Kas ir kurināmā elementi?

Mobilā elektronika katru gadu, ja ne mēnesi, kļūst pieejamāka un plaši izplatīta. Šeit jums ir klēpjdatori un plaukstdatori, kā arī digitālās fotokameras un mobilie tālruņi, kā arī daudz dažādu noderīgu un ne tik daudz ierīču. Un visas šīs ierīces nepārtraukti iegūst jaunas iespējas, jaudīgākus procesorus, lielus krāsu ekrānus, bezvadu sakarus, vienlaikus samazinot izmēru. Bet atšķirībā no pusvadītāju tehnoloģijām, visas šīs mobilās zvērkopības enerģijas tehnoloģijas nepārsniedz lēcienus.

Parastās uzlādējamās baterijas un akumulatori acīmredzami nav pietiekami, lai nozīmīgu laika periodu nodrošinātu jaunākos sasniegumus elektronikas nozarē. Bez drošām un ietilpīgām baterijām tiek zaudēta mobilitātes un bezvadu nozīme. Tātad datoru nozare arvien aktīvāk strādā pie problēmas risināšanas alternatīvas barošanas avoti. Un visdaudzsološākais virziens šodien ir kurināmā elementi.

Kurināmā elementu darbības pamatprincipu 1839. gadā atklāja britu zinātnieks sers Viljams Grūbe. Viņš ir pazīstams kā kurināmā elementu tēvs. Viljams Grovs ģenerēja elektrību mainot ūdens elektrolīze lai iegūtu ūdeņradi un skābekli. Atvienojot akumulatoru no elektrolītiskās šūnas, Grove bija pārsteigts, atklājot, ka elektrodi sāka absorbēt atbrīvoto gāzi un ģenerēt strāvu. Procesa atvēršana ūdeņraža elektroķīmiskā aukstā sadedzināšana notikums enerģētikas nozarē kļuva nozīmīgs, un nākotnē tādi pazīstami elektroķīmiķi kā Ostvalds un Nernsts spēlēja lielu lomu kurināmā elementu teorētisko pamatu izstrādē un praktiskā ieviešanā un paredzēja viņiem lielu nākotni.

Pats termins "kurināmā elements" (kurināmā elements) parādījās vēlāk - to 1889. gadā ierosināja Ludvigs Monds un Čārlzs Langers, kuri mēģināja izveidot ierīci elektrības ražošanai no gaisa un ogļu gāzes.

Normālas sadegšanas laikā skābeklis oksidē fosilo kurināmo, un kurināmā ķīmiskā enerģija neefektīvi tiek pārveidota siltumenerģijā. Bet izrādījās, ka ir iespējams veikt oksidācijas reakciju, piemēram, ūdeņradi ar skābekli, elektrolīta vidē un elektrodu klātbūtnē, lai iegūtu elektrisko strāvu. Piemēram, piegādājot ūdeņradi elektrodam, kas atrodas sārmainā vidē, mēs iegūstam elektronus:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

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

Var redzēt, ka iegūtā reakcija 2H2 + O2 → H2O ir tāda pati kā normālas sadedzināšanas laikā, bet kurināmā elementā vai kā citādi elektroķīmiskais ģenerators, izrādās, elektriskā strāva ar augstu efektivitāti un daļēji siltumu. Ņemiet vērā, ka oglekli, oglekļa monoksīdu, spirtus, hidrazīnu, citas organiskas vielas var izmantot arī kā kurināmā elementus šūnās, un gaisu, ūdeņraža peroksīdu, hloru, bromu, slāpekļskābi utt. var izmantot kā oksidētājus.

Kurināmā elementu attīstība enerģiski turpinājās gan ārzemēs, gan Krievijā, kā arī tālāk PSRS. Starp zinātniekiem, kuri devuši lielu ieguldījumu kurināmā elementu izpētē, mēs pieminam V. Žako, P. Yablochkovu, F. Bekonu, E. Baueru, E. Justi, K. Cordesu. Pagājušā gadsimta vidū sākās jauns uzbrukums kurināmā elementu problēmām. Daļēji tas ir saistīts ar jaunu ideju, materiālu un tehnoloģiju parādīšanos aizsardzības pētījumu rezultātā.

Viens no zinātniekiem, kurš spēra nozīmīgu soli kurināmā elementu attīstībā, bija P. M. Spiridonovs. Spiridonova ūdeņraža-skābekļa elementi deva strāvas blīvumu 30 mA / cm2, kas to laiku tika uzskatīts par lielu sasniegumu.Četrdesmitajos gados O. Davtyan izveidoja iekārtu ģeneratora gāzes elektroķīmiskai sadedzināšanai, kas iegūta ogļu gazifikācijā. Ar katru kubikmetru elementa tilpuma Davtyan saņēma 5 kW enerģijas.

Tā tas bija pirmā cietā elektrolīta degvielas šūna. Tam bija augsta efektivitāte, bet laika gaitā elektrolīts kļuva nelietojams, un tas bija jāmaina. Pēc tam, piecdesmito gadu beigās, Davtyan izveidoja jaudīgu instalāciju, kas virzīja traktoru. Tajā pašā gadā angļu inženieris T. Bekons projektēja un uzbūvēja kurināmā elementu akumulatoru ar kopējo jaudu 6 kW un efektivitāti 80%, darbojoties ar tīru ūdeņradi un skābekli, bet jaudas un akumulatora svara attiecība bija pārāk maza - šādi elementi nebija piemēroti praktiskai lietošanai un arī mīļie.

Turpmākajos gados vientuļnieku laiks ir pagājis. Kosmosa kuģu radītāji sāka interesēties par kurināmā elementiem. Kopš 60. gadu vidus miljoniem dolāru ir ieguldīti kurināmā elementu izpētē. Tūkstošu zinātnieku un inženieru darbs ļāva sasniegt jaunu līmeni, un 1965. gadā. degvielas šūnas tika pārbaudītas Amerikas Savienotajās Valstīs uz kosmosa kuģa Gemini 5, vēlāk uz Apollo kuģiem, lai veiktu lidojumus uz Mēnesi un saskaņā ar Shuttle programmu.

PSRS degvielas šūnas tika izstrādātas NPO Kvant, arī izmantošanai kosmosā. Šajos gados jau parādījās jauni materiāli - cietie polimēru elektrolīti, kuru pamatā ir jonu apmaiņas membrānas, jauna veida katalizatori, elektrodi. Un tomēr darba strāvas blīvums bija mazs - diapazonā no 100-200 mA / cm2, un platīna saturs uz elektrodiem bija vairāki g / cm2. Bija daudz problēmu, kas saistītas ar izturību, stabilitāti un drošību.

Nākamais kurināmā elementu straujās attīstības posms sākās 90. gados. pagājušajā gadsimtā un turpinās tagad. To izraisa vajadzība pēc jauniem efektīviem enerģijas avotiem, no vienas puses, globālās vides problēmas dēļ, ko rada pieaugošās siltumnīcefekta gāzu emisijas, sadedzinot fosilo kurināmo, un, no otras puses, šādu degvielu noplicināšanās. Tā kā ūdens ir ūdeņraža sadegšanas gala produkts kurināmā elementā, to uzskata par tīrāko no ietekmes uz vidi viedokļa. Galvenā problēma ir tikai efektīva un lēta ūdeņraža ražošanas veida atrašana.

Miljardiem finanšu ieguldījumu kurināmā elementu un ūdeņraža ģeneratoru attīstībā vajadzētu novest pie tehnoloģiska sasnieguma un padarīt to izmantošanu ikdienas dzīvē: mobilo tālruņu elementos, automašīnās un elektrostacijās. Jau tādi auto giganti kā Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors demonstrē automašīnas un autobusus, kas darbojas ar 50kW degvielas šūnām. Ir attīstījušies vairāki uzņēmumi cietā kurināmā elektrolītu kurināmā elementu demonstrēšanas iekārtas līdz 500 kW. Bet, neraugoties uz būtisku sasniegumu kurināmā elementu darbības uzlabošanā, joprojām ir jāatrisina daudzas problēmas, kas saistītas ar to izmaksām, uzticamību un drošību.

Kurināmā elementā atšķirībā no baterijām un akumulatoriem no ārpuses tai tiek piegādāta gan degviela, gan oksidētājs. Degvielas šūna ir tikai starpnieks reakcijā, un ideālos apstākļos tā varētu darboties gandrīz mūžīgi. Šīs tehnoloģijas skaistums ir tāds faktiski degviela elementā tiek sadedzināta, un atbrīvotā enerģija tiek tieši pārveidota elektrībā. Tieši sadedzinot degvielu, tas tiek oksidēts ar skābekli, un šajā procesā radītais siltums tiek izmantots noderīga darba pabeigšanai.

Kurināmā elementā, tāpat kā akumulatoros, kurināmā oksidācijas un skābekļa samazināšanas reakcijas ir telpiski atdalītas, un "sadedzināšanas" process notiek tikai tad, ja šūna izdala slodzi. Tas ir kā dīzeļģenerators, tikai bez dīzeļdegvielas un ģeneratora. Un arī bez dūmiem, trokšņiem, pārkaršanas un ar daudz augstāku efektivitāti. Pēdējais ir izskaidrojams ar to, ka, pirmkārt, nav mehānisku starpposmu ierīču, un, otrkārt, degvielas elements nav siltuma motors, un tāpēc tas neievēro Karnota likumu (tas ir, tā efektivitāti nenosaka temperatūras starpība).

Skābeklis tiek izmantots kā oksidētājs kurināmā elementos. Turklāt, tā kā gaisā skābekļa ir pietiekami daudz, nav jāuztraucas par oksidētāja piegādi. Runājot par degvielu, tas ir ūdeņradis. Tātad, reakcija notiek kurināmā elementā:

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

Rezultāts ir noderīga enerģija un ūdens tvaiki. Vienkāršākais tā dizains ir protonu apmaiņas membrānas degvielas šūna (skat. 1. attēlu). Tas darbojas šādi: elementārā ienākošais ūdeņradis katalizatora darbības laikā sadalās elektronos un pozitīvi lādētos ūdeņraža jonos H +. Pēc tam spēlē īpaša membrāna, kas darbojas kā elektrolīts parastajā akumulatorā. Sakarā ar tā ķīmisko sastāvu, tas caur protoniem iziet caur sevi, bet tas ieslodza elektronus. Tādējādi uz anoda uzkrātie elektroni rada lieko negatīvo lādiņu, un ūdeņraža joni rada pozitīvu lādiņu katodam (elementa spriegums ir aptuveni 1 V).

Lai izveidotu lielu jaudu, no vairākiem elementiem tiek samontēta degvielas šūna. Ja jūs iekļaujat elementu slodzē, tad elektroni caur to plūst uz katodu, radot strāvu un pabeidzot ūdeņraža oksidācijas procesu ar skābekli. Kā katalizatoru šādās kurināmā elementos parasti izmanto platīna mikrodaļiņas, kas nogulsnētas uz oglekļa šķiedras. Pateicoties tā struktūrai, šāds katalizators labi iziet gāzi un elektrību. Membrāna parasti ir izgatavota no sēru saturoša Nafiona polimēra. Membrānas biezums ir vienāds ar milimetra desmitdaļām. Reakcijas laikā, protams, izdalās arī siltums, bet tas nav tik daudz, lai darba temperatūra tiktu uzturēta 40–80 ° C diapazonā.

1. att. Kurināmā elementa darbības princips

Ir arī citi kurināmā elementu veidi, kas galvenokārt atšķiras pēc izmantotā elektrolīta veida. Gandrīz visiem no viņiem ūdeņradis ir vajadzīgs kā degviela, tāpēc rodas loģisks jautājums: kur to iegūt. Protams, būtu iespējams izmantot saspiestu ūdeņradi no baloniem, bet tad uzreiz rodas problēmas, kas saistītas ar šīs viegli uzliesmojošās gāzes transportēšanu un uzglabāšanu zem augsta spiediena. Protams, jūs varat izmantot ūdeņradi saistītā veidā kā metāla hidrīda akumulatoros. Tomēr joprojām ir jāveic ieguve un transportēšana, jo ūdeņraža degvielas uzpildes staciju infrastruktūra nepastāv.

Tomēr ir arī risinājums - šķidro ogļūdeņraža degvielu var izmantot kā ūdeņraža avotu. Piemēram, etilspirts vai metilspirts. Tiesa, šeit jau ir nepieciešama īpaša papildu ierīce - degvielas pārveidotājs, kas augstā temperatūrā spirtus pārveido gāzveida H2 un CO2 maisījumā (metanolā tas būs kaut kur ap 240 ° C). Bet šajā gadījumā jau ir grūtāk domāt par pārnesamību - šādas ierīces tiek labi izmantotas kā stacionāras vai auto ģeneratoriBet kompaktam mobilajam aprīkojumam jums ir nepieciešams kaut kas mazāk apgrūtinošs.

Un šeit mēs nonākam pie šīs ierīces, kuras attīstību gandrīz visi lielākie elektronikas ražotāji nodarbojas ar briesmīgu spēku - metanola degvielas šūna (2. attēls).

2. att. Degvielas šūnas darbības princips metanolā

Galvenā atšķirība starp ūdeņraža un metanola pildīšanas elementiem ir izmantotais katalizators. Katalizators metanola degvielas šūnā ļauj protonus noņemt tieši no spirta molekulas.Tādējādi tiek atrisināts jautājums par degvielu - metilspirtu ražo masveidā ķīmiskajai rūpniecībai, to ir viegli uzglabāt un transportēt, un, lai uzlādētu metanola degvielas elementu, pietiek ar kārtridža vienkārši aizstāšanu ar degvielu. Tiesa, ir viens būtisks mīnuss - metanols ir toksisks. Turklāt metanola degvielas šūnas efektivitāte ir ievērojami zemāka nekā ūdeņraža.

Att. 3. Metanola degvielas šūna

Vilinošākais variants ir izmantot etilspirtu kā degvielu, jo jebkura sastāva un stipruma alkoholisko dzērienu ražošana un izplatīšana ir labi izveidota visā pasaulē. Tomēr etanola degvielas elementu efektivitāte, diemžēl, ir pat zemāka nekā metanola.

Kā jau tika atzīmēts daudzu gadu attīstības laikā kurināmā elementu jomā, ir būvēti dažāda veida kurināmā elementi. Kurināmā elementi tiek klasificēti pēc elektrolīta un kurināmā veida.

1. Cietais polimēra ūdeņraža-skābekļa elektrolīts.

2. Cietā polimēra metanola degvielas šūnas.

3. Sārma elektrolīta elementi.

4. Fosforskābes kurināmā elementi.

5. Kurināmā elementi izkusušiem karbonātiem.

6. Cietā oksīda kurināmā elementi.

Ideālā gadījumā kurināmā elementu efektivitāte ir ļoti augsta, taču reālos apstākļos pastāv zaudējumi, kas saistīti ar līdzsvara trūkuma procesiem, piemēram, omiskie zaudējumi elektrolīta un elektrodu vadītspējas dēļ, aktivizācijas un koncentrācijas polarizācija, difūzijas zudumi. Tā rezultātā daļa enerģijas, kas rodas kurināmā elementos, tiek pārveidota siltumā. Speciālistu centieni ir vērsti uz šo zaudējumu samazināšanu.

Galvenais omisko zudumu avots, kā arī degvielas elementu augstās cenas iemesls ir perfluorētas sulfokācijas-jonu apmaiņas membrānas. Tagad viņi meklē alternatīvus, lētākus protonus vadošus polimērus. Tā kā šo membrānu (cieto elektrolītu) vadītspēja sasniedz pieņemamu vērtību (10 omi / cm) tikai ūdens klātbūtnē, kurināmā elementam piegādātās gāzes ir papildus jāsamitrina speciālā ierīcē, kas arī padara sistēmu dārgāku. Gāzu katalītiskajās difūzijas elektrodos galvenokārt izmanto platīnu un dažus citus cēlmetālus, un līdz šim nav atrasta neviena aizvietotāja. Lai gan platīna saturs kurināmā elementos ir vairāki mg / cm2, lielām baterijām tā daudzums sasniedz desmitiem gramu.

Projektējot kurināmā elementus, liela uzmanība tiek pievērsta siltuma noņemšanas sistēmai, jo pie lieliem strāvas blīvumiem (līdz 1A / cm2) sistēma pati uzkarst. Dzesēšanai tiek izmantots ūdens, kas cirkulē kurināmā elementā caur īpašiem kanāliem, un ar mazu jaudu tiek izmantots gaisa pūtējs.

Tātad, elektroķīmiskā ģeneratora modernā sistēma, bez paša kurināmā elementa akumulatora, “aug” ar daudzām palīgierīcēm, piemēram: sūkņiem, gaisa padeves kompresoriem, ūdeņraža ieplūdes atverēm, gāzes mitrinātāju, dzesēšanas ierīci, gāzes noplūdes kontroles sistēmu, līdzstrāvas un maiņstrāvas pārveidotāju, vadības procesoru. Tas viss noved pie tā, ka kurināmā elementu sistēmas izmaksas 2004. – 2005. gadā bija 2–3 tūkstoši USD / kW. Pēc ekspertu domām, kurināmā elementi kļūs pieejami izmantošanai transportā un stacionārās elektrostacijās par cenu 50–100 USD / kW.

Lai ieviestu kurināmā elementus ikdienas dzīvē, kā arī lētākas sastāvdaļas, jums jāgaida jaunas oriģinālas idejas un pieejas. Īpaši lielas cerības ir saistītas ar nanomateriālu un nanotehnoloģiju izmantošanu. Piemēram, nesen vairāki uzņēmumi paziņoja par īpaši efektīvu katalizatoru izveidi, jo īpaši skābekļa elektrodam, kura pamatā ir dažādu metālu nanodaļiņu kopas. Turklāt ir ziņojumi par bezšūnu membrānu bez šūnām, kurās šķidrā degviela (piemēram, metanols) tiek piegādāta kurināmā elementam kopā ar oksidētāju.Interesants jēdziens ir arī izstrādātā biodegvielas elementu koncepcija, kas darbojas piesārņotos ūdeņos un patērē izšķīdušo skābekli kā oksidētāju, un organiskos piemaisījumus kā degvielu.

Pēc ekspertu domām, nākamajos gados masas tirgū ienāks kurināmā elementi. Patiešām, izstrādātāji viens pēc otra iekaro tehniskas problēmas, ziņo par panākumiem un iepazīstina ar kurināmā elementu prototipiem. Piemēram, Toshiba ir nodemonstrējis gatavu metanola degvielas šūnas prototipu. Tā izmērs ir 22x56x4,5 mm, un tā jauda ir aptuveni 100 mW. 20 stundu MP3 atskaņotāja darba pietiek ar vienu degvielas uzpildīšanu ar 2 kubiem koncentrēta (99,5%) metanola. Toshiba ir izlaidusi komerciālu kurināmā elementu, lai darbinātu mobilos tālruņus. Tā pati Toshiba demonstrēja klēpjdatoru barošanas elementu ar izmēru 275x75x40 mm, ļaujot datoram strādāt 5 stundas no vienas degvielas uzpildes.

Vēl viens Japānas uzņēmums Fujitsu nav tālu aiz Toshiba. 2004. gadā viņa ieviesa arī elementu, kas iedarbojas uz metanola 30% ūdens šķīdumu. Šī degvielas šūna 10 stundas strādāja ar vienu degvielas uzpildīšanu 300 ml un tajā pašā laikā izlaida 15 vatu jaudu.

Casio izstrādā kurināmā elementu, kurā metanolu miniatūrā degvielas pārveidotājā vispirms pārstrādā gāzveida H2 un CO2 maisījumā un pēc tam ievada degvielas šūnā. Demonstrācijas laikā Casio prototips 20 stundas nodrošināja jaudu klēpjdatoram.

Samsung tika atzīts arī degvielas elementu jomā - 2004. gadā tas demonstrēja savu 12 W prototipu, kas paredzēts klēpjdatora darbināšanai. Kopumā Samsung paredz izmantot kurināmā elementus, galvenokārt ceturtās paaudzes viedtālruņos.

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

Vācieši nav tālu atpalikuši - Smart Fuel Cell pārdod degvielas elementus, lai darbinātu mobilo biroju. Ierīci sauc par Smart Fuel Cell C25, tās izmēri ir 150x112x65mm, un tā vienā degvielas uzpildes stacijā var ražot līdz 140 vatām stundās. Tas ir pietiekami, lai klēpjdatoru darbinātu apmēram 7 stundas. Tad kārtridžu var nomainīt un jūs varat turpināt strādāt. Kārtridža ar metanolu izmērs ir 99x63x27 mm, un tā svars ir 150 g. Pati sistēma sver 1,1 kg, tāpēc jūs to nevarat nosaukt par absolūti pārnēsājamu, taču tā tomēr ir pilnīga un ērta ierīce. Uzņēmums izstrādā arī degvielas moduli profesionālu videokameru barošanai.

Kopumā kurināmā elementi ir gandrīz ienākuši mobilās elektronikas tirgū. Pirms masveida ražošanas uzsākšanas ražotājiem ir jāatrisina jaunākās tehniskās problēmas.

Pirmkārt, ir jāatrisina jautājums par kurināmā elementu miniaturizāciju. Galu galā, jo mazāka ir degvielas šūna, jo mazāk enerģijas tā varēs atdot - tāpēc pastāvīgi tiek izstrādāti jauni katalizatori un elektrodi, kas mazos izmēros ļauj maksimāli palielināt darba virsmu. Šeit tieši laikā noder jaunākie sasniegumi nanotehnoloģiju un nanomateriālu (piemēram, nanocauruļu) jomā. Atkal, lai miniaturizētu elementu cauruļvadus (degvielas un ūdens sūkņi, dzesēšanas un kurināmā pārveidošanas sistēmas), arvien vairāk tiek izmantoti mikroelektromehāniski uzlabojumi.

Otra nozīmīga problēma, kas jārisina, ir cena. Patiešām, kā katalizators lielākajā daļā kurināmā elementu tiek izmantots ļoti dārgs platīns.Atkal daži ražotāji cenšas maksimāli izmantot jau labi izstrādāto silīcija tehnoloģiju.

Kas attiecas uz citām kurināmā elementu izmantošanas jomām, kurināmā elementi tur jau ir labi izveidoti, lai gan tie vēl nav kļuvuši par galveno enerģijas nozarē vai transportā. Jau daudzi automašīnu ražotāji ir prezentējuši savas ar konceptuālo automašīnu ar degvielu darbināmas automašīnas. Vairākās pasaules pilsētās kursē kurināmā elementu autobusi. Kanādas Ballard Power Systems ražo virkni stacionāro ģeneratoru ar jaudu no 1 līdz 250 kW. Tajā pašā laikā kilovatu ģeneratori ir paredzēti, lai nekavējoties piegādātu vienam dzīvoklim elektrību, siltumu un karstu ūdeni.

Skatīt arī: Alternatīvie enerģijas avoti