Ceļvedis: Kā atvērt Ancient Arsenālu un kur meklēt kurināmā elementus - Horizon: Zero Dawn. Degvielas šūna kā alternatīva "alternatīvajai" enerģijai

Pēdējā laikā kurināmā elementu tēma ir visiem uz lūpām. Un tas nav pārsteidzoši, jo līdz ar šīs tehnoloģijas parādīšanos elektronikas pasaulē tā ir radījusi jaunu dzimšanu. Pasaules līderi mikroelektronikas jomā sacenšas, lai prezentētu savu nākotnes produktu prototipus, kuros būs integrētas viņu pašu mini spēkstacijas. Tam, no vienas puses, vajadzētu vājināt mobilo ierīču piesaisti "ligzdai", no otras puses, pagarināt to akumulatora darbības laiku.

Turklāt daļa no tiem strādā uz etanola bāzes, tāpēc šo tehnoloģiju attīstība ir tiešs ieguvums alkoholisko dzērienu ražotājiem - pēc desmitiem gadiem aiz kārtējās "devas" stāv "IT cilvēku" rindas. klēpjdators stāsies rindā pie vīna darītavas.

Mēs nevaram palikt prom no kurināmā elementu "drudža", kas ir pārņēmis augsto tehnoloģiju nozari, un mēs centīsimies noskaidrot, kas ir šī tehnoloģija, ar ko to ēd un kad mums vajadzētu sagaidīt, ka tā nonāks. "ēdināšana". Šajā materiālā mēs apskatīsim kurināmā elementu noieto ceļu no šīs tehnoloģijas atklāšanas brīža līdz mūsdienām. Mēģināsim izvērtēt arī to ieviešanas un attīstības perspektīvas nākotnē.

Kā bija

Pirmo reizi kurināmā elementu ierīces principu aprakstīja Kristians Frīdrihs Šonbeins 1838. gadā, un gadu vēlāk izdevumā "Philosophical Journal" tika publicēts viņa raksts par šo tēmu. Tomēr tie bija tikai teorētiski pētījumi. Pirmā strādājošā degvielas šūna gaismu ieraudzīja 1843. gadā Velsas izcelsmes zinātnieka sera Viljama Roberta Grova laboratorijā. To veidojot, izgudrotājs izmantojis materiālus, kas līdzīgi mūsdienu fosforskābes baterijās. Pēc tam sera Grova degvielas šūnu uzlaboja V. Tomass Grubs. 1955. gadā šis ķīmiķis, kurš strādāja par leģendārais uzņēmums Uzņēmums General Electric izmantoja sulfonētu polistirola jonu apmaiņas membrānu kā elektrolītu degvielas šūnā. Tikai trīs gadus vēlāk viņa kolēģis Leonards Niedrahs ierosināja platīna uzklāšanas tehnoloģiju uz membrānas, kas darbojās kā katalizators ūdeņraža oksidācijas un skābekļa uzņemšanas procesā.

Kurināmā elementu "tēvs" Kristians Šēnbeins

Šie principi veidoja pamatu jaunas paaudzes kurināmā elementiem, ko to radītāju vārdā sauca par "Grubb-Nidrach" elementiem. General Electric turpināja attīstīties šajā virzienā, kurā ar NASA un aviācijas giganta McDonnell Aircraft palīdzību tika izveidota pirmā komerciālā degvielas šūna. Jaunā tehnoloģija tika pamanīta ārzemēs. Un jau 1959. gadā brits Frensiss Bēkons (Francis Thomas Bacon) ieviesa stacionāru degvielas šūnu ar jaudu 5 kW. Viņa patentētos dizainus vēlāk licencēja amerikāņi un izmantoja kosmosa kuģi NASA energosistēmās un dzeramā ūdens apgādē. Tajā pašā gadā amerikānis Harijs Ihrigs uzbūvēja pirmo degvielas šūnu traktoru (kopējā jauda 15 kW). Kālija hidroksīds tika izmantots kā elektrolīts akumulatoros, un saspiests ūdeņradis un skābeklis tika izmantoti kā reaģenti.

Pirmo reizi stacionāro kurināmā elementu ražošanu komerciāliem nolūkiem uzsāka UTC Power, kas piedāvāja rezerves barošanas sistēmas slimnīcām, universitātēm un biznesa centriem. Šis uzņēmums, kas ir pasaules līderis šajā jomā, joprojām ražo līdzīgus risinājumus ar jaudu līdz 200 kW. Tas ir arī galvenais NASA degvielas elementu piegādātājs. Tās produkti tika plaši izmantoti Apollo kosmosa programmas laikā un joprojām ir pieprasīti Space Shuttle programmas ietvaros. UTC Power piedāvā arī "patērētāju patēriņa" degvielas elementus plašam transportlīdzekļu lietojumu klāstam. Viņa bija pirmā, kas izveidoja kurināmā elementu, kas ļauj saņemt strāvu negatīvās temperatūrās, izmantojot protonu apmaiņas membrānu.

Kā tas strādā

Pētnieki eksperimentēja ar dažādām vielām kā reaģentiem. Tomēr kurināmā elementu darbības pamatprincipi, neskatoties uz būtiski atšķirīgajiem darbības raksturlielumiem, paliek nemainīgi. Jebkura kurināmā šūna ir elektroķīmiskas enerģijas pārveidošanas ierīce. Tas ražo elektroenerģiju no noteikta daudzuma degvielas (anoda pusē) un oksidētāja (katoda pusē). Reakcija notiek elektrolīta klātbūtnē (viela, kas satur brīvus jonus un darbojas kā elektriski vadoša vide). Principā jebkurā šādā ierīcē tajā iekļūst noteikti reaģenti un to reakcijas produkti, kas tiek noņemti pēc elektroķīmiskās reakcijas veikšanas. Elektrolīts šajā gadījumā kalpo tikai kā vide reaģentu mijiedarbībai un nemainās degvielas šūnā. Pamatojoties uz šādu shēmu, ideālai kurināmā elementam jādarbojas tik ilgi, kamēr ir reakcijai nepieciešamo vielu padeve.

Šeit nevajadzētu jaukt kurināmā elementus ar parastajiem akumulatoriem. Pirmajā gadījumā elektroenerģijas ražošanai tiek patērēts kāds "degviela", kas vēlāk ir jāuzpilda. Galvanisko elementu gadījumā elektroenerģiju uzglabā slēgtā ķēdē. ķīmiskā sistēma. Akumulatoru gadījumā strāvas pieslēgšana ļauj notikt apgrieztai elektroķīmiskai reakcijai un atgriezt reaģentus to sākotnējā stāvoklī (t.i., uzlādēt). Iespējamas dažādas degvielas un oksidētāja kombinācijas. Piemēram, ūdeņraža degvielas šūnā kā reaģenti tiek izmantots ūdeņradis un skābeklis (oksidētājs). Bieži vien kā degvielu izmanto bikarbonātus un spirtus, un gaiss, hlors un hlora dioksīds darbojas kā oksidētāji.

Katalīzes reakcija, kas notiek kurināmā šūnā, izsit no degvielas elektronus un protonus, un veidojas kustīgie elektroni elektrība. Kurināmā elementi parasti izmanto platīnu vai tā sakausējumus kā katalizatoru, lai paātrinātu reakciju. Cits katalītiskais process atgriež elektronus, savienojot tos ar protoniem un oksidētāju, kā rezultātā veidojas reakcijas produkti (emisijas). Parasti šīs emisijas ir vienkāršas vielas: ūdens un oglekļa dioksīds.

Parastā protonu apmaiņas membrānas degvielas šūnā (PEMFC) polimēru protonu vadoša membrāna atdala anoda un katoda puses. No katoda puses ūdeņradis izkliedējas uz anoda katalizatora, kur pēc tam no tā tiek atbrīvoti elektroni un protoni. Pēc tam protoni caur membrānu nonāk katodā, un elektroni, kas nespēj sekot protoniem (membrāna ir elektriski izolēta), tiek virzīti caur ārējo slodzes ķēdi (barošanas sistēmu). Katodiskā katalizatora pusē skābeklis reaģē ar protoniem, kas izgājuši cauri membrānai, un elektroniem, kas nonāk caur ārējo slodzes ķēdi. Šīs reakcijas rezultātā tiek iegūts ūdens (tvaiku vai šķidruma veidā). Piemēram, reakcijas produkti kurināmā elementos, izmantojot ogļūdeņražu degvielu (metanolu, dīzeļdegviela) ir ūdens un oglekļa dioksīds.

Gandrīz visu veidu kurināmā elementi cieš no elektriskiem zudumiem, ko izraisa gan kurināmā elementa kontaktu un elementu dabiskā pretestība, gan elektriskā pārspriegums (sākotnējās reakcijas veikšanai nepieciešama papildu enerģija). Dažos gadījumos no šiem zaudējumiem pilnībā izvairīties nav iespējams, un dažkārt "spēle nav sveces vērta", taču visbiežāk tos var samazināt līdz pieņemamam minimumam. Šīs problēmas risinājums ir šo ierīču komplektu izmantošana, kuros kurināmā elementus atkarībā no prasībām elektroapgādes sistēmai var savienot paralēli (lielāka strāva) vai virknē (augstāks spriegums).

Kurināmā elementu veidi

Ir ļoti daudz kurināmā elementu veidu, taču mēs mēģināsim īsi pakavēties pie visizplatītākajiem no tiem.

Sārmainās degvielas šūnas (AFC)

Sārma vai sārmainās kurināmā elementi, ko britu "tēva" vārdā dēvē arī par Bekona šūnām, ir viena no visattīstītākajām kurināmā elementu tehnoloģijām. Tieši šīs ierīces palīdzēja cilvēkam spert kāju uz Mēness. Kopumā NASA ir izmantojusi šāda veida kurināmā elementus kopš 1960. gadu vidus. AFC patērē ūdeņradi un tīru skābekli, ražojot dzeramais ūdens, siltums un elektrība. Lielā mērā pateicoties tam, ka šī tehnoloģija ir labi attīstīta, tai ir viens no augstākajiem efektivitātes rādītājiem starp līdzīgām sistēmām (apmēram 70% potenciāla).

Tomēr šai tehnoloģijai ir arī savi trūkumi. Tā kā par elektrolītu tiek izmantota šķidra sārmaina viela, kas nebloķē oglekļa dioksīdu, kālija hidroksīds (viena no izmantotā elektrolīta iespējām) var reaģēt ar šo parastā gaisa komponentu. Rezultāts var būt indīgs kālija karbonāta savienojums. Lai no tā izvairītos, ir nepieciešams izmantot vai nu tīru skābekli, vai arī attīrīt gaisu no oglekļa dioksīda. Protams, tas ietekmē šādu ierīču izmaksas. Tomēr, neskatoties uz to, AFC ir lētākās šodien ražotās degvielas šūnas.

Tiešās borohidrīda kurināmā elementi (DBFC)

Šis sārmainās kurināmā elementu apakštips kā degvielu izmanto nātrija borhidrīdu. Tomēr atšķirībā no parastajiem ūdeņraža AFC, šai tehnoloģijai ir viena būtiska priekšrocība – nav riska radīt toksiskus savienojumus pēc saskares ar oglekļa dioksīdu. Taču tā reakcijas produkts ir viela boraks, ko plaši izmanto mazgāšanas līdzekļos un ziepēs. Boraks ir salīdzinoši netoksisks.

DBFC var izgatavot pat lētāk nekā tradicionālās degvielas šūnas, jo tiem nav nepieciešami dārgi platīna katalizatori. Turklāt tiem ir lielāks enerģijas blīvums. Tiek lēsts, ka kilograma nātrija borhidrīda ražošana maksā 50 dolārus, taču, ja tiek organizēta masveida ražošana un boraks tiek pārstrādāts, šo batoniņu var samazināt 50 reizes.

Metāla hidrīda kurināmā elementi (MHFC)

Šī sārmainās kurināmā elementu apakšklase pašlaik tiek aktīvi pētīta. Šo ierīču iezīme ir spēja ķīmiski uzglabāt ūdeņradi degvielas elementā. Tiešā borhidrīda kurināmā elementam ir tāda pati spēja, taču atšķirībā no tā MHFC ir piepildīts ar tīru ūdeņradi.

