Säästvate tehnoloogiate tutvustamine: kütuseelemendid. kütuseelemendid

Kütuseelementide/elementide eelised

kütuseelement/ element on seade, mis toodab elektrokeemilise reaktsiooni kaudu tõhusalt vesinikurikkast kütusest alalisvoolu ja soojust.

Kütuseelement sarnaneb akuga selle poolest, et see tekitab keemilise reaktsiooni kaudu alalisvoolu. Kütuseelement sisaldab anoodi, katoodi ja elektrolüüti. Erinevalt akudest ei saa kütuseelemendid/elemendid siiski salvestada elektrienergia, ei tühjene ega vaja laadimiseks elektrit. Kütuseelemendid/elemendid saavad pidevalt elektrit toota seni, kuni neil on kütust ja õhku.

Erinevalt teistest elektrigeneraatoritest, näiteks mootoritest sisepõlemine või turbiinid, mis töötavad gaasil, söel, õlil jne, kütuseelemendid/elemendid kütust ei põleta. See tähendab, et pole müra tekitavaid kõrgsurverootoreid, ei tekita valju heitgaasimüra ega vibratsiooni. Kütuseelemendid/elemendid toodavad elektrit vaikse elektrokeemilise reaktsiooni kaudu. Kütuseelementide/elementide teine omadus on see, et nad muudavad kütuse keemilise energia otse elektriks, soojuseks ja veeks.

Kütuseelemendid on väga tõhusad ega tooda suures koguses kasvuhoonegaase, nagu süsinikdioksiid, metaani ja dilämmastikoksiidi. Ainsad töö käigus eralduvad tooted on vesi auruna ja väike kogus süsihappegaasi, mida puhta vesiniku kütusena kasutamisel ei eraldu üldse. Kütuseelemendid/elemendid monteeritakse sõlmedeks ja seejärel üksikuteks funktsionaalseteks mooduliteks.

Kütuseelemendi/elemendi arendamise ajalugu

1950. ja 1960. aastatel tekkis kütuseelementide jaoks üks suurimaid väljakutseid USA riikliku aeronautika- ja kosmoseameti (NASA) vajadusest energiaallikate järele pikaajalisteks kosmosemissioonideks. NASA Leeliseline kütuseelement/Cell kasutab kütusena vesinikku ja hapnikku, ühendades need kaks elektrokeemilises reaktsioonis. Väljundiks on kolm kosmoselendudel kasulikku reaktsiooni kõrvalsaadust – elekter kosmoselaeva toiteks, vesi joogi- ja jahutussüsteemideks ning soojus, mis hoiab astronautidel sooja.

Kütuseelementide avastamine pärineb 19. sajandi algusest. Esimesed tõendid kütuseelementide mõju kohta saadi 1838. aastal.

1930. aastate lõpus alustati tööd leeliseliste kütuseelementide kallal ja 1939. aastaks oli ehitatud kõrgsurve nikeldatud elektroode kasutav element. Teise maailmasõja ajal töötati välja Briti mereväe allveelaevade kütuseelemendid/elemendid ja 1958. aastal võeti kasutusele veidi üle 25 cm läbimõõduga leeliselistest kütuseelementidest/elementidest koosnev kütusesõlm.

Huvi kasvas 1950. ja 1960. aastatel ning ka 1980. aastatel, mil tööstusmaailm tekkis naftakütuse puudus. Samal perioodil hakkasid maailma riigid muret tundma ka õhusaaste probleemi pärast ja kaaluma võimalusi keskkonnasõbraliku elektri tootmiseks. Praegu toimub kütuseelementide/elementide tehnoloogia kiire areng.

Kuidas kütuseelemendid/elemendid töötavad

Kütuseelemendid/elemendid toodavad elektrit ja soojust käimasoleva elektrokeemilise reaktsiooni kaudu, kasutades elektrolüüti, katoodi ja anoodi.

Anoodkatalüsaatoril molekulaarne vesinik dissotsieerub ja kaotab elektrone. Vesinikuioonid (prootonid) juhitakse läbi elektrolüüdi katoodile, samal ajal kui elektronid juhitakse läbi elektrolüüdi ja välise elektriahela kaudu, luues alalisvoolu, mida saab kasutada seadmete toiteks. Katoodkatalüsaatoril ühineb hapniku molekul elektroni (mis saadakse väliskommunikatsioonist) ja sissetuleva prootoniga ning moodustab vee, mis on ainus reaktsioonisaadus (auru ja/või vedeliku kujul).

Allpool on vastav reaktsioon:

Anoodi reaktsioon: 2H2 => 4H+ + 4e -
Reaktsioon katoodil: O2 + 4H+ + 4e - => 2H2O
Üldine elementide reaktsioon: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Kütuseelementide/elementide tüübid ja mitmekesisus

Nii nagu on erinevat tüüpi sisepõlemismootoreid, on ka erinevat tüüpi kütuseelemente – valik sobiv tüüp kütuseelement sõltub selle rakendusest.

Kütuseelemendid jagunevad kõrge temperatuuriga ja madala temperatuuriga kütuseelementideks. 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 need suudavad kütust kõrgel temperatuuril "sisemiselt muundada", mis tähendab, et pole vaja investeerida vesiniku infrastruktuuri.

Kütuseelemendid/elemendid sulal 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.

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 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Üldine elementide reaktsioon: H 2 (g) + 1/2O 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. Kõrge temperatuur hoiab ära kütuseelemendi kahjustamise süsinikmonooksiidi poolt.

Sulakarbonaadist kütuseelemendid sobivad kasutamiseks suurtes statsionaarsetes paigaldistes. Tööstuslikult toodetakse soojuselektrijaamu, mille elektrivõimsus on 3,0 MW. Arendatakse jaamu väljundvõimsusega kuni 110 MW.

Fosforhappel (PFC) põhinevad kütuseelemendid/elemendid

Fosfor- (ortofosfor-)happel põhinevad kütuseelemendid olid esimesed kaubanduslikuks kasutamiseks mõeldud kütuseelemendid.

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.

Laengukandjaks seda tüüpi kütuseelementides on vesinik (H+, prooton). Sarnane protsess toimub prootonivahetusmembraani kütuseelementides, 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 2 H 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 500 kW. Käitised võimsusega 11 MW on läbinud vastavad katsed. Arendatakse jaamu väljundvõimsusega kuni 100 MW.

Tahkeoksiidkütuseelemendid/-elemendid (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 keraamilist tahket metalloksiidi, sageli ütriumi ja tsirkooniumi sulamit, mis on hapniku (O 2-) ioonide juht.

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 - \u003d\u003e 2O 2-
Üldine elementide reaktsioon: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Tekkiva elektrienergia kasutegur on kõigist kütuseelementidest kõrgeim – umbes 60-70%. Kõrge töötemperatuur võimaldab soojuse ja elektri koostootmist kõrgsurveauru tootmiseks. Kõrge temperatuuriga kütuseelemendi kombineerimine turbiiniga loob hübriidkütuseelemendi, mis suurendab elektritootmise efektiivsust kuni 75%.

