riformingo katalizatorius būtų tarp anodinio elektrokatalizinio sluoksnio ir dujų difuzijos sluoksnio ir fiziškai kontaktuotų su anodiniu elektrokataliziniu sluoksniu;
kuro tiekimas; ir kuro elemento veikimą temperatūroje nuo maždaug 200°C iki maždaug 350°C.

12. Būdas pagal 11 punktą, besiskiriantis tuo, kad degalai yra alkoholis.

13. Būdas pagal 11 punktą, besiskiriantis tuo, kad kuras yra parinktas iš grupės, susidedančios iš metanolio, etanolio, propanolio ir dimetilo eterio.

14. Būdas pagal 11 punktą, besiskiriantis tuo, kad riformingo katalizatorius yra parinktas iš grupės, susidedančios iš Cu-Zn-Al oksidų mišinių, Cu-Co-Zn-Al oksidų mišinių ir Cu-Zn-Al-Zr oksidų mišinių. .

15. Būdas pagal 11 punktą, besiskiriantis tuo, kad elektrolitas turi kietą rūgštį.

16. Būdas pagal 15 punktą, besiskiriantis tuo, kad kietoje rūgštyje yra CsH2PO4.

17. Kuro elemento veikimo būdas, įskaitant:
anodinio elektrokatalizinio sluoksnio susidarymas;
katodo elektrokatalizinio sluoksnio formavimas;
elektrolito sluoksnio, kuriame yra kietos rūgšties, formavimas;
dujų difuzinio sluoksnio susidarymas ir
vidinio riformingo katalizatoriaus formavimą greta anodinio elektrokatalizinio sluoksnio taip, kad vidinis riformingo katalizatorius būtų tarp anodinio elektrokatalizinio sluoksnio ir dujų difuzijos sluoksnio ir fiziškai kontaktuotų su anodiniu elektrokataliziniu sluoksniu;
alkoholio kuro tiekimas; ir kuro elemento veikimą temperatūroje nuo maždaug 100°C iki maždaug 500°C.

18. Būdas pagal 17 punktą, besiskiriantis tuo, kad kuras yra parinktas iš grupės, susidedančios iš metanolio, etanolio, propanolio ir dimetilo eterio.

19. Būdas pagal 17 punktą, besiskiriantis tuo, kad kuro elementas yra eksploatuojamas temperatūroje nuo maždaug 200°C iki maždaug 350°C.

20. Būdas pagal 17 punktą, besiskiriantis tuo, kad riformingo katalizatorius yra parinktas iš grupės, susidedančios iš Cu-Zn-Al oksido mišinių, Cu-Co-Zn-Al oksidų mišinių ir Cu-Zn-Al-Zr oksidų mišinių.

21. Būdas pagal 17 punktą, besiskiriantis tuo, kad kietajame rūgšties elektrolite yra CsH2PO4.

22. Kuro elemento veikimo būdas, įskaitant:
anodinio elektrokatalizinio sluoksnio susidarymas;
katodo elektrokatalizinio sluoksnio formavimas;
elektrolito sluoksnio, kuriame yra kietos rūgšties, formavimas;
dujų difuzinio sluoksnio susidarymas ir
vidinio riformingo katalizatoriaus formavimą greta anodinio elektrokatalizinio sluoksnio taip, kad vidinis riformingo katalizatorius būtų tarp anodinio elektrokatalizinio sluoksnio ir dujų difuzijos sluoksnio ir fiziškai kontaktuotų su anodiniu elektrokataliziniu sluoksniu;
alkoholio kuro tiekimas; ir kuro elemento veikimą temperatūroje nuo maždaug 200°C iki maždaug 350°C.

Išradimas yra susijęs su tiesioginio veikimo alkoholio kuro elementais, naudojant kietus rūgštinius elektrolitus ir vidinius riformingo katalizatorius

Paruoškite viską, ko jums reikia. Norint pagaminti paprastą kuro elementą, jums reikės 12 colių platina arba platina dengtos vielos, lazdelės, 9 voltų akumuliatoriaus ir akumuliatoriaus laikiklio, skaidrios juostos, stiklinės vandens, valgomosios druskos (neprivaloma), plono metalo. strypas ir voltmetras.

• 9 voltų bateriją ir akumuliatoriaus laikiklį galima įsigyti elektronikos ar techninės įrangos parduotuvėje.

Iš platina arba platina padengtos vielos iškirpkite du 15 centimetrų ilgio gabalus. Platininė viela naudojama specialiems tikslams, ją galima įsigyti elektronikos parduotuvėje. Jis bus reakcijos katalizatorius.

Nieko nebestebinsite nei saulės baterijomis, nei vėjo jėgainėmis, kurios gamina elektrą visuose pasaulio regionuose. Tačiau šių įrenginių išvestis nėra pastovi, todėl reikia įsirengti atsarginius maitinimo šaltinius arba prisijungti prie tinklo, kad gautų elektros energiją tuo laikotarpiu, kai atsinaujinantys energijos šaltiniai negamina elektros. Tačiau yra įrenginių, sukurtų XIX amžiuje, kurie naudoja „alternatyvų“ kurą elektrai gaminti, t. y. nedegina dujų ar naftos produktų. Tokie įrenginiai yra kuro elementai.

KŪRYBOS ISTORIJA

Kuro elementus (FC) arba kuro elementus 1838–1839 m. atrado Williamas Grove'as (Grove'as, Grovas), tyrinėdamas vandens elektrolizę.

Pagalba: Vandens elektrolizė yra vandens skilimo procesas veikiant elektros srovei į vandenilio ir deguonies molekules.

Atjungęs akumuliatorių nuo elektrolizės elemento, jis nustebo pamatęs, kad elektrodai pradėjo sugerti išsiskiriančias dujas ir generuoti srovę. Elektrocheminio „šaltojo“ vandenilio degimo proceso atradimas buvo reikšmingas įvykis energetikos pramonėje. Vėliau jis sukūrė Grove bateriją. Šiame įrenginyje buvo platinos elektrodas, panardintas į azoto rūgštį, o cinko elektrodas – į cinko sulfatą. Jis generavo 12 amperų srovę ir 8 voltų įtampą. Grow pats pavadino šį dizainą "šlapia baterija". Tada jis sukūrė bateriją, naudodamas du platinos elektrodus. Vienas kiekvieno elektrodo galas buvo sieros rūgštyje, o kiti galai buvo sandariai uždaryti į konteinerius su vandeniliu ir deguonimi. Tarp elektrodų buvo stabili srovė, padidėjo vandens kiekis induose. Grow sugebėjo suskaidyti ir pagerinti vandenį šiame įrenginyje.

„Akumuliatoriaus augimas“

(šaltinis: Nacionalinio gamtos istorijos muziejaus karališkoji draugija)

Terminas „kuro elementas“ (angl. „Fuel Cell“) pasirodė tik 1889 m. L. Mond ir
C. Langeris, kuris bandė sukurti įrenginį, gaminantį elektros energiją iš oro ir anglies dujų.

KAIP TAI VEIKIA?

Kuro elementas yra gana paprastas įrenginys. Jame yra du elektrodai: anodas (neigiamas elektrodas) ir katodas (teigiamas elektrodas). Ant elektrodų vyksta cheminė reakcija. Kad tai pagreitėtų, elektrodų paviršius padengiamas katalizatoriumi. FC turi dar vieną elementą - membrana. Kuro cheminė energija tiesiogiai paverčiama elektros energija dėl membranos darbo. Jis atskiria dvi elemento kameras, į kurias tiekiamas kuras ir oksidatorius. Membrana leidžia tik protonams, kurie susidaro dėl kuro padalijimo, pereiti iš vienos kameros į kitą prie elektrodo, padengto katalizatoriumi (elektronai keliauja per išorinę grandinę). Antroje kameroje protonai jungiasi su elektronais (ir deguonies atomais), sudarydami vandenį.

