Kuidas kütuseelemendid töötavad. Mis on kütuseelemendid

AT kaasaegne elu keemilised vooluallikad on kõikjal meie ümber: taskulampide patareid, mobiiltelefonide akud, vesinikkütuseelemendid, mida juba kasutatakse mõnes autos. Elektrokeemiliste tehnoloogiate kiire areng võib viia selleni, et lähitulevikus ümbritsevad meid bensiinimootoriga autode asemel ainult elektrisõidukid, telefonid ei tühjene enam kiiresti ning igas majas on oma kütuseelement elektriline. generaator. Üks Uurali föderaalülikooli ühisprogrammidest Venemaa Teaduste Akadeemia Uurali filiaali Kõrgtemperatuuri Elektrokeemia Instituudiga, kellega koostöös selle artikli avaldame, on pühendatud elektrokeemiliste salvestusseadmete ja elektrigeneraatorite tõhususe parandamisele. .

Tänapäeval on neid palju erinevad tüübid patareid, mille hulgas on järjest raskem navigeerida. Kõigile pole kaugeltki selge, mille poolest aku erineb superkondensaatorist ja miks saab kasutada vesinikkütuseelementi, kartmata keskkonda kahjustada. Selles artiklis räägime sellest, kuidas keemilisi reaktsioone kasutatakse elektri tootmiseks, mis vahe on tänapäevaste keemiliste vooluallikate peamistel tüüpidel ja millised väljavaated avanevad elektrokeemilisele energiale.

Keemia kui elektriallikas

Kõigepealt vaatame, miks saab keemilist energiat üldse kasutada elektri tootmiseks. Asi on selles, et redoksreaktsioonides kanduvad elektronid kahe erineva iooni vahel. Kui kaks poolt keemiline reaktsioon levida ruumis nii, et oksüdatsioon ja redutseerimine toimuvad teineteisest eraldi, siis on võimalik veenduda, et ühest ioonist eralduv elektron ei lange kohe teisele, vaid läheb esmalt mööda tema jaoks etteantud teed. Seda reaktsiooni saab kasutada elektrivoolu allikana.

Seda kontseptsiooni rakendas esmakordselt 18. sajandil Itaalia füsioloog Luigi Galvani. Traditsioonilise galvaanilise elemendi toime põhineb erineva aktiivsusega metallide redutseerimise ja oksüdatsiooni reaktsioonidel. Näiteks klassikaline element on galvaaniline element, milles tsink oksüdeeritakse ja vask redutseeritakse. Redutseerimis- ja oksüdatsioonireaktsioonid toimuvad vastavalt katoodil ja anoodil. Ja selleks, et vase- ja tsingiioonid ei satuks "võõrterritooriumile", kus nad saaksid üksteisega otse reageerida, asetatakse tavaliselt anoodi ja katoodi vahele spetsiaalne membraan. Selle tulemusena tekib elektroodide vahel potentsiaalide erinevus. Kui ühendate elektroodid näiteks lambipirniga, hakkab tekkivas elektriahelas vool voolama ja pirn süttib.

Galvaanielemendi skeem

Wikimedia Commons

Lisaks anoodi ja katoodi materjalidele on keemilise vooluallika oluliseks komponendiks elektrolüüt, mille sees liiguvad ioonid ja mille piiril kulgevad elektroodidega kõik elektrokeemilised reaktsioonid. Sel juhul ei pea elektrolüüt olema vedel – see võib olla nii polümeer kui ka keraamiline materjal.

Galvaanielemendi peamine puudus on piiratud tööaeg. Niipea, kui reaktsioon lõpeb (st kogu järk-järgult lahustuv anood on täielikult ära kasutatud), lakkab selline element lihtsalt töötamast.

Sõrme leelispatareid

Laetav

Esimene samm keemiliste vooluallikate võimaluste laiendamise suunas oli aku loomine – vooluallikas, mida saab laadida ja seetõttu taaskasutada. Selleks tegid teadlased lihtsalt ettepaneku kasutada pöörduvaid keemilisi reaktsioone. Olles aku esimest korda täielikult tühjendanud, saab välise vooluallika abil selles toimunud reaktsiooni käivitada vastupidises suunas. See taastab algse oleku, nii et akut saab pärast laadimist uuesti kasutada.

Autotööstuse plii happeaku

Tänaseks on loodud palju erinevat tüüpi patareisid, mis erinevad neis toimuva keemilise reaktsiooni tüübi poolest. Levinumad akude tüübid on pliiakud (või lihtsalt pliiakud), mis põhinevad plii oksüdatsiooni-redutseerimisreaktsioonil. Selliste seadmete kasutusiga on üsna pikk ja nende energiatarve on kuni 60 vatt-tundi kilogrammi kohta. Veel populaarsem aastal viimastel aegadel on liitiumioonakud, mis põhinevad liitiumi redoksreaktsioonil. Tänapäevaste liitiumioonakude energiamahukus ületab nüüd 250 vatt-tundi kilogrammi kohta.

Li-ion aku mobiiltelefonile

Liitiumioonakude peamised probleemid on nende madal efektiivsus madalatel temperatuuridel, kiire vananemine ja suurenenud plahvatusohtlikkus. Ja kuna liitiummetall reageerib väga aktiivselt veega, moodustades vesinikgaasi ja aku põlemisel eraldub hapnikku, on liitiumioonaku iseeneslikku põlemist traditsiooniliste tulekustutusmeetoditega väga raske kasutada. Sellise aku ohutuse parandamiseks ja laadimisaja kiirendamiseks pakuvad teadlased välja katoodmaterjali, mis takistab dendriitsete liitiumstruktuuride teket ning lisab elektrolüüdile aineid, mis moodustavad plahvatusohtlikke struktuure, ja varajases staadiumis süttivaid komponente. .

Tahke elektrolüüt

Teise vähem ilmse viisina akude tõhususe ja ohutuse suurendamiseks on keemikud teinud ettepaneku mitte piirduda keemilistes vooluallikates vedelate elektrolüütidega, vaid luua täielikult tahkisvooluallikas. Sellistes seadmetes pole vedelaid komponente üldse, vaid nende vahel on tahke anoodi, tahke katood ja tahke elektrolüüdi kihiline struktuur. Elektrolüüt täidab samal ajal membraani funktsiooni. Tahkes elektrolüüdis võivad laengukandjad olla mitmesugused ioonid, olenevalt selle koostisest ning anoodil ja katoodil toimuvatest reaktsioonidest. Kuid need on alati piisavalt väikesed ioonid, mis võivad kristalli kaudu suhteliselt vabalt liikuda, näiteks H + prootonid, Li + liitiumioonid või O 2- hapnikuioonid.

Vesinikkütuseelemendid

Laadimisvõimalus ja spetsiaalsed turvameetmed muudavad akud palju perspektiivikamaks vooluallikaks kui tavalised akud, kuid sellegipoolest sisaldab iga aku sees piiratud koguses reaktiive ja seega ka piiratud energiavarustust ning iga kord tuleb akut uuesti laadida. selle toimimise jätkamiseks.

Aku "lõpmatuks" muutmiseks on võimalik energiaallikana kasutada mitte raku sees olevaid aineid, vaid spetsiaalselt läbi pumbatud kütust. Mis kõige parem, selliseks kütuseks sobib kõige paremini aine, mis on koostiselt võimalikult lihtne, keskkonnasõbralik ja Maal ohtralt saadaval.

Seda tüüpi sobivaim aine on gaasvesinik. Selle oksüdeerimine õhuhapnikuga vee moodustamiseks (vastavalt reaktsioonile 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) on lihtne redoksreaktsioon ning vooluallikana saab kasutada ka elektronide transporti ioonide vahel. Sel juhul kulgev reaktsioon on omamoodi pöördreaktsioon vee elektrolüüsi reaktsioonile (milles elektrivoolu toimel laguneb vesi hapnikuks ja vesinikuks) ning esimest korda pakuti selline skeem välja juba aastal. 19. sajandi keskpaik.

Kuid hoolimata asjaolust, et vooluahel näeb välja üsna lihtne, pole sellel põhimõttel tõhusa seadme loomine sugugi tühine ülesanne. Selleks on vaja eraldada hapniku ja vesiniku vood ruumis, tagada vajalike ioonide transport läbi elektrolüüdi ning vähendada võimalikke energiakadusid kõigil tööetappidel.

Vesinikkütuseelemendi töö skemaatiline diagramm

Töötava vesinikkütuseelemendi skeem on väga sarnane keemilise vooluallika skeemile, kuid sisaldab täiendavaid kanaleid kütuse ja oksüdeerija varustamiseks ning reaktsioonisaaduste ja üleliigsete gaaside eemaldamiseks. Sellise elemendi elektroodid on poorsed juhtivad katalüsaatorid. Anoodile suunatakse gaaskütus (vesinik) ja katoodile oksüdeeriv aine (õhuhapnik) ning iga elektroodi piiril elektrolüüdiga toimub oma poolreaktsioon (oksüdatsioon). vesinik ja hapniku redutseerimine). Sellisel juhul võib olenevalt kütuseelemendi tüübist ja elektrolüüdi tüübist vee teke ise toimuda kas anoodi- või katoodiruumis.

Toyota vesinikkütuseelement

Joseph Brent / flickr

Kui elektrolüüdiks on prootonit juhtiv polümeer või keraamiline membraan, happe- või leeliselahus, siis laengukandjaks elektrolüüdis on vesinikioonid. Sel juhul oksüdeeritakse molekulaarne vesinik anoodil vesinikioonideks, mis läbivad elektrolüüdi ja reageerivad seal hapnikuga. Kui laengukandjaks on hapnikuioon O 2–, nagu tahke oksiidelektrolüüdi puhul, siis redutseeritakse hapnik katoodil iooniks, see ioon läbib elektrolüüdi ja oksüdeerib anoodil vesinikku, moodustades vee ja vaba. elektronid.

Lisaks kütuseelementide vesiniku oksüdatsioonireaktsioonile tehti ettepanek kasutada muud tüüpi reaktsioone. Näiteks vesiniku asemel võiks taandavaks kütuseks olla metanool, mis hapniku toimel oksüdeeritakse süsihappegaasiks ja veeks.

Kütuseelementide tõhusus

Vaatamata kõigile vesinikkütuseelementide eelistele (näiteks keskkonnasõbralikkus, praktiliselt piiramatu efektiivsus, kompaktsus ja kõrge energiamahukus), on neil ka mitmeid puudusi. Nende hulka kuuluvad ennekõike komponentide järkjärguline vananemine ja raskused vesiniku säilitamisel. Teadlased tegelevad täna just nende puuduste kõrvaldamisega.

Praegu tehakse ettepanek tõsta kütuseelementide efektiivsust, muutes elektrolüüdi koostist, katalüsaatorelektroodi omadusi ja süsteemi geomeetriat (mis tagab küttegaaside tarnimise soovitud punkt ja vähendada kõrvaltoimeid). Vesinikgaasi säilitamise probleemi lahendamiseks kasutatakse plaatinat sisaldavaid materjale, mille küllastamiseks näiteks grafeenmembraane.

Selle tulemusena on võimalik saavutada kütuseelemendi stabiilsuse ja selle üksikute komponentide eluea pikenemine. Nüüd ulatub keemilise energia elektrienergiaks muundamise koefitsient sellistes rakkudes 80 protsendini ja teatud tingimustel võib see olla veelgi suurem.

Vesinikuenergia tohutud väljavaated on seotud võimalusega ühendada kütuseelemendid terveteks akudeks, muutes need suure võimsusega elektrigeneraatoriteks. Veel praegugi on vesinikkütuseelementidel töötavate elektrigeneraatorite võimsus kuni mitusada kilovatti ja neid kasutatakse sõidukite jõuallikatena.

Alternatiivne elektrokeemiline ladustamine

Lisaks klassikalistele elektrokeemilistele vooluallikatele kasutatakse energiasalvestitena ka ebatavalisemaid süsteeme. Üks neist süsteemidest on superkondensaator (või ionistor) – seade, milles laengu eraldumine ja akumuleerumine toimub laetud pinna lähedal kahekihilise moodustumise tõttu. Sellise seadme elektroodi-elektrolüüdi liidesel rivistuvad erineva märgiga ioonid kahte kihti, nn "topeltelektrikihti", moodustades omamoodi väga õhukese kondensaatori. Sellise kondensaatori mahtuvuse ehk akumuleeritud laengu suuruse määrab elektroodi materjali eripind, seetõttu on otstarbekas võtta materjaliks maksimaalse eripinnaga poorsed materjalid. superkondensaatorid.

Ionistorid on laadimis-tühjenemise keemiliste vooluallikate seas meistrid laadimiskiiruse osas, mis on seda tüüpi seadmete vaieldamatu eelis. Paraku on nad ka tühjenemiskiiruse rekordiomanikud. Ionistorite energiatihedus on kaheksa korda väiksem võrreldes pliiakudega ja 25 korda väiksem kui liitiumioonakudel. Klassikalised "kahekihilised" ionistorid ei kasuta oma tuumas elektrokeemilist reaktsiooni ja termin "kondensaator" on nende kohta kõige täpsem. Kuid ionistorite nendes versioonides, mis põhinevad elektrokeemilisel reaktsioonil ja laengu kogunemine ulatub elektroodi sügavusse, on kiire laadimiskiiruse säilitamisel võimalik saavutada pikemaid tühjendusaegu. Superkondensaatorite arendajate jõupingutused on suunatud akudega hübriidseadmete loomisele, milles on ühendatud superkondensaatorite eelised, eelkõige kõrge laadimiskiirus, ja akude eelised - kõrge energiaintensiivsus ja pikk tühjenemisaeg. Kujutage ette lähitulevikus ionistori akut, mis laeb paari minutiga ja annab sülearvutile või nutitelefonile toite päeva või kauemgi!