Šo kurināmā elementu raksturīgās īpašības ir šādas:

• spēja uzlādēt no elektroenerģijas;
• darbs zemā temperatūrā - līdz -20°C;
• ilgs glabāšanas laiks;
• ātrs "aukstais" starts;
• spēja kādu laiku strādāt bez ārēja ūdeņraža avota (degvielas nomaiņas periodā).

Neskatoties uz to, ka daudzi uzņēmumi strādā pie masveidā ražotu MHFC radīšanas, prototipu efektivitāte nav pietiekami augsta, salīdzinot ar konkurējošām tehnoloģijām. Viens no labākajiem šo kurināmā elementu strāvas blīvumiem ir 250 miliampēri uz kvadrātcentimetru, un parastie PEMFC kurināmā elementi nodrošina strāvas blīvumu 1 ampēri uz kvadrātcentimetru.

Elektrogalvaniskās degvielas šūnas (EGFC)

Ķīmiskā reakcija EGFC notiek, piedaloties kālija hidroksīdam un skābeklim. Tas rada elektrisko strāvu starp svina anodu un apzeltīto katodu. Elektrogalvaniskās degvielas šūnas izvades spriegums ir tieši proporcionāls skābekļa daudzumam. Šī funkcija ir ļāvusi plaši izmantot EGFC kā skābekļa pārbaudes ierīci akvalangā un medicīnas iekārtās. Bet tieši šīs atkarības dēļ kurināmā elementiem, kuru pamatā ir kālija hidroksīds, ir ļoti ierobežots laika periods. efektīvs darbs(kamēr skābekļa koncentrācija ir augsta).

Pirmie sertificētie EGFC skābekļa testeri kļuva plaši pieejami 2005. gadā, taču toreiz neieguva lielu popularitāti. Divus gadus vēlāk izlaists ievērojami pārveidots modelis bija daudz veiksmīgāks un pat saņēma balvu par "inovāciju" specializētajā nirēju izstādē Floridā. Pašlaik tos izmanto tādas organizācijas kā NOAA (Nacionālā okeāna un atmosfēras pārvalde) un DDRC (Niršanas slimību pētniecības centrs).

Skudrskābes tiešās degvielas šūnas (DFAFC)

Šīs kurināmā šūnas ir PEMFC tiešās skudrskābes ierīču apakštips. Pateicoties savām specifiskajām īpašībām, šīm degvielas šūnām ir liela iespēja nākotnē kļūt par galveno tādu pārnēsājamu elektronikas ierīču kā klēpjdatoriem, mobilajiem tālruņiem utt.

Tāpat kā metanols, skudrskābe tiek tieši ievadīta degvielas šūnā bez īpaša attīrīšanas posma. Šo vielu ir arī daudz drošāk uzglabāt nekā, piemēram, ūdeņradi, turklāt nav nepieciešams nodrošināt nekādus īpašus uzglabāšanas apstākļus: skudrskābe ir šķidrums normālā temperatūrā. Turklāt šai tehnoloģijai ir divas nenoliedzamas priekšrocības salīdzinājumā ar tiešo metanola kurināmā elementiem. Pirmkārt, atšķirībā no metanola, skudrskābe neiesūcas caur membrānu. Tāpēc DFAFC efektivitātei pēc definīcijas vajadzētu būt augstākai. Otrkārt, spiediena samazināšanas gadījumā skudrskābe nav tik bīstama (metanols var izraisīt aklumu, bet ar spēcīgu devu - nāvi).

Interesanti, ka vēl nesen daudzi zinātnieki neuzskatīja, ka šai tehnoloģijai būtu praktiska nākotne. Iemesls, kas daudzus gadus mudināja pētniekus izbeigt skudrskābes lietošanu, bija augsts elektroķīmiskais pārspriegums, kas izraisīja ievērojamus elektriskos zudumus. Taču neseno eksperimentu rezultāti liecina, ka šīs neefektivitātes iemesls bija platīna kā katalizatora izmantošana, ko tradicionāli šim nolūkam plaši izmanto kurināmā elementos. Pēc tam, kad Ilinoisas Universitātes zinātnieki veica vairākus eksperimentus ar citiem materiāliem, izrādījās, ka, izmantojot palādiju kā katalizatoru, DFAFC produktivitāte ir augstāka nekā līdzvērtīgu tiešo metanola kurināmā elementu produktivitāte. Šobrīd tiesības uz šo tehnoloģiju pieder amerikāņu kompānijai Tekion, kas piedāvā savu Formira Power Pack produktu līniju mikroelektroniskajām ierīcēm. Šī sistēma ir "dupleksa", kas sastāv no akumulatora un faktiskās degvielas šūnas. Kad akumulatoru uzlādējošā kasetnē ir beigušies reaģenti, lietotājs to vienkārši nomaina ar jaunu. Tādējādi tas kļūst pilnīgi neatkarīgs no "ligzdas". Saskaņā ar ražotāja solījumiem laiks starp uzlādēm dubultosies, neskatoties uz to, ka tehnoloģija maksās tikai par 10-15% vairāk nekā parastie akumulatori. Vienīgais nopietnais šķērslis šīs tehnoloģijas ceļā var būt tas, ka to atbalsta vidēja lieluma uzņēmums un to var vienkārši “pārņemt” lielāka mēroga konkurenti, kas prezentē savas tehnoloģijas, kas vairākās jomās pat var būt zemākas par DFAFC. parametrus.

Tiešās metanola degvielas šūnas (DMFC)

Šīs kurināmā šūnas ir protonu apmaiņas membrānas ierīču apakškopa. Tie izmanto metanolu, kas iepildīts degvielas šūnā bez turpmākas attīrīšanas. Tomēr metilspirtu ir daudz vieglāk uzglabāt un tas nav sprādzienbīstams (lai gan tas ir viegli uzliesmojošs un var izraisīt aklumu). Tajā pašā laikā metanola enerģijas ietilpība ir ievērojami augstāka nekā saspiestā ūdeņraža jauda.

Tomēr, ņemot vērā to, ka metanols spēj izsūkties caur membrānu, DMFC efektivitāte ar lielu degvielas daudzumu ir zema. Lai gan šī iemesla dēļ tās nav piemērotas transportēšanai un lielām instalācijām, šīs ierīces ir lieliski piemērotas mobilo ierīču akumulatoru nomaiņai.

Pārstrādātas metanola degvielas šūnas (RMFC)

Pārstrādātas metanola kurināmā šūnas atšķiras no DMFC tikai ar to, ka tās pirms elektroenerģijas ražošanas pārvērš metanolu ūdeņradi un oglekļa dioksīdā. Tas notiek īpašā ierīcē, ko sauc par degvielas procesoru. Pēc šīs sākotnējās stadijas (reakcija tiek veikta temperatūrā virs 250°C) ūdeņradim notiek oksidēšanās reakcija, kuras rezultātā veidojas ūdens un elektrība.

Metanola izmantošana RMFC ir saistīta ar to, ka tas ir dabisks ūdeņraža nesējs, un pietiekami zemā temperatūrā (salīdzinājumā ar citām vielām) tas var sadalīties ūdeņradi un oglekļa dioksīdā. Tāpēc šī tehnoloģija ir progresīvāka nekā DMFC. Apstrādātā metanola kurināmā elementi ir efektīvāki, kompaktāki un darbojas zem nulles temperatūrā.

Tiešās etanola degvielas šūnas (DEFC)

Vēl viens kurināmā elementu klases pārstāvis ar protonu apmaiņas režģi. Kā norāda nosaukums, etanols nonāk degvielas šūnā, apejot papildu attīrīšanas vai sadalīšanās posmus vienkāršākos vielās. Pirmais šo ierīču pluss ir etilspirta izmantošana toksiskā metanola vietā. Tas nozīmē, ka šīs degvielas izstrādē nav jāiegulda liela nauda.

Alkohola enerģijas blīvums ir aptuveni par 30% lielāks nekā metanolam. Turklāt lielos daudzumos to var iegūt no biomasas. Lai samazinātu etanola degvielas elementu izmaksas, notiek aktīva alternatīva katalizatora materiāla meklēšana. Platīns, ko tradicionāli izmanto kurināmā elementos šiem nolūkiem, ir pārāk dārgs un ir būtisks šķērslis šo tehnoloģiju masveida ieviešanai. Šīs problēmas risinājums var būt katalizatori, kas izgatavoti no dzelzs, vara un niķeļa maisījuma, kas demonstrē iespaidīgus rezultātus eksperimentālās sistēmās.

Cinka gaisa kurināmā elementi (ZAFC)

ZAFC izmanto cinka oksidēšanu ar skābekli no gaisa, lai ražotu elektroenerģiju. Šo kurināmā elementu ražošana ir lēta, un tie nodrošina diezgan augstu enerģijas blīvumu. Pašlaik tos izmanto dzirdes aparātos un eksperimentālajos elektromobiļos.

Anoda pusē atrodas cinka daļiņu maisījums ar elektrolītu, bet katoda pusē ūdens un skābeklis no gaisa, kas savā starpā reaģē un veido hidroksilu (tā molekula ir skābekļa atoms un ūdeņraža atoms, starp kuriem ir kovalentā saite). Hidroksila reakcijas rezultātā ar cinka maisījumu izdalās elektroni, kas nonāk katodā. Maksimālais spriegums, ko izdala šādas kurināmā šūnas, ir 1,65 V, bet, kā likums, tas tiek mākslīgi samazināts līdz 1,4–1,35 V, ierobežojot gaisa piekļuvi sistēmai. Šīs elektroķīmiskās reakcijas galaprodukti ir cinka oksīds un ūdens.

Šo tehnoloģiju iespējams izmantot gan akumulatoros (bez uzlādes), gan kurināmā elementos. Pēdējā gadījumā kameru anoda pusē notīra un atkārtoti uzpilda ar cinka pastu. Kopumā ZAFC tehnoloģija ir izrādījusies vienkāršas un uzticamas baterijas. To neapstrīdama priekšrocība ir iespēja kontrolēt reakciju, tikai regulējot gaisa padevi degvielas šūnai. Daudzi pētnieki apsver cinka-gaisa degvielas elementus kā galveno elektrisko transportlīdzekļu enerģijas avotu nākotnē.

Mikrobu degvielas šūnas (MFC)

Ideja par baktēriju izmantošanu cilvēces labā nav jauna, lai gan tikai nesen tika realizēta šīs idejas. Šobrīd aktuāls ir jautājums par biotehnoloģiju komerciālu izmantošanu dažādu produktu ražošanai (piemēram, ūdeņraža ražošanai no biomasas), neitralizāciju. kaitīgās vielas un elektroenerģijas ražošana. Mikrobu kurināmā elementi, saukti arī par bioloģiskajiem kurināmā elementiem, ir bioloģiska elektroķīmiskā sistēma, kas ģenerē elektroenerģiju, izmantojot baktērijas. Šīs tehnoloģijas pamatā ir tādu vielu kā glikoze, acetāts (etiķskābes sāls), butirāts (sviestskābes sāls) vai notekūdeņu katabolisms (sarežģītas molekulas sadalīšanās vienkāršākā, izdalot enerģiju). Pateicoties to oksidēšanai, tiek atbrīvoti elektroni, kas tiek pārnesti uz anodu, pēc kura radītā elektriskā strāva plūst caur vadītāju uz katodu.

Šādās kurināmā elementos parasti izmanto mediatorus, lai uzlabotu elektronu caurlaidību. Problēma ir tā, ka vielas, kas pilda mediatoru lomu, ir dārgas un toksiskas. Taču elektroķīmiski aktīvo baktēriju izmantošanas gadījumā mediatori nav nepieciešami. Šādas "bez raidītāja" mikrobu kurināmā šūnas sāka radīt pavisam nesen, un tāpēc nebūt ne visas to īpašības ir labi pētītas.

Neskatoties uz šķēršļiem, kas MFC vēl ir jāpārvar, šai tehnoloģijai ir milzīgs potenciāls. Pirmkārt, "degvielu" nav grūti atrast. Turklāt mūsdienās ļoti aktuāls ir jautājums par notekūdeņu attīrīšanu un daudzu atkritumu apglabāšanu. Šīs tehnoloģijas pielietošana varētu atrisināt abas šīs problēmas. Otrkārt, teorētiski tā efektivitāte var būt ļoti augsta. Galvenā problēma inženieriem mikrobu kurināmā elementi ir un faktiski šīs ierīces vissvarīgākais elements ir mikrobi. Un, kamēr mikrobiologi, kas saņem neskaitāmas pētniecības stipendijas, priecājas, arī zinātniskās fantastikas rakstnieki berzē rokas, gaidot grāmatu par nepareizo mikroorganismu “publicēšanas” sekām. Likumsakarīgi, ka pastāv risks iznest kaut ko tādu, kas "sagremotu" ne tikai nevajadzīgos atkritumus, bet arī ko vērtīgu. Tātad principā, tāpat kā jebkuras jaunas biotehnoloģijas gadījumā, cilvēki ir piesardzīgi pret ideju nēsāt kabatā ar baktērijām inficētu kastīti.

