Kuro elementai. Labai reali alternatyva esamoms šiluminėms elektrinėms

Nieko nenustebins nei saulės baterijos, nei vėjo malūnai, gaminantys elektrą visuose pasaulio regionuose. Tačiau šių įrenginių išeiga nėra pastovi ir būtina įrengti atsarginius maitinimo šaltinius arba prisijungti prie elektros energijos tiekimo tinklų tuo laikotarpiu, kai atsinaujinančios energijos įrenginiai negamina elektros. Tačiau yra XIX amžiuje sukurtų gamyklų, kurios 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 dar 1838–1839 m. atrado Williamas Grove'as (Grow, Grove), tyrinėdamas vandens elektrolizę.

Nuoroda: 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 tapo reikšmingu įvykiu energetikos pramonėje. Vėliau jis sukūrė Grove akumuliatorių. 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 šią konstrukciją "šlapia baterija". Tada jis sukūrė bateriją, naudodamas du platinos elektrodus. Vienas kiekvieno elektrodo galas buvo sieros rūgštyje, o kiti galai buvo sandarūs vandenilio ir deguonies talpyklose. Tarp elektrodų buvo stabili srovė, padidėjo vandens kiekis induose. Grow sugebėjo suskaidyti ir pagerinti vandenį šiame įrenginyje.

"Grow's Battery"

(šaltinis: Nacionalinio gamtos istorijos muziejaus karališkoji draugija)

Terminas „kuro elementas“ (angliškai „Fuel Cell“) pasirodė tik 1889 m. L. Mond ir
Ch.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. Kuro elementai aprūpinti dar vienu elementu - 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 gaunami dėl kuro padalijimo, pereiti iš vienos kameros į kitą ant elektrodo, padengto katalizatoriumi (elektronai teka per išorinę grandinę). Antroje kameroje protonai rekombinuojasi 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 (oksidacijos) procesą.

Normalaus degimo deguonimi metu organinis kuras oksiduojasi, o cheminė kuro energija paverčiama šilumine energija. Pažiūrėkime, kas atsitinka, kai vandenilis oksiduojamas deguonimi elektrolito terpėje 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 patenka deguonis ir kur vyksta reakcija:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Matyti, kad susidariusi reakcija 2H 2 + O 2 → H 2 O yra tokia pati kaip ir įprastu degimu, bet kuro elementas gamina elektros energiją ir šiek tiek šilumos.

KURO ELEMENTŲ RŪŠYS

FC klasifikuojamas pagal reakcijai naudojamo elektrolito tipą:

Pažymėtina, kad kuro elementuose kaip kuras gali būti naudojamos ir anglys, anglies monoksidas, alkoholiai, hidrazinas ir kitos organinės medžiagos, o kaip oksidatoriai – oras, vandenilio peroksidas, chloras, bromas, azoto rūgštis ir kt.

Kuro elementų efektyvumas

Kuro elementų ypatybė yra nėra griežtų efektyvumo apribojimų kaip šilumos variklis.

Pagalba: efektyvumasCarnot ciklas yra didžiausias galimas 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, verta grįžti į mokyklos chemijos kursą. Kuro elementas pagrįstas cheminės energijos pavertimu elektros energija. Čia vyksta stebuklai. Tam tikros proceso cheminės reakcijos gali sugerti šilumą iš aplinkos.

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

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

Be to, yra nuostolių, susijusių su ne pusiausvyros procesais. Tokie kaip: ominiai nuostoliai dėl elektrolito ir elektrodų savitojo laidumo, aktyvacijos ir koncentracijos poliarizacija, 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 pastatė kuro elementų akumuliatorių, kurio bendra galia 6 kW, o efektyvumas – 80%, veikiantį grynu vandeniliu ir deguonimi, tačiau akumuliatoriaus galios ir svorio santykis pasisuko. būti per mažos – tokios ląstelės buvo netinkamos praktiniam naudojimui ir per brangios (šaltinis: http://www.powerinfo.ru/).

KURO ELEMENTŲ KLAUSIMAI

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

Atrodo, kad dėl elektrolizės buvo aptiktas kuro elementas, todėl galite naudoti elektrolizės metu išsiskiriantį vandenilį. Tačiau pažvelkime į šį procesą atidžiau.

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

Žinoma, galima naudoti ir vandenilį, gautą iš gamtinių dujų. Šis vandenilio gamybos būdas išlieka pigiausias ir populiariausias. Šiuo metu apie 50 % visame pasaulyje pagaminamo vandenilio gaunama iš gamtinių dujų. Tačiau kyla problemų dėl vandenilio saugojimo ir transportavimo. Vandenilis turi mažą tankį ( vienas litras vandenilio sveria 0,0846 gramo), todėl norint jį gabenti dideliais atstumais, jis turi būti suspaustas. Ir tai yra papildomos energijos ir grynųjų pinigų sąnaudos. 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, čia jau reikalingas specialus papildomas įrenginys - kuro keitiklis, aukštoje temperatūroje (metanoliui bus kažkur apie 240 °C) alkoholius paverčiantis dujinio H 2 ir CO 2 mišiniu. Tačiau šiuo atveju jau sunkiau galvoti apie nešiojamumą – tokius įrenginius gerai naudoti kaip stacionarų ar automobilinį generatorių, tačiau kompaktiškai mobiliai įrangai reikia kažko mažiau tūrio.

Katalizatorius

Norint sustiprinti reakciją kuro elemente, anodo paviršius paprastai yra katalizatorius. Dar visai neseniai platina buvo naudojama kaip katalizatorius. Todėl kuro elemento kaina buvo didelė. Antra, platina yra gana retas metalas. Specialistų teigimu, pramoninėje kuro elementų gamyboje išžvalgytos platinos atsargos baigsis po 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

Pirmą kartą kuro elementas automobilių technologijoje buvo išbandytas 1959 m. Alice-Chambers traktoriaus veikimui buvo naudojami 1008 akumuliatoriai. Kuras buvo dujų, daugiausia propano ir deguonies, mišinys.

Šaltinis: http://www.planetseed.com/

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

Kadangi galutinis vandenilio degimo kuro elemente produktas yra vanduo, jie laikomi švariausiais pagal poveikį aplinkai. Todėl kuro elementai pradėjo populiarėti dėl bendro susidomėjimo ekologija.

Jau šiuo metu tokie automobilių gamintojai kaip „Honda“, „Ford“, „Nissan“ ir „Mercedes-Benz“ sukūrė transporto priemones, varomas vandenilio kuro elementais.

Mercedes-Benz – Ener-G-Force varomas vandeniliu

Naudojant automobilius vandeniliu, vandenilio saugojimo problema išspręsta. Pastačius vandenilio degalines, kurą bus galima pilti bet kur. Negana to, pripildyti automobilį vandeniliu yra greičiau nei įkrauti elektromobilį degalinėje. Tačiau įgyvendindami tokius projektus jie susidūrė su tokia problema kaip elektromobiliai. Žmonės yra pasirengę „persėsti“ į vandenilinį automobilį, jei yra jiems skirta infrastruktūra. O degalinių statybos prasidės, jei bus pakankamai vartotojų. Todėl vėl priėjome prie kiaušinių ir vištienos dilemos.

Kuro elementai plačiai naudojami mobiliuosiuose telefonuose ir nešiojamuosiuose kompiuteriuose. Praėjo tie laikai, kai telefonas buvo įkraunamas kartą per savaitę. Dabar telefonas kraunasi, beveik kiekvieną dieną, o nešiojamas kompiuteris be tinklo veikia 3-4 valandas. Todėl mobiliųjų technologijų gamintojai nusprendė susintetinti kuro elementą su telefonais ir nešiojamaisiais kompiuteriais įkrovimui ir darbui. Pavyzdžiui, „Toshiba“ 2003 m pademonstravo gatavą metanolio kuro elemento prototipą. Jis suteikia apie 100 mW galią. Vieno papildymo 2 kubeliais koncentruoto (99,5%) metanolio pakanka 20 valandų MP3 grotuvo veikimo. Vėl ta pati „Toshiba“ demonstravo 275x75x40mm nešiojamojo kompiuterio maitinimo elementą, leidžiantį kompiuteriui vienu įkrovimu dirbti 5 valandas.

Tačiau kai kurie gamintojai nuėjo toliau. „PowerTrekk“ išleido to paties pavadinimo įkroviklį. PowerTrekk yra pirmasis vandens įkroviklis pasaulyje. Juo naudotis labai paprasta. Į „PowerTrekk“ reikia įpilti vandens, kad per USB kabelį būtų galima greitai maitinti. Šiame kuro elemente yra silicio miltelių ir natrio silicido (NaSi), sumaišius su vandeniu, šis derinys generuoja vandenilį. Vandenilis susimaišo su oru pačiame kuro elemente ir per membranos protonų mainus, be ventiliatorių ar siurblių, vandenilį paverčia elektra. Tokį nešiojamąjį įkroviklį galite įsigyti už 149 € (

kuro elementas- kas tai yra? Kada ir kaip jis atsirado? Kodėl to reikia ir kodėl mūsų laikais apie juos taip dažnai kalbama? Kokia jo taikymo sritis, savybės ir savybės? Nesustabdoma pažanga reikalauja atsakymų į visus šiuos klausimus!

Kas yra kuro elementas?

kuro elementas- tai cheminis srovės šaltinis arba elektrocheminis generatorius, tai įtaisas, skirtas cheminei energijai paversti elektros energija. Šiuolaikiniame gyvenime cheminės srovės šaltiniai naudojami visur ir yra mobiliųjų telefonų, nešiojamųjų kompiuterių, delninių kompiuterių, taip pat automobilių baterijos, nepertraukiamo maitinimo šaltiniai ir kt. Kitas šios srities plėtros etapas bus platus kuro elementų platinimas, ir tai neginčijamas faktas.

Kuro elementų istorija

Kuro elementų istorija – dar viena istorija apie tai, kaip kadaise Žemėje atrastos materijos savybės buvo plačiai naudojamos toli kosmose, o tūkstantmečių sandūroje sugrįžo iš dangaus į Žemę.

