Kā darbojas degvielas šūnas. Kas ir kurināmā elementi

AT mūsdienu dzīveķīmiskie strāvas avoti ir mums visapkārt: baterijas kabatas lukturīšos, akumulatori mobilajos tālruņos, ūdeņraža degvielas elementi, kas jau tiek izmantoti dažās automašīnās. Elektroķīmisko tehnoloģiju straujā attīstība var novest pie tā, ka tuvākajā nākotnē ar benzīnu darbināmu automašīnu vietā mūs ielenks tikai elektromobiļi, telefoni vairs ātri neizlādēsies, un katrā mājā būs sava kurināmā elementa elektrība. ģenerators. Viena no Urālas federālās universitātes kopīgajām programmām ar Krievijas Zinātņu akadēmijas Urālas filiāles Augstas temperatūras elektroķīmijas institūtu, sadarbībā ar kuru mēs publicējam šo rakstu, ir veltīta elektroķīmiskās uzglabāšanas un elektroenerģijas ģeneratoru efektivitātes uzlabošanai. .

Šodien tādu ir daudz dažādi veidi baterijas, starp kurām ir arvien grūtāk orientēties. Ne visiem ir skaidrs, ar ko akumulators atšķiras no superkondensatora un kāpēc ūdeņraža kurināmā elementu var izmantot, nebaidoties nodarīt kaitējumu videi. Šajā rakstā mēs runāsim par to, kā ķīmiskās reakcijas tiek izmantotas elektroenerģijas ražošanai, kāda ir atšķirība starp galvenajiem mūsdienu ķīmisko strāvas avotu veidiem un kādas ir elektroķīmiskās enerģijas perspektīvas.

Ķīmija kā elektroenerģijas avots

Vispirms apskatīsim, kāpēc ķīmisko enerģiju vispār var izmantot elektroenerģijas ražošanai. Lieta tāda, ka redoksreakcijās elektroni tiek pārnesti starp diviem dažādiem joniem. Ja divas pusītes ķīmiskā reakcija izplatīties telpā tā, lai oksidēšanās un reducēšana notiktu atsevišķi viena no otras, tad var pārliecināties, ka elektrons, kas atraujas no viena jona, uzreiz nekrīt uz otrā, bet vispirms iziet pa tam noteiktu ceļu. Šo reakciju var izmantot kā elektriskās strāvas avotu.

Šo koncepciju 18. gadsimtā pirmo reizi ieviesa itāļu fiziologs Luidži Galvani. Tradicionālās galvaniskās šūnas darbības pamatā ir dažādas aktivitātes metālu reducēšanās un oksidēšanās reakcijas. Piemēram, klasiskā šūna ir galvaniskā šūna, kurā tiek oksidēts cinks un reducēts varš. Reducēšanas un oksidācijas reakcijas notiek attiecīgi uz katoda un anoda. Un, lai vara un cinka joni neiekļūtu "svešā teritorijā", kur tie var tieši reaģēt viens ar otru, starp anodu un katodu parasti tiek novietota īpaša membrāna. Tā rezultātā starp elektrodiem rodas potenciāla atšķirība. Ja jūs savienojat elektrodus, piemēram, ar spuldzi, tad iegūtajā elektriskajā ķēdē sāk plūst strāva un iedegas spuldze.

Galvaniskā elementa diagramma

Wikimedia Commons

Papildus anoda un katoda materiāliem svarīga ķīmiskās strāvas avota sastāvdaļa ir elektrolīts, kura iekšpusē pārvietojas joni un uz kura robežas notiek visas elektroķīmiskās reakcijas ar elektrodiem. Šajā gadījumā elektrolītam nav jābūt šķidram – tas var būt gan polimērs, gan keramikas materiāls.

Galvenais galvaniskā elementa trūkums ir tā ierobežotais darbības laiks. Tiklīdz reakcija beigsies (tas ir, viss pakāpeniski šķīstošais anods ir pilnībā iztērēts), šāds elements vienkārši pārtrauks darboties.

Pirkstu sārma baterijas

Uzlādējams

Pirmais solis ceļā uz ķīmisko strāvas avotu iespēju paplašināšanu bija akumulatora izveide – strāvas avots, ko var uzlādēt un līdz ar to izmantot atkārtoti. Lai to izdarītu, zinātnieki vienkārši ierosināja izmantot atgriezeniskas ķīmiskās reakcijas. Pirmo reizi pilnībā izlādējot akumulatoru, ar ārēja strāvas avota palīdzību tajā notikušo reakciju var iedarbināt pretējā virzienā. Tādējādi tiks atjaunots sākotnējais stāvoklis, lai akumulatoru varētu atkal lietot pēc uzlādes.

Automobiļu svina skābes akumulators

Līdz šim ir radīti daudz dažādu veidu akumulatori, kas atšķiras pēc tajos notiekošās ķīmiskās reakcijas veida. Visizplatītākie akumulatoru veidi ir svina-skābes (vai vienkārši svina) akumulatori, kuru pamatā ir svina oksidācijas-reducēšanās reakcija. Šādām ierīcēm ir diezgan ilgs kalpošanas laiks, un to enerģijas patēriņš ir līdz 60 vatstundām uz kilogramu. Vēl populārāks iekšā pēdējie laiki ir litija jonu akumulatori, kuru pamatā ir litija redoksreakcija. Mūsdienu litija jonu akumulatoru enerģijas intensitāte tagad pārsniedz 250 vatstundas uz kilogramu.

Li-ion akumulators mobilajam tālrunim

Galvenās litija jonu akumulatoru problēmas ir to zemā efektivitāte zemā temperatūrā, strauja novecošanās un paaugstināta sprādzienbīstamība. Un sakarā ar to, ka litija metāls ļoti aktīvi reaģē ar ūdeni, veidojot ūdeņraža gāzi un akumulatoram degot izdalās skābeklis, litija jonu akumulatora spontāna aizdegšanās ir ļoti grūti izmantojama ar tradicionālajām ugunsdzēšanas metodēm. Lai uzlabotu šāda akumulatora drošību un paātrinātu tā uzlādes laiku, zinātnieki piedāvā katoda materiālu, kas novērš dendrītu litija struktūru veidošanos un pievieno elektrolītam vielas, kas veido sprādzienbīstamas struktūras, un sastāvdaļas, kas agrīnā stadijā aizdegas. .

Ciets elektrolīts

Kā vēl vienu mazāk acīmredzamu veidu, kā uzlabot akumulatoru efektivitāti un drošību, ķīmiķi ir ierosinājuši neaprobežoties tikai ar šķidriem elektrolītiem ķīmiskajos enerģijas avotos, bet izveidot pilnībā cietvielu enerģijas avotu. Šādās ierīcēs vispār nav šķidru komponentu, bet starp tiem ir slāņaina cietā anoda struktūra, cietais katods un cietais elektrolīts. Elektrolīts tajā pašā laikā veic membrānas funkciju. Cietā elektrolīta lādiņu nesēji var būt dažādi joni atkarībā no tā sastāva un reakcijām, kas notiek uz anoda un katoda. Bet tie vienmēr ir pietiekami mazi joni, kas var salīdzinoši brīvi pārvietoties pa kristālu, piemēram, H + protoni, Li + litija joni vai O 2- skābekļa joni.

Ūdeņraža degvielas šūnas

Uzlādes iespēja un īpašie drošības pasākumi padara akumulatorus par daudz perspektīvāku strāvas avotu nekā parastie akumulatori, taču katrā akumulatorā ir ierobežots reaģentu daudzums, līdz ar to ir ierobežota enerģijas padeve, un katru reizi akumulators ir jāuzlādē. lai atsāktu tā darbību.

Lai akumulatoru padarītu “bezgalīgu”, kā enerģijas avotu var izmantot nevis tās vielas, kas atrodas šūnā, bet gan speciāli caur to sūknētu degvielu. Pats labākais, ka šāda degviela ir vispiemērotākā viela, kuras sastāvs ir pēc iespējas vienkāršāks, videi draudzīgs un uz Zemes ir pieejams pārpilnībā.

Vispiemērotākā šāda veida viela ir ūdeņraža gāze. Tās oksidēšana ar atmosfēras skābekli, veidojot ūdeni (saskaņā ar reakciju 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) ir vienkārša redoksreakcija, un kā strāvas avotu var izmantot arī elektronu transportēšanu starp joniem. Šajā gadījumā notiekošā reakcija ir sava veida apgrieztā reakcija uz ūdens elektrolīzes reakciju (kurā elektriskās strāvas iedarbībā ūdens sadalās skābeklī un ūdeņradi), un pirmo reizi šāda shēma tika ierosināta 19. gadsimta vidus.

Bet, neskatoties uz to, ka shēma izskatās diezgan vienkārša, efektīvas ierīces izveidošana, pamatojoties uz šo principu, nepavisam nav triviāls uzdevums. Lai to izdarītu, nepieciešams atdalīt skābekļa un ūdeņraža plūsmas kosmosā, nodrošināt nepieciešamo jonu transportēšanu caur elektrolītu un samazināt iespējamos enerģijas zudumus visos darbības posmos.

Ūdeņraža kurināmā elementa darbības shematiskā diagramma

Darba ūdeņraža kurināmā elementa shēma ir ļoti līdzīga ķīmiskā strāvas avota shēmai, bet satur papildu kanālus degvielas un oksidētāja padevei un reakcijas produktu un pārpalikuma piegādāto gāzu noņemšanai. Elektrodi šādā elementā ir poraini vadoši katalizatori. Anodā tiek piegādāta gāzveida degviela (ūdeņradis), katodam tiek piegādāts oksidētājs (skābeklis no gaisa), un uz katra elektroda robežas ar elektrolītu notiek sava pusreakcija (oksidēšana). attiecīgi ūdeņradis un skābekļa reducēšana). Šajā gadījumā, atkarībā no kurināmā elementa veida un elektrolīta veida, pati ūdens veidošanās var notikt vai nu anoda, vai katoda telpā.