Pieteikums

Stacionāras sadzīves un rūpnieciskās elektrostacijas

Kurināmā elementi tiek plaši izmantoti kā enerģijas avoti dažādās autonomās sistēmās, piemēram, kosmosa kuģos, attālās meteoroloģiskās stacijās, militārajās iekārtās utt. Šādas barošanas sistēmas galvenā priekšrocība ir tās ārkārtīgi augstā uzticamība salīdzinājumā ar citām tehnoloģijām. Tā kā kurināmā elementos nav kustīgu daļu un jebkādu mehānismu, barošanas sistēmu uzticamība var sasniegt 99,99%. Turklāt ūdeņraža kā reaģenta izmantošanas gadījumā var sasniegt ļoti mazu svaru, kas ir viens no svarīgākajiem kritērijiem kosmosa aprīkojuma gadījumā.

Pēdējā laikā arvien izplatītākas kļūst koģenerācijas iekārtas, ko plaši izmanto dzīvojamās ēkās un birojos. Šo sistēmu īpatnība ir tāda, ka tās pastāvīgi ģenerē elektrību, kas, ja netiek patērēta uzreiz, tiek izmantota ūdens un gaisa sildīšanai. Neskatoties uz to, ka šādu iekārtu elektriskā efektivitāte ir tikai 15-20%, šo trūkumu kompensē fakts, ka neizmantotā elektroenerģija tiek izmantota siltuma ražošanai. Kopumā šādu kombinēto sistēmu energoefektivitāte ir aptuveni 80%. Viens no labākajiem šādu kurināmā elementu reaģentiem ir fosforskābe. Šīs iekārtas nodrošina 90% energoefektivitāti (35-50% elektroenerģijas un pārējo siltumenerģiju).

Transports

Energosistēmas, kuru pamatā ir kurināmā elementi, tiek plaši izmantotas arī transportā. Starp citu, vācieši bija vieni no pirmajiem, kas automašīnās uzstādīja degvielas šūnas. Tātad pasaulē pirmā komerciālā laiva, kas aprīkota ar šādu uzstādījumu, debitēja pirms astoņiem gadiem. Šis nelielais kuģis, kas nodēvēts par "Hydra" un paredzēts līdz 22 pasažieru pārvadāšanai, tika nolaists netālu no bijušās Vācijas galvaspilsētas 2000. gada jūnijā. Ūdeņradis (sārma degvielas šūna) darbojas kā enerģiju nesošs reaģents. Pateicoties sārmainu (sārmu) kurināmā elementu izmantošanai, iekārta spēj ģenerēt strāvu temperatūrā līdz -10°C un "nebaidās" no sālsūdens. "Hydra" laiva, ko darbina 5 kW elektromotors, spēj sasniegt ātrumu līdz 6 mezgliem (apmēram 12 km/h).

Laiva "Hydra"

Kurināmā elementi (īpaši ar ūdeņradi darbināmi) ir kļuvuši daudz izplatītāki sauszemes transportā. Kopumā ūdeņradis kā degvielu automašīnu dzinējiem tiek izmantots diezgan ilgu laiku, un principā parasto iekšdedzes dzinēju var viegli pārveidot, lai izmantotu šo alternatīvo degvielu. Tomēr parastā ūdeņraža sadedzināšana ir mazāk efektīva nekā elektroenerģijas ražošana ķīmiskās reakcijas rezultātā starp ūdeņradi un skābekli. Un ideālā gadījumā ūdeņradis, ja to izmantos kurināmā elementos, būs absolūti drošs dabai vai, kā saka, "videi draudzīgs", jo ķīmiskās reakcijas laikā neizdalās oglekļa dioksīds vai citas vielas, kas skar "siltumnīcu". efekts".

Tiesa, šeit, kā jau varētu gaidīt, ir vairāki lieli "bet". Fakts ir tāds, ka daudzas tehnoloģijas ūdeņraža iegūšanai no neatjaunojamiem resursiem (dabasgāze, ogles, naftas produkti) nav tik videi draudzīgas, jo to procesā izdalās liels daudzums oglekļa dioksīda. Teorētiski, ja tā iegūšanai izmantos atjaunojamos resursus, tad kaitīgo izmešu nebūs vispār. Tomēr šajā gadījumā izmaksas ievērojami palielinās. Pēc daudzu ekspertu domām, šo iemeslu dēļ ūdeņraža kā benzīna vai dabasgāzes aizstājēja potenciāls ir ļoti ierobežots. Jau tagad ir lētākas alternatīvas, un, visticamāk, kurināmā elementi periodiskās tabulas pirmajā elementā nespēs kļūt par masu parādību transportlīdzekļos.

Automobiļu ražotāji diezgan aktīvi eksperimentē ar ūdeņradi kā enerģijas avotu. Un galvenais iemesls tam ir ES diezgan stingrā nostāja attiecībā uz kaitīgajām emisijām atmosfērā. Arvien stingrāku ierobežojumu dēļ Eiropā, Daimler AG, Fiat un Ford Motor Company ir atklājuši savu redzējumu par degvielas elementu nākotni automobiļu rūpniecībā, aprīkojot savus bāzes modeļus ar līdzīgiem spēka agregātiem. Cits Eiropas auto gigants Volkswagen pašlaik gatavo savu degvielas šūnu transportlīdzekli. Japānas un Dienvidkorejas firmas neatpaliek no tām. Tomēr ne visi izvēlas šo tehnoloģiju. Daudzi cilvēki dod priekšroku iekšdedzes dzinēju pārveidošanai vai kombinēšanai ar akumulatoru darbināmiem elektromotoriem. Toyota, Mazda un BMW gāja pa šo ceļu. Runājot par amerikāņu kompānijām, papildus Ford ar savu Focus modeli General Motors prezentēja arī vairākus degvielas šūnu transportlīdzekļus. Visas šīs saistības aktīvi veicina daudzas valstis. Piemēram, Amerikas Savienotajās Valstīs ir likums, saskaņā ar kuru tirgū ienākošs jauns hibrīdauto ir atbrīvots no nodokļiem, kas var būt diezgan pieklājīgi, jo parasti šādas automašīnas ir dārgākas nekā viņu kolēģi ar tradicionālo iekšdedzes dzinēju. dzinēji. Tādējādi hibrīdi kā pirkums kļūst vēl pievilcīgāki. Taču pagaidām šis likums attiecas tikai uz modeļiem, kas nonāk tirgū līdz 60 000 automašīnu pārdošanas līmeņa sasniegšanai, pēc tam pabalsts automātiski tiek atcelts.

Elektronika

Ne tik sen degvielas šūnas sāka arvien vairāk izmantot klēpjdatoros, Mobilie tālruņi un citas mobilās elektroniskās ierīces. Iemesls tam bija strauji pieaugošā ierīču, kas paredzētas ilgam akumulatora darbības laikam, rijība. Tā kā tālruņos tiek izmantoti lieli skārienekrāni, jaudīgas audio iespējas un atbalsts Wi-Fi, Bluetooth un citiem augstfrekvences bezvadu sakaru protokoliem, ir mainījušās arī akumulatora jaudas prasības. Un, lai arī akumulatori kopš pirmo mobilo tālruņu laikiem ir nogājuši garu ceļu, ietilpības un kompaktuma ziņā (pretējā gadījumā šodien līdzjutējus stadionos ar šo ieroci ar komunikācijas funkciju nelaist), tie joprojām netiek līdzi. ne ar elektronisko shēmu miniaturizāciju, ne arī ar ražotāju vēlmi savos produktos iekļaut visu vairāk funkciju. Vēl viens būtisks pašreizējo akumulatoru trūkums ir to ilgs uzlādes laiks. Viss noved pie tā, ka jo vairāk tālrunī vai kabatas multimediju atskaņotājā ir funkcijas, kas paredzētas tā īpašnieka autonomijas palielināšanai (bezvadu internets, navigācijas sistēmas utt.), jo vairāk šī ierīce kļūst atkarīga no "ligzdas".

Nav ko teikt par klēpjdatoriem, kas ir daudz mazāki par tiem, kuru izmēri ir ierobežoti. Jau ilgāku laiku ir veidojusies niša īpaši efektīvu portatīvo datoru, kas nemaz nav paredzēti autonomai darbībai, ja neskaita šādu pārcelšanos no viena biroja uz otru. Un pat visrentablākajiem klēpjdatoru pasaules dalībniekiem ir grūti nodrošināt akumulatora darbības laiku visu dienu. Tāpēc ļoti aktuāls ir jautājums par alternatīvas atrašanu tradicionālajām baterijām, kas nebūtu dārgākas, bet arī daudz efektīvākas. Un vadošie nozares pārstāvji pēdējā laikā risina šo problēmu. Pirms neilga laika tika ieviestas komerciālās metanola degvielas šūnas, kuru masveida piegādes varēs sākt jau nākamgad.

Pētnieki kādu iemeslu dēļ izvēlējās metanolu, nevis ūdeņradi. Metanolu ir daudz vieglāk uzglabāt, jo tam nav nepieciešams augsts spiediens vai īpašs temperatūras režīms. Metilspirts ir šķidrums temperatūrā no -97,0°C līdz 64,7°C. Kurā specifiskā enerģija N-tajā metanola tilpumā ir par kārtu lielāks nekā tajā pašā ūdeņraža tilpumā augsta spiediena apstākļos. Tiešā metanola kurināmā elementu tehnoloģija, ko plaši izmanto mobilajās elektroniskajās ierīcēs, ietver metanola izmantošanu pēc vienkāršas degvielas elementa tvertnes uzpildīšanas, apejot katalītiskās konversijas procedūru (tātad nosaukums "tiešais metanols"). Tā ir arī šīs tehnoloģijas galvenā priekšrocība.

Tomēr, kā jau varēja gaidīt, visiem šiem plusiem bija savi mīnusi, kas būtiski ierobežoja tā pielietojuma apjomu. Ņemot vērā to, ka šī tehnoloģija tomēr vēl nav pilnībā izstrādāta, joprojām neatrisināta ir šādu kurināmā elementu zemās efektivitātes problēma, ko izraisa metanola "noplūde" caur membrānas materiālu. Turklāt tiem nav iespaidīgu dinamisko īpašību. Nav viegli izlemt, ko darīt ar anoda radīto oglekļa dioksīdu. Mūsdienu DMFC ierīces nespēj radīt lielu enerģiju, taču tām ir liela enerģijas ietilpība nelielam vielas tilpumam. Tas nozīmē, ka, lai gan daudz enerģijas vēl nav pieejams, tiešās metanola kurināmā šūnas var to radīt. ilgu laiku. Tas neļauj tiem atrast tiešu pielietojumu transportlīdzekļos to zemās jaudas dēļ, taču padara tos par gandrīz ideālu risinājumu mobilajām ierīcēm, kurām akumulatora darbības laiks ir kritisks.

Jaunākās tendences

Lai gan degvielas elementi transportlīdzekļiem ir ražoti jau ilgu laiku, līdz šim šie risinājumi nav kļuvuši plaši izplatīti. Tam ir daudz iemeslu. Un galvenās no tām ir ekonomiskā neizdevīgums un ražotāju nevēlēšanās uzsākt pieejamās degvielas ražošanu. Mēģinājumi uzspiest dabisko pārejas procesu uz atjaunojamiem energoresursiem, kā to varēja gaidīt, ne pie kā laba nenoveda. Protams, lauksaimniecības produktu straujā sadārdzinājuma cēlonis drīzāk slēpjas nevis tajā, ka to masveidā sākta pārveidot par biodegvielu, bet gan tajā, ka daudzas Āfrikas un Āzijas valstis nespēj saražot pietiekami daudz produkcijas. pat lai apmierinātu vietējo pieprasījumu pēc produktiem.