Viskas prasidėjo 1839 m kai vokiečių chemikas Christianas Schönbeinas „Philosophical Journal“ paskelbė kuro elemento principus. Tais pačiais metais anglas, Oksfordo absolventas Williamas Robertas Grove'as, suprojektavo galvaninį elementą, vėliau pavadintą Grove galvaniniu elementu, kuris taip pat pripažintas pirmuoju kuro elementu. Pats pavadinimas „kuro elementas“ išradimui buvo suteiktas jo jubiliejaus metais – 1889 m. Sąvokos autoriai yra Ludwigas Mondas ir Karlas Langeris.

Kiek anksčiau, 1874 m., Jules'as Verne'as knygoje „Paslaptingoji sala“ numatė dabartinę energetikos situaciją, rašydamas, kad „vanduo vieną dieną bus naudojamas kaip kuras, bus panaudotas vandenilis ir deguonis, iš kurių jis susideda“.

Tuo tarpu naujoji maitinimo technologija buvo palaipsniui tobulinama, o nuo XX amžiaus šeštojo dešimtmečio nepraėjo nė metai, kai nebuvo paskelbti naujausi išradimai šioje srityje. 1958 metais JAV pasirodė pirmasis traktorius, varomas kuro elementais, 1959 m. Išleistas 5KW maitinimo šaltinis suvirinimo aparatui ir kt. Aštuntajame dešimtmetyje vandenilio technologija pakilo į kosmosą: orlaivių ir raketų varikliai pasirodė ant vandenilio. 1960-aisiais RSC Energia sukūrė kuro elementus sovietinei Mėnulio programai. „Buran“ programa taip pat neapsiėjo be jų: buvo sukurti šarminiai 10 kW kuro elementai. O šimtmečio pabaigoje kuro elementai kirto nulinį aukštį virš jūros lygio – jų pagrindu buvo sukurti elektros tiekimas Vokiečių povandeninis laivas. Grįžtant į Žemę, 2009 metais JAV buvo pradėtas eksploatuoti pirmasis lokomotyvas. Natūralu, kad ant kuro elementų.

Visoje gražioje kuro elementų istorijoje įdomu tai, kad ratas vis dar yra neprilygstamas žmonijos išradimas gamtoje. Reikalas tas, kad kuro elementai savo struktūra ir veikimo principu yra panašūs į biologinį elementą, kuris iš tikrųjų yra miniatiūrinis vandenilio-deguonies kuro elementas. Dėl to žmogus dar kartą išrado tai, ką gamta naudojo milijonus metų.

Kuro elementų veikimo principas

Kuro elementų veikimo principas yra akivaizdus net iš mokyklos chemijos programos, ir būtent jis buvo nustatytas Williamo Grove'o eksperimentuose 1839 m. Reikalas tas, kad vandens elektrolizės (vandens disociacijos) procesas yra grįžtamas. Lygiai taip pat, kaip yra tiesa, kad elektros srovei praleidžiant vandenį, pastarasis suskaidomas į vandenilį ir deguonį, taip yra ir atvirkščiai: vandenilis ir deguonis gali būti sujungti, kad būtų gautas vanduo ir elektra. Grove eksperimente du elektrodai buvo patalpinti į kamerą, į kurią slėgiu buvo tiekiama ribota gryno vandenilio ir deguonies dalis. Dėl nedidelių dujų tūrių, taip pat dėl anglies elektrodų cheminių savybių kameroje vyko lėta reakcija, išsiskiriant šilumai, vandeniui ir, svarbiausia, susidarant potencialų skirtumui tarp elektrodai.

Paprasčiausias kuro elementas susideda iš specialios membranos, naudojamos kaip elektrolitas, kurios abiejose pusėse uždėti miltelių pavidalo elektrodai. Vandenilis patenka į vieną pusę (anodas), o deguonis (oras) patenka į kitą (katodą). Kiekvienas elektrodas turi skirtingą cheminę reakciją. Prie anodo vandenilis skyla į protonų ir elektronų mišinį. Kai kuriuose kuro elementuose elektrodai yra apsupti katalizatoriumi, paprastai pagamintu iš platinos ar kitų tauriųjų metalų, kad padėtų disociacijos reakcijai:

2H 2 → 4H + + 4e -

kur H2 yra dviatomė vandenilio molekulė (forma, kurioje vandenilis yra dujų pavidalu); H + - jonizuotas vandenilis (protonas); e - - elektronas.

Kuro elemento katodo pusėje protonai (praėję per elektrolitą) ir elektronai (praėję per išorinę apkrovą) rekombinuoja ir reaguoja su į katodą tiekiamu deguonimi, sudarydami vandenį:

4H + + 4e - + O2 → 2H2O

Bendra reakcija kuro elemente parašyta taip:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

Kuro elemento veikimas pagrįstas tuo, kad elektrolitas pro save (link katodo) praleidžia protonus, o elektronai – ne. Elektronai juda link katodo išilgai išorinės laidžiosios grandinės. Šis elektronų judėjimas yra elektros srovė, kurią galima naudoti išoriniam įrenginiui, prijungtam prie kuro elemento (apkrovai, pvz., elektros lemputei), maitinti:

Kuro elementai savo darbe naudoja vandenilio kurą ir deguonį. Lengviausias būdas yra su deguonimi – jis paimamas iš oro. Vandenilis gali būti tiekiamas tiesiai iš tam tikros talpos arba atskiriant jį nuo išorinio kuro šaltinio (gamtinių dujų, benzino arba metilo alkoholio – metanolio). Išorinio šaltinio atveju jis turi būti chemiškai paverstas vandeniliu išgauti. Šiuo metu dauguma kuro elementų technologijų, kuriamų nešiojamiesiems įrenginiams, naudoja metanolį.

Kuro elementų charakteristikos

Kuro elementai yra analogiški esamiems akumuliatoriams ta prasme, kad abiem atvejais elektros energija gaunama iš cheminės energijos. Tačiau yra ir esminių skirtumų:

jie veikia tik tol, kol kuras ir oksidatorius tiekiami iš išorinio šaltinio (t. y. negali kaupti elektros energijos),
elektrolito cheminė sudėtis eksploatacijos metu nekinta (kuro elemento nereikia įkrauti),
jie visiškai nepriklauso nuo elektros (tuo tarpu įprasti akumuliatoriai kaupia energiją iš tinklo).

Kiekvienas kuro elementas sukuria įtampa 1V. Didesnė įtampa pasiekiama jungiant juos nuosekliai. Galios (srovės) padidėjimas realizuojamas lygiagrečiai sujungus nuosekliai sujungtų kuro elementų kaskadas.

Kuro elementams nėra griežtų efektyvumo apribojimų, kaip ir šiluminiams varikliams (Karno ciklo efektyvumas yra didžiausias galimas efektyvumas tarp visų šilumos variklių, kurių minimali ir maksimali temperatūra).

Didelis efektyvumas pasiekiamas tiesiogiai paverčiant kuro energiją į elektros energiją. Jei degalai pirmiausia deginami dyzeliniuose generatoriuose, susidarę garai ar dujos suka turbinos arba vidaus degimo variklio veleną, o tai savo ruožtu suka elektros generatorių. Rezultatas – maksimalus 42% efektyvumas, dažniau apie 35-38%. Be to, dėl daugybės sąsajų, taip pat dėl termodinaminių apribojimų, susijusių su maksimaliu šilumos variklių efektyvumu, esamas efektyvumas greičiausiai nebus padidintas. Esamiems kuro elementams efektyvumas yra 60-80%,

Efektyvumas beveik nepriklauso nuo apkrovos koeficiento,

Talpa kelis kartus didesnė nei esamos baterijos

Užbaigti jokių aplinkai kenksmingų teršalų. Išskiriami tik švarūs vandens garai ir šiluminė energija (skirtingai nuo dyzelinių generatorių, kurie turi teršalų išmetimą ir juos reikia pašalinti).

Kuro elementų tipai

kuro elementai klasifikuojami dėl šių priežasčių:

pagal sunaudotą kurą

darbinis slėgis ir temperatūra,

pagal paraiškos pobūdį.

Apskritai yra šie kuro elementų tipai:

Kietojo oksido kuro elementai (SOFC);

Kuro elementas su protonų mainų membrana (protonų mainų membranos kuro elementas - PEMFC);

Reversable Fuel Cell (RFC);

Tiesioginis metanolio kuro elementas (Direct-metanolio kuro elementas - DMFC);

Išlydyto karbonato kuro elementas (Molten-carbonate fuel cell – MCFC);

Fosforo rūgšties kuro elementai (PAFC);

Šarminiai kuro elementai (AFC).

Vienas iš kuro elementų tipų, veikiančių esant normaliai temperatūrai ir slėgiui naudojant vandenilį ir deguonį, yra elementai su jonų mainų membrana. Susidaręs vanduo netirpdo kieto elektrolito, teka žemyn ir lengvai pašalinamas.

Kuro elementų problemos

Pagrindinė kuro elementų problema susijusi su „supakuoto“ vandenilio poreikiu, kurio būtų galima laisvai įsigyti. Akivaizdu, kad laikui bėgant problema turėtų išsispręsti, tačiau kol kas situacija sukelia lengvą šypseną: kas pirmiau – višta ar kiaušinis? Kuro elementai dar nėra pakankamai pažengę, kad būtų galima statyti vandenilio jėgaines, tačiau jų pažanga neįsivaizduojama be šių gamyklų. Čia taip pat atkreipiame dėmesį į vandenilio šaltinio problemą. Šiuo metu vandenilis gaminamas iš gamtinių dujų, tačiau didėjančios energijos sąnaudos didins ir vandenilio kainą. Tuo pačiu metu gamtinių dujų vandenilyje neišvengiama CO ir H 2 S (vandenilio sulfido), kurie nuodija katalizatorių.

Įprastuose platinos katalizatoriuose naudojamas labai brangus ir gamtoje nepakeičiamas metalas – platina. Tačiau šią problemą planuojama išspręsti naudojant fermentų pagrindu pagamintus katalizatorius, kurie yra pigi ir lengvai pagaminama medžiaga.

