Nagu erinevat tüüpi mootorite olemasolu sisepõlemine, on erinevat tüüpi kütuseelemente – valik sobiv tüüp kütuseelement sõltub selle rakendusest.
kütuseelemendid jagatud kõrge temperatuuriga ja madala temperatuuriga. Madala temperatuuriga kütuseelemendid vajavad kütusena suhteliselt puhast vesinikku. See tähendab sageli, et esmase kütuse (näiteks maagaasi) muutmiseks puhtaks vesinikuks on vaja kütuse töötlemist. See protsess kulutab lisaenergiat ja nõuab spetsiaalset varustust. Kõrge temperatuuriga kütuseelemendid ei vaja seda lisaprotseduuri, kuna nad suudavad kütust "sisemiselt muundada" kõrgel temperatuuril, mis tähendab, et pole vaja investeerida vesiniku infrastruktuuri.
Kütuseelemendid sulatatud karbonaadil (MCFC)
Sulatatud karbonaadist elektrolüüdist kütuseelemendid on kõrge temperatuuriga kütuseelemendid. Kõrge töötemperatuur võimaldab maagaasi otsekasutamist ilma kütuseprotsessorita ja madala kütteväärtusega küttegaasi tootmisprotsessid ja muudest allikatest. See protsess töötati välja 1960. aastate keskel. Sellest ajast alates on tootmistehnoloogiat, jõudlust ja töökindlust täiustatud.
RCFC töö erineb teistest kütuseelementidest. Need rakud kasutavad sulatatud karbonaatsoolade segust saadud elektrolüüti. Praegu kasutatakse kahte tüüpi segusid: liitiumkarbonaat ja kaaliumkarbonaat või liitiumkarbonaat ja naatriumkarbonaat. Karbonaatsoolade sulatamiseks ja saavutamiseks kõrge aste ioonide liikuvus elektrolüüdis, sula karbonaatelektrolüüdiga kütuseelemendid töötavad kõrgel temperatuuril (650°C). Kasutegur varieerub vahemikus 60-80%.
Kuumutamisel temperatuurini 650°C muutuvad soolad karbonaadioonide (CO 3 2-) juhiks. Need ioonid liiguvad katoodilt anoodile, kus nad ühinevad vesinikuga, moodustades vee, süsinikdioksiidi ja vabad elektronid. Need elektronid saadetakse välise elektriahela kaudu tagasi katoodile, tekitades kõrvalsaadusena elektrivoolu ja soojust.
Anoodi reaktsioon: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reaktsioon katoodil: CO 2 + 1 / 2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Üldine elementide reaktsioon: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (katood) => H 2 O (g) + CO 2 (anood)
Sula karbonaatelektrolüütide kütuseelementide kõrgel töötemperatuuril on teatud eelised. Kõrgetel temperatuuridel toimub maagaasi sisemine reformimine, mistõttu pole vaja kütuseprotsessorit. Lisaks on eelisteks võimalus kasutada elektroodidel standardseid ehitusmaterjale, nagu roostevaba terasleht ja nikkelkatalüsaator. Jääksoojust saab kasutada kõrgsurveauru tootmiseks erinevatel tööstuslikel ja kaubanduslikel eesmärkidel.
Elektrolüüdi kõrgetel reaktsioonitemperatuuridel on samuti oma eelised. Kõrgete temperatuuride kasutamine võtab optimaalsete töötingimuste saavutamiseks kaua aega ning süsteem reageerib energiatarbimise muutustele aeglasemalt. Need omadused võimaldavad kasutada sula karbonaatelektrolüüdiga kütuseelemendisüsteeme konstantse võimsuse tingimustes. Kõrged temperatuurid hoiavad ära kütuseelementide kahjustused vingugaasi, "mürgistuse" jne poolt.
Sulakarbonaadist kütuseelemendid sobivad kasutamiseks suurtes statsionaarsetes paigaldistes. Tööstuslikult toodetakse soojuselektrijaamu, mille elektrivõimsus on 2,8 MW. Arendatakse jaamu väljundvõimsusega kuni 100 MW.
Fosforhappe kütuseelemendid (PFC)
Fosfor- (ortofosfor-)happel põhinevad kütuseelemendid olid esimesed kaubanduslikuks kasutamiseks mõeldud kütuseelemendid. See protsess töötati välja 1960. aastate keskel ja seda on testitud alates 1970. aastatest. Sellest ajast alates on stabiilsus, jõudlus ja kulud suurenenud.
Fosfor- (ortofosfor-)happel põhinevates kütuseelementides kasutatakse ortofosforhappel (H 3 PO 4) põhinevat elektrolüüti, mille kontsentratsioon on kuni 100%. Fosforhappe ioonjuhtivus on madalatel temperatuuridel madal, seetõttu kasutatakse neid kütuseelemente temperatuuridel kuni 150–220°C.
Seda tüüpi kütuseelementide laengukandjaks on vesinik (H + , prooton). Sarnane protsess toimub prootonivahetusmembraani kütuseelementides (MEFC), mille käigus anoodile antud vesinik jagatakse prootoniteks ja elektronideks. Prootonid läbivad elektrolüüdi ja ühinevad katoodil oleva õhu hapnikuga, moodustades vee. Elektronid suunatakse mööda välist elektriahelat ja tekib elektrivool. Allpool on toodud reaktsioonid, mis toodavad elektrit ja soojust.
Reaktsioon anoodil: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reaktsioon katoodil: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2H 2 O
Üldine elementide reaktsioon: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Fosfor- (ortofosfor)happel põhinevate kütuseelementide kasutegur on elektrienergia tootmisel üle 40%. Soojuse ja elektri koostootmisel on üldine kasutegur ca 85%. Lisaks saab heitsoojust kasutada töötemperatuuride juures vee soojendamiseks ja auru tekitamiseks atmosfäärirõhul.
Fosfor- (ortofosfor)happel põhinevate kütuseelementidel töötavate soojuselektrijaamade kõrge jõudlus soojuse ja elektri koostootmisel on seda tüüpi kütuseelementide üks eeliseid. Tehastes kasutatakse vingugaasi kontsentratsioonis umbes 1,5%, mis avardab oluliselt kütuse valikut. Lisaks ei mõjuta CO 2 elektrolüüti ja kütuseelemendi tööd, seda tüüpi elemendid töötavad reformitud loodusliku kütusega. Lihtne disain, madal elektrolüütide lenduvus ja suurem stabiilsus on ka seda tüüpi kütuseelementide eelised.
Tööstuslikult toodetakse soojuselektrijaamu, mille elektrivõimsus on kuni 400 kW. Käitised võimsusega 11 MW on läbinud vastavad katsed. Arendatakse jaamu väljundvõimsusega kuni 100 MW.
Prootonvahetusmembraaniga (PME) kütuseelemendid
Prootonvahetusmembraaniga kütuseelemente peetakse sõidukite elektritootmiseks parimaks kütuseelementide tüübiks, mis võivad asendada bensiini- ja diiselmootoreid. NASA kasutas neid kütuseelemente esmakordselt Gemini programmi jaoks. Tänapäeval töötatakse välja ja demonstreeritakse MOPFC-seadmeid võimsusega 1 W kuni 2 kW.
Need kütuseelemendid kasutavad elektrolüüdina tahket polümeermembraani (õhukest plastkilet). Veega immutamisel läbib see polümeer prootoneid, kuid ei juhi elektrone.
Kütuseks on vesinik ja laengukandjaks vesinikuioon (prooton). Anoodil eraldatakse vesiniku molekul vesinikuiooniks (prootoniks) ja elektronideks. Vesinikuioonid liiguvad läbi elektrolüüdi katoodile ja elektronid liiguvad ümber välisringi ja toodavad elektrienergia. Õhust võetav hapnik juhitakse katoodile ja ühineb elektronide ja vesinikioonidega, moodustades vee. Elektroodidel toimuvad järgmised reaktsioonid:
Reaktsioon anoodil: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reaktsioon katoodil: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Üldine elementide reaktsioon: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Võrreldes teist tüüpi kütuseelementidega toodavad prootonivahetusmembraaniga kütuseelemendid antud kütuseelemendi mahu või kaalu jaoks rohkem võimsust. See funktsioon võimaldab neil olla kompaktsed ja kerged. Lisaks on töötemperatuur alla 100°C, mis võimaldab kiiresti tööd alustada. Need omadused, nagu ka võimalus kiiresti muuta energiaväljundit, on vaid mõned omadused, mis muudavad need kütuseelemendid sõidukites kasutamiseks peamiseks kandidaadiks.
Teine eelis on see, et elektrolüüt on pigem tahke kui vedel aine. Gaaside hoidmine katoodil ja anoodil on tahke elektrolüüdiga lihtsam ja seetõttu on selliseid kütuseelemente odavam toota. Võrreldes teiste elektrolüütidega ei tekita tahke elektrolüüdi kasutamine probleeme nagu orientatsioon, vähem on probleeme korrosiooni tekkimisega, mis toob kaasa elemendi ja selle komponentide pikema vastupidavuse.
Tahkeoksiidkütuseelemendid (SOFC)
Tahkeoksiidkütuseelemendid on kõrgeima töötemperatuuriga kütuseelemendid. Töötemperatuur võib varieeruda 600°C kuni 1000°C, mis võimaldab kasutada erinevat tüüpi kütust ilma spetsiaalse eeltöötluseta. Kõrgete temperatuuridega toimetulemiseks kasutatakse elektrolüüdiks õhukest keraamikal põhinevat tahket metalloksiidi, sageli ütriumi ja tsirkooniumi sulamit, mis on hapniku (O 2 -) ioonide juht. Tahkeoksiidkütuseelementide kasutamise tehnoloogia on arenenud alates 1950. aastate lõpust. ja sellel on kaks konfiguratsiooni: tasapinnaline ja torukujuline.
