Kuro elementas vandenilio energijai. Kuro elementų naudojimas pastatams maitinti

Kada nors ateityje, apie mūsų amžiaus pradžią, tikriausiai bus sakoma, kad kylančios naftos kainos ir rūpestis aplinka lėmė staigų automobilių gamintojų akiračio išplėtimą ir privertė juos kurti bei pristatyti vis naujų tipų degalai ir varikliai.

Vienas iš šių kuro rūšių bus vadinamas vandeniliu. Kaip žinote, kai vandenilis ir deguonis susijungia, gaunamas vanduo, o tai reiškia, kad jei šį procesą pastatysite į automobilio variklio pagrindą, išmetamosios dujos bus ne pavojingų dujų ir cheminių elementų mišinys, o paprastas vanduo.

Nepaisant tam tikrų techninių sunkumų, susijusių su vandenilio kuro elementų (FC) naudojimu, automobilių gamintojai neketina pasiduoti ir jau kuria naujus modelius, kuriuose naudojamas vandenilis. 2011 metų Frankfurto automobilių parodoje, viena iš automobilių pramonės flagmanų, „Daimler AG“ visuomenei pristatė kelis vandeniliu varomus „Mercedes-Benz“ prototipus. Tais pačiais metais Korėjos „Hyndai“ paskelbė, kad atsisakys elektromobilių kūrimo ir susitelks į transporto priemonių, kuriose būtų naudojami vandenilio kuro elementai, kūrimą.

Nepaisant šios aktyvios plėtros, nedaugelis žmonių turi aiškų supratimą apie tai, kas yra šie vandenilio kuro elementai ir ką jie turi viduje.

Siekdami išsiaiškinti situaciją, atsigręžkime į vandenilio kuro elementų istoriją.

Pirmasis teoriškai galimybę sukurti vandenilio kuro elementą buvo vokietis Christianas Friedrichas Schönbeinas. 1838 m. jis aprašė šį principą viename iš to meto mokslo žurnalų.

Po metų. 1939 metais Velso teisėjas seras Williamas Robertas Grove'as sukūrė ir pademonstravo praktiškai veikiančią vandenilio bateriją. Tačiau akumuliatoriaus įkrovos nepakako, kad išradimas būtų plačiai naudojamas.

Terminą „kuro elementas“ 1889 m. pirmą kartą panaudojo mokslininkai Ludwig Mond ir Charles Langer, kurie bandė sukurti veikiantį kuro elementą naudodami orą ir kokso krosnies dujas. Pagal kitą versiją, pirmasis terminą „kuro elementas“ pavartojo William White Jaques. Jis taip pat pirmasis elektrolitų vonioje panaudojo fosforo rūgštį.

1920-aisiais Vokietijoje atlikti tyrimai atvėrė kelią karbonato ciklo ir dabar naudojamų kietojo oksido kuro elementų naudojimui.

1932 metais inžinierius Francis T Bacon pradėjo vandenilio kuro elementų tyrimus. Prieš jį mokslininkai elektrolitų vonioje naudojo porėtus platinos elektrodus ir sieros rūgštį. Dėl platinos gamyba labai pabrango, o sieros rūgštis sukėlė papildomų sunkumų dėl savo šarmingumo. Bekonas brangią platiną pakeitė nikeliu, o sieros rūgštį – mažiau ėsdinančiu šarminiu elektrolitu.

Baconas nuolat tobulino savo dizainą ir 1959 m. galėjo pristatyti visuomenei 5 kilovatų kuro elementą, galintį tiekti maitinimą suvirinimo aparatui. Tyrėjas savo TE pavadino „Becon Cell“.

1959 m. spalį Harry Karl Ihrig pademonstravo 20 arklio galių traktorių, kuris tapo pirmąja transporto priemone pasaulyje, varoma kuro elementu.

1960-aisiais amerikiečių „General Electric“ panaudojo „Bacon“ kuro elementų principą ir sukūrė energijos gamybos sistemą NASA „Gemini“ ir „Apollo“ kosminėms programoms. NASA apskaičiavo, kad naudoti branduolinį reaktorių būtų per brangu, o įprastoms baterijoms ar saulės baterijoms reikia per daug vietos. Be to, vandenilio kuro elementai galėtų vienu metu aprūpinti laivą elektra, o įgula – vandeniu.

Pirmasis vandenilinio kuro autobusas buvo pastatytas 1993 m. 1997 metais automobilių gamintojai „Daimler Benz“ ir „Toyota“ pristatė savo keleivinių automobilių prototipus.

- facepla.net -

Komentarai:

Ir jie pamiršo pasakyti apie TE darbą SSRS, tiesa?

gavus elektrą, susidarys vanduo. ir kuo daugiau pirmųjų, tuo daugiau. O dabar įsivaizduokime, kaip greitai lašeliai užkimš visus kuro elementus ir dujų praėjimo kanalus – H2, O2. O kaip šis generatorius veiks esant minusinei temperatūrai?

ar siūlote sudeginti dešimtis tonų anglies, išmesti į atmosferą tonas suodžių, kad gautų vandenilį, kad gautumėte porą amperų srovės naujagimiui adzei?!
Kur ekonomika su ekologija?!

