Kas yra kuro elementai

Mobilioji elektronika kiekvienais metais, jei ne mėnesį, tampa vis labiau prieinama ir paplitusi. Čia yra nešiojamųjų kompiuterių, PDA, skaitmeninių fotoaparatų ir mobiliųjų telefonų, daugybė įvairiausių naudingų ir ne tokių prietaisų. Ir visi šie įrenginiai nuolat įgyja naujų funkcijų, galingesnių procesorių, didelių spalvotų ekranų, belaidžio ryšio, tuo pačiu mažėjant jų dydžiui. Tačiau, skirtingai nei puslaidininkių technologijos, visos šios mobiliosios menerystės energijos technologijos nėra greita.

Akivaizdu, kad įprastų daugkartinio įkrovimo akumuliatorių ir baterijų nepakanka, kad bet kurį ilgą laiką būtų galima naudoti naujausius elektronikos pramonės pasiekimus. Be patikimų ir talpių akumuliatorių prarandama visa mobilumo ir belaidžio ryšio prasmė. Taigi kompiuterių pramonė vis aktyviau dirba su šia problema alternatyvūs maitinimo šaltiniai. Ir perspektyviausia šiandienos kryptis kuro elementai.

Pagrindinį kuro elementų veikimo principą 1839 m. Atrado britų mokslininkas seras Williamas Grovas. Jis žinomas kaip kuro elemento tėvas. Viljamas Grovas elektros energiją generavo keičiantis vandens elektrolizė vandeniliui ir deguoniui išgauti. Atjungęs akumuliatorių nuo elektrolitinio elemento, Grovas nustebo pastebėjęs, kad elektrodai pradėjo absorbuoti išsiskyrusias dujas ir generuoti srovę. Proceso atidarymas elektrocheminis šaltas vandenilio degimas įvykis energetikos sektoriuje tapo reikšmingas, ir ateityje tokie žinomi elektrochemikai kaip Ostvaldas ir Nernstas vaidino didelį vaidmenį kuriant kuro elementų teorinius pagrindus ir praktinį įgyvendinimą bei numatė jiems didelę ateitį.

Pats terminas „kuro elementas“ (kuro elementas) pasirodė vėliau - 1889 m. jį pasiūlė Liudvikas Mondas ir Charlesas Langeris, kurie bandė sukurti įrenginį elektrai gaminti iš oro ir anglies dujas.

Įprasto degimo metu deguonis oksiduoja iškastinį kurą, o cheminė kuro energija neveiksmingai virsta šilumine energija. Bet paaiškėjo, kad oksidacijos reakciją, pavyzdžiui, vandenilį su deguonimi, atlikti galima elektrolito terpėje ir esant elektrodui, kad būtų gauta elektros srovė. Pavyzdžiui, tiekdami vandenilį į elektrodą, esantį šarminėje terpėje, gauname elektronus:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

kuris, eidamas pro išorinę grandinę, eina į priešingą elektrodą, į kurį patenka deguonis ir kur vyksta reakcija: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Galima pastebėti, kad susidariusi reakcija 2H2 + O2 → H2O yra tokia pati kaip įprasto degimo metu, tačiau kuro elemente arba kitaip - elektrocheminis generatorius, paaiškėja, kad elektros srovė yra labai efektyvi ir iš dalies šiluma. Atminkite, kad anglis, anglies monoksidas, alkoholiai, hidrazinas, kitos organinės medžiagos taip pat gali būti naudojamos kaip kuras kuro elementuose, o oras, vandenilio peroksidas, chloras, bromas, azoto rūgštis ir kt. gali būti naudojami kaip oksidatoriai.

Kuro elementų plėtra energingai tęsėsi tiek užsienyje, tiek Rusijoje, tiek toliau SSRS. Tarp mokslininkų, daug prisidėjusių prie kuro elementų tyrimo, minime V. Zhako, P. Yablochkovą, F. Baconą, E. Bauerį, E. Justi, K. Cordesą. Praėjusio amžiaus viduryje prasidėjo naujas kuro elementų puolimas. Iš dalies taip yra dėl to, kad gynybos tyrimų metu atsirado naujų idėjų, medžiagų ir technologijų.