Tahke elektrolüüt tagab gaasi hermeetilise ülemineku ühelt elektroodilt teisele, vedelad elektrolüüdid aga asuvad poorses substraadis. Seda tüüpi kütuseelementide laengukandjaks on hapnikuioon (O 2 -). Katoodil eraldatakse hapnikumolekulid õhust hapnikuiooniks ja neljaks elektroniks. Hapnikuioonid läbivad elektrolüüdi ja ühinevad vesinikuga, moodustades neli vaba elektroni. Elektronid suunatakse läbi välise elektriahela, tekitades elektrivoolu ja heitsoojust.
Reaktsioon anoodil: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Reaktsioon katoodil: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Üldine elementide reaktsioon: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Tekkiva elektrienergia kasutegur on kõigist kütuseelementidest kõrgeim – umbes 60%. Lisaks võimaldavad kõrged töötemperatuurid soojuse ja elektri koostootmist kõrgsurveauru tootmiseks. Kõrge temperatuuriga kütuseelemendi kombineerimine turbiiniga loob hübriidkütuseelemendi, mis suurendab elektrienergia tootmise efektiivsust kuni 70%.
Tahkeoksiidkütuseelemendid töötavad väga kõrgetel temperatuuridel (600°C-1000°C), mistõttu optimaalsete töötingimuste saavutamine võtab kaua aega ning süsteem reageerib energiatarbimise muutustele aeglasemalt. Sellistel kõrgetel töötemperatuuridel pole kütusest vesiniku eraldamiseks vaja konverterit, mis võimaldab soojuselektrijaamal töötada suhteliselt ebapuhaste kütustega söe gaasistamisest või heitgaasidest jms. Samuti on see kütuseelement suurepärane suure võimsusega rakendustes, sealhulgas tööstuslikes ja suurtes keskelektrijaamades. Tööstuslikult toodetud moodulid väljundelektrivõimsusega 100 kW.
Otsese metanooli oksüdatsiooniga kütuseelemendid (DOMTE)
Metanooli otsese oksüdatsiooniga kütuseelementide kasutamise tehnoloogia areneb aktiivselt. Ta on ennast toitumisvaldkonnas edukalt tõestanud Mobiiltelefonid, sülearvutid, samuti kaasaskantavate elektriallikate loomiseks. millele nende elementide tulevane rakendamine on suunatud.
Metanooli otsese oksüdatsiooniga kütuseelementide struktuur sarnaneb prootonivahetusmembraaniga (MOFEC) kütuseelementidega, st. elektrolüüdina kasutatakse polümeeri ja laengukandjana vesinikiooni (prootonit). Vedel metanool (CH 3 OH) aga oksüdeerub vee juuresolekul anoodil, vabastades CO 2, vesiniku ioonid ja elektronid, mis juhitakse läbi välise elektriahela ning tekib elektrivool. Vesinikuioonid läbivad elektrolüüdi ja reageerivad õhu hapnikuga ja välisahela elektronidega, moodustades anoodil vett.
Reaktsioon anoodil: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reaktsioon katoodil: 3/2 O2 + 6H + + 6e - => 3H2O
Üldine elementide reaktsioon: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O
Nende kütuseelementide väljatöötamine algas 1990. aastate alguses. Pärast täiustatud katalüsaatorite väljatöötamist ja tänu muudele hiljutistele uuendustele on võimsustihedust ja efektiivsust suurendatud kuni 40%.
Neid elemente testiti temperatuurivahemikus 50-120°C. Madala töötemperatuuri ja konverteri vajaduse puudumise tõttu on metanoolipõhised kütuseelemendid parimad kandidaadid selliste rakenduste jaoks, mis ulatuvad mobiiltelefonidest ja muudest tarbekaupadest kuni automootoriteni. Seda tüüpi kütuseelementide eeliseks on nende väiksus, mis on tingitud vedelkütuse kasutamisest ja muunduri kasutamise vajaduse puudumine.
Leeliskütuseelemendid (AFC)
Leeliskütuseelemendid (ALFC) on üks enim uuritud tehnoloogiaid ja neid on kasutatud alates 1960. aastate keskpaigast. NASA poolt Apollo ja Space Shuttle programmides. Nende kosmoselaevade pardal toodavad kütuseelemendid elektrienergiat ja joogivesi. Leeliskütuseelemendid on üks tõhusamaid elektrienergia tootmiseks kasutatavaid elemente, mille energiatootmise kasutegur ulatub kuni 70%.
Leeliselistes kütuseelementides kasutatakse elektrolüüti, st kaaliumhüdroksiidi vesilahust, mis sisaldub poorses stabiliseeritud maatriksis. Kaaliumhüdroksiidi kontsentratsioon võib varieeruda sõltuvalt kütuseelemendi töötemperatuurist, mis jääb vahemikku 65°C kuni 220°C. SFC laengukandjaks on hüdroksiidioon (OH-), mis liigub katoodilt anoodile, kus see reageerib vesinikuga, tekitades vett ja elektrone. Anoodil toodetud vesi liigub tagasi katoodile, tekitades seal jälle hüdroksiidioone. Selle kütuseelemendis toimuvate reaktsioonide tulemusena toodetakse elektrit ja kõrvalsaadusena soojust:
Reaktsioon anoodil: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reaktsioon katoodil: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Süsteemi üldine reaktsioon: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
SFC-de eeliseks on see, et neid kütuseelemente on kõige odavam toota, kuna elektroodidele vajalik katalüsaator võib olla mis tahes aine, mis on odavam kui teiste kütuseelementide katalüsaatorina kasutatavad ained. Lisaks töötavad SCFC-d suhteliselt madalal temperatuuril ja kuuluvad kõige tõhusamate kütuseelementide hulka – sellised omadused võivad vastavalt kaasa aidata kiiremale energiatootmisele ja kõrgele kütusesäästlikkusele.
Üks SHTE iseloomulikke omadusi on selle kõrge tundlikkus CO 2 suhtes, mida võib sisaldada kütus või õhk. CO 2 reageerib elektrolüüdiga, mürgitab selle kiiresti ja vähendab oluliselt kütuseelemendi efektiivsust. Seetõttu on SFC-de kasutamine piiratud suletud ruumidega, nagu kosmose- ja allveesõidukid, need peavad töötama puhta vesiniku ja hapnikuga. Veelgi enam, sellised molekulid nagu CO, H 2 O ja CH 4, mis on ohutud teistele kütuseelementidele ja isegi kütus mõnele neist, on SFC-le kahjulikud.
Polümeerelektrolüütkütuseelemendid (PETE)
Polümeerelektrolüütkütuseelementide puhul koosneb polümeeri membraan polümeerkiududest, mille veepiirkonnad on veemolekuli külge kinnitatud veeioonide H 2 O + (prooton, punane) juhtivus. Veemolekulid kujutavad endast probleemi aeglase ioonivahetuse tõttu. Seetõttu on nii kütuses kui ka väljalaskeelektroodidel vajalik vee kõrge kontsentratsioon, mis piirab töötemperatuuri 100°C-ni.
Tahkehappe kütuseelemendid (SCFC)
Tahkehappekütuseelementides ei sisalda elektrolüüt (C s HSO 4 ) vett. Töötemperatuur on seega 100-300°C. SO 4 2-oksüanioonide pöörlemine võimaldab prootonitel (punastel) liikuda, nagu on näidatud joonisel. Tavaliselt on tahke happekütuseelement võileib, milles hea kontakti tagamiseks on kahe tihedalt kokkusurutud elektroodi vahele asetatud väga õhuke kiht tahket happeühendit. Kuumutamisel orgaaniline komponent aurustub, väljudes läbi elektroodide pooride, säilitades arvukate kontaktide võime kütuse (või elemendi teises otsas oleva hapniku), elektrolüüdi ja elektroodide vahel.
| Kütuseelemendi tüüp | Töötemperatuur | Elektritootmise efektiivsus | Kütuse tüüp | Kasutusala |
|---|---|---|---|---|
| RKTE | 550–700 °C | 50-70% | Keskmised ja suured paigaldused | |
| FKTE | 100-220°C | 35-40% | puhas vesinik | Suured installatsioonid |
| MOPTE | 30-100°C | 35-50% | puhas vesinik | Väikesed paigaldused |
| SOFC | 450–1000°C | 45-70% | Enamik süsivesinikkütuseid | Väikesed, keskmised ja suured paigaldused |
| POMTE | 20-90°C | 20-30% | metanool | Kaasaskantavad üksused |
| SHTE | 50-200°C | 40-65% | puhas vesinik | kosmoseuuringud |
| PETE | 30-100°C | 35-50% | puhas vesinik | Väikesed paigaldused |
1. osa
Selles artiklis käsitletakse üksikasjalikumalt kütuseelementide tööpõhimõtet, nende disaini, klassifikatsiooni, eeliseid ja puudusi, ulatust, tõhusust, loomise ajalugu ja tänapäevaseid kasutusvõimalusi. Artikli teises osas, mis ilmub ajakirja ABOK järgmises numbris, toob näiteid rajatistest, kus soojuse ja elektri (või ainult elektri) allikana kasutati erinevat tüüpi kütuseelemente.
Sissejuhatus
Kütuseelemendid on väga tõhus, usaldusväärne, vastupidav ja keskkonnasõbralik viis energia tootmiseks.
Kütuseelemente, mida algselt kasutati ainult kosmosetööstuses, kasutatakse nüüd üha enam erinevates valdkondades – statsionaarsete elektrijaamadena, hoonete autonoomsete soojus- ja elektriallikatena, sõidukite mootoritena, sülearvutite ja mobiiltelefonide toiteallikatena. Mõned neist seadmetest on laboriprototüübid, mõned on läbimas seeriaeelseid katseid või neid kasutatakse demonstratsiooni eesmärgil, kuid paljud mudelid on masstootmises ja neid kasutatakse kommertsprojektides.
Kütuseelement (elektrokeemiline generaator) on seade, mis muundab kütuse (vesiniku) keemilise energia elektrokeemilise reaktsiooni käigus otse elektrienergiaks, erinevalt traditsioonilistest tehnoloogiatest, mis kasutavad tahkete, vedelate ja gaasiliste kütuste põletamist. Kütuse otsene elektrokeemiline muundamine on keskkonna seisukohast väga tõhus ja atraktiivne, kuna töö käigus eraldub minimaalne kogus saasteaineid ning puudub tugev müra ja vibratsioon.