Acīmredzot atteikšanās no biodegvielas izmantošanas neradīs būtisku situācijas uzlabošanos pasaules pārtikas tirgū, bet, gluži otrādi, var piemeklēt Eiropas un Amerikas lauksaimniekus, kuri pirmo reizi pēc daudziem gadiem ir saņēmuši iespēja labi nopelnīt. Bet nevar norakstīt šī jautājuma ētisko aspektu, ir neglīti pildīt "maizi" tvertnēs, kad miljoniem cilvēku badā. Tāpēc jo īpaši Eiropas politiķi tagad būs vēsāka attieksme pret biotehnoloģiju, ko jau apliecina arī stratēģijas pārskatīšana pārejai uz atjaunojamiem energoresursiem.

Šajā situācijā mikroelektronikai jākļūst par visdaudzsološāko kurināmā elementu pielietojuma jomu. Šeit kurināmā elementiem ir vislielākā iespēja nostiprināties. Pirmkārt, cilvēki, kas iegādājas mobilos tālruņus, ir vairāk gatavi eksperimentēt nekā, piemēram, automašīnu pircēji. Un, otrkārt, viņi ir gatavi tērēt naudu un, kā likums, nevēlas "glābt pasauli". Tam par apstiprinājumu var kalpot iPod Nano sarkanās "Bono" versijas nepārspējamie panākumi, daļa no pārdošanas naudas nonākusi Sarkanajam Krustam.

Apple iPod Nano "Bono" versija

Starp tiem, kas ir pievērsuši uzmanību pārnēsājamās elektronikas kurināmā elementiem, kā uzņēmumi, kas iepriekš specializējās kurināmā elementu izveidē un tagad vienkārši atklāja jauna sfēra to lietojumiem un vadošajiem mikroelektronikas ražotājiem. Piemēram, nesen MTI Micro, kas ir mainījis savu biznesu, lai ražotu metanola kurināmā elementus mobilajām elektroniskajām ierīcēm, paziņoja, ka sāks masveida ražošanu 2009. gadā. Viņa arī iepazīstināja ar pasaulē pirmo metanola degvielas šūnu GPS ierīci. Pēc šī uzņēmuma pārstāvju teiktā, tuvākajā laikā tās produkti pilnībā aizstās tradicionālās litija jonu baterijas. Tiesa, sākumā tie nebūs lēti, taču šī problēma pavada jebkuru jaunu tehnoloģiju.

Tādam uzņēmumam kā Sony, kas nesen prezentēja savu ar multividi darbināmas ierīces DMFC variantu, šīs tehnoloģijas ir jaunas, taču tās nopietni vēlas nepazust daudzsološā jaunā tirgū. Savukārt Sharp gāja vēl tālāk un ar savu kurināmā elementu prototipu nesen uzstādīja pasaules rekordu īpatnējās enerģijas jaudas 0,3 vati uz metanola kubikcentimetru. Pat daudzu valstu valdības tikās ar uzņēmumiem, kas ražo šos kurināmā elementus. Tāpēc ASV, Kanādas, Lielbritānijas, Japānas un Ķīnas lidostas, neskatoties uz metanola toksicitāti un uzliesmojamību, atcēla iepriekš pastāvošos ierobežojumus tā pārvadāšanai salonā. Protams, tas ir atļauts tikai sertificētām degvielas šūnām ar maksimālo ietilpību 200 ml. Tomēr tas vēlreiz apliecina ne tikai entuziastu, bet arī valstu interesi par šīm norisēm.

Tiesa, ražotāji joprojām cenšas rīkoties droši un piedāvā degvielas elementus galvenokārt kā rezerves barošanas sistēmu. Viens no šādiem risinājumiem ir degvielas elementa un akumulatora kombinācija: kamēr ir degviela, tas nepārtraukti lādē akumulatoru, un pēc tam, kad tas ir izlādējies, lietotājs vienkārši nomaina tukšo kārtridžu pret jaunu metanola tvertni. Vēl viena populāra tendence ir kurināmā elementu lādētāju izveide. Tos var izmantot, atrodoties ceļā. Tajā pašā laikā tie var ļoti ātri uzlādēt akumulatorus. Proti, nākotnē, iespējams, katrs nēsās šādu "ligzdu" kabatā. Šī pieeja var būt īpaši svarīga mobilo tālruņu gadījumā. Savukārt portatīvie datori jau pārskatāmā nākotnē var iegūt iebūvētās degvielas šūnas, kas ja ne pilnībā aizvieto uzlādi no "rozetes", tad vismaz kļūs par nopietnu alternatīvu tai.

Tādējādi saskaņā ar Vācijas lielākās ķīmijas kompānijas BASF prognozi, kas nesen paziņoja par sava kurināmā elementu izstrādes centra būvniecības sākšanu Japānā, līdz 2010. gadam šo ierīču tirgus būs 1 miljards dolāru. Tajā pašā laikā tās analītiķi prognozē kurināmā elementu tirgus pieaugumu līdz 20 miljardiem USD līdz 2020. gadam. Starp citu, šajā centrā BASF plāno izstrādāt kurināmā elementus portatīvajai elektronikai (īpaši klēpjdatoriem) un stacionārajām enerģijas sistēmām. Vieta šim uzņēmumam netika izvēlēta nejauši - Vācijas uzņēmums uzskata vietējās firmas par galvenajiem šo tehnoloģiju pircējiem.

Secinājuma vietā

Protams, no kurināmā elementiem nevajadzētu gaidīt, ka tie kļūs par esošās elektroapgādes sistēmas aizvietotāju. Vismaz pārskatāmā nākotnē. Tas ir abpusēji griezīgs zobens: pārnēsājamās spēkstacijas noteikti ir efektīvākas, jo nav zudumu, kas saistīti ar elektroenerģijas piegādi patērētājam, taču ir arī vērts padomāt, ka tās var kļūt par nopietnu konkurentu centralizētai elektroapgādei. sistēma tikai tad, ja šīm iekārtām ir izveidota centralizēta degvielas padeves sistēma. Tas ir, "ligzda" galu galā ir jāaizstāj ar noteiktu cauruli, kas piegādā nepieciešamos reaģentus katrai mājai un katram stūrim. Un tā nav gluži brīvība un neatkarība no ārējiem strāvas avotiem, par ko runā degvielas elementu ražotāji.

Šīm ierīcēm ir nenoliedzama priekšrocība uzlādes ātruma veidā – tās vienkārši nomainīja metanola kārtridžu ( pēdējais līdzeklis, atkorķēja kamerā trofeju Džeka Daniela "s) un atkal lecot pa Luvras kāpnēm. Savukārt, ja, teiksim, parasts tālrunis uzlādēsies divu stundu laikā un būs nepieciešams uzlādēt ik pēc 2-3 dienām, tad maz ticams, ka alternatīva kārtridžu maiņas veidā, ko pārdod tikai specializētajos veikalos, pat reizi divās nedēļās būs tik pieprasīta masveida lietotājam. Un, protams, līdz šiem pāris simtiem degvielas mililitriem paslēpts drošā hermētiskā traukā, kas nonāks līdz gala patērētājam, tā cenai būs laiks būtiski celties.varēs cīnīties tikai pēc ražošanas apjomiem, bet vai šie apjomi būs pieprasīti tirgū?Un līdz optimālajam veidam tiek izvēlēta degviela, atrisināt šo problēmu būs ļoti problemātiski.

No otras puses, tradicionālās uzlādes, kurināmā elementu un citu alternatīvu energoapgādes sistēmu (piemēram, saules paneļu) kombinācija var būt risinājums enerģijas avotu dažādošanas un pārejas uz vides veidiem problēmai. Tomēr noteiktai elektronisko izstrādājumu grupai kurināmā elementus var plaši izmantot. To apliecina fakts, ka Canon nesen ir patentējis pats savus kurināmā elementus digitālajām kamerām un paziņojis par stratēģiju šo tehnoloģiju iekļaušanai savos risinājumos. Kas attiecas uz portatīvajiem datoriem, ja tuvākajā laikā kurināmā elementi tos sasniegs, tad visticamāk tikai kā rezerves barošanas sistēmu. Tagad, piemēram, mēs runājam galvenokārt par ārējiem uzlādes moduļiem, kas ir papildus savienoti ar klēpjdatoru.

Taču šīm tehnoloģijām ir milzīgas attīstības perspektīvas ilgtermiņā. Īpaši ņemot vērā naftas bada draudus, kas var rasties nākamajās desmitgadēs. Šādos apstākļos svarīgāk ir pat nevis tas, cik lēta būs kurināmā elementu ražošana, bet gan tas, cik liela būs degvielas ražošana tiem neatkarīgi no naftas ķīmijas rūpniecības un vai tā spēs segt tās nepieciešamību.

Nevienu nepārsteigs ne saules paneļi, ne vējdzirnavas, kas ražo elektroenerģiju visos pasaules reģionos. Taču šo ierīču jauda nav nemainīga un ir nepieciešams uzstādīt rezerves barošanas avotus vai pieslēgties elektrotīklam, lai saņemtu elektroenerģiju laikā, kad atjaunojamās enerģijas iekārtas neražo elektroenerģiju. Taču ir 19. gadsimtā izstrādātas rūpnīcas, kas elektroenerģijas ražošanai izmanto "alternatīvās" degvielas, t.i., nededzina gāzi vai naftas produktus. Šādas iekārtas ir kurināmā elementi.

RADĪŠANAS VĒSTURE

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

Atsauce: Ūdens elektrolīze ir ūdens sadalīšanās process elektriskās strāvas iedarbībā ūdeņraža un skābekļa molekulās.

Atvienojot akumulatoru no elektrolītiskās šūnas, viņš pārsteigts atklāja, ka elektrodi sāk absorbēt izdalīto gāzi un radīt strāvu. Ūdeņraža elektroķīmiskās "aukstās" sadegšanas procesa atklāšana ir kļuvusi par nozīmīgu notikumu enerģētikas nozarē. Vēlāk viņš izveidoja Grove akumulatoru. Šai ierīcei bija platīna elektrods, kas iegremdēts slāpekļskābē, un cinka elektrods cinka sulfātā. Tas radīja 12 ampēru strāvu un 8 voltu spriegumu. Grow pats nosauca šo būvniecību "slapjš akumulators". Pēc tam viņš izveidoja akumulatoru, izmantojot divus platīna elektrodus. Katra elektroda viens gals bija sērskābē, bet pārējie gali bija noslēgti ūdeņraža un skābekļa traukos. Starp elektrodiem bija stabila strāva, un palielinājās ūdens daudzums tvertnēs. Grow spēja sadalīt un uzlabot ūdeni šajā ierīcē.

"Grow's Battery"

(avots: Nacionālā dabas vēstures muzeja Karaliskā biedrība)

Termins "degvielas šūna" (angliski "Fuel Cell") parādījās tikai 1889. gadā L. Monds un
Ch. Langers, kurš mēģināja izveidot ierīci elektroenerģijas ražošanai no gaisa un ogļu gāzes.

KĀ TAS STRĀDĀ?

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

Ūdeņraža degvielas šūnas darbības princips

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

Normālas sadegšanas laikā skābeklī organiskā degviela tiek oksidēta, un degvielas ķīmiskā enerģija tiek pārvērsta siltumenerģijā. Apskatīsim, kas notiek, ja ūdeņradis oksidē ar skābekli elektrolīta vidē un elektrodu klātbūtnē.

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

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

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

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Var redzēt, ka iegūtā reakcija 2H 2 + O 2 → H 2 O ir tāda pati kā parastajā sadegšanā, bet kurināmā šūna ražo elektrību un nedaudz siltuma.

DEGVIELAS ŠUNU VEIDI

FC klasificē pēc reakcijā izmantotā elektrolīta veida:

Jāņem vērā, ka kurināmā elementos kā kurināmo var izmantot arī ogles, oglekļa monoksīdu, spirtus, hidrazīnu un citas organiskās vielas, bet kā oksidētājus var izmantot gaisu, ūdeņraža peroksīdu, hloru, bromu, slāpekļskābi u.c.

DEGVIELAS ŠŪNAS Efektivitāte

Kurināmā elementu iezīme ir nav stingru efektivitātes ierobežojumu kā siltuma dzinējs.

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

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

Atsauce: Endotermiskās reakcijas ir ķīmiskas reakcijas, ko pavada siltuma absorbcija. Endotermiskām reakcijām entalpijas izmaiņas un iekšējā enerģija ir pozitīvas vērtības (Δ H >0, Δ U > 0), tādējādi reakcijas produkti satur vairāk enerģijas nekā sākotnējie komponenti.