Vandenilio kuro elemento veikimo principas

Cheminiu lygmeniu kuro energijos pavertimo elektros energija procesas yra panašus į įprastą degimo procesą (oksidaciją).

Įprasto degimo deguonimi metu vyksta organinio kuro oksidacija, o kuro cheminė energija paverčiama šilumine energija. Pažiūrėkime, kas vyksta vandenilio oksidacijos metu deguonimi elektrolitų aplinkoje ir esant elektrodams.

Tiekiant vandenilį į elektrodą, esantį šarminėje aplinkoje, vyksta cheminė reakcija:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

Kaip matote, gauname elektronus, kurie, eidami per išorinę grandinę, patenka į priešingą elektrodą, į kurį teka deguonis ir kur vyksta reakcija:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Matyti, kad reakcija 2H 2 + O 2 → H 2 O yra tokia pati kaip ir normaliai degant, bet Kuro elementas gamina elektros srovę ir šiek tiek šilumos.

KURO ELEMENTŲ RŪŠYS

Kuro elementus įprasta klasifikuoti pagal reakcijai naudojamo elektrolito tipą:

Atkreipkite dėmesį, kad kuro elementai taip pat gali naudoti anglį, anglies monoksidą, alkoholius, hidraziną ir kitas organines medžiagas kaip kurą, o kaip oksidatorius – orą, vandenilio peroksidą, chlorą, bromą, azoto rūgštį ir kt.

KURO ELEMENTŲ EFEKTYVUMAS

Kuro elementų ypatybė yra nėra griežtų efektyvumo apribojimų, kaip šiluminiai varikliai.

Pagalba: efektyvumasCarnot ciklas yra didžiausias įmanomas efektyvumas tarp visų šiluminių variklių, kurių minimali ir maksimali temperatūra.

Todėl kuro elementų efektyvumas teoriškai gali būti didesnis nei 100%. Daugelis šypsojosi ir pagalvojo: „Imžinasis variklis buvo išrastas“. Ne, čia turėtume grįžti į mokyklos chemijos kursą. Kuro elementas pagrįstas cheminės energijos pavertimu elektros energija. Čia vyksta stebuklai. Vykstant tam tikros cheminės reakcijos gali sugerti šilumą iš aplinkos.

Pagalba: Endoterminės reakcijos yra cheminės reakcijos, kurias lydi šilumos absorbcija. Endoterminėms reakcijoms entalpijos ir vidinės energijos pokyčiai turi teigiamas vertes (Δ H >0, Δ U >0), taigi reakcijos produktai turi daugiau energijos nei pradiniai komponentai.

Tokios reakcijos pavyzdys yra vandenilio oksidacija, kuri naudojama daugumoje kuro elementų. Todėl teoriškai efektyvumas gali būti didesnis nei 100%. Tačiau šiandien kuro elementai eksploatacijos metu įkaista ir negali sugerti šilumos iš aplinkos.

Pagalba: šį apribojimą nustato antrasis termodinamikos dėsnis. Šilumos perdavimo procesas iš „šalto“ kūno į „karštą“ neįmanomas.

Be to, yra nuostolių, susijusių su pusiausvyros sutrikimais. Tokie kaip: ominiai nuostoliai dėl elektrolito ir elektrodų savitojo laidumo, aktyvacijos ir koncentracijos poliarizacijos, difuzijos nuostoliai. Dėl to dalis kuro elementuose pagamintos energijos paverčiama šiluma. Todėl kuro elementai nėra nuolatiniai varikliai ir jų efektyvumas nesiekia 100%. Tačiau jų efektyvumas yra didesnis nei kitų mašinų. Šiandien Kuro elementų efektyvumas siekia 80 proc..

Nuoroda: Ketvirtajame dešimtmetyje anglų inžinierius T. Baconas suprojektavo ir sukonstravo kuro elementų akumuliatorių, kurio bendra galia 6 kW, o efektyvumas – 80%, veikiantį grynu vandeniliu ir deguonimi, tačiau akumuliatoriaus galios ir svorio santykis pasikeitė. būti per maži – tokie elementai buvo netinkami praktiniam naudojimui ir per brangūs (šaltinis: http://www.powerinfo.ru/).

KURO ELEMENTŲ PROBLEMOS

Beveik visi kuro elementai kaip kurą naudoja vandenilį, todėl kyla logiškas klausimas: „Kur aš galiu jo gauti?

Atrodo, kad kuro elementas buvo aptiktas dėl elektrolizės, todėl galima panaudoti elektrolizės metu išsiskiriantį vandenilį. Tačiau pažvelkime į šį procesą išsamiau.

Pagal Faradėjaus dėsnį: medžiagos kiekis, kuris oksiduojasi prie anodo arba redukuojamas prie katodo, yra proporcingas elektros kiekiui, praeinančiam per elektrolitą. Tai reiškia, kad norint gauti daugiau vandenilio, reikia išleisti daugiau elektros energijos. Esami vandens elektrolizės metodai veikia mažesniu nei vieno efektyvumu. Tada gautą vandenilį naudojame kuro elementuose, kur efektyvumas taip pat mažesnis už vienetą. Todėl išleisime daugiau energijos, nei galime pagaminti.

Žinoma, galite naudoti vandenilį, pagamintą iš gamtinių dujų. Šis vandenilio gamybos būdas išlieka pigiausias ir populiariausias. Šiuo metu apie 50% visame pasaulyje pagaminamo vandenilio gaunama iš gamtinių dujų. Tačiau iškyla vandenilio saugojimo ir transportavimo problema. Vandenilis turi mažą tankį ( vienas litras vandenilio sveria 0,0846 g), todėl norint jį gabenti dideliais atstumais, jis turi būti suspaustas. Ir tai yra papildomos energijos ir piniginės išlaidos. Taip pat nepamirškite apie saugumą.

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 H 2 ir CO 2 mišinį. Tačiau šiuo atveju jau sunkiau galvoti apie nešiojamumą – tokius įrenginius gerai naudoti kaip stacionarius ar automobilinius generatorius, tačiau kompaktiškai mobiliai įrangai reikia kažko ne tokio tūrio.

Katalizatorius

Norint sustiprinti reakciją kuro elemente, anodo paviršius paprastai apdorojamas katalizatoriumi. Dar visai neseniai platina buvo naudojama kaip katalizatorius. Todėl kuro elemento kaina buvo didelė. Antra, platina yra gana retas metalas. Ekspertų teigimu, pramoniniu būdu gaminant kuro elementus, įrodytos platinos atsargos baigsis per 15-20 metų. Tačiau viso pasaulio mokslininkai bando platiną pakeisti kitomis medžiagomis. Beje, kai kurie iš jų pasiekė gerų rezultatų. Taigi Kinijos mokslininkai platiną pakeitė kalcio oksidu (šaltinis: www.cheburek.net).

KURO ELEMENTŲ NAUDOJIMAS

Pirmasis kuro elementas automobilių technologijoje buvo išbandytas 1959 m. Alice-Chambers traktorius naudojo 1008 akumuliatorius. Kuras buvo dujų, daugiausia propano ir deguonies, mišinys.

Šaltinis: http://www.planetseed.com/

Nuo septintojo dešimtmečio vidurio, „kosminių lenktynių“ įkarštyje, erdvėlaivių kūrėjai susidomėjo kuro elementais. Tūkstančių mokslininkų ir inžinierių darbas leido pasiekti naują lygį, o 1965 m. kuro elementai buvo išbandyti JAV erdvėlaiviuose Gemini 5, vėliau – erdvėlaivyje Apollo skrydžiams į Mėnulį ir Shuttle programa. SSRS kuro elementai buvo sukurti NPO Kvant, taip pat skirti naudoti kosmose (šaltinis: http://www.powerinfo.ru/).