Šiluma taip pat yra problema. Efektyvumas smarkiai padidės, jei generuojama šiluma bus nukreipta į naudingą kanalą – šilumos tiekimo sistemai gaminti šiluminę energiją, panaudoti ją kaip atliekinę šilumą sugeriant. šaldymo mašinos ir tt

Metanolio kuro elementai (DMFC): tikras pritaikymas

Tiesioginiai metanolio kuro elementai (DMFC) šiandien kelia didžiausią praktinį susidomėjimą. Portege M100 nešiojamas kompiuteris, veikiantis su DMFC kuro elementu, atrodo taip:

Įprastoje DMFC grandinėje, be anodo, katodo ir membranos, yra keletas papildomų komponentų: kuro kasetė, metanolio jutiklis, kuro cirkuliacinis siurblys, oro siurblys, šilumokaitis ir kt.

Pavyzdžiui, nešiojamojo kompiuterio veikimo laiką, palyginti su baterijomis, planuojama padidinti 4 kartus (iki 20 valandų), mobiliojo telefono - iki 100 valandų aktyviu režimu ir iki šešių mėnesių budėjimo režimu. Įkrovimas bus atliktas įpilant dalį skysto metanolio.

Pagrindinė užduotis – rasti didžiausios koncentracijos metanolio tirpalo panaudojimo galimybes. Bėda ta, kad metanolis yra gana stiprus nuodas, mirtinas kelių dešimčių gramų dozėmis. Tačiau metanolio koncentracija tiesiogiai veikia darbo trukmę. Jei anksčiau buvo naudojamas 3-10 % metanolio tirpalas, tai jau atsirado 50 % tirpalą naudojantys mobilieji telefonai ir delniniai kompiuteriai, o 2008 m. laboratorinėmis sąlygomis MTI MicroFuel Cells, o kiek vėliau ir Toshiba gavo kuro elementus, veikiančius gryno metanolio.

Kuro elementai yra ateitis!

Galiausiai tai, kad tarptautinė organizacija IEC (International Electrotechnical Commission), kuri apibrėžia pramoninius elektronikos prietaisų standartus, jau paskelbė apie darbo grupės tarptautinį miniatiūrinių kuro elementų standarto kūrimą sukūrimą, byloja apie akivaizdžią didžiulę kuro ateitį. ląstelės.

Kuro elementų/elementų privalumai

Kuro elementas / elementas yra įrenginys, kuris per elektrocheminę reakciją efektyviai generuoja nuolatinę srovę ir šilumą iš kuro, kuriame gausu vandenilio.

Kuro elementas yra panašus į akumuliatorių, nes per cheminę reakciją generuoja nuolatinę srovę. Kuro elementą sudaro anodas, katodas ir elektrolitas. Tačiau, skirtingai nei baterijos, kuro elementai negali kaupti elektros energijos, neišsikrauna ir nereikia įkrauti elektros energijos. Kuro elementai / elementai gali nuolat generuoti elektros energiją tol, kol jie turi kuro ir oro tiekimą.

Skirtingai nuo kitų elektros generatorių, tokių kaip vidaus degimo varikliai ar turbinos, varomos dujomis, anglimi, nafta ir kt., kuro elementai/elementai nedegina kuro. Tai reiškia, kad nėra triukšmingų aukšto slėgio rotorių, nėra didelio išmetimo triukšmo, nėra vibracijos. Kuro elementai / elementai generuoja 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 eksploatacijos metu išsiskiriantys produktai 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 didžiausių iššūkių kuro elementams kilo dėl Nacionalinės aeronautikos ir kosmoso administracijos (NASA) energijos šaltinių poreikio ilgalaikėms kosminėms misijoms. NASA šarminio kuro elementas / elementas naudoja vandenilį ir deguonį kaip kurą, sujungiant juos elektrocheminėje reakcijoje. Išeiga yra trys šalutiniai reakcijos produktai, naudingi skrydžiams į kosmosą – elektra, skirta erdvėlaiviui maitinti, vanduo geriamojo ir aušinimo sistemoms ir šiluma, kad astronautai būtų šilti.

Kuro elementų atradimas datuojamas XIX amžiaus pradžia. Pirmieji kuro elementų poveikio įrodymai buvo gauti 1838 m.

Trečiojo dešimtmečio pabaigoje buvo pradėti šarminio kuro elementų kūrimo darbai, o 1939 m. buvo pastatytas elementas, kuriame buvo naudojami aukšto slėgio nikeliuoti elektrodai. Antrojo pasaulinio karo metu buvo sukurti kuro elementai/elementai Britanijos karinio jūrų laivyno povandeniniams laivams, o 1958 m. buvo pristatytas kuro rinkinys, sudarytas 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 mazuto trūkumą. Tuo pačiu laikotarpiu pasaulio šalys taip pat susirūpino oro taršos problema ir svarstė būdus, kaip gaminti aplinkai nekenksmingą elektros energiją. Šiuo metu kuro elementų / elementų technologija sparčiai vystosi.

Kaip veikia kuro elementai / elementai

Kuro elementai / elementai generuoja elektros energiją ir šilumą vykstant elektrocheminei reakcijai, naudojant elektrolitą, katodą ir anodą.

Ant anodo katalizatoriaus molekulinis vandenilis disocijuoja ir praranda elektronus. Vandenilio jonai (protonai) yra nuvedami per elektrolitą į katodą, o elektronai perduodami per elektrolitą ir per išorinę elektros grandinę, sukuriant nuolatinę srovę, kuri gali būti naudojama įrangai maitinti. Ant katodo katalizatoriaus 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 yra atitinkama reakcija:

Anodo reakcija: 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

Panašiai kaip egzistuoja įvairių tipų vidaus degimo varikliai, yra įvairių kuro elementų tipų – 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.

Kuro elementai / elementai ant išlydyto karbonato (MCFC)

RCFC veikimas skiriasi nuo kitų kuro elementų. Šiose ląstelėse naudojamas elektrolitas 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.

Anodo reakcija: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakcija prie katodo: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Bendroji elementų 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 iš vidaus pertvarkomos, todėl nebereikia kuro procesoriaus. Be to, privalumai yra galimybė ant elektrodų naudoti standartines statybines medžiagas, tokias kaip nerūdijančio plieno lakštas ir nikelio katalizatorius. Atliekinė šiluma gali būti naudojama aukšto slėgio garams gaminti įvairiems pramoniniams ir komerciniams tikslams.

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 sistemas su išlydytu karbonato elektrolitu pastovios galios sąlygomis. Aukšta temperatūra neleidžia sugadinti kuro elemento anglies monoksido.

Išlydyto karbonato kuro elementai tinkami naudoti dideliuose stacionariuose įrenginiuose. Pramoniniu būdu gaminamos šiluminės elektrinės, kurių išėjimo elektros galia 3,0 MW. Plėtojamos elektrinės, kurių išėjimo galia iki 110 MW.

Kuro elementai / elementai, kurių pagrindą sudaro fosforo rūgštis (PFC)

Kuro elementai, pagaminti iš fosforo (ortofosforo) rūgšties, buvo pirmieji komerciniam naudojimui skirti kuro elementai.

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

Šio tipo kuro elementų krūvininkas yra vandenilis (H+, protonas). Panašus procesas vyksta ir protonų mainų membranos kuro elementuose, kurių metu į anodą tiekiamas vandenilis suskaidomas į protonus ir elektronus. Protonai praeina per elektrolitą ir jungiasi su deguonimi iš oro prie katodo, sudarydami vandenį. Elektronai nukreipiami išilgai išorinės elektros grandinės ir susidaro elektros srovė. Žemiau pateikiamos reakcijos, kurios gamina elektrą ir šilumą.

Reakcija prie anodo: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakcija prie katodo: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 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 naudingumo koeficientas siekia apie 85 proc. Be to, atsižvelgiant į darbo temperatūrą, atliekinė šiluma gali būti naudojama vandeniui šildyti ir garams gaminti esant atmosferos slėgiui.

Didelis kuro elementų šiluminių elektrinių, kurių pagrindą sudaro fosforo (ortofosforo) rūgštis, našumas kartu gaminant šilumą ir elektrą yra vienas iš šio tipo kuro elementų privalumų. Gamyklos naudoja apie 1,5% koncentracijos anglies monoksidą, kuris labai išplečia kuro pasirinkimą. Be to, CO 2 neturi įtakos elektrolitui ir kuro elemento darbui, šio tipo elementai veikia su reformuotu natūraliu kuru. Paprasta konstrukcija, mažas elektrolitų lakumas ir padidėjęs stabilumas taip pat yra šio tipo kuro elementų pranašumai.

Pramoniniu būdu gaminamos šiluminės elektrinės, kurių išėjimo elektros galia iki 500 kW. 11 MW įrenginiai išlaikė atitinkamus bandymus. Plėtojamos elektrinės, kurių išėjimo galia iki 100 MW.

Kietojo oksido kuro elementai (SOFC)

Kietojo oksido kuro elementai yra kuro elementai, kurių darbinė temperatūra yra aukščiausia. Darbinė temperatūra gali svyruoti nuo 600°C iki 1000°C, kas leidžia naudoti įvairių rūšių kurą be specialaus išankstinio apdorojimo. Šioms aukštoms temperatūroms atlaikyti naudojamas elektrolitas yra plonas keramikos pagrindu pagamintas kietas metalo oksidas, dažnai itrio ir cirkonio lydinys, kuris yra deguonies (O 2-) jonų laidininkas.

Kietas elektrolitas užtikrina hermetišką 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 yra atskirtos nuo oro į deguonies joną ir keturis elektronus. Deguonies jonai praeina per elektrolitą ir susijungia su vandeniliu, sudarydami keturis laisvus elektronus. Elektronai nukreipiami 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 - \u003d\u003e 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 šilumą ir energiją, kad būtų generuojami aukšto slėgio garai. Aukštos temperatūros kuro elementą sujungus su turbina, sukuriamas hibridinis kuro elementas, padidinantis elektros energijos gamybos efektyvumą iki 75%.