Praktilisest vaatenurgast meenutab kütuseelement tavalist galvaanilist akut. Erinevus seisneb selles, et algselt laetakse akut, st täidetakse “kütusega”. Töötamise ajal kulub "kütust" ja aku tühjeneb. Erinevalt akust kasutab kütuseelement elektrienergia tootmiseks välisest allikast tarnitud kütust (joonis 1).
Elektrienergia tootmiseks saab kasutada mitte ainult puhast vesinikku, vaid ka muid vesinikku sisaldavaid tooraineid, nagu maagaas, ammoniaak, metanool või bensiin. Hapnikuallikana kasutatakse tavalist õhku, mis on samuti reaktsiooni jaoks vajalik.
Puhta vesiniku kasutamisel kütusena on reaktsiooniproduktideks lisaks elektrienergiale soojus ja vesi (või veeaur), st atmosfääri ei eraldu õhusaastet ega kasvuhooneefekti tekitavaid gaase. Kui kütusena kasutatakse vesinikku sisaldavat lähteainet, näiteks maagaasi, on reaktsiooni kõrvalsaaduseks teised gaasid, nagu süsinik- ja lämmastikoksiidid, kuid nende kogus on palju väiksem kui sama põletamisel. maagaasi kogus.
Kütuse keemilise muundamise protsessi vesiniku tootmiseks nimetatakse reformimiseks ja vastavat seadet reformijaks.
Kütuseelementide eelised ja puudused
Kütuseelemendid on energiatõhusamad kui sisepõlemismootorid, kuna kütuseelementide energiatõhususel ei ole termodünaamilisi piiranguid. Kütuseelementide kasutegur on 50%, sisepõlemismootorite kasutegur aga 12-15%, auruturbiinelektrijaamade kasutegur ei ületa 40%. Soojuse ja vee kasutamisel suureneb kütuseelementide efektiivsus veelgi.
Erinevalt näiteks sisepõlemismootoritest püsib kütuseelementide kasutegur väga kõrge ka siis, kui need ei tööta täisvõimsusel. Lisaks saab kütuseelementide võimsust tõsta lihtsalt eraldi plokkide lisamisega, kusjuures kasutegur ei muutu, st suured paigaldised on sama tõhusad kui väikesed. Need asjaolud võimaldavad väga paindlikult valida seadmete koostist vastavalt kliendi soovidele ja viivad lõppkokkuvõttes seadmekulude vähenemiseni.
Kütuseelementide oluline eelis on nende keskkonnasõbralikkus. Kütuseelementide kasutamisest tulenevate saasteainete õhkuheited on nii madalad, et mõnes USA piirkonnas ei vaja see eriluba alates valitsusagentuuridõhukeskkonna kvaliteedi kontrollimine.
Kütuseelemendid saab paigutada otse hoonesse, vähendades seeläbi energia ülekandekadusid ning reaktsiooni tulemusena tekkivat soojust saab kasutada hoone soojuse või sooja veega varustamiseks. Autonoomsed soojus- ja toiteallikad võivad olla väga kasulikud kaugetes piirkondades ja piirkondades, mida iseloomustab elektripuudus ja selle kõrge hind, kuid samal ajal on olemas vesinikku sisaldavate toorainete (nafta, maagaas) varud. .
Kütuseelementide eelisteks on ka kütuse kättesaadavus, töökindlus (kütuseelemendis puuduvad liikuvad osad), vastupidavus ja kasutusmugavus.
Kütuseelementide üks peamisi puudusi on tänapäeval nende suhteliselt kõrge hind, kuid sellest puudusest võidakse peagi üle saada, kuna rohkem ettevõtteid toodab kaubanduslikud näidised kütuseelemendid, neid täiustatakse pidevalt ja nende maksumus väheneb.
Puhta vesiniku kõige tõhusam kasutamine kütusena eeldab aga spetsiaalse infrastruktuuri loomist selle tootmiseks ja transportimiseks. Praegu kasutatakse kõigis kaubanduslikes disainides maagaasi ja sarnaseid kütuseid. Mootorsõidukid saavad kasutada tavalist bensiini, mis võimaldab säilitada olemasolevat arenenud bensiinijaamade võrgustikku. Sellise kütuse kasutamine toob aga kaasa kahjulike heitkoguste atmosfääri (ehkki väga vähesel määral) ja muudab kütuseelemendi keerulisemaks (ja seega suurendab selle maksumust). Tulevikus keskkonnasõbralike taastuvate energiaallikate kasutamise võimalus (näiteks päikeseenergia või tuuleenergia), et lagundada elektrolüüsi teel vesi vesinikuks ja hapnikuks ning seejärel muundada saadud kütus kütuseelemendis. Sellised suletud tsüklis töötavad kombineeritud tehased võivad olla täiesti keskkonnasõbralik, töökindel, vastupidav ja tõhus energiaallikas.
Kütuseelementide teine omadus on see, et need on kõige tõhusamad, kui nad kasutavad samaaegselt nii elektri- kui ka soojusenergiat. Soojusenergia kasutamise võimalus pole aga igas rajatises olemas. Kui kütuseelemente kasutatakse ainult elektrienergia tootmiseks, siis nende kasutegur langeb, kuigi ületab “traditsiooniliste” paigaldiste efektiivsust.
Kütuseelementide ajalugu ja tänapäevased kasutusviisid
Kütuseelementide tööpõhimõte avastati 1839. aastal. Inglise teadlane William Grove (1811-1896) avastas, et elektrolüüsi protsess – vee lagunemine vesinikuks ja hapnikuks elektrivoolu toimel – on pöörduv, st vesinik ja hapnik võivad ühineda veemolekulideks ilma põlemata, kuid koos soojuse ja elektrivoolu vabanemine. Grove nimetas seadet, milles selline reaktsioon läbi viidi, "gaasipatareiks", mis oli esimene kütuseelement.
Kütuseelementide tehnoloogiate aktiivne arendamine algas pärast Teist maailmasõda ja seda seostatakse kosmosetööstusega. Sel ajal otsiti tõhusat ja töökindlat, kuid samas üsna kompaktset energiaallikat. 1960. aastatel valisid NASA spetsialistid (National Aeronautics and Space Administration, NASA) Apollo (mehitatud lennud Kuule), Apollo-Sojuzi, Gemini ja Skylabi programmide kosmoselaevade energiaallikaks kütuseelemendid. Apollo kasutas elektri, soojuse ja vee tootmiseks kolme 1,5 kW agregaati (tippvõimsus 2,2 kW), kasutades krüogeenset vesinikku ja hapnikku. Iga paigalduse mass oli 113 kg. Need kolm elementi töötasid paralleelselt, kuid ühe üksuse toodetud energiast piisas ohutuks tagasipöördumiseks. Kütuseelemente on 18 lennuga kogunenud kokku 10 000 riketeta tundi. Praegu kasutatakse kütuseelemente kosmosesüstikus "Space Shuttle", mis kasutab kolme 12 W võimsusega seadet, mis toodavad kogu kosmoselaeva pardal oleva elektrienergia (joonis 2). Elektrokeemilise reaktsiooni tulemusena saadud vett kasutatakse joogiveena, samuti jahutusseadmetes.
Meie riigis töötati ka astronautikas kasutatavate kütuseelementide loomisega. Näiteks on toiteallikaks kasutatud kütuseelemente Nõukogude laev korduvkasutatav "Buran".
Kütuseelementide kaubanduslikuks kasutamiseks mõeldud meetodite väljatöötamine algas 1960. aastate keskel. Neid arendusi rahastasid osaliselt valitsusorganisatsioonid.
Praegu toimub kütuseelementide kasutamise tehnoloogiate arendamine mitmes suunas. See on kütuseelementidel paiknevate statsionaarsete elektrijaamade (nii tsentraliseeritud kui ka detsentraliseeritud energiavarustuse jaoks), sõidukite elektrijaamade loomine (kütuseelementidel on loodud autode ja busside näidised, sealhulgas meie riigis) (joonis 3) ja ka erinevate mobiilsete seadmete (sülearvutid, mobiiltelefonid jne) toiteallikad (joon. 4).
Näited kütuseelementide kasutamise kohta erinevates valdkondades on toodud tabelis. üks.
Üks esimesi kaubanduslikke kütuseelementide mudeleid, mis olid mõeldud hoonete autonoomseks soojus- ja toiteallikaks, oli PC25 mudel A, mida tootis ONSI Corporation (nüüd United Technologies, Inc.). See 200 kW nimivõimsusega kütuseelement kuulub fosforhappel põhineva elektrolüüdiga (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC) elementide tüüpi. Mudeli nimes olev number "25" tähendab disaini seerianumbrit. Enamik varasemaid mudeleid olid eksperimentaalsed või katsetükid, näiteks 1970ndatel ilmunud 12,5 kW "PC11" mudel. Uued mudelid suurendasid ühest kütuseelemendist võetud võimsust ja vähendasid ka toodetud energia kilovati hinda. Praegu on üks tõhusamaid kaubanduslikke mudeleid PC25 Model C kütuseelement. Sarnaselt mudelile "A" on see PAFC tüüpi täisautomaatne kütuseelement võimsusega 200 kW, mis on mõeldud paigaldamiseks otse hooldatavale objektile iseseisva soojus- ja elektriallikana. Sellist kütuseelementi saab paigaldada väljaspool hoonet. Väliselt on see 5,5 m pikkune, 3 m lai ja 3 m kõrge rööptahukas, mis kaalub 18 140 kg. Erinevus eelmistest mudelitest on täiustatud reformer ja suurem voolutihedus.
| Tabel 1 Kütuseelementide ulatus |
|||||||||||||||
|
Teatud tüüpi kütuseelementides saab keemilist protsessi ümber pöörata: elektroodidele potentsiaalide erinevust rakendades saab vee lagundada vesinikuks ja hapnikuks, mis kogutakse poorsetele elektroodidele. Kui koormus on ühendatud, hakkab selline regeneratiivne kütuseelement elektrienergiat tootma.