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/elemendid (DOMTE)

Metanooli otsese oksüdatsiooniga kütuseelementide kasutamise tehnoloogia areneb aktiivselt. See on end edukalt sisse seadnud mobiiltelefonide, sülearvutite toiteallikana, aga ka kaasaskantavate toiteallikate loomisel. 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: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Üldine elementide reaktsioon: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Seda tüüpi kütuseelementide eeliseks on nende väiksus, mis on tingitud vedelkütuse kasutamisest ja muunduri kasutamise vajaduse puudumine.

Leeliskütuseelemendid/-elemendid (AFC)

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 - => 4 OH -
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. SCFC-d töötavad suhteliselt madalatel temperatuuridel 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 CH4, mis on ohutud teistele kütuseelementidele ja isegi kütus mõnele neist, on SFC-dele kahjulikud.

Polümeerelektrolüüdi kütuseelemendid/elemendid (PETE)

Polümeerelektrolüütkütuseelementide puhul koosneb polümeeri membraan polümeerkiududest, millel on veepiirkonnad, milles toimub veeioonide juhtivus (veemolekuli külge kinnitatud H 2 O + (prooton, punane). 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/-elemendid (SCFC)

Tahkehappe kütuseelementides ei sisalda elektrolüüt (CsHSO 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.

Erinevad kütuseelemendi moodulid. kütuseelemendi aku

Kütuseelemendi aku
Muud kõrge temperatuuriga seadmed (integreeritud aurugeneraator, põlemiskamber, soojusbilansi vahetaja)
Kuumuskindel isolatsioon

kütuseelemendi moodul

Kütuseelementide tüüpide ja sortide võrdlev analüüs

Uuenduslikud energiasäästlikud munitsipaalsoojus- ja elektrijaamad on tavaliselt ehitatud tahkete oksiidkütuseelementide (SOFC), polümeer-elektrolüütkütuseelementide (PEFC), fosforhappe kütuseelementide (PCFC), prootonvahetusmembraani kütuseelementide (MPFC) ja leeliseliste kütuseelementide ( APFC-d). Tavaliselt on neil järgmised omadused:

Kõige sobivamateks tuleks pidada tahkeoksiidkütuseelemente (SOFC), mis:

töötada kõrgemal temperatuuril, mis vähendab vajadust kallite väärismetallide (nt plaatina) järele
võib töötada erinevat tüüpi süsivesinikkütustel, peamiselt maagaasil
on rohkem aega algavad ja sobivad seetõttu paremini pikaajaliseks
näidata kõrget energiatootmise efektiivsust (kuni 70%)
tänu kõrgetele töötemperatuuridele saab seadmeid kombineerida soojustagastusega süsteemidega, mis tõstab süsteemi üldise efektiivsuse kuni 85%
neil on peaaegu nulliheide, need töötavad vaikselt ja neil on olemasolevate elektritootmistehnoloogiatega võrreldes madalad töönõuded

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	Kaasaskantav
SHTE	50-200°C	40-70%	puhas vesinik	kosmoseuuringud
PETE	30-100°C	35-50%	puhas vesinik	Väikesed paigaldused

Kuna väikeseid soojuselektrijaamu saab ühendada tavapärase gaasivarustusvõrguga, ei vaja kütuseelemendid eraldi vesiniku toitesüsteemi. Tahkeoksiidkütuseelementidel põhinevate väikeste soojuselektrijaamade kasutamisel saab tekkiva soojuse integreerida soojusvahetitesse vee ja ventilatsiooniõhu soojendamiseks, suurendades süsteemi üldist efektiivsust. See uuenduslik tehnoloogia sobib kõige paremini tõhusaks elektritootmiseks, ilma et oleks vaja kallist infrastruktuuri ja keerukat seadmete integreerimist.

Kütuseelemendi/elemendi rakendused

Kütuseelementide/elementide kasutamine telekommunikatsioonisüsteemides

Traadita sidesüsteemide kiire levikuga üle maailma ning mobiiltelefonitehnoloogia kasvava sotsiaalse ja majandusliku kasu tõttu on vajadus usaldusväärse ja kulutõhusa varutoite järele muutunud kriitiliseks. Aastaringsed võrgukadud halbade ilmade, loodusõnnetuste või võrgu piiratud läbilaskevõime tõttu on võrguoperaatoritele pidevaks väljakutseks.

Traditsioonilised telekommunikatsiooni toitevarulahendused hõlmavad akusid (klapiga reguleeritud pliiakuelement) lühiajaliseks varutoiteallikaks ning diisel- ja propaanigeneraatoreid pikemaks varutoiteallikaks. Patareid on suhteliselt odav varutoiteallikas 1–2 tunniks. Kuid akud ei sobi pikemaks varuperioodiks, kuna neid on kulukas hooldada, need muutuvad pärast pikka kasutamist ebausaldusväärseks, on tundlikud temperatuuride suhtes ja on eluohtlikud. keskkond pärast utiliseerimist. Diisel- ja propaanigeneraatorid võivad pakkuda pidevat varutoidet. Generaatorid võivad aga olla ebausaldusväärsed, vajada põhjalikku hooldust ning eraldada atmosfääri suurel hulgal saasteaineid ja kasvuhoonegaase.

Traditsiooniliste varutoitelahenduste piirangute kõrvaldamiseks on välja töötatud uuenduslik rohelise kütuseelemendi tehnoloogia. Kütuseelemendid on töökindlad, vaiksed, sisaldavad vähem liikuvaid osi kui generaatoril, nende töötemperatuuri vahemik on laiem kui akul vahemikus -40°C kuni +50°C ning tänu sellele säästavad nad väga palju energiat. Lisaks on sellise jaama eluea maksumus madalam kui generaatoril. Madalamad kütuseelementide kulud on vaid ühe hoolduskülastuse aastas ja oluliselt kõrgema tehase tootlikkuse tulemus. Lõppude lõpuks on kütuseelement keskkonnasõbralik tehnoloogiline lahendus minimaalse mõjuga keskkonnale.

Kütuseelemendiseadmed pakuvad varutoidet kriitilistele sidevõrgu infrastruktuuridele traadita, püsiva ja lairiba telekommunikatsioonisüsteemis, vahemikus 250 W kuni 15 kW, pakuvad need palju ületamatuid uuenduslikke funktsioone:

USALDUSVÄÄRSUS– Vähe liikuvaid osi ja puudub ooterežiimi tühjenemine
ENERGIASÄÄSTU
VAIKUS- madal müratase
STABIILSUS– töövahemik -40°C kuni +50°C
KOHANDATUVUS– paigaldus välis- ja siseruumides (konteiner/kaitsekonteiner)
SUUR JÕUD- kuni 15 kW
VÄIKE HOOLDUSVAJADUS– minimaalne iga-aastane hooldus
MAJANDUS- atraktiivne kogu omamiskulu
PUHAS ENERGIA– madalad heitkogused minimaalse keskkonnamõjuga

Süsteem tunnetab alalisvoolu siini pinget kogu aeg ja võtab sujuvalt vastu kriitilised koormused, kui alalisvoolu siini pinge langeb alla kasutaja määratud seadeväärtuse. Süsteem töötab vesinikul, mis siseneb kütuseelemendi korstnasse kahel viisil – kas kaubanduslikust vesinikuallikast või vedelkütusest, mis koosneb metanoolist ja veest, kasutades pardal asuvat reformijasüsteemi.