Kietojo oksido kuro elementai veikia labai aukštoje temperatūroje (600°C – 1000°C), todėl ilgai pasiekia optimalias darbo sąlygas, o sistema lėčiau reaguoja į energijos suvartojimo pokyčius. Esant tokioms aukštoms eksploatacinėms temperatūroms, nereikia jokio keitiklio, kuris atgautų vandenilį iš kuro, todėl šiluminė elektrinė galėtų veikti su santykinai nešvariu kuru iš anglies dujinimo arba išmetamųjų dujų ir panašiai. Be to, šis kuro elementas puikiai tinka didelės galios reikmėms, įskaitant pramonines ir dideles centrines elektrines. Pramoninės gamybos moduliai, kurių išėjimo elektros galia 100 kW.

Kuro elementai / elementai su tiesiogine metanolio oksidacija (DOMTE)

Kuro elementų naudojimo su tiesiogine metanolio oksidacija technologija aktyviai vystosi. Jis sėkmingai įsitvirtino mobiliųjų telefonų, nešiojamųjų kompiuterių maitinimo, taip pat nešiojamų maitinimo šaltinių kūrimo srityje. ko siekiama ateityje taikant šiuos elementus.

Kuro elementų su tiesiogine metanolio oksidacija struktūra panaši į kuro elementų su protonų mainų membrana (MOFEC), t.y. polimeras naudojamas kaip elektrolitas, o vandenilio jonas (protonas) – kaip krūvininkas. Tačiau skystas metanolis (CH 3 OH) oksiduojamas esant vandeniui prie anodo, išskirdamas CO 2, vandenilio jonus ir elektronus, kurie nukreipiami per išorinę elektros grandinę, ir susidaro elektros srovė. Vandenilio jonai praeina per elektrolitą ir reaguoja su deguonimi iš oro ir elektronais iš išorinės grandinės, sudarydami vandenį 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 elementų reakcija: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Šio tipo kuro elementų privalumas yra jų mažas dydis dėl skystojo kuro naudojimo ir poreikio naudoti keitiklį.

Šarminiai kuro elementai (AFC)

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

Šarminiuose kuro elementuose naudojamas elektrolitas, t. y. 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 SFC yra hidroksido jonas (OH-), judantis nuo katodo iki anodo, kur jis reaguoja su vandeniliu, kad susidarytų vanduo ir elektronai. Ant anodo pagamintas vanduo grįžta atgal į katodą, ten vėl generuodamas hidroksido jonus. Dėl šios kuro elemente vykstančių reakcijų serijos gaminama elektra, o 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

SFC 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. SCFC veikia palyginti žemoje temperatūroje ir yra vieni iš efektyviausių kuro elementų – tokios charakteristikos gali atitinkamai prisidėti prie greitesnės energijos gamybos ir didelio kuro efektyvumo.

Viena iš būdingų SHTE savybių yra didelis jautrumas CO 2 , kuris gali būti degaluose arba ore. CO 2 reaguoja su elektrolitu, greitai jį nuodija ir labai sumažina kuro elemento efektyvumą. Todėl SFC naudojimas apsiriboja uždaromis erdvėmis, tokiomis kaip erdvės ir povandeninės transporto priemonės, jos turi veikti naudojant gryną vandenilį ir deguonį. Be to, tokios molekulės, kaip CO, H 2 O ir CH4, kurios yra saugios kitiems kuro elementams ir netgi kai kuriems iš jų kuras, kenkia SFC.

Polimerinių elektrolitų kuro elementai / elementai (PETE)

Polimerinių elektrolitų kuro elementų atveju polimero membraną sudaro polimeriniai pluoštai su vandens sritimis, kuriose yra vandens jonų laidumas (H 2 O + (protonas, raudonas), prijungtas prie vandens molekulės). Vandens molekulės kelia problemų dėl lėto jonų mainų. Todėl tiek degaluose, tiek ant išmetimo elektrodų reikalinga didelė vandens koncentracija, kuri riboja darbo temperatūrą iki 100°C.

Kietosios rūgšties kuro elementai / elementai (SCFC)

Kietosios rūgšties kuro elementuose elektrolitas (CsHSO 4 ) neturi vandens. Todėl darbinė temperatūra yra 100-300°C. SO 4 2-oksi anijonų sukimasis leidžia protonams (raudoniems) judėti, kaip parodyta paveikslėlyje. Paprastai kietojo rūgšties kuro elementas yra sumuštinis, kuriame labai plonas kieto rūgšties junginio sluoksnis yra įterptas tarp dviejų sandariai suspaustų elektrodų, kad būtų užtikrintas geras kontaktas. Kaitinamas, organinis komponentas išgaruoja, išeina pro poras elektroduose, išsaugodamas daugybę kontaktų tarp kuro (arba deguonies kitame elemento gale), elektrolito ir elektrodų.

Įvairūs kuro elementų moduliai. kuro elementų baterija

Kuro elementų baterija
Kita aukštos temperatūros įranga (integruotas garų generatorius, degimo kamera, šilumos balanso keitiklis)
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 (PCFC), protonų mainų membraninių kuro elementų (MPFC) ir šarminio kuro elementų ( APFC). Paprastai jie turi šias savybes:

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

dirbti aukštesnėje temperatūroje, o tai sumažina brangių tauriųjų metalų (pvz., platinos) poreikį
gali veikti naudojant įvairių rūšių angliavandenilių kurą, daugiausia gamtines dujas
turi ilgesnį paleidimo laiką, todėl geriau tinka ilgalaikiam darbui
parodyti aukštą energijos gamybos efektyvumą (iki 70%)
dėl aukštų darbinių temperatūrų įrenginius galima derinti su šilumos atgavimo sistemomis, todėl bendras sistemos efektyvumas siekia 85%.
turi beveik nulinę emisiją, veikia tyliai ir turi žemus veikimo reikalavimus, palyginti su esamomis energijos gamybos technologijomis

Kuro elementų tipas	Darbinė temperatūra	Energijos gamybos efektyvumas	Kuro tipas	Taikymo sritis
RKTE	550–700°C	50-70%		Vidutiniai ir dideli įrenginiai
FKTE	100–220°C	35-40%	grynas vandenilis	Didelės instaliacijos
MOPTE	30-100°C	35-50%	grynas vandenilis	Mažos instaliacijos
SOFC	450–1000°C	45-70%	Dauguma angliavandenilių kuro	Maži, vidutiniai ir dideli įrenginiai
POMTE	20-90°C	20-30%	metanolis	nešiojamas
SHTE	50–200°C	40-70%	grynas vandenilis	kosmoso tyrimai
PETE	30-100°C	35-50%	grynas vandenilis	Mažos instaliacijos

Kadangi mažas šilumines elektrines galima prijungti prie įprasto dujų tiekimo tinklo, kuro elementams nereikia atskiros vandenilio tiekimo sistemos. Naudojant nedideles šilumines elektrines kietojo oksido kuro elementų pagrindu, pagamintą šilumą galima integruoti į šilumokaičius vandeniui ir vėdinimo orui šildyti, padidinant bendrą sistemos efektyvumą. Ši naujoviška technologija geriausiai tinka efektyviam energijos gamybai, nereikia brangios infrastruktūros ir sudėtingo prietaisų integravimo.

Kuro elementų / elementų taikymas

Kuro elementų/elementų taikymas telekomunikacijų sistemose

Sparčiai plintant belaidžio ryšio sistemoms visame pasaulyje ir didėjant socialinei bei ekonominei mobiliųjų telefonų technologijų naudai, patikimos ir ekonomiškos atsarginės energijos poreikis tapo itin svarbus. 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, kad būtų užtikrinta ilgesnė atsarginė galia. Baterijos yra palyginti pigus atsarginės energijos šaltinis 1–2 valandoms. Tačiau baterijos netinka ilgesniam atsarginiam laikotarpiui, nes brangiai prižiūrimos, po ilgo naudojimo tampa nepatikimos, yra jautrios temperatūrai ir išmetus yra pavojingos aplinkai. Dyzeliniai ir propano generatoriai gali užtikrinti nuolatinę atsarginę galią. Tačiau generatoriai gali būti nepatikimi, juos reikia nuolat prižiūrėti ir į atmosferą išmesti daug teršalų ir šiltnamio efektą sukeliančių dujų.

Siekiant pašalinti tradicinių atsarginės energijos sprendimų apribojimus, buvo sukurta novatoriška žaliųjų kuro elementų technologija. Kuro elementai yra patikimi, tylūs, juose yra mažiau judančių dalių nei generatoriuje, jų veikimo temperatūrų diapazonas yra platesnis nei akumuliatoriaus nuo -40°C iki +50°C ir dėl to itin taupo energiją. Be to, tokio įrenginio eksploatavimo kaina yra mažesnė nei generatoriaus. Mažesnes kuro elementų sąnaudas lemia tik vienas techninės priežiūros apsilankymas per metus ir žymiai didesnis gamyklos produktyvumas. Juk kuro elementas yra aplinkai nekenksmingas technologinis sprendimas, darantis minimalų poveikį aplinkai.

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

PATIKIMUMAS– Mažai judančių dalių ir jokio budėjimo režimo išsikrovimo
ENERGIJOS TAUPYMAS
TYLA- žemas triukšmo lygis
STABILUMAS– veikimo diapazonas nuo -40°C iki +50°C
PRITAIKYMAS– montavimas lauke ir viduje (konteineris/apsauginis konteineris)
AUKŠTA ĮTAMPA– iki 15 kW
MAŽAS PRIEŽIŪROS POREIKIS– minimali metinė priežiūra
EKONOMIKA- patrauklios bendros nuosavybės išlaidos
ŠVARI 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 nustatytos kontrolinės vertės. Sistema veikia naudojant vandenilį, kuris į kuro elementų kaminą patenka vienu iš dviejų būdų – arba iš komercinio vandenilio šaltinio, arba iš skysto kuro, susidedančio iš metanolio ir vandens, naudojant įmontuotą reformerio sistemą.