Paljutõotav suund kütuseelementide kasutamisel on nende kasutamine koos taastuvate energiaallikatega, nagu fotogalvaanilised paneelid või tuuleturbiinid. See tehnoloogia võimaldab teil täielikult vältida õhusaastet. Sarnane süsteem on plaanis luua näiteks Adam Joseph Lewise koolituskeskuses Oberlinis (vt ABOK, 2002, nr 5, lk 10). Praegu on selle hoone üks energiaallikatest päikesepaneelid. Koos NASA spetsialistidega töötati välja projekt fotogalvaaniliste paneelide abil veest elektrolüüsi teel vesiniku ja hapniku tootmiseks. Seejärel kasutatakse vesinikku kütuseelementides elektri ja kuuma vee tootmiseks. See võimaldab hoonel säilitada kõigi süsteemide jõudlust pilves päevadel ja öösel.
Kütuseelementide tööpõhimõte
Vaatleme kütuseelemendi tööpõhimõtet, kasutades näitena kõige lihtsamat prootonivahetusmembraaniga elementi (Proton Exchange Membrane, PEM). Selline element koosneb anoodi (positiivne elektrood) ja katoodi (negatiivne elektrood) vahele asetatud polümeermembraanist koos anoodi ja katoodkatalüsaatoritega. Elektrolüüdina kasutatakse polümeermembraani. PEM-elemendi skeem on näidatud joonisel fig. 5.
Prootonvahetusmembraan (PEM) on õhuke (ligikaudu 2–7 lehte tavalist paberit paksune) tahke orgaaniline ühend. See membraan toimib elektrolüüdina: see eraldab vee juuresolekul aine positiivselt ja negatiivselt laetud ioonideks.
Anoodil toimub oksüdatiivne protsess ja katoodil redutseerimisprotsess. PEM-elemendi anood ja katood on valmistatud poorsest materjalist, mis on süsiniku ja plaatina osakeste segu. Plaatina toimib katalüsaatorina, mis soodustab dissotsiatsioonireaktsiooni. Anood ja katood on tehtud poorseks, et vesinik ja hapnik läbiksid neid vastavalt.
Anood ja katood asetatakse kahe metallplaadi vahele, mis varustavad anoodi ja katoodi vesiniku ja hapnikuga ning eemaldavad soojust ja vett ning elektrienergiat.
Vesinikumolekulid liiguvad plaadis olevate kanalite kaudu anoodile, kus molekulid lagunevad üksikuteks aatomiteks (joonis 6).
Joonis 5 () Prootonvahetusmembraani (PEM) kütuseelemendi skemaatiline diagramm |
|
Joonis 6 () Vesinikumolekulid sisenevad plaadi kanalite kaudu anoodile, kus molekulid lagunevad üksikuteks aatomiteks |
|
Joonis 7 () Katalüsaatori juuresolekul toimuva kemisorptsiooni tulemusena muudetakse vesinikuaatomid prootoniteks |
|
Joonis 8 () Positiivselt laetud vesinikuioonid difundeeruvad läbi membraani katoodile ja elektronide voog suunatakse katoodile läbi välise elektriahela, millega on ühendatud koormus. |
|
Joonis 9 () Katoodile antav hapnik läheb katalüsaatori juuresolekul keemilisesse reaktsiooni prootonivahetusmembraani vesinikioonide ja välise elektriahela elektronidega. Vesi tekib keemilise reaktsiooni tulemusena |
Seejärel muudetakse katalüsaatori juuresolekul toimuva kemisorptsiooni tulemusena vesinikuaatomid, millest igaüks loovutab ühe elektroni e - , positiivselt laetud vesiniku ioonideks H +, st prootoniteks (joonis 7).
Positiivselt laetud vesiniku ioonid (prootonid) difundeeruvad läbi membraani katoodile ning elektronide voog suunatakse katoodile läbi välise elektriahela, millega on ühendatud koormus (elektrienergia tarbija) (joonis 8).
Katoodile antud hapnik läheb katalüsaatori juuresolekul keemilisesse reaktsiooni prootonivahetusmembraanilt tuleva vesinikioonide (prootonitega) ja välise elektriahela elektronidega (joonis 9). Keemilise reaktsiooni tulemusena tekib vesi.
Keemiline reaktsioon muud tüüpi kütuseelemendis (näiteks happelise elektrolüüdiga, mis on fosforhappe H 3 PO 4 lahus) on absoluutselt identne keemilise reaktsiooniga prootonivahetusmembraaniga kütuseelemendis.
Igas kütuseelemendis vabaneb osa keemilise reaktsiooni energiast soojusena.
Elektronide voog välises vooluringis on alalisvool, mida kasutatakse töö tegemiseks. Välise vooluringi avamine või vesinikuioonide liikumise peatamine peatab keemilise reaktsiooni.
Kütuseelemendi toodetud elektrienergia hulk sõltub kütuseelemendi tüübist, geomeetrilistest mõõtmetest, temperatuurist, gaasi rõhust. Üks kütuseelement annab EMF-i alla 1,16 V. Kütuseelementide suurust on võimalik suurendada, kuid praktikas kasutatakse mitut akudesse ühendatud elementi (joonis 10).
Kütuseelemendi seade
Vaatleme kütuseelemendi seadet PC25 mudeli C näitel. Kütuseelemendi skeem on näidatud joonisel fig. üksteist.
Kütuseelement "PC25 Model C" koosneb kolmest põhiosast: kütuseprotsessorist, tegelikust energiatootmise sektsioonist ja pingemuundurist.
Kütuseelemendi põhiosa – elektritootmise sektsioon – on 256 üksikust kütuseelemendist koosnev virn. Kütuseelemendi elektroodide koostis sisaldab plaatina katalüsaatorit. Nende elementide kaudu genereeritakse 155-voldise pinge juures 1400-amprine alalisvool. Aku mõõtmed on ligikaudu 2,9 m pikk ning 0,9 m laius ja kõrgus.
Kuna elektrokeemiline protsess toimub temperatuuril 177 ° C, on vaja akut käivitamise ajal soojendada ja töötamise ajal sellest soojust eemaldada. Selleks on kütuseelemendis eraldi veering ning aku on varustatud spetsiaalsete jahutusplaatidega.
Kütuseprotsessor võimaldab teil muuta maagaasi vesinikuks, mis on vajalik elektrokeemiliseks reaktsiooniks. Seda protsessi nimetatakse reformimiseks. Kütuseprotsessori põhielement on reformija. Reformeris reageerib maagaas (või muu vesinikku sisaldav kütus) auruga kõrgel temperatuuril (900 °C) ja kõrgel rõhul nikkelkatalüsaatori juuresolekul. Toimuvad järgmised keemilised reaktsioonid:
CH4 (metaan) + H2O 3H2 + CO
(reaktsioon endotermiline, soojuse neeldumisega);
CO + H 2 O H 2 + CO 2
(reaktsioon on eksotermiline, eraldub soojust).
Üldreaktsiooni väljendatakse võrrandiga:
CH 4 (metaan) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2
(reaktsioon endotermiline, soojuse neeldumisega).
Maagaasi muundamiseks vajaliku kõrge temperatuuri tagamiseks suunatakse osa kütuseelemendi korstnast pärit kasutatud tuumkütust põletisse, mis hoiab reformerit vajalikul temperatuuril.
Reformimiseks vajalik aur tekib kütuseelemendi töö käigus tekkivast kondensaadist. Sel juhul kasutatakse kütuseelemendi korstnast eemaldatud soojust (joonis 12).
Kütuseelemendi virn tekitab katkendliku alalisvoolu, mida iseloomustab madal pinge ja suur vool. Tööstuslikuks standardseks vahelduvvooluks teisendamiseks kasutatakse pingemuundurit. Lisaks sisaldab pingemuunduri seade erinevaid juhtseadmeid ja turvablokeeringu ahelaid, mis võimaldavad erinevate rikete korral kütuseelemendi välja lülitada.
Sellises kütuseelemendis saab ligikaudu 40% kütuses olevast energiast muundada elektrienergiaks. Ligikaudu sama palju, umbes 40% kütuse energiast, saab teisendada soojusenergia, mida seejärel kasutatakse soojusallikana kütmiseks, sooja veevarustuseks jms. Seega võib sellise tehase koguefektiivsus ulatuda 80% -ni.
Sellise soojus- ja elektriallika oluliseks eeliseks on selle automaatse töötamise võimalus. Hoolduse jaoks ei pea selle rajatise omanikud, millele kütuseelement on paigaldatud, hooldama spetsiaalselt koolitatud töötajaid - perioodiline hooldus saavad läbi viia tegutseva organisatsiooni töötajad.
Kütuseelementide tüübid
Praegu on teada mitut tüüpi kütuseelemente, mis erinevad kasutatava elektrolüüdi koostise poolest. Järgmised neli tüüpi on kõige levinumad (tabel 2):
1. Prootonvahetusmembraaniga kütuseelemendid (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).
2. Ortofosfor- (fosfor)happel põhinevad kütuseelemendid (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).
3. Sulakarbonaadil põhinevad kütuseelemendid (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).
4. Tahkeoksiidkütuseelemendid (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). Praegu on suurim kütuseelementide park ehitatud PAFC tehnoloogia baasil.
Üks peamisi omadusi erinevad tüübid kütuseelement on töötemperatuuril. Paljuski määrab kütuseelementide ulatuse temperatuur. Näiteks sülearvutite jaoks on kõrge temperatuur kriitilise tähtsusega, seetõttu töötatakse selle turusegmendi jaoks välja madala töötemperatuuriga prootonvahetusmembraaniga kütuseelemente.
Hoonete autonoomseks toiteallikaks on vaja suure installeeritud võimsusega kütuseelemente ning samas on võimalik kasutada soojusenergiat, mistõttu saab nendel eesmärkidel kasutada ka teist tüüpi kütuseelemente.