Hoolimata asjaolust, et praegu on superkondensaatorite energiatihedus endiselt mitu korda väiksem akude energiatihedusest, kasutatakse neid olmeelektroonikas ja erinevate sõidukite mootorites, sealhulgas kõige rohkem.

* * *

Seega on täna olemas suur hulk elektrokeemilised seadmed, millest igaüks on oma konkreetsete rakenduste jaoks paljutõotav. Nende seadmete tõhususe parandamiseks peavad teadlased lahendama mitmeid nii fundamentaalseid kui ka tehnoloogilisi probleeme. Enamiku nende ülesannetega ühe läbimurdeprojekti raames tegeletakse Uurali föderaalülikoolis, nii et palusime Venemaa Teaduste Akadeemia Uurali filiaali Kõrgtemperatuuri Elektrokeemia Instituudi direktorilt Maksim Ananievilt professorilt. Uurali föderaalülikooli keemiatehnoloogia instituudi elektrokeemilise tootmistehnoloogia osakonnale, et rääkida kaasaegsete kütuseelementide arendamise lähiplaanidest ja väljavaadetest.

N+1: kas kõige populaarsematele liitiumioonakudele on lähiajal alternatiivi?

Maxim Ananiev: Akude arendajate kaasaegsed jõupingutused on suunatud elektrolüüdi laengukandja tüübi asendamisele liitiumilt naatriumi, kaaliumi ja alumiiniumiga. Liitiumi asendamise tulemusena on võimalik aku maksumust vähendada, kuigi kaal ja suurus suurenevad proportsionaalselt. Teisisõnu, samade elektriliste omaduste korral on naatriumioonaku suurem ja raskem kui liitiumioonaku.

Lisaks on üheks paljutõotavaks arengusuunaks akude täiustamisel hübriidkeemiliste energiaallikate loomine, mis põhinevad metalliioonakude kombineerimisel õhuelektroodiga, nagu kütuseelementides. Üldiselt võimaldab hübriidsüsteemide loomise suund, nagu superkondensaatorite näitel juba näidatud, ilmselt lähitulevikus turul näha ka kõrgete tarbijaomadustega keemilisi energiaallikaid.

Uurali föderaalülikool viib koos akadeemiliste ja tööstuspartneritega Venemaalt ja maailmast praegu ellu kuut megaprojekti, mis on keskendunud teadusliku uurimistöö läbimurdevaldkondadele. Üks sellistest projektidest on "Elektrokeemilise energia perspektiivsed tehnoloogiad uute materjalide keemilisest disainist kuni uue põlvkonna elektrokeemiliste seadmeteni energia säästmiseks ja muundamiseks".

Teadlaste rühm strateegilise akadeemilise üksuse (SAU) UrFU loodusteaduste ja matemaatika koolist, kuhu kuulub Maxim Ananiev, tegeleb uute materjalide ja tehnoloogiate, sealhulgas kütuseelementide, elektrolüütiliste elementide, metallgrafeenpatareide, elektrokeemiliste materjalide kavandamise ja arendamisega. energiasalvestussüsteemid ja superkondensaatorid.

Uurimis- ja teadustöö toimub pidevas koostöös Venemaa Teaduste Akadeemia Uurali Filiaali Kõrgtemperatuuri Elektrokeemia Instituudiga ja partnerite toel.

Milliseid kütuseelemente praegu arendatakse ja millel on suurim potentsiaal?

Üks paljutõotavamaid kütuseelementide tüüpe on prootonkeraamilised elemendid. Neil on eelised prootonivahetusmembraani ja tahkeoksiidelementidega polümeerkütuseelementide ees, kuna need võivad töötada otsese süsivesinikkütusega. See lihtsustab oluliselt prootonkeraamilistel kütuseelementidel põhineva elektrijaama ja juhtimissüsteemi projekteerimist ning suurendab seetõttu töökindlust. Tõsi, seda tüüpi kütuseelemendid on hetkel ajalooliselt vähem arenenud, kuid kaasaegsed teadusuuringud lubavad loota selle tehnoloogia suurele potentsiaalile tulevikus.

Milliste kütuseelementidega seotud probleemidega Uurali föderaalülikoolis praegu tegeletakse?

Nüüd töötavad UrFU teadlased koos Venemaa Teaduste Akadeemia Uurali filiaali Kõrgtemperatuuri Elektrokeemia Instituudiga (IHTE) ülitõhusate elektrokeemiliste seadmete ja autonoomsete elektrigeneraatorite loomisel hajutatud energia rakenduste jaoks. Hajaenergia elektrijaamade loomine eeldab algselt elektrigeneraatoril ja salvestusseadmel põhinevate hübriidsüsteemide väljatöötamist, milleks on akud. Kütuseelement töötab samal ajal pidevalt, pakkudes koormust tipptundidel ning tühikäigul laeb akut, mis ise võib toimida varuna nii suure voolutarbimise korral kui ka hädaolukordades.

Uurali föderaalülikooli ja IHTE keemikud saavutasid suurima edu tahkeoksiidi ja prootonkeraamiliste kütuseelementide väljatöötamisel. Alates 2016. aastast on Uuralites koos riikliku korporatsiooniga Rosatom loodud esimene Venemaa tahkeoksiidkütuseelementidel põhinevate elektrijaamade tootmine. Uurali teadlaste arendus on juba läbinud "välikatsed" gaasitoru katoodkaitsejaamas Uraltransgaz LLC katsekohas. 1,5-kilovatise nimivõimsusega elektrijaam on töötanud üle 10 tuhande tunni ja on näidanud suurt potentsiaali selliste seadmete kasutamiseks.

Uurali föderaalülikooli ja IHTE ühislabori raames arendatakse prootoneid juhtival keraamilisel membraanil põhinevaid elektrokeemilisi seadmeid. See võimaldab lähitulevikus alandada tahkeoksiidkütuseelementide töötemperatuure 900 Celsiuse kraadilt 500 kraadini ning loobuda süsivesinikkütuse eelreformeerimisest, luues nii kulutõhusad elektrokeemilised generaatorid, mis on võimelised töötama ka keskkonnatingimustes. arendanud gaasivarustuse infrastruktuuri Venemaal.

Aleksander Dubov

Mobiilne elektroonika muutub igal aastal, kui mitte kuuga, kättesaadavamaks ja levinumaks. Siin on sülearvutid ja pihuarvutid, digikaamerad ja mobiiltelefonid ning palju igasuguseid kasulikke ja mitte eriti seadmeid. Ja kõik need seadmed saavad pidevalt uusi funktsioone, võimsamaid protsessoreid, suuremaid värvilisi ekraane, juhtmevaba ühenduvust, vähendades samal ajal suurust. Kuid erinevalt pooljuhttehnoloogiatest ei ole selle mobiilse loomastiku energiatehnoloogiad sugugi hüplikud.

Tavapärastest akudest ja patareidest ei piisa ilmselt elektroonikatööstuse viimaste edusammude jaoks märkimisväärse aja jooksul. Ja ilma töökindlate ja mahukate akudeta on mobiilsuse ja juhtmevabaduse mõte kadunud. Nii et arvutitööstus tegeleb probleemiga üha aktiivsemalt alternatiivsed toiteallikad. Ja praeguseni kõige lootustandvam suund on siin kütuseelemendid.

Kütuseelementide põhiprintsiibi avastas Briti teadlane Sir William Grove 1839. aastal. Teda tuntakse "kütuseelemendi" isana. William Grove tootis elektrit vesiniku ja hapniku ekstraheerimise teel. Olles aku elektrolüütielemendi küljest lahti ühendanud, avastas Grove üllatusega, et elektroodid hakkasid vabanevat gaasi neelama ja voolu tekitama. Protsessi avamine vesiniku elektrokeemiline "külm" põletamine sai märkimisväärne sündmus energiasektoris ja tulevikus mängisid kütuseelementide teoreetiliste aluste väljatöötamisel ja praktilisel rakendamisel olulist rolli ning ennustasid neile suurt tulevikku sellised tuntud elektrokeemikud nagu Ostwald ja Nernst.

mina ise mõiste "kütuseelement" (Fuel Cell) ilmus hiljem – selle pakkusid 1889. aastal välja Ludwig Mond ja Charles Langer, kes üritasid luua seadet õhust ja söegaasist elektri tootmiseks.

Tavalisel hapnikus põlemisel orgaaniline kütus oksüdeerub ja kütuse keemiline energia muundatakse ebaefektiivselt soojusenergiaks. Kuid selgus, et elektrolüüdikeskkonnas on võimalik läbi viia oksüdatsioonireaktsioon, näiteks vesinik hapnikuga, ja elektroodide juuresolekul saada elektrivool. Näiteks varustades leeliselises keskkonnas elektroodi vesinikuga, saame elektronid:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

mis läbides välist vooluringi sisenevad vastaselektroodile, kuhu siseneb hapnik ja kus toimub reaktsioon: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

On näha, et tekkiv reaktsioon 2H2 + O2 → H2O on sama, mis tavapärasel põlemisel, kuid kütuseelemendis või muul viisil - elektrokeemiline generaator, saadakse suure kasuteguriga ja osaliselt soojusega elektrivool. Pange tähele, et kivisütt, süsinikmonooksiidi, alkohole, hüdrasiini ja muid orgaanilisi aineid saab kasutada ka kütusena kütuseelementides ning õhku, vesinikperoksiidi, kloori, broomi, Lämmastikhape jne.

Kütuseelementide arendamine jätkus jõuliselt nii välismaal kui ka Venemaal ja seejärel NSV Liidus. Kütuseelementide uurimisse suure panuse andnud teadlastest märgime ära V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Kordes. Eelmise sajandi keskel algas uus rünnak kütuseelementide probleemide vastu. See on osaliselt tingitud uute ideede, materjalide ja tehnoloogiate esilekerkimisest kaitseuuringute tulemusena.

Üks kütuseelementide arendamisel suure sammu teinud teadlasi oli P. M. Spiridonov. Spiridonovi vesinik-hapniku elemendid andis voolutiheduseks 30 mA/cm2, mida tolle aja kohta peeti suureks saavutuseks. 1940. aastatel lõi O. Davtyan paigaldise söe gaasistamise teel saadud generaatorgaasi elektrokeemiliseks põletamiseks. Igast elemendi ruumala kuupmeetrist sai Davtyan 5 kW võimsust.

See oli esimene tahke elektrolüüdi kütuseelement. Sellel oli kõrge kasutegur, kuid aja jooksul muutus elektrolüüt kasutuskõlbmatuks ja seda tuli vahetada. Seejärel, viiekümnendate lõpus, lõi Davtjan võimsa installatsiooni, mis paneb traktori liikuma. Inglise insener T. Bacon konstrueeris ja ehitas samadel aastatel kütuseelemendiaku, mille koguvõimsus on 6 kW ja kasutegur 80%, mis töötab puhtal vesinikul ja hapnikul, kuid aku võimsuse ja kaalu suhe. osutus liiga väikeseks - sellised rakud ei sobinud praktiliseks kasutamiseks ja liiga kallid.

Järgnevatel aastatel läks vallaliste aeg mööda. Kosmoselaevade loojad hakkasid huvi tundma kütuseelementide vastu. Alates 1960. aastate keskpaigast on kütuseelementide uurimisse investeeritud miljoneid dollareid. Tuhandete teadlaste ja inseneride töö võimaldas jõuda uuele tasemele ning 1965. a. Kütuseelemente katsetati USA-s kosmoselaeval Gemini 5 ja hiljem kosmoselaeval Apollo Kuule lendudeks ja Shuttle programmi raames.

NSV Liidus töötati NPO Kvantis kütuseelemendid välja ka kosmoses kasutamiseks. Nendel aastatel on juba ilmunud uusi materjale - ioonivahetusmembraanidel põhinevad tahked polümeerelektrolüüdid, uut tüüpi katalüsaatorid, elektroodid. Ja veel, töövoolu tihedus oli väike - vahemikus 100-200 mA / cm2 ja plaatina sisaldus elektroodidel oli mitu g / cm2. Palju oli probleeme seoses vastupidavuse, stabiilsuse, ohutusega.

Järgmine etapp kütuseelementide kiires arengus algas 1990. aastatel. eelmisel sajandil ja kestab tänaseni. Selle põhjuseks on vajadus uute tõhusate energiaallikate järele, mis on ühelt poolt seotud globaalsega keskkonnaprobleem fossiilkütuste põletamisel tekkivate kasvuhoonegaaside heitkoguste suurenemine ja teisest küljest selliste kütuste ammendumine. Kuna kütuseelemendis vesiniku põlemise lõpp-produktiks on vesi, peetakse neid keskkonnamõju poolest kõige puhtamaks. Peamine probleem on ainult tõhusa ja odava vesiniku tootmise viisi leidmine.