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

Atsauce: Šo ierobežojumu nosaka otrais termodinamikas likums. Siltuma pārnešanas process no "aukstā" ķermeņa uz "karstu" nav iespējams.

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

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

DEGVIELAS ŠONU PROBLĒMAS

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

Šķiet, ka degvielas šūna tika atklāta elektrolīzes rezultātā, tāpēc varat izmantot elektrolīzes rezultātā izdalīto ūdeņradi. Bet aplūkosim šo procesu tuvāk.

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

Protams, var izmantot arī ūdeņradi, kas iegūts no dabasgāzes. Šī ūdeņraža iegūšanas metode joprojām ir lētākā un populārākā. Pašlaik aptuveni 50% no pasaulē saražotā ūdeņraža tiek iegūti no dabasgāzes. Bet ir problēma ar ūdeņraža uzglabāšanu un transportēšanu. Ūdeņradim ir zems blīvums ( viens litrs ūdeņraža sver 0,0846 gramus), tādēļ, lai to transportētu lielos attālumos, tas ir jāsaspiež. Un tās ir papildu enerģijas un naudas izmaksas. Tāpat neaizmirstiet par drošību.

Taču arī šeit ir risinājums – šķidro ogļūdeņražu degvielu var izmantot kā ūdeņraža avotu. Piemēram, etilspirts vai metilspirts. Tiesa, šeit jau ir nepieciešama īpaša papildu ierīce - degvielas pārveidotājs, kas augstā temperatūrā (metanolam tas būs kaut kur ap 240 ° C) pārvērš spirtus gāzveida H 2 un CO 2 maisījumā. Bet šajā gadījumā jau ir grūtāk domāt par pārnesamību - šādas ierīces ir labi izmantot kā stacionāros vai automašīnu ģeneratorus, bet kompaktai mobilajai tehnikai nepieciešams kaut kas mazāk apjomīgs.

Katalizators

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

DEGVIELAS ŠUNU IZMANTOŠANA

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

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

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

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

Jau šobrīd tādi automašīnu ražotāji kā Honda, Ford, Nissan un Mercedes-Benz ir radījuši transportlīdzekļus, kas darbināmi ar ūdeņraža degvielas elementiem.

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

Izmantojot automašīnas ar ūdeņradi, ūdeņraža uzglabāšanas problēma tiek atrisināta. Ūdeņraža uzpildes staciju būvniecība dos iespēju uzpildīt degvielu jebkurā vietā. Turklāt automašīnas uzpildīšana ar ūdeņradi ir ātrāka nekā elektromobiļa uzlāde degvielas uzpildes stacijā. Taču, īstenojot šādus projektus, viņi saskārās ar tādu problēmu kā elektriskie transportlīdzekļi. Cilvēki ir gatavi “pārsēsties” uz ūdeņraža auto, ja viņiem ir kāda infrastruktūra. Un degvielas uzpildes staciju celtniecība sāksies, ja būs pietiekams patērētāju skaits. Tāpēc mēs atkal nonācām pie olu un vistas dilemmas.

Kurināmā elementi tiek plaši izmantoti mobilajos tālruņos un klēpjdatoros. Tie laiki, kad tālrunis tika uzlādēts reizi nedēļā, ir pagājuši. Tagad tālrunis tiek uzlādēts gandrīz katru dienu, un klēpjdators darbojas bez tīkla 3-4 stundas. Tāpēc mobilo tehnoloģiju ražotāji nolēma sintezēt degvielas šūnu ar tālruņiem un klēpjdatoriem uzlādēšanai un darbam. Piemēram, Toshiba 2003.g demonstrēja gatavo metanola degvielas šūnas prototipu. Tas nodrošina aptuveni 100 mW jaudu. Viena uzpilde ar 2 kubiņiem koncentrēta (99,5%) metanola pietiek 20 stundām MP3 atskaņotāja darbības. Atkal tā pati "Toshiba" demonstrēja 275x75x40mm klēpjdatora barošanas elementu, kas ļauj datoram no vienas uzlādes reizes strādāt 5 stundas.

Bet daži ražotāji ir gājuši tālāk. PowerTrekk ir izlaidusi Lādētājs ar tādu pašu nosaukumu. PowerTrekk ir pirmais ūdens lādētājs pasaulē. To ir ļoti viegli lietot. PowerTrekk ir jāpievieno ūdens, lai nodrošinātu tūlītēju barošanu, izmantojot USB kabeli. Šī degvielas šūna satur silīcija pulveri un nātrija silicīdu (NaSi), sajaucot ar ūdeni, šī kombinācija rada ūdeņradi. Ūdeņradis sajaucas ar gaisu pašā kurināmā elementā, un tas pārvērš ūdeņradi elektroenerģijā, izmantojot membrānas protonu apmaiņu, bez ventilatoriem vai sūkņiem. Šādu portatīvo lādētāju varat iegādāties par 149 € (

Zināšanu ekoloģija Zinātne un tehnoloģijas: Ūdeņraža enerģija ir viena no visefektīvākajām nozarēm, un kurināmā elementi ļauj tai palikt inovatīvu tehnoloģiju priekšgalā.

Degvielas šūna ir ierīce, kas elektroķīmiskas reakcijas ceļā efektīvi ģenerē līdzstrāvu un siltumu no ūdeņradi bagātas degvielas.

Degvielas šūna ir līdzīga akumulatoram ar to, ka ķīmiskās reakcijas rezultātā ģenerē līdzstrāvu. Atkal, tāpat kā akumulators, degvielas šūnā ir anode, katods un elektrolīts. Tomēr atšķirībā no akumulatoriem kurināmā elementi nevar uzglabāt elektroenerģiju, neizlādējas un nav nepieciešama elektrības uzlāde. Kurināmā elementi var nepārtraukti ražot elektroenerģiju, ja vien tiem ir degvielas un gaisa padeve. Pareizais termins, lai aprakstītu strādājošu kurināmā elementu, ir šūnu sistēma, jo, lai tā pareizi darbotos, ir nepieciešamas dažas palīgsistēmas.

Atšķirībā no citiem enerģijas ģeneratoriem, piemēram, iekšdedzes dzinējiem vai turbīnām, kas darbojas ar gāzi, oglēm, eļļu utt., kurināmā elementi nededzina degvielu. Tas nozīmē, ka nav trokšņainu rotoru augstspiediena, skaļš izplūdes troksnis, vibrācijas. Kurināmā elementi ražo elektroenerģiju, izmantojot klusu elektroķīmisku reakciju. Vēl viena kurināmā elementu iezīme ir tā, ka tie pārvērš degvielas ķīmisko enerģiju tieši elektroenerģijā, siltumā un ūdenī.

Kurināmā elementi ir ļoti efektīvi un nerada lielu daudzumu siltumnīcefekta gāzu, piemēram, oglekļa dioksīda, metāna un slāpekļa oksīda. Vienīgie kurināmā elementu darbības radītie izmeši ir ūdens tvaika veidā un neliels daudzums oglekļa dioksīda, kas vispār neizdalās, ja par degvielu izmanto tīru ūdeņradi. Degvielas šūnas tiek saliktas mezglos un pēc tam atsevišķos funkcionālajos moduļos.

Kurināmā elementu darbības princips

Kurināmā elementi ģenerē elektrību un siltumu notiekošās elektroķīmiskās reakcijas dēļ, izmantojot elektrolītu, katodu un anodu.

Anodu un katodu atdala elektrolīts, kas vada protonus. Pēc ūdeņraža nokļūšanas anodā un skābekļa nonākšanas katodā sākas ķīmiska reakcija, kuras rezultātā rodas elektriskā strāva, siltums un ūdens. Uz anoda katalizatora molekulārais ūdeņradis sadalās un zaudē elektronus. Ūdeņraža joni (protoni) tiek novadīti caur elektrolītu uz katodu, savukārt elektroni tiek izvadīti caur elektrolītu un caur ārējo elektrisko ķēdi, radot līdzstrāvu, ko var izmantot iekārtu barošanai. Katoda katalizatorā skābekļa molekula apvienojas ar elektronu (kas tiek piegādāts no ārējiem sakariem) un ienākošo protonu, un veido ūdeni, kas ir vienīgais reakcijas produkts (tvaiku un / vai šķidruma veidā).

Zemāk ir atbilstošā reakcija:

Anoda reakcija: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reakcija pie katoda: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Vispārējā elementa reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O

Degvielas šūnu veidi

Tāpat kā ir dažāda veida iekšdedzes dzinēji, ir dažādi kurināmā elementu veidi – izvēle piemērots tips degvielas šūna ir atkarīga no tās pielietojuma.Kurināmā elementi ir sadalīti augstas temperatūras un zemas temperatūras. Zemas temperatūras kurināmā elementiem kā degviela ir nepieciešams salīdzinoši tīrs ūdeņradis.

Tas bieži nozīmē, ka ir nepieciešama degvielas apstrāde, lai primāro degvielu (piemēram, dabasgāzi) pārveidotu par tīru ūdeņradi. Šis process patērē papildu enerģiju un prasa īpašu aprīkojumu. Augstas temperatūras kurināmā elementiem šī papildu procedūra nav nepieciešama, jo tie var "iekšēji pārveidot" degvielu paaugstinātā temperatūrā, kas nozīmē, ka nav jāiegulda ūdeņraža infrastruktūrā.

Degvielas elementi uz izkausēta karbonāta (MCFC).

Izkausēta karbonāta elektrolīta kurināmā elementi ir augstas temperatūras kurināmā elementi. Augsta darba temperatūra ļauj tieši izmantot dabasgāzi bez kurināmā procesora un deggāzi ar zemu siltumspēja degviela ražošanas procesiem un no citiem avotiem. Šis process tika izstrādāts 1960. gadu vidū. Kopš tā laika ir uzlabota ražošanas tehnoloģija, veiktspēja un uzticamība.

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

Karsējot līdz 650°C temperatūrai, sāļi kļūst par karbonātu jonu (CO32-) vadītāju. Šie joni pāriet no katoda uz anodu, kur tie savienojas ar ūdeņradi, veidojot ūdeni, oglekļa dioksīdu un brīvos elektronus. Šie elektroni caur ārējo elektrisko ķēdi tiek nosūtīti atpakaļ uz katodu, radot elektrisko strāvu un siltumu kā blakusproduktu.

Anoda reakcija: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Reakcija pie katoda: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Vispārējā elementa reakcija: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katods) => H2O(g) + CO2(anods)

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

Augstai reakcijas temperatūrai elektrolītā ir arī savas priekšrocības. Augstas temperatūras izmantošana prasa ievērojamu laiku, lai sasniegtu optimālos darbības apstākļus, un sistēma lēnāk reaģē uz enerģijas patēriņa izmaiņām. Šīs īpašības ļauj izmantot kurināmā elementu sistēmas ar izkausētu karbonāta elektrolītu nemainīgas jaudas apstākļos. Augsta temperatūra novērš kurināmā elementu bojājumus ar oglekļa monoksīdu, "saindēšanos" utt.

Izkausētas karbonāta degvielas šūnas ir piemērotas izmantošanai lielās stacionārās iekārtās. Rūpnieciski ražotas termoelektrostacijas ar jaudu Elektroenerģija 2,8 MW. Tiek izstrādātas stacijas ar izejas jaudu līdz 100 MW.

Kurināmā elementi, kuru pamatā ir fosforskābe (PFC).

Kurināmā elementi uz fosforskābes (ortofosforskābes) bāzes bija pirmie kurināmā elementi komerciālai lietošanai. Šis process tika izstrādāts 60. gadu vidū un ir pārbaudīts kopš 1970. gadiem. Kopš tā laika ir palielinājusies stabilitāte, veiktspēja un izmaksas.

Kurināmā elementos uz fosforskābes (ortofosforskābes) bāzes tiek izmantots elektrolīts uz ortofosforskābes (H3PO4) bāzes ar koncentrāciju līdz 100%. Fosforskābes jonu vadītspēja zemās temperatūrās ir zema, tāpēc šīs kurināmā šūnas tiek izmantotas temperatūrā līdz 150–220°C.