Prootonvahetusmembraani kütuseelemendid (PEMFC)
Need kütuseelemendid töötavad suhteliselt madalatel töötemperatuuridel (60-160°C). Neid iseloomustab suur võimsustihedus, need võimaldavad väljundvõimsust kiiresti reguleerida ja neid saab kiiresti sisse lülitada. Seda tüüpi elementide puuduseks on kõrged nõuded kütuse kvaliteedile, kuna saastunud kütus võib membraani kahjustada. Seda tüüpi kütuseelementide nimivõimsus on 1-100 kW.
Prootonvahetusmembraani kütuseelemendid töötas algselt välja General Electric Corporation 1960. aastatel NASA jaoks. Seda tüüpi kütuseelemendid kasutavad tahkes olekus polümeerset elektrolüüti, mida nimetatakse prootonvahetusmembraaniks (PEM). Prootonid võivad liikuda läbi prootonivahetusmembraani, kuid elektronid ei saa seda läbida, mille tulemuseks on potentsiaalide erinevus katoodi ja anoodi vahel. Tänu oma lihtsusele ja töökindlusele kasutati selliseid kütuseelemente mehitatud sõidukite jõuallikana kosmoselaev Kaksikud.
Seda tüüpi kütuseelemente kasutatakse toiteallikana paljudele erinevatele seadmetele, sealhulgas prototüüpidele ja prototüüpidele, alates mobiiltelefonidest kuni busside ja statsionaarsete toitesüsteemideni. Madal töötemperatuur võimaldab selliseid elemente kasutada erinevat tüüpi komplekside toiteks elektroonilised seadmed. Vähem tõhus on nende kasutamine avalike ja tööstushoonete soojus- ja elektrivarustuse allikana, kus on vaja palju soojusenergiat. Samal ajal on sellised elemendid paljutõotavad väikeste elamute, näiteks kuuma kliimaga piirkondadesse ehitatud suvilate autonoomse toiteallikana.
| tabel 2 Kütuseelementide tüübid |
||||||||||||||||||||
|
Fosforhappe kütuseelemendid (PAFC)
Seda tüüpi kütuseelementide katseid viidi läbi juba 1970. aastate alguses. Töötemperatuuri vahemik - 150-200 °C. Peamine kasutusvaldkond on keskmise võimsusega (umbes 200 kW) autonoomsed soojus- ja toiteallikad.
Nendes kütuseelementides kasutatav elektrolüüt on fosforhappe lahus. Elektroodid on valmistatud süsinikuga kaetud paberist, milles on dispergeeritud plaatina katalüsaator.
PAFC kütuseelementide elektriline kasutegur on 37-42%. Kuna need kütuseelemendid töötavad aga piisavalt kõrgel temperatuuril, on võimalik kasutada töö tulemusena tekkivat auru. Sel juhul võib üldine efektiivsus ulatuda 80% -ni.
Energia tootmiseks tuleb vesinikku sisaldav lähteaine reformimisprotsessi kaudu muuta puhtaks vesinikuks. Näiteks kui kütusena kasutatakse bensiini, tuleb väävliühendid eemaldada, kuna väävel võib kahjustada plaatina katalüsaatorit.
PAFC kütuseelemendid olid esimesed kaubanduslikud kütuseelemendid, mis olid majanduslikult õigustatud. Levinuim mudel oli 200 kW PC25 kütuseelement, mida tootis ONSI Corporation (praegu United Technologies, Inc.) (joonis 13). Näiteks kasutatakse neid elemente soojus- ja elektriallikana New Yorgi Central Parki politseijaoskonnas või täiendava energiaallikana hoones Conde Nast Building & Four Times Square. Suurimat seda tüüpi jaama katsetatakse 11 MW elektrijaamana, mis asub Jaapanis.
Fosforhappel põhinevaid kütuseelemente kasutatakse ka sõidukites energiaallikana. Näiteks 1994. aastal varustasid H-Power Corp., Georgetowni ülikool ja USA energeetikaministeerium bussi 50 kW elektrijaamaga.
Sulatatud karbonaadist kütuseelemendid (MCFC)
Seda tüüpi kütuseelemendid töötavad väga kõrgetel temperatuuridel - 600-700 °C. Need töötemperatuurid võimaldavad kütust kasutada otse elemendis endas, ilma et oleks vaja eraldi reformijat. Seda protsessi nimetatakse "sisemiseks reformimiseks". See võimaldab kütuseelemendi konstruktsiooni oluliselt lihtsustada.
Sulakarbonaadil põhinevad kütuseelemendid nõuavad märkimisväärset käivitusaega ega võimalda väljundvõimsust kiiresti reguleerida, seega on nende peamiseks kasutusvaldkonnaks suured statsionaarsed soojus- ja elektriallikad. Neid eristab aga kõrge kütuse muundamise efektiivsus – 60% elektritõhusus ja kuni 85% üldine kasutegur.
Seda tüüpi kütuseelementides koosneb elektrolüüt umbes 650 °C-ni kuumutatud kaaliumkarbonaadist ja liitiumkarbonaadi sooladest. Nendes tingimustes on soolad sulas olekus, moodustades elektrolüüdi. Anoodil interakteerub vesinik CO 3 ioonidega, moodustades vett, süsihappegaasi ja vabastades elektrone, mis saadetakse välisesse vooluringi, katoodil aga suhtleb hapnik süsinikdioksiidi ja välisahela elektronidega, moodustades taas CO 3 ioone.
Seda tüüpi kütuseelementide laboriproovid lõid 1950. aastate lõpus Hollandi teadlased G. H. J. Broers ja J. A. A. Ketelaar. 1960. aastatel töötas nende elementidega insener Francis T. Bacon, kuulsa 17. sajandi inglise kirjaniku ja teadlase järeltulija, mistõttu MCFC kütuseelemente nimetatakse mõnikord Baconi elementideks. NASA programmid Apollo, Apollo-Soyuz ja Scylab kasutasid toiteallikana just selliseid kütuseelemente (joonis 14). Samadel aastatel katsetas USA sõjaväeosakond mitmeid Texas Instrumentsi toodetud MCFC kütuseelementide näidiseid, milles kasutati kütusena armee bensiini. 1970. aastate keskel alustas USA energeetikaministeerium teadustööd praktilisteks rakendusteks sobiva statsionaarse sulakarbonaadist kütuseelemendi väljatöötamiseks. 1990. aastatel võeti kasutusele mitmed kuni 250 kW võimsusega kommertsüksused, näiteks USA mereväe õhujaamas Miramar Californias. 1996. aastal tegi FuelCell Energy, Inc. aastal käivitati proovioperatsioon 2 MW eelseeria jaam Californias Santa Claras.
Tahkisoksiidkütuseelemendid (SOFC)
Tahkisoksiidkütuseelemendid on disainilt lihtsad ja töötavad väga kõrgetel temperatuuridel – 700-1000 °C. Sellised kõrged temperatuurid võimaldavad kasutada suhteliselt "määrdunud", rafineerimata kütust. Samad omadused, mis sulakarbonaadil põhinevatel kütuseelementidel, määravad kindlaks sarnase kasutusvaldkonna - suured statsionaarsed soojus- ja elektriallikad.
Tahkeoksiidkütuseelemendid erinevad PAFC- ja MCFC-tehnoloogiatel põhinevatest kütuseelementidest. Anood, katood ja elektrolüüt on valmistatud spetsiaalsest keraamikast. Kõige sagedamini kasutatakse elektrolüüdina tsirkooniumoksiidi ja kaltsiumoksiidi segu, kuid võib kasutada ka teisi oksiide. Elektrolüüt moodustab kristallvõre, mis on mõlemalt poolt kaetud poorse elektroodmaterjaliga. Struktuurselt on sellised elemendid valmistatud torude või lameplaatidena, mis võimaldab nende valmistamisel kasutada elektroonikatööstuses laialdaselt kasutatavaid tehnoloogiaid. Tänu sellele võivad tahkisoksiidkütuseelemendid töötada väga kõrgetel temperatuuridel, mistõttu saab neid kasutada nii elektri- kui ka soojusenergia tootmiseks.
Kõrgetel töötemperatuuridel tekivad katoodil hapnikuioonid, mis migreeruvad läbi kristallvõre anoodile, kus nad interakteeruvad vesinikioonidega, moodustades vett ja vabastades vabu elektrone. Sel juhul eraldub maagaasist vesinik otse rakus, st ei ole vaja eraldi reformijat.
Tahkisoksiidkütuseelementide loomise teoreetilised alused pandi paika 1930. aastate lõpus, kui Šveitsi teadlased Bauer (Emil Bauer) ja Preis (H. Preis) katsetasid tsirkooniumi, ütriumi, tseeriumi, lantaani ja volframiga, kasutades neid. elektrolüütidena.
Esimesed selliste kütuseelementide prototüübid lõid 1950. aastate lõpus mitmed Ameerika ja Hollandi ettevõtted. Enamik neist ettevõtetest loobus tehnoloogiliste raskuste tõttu peagi edasisest uurimistööst, kuid üks neist, Westinghouse Electric Corp. (praegu "Siemens Westinghouse Power Corporation"), jätkas tööd. Ettevõte võtab praegu vastu eeltellimusi torukujulise topoloogiaga tahkeoksiidkütuseelemendi kaubanduslikule mudelile, mida oodatakse sel aastal (joonis 15). Selliste elementide turusegmendiks on soojus- ja elektrienergia tootmiseks mõeldud statsionaarsed paigaldised võimsusega 250 kW kuni 5 MW.
SOFC tüüpi kütuseelemendid on näidanud väga suurt töökindlust. Näiteks Siemens Westinghouse'i kütuseelemendi prototüüp on loginud 16 600 tundi ja jätkab töötamist, mis teeb sellest pikima pideva kütuseelemendi eluea maailmas.