Elektrit toodab kütuseelemendi korstna alalisvoolu kujul. Alalisvoolu võimsus saadetakse muundurisse, mis muundab kütuseelemendi korstnast saadava reguleerimata alalisvoolu kvaliteetseks reguleeritud alalisvooluks vajalike koormuste jaoks. Kütuseelemendi paigaldus võib pakkuda varutoidet mitmeks päevaks, kuna kestust piirab ainult laos oleva vesiniku või metanooli/vee kütuse kogus.

Kütuseelemendid pakuvad suurepärast energiatõhusust, suuremat süsteemi töökindlust, prognoositavamat jõudlust paljudes kliimatingimustes ja usaldusväärset kasutusiga võrreldes tööstusharu standardsete klapiga reguleeritud pliiakupakettidega. Oluliselt väiksemate hooldus- ja asendusvajaduste tõttu on ka elutsükli kulud madalamad. Kütuseelemendid pakuvad lõppkasutajale keskkonnakasu, kuna pliihappeelementidega seotud kõrvaldamiskulud ja vastutusriskid on järjest suuremaks probleemiks.

Elektriakude jõudlust võivad negatiivselt mõjutada paljud tegurid, nagu laadimistase, temperatuur, tsüklid, eluiga ja muud muutujad. Pakutav energia sõltub nendest teguritest ja seda pole lihtne ennustada. Prootonvahetusmembraani kütuseelemendi (PEMFC) jõudlust need tegurid suhteliselt ei mõjuta ja see võib pakkuda kriitilist võimsust seni, kuni kütust on saadaval. Suurem prognoositavus on oluline eelis, kui minnakse üle kütuseelementidele missioonikriitiliste varutoiterakenduste jaoks.

Kütuseelemendid toodavad energiat ainult siis, kui kütust tarnitakse, nagu gaasiturbiini generaator, kuid neil ei ole tootmistsoonis liikuvaid osi. Seetõttu ei kulu need erinevalt generaatorist kiiresti ega vaja pidevat hooldust ja määrimist.

Extended Duration Fuel Converteri juhtimiseks kasutatav kütus on metanooli ja vee segu. Metanool on laialdaselt saadaval kaubanduslikult toodetud kütus, millel on praegu palju rakendusi, sealhulgas esiklaasi pesurid, plastpudelid, mootorilisandid, emulsioonvärvid. Metanool on kergesti transporditav, veega segunev, hea biolagunevusega ja väävlivaba. Sellel on madal külmumistemperatuur (-71°C) ja see ei lagune pikaajalisel säilitamisel.

Kütuseelementide/elementide rakendamine sidevõrkudes

Turvavõrgud nõuavad usaldusväärseid varutoitelahendusi, mis võivad hädaolukorras kesta tunde või päevi, kui elektrivõrk muutub kättesaamatuks.

Väheste liikuvate osadega ja ooterežiimi võimsuse vähendamiseta pakub uuenduslik kütuseelemenditehnoloogia atraktiivset lahendust võrreldes praegu saadaolevate varutoitesüsteemidega.

Kõige kaalukaim põhjus kütuseelemenditehnoloogia kasutamiseks sidevõrkudes on suurenenud üldine töökindlus ja turvalisus. Selliste sündmuste ajal nagu elektrikatkestused, maavärinad, tormid ja orkaanid on oluline, et süsteemid jätkaksid tööd ja neil oleks pika aja jooksul usaldusväärne varutoiteallikas, sõltumata varutoitesüsteemi temperatuurist või vanusest.

Kütuseelemendiga toiteallikate valik sobib ideaalselt turvaliste sidevõrkude toetamiseks. Tänu nende energiasäästlikele disainipõhimõtetele pakuvad need keskkonnasõbralikku, usaldusväärset pika kestusega (kuni mitu päeva) varuvõimsust kasutamiseks võimsusvahemikus 250 W kuni 15 kW.

Kütuseelementide/elementide rakendamine andmevõrkudes

Andmevõrkude, nagu kiired andmesidevõrgud ja fiiberoptilised magistraalvõrgud, usaldusväärne toiteallikas on kogu maailmas võtmetähtsusega. Selliste võrkude kaudu edastatav teave sisaldab kriitilisi andmeid selliste asutuste jaoks nagu pangad, lennufirmad või meditsiinikeskused. Elektrikatkestus sellistes võrkudes ei kujuta endast mitte ainult ohtu edastatud teave, vaid reeglina toob kaasa ka märkimisväärseid rahalisi kaotusi. Usaldusväärsed uuenduslikud kütuseelemendipaigaldised, mis pakuvad ooterežiimi toidet, tagavad töökindluse, mida vajate katkematu toite tagamiseks.

Metanooli ja vee vedelkütuse segul töötavad kütuseelemendiseadmed pakuvad usaldusväärset varutoiteallikat pikema kestusega, kuni mitu päeva. Lisaks on neil seadmetel võrreldes generaatorite ja akudega oluliselt väiksemad hooldusvajadused, mis nõuavad vaid ühte hoolduskülastust aastas.

Tüüpilised kasutusomadused kütuseelementide paigaldamisel andmevõrkudes:

Rakendused sisendvõimsusega 100 W kuni 15 kW
Taotlused nõuetega aku kestvus> 4 tundi
Repiirid fiiberoptilistes süsteemides (sünkroonsete digitaalsüsteemide hierarhia, kiire internet, IP-kõne jne)
Kiire andmeedastuse võrgusõlmed
WiMAX-i edastussõlmed

Kütuseelemendi ooterežiimil kasutatavad seadmed pakuvad kriitilistele andmevõrgu infrastruktuuridele traditsiooniliste aku- või diiselgeneraatoritega võrreldes mitmeid eeliseid, võimaldades suuremat kohapealset kasutamist:

Vedelkütuse tehnoloogia lahendab vesiniku salvestamise probleemi ja pakub praktiliselt piiramatut varuvõimsust.
Tänu nende vaiksele tööle, väikesele kaalule, vastupidavusele äärmuslikele temperatuuridele ja praktiliselt vibratsioonivabale tööle saab kütuseelemente paigaldada välitingimustesse, tööstusruumidesse/konteineritesse või katustele.
Kohapealsed ettevalmistused süsteemi kasutamiseks on kiired ja säästlikud ning ekspluatatsioonikulu madal.
Kütus on biolagunev ja kujutab endast linnakeskkonda keskkonnasõbralikku lahendust.

Kütuseelementide/elementide kasutamine turvasüsteemides

Hoone kõige hoolikamalt kavandatud turva- ja sidesüsteemid on täpselt nii töökindlad, kui palju on neid toiteallikas. Kuigi enamik süsteeme sisaldab teatud tüüpi katkematut varutoitesüsteemi lühiajaliste toitekadude jaoks, ei näe need ette pikemaid elektrikatkestusi, mis võivad tekkida pärast looduskatastroofe või terrorirünnakuid. See võib olla paljude ettevõtete ja valitsusasutuste jaoks kriitiline probleem.

Elutähtsad süsteemid, nagu CCTV seire- ja läbipääsusüsteemid (ID-kaardi lugejad, uste sulgemisseadmed, biomeetriline identifitseerimistehnoloogia jne), automaatsed tulekahjusignalisatsiooni- ja tulekustutussüsteemid, lifti juhtimissüsteemid ja telekommunikatsioonivõrgud, on ohustatud usaldusväärne alternatiivne pideva toiteallika allikas.