Vienas iš mokslininkų, žengęs svarbų žingsnį kuriant kuro elementus, buvo P. M. Spiridonovas. Spiridonovo vandenilio-deguonies elementai davė srovės tankį 30 mA / cm2, kuris tą laiką buvo laikomas dideliu laimėjimu.Keturiasdešimtaisiais O. Davtyanas sukūrė generatorių dujų, gautų anglies dujofikavimo metu, elektrocheminį degimą. Su kiekvienu kubiniu elemento tūrio metru Davtyanas gavo 5 kW galios.

Taip buvo pirmasis kieto elektrolito kuro elementas. Jis turėjo aukštą efektyvumą, tačiau laikui bėgant elektrolitas tapo netinkamas naudoti, todėl jį reikėjo pakeisti. Vėliau, šeštojo dešimtmečio pabaigoje, Davtyanas sukūrė galingą įrenginį, kuris pastūmė traktorių. Tais pačiais metais anglų inžinierius T. Baconas suprojektavo ir pastatė kuro elementų akumuliatorių, kurio bendra galia yra 6 kW, o efektyvumas 80%, veikiantis grynu vandeniliu ir deguonimi, tačiau galios ir akumuliatoriaus svorio santykis buvo per mažas - tokie elementai buvo netinkami praktiniam naudojimui ir per daug. brangieji.

Vėlesniais metais vienišų laikas praėjo. Erdvėlaivių kūrėjai susidomėjo kuro elementais. Nuo 60-ųjų vidurio į kuro elementų tyrimus buvo investuota milijonai dolerių. Tūkstančių mokslininkų ir inžinierių darbas leido pasiekti naują lygį, o 1965 m. degalų elementai buvo išbandyti JAV „Gemini 5“ erdvėlaivyje, vėliau - „Apollo“ laivuose skrydžiams į Mėnulį ir pagal „Shuttle“ programą.

TSRS kuro elementai buvo sukurti NPO Kvant, taip pat skirti naudoti kosmose. Tais metais jau atsirado naujos medžiagos - kietieji polimeriniai elektrolitai, sudaryti iš jonų mainų membranų, naujo tipo katalizatoriai, elektrodai. Ir vis dėlto darbinės srovės tankis buvo mažas - diapazone 100-200 mA / cm2, o platinos kiekis ant elektrodų buvo keli g / cm2. Buvo daug problemų, susijusių su patvarumu, stabilumu ir saugumu.

Kitas greito kuro elementų plėtros etapas prasidėjo 90-aisiais. praėjusį šimtmetį ir tęsiasi dabar. Tai lemia naujų efektyvių energijos šaltinių poreikis, susijęs, viena vertus, su didėjančia šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisija, kylančia deginant iškastinį kurą, ir, kita vertus, dėl tokio kuro išeikvojimo. Kadangi vanduo yra galutinis vandenilio degimo kuro elemente produktas, jie laikomi švariausiais poveikio aplinkai požiūriu. Pagrindinė problema yra tik rasti veiksmingą ir nebrangų būdą vandeniliui gaminti.

Milijardinės finansinės investicijos į kuro elementų ir vandenilio generatorių plėtrą turėtų paskatinti technologinį proveržį ir paversti jų naudojimą kasdieniame gyvenime: mobiliųjų telefonų elementuose, automobiliuose, elektrinėse. Jau tokie automobilių gigantai kaip „Ballard“, „Honda“, „Daimler Chrysler“, „General Motors“ demonstruoja automobilius ir autobusus, važiuojančius 50kW degalų elementais. Kūrė nemažai įmonių kieto kuro elektrolitų kuro elementų parodomosios jėgainės iki 500 kW. Nepaisant reikšmingo proveržio gerinant kuro elementų našumą, vis dar reikia išspręsti daugybę problemų, susijusių su jų kaina, patikimumu ir sauga.