Toyota ūdeņraža degvielas šūna

Džozefs Brents / flickr

Ja elektrolīts ir protonus vadošs polimērs vai keramikas membrāna, skābes vai sārma šķīdums, tad lādiņa nesējs elektrolītā ir ūdeņraža joni. Šajā gadījumā molekulārais ūdeņradis pie anoda tiek oksidēts līdz ūdeņraža joniem, kas iziet cauri elektrolītam un tur reaģē ar skābekli. Ja skābekļa jons O 2– ir lādiņa nesējs, kā tas ir cieta oksīda elektrolīta gadījumā, tad skābeklis pie katoda tiek reducēts par jonu, šis jons iziet cauri elektrolītam un pie anoda oksidē ūdeņradi, veidojot ūdeni un brīvu. elektroni.

Papildus ūdeņraža oksidācijas reakcijai kurināmā elementiem tika ierosināts izmantot arī cita veida reakcijas. Piemēram, ūdeņraža vietā reducēšanas degviela varētu būt metanols, ko skābeklis oksidē līdz oglekļa dioksīdam un ūdenim.

Kurināmā elementu efektivitāte

Neskatoties uz visām ūdeņraža kurināmā elementu priekšrocībām (piemēram, videi draudzīgums, praktiski neierobežota efektivitāte, kompakts izmērs un augsta enerģijas intensitāte), tiem ir arī vairāki trūkumi. Tie, pirmkārt, ietver komponentu pakāpenisku novecošanos un ūdeņraža uzglabāšanas grūtības. Šodien zinātnieki strādā pie tā, kā novērst šos trūkumus.

Šobrīd tiek piedāvāts paaugstināt kurināmā elementu efektivitāti, mainot elektrolīta sastāvu, katalizatora elektroda īpašības un sistēmas ģeometriju (kas nodrošina kurināmā gāzu piegādi vēlamais punkts un samazināt blakusparādības). Ūdeņraža gāzes uzglabāšanas problēmas risināšanai tiek izmantoti platīnu saturoši materiāli, kuru piesātināšanai, piemēram, grafēna membrānas.

Rezultātā ir iespējams panākt degvielas šūnas stabilitātes un tā atsevišķo komponentu kalpošanas laika palielināšanos. Tagad ķīmiskās enerģijas pārvēršanas elektriskajā enerģijā koeficients šādās šūnās sasniedz 80 procentus, un noteiktos apstākļos tas var būt pat lielāks.

Milzīgas ūdeņraža enerģijas perspektīvas ir saistītas ar iespēju kurināmā elementus apvienot veselos akumulatoros, pārvēršot tos par elektriskiem ģeneratoriem ar lielu jaudu. Arī šobrīd ar ūdeņraža kurināmā elementiem darbināmo elektrisko ģeneratoru jauda ir līdz pat vairākiem simtiem kilovatu, un tie tiek izmantoti kā transportlīdzekļu enerģijas avoti.

Alternatīva elektroķīmiskā uzglabāšana

Papildus klasiskajiem elektroķīmiskiem strāvas avotiem kā enerģijas uzkrāšanas ierīces tiek izmantotas arī neparastākas sistēmas. Viena no šīm sistēmām ir superkondensators (vai jonistors) - ierīce, kurā notiek lādiņu atdalīšana un uzkrāšanās, jo veidojas dubultslānis pie uzlādētas virsmas. Pie elektroda-elektrolīta saskarnes šādā ierīcē dažādu zīmju joni sarindojas divos slāņos, tā sauktajā "dubultajā elektriskajā slānī", veidojot sava veida ļoti plānu kondensatoru. Šāda kondensatora kapacitāti, tas ir, uzkrātā lādiņa lielumu, noteiks elektroda materiāla īpatnējais virsmas laukums, tāpēc par materiālu ir izdevīgi ņemt porainus materiālus ar maksimālo īpatnējo virsmu. superkondensatori.

Jonistori ir čempioni uzlādes-izlādes ķīmisko strāvas avotu vidū uzlādes ātruma ziņā, kas ir neapšaubāma šāda veida ierīču priekšrocība. Diemžēl tie ir rekordisti arī izlādes ātruma ziņā. Jonistoru enerģijas blīvums ir astoņas reizes mazāks nekā svina akumulatoriem un 25 reizes mazāks nekā litija jonu akumulatoriem. Klasiskie "divslāņu" jonistori savā kodolā neizmanto elektroķīmisko reakciju, un termins "kondensators" ir visprecīzāk attiecināms uz tiem. Taču tajās jonistoru versijās, kuru pamatā ir elektroķīmiska reakcija un lādiņa uzkrāšanās iestiepjas elektroda dziļumā, ir iespējams sasniegt lielākus izlādes laikus, saglabājot ātru uzlādes ātrumu. Superkondensatoru izstrādātāju centieni ir vērsti uz hibrīda ierīču izveidi ar akumulatoriem, kas apvieno superkondensatoru priekšrocības, galvenokārt augstu uzlādes ātrumu, un akumulatoru priekšrocības - augstu enerģijas intensitāti un ilgu izlādes laiku. Iedomājieties tuvākajā nākotnē jonistoru akumulatoru, kas uzlādēsies pāris minūšu laikā un darbinās klēpjdatoru vai viedtālruni vienu dienu vai ilgāk!

Neskatoties uz to, ka šobrīd superkondensatoru enerģijas blīvums joprojām ir vairākas reizes mazāks par akumulatoru enerģijas blīvumu, tos izmanto plaša patēriņa elektronikā un dažādu transportlīdzekļu dzinējiem, tostarp visvairāk.

* * *

Tādējādi šodien ir liels skaits elektroķīmiskās ierīces, no kurām katra ir daudzsološa saviem īpašajiem lietojumiem. Lai uzlabotu šo ierīču efektivitāti, zinātniekiem ir jāatrisina vairākas gan fundamentālas, gan tehnoloģiskas problēmas. Lielākā daļa no šiem uzdevumiem viena no izrāviena projekta ietvaros tiek risināti Urālu federālajā universitātē, tāpēc jautājām Krievijas Zinātņu akadēmijas Urālu filiāles Augstas temperatūras elektroķīmijas institūta direktoram Maksimam Anaņjevam, profesoram. Urālas federālās universitātes Ķīmiskās tehnoloģijas institūta Elektroķīmiskās ražošanas tehnoloģijas katedrā, lai runātu par tuvākajiem plāniem un perspektīvām modernu kurināmā elementu attīstībai.

N+1: vai tuvākajā nākotnē ir kāda alternatīva populārākajām litija jonu baterijām?

Maksims Anaņjevs: Mūsdienu akumulatoru izstrādātāju centieni ir vērsti uz to, lai elektrolīta lādiņa nesēju aizstātu no litija uz nātriju, kāliju un alumīniju. Litija nomaiņas rezultātā būs iespējams samazināt akumulatora izmaksas, lai gan proporcionāli palielināsies svara un izmēra raksturlielumi. Citiem vārdiem sakot, ar tiem pašiem elektriskajiem parametriem nātrija jonu akumulators būs lielāks un smagāks nekā litija jonu akumulators.

Turklāt viena no perspektīvām attīstības jomām bateriju uzlabošanai ir hibrīdu ķīmisko enerģijas avotu izveide, pamatojoties uz metāla jonu akumulatoru kombināciju ar gaisa elektrodu, piemēram, kurināmā elementos. Kopumā hibrīdsistēmu veidošanas virziens, kā jau tika parādīts superkondensatoru piemērā, acīmredzot ļaus mums tuvākajā nākotnē ieraudzīt tirgū ķīmiskos enerģijas avotus ar augstām patērētāju īpašībām.

Urālas federālā universitāte kopā ar akadēmiskajiem un industriālajiem partneriem no Krievijas un pasaules šobrīd īsteno sešus megaprojektus, kas ir vērsti uz zinātniskās pētniecības izrāvienu jomām. Viens no šādiem projektiem ir "Perspektīvas elektroķīmiskās enerģijas tehnoloģijas no jaunu materiālu ķīmiskās projektēšanas līdz jaunas paaudzes elektroķīmiskām ierīcēm enerģijas taupīšanai un pārveidei".

Zinātnieku grupa no Stratēģiskās akadēmiskās vienības (SAU) UrFU Dabaszinātņu un matemātikas skolas, kurā ietilpst Maksims Anaņjevs, nodarbojas ar jaunu materiālu un tehnoloģiju, tostarp kurināmā elementu, elektrolītisko elementu, metāla grafēna bateriju, elektroķīmisko, projektēšanu un izstrādi. enerģijas uzglabāšanas sistēmas un superkondensatori.

Pētījumi un zinātniskais darbs tiek veikts pastāvīgā sadarbībā ar Krievijas Zinātņu akadēmijas Urālu filiāles Augstas temperatūras elektroķīmijas institūtu un ar partneru atbalstu.

Kuras kurināmā šūnas pašlaik tiek izstrādātas un kurām ir vislielākais potenciāls?