SOFC kütuseelementide kõrge temperatuuri ja kõrge rõhu töörežiim võimaldab luua hübriidjaamu, milles kütuseelementide heitgaasid juhivad elektri tootmiseks kasutatavaid gaasiturbiine. Esimene selline hübriidtehas töötab Californias Irvine'is. Selle jaama nimivõimsus on 220 kW, millest 200 kW kütuseelemendist ja 20 kW mikroturbiini generaatorist.
USA on teinud mitmeid algatusi vesinikkütuseelementide, infrastruktuuri ja tehnoloogiate arendamiseks, et muuta kütuseelemendiga sõidukid 2020. aastaks praktiliseks ja ökonoomsemaks. Nendeks eesmärkideks on eraldatud üle ühe miljardi dollari.
Kütuseelemendid toodavad elektrit vaikselt ja tõhusalt ilma saasteta keskkond. Erinevalt fossiilkütuste energiaallikatest on kütuseelementide kõrvalsaadusteks soojus ja vesi. Kuidas see töötab?
Käesolevas artiklis käsitleme lühidalt kõiki olemasolevaid kütusetehnoloogiad täna, samuti rääkida kütuseelementide disainist ja tööst, võrrelda neid teiste energiatootmisviisidega. Arutame ka mõningaid tõkkeid, millega teadlased kütuseelementide praktiliseks ja tarbijatele taskukohaseks muutmisel silmitsi seisavad.
Kütuseelemendid on elektrokeemilised energia muundamise seadmed. Kütuseelement muundab keemilised ained, vesinik ja hapnik vette, mille käigus see toodab elektrit.
Teine meile kõigile tuttav elektrokeemiline seade on aku. Akul on kõik vajalikud keemilised elemendid sees ja see muudab need ained elektriks. See tähendab, et aku lõpuks "sureb" ja sa viskad selle minema või laed uuesti.
Kütuseelemendis juhitakse sinna pidevalt kemikaale, et see kunagi "sureks". Elektrit toodetakse nii kaua, kuni kemikaalid rakku sisenevad. Enamik tänapäeval kasutatavaid kütuseelemente kasutab vesinikku ja hapnikku.
Vesinik on meie galaktikas kõige levinum element. Vesinikku aga elementaarsel kujul Maal praktiliselt ei eksisteeri. Insenerid ja teadlased peavad ekstraheerima puhast vesinikku vesinikuühenditest, sealhulgas fossiilkütustest või veest. Nendest ühenditest vesiniku eraldamiseks peate kulutama energiat soojuse või elektri kujul.
Kütuseelementide leiutamine
Sir William Grove leiutas esimese kütuseelemendi 1839. aastal. Grove teadis, et vett saab jagada vesinikuks ja hapnikuks, juhtides seda läbi elektrivoolu (seda nimetatakse protsessiks elektrolüüs). Ta pakkus, et vastupidises järjekorras saaks elektrit ja vett. Ta lõi primitiivse kütuseelemendi ja nimetas selle gaasi galvaaniline aku. Pärast oma uue leiutisega katsetamist tõestas Grove oma hüpoteesi. Viiskümmend aastat hiljem võtsid selle mõiste kasutusele teadlased Ludwig Mond ja Charles Langer kütuseelemendid kui üritatakse ehitada praktilist elektritootmise mudelit.
Kütuseelement hakkab konkureerima paljude teiste energia muundamisseadmetega, sealhulgas linnaelektrijaamade gaasiturbiinidega, autode sisepõlemismootoritega ja igasuguste akudega. Sisepõlemismootorid, nagu gaasiturbiinid, põlevad erinevat tüüpi kütust ja kasutada mehaaniliste tööde tegemiseks gaaside paisumisel tekkivat rõhku. Akud muudavad keemilise energia vajaduse korral elektrienergiaks. Kütuseelemendid peavad neid ülesandeid tõhusamalt täitma.
Kütuseelement annab alalisvoolu (alalisvoolu) pinget, mida saab kasutada elektrimootorite, valgustuse ja muude elektriseadmete toiteks.
Kütuseelemente on mitut tüüpi, millest igaüks kasutab erinevaid keemilisi protsesse. Kütuseelemendid liigitatakse tavaliselt nende järgi Töötemperatuur ja tüüpelektrolüüt, mida nad kasutavad. Teatud tüüpi kütuseelemendid sobivad hästi kasutamiseks statsionaarsetes elektrijaamades. Teised võivad olla kasulikud väikeste kaasaskantavate seadmete või autode toiteks. Peamised kütuseelementide tüübid on järgmised:
Polümeerivahetusmembraani kütuseelement (PEMFC)
PEMFC-d peetakse transpordirakenduste jaoks kõige tõenäolisemaks kandidaadiks. PEMFC-l on nii suur võimsus kui ka suhteliselt madal töötemperatuur (vahemikus 60–80 kraadi Celsiuse järgi). Madal töötemperatuur tähendab, et kütuseelemendid saavad kiiresti soojeneda, et hakata elektrit tootma.
Tahkeoksiidkütuseelement (SOFC)
Need kütuseelemendid sobivad kõige paremini suurtele statsionaarsetele elektrigeneraatoritele, mis võiksid varustada elektriga tehaseid või linnu. Seda tüüpi kütuseelemendid töötavad väga kõrgetel temperatuuridel (700 kuni 1000 kraadi Celsiuse järgi). Kõrge temperatuur on töökindluse probleem, sest mõned kütuseelemendid võivad pärast mitut sisse- ja väljalülitamist üles öelda. Tahkeoksiidkütuseelemendid on aga pidevas töös väga stabiilsed. Tõepoolest, SOFC-d on teatud tingimustel näidanud kõigi kütuseelementide pikima tööiga. Kõrgel temperatuuril on ka see eelis, et kütuseelementide tekitatud auru saab suunata turbiinidesse ja toota rohkem elektrit. Seda protsessi nimetatakse soojuse ja elektri koostootmine ja parandab süsteemi üldist tõhusust.
Leeliseline kütuseelement (AFC)
See on üks vanimaid kütuseelementide konstruktsioone, mida on kasutatud alates 1960. aastatest. AFC-d on saaste suhtes väga vastuvõtlikud, kuna vajavad puhast vesinikku ja hapnikku. Lisaks on need väga kallid, mistõttu seda tüüpi kütuseelemente tõenäoliselt masstootmisse ei võeta.
Sulakarbonaadist kütuseelement (MCFC)
Sarnaselt SOFC-dele sobivad need kütuseelemendid kõige paremini ka suurte statsionaarsete elektrijaamade ja generaatorite jaoks. Need töötavad temperatuuril 600 kraadi Celsiuse järgi, et saaksid toota auru, mida saab omakorda kasutada veelgi suurema võimsuse genereerimiseks. Nende töötemperatuur on madalam kui tahkeoksiidkütuseelementidel, mis tähendab, et nad ei vaja selliseid kuumakindlaid materjale. See muudab need veidi odavamaks.
Fosforhappe kütuseelement (PAFC)
Fosforhappe kütuseelement on potentsiaali kasutada väikestes statsionaarsetes elektrisüsteemides. See töötab kõrgemal temperatuuril kui polümeerivahetusmembraaniga kütuseelement, mistõttu kulub soojenemiseks kauem aega, mistõttu see ei sobi autotööstuses kasutamiseks.
Metanooli kütuseelemendid Otsene metanooli kütuseelement (DMFC)
Metanooli kütuseelemendid on töötemperatuuri poolest võrreldavad PEMFC-ga, kuid ei ole nii tõhusad. Lisaks vajavad DMFC-d katalüsaatorina üsna palju plaatinat, mis muudab need kütuseelemendid kalliks.
Kütuseelement polümeerivahetusmembraaniga
Polümeerivahetusmembraani kütuseelement (PEMFC) on üks paljutõotavamaid kütuseelementide tehnoloogiaid. PEMFC kasutab üht lihtsaimat reaktsiooni mis tahes kütuseelemendist. Mõelge, millest see koosneb.
1. AGA sõlm – Kütuseelemendi negatiivne klemm. See juhib elektrone, mis vabanevad vesiniku molekulidest, misjärel saab neid kasutada välises vooluringis. Sellele on graveeritud kanalid, mille kaudu vesinikgaas jaotub ühtlaselt üle katalüsaatori pinna.
2.To aatom - kütuseelemendi positiivsel klemmil on ka kanalid hapniku jaotamiseks üle katalüsaatori pinna. Samuti juhib see elektrone tagasi katalüsaatori välimisest ahelast, kus need võivad ühineda vesiniku ja hapniku ioonidega, moodustades vett.
3.Elektrolüütide-prootoni vahetusmembraan. See on spetsiaalselt töödeldud materjal, mis juhib ainult positiivselt laetud ioone ja blokeerib elektrone. PEMFC-s peab membraan olema hüdreeritud, et see korralikult toimiks ja püsiks stabiilsena.
4. Katalüsaator on spetsiaalne materjal, mis soodustab hapniku ja vesiniku reaktsiooni. Tavaliselt on see valmistatud plaatina nanoosakestest, mis on väga õhukeselt sadestunud süsinikpaberile või kangale. Katalüsaatori pinnastruktuur on selline, et plaatina maksimaalne pindala saab kokku puutuda vesiniku või hapnikuga.
Joonisel on kujutatud vesinikgaasi (H2), mis siseneb rõhu all anoodi poolelt kütuseelemendisse. Kui H2 molekul puutub kokku katalüsaatoril oleva plaatinaga, jaguneb see kaheks H+ iooniks ja kaheks elektroniks. Elektronid läbivad anoodi, kus neid kasutatakse välises vooluringis (täites kasulikku tööd, nagu mootori pöörlemine) ja naaske kütuseelemendi katoodpoolsele küljele.
Samal ajal läbib kütuseelemendi katoodpoolne hapnik (O2) õhust katalüsaatorit, kus see moodustab kaks hapnikuaatomit. Igal neist aatomitest on tugev negatiivne laeng. See negatiivne laeng tõmbab kaks H+ iooni läbi membraani, kus need ühinevad hapnikuaatomi ja kahe välise vooluringi elektroniga, moodustades veemolekuli (H2O).