Štai jis – mąstymo kaulas!
Kodėl deginti anglies tonus? Mes gyvename XXI amžiuje ir jau yra technologijų, kurios leidžia gauti energijos visiškai nieko nedeginant. Belieka tik kompetentingai kaupti šią energiją patogiam tolesniam naudojimui.

Verslininkas Danila Šapošnikov sako, kad įsipareigojo produktą į rinką pristatyti iš laboratorijos. Startuolis „AT Energy“ gamina vandenilio kuro elementus, kuriais dronai galės skristi daug kartų ilgiau nei dabar.

Verslininkas Danila Šapošnikovas padeda mokslininkams Jurijui Dobrovolskiui ir Sergejui Nefedkinui komercializuoti savo išradimą – kompaktiškus vandenilio kuro elementus, galinčius veikti kelias valandas, nebijant šalčio ir drėgmės. Jų sukurta bendrovė „AT Energy“ jau pritraukė apie 100 mln. investicijų ir ruošiasi užkariauti pasaulinę nepilotuojamų 7 milijardų dolerių vertės orlaivių rinką, kurioje iki šiol daugiausia naudojamos ličio jonų baterijos.

Iš laboratorijos į rinką

Verslas prasidėjo, kai Šapošnikovas susitiko su dviem energetikos ir elektrochemijos mokslų daktarais – Dobrovolskiu iš Rusijos mokslų akademijos Cheminės fizikos problemų instituto Černogolovkoje ir Nefedkinu, vadovaujančiu Maskvos energetikos Vandenilio energetikos centrui. institutas. Profesoriai turėjo idėją, kaip gaminti žemos temperatūros kuro elementus, bet nesuprato, kaip jų išradimą pateikti rinkai. „Aš pasielgiau kaip verslininkas-investuotojas, kuris prisiėmė riziką pristatyti produktą į rinką iš laboratorijos“, - interviu RBC prisimena Šapošnikovas.

2012 m. Rugpjūčio mėn. Šapošnikovas, Dobrovolskis ir Nefedkinas užregistravo „AT Energy“ („AT Energy LLC“) ir pradėjo rengti prototipus. Įmonė kreipėsi ir tapo Skolkovo gyventoja. 2013 m. nuomojamoje instituto bazėje Černogolovkoje „AT Energy“ įkūrėjai stengėsi radikaliai prailginti kuro elementų baterijų tarnavimo laiką. „Černogolovka – mokslo miestas, ten gana lengva rasti ir įdarbinti laborantus, inžinierius, elektrochemikus“, – sako Šapošnikovas. Tada „AT Energy“ persikėlė į Černogolovo technikos parką. Ten pasirodė pirmasis produktas – kuro elementas dronams.

„AT Energy“ sukurto kuro elemento „širdis“ yra membraninis-elektrodinis blokas, kuriame vyksta elektrocheminė reakcija: iš vienos pusės tiekiamas oras su deguonimi, iš kitos – suslėgtos vandenilio dujos, energija generuojama kaip cheminės vandenilio oksidacijos reakcijos rezultatas.

Už tikrą produktą „AT Energy“ galėjo gauti dvi „Skolkovo“ dotacijas (beveik 47 mln. rublių), taip pat pritraukti apie 1 mln. USD investicijų. Projektu patikėjo fondas „North Energy Ventures“ (gavo 13,8 proc. „AT Energy“, jo partneris – pats Šapošnikovas), „Phystech Ventures“ rizikos fondas (13,8 proc.), kurį įkūrė Maskvos fizikos ir technologijos instituto absolventai, ir kūrėjas. Mortonas (10 proc.); Šapošnikovui ir Dobrovolskiui dabar tiesiogiai priklauso 26,7% „AT Energy“, o Nefedkinui – 9% (visi – pagal Vieningą valstybinį juridinių asmenų registrą).

AT Energija skaičiais
Apie 1 00 milijonų RUB- bendra pritrauktų investicijų suma
3-30 kg- dronų, kuriems „AT Energy“ gamina maitinimo sistemas, masė
7 milijardų dolerių per metus – pasaulinės dronų rinkos apimtis 2015 m
90 milijonų dolerių- Rusijos karinių dronų rinkos apimtis 2014 m
5 milijonai dolerių- Rusijos civilinės dronų rinkos apimtis 2014 m
2,6 milijardo dolerių- pasaulinės kuro elementų rinkos apimtis 2014 m
Šaltinis: įmonės duomenys, „Business Insider“, „Markets & Markets“.

Skrenda ilgiau, dar ilgiau

Šiandien beveik 80% pasaulio dronų naudoja elektros variklius, kurie maitinami ličio jonų arba ličio polimerų baterijomis. „Didžiausia baterijų problema yra ta, kad jos turi dydžio apribojimus. Jei norite dvigubai daugiau energijos, įdėkite kitą bateriją, dar vieną ir pan. O dronuose svarbiausias parametras yra jo masė “, - aiškina Šapošnikovas.