Viens no daudzsološākajiem kurināmā elementu veidiem ir protonu keramikas šūnas. Tiem ir priekšrocības salīdzinājumā ar polimēru kurināmā elementiem ar protonu apmaiņas membrānu un cietā oksīda elementiem, jo ​​tie var darboties ar tiešu ogļūdeņraža degvielas padevi. Tas ievērojami vienkāršo uz protonu keramikas kurināmā elementiem balstītas spēkstacijas un vadības sistēmas konstrukciju un tādējādi palielina darbības uzticamību. Tiesa, šāda veida kurināmā elementi šobrīd ir vēsturiski mazāk attīstīti, taču mūsdienu zinātniskie pētījumi ļauj cerēt uz augstu šīs tehnoloģijas potenciālu nākotnē.

Kādas problēmas saistībā ar kurināmā elementiem pašlaik tiek risinātas Urālu federālajā universitātē?

Tagad UrFU zinātnieki kopā ar Krievijas Zinātņu akadēmijas Urālu filiāles Augstas temperatūras elektroķīmijas institūtu (IHTE) strādā pie ļoti efektīvu elektroķīmisko ierīču un autonomu enerģijas ģeneratoru izveides izmantošanai sadalītajā enerģijā. Sadalītās enerģijas spēkstaciju izveide sākotnēji nozīmē hibrīdu sistēmu izstrādi, kuru pamatā ir elektroenerģijas ģenerators un uzglabāšanas ierīce, kas ir baterijas. Tajā pašā laikā degvielas šūna darbojas nepārtraukti, nodrošinot slodzi pīķa stundās, un dīkstāves režīmā uzlādē akumulatoru, kas pats var darboties kā rezerve gan liela enerģijas patēriņa, gan avārijas situācijās.

Ķīmiķi no Urālas Federālās universitātes un IHTE guva vislielākos panākumus cieto oksīdu un protonu keramikas kurināmā elementu izstrādē. Kopš 2016. gada Urālos kopā ar valsts korporāciju Rosatom tika izveidotas pirmās Krievijas spēkstacijas, kuru pamatā ir cietā oksīda kurināmā elementi. Urālu zinātnieku attīstība jau ir izturējusi "lauka" testus gāzes cauruļvada katodaizsardzības stacijā Uraltransgaz LLC eksperimentālajā vietā. Elektrostacija ar nominālo jaudu 1,5 kilovati ir nostrādājusi vairāk nekā 10 tūkstošus stundu un ir parādījusi augstu potenciālu šādu ierīču izmantošanai.

Urālas federālās universitātes un IHTE kopīgās laboratorijas ietvaros tiek izstrādātas elektroķīmiskās ierīces, kuru pamatā ir protonus vadoša keramikas membrāna. Tas ļaus tuvākajā nākotnē samazināt cietā oksīda kurināmā elementu darba temperatūru no 900 līdz 500 grādiem pēc Celsija un atteikties no ogļūdeņraža degvielas sākotnējās reformēšanas, tādējādi radot rentablus elektroķīmiskos ģeneratorus, kas spēj darboties attīstīta gāzes piegādes infrastruktūra Krievijā.

Aleksandrs Dubovs

Mobilā elektronika ar katru gadu, ja ne mēnesi, kļūst pieejamāka un plašāk izplatīta. Šeit jums ir klēpjdatori un plaukstdatori, un digitālās kameras, un mobilie tālruņi, un daudz dažādu noderīgu un ne pārāk ierīču. Un visas šīs ierīces pastāvīgi iegūst jaunas funkcijas, jaudīgākus procesorus, lielākus krāsu ekrānus, bezvadu savienojumu, tajā pašā laikā samazinot izmēru. Taču atšķirībā no pusvadītāju tehnoloģijām šīs mobilās zvērnīcas jaudas tehnoloģijas nebūt nav lēcienveidīgas.

Ar parastajiem akumulatoriem un baterijām nepārprotami nepietiek, lai kādu ievērojamu laiku darbinātu jaunākos sasniegumus elektronikas nozarē. Un bez uzticamiem un ietilpīgiem akumulatoriem tiek zaudēta visa mobilitātes un bezvadu savienojuma jēga. Tātad datoru nozare arvien aktīvāk strādā pie problēmas alternatīvi enerģijas avoti. Un līdz šim daudzsološākais virziens šeit ir degvielas šūnas.

Kurināmā elementu pamatprincipu 1839. gadā atklāja britu zinātnieks sers Viljams Grovs. Viņš ir pazīstams kā "degvielas šūnas" tēvs. Viljams Grovs ražoja elektroenerģiju, mainoties, lai iegūtu ūdeņradi un skābekli. Atvienojis akumulatoru no elektrolītiskās šūnas, Grūvs pārsteigts atklāja, ka elektrodi sāk absorbēt atbrīvoto gāzi un radīt strāvu. Procesa atvēršana ūdeņraža elektroķīmiskā "aukstā" sadedzināšana kļuva nozīmīgs notikums enerģētikā un arī nākotnē tādi pazīstami elektroķīmiķi kā Ostvalds un Nernsts spēlēja lielu lomu kurināmā elementu teorētisko pamatu izstrādē un praktiskajā ieviešanā un paredzēja viņiem lielu nākotni.

Es pats termins "degvielas šūna" (Fuel Cell) parādījās vēlāk - to 1889. gadā ierosināja Ludvigs Monds un Čārlzs Langers, kuri mēģināja izveidot ierīci elektroenerģijas ražošanai no gaisa un ogļu gāzes.

Normālas sadegšanas laikā skābeklī organiskais kurināmais tiek oksidēts, un degvielas ķīmiskā enerģija tiek neefektīvi pārveidota siltumenerģijā. Bet izrādījās, ka ir iespējams veikt oksidācijas reakciju, piemēram, ūdeņradi ar skābekli, elektrolīta vidē un elektrodu klātbūtnē iegūt elektrisko strāvu. Piemēram, pievadot ūdeņradi elektrodam sārmainā vidē, mēs iegūstam elektronus:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

kas, izejot caur ārējo ķēdi, nonāk pretējā elektrodā, kurā nonāk skābeklis un kur notiek reakcija: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Redzams, ka iegūtā reakcija 2H2 + O2 → H2O ir tāda pati kā parastajā sadegšanā, bet kurināmā elementā vai citādi - in elektroķīmiskais ģenerators, elektriskā strāva tiek iegūta ar lielu efektivitāti un daļēji siltumu. Ņemiet vērā, ka ogles, oglekļa monoksīdu, spirtus, hidrazīnu un citas organiskās vielas var izmantot arī kā kurināmo kurināmā elementos, kā arī gaisu, ūdeņraža peroksīdu, hloru, bromu, Slāpekļskābe utt.

Kurināmā elementu attīstība enerģiski turpinājās gan ārzemēs, gan Krievijā un pēc tam PSRS. Starp zinātniekiem, kas devuši lielu ieguldījumu kurināmā elementu izpētē, atzīmējam V. Jako, P. Jabločkovu, F. Bēkonu, E. Baueru, E. Justi, K. Kordesu. Pagājušā gadsimta vidū sākās jauns uzbrukums kurināmā elementu problēmām. Daļēji tas ir saistīts ar jaunu ideju, materiālu un tehnoloģiju rašanos aizsardzības pētījumu rezultātā.

Viens no zinātniekiem, kurš spēra lielu soli kurināmā elementu attīstībā, bija P. M. Spiridonovs. Spiridonova ūdeņraža-skābekļa elementi deva strāvas blīvumu 30 mA/cm2, kas tajā laikā tika uzskatīts par lielu sasniegumu. 40. gados O. Davtjans izveidoja iekārtu ogļu gazifikācijā iegūtas ģeneratora gāzes elektroķīmiskai sadedzināšanai. No katra elementa tilpuma kubikmetra Davtjans saņēma 5 kW jaudu.

Tas bija pirmā cietā elektrolīta kurināmā šūna. Tam bija augsta efektivitāte, taču laika gaitā elektrolīts kļuva nederīgs, un tas bija jāmaina. Pēc tam piecdesmito gadu beigās Davtjans izveidoja jaudīgu instalāciju, kas iedarbina traktoru. Tajos pašos gados angļu inženieris T. Bēkons projektēja un uzbūvēja kurināmā elementu akumulatoru ar kopējo jaudu 6 kW un efektivitāti 80%, kas darbojas ar tīru ūdeņradi un skābekli, bet akumulatora jaudas un svara attiecība. izrādījās pārāk mazs - šādas šūnas nebija piemērotas praktiskai lietošanai un pārāk dārgas.

Turpmākajos gados vientuļu laiks pagāja. Kosmosa kuģu radītāji sāka interesēties par degvielas šūnām. Kopš 1960. gadu vidus kurināmā elementu izpētē ir ieguldīti miljoniem dolāru. Tūkstošiem zinātnieku un inženieru darbs ļāva sasniegt jaunu līmeni, un 1965. g. Degvielas šūnas tika pārbaudītas Amerikas Savienotajās Valstīs uz Gemini 5 kosmosa kuģa un vēlāk ar Apollo kosmosa kuģi lidojumiem uz Mēnesi un Shuttle programmas ietvaros.

PSRS kurināmā elementi tika izstrādāti NPO Kvant, arī izmantošanai kosmosā. Tajos gados jau ir parādījušies jauni materiāli - cietie polimēru elektrolīti, kuru pamatā ir jonu apmaiņas membrānas, jauni katalizatoru veidi, elektrodi. Un tomēr darba strāvas blīvums bija mazs - 100-200 mA/cm2 robežās, un platīna saturs uz elektrodiem bija vairāki g/cm2. Bija daudz problēmu, kas saistītas ar izturību, stabilitāti, drošību.