Diiselgeneraatorid on mürarikkad, neid on raske leida ning need on hästi tuntud oma töökindluse ja hooldus. Seevastu kütuseelemendi varupaigaldis on vaikne, töökindel, nulli või väga madala heitgaasiga ning seda on lihtne paigaldada katusele või väljaspool hoonet. See ei tühjene ega kaota ooterežiimis toidet. See tagab kriitiliste süsteemide jätkuva töö ka pärast asutuse tegevuse lõpetamist ja hoone hülgamist inimeste poolt.

Uuenduslikud kütuseelemendipaigaldised kaitsevad kulukaid investeeringuid kriitilistes rakendustes. Need pakuvad keskkonnasõbralikku, usaldusväärset varuvõimsust pikema kestusega (kuni mitu päeva) kasutamiseks võimsusvahemikus 250 W kuni 15 kW, koos arvukate ületamatute funktsioonidega ja eriti kõrge energiasäästuga.

Kütuseelemendi toiteallika varuseadmed pakuvad tavapäraste aku- või diiselgeneraatorite ees arvukalt eeliseid missioonikriitiliste rakenduste jaoks, nagu turva- ja hoonehaldussüsteemid. Vedelkütuse tehnoloogia lahendab vesiniku salvestamise probleemi ja pakub praktiliselt piiramatut varuvõimsust.

Kütuseelementide/elementide kasutamine koduküttes ja elektritootmises

Tahkeoksiidkütuseelemente (SOFC) kasutatakse usaldusväärsete, energiatõhusate ja heitmevabade soojuselektrijaamade ehitamiseks, et toota elektrit ja soojust laialdaselt kättesaadavatest maagaasist ja taastuvatest kütuseallikatest. Neid uuenduslikke seadmeid kasutatakse väga erinevatel turgudel, alates kodumaisest elektritootmisest kuni kaugemate piirkondade toiteallikateni, aga ka lisatoiteallikateni.

Kütuseelementide/elementide rakendamine jaotusvõrkudes

Väikesed soojuselektrijaamad on kavandatud töötama hajutatud elektritootmisvõrgus, mis koosneb suurest hulgast väikestest generaatorikomplektidest ühe tsentraliseeritud elektrijaama asemel.

Alloleval joonisel on kujutatud elektritootmise efektiivsuse kadu, kui see toodetakse koostootmisjaamas ja edastatakse kodudesse traditsiooniliste ülekandevõrkude kaudu, mida kasutatakse Sel hetkel. Piirkonnatootmise efektiivsuskaod hõlmavad elektrijaama, madal- ja kõrgepingeülekande ning jaotuskaod.

Joonisel on näha väikeste soojuselektrijaamade integreerimise tulemused: elektrit toodetakse kasutuskohas kuni 60% tootmisefektiivsusega. Lisaks saab majapidamine kütuseelementide toodetud soojust kasutada vee- ja ruumikütteks, mis tõstab kütuseenergia töötlemise üldist efektiivsust ja parandab energiasäästu.

Kütuseelementide kasutamine keskkonna kaitsmiseks – sellega seotud naftagaasi kasutamine

Naftatööstuse üks olulisemaid ülesandeid on sellega seotud naftagaasi kasutamine. Olemasolevatel seotud naftagaasi kasutamise meetoditel on palju puudusi, millest peamine on see, et need ei ole majanduslikult tasuvad. Seotud naftagaas põletatakse, mis põhjustab suurt kahju keskkonnale ja inimeste tervisele.

Uuenduslikud kütuseelementide soojus- ja elektrijaamad, mis kasutavad kütusena seotud naftagaasi, avavad tee naftagaasi kasutamisega seotud probleemide radikaalsele ja kulutõhusale lahendusele.

Kütuseelemendipaigaldiste üks peamisi eeliseid on see, et need võivad nendega seotud töökindlalt ja jätkusuutlikult töötada naftagaas muutuv koostis. Kütuseelemendi töö aluseks oleva leegita keemilise reaktsiooni tõttu põhjustab näiteks metaani protsendi vähenemine ainult vastava väljundvõimsuse vähenemise.
Paindlikkus tarbijate elektrilise koormuse, diferentsiaali, koormuse tõusu suhtes.
Kütuseelementidele soojuselektrijaamade paigaldamiseks ja ühendamiseks ei nõua nende rakendamine kapitalikulutusi, sest Seadmed on kergesti paigaldatavad ettevalmistamata kohtadele põldude lähedal, neid on lihtne kasutada, need on töökindlad ja tõhusad.
Kõrge automaatika ja kaasaegne kaugjuhtimispult ei nõua tehases personali pidevat kohalolekut.
Disaini lihtsus ja tehniline täiuslikkus: liikuvate osade, hõõrdumise, määrimissüsteemide puudumine annab kütuseelemendiseadmete tööst märkimisväärset majanduslikku kasu.
Veekulu: puudub ümbritseva õhu temperatuuril kuni +30 °C ja tühine kõrgematel temperatuuridel.
Vee väljalaskeava: puudub.
Lisaks ei tee kütuseelementide soojuselektrijaamad müra, ei vibreeri, ei eralda atmosfääri kahjulikke heitmeid

Neid käitavad USA riikliku aeronautika- ja kosmoseameti (NASA) kosmoseaparaadid. Need annavad toite Omaha esimese keskpanga arvutitele. Neid kasutatakse mõnedes Chicago avalikes linnaliinibussides.

Need kõik on kütuseelemendid. Kütuseelemendid on elektrokeemilised seadmed, mis toodavad elektrit ilma põlemisprotsessita – keemiliste vahenditega, sarnaselt patareidega. Ainus erinevus on see, et nad kasutavad muid kemikaale, vesinikku ja hapnikku ning keemilise reaktsiooni saadus on vesi. Võib kasutada ka maagaasi, kuid loomulikult on süsivesinikkütuste kasutamisel vältimatu teatud süsihappegaasi emissiooni tase.

Kuna kütuseelemendid võivad töötada suure kasuteguriga ja ilma kahjulike heitmeteta, on neil palju lubadusi säästva energiaallikana, mis aitab vähendada kasvuhoonegaaside ja muude saasteainete heitkoguseid. Peamine takistus kütuseelementide laialdasele kasutamisele on nende kõrge hind võrreldes teiste elektrit tootvate või sõidukeid edasiviivate seadmetega.

Arengu ajalugu

Esimesi kütuseelemente demonstreeris Sir William Groves 1839. aastal. Groves näitas, et elektrolüüsi protsess – vee jagamine vesinikuks ja hapnikuks elektrivoolu toimel – on pöörduv. See tähendab, et vesinikku ja hapnikku saab keemiliselt ühendada, et moodustada elektrit.

Pärast selle demonstreerimist tormasid paljud teadlased kütuseelemente usinalt uurima, kuid sisepõlemismootori leiutamine ja naftavarude kaevandamise infrastruktuuri arendamine XIX sajandi teisel poolel jättis kütuseelementide arengu kaugele maha. Veelgi enam piiras kütuseelementide arendamist nende kõrge hind.