Drono svoris lemia jo naudingąją apkrovą – ant jo galimų pakabinti įrenginių skaičių (pavyzdžiui, fotoaparatus, termovizorius, skenavimo įrenginius ir pan.), taip pat skrydžio laiką. Šiandien dronai skraido daugiausia nuo pusvalandžio iki pusantros valandos. „Pusę valandos neįdomu“, - sako Šapošnikovas. - Pasirodo, vos pakėlus į orą, laikas keisti bateriją. Be to, esant minusinei temperatūrai, ličio jonų baterijos elgiasi kaprizingai. Šapošnikovas tvirtina, kad „AT Energy“ sukurti kuro elementai leidžia bepiločiams skraidyti net penkis kartus ilgiau: nuo dviejų su puse iki keturių valandų, ir jie nebijo šalčio (iki minus 20 laipsnių).

AT Energy perka eksploatacines medžiagas ir komponentus savo akumuliatoriams tiek Rusijoje, tiek užsienyje. „Mokslo plėtrai skirtos nedidelės partijos, todėl dar negalime potencialiems Rusijos komponentų gamintojams suteikti planavimo horizonto, kad jie galėtų lokalizuoti savo gamybą“, – aiškina Šapošnikovas.

2014 metais „AT Energy“ įvykdė pirmąsias sutartis: kariuomenei tiekė 20 baterijų sistemų, pagrįstų savo kuro elementais (užsakovo Šapošnikovas neįvardija). Jie taip pat buvo naudojami AFM-serverių bepiločiams orlaiviams, kurie juos naudojo filmuodami Sočio olimpines žaidynes, aprūpinti. „Vienas iš bendrovės tikslų buvo išbandyti mūsų sistemas dronuose, ir mums nesvarbu, ar mums už tai sumokėta, ar ne“, – prisimena Šapošnikovas. Iki šiol „AT Energy“ yra pasirašiusi daugybę sutarčių ir išankstinių sutarčių, kurių galimos pajamos, anot Šapošnikovo, siekia 100 mln. (daugiausia su vyriausybinėmis agentūromis).

Šapošnikovas neatskleidžia „AT Energy“ finansinių rezultatų. Kontur.Fokus duomenimis, 2014 metais įmonės pajamos siekė 12,4 mln. ir grynasis nuostolis 1,2 mln. RUB. „AT Energy“ pagamintų iki 0,5 kW galios kuro elementų kaina, anot Šapošnikovo, svyruoja nuo 10 iki 25 tūkst. USD, priklausomai nuo drono tipo, užduočių, su kuriomis jis susiduria, skrydžio trukmės. ir kitus parametrus.

Rublio devalvacija, pasak Šapošnikovo, įmonei palengvins patekimą į pasaulio rinką. „2016 m. išsikėlėme tikslą užmegzti ryšius su Vakarų šalių žaidėjais, o 2017 m. – pagaminti pirmuosius produktus pagrindinėms užsienio dronų rūšims“, – sako jis.

INVESTUOTOJAS

„„ AT Energy “pavyko sukurti kuro elementą, pasižymintį unikaliomis savybėmis“

Olegas Pertsovskis, Skolkovo fondo energijos vartojimo efektyvumo technologijų klasterio operacijų direktorius

„Jie sugebėjo pagaminti įrenginį, kuris veikia žemoje temperatūroje, tačiau yra gana kompaktiškas ir nebrangus. Mokslui imliems projektams ketveri metai yra trumpas laiko tarpas, todėl jie, mūsų nuomone, juda įprastu tempu. UAV yra viena akivaizdžiausių ir perspektyviausių kuro elementų taikymo sričių. Pakeitus maitinimo šaltinį, dronas galės kelis kartus padidinti skrydžio laiką su tomis pačiomis masės matmenų charakteristikomis. Taip pat yra autonominio maitinimo rinka, pavyzdžiui, korinio ryšio tinklams, kur labai reikia mažos galios maitinimo šaltinių atokiose vietose, kur nėra prijungti elektros tinklai.

„Konkurencingo produkto sukūrimas ir įėjimas į šią rinką turi didelę investavimo riziką“

Sergejus Filimonovas, įmonių rizikos fondo „GS Venture“ (kuri priklauso „GS Group“) vadovas

„Didelės talpos kuro elementų rinka yra daug platesnė ir sudėtingesnė nei UAV rinka. Tačiau kuro elementai turės konkuruoti su įvairiais esamais energijos šaltiniais tiek efektyvumo, tiek sąnaudų atžvilgiu. Sukurti konkurencingą produktą ir įeiti į šią rinką kyla didelė investavimo rizika. GS Venture UAV ir kuro elementų linijos yra gana įdomios, tačiau fondas nėra pasirengęs investuoti į startuolį vien dėl to, kad ši įmonė veikia besivystančioje srityje ir yra orientuota į aktyviai augančią rinką.

KLIENTAI

„Tai geriausia technologija rinkoje, bet per brangi.

Olegas Panfilenokas, „Copter Express“ įkūrėjas ir generalinis direktorius

„AT Energy turi labai stiprią technologiją. Derinys „kuro elementas ir vandenilio cilindras“ leidžia pasiekti patikimą energijos intensyvumą, žymiai didesnį nei naudojant ličio polimero ar ličio jonų baterijas. Jau suprojektavome apie 1 metro skersmens kartografinį droną, kuris galėtų skristi dideliu plotu – uždėjus vandenilio kuro elementus, jis skris iki keturių valandų. Būtų patogu ir efektyvu, nereikėtų įrenginio kelis kartus nutupdyti, kad pasikrautų.