See reaktsioon ühes kütuseelemendis tekitab ainult umbes 0,7 volti. Pinge tõstmiseks mõistlikule tasemele tuleb palju üksikuid kütuseelemente kombineerida, et moodustada kütuseelementide virn. Bipolaarseid plaate kasutatakse ühe kütuseelemendi ühendamiseks teisega ja oksüdeeritakse koos väheneva potentsiaaliga. Bipolaarsete plaatide suur probleem on nende stabiilsus. Metallist bipolaarsed plaadid võivad olla korrodeerunud ning kõrvalsaadused (raua- ja kroomioonid) vähendavad kütuseelemendi membraanide ja elektroodide efektiivsust. Seetõttu kasutatakse madalatemperatuurilistes kütuseelementides bipolaarse lehtmaterjalina kergmetalle, grafiiti ning süsiniku ja termoreaktiivse materjali (termokõvenev materjal on plastik, mis jääb tahkeks ka kõrgetel temperatuuridel) komposiitühendeid.
Kütuseelementide tõhusus
Reostuse vähendamine on kütuseelemendi üks peamisi eesmärke. Kui võrrelda kütuseelemendiga töötavat autot bensiinimootori ja aku jõul töötava autoga, näete, kuidas kütuseelemendid saaksid autode tõhusust parandada.
Kuna kõigil kolmel autotüübil on palju samu komponente, siis jätame selle auto osa tähelepanuta ja võrdleme kasulikud tegevused kuni punktini, kus toodetakse mehaanilist energiat. Alustame kütuseelemendiga autost.
Kui kütuseelement töötab puhta vesinikuga, võib selle kasutegur olla kuni 80 protsenti. Seega muudab see 80 protsenti vesiniku energiasisaldusest elektriks. Siiski peame ikkagi elektrienergia muutma mehaaniliseks tööks. See saavutatakse elektrimootori ja inverteri abil. Mootori + inverteri kasutegur on samuti ligikaudu 80 protsenti. See annab üldiseks efektiivsuseks ligikaudu 80*80/100=64 protsenti. Honda FCX ideesõiduki energiatõhusus on väidetavalt 60 protsenti.
Kui kütuseallikas ei ole puhta vesiniku kujul, siis sõidukit vajaks ka reformijat. Reformijad muudavad süsivesinik- või alkoholikütused vesinikuks. Nad toodavad soojust ning toodavad lisaks vesinikule ka CO ja CO2. Saadud vesiniku puhastamiseks kasutavad nad erinevaid seadmeid, kuid see puhastus on ebapiisav ja vähendab kütuseelemendi efektiivsust. Seetõttu otsustasid teadlased keskenduda puhtal vesinikul töötavate sõidukite kütuseelementidele, hoolimata vesiniku tootmise ja ladustamisega seotud probleemidest.
Bensiinimootori ja auto efektiivsus elektriakudel
Bensiinimootoriga auto kasutegur on üllatavalt madal. Kogu soojus, mis väljalaske kujul välja läheb või radiaatorisse neelab, on raisatud energia. Mootor kasutab palju energiat ka erinevate pumpade, ventilaatorite ja generaatorite pööramiseks, mis seda töös hoiavad. Seega on auto bensiinimootori üldine kasutegur ligikaudu 20 protsenti. Seega muudetakse mehaaniliseks tööks vaid ligikaudu 20 protsenti bensiini soojusenergia sisaldusest.
Akutoitel elektrisõidukil on üsna kõrge kasutegur. Aku kasutegur on ligikaudu 90 protsenti (enamik akusid tekitab veidi soojust või vajab kuumutamist) ning mootori ja inverteri efektiivsus on ligikaudu 80 protsenti. See annab üldiseks efektiivsuseks ligikaudu 72 protsenti.
Kuid see pole veel kõik. Selleks, et elektriauto liikuma hakkaks, tuleb kõigepealt kuskil elekter toota. Kui tegemist oli elektrijaamaga, mis kasutas fossiilkütuste põlemisprotsessi (mitte tuuma-, hüdro-, päikese- või tuuleenergiat), siis elektrijaamas muudeti vaid umbes 40 protsenti kütusest, mida elektrijaam tarbis. Lisaks nõuab auto laadimise protsess vahelduvvoolu (AC) teisendamist alalisvoolu (DC) võimsuseks. Selle protsessi efektiivsus on ligikaudu 90 protsenti.
Kui nüüd vaadata tervet tsüklit, siis elektrisõiduki kasutegur on autol endal 72 protsenti, elektrijaamal 40 protsenti ja auto laadimisel 90 protsenti. See annab üldiseks efektiivsuseks 26 protsenti. Üldine kasutegur varieerub oluliselt olenevalt sellest, millist elektrijaama aku laadimiseks kasutatakse. Kui autole toodetakse elektrit näiteks hüdroelektrijaamas, siis elektriauto kasutegur on umbes 65 protsenti.
Teadlased uurivad ja täiustavad disainilahendusi, et jätkata kütuseelementide tõhususe parandamist. Üks uutest lähenemisviisidest on kütuseelemendi- ja akutoitel sõidukite kombineerimine. Arendatakse ideesõidukit, mille jõuallikaks on kütuseelemendil töötav hübriidjõuallikas. See kasutab auto toiteks liitiumakut, samal ajal kui kütuseelement akut laadib.
Kütuseelemendiga sõidukid on potentsiaalselt sama tõhusad kui akutoitel autod, mida laetakse fossiilkütustevabast elektrijaamast. Kuid sellise potentsiaali saavutamine praktiliste ja ligipääsetav viis võib osutuda keeruliseks.
Miks kasutada kütuseelemente?
Peamine põhjus on kõik naftaga seonduv. Ameerika peab importima ligi 60 protsenti oma naftast. 2025. aastaks peaks import kasvama 68%-ni. Ameeriklased kasutavad iga päev kaks kolmandikku naftast transpordiks. Isegi kui iga auto tänaval oleks hübriidauto, peaks USA aastaks 2025 ikkagi kasutama sama palju õli, mida ameeriklased 2000. aastal tarbisid. Tõepoolest, Ameerika tarbib veerandi kogu maailmas toodetud naftast, kuigi siin elab vaid 4,6% maailma elanikkonnast.
Eksperdid eeldavad, et naftahinnad jätkavad järgmiste aastakümnete jooksul tõusmist, kuna odavamad allikad saavad otsa. Naftaettevõtted peaks arenema õliväljadüha raskemates tingimustes, põhjustades naftahinna tõusu.
Hirmud ulatuvad palju kaugemale majanduslik turvalisus. Suur osa naftamüügist saadavast tulust kulub rahvusvahelise terrorismi, radikaalsete erakondade ja naftatootmispiirkondade ebastabiilse olukorra toetamiseks.
Nafta ja muude fossiilkütuste kasutamine energia saamiseks tekitab reostust. Kõigil on kõige parem leida alternatiiv – fossiilkütuste põletamine energia saamiseks.
Kütuseelemendid on atraktiivne alternatiiv naftasõltuvusele. Kütuseelemendid toodavad saaste asemel kõrvalsaadusena puhast vett. Kui insenerid on ajutiselt keskendunud vesiniku tootmisele erinevatest fossiilsetest allikatest, nagu bensiin või maagaas, siis uuritakse taastuvaid keskkonnasõbralikke viise vesiniku tootmiseks tulevikus. Kõige lootustandvam on muidugi veest vesiniku saamise protsess.
Naftasõltuvus ja globaalne soojenemine on rahvusvaheline probleem. Mitmed riigid osalevad ühiselt kütuseelementide tehnoloogia uurimis- ja arendustegevuses.
On selge, et teadlastel ja tootjatel on palju tööd teha, enne kui kütuseelemendid muutuvad alternatiiviks. kaasaegsed meetodid energia tootmine. Ja ometi võib elujõuline kütuseelementidel põhinev energiasüsteem kogu maailma toel ja ülemaailmsel koostööl paarikümne aastaga reaalsuseks saada.
kütuseelement ( kütuseelement) on seade, mis muudab keemilise energia elektrienergiaks. Põhimõtteliselt sarnaneb see tavalise akuga, kuid erineb selle poolest, et selle tööks on vaja elektrokeemilise reaktsiooni toimumiseks väljastpoolt pidevat ainete tarnimist. Kütuseelementidesse tarnitakse vesinikku ja hapnikku ning väljundiks on elekter, vesi ja soojus. Nende eelisteks on keskkonnasõbralikkus, töökindlus, vastupidavus ja kasutuslihtsus. Erinevalt tavalistest akudest võivad elektrokeemilised muundurid töötada peaaegu lõputult, kuni kütust on saadaval. Neid pole vaja tundide kaupa laadida, kuni need on täielikult laetud. Pealegi saavad elemendid ise akut laadida, kui auto on seisva mootoriga pargitud.
Prootonmembraani kütuseelemendid (PEMFC) ja tahkeoksiidkütuseelemendid (SOFC) on vesiniksõidukites kõige laialdasemalt kasutatavad.
Prootonivahetusmembraaniga kütuseelement töötab järgmiselt. Anoodi ja katoodi vahel on spetsiaalne membraan ja plaatinaga kaetud katalüsaator. Vesinik siseneb anoodile ja hapnik katoodile (näiteks õhust). Anoodil laguneb vesinik katalüsaatori abil prootoniteks ja elektronideks. Vesiniku prootonid läbivad membraani ja sisenevad katoodile, elektronid aga väljuvad välisahelasse (membraan ei lase neid läbi). Nii saadud potentsiaalide erinevus viib elektrivoolu ilmnemiseni. Katoodi poolel oksüdeeritakse vesiniku prootoneid hapniku toimel. Selle tulemusena tekib veeaur, mis on autode heitgaaside põhielement. Kõrge efektiivsusega PEM-rakkudel on üks oluline puudus - nende tööks on vaja puhast vesinikku, mille säilitamine on üsna tõsine probleem.