Kütuseelementide arendamise hoog saabus 1950. aastatel, kui NASA pöördus nende poole seoses vajadusega kosmoselendudeks mõeldud kompaktse elektrigeneraatori järele. Investeeriti vastavad rahalised vahendid ning selle tulemusena viidi Apollo ja Gemini lennud läbi kütuseelementidel. Kosmoselaevad töötavad ka kütuseelementidel.

Kütuseelemendid on endiselt suures osas eksperimentaalne tehnoloogia, kuid juba mitu ettevõtet müüvad neid kommertsturul. Ainuüksi viimase ligi kümne aasta jooksul on kommertskütuseelementide tehnoloogias tehtud olulisi edusamme.

Kuidas kütuseelement töötab

Kütuseelemendid on nagu akud – need toodavad elektrit keemilise reaktsiooni kaudu. Seevastu sisepõlemismootorid põletavad kütust ja toodavad seega soojust, mis seejärel muundatakse mehaaniliseks energiaks. Kui just heitgaaside soojust ei kasutata kuidagi ära (näiteks kütteks või konditsioneerimiseks), siis võib öelda, et sisepõlemismootori kasutegur on üsna madal. Näiteks eeldatakse, et kütuseelementide kasutegur, kui neid kasutatakse sõidukites – praegu väljatöötamisel olev projekt – on enam kui kaks korda tõhusam kui tänapäeva tüüpilised autodes kasutatavad bensiinimootorid.

Kuigi nii akud kui ka kütuseelemendid toodavad elektrit keemiliselt, täidavad nad kaht väga erinevat funktsiooni. Patareid on salvestatud energiaseadmed: nende toodetav elekter on nende sees oleva aine keemilise reaktsiooni tulemus. Kütuseelemendid ei salvesta energiat, vaid muudavad osa väljastpoolt tarnitud kütusest saadavast energiast elektriks. Selles osas sarnaneb kütuseelement pigem tavalise elektrijaamaga.

Kütuseelemente on mitut erinevat tüüpi. Lihtsaim kütuseelement koosneb spetsiaalsest membraanist, mida tuntakse elektrolüüdina. Pulberelektroodid sadestatakse membraani mõlemale küljele. See disain - kahe elektroodiga ümbritsetud elektrolüüt - on eraldi element. Vesinik voolab ühele poole (anood) ja hapnik (õhk) teisele (katood). Igal elektroodil on erinev keemiline reaktsioon.

Anoodil laguneb vesinik prootonite ja elektronide seguks. Mõnes kütuseelemendis on elektroodid ümbritsetud katalüsaatoriga, mis on tavaliselt valmistatud plaatinast või muudest väärismetallidest, mis soodustab dissotsiatsioonireaktsiooni:

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

H2 = kaheaatomiline vesiniku molekul, vorm, sisse

milles vesinik esineb gaasina;

H+ = ioniseeritud vesinik, s.o. prooton;

e- = elektron.

Kütuseelemendi töö põhineb asjaolul, et elektrolüüt laseb prootoneid läbi iseenda (katoodi suunas), kuid elektronid mitte. Elektronid liiguvad katoodi suunas mööda välist juhtivat ahelat. See elektronide liikumine on elektrivool, mida saab kasutada kütuseelemendiga ühendatud välisseadme, näiteks elektrimootori või lambipirni toiteks. Seda seadet nimetatakse tavaliselt "koormuseks".

Kütuseelemendi katoodipoolsel küljel "rekombineeruvad" prootonid (mis on läbinud elektrolüüdi) ja elektronid (mis on läbinud väliskoormuse) ja reageerivad katoodile antud hapnikuga, moodustades vee, H2O:

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

Üldine reaktsioon kütuseelemendis on kirjutatud järgmiselt:

2H2 + O2 ==> 2H2O.

Kütuseelemendid kasutavad oma töös vesinikkütust ja õhust saadavat hapnikku. Vesinikku saab tarnida otse või eraldades selle välisest kütuseallikast, nagu maagaas, bensiin või metanool. Välise allika puhul tuleb see vesiniku eraldamiseks keemiliselt muundada. Seda protsessi nimetatakse "reformimiseks". Vesinikku võib saada ka ammoniaagist, alternatiivsetest ressurssidest, näiteks linna prügilate gaasist ja gaasipuhastitest. Reovesi, samuti vee elektrolüüsil, mille käigus kasutatakse elektrit vee lagundamiseks vesinikuks ja hapnikuks. Praegu kasutatakse enamikus transpordis kasutatavatest kütuseelementide tehnoloogiatest metanooli.

Kütuse reformimiseks, et toota kütuseelementide jaoks vesinikku, on välja töötatud erinevaid vahendeid. USA energeetikaministeerium on välja töötanud kütusetehase bensiinireformeris, et varustada vesinikku iseseisva kütuseelemendiga. USA Vaikse ookeani loodeosa riikliku labori teadlased on demonstreerinud kompaktset kütusereformaatorit, mis on kümnendiku aku suurusest. USA kommunaalettevõte Northwest Power Systems ja Sandia National Laboratory on demonstreerinud kütusereformerit, mis muudab diislikütuse kütuseelementide jaoks vesinikuks.

Üksiti toodavad kütuseelemendid umbes 0,7–1,0 volti. Pinge tõstmiseks monteeritakse elemendid "kaskaadiks", st. jadaühendus. Suurema voolu tekitamiseks ühendatakse paralleelselt kaskaadielementide komplektid. Kui kombineerite kütuseelementide kaskaadid kütusetehase, õhuvarustus- ja jahutussüsteemi ning juhtimissüsteemiga, saate kütuseelemendimootori. See mootor võib sõita sõidukit, statsionaarne elektrijaam või kaasaskantav elektrigeneraator6. Kütuseelemendimootorid on erineva suurusega, olenevalt rakendusest, kütuseelemendi tüübist ja kasutatavast kütusest. Näiteks Omaha panka paigaldatud neljast eraldiseisvast 200 kW statsionaarsest elektrijaamast on igaüks ligikaudu veoauto haagise suurune.

Rakendused

Kütuseelemente saab kasutada nii statsionaarsetes kui ka mobiilsetes seadmetes. Vastuseks USA heitkoguste eeskirjade karmistamisele on autotootjad, sealhulgas DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda ja Nissan katsetanud ja demonstreerinud kütuseelemendiga sõidukeid. Esimesed kommertskütuseelemendiga sõidukid peaksid teedele jõudma 2004. või 2005. aastal.

Kütuseelementide tehnoloogia ajaloo oluliseks verstapostiks oli 90-kilovatise vesinikkütuseelemendimootoriga Ballard Power Systemi eksperimentaalse 32-jalase linnaliinibussi demonstreerimine 1993. aasta juunis. Sellest ajast alates on paljud erinevad tüübid ja erinevate põlvkondade kütuseelementidega sõiduautod, mida toidab erinevad tüübid kütust. Alates 1996. aasta lõpust on Californias Palm Desertis kasutusel kolm vesinikkütuseelemendiga golfikäru. Chicago teedel Illinoisis; Vancouver, Briti Columbia; ja Oslo, Norra katsetavad kütuseelemendiga linnabusse. Londoni tänavatel katsetatakse leeliskütuseelementide taksosid.