Kadangi kuro elemente galutinis vandenilio degimo produktas yra vanduo, jie laikomi švariausiais poveikio aplinkai požiūriu. Todėl kuro elementai pradėjo populiarėti visuotinio susidomėjimo aplinka fone.

Tokie automobilių gamintojai kaip „Honda“, „Ford“, „Nissan“ ir „Mercedes-Benz“ jau sukūrė automobilius, varomus vandenilio kuro elementais.

Mercedes-Benz – Ener-G-Force varomas vandeniliu

Naudojant vandenilinius automobilius, vandenilio saugojimo problema išsprendžiama. Pastačius vandenilio degalines, kurą bus galima pilti bet kur. Negana to, automobilio degalų papildymas vandeniliu yra greitesnis nei elektromobilio įkrovimas degalinėje. Tačiau įgyvendindami tokius projektus susidūrėme su panašia į elektromobilių problema. Žmonės yra pasirengę persėsti į vandenilinį automobilį, jei yra jiems skirta infrastruktūra. O degalinių statybos prasidės, jei bus pakankamai vartotojų. Todėl vėl priėjome prie kiaušinio ir vištos dilemos.

Kuro elementai plačiai naudojami mobiliuosiuose telefonuose ir nešiojamuosiuose kompiuteriuose. Jau praėjo laikas, kai telefonas buvo kraunamas kartą per savaitę. Dabar telefonas kraunamas kone kasdien, o nešiojamas kompiuteris be tinklo veikia 3-4 valandas. Todėl mobiliųjų technologijų gamintojai nusprendė susintetinti kuro elementą su telefonais ir nešiojamaisiais kompiuteriais įkrovimui ir veikimui. Pavyzdžiui, „Toshiba“ kompanija 2003 m. pademonstravo gatavą metanolio kuro elemento prototipą. Jis gamina apie 100 mW galią. Vieno papildymo 2 kubeliais koncentruoto (99,5%) metanolio pakanka 20 valandų MP3 grotuvo veikimo. Vėlgi, ta pati „Toshiba“ demonstravo nešiojamiesiems kompiuteriams maitinti skirtą 275x75x40 mm bateriją, leidžiančią kompiuteriui veikti 5 valandas vienu įkrovimu.

Tačiau kai kurie gamintojai nuėjo toliau. „PowerTrekk“ kompanija išleido to paties pavadinimo įkroviklį. PowerTrekk yra pirmasis pasaulyje vandens įkroviklis. Tai labai paprasta naudoti. „PowerTrekk“ reikia įpilti vandens, kad per USB laidą būtų tiekiama momentinė elektros energija. Šiame kuro elemente yra silicio miltelių ir natrio silicido (NaSi), sumaišius su vandeniu, mišinys generuoja vandenilį. Pačiame kuro elemente vandenilis sumaišomas su oru ir per membranos ir protonų mainus, be ventiliatorių ar siurblių, vandenilis paverčiamas elektra. Tokį nešiojamą įkroviklį galite įsigyti už 149 € (

Kuro elementai (elektrocheminiai generatoriai) yra labai efektyvus, patvarus, patikimas ir aplinkai nekenksmingas energijos gamybos būdas. Iš pradžių jie buvo naudojami tik kosmoso pramonėje, tačiau šiandien elektrocheminiai generatoriai vis plačiau naudojami įvairiose srityse: mobiliųjų telefonų ir nešiojamųjų kompiuterių maitinimo šaltiniuose, transporto priemonių varikliuose, autonominiuose pastatų maitinimo šaltiniuose, stacionariose elektrinėse. Kai kurie iš šių įrenginių veikia kaip laboratoriniai prototipai, o kiti naudojami demonstravimo tikslais arba atliekami priešgamybiniai bandymai. Tačiau daugelis modelių jau naudojami komerciniuose projektuose ir yra gaminami masiškai.

Įrenginys

Kuro elementai yra elektrocheminiai įtaisai, galintys užtikrinti didelį esamos cheminės energijos pavertimą elektros energija.

Kuro elementų įrenginį sudaro trys pagrindinės dalys:

1. Elektros gamybos skyrius;
2. CPU;
3. Įtampos keitiklis.

Pagrindinė kuro elemento dalis yra energijos gamybos sekcija, kuri yra iš atskirų kuro elementų pagaminta baterija. Kuro elementų elektrodų struktūroje yra platinos katalizatorius. Naudojant šiuos elementus, sukuriama nuolatinė elektros srovė.

Vienas iš šių įrenginių turi šias charakteristikas: esant 155 voltų įtampai, susidaro 1400 amperų. Akumuliatoriaus matmenys yra 0,9 m pločio ir aukščio bei 2,9 m ilgio. Elektrocheminis procesas jame vyksta 177 °C temperatūroje, todėl paleidimo metu reikalingas akumuliatoriaus pašildymas, o taip pat šilumos pašalinimas jo veikimo metu. Šiuo tikslu kuro elemente yra atskira vandens grandinė, o akumuliatoriuje yra specialios aušinimo plokštės.

Kuro procesas gamtines dujas paverčia vandeniliu, kuris reikalingas elektrocheminei reakcijai. Pagrindinis kuro procesoriaus elementas yra reformeris. Jame gamtinės dujos (arba kitas vandenilio turintis kuras) aukštame slėgyje ir aukštoje temperatūroje (apie 900 ° C) sąveikauja su vandens garais, veikiant nikelio katalizatoriui.

Norint palaikyti reikiamą reformatoriaus temperatūrą, yra degiklis. Reformavimui reikalingas garas susidaro iš kondensato. Kuro elemento akumuliatoriuje susidaro nestabili nuolatinė srovė, kuriai konvertuoti naudojamas įtampos keitiklis.

Taip pat įtampos keitiklio bloke yra:

• Valdymo įrenginiai.
• Apsauginės blokavimo grandinės, išjungiančios kuro elementą įvairių gedimų metu.

Veikimo principas

Paprasčiausias protonų mainų membranos elementas susideda iš polimerinės membranos, esančios tarp anodo ir katodo, taip pat iš katodo ir anodo katalizatorių. Polimerinė membrana naudojama kaip elektrolitas.

• Protonų mainų membrana atrodo kaip plonas kietas mažo storio organinis junginys. Ši membrana veikia kaip elektrolitas esant vandeniui, ji atskiria medžiagą į neigiamo ir teigiamo krūvio jonus.
• Oksidacija prasideda nuo anodo, o redukcija vyksta prie katodo. Katodas ir anodas PEM elemente yra pagaminti iš porėtos medžiagos, tai yra platinos ir anglies dalelių mišinys. Platina veikia kaip katalizatorius, skatinantis disociacijos reakciją. Katodas ir anodas yra akytas, kad deguonis ir vandenilis praeitų pro juos laisvai.
• Anodas ir katodas yra tarp dviejų metalinių plokščių, jie aprūpina katodu ir anodu deguonimi ir vandeniliu, pašalina elektros energiją, šilumą ir vandenį.
• Plokštėje esančiais kanalais vandenilio molekulės patenka į anodą, kur molekulės suskaidomos į atomus.
• Dėl chemisorbcijos, veikiant katalizatoriui, vandenilio atomai paverčiami teigiamai įkrautais vandenilio jonais H+, tai yra protonais.
• Protonai difunduoja į katodą per membraną, o elektronų srautas patenka į katodą per specialią išorinę elektros grandinę. Prie jo prijungta apkrova, tai yra elektros energijos vartotojas.
• Deguonis, kuris tiekiamas į katodą, po poveikio patenka į cheminę reakciją su elektronais iš išorinės elektros grandinės ir vandenilio jonais iš protonų mainų membranos. Dėl šios cheminės reakcijos atsiranda vandens.