Miljardid dollarid rahalised investeeringud kütuseelementide ja vesinikugeneraatorite arendamisse peaksid viima tehnoloogilise läbimurdeni ja muutma nende kasutamise igapäevaelus reaalsuseks: mobiiltelefonide elementides, autodes, elektrijaamades. Juba praegu demonstreerivad sellised autohiiglased nagu "Ballard", "Honda", "Daimler Chrysler", "General Motors" 50 kW võimsusega kütuseelementidel töötavaid sõiduautosid ja busse. Arenenud on hulk ettevõtteid tahke oksiidelektrolüüdiga kütuseelementidel töötavad näidiselektrijaamad võimsusega kuni 500 kW. Kuid vaatamata olulisele läbimurdele kütuseelementide jõudluse parandamisel, on nende kulude, töökindluse ja ohutusega seotud veel palju probleeme, mida tuleb lahendada.

Kütuseelemendis juhitakse erinevalt patareidest ja akudest nii kütus kui oksüdeerija sinna väljastpoolt. Kütuseelement on reaktsioonis vaid vahendaja ja ideaaltingimustes võib see kesta peaaegu igavesti. Selle tehnoloogia ilu seisneb selles, et tegelikult põletatakse elemendis kütus ja vabanev energia muundatakse otse elektriks. Kütuse otsesel põlemisel oksüdeerub see hapniku toimel ja sel juhul vabanev soojus kasutatakse kasuliku töö tegemiseks.

Kütuseelemendis, nagu akudes, on kütuse oksüdatsiooni ja hapniku redutseerimise reaktsioonid ruumiliselt eraldatud ning "põlemisprotsess" toimub ainult siis, kui element varustab koormust vooluga. See on nii diiselgeneraator, ainult ilma diisli ja generaatorita. Ja ka ilma suitsu, müra, ülekuumenemiseta ja palju suurema kasuteguriga. Viimast seletatakse sellega, et esiteks puuduvad vahepealsed mehaanilised seadmed ja teiseks ei ole kütuseelement soojusmasin ega allu sellest tulenevalt Carnot' seadusele (st selle efektiivsust ei määra temperatuuri erinevus).

Kütuseelementides kasutatakse oksüdeeriva ainena hapnikku. Pealegi, kuna õhus on piisavalt hapnikku, ei pea muretsema oksüdeeriva aine tarnimise pärast. Kütuse osas on see vesinik. Niisiis toimub reaktsioon kütuseelemendis:

2H2 + O2 → 2H2O + elekter + soojus.

Tulemuseks on kasulik energia ja veeaur. Selle seadme lihtsaim on prootonivahetusmembraani kütuseelement(vt joonis 1). See toimib järgmiselt: rakku sisenev vesinik laguneb katalüsaatori toimel elektronideks ja positiivselt laetud vesinikioonideks H+. Seejärel hakkab tööle spetsiaalne membraan, mis siin mängib tavalises akus elektrolüüdi rolli. Tänu oma keemilisele koostisele laseb ta prootoneid läbi iseenda, kuid säilitab elektronid. Seega tekitavad anoodile kogunenud elektronid üleliigse negatiivse laengu ja vesinikioonid tekitavad katoodil positiivse laengu (pinge elemendil on umbes 1V).

Suure võimsuse loomiseks on paljudest elementidest kokku pandud kütuseelement. Kui lülitate elemendi koormuses sisse, voolavad elektronid selle kaudu katoodile, luues voolu ja viies lõpule vesiniku oksüdatsiooni protsessi hapnikuga. Sellistes kütuseelementides kasutatakse katalüsaatorina reeglina süsinikkiule sadestunud plaatina mikroosakesi. Tänu oma struktuurile läbib selline katalüsaator hästi gaasi ja elektrit. Membraan on tavaliselt valmistatud väävlit sisaldavast polümeerist Nafion. Membraani paksus on kümnendik millimeetrit. Reaktsiooni käigus eraldub loomulikult ka soojust, kuid seda pole nii palju, seega hoitakse töötemperatuuri vahemikus 40-80 ° C.

Joonis 1. Kütuseelemendi tööpõhimõte

On ka teist tüüpi kütuseelemente, mis erinevad peamiselt kasutatava elektrolüüdi tüübi poolest. Peaaegu kõik neist nõuavad kütusena vesinikku, seega tekib loogiline küsimus: kust seda saada. Muidugi oleks võimalik kasutada balloonidest kokkusurutud vesinikku, kuid kohe tekivad probleemid selle kergestisüttiva gaasi transportimise ja kõrge rõhu all hoidmisega. Loomulikult võite kasutada vesinikku seotud kujul, nagu metallhüdriidpatareides. Kuid selle kaevandamise ja transportimise ülesanne jääb siiski alles, sest vesiniku tanklate taristut pole.

Siiski on ka siin lahendus – vedelat süsivesinikkütust saab kasutada vesiniku allikana. Näiteks etüül- või metüülalkohol. Tõsi, siin on juba vaja spetsiaalset lisaseadet - kütusemuundurit, mis kõrgel temperatuuril (metanooli puhul on see kuskil 240 ° C) muudab alkoholid gaasilise H2 ja CO2 seguks. Kuid sel juhul on kaasaskantavuse peale juba keerulisem mõelda - selliseid seadmeid on hea kasutada nii statsionaarsena kui ka, kuid kompaktse mobiilse varustuse jaoks on vaja midagi vähem mahukat.

Ja siin jõuamegi seadmeni, mida peaaegu kõik suurimad elektroonikatootjad kohutava jõuga arendavad - metanooli kütuseelement(Joonis 2).

Joonis 2. Kütuseelemendi tööpõhimõte metanoolil

Põhiline erinevus vesiniku ja metanooli kütuseelementide vahel on kasutatav katalüsaator. Metanooli kütuseelemendis olev katalüsaator võimaldab prootoneid otse alkoholimolekulist eraldada. Seega on küsimus kütusega lahendatud - metüülalkoholi toodetakse masstoodanguna keemiatööstusele, seda on lihtne hoiustada ja transportida ning metanoolkütuseelemendi laadimiseks piisab lihtsalt kütusekasseti vahetusest. Tõsi, sellel on üks märkimisväärne miinus - metanool on mürgine. Lisaks on metanoolkütuseelemendi efektiivsus palju madalam kui vesinikkütuseelemendil.

Riis. 3. Metanooli kütuseelement

Kõige ahvatlevam variant on kasutada kütusena etüülalkoholi, kuna mis tahes koostise ja kangusega alkohoolsete jookide tootmine ja turustamine on kõikjal hästi välja kujunenud. gloobus. Etanoolkütuseelementide kasutegur on aga paraku isegi madalam kui metanoolkütuseelementidel.

Nagu kütuseelementide arendamise aastate jooksul on märgitud, on ehitatud erinevat tüüpi kütuseelemente. Kütuseelemendid klassifitseeritakse elektrolüüdi ja kütusetüübi järgi.

1. Tahke polümeeri vesinik-hapnik elektrolüüt.

2. Tahke polümeeri metanooli kütuseelemendid.

3. Leeliselise elektrolüüdi elemendid.

4. Fosforhappe kütuseelemendid.

5. Kütuseelemendid sula karbonaatidel.

6. Tahkeoksiidkütuseelemendid.

Ideaalis on kütuseelementide kasutegur väga kõrge, kuid reaalsetes tingimustes esineb kaod, mis on seotud mittetasakaaluliste protsessidega, näiteks: elektrolüüdi ja elektroodide erijuhtivuse tõttu tekkivad oomikad, aktivatsiooni- ja kontsentratsioonipolarisatsioon, difusioonikaod. Selle tulemusena muudetakse osa kütuseelementides toodetud energiast soojuseks. Spetsialistide jõupingutused on suunatud nende kahjude vähendamisele.

Ohmiliste kadude peamiseks allikaks ja kütuseelementide kõrge hinna põhjuseks on perfluoritud sulfokatioonsed ioonivahetusmembraanid. Nüüd otsitakse alternatiivseid, odavamaid prootoneid juhtivaid polümeere. Kuna nende membraanide (tahkete elektrolüütide) juhtivus saavutab vastuvõetava väärtuse (10 Ω/cm) ainult vee juuresolekul, tuleb kütuseelementi suunatavaid gaase täiendavalt niisutada spetsiaalses seadmes, mis tõstab ka kütuseelemendi maksumust. süsteem. Katalüütilistes gaasidifusioonielektroodides kasutatakse peamiselt plaatinat ja mõningaid teisi väärismetalle, millele seni pole asendust leitud. Kuigi plaatina sisaldus kütuseelementides on mõni mg/cm2, ulatub suurte akude puhul selle kogus kümnete grammideni.

Kütuseelementide projekteerimisel pööratakse suurt tähelepanu soojuseemaldussüsteemile, kuna suure voolutiheduse korral (kuni 1 A/cm2) süsteem ise kuumeneb. Jahutamiseks kasutatakse spetsiaalsete kanalite kaudu kütuseelemendis ringlevat vett ja väikese võimsusega puhutakse õhku.

Niisiis on elektrokeemilise generaatori kaasaegne süsteem lisaks kütuseelemendi akule endale "kasvanud" paljude abiseadmetega, näiteks: pumbad, õhuvarustuse kompressor, vesiniku sisselaskeava, gaasi niisutaja, jahutusseade, gaasilekke kontrollsüsteem, alalis- vahelduvvoolu muundur, juhtprotsessor jt.Kõik see viib selleni, et kütuseelemendisüsteemi maksumus aastatel 2004-2005 oli 2-3 tuhat $/kW. Ekspertide hinnangul muutuvad kütuseelemendid transpordis ja statsionaarsetes elektrijaamades kasutamiseks kättesaadavaks hinnaga 50-100 $/kW.

Kütuseelementide igapäevaellu juurutamiseks koos odavamate komponentidega tuleks oodata uusi originaalseid ideid ja lähenemisi. Eelkõige on suured lootused seotud nanomaterjalide ja nanotehnoloogiate kasutamisega. Näiteks teatasid mitmed ettevõtted hiljuti ülitõhusate katalüsaatorite loomisest, eriti hapnikuelektroodi jaoks, mis põhinevad erinevatest metallidest koosnevate nanoosakeste klastritel. Lisaks on teatatud mittemembraansetest kütuseelementide konstruktsioonidest, kus vedelkütus (nt metanool) juhitakse kütuseelementi koos oksüdeerijaga. Samuti pakub huvi väljatöötatud kontseptsioon biokütuseelementidest, mis töötavad saastunud vetes ja tarbivad oksüdeerijana lahustunud õhuhapnikku. orgaanilised lisandid kütusena.

Eksperdid ennustavad, et kütuseelemendid jõuavad lähiaastatel massiturule. Tõepoolest, arendajad saavad üksteise järel üle tehnilistest probleemidest, annavad edusammudest aru ja esitlevad kütuseelementide prototüüpe. Näiteks Toshiba demonstreeris valmis metanooli kütuseelemendi prototüüpi. Selle mõõtmed on 22x56x4,5 mm ja võimsus on umbes 100 mW. Ühest 2 kuubiku kontsentreeritud (99,5%) metanooli täitmisest piisab 20 tunniks MP3-mängija tööks. Toshiba on välja lasknud mobiiltelefonide toiteks kaubandusliku kütuseelemendi. Taas demonstreeris seesama Toshiba 275x75x40mm sülearvuti toiteelementi, mis võimaldab arvutil ühe laadimisega töötada 5 tundi.

Mitte palju maha Toshiba ja teine ​​Jaapani firma - Fujitsu. 2004. aastal tutvustas ta ka elementi, mis töötab 30% metanooli vesilahusega. See kütuseelement töötas ühe 300 ml täidisega 10 tundi ja tootis samal ajal 15 vatti võimsust.

Casio töötab välja kütuseelementi, milles metanool töödeldakse esmalt miniatuurses kütusekonverteris H2- ja CO2-gaaside seguks ning seejärel juhitakse kütuseelementi. Demo ajal andis Casio prototüüp sülearvutile toite 20 tundi.

Samsung tegi endale nime ka kütuseelementide vallas – 2004. aastal demonstreeris ta oma 12 W prototüüpi, mis on mõeldud sülearvuti toiteks. Üldiselt kavatseb Samsung kütuseelemente kasutada ennekõike neljanda põlvkonna nutitelefonides.

Pean ütlema, et Jaapani ettevõtted lähenesid kütuseelementide arendamisele üldiselt väga põhjalikult. Veel 2003. aastal ühendasid sellised ettevõtted nagu Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony ja Toshiba jõud, et töötada välja ühine kütuseelementide standard sülearvutite, mobiiltelefonide, pihuarvutite ja muude elektroonikaseadmete jaoks. Ameerika ettevõtted, mida on ka sellel turul palju, töötavad enamasti sõjaväega sõlmitud lepingute alusel ja arendavad kütuseelemente Ameerika sõdurite elektrifitseerimiseks.