Šiuo metu tai tikrai geriausia technologija rinkoje, tačiau yra viena problema: ji mums per brangi. Viena „AT Energy“ baterija gali kainuoti apie 500 tūkstančių rublių. - eilės tvarka didesnė nei ličio polimero baterija. Taip, tai pusantro karto pigiau nei užsienio kolegos, bet mums reikia dešimties. Mes nesame kariškiai, turintys biudžetą, mes esame komercinė įmonė ir nepasiruošę mokėti didelių pinigų. Kariuomenei drono savybės yra svarbesnės nei jo kaina, o komercijai, priešingai, geriau leisti jam būti prastesniam, bet pigesniam.

„Drono skrydžio laikas yra svarbiausias daugelio užduočių veiksnys.

Maksimas Šinkevičius, Nepilotuojamų sistemų įmonių grupės generalinis direktorius

„Su „AT Energy“ esame gerai susipažinę ir su jais pasirašėme bendradarbiavimo sutartį. Neseniai baigėme kurti naują negabaritinį multikopterį, kurio naudingoji apkrova iki 2 kg, kuris bus varomas AT Energy kuro elementais ir skris jais nuo 2,5 iki 4 valandų. Naudojant ličio baterijas, toks dronas skraidytų tik 30 minučių. Šis dronas gali būti naudojamas tiek civiliniams, tiek kariniams tikslams – tai vaizdo stebėjimo kompleksas, skirtas žmonių paieškai ir gelbėjimui, jau esame pasiruošę jį paleisti į serijas. Jam jau turime pirmą civilį užsakovą, kai tik parodysime veikiant, atsiras kitos sutartys.

Viena iš pagrindinių masinio kuro elementų naudojimo problemų yra stočių, skirtų jiems įkrauti, tinklo trūkumas. Jie yra brangesni nei baterijos (dėl to bepiločio orlaivio kaina, naudojant juos, padidėja 15%), tačiau mainais jūs padidinsite skrydžio trukmę daugiau nei du kartus. Drono skrydžio laikas yra svarbiausias daugelio užduočių veiksnys.

Natalija Suvorova

Pažinimo mokslo ir technologijų ekologija: Vandenilio energija yra viena iš efektyviausių pramonės šakų, o kuro elementai išlaiko ją naujoviškų technologijų priešakyje.

Kuro elementas yra prietaisas, kuris per elektrocheminę reakciją efektyviai generuoja nuolatinę srovę ir šilumą iš vandenilio turinčio kuro.

Kuro elementas yra panašus į akumuliatorių, nes per cheminę reakciją sukuria nuolatinę srovę. Vėlgi, kaip ir akumuliatorius, kuro elementą sudaro anodas, katodas ir elektrolitas. Tačiau, skirtingai nei baterijos, kuro elementai negali kaupti elektros energijos, neišsikrauna ir nereikia elektros energijos įkrauti. Kuro elementai gali nuolat gaminti elektrą tol, kol jie turi kuro ir oro tiekimą. Tinkamas terminas veikiančiam kuro elementui apibūdinti yra elementų sistema, nes kai kurios pagalbinės sistemos turi tinkamai veikti.

Skirtingai nuo kitų elektros generatorių, tokių kaip vidaus degimo varikliai ar turbinos, kurios veikia dujomis, anglimis, mazutu ir pan., Kuro elementai nedegina kuro. Tai reiškia, kad nėra triukšmingų aukšto slėgio rotorių, nėra didelio išmetimo triukšmo, nėra vibracijos. Kuro elementai generuoja elektros energiją per tylią elektrocheminę reakciją. Kitas kuro elementų bruožas yra tai, kad jie paverčia kuro cheminę energiją tiesiogiai į elektros energiją, šilumą ir vandenį.

Kuro elementai yra labai efektyvūs ir neišskiria daug šiltnamio efektą sukeliančių dujų, tokių kaip anglies dioksidas, metanas ir azoto oksidas. Vieninteliai kuro elementų išmetami teršalai yra vanduo garų pavidalu ir nedidelis anglies dioksido kiekis, kuris visiškai neišsiskiria, jei kaip kuras naudojamas grynas vandenilis. Kuro elementai surenkami į mazgus, o vėliau į atskirus funkcinius modulius.

Kaip veikia kuro elementai

Kuro elementai generuoja elektrą ir šilumą elektrocheminėje reakcijoje, kuri vyksta naudojant elektrolitą, katodą ir anodą.