Uzlādes nesējs degvielas šūnās šāda veida ir ūdeņradis (H+, protons). Līdzīgs process notiek protonu apmaiņas membrānas kurināmā elementos (MEFC), kuros anodam piegādātais ūdeņradis tiek sadalīts protonos un elektronos. Protoni iziet cauri elektrolītam un savienojas ar skābekli no gaisa pie katoda, veidojot ūdeni. Elektroni tiek vadīti caur ārēju elektrisko ķēdi, un tiek ģenerēta elektriskā strāva. Tālāk ir norādītas reakcijas, kas rada elektrību un siltumu.

Anoda reakcija: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reakcija pie katoda: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Vispārējā elementa reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O

Kurināmā elementu efektivitāte uz fosforskābes (ortofosforskābes) bāzes ir vairāk nekā 40%, ģenerējot elektroenerģiju. Siltuma un elektroenerģijas kombinētajā ražošanā kopējā efektivitāte ir aptuveni 85%. Turklāt, ņemot vērā darba temperatūru, atkritumu siltumu var izmantot, lai sildītu ūdeni un radītu tvaikus atmosfēras spiedienā.

Viena no šāda veida kurināmā elementu priekšrocībām ir termoelektrostaciju augstā veiktspēja ar kurināmā elementiem, kuru pamatā ir fosforskābe (ortofosforskābe) kombinētajā siltuma un elektroenerģijas ražošanā. Iekārtās izmanto oglekļa monoksīdu aptuveni 1,5% koncentrācijā, kas ievērojami paplašina degvielas izvēli. Turklāt CO2 neietekmē elektrolītu un degvielas šūnas darbību, šāda veida šūnas darbojas ar reformētu dabisko degvielu. Vienkārša konstrukcija, zema elektrolītu nepastāvība un paaugstināta stabilitāte ir arī šāda veida degvielas elementu priekšrocības.

Rūpnieciski ražo termoelektrostacijas ar izejas elektrisko jaudu līdz 400 kW. 11 MW iekārtas ir izturējušas atbilstošos testus. Tiek izstrādātas stacijas ar izejas jaudu līdz 100 MW.

Kurināmā elementi ar protonu apmaiņas membrānu (PME)

Visvairāk tiek uzskatīti kurināmā elementi ar protonu apmaiņas membrānu labākais veids kurināmā elementi, lai radītu transportlīdzekļa jaudu, kas var aizstāt benzīna un dīzeļa iekšdedzes dzinējus. Šīs degvielas šūnas pirmo reizi izmantoja NASA Gemini programmai. Mūsdienās tiek izstrādātas un demonstrētas MOPFC iekārtas ar jaudu no 1 W līdz 2 kW.

Šajās kurināmā šūnās kā elektrolīts tiek izmantota cieta polimēra membrāna (plāna plastmasas plēve). Piesūcinot ar ūdeni, šis polimērs izlaiž protonus, bet nevada elektronus.

Degviela ir ūdeņradis, un lādiņa nesējs ir ūdeņraža jons (protons). Pie anoda ūdeņraža molekula tiek sadalīta ūdeņraža jonos (protonos) un elektronos. Ūdeņraža joni caur elektrolītu nonāk katodā, bet elektroni pārvietojas pa ārējo apli un ražo elektrisko enerģiju. Skābeklis, kas tiek ņemts no gaisa, tiek padots uz katodu un savienojas ar elektroniem un ūdeņraža joniem, veidojot ūdeni. Uz elektrodiem notiek šādas reakcijas:

Anoda reakcija: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reakcija pie katoda: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Vispārējā elementa reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O

Salīdzinot ar citiem kurināmā elementu veidiem, protonu apmaiņas membrānas kurināmā elementi rada lielāku jaudu konkrētam kurināmā elementa tilpumam vai svaram. Šī funkcija ļauj tiem būt kompaktiem un viegliem. Turklāt darba temperatūra ir mazāka par 100°C, kas ļauj ātri uzsākt darbību. Šīs īpašības, kā arī spēja ātri mainīt enerģijas izvadi, ir tikai dažas no funkcijām, kas padara šīs degvielas šūnas par galveno kandidātu izmantošanai transportlīdzekļos.

Vēl viena priekšrocība ir tā, ka elektrolīts ir cieta, nevis šķidra viela. Gāzu noturēšana pie katoda un anoda ir vienkāršāka ar cietu elektrolītu, tāpēc šādu kurināmā elementu ražošana ir lētāka. Salīdzinot ar citiem elektrolītiem, cieta elektrolīta izmantošana nerada tādas problēmas kā orientācija, ir mazāk problēmu korozijas rašanās dēļ, kas noved pie ilgākas šūnas un tās sastāvdaļu izturības.

Cietā oksīda degvielas šūnas (SOFC)

Cietā oksīda kurināmā elementi ir kurināmā elementi ar augstāko darba temperatūru. Darba temperatūra var svārstīties no 600°C līdz 1000°C, kas ļauj izmantot dažāda veida degvielu bez īpašas pirmapstrādes. Lai izturētu šīs augstās temperatūras, izmantotais elektrolīts ir plāns ciets metāla oksīds uz keramikas bāzes, bieži itrija un cirkonija sakausējums, kas ir skābekļa (O2-) jonu vadītājs. Cietā oksīda kurināmā elementu izmantošanas tehnoloģija ir attīstījusies kopš pagājušā gadsimta piecdesmito gadu beigām. un tam ir divas konfigurācijas: plakana un cauruļveida.

Ciets elektrolīts nodrošina hermētisku gāzes pāreju no viena elektroda uz otru, savukārt šķidrie elektrolīti atrodas porainā substrātā. Lādiņa nesējs šāda veida kurināmā elementos ir skābekļa jons (О2-). Katodā skābekļa molekulas tiek atdalītas no gaisa skābekļa jonā un četros elektronos. Skābekļa joni iziet cauri elektrolītam un savienojas ar ūdeņradi, veidojot četrus brīvus elektronus. Elektroni tiek virzīti caur ārēju elektrisko ķēdi, radot elektrisko strāvu un atkritumu siltumu.

Anoda reakcija: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Reakcija pie katoda: O2 + 4e- => 2O2-
Vispārējā elementa reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O

Saražotās elektroenerģijas lietderības koeficients ir visaugstākais no visiem kurināmā elementiem - aptuveni 60%. Turklāt augstā darba temperatūra ļauj kombinēt siltuma un elektroenerģijas ražošanu, lai radītu augstspiediena tvaiku. Apvienojot augstas temperatūras kurināmā elementu ar turbīnu, tiek izveidota hibrīda degvielas šūna, kas palielina elektroenerģijas ražošanas efektivitāti līdz pat 70%.

Cietā oksīda kurināmā elementi darbojas ļoti augstā temperatūrā (600°C-1000°C), kā rezultātā ir nepieciešams ilgs laiks, lai sasniegtu optimālos darbības apstākļus, un sistēma lēnāk reaģē uz enerģijas patēriņa izmaiņām. Pie tik augstām darba temperatūrām nav nepieciešams pārveidotājs, lai atgūtu ūdeņradi no kurināmā, ļaujot termoelektrostacijai darboties ar salīdzinoši netīru kurināmo no ogļu gazifikācijas vai izplūdes gāzēm un tamlīdzīgi. Turklāt šī kurināmā šūna ir lieliski piemērota lieljaudas lietojumiem, tostarp rūpnieciskām un lielām centrālajām elektrostacijām. Rūpnieciski ražoti moduļi ar izejas elektrisko jaudu 100 kW.

Kurināmā elementi ar tiešu metanola oksidēšanu (DOMTE)

Kurināmā elementu izmantošanas tehnoloģija ar tiešu metanola oksidēšanu tiek aktīvi attīstīta. Tas ir veiksmīgi nostiprinājies mobilo tālruņu, klēpjdatoru barošanas jomā, kā arī portatīvo barošanas avotu radīšanā. uz ko ir vērsta šo elementu izmantošana nākotnē.

Kurināmā elementu struktūra ar tiešu metanola oksidāciju ir līdzīga kurināmā elementiem ar protonu apmaiņas membrānu (MOFEC), t.i. polimēru izmanto kā elektrolītu, bet ūdeņraža jonu (protonu) izmanto kā lādiņa nesēju. Taču šķidrais metanols (CH3OH) tiek oksidēts ūdens klātbūtnē pie anoda, izdalot CO2, ūdeņraža jonus un elektronus, kas tiek vadīti caur ārēju elektrisko ķēdi, un tiek ģenerēta elektriskā strāva. Ūdeņraža joni iziet cauri elektrolītam un reaģē ar skābekli no gaisa un elektroniem no ārējās ķēdes, veidojot ūdeni pie anoda.

Anoda reakcija: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Reakcija pie katoda: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Vispārējā elementa reakcija: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

Šo kurināmā elementu izstrāde sākās 90. gadu sākumā. Pēc uzlabotu katalizatoru un citu jaunāko inovāciju izstrādes jaudas blīvums un efektivitāte ir palielināta līdz 40%.

Šie elementi tika pārbaudīti temperatūras diapazonā no 50-120°C. Ar zemu darba temperatūru un nav nepieciešams pārveidotājs, tiešās metanola kurināmā elementi ir vislabākie kandidāti lietojumiem, sākot no mobilajiem tālruņiem un citiem patēriņa produktiem līdz automobiļu dzinējiem. Šāda veida kurināmā elementu priekšrocība ir to mazie izmēri šķidrās degvielas izmantošanas dēļ un tas, ka nav nepieciešams izmantot pārveidotāju.

Sārmainās degvielas šūnas (AFC)

Sārmainās kurināmā elementi (ALFC) ir viena no visvairāk pētītajām tehnoloģijām, un to izmanto kopš 1960. gadu vidus. NASA Apollo un Space Shuttle programmās. Uz šiem kosmosa kuģiem kurināmā elementi ražo elektrību un dzeramo ūdeni. Sārma kurināmā elementi ir viens no visefektīvākajiem elementiem, ko izmanto elektroenerģijas ražošanā, un elektroenerģijas ražošanas efektivitāte sasniedz pat 70%.

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

Anoda reakcija: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reakcija pie katoda: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Sistēmas vispārējā reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O

SFC priekšrocība ir tā, ka šīs kurināmā elementi ir lētākie ražošanā, jo uz elektrodiem nepieciešamais katalizators var būt jebkura no vielām, kas ir lētākas nekā tās, ko izmanto kā katalizatorus citiem kurināmā elementiem. Turklāt SCFC darbojas salīdzinoši zemā temperatūrā un ir vieni no efektīvākajiem kurināmā elementiem – šādi raksturlielumi attiecīgi var veicināt ātrāku elektroenerģijas ražošanu un augstu degvielas efektivitāti.

Viens no raksturīgās iezīmes SHTE - augsta jutība pret CO2, ko var saturēt degvielā vai gaisā. CO2 reaģē ar elektrolītu, ātri to saindē un ievērojami samazina degvielas šūnas efektivitāti. Tāpēc SFC izmantošana ir ierobežota slēgtās telpās, piemēram, kosmosa un zemūdens transportlīdzekļos, tiem jādarbojas ar tīru ūdeņradi un skābekli. Turklāt tādas molekulas kā CO, H2O un CH4, kas ir drošas citām kurināmā elementiem un pat degviela dažām no tām, kaitē SFC.

Polimēru elektrolītu degvielas šūnas (PETE)

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

Cietās skābes kurināmā elementi (SCFC)

Cietās skābes kurināmā elementos elektrolīts (CsHSO4) nesatur ūdeni. Tāpēc darba temperatūra ir 100-300°C. SO42-oksi anjonu rotācija ļauj protoniem (sarkanajiem) pārvietoties, kā parādīts attēlā.

Parasti cietās skābes kurināmā šūna ir sviestmaize, kurā ļoti plāns cietā skābes savienojuma slānis ir iestiprināts starp diviem cieši saspiestiem elektrodiem, lai nodrošinātu labu kontaktu. Sildot, organiskā sastāvdaļa iztvaiko, izejot caur porām elektrodos, saglabājot daudzu kontaktu spēju starp degvielu (vai skābekli šūnu otrā galā), elektrolītu un elektrodiem.publicēts.