Sakslased ei jää palju maha – ettevõte Smart Fuel Cell müüb mobiilse kontori toiteks kütuseelemente. Seade kannab nime Smart Fuel Cell C25, selle mõõtmed on 150x112x65mm ja ühe laadimisega saab toota kuni 140 vatt-tundi. Sellest piisab sülearvuti toiteks umbes 7 tunniks. Seejärel saab kasseti välja vahetada ja tööd jätkata. Metanoolikasseti suurus on 99x63x27 mm ja see kaalub 150g. Süsteem ise kaalub 1,1 kg, nii et täiesti kaasaskantavaks seda nimetada ei saa, kuid siiski on see täiesti valmis ja mugav seade. Ettevõte arendab ka kütusemoodulit professionaalsete videokaamerate toiteks.

Üldiselt on kütuseelemendid mobiilse elektroonika turule peaaegu sisenenud. Tootjad peavad enne masstootmise alustamist lahendama viimased tehnilised probleemid.

Esiteks on vaja lahendada kütuseelementide miniaturiseerimise küsimus. Lõppude lõpuks, mida väiksem on kütuseelement, seda vähem võimsust see toota suudab – seega töötatakse pidevalt välja uusi katalüsaatoreid ja elektroode, mis võimaldavad väikeste mõõtmetega tööpinda maksimeerida. Siin tulevad väga kasuks viimased arengud nanotehnoloogiate ja nanomaterjalide (näiteks nanotorude) vallas. Jällegi, elementide torustike (kütuse- ja veepumbad, jahutussüsteemid ja kütuse muundamine) miniaturiseerimiseks kasutatakse üha enam mikroelektromehaanika saavutusi.

Teine oluline probleem, millega tuleb tegeleda, on hind. Kasutatakse ju enamikus kütuseelementides katalüsaatorina väga kallist plaatinat. Jällegi üritavad mõned tootjad juba väljakujunenud ränitehnoloogiaid maksimaalselt ära kasutada.

Mis puutub teistesse kütuseelementide kasutusvaldkondadesse, siis kütuseelemendid on seal juba kindlalt sisse seadnud, kuigi ei ole veel saanud peavoolu ei energeetikas ega transpordis. Juba praegu on paljud autotootjad esitlenud oma kütuseelemendil töötavaid ideeautosid. Kütuseelemendibussid sõidavad mitmes linnas üle maailma. Kanada Ballard Power Systems tuleb välja terve rida statsionaarsed generaatorid võimsusega 1 kuni 250 kW. Samas on kilovatt-generaatorid mõeldud ühe korteri koheseks varustamiseks elektri, soojuse ja sooja veega.

kütuseelemendid Kütuseelemendid on keemilised jõuallikad. Nad muudavad kütuseenergia otse elektrienergiaks, jättes mööda ebatõhusatest ja suure kadudega põlemisprotsessidest. See elektrokeemiline seade toodab kütuse ülitõhusa "külm" põletamise tulemusena otse elektrit.

Biokeemikud on kindlaks teinud, et igasse on "sisse ehitatud" bioloogiline vesinik-hapnik kütuseelement elav rakk(vt 2. peatükk).

Vesiniku allikaks organismis on toit – rasvad, valgud ja süsivesikud. Maos, sooltes ja rakkudes laguneb see lõpuks monomeerideks, mis omakorda pärast mitmeid keemilisi muundumisi annavad kandemolekuli külge kinnitunud vesiniku.

Õhust saadav hapnik siseneb kopsude kaudu verre, ühineb hemoglobiiniga ja kandub kõikidesse kudedesse. Vesiniku ja hapniku ühendamise protsess on organismi bioenergeetika aluseks. Siin muudetakse pehmetes tingimustes (toatemperatuur, normaalrõhk, veekeskkond) kõrge efektiivsusega keemiline energia termiliseks, mehaaniliseks (lihaste liikumine), elektrienergiaks ( elektriline Stingray), valgus (putukad valgust kiirgav).

Inimene kordas veel kord looduse loodud energia saamise seadet. Samas näitab see asjaolu suuna väljavaateid. Kõik protsessid looduses on väga ratsionaalsed, nii et sammud kütuseelementide reaalse kasutamise suunas sisendavad lootust energia tuleviku suhtes.

1838. aastal tehtud vesinik-hapnik kütuseelemendi avastus kuulub inglise teadlasele W. Grove'ile. Uurides vee lagunemist vesinikuks ja hapnikuks, avastas ta kõrvalmõju – elektrolüsaator tekitas elektrivoolu.

Mis kütuseelemendis põleb?
Fossiilkütused (kivisüsi, gaas ja nafta) on enamasti süsinik. Põlemisel kaotavad kütuseaatomid elektrone ja õhuhapniku aatomid saavad neid juurde. Niisiis ühendatakse oksüdatsiooniprotsessis süsiniku ja hapniku aatomid põlemisproduktideks - süsinikdioksiidi molekulideks. See protsess on jõuline: põlemisel osalevate ainete aatomid ja molekulid omandavad suure kiiruse ning see toob kaasa nende temperatuuri tõusu. Nad hakkavad valgust kiirgama - ilmub leek.

Süsiniku põlemise keemiline reaktsioon on järgmine:

C + O2 = CO2 + soojus

Põlemisprotsessis muundatakse keemiline energia soojusenergiaks tänu elektronide vahetusele kütuse ja oksüdeerija aatomite vahel. See vahetus toimub juhuslikult.

Põlemine on elektronide vahetus aatomite vahel ja elektrivool on elektronide suunatud liikumine. Kui keemilise reaktsiooni käigus on elektronid sunnitud tegema tööd, siis põlemisprotsessi temperatuur langeb. FC-s võetakse elektronid ühelt elektroodilt reagentidest, nad loovutavad oma energia elektrivoolu kujul ja ühinevad teise elektroodi reagentidega.

Iga HIT-i aluseks on kaks elektroodi, mis on ühendatud elektrolüüdiga. Kütuseelement koosneb anoodist, katoodist ja elektrolüüdist (vt ptk 2). Oksüdeerub anoodil, st. loovutab elektrone, redutseerija (CO või H2 kütus), anoodilt tulevad vabad elektronid sisenevad välisringi ning positiivsed ioonid jäävad anood-elektrolüüdi liidesesse (CO+, H+). Ahela teisest otsast lähenevad elektronid katoodile, millel toimub redutseerimisreaktsioon (elektronide lisamine oksüdeeriva aine O2– abil). Seejärel kannab elektrolüüt oksüdeerivad ioonid katoodile.

FC-s ühendatakse kolm füüsikalis-keemilise süsteemi faasi:

gaas (kütus, oksüdeerija);
elektrolüüt (ioonide juht);
metallelektrood (elektronide juht).
Kütuseelementides muudetakse redoksreaktsiooni energia elektrienergiaks ning oksüdatsiooni- ja redutseerimisprotsessid eraldatakse ruumiliselt elektrolüüdiga. Elektroodid ja elektrolüüt ei osale reaktsioonis, kuid tegelike konstruktsioonide korral saastuvad need aja jooksul kütuse lisanditega. Elektrokeemiline põlemine võib toimuda madalatel temperatuuridel ja praktiliselt ilma kadudeta. Joonisel fig. p087 näitab olukorda, kus kütuseelementi satub gaaside segu (CO ja H2), s.o. see võib põletada gaasilist kütust (vt ptk 1). Seega osutub TE "kõigesööjaks".

Kütuseelementide kasutamise teeb keeruliseks asjaolu, et nende jaoks tuleb kütus “ette valmistada”. Kütuseelementide jaoks saadakse vesinik orgaanilise kütuse muundamise või kivisöe gaasistamise teel. Seetõttu sisaldab kütuseelemendil oleva elektrijaama plokkskeem lisaks kütuseelemendi akudele, alalis- vahelduvvoolu muundurile (vt ptk 3) ja abiseadmetele vesiniku tootmisüksust.

FC arengu kaks suunda

Kütuseelementidel on kaks kasutusvaldkonda: autonoomne ja suuremahuline energia.

Autonoomse kasutamise puhul on peamised omadused ja kasutusmugavus. Toodetud energia maksumus ei ole peamine näitaja.

Suure elektritootmise puhul on tõhusus määrav tegur. Lisaks peavad paigaldused olema vastupidavad, ei sisalda kalleid materjale ja kasutust looduslik kütus minimaalsete koolituskuludega.

Suurimat kasu pakub kütuseelementide kasutamine autos. Siin, nagu mitte kusagil mujal, avaldab mõju kütuseelementide kompaktsus. Kütusest elektri otsesel laekumisel on viimase sääst umbes 50%.

Esimest korda sõnastas kütuseelementide kasutamise idee suuremahulises energeetikas saksa teadlane W. Oswald 1894. aastal. Hiljem töötati välja idee luua kütuseelemendil põhinevad tõhusad autonoomse energia allikad.

Pärast seda üritati korduvalt kasutada kivisütt kütuseelementides toimeainena. Saksa teadlane E. Bauer lõi 1930. aastatel söe otseseks anoodseks oksüdeerimiseks mõeldud tahke elektrolüüdiga kütuseelemendi laboriprototüübi. Samal ajal uuriti hapniku-vesiniku kütuseelemente.

1958. aastal lõi F. Bacon Inglismaal esimese hapniku-vesiniku tehase võimsusega 5 kW. Kuid see oli tülikas kõrge gaasirõhu (2 ... 4 MPa) kasutamise tõttu.

Alates 1955. aastast on K. Kordesh arendanud USA-s madala temperatuuriga hapnik-vesinik kütuseelemente. Nad kasutasid plaatina katalüsaatoritega süsinikelektroode. Saksamaal töötas E. Yust mitteplaatina katalüsaatorite loomisega.

Pärast 1960. aastat loodi demonstratsiooni- ja reklaaminäidised. Kütuseelementide esimene praktiline rakendus leiti Apollo kosmoselaeval. Need olid peamised elektrijaamad pardaseadmete toiteks ning varustasid astronaude vee ja soojusega.

Kütuseelementidega autonoomsete paigaldiste peamised kasutusvaldkonnad olid sõjalised ja mereväe rakendused. 1960. aastate lõpus kütuseelementide uuringute maht vähenes ja pärast 1980. aastaid taas suurenes seoses suurenergeetikaga.

VARTA on välja töötanud FC-d, kasutades kahepoolseid gaasi difusioonielektroode. Seda tüüpi elektroode nimetatakse "Janusteks". Siemens on välja töötanud elektroodid võimsustihedus kuni 90 W/kg. Ameerika Ühendriikides tegeleb hapniku-vesiniku rakkude kallal United Technology Corp.

Suuremahulises energeetikas on kütuseelementide kasutamine suuremahuliseks energia salvestamiseks, näiteks vesiniku tootmiseks (vt ptk 1), väga paljutõotav. (päike ja tuul) on hajutatud (vt ptk 4). Nende tõsine kasutamine, mis on tulevikus hädavajalik, on mõeldamatu ilma mahukate akudeta, mis ühel või teisel kujul energiat salvestavad.

Akumulatsiooniprobleem on aktuaalne juba täna: elektrisüsteemide koormuse päevane ja iganädalane kõikumine vähendab oluliselt nende efektiivsust ja nõuab nn manööverdusvõimet. Üks elektrokeemilise energia salvestamise võimalustest on kütuseelement koos elektrolüsaatorite ja gaasihoidikutega*.

* Gaasihoidik [gaas + inglise keel. hoidik] – suurte gaasikoguste hoidmine.

TE esimene põlvkond

Suurima tehnoloogilise täiuslikkuse on saavutanud esimese põlvkonna keskmise temperatuuriga kütuseelemendid, mis töötavad temperatuuril 200...230°C vedelkütusel, maagaasil või tehnilisel vesinikul*. Elektrolüüdiks neis on fosforhape, mis täidab poorse süsinikmaatriksi. Elektroodid on valmistatud süsinikust ja katalüsaatoriks on plaatina (plaatinat kasutatakse suurusjärgus paar grammi võimsuse kilovati kohta).

* Kaubanduslik vesinik on fossiilkütuste muundamise toode, mis sisaldab vähesel määral süsinikmonooksiidi.

Üks selline elektrijaam pandi California osariigis tööle 1991. aastal. See koosneb kaheksateistkümnest akust, millest igaüks kaalub 18 tonni ja on paigutatud veidi üle 2 m läbimõõduga ja umbes 5 m kõrgusesse korpusesse.Aku vahetamise protseduur on läbimõeldud mööda rööpaid liikuvat raamikonstruktsiooni.

USA tarnis Jaapanile kaks elektrijaama Jaapanile. Esimene neist lasti käiku 1983. aasta alguses. Jaama töövõime vastas arvestuslikele. Ta töötas koormusega 25–80% nominaalkoormusest. Kasutegur ulatus 30...37%-ni - see on lähedane kaasaegsetele suurtele soojuselektrijaamadele. Selle käivitusaeg külmast olekust on 4 tundi kuni 10 minutit ja võimsuse muutmise kestus nullist täisvõimsusele on vaid 15 sekundit.

Nüüd katsetatakse Ameerika Ühendriikide erinevates osades väikeseid 40 kW võimsusega elektri ja soojuse koostootmisjaamu, mille kütusekasutustegur on umbes 80%. Need suudavad soojendada vett kuni 130°C ja paigutatakse pesumajadesse, spordikompleksidesse, sidepunktidesse jne. Juba sadakond installatsiooni on töötanud kokku sadu tuhandeid tunde. FC elektrijaamade keskkonnasõbralikkus võimaldab neid paigutada otse linnadesse.