Samuti demonstreeritakse kütuseelementide tehnoloogiat kasutavaid püsipaigaldisi, kuid neid ei kasutata veel laialdaselt. kaubanduslik rakendus. Nebraskas asuv Omaha esimene riigipank kasutab arvutite toiteks kütuseelemendisüsteemi, kuna süsteem on töökindlam kui vana akuvarundusega toitesüsteem. Suurim maailmas kommertssüsteem varsti paigaldatakse Alaska postikeskusesse 1,2 MW kütuseelement. Samuti katsetatakse ja demonstreeritakse kütuseelemendiga sülearvuteid, reoveepuhastites kasutatavaid juhtimissüsteeme ja automaate.

"Plussid ja miinused"

Kütuseelementidel on mitmeid eeliseid. Kui tänapäevaste sisepõlemismootorite kasutegur on vaid 12-15%, siis kütuseelementide puhul on see koefitsient 50%. Kütuseelementide kasutegur võib jääda üsna madalaks kõrge tase, isegi kui neid ei kasutata täisvõimsusel, mis on bensiinimootorite ees suur eelis.

Kütuseelemendi konstruktsiooni modulaarne olemus tähendab, et kütuseelemendiga elektrijaama võimsust saab suurendada lihtsalt mõne astme lisamisega. See tagab võimsuse alakasutamise teguri minimeerimise, võimaldades pakkumise ja nõudluse paremat sobitamist. Kuna kütuseelemendivirna efektiivsuse määrab üksikute elementide jõudlus, töötavad väikesed kütuseelemendiga elektrijaamad sama tõhusalt kui suured. Lisaks saab statsionaarsete kütuseelemendisüsteemide heitsoojust kasutada vee ja ruumide kütmiseks, suurendades sellega veelgi energiatõhusust.

Kütuseelementide kasutamisel praktiliselt puuduvad kahjulikud heitmed. Kui mootor töötab puhtal vesinikul, tekib kõrvalproduktina ainult soojust ja puhast veeauru. Nii joovad kosmoselaevadel astronaudid vett, mis tekib pardal olevate kütuseelementide töö tulemusena. Heitkoguste koostis sõltub vesinikuallika olemusest. Metanooli kasutamisel ei teki lämmastikoksiidide ja süsinikmonooksiidi heitkoguseid ning süsivesinike emissioon on väike. Heitkogused suurenevad, kui liigute vesinikust metanoolile ja bensiinile, kuigi isegi bensiini kasutamisel jäävad heitkogused üsna madalaks. Igal juhul tooks tänapäeva traditsiooniliste sisepõlemismootorite asendamine kütuseelementidega kaasa CO2 ja NOx heitkoguste üldise vähenemise.

Kütuseelementide kasutamine annab energiataristu paindlikkuse, luues lisafunktsioone detsentraliseeritud elektritootmiseks. Detsentraliseeritud energiaallikate paljusus võimaldab vähendada ülekandekadusid ja arendada energia müügiturge (mis on eriti oluline kaugemates ja maapiirkondades, kus puudub juurdepääs elektriliinidele). Kütuseelementide abil saavad üksikud elanikud või linnaosad endale suurema osa elektrist varustada ja seeläbi oluliselt selle kasutamise efektiivsust tõsta.

Kütuseelemendid pakuvad energiat Kõrge kvaliteet ja suurenenud töökindlus. Need on vastupidavad, neil pole liikuvaid osi ja need toodavad püsivat võimsust.

Kütuseelementide tehnoloogiat tuleb aga veelgi täiustada, et parandada jõudlust, vähendada kulusid ja muuta kütuseelemendid konkurentsivõimeliseks muude energiatehnoloogiatega. Tuleb märkida, et energiatehnoloogiate kuluomaduste kaalumisel tuleks võrdlusi teha kõigi komponentide põhjal. tehnoloogilised omadused sealhulgas kapitali tegevuskulud, saasteainete heitkogused, elektri kvaliteet, vastupidavus, dekomisjoneerimine ja paindlikkus.

Kuigi vesinikgaas on parim kütus, pole selle jaoks veel infrastruktuuri ega transpordibaasi. Lühiajaliselt saaks olemasolevaid fossiilkütuste toitesüsteeme (bensiinijaamad jne) kasutada elektrijaamade varustamiseks vesinikuallikatega bensiini, metanooli või maagaasi kujul. See välistaks vajaduse spetsiaalsete vesiniku tanklate järele, kuid eeldaks, et igale sõidukile tuleb paigaldada fossiilkütuse-vesiniku konverter ("reformer"). Selle lähenemisviisi puuduseks on see, et see kasutab fossiilkütuseid ja põhjustab seega süsinikdioksiidi heitkoguseid. Metanool, mis on praegu juhtiv kandidaat, tekitab vähem heitgaase kui bensiin, kuid see nõuaks autos suurema mahutavusega paaki, kuna see võtab sama energiasisalduse jaoks kaks korda rohkem ruumi.

Erinevalt fossiilkütuste toitesüsteemidest suudavad päikese- ja tuulesüsteemid (kasutavad veest vesiniku ja hapniku tootmiseks elektrit) ja otsesed fotokonversioonisüsteemid (kasutades vesiniku tootmiseks pooljuhtmaterjale või ensüüme) vesinikku ilma reformimiseta ja seega heidet. metanooli või bensiini kütuseelementide kasutamisel tekkivaid kahjulikke aineid võiks vältida. Vesinikku saaks kütuseelemendis salvestada ja vastavalt vajadusele elektriks muuta. Edaspidi on kütuseelementide ühendamine seda tüüpi taastuvate energiaallikatega tõenäoliselt tõhus strateegia tootliku, keskkonnasõbraliku ja mitmekülgse energiaallika pakkumiseks.

IEERi soovitused on kohalikele, osariikide ja osariikide valitsustele eraldada osa oma transpordihangete eelarvest kütuseelemendiga sõidukitele ja statsionaarsetele kütuseelemendisüsteemidele, et varustada soojust ja elektrit mõnele olulisele või uuele hoonele. See aitab kaasa elutähtsa tehnoloogia arendamisele ja vähendab kasvuhoonegaaside heitkoguseid.

AT kaasaegne elu keemilised vooluallikad ümbritsevad meid kõikjal: need on patareid taskulampides, patareid sees Mobiiltelefonid vesinikkütuseelemendid, mida mõnes sõidukis juba kasutatakse. Elektrokeemiliste tehnoloogiate kiire areng võib viia selleni, et lähitulevikus ümbritsevad meid bensiinimootoriga autode asemel vaid elektrisõidukid, telefonid ei saa enam kiiresti tühjaks ja igas majas on oma kütuseelement. elektrigeneraator. Üks Uurali föderaalülikooli ühisprogrammidest Venemaa Teaduste Akadeemia Uurali Filiaali Kõrgtemperatuuri Elektrokeemia Instituudiga, kellega koostöös selle artikli avaldame, on pühendatud elektrokeemiliste salvestusseadmete ja elektrigeneraatorite efektiivsuse tõstmisele. .

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

Keemia kui elektriallikas

Kõigepealt vaatame, miks saab keemilist energiat üldse kasutada elektri tootmiseks. Asi on selles, et redoksreaktsioonides kanduvad elektronid kahe erineva iooni vahel. Kui keemilise reaktsiooni kaks poolt eraldatakse ruumis nii, et oksüdatsioon ja redutseerimine toimuvad teineteisest eraldi, siis on võimalik veenduda, et ühest ioonist eralduv elektron ei lange kohe teisele, vaid esimesena. läheb mööda selle jaoks ette määratud rada. Seda reaktsiooni saab kasutada elektrivoolu allikana.