Kuro elemente, skirtingai nei baterijos ir akumuliatoriai, tiek degalai, tiek oksidatoriai tiekiami į jį iš išorės. Kuro elementas yra tik tarpininkas reakcijoje ir idealiomis sąlygomis jis galėtų veikti beveik amžinai. Šios technologijos grožis yra tas faktiškai degalai sudeginami elemente ir išskiriama energija tiesiogiai paverčiama elektra. Tiesiogiai deginant kurą, jis oksiduojamas deguonimi, o šiame procese sukuriama šiluma naudojama naudingam darbui atlikti.

Kuro elemente, kaip ir akumuliatoriuose, degalų oksidacijos ir deguonies redukcijos reakcijos yra erdvėje atskirtos, o „deginimas“ vyksta tik tuo atveju, jei elementas suteikia apkrovai srovę. Tarsi dyzelinis generatorius, tik be dyzelino ir generatoriaus. Taip pat be dūmų, triukšmo, perkaitimo ir daug didesnio efektyvumo. Pastaroji paaiškinama tuo, kad, pirma, nėra tarpinių mechaninių įtaisų, ir, antra, kuro elementas nėra šilumos variklis, todėl nepaklūsta Karnoto įstatymui (tai yra, jo efektyvumas nėra nustatomas pagal temperatūrų skirtumą).

Deguonis yra naudojamas kaip oksidatorius kuro elementuose. Be to, kadangi ore deguonies visiškai pakanka, nereikia jaudintis dėl oksidatoriaus tiekimo. Kalbant apie kurą, tai yra vandenilis. Taigi, reakcija vyksta kuro elemente:

2H2 + O2 → 2H2O + elektra + šiluma.

Rezultatas yra naudinga energija ir vandens garai. Paprasčiausias jo dizainas protonų mainų membranos kuro elementas (žr. 1 paveikslą). Jis veikia taip: į elementą patenkantis vandenilis, veikiant katalizatoriui, suskyla į elektronus ir teigiamai įkrautus vandenilio jonus H +. Tuomet žaidžia speciali membrana, veikianti kaip elektrolitas įprastoje baterijoje. Dėl savo cheminės sudėties jis praeina protonus per save, tačiau sugauna elektronus. Taigi ant anodo susikaupę elektronai sukuria neigiamą perteklių, o vandenilio jonai sukuria teigiamą katodo krūvį (elemento įtampa yra apie 1 V).

Norint sukurti didelę galią, kuro elementas surenkamas iš daugybės elementų. Jei į apkrovą įtraukiate elementą, tada elektronai teka per jį į katodą, sukurdami srovę ir užbaigiant vandenilio oksidacijos deguonimi procesą. Kaip katalizatorius tokiose kuro elementuose paprastai naudojamos platinos mikrodalelės, nusėdusios ant anglies pluošto. Dėl savo struktūros toks katalizatorius gerai praleidžia dujas ir elektrą. Paprastai membrana yra pagaminta iš sieros turinčio Nafiono polimero. Membranos storis yra lygus dešimtosios milimetro daliai. Reakcijos metu, be abejo, išsiskiria ir šiluma, tačiau jos nėra tiek daug, kad darbinė temperatūra palaikoma 40–80 ° C diapazone.

1 pav. Kuro elemento veikimo principas

Yra ir kitų rūšių kuro elementų, kurie daugiausia skiriasi naudojamo elektrolito tipu. Beveik visiems iš jų vandenilis reikalingas kaip kuras, todėl kyla logiškas klausimas: kur jo gauti. Žinoma, būtų galima naudoti suslėgtą vandenilį iš balionų, tačiau tada iš karto iškyla problemų, susijusių su šių labai degių dujų transportavimu ir laikymu esant aukštam slėgiui. Žinoma, vandenilį galite naudoti surištoje formoje, kaip ir metalo hidrido baterijose. Tačiau vis tiek lieka jo gavybos ir transportavimo užduotis, nes vandenilio degalinių infrastruktūros nėra.

Tačiau yra ir sprendimas - skystas angliavandenilių kuras gali būti naudojamas kaip vandenilio šaltinis. Pavyzdžiui, etilo arba metilo alkoholis. Tiesa, čia jau reikalingas specialus papildomas įtaisas - degalų keitiklis, kuris aukštoje temperatūroje alkoholius paverčia dujinio H2 ir CO2 mišiniu (metanoliui jis bus kažkur apie 240 ° C). Bet šiuo atveju jau sunkiau galvoti apie perkeliamumą - tokie įtaisai yra gerai naudojami kaip stacionarūs ar automobilių generatoriaiTačiau norint kompaktiškos mobiliosios įrangos, jums reikia kažko mažiau sudėtingesnio.

Ir štai mes prieiname prie šio prietaiso, kurio tobulinimą beveik visi didžiausi elektronikos gamintojai vykdo su siaubinga jėga - metanolio kuro elementas (2 pav.).

2 pav. Kuro elemento veikimo metanoliu principas

Pagrindinis skirtumas tarp vandenilio ir metanolio užpildymo elementų yra naudojamas katalizatorius. Metanolio kuro elemente esantis katalizatorius leidžia protonus pašalinti tiesiai iš alkoholio molekulės.Taigi, išspręstas degalų klausimas - metilo alkoholis masiškai gaminamas chemijos pramonei, jį lengva laikyti ir transportuoti, o norint įkrauti metanolio kuro elementą, užtenka tiesiog pakeisti kasetę degalais. Tiesa, yra vienas reikšmingas minusas - metanolis yra toksiškas. Be to, metanolio kuro elemento efektyvumas yra žymiai mažesnis nei vandenilio.

Fig. 3. Metanolio kuro elementas

Labiausiai viliojantis variantas yra naudoti etilo alkoholį kaip kurą, nes bet kurios sudėties ir stiprumo alkoholinių gėrimų gamyba ir platinimas yra gerai žinomi visame pasaulyje. Tačiau etanolio kuro elementų efektyvumas, deja, yra netgi mažesnis nei metanolio.

Kaip jau buvo pažymėta per daugelį metų plėtojant kuro elementus, buvo pastatytos įvairių rūšių kuro elementai. Kuro elementai klasifikuojami pagal elektrolitus ir kuro rūšis.

1. Kietasis polimerinis vandenilio-deguonies elektrolitas.

2. Kieto polimero metanolio kuro elementai.

3. Elementai ant šarminio elektrolito.

4. Fosforo rūgšties kuro elementai.

5. Kuro elementai ant išlydytų karbonatų.

6. Kietojo oksido kuro elementai.

Idealiu atveju kuro elementų efektyvumas yra labai didelis, tačiau realiomis sąlygomis yra nuostolių, susijusių su pusiausvyros nebuvimo procesais, pavyzdžiui, omų nuostoliai dėl elektrolito ir elektrodų laidumo, aktyvacijos ir koncentracijos poliarizacijos, difuzijos nuostoliai. Dėl to dalis kuro elementuose sugeneruotos energijos virsta šiluma. Specialistų pastangomis siekiama sumažinti šiuos nuostolius.

Pagrindinis ohminių nuostolių šaltinis, taip pat aukštos kuro elementų kainos priežastis yra perfluorintos sulfocation-jonų mainų membranos. Dabar mes ieškome alternatyvių, pigesnių protonus laidžių polimerų. Kadangi šių membranų (kietų elektrolitų) laidumas pasiekia priimtiną vertę (10 omų / cm) tik esant vandeniui, į kuro elementą tiekiamos dujos turi būti papildomai sudrėkintos specialiame įrenginyje, o tai taip pat daro sistemą brangesnę. Kataliziniuose dujų difuzijos elektroduose naudojama daugiausia platina ir kai kurie kiti taurieji metalai, ir iki šiol nerasta jo pakeitimo. Nors platinos kiekis kuro elementuose yra keli mg / cm2, didelėms baterijoms jo kiekis siekia dešimtis gramų.

Projektuojant kuro elementus, daug dėmesio skiriama šilumos šalinimo sistemai, nes esant dideliam srovės tankiui (iki 1A / cm2) sistema savaime įkaista. Aušinimui naudojamas vanduo, cirkuliuojantis kuro elemente per specialius kanalus, o esant mažoms talpoms, naudojamas oro pūtimas.

Taigi, be paties kuro elemento akumuliatoriaus, „auga“ moderni elektrocheminio generatoriaus sistema su daugybe pagalbinių įtaisų, tokių kaip: siurbliai, oro tiekimo kompresorius, vandenilio įleidimo anga, dujų drėkintuvas, aušinimo agregatas, dujų nuotėkio valdymo sistema, nuolatinės srovės keitiklis su keitikliu ir valdymo procesorius. Visa tai lemia, kad kuro elementų sistemos kaina 2004–2005 m. buvo 2–3 tūkst. USD / kW. Ekspertų teigimu, degalų elementus bus galima naudoti transporte ir stacionariose elektrinėse, kurių kaina bus 50–100 USD / kW.

Kuro elementų, taip pat ir pigesnių komponentų, įdiegimui kasdieniame gyvenime reikia tikėtis naujų originalių idėjų ir požiūrių. Ypač daug vilčių siejasi su nanomedžiagų ir nanotechnologijų naudojimu. Pavyzdžiui, neseniai keletas kompanijų paskelbė apie ypač efektyvių katalizatorių, ypač deguonies elektrodo, sudarymo iš įvairių metalų nanodalelių grupių, sukūrimą. Be to, buvo pranešimų apie be membranos degalų elementų, kuriuose skystas kuras (pvz., Metanolis) tiekiamas į kuro elementą kartu su oksiduojančiu agentu, dizainą.Įdomi sąvoka yra ir sukurta biokuro elementų, veikiančių užterštuose vandenyse, vartojančio ištirpintą deguonį kaip oksidatorių, o organinių priemaišų kaip degalų, koncepcija.

Ekspertų teigimu, kuro elementai ateinančiais metais pateks į masinę rinką. Iš tikrųjų kūrėjai vienas po kito užkariauja technines problemas, praneša apie sėkmes ir pateikia kuro elementų prototipus. Pavyzdžiui, „Toshiba“ pademonstravo gatavą metanolio kuro elemento prototipą. Jo dydis yra 22x56x4,5 mm, o jo galia siekia net 100 mW. Vienam degalų papildymui 2 kubeliais koncentruoto (99,5%) metanolio pakanka 20 valandų MP3 grotuvo darbo. „Toshiba“ išleido komercinę kuro elementą mobiliesiems telefonams maitinti. Ta pati „Toshiba“ pademonstravo nešiojamųjų kompiuterių, kurių matmenys 275x75x40 mm, maitinimo elementą, leidžiantį kompiuteriui dirbti 5 valandas nuo vieno degalų papildymo.

Kita „Japonijos“ įmonė „Fujitsu“ nėra labai atsilikusi nuo „Toshiba“. 2004 m. Ji taip pat pristatė elementą, veikiantį 30% vandeninį metanolio tirpalą. Šis kuro elementas 10 valandų veikė vieną kartą užpildydamas 300 ml tūrio degalų ir tuo pačiu metu atiduodavo 15 vatų galią.

„Casio“ kuria kuro elementą, kuriame metanolis iš pradžių perdirbamas į dujinio H2 ir CO2 mišinį miniatiūriniame degalų keitiklyje, o po to paduodamas į kuro elementą. Demonstracijos metu „Casio“ prototipas nešiojo nešiojamąjį kompiuterį 20 valandų.

„Samsung“ taip pat buvo pastebėtas degalų elementų srityje - 2004 m. Jis pademonstravo savo 12 W prototipą, skirtą nešiojamam kompiuteriui maitinti. Apskritai „Samsung“ tikisi naudoti kuro elementus, pirmiausia ketvirtosios kartos išmaniuosiuose telefonuose.

Turiu pasakyti, kad Japonijos kompanijos paprastai labai nuodugniai žiūrėjo į kuro elementų kūrimą. 2003 m. Tokios kompanijos kaip „Canon“, „Casio“, „Fujitsu“, „Hitachi“, „Sanyo“, „Sharp“, „Sony“ ir „Toshiba“ suvienijo jėgas kurdamos bendrą nešiojamųjų kompiuterių, mobiliųjų telefonų, PDA ir kitų elektroninių prietaisų kuro elementų standartą. Amerikiečių kompanijų, kurių šioje rinkoje taip pat gausu, daugiausia dirbama pagal sutartis su kariuomene ir kuriami kuro elementai amerikiečių kareiviams elektrifikuoti.

Vokiečiai nėra labai atsilikę - „Smart Fuel Cell“ parduoda kuro elementus mobiliajam biurui aprūpinti. Įrenginys vadinamas „Smart Fuel Cell C25“, jo matmenys yra 150x112x65mm ir jis gali pagaminti iki 140 vatų valandų vienoje degalinėje. To pakanka nešiojamam kompiuteriui maitinti maždaug 7 valandas. Tada kasetę galima pakeisti ir tęsti darbą. Užtaiso su metanoliu dydis yra 99x63x27 mm, o jo svoris - 150 g. Pati sistema sveria 1,1 kg, todėl niekaip negalite jos vadinti nešiojama, tačiau tai vis tiek yra visiškas ir patogus prietaisas. Bendrovė taip pat kuria kuro modulį profesionalių vaizdo kamerų maitinimui.

Apskritai kuro elementai beveik įėjo į mobiliosios elektronikos rinką. Gamintojams paliekama išspręsti naujausias technines problemas prieš pradedant masinę gamybą.

Pirmiausia būtina išspręsti kuro elementų miniatiūrizacijos klausimą. Galų gale, kuo mažesnis kuro elementas, tuo mažiau energijos jis galės atiduoti - todėl nuolat kuriami nauji katalizatoriai ir elektrodai, kurie mažais dydžiais leidžia maksimaliai padidinti darbinį paviršių. Kaip tik laiku, naudingi naujausi pokyčiai nanotechnologijų ir nanomedžiagų (pavyzdžiui, nanovamzdelių) srityje. Vėlgi, norint miniatiūrizuoti elementų vamzdynus (kuro ir vandens siurbliai, aušinimo ir degalų konversijos sistemos), vis labiau taikoma mikroelektromechaninė pažanga.

Antra svarbi problema, kurią reikia išspręsti, yra kaina. Iš tiesų, kaip katalizatorius daugumoje kuro elementų, naudojama labai brangi platina.Vėlgi, kai kurie gamintojai bando maksimaliai išnaudoti jau gerai išvystytą silicio technologiją.

Kalbant apie kitas kuro elementų naudojimo sritis, kuro elementai ten jau yra gerai įsitvirtinę, nors jie dar netapo pagrindine energetikos ar transporto srityse. Jau dabar daugelis automobilių gamintojų pristatė savo degalų elementais varomus koncepcinius automobilius. Keliuose pasaulio miestuose važinėja degalų elementų autobusai. Kanados „Ballard Power Systems“ gamina nejudančių generatorių diapazoną nuo 1 iki 250 kW. Tuo pačiu metu kilovatų generatoriai yra skirti iš karto aprūpinti butą elektra, šiluma ir karštu vandeniu.

Taip pat žiūrėkite: Alternatyvūs energijos šaltiniai