New Yorgi esimene kütuseelektrijaam, võimsusega 4,5 MW, asus 1,3 hektari suurusel alal. Nüüd on uutele, kaks ja pool korda suurema võimsusega jaamadele vaja 30x60 m suurust platsi.Ehitamisel on mitu näidiselektrijaama võimsusega 11 MW. Silma torkavad ehitusaeg (7 kuud) ja elektrijaama poolt hõivatud pindala (30x60 m). Uute elektrijaamade eeldatav kasutusiga on 30 aastat.

Teise ja kolmanda põlvkonna TE

Parimad omadused juba projekteeritavad mooduljaamad võimsusega 5 MW teise põlvkonna keskmise temperatuuriga kütuseelementidega. Need töötavad temperatuuridel 650...700°C. Nende anoodid on valmistatud nikli ja kroomi paagutatud osakestest, katoodid on valmistatud paagutatud ja oksüdeeritud alumiiniumist ning elektrolüüt on liitium- ja kaaliumkarbonaatide segu. Kõrgendatud temperatuur aitab lahendada kaks peamist elektrokeemilist probleemi:

vähendada katalüsaatori "mürgitamist" süsinikmonooksiidiga;
suurendada oksüdeerija redutseerimisprotsessi efektiivsust katoodil.
Tahkete oksiidide (peamiselt tsirkooniumdioksiidi) elektrolüüdiga kolmanda põlvkonna kõrge temperatuuriga kütuseelemendid on veelgi tõhusamad. Nende töötemperatuur on kuni 1000°C. Selliste kütuseelementidega elektrijaamade kasutegur on 50% lähedal. Siin sobivad kütuseks ka olulise süsinikmonooksiidisisaldusega kivisöe gaasistamisproduktid. Sama oluline on see, et kõrgtemperatuuriliste jaamade heitsoojust saab kasutada auru tootmiseks elektrigeneraatorite turbiinide käitamiseks.

Vestingaus on tahkeoksiidi kütuseelementide äris tegutsenud alates 1958. aastast. See arendab 25 ... 200 kW võimsusega elektrijaamu, milles saab kasutada kivisöest saadud gaaskütust. Katsetamiseks valmistatakse ette mitme megavatise võimsusega katsepaigaldisi. Teine Ameerika firma Engelgurd projekteerib 50 kW kütuseelemente, mis töötavad metanoolil ja elektrolüüdiks fosforhapet.

Üha rohkem ettevõtteid üle kogu maailma tegeleb kütuseelementide loomisega. Ameerika Ühendtehnoloogia ja Jaapani Toshiba moodustasid International Fuel Cells Corporationi. Euroopas tegelevad kütuseelementidega Belgia-Hollandi konsortsium Elenko, Lääne-Saksamaa firma Siemens, itaallane Fiat ja britt Jonson Metju.

Viktor LAVRUS.

Kui teile see materjal meeldis, pakume teile lugejate sõnul valikut meie saidi parimatest materjalidest. Valik - TOP keskkonnasõbralike tehnoloogiate kohta, uus teadus ja teaduslikud avastused leiate sealt, kus see teile kõige mugavam on

Viimasel ajal on kütuseelementide teema olnud kõigil huulil. Ja see pole üllatav, kuna selle tehnoloogia tulekuga elektroonikamaailma on see leidnud uue sünni. Mikroelektroonika valdkonna maailma liidrid võistlevad, et esitleda oma tulevaste toodete prototüüpe, mis integreerivad nende endi minielektrijaamu. See peaks ühest küljest nõrgendama mobiilsete seadmete sidumist "pesaga" ja teisalt pikendama nende aku kasutusaega.

Lisaks töötab osa neist etanooli baasil, seega on nende tehnoloogiate arendamine otsest kasu alkohoolsete jookide tootjatele – tosina aasta pärast seisavad järjekorrad "IT-inimeste" oma järgmise "doosi" taga. sülearvuti rivistab veinitehase juurde.

Me ei saa eemale hoida kõrgtehnoloogiatööstust haaranud kütuseelementide "palavikust" ja proovime välja selgitada, mis loom see tehnoloogia on, millega seda süüakse ja millal peaksime selle jõudma. "Toitlustamine". Selles materjalis käsitleme kütuseelementide läbitud teed alates selle tehnoloogia avastamise hetkest kuni tänapäevani. Samuti püüame hinnata nende rakendamise ja arendamise väljavaateid tulevikus.

Kuidas see oli

Kütuseelemendi põhimõtet kirjeldas esmakordselt 1838. aastal Christian Friedrich Schonbein ja aasta hiljem avaldas Philosophical Journal tema selleteemalise artikli. Need olid siiski vaid teoreetilised uuringud. Esimene töötav kütuseelement nägi valgust 1843. aastal Walesi päritolu teadlase Sir William Robert Grove'i laboris. Selle loomisel kasutas leiutaja materjale, mis on sarnased kaasaegsetes fosforhappepatareides kasutatavatele. Seejärel täiustas Sir Grove'i kütuseelementi W. Thomas Grub. 1955. aastal kasutas see legendaarses General Electric Companys töötanud keemik kütuseelemendis elektrolüüdina sulfoneeritud polüstüreeni ioonivahetusmembraani. Vaid kolm aastat hiljem pakkus tema kolleeg Leonard Niedrach välja plaatina membraanile kandmise tehnoloogia, mis toimis vesiniku oksüdatsiooni ja hapniku omastamise protsessis katalüsaatorina.

Kütuseelementide "isa" Christian Schönbein

Need põhimõtted moodustasid aluse uue põlvkonna kütuseelementidele, mida nende loojate järgi nimetatakse "Grubb-Nidrachi elementideks". General Electric jätkas selles suunas arengut, mille käigus NASA ja lennundushiiglase McDonnell Aircrafti abiga loodi esimene kaubanduslik kütuseelement. peal uus tehnoloogia pööras tähelepanu ookeanile. Ja juba 1959. aastal tutvustas britt Francis Bacon (Francis Thomas Bacon) statsionaarset kütuseelementi võimsusega 5 kW. Tema patenteeritud disainilahendused said hiljem litsentsi ameeriklaste poolt ja neid kasutati NASA kosmoselaevades toite- ja toitesüsteemides. joogivesi. Samal aastal ehitas ameeriklane Harry Ihrig esimese kütuseelemendiga traktori (koguvõimsus 15 kW). Akudes kasutati elektrolüüdina kaaliumhüdroksiidi ning reagentidena kokkusurutud vesinikku ja hapnikku.

Esmakordselt käivitas statsionaarsete kütuseelementide tootmise kaubanduslikul eesmärgil UTC Power, kes pakkus varutoitesüsteeme haiglatele, ülikoolidele ja ärikeskustele. See ettevõte, mis on selles valdkonnas maailmas liider, toodab sarnaseid lahendusi kuni 200 kW võimsusega siiani. Samuti on see NASA peamine kütuseelementide tarnija. Selle tooteid on laialdaselt kasutatud kosmoseprogramm Apollo ja on endiselt nõutud Space Shuttle'i programmi raames. UTC Power pakub ka "tarbijatarbimise" kütuseelemente paljude sõidukirakenduste jaoks. Ta oli esimene, kes lõi kütuseelemendi, mis võimaldab prootonivahetusmembraani abil voolu vastu võtta negatiivsetel temperatuuridel.

Kuidas see töötab

Teadlased katsetasid reagentidena erinevaid aineid. Kuid kütuseelementide tööpõhimõtted, hoolimata oluliselt erinevast jõudlusomadused, jäävad muutumatuks. Iga kütuseelement on elektrokeemiline energia muundamise seade. See toodab elektrit teatud kogusest kütusest (anoodi poolel) ja oksüdeerijast (katoodi poolel). Reaktsioon kulgeb elektrolüüdi juuresolekul (vaba ioone sisaldav aine, mis käitub elektrit juhtiva keskkonnana). Põhimõtteliselt sisenevad igasse sellisesse seadmesse teatud reagendid ja nende reaktsiooniproduktid, mis eemaldatakse pärast elektrokeemilise reaktsiooni läbiviimist. Elektrolüüt toimib sel juhul ainult reagentide interaktsiooni keskkonnana ega muutu kütuseelemendis. Sellise skeemi alusel peaks ideaalne kütuseelement töötama seni, kuni reaktsiooniks vajalikke aineid jätkub.

Kütuseelemente ei tasu siin segamini ajada tavaliste akudega. Esimesel juhul kulub elektri tootmiseks veidi "kütust", mis hiljem vajab uuesti täitmist. Galvaaniliste elementide puhul salvestatakse elektrit suletud keemilises süsteemis. Akude puhul võimaldab voolu rakendamine pöördelektrokeemilise reaktsiooni toimumist ja reaktiivide algolekusse tagasi viimist (st laadimist). Võimalik erinevaid kombinatsioone kütus ja oksüdeerija. Näiteks vesinikkütuseelement kasutab reagentidena vesinikku ja hapnikku (oksüdeeriv aine). Tihti kasutatakse kütusena bikarbonaate ja alkohole ning oksüdeerijatena toimivad õhk, kloor ja kloordioksiid.

Kütuseelemendis toimuv katalüüsireaktsioon lööb kütusest välja elektronid ja prootonid ning liikuvad elektronid moodustavad elektrivoolu. Kütuseelemendid kasutavad reaktsiooni kiirendamiseks tavaliselt katalüsaatorina plaatinat või selle sulameid. Teine katalüütiline protsess tagastab elektronid, ühendades need prootonite ja oksüdeeriva ainega, mille tulemusena tekivad reaktsioonisaadused (emissioonid). Tavaliselt on need heitmed lihtsad ained: vesi ja süsinikdioksiid.

Tavalises prootonvahetusmembraani kütuseelemendis (PEMFC) eraldab polümeerne prootonit juhtiv membraan anoodi ja katoodi poole. Katoodi poolelt difundeerub vesinik anoodkatalüsaatorile, kust seejärel vabanevad elektronid ja prootonid. Seejärel liiguvad prootonid läbi membraani katoodile ja elektronid, kes ei suuda prootoneid järgida (membraan on elektriliselt isoleeritud), suunatakse läbi välise koormusahela (toitesüsteemi). Katoodkatalüsaatori poolel reageerib hapnik prootonitega, mis on läbinud membraani, ja elektronidega, mis sisenevad välise koormusahela kaudu. Selle reaktsiooni tulemusena saadakse vesi (auru või vedeliku kujul). Näiteks süsivesinikkütuseid (metanool, diislikütus) kasutavates kütuseelementides toimuvate reaktsioonide produktideks on vesi ja süsinikdioksiid.

Peaaegu igat tüüpi kütuseelemendid kannatavad elektrikadude all, mis on põhjustatud nii kütuseelemendi kontaktide ja elementide loomulikust takistusest kui ka elektrilisest liigpingest (algreaktsiooni läbiviimiseks vajalik lisaenergia). Mõnel juhul ei ole võimalik neid kaotusi täielikult vältida ja mõnikord "mäng pole küünalt väärt", kuid enamasti saab need vähendada vastuvõetava miinimumini. Selle probleemi lahenduseks on nende seadmete komplektide kasutamine, milles kütuseelemente saab olenevalt toitesüsteemile esitatavatest nõuetest ühendada paralleelselt (suurem vool) või järjestikku (kõrgem pinge).

Kütuseelementide tüübid

Kütuseelementide tüüpe on väga palju, kuid proovime lühidalt peatuda neist kõige levinumal.

Leeliskütuseelemendid (AFC)

Leeliselised või leeliselised kütuseelemendid, mida nende Briti "isa" järgi nimetatakse ka Baconi elementideks, on üks paremini arenenud kütuseelementide tehnoloogiaid. Just need seadmed aitasid inimesel jalga Kuule tõsta. Üldiselt on NASA seda tüüpi kütuseelemente kasutanud alates 1960. aastate keskpaigast. AFC-d tarbivad vesinikku ja puhast hapnikku, tekitades joogivesi, soojus ja elekter. Suuresti tänu sellele, et see tehnoloogia on hästi arenenud, on selle efektiivsusnäitajad sarnaste süsteemide seas üks kõrgemaid (potentsiaalne umbes 70%).

Sellel tehnoloogial on aga ka omad miinused. Kuna elektrolüüdina kasutatakse vedelat aluselist ainet, mis ei blokeeri süsinikdioksiidi, on võimalik, et kaaliumhüdroksiid (üks kasutatava elektrolüüdi võimalustest) reageerib selle tavalise õhu komponendiga. Tulemuseks võib olla mürgine kaaliumkarbonaadi ühend. Selle vältimiseks on vaja kasutada kas puhast hapnikku või puhastada õhk süsinikdioksiidist. Loomulikult mõjutab see selliste seadmete maksumust. Kuid vaatamata sellele on AFC-d tänapäeval kõige odavamad kütuseelemendid.

Otsesed boorhüdriidkütuseelemendid (DBFC)

See leeliseliste kütuseelementide alamtüüp kasutab kütusena naatriumboorhüdriidi. Kuid erinevalt tavapärastest vesiniku AFC-dest on sellel tehnoloogial üks oluline eelis – puudub oht, et pärast kokkupuudet süsinikdioksiidiga tekivad mürgised ühendid. Selle reaktsiooni saadus on aga aine booraks, mida kasutatakse laialdaselt detergentides ja seepides. Booraks on suhteliselt mittetoksiline.