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

Galvaanielemendi skeem

Wikimedia Commons

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

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

Sõrme leelispatareid

Laetav

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

Autotööstuse plii happeaku

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

Li-ion aku mobiiltelefonile

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

Tahke elektrolüüt

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

Vesinikkütuseelemendid

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

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

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

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

Vesinikkütuseelemendi töö skemaatiline diagramm

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

Toyota vesinikkütuseelement

Joseph Brent / flickr

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

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

Kütuseelementide tõhusus

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

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

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

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

Alternatiivne elektrokeemiline ladustamine

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

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

Vaatamata sellele, et praegu on superkondensaatorite energiatihedus ikka veel mitu korda väiksem akude energiatihedusest, kasutatakse neid Koduelektroonika ja erinevate sõidukite mootoritele, sealhulgas kõige.

* * *

Seega on tänapäeval olemas suur hulk elektrokeemilisi seadmeid, millest igaüks on oma spetsiifiliste rakenduste jaoks paljutõotav. Nende seadmete tõhususe parandamiseks peavad teadlased lahendama mitmeid nii fundamentaalseid kui ka tehnoloogilisi probleeme. Enamikku neist ülesannetest ühe läbimurdeprojekti raames tegeletakse Uurali föderaalülikoolis, seetõttu küsisime Venemaa Teaduste Akadeemia Uurali filiaali kõrgtemperatuurse elektrokeemia instituudi direktorilt Maxim Ananievilt: Uurali föderaalülikooli keemiatehnoloogia instituudi elektrokeemilise tootmistehnoloogia osakonna professor, et rääkida kaasaegsete kütuseelementide arendamise lähiplaanidest ja väljavaadetest.

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

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

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

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

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

Uuringud ja teaduslik töö viiakse läbi pidevas koostöös Venemaa Teaduste Akadeemia Uurali filiaali Kõrgtemperatuuri Elektrokeemia Instituudiga ja partnerite toel.

Milliseid kütuseelemente praegu arendatakse ja millel on suurim potentsiaal?

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

Milliste kütuseelementidega seotud probleemidega Uurali föderaalülikoolis praegu tegeletakse?

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

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

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

Aleksander Dubov

Teadmiste ökoloogia Teadus ja tehnoloogia: Vesinikuenergia on üks tõhusamaid tööstusharusid ja kütuseelemendid võimaldavad sellel püsida uuenduslike tehnoloogiate esirinnas.

Kütuseelement on seade, mis toodab elektrokeemilise reaktsiooni kaudu tõhusalt vesinikurikkast kütusest alalisvoolu ja soojust.

Kütuseelement sarnaneb akuga selle poolest, et see tekitab keemilise reaktsiooni kaudu alalisvoolu. Jällegi, nagu aku, sisaldab kütuseelement anoodi, katoodi ja elektrolüüti. Kuid erinevalt akudest ei suuda kütuseelemendid elektrienergiat salvestada, ei tühjene ega vaja elektrit laadimiseks. Kütuseelemendid võivad pidevalt toota elektrit seni, kuni neil on kütust ja õhku. Õige termin töötava kütuseelemendi kirjeldamiseks on see elementide süsteem, kuna täielikuks tööks on vaja mõningaid abisüsteeme.

Erinevalt teistest elektrigeneraatoritest nagu sisepõlemismootorid või turbiinid, mis töötavad gaasil, kivisöel, õlil jne, ei põleta kütuseelemendid kütust. See tähendab, et pole müra tekitavaid kõrgsurverootoreid, ei tekita valju väljalaskemüra ega vibratsiooni. Kütuseelemendid toodavad elektrit vaikse elektrokeemilise reaktsiooni kaudu. Kütuseelementide teine omadus on see, et nad muudavad kütuse keemilise energia otse elektriks, soojuseks ja veeks.

Kütuseelemendid on väga tõhusad ega tooda suures koguses kasvuhoonegaase, nagu süsinikdioksiid, metaani ja dilämmastikoksiidi. Ainsad kütuseelementidest eralduvad tooted on vesi auruna ja väike kogus süsihappegaasi, mida puhta vesiniku kütusena kasutamisel ei eraldu üldse. Kütuseelemendid monteeritakse sõlmedeks ja seejärel üksikuteks funktsionaalseteks mooduliteks.

Kütuseelementide tööpõhimõte

Kütuseelemendid toodavad käimasoleva elektrokeemilise reaktsiooni tõttu elektrit ja soojust, kasutades elektrolüüti, katoodi ja anoodi.

Anood ja katood on eraldatud elektrolüüdiga, mis juhib prootoneid. Pärast vesiniku sisenemist anoodile ja hapniku sisenemist katoodile algab keemiline reaktsioon, mille tulemusena tekib elektrivool, soojus ja vesi. Anoodkatalüsaatoril molekulaarne vesinik dissotsieerub ja kaotab elektrone. Vesinikuioonid (prootonid) juhitakse läbi elektrolüüdi katoodile, samal ajal kui elektronid juhitakse läbi elektrolüüdi ja välise elektriahela kaudu, luues alalisvoolu, mida saab kasutada seadmete toiteks. Katoodkatalüsaatoril ühineb hapniku molekul elektroni (mis saadakse väliskommunikatsioonist) ja sissetuleva prootoniga ning moodustab vee, mis on ainus reaktsioonisaadus (auru ja/või vedeliku kujul).

Allpool on vastav reaktsioon:

Anoodi reaktsioon: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reaktsioon katoodil: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Üldine elementide reaktsioon: 2H2 + O2 => 2H2O

Kütuseelementide tüübid

Sarnaselt erinevat tüüpi sisepõlemismootorite olemasolule on ka kütuseelemente erinevat tüüpi – sobiva kütuseelemendi tüübi valik sõltub selle rakendusest.Kütuseelemendid jagunevad kõrge temperatuuriga ja madala temperatuuriga kütuseelementideks. 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 need suudavad kütust kõrgel temperatuuril "sisemiselt muundada", mis tähendab, et pole vaja investeerida vesiniku infrastruktuuri.

Kütuseelemendid sulatatud karbonaadil (MCFC).

Sulatatud karbonaadist elektrolüüdist kütuseelemendid on kõrge temperatuuriga kütuseelemendid. Kõrge töötemperatuur võimaldab vahetult kasutada maagaasi ilma kütuseprotsessorita ning madala kütteväärtusega küttegaasi protsessikütustest 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 ioonide suure liikuvuse saavutamiseks elektrolüüdis töötavad sulatatud karbonaatelektrolüüdiga kütuseelemendid kõrgel temperatuuril (650 °C). Kasutegur varieerub vahemikus 60-80%.

Kuumutamisel temperatuurini 650°C muutuvad soolad karbonaadioonide (CO32-) 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: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Reaktsioon katoodil: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Üldine elementide reaktsioon: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katood) => H2O(g) + CO2(anood)

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.

Fosforhappel (PFC) põhinevad kütuseelemendid.

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 (H3PO4) põhinevat elektrolüüti, mille kontsentratsioon on kuni 100%. Fosforhappe ioonjuhtivus on madalatel temperatuuridel madal, seetõttu kasutatakse neid kütuseelemente temperatuuridel kuni 150–220°C.