Nākamais posms kurināmā elementu straujajā attīstībā sākās 90. gados. pagājušajā gadsimtā un turpinās līdz mūsdienām. To izraisa vajadzība pēc jauniem efektīviem enerģijas avotiem saistībā, no vienas puses, ar globālo vides problēma siltumnīcefekta gāzu emisiju palielināšanās fosilā kurināmā sadedzināšanas rezultātā un, no otras puses, līdz ar šādu kurināmo izsīkšanu. Tā kā ūdeņraža sadegšanas galaprodukts kurināmā elementā ir ūdens, tie tiek uzskatīti par tīrākajiem vides ietekmes ziņā. Galvenā problēma ir tikai atrast efektīvu un lētu ūdeņraža ražošanas veidu.

Miljardu dolāru finanšu investīcijām kurināmā elementu un ūdeņraža ģeneratoru izstrādē vajadzētu radīt tehnoloģisku izrāvienu un padarīt to izmantošanu ikdienas dzīvē par realitāti: mobilo tālruņu šūnās, automašīnās, spēkstacijās. Jau šobrīd tādi automobiļu giganti kā "Ballard", "Honda", "Daimler Chrysler", "General Motors" demonstrē vieglos automobiļus un autobusus, kas darbojas ar degvielas šūnām ar jaudu 50 kW. Ir attīstījušies vairāki uzņēmumi demonstrācijas spēkstacijas uz kurināmā elementiem ar cieto oksīda elektrolītu ar jaudu līdz 500 kW. Taču, neskatoties uz ievērojamo sasniegumu degvielas elementu veiktspējas uzlabošanā, joprojām ir jāatrisina daudzas problēmas, kas saistītas ar to izmaksām, uzticamību un drošību.

Degvielas šūnā, atšķirībā no baterijām un akumulatoriem, gan degviela, gan oksidētājs tiek ievadīts tajā no ārpuses. Degvielas šūna ir tikai starpnieks reakcijā un ideālos apstākļos varētu ilgt gandrīz mūžīgi. Šīs tehnoloģijas skaistums ir tāds, ka patiesībā degviela elementā tiek sadedzināta un atbrīvotā enerģija tiek tieši pārveidota par elektroenerģiju. Degvielas tiešās sadegšanas laikā to oksidē skābeklis, un šajā gadījumā izdalītais siltums tiek izmantots lietderīga darba veikšanai.

Kurināmā šūnā, tāpat kā akumulatoros, degvielas oksidēšanās un skābekļa samazināšanas reakcijas ir telpiski atdalītas, un "degšanas" process notiek tikai tad, ja šūna piegādā slodzei strāvu. Tas ir tā dīzeļa strāvas ģenerators, tikai bez dīzeļa un ģeneratora. Un arī bez dūmiem, trokšņiem, pārkaršanas un ar daudz lielāku efektivitāti. Pēdējais skaidrojams ar to, ka, pirmkārt, nav starpmehānisku ierīču un, otrkārt, kurināmā šūna nav siltuma dzinējs un rezultātā nepakļaujas Karno likumam (tas ir, tās efektivitāti nenosaka temperatūras starpība).

Kurināmā elementos skābekli izmanto kā oksidētāju. Turklāt, tā kā gaisā ir pietiekami daudz skābekļa, nav jāuztraucas par oksidētāja piegādi. Kas attiecas uz degvielu, tas ir ūdeņradis. Tātad degvielas šūnā reakcija notiek:

2H2 + O2 → 2H2O + elektrība + siltums.

Rezultāts ir noderīga enerģija un ūdens tvaiki. Vienkāršākais savā ierīcē ir protonu apmaiņas membrānas degvielas šūna(skat. 1. attēlu). Tas darbojas šādi: ūdeņradis, kas nonāk šūnā, katalizatora ietekmē sadalās elektronos un pozitīvi lādētos ūdeņraža jonos H+. Tad iedarbojas īpaša membrāna, kas šeit spēlē elektrolīta lomu parastajā akumulatorā. Pateicoties tā ķīmiskajam sastāvam, tas izlaiž caur sevi protonus, bet saglabā elektronus. Tādējādi uz anoda uzkrātie elektroni rada lieko negatīvo lādiņu, un ūdeņraža joni rada katoda pozitīvu lādiņu (elementa spriegums ir aptuveni 1 V).

Lai radītu lielu jaudu, kurināmā elementu samontē no daudzām šūnām. Ja ieslēdzat elementu slodzē, tad elektroni caur to plūdīs uz katodu, radot strāvu un pabeidzot ūdeņraža oksidēšanās procesu ar skābekli. Kā katalizators šādos kurināmā elementos parasti tiek izmantotas platīna mikrodaļiņas, kas nogulsnētas uz oglekļa šķiedras. Pateicoties savai struktūrai, šāds katalizators labi izlaiž gāzi un elektrību. Membrāna parasti ir izgatavota no sēru saturoša polimēra Nafion. Membrānas biezums ir milimetra desmitdaļas. Reakcijas laikā, protams, izdalās arī siltums, taču tā nav tik daudz, tāpēc darba temperatūra tiek uzturēta 40-80 °C robežās.

1. att. Kurināmā elementa darbības princips

Ir arī citi kurināmā elementu veidi, kas galvenokārt atšķiras ar izmantotā elektrolīta veidu. Gandrīz visiem tiem kā degviela ir nepieciešams ūdeņradis, tāpēc rodas loģisks jautājums: kur to iegūt. Protams, būtu iespējams izmantot saspiestu ūdeņradi no baloniem, taču uzreiz rodas problēmas, kas saistītas ar šīs viegli uzliesmojošās gāzes transportēšanu un uzglabāšanu zem augsta spiediena. Protams, jūs varat izmantot ūdeņradi saistītā veidā, tāpat kā metāla hidrīda akumulatoros. Bet tomēr tā ieguves un transportēšanas uzdevums paliek, jo infrastruktūra ūdeņraža uzpildes stacijām nepastāv.

Taču arī šeit ir risinājums – šķidro ogļūdeņražu degvielu var izmantot kā ūdeņraža avotu. Piemēram, etilspirts vai metilspirts. Tiesa, šeit jau nepieciešama speciāla papildierīce - degvielas pārveidotājs, kas augstā temperatūrā (metanolam tas būs kaut kur ap 240°C) pārvērš spirtus gāzveida H2 un CO2 maisījumā. Bet šajā gadījumā jau ir grūtāk domāt par pārnesamību - šādas ierīces ir labi izmantot kā stacionāras vai, bet kompaktai mobilajai tehnikai nepieciešams kaut kas mazāk apjomīgs.

Un te mēs nonākam pie pašas ierīces, kuru ar šausmīgu spēku attīsta gandrīz visi lielākie elektronikas ražotāji - metanola degvielas šūna(2. attēls).

2. att. Kurināmā elementa darbības princips uz metanola

Galvenā atšķirība starp ūdeņraža un metanola kurināmā elementiem ir izmantotais katalizators. Katalizators metanola degvielas šūnā ļauj iegūt protonus tieši no spirta molekulas. Līdz ar to jautājums ar degvielu ir atrisināts - metilspirts tiek ražots masveidā ķīmiskajai rūpniecībai, to ir viegli uzglabāt un transportēt, un, lai uzlādētu metanola degvielas elementu, pietiek vienkārši nomainīt degvielas kasetni. Tiesa, ir viens būtisks mīnuss – metanols ir toksisks. Turklāt metanola kurināmā elementa efektivitāte ir daudz zemāka nekā ūdeņraža kurināmā elementam.

Rīsi. 3. Metanola degvielas šūna

Visvilinošākā iespēja ir izmantot etilspirtu kā degvielu, jo jebkura sastāva un stipruma alkoholisko dzērienu ražošana un izplatīšana ir labi izveidota visā pasaulē. globuss. Taču etanola kurināmā elementu efektivitāte diemžēl ir pat zemāka nekā metanola kurināmā elementiem.

Kā minēts daudzos kurināmā elementu attīstības gados, ir izgatavoti dažāda veida kurināmā elementi. Kurināmā elementi tiek klasificēti pēc elektrolīta un degvielas veida.

1. Cietais polimēra ūdeņraža-skābekļa elektrolīts.

2. Cietie polimēru metanola kurināmā elementi.

3. Elementi uz sārmainā elektrolīta.

4. Fosforskābes kurināmā elementi.

5. Kurināmā elementi uz izkausētiem karbonātiem.

6. Cietā oksīda kurināmā elementi.

Ideālā gadījumā kurināmā elementu efektivitāte ir ļoti augsta, bet reālos apstākļos rodas zudumi, kas saistīti ar nelīdzsvara procesiem, piemēram: omi zudumi elektrolīta un elektrodu īpatnējās vadītspējas dēļ, aktivācijas un koncentrācijas polarizācija, difūzijas zudumi. Rezultātā daļa kurināmā elementos saražotās enerģijas tiek pārvērsta siltumā. Speciālistu pūles ir vērstas uz šo zaudējumu samazināšanu.

Galvenais omu zudumu avots, kā arī kurināmā elementu augstās cenas iemesls ir perfluorētas sulfokationu jonu apmaiņas membrānas. Tagad tiek meklēti alternatīvi, lētāki protonus vadoši polimēri. Tā kā šo membrānu (cieto elektrolītu) vadītspēja sasniedz pieņemamu vērtību (10 Ω/cm) tikai ūdens klātbūtnē, kurināmā elementam pievadītās gāzes ir papildus jāsamitrina speciālā ierīcē, kas arī palielina iekārtas izmaksas. sistēma. Katalītiskajos gāzu difūzijas elektrodos galvenokārt izmanto platīnu un dažus citus cēlmetālus, un līdz šim tiem nav atrasts aizstājējs. Lai gan platīna saturs kurināmā elementos ir daži mg/cm2, lieliem akumulatoriem tā daudzums sasniedz desmitiem gramu.