Anodas ir katodas yra atskirti elektrolitu, kuris praleidžia protonus. Po to, kai vandenilis patenka į anodą, o deguonis patenka į katodą, prasideda cheminė reakcija, dėl kurios susidaro elektros srovė, šiluma ir vanduo. Ant anodo katalizatoriaus molekulinis vandenilis disocijuoja ir praranda elektronus. Vandenilio jonai (protonai) yra nuvedami per elektrolitą į katodą, o elektronai praeina per elektrolitą ir praeina per išorinę elektros grandinę, sukuriant nuolatinę srovę, kurią galima naudoti įrangai maitinti. Ant katodo katalizatoriaus deguonies molekulė susijungia su elektronu (kuris tiekiamas iš išorinių ryšių) ir įeinančiu protonu ir sudaro vandenį, kuris yra vienintelis reakcijos produktas (garų ir (arba) skysčio pavidalu).

Toliau pateikiama atitinkama reakcija:

Reakcija prie anodo: 2H2 => 4H + + 4e-
Katodinė reakcija: O2 + 4H + + 4e- => 2H2O
Bendroji elemento reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O

Kuro elementų tipai

Panašiai kaip egzistuoja įvairių tipų vidaus degimo varikliai, yra įvairių kuro elementų tipų – tinkamo kuro elemento tipo pasirinkimas priklauso nuo pritaikymo.Kuro elementai skirstomi į aukštos temperatūros ir žemos temperatūros. Žemos temperatūros kuro elementams kaip kuras reikalingas palyginti grynas vandenilis.

Tai dažnai reiškia, kad norint paversti pirminį kurą (pvz., gamtines dujas) į gryną vandenilį, reikia apdoroti kurą. Šis procesas sunaudoja papildomą energiją ir reikalauja specialios įrangos. Aukštos temperatūros kuro elementams ši papildoma procedūra nereikalinga, nes jie gali „viduje konvertuoti“ kurą aukštesnėje temperatūroje, o tai reiškia, kad nereikia investuoti į vandenilio infrastruktūrą.

Kuro elementai išlydyto karbonato (RKTE) pagrindu.

Išlydyto karbonato elektrolito kuro elementai yra aukštos temperatūros kuro elementai. Aukšta darbinė temperatūra leidžia tiesiogiai naudoti gamtines dujas be procesoriaus ir mažo šilumingumo kuro dujas gamybos proceso kuruose ir iš kitų šaltinių. Šis procesas buvo sukurtas septintojo dešimtmečio viduryje. Nuo to laiko buvo patobulinta gamybos technologija, našumas ir patikimumas.

RKTE veikimas skiriasi nuo kitų kuro elementų. Šiose ląstelėse naudojamas elektrolitas iš išlydytų karbonato druskų mišinio. Šiuo metu naudojami dviejų tipų mišiniai: ličio karbonatas ir kalio karbonatas arba ličio karbonatas ir natrio karbonatas. Norint išlydyti karbonato druskas ir pasiekti aukštą jonų mobilumo laipsnį elektrolite, kuro elementai su išlydytu karbonato elektrolitu veikia aukštoje temperatūroje (650 °C). Efektyvumas svyruoja tarp 60-80%.

Įkaitinus iki 650 ° C, druskos tampa karbonato jonų (CO32-) laidininku. Šie jonai pereina iš katodo į anodą, kur jie susijungia su vandeniliu ir sudaro vandenį, anglies dioksidą ir laisvuosius elektronus. Šie elektronai per išorinę elektros grandinę nukreipiami atgal į katodą, generuodami elektros srovę ir šilumą kaip šalutinį produktą.

Reakcija prie anodo: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Katodinė reakcija: CO2 + 1 / 2O2 + 2e- => CO32-
Bendra elemento reakcija: H2 (g) + 1 / 2O2 (g) + CO2 (katodas) => H2O (g) + CO2 (anodas)

Aukšta išlydyto karbonato elektrolito kuro elementų darbo temperatūra turi tam tikrų pranašumų. Esant aukštai temperatūrai, gamtinės dujos pertvarkomos iš vidaus, todėl nebereikia kuro procesoriaus. Be to, privalumai apima galimybę naudoti standartines konstrukcines medžiagas, tokias kaip nerūdijančio plieno lakštai ir nikelio katalizatorius ant elektrodų. Panaudota šiluma gali būti naudojama aukšto slėgio garams gaminti įvairiems pramonės ir komerciniams tikslams.

Aukšta reakcijos temperatūra elektrolite taip pat turi savo privalumų. Aukštos temperatūros naudojimas užtrunka ilgai, kol pasiekiamos optimalios darbo sąlygos, o sistema lėčiau reaguoja į energijos suvartojimo pokyčius. Šios charakteristikos leidžia naudoti kuro elementų įrenginius su išlydytu karbonato elektrolitu esant pastoviai galiai. Aukšta temperatūra apsaugo nuo anglies monoksido žalos kuro elementui, „apsinuodijimo“ ir kt.

Išlydyto karbonato elektrolito kuro elementai yra tinkami naudoti dideliuose stacionariuose įrenginiuose. Šiluminės elektrinės, kurių išėjimo galia yra 2,8 MW, gaminamos pramoniniu būdu. Plėtojami įrenginiai, kurių išėjimo galia iki 100 MW.

Fosforo rūgšties kuro elementai (FCTE).

Fosforo (ortofosforo) rūgšties kuro elementai buvo pirmieji komerciniam naudojimui skirti kuro elementai. Šis procesas buvo sukurtas septintojo dešimtmečio viduryje ir buvo išbandytas nuo aštuntojo dešimtmečio. Nuo to laiko padidėjo stabilumas, sumažėjo našumas ir sumažėjo sąnaudos.