Laengukandjaks seda tüüpi kütuseelementides 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.

Anoodi reaktsioon: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reaktsioon katoodil: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Üldine elementide reaktsioon: 2H2 + O2 => 2H2O

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 CO2 elektrolüüti ja kütuseelemendi tööd, seda tüüpi elemendid töötavad reformitud loodusliku kütusega. Lihtne konstruktsioon, 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, samal ajal kui elektronid liiguvad ümber välisringi ja toodavad elektrienergiat. Õhust võetav hapnik juhitakse katoodile ja ühineb elektronide ja vesinikioonidega, moodustades vee. Elektroodidel toimuvad järgmised reaktsioonid:

Anoodi reaktsioon: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reaktsioon katoodil: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Üldine elementide reaktsioon: 2H2 + O2 => 2H2O

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. Tahke elektrolüüdiga on gaaside hoidmine katoodil ja anoodil lihtsam ja seetõttu on selliseid kütuseelemente odavam valmistada. 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. Kõrge temperatuuriga toimetulemiseks kasutatakse elektrolüüdiks õhukest keraamilist tahket metalloksiidi, sageli ütriumi ja tsirkooniumi sulamit, mis on hapniku (O2-) 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 (О2-). 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.

Anoodi reaktsioon: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Reaktsioon katoodil: O2 + 4e- => 2O2-
Üldine elementide reaktsioon: 2H2 + O2 => 2H2O

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%.

Otsese metanooli oksüdatsiooniga kütuseelemendid (DOMTE)

Metanooli otsese oksüdatsiooniga kütuseelementide struktuur sarnaneb prootonivahetusmembraaniga (MOFEC) kütuseelementidega, st. elektrolüüdina kasutatakse polümeeri ja laengukandjana vesinikiooni (prootonit). Vedel metanool (CH3OH) aga oksüdeerub anoodil vee juuresolekul, vabastades CO2, vesinikuioonid ja elektronid, mis juhitakse läbi välise elektriahela ning tekib elektrivool. Vesinikuioonid läbivad elektrolüüdi ja reageerivad õhu hapnikuga ja välisahela elektronidega, moodustades anoodil vett.

Anoodi reaktsioon: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Reaktsioon katoodil: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Üldine elementide reaktsioon: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

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 pardal kosmoselaevad kütuseelemendid toodavad elektrit ja joogivesi. Leeliskütuseelemendid on üks tõhusamaid elektrienergia tootmiseks kasutatavaid elemente, mille energiatootmise kasutegur ulatub kuni 70%.

Anoodi reaktsioon: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reaktsioon katoodil: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Süsteemi üldine reaktsioon: 2H2 + O2 => 2H2O

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 SFC iseloomulikke omadusi on selle kõrge tundlikkus CO2 suhtes, mida võib sisaldada kütus või õhk. CO2 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, H2O ja CH4, mis on ohutud teistele kütuseelementidele ja isegi kütus mõnele neist, on SFC-dele kahjulikud.

Polümeerelektrolüütkütuseelemendid (PETE)

Polümeerelektrolüütkütuseelementide puhul koosneb polümeeri membraan polümeerkiududest, millel on veepiirkonnad, milles veeioonide H2O+ (prooton, punane) juhtivus on veemolekuli külge kinnitatud. 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)

Tavaliselt on tahke happekütuseelement võileib, milles hea kontakti tagamiseks on kahe tihedalt kokkusurutud elektroodi vahele asetatud väga õhuke kiht tahket happeühendit. Kuumutamisel aurustub orgaaniline komponent, väljudes läbi elektroodide pooride, säilitades võimaluse luua arvukalt kontakte kütuse (või elemendi teises otsas oleva hapniku), elektrolüüdi ja elektroodide vahel.avaldatud.

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

Liituge meiega aadressil

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 keskkonda saastamata. Erinevalt fossiilkütuste energiaallikatest on kütuseelementide kõrvalsaadusteks soojus ja vesi. Kuidas see töötab?

Käesolevas artiklis käsitleme lühidalt kõiki täna olemasolevaid kütusetehnoloogiaid, samuti räägime kütuseelementide disainist ja tööst ning võrdleme neid teiste energiatootmisviisidega. Arutame ka mõningaid tõkkeid, millega teadlased kütuseelementide praktiliseks ja tarbijatele taskukohaseks muutmisel silmitsi seisavad.

Kütuseelemendid on elektrokeemilised energia muundamise seadmed. Kütuseelement muudab kemikaalid, vesiniku ja hapniku veeks, tekitades elektrienergiat.

Teine meile kõigile tuttav elektrokeemiline seade on aku. Akul on kõik vajalik olemas keemilised elemendid enda sees ja 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 voolu jätkub keemilised ained elemendi sisse. 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 andis sellele nime 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 puhas vesinik, vajab sõiduk 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.

KELL

Kütuseelemendi/elemendi arendamise ajalugu

Kuidas kütuseelemendid/elemendid töötavad

Kütuseelementide/elementide tüübid ja mitmekesisus

Kütuseelemendid/elemendid sulal karbonaadil (MCFC)

Fosforhappel (PFC) põhinevad kütuseelemendid/elemendid

Tahkeoksiidkütuseelemendid/-elemendid (SOFC)

Otsese metanooli oksüdatsiooniga kütuseelemendid/elemendid (DOMTE)

Leeliskütuseelemendid/-elemendid (AFC)

Polümeerelektrolüüdi kütuseelemendid/elemendid (PETE)

Tahkehappe kütuseelemendid/-elemendid (SCFC)

Erinevad kütuseelemendi moodulid. kütuseelemendi aku

Kütuseelementide tüüpide ja sortide võrdlev analüüs

Kütuseelemendi/elemendi rakendused

Kütuseelementide/elementide kasutamine telekommunikatsioonisüsteemides

Kütuseelementide/elementide rakendamine sidevõrkudes

Kütuseelementide/elementide rakendamine andmevõrkudes

Kütuseelementide/elementide kasutamine turvasüsteemides

Kütuseelementide/elementide kasutamine koduküttes ja elektritootmises

Kütuseelementide/elementide rakendamine jaotusvõrkudes

Kütuseelementide kasutamine keskkonna kaitsmiseks – sellega seotud naftagaasi kasutamine

Keemia kui elektriallikas

Laetav

Tahke elektrolüüt

Vesinikkütuseelemendid

Kütuseelementide tõhusus

Alternatiivne elektrokeemiline ladustamine

* * *

Kütuseelementide tööpõhimõte

Kütuseelementide leiutamine

Polümeerivahetusmembraani kütuseelement (PEMFC)

Tahkeoksiidkütuseelement (SOFC)

Leeliseline kütuseelement (AFC)

Sulakarbonaadist kütuseelement (MCFC)

Fosforhappe kütuseelement (PAFC)

Kütuseelement polümeerivahetusmembraaniga

Kütuseelementide tõhusus

Bensiinimootori ja auto efektiivsus elektriakudel

Miks kasutada kütuseelemente?

Loe ka

Supertanker Krimi NSVL katlaõnnetus

Nafta- ja gaasitööstuse merehiiglased

Väike kergsulamist päästepaat "Chibis

KELL