DBFC-sid saab teha isegi odavamaks kui traditsioonilised kütuseelemendid, kuna need ei vaja kalleid plaatinakatalüsaatoreid. Lisaks on neil suurem energiatihedus. Hinnanguliselt maksab kilogrammi naatriumboorhüdriidi tootmine 50 dollarit, kuid masstootmise korraldamisel ja booraksi töötlemisel saab seda latti vähendada 50 korda.

Metallhüdriidkütuseelemendid (MHFC)

Seda leeliseliste kütuseelementide alamklassi uuritakse praegu aktiivselt. Nende seadmete eripäraks on võime säilitada keemiliselt vesinikku kütuseelemendi sees. Otsese boorhüdriidi kütuseelemendil on sama võime, kuid erinevalt sellest on MHFC täidetud puhta vesinikuga.

hulgas eristavad omadused Need kütuseelemendid on:

• elektrienergiast laadimise võimalus;
• töötada madalatel temperatuuridel - kuni -20°C;
• pikk säilivusaeg;
• kiire "külm" käivitamine;
• võime mõnda aega töötada ilma välise vesinikuallikata (kütuse asendamise ajaks).

Hoolimata asjaolust, et paljud ettevõtted tegelevad masstoodanguna toodetud MHFC-de loomisega, ei ole prototüüpide efektiivsus konkureerivate tehnoloogiatega võrreldes piisavalt kõrge. Nende kütuseelementide üks parimaid voolutihedusi on 250 milliamprit ruutsentimeetri kohta, kusjuures tavalised PEMFC kütuseelemendid annavad voolutiheduse 1 amprit ruutsentimeetri kohta.

Elektrogalvaanilised kütuseelemendid (EGFC)

Keemiline reaktsioon EGFC-s toimub kaaliumhüdroksiidi ja hapniku osalusel. See loob elektrivoolu pliianoodi ja kullatud katoodi vahel. Elektrogalvaanilise kütuseelemendi väljundpinge on otseselt võrdeline hapniku kogusega. See funktsioon on võimaldanud EGFC-d laialdaselt kasutada hapniku testimisseadmena sukeldumisvarustuses ja meditsiiniseadmetes. Kuid just selle sõltuvuse tõttu on kaaliumhüdroksiidi kütuseelementidel väga piiratud tööperiood (kui hapniku kontsentratsioon on kõrge).

Esimesed sertifitseeritud EGFC hapnikutestrid said laialdaselt kättesaadavaks 2005. aastal, kuid ei saavutanud toona erilist populaarsust. Kaks aastat hiljem välja antud märkimisväärselt muudetud mudel oli palju edukam ja pälvis Floridas sukeldujate spetsialiseeritud näitusel isegi "uuenduste" auhinna. Praegu kasutavad neid sellised organisatsioonid nagu NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) ja DDRC (sukeldumishaiguste uurimiskeskus).

Sipelghappe otsesed kütuseelemendid (DFAFC)

Need kütuseelemendid on PEMFC otseste sipelghappeseadmete alamtüüp. Tänu oma spetsiifilistele omadustele on neil kütuseelementidel suur võimalus saada peamiseks toiteallikaks sellisele kaasaskantavale elektroonikale nagu sülearvutid, Mobiiltelefonid jne.

Sarnaselt metanooliga juhitakse sipelghape otse kütuseelementi ilma spetsiaalse puhastamisetapita. Samuti on seda ainet palju turvalisem säilitada kui näiteks vesinikku ja pealegi pole vaja ette näha mingeid kindlaid säilitustingimusi: sipelghape on normaaltemperatuuril vedelik. Lisaks on sellel tehnoloogial kaks vaieldamatut eelist metanooli otsekütuseelementide ees. Esiteks, erinevalt metanoolist, ei imbu sipelghape läbi membraani. Seetõttu peaks DFAFC efektiivsus definitsiooni järgi olema suurem. Teiseks, rõhu alandamise korral ei ole sipelghape nii ohtlik (metanool võib põhjustada pimedaksjäämist ja tugeva annuse korral surma).

Huvitav on see, et kuni viimase ajani ei näinud paljud teadlased sellel tehnoloogial praktilist tulevikku. Põhjus, mis ajendas teadlasi sipelghappele paljudeks aastateks lõppu tegema, oli suur elektrokeemiline ülepinge, mis tõi kaasa olulisi elektrikadusid. Kuid hiljutiste katsete tulemused on näidanud, et selle ebatõhususe põhjuseks oli plaatina kasutamine katalüsaatorina, mida on traditsiooniliselt selleks otstarbeks kütuseelementides laialdaselt kasutatud. Pärast seda, kui Illinoisi ülikooli teadlased viisid läbi mitmeid katseid teiste materjalidega, selgus, et pallaadiumi katalüsaatorina kasutades on DFAFC tootlikkus kõrgem kui samaväärsete metanoolikütuseelementide omal. Praegu kuuluvad selle tehnoloogia õigused Ameerika ettevõttele Tekion, mis pakub oma Formira Power Pack tootesarja mikroelektroonikaseadmetele. See süsteem on "dupleks", mis koosneb akust ja tegelikust kütuseelemendist. Kui akut laadivas kassetis olevad reaktiivid saavad otsa, asendab kasutaja selle lihtsalt uuega. Seega muutub see "pesast" täiesti sõltumatuks. Tootja lubaduste kohaselt kahekordistub laadimistevaheline aeg, vaatamata sellele, et tehnoloogia hakkab maksma vaid 10-15% rohkem kui tavaakud. Selle tehnoloogia ainus suur takistus võib olla see, et ettevõte seda toetab keskklass ja selle võivad lihtsalt "üle jõu käia" suuremahulised konkurendid, kes esitlevad oma tehnoloogiaid, mis võivad mitmete parameetrite poolest isegi DFAFC-le alla jääda.

Otsesed metanoolkütuseelemendid (DMFC)

Need kütuseelemendid on alamhulk. Nad kasutavad metanooli, mis on laetud kütuseelemendisse ilma lisapuhastus. Metüülalkoholi on aga palju lihtsam säilitada ja see ei ole plahvatusohtlik (kuigi see on tuleohtlik ja võib põhjustada pimedaksjäämist). Samas on metanooli energiamahutavus oluliselt suurem kui kokkusurutud vesinikul.

Kuid kuna metanool suudab läbi membraani imbuda, on DMFC efektiivsus suurte kütusekoguste juures madal. Kuigi need ei sobi sel põhjusel transportimiseks ega suurtele paigaldustele, sobivad need seadmed suurepäraselt mobiilseadmete aku asendamiseks.

Töödeldud metanooli kütuseelemendid (RMFC)

Töödeldud metanoolikütuseelemendid erinevad DMFC-dest ainult selle poolest, et need muudavad metanooli enne elektri tootmist vesinikuks ja süsinikdioksiidiks. See juhtub spetsiaalses seadmes, mida nimetatakse kütuseprotsessoriks. Pärast seda eeletappi (reaktsioon viiakse läbi temperatuuril üle 250°C) läbib vesinik oksüdatsioonireaktsiooni, mille tulemusena moodustub vesi ja elekter.

Metanooli kasutamine RMFC-s tuleneb sellest, et see on vesiniku loomulik kandja ning piisavalt madalal temperatuuril (võrreldes teiste ainetega) saab see laguneda vesinikuks ja süsihappegaasiks. Seetõttu on see tehnoloogia arenenum kui DMFC. Töödeldud metanooli kütuseelemendid on tõhusamad, kompaktsemad ja töötavad miinustemperatuuridel.

Otsesed etanoolkütuseelemendid (DEFC)

Teine prootonivahetusvõrega kütuseelementide klassi esindaja. Nagu nimigi ütleb, siseneb etanool kütuseelementi, minnes mööda täiendava puhastamise või lagunemise etappidest lihtsamateks aineteks. Nende seadmete esimene eelis on nende kasutamine etüülalkohol mürgise metanooli asemel. See tähendab, et te ei pea selle kütuse väljatöötamisse palju raha investeerima.

Alkoholi energiatihedus on ligikaudu 30% kõrgem kui metanoolil. Lisaks saab seda suurtes kogustes biomassist. Etanoolkütuseelementide maksumuse vähendamiseks on käimas aktiivne alternatiivse katalüsaatori materjali otsimine. Nendel eesmärkidel kütuseelementides traditsiooniliselt kasutatav plaatina on liiga kallis ja takistab oluliselt nende tehnoloogiate massilist kasutuselevõttu. Selle probleemi lahenduseks võivad olla raua, vase ja nikli segust valmistatud katalüsaatorid, mis näitavad katsesüsteemides muljetavaldavaid tulemusi.

Tsink õhu kütuseelemendid (ZAFC)

ZAFC kasutab elektri tootmiseks tsingi oksüdeerimist õhu hapnikuga. Nende kütuseelementide tootmine on odav ja nende energiatihedus on üsna kõrge. Praegu kasutatakse neid kuuldeaparaatides ja eksperimentaalsetes elektriautodes.

Anoodi poolel on tsingiosakeste segu elektrolüüdiga ning katoodi poolel õhust saadav vesi ja hapnik, mis omavahel reageerides moodustavad hüdroksüüli (selle molekuliks on hapnikuaatom ja vesinikuaatom, mille vahel seal on kovalentne side). Hüdroksüüli reaktsiooni tulemusena tsingi seguga vabanevad elektronid, mis lähevad katoodile. Maksimaalne pinge, mida sellised kütuseelemendid toodavad, on 1,65 V, kuid reeglina vähendatakse seda kunstlikult 1,4–1,35 V-ni, piirates õhu juurdepääsu süsteemile. Selle elektrokeemilise reaktsiooni lõppsaadused on tsinkoksiid ja vesi.

Seda tehnoloogiat on võimalik kasutada nii akudes (ilma laadimiseta) kui ka kütuseelementides. Viimasel juhul puhastatakse anoodipoolne kamber ja täidetakse uuesti tsinkpastaga. Üldiselt on ZAFC tehnoloogia osutunud lihtsaks ja töökindlaks akuks. Nende vaieldamatu eelis on võime juhtida reaktsiooni ainult kütuseelemendi õhuvarustust reguleerides. Paljud teadlased peavad tsink-õhk kütuseelemente elektrisõidukite tulevaseks peamiseks toiteallikaks.

Mikroobsed kütuseelemendid (MFC)

Idee kasutada baktereid inimkonna hüvanguks ei ole uus, kuigi need ideed jõuti alles hiljuti. Praegu uuritakse aktiivselt biotehnoloogiate ärilise kasutamise küsimust erinevate toodete tootmiseks (näiteks vesiniku tootmine biomassist), kahjulike ainete neutraliseerimiseks ja elektri tootmiseks. Mikroobsed kütuseelemendid, mida nimetatakse ka bioloogilisteks kütuseelementideks, on bioloogiline elektrokeemiline süsteem, mis toodab elektrit bakterite kasutamise kaudu. See tehnoloogia põhineb selliste ainete nagu glükoos, atsetaat (äädikhappe sool), butüraat (võihappe sool) või heitvesi katabolismil (keerulise molekuli lagunemine lihtsamaks koos energia vabanemisega). Nende oksüdatsiooni tõttu eralduvad elektronid, mis kantakse üle anoodile, misjärel voolab tekkinud elektrivool läbi juhi katoodile.

Sellistes kütuseelementides kasutatakse tavaliselt vahendajaid, et parandada elektronide läbilaskvust. Probleem on selles, et vahendajate rolli mängivad ained on kallid ja mürgised. Elektrokeemiliselt aktiivsete bakterite kasutamise korral pole aga vajadus vahendajate järele. Selliseid "saatjavabasid" mikroobseid kütuseelemente hakati looma üsna hiljuti ja seetõttu pole kaugeltki kõik nende omadused hästi uuritud.

Vaatamata takistustele, mida MFC on veel ületamata, on sellel tehnoloogial tohutu potentsiaal. Esiteks pole "kütust" raske leida. Veelgi enam, tänapäeval on reovee puhastamise ja paljude jäätmete kõrvaldamise küsimus väga terav. Selle tehnoloogia rakendamine võib lahendada mõlemad need probleemid. Teiseks võib selle efektiivsus teoreetiliselt olla väga kõrge. Mikroobsete kütuseelementide inseneride peamiseks probleemiks on mikroobid ja selle seadme kõige olulisem element. Ja kuigi arvukalt uurimistoetusi saavad mikrobioloogid rõõmustavad, hõõruvad käsi ka ulmekirjanikud valede mikroorganismide “avaldamise” tagajärgi käsitlevate raamatute edu ootuses. Loomulikult on oht tuua välja midagi, mis "seediks" mitte ainult tarbetuid jäätmeid, vaid ka midagi väärtuslikku. Nii et põhimõtteliselt, nagu iga uue biotehnoloogia puhul, suhtuvad inimesed ettevaatlikult ideesse kanda taskus bakteritega nakatunud kasti.