Degvielas šūnas tips	Darba temperatūra	Enerģijas ražošanas efektivitāte	Degvielas veids	Pielietojuma zona
RKTE	550–700°C	50-70%		Vidējas un lielas instalācijas
FKTE	100–220°C	35-40%	tīrs ūdeņradis	Lielas instalācijas
MOPTE	30-100°C	35-50%	tīrs ūdeņradis	Mazas instalācijas
SOFC	450–1000°C	45-70%	Lielākā daļa ogļūdeņražu degvielas	Mazas, vidējas un lielas instalācijas
POMTE	20-90°C	20-30%	metanols	Pārnēsājamas vienības
SHTE	50-200°C	40-65%	tīrs ūdeņradis	kosmosa izpēte
PĪTS	30-100°C	35-50%	tīrs ūdeņradis	Mazas instalācijas

Pievienojieties mums plkst

Neilgi pēc sava ceļojuma sākuma Alojs paklups uz Forerunner bunkuru, kas atrodas tieši ārpus Noras cilts zemēm. Bunkura iekšpusē aiz jaudīgām durvīm ir kaut kādas bruņas, kas no tālienes izskatās ļoti pievilcīgas.

telegrāfs

čivināt

Neilgi pēc sava ceļojuma sākuma Alojs paklups uz Forerunner bunkuru, kas atrodas tieši ārpus Noras cilts zemēm. Bunkura iekšpusē aiz jaudīgām durvīm ir kaut kādas bruņas, kas no tālienes izskatās ļoti pievilcīgas.

Šis ir Shield Weaver, patiesībā - labākais aprīkojums spēlē. Kā pie tā tikt? Lai atvērtu hermētiskās bunkura durvis un iegūtu Shield Weaver, jums būs jāatrod piecas degvielas šūnas, kas izkaisītas visā spēļu pasaulē.

Tālāk mēs jums parādīsim, kur meklēt kurināmā elementus un kā atrisināt mīklas, meklējot un Senajā ieroču kolekcijā.

Kurināmā šūna Nr. 1 — Mātes sirds (Mātes dzemdes meklējumi)

Aloy atradīs pirmo kurināmā elementu pat pirms tā būs pilnībā piepildīta atvērta pasaule. Pēc iesvētīšanas mūsu varone nonāks Mātes Sirdī, Noras cilts svētajā vietā un Matriarhu mājvietā.

Izkāpjot no gultas, Alojs secīgi izies cauri vairākām istabām un vienā no tām uzdursies aizzīmogotām durvīm, kuras nevar atvērt. Paskaties apkārt – blakus būs ventilācijas šahta, kas rotāta ar degošām svecēm. tu tur.

Izejot cauri raktuvēm, jūs atradīsities aiz aizslēgtām durvīm. Paskatieties uz grīdu blakus svecēm un noslēpumainajam sienas blokam - šeit ir degvielas šūna.

Svarīgs: Ja nepaņemsiet šo degvielas elementu tagad, šajā vietā varēsiet nokļūt tikai vēlākos spēles posmos pēc "Heart of the Burrow" uzdevuma izpildes.

2. degvielas šūna — drupas

Alojs jau iepriekš bija bijis šajās drupās – viņa te bija nokritusi bērnībā. Izejot Iesvētību, ir vērts atcerēties bērnību un atgriezties šeit vēlreiz – uzņemt otro degvielas elementu.

Ieeja drupās izskatās šādi, leciet drosmīgi.

Jums ir nepieciešams pirmais drupu līmenis, apakšējā labajā apgabalā, kas kartē iezīmēts purpursarkanā krāsā. Šeit ir durvis, kuras Alojs atvērs ar savu šķēpu.

Izgājusi pa durvīm, uzkāp pa kāpnēm un pagriezies pa labi – Alojs jaunībā nevarēja kāpt pa šiem stalaktītiem, bet tagad viņai ir strīds. Atkal izņem šķēpu un salauž stalaktītus - ceļš brīvs, atliek paņemt uz galda guļošo degvielas elementu.

3. degvielas šūna — Master's Limit (Master's Limit Quest)

Mēs ejam uz ziemeļiem. Stāsta meklējumos Master's Reach Alojs pēta milzīgās Forerunner drupas. Drupu divpadsmitajā līmenī ir paslēpta vēl viena degvielas šūna.

Nepieciešams ne tikai uzkāpt uz drupu augšējo līmeni, bet arī uzkāpt nedaudz augstāk. Uzkāpiet pa izdzīvojušo ēkas daļu, līdz atrodaties uz nelielas platformas, kas ir atvērta visiem vējiem.

Šeit atrodas trešā degvielas šūna. Atliek nolaisties.

Degvielas šūna Nr. 4 — Nāves dārgumi (uzdevums Nāves dārgumi)

Šis degvielas elements ir paslēpts arī kartes ziemeļu daļā, taču tas atrodas daudz tuvāk Noras cilts zemēm. Alojs šeit nokļūs arī stāsta misijas laikā.

Lai nokļūtu elementā, Alojam ir jāatjauno strāvas padeve noslēgtajām durvīm, kas atrodas vietas trešajā līmenī.

Lai to izdarītu, jums jāatrisina neliela mīkla - līmenī zem durvīm ir divi četru regulatoru bloki.

Pirmkārt, tiksim galā ar regulatoru kreiso bloku. Pirmajai pogai vajadzētu "skatīties" uz augšu, otrai "pa labi", trešajai "pa kreisi", ceturtajai "uz leju".

Mēs ejam uz labo bloku. Pirmajiem diviem regulatoriem nepieskarieties, trešajam un ceturtajam regulatoram vajadzētu skatīties "uz leju".

Mēs paceļamies vienu līmeni uz augšu - šeit ir pēdējais regulatoru bloks. Pareizā secība ir: uz augšu, uz leju, pa kreisi, pa labi.

Ja jūs darāt visu pareizi, visas vadības ierīces mainīs krāsu uz tirkīza krāsu, strāvas padeve tiek atjaunota. Kāpt atpakaļ pie durvīm un atvērt tās — tā ir vēl viena degvielas šūna.

Fuel Cell #5 — GAIA Prime (kvests Fallen Mountain)

Visbeidzot, pēdējā degvielas šūna - un atkal par sižeta uzdevumu. Alojs dodas uz GAEA Prime drupām.

Esiet īpaši uzmanīgs, kad sasniedzat trešo līmeni. Kādā brīdī Ala priekšā būs pievilcīgs bezdibenis, kurā varēsi nokāpt pa virvi - tu ej tur nav vajadzības.

Labāk pagriezties pa kreisi un izpētīt apslēpto alu, tajā var iekļūt, ja uzmanīgi nokāpjat kalna nogāzē.

Nāc iekšā un ej uz priekšu līdz pašām beigām. Pēdējā istabā labajā pusē būs plaukts ar pēdējo degvielas šūnu. Tu to izdarīji!

Dodamies uz seno arsenālu

Atliek atgriezties Senajā arsenālā un saņemt pelnītu atlīdzību. Vai atceries arsenāla koordinātas? Ja nē, šeit ir karte.

Kāpjiet lejā un ievietojiet kurināmā elementus tukšās šūnās. Regulatori deg, tagad jāatrisina mīkla, lai atvērtu durvis.

Pirmajai pogai jāskatās uz augšu, otrai pa labi, trešajai uz leju, ceturtajai pa kreisi, piektajai uz augšu. Gatavs, durvis ir vaļā – bet tas vēl nav beidzies.

Tagad jums ir jāatslēdz bruņu stiprinājumi, vēl viena regulatora mīkla, kur noderēs atlikušās degvielas šūnas. Šeit pirmajai pogai jāskatās pa labi, otrajai pa kreisi, trešajai uz augšu, ceturtajai pa labi, piektajai pa kreisi.

Beidzot pēc visām šīm mokām tu esi pārņēmis senās bruņas. Šis ir Shield Weaver — ļoti foršs aprīkojums, kas kādu laiku padara Aloju praktiski neievainojamu.

Galvenais ir rūpīgi uzraudzīt bruņu krāsu: ja tās mirgo baltā krāsā, tad viss ir kārtībā. Ja sarkans, tad vairs nav aizsardzības.

Tos vada ASV Nacionālās aeronautikas un kosmosa administrācijas (NASA) kosmosa kuģi. Tie nodrošina enerģiju Pirmās Nacionālās bankas datoriem Omaha. Tos izmanto dažos sabiedriskajos pilsētas autobusos Čikāgā.

Tās visas ir degvielas šūnas. Kurināmā elementi ir elektroķīmiskas ierīces, kas ģenerē elektrību bez sadegšanas procesa – ar ķīmiskiem līdzekļiem, līdzīgi kā baterijas. Vienīgā atšķirība ir tā, ka tās izmanto atšķirīgi ķīmiskās vielas, ūdeņradis un skābeklis, un ķīmiskās reakcijas produkts ir ūdens. Var izmantot arī dabasgāzi, bet, protams, lietojot ogļūdeņražu degvielu, no noteikta oglekļa dioksīda emisiju līmeņa nav iespējams izvairīties.

Tā kā kurināmā elementi var darboties ar augstu efektivitāti un bez kaitīgām emisijām, tiem ir liels solījums kā ilgtspējīgam enerģijas avotam, kas palīdzēs samazināt siltumnīcefekta gāzu un citu piesārņotāju emisijas. Galvenais šķērslis kurināmā elementu plašai izmantošanai ir to augstās izmaksas salīdzinājumā ar citām ierīcēm, kas ražo elektroenerģiju vai darbina transportlīdzekļus.

Attīstības vēsture

Pirmos kurināmā elementus 1839. gadā demonstrēja sers Viljams Grovs. Grovs parādīja, ka elektrolīzes process – ūdens sadalīšana ūdeņradī un skābeklī elektriskās strāvas iedarbībā – ir atgriezenisks. Tas ir, ūdeņradi un skābekli var ķīmiski apvienot, veidojot elektrību.

Pēc tam, kad tas tika pierādīts, daudzi zinātnieki steidzās rūpīgi pētīt kurināmā elementus, taču iekšdedzes dzinēja izgudrošana un naftas rezervju ieguves infrastruktūras attīstība deviņpadsmitā gadsimta otrajā pusē kurināmā elementu attīstību atstāja tālu aiz muguras. Vēl vairāk ierobežoja kurināmā elementu attīstību, to augstās izmaksas.

Kurināmā elementu attīstības uzplaukums notika 1950. gados, kad NASA vērsās pie viņiem saistībā ar nepieciešamību pēc kompakta elektriskā ģeneratora lidojumiem kosmosā. Tika ieguldīti atbilstoši līdzekļi, un rezultātā tika veikti Apollo un Gemini lidojumi ar degvielas šūnām. Kosmosa kuģi darbojas arī ar degvielas elementiem.

Kurināmā elementi joprojām lielākoties ir eksperimentāla tehnoloģija, taču vairāki uzņēmumi jau tos pārdod komerciālajā tirgū. Pēdējos gandrīz desmit gados vien komerciālajā kurināmā elementu tehnoloģijā ir panākts ievērojams progress.

Kā darbojas degvielas šūna

Kurināmā elementi ir kā akumulatori – ķīmiskās reakcijas rezultātā tie ģenerē elektrību. Turpretim iekšdedzes dzinēji sadedzina degvielu un tādējādi rada siltumu, kas pēc tam tiek pārvērsts mehāniskajā enerģijā. Ja vien izplūdes gāzu siltums netiek kaut kādā veidā izmantots (piemēram, apkurei vai gaisa kondicionēšanai), tad var teikt, ka iekšdedzes dzinēja efektivitāte ir diezgan zema. Piemēram, ir sagaidāms, ka degvielas elementu efektivitāte, kad tās tiek izmantotas transportlīdzeklī - projekts pašlaik tiek izstrādāts - būs vairāk nekā divas reizes efektīvāks nekā mūsdienu tipiski benzīna dzinēji, ko izmanto automašīnās.

Lai gan gan akumulatori, gan kurināmā elementi ģenerē elektroenerģiju ķīmiski, tie veic divas ļoti atšķirīgas funkcijas. Baterijas ir uzkrātas enerģijas ierīces: to radītā elektrība ir tajos jau esošās vielas ķīmiskās reakcijas rezultāts. Kurināmā elementi neuzglabā enerģiju, bet pārvērš daļu enerģijas no ārēji piegādātas degvielas elektroenerģijā. Šajā ziņā kurināmā elementi vairāk atgādina parasto spēkstaciju.