Projektējot kurināmā elementus, liela uzmanība tiek pievērsta siltuma noņemšanas sistēmai, jo pie liela strāvas blīvuma (līdz 1 A/cm2) sistēma pati uzsilst. Dzesēšanai tiek izmantots ūdens, kas cirkulē kurināmā elementā pa speciāliem kanāliem, un pie mazas jaudas tiek pūsts gaiss.

Tātad modernā elektroķīmiskā ģeneratora sistēma papildus pašam kurināmā elementa akumulatoram ir “aizaugusi” ar daudzām palīgierīcēm, piemēram: sūkņiem, kompresoru gaisa padevei, ieplūdes ūdeņradi, gāzes mitrinātāju, dzesēšanas bloku, gāzes noplūdes kontroles sistēma, līdzstrāvas-maiņstrāvas pārveidotājs, vadības procesors un citi Tas viss noved pie tā, ka kurināmā elementu sistēmas izmaksas 2004.-2005.gadā bija 2-3 tūkstoši $/kW. Pēc ekspertu domām, kurināmā elementi kļūs pieejami izmantošanai transportā un stacionārajās spēkstacijās par cenu 50-100 USD/kW.

Lai ikdienas dzīvē ieviestu kurināmā elementus, kā arī lētākus komponentus, vajadzētu sagaidīt jaunas oriģinālas idejas un pieejas. Īpaši lielas cerības tiek saistītas ar nanomateriālu un nanotehnoloģiju izmantošanu. Piemēram, vairāki uzņēmumi nesen paziņoja par īpaši efektīvu katalizatoru izveidi, jo īpaši skābekļa elektrodam, kuru pamatā ir dažādu metālu nanodaļiņu kopas. Turklāt ir saņemti ziņojumi par kurināmā elementu konstrukcijām bez membrānas, kurās šķidrā degviela (piemēram, metanols) tiek ievadīta degvielas šūnā kopā ar oksidētāju. Interesanta ir arī izstrādātā koncepcija par biodegvielas elementiem, kas darbojas piesārņotos ūdeņos un patērē izšķīdušā gaisa skābekli kā oksidētāju, un organiskie piemaisījumi kā degvielu.

Eksperti prognozē, ka tuvāko gadu laikā kurināmā elementi nonāks masu tirgū. Patiešām, izstrādātāji viens pēc otra pārvar tehniskās problēmas, ziņo par panākumiem un prezentē kurināmā elementu prototipus. Piemēram, Toshiba demonstrēja gatavu metanola degvielas šūnu prototipu. Tā izmērs ir 22x56x4,5 mm, un tā jauda ir aptuveni 100 mW. Viena uzpilde ar 2 kubiņiem koncentrēta (99,5%) metanola pietiek 20 stundām MP3 atskaņotāja darbības. Toshiba ir izlaidusi komerciālu degvielas šūnu mobilo tālruņu darbināšanai. Atkal tā pati Toshiba demonstrēja 275x75x40mm klēpjdatora barošanas elementu, kas ļauj datoram no vienas uzlādes reizes strādāt 5 stundas.

Nemaz neatpaliek no Toshiba un cita japāņu uzņēmuma - Fujitsu. 2004. gadā viņa arī ieviesa elementu, kas darbojas uz 30% metanola ūdens šķīduma. Šī degvielas šūna darbojās ar vienu 300 ml uzpildi 10 stundas un tajā pašā laikā ražoja 15 vatus.

Casio izstrādā kurināmā elementu, kurā metanolu vispirms pārstrādā H2 un CO2 gāzu maisījumā miniatūrā degvielas pārveidotājā un pēc tam ievada degvielas šūnā. Demonstrācijas laikā Casio prototips 20 stundas darbināja klēpjdatoru.

Samsung arī ieguva savu vārdu degvielas elementu jomā — 2004. gadā tas demonstrēja savu 12 W prototipu, kas paredzēts klēpjdatora darbināšanai. Kopumā Samsung plāno izmantot degvielas elementus, pirmkārt, ceturtās paaudzes viedtālruņos.

Jāsaka, ka Japānas uzņēmumi kurināmā elementu izstrādei kopumā pievērsās ļoti rūpīgi. Jau 2003. gadā tādi uzņēmumi kā Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony un Toshiba apvienoja spēkus, lai izstrādātu kopīgu kurināmā elementu standartu klēpjdatoriem, mobilajiem tālruņiem, PDA un citām elektroniskām ierīcēm. Amerikāņu kompānijas, kuru arī šajā tirgū ir diezgan daudz, pārsvarā strādā saskaņā ar līgumiem ar militārpersonām un attīsta kurināmā elementus amerikāņu karavīru elektrifikācijai.

Vācieši daudz neatpaliek – uzņēmums Smart Fuel Cell pārdod kurināmā elementus, lai darbinātu mobilo biroju. Ierīce tiek saukta par Smart Fuel Cell C25, tās izmēri ir 150x112x65 mm, un tā ar vienu uzlādi var ražot līdz 140 vatstundām. Tas ir pietiekami, lai klēpjdators darbinātu apmēram 7 stundas. Pēc tam kārtridžu var nomainīt un turpināt darbu. Metanola kārtridža izmērs ir 99x63x27 mm un tas sver 150g. Pati sistēma sver 1,1 kg, tāpēc to nevar saukt par pilnībā pārnēsājamu, taču tā ir pilnībā gatava un ērta ierīce. Uzņēmums arī izstrādā degvielas moduli profesionālu videokameru darbināšanai.

Kopumā kurināmā elementi ir gandrīz ienākuši mobilās elektronikas tirgū. Ražotājiem ir jāatrisina pēdējās tehniskās problēmas pirms masveida ražošanas uzsākšanas.

Pirmkārt, ir jāatrisina jautājums par kurināmā elementu miniaturizāciju. Galu galā, jo mazāka ir degvielas šūna, jo mazāka ir tā jauda, ​​tāpēc pastāvīgi tiek izstrādāti jauni katalizatori un elektrodi, kas mazos izmēros ļauj maksimāli palielināt darba virsmu. Šeit ļoti noder jaunākie sasniegumi nanotehnoloģiju un nanomateriālu (piemēram, nanocaurules) jomā. Atkal elementu cauruļvadu (degvielas un ūdens sūkņu, dzesēšanas sistēmu un degvielas pārveidošanas) miniaturizācijai arvien vairāk tiek izmantoti mikroelektromehānikas sasniegumi.

Otrs svarīgais jautājums, kas jārisina, ir cena. Galu galā ļoti dārgs platīns tiek izmantots kā katalizators lielākajā daļā degvielas elementu. Atkal daži ražotāji cenšas maksimāli izmantot jau labi izveidotās silīcija tehnoloģijas.

Kas attiecas uz citām kurināmā elementu izmantošanas jomām, kurināmā elementi jau ir nostiprinājušies tur, lai gan tie vēl nav kļuvuši par galveno virzienu ne enerģētikas sektorā, ne transportā. Jau tagad daudzi autoražotāji ir prezentējuši savus ar degvielas šūnu darbināmos konceptauto. Degvielas šūnu autobusi kursē vairākās pilsētās visā pasaulē. Kanādas Ballard Power Systems izlaidumi visa rinda stacionārie ģeneratori ar jaudu no 1 līdz 250 kW. Tajā pašā laikā kilovatu ģeneratori ir paredzēti, lai nekavējoties apgādātu vienu dzīvokli ar elektrību, siltumu un karsto ūdeni.

degvielas šūnas Kurināmā elementi ir ķīmiski enerģijas avoti. Tie veic tiešu kurināmā enerģijas pārvēršanu elektroenerģijā, apejot neefektīvus sadegšanas procesus ar lieliem zudumiem. Šī elektroķīmiskā iekārta ļoti efektīvas degvielas "aukstās" sadegšanas rezultātā tieši ģenerē elektroenerģiju.

Bioķīmiķi ir noskaidrojuši, ka katrā ir "iebūvēta" bioloģiska ūdeņraža-skābekļa degvielas šūna dzīvā šūna(skat. 2. nodaļu).

Ūdeņraža avots organismā ir pārtika – tauki, olbaltumvielas un ogļhidrāti. Kuņģī, zarnās un šūnās tas galu galā sadalās monomēros, kas, savukārt, pēc virknes ķīmisku pārvērtību dod ūdeņradi, kas pievienots nesējmolekulai.

Skābeklis no gaisa caur plaušām nonāk asinīs, savienojas ar hemoglobīnu un tiek pārnests uz visiem audiem. Ūdeņraža savienošanas process ar skābekli ir ķermeņa bioenerģētikas pamats. Šeit vieglos apstākļos (istabas temperatūra, normāls spiediens, ūdens vide) ķīmiskā enerģija ar augstu efektivitāti tiek pārvērsta termiskā, mehāniskā (muskuļu kustība), elektrībā ( elektriskā Stingray), gaisma (kukaiņi izstaro gaismu).

Cilvēks vēlreiz atkārtoja dabas radītās enerģijas iegūšanas ierīci. Vienlaikus šis fakts norāda uz virziena perspektīvām. Visi procesi dabā ir ļoti racionāli, tāpēc soļi pretī reālai kurināmā elementu izmantošanai vieš cerības uz enerģētikas nākotni.

1838. gadā atklātais ūdeņraža-skābekļa degvielas elements pieder angļu zinātniekam V. Grovam. Pētot ūdens sadalīšanos ūdeņradī un skābeklī, viņš atklāja blakus efektu – elektrolizators radīja elektrisko strāvu.