Cheminė reakcija, vykstanti kitų tipų kuro elementuose (pavyzdžiui, su rūgštiniu elektrolitu ortofosforo rūgšties H3PO4 pavidalu), yra visiškai identiška įrenginio reakcijai su protonų mainų membrana.

Rūšis

Šiuo metu yra žinomi keli kuro elementų tipai, kurie skiriasi naudojamo elektrolito sudėtimi:

• Kuro elementai, kurių pagrindą sudaro ortofosforo arba fosforo rūgštis (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
• Prietaisai su protonų mainų membrana (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
• Kietojo oksido kuro elementai (SOFC, Solid Oxide Fuel Cells).
• Elektrocheminiai generatoriai išlydyto karbonato (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells) pagrindu.

Šiuo metu elektrocheminiai generatoriai, naudojantys PAFC technologiją, yra plačiai paplitę.

Taikymas

Šiandien kuro elementai naudojami daugkartinio naudojimo erdvėlaivyje „Space Shuttle“. Jie naudoja 12 W įrenginius. Jie gamina visą erdvėlaivio elektros energiją. Elektrocheminės reakcijos metu susidaręs vanduo naudojamas gerti, taip pat ir aušinimo įrangai.

Elektrocheminiai generatoriai taip pat buvo naudojami sovietiniam „Buran“ – daugkartiniam erdvėlaiviui – maitinti.

Kuro elementai taip pat naudojami civiliniame sektoriuje.

• Stacionarūs įrenginiai, kurių galia 5–250 kW ir didesnė. Jie naudojami kaip autonominiai šaltiniai tiekiant šilumą ir elektros energiją pramoniniams, visuomeniniams ir gyvenamiesiems pastatams, avariniams ir atsarginiams maitinimo šaltiniams bei nepertraukiamo maitinimo šaltiniams.
• Nešiojamieji įrenginiai, kurių galia 1–50 kW. Jie naudojami kosminiams palydovams ir laivams. Kuriami egzemplioriai golfo vežimėliams, neįgaliųjų vežimėliams, geležinkelio ir krovinių šaldytuvams bei kelio ženklams.
• Mobilūs įrenginiai, kurių galia 25–150 kW. Jie pradedami naudoti kariniuose laivuose ir povandeniniuose laivuose, įskaitant automobilius ir kitas transporto priemones. Prototipus jau sukūrė tokie automobilių gigantai kaip „Renault“, „Neoplan“, „Toyota“, „Volkswagen“, „Hyundai“, „Nissan“, VAZ, „General Motors“, „Honda“, „Ford“ ir kt.
• 1–500 W galios mikroįrenginiai. Jie randa pritaikymą pažangiuose delniniuose kompiuteriuose, nešiojamuosiuose kompiuteriuose, plataus vartojimo elektroniniuose įrenginiuose, mobiliuosiuose telefonuose ir šiuolaikiniuose kariniuose įrenginiuose.

Ypatumai

• Dalis energijos iš cheminės reakcijos kiekviename kuro elemente išsiskiria kaip šiluma. Reikalingas šaldymas. Išorinėje grandinėje elektronų srautas sukuria nuolatinę srovę, kuri naudojama darbui atlikti. Sustabdžius vandenilio jonų judėjimą arba atidarius išorinę grandinę, cheminė reakcija sustoja.
• Kuro elementų sukuriamas elektros kiekis priklauso nuo dujų slėgio, temperatūros, geometrinių matmenų ir kuro elemento tipo. Norint padidinti reakcijos metu pagaminamos elektros kiekį, kuro elementus galima padaryti didesnius, tačiau praktiškai naudojami keli elementai, kurie sujungiami į baterijas.
• Kai kurių tipų kuro elementų cheminis procesas gali būti pakeistas. Tai yra, kai elektrodams taikomas potencialų skirtumas, vanduo gali būti suskaidytas į deguonį ir vandenilį, kurie bus surinkti ant poringų elektrodų. Įjungus apkrovą toks kuro elementas generuos elektros energiją.

Perspektyvos

Šiuo metu elektrocheminiams generatoriams reikia didelių pradinių išlaidų, kad jie būtų naudojami kaip pagrindinis energijos šaltinis. Įdiegus stabilesnes didelio laidumo membranas, efektyvius ir pigius katalizatorius bei alternatyvius vandenilio šaltinius, kuro elementai taps itin ekonomiškai patrauklūs ir bus diegiami visur.

• Automobiliai bus varomi kuro elementais, vidaus degimo variklių iš viso nebus. Vanduo arba kietojo kūno vandenilis bus naudojamas kaip energijos šaltinis. Degalų papildymas bus paprastas ir saugus, o vairavimas draugiškas aplinkai – susidarys tik vandens garai.
• Visi pastatai turės savo nešiojamus kuro elementų elektros generatorius.
• Elektrocheminiai generatoriai pakeis visas baterijas ir bus montuojami į bet kokią elektroniką ir buitinę techniką.

Privalumai ir trūkumai

Kiekvienas kuro elementų tipas turi savų trūkumų ir privalumų. Kai kuriems reikia aukštos kokybės kuro, kiti turi sudėtingą konstrukciją ir reikalauja aukštos darbinės temperatūros.

Apskritai galima pastebėti šiuos kuro elementų pranašumus:

• aplinkos sauga;
• elektrocheminių generatorių nereikia įkrauti;
• elektrocheminiai generatoriai energiją gali kurti nuolat, jiems nerūpi išorinės sąlygos;
• masto lankstumas ir perkeliamumas.

Tarp trūkumų yra šie:

• techniniai sunkumai su degalų laikymu ir transportavimu;
• netobuli įrenginio elementai: katalizatoriai, membranos ir pan.

Kuro elementas ( Kuro elementas) yra prietaisas, paverčiantis cheminę energiją į elektros energiją. Iš esmės jis panašus į įprastą akumuliatorių, tačiau skiriasi tuo, kad jo veikimui reikalingas nuolatinis medžiagų tiekimas iš išorės, kad įvyktų elektrocheminė reakcija. Į kuro elementus tiekiamas vandenilis ir deguonis, išeinama elektra, vanduo ir šiluma. Jų pranašumai yra ekologiškumas, patikimumas, ilgaamžiškumas ir naudojimo paprastumas. Skirtingai nuo įprastų baterijų, elektrocheminiai keitikliai gali veikti praktiškai neribotą laiką, kol tiekiamas kuras. Jų nereikia krauti valandų valandas, kol jie visiškai įkraunami. Be to, patys elementai gali įkrauti akumuliatorių, kai automobilis stovi su išjungtu varikliu.

Vandenilio transporto priemonėse plačiausiai naudojami kuro elementai yra protonų membraniniai kuro elementai (PEMFC) ir kietojo oksido kuro elementai (SOFC).

Protonų mainų membranos kuro elementas veikia taip. Tarp anodo ir katodo yra speciali membrana ir platina padengtas katalizatorius. Vandenilis tiekiamas į anodą, o deguonis (pavyzdžiui, iš oro) - į katodą. Prie anodo vandenilis katalizatoriaus pagalba skaidomas į protonus ir elektronus. Vandenilio protonai praeina pro membraną ir pasiekia katodą, o elektronai perkeliami į išorinę grandinę (membrana neleidžia jiems praeiti). Taip gautas potencialų skirtumas sukelia elektros srovės generavimą. Katodo pusėje vandenilio protonai oksiduojami deguonimi. Dėl to atsiranda vandens garų, kurie yra pagrindinis automobilių išmetamųjų dujų elementas. Didelio efektyvumo PEM ląstelės turi vieną reikšmingą trūkumą – jų veikimui reikalingas grynas vandenilis, kurio saugojimas yra gana rimta problema.

Jei bus rastas toks katalizatorius, kuris šiuose elementuose pakeičia brangią platiną, tuoj pat bus sukurtas pigus kuro elementas elektrai gaminti, o tai reiškia, kad pasaulis atsikratys priklausomybės nuo naftos.

Kietojo oksido ląstelės

Kietojo oksido SOFC elementai yra daug mažiau reiklūs degalų grynumui. Be to, dėl POX reformatoriaus (dalinio oksidavimo) naudojimo tokios ląstelės gali naudoti įprastą benziną kaip kurą. Benzino pavertimo elektra procesas yra toks. Specialiame įrenginyje - reformeryje, maždaug 800 ° C temperatūroje, benzinas išgaruoja ir suyra į jo sudedamąsias dalis.

Dėl to išsiskiria vandenilis ir anglies dioksidas. Be to, taip pat veikiant temperatūrai ir tiesiogiai naudojant SOFC (sudarytą iš porėtos keraminės medžiagos cirkonio oksido pagrindu), vandenilis oksiduojamas deguonimi ore. Gavus vandenilį iš benzino, procesas tęsiasi pagal aukščiau aprašytą scenarijų, tik su vienu skirtumu: SOFC kuro elementas, skirtingai nei įrenginiai, veikiantys vandeniliu, yra mažiau jautrūs priemaišoms, esančioms pradiniame kure. Taigi benzino kokybė neturėtų turėti įtakos kuro elemento veikimui.

Aukšta SOFC darbinė temperatūra (650–800 laipsnių) yra didelis trūkumas, įšilimo procesas trunka apie 20 minučių. Tačiau šilumos perteklius nėra problema, nes jį visiškai pašalina likęs oras ir išmetamosios dujos, kurias gamina reformatorius ir pats kuro elementas. Tai leidžia SOFC sistemą integruoti į transporto priemonę kaip atskirą įrenginį termoizoliuotame korpuse.

Modulinė struktūra leidžia pasiekti reikiamą įtampą nuosekliai jungiant standartinių elementų rinkinį. Ir, ko gero, svarbiausia tokių įrenginių diegimo požiūriu, SOFC nėra labai brangių platinos elektrodų. Būtent didelė šių elementų kaina yra viena iš kliūčių kuriant ir platinant PEMFC technologiją.

Kuro elementų tipai

Šiuo metu yra šių tipų kuro elementų:

• A.F.C.– Šarminis kuro elementas (šarminis kuro elementas);
• PAFC– Fosforo rūgšties kuro elementas (fosforo rūgšties kuro elementas);
• PEMFC– Proton Exchange Membrane Fuel Cell (kuro elementas su protonų mainų membrana);
• DMFC– Tiesioginis metanolio kuro elementas (kuro elementas su tiesioginiu metanolio skaidymu);
• MCFC– Išlydyto karbonato kuro elementas (išlydyto karbonato kuro elementas);
• SOFC– Kietojo oksido kuro elementas (kieto oksido kuro elementas).

Kuro elementų/elementų privalumai

Kuro elementas / elementas yra įrenginys, 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. 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/elementai gali nuolat gaminti elektrą tol, kol turi kuro ir oro tiekimą.

Skirtingai nuo kitų elektros generatorių, tokių kaip vidaus degimo varikliai ar turbinos, varomos dujomis, anglimi, mazutu ir kt., kuro elementai/elementai nedegina kuro. Tai reiškia, kad nėra triukšmingų aukšto slėgio rotorių, nėra didelio išmetimo triukšmo, nėra vibracijos. Kuro elementai / elementai gamina elektros energiją per tylią elektrocheminę reakciją. Kitas kuro elementų / 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 išmetamųjų teršalų produktai eksploatacijos metu yra vanduo garų pavidalu ir nedidelis anglies dioksido kiekis, kuris visiškai neišsiskiria, jei kaip kuras naudojamas grynas vandenilis. Kuro elementai/elementai surenkami į mazgus, o vėliau į atskirus funkcinius modulius.

Kuro elementų / elementų vystymosi istorija

1950-aisiais ir 1960-aisiais vienas iš aktualiausių iššūkių kuro elementams kilo dėl Nacionalinės aeronautikos ir kosmoso administracijos (NASA) poreikio energijos šaltiniams ilgalaikėms kosminėms misijoms. NASA šarminio kuro elementas naudoja vandenilį ir deguonį kaip kurą, sujungdamas du cheminius elementus elektrocheminėje reakcijoje. Išeiga yra trys naudingi šalutiniai reakcijos skrydžio į kosmosą produktai – elektra, skirta erdvėlaiviui maitinti, vanduo geriamojo ir aušinimo sistemoms ir šiluma astronautams sušildyti.

Kuro elementų atradimai datuojami XIX amžiaus pradžioje. Pirmieji kuro elementų poveikio įrodymai buvo gauti 1838 m.

Trečiojo dešimtmečio pabaigoje buvo pradėti kurti kuro elementai su šarminiu elektrolitu, o 1939 m. buvo pastatytas elementas, kuriame buvo naudojami aukšto slėgio nikeliuoti elektrodai. Antrojo pasaulinio karo metu kuro elementai/elementai buvo sukurti Britanijos karinio jūrų laivyno povandeniniams laivams, o 1958 m. buvo pristatytas kuro rinkinys, susidedantis iš šarminių kuro elementų/elementų, kurių skersmuo kiek didesnis nei 25 cm.

Susidomėjimas išaugo šeštajame ir šeštajame dešimtmetyje, taip pat devintajame dešimtmetyje, kai pramonės pasaulis patyrė naftos kuro trūkumą. Tuo pačiu laikotarpiu pasaulio šalys taip pat susirūpino oro taršos problema ir svarstė būdus, kaip elektros energiją gaminti ekologiškai. Šiuo metu kuro elementų technologija sparčiai vystosi.

Kuro elementų/elementų veikimo principas

Kuro elementai/elementai gamina elektrą ir šilumą dėl elektrocheminės reakcijos, vykstančios naudojant elektrolitą, katodą ir anodą.

Anodas ir katodas yra atskirti elektrolitu, kuris praleidžia protonus. Į anodą nutekėjus vandeniliui, o į katodą - deguoniui, prasideda cheminė reakcija, kurios metu susidaro 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: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reakcija prie katodo: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Bendroji elemento reakcija: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Kuro elementų/elementų tipai ir įvairovė

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

Kuro elementai skirstomi į aukštos temperatūros ir žemos temperatūros. Žemos temperatūros kuro 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 / 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.

RCFC veikimas skiriasi nuo kitų kuro elementų. Šiose ląstelėse naudojamas elektrolitas, pagamintas iš išlydytų karbonato druskų mišinio. Šiuo metu naudojami dviejų tipų mišiniai: ličio karbonatas ir kalio karbonatas arba ličio karbonatas ir natrio karbonatas. Norint išlydyti karbonato druskas ir pasiekti aukštą jonų mobilumo laipsnį elektrolite, kuro elementai su išlydytu karbonato elektrolitu veikia aukštoje temperatūroje (650°C). Efektyvumas svyruoja tarp 60-80%.

Kaitinant iki 650°C temperatūros, druskos tampa karbonato jonų (CO 3 2-) laidininku. Šie jonai pereina iš katodo į anodą, kur jie susijungia su vandeniliu ir sudaro vandenį, anglies dioksidą ir laisvuosius elektronus. Šie elektronai per išorinę elektros grandinę siunčiami atgal į katodą, sukuriant elektros srovę ir šilumą kaip šalutinis produktas.

Reakcija prie anodo: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakcija prie katodo: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Bendroji elemento reakcija: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katodas) => H 2 O (g) + CO 2 (anodas)

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

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

Kuro elementai su išlydytu karbonato elektrolitu yra tinkami naudoti dideliuose stacionariuose įrenginiuose. Komerciniais tikslais gaminamos 3,0 MW elektros išėjimo galios šiluminės elektrinės. Plėtojami įrenginiai, kurių išėjimo galia iki 110 MW.

Fosforo rūgšties kuro elementai / elementai (PAFC)

Fosforo (ortofosforo) rūgšties kuro elementai buvo pirmieji komerciniam naudojimui skirti kuro elementai.

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

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

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

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

Didelis šiluminių elektrinių, naudojančių kuro elementus, kurių pagrindą sudaro fosforo (ortofosforo) rūgštis, našumas kombinuotai šiluminės ir elektros energijos gamyboje yra vienas iš šio tipo kuro elementų privalumų. Agregatuose naudojamas apie 1,5% koncentracijos anglies monoksidas, kuris žymiai išplečia kuro pasirinkimą. Be to, CO 2 neturi įtakos elektrolitui, o šio tipo elementai veikia su reformuotu 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 500 kW. 11 MW įrenginiai išlaikė atitinkamus bandymus. Plėtojami įrenginiai, kurių išėjimo galia iki 100 MW.

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.

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

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

Pagamintos elektros energijos naudingumo koeficientas yra didžiausias iš visų kuro elementų – apie 60-70%. 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 75%.

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 / elementai (DOMFC)

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

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

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

Šio tipo kuro elementų pranašumas yra jų mažas dydis, nes naudojamas skystas kuras, ir tai, kad nereikia naudoti keitiklio.

Šarminiai kuro elementai / elementai (ALFC)

Šarminio kuro elementai yra vienas iš efektyviausių elementų, naudojamų elektros energijai gaminti, energijos gamybos efektyvumas siekia iki 70%.

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

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

SHTE privalumas yra tas, kad šiuos kuro elementus gaminti yra pigiausia, nes ant elektrodų reikalingas katalizatorius gali būti bet kuri medžiaga, kuri yra pigesnė už tas, kurios naudojamos kaip kitų kuro elementų katalizatoriai. 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 CO 2, kurio gali būti kure ar ore. CO 2 reaguoja su elektrolitu, greitai jį nuodija ir labai sumažina kuro elemento efektyvumą. Todėl SHTE galima naudoti tik uždarose erdvėse, tokiose kaip kosminės ir povandeninės transporto priemonės, jos turi važiuoti grynu vandeniliu ir deguonimi. Be to, tokios molekulės kaip CO, H 2 O ir CH4, kurios yra saugios kitiems kuro elementams ir netgi veikia kaip kuras, kai kuriems iš jų yra kenksmingos SHFC.

Polimeriniai elektrolitų kuro elementai (PEFC)

Polimerinių elektrolitų kuro elementų atveju polimero membrana susideda iš polimerinių pluoštų su vandens sritimis, kuriose yra vandens jonų laidumas H2O+ (protonas, raudonas) prisijungia prie vandens molekulės). Vandens molekulės kelia problemų dėl lėto jonų mainų. Todėl tiek kuro, tiek išėjimo elektroduose reikalinga didelė vandens koncentracija, ribojant darbinę temperatūrą iki 100°C.

Kietosios rūgšties kuro elementai / elementai (SFC)

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

Įvairūs kuro elementų moduliai. Kuro elementų akumuliatorius

1. Kuro elementų akumuliatorius
2. Kita aukštoje temperatūroje veikianti įranga (integruotas garo generatorius, degimo kamera, šilumos balanso keitiklis)
3. Karščiui atspari izoliacija

Kuro elementų modulis

Kuro elementų tipų ir veislių lyginamoji analizė

Inovatyvios energiją taupančios komunalinės šilumos ir elektrinės paprastai statomos ant kietojo oksido kuro elementų (SOFC), polimerinių elektrolitų kuro elementų (PEFC), fosforo rūgšties kuro elementų (PAFC), protonų mainų membraninių kuro elementų (PEMFC) ir šarminio kuro elementų ( ALFC). Paprastai turi šias charakteristikas:

Tinkamiausi turėtų būti kietojo oksido kuro elementai (SOFC), kurie:

• veikia aukštesnėje temperatūroje, sumažinant brangių tauriųjų metalų (pvz., platinos) poreikį
• gali veikti naudojant įvairių rūšių angliavandenilių kurą, daugiausia gamtines dujas
• turi ilgesnį paleidimo laiką, todėl geriau tinka ilgalaikiams veiksmams
• demonstruoti aukštą energijos gamybos efektyvumą (iki 70%)
• Dėl aukštų darbinių temperatūrų įrenginius galima derinti su šilumos perdavimo sistemomis, todėl bendras sistemos efektyvumas siekia 85%.
• praktiškai neturi teršalų, veikia tyliai ir turi žemus eksploatacinius reikalavimus, palyginti su esamomis energijos gamybos technologijomis

Kadangi mažas šilumines elektrines galima prijungti prie įprasto dujų tiekimo tinklo, kuro elementams nereikia atskiros vandenilio tiekimo sistemos. Naudojant nedideles šilumines elektrines, kurių pagrindą sudaro kietojo oksido kuro elementai, susidariusią šilumą galima integruoti į šilumokaičius vandeniui ir vėdinimo orui šildyti, taip padidinant bendrą sistemos efektyvumą. Ši naujoviška technologija geriausiai tinka efektyviam elektros energijos gamybai, nereikia brangios infrastruktūros ir sudėtingos prietaisų integracijos.

Kuro elementų / elementų taikymas

Kuro elementų/elementų taikymas telekomunikacijų sistemose

Dėl spartaus belaidžio ryšio sistemų plitimo visame pasaulyje, taip pat dėl ​​didėjančios mobiliųjų telefonų technologijos socialinės ir ekonominės naudos, patikimos ir ekonomiškos atsarginės energijos atsarginės kopijos poreikis tapo itin svarbus. Elektros tinklo nuostoliai ištisus metus dėl blogų oro sąlygų, stichinių nelaimių ar riboto tinklo pajėgumo yra nuolatinis iššūkis tinklo operatoriams.

Tradiciniai telekomunikacijų energijos atsarginiai sprendimai apima baterijas (vožtuvu reguliuojamą švino-rūgšties baterijos elementą), skirtą trumpalaikei atsarginei galiai, ir dyzelinius bei propano generatorius ilgesniam atsarginiam energijos kiekiui. Baterijos yra palyginti pigus atsarginės energijos šaltinis 1–2 valandoms. Tačiau akumuliatoriai netinka ilgalaikiam atsarginiam maitinimui, nes juos brangu išlaikyti, jie tampa nepatikimi po ilgo naudojimo, yra jautrūs temperatūrai ir yra pavojingi aplinkai po utilizavimo. Dyzeliniai ir propano generatoriai gali užtikrinti ilgalaikę atsarginę galią. Tačiau generatoriai gali būti nepatikimi, juos reikia nuolat prižiūrėti ir išmesti daug teršalų bei šiltnamio efektą sukeliančių dujų.