Rakendus

Statsionaarsed kodu- ja tööstuselektrijaamad

Kütuseelemente kasutatakse laialdaselt energiaallikatena erinevates autonoomsetes süsteemides, nagu kosmoseaparaadid, kaugilmajaamad, sõjalised rajatised jne. Sellise toitesüsteemi peamiseks eeliseks on selle ülikõrge töökindlus võrreldes teiste tehnoloogiatega. Kütuseelementide liikuvate osade ja mehhanismide puudumise tõttu võib toitesüsteemide töökindlus ulatuda 99,99% -ni. Lisaks on vesiniku reagendina kasutamise korral võimalik saavutada väga väike kaal, mis on kosmoseseadmete puhul üks olulisemaid kriteeriume.

Viimasel ajal on elamutes ja kontorites laialdaselt kasutusel olevad soojuse ja elektri koostootmispaigaldised muutumas laiemaks. Nende süsteemide eripära on see, et nad toodavad pidevalt elektrit, mida kui kohe ära ei tarbita, kasutatakse vee ja õhu soojendamiseks. Vaatamata sellele, et selliste paigaldiste elektriline kasutegur on vaid 15-20%, kompenseerib selle puuduse asjaolu, et kasutamata elektrit kasutatakse soojuse tootmiseks. Üldiselt on selliste kombineeritud süsteemide energiatõhusus umbes 80%. Üks parimaid reaktiive selliste kütuseelementide jaoks on fosforhape. Need seadmed tagavad 90% energiatõhususe (35-50% elektrit ja ülejäänud soojusenergiat).

Transport

Kütuseelementidel põhinevaid energiasüsteeme kasutatakse laialdaselt ka transpordis. Muide, sakslased olid esimeste seas, kes paigaldasid sõidukitele kütuseelemendid. Nii et maailma esimene sellise seadistusega varustatud kommertspaat debüteeris kaheksa aastat tagasi. See väike laev, mis kannab nime "Hydra" ja mis on mõeldud vedama kuni 22 reisijat, lasti vette 2000. aasta juunis Saksamaa endise pealinna lähedal. Vesinik (leeliseline kütuseelement) toimib energiat kandva reagendina. Tänu leeliseliste (leeliseliste) kütuseelementide kasutamisele suudab installatsioon toota voolu kuni -10°C temperatuuridel ega "karta" soolast vett. 5 kW elektrimootoriga juhitav paat "Hydra" on võimeline sõitma kuni 6 sõlme (umbes 12 km/h).

paat "Hydra"

Kütuseelemendid (eriti vesiniku jõul töötavad) on maismaatranspordis palju laiemalt levinud. Üldjuhul on vesinikku kasutatud automootorite kütusena üsna pikka aega ja põhimõtteliselt saab tavalist sisepõlemismootorit lihtsalt selle alternatiivkütuse kasutusele võtta. Tavaline vesiniku põletamine on aga vähem efektiivne kui elektri tootmine vesiniku ja hapniku vahelise keemilise reaktsiooni teel. Ja ideaaljuhul on vesinik, kui seda kasutatakse kütuseelementides, loodusele täiesti ohutu või, nagu öeldakse, "keskkonnasõbralik", kuna keemilise reaktsiooni käigus ei eraldu süsinikdioksiidi ega muid aineid, mis puudutavad "kasvuhoonet". mõju".

Tõsi, siin on, nagu arvata võib, mitu suurt "aga". Fakt on see, et paljud taastumatutest ressurssidest (maagaas, kivisüsi, naftatooted) vesiniku tootmise tehnoloogiad ei ole nii keskkonnasõbralikud, kuna nende protsessis eraldub suur hulk süsinikdioksiidi. Kui selle saamiseks kasutada taastuvaid ressursse, siis teoreetiliselt ei teki üldse kahjulikke heitmeid. Kuid sel juhul suurenevad kulud märkimisväärselt. Paljude ekspertide sõnul on neil põhjustel vesiniku potentsiaal bensiini või maagaasi asendajana väga piiratud. Juba on olemas odavamaid alternatiive ja suure tõenäosusega ei saa perioodilisuse tabeli esimese elemendi kütuseelemendid muutuda massinähtuseks sõidukites.

Autotootjad katsetavad üsna aktiivselt vesiniku kui energiaallikaga. Ja selle peamiseks põhjuseks on ELi üsna karm positsioon atmosfääri kahjulike heitkoguste suhtes. Euroopas üha karmistuvatest piirangutest kannustatuna on Daimler AG, Fiat ja Ford Motor Company avalikustanud oma visiooni kütuseelementide tulevikust autotööstuses, varustades oma baasmudelid sarnaste jõuallikatega. Teine Euroopa autohiiglane Volkswagen valmistab praegu ette oma kütuseelemendiga sõidukit. Jaapani ja Lõuna-Korea ettevõtted ei jää neist maha. Kuid mitte kõik ei panusta sellele tehnoloogiale. Paljud eelistavad sisepõlemismootoreid modifitseerida või kombineerida neid akutoitel elektrimootoritega. Seda teed järgisid Toyota, Mazda ja BMW. Mis puudutab Ameerika ettevõtteid, siis lisaks Fordile oma Focuse mudeliga esitles General Motors ka mitmeid kütuseelemendiga sõidukeid. Kõiki neid ettevõtmisi julgustavad paljud riigid aktiivselt. Näiteks USA-s kehtib seadus, mille kohaselt on turule tulev uus hübriidauto maksuvaba, mis võib olla päris korralik summa, sest reeglina on sellised autod kallimad kui traditsioonilise sisepõlemismootoriga kaaslased. mootorid. Seega muutuvad hübriidid ostuna veelgi atraktiivsemaks. Samas kehtib see seadus praegu vaid turule tulevatele mudelitele kuni 60 000 auto müügitasemeni, misjärel soodustus automaatselt tühistatakse.

Elektroonika

Viimasel ajal on kütuseelemente üha enam kasutatud sülearvutites, mobiiltelefonides ja muudes mobiilsetes elektroonikaseadmetes. Selle põhjuseks oli pika aku kasutusaja jaoks mõeldud seadmete kiiresti kasvav ahnus. Seoses suurte puuteekraanide kasutamisega telefonides, võimsa helivõimekusega ning Wi-Fi, Bluetoothi ​​ja teiste kõrgsageduslike juhtmevabade sideprotokollide toe kasutuselevõtuga on muutunud ka aku mahutavuse nõuded. Ja kuigi akud on esimeste mobiiltelefonide aegadest saati juba kaugele jõudnud, siis mahutavuse ja kompaktsuse poolest (muidu ei lastaks tänapäeval fänne selle sidefunktsiooniga relvaga staadionile), ei pea need siiski sammu. koos elektrooniliste vooluahelate miniaturiseerimisega ega sooviga ehitavad tootjad oma toodetesse üha rohkem funktsioone. Praeguste akude teine ​​oluline puudus on nende pikk laadimisaeg. Kõik viib selleni, et mida rohkem on telefonis või taskumultimeediumipleieris funktsioone, mis on loodud selle omaniku autonoomia suurendamiseks (traadita Internet, navigatsioonisüsteemid jne), seda enam see seade "pistikupesast" sõltub.

Sülearvutite kohta, mis on palju väiksemad kui maksimaalselt piiratud, pole midagi öelda. Ammu on kujunenud nišš üliefektiivsetest sülearvutitest, mis pole üldsegi mõeldud autonoomseks tööks, välja arvatud selline ühest kontorist teise kolimine. Ja isegi sülearvutimaailma kõige kulutõhusamad liikmed näevad vaeva, et pakkuda terve päeva aku kasutusaega. Seetõttu on väga terav küsimus traditsioonilistele akudele alternatiivi leidmisest, mis ei oleks kallim, vaid ka palju tõhusam. Ja tööstuse juhtivad esindajad on seda probleemi hiljuti lahendanud. Mitte nii kaua aega tagasi võeti kasutusele kaubanduslikud metanoolkütuseelemendid, mille masstarneid saab alustada juba järgmisel aastal.

Teadlased valisid mingil põhjusel vesiniku asemel metanooli. Metanooli on palju lihtsam säilitada, kuna see ei nõua kõrget rõhku ega erilisi temperatuuritingimusi. Metüülalkohol on vedelik temperatuuril -97,0 °C kuni 64,7 °C. Samal ajal on metanooli N-mahus sisalduv erienergia suurusjärgu võrra suurem kui samas mahus vesinikus. kõrgsurve. Otsese metanooli kütuseelementide tehnoloogia, mida kasutatakse laialdaselt mobiilsetes elektroonikaseadmetes, hõlmab kasutamist metüülalkohol pärast lihtsalt kütuseelemendipaagi täitmist katalüütilise muundamise protseduurist mööda minnes (sellest ka nimetus "otsene metanool"). See on ka selle tehnoloogia suur eelis.

Kuid nagu arvata võis, olid kõigil neil plussidel oma miinused, mis piirasid oluliselt selle rakendusala. Arvestades asjaolu, et sellegipoolest pole see tehnoloogia veel täielikult välja arendatud, jääb selliste kütuseelementide madala efektiivsuse probleem, mis on põhjustatud metanooli "lekkest" läbi membraanimaterjali, lahendamata. Lisaks pole neil muljetavaldavaid dünaamilisi omadusi. Ei ole lihtne otsustada, mida teha anoodil tekkiva süsihappegaasiga. Kaasaegsed DMFC-seadmed ei ole võimelised tootma suurt energiat, kuid neil on suur energiamaht väikese ainemahu jaoks. See tähendab, et kuigi palju energiat pole veel saadaval, võivad otsesed metanoolikütuseelemendid seda pikka aega toota. See ei võimalda neil oma väikese võimsuse tõttu otsest kasutust sõidukites leida, kuid muudab need peaaegu ideaalseks lahenduseks mobiilseadmetele, mille aku kasutusiga on kriitiline.

Viimased trendid

Kuigi sõidukite kütuseelemente on toodetud juba pikka aega, pole need lahendused seni laialt levinud. Sellel on palju põhjuseid. Ja peamised on majanduslik ebaotstarbekus ja tootjate soovimatus taskukohase kütuse tootmist käima lükata. Katsed sundida loomulikku taastuvenergiaallikatele ülemineku protsessi, nagu arvata võis, ei toonud kaasa midagi head. Põllumajandussaaduste järsu hinnatõusu põhjus ei peitu muidugi pigem selles, et neid on hakatud massiliselt biokütusteks ümber töötama, vaid selles, et paljud Aafrika ja Aasia riigid ei suuda piisavalt tooteid toota. isegi sisemaise nõudluse rahuldamiseks toodete järele.

Ilmselgelt ei too biokütuste kasutamisest keeldumine kaasa olukorra olulist paranemist maailma toiduturul, vaid vastupidi, võib see tabada Euroopa ja Ameerika põllumehi, kes esimest korda üle paljude aastate on saanud võimalus head raha teenida. Aga selle teema eetilist külge ei saa maha kirjutada, inetu on "leiba" tankidesse täita, kui miljonid inimesed nälgivad. Seetõttu suhtuvad biotehnoloogiasse nüüd eelkõige Euroopa poliitikud lahedamalt, mida kinnitab juba taastuvenergiaallikatele ülemineku strateegia läbivaatamine.

Selles olukorras peaks mikroelektroonikast saama kütuseelementide kõige lootustandvam rakendusvaldkond. See on koht, kus kütuseelementidel on kõige suurem võimalus kanda kinnitada. Esiteks, inimesed, kes ostavad mobiiltelefone, on rohkem valmis katsetama kui näiteks autoostjad. Ja teiseks, nad on valmis raha kulutama ega ole reeglina "maailma päästmise" vastu. Seda saab kinnitada kõlavat edu punane "Bono" versioon iPod Nanost, mille müügist saadud rahast läks osa Punasele Ristile.

Apple iPod Nano "Bono" versioon

Kaasaskantava elektroonika kütuseelementide poole pööranute seas on ettevõtteid, kes varem spetsialiseerunud kütuseelementide loomisele ja avasid nüüd lihtsalt uue valdkonna nende rakenduste jaoks, aga ka juhtivaid mikroelektroonika tootjaid. Näiteks teatas hiljuti MTI Micro, mis on muutnud oma äri mobiilsete elektroonikaseadmete metanoolkütuseelementide tootmiseks, et alustab masstootmist 2009. aastal. Ta tutvustas ka maailma esimest metanooli kütuseelemendiga GPS-seadet. Selle ettevõtte esindajate sõnul asendavad selle tooted lähitulevikus täielikult traditsioonilised liitiumioonakud. Tõsi, alguses pole need odavad, kuid see probleem kaasneb iga uue tehnoloogiaga.

Sellise ettevõtte jaoks nagu Sony, kes hiljuti demonstreeris oma DMFC-varianti meediumitoitega seadmest, on need tehnoloogiad uued, kuid nad tahavad tõsiselt mitte eksida paljutõotavale uuele turule. Sharp läks omakorda veelgi kaugemale ja püstitas hiljuti oma kütuseelemendi prototüübiga maailmarekordi energia erivõimsuse osas 0,3 vatti metanooli kuupsentimeetri kohta. Isegi paljude riikide valitsused kohtusid neid kütuseelemente tootvate ettevõtetega. Nii tühistasid USA, Kanada, Suurbritannia, Jaapani ja Hiina lennujaamad metanooli toksilisusest ja süttivusest hoolimata varem kehtinud piirangud selle transportimisel salongis. Loomulikult on see lubatud ainult sertifitseeritud kütuseelementide puhul, mille maksimaalne maht on 200 ml. Siiski kinnitab see veel kord huvi nende arengute vastu mitte ainult entusiastide, vaid ka riikide poolt.

Tõsi, tootjad püüavad endiselt ohutult mängida ja pakkuda kütuseelemente peamiselt varutoitesüsteemina. Üheks selliseks lahenduseks on kütuseelemendi ja aku kombinatsioon: kuni kütust jätkub, laeb see akut pidevalt ja pärast selle tühjenemist vahetab kasutaja tühja kasseti lihtsalt uue metanoolianuma vastu. Teine populaarne trend on luua laadijad kütuseelementidel. Neid saab kasutada liikvel olles. Samal ajal saavad nad akusid väga kiiresti laadida. Ehk edaspidi kannab ehk igaüks sellist "pesa" taskus. See lähenemine võib olla eriti asjakohane mobiiltelefonide puhul. Sülearvutid võivad omakorda lähitulevikus omandada sisseehitatud kütuseelemendid, mis kui mitte täielikult "pistikupesast" laadimist asendada, siis vähemalt sellele tõsiseltvõetavaks alternatiiviks saada.

Seega on Saksamaa suurima keemiaettevõtte BASF prognoosi kohaselt, mis teatas hiljuti oma kütuseelementide arenduskeskuse ehituse alustamisest Jaapanis, 2010. aastaks nende seadmete turu suurus 1 miljard dollarit. Samal ajal ennustavad selle analüütikud kütuseelementide turu kasvu 2020. aastaks 20 miljardi dollarini. Muide, selles keskuses kavatseb BASF arendada kaasaskantava elektroonika (eriti sülearvutite) ja statsionaarsete energiasüsteemide kütuseelemente. Selle ettevõtte koht ei valitud juhuslikult - nende tehnoloogiate peamised ostjad Saksa firma näeb kohalikke firmasid.

Järelduse asemel

Kütuseelementidelt ei tasu muidugi loota, et need asendaksid olemasolevat toitesüsteemi. Vähemalt lähitulevikus. See on kahe teraga mõõk: kaasaskantavad elektrijaamad on kindlasti tõhusamad, kuna puuduvad tarbijale elektri tarnimisega seotud kadud, kuid tasub arvestada ka sellega, et neist võib saada tõsine konkurent tsentraliseeritud toiteallikale. süsteem ainult siis, kui nende seadmete jaoks luuakse tsentraliseeritud kütusevarustussüsteem. See tähendab, et "pistikupesa" tuleks lõpuks asendada kindla toruga, mis varustab vajalike reaktiividega igasse majja ja igasse nurka. Ja see pole päris sama vabadus ja sõltumatus sellest välistest allikatest praegune, millest kütuseelementide tootjad räägivad.

Nendel seadmetel on vaieldamatu eelis laadimiskiiruse näol – vahetasin kaameras lihtsalt metanoolikasseti (äärmisel juhul korgisin lahti Jack Danieli trofee) ja jälle hüppasin Louvre’i trepist üles. Teisest küljest, kui ütleme, et tavaline telefon laadib kaks tundi ja vajab laadimist iga 2-3 päeva tagant, siis on ebatõenäoline, et alternatiivina kasseti vahetamine, mida müüakse ainult spetsialiseeritud kauplustes, isegi kord kahe nädala jooksul, on nii nõutud masskasutaja poolt.Kui paarisaja milliliitri kütusega hermeetiline konteiner jõuab lõpptarbijani, on selle hinnal aega oluliselt kasvada.Selle hinnatõusuga suudab võidelda vaid tootmismaht, aga kas see mastaap on turul nõutud?Ja kuni pole valitud optimaalset kütuseliiki, on seda probleemi väga raske lahendada. problemaatiline.

Teisest küljest võib traditsioonilise pistiklaadimise, kütuseelementide ja muude alternatiivsete energiavarustussüsteemide (nt päikesepaneelide) kombinatsioon olla lahendus energiaallikate mitmekesistamise ja keskkonnatüüpidele ülemineku probleemile. Teatud elektroonikatoodete rühmas saab kütuseelemente aga laialdaselt kasutada. Seda kinnitab tõsiasi, et Canon patenteeris hiljuti oma kütuseelemendid digikaamerate jaoks ja teatas strateegiast, kuidas need tehnoloogiad oma lahendustesse kaasata. Mis aga sülearvutitesse puutub, siis kui nendeni lähiajal kütuseelemendid jõuavad, siis suure tõenäosusega vaid varutoitesüsteemina. Nüüd räägime näiteks peamiselt välistest laadimismoodulitest, mis on täiendavalt ühendatud sülearvutiga.

Kuid neil tehnoloogiatel on suured arenguväljavaated pikaajaline. Eelkõige arvestades naftanälja ohtu, mis võib tekkida lähikümnenditel. Nendel tingimustel pole olulisem isegi mitte see, kui odavaks saab kütuseelementide tootmine, vaid see, kui palju nende jaoks kütust toodetakse olenemata naftakeemiatööstusest ja kas see suudab selle vajaduse katta.

Nissani vesinikkütuseelement

Mobiilne elektroonika täiustub iga aastaga, muutub laiemaks ja kättesaadavamaks: pihuarvutid, sülearvutid, mobiil- ja digiseadmed, pildiraamid jne. Neid kõiki uuendatakse pidevalt uute funktsioonide, suuremate monitoride, traadita side, tugevamate protsessoritega, samas kui nende arv väheneb. suurus.. Toitetehnoloogiad, erinevalt pooljuhttehnoloogiast, ei liigu hüppeliselt.

Olemasolevad patareid ja akud tööstuse saavutuste toiteks on muutumas ebapiisavaks, mistõttu on alternatiivsete allikate küsimus väga terav. Kütuseelemendid on kõige lootustandvam suund. Nende tööpõhimõtte avastas juba 1839. aastal William Grove, kes tootis elektrit vee elektrolüüsi muutmise teel.

Video: Dokumentaalfilm, kütuseelemendid transpordiks: minevik, olevik, tulevik

Kütuseelemendid pakuvad huvi autotootjatele ja nende vastu tunnevad huvi ka tegijad. kosmoselaevad. 1965. aastal katsetas Ameerika neid isegi kosmosesse saadetud Gemini 5-ga ja hiljem Apolloga. Kütuseelementide uurimisse investeeritakse miljoneid dollareid ka tänapäeval, kui on probleeme keskkonnareostusega, suurenevate fossiilkütuste põletamisel tekkivate kasvuhoonegaaside heitkogustega, mille varud pole samuti lõputud.

Kütuseelement, mida sageli nimetatakse elektrokeemiliseks generaatoriks, töötab allpool kirjeldatud viisil.

Olles, nagu akud ja patareid, galvaaniline element, kuid selle erinevusega, et aktiivseid aineid hoitakse selles eraldi. Need tulevad elektroodide juurde, kui neid kasutatakse. Negatiivsel elektroodil põleb looduslik kütus või sellest saadud mis tahes aine, mis võib olla gaasiline (näiteks vesinik ja süsinikmonooksiid) või vedel, nagu alkoholid. Positiivse elektroodi juures reageerib reeglina hapnik.

Kuid lihtsa välimusega tegevuspõhimõtet pole lihtne tegelikkuseks tõlkida.

DIY kütuseelement

Video: DIY vesinikkütuseelement

Kahjuks pole meil fotosid, milline see kütuseelement välja peaks nägema, loodame teie fantaasiale.

Oma kätega väikese võimsusega kütuseelementi saab valmistada isegi koolilaboris. Peate varuma vana gaasimaski, paar tükki pleksiklaasi, leelist ja vesilahus etüülalkohol (lihtsamalt viin), mis toimib kütuseelemendi "kütusena".

Kõigepealt on vaja kütuseelemendi korpust, mis on kõige parem teha pleksiklaasist, paksusega vähemalt viis millimeetrit. Sisemised vaheseinad (viis sektsiooni sees) saab teha veidi õhemaks - 3 cm.Pleksiklaasi liimimiseks kasutatakse järgmise koostisega liimi: kuus grammi pleksiklaasi lahustatakse sajas grammis kloroformis või dikloroetaanis (need töötavad kapoti all ).

Välisseinasse on nüüd vaja puurida auk, millesse tuleb läbi kummikorgi pista 5-6 sentimeetrise läbimõõduga äravooluklaasist toru.

Kõik teavad, et perioodilisuse tabelis alumises vasakus nurgas on kõige aktiivsemad metallid ja kõrge aktiivsusega metalloidid on tabelis ülemises paremas nurgas, st. elektronide loovutamise võime suureneb ülalt alla ja paremalt vasakule. Tabeli keskel on elemendid, mis võivad teatud tingimustel avalduda metallide või metalloididena.

Nüüd valame gaasimaskist teise ja neljandasse kambrisse Aktiveeritud süsinik(esimese ja teise, samuti kolmanda ja neljanda vaheseina vahel), mis toimivad elektroodidena. Et kivisüsi läbi aukude välja ei valguks, võib selle panna nailonkangasse (sobivad ka naiste nailonist sukad). AT

Kütus hakkab ringlema esimeses kambris, viiendas peaks olema hapniku tarnija - õhk. Elektroodide vahel on elektrolüüt ja selle õhukambrisse lekkimise vältimiseks on vaja seda leotada parafiini lahusega bensiinis (2 grammi parafiini ja poole klaasi bensiini suhe) enne neljanda kambri täitmist söega õhu elektrolüüdi saamiseks. Söekihile tuleb panna (kergelt vajutades) vaskplaadid, mille külge on joodetud juhtmed. Nende kaudu suunatakse vool elektroodidelt kõrvale.

Jääb vaid elemendi laadimine. Selleks on vaja viina, mis tuleb lahjendada veega vahekorras 1: 1. Seejärel lisage ettevaatlikult kolmsada kuni kolmsada viiskümmend grammi söövitavat kaaliumi. Elektrolüüdi jaoks lahustatakse 70 grammi söövitavat kaaliumit 200 grammis vees.

Kütuseelement on testimiseks valmis. Nüüd peate samaaegselt valama kütust esimesse kambrisse ja elektrolüüti kolmandasse. Elektroodide külge kinnitatud voltmeeter peaks näitama 07 volti kuni 0,9 volti. Elemendi pideva töö tagamiseks on vaja kasutatud kütus tühjendada (klaasi tühjendada) ja lisada uus kütus (läbi kummitoru). Etteandekiirust juhitakse toru pigistamisega. Nii näeb laboritingimustes välja kütuseelemendi töö, mille võimsus on arusaadavalt väike.

Video: Kütuseelement ehk igavene aku kodus

Võimsuse suurendamiseks on teadlased selle probleemiga pikka aega tegelenud. Metanool ja etanooli kütuseelemendid asuvad aktiivse arendusterasel. Kuid kahjuks pole siiani võimalik neid praktikas rakendada.

Miks valitakse alternatiivseks toiteallikaks kütuseelement

Alternatiivseks jõuallikaks valiti kütuseelement, kuna selles on vesiniku põlemise lõpp-produktiks vesi. Probleem on ainult odava ja tõhusa vesiniku tootmise viisi leidmises. Vesinikugeneraatorite ja kütuseelementide arendamisse investeeritud kolossaalsed vahendid ei saa seetõttu vilja kandmata jätta tehnoloogiline läbimurre ja nende tegelik kasutamine igapäevaelus, vaid aja küsimus.

Juba täna on autotööstuse koletised: General Motors, Honda, Dreimler Koisler, Ballard demonstreerivad busse ja autosid, mis töötavad kütuseelementidel võimsusega kuni 50 kW. Kuid nende ohutuse, töökindluse, kuludega seotud probleemid pole veel lahendatud. Nagu juba mainitud, on erinevalt traditsioonilistest toiteallikatest - akudest ja patareidest - antud juhul oksüdeerija ja kütus väljastpoolt ning kütuseelement on vaid vahendaja reaktsioonis, mis toimub kütuse põletamisel ja vabaneva energia muundamisel elektrienergiaks. . “Põlemine” toimub ainult siis, kui element annab koormusele voolu, nagu diiselgeneraator, kuid ilma generaatori ja diislita ning ka ilma müra, suitsu ja ülekuumenemiseta. Samal ajal on efektiivsus palju suurem, kuna puuduvad vahepealsed mehhanismid.

Video: Vesinikkütuseelemendiga auto

Nanotehnoloogiate ja nanomaterjalide kasutamisele pannakse suuri lootusi, mis aitab kütuseelemente miniatuurseks muuta, suurendades samal ajal nende võimsust. On teatatud, et on loodud ülitõhusaid katalüsaatoreid, aga ka kütuseelementide konstruktsioone, millel pole membraane. Nendes koos oksüdeerijaga tarnitakse elemendile kütust (näiteks metaan). Huvitavad on lahendused, kus oksüdeeriva ainena kasutatakse vees lahustunud hapnikku ja kütusena reostunud veekogudesse kogunevaid orgaanilisi lisandeid. Need on nn biokütuseelemendid.

Kütuseelemendid võivad ekspertide sõnul jõuda massiturule lähiaastatel