Ir vairāki dažādi kurināmā elementu veidi. Vienkāršākā degvielas šūna sastāv no īpašas membrānas, kas pazīstama kā elektrolīts. Pulverveida elektrodi tiek uzklāti abās membrānas pusēs. Šis dizains - elektrolīts, ko ieskauj divi elektrodi - ir atsevišķs elements. Ūdeņradis plūst uz vienu pusi (anods) un skābeklis (gaiss) uz otru (katods). Katram elektrodam ir atšķirīga ķīmiskā reakcija.

Pie anoda ūdeņradis sadalās protonu un elektronu maisījumā. Dažos kurināmā elementos elektrodus ieskauj katalizators, kas parasti ir izgatavots no platīna vai citiem cēlmetāliem, kas veicina disociācijas reakciju:

2H2 ==> 4H+ + 4e-.

H2 = diatomiskā ūdeņraža molekula, forma, iekšā

kurā ūdeņradis atrodas kā gāze;

H+ = jonizēts ūdeņradis, t.i. protonu;

e- = elektrons.

Kurināmā elementa darbības pamatā ir fakts, ka elektrolīts izlaiž protonus caur sevi (pret katodu), bet elektroni to nedara. Elektroni virzās uz katodu pa ārējo vadošo ķēdi. Šī elektronu kustība ir elektriskā strāva, ko var izmantot, lai darbinātu ārēju ierīci, kas savienota ar degvielas elementu, piemēram, elektromotoru vai spuldzi. Šo ierīci parasti sauc par "slodzes".

Kurināmā elementa katoda pusē protoni (kas ir izgājuši cauri elektrolītam) un elektroni (kas ir izgājuši cauri ārējai slodzei) "rekombinējas" un reaģē ar katodam piegādāto skābekli, veidojot ūdeni, H2O:

4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O.

Kopējā reakcija kurināmā elementā ir uzrakstīta šādi:

2H2 + O2 ==> 2H2O.

Kurināmā elementi savā darbā izmanto ūdeņraža degvielu un skābekli no gaisa. Ūdeņradi var piegādāt tieši vai atdalot to no ārēja degvielas avota, piemēram, dabasgāzes, benzīna vai metanola. Ārēja avota gadījumā tas ir ķīmiski jāpārveido, lai iegūtu ūdeņradi. Šo procesu sauc par "reformēšanu". Ūdeņradi var iegūt arī no amonjaka, alternatīviem avotiem, piemēram, gāzes no pilsētu poligoniem un notekūdeņu attīrīšanas iekārtām, un ūdens elektrolīzes, kas izmanto elektrību, lai ūdeni sadalītu ūdeņradi un skābekli. Pašlaik lielākā daļa kurināmā elementu tehnoloģiju, ko izmanto transportā, izmanto metanolu.

Ir izstrādāti dažādi līdzekļi degvielas reformēšanai, lai ražotu ūdeņradi kurināmā elementiem. ASV Enerģētikas departaments ir izstrādājis degvielas rūpnīcu benzīna reformatorā, lai piegādātu ūdeņradi autonomai degvielas šūnai. Pētnieki Klusā okeāna ziemeļrietumu nacionālajā laboratorijā (ASV) ir pierādījuši kompaktu degvielas pārveidotāju, kas ir viena desmitā daļa no jaudas bloka izmēra. ASV uzņēmums Northwest Power Systems un Sandia National Laboratory ir demonstrējuši degvielas reformētāju, kas pārvērš dīzeļdegvielu par ūdeņradi kurināmā elementiem.

Atsevišķi kurināmā elementi ražo apmēram 0,7–1,0 voltus. Lai palielinātu spriegumu, elementi tiek salikti "kaskādē", t.i. seriālais savienojums. Lai radītu lielāku strāvu, kaskādes elementu komplekti ir savienoti paralēli. Ja jūs apvienojat kurināmā elementu kaskādes ar degvielas iekārtu, gaisa padeves un dzesēšanas sistēmu un vadības sistēmu, jūs iegūsit degvielas šūnu dzinēju. Šis dzinējs var darbināt transportlīdzekli, stacionāru spēkstaciju vai pārnēsājamu elektrisko ģeneratoru6. Degvielas šūnu dzinējiem ir dažādi izmēri atkarībā no pielietojuma, kurināmā elementa veida un izmantotās degvielas. Piemēram, katra no četrām atsevišķām 200 kW stacionārajām elektrostacijām, kas uzstādītas bankā Omaha, ir aptuveni kravas automašīnas piekabes izmērā.

Lietojumprogrammas

Degvielas šūnas var izmantot gan stacionārajās, gan mobilajās ierīcēs. Reaģējot uz stingrākiem ASV emisiju noteikumiem, autoražotāji, tostarp DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda un Nissan, ir eksperimentējuši un demonstrējuši degvielas šūnu transportlīdzekļus. Paredzams, ka pirmie komerciālie degvielas šūnu transportlīdzekļi uz ceļiem izbrauks 2004. vai 2005. gadā.

Pagrieziena punkts kurināmā elementu tehnoloģiju vēsturē bija Ballard Power System eksperimentālā 32 pēdu pilsētas autobusa ar 90 kilovatu ūdeņraža degvielas šūnu dzinēju demonstrācija 1993. gada jūnijā. Kopš tā laika daudzi dažādi veidi un dažādu paaudžu kurināmā elementu pasažieru transportlīdzekļi, kurus darbina ar dažādi veidi degviela. Kopš 1996. gada beigām Palmu tuksnesī Kalifornijā tiek izmantoti trīs ar ūdeņraža degvielas elementu darbināmi golfa rati. Uz Čikāgas ceļiem, Ilinoisas štatā; Vankūvera, Britu Kolumbija; un Oslo, Norvēģija, testē degvielas šūnu pilsētas autobusus. Londonas ielās tiek izmēģināti sārma degvielas elementu taksometri.

Tiek demonstrētas arī stacionāras iekārtas, kurās izmanto kurināmā elementu tehnoloģiju, taču tās vēl netiek plaši izmantotas komerciāli. Pirmā Omahas Nacionālā banka Nebraskā izmanto kurināmā elementu sistēmu, lai darbinātu datorus, jo sistēma ir uzticamāka nekā vecā tīkla sistēma ar akumulatoru rezerves daļu. Pasaulē lielākā komerciālā 1,2 MW degvielas šūnu sistēma drīzumā tiks uzstādīta pasta centrā Aļaskā. Tiek testēti un demonstrēti arī degvielas šūnu portatīvie datori, notekūdeņu attīrīšanas iekārtās izmantotās vadības sistēmas un tirdzniecības automāti.

"Plusi un mīnusi"

Kurināmā elementiem ir vairākas priekšrocības. Kamēr mūsdienu iekšdedzes dzinēju efektivitāte ir tikai 12-15%, degvielas šūnām šis koeficients ir 50%. Kurināmā elementu efektivitāte var saglabāties diezgan augsts līmenis, pat ja tie netiek izmantoti ar pilnu nominālo jaudu, kas ir liela priekšrocība salīdzinājumā ar benzīna dzinējiem.

Kurināmā elementu konstrukcijas modulārais raksturs nozīmē, ka kurināmā elementu spēkstacijas jaudu var palielināt, vienkārši pievienojot vēl dažus posmus. Tas nodrošina, ka jaudas nepietiekamas izmantošanas faktors tiek samazināts līdz minimumam, ļaujot labāk saskaņot piedāvājumu un pieprasījumu. Tā kā kurināmā elementu kaudzes efektivitāti nosaka atsevišķu elementu veiktspēja, mazās kurināmā elementu spēkstacijas darbojas tikpat efektīvi kā lielās. Turklāt stacionāro kurināmā elementu sistēmu siltuma pārpalikumu var izmantot ūdens un telpu apkurei, vēl vairāk palielinot energoefektivitāti.

Lietojot kurināmā elementus, kaitīgo izmešu praktiski nav. Kad dzinējs darbojas ar tīru ūdeņradi, kā blakusprodukti veidojas tikai siltums un tīri ūdens tvaiki. Tātad kosmosa kuģos astronauti dzer ūdeni, kas veidojas borta kurināmā elementu darbības rezultātā. Emisiju sastāvs ir atkarīgs no ūdeņraža avota veida. Metanola izmantošana rada nulles slāpekļa oksīdu un oglekļa monoksīda emisijas un tikai nelielas ogļūdeņražu emisijas. Emisijas palielinās, pārejot no ūdeņraža uz metanolu uz benzīnu, lai gan pat ar benzīnu emisijas saglabāsies diezgan zemas. Jebkurā gadījumā mūsdienu tradicionālo iekšdedzes dzinēju aizstāšana ar kurināmā elementiem radītu kopējo CO2 un NOx emisiju samazinājumu.

Kurināmā elementu izmantošana nodrošina enerģētikas infrastruktūras elastību, radot papildu iespējas decentralizētai elektroenerģijas ražošanai. Decentralizēto enerģijas avotu daudzveidība ļauj samazināt pārvades zudumus un attīstīt enerģijas pārdošanas tirgus (kas ir īpaši svarīgi attāliem un lauku apvidiem, kur nav piekļuves elektrolīnijām). Ar kurināmā elementu palīdzību atsevišķi iedzīvotāji vai mikrorajoni var nodrošināt sev lielāko daļu elektroenerģijas un tādējādi būtiski palielināt tās izmantošanas efektivitāti.

Kurināmā elementi piedāvā augstas kvalitātes enerģiju un lielāku uzticamību. Tie ir izturīgi, tiem nav kustīgu daļu, un tie rada nemainīgu jaudu.

Tomēr kurināmā elementu tehnoloģija ir jāturpina uzlabot, lai uzlabotu veiktspēju, samazinātu izmaksas un tādējādi padarītu kurināmā elementus konkurētspējīgus ar citām enerģijas tehnoloģijām. Jāņem vērā, ka, ņemot vērā energotehnoloģiju izmaksu raksturlielumus, salīdzinājumi jāveic, pamatojoties uz visām tehnoloģisko raksturlielumu sastāvdaļām, tostarp kapitāla ekspluatācijas izmaksām, piesārņotāju emisijām, enerģijas kvalitāti, ilgmūžību, ekspluatācijas pārtraukšanu un elastību.

Lai gan ūdeņraža gāze ir labākā degviela, infrastruktūras vai transporta bāzes tai vēl nav. Īstermiņā esošās fosilā kurināmā apgādes sistēmas (degvielas uzpildes stacijas utt.) varētu izmantot, lai nodrošinātu spēkstacijas ar ūdeņraža avotiem benzīna, metanola vai dabasgāzes veidā. Tas novērstu vajadzību pēc īpašām ūdeņraža uzpildes stacijām, bet katram transportlīdzeklim būtu jāaprīko fosilā kurināmā-ūdeņraža pārveidotājs ("reformators"). Šīs pieejas trūkums ir tāds, ka tā izmanto fosilo kurināmo un tādējādi rada oglekļa dioksīda emisijas. Metanols, kas pašlaik ir vadošais kandidāts, rada mazāk izmešu nekā benzīns, taču tam būtu nepieciešama lielāka automašīnas tvertne, jo tas aizņem divreiz vairāk vietas vienādam enerģijas saturam.

Atšķirībā no fosilā kurināmā apgādes sistēmām, saules un vēja sistēmas (izmantojot elektroenerģiju, lai no ūdens iegūtu ūdeņradi un skābekli) un tiešās fotokonversijas sistēmas (izmantojot pusvadītāju materiālus vai fermentus ūdeņraža ražošanai) varētu piegādāt ūdeņradi bez reformēšanas posma, un tādējādi šādā veidā emisijas. varētu izvairīties no kaitīgo vielu piesārņojuma, kas tiek novērots, lietojot metanolu vai benzīna kurināmā elementus. Ūdeņradi pēc vajadzības varētu uzglabāt un pārveidot par elektrību kurināmā elementā. Turpmāk kurināmā elementu savienošana ar šāda veida atjaunojamiem enerģijas avotiem, visticamāk, būs efektīva stratēģija produktīva, videi draudzīga un daudzpusīga enerģijas avota nodrošināšanai.

IEER ieteikumi ir tādi, ka vietējā un federālās iestādes, kā arī štatu valdības daļu no iepirkumu budžeta atvēlēja transportēšanai uz degvielas šūnu transportlīdzekļiem, kā arī stacionārās sistēmas kurināmā elementiem, lai nodrošinātu siltumu un elektroenerģiju dažām nozīmīgām vai jaunām ēkām. Tas veicinās vitāli svarīgu tehnoloģiju attīstību un samazinās siltumnīcefekta gāzu emisijas.