Siekiant įveikti tradicinių energijos atsarginių sprendimų apribojimus, buvo sukurta naujoviška žaliųjų kuro elementų technologija. Kuro elementai yra patikimi, tylūs, juose yra mažiau judančių dalių nei generatoriuje, jų veikimo temperatūros diapazonas yra platesnis nei akumuliatoriaus: nuo -40°C iki +50°C ir dėl to itin taupo energiją. Be to, tokio įrenginio eksploatavimo išlaidos yra mažesnės nei generatoriaus sąnaudos. Mažesnes kuro elementų sąnaudas lemia tik vienas techninės priežiūros apsilankymas per metus ir žymiai didesnis gamyklos produktyvumas. Galų gale, kuro elementas yra ekologiškas technologijos sprendimas, turintis minimalų poveikį aplinkai.

Kuro elementų blokai teikia atsarginę galią kritinėms ryšių tinklo infrastruktūroms belaidžiam, nuolatiniam ir plačiajuosčiui ryšiui telekomunikacijų sistemoje, nuo 250 W iki 15 kW, jie siūlo daug neprilygstamų naujoviškų savybių:

• PATIKIMUMAS– mažai judančių dalių ir jokios iškrovos budėjimo režimu
• ENERGIJOS TAUPYMAS
• TYLA- žemas triukšmo lygis
• DARNUMAS– veikimo diapazonas nuo -40°C iki +50°C
• PRITAIKYMAS– montavimas lauke ir viduje (konteineris/apsauginis konteineris)
• DIDELIS GALIOS– iki 15 kW
• MAŽAS PRIEŽIŪROS REIKALAVIMAS– minimali kasmetinė priežiūra
• EKONOMIKOS- patrauklios bendros nuosavybės išlaidos
• ŽALIOJI ENERGIJA– mažos emisijos ir minimalus poveikis aplinkai

Sistema visą laiką jaučia nuolatinės srovės magistralės įtampą ir sklandžiai priima kritines apkrovas, jei nuolatinės srovės magistralės įtampa nukrenta žemiau vartotojo nustatyto nustatyto taško. Sistema veikia naudojant vandenilį, kuris į kuro elementų kaminą tiekiamas vienu iš dviejų būdų – arba iš pramoninio vandenilio šaltinio, arba iš skystojo kuro – metanolio ir vandens, naudojant integruotą riformingo sistemą.

Elektrą nuolatinės srovės pavidalu gamina kuro elementų kaminas. Nuolatinė srovė perduodama į keitiklį, kuris nereguliuojamą nuolatinę srovę, gaunamą iš kuro elementų kamino, konvertuoja į aukštos kokybės reguliuojamą nuolatinę srovę reikiamoms apkrovoms. Kuro elementų įrenginiai gali tiekti atsarginę energiją daug dienų, nes trukmę riboja tik vandenilio arba metanolio/vandens kuro kiekis.

Kuro elementai pasižymi puikiu energijos taupymu, geresniu sistemos patikimumu, labiau nuspėjamu veikimu įvairiomis klimato sąlygomis ir patikimu eksploatavimo patvarumu, palyginti su pramoniniais standartiniais vožtuvais reguliuojamais švino rūgšties elementų akumuliatorių paketais. Visą gyvenimą trunkančios išlaidos taip pat mažesnės dėl žymiai mažesnių priežiūros ir keitimo reikalavimų. Kuro elementai teikia naudos aplinkai galutiniam vartotojui, nes šalinimo sąnaudos ir atsakomybės rizika, susijusi su švino rūgšties elementais, kelia vis didesnį susirūpinimą.

Elektrinių baterijų veikimą gali neigiamai paveikti įvairūs veiksniai, tokie kaip įkrovimo lygis, temperatūra, važiavimas dviračiu, tarnavimo laikas ir kiti kintamieji. Tiekiama energija skirsis priklausomai nuo šių veiksnių ir nėra lengva nuspėti. Protonų mainų membranos kuro elemento (PEMFC) veikimui šie veiksniai santykinai įtakos neturi ir gali užtikrinti kritinę galią tol, kol yra kuro. Didesnis nuspėjamumas yra svarbus privalumas pereinant prie kuro elementų, skirtų svarbioms atsarginės energijos programoms.

Kuro elementai generuoja energiją tik tada, kai tiekiamas kuras, panašiai kaip dujų turbinos generatorius, bet generavimo zonoje neturi judančių dalių. Todėl, skirtingai nei generatorius, jie greitai nesusidėvi ir nereikalauja nuolatinės priežiūros bei tepimo.

Degalai, naudojami ilgos trukmės kuro konverteriui varyti, yra metanolio ir vandens degalų mišinys. Metanolis yra plačiai prieinamas, komerciškai gaminamas kuras, kuris šiuo metu naudojamas įvairiems tikslams, įskaitant priekinio stiklo ploviklius, plastikinius butelius, variklio priedus ir emulsinius dažus. Metanolis lengvai transportuojamas, gali būti maišomas su vandeniu, gerai biologiškai skaidomas ir neturi sieros. Jis turi žemą užšalimo temperatūrą (-71°C) ir nesuyra ilgai laikant.

Kuro elementų/elementų taikymas ryšių tinkluose

Saugiems ryšių tinklams reikalingi patikimi atsarginio maitinimo sprendimai, kurie ekstremaliomis situacijomis gali veikti valandas ar dienas, jei elektros tinklas nebėra pasiekiamas.

Inovatyvi kuro elementų technologija, turinti keletą judančių dalių ir nenutrūkstama galios budėjimo režimu, yra patrauklus sprendimas dabartinėms atsarginėms maitinimo sistemoms.

Įtikinamiausias argumentas dėl kuro elementų technologijos naudojimo ryšių tinkluose yra padidėjęs bendras patikimumas ir saugumas. Per įvykius, tokius kaip elektros energijos tiekimo nutraukimas, žemės drebėjimai, audros ir uraganai, svarbu, kad sistemos toliau veiktų ir būtų tiekiamos patikima atsargine galia ilgą laiką, nepaisant temperatūros ar atsarginės energijos sistemos amžiaus.

Kuro elementų maitinimo įrenginių linija idealiai tinka klasifikuotiems ryšių tinklams palaikyti. Dėl savo energiją taupančių projektavimo principų jie užtikrina aplinkai nekenksmingą, patikimą atsarginę galią ilgą laiką (iki kelių dienų), kurią galima naudoti nuo 250 W iki 15 kW.

Kuro elementų/elementų taikymas duomenų tinkluose

Patikimas duomenų tinklų, tokių kaip didelės spartos duomenų tinklai ir šviesolaidinės magistralės, maitinimo šaltinis yra labai svarbus visame pasaulyje. Tokiais tinklais perduodamoje informacijoje yra svarbių duomenų tokioms institucijoms kaip bankai, oro linijos ar medicinos centrai. Elektros tiekimo nutraukimas tokiuose tinkluose ne tik kelia pavojų perduodamai informacijai, bet ir, kaip taisyklė, sukelia didelių finansinių nuostolių. Patikimi, naujoviški kuro elementų įrenginiai, teikiantys atsarginį maitinimo šaltinį, užtikrina patikimumą, reikalingą nepertraukiamam energijos tiekimui.

Kuro elementų blokai, varomi skysto kuro mišinio iš metanolio ir vandens, užtikrina patikimą atsarginę galią ilgą laiką, iki kelių dienų. Be to, šiems agregatams, palyginti su generatoriais ir baterijomis, gerokai sumažėjo techninės priežiūros reikalavimai, todėl prireikia tik vieno techninės priežiūros apsilankymo per metus.

Tipinės kuro elementų įrenginių naudojimo duomenų tinkluose naudojimo vietos charakteristikos:

• Pritaikymai, kurių energijos suvartojimas yra nuo 100 W iki 15 kW
• Programos, kurių akumuliatoriaus veikimo laikas > 4 valandos
• Retransliatoriai šviesolaidinėse sistemose (sinchroninių skaitmeninių sistemų hierarchija, spartus internetas, balso per IP...)
• Tinklo mazgai, skirti didelės spartos duomenų perdavimui
• WiMAX perdavimo mazgai

Kuro elementų atsarginės galios įrenginiai suteikia daug pranašumų svarbioms duomenų tinklo infrastruktūroms, palyginti su tradiciniais baterijos arba dyzeliniais generatoriais, todėl juos galima geriau naudoti vietoje:

1. Skystojo kuro technologija išsprendžia vandenilio padėjimo problemą ir suteikia praktiškai neribotą atsarginę galią.
2. Dėl tylaus veikimo, mažo svorio, atsparumo temperatūros pokyčiams ir praktiškai be vibracijos kuro elementus galima montuoti pastatų išorėje, pramoniniuose pastatuose/konteineriuose arba ant stogų.
3. Pasiruošimas naudoti sistemą vietoje yra greitas ir ekonomiškas, eksploatacijos kaštai maži.
4. Kuras yra biologiškai skaidus ir yra aplinkai nekenksmingas sprendimas miesto aplinkai.

Kuro elementų/elementų taikymas apsaugos sistemose

Kruopščiausiai suprojektuotos pastato apsaugos ir ryšių sistemos yra patikimos tik tiek, kiek jas palaikantis maitinimo šaltinis. Nors daugumoje sistemų yra tam tikros rūšies atsarginės nepertraukiamo maitinimo sistemos, skirtos trumpalaikiams energijos praradimams, jos neapima ilgalaikių elektros energijos tiekimo sutrikimų, kurie gali atsirasti po stichinių nelaimių ar teroristinių išpuolių. Tai gali būti svarbi problema daugeliui įmonių ir vyriausybinių agentūrų.

Jei nėra, kyla pavojus gyvybiškai svarbioms sistemoms, tokioms kaip CCTV prieigos stebėjimo ir valdymo sistemos (ID kortelių skaitytuvai, durų užrakto įtaisai, biometrinės identifikavimo technologijos ir kt.), automatinės gaisro signalizacijos ir gaisro gesinimo sistemos, liftų valdymo sistemos ir telekomunikacijų tinklai. patikimas, ilgalaikis alternatyvus maitinimo šaltinis.

Dyzeliniai generatoriai kelia daug triukšmo, juos sunku rasti ir turi gerai žinomų patikimumo ir priežiūros problemų. Priešingai, kuro elementų įrenginys, teikiantis atsarginę galią, yra tylus, patikimas, išmeta nulinį arba labai mažą emisiją ir gali būti lengvai montuojamas ant stogo arba pastato išorėje. Jis neišsikrauna ir nepraranda energijos budėjimo režimu. Tai užtikrina nenutrūkstamą kritinių sistemų veikimą net ir po to, kai objektas nustoja veikti ir pastatas yra atlaisvintas.

Inovatyvūs kuro elementų įrenginiai apsaugo brangias investicijas į svarbias programas. Jie užtikrina aplinkai nekenksmingą, patikimą atsarginę galią ilgą laiką (iki daugelio dienų), skirtą naudoti nuo 250 W iki 15 kW galios diapazone, kartu su daugybe neprilygstamų savybių ir ypač su dideliu energijos taupymo lygiu.

Atsarginės kuro elementų energijos tiekimo sistemos turi daug pranašumų, skirtų naudoti itin svarbiose srityse, pavyzdžiui, saugumo ir pastato valdymo sistemose, palyginti su tradiciniais baterijomis arba dyzeliniais generatoriais. Skystojo kuro technologija išsprendžia vandenilio padėjimo problemą ir suteikia praktiškai neribotą atsarginę galią.

Kuro elementų / elementų taikymas komunaliniam šildymui ir elektros energijos gamybai

Kietojo oksido kuro elementai (SOFC) yra patikimos, energiją taupančios ir teršalų neišmetančios šiluminės elektrinės, gaminančios elektros energiją ir šilumą iš plačiai prieinamų gamtinių dujų ir atsinaujinančių kuro šaltinių. Šie novatoriški įrenginiai naudojami įvairiose rinkose – nuo ​​elektros energijos gamybos namuose iki nuotolinio maitinimo tiekimo, taip pat pagalbiniams maitinimo šaltiniams.

Kuro elementų/elementų taikymas skirstomuosiuose tinkluose

Mažos šiluminės elektrinės skirtos veikti paskirstytame elektros energijos gamybos tinkle, kurį sudaro daug mažų generatorių agregatų, o ne vienos centralizuotos elektrinės.

Žemiau esančiame paveikslėlyje parodytas elektros gamybos efektyvumo sumažėjimas, kai ji pagaminama šiluminėje elektrinėje ir perduodama į namus tradiciniais šiuo metu naudojamais elektros perdavimo tinklais. Centralizuotos gamybos efektyvumo nuostoliai apima nuostolius iš elektrinės, žemos ir aukštos įtampos perdavimo bei paskirstymo nuostolius.

Paveikslėlyje parodyti mažųjų šiluminių elektrinių integravimo rezultatai: elektros energija panaudojimo vietoje generuojama gamybos efektyvumu iki 60%. Be to, namų ūkis kuro elementų generuojamą šilumą gali panaudoti vandeniui ir erdvei šildyti, o tai padidina bendrą kuro energijos perdirbimo efektyvumą ir taupo energiją.

Kuro elementų naudojimas aplinkos apsaugai – susijusių naftos dujų panaudojimas

Viena iš svarbiausių užduočių naftos pramonėje yra susijusių naftos dujų panaudojimas. Esami susijusių naftos dujų panaudojimo būdai turi daug trūkumų, iš kurių pagrindinis yra tas, kad jie nėra ekonomiškai perspektyvūs. Deginamos susijusios naftos dujos, kurios daro didžiulę žalą aplinkai ir žmonių sveikatai.

Inovatyvios šiluminės elektrinės, kuriose kuro elementai naudojami kaip kuras, kaip kuras yra susijusios naftos dujos, atveria kelią radikaliam ir ekonomiškai efektyviam susijusių naftos dujų naudojimo problemų sprendimui.

1. Vienas iš pagrindinių kuro elementų įrenginių privalumų yra tai, kad jie gali patikimai ir stabiliai veikti su susijusiomis kintamos sudėties naftos dujomis. Dėl beliepsnio cheminės reakcijos, kuri yra kuro elemento veikimo pagrindas, sumažėjęs, pavyzdžiui, metano procentas, tik atitinkamai sumažina galią.
2. Lankstumas vartotojų elektros apkrovos, kritimo, apkrovos šuolių atžvilgiu.
3. Šiluminių elektrinių įrengimui ir prijungimui ant kuro elementų jų įgyvendinimas nereikalauja kapitalo sąnaudų, nes Įrenginiai gali būti lengvai montuojami neparuoštose aikštelėse šalia laukų, yra lengvai naudojami, patikimi ir efektyvūs.
4. Aukšta automatika ir modernus nuotolinio valdymo pultas nereikalauja nuolatinio personalo buvimo prie įrenginio.
5. Paprastumas ir techninis konstrukcijos tobulumas: judančių dalių, trinties ir tepimo sistemų nebuvimas suteikia didelę ekonominę naudą naudojant kuro elementų įrenginius.
6. Vandens sąnaudos: nėra, kai aplinkos temperatūra iki +30 °C, ir nereikšminga esant aukštesnei temperatūrai.
7. Vandens išleidimo anga: nėra.
8. Be to, kuro elementus naudojančios šiluminės elektrinės nekelia triukšmo, nevibruoja, neišskiria kenksmingų teršalų į atmosferą