Elektrą gamina kuro elementų kaminas nuolatinės srovės pavidalu. Nuolatinė srovė siunčiama į keitiklį, kuris nereguliuojamą nuolatinę srovę iš kuro elementų kamino paverčia aukštos kokybės reguliuojama nuolatine srove reikalingoms apkrovoms. Kuro elementų instaliacija gali teikti atsarginę galią daug dienų, nes trukmę riboja tik vandenilio arba metanolio/vandens kuro kiekis sandėlyje.

Kuro elementai pasižymi puikiu energijos vartojimo efektyvumu, padidintu sistemos patikimumu, labiau nuspėjamu veikimu įvairiose klimato srityse ir patikimą tarnavimo laiką, palyginti su pramoniniais standartiniais vožtuvais reguliuojamais švino rūgšties akumuliatorių paketais. Gyvenimo ciklo sąnaudos taip pat mažesnės dėl žymiai mažesnių priežiūros ir keitimo reikalavimų. Kuro elementai galutiniam vartotojui teikia naudos aplinkai, nes su švino rūgšties elementais susijusios šalinimo išlaidos ir atsakomybės rizika kelia vis didesnį susirūpinimą.

Elektrinių baterijų veikimą gali neigiamai paveikti įvairūs veiksniai, tokie kaip įkrovimo lygis, temperatūra, ciklai, eksploatavimo trukmė 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, pavyzdžiui, dujų turbinos generatorius, tačiau generavimo zonoje neturi judančių dalių. Todėl, skirtingai nei generatorius, jie greitai nesusidėvi ir nereikalauja nuolatinės priežiūros bei tepimo.

Degalai, naudojami pailgintos trukmės kuro keitikliui vairuoti, yra metanolio ir vandens mišinys. Metanolis yra plačiai prieinamas komercinis kuras, kuris šiuo metu naudojamas daugeliui naudojimo būdų, įskaitant priekinio stiklo ploviklius, plastikinius butelius, variklio priedus ir emulsinius dažus. Metanolis yra lengvai transportuojamas, 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

Apsaugos tinklams reikalingi patikimi atsarginio maitinimo sprendimai, kurie gali trukti valandas ar dienas avariniu atveju, jei elektros tinklas tampa neprieinamas.

Inovatyvi kuro elementų technologija, turinti nedaug judančių dalių ir nesumažinti galios budėjimo režimu, yra patrauklus sprendimas, palyginti su šiuo metu turimomis atsarginėmis maitinimo sistemomis.

Įtikinamiausia kuro elementų technologijos naudojimo ryšių tinkluose priežastis yra padidėjęs bendras patikimumas ir saugumas. Esant tokiems įvykiams kaip elektros energijos tiekimo nutraukimas, žemės drebėjimai, audros ir uraganai, svarbu, kad sistemos veiktų ir ilgą laiką turėtų patikimą atsarginį maitinimo šaltinį, neatsižvelgiant į atsarginės energijos sistemos temperatūrą ar amžių.

Kuro elementų maitinimo šaltinių asortimentas idealiai tinka saugiems ryšių tinklams palaikyti. Dėl savo energiją taupančių projektavimo principų jie suteikia 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, maitinimas yra labai svarbus visame pasaulyje. Tokiais tinklais perduodamoje informacijoje yra svarbių duomenų tokioms įstaigoms 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, tiekiantys maitinimą budėjimo režimu, užtikrina patikimumą, kurio reikia norint užtikrinti nepertraukiamą maitinimą.

Kuro elementų blokai, veikiantys skystu metanolio ir vandens mišiniu, užtikrina patikimą atsarginį energijos tiekimą ilgą laiką, iki kelių dienų. Be to, šiems įrenginiams, palyginti su generatoriais ir baterijomis, taikomi žymiai mažesni priežiūros reikalavimai, todėl reikia atlikti tik vieną techninės priežiūros vizitą per metus.

Tipinės kuro elementų įrenginių naudojimo duomenų tinkluose taikymo charakteristikos:

Pritaikymai su įėjimo galia nuo 100 W iki 15 kW
Programos, kurių akumuliatoriaus veikimo laikas > 4 valandos
Retransliatoriai šviesolaidinėse sistemose (sinchroninių skaitmeninių sistemų hierarchija, didelės spartos internetas, balsas per IP...)
Didelės spartos duomenų perdavimo tinklo mazgai
WiMAX perdavimo mazgai

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

Skysto kuro technologija išsprendžia vandenilio saugojimo problemą ir suteikia praktiškai neribotą atsarginę galią.
Dėl tylaus veikimo, mažo svorio, atsparumo temperatūros pokyčiams ir praktiškai be vibracijos kuro elementus galima montuoti lauke, pramoninėse patalpose/konteineriuose ar ant stogų.
Paruošimas naudoti sistemą vietoje yra greitas ir ekonomiškas, o eksploatacijos kaina nedidelė.
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 maitinanti galia. Nors daugumoje sistemų yra tam tikros rūšies atsarginės nepertraukiamo maitinimo sistemos, skirtos trumpalaikiams energijos praradimams, jos nenumato ilgesnių elektros energijos tiekimo nutraukimų, 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 stebėjimo ir prieigos kontrolės sistemos (ID kortelių skaitytuvai, durų uždarymo įtaisai, biometrinės identifikavimo technologijos ir kt.), automatinės gaisro signalizacijos ir gaisro gesinimo sistemos, liftų valdymo sistemos ir telekomunikacijų tinklai. patikimas alternatyvus nuolatinio maitinimo šaltinis.

Dyzeliniai generatoriai yra triukšmingi, juos sunku rasti ir jie puikiai žino savo patikimumo ir priežiūros problemas. Priešingai, kuro elementų atsarginis įrenginys yra tylus, patikimas, išmeta nulinį arba labai mažai teršalų, jį lengva montuoti ant stogo arba pastato išorėje. Jis neišsikrauna ir nepraranda energijos budėjimo režimu. Tai užtikrina nenutrūkstamą kritinių sistemų veikimą net įstaigai nutraukus veiklą ir pastatą apleidus žmonėms.

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

Kuro elementų energijos atsarginiai įrenginiai suteikia daug pranašumų svarbioms programoms, tokioms kaip apsaugos ir pastato valdymo sistemos, palyginti su tradiciniais akumuliatoriniais ar dyzeliniais generatoriais. Skysto kuro technologija išsprendžia vandenilio saugojimo problemą ir suteikia praktiškai neribotą atsarginę galią.

Kuro elementų / elementų taikymas namų šildymui ir elektros energijos gamybai

Kietojo oksido kuro elementai (SOFC) naudojami kuriant patikimas, efektyviai energiją vartojančias ir teršalų neišskiriančias šilumines elektrines, gaminančias elektros energiją ir šilumą iš plačiai prieinamų gamtinių dujų ir atsinaujinančio kuro. Šie naujoviški įrenginiai naudojami įvairiose rinkose – nuo elektros energijos gamybos namuose iki elektros tiekimo atokiose vietovėse, taip pat pagalbiniuose energijos šaltiniuose.

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 energijos gamybos efektyvumo sumažėjimas, kai ji generuojama kogeneracinėse elektrinėse ir perduodama į namus tradiciniais šiuo metu naudojamais perdavimo tinklais. Rajono gamybos efektyvumo nuostoliai apima elektrinės, žemos ir aukštos įtampos perdavimo bei paskirstymo nuostolius.

Paveiksle pavaizduoti mažųjų šiluminių elektrinių integravimo rezultatai: elektra generuojama panaudojimo vietoje iki 60% gamybos efektyvumu. Be to, kuro elementų pagamintą šilumą namų ūkis gali panaudoti vandens ir patalpų šildymui, o tai padidina bendrą kuro energijos perdirbimo efektyvumą ir pagerina energijos taupymą.

Kuro elementų naudojimas aplinkos apsaugai – susijusių naftos dujų naudojimas

Viena iš svarbiausių užduočių naftos pramonėje yra susijusių naftos dujų panaudojimas. Esami susijusių naftos dujų panaudojimo būdai turi daug trūkumų, iš kurių pagrindinis yra tai, kad jie nėra ekonomiškai perspektyvūs. Susijusios naftos dujos deginamos, o tai daro didelę žalą aplinkai ir žmonių sveikatai.

Inovatyvios kuro elementų šilumos ir elektrinės, kuriose kaip kurą naudojamos susijusios naftos dujos, atveria kelią radikaliam ir ekonomiškam susijusių naftos dujų naudojimo problemų sprendimui.

Vienas iš pagrindinių kuro elementų įrenginių privalumų yra tai, kad jie gali patikimai ir tvariai veikti naudojant įvairios sudėties naftos dujas. Dėl beliepsnio cheminės reakcijos, kuri yra kuro elemento veikimo pagrindas, sumažinus, pavyzdžiui, metano procentą, atitinkamai sumažėja išeiga.
Lankstumas vartotojų elektros apkrovos, diferencialo, apkrovos šuolių atžvilgiu.
Šiluminėms elektrinėms įrengti ir prijungti ant kuro elementų, jų įgyvendinimas nereikalauja kapitalo išlaidų, nes Įrenginiai lengvai montuojami neparuoštose aikštelėse šalia laukų, yra lengvai valdomi, patikimi ir efektyvūs.
Aukšta automatika ir modernus nuotolinio valdymo pultas nereikalauja nuolatinio personalo buvimo gamykloje.
Dizaino paprastumas ir techninis tobulumas: judančių dalių, trinties, tepimo sistemų nebuvimas suteikia didelę ekonominę naudą eksploatuojant kuro elementų įrenginius.
Vandens sąnaudos: nėra, kai aplinkos temperatūra iki +30 °C, ir nereikšminga esant aukštesnei temperatūrai.
Vandens išleidimo anga: nėra.
Be to, kuro elementų šiluminės elektrinės nekelia triukšmo, nevibruoja, neišmestų į atmosferą kenksmingų teršalų

Energetikos ekspertai pastebi, kad daugumoje išsivysčiusių šalių sparčiai auga susidomėjimas išsklaidytais, palyginti mažos talpos energijos šaltiniais. Pagrindiniai šių autonominių elektrinių privalumai yra nedidelės kapitalo sąnaudos statybos metu, greitas paleidimas, gana paprasta priežiūra ir geras aplinkosauginis veiksmingumas. Esant autonominei elektros tiekimo sistemai, investicijos į elektros linijas ir pastotes nereikalingos. Autonominių energijos šaltinių išdėstymas tiesiai vartojimo vietose ne tik pašalina nuostolius tinkluose, bet ir padidina elektros energijos tiekimo patikimumą.

Savarankiški energijos šaltiniai, tokie kaip mažos dujų turbinos (dujų turbinos), vidaus degimo varikliai, vėjo turbinos ir puslaidininkinės saulės baterijos, yra gerai žinomi.

Skirtingai nuo vidaus degimo variklių ar anglies/dujų turbinų, kuro elementai nedegina kuro. Cheminės reakcijos metu jie paverčia kuro cheminę energiją į elektros energiją. Todėl kuro elementai neišskiria didelio kuro deginimo metu išsiskiriančių šiltnamio efektą sukeliančių dujų, tokių kaip anglies dioksidas (CO2), metanas (CH4) ir azoto oksidas (NOx). Kuro elementų emisija – tai vanduo garų pavidalu ir nedidelis anglies dioksido kiekis (arba iš viso neišskiriamas CO2), kai elementuose kaip kuras naudojamas vandenilis. Be to, kuro elementai veikia tyliai, nes juose nėra triukšmingų aukšto slėgio rotorių, o veikimo metu nėra išmetamųjų dujų triukšmo ar vibracijos.

Kuro elementas cheminę kuro energiją paverčia elektra cheminės reakcijos metu su deguonimi ar kitu oksiduojančiu agentu. Kuro elementus sudaro anodas (neigiama pusė), katodas (teigiama pusė) ir elektrolitas, leidžiantis krūviams judėti tarp dviejų kuro elemento pusių (Paveikslėlis: kuro elementų schema).

Elektronai juda iš anodo į katodą per išorinę grandinę, sukurdami nuolatinę elektros energiją. Atsižvelgiant į tai, kad pagrindinis skirtumas tarp skirtingų kuro elementų tipų yra elektrolitas, kuro elementai skirstomi pagal naudojamo elektrolito tipą, t.y. aukštos ir žemos temperatūros kuro elementai (TEPM, PMTE). Vandenilis yra labiausiai paplitęs kuras, tačiau kartais gali būti naudojami ir angliavandeniliai, tokie kaip gamtinės dujos ir alkoholiai (t. y. metanolis). Kuro elementai skiriasi nuo baterijų tuo, kad jiems reikalingas nuolatinis kuro ir deguonies/oro šaltinis, kad vyktų cheminė reakcija, ir jie gamina elektros energiją tol, kol tiekiama.

Kuro elementai, palyginti su įprastiniais energijos šaltiniais, tokiais kaip vidaus degimo varikliai ar akumuliatoriai, turi šiuos pranašumus:

Kuro elementai yra efektyvesni nei dyzeliniai ar dujiniai varikliai.
Dauguma kuro elementų yra tylūs, palyginti su vidaus degimo varikliais. Todėl jie tinka pastatams, kuriems keliami specialūs reikalavimai, pavyzdžiui, ligoninėms.
Kuro elementai nesukelia taršos, kurią sukelia deginant iškastinį kurą; pavyzdžiui, vienintelis vandenilio kuro elementų šalutinis produktas yra vanduo.
Jei vandenilis gaunamas elektrolizės būdu iš vandens, tiekiamo iš atsinaujinančių energijos šaltinių, tai naudojant kuro elementus, šiltnamio efektą sukeliančių dujų neišsiskiria viso ciklo metu.
Kuro elementams nereikia įprastinio kuro, pavyzdžiui, naftos ar dujų, todėl galima panaikinti ekonominę priklausomybę nuo naftą gaminančių šalių ir pasiekti didesnį energetinį saugumą.
Kuro elementai nepriklauso nuo elektros tinklų, nes vandenilį galima gaminti visur, kur yra vandens ir elektros, o pagamintą kurą galima paskirstyti.
Naudojant stacionarius kuro elementus energijai gaminti vartojimo vietoje, galima naudoti decentralizuotus energijos tinklus, kurie yra potencialiai stabilesni.
Žemos temperatūros kuro elementai (LEPM, PMFC) pasižymi žemu šilumos perdavimo lygiu, todėl puikiai tinka įvairioms reikmėms.
Aukštesnės temperatūros kuro elementai gamina aukštos kokybės proceso šilumą kartu su elektra ir puikiai tinka kogeneracijai (pavyzdžiui, kogeneracijai gyvenamiesiems namams).
Veikimo laikas yra daug ilgesnis nei baterijų veikimo laikas, nes norint pailginti veikimo trukmę reikia tik daugiau degalų ir nereikia didinti augalų produktyvumo.
Skirtingai nuo baterijų, kuro elementai turi „atminties efektą“, kai į juos pilamas kuras.
Kuro elementų priežiūra yra paprasta, nes jie neturi didelių judančių dalių.

Kuro elementams dažniausiai naudojamas kuras yra vandenilis, nes jis neišskiria kenksmingų teršalų. Tačiau gali būti naudojamas ir kitas kuras, o gamtinių dujų kuro elementai laikomi efektyvia alternatyva, kai gamtinių dujų galima įsigyti konkurencingomis kainomis. Kuro elementuose kuro ir oksidatorių srautas praeina per elektrodus, kuriuos skiria elektrolitas. Tai sukelia cheminę reakciją, kuri gamina elektros energiją; nereikia deginti kuro ar pridėti šiluminės energijos, kas dažniausiai būna naudojant tradicinius elektros gamybos būdus. Naudojant natūralų gryną vandenilį kaip kurą, o deguonį kaip oksidatorių, kuro elemente vykstančios reakcijos metu susidaro vanduo, šiluminė energija ir elektra. Naudojant su kitu kuru, kuro elementai išskiria labai mažai teršalų ir gamina aukštos kokybės, patikimą elektros energiją.

Gamtinių dujų kuro elementų pranašumai yra šie:

Nauda aplinkai- Kuro elementai yra švarus būdas gaminti elektrą iš iškastinio kuro. kadangi grynu vandeniliu ir deguonimi varomi kuro elementai gamina tik vandenį, elektrą ir šilumą; kitų tipų kuro elementai išskiria nedidelį kiekį sieros junginių ir labai mažą anglies dioksido kiekį. Tačiau kuro elementų išmetamas anglies dioksidas yra koncentruotas ir gali būti lengvai sugautas, o ne išleistas į atmosferą.
Efektyvumas- Kuro elementai iškastinio kuro energiją paverčia elektros energija daug efektyviau nei įprastiniai kuro deginimo elektros gamybos būdai. Tai reiškia, kad tam pačiam elektros energijos kiekiui pagaminti reikia mažiau degalų. Nacionalinės energetikos technologijų laboratorijos 58 duomenimis, galima gaminti kuro elementus (kartu su gamtinių dujų turbinomis), kurie veiks nuo 1 iki 20 MWe galios 70 proc. naudingumo koeficientu. Šis efektyvumas yra daug didesnis nei efektyvumas, kurį galima pasiekti naudojant tradicinius energijos gamybos būdus nurodytame galios diapazone.
Gamyba su platinimu- Kuro elementai gali būti gaminami labai mažų dydžių; tai leidžia juos pastatyti tose vietose, kur reikalinga elektra. Tai taikoma gyvenamosioms, komercinėms, pramoninėms ir net transporto priemonėms.
Patikimumas- Kuro elementai yra visiškai uždari įrenginiai, kuriuose nėra judančių dalių ar sudėtingų mechanizmų. Dėl to jie yra patikimi elektros energijos šaltiniai, galintys veikti daug valandų. Be to, jie yra beveik tylūs ir saugūs elektros energijos šaltiniai. Taip pat kuro elementuose nėra elektros šuolių; tai reiškia, kad jie gali būti naudojami tais atvejais, kai reikia nuolat veikiančio, patikimo elektros šaltinio.

Dar visai neseniai mažiau populiarūs buvo kuro elementai (FC) – elektrocheminiai generatoriai, galintys cheminę energiją paversti elektros energija, aplenkdami degimo procesus, šiluminę energiją paverčiant mechanine, o pastarąją – į elektros energiją. Elektros energija kuro elementuose susidaro dėl cheminės reakcijos tarp redukcijos agento ir oksiduojančio agento, kurie nuolat tiekiami į elektrodus. Reduktorius dažniausiai yra vandenilis, oksidatorius – deguonis arba oras. Kuro elementų kamino ir reagentų tiekimo, reakcijos produktų ir šilumos (kurią galima panaudoti) šalinimo įrenginių derinys yra elektrocheminis generatorius.
Paskutiniame XX amžiaus dešimtmetyje, kai elektros energijos tiekimo patikimumas ir aplinkosaugos klausimai buvo ypač svarbūs, daugelis firmų Europoje, Japonijoje ir JAV pradėjo kurti ir gaminti kelis kuro elementų variantus.
Paprasčiausi yra šarminio kuro elementai, nuo kurių ir prasidėjo tokio tipo autonominių energijos šaltinių kūrimas. Darbinė temperatūra šiuose kuro elementuose yra 80-95°C, elektrolitas – 30% kaustinės kalio tirpalas. Šarminiai kuro elementai veikia naudojant gryną vandenilį.
Pastaruoju metu plačiai paplito PEM kuro elementas su protonų mainų membranomis (su polimeriniu elektrolitu). Darbinė temperatūra šiame procese taip pat yra 80-95°C, tačiau kaip elektrolitas naudojama kieta jonų mainų membrana su perfluorsulfonrūgštimi.
Tiesa, komerciškai patraukliausias yra PAFC fosforo rūgšties kuro elementas, kurio efektyvumas yra 40% vien gaminant elektrą, o -85% naudojant generuojamą šilumą. Šio kuro elemento darbinė temperatūra 175–200°C, elektrolitas – skysta fosforo rūgštimi impregnuojantis silicio karbidas, sujungtas su teflonu.

Elementų pakete yra du akytieji grafito elektrodai ir ortofosforo rūgštis kaip elektrolitas. Elektrodai padengti platinos katalizatoriumi. Reformeryje gamtinės dujos, sąveikaudamos su garais, pereina į vandenilį ir CO, kuris konverteryje papildomai oksiduojamas iki CO2. Toliau vandenilio molekulės, veikiamos katalizatoriaus, prie anodo disocijuoja į H jonus, kurių metu išsiskiriantys elektronai per apkrovą nukreipiami į katodą. Prie katodo jie reaguoja su vandenilio jonais, difunduojančiais per elektrolitą, ir su deguonies jonais, kurie susidaro dėl katalizinės oro deguonies oksidacijos katode, galiausiai sudarydami vandenį.
Kuro elementai su išlydytu MCFC tipo karbonatu taip pat priklauso perspektyviems kuro elementų tipams. Šis kuro elementas, dirbant su metanu, turi 50-57% naudingumo koeficientą elektros energijai. Darbinė temperatūra 540-650°C, elektrolitas - išlydytas kalio karbonatas ir natrio šarmas apvalkale - ličio-aliuminio oksido matrica LiA102.
Ir, galiausiai, perspektyviausias kuro elementas yra SOFC. Tai kietojo oksido kuro elementas, kuris naudoja bet kokį dujinį kurą ir labiausiai tinka santykinai dideliems įrenginiams. Jo energinis naudingumas siekia 50-55%, o naudojant kombinuoto ciklo įrenginiuose – iki 65%. Darbinė temperatūra 980-1000°C, elektrolitas – kietas cirkonis, stabilizuotas itriu.

Ant pav. 2 parodyta 24 elementų SOFC baterija, kurią sukūrė Siemens Westinghouse Power Corporation (SWP – Vokietija). Ši baterija yra gamtinėmis dujomis maitinamo elektrocheminio generatoriaus pagrindas. Pirmieji tokio tipo 400 W galios elektrinės demonstraciniai bandymai buvo atlikti dar 1986 m. Vėlesniais metais buvo tobulinama kietojo oksido kuro elementų konstrukcija ir padidinta jų galia.

Sėkmingiausi buvo 1999 metais pradėto eksploatuoti 100 kW agregato parodomieji bandymai. Taigi buvo įrodyta galimybė elektrinę eksploatuoti mažiausiai 40 tūkst. valandų su priimtinu jos galios kritimu.

2001 m. buvo sukurta nauja kietųjų oksidinių elementų jėgainė, veikianti esant atmosferos slėgiui. Akumuliatorius (elektrocheminis generatorius), kurio elektrinė galia 250 kW, kartu generuojant elektrą ir šilumą, apėmė 2304 kieto oksido vamzdinius elementus. Be to, gamykloje buvo inverteris, regeneratorius, kuro (gamtinių dujų) šildytuvas, degimo kamera orui šildyti, šilumokaitis vandeniui šildyti naudojant išmetamųjų dujų šilumą ir kita pagalbinė įranga. Tuo pačiu metu bendri įrenginio matmenys buvo gana nedideli: 2,6x3,0x10,8 m.
Japonijos specialistai padarė tam tikrą pažangą kurdami didelius kuro elementus. Japonijoje moksliniai tyrimai buvo pradėti dar 1972 m., tačiau reikšminga pažanga buvo pasiekta tik dešimtojo dešimtmečio viduryje. Eksperimentinių kuro elementų modulių galia buvo nuo 50 iki 1000 kW, 2/3 jų veikė gamtinėmis dujomis.
1994 metais Japonijoje buvo pastatyta 1 MW kuro elementų elektrinė. Kai bendras naudingumo koeficientas (su garo ir karšto vandens gamyba) buvo lygus 71%, įrenginio elektros energijos tiekimo naudingumo koeficientas buvo ne mažesnis kaip 36%. Nuo 1995 m., remiantis spaudos pranešimais, Tokijuje veikia 11 MW galios fosforo rūgšties kuro elementų elektrinė, o 2000 m. bendra kuro elementų galia siekė 40 MW.

Visi aukščiau išvardyti įrenginiai priklauso pramoninei klasei. Jų kūrėjai nuolat siekia didinti agregatų galią, siekdami pagerinti sąnaudų charakteristikas (specifines sąnaudas už kW instaliuotos galios ir pagamintos elektros savikainą). Tačiau yra keletas įmonių, kurios kelia kitokį tikslą: sukurti paprasčiausius įrenginius buitiniam vartojimui, įskaitant individualius maitinimo šaltinius. Ir šioje srityje yra didelių laimėjimų:

Plug Power LLC sukūrė 7 kW galios kuro elementų įrenginį, skirtą maitinti namus;
H Power Corporation gamina 50-100 W akumuliatorių įkroviklius, naudojamus transporte;
Stažuotojo įmonė. Fuel Cells LLC gamina 50-300 W transporto priemones ir asmeninius maitinimo šaltinius;
„Analytic Power Corporation“ sukūrė 150 W galios asmeninius maitinimo šaltinius JAV armijai, taip pat 3–10 kW kuro elementų namų maitinimo šaltinius.

Kokie yra kuro elementų pranašumai, skatinantys daugybę įmonių daug investuoti į jų plėtrą?
Be didelio patikimumo, elektrocheminiai generatoriai pasižymi dideliu efektyvumu, o tai išskiria juos iš garo turbinų ir net nuo įrenginių su paprasto ciklo dujų turbinomis. Svarbus kuro elementų privalumas yra jų, kaip išsklaidytų energijos šaltinių, naudojimo patogumas: modulinė konstrukcija leidžia nuosekliai sujungti bet kokį atskirų elementų skaičių, kad susidarytų baterija – ideali kokybė norint padidinti galią.

Tačiau svarbiausias argumentas kuro elementų naudai yra jų aplinkosauginis veiksmingumas. NOX ir CO emisija iš šių įrenginių yra tokia maža, kad, pavyzdžiui, apskrities oro kokybės institucijos regionuose (kur aplinkos kontrolės taisyklės JAV yra griežčiausios) šios įrangos net nemini visuose apsaugos reikalavimuose. atmosferos.

Daugybė kuro elementų privalumų, deja, šiuo metu negali nusverti vienintelio jų trūkumo – didelių sąnaudų. Pavyzdžiui, JAV specifinės kapitalo sąnaudos elektrinės statybai net ir turint konkurencingiausius kuro elementus yra apie 3500 USD/kW. . Nors vyriausybė teikia 1000 USD/kWh subsidiją, kad paskatintų šios technologijos paklausą, tokių įrenginių statybos kaina išlieka gana didelė. Ypač palyginus su kapitalo sąnaudomis statant mini kogeneracinę elektrinę su dujų turbinomis arba su megavatų galios vidaus degimo varikliais, kurios yra apie 500 USD/kW.

Pastaraisiais metais buvo padaryta tam tikra pažanga mažinant FC įrenginių išlaidas. Aukščiau paminėtų 0,2–1,0 MW galios fosforo rūgšties kuro elementų elektrinių statyba kainavo 1700 USD / kW. Skaičiuojama, kad energijos gamybos kaina tokiuose įrenginiuose Vokietijoje, naudojant 6000 valandų per metus, yra 7,5-10 centų / kWh. 200 kW galios PC25 gamykla, kurią eksploatuoja Hessische EAG (Darmstadt), taip pat pasižymi gerais ekonominiais rodikliais: elektros sąnaudos, įskaitant nusidėvėjimą, kurą ir įrenginio priežiūros išlaidas, sudarė 15 centų/kWh. Energetikos įmonėje rusvosios anglies AE toks pat rodiklis buvo 5,6 cento / kWh, anglies - 4,7 cento / kWh, kombinuoto ciklo elektrinėse - 4,7 cento / kWh ir dyzelinėse - 10,3 cento / kWh.

Didesnės kuro elementų gamyklos (N=1564 kW), veikiančios nuo 1997 m. Kelne, statyba reikalavo 1500-1750 USD/kW specifinių kapitalo sąnaudų, tačiau realių kuro elementų kaina siekė tik 400 USD/kW.

Visa tai, kas išdėstyta pirmiau, rodo, kad kuro elementai yra perspektyvi energijos gamybos įranga, skirta tiek pramonei, tiek autonominiams buitinio sektoriaus įrenginiams. Didelis dujų naudojimo efektyvumas ir puikios aplinkosauginės charakteristikos leidžia manyti, kad išsprendus svarbiausią užduotį – kaštų mažinimą – tokio tipo elektros įrenginiai bus paklausūs autonominių šilumos ir elektros tiekimo sistemų rinkoje.

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

Kuro elementas yra įrenginys, efektyviai generuojantis nuolatinę srovę ir šilumą iš daug vandenilio turinčio kuro per elektrocheminę reakciją.

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

Skirtingai nuo kitų elektros generatorių, tokių kaip vidaus degimo varikliai ar turbinos, veikiančios dujomis, anglimi, nafta ir kt., kuro elementai nedegina kuro. Tai reiškia, kad nėra triukšmingų aukšto slėgio rotorių, nėra didelio išmetimo triukšmo, nėra vibracijos. Kuro elementai generuoja elektrą 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 eksploatavimo metu išmetami teršalai yra vanduo garų pavidalu ir nedidelis anglies dioksido kiekis, kuris visiškai neišsiskiria, jei kaip kuras naudojamas grynas vandenilis. Kuro elementai surenkami į mazgus, o vėliau į atskirus funkcinius modulius.

Kuro elementų veikimo principas

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

Anodas ir katodas yra atskirti elektrolitu, kuris praleidžia protonus. Į anodą patekus vandeniliui, o į katodą - deguoniui, prasideda cheminė reakcija, kurios metu susidaro elektros srovė, šiluma ir vanduo. Ant anodo katalizatoriaus molekulinis vandenilis disocijuoja ir praranda elektronus. Vandenilio jonai (protonai) yra nuvedami per elektrolitą į katodą, o elektronai perduodami per elektrolitą ir per išorinę elektros grandinę, sukuriant nuolatinę srovę, kuri gali būti naudojama įrangai maitinti. Ant katodo katalizatoriaus 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 yra atitinkama reakcija:

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

Kuro elementų tipai

Panašiai kaip egzistuoja įvairių tipų vidaus degimo varikliai, yra įvairių kuro elementų tipų – 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.

Kuro elementai ant išlydyto karbonato (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 technologinio kuro ir kitų šaltinių. Šis procesas buvo sukurtas septintojo dešimtmečio viduryje. Nuo to laiko buvo patobulinta gamybos technologija, našumas ir patikimumas.

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.

Anodo reakcija: 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 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 sistemas su išlydytu karbonato elektrolitu pastovios galios sąlygomis. Aukšta temperatūra apsaugo nuo kuro elementų pažeidimo anglies monoksidu, „apsinuodijimo“ ir kt.

Išlydyto karbonato kuro elementai tinkami naudoti dideliuose stacionariuose įrenginiuose. Pramoniniu būdu gaminamos šiluminės elektrinės, kurių išėjimo elektros galia yra 2,8 MW. Plėtojamos elektrinės, kurių išėjimo galia iki 100 MW.

Kuro elementai fosforo rūgšties (PFC) pagrindu.

Kuro elementai, pagaminti iš fosforo (ortofosforo) rūgšties, buvo pirmieji komerciniam naudojimui skirti kuro elementai. Šis procesas buvo sukurtas septintojo dešimtmečio viduryje ir buvo išbandytas nuo aštuntojo dešimtmečio. Nuo to laiko padidėjo stabilumas, našumas ir kaina.

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

Šio tipo kuro elementų krūvininkas yra vandenilis (H+, protonas). Panašus procesas vyksta ir protonų mainų membranos kuro elementuose (MEFC), kurių metu į anodą tiekiamas vandenilis suskaidomas į protonus ir elektronus. Protonai praeina per elektrolitą ir jungiasi su deguonimi iš oro prie katodo, sudarydami vandenį. Elektronai nukreipiami išilgai išorinės elektros grandinės ir susidaro elektros srovė. Žemiau pateikiamos reakcijos, kurios gamina elektrą ir šilumą.

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

Didelis kuro elementų šiluminių elektrinių, kurių pagrindą sudaro fosforo (ortofosforo) rūgštis, našumas kartu gaminant šilumą ir elektrą yra vienas iš šio tipo kuro elementų privalumų. Gamyklos naudoja apie 1,5% koncentracijos anglies monoksidą, kuris labai išplečia kuro pasirinkimą. Be to, CO2 neturi įtakos elektrolitui ir kuro elemento darbui, šio tipo elementai veikia su reformuotu natūraliu kuru. Paprasta konstrukcija, mažas elektrolitų lakumas ir padidėjęs stabilumas taip pat yra šio tipo kuro elementų pranašumai.

Pramoniniu būdu gaminamos šiluminės elektrinės, kurių išėjimo elektros galia iki 400 kW. 11 MW įrenginiai išlaikė atitinkamus bandymus. Plėtojamos elektrinės, kurių išėjimo galia iki 100 MW.

Kuro elementai su protonų mainų membrana (PME)

Protonų mainų membranos kuro elementai laikomi geriausiu kuro elementų tipu transporto priemonių energijos gamybai, galinčiu pakeisti benzininius ir dyzelinius vidaus degimo variklius. Šiuos kuro elementus NASA pirmą kartą panaudojo Gemini programai. Šiandien kuriami ir demonstruojami MOPFC įrenginiai, kurių galia nuo 1 W iki 2 kW.

Šie kuro elementai naudoja kietą polimerinę membraną (ploną plastikinę plėvelę) kaip elektrolitą. Įmirkytas vandeniu, šis polimeras praleidžia protonus, bet nelaidžia elektronams.

Kuras yra vandenilis, o krūvininkas yra vandenilio jonas (protonas). Prie anodo vandenilio molekulė yra atskirta 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. Ant elektrodų vyksta šios reakcijos:

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

Palyginti su kitų tipų kuro elementais, protonų mainų membranos kuro elementai gamina daugiau galios 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 savybių, dėl kurių šie kuro elementai yra pagrindinis kandidatas naudoti transporto priemonėse.

Kitas privalumas yra tai, kad elektrolitas yra kieta, o ne skysta medžiaga. Išlaikyti dujas prie katodo ir anodo lengviau naudojant kietą elektrolitą, todėl tokius kuro elementus pagaminti pigiau. Palyginti su kitais elektrolitais, naudojant kietą elektrolitą nekilo problemų, tokių kaip orientacija, mažiau problemų kyla dėl korozijos atsiradimo, dėl ko pailgėja elemento ir jo komponentų patvarumas.

Kietojo oksido kuro elementai (SOFC)

Kietojo oksido kuro elementai yra kuro elementai, kurių darbinė temperatūra yra aukščiausia. Darbinė temperatūra gali svyruoti nuo 600°C iki 1000°C, kas leidžia naudoti įvairių rūšių kurą be specialaus išankstinio apdorojimo. Šiai aukštai temperatūrai atlaikyti naudojamas elektrolitas yra plonas keramikos pagrindu pagamintas kietas metalo oksidas, dažnai itrio ir cirkonio lydinys, kuris yra deguonies (O2-) jonų laidininkas. Kietojo oksido kuro elementų naudojimo technologija buvo vystoma nuo šeštojo dešimtmečio pabaigos. ir turi dvi konfigūracijas: plokštuminę ir vamzdinę.

Kietas elektrolitas užtikrina hermetišką dujų perėjimą iš vieno elektrodo į kitą, o skysti elektrolitai yra porėtame substrate. Šio tipo kuro elementų krūvininkas yra deguonies jonas (О2-). Prie katodo deguonies molekulės yra atskirtos nuo oro į deguonies joną ir keturis elektronus. Deguonies jonai praeina per elektrolitą ir susijungia su vandeniliu, sudarydami keturis laisvus elektronus. Elektronai nukreipiami per išorinę elektros grandinę, sukuriant elektros srovę ir atliekamą šilumą.

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

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

Kuro elementai su tiesiogine metanolio oksidacija (DOMTE)

Kuro elementų su tiesiogine metanolio oksidacija struktūra panaši į kuro elementų su protonų mainų membrana (MOFEC), t.y. polimeras naudojamas kaip elektrolitas, o vandenilio jonas (protonas) – kaip krūvininkas. Tačiau skystas metanolis (CH3OH) oksiduojamas esant vandeniui prie anodo, išskiriant CO2, vandenilio jonus ir elektronus, kurie nukreipiami per išorinę elektros grandinę ir susidaro elektros srovė. Vandenilio jonai praeina per elektrolitą ir reaguoja su deguonimi iš oro ir elektronais iš išorinės grandinės, sudarydami vandenį prie anodo.

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

Šių kuro elementų kūrimas pradėtas praėjusio amžiaus dešimtojo dešimtmečio pradžioje. Sukūrus patobulintus katalizatorius ir įdiegus kitas naujausias naujoves, galios tankis ir efektyvumas padidėjo iki 40%.

Šie elementai buvo išbandyti 50-120°C temperatūros diapazone. Esant žemai darbinei temperatūrai ir nereikia keitiklio, tiesioginio metanolio kuro elementai yra geriausias pasirinkimas įvairiems pritaikymams nuo mobiliųjų telefonų ir kitų plataus vartojimo prekių iki automobilių variklių. Šio tipo kuro elementų privalumas yra jų mažas dydis dėl skystojo kuro naudojimo ir poreikio naudoti keitiklį.

Šarminiai kuro elementai (AFC)

Šarminiai kuro elementai (ALFC) yra viena iš labiausiai ištirtų technologijų ir buvo naudojamos nuo septintojo dešimtmečio vidurio. NASA „Apollo“ ir „Space Shuttle“ programose. Šiuose erdvėlaiviuose kuro elementai gamina elektrą ir geriamąjį 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, t. y. 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 SFC yra hidroksido jonas (OH-), judantis nuo katodo iki anodo, kur jis reaguoja su vandeniliu ir gamina vandenį ir elektronus. Ant anodo pagamintas vanduo grįžta atgal į katodą, ten vėl generuodamas hidroksido jonus. Dėl šios kuro elemente vykstančių reakcijų serijos gaminama elektra, o kaip šalutinis produktas – šiluma:

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

SFC 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, SCFC veikia palyginti žemoje temperatūroje ir yra vieni iš efektyviausių kuro elementų – tokios charakteristikos atitinkamai gali prisidėti prie greitesnės energijos gamybos ir didelio kuro efektyvumo.

Viena iš būdingų SFC savybių yra didelis jautrumas CO2, kuris gali būti degaluose arba ore. CO2 reaguoja su elektrolitu, greitai jį nuodija ir labai sumažina kuro elemento efektyvumą. Todėl SFC naudojimas apsiriboja uždaromis erdvėmis, tokiomis kaip erdvės ir povandeninės transporto priemonės, jos turi veikti naudojant gryną vandenilį ir deguonį. Be to, SFC kenksmingos molekulės, tokios kaip CO, H2O ir CH4, kurios yra saugios kitiems kuro elementams, o kai kuriems net kurui.

Polimerinių elektrolitų kuro elementai (PETE)

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

Kietosios rūgšties kuro elementai (SCFC)

Paprastai kietojo rūgšties kuro elementas yra sumuštinis, kuriame labai plonas kieto rūgšties junginio sluoksnis yra įterptas tarp dviejų sandariai suspaustų elektrodų, kad būtų užtikrintas geras kontaktas. Kaitinamas organinis komponentas išgaruoja, išeina per elektroduose esančias poras, išsaugodamas daugybę kontaktų tarp kuro (arba deguonies kitame elementų gale), elektrolito ir elektrodų galimybę.

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

Prisijunkite prie mūsų adresu