Kui leitakse selline katalüsaator, mis asendab neis elementides kalli plaatina, siis tekib kohe odav kütuseelement elektri tootmiseks, mis tähendab, et maailm vabaneb naftasõltuvusest.
Tahked oksiidrakud
Tahkeoksiid-SOFC-elemendid on kütuse puhtuse suhtes palju vähem nõudlikud. Lisaks saavad sellised rakud tänu POX-reformeri (Partial Oxidation – osaline oksüdatsioon) kasutamisele kütusena tarbida tavalist bensiini. Bensiini otse elektrienergiaks muutmise protsess on järgmine. Spetsiaalses seadmes - reformeris aurustub bensiin temperatuuril umbes 800 ° C ja laguneb selle koostisosadeks.
See vabastab vesinikku ja süsinikdioksiidi. Lisaks ka temperatuuri mõjul ja otse SOFC abil (koosneb poorsest keraamiline materjal põhineb tsirkooniumoksiidil), vesinik oksüdeerub õhu hapniku toimel. Pärast bensiinist vesiniku saamist kulgeb protsess edasi vastavalt ülalkirjeldatud stsenaariumile, ainult ühe erinevusega: SOFC kütuseelement on erinevalt vesinikul töötavatest seadmetest vähem tundlik algkütuses leiduvate võõrlisandite suhtes. Seega ei tohiks bensiini kvaliteet kütuseelemendi jõudlust mõjutada.
SOFC kõrge töötemperatuur (650-800 kraadi) on märkimisväärne puudus, soojendusprotsess võtab aega umbes 20 minutit. Liigne kuumus pole aga probleem, kuna reformeri ja kütuseelemendi enda toodetud ülejäänud õhk ja heitgaasid eemaldavad selle täielikult. See võimaldab integreerida SOFC-süsteemi sõidukisse eraldiseisva seadmena soojusisolatsiooniga korpuses.
Modulaarne struktuur võimaldab teil saavutada vajaliku pinge jadaühendus standardsete lahtrite komplekt. Ja mis võib-olla kõige tähtsam, selliste seadmete kasutuselevõtu seisukohalt pole SOFC-s väga kalleid plaatinapõhiseid elektroode. Just nende elementide kõrge hind on üks takistusi PEMFC tehnoloogia arendamisel ja levitamisel.
Kütuseelementide tüübid
Praegu on selliseid kütuseelemente:
- A.F.C.– Alkaline Fuel Cell (leeliseline kütuseelement);
- PAFC– Fosforhappe kütuseelement (fosforhappe kütuseelement);
- PEMFC– Proton Exchange Membrane Fuel Cell (prootonvahetusmembraaniga kütuseelement);
- DMFC– Direct Methanol Fuel Cell (kütuseelement metanooli otsese lagunemisega);
- MCFC– Sula karbonaadi kütuseelement (sula karbonaadi kütuseelement);
- SOFC– Tahkeoksiidkütuseelement (tahkeoksiidkütuseelement).
Sir William Grove teadis elektrolüüsist palju, seega oletas ta, et protsessiga (mis jagab vett selle koostisosaks olevaks vesinikuks ja hapnikuks, juhtides läbi selle elektrit) suudab ta toota, kui see oleks vastupidine. Pärast paberil arvutamist läks ta katsefaasi ja suutis oma ideid tõestada. Tõestatud hüpoteesi töötasid välja teadlased Ludwig Mond ja tema assistent Charles Langre, täiustasid tehnoloogiat ja andsid 1889. aastal sellele nime, mis sisaldas kahte sõna – "kütuseelement".
Nüüd on see fraas autojuhtide igapäevaelus kindlalt kinnistunud. Mõistet "kütuseelement" olete kindlasti kuulnud rohkem kui korra. Interneti- ja teleuudistes vilguvad üha enam uudsed sõnad. Tavaliselt viitavad need lugudele uusimate hübriidsõidukite või nende hübriidsõidukite arendusprogrammide kohta.
Näiteks 11 aastat tagasi käivitati USA-s programm "The Hydrogen Fuel Initiative". Programm keskendus vesinikkütuseelementide ja taristutehnoloogiate arendamisele, mis on vajalikud selleks, et muuta kütuseelemendiga sõidukid 2020. aastaks praktiliseks ja majanduslikult elujõuliseks. Muide, selle aja jooksul eraldati programmile rohkem kui 1 miljard dollarit, mis viitab tõsisele panusele, mille USA võimud tegid.
Teisel pool ookeani olid valvel ka autotootjad, kes alustasid või jätkasid kütuseelemendiga autode uurimist. ja isegi jätkas tööd tugeva kütuseelemenditehnoloogia loomisega.
Suurima edu selles valdkonnas kõigi ülemaailmsete autotootjate seas on saavutanud kaks Jaapani autotootjat ja. Nende kütuseelementide mudelid on juba täistootmises, samas kui nende konkurendid on nende taga.
Seetõttu on autotööstuse kütuseelemendid siin, et jääda. Mõelge tehnoloogia põhimõtetele ja selle rakendamisele kaasaegsetes autodes.
Kütuseelemendi tööpõhimõte
Tegelikult, . Tehnilisest vaatenurgast võib kütuseelementi määratleda kui elektrokeemilist seadet energia muundamiseks. See muudab vesiniku ja hapniku osakesed veeks, tekitades selle käigus elektrit ja alalisvoolu.
Kütuseelemente on mitut tüüpi, mõned on juba kasutusel autodes, teisi katsetatakse uuringutes. Enamik neist kasutab põhiliselt vesinikku ja hapnikku keemilised elemendid konverteerimiseks vajalik.
Sarnane protseduur toimub ka tavalise aku puhul, ainus erinevus on see, et sellel on juba "pardal" kõik muundamiseks vajalikud kemikaalid, samas kui kütuseelementi saab "laadida" välisest allikast, mille tõttu toimub " elektri tootmist võib jätkata. Lisaks veeaurule ja elektrile on protseduuri teiseks kõrvalproduktiks tekkiv soojus.
Prootonivahetusmembraani vesinik-hapnik kütuseelement sisaldab prootonit juhtivat polümeermembraani, mis eraldab kaks elektroodi, anoodi ja katoodi. Iga elektrood on tavaliselt süsinikplaat (maatriks), millel on sadestatud katalüsaator - plaatina või plaatinasulam ja muud koostised.
Anoodkatalüsaatoril molekulaarne vesinik dissotsieerub ja kaotab elektrone. Vesiniku katioonid juhitakse läbi membraani katoodile, kuid elektronid antakse välja välisesse vooluringi, kuna membraan ei lase elektronidel läbi minna.
Katoodkatalüsaatoril ühineb hapniku molekul elektroni (mis saadakse välisside kaudu) ja sissetuleva prootoniga ning moodustab vee, mis on ainus reaktsioonisaadus (auru ja/või vedeliku kujul).
wikipedia.org
Kasutamine autodes
Kõigist kütuseelementide tüüpidest on sõidukites kasutamiseks saanud parimaks kandidaadiks prootonvahetusmembraanidel põhinevad kütuseelemendid või, nagu neid läänes nimetatakse, polümeerivahetusmembraani kütuseelemendid (PEMFC). Selle peamisteks põhjusteks on selle suur võimsustihedus ja suhteliselt madal töötemperatuur, mis omakorda tähendab, et kütuseelementide tööle panemine ei võta palju aega. Need soojenevad kiiresti ja hakkavad tootma vajalikku kogust elektrit. Samuti kasutab see üht lihtsaimat reaktsiooni igat tüüpi kütuseelementidest.
Esimene selle tehnoloogiaga sõiduk valmistati 1994. aastal, kui Mercedes-Benz tutvustas NECAR1-l (uus elektriauto 1) põhinevat MB100. Peale väikese võimsuse (ainult 50 kilovatti) oli selle kontseptsiooni suurim puudus see, et kütuseelement hõivas kogu kaubiku lastiruumi mahu.
Ka passiivse ohutuse seisukohast oli see masstootmise jaoks kohutav idee, arvestades vajadust paigaldada pardale massiivne tuleohtliku survestatud vesinikuga täidetud paak.
Järgmise kümnendi jooksul tehnoloogia arenes ja Mercedese ühe uusima kütuseelemendi kontseptsiooni võimsus oli 115 hj. (85 kW) ja sõiduulatus umbes 400 kilomeetrit enne tankimist. Muidugi polnud sakslased tuleviku kütuseelementide arendamisel ainsad teerajajad. Ärge unustage kahte jaapanlast, Toyota ja . Üks suurimaid autotootjaid oli Honda, kes tõi turule seeriaauto elektrijaam vesinikkütuseelementidel. FCX Clarity liisingumüük Ameerika Ühendriikides algas 2008. aasta suvel, veidi hiljem liikus auto müük Jaapanisse. 
Toyota on läinud veelgi kaugemale Mirai'ga, mille täiustatud vesinikkütuseelemendisüsteem suudab ilmselt ühe paagiga futuristlikule autole läbida 520 km, mida saab tankida vähem kui viie minutiga, nagu tavalistki. Kütusekulu numbrid imestavad iga skeptikut, need on uskumatud isegi klassikalise elektrijaamaga auto kohta, kulub 3,5 liitrit, olenemata sellest, kas autot kasutatakse linnas, maanteel või kombineeritud tsüklis.
Kaheksa aastat on möödas. Honda kasutas selle aja hästi ära. Teise põlvkonna Honda FCX Clarity on nüüd müügil. Selle kütuseelementide korstnad on 33% kompaktsemad kui esimesel mudelil, võimsustihedus on suurenenud 60%. Honda väidab, et Clarity Fuel Cell'i kütuseelement ja integreeritud jõuallikas on suuruselt võrreldavad V6 mootoriga, jättes piisavalt ruumi viiele reisijale ja nende pagasile.
Eeldatav sõiduulatus on 500 km ja uute esemete alghinnaks tuleks fikseerida 60 000 dollarit. Kallis? Vastupidi, see on väga odav. 2000. aasta alguses maksid nende tehnoloogiatega autod 100 000 dollarit.