Kas deg degvielas šūnā?
Fosilais kurināmais (ogles, gāze un nafta) galvenokārt ir ogleklis. Degšanas laikā degvielas atomi zaudē elektronus, bet gaisa skābekļa atomi tos iegūst. Tātad oksidācijas procesā oglekļa un skābekļa atomi tiek apvienoti sadegšanas produktos - oglekļa dioksīda molekulās. Šis process ir enerģisks: sadegšanā iesaistīto vielu atomi un molekulas iegūst lielu ātrumu, un tas izraisa to temperatūras paaugstināšanos. Viņi sāk izstarot gaismu - parādās liesma.

Oglekļa sadegšanas ķīmiskajai reakcijai ir šāda forma:

C + O2 = CO2 + siltums

Degšanas procesā ķīmiskā enerģija tiek pārveidota par siltumenerģiju elektronu apmaiņas dēļ starp degvielas un oksidētāja atomiem. Šī apmaiņa notiek nejauši.

Degšana ir elektronu apmaiņa starp atomiem, un elektriskā strāva ir elektronu virzīta kustība. Ja ķīmiskās reakcijas procesā elektroni ir spiesti veikt darbu, tad degšanas procesa temperatūra samazināsies. FC gadījumā elektroni tiek ņemti no reaģentiem pie viena elektroda, atdod savu enerģiju elektriskās strāvas veidā un pievienojas reaģentiem pie otra.

Jebkura HIT pamatā ir divi elektrodi, kas savienoti ar elektrolītu. Degvielas šūna sastāv no anoda, katoda un elektrolīta (sk. 2. nodaļu). Pie anoda oksidējas, t.i. ziedo elektronus, reducētājs (CO vai H2 degviela), brīvie elektroni no anoda nonāk ārējā ķēdē, un pozitīvie joni tiek saglabāti anoda-elektrolīta saskarnē (CO+, H+). No otra ķēdes gala elektroni tuvojas katodam, uz kura notiek reducēšanas reakcija (elektronu pievienošana ar oksidētāju O2–). Pēc tam elektrolīts oksidējošos jonus pārnes uz katodu.

FC ir apvienotas trīs fizikāli ķīmiskās sistēmas fāzes:

gāze (degviela, oksidētājs);
elektrolīts (jonu vadītājs);
metāla elektrods (elektronu vadītājs).
Kurināmā elementos redoksreakcijas enerģija tiek pārvērsta elektroenerģijā, un oksidācijas un reducēšanas procesus telpiski atdala elektrolīts. Elektrodi un elektrolīts reakcijā nepiedalās, bet reālos konstrukcijās laika gaitā tie tiek piesārņoti ar degvielas piemaisījumiem. Elektroķīmiskā sadegšana var notikt zemā temperatūrā un praktiski bez zudumiem. Uz att. p087 parāda situāciju, kurā degvielas šūnā nonāk gāzu maisījums (CO un H2), t.i. tas var sadedzināt gāzveida degvielu (skat. 1. nodaļu). Tādējādi TE izrādās "visēdājs".

Kurināmā elementu izmantošanu sarežģī fakts, ka degviela tām ir “jāgatavo”. Kurināmā elementiem ūdeņradi iegūst, pārveidojot organisko kurināmo vai ogļu gazifikāciju. Tāpēc spēkstacijas strukturālajā shēmā uz kurināmā elementa papildus kurināmā elementa akumulatoriem, līdzstrāvas-maiņstrāvas pārveidotājam (sk. 3. nodaļu) un palīgiekārtām ir iekļauta ūdeņraža ražošanas iekārta.

Divi FK attīstības virzieni

Ir divas kurināmā elementu pielietojuma jomas: autonomā un liela mēroga enerģija.

Autonomai lietošanai galvenās ir specifiskās īpašības un lietošanas ērtums. Saražotās enerģijas izmaksas nav galvenais rādītājs.

Lielai elektroenerģijas ražošanai efektivitāte ir izšķirošs faktors. Turklāt instalācijām jābūt izturīgām, nesatur dārgus materiālus un lietojumu dabīgā degviela ar minimālām apmācību izmaksām.

Vislielākās priekšrocības sniedz degvielas elementu izmantošana automašīnā. Šeit, kā nekur citur, ietekme būs degvielas elementu kompaktumam. Ar tiešu elektroenerģijas saņemšanu no degvielas pēdējā ietaupījums būs aptuveni 50%.

Pirmo reizi ideju par kurināmā elementu izmantošanu liela mēroga enerģētikā formulēja vācu zinātnieks V. Osvalds 1894. gadā. Vēlāk tika izstrādāta ideja par efektīvu autonomas enerģijas avotu izveidi, pamatojoties uz kurināmā elementu.

Pēc tam atkārtoti tika mēģināts izmantot ogles kā aktīvo vielu kurināmā elementos. 30. gados vācu pētnieks E. Bauers radīja laboratorijas prototipu kurināmā elementam ar cietu elektrolītu ogļu tiešai anodiskajai oksidēšanai. Tajā pašā laikā tika pētītas skābekļa-ūdeņraža degvielas šūnas.

1958. gadā Anglijā F. Bekons izveidoja pirmo skābekļa-ūdeņraža rūpnīcu ar 5 kW jaudu. Bet tas bija apgrūtinoši, jo tika izmantots augsts gāzes spiediens (2 ... 4 MPa).

Kopš 1955. gada K. Kordešs ASV izstrādā zemas temperatūras skābekļa-ūdeņraža kurināmā elementus. Viņi izmantoja oglekļa elektrodus ar platīna katalizatoriem. Vācijā E. Justs strādāja pie neplatīna katalizatoru radīšanas.

Pēc 1960. gada tika izveidoti demonstrācijas un reklāmas paraugi. Pirmais praktiskais kurināmā elementu pielietojums tika atrasts kosmosa kuģī Apollo. Tās bija galvenās spēkstacijas borta iekārtu darbināšanai un nodrošināja astronautiem ūdeni un siltumu.

Galvenās autonomo iekārtu ar kurināmā elementiem izmantošanas jomas bija militārās un jūras lietojumprogrammas. 60. gadu beigās kurināmā elementu pētījumu apjoms samazinājās, bet pēc 80. gadiem tas atkal pieauga attiecībā uz liela mēroga enerģētiku.

VARTA ir izstrādājusi FC, izmantojot divpusējus gāzes difūzijas elektrodus. Šāda veida elektrodus sauc par "Janus". Siemens ir izstrādājis elektrodus ar jaudas blīvums līdz 90 W/kg. Amerikas Savienotajās Valstīs darbu pie skābekļa-ūdeņraža šūnām veic United Technology Corp.

Liela mēroga enerģētikā kurināmā elementu izmantošana liela mēroga enerģijas uzkrāšanai, piemēram, ūdeņraža ražošanai (sk. 1. nodaļu), ir ļoti perspektīva. (saule un vējš) ir izkliedēti (sk. 4. nodaļu). To nopietna izmantošana, kas ir neaizstājama nākotnē, nav iedomājama bez ietilpīgām baterijām, kas vienā vai otrā veidā uzglabā enerģiju.

Akumulācijas problēma ir aktuāla jau šodien: energosistēmu slodzes ikdienas un iknedēļas svārstības būtiski samazina to efektivitāti un prasa tā sauktās manevrējamās jaudas. Viena no elektroķīmiskās enerģijas uzkrāšanas iespējām ir kurināmā šūna kombinācijā ar elektrolizatoriem un gāzes turētājiem*.

* Gāzes turētājs [gāze + angļu valoda. turētājs] - liela gāzes daudzuma uzglabāšana.

Pirmā TE paaudze

Pirmās paaudzes vidējas temperatūras degvielas šūnas, kas darbojas 200...230°C temperatūrā ar šķidro kurināmo, dabasgāzi vai tehnisko ūdeņradi*, ir sasniegušas lielāko tehnoloģisko pilnību. Tajos esošais elektrolīts ir fosforskābe, kas aizpilda poraino oglekļa matricu. Elektrodi ir izgatavoti no oglekļa, un katalizators ir platīns (platīns tiek izmantots dažos gramos uz kilovatu jaudas).

* Komerciālais ūdeņradis ir fosilā kurināmā konversijas produkts, kas satur nelielus oglekļa monoksīda piemaisījumus.

Viena šāda spēkstacija tika nodota ekspluatācijā Kalifornijas štatā 1991. gadā. Tas sastāv no astoņpadsmit akumulatoriem, kas katrs sver 18 tonnas un ir ievietots korpusā, kura diametrs ir nedaudz vairāk par 2 m un augstums ir aptuveni 5 m. Akumulatora maiņas procedūra ir pārdomāta, izmantojot karkasa konstrukciju, kas pārvietojas pa sliedēm.

ASV piegādāja Japānai divas spēkstacijas Japānai. Pirmais no tiem tika palaists 1983. gada sākumā. Stacijas darbības rādītāji atbilda aprēķinātajiem. Viņa strādāja ar slodzi no 25 līdz 80% no nominālās. Efektivitāte sasniedza 30...37% - tas ir tuvu mūsdienu lielajām termoelektrostacijām. Tās palaišanas laiks no auksta stāvokļa ir no 4 stundām līdz 10 minūtēm, un jaudas maiņas ilgums no nulles uz pilnu ir tikai 15 sekundes.

Tagad dažādās ASV vietās tiek pārbaudītas nelielas koģenerācijas stacijas ar jaudu 40 kW ar kurināmā izmantošanas koeficientu aptuveni 80%. Tie spēj uzsildīt ūdeni līdz 130°C un tiek novietoti veļas mazgātavās, sporta kompleksos, sakaru punktos u.c. Apmēram simts instalāciju jau ir nostrādājušas kopā simtiem tūkstošu stundu. FC spēkstaciju videi draudzīgums ļauj tās novietot tieši pilsētās.

Pirmā kurināmā spēkstacija Ņujorkā ar jaudu 4,5 MW aizņēma 1,3 hektārus lielu platību. Tagad jaunām stacijām, kuru jauda ir divarpus reizes lielāka, nepieciešama 30x60 m liela vieta, tiek būvētas vairākas demonstrācijas elektrostacijas ar jaudu 11 MW. Uzkrītošs ir elektrostacijas būvniecības laiks (7 mēneši) un platība (30x60 m). Jauno elektrostaciju paredzamais kalpošanas laiks ir 30 gadi.

Otrās un trešās paaudzes TE

Labākās funkcijas jau tiek projektētas moduļu stacijas ar jaudu 5 MW ar vidējās temperatūras otrās paaudzes kurināmā elementiem. Tie darbojas 650...700°C temperatūrā. To anodi ir izgatavoti no saķepinātām niķeļa un hroma daļiņām, katodi ir izgatavoti no saķepināta un oksidēta alumīnija, un elektrolīts ir litija un kālija karbonātu maisījums. Paaugstināta temperatūra palīdz atrisināt divas galvenās elektroķīmiskās problēmas:

samazināt katalizatora "saindēšanos" ar oglekļa monoksīdu;
palielināt oksidētāja reducēšanas procesa efektivitāti pie katoda.
Trešās paaudzes augstas temperatūras kurināmā elementi ar cieto oksīdu (galvenokārt cirkonija dioksīda) elektrolītu būs vēl efektīvāki. To darba temperatūra ir līdz 1000°C. Elektrostaciju efektivitāte ar šādiem kurināmā elementiem ir tuvu 50%. Šeit kā degviela ir piemēroti arī akmeņogļu gazifikācijas produkti ar ievērojamu oglekļa monoksīda saturu. Tikpat svarīgi ir tas, ka siltumenerģiju no augstas temperatūras iekārtām var izmantot tvaika ražošanai, lai darbinātu elektrisko ģeneratoru turbīnas.

Uzņēmums Vestingaus darbojas cieto oksīdu kurināmā elementu biznesā kopš 1958. gada. Tas attīsta elektrostacijas ar jaudu 25 ... 200 kW, kurās var izmantot gāzveida kurināmo no akmeņoglēm. Testēšanai tiek gatavotas eksperimentālās iekārtas ar jaudu vairāku megavatu. Cits amerikāņu uzņēmums Engelgurd izstrādā 50 kW degvielas elementus, kas darbojas ar metanolu un fosforskābi kā elektrolītu.

Arvien vairāk firmu visā pasaulē ir iesaistītas kurināmā elementu izveidē. Amerikāņu United Technology un japāņu Toshiba izveidoja International Fuel Cells Corporation. Eiropā ar kurināmā elementiem nodarbojas Beļģijas un Nīderlandes konsorcijs Elenko, Rietumvācijas uzņēmums Siemens, itāļu Fiat, brits Jonsons Metju.

Viktors LAVRUS.

Ja jums patika šis materiāls, mēs piedāvājam jums mūsu vietnes labāko materiālu izlasi, pēc mūsu lasītāju domām. Izlase - TOP par videi draudzīgām tehnoloģijām, jauna zinātne un zinātniskos atklājumus varat atrast tur, kur tas jums ir visērtāk

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

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

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

Kā bija

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

Kurināmā elementu "tēvs" Kristians Šēnbeins

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

Pirmo reizi stacionāro kurināmā elementu ražošanu komerciāliem nolūkiem uzsāka UTC Power, kas piedāvāja rezerves barošanas sistēmas slimnīcām, universitātēm un biznesa centriem. Šis uzņēmums, kas ir pasaules līderis šajā jomā, joprojām ražo līdzīgus risinājumus ar jaudu līdz 200 kW. Tas ir arī galvenais NASA degvielas elementu piegādātājs. Tās produkti ir plaši izmantoti kosmosa programma Apollo un joprojām ir pieprasīta kā daļa no Space Shuttle programmas. UTC Power piedāvā arī "patērētāju patēriņa" degvielas elementus plašam transportlīdzekļu lietojumu klāstam. Viņa bija pirmā, kas izveidoja kurināmā elementu, kas ļauj saņemt strāvu negatīvās temperatūrās, izmantojot protonu apmaiņas membrānu.

Kā tas strādā

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

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

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

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

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

Kurināmā elementu veidi

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

Sārmainās degvielas šūnas (AFC)

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

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

Tiešās borohidrīda kurināmā elementi (DBFC)

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

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

Metāla hidrīda kurināmā elementi (MHFC)

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

Starp raksturīgās īpašībasŠīs degvielas šūnas ir:

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

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

Elektrogalvaniskās degvielas šūnas (EGFC)

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

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

Skudrskābes tiešās degvielas šūnas (DFAFC)

Šīs kurināmā šūnas ir PEMFC tiešās skudrskābes ierīču apakštips. Pateicoties to specifiskajām īpašībām, šīm kurināmā elementiem ir liela iespēja kļūt par galveno enerģijas avotu tādām pārnēsājamām elektronikām kā klēpjdatoriem, Mobilie telefoni utt.

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

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

Tiešās metanola degvielas šūnas (DMFC)

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

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

Pārstrādātas metanola degvielas šūnas (RMFC)

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

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

Tiešās etanola degvielas šūnas (DEFC)

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

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

Cinka gaisa kurināmā elementi (ZAFC)

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

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

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

Mikrobu degvielas šūnas (MFC)

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

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

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

Pieteikums

Stacionāras sadzīves un rūpnieciskās elektrostacijas

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

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

Transports

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

Laiva "Hydra"

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

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

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

Elektronika

Pēdējā laikā degvielas šūnas arvien vairāk tiek izmantotas klēpjdatoros, mobilajos tālruņos un citās mobilajās elektroniskajās ierīcēs. Iemesls tam bija strauji pieaugošā ierīču, kas paredzētas ilgam akumulatora darbības laikam, rijība. Tā kā tālruņos tiek izmantoti lieli skārienekrāni, jaudīgas audio iespējas un atbalsts Wi-Fi, Bluetooth un citiem augstfrekvences bezvadu sakaru protokoliem, ir mainījušās arī akumulatora jaudas prasības. Un, lai gan kopš pirmo mobilo tālruņu laikiem baterijas ir nogājušas garu ceļu, ietilpības un kompaktuma ziņā (citādi šodien līdzjutējus stadionos ar šo ieroci ar sakaru funkciju nelaistu), tie joprojām netiek līdzi. ar elektronisko shēmu miniaturizāciju, kā arī ar vēlmi ražotāji savos produktos iestrādā arvien vairāk funkciju. Vēl viens būtisks pašreizējo akumulatoru trūkums ir to ilgs uzlādes laiks. Viss noved pie tā, ka jo vairāk tālrunī vai kabatas multivides atskaņotājā ir funkcijas, kas paredzētas tā īpašnieka autonomijas palielināšanai (bezvadu internets, navigācijas sistēmas utt.), jo vairāk šī ierīce kļūst atkarīga no "ligzdas".

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

Pētnieki kādu iemeslu dēļ izvēlējās metanolu, nevis ūdeņradi. Metanolu ir daudz vieglāk uzglabāt, jo tam nav nepieciešams augsts spiediens vai īpaši temperatūras apstākļi. Metilspirts ir šķidrums temperatūrā no -97,0°C līdz 64,7°C. Tajā pašā laikā īpatnējā enerģija, kas atrodas N-tajā metanola tilpumā, ir par kārtu lielāka nekā tādā pašā ūdeņraža tilpumā. augstspiediena. Tiešā metanola kurināmā elementu tehnoloģija, ko plaši izmanto mobilajās elektroniskajās ierīcēs, ietver izmantošanu metilspirts pēc tam, kad ir vienkārši uzpildīta kurināmā elementa tvertne, apejot katalītiskās konversijas procedūru (tātad nosaukums "tiešais metanols"). Tā ir arī šīs tehnoloģijas galvenā priekšrocība.

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

Jaunākās tendences

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

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

Šajā situācijā mikroelektronikai jākļūst par visdaudzsološāko kurināmā elementu pielietojuma jomu. Šeit kurināmā elementiem ir vislielākā iespēja nostiprināties. Pirmkārt, cilvēki, kas iegādājas mobilos tālruņus, ir vairāk gatavi eksperimentēt nekā, piemēram, automašīnu pircēji. Un, otrkārt, viņi ir gatavi tērēt naudu un, kā likums, nevēlas "glābt pasauli". To var apstiprināt ar pārliecinošus panākumus sarkanā "Bono" versija iPod Nano, daļa no pārdošanas naudas nonākusi Sarkanajam Krustam.

Apple iPod Nano "Bono" versija

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

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

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

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

Secinājuma vietā

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

Šīm ierīcēm ir nenoliedzama priekšrocība uzlādes ātruma veidā – vienkārši nomainīju kamerā metanola kārtridžu (ārkārtējos gadījumos atkorķēju Džeka Daniela trofeju) un atkal izlaižot pa Luvras kāpnēm.Savukārt, ja teiksim, parasts tālrunis lādējas divas stundas un būs jāuzlādē ik pēc 2-3 dienām, tad diez vai alternatīva tikai specializētajos veikalos nopērkamās kasetnes maiņas veidā pat reizi divās nedēļās būs tik daudz. masveida lietotāja pieprasījums.Ja līdz gala patērētājam nonāks hermētisks trauks ar pāris simtiem mililitru degvielas, tā cenai būs laiks pamatīgi augt.Cīnīties ar šo sadārdzinājumu spēs tikai ražošanas apmēri, bet šie svari ir pieprasīti tirgū?Un kamēr nebūs izvēlēts optimālais degvielas veids, šo problēmu atrisināt būs ļoti grūti.problēma.

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

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

Nissan ūdeņraža degvielas šūna

Mobilā elektronika ar katru gadu uzlabojas, kļūst arvien izplatītāka un pieejamāka: plaukstdatori, klēpjdatori, mobilās un digitālās ierīces, foto rāmji utt. Tie visi tiek pastāvīgi atjaunināti ar jaunām funkcijām, lielākiem monitoriem, bezvadu sakariem, spēcīgākiem procesoriem, bet samazinās izmērs.. Enerģijas tehnoloģijas atšķirībā no pusvadītāju tehnoloģijām neiet pa lēcieniem un robežām.

Pieejamās baterijas un akumulatori nozares sasniegumu barošanai kļūst nepietiekami, tāpēc alternatīvu avotu jautājums ir ļoti aktuāls. Degvielas šūnas ir visdaudzsološākais virziens. To darbības principu tālajā 1839. gadā atklāja Viljams Grovs, kurš ģenerēja elektrību, mainot ūdens elektrolīzi.

Video: Dokumentālā filma, kurināmā elementi transportam: pagātne, tagadne, nākotne

Degvielas elementi interesē automobiļu ražotājus, un par tiem interesē arī radītāji. kosmosa kuģi. 1965. gadā Amerika tos pat izmēģināja ar kosmosā palaistu Gemini 5 un vēlāk ar Apollo. Kurināmā elementu izpētē tiek ieguldīti miljoniem dolāru arī mūsdienās, kad pastāv problēmas, kas saistītas ar vides piesārņojumu, pieaugot siltumnīcefekta gāzu emisijām no fosilā kurināmā sadedzināšanas, kuru rezerves arī nav bezgalīgas.

Degvielas šūna, ko bieži dēvē par elektroķīmisko ģeneratoru, darbojas tālāk aprakstītajā veidā.

Būt, tāpat kā akumulatori un baterijas, galvaniskais elements, bet ar to atšķirību, ka aktīvās vielas tajā tiek uzglabātas atsevišķi. Tie nonāk pie elektrodiem, kad tie tiek izmantoti. Uz negatīvā elektroda deg dabiskā degviela vai jebkura no tā iegūta viela, kas var būt gāzveida (piemēram, ūdeņradis un oglekļa monoksīds) vai šķidra, piemēram, spirti. Pie pozitīvā elektroda, kā likums, reaģē skābeklis.

Taču vienkārša izskata darbības principu nav viegli pārvērst realitātē.

DIY degvielas šūna

Video: DIY ūdeņraža degvielas šūna

Diemžēl mums nav fotoattēlu, kā šim degvielas elementam vajadzētu izskatīties, ceram uz jūsu iztēli.

Mazjaudas degvielas elementu ar savām rokām var izgatavot pat skolas laboratorijā. Nepieciešams uzkrāt vecu gāzmasku, dažus organiskā stikla gabalus, sārmus un ūdens šķīdums etilspirts (vienkāršāk, degvīns), kas kalpos kā "degviela" kurināmā elementam.

Pirmkārt, jums ir nepieciešams kurināmā elementa korpuss, kas vislabāk ir izgatavots no organiskā stikla, vismaz piecus milimetrus biezs. Iekšējās starpsienas (iekšpusē pieci nodalījumi) var padarīt nedaudz plānākas - 3 cm.. Pleksistikla līmēšanai tiek izmantota šāda sastāva līme: sešus gramus organiskā stikla skaidu izšķīdina simts gramos hloroforma vai dihloretāna (tie darbojas zem pārsega ).

Ārējā sienā tagad ir nepieciešams urbt caurumu, kurā caur gumijas aizbāzni jāievieto drenāžas stikla caurule ar diametru 5-6 centimetri.

Ikviens zina, ka periodiskajā tabulā apakšējā kreisajā stūrī ir visaktīvākie metāli, un augstas aktivitātes metaloīdi atrodas tabulā augšējā labajā stūrī, t.i. spēja ziedot elektronus palielinās no augšas uz leju un no labās uz kreiso pusi. Elementi, kas noteiktos apstākļos var izpausties kā metāli vai metaloīdi, atrodas tabulas centrā.

Tagad mēs ielejam otrajā un ceturtajā nodalījumā no gāzmaskas Aktivētā ogle(starp pirmo nodalījumu un otro, kā arī trešo un ceturto), kas darbosies kā elektrodi. Lai ogles neizlīstu pa caurumiem, tās var ievietot neilona audumā (derēs sieviešu neilona zeķes). AT

Degviela cirkulēs pirmajā kamerā, piektajā jābūt skābekļa piegādātājam - gaisam. Starp elektrodiem būs elektrolīts, un, lai tas nenokļūtu gaisa kamerā, nepieciešams to iemērc ar parafīna šķīdumu benzīnā (attiecība 2 grami parafīna pret pusglāzi benzīna) pirms ceturtās kameras piepildīšanas ar oglēm gaisa elektrolītam. Uz ogļu slāņa jāuzliek (nedaudz piespiežot) vara plāksnes, pie kurām pielodēti vadi. Caur tiem strāva tiks novirzīta no elektrodiem.

Atliek tikai uzlādēt elementu. Šim nolūkam ir nepieciešams degvīns, kas jāatšķaida ar ūdeni proporcijā 1: 1. Pēc tam uzmanīgi pievienojiet trīs simti līdz trīs simti piecdesmit gramus kaustiskā kālija. Elektrolītam 70 gramus kaustiskā kālija izšķīdina 200 gramos ūdens.

Degvielas šūna ir gatava pārbaudei. Tagad jums vienlaikus jāielej degviela pirmajā kamerā un elektrolīts trešajā. Voltmetram, kas piestiprināts pie elektrodiem, vajadzētu parādīt no 07 voltiem līdz 0,9 voltiem. Lai nodrošinātu nepārtrauktu elementa darbību, ir nepieciešams novadīt izlietoto degvielu (novadīt glāzē) un pievienot jaunu degvielu (caur gumijas cauruli). Padeves ātrumu kontrolē, saspiežot cauruli. Šādi laboratorijas apstākļos izskatās kurināmā elementa darbība, kuras jauda ir saprotami maza.

Video: Degvielas šūna vai mūžīgais akumulators mājās

Lai palielinātu jaudu, zinātnieki jau ilgu laiku ir strādājuši pie šīs problēmas. Metanola un etanola kurināmā elementi atrodas uz aktīvās attīstības tērauda. Bet diemžēl līdz šim nav iespējams tos īstenot praksē.

Kāpēc degvielas šūna ir izvēlēta kā alternatīvs enerģijas avots

Kā alternatīvs enerģijas avots tika izvēlēta kurināmā šūna, jo ūdeņraža sadegšanas galaprodukts tajā ir ūdens. Problēma ir tikai atrast lētu un efektīvu veidu, kā ražot ūdeņradi. Līdz ar to ūdeņraža ģeneratoru un kurināmā elementu attīstībā ieguldītie kolosālie līdzekļi nevar nest augļus tehnoloģiskais izrāviens un to reālā izmantošana ikdienas dzīvē, tikai laika jautājums.

Jau šodien automobiļu rūpniecības monstri: General Motors, Honda, Dreimler Koisler, Ballard demonstrē autobusus un automašīnas, kas darbojas ar degvielas šūnām ar jaudu līdz 50 kW. Bet problēmas, kas saistītas ar to drošību, uzticamību, izmaksām - vēl nav atrisinātas. Kā jau minēts, atšķirībā no tradicionālajiem barošanas avotiem - akumulatoriem un akumulatoriem, šajā gadījumā oksidētājs un degviela tiek piegādāti no ārpuses, un kurināmā šūna ir tikai starpnieks notiekošajā reakcijā, lai sadedzinātu degvielu un pārvērstu atbrīvoto enerģiju elektroenerģijā. . “Sadegšana” notiek tikai tad, ja elements dod slodzei strāvu, piemēram, dīzeļa elektroģenerators, bet bez ģeneratora un dīzeļa, kā arī bez trokšņa, dūmiem un pārkaršanas. Tajā pašā laikā efektivitāte ir daudz augstāka, jo nav starpposma mehānismu.

Video: ūdeņraža degvielas šūnu automašīna

Lielas cerības tiek liktas uz nanotehnoloģiju un nanomateriālu izmantošanu, kas palīdzēs miniaturizēt degvielas šūnas, vienlaikus palielinot to jaudu. Ir bijuši ziņojumi, ka ir izveidoti īpaši efektīvi katalizatori, kā arī kurināmā elementu konstrukcijas, kurām nav membrānu. Tajos kopā ar oksidētāju elementam tiek piegādāta degviela (piemēram, metāns). Interesanti ir risinājumi, kur kā oksidētājs tiek izmantots ūdenī izšķīdināts skābeklis, bet kā kurināmā tiek izmantoti organiskie piemaisījumi, kas uzkrājas piesārņotajos ūdeņos. Tās ir tā sauktās biodegvielas šūnas.

Kurināmā elementi, pēc ekspertu domām, masu tirgū var ienākt tuvāko gadu laikā