Kuro elementuose, kurių pagrindą sudaro fosforo (ortofosforo) rūgštis, naudojamas elektrolitas fosforo rūgšties (H3PO4) pagrindu, kurio koncentracija yra iki 100%. Fosforo rūgšties joninis laidumas žemoje temperatūroje yra mažas, todėl šie kuro elementai naudojami iki 150–220 °C temperatūroje.

Šio tipo kuro elementų krūvininkas yra vandenilis (H +, protonas). Panašus procesas vyksta kuro elementuose su protonų mainų membrana (MOPTE), kai į anodą tiekiamas vandenilis yra atskiriamas į protonus ir elektronus. Protonai keliauja per elektrolitą ir jungiasi su deguonimi iš oro prie katodo, sudarydami vandenį. Elektronai nukreipiami per išorinę elektros grandinę, sukuriant elektros srovę. Žemiau pateikiamos reakcijos, kurios sukelia elektrą ir šilumą.

Reakcija prie anodo: 2H2 => 4H + + 4e-
Katodo reakcija: O2 (g) + 4H + + 4e- => 2H2O
Bendroji elemento reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O

Kuro elementų, kurių pagrindą sudaro fosforo (ortofosforo) rūgštis, efektyvumas generuojant elektros energiją yra didesnis nei 40%. Bendras šilumos ir elektros energijos gamybos efektyvumas yra apie 85%. Be to, atsižvelgiant į darbo temperatūrą, atliekų šiluma gali būti naudojama vandeniui šildyti ir atmosferos slėgio garams gaminti.

Didelis kuro elementų, kurių pagrindą sudaro fosforo (ortofosforo) rūgštis, šilumos ir elektrinių našumas kartu gaminant šilumą ir elektrą yra vienas iš šio tipo kuro elementų privalumų. Gamyklose naudojamas apie 1,5% koncentracijos anglies monoksidas, kuris žymiai išplečia kuro pasirinkimą. Be to, CO2 neturi įtakos elektrolitui ir kuro elemento darbui, šio tipo elementai veikia su reformuotu natūraliu kuru. Paprasta konstrukcija, mažas elektrolitų lakumas ir padidėjęs stabilumas taip pat yra šio tipo kuro elementų pranašumai.

Šiluminės elektrinės, kurių išėjimo galia yra iki 400 kW, gaminamos pramoniniu būdu. 11 MW agregatai buvo atitinkamai išbandyti. Plėtojami įrenginiai, kurių išėjimo galia iki 100 MW.

Membraniniai protonų mainų kuro elementai (MOPTE)

Membraniniai kuro elementai laikomi geriausiu kuro elementų tipu transporto priemonės galiai generuoti, galinčiu pakeisti benzininius ir dyzelinius vidaus degimo variklius. Šiuos kuro elementus NASA pirmą kartą panaudojo Gemini programai. Šiandien kuriami ir demonstruojami MOPTE agregatai, kurių galia nuo 1W iki 2 kW.

Šie kuro elementai naudoja kietą polimerinę membraną (ploną plastikinę plėvelę) kaip elektrolitą. Įmirkytas vandeniu, šis polimeras leidžia protonams prasiskverbti, bet nelaidžia elektronams.

Kuras yra vandenilis, o krūvininkas yra vandenilio jonas (protonas). Prie anodo vandenilio molekulė suskaidoma į vandenilio joną (protoną) ir elektronus. Vandenilio jonai pereina per elektrolitą į katodą, o elektronai juda aplink išorinį ratą ir gamina elektros energiją. Deguonis, paimtas iš oro, tiekiamas į katodą ir susijungia su elektronais ir vandenilio jonais, sudarydamas vandenį. Ant elektrodų vyksta šios reakcijos:

Reakcija prie anodo: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Katodo reakcija: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Bendroji elemento reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O

Palyginti su kitų tipų kuro elementais, protonų mainų membranos kuro elementai gamina daugiau energijos tam tikram kuro elemento tūriui arba svoriui. Ši savybė leidžia jiems būti kompaktiškiems ir lengviems. Be to, darbinė temperatūra yra mažesnė nei 100 ° C, o tai leidžia greitai pradėti darbą. Šios charakteristikos, taip pat galimybė greitai pakeisti energijos išeigą, yra tik keletas savybių, dėl kurių šie kuro elementai yra tinkamiausias naudoti transporto priemonėse.

Kitas privalumas yra tai, kad elektrolitas yra kieta, o ne skysta medžiaga. Su kietu elektrolitu lengviau išlaikyti dujas prie katodo ir anodo, todėl tokius kuro elementus pigiau gaminti. Palyginti su kitais elektrolitais, naudojant kietą elektrolitą, nekyla tokių sunkumų kaip orientacija, mažiau problemų kyla dėl korozijos atsiradimo, dėl ko pailgėja elemento ir jo komponentų tarnavimo laikas.

Kietojo oksido kuro elementai (SOFC)

Kietojo oksido kuro elementai yra kuro elementai, kurių darbinė temperatūra yra aukščiausia. Darbinę temperatūrą galima keisti nuo 600°C iki 1000°C, todėl galima naudoti įvairių rūšių degalus be specialaus išankstinio apdorojimo. Norint valdyti tokias aukštas temperatūras, naudojamas elektrolitas yra plonas keramikos pagrindu pagamintas kietas metalo oksidas, dažnai itrio ir cirkonio lydinys, kuris yra deguonies (O2-) jonų laidininkas. Kietojo oksido kuro elementų naudojimo technologija buvo vystoma nuo šeštojo dešimtmečio pabaigos. ir turi dvi konfigūracijas: plokščias ir vamzdines.

Kietasis elektrolitas užtikrina hermetišką dujų perėjimą nuo vieno elektrodo prie kito, o skysti elektrolitai yra porėtame substrate. Šio tipo kuro elementų krūvininkas yra deguonies jonas (O2-). Prie katodo deguonies molekulės iš oro yra atskiriamos į deguonies joną ir keturis elektronus. Deguonies jonai praeina per elektrolitą ir susijungia su vandeniliu, sudarydami keturis laisvus elektronus. Elektronai nukreipiami per išorinę elektros grandinę, sukuriant elektros srovę ir atliekamą šilumą.

Reakcija prie anodo: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Katodo reakcija: O2 + 4e- => 2O2-
Bendroji elemento reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O

Sukurtos elektros energijos efektyvumas yra didžiausias iš visų kuro elementų - apie 60%. Be to, aukšta darbo temperatūra leidžia kombinuotai gaminti šilumą ir elektros energiją, kad būtų generuojami aukšto slėgio garai. Aukštos temperatūros kuro elementą sujungus su turbina, galima sukurti hibridinį kuro elementą, kuris padidintų elektros energijos gamybos efektyvumą iki 70%.

Kietojo oksido kuro elementai veikia esant labai aukštai temperatūrai (600°C – 1000°C), o tai užtrunka ilgai, kol pasiekiamos optimalios darbo sąlygos, o sistema lėčiau reaguoja į energijos suvartojimo pokyčius. Esant tokioms aukštoms eksploatacinėms temperatūroms, keitiklio vandenilį iš kuro atgauti nereikia, todėl šiluminė elektrinė gali dirbti su santykinai nešvariu kuru, susidariusiu dėl anglies arba išmetamųjų dujų dujinimo ir panašiai. Be to, šis kuro elementas puikiai tinka didelės galios darbui, įskaitant pramonines ir dideles centrines elektrines. Parduodami moduliai, kurių išėjimo elektros galia yra 100 kW.

Tiesioginio metanolio oksidacijos kuro elementai (POMTE)

Kuro elementų su tiesiogine metanolio oksidacija naudojimo technologija aktyviai vystosi. Jis sėkmingai įsitvirtino mobiliųjų telefonų, nešiojamųjų kompiuterių maitinimo, taip pat nešiojamų maitinimo šaltinių kūrimo srityje. ko siekiama ateityje naudojant šiuos elementus.

Kuro elementų su tiesiogine metanolio oksidacija konstrukcija yra panaši į kuro elementus su protonų mainų membrana (MOPTE), t.y. polimeras naudojamas kaip elektrolitas, o vandenilio jonas (protonas) naudojamas kaip krūvio nešiklis. Tačiau skystas metanolis (CH3OH) oksiduojasi esant vandeniui prie anodo, išskirdamas CO2, vandenilio jonus ir elektronus, kurie nukreipiami per išorinę elektros grandinę, taip generuodami elektros srovę. Vandenilio jonai praeina per elektrolitą ir reaguoja su deguonimi iš oro ir elektronais iš išorinės grandinės, sudarydami vandenį prie anodo.

Reakcija prie anodo: CH3OH + H2O => CO2 + 6H + + 6e-
Katodinė reakcija: 3 / 2O2 + 6H + + 6e- => 3H2O
Bendroji elemento reakcija: CH3OH + 3 / 2O2 => CO2 + 2H2O

Šių kuro elementų kūrimas prasidėjo 1990-ųjų pradžioje. Sukūrus patobulintus katalizatorius ir įdiegus kitas naujausias naujoves, galios tankis ir efektyvumas buvo padidintas iki 40%.

Šie elementai buvo išbandyti 50–120 °C temperatūros diapazone. Dėl žemos darbinės temperatūros ir nereikalaujančio keitiklio tiesioginės oksidacijos metanolio kuro elementai yra geriausias kandidatas naudoti tiek mobiliuosiuose telefonuose, tiek kitose plataus vartojimo prekėse ir automobilių varikliuose. Šio tipo kuro elementų privalumas yra mažas dydis dėl skystojo kuro naudojimo ir keitiklio nebuvimo.

Šarminiai kuro elementai (SHFC)

Šarminiai kuro elementai (ALFC) yra viena iš labiausiai ištirtų technologijų, naudotų nuo septintojo dešimtmečio vidurio. NASA „Apollo“ ir „Space Shuttle“ programose. Šiuose erdvėlaiviuose kuro elementai gamina elektrą ir geriamąjį vandenį. Šarminio kuro elementai yra vienas iš efektyviausių elementų, naudojamų elektros energijai gaminti, o energijos gamybos efektyvumas siekia iki 70%.

Šarminiuose kuro elementuose naudojamas elektrolitas, tai yra vandeninis kalio hidroksido tirpalas, esantis poringoje stabilizuotoje matricoje. Kalio hidroksido koncentracija gali skirtis priklausomai nuo kuro elemento darbinės temperatūros, kuri svyruoja nuo 65 ° C iki 220 ° C. Krūvio nešiklis SHFC yra hidroksilo jonas (OH-), kuris juda nuo katodo iki anodo, kur reaguoja su vandeniliu, gamindamas vandenį ir elektronus. Ant anodo pagamintas vanduo grįžta atgal į katodą ir vėl sukuria hidroksilo jonus. Ši kuro elemento reakcijų serija gamina elektrą ir, kaip šalutinį produktą, šilumą:

Reakcija prie anodo: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Katodo reakcija: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Bendras sistemos atsakas: 2H2 + O2 => 2H2O

SHFC privalumas yra tas, kad šiuos kuro elementus gaminti yra pigiausia, nes ant elektrodų reikalingas katalizatorius gali būti bet kuri medžiaga, kuri yra pigesnė už tas, kurios naudojamos kaip kitų kuro elementų katalizatoriai. Be to, SCFC veikia palyginti žemoje temperatūroje ir yra vienas efektyviausių kuro elementų – tokios charakteristikos atitinkamai gali prisidėti prie energijos gamybos pagreitėjimo ir didelio kuro efektyvumo.

Viena iš būdingų SHFC savybių yra didelis jautrumas CO2, kuris gali būti degaluose arba ore. CO2 reaguoja su elektrolitu, greitai jį nuodija ir labai sumažina kuro elemento efektyvumą. Todėl SHTE naudojimas apsiriboja uždaromis erdvėmis, tokiomis kaip kosminės ir povandeninės transporto priemonės, jos turi veikti naudojant gryną vandenilį ir deguonį. Be to, tokios molekulės kaip CO, H2O ir CH4, kurios yra saugios kitiems kuro elementams, o kai kuriems iš jų netgi kuras, kenkia SHFC.

Polimerinio elektrolito kuro elementai (PETE)

Polimerinių elektrolitų kuro elementų atveju polimero membrana susideda iš polimerinių pluoštų su vandens sritimis, kuriose vandens jonų laidumas H2O + (protonas, raudonas) yra prijungtas prie vandens molekulės. Vandens molekulės kelia problemų dėl lėto jonų mainų. Todėl tiek degaluose, tiek išleidimo elektroduose reikalinga didelė vandens koncentracija, kuri riboja darbo temperatūrą iki 100 ° C.

Kietosios rūgšties kuro elementai (TKTE)

Kietosios rūgšties kuro elementuose elektrolitas (CsHSO4) neturi vandens. Todėl darbinė temperatūra yra 100-300 °C. Deguonies anijonų SO42 sukimasis leidžia protonams (raudoniems) judėti, kaip parodyta paveikslėlyje.

Paprastai kietos rūgšties kuro elementas yra sumuštinis, kuriame labai plonas kietos rūgšties junginio sluoksnis yra įterptas tarp dviejų sandariai suspaustų elektrodų, kad būtų užtikrintas geras kontaktas. Kaitinamas organinis komponentas išgaruoja, išeina per elektroduose esančias poras, išsaugodamas daugkartinio kontakto tarp kuro (arba deguonies kitame elementų gale), elektrolito ir elektrodų galimybę.

Kuro elementų tipas	Darbinė temperatūra	Energijos gamybos efektyvumas	Kuro tipas	Taikymo sritis
RKTE	550-700 ° C temperatūroje	50-70%		Vidutiniai ir dideli įrenginiai
FKTE	100-220 °C	35-40%	Grynas vandenilis	Didelės instaliacijos
MOPTE	30-100°C	35-50%	Grynas vandenilis	Mažos instaliacijos
SOFC	450-1000 ° C temperatūroje	45-70%	Dauguma angliavandenilių kuro	Maži, vidutiniai ir dideli įrenginiai
POMTE	20-90°C	20-30%	Metanolis	Nešiojami įrenginiai
SHTE	50-200 °C	40-65%	Grynas vandenilis	Kosmoso tyrinėjimas
PETE	30-100°C	35-50%	Grynas vandenilis	Mažos instaliacijos

Prisijunkite prie mūsų

Kuro elementas Ar elektrocheminis prietaisas, panašus į galvaninį elementą, bet skiriasi nuo jo tuo, kad medžiagos elektrocheminei reakcijai į jį tiekiamos iš išorės – priešingai nei ribotas energijos kiekis, sukauptas galvaniniame elemente ar baterijoje.

Ryžiai. 1. Kai kurie kuro elementai

Kuro elementai cheminę kuro energiją paverčia elektra, aplenkdami neefektyvius degimo procesus, kurie vyksta su dideliais nuostoliais. Dėl cheminės reakcijos jie vandenilį ir deguonį paverčia elektra. Dėl šio proceso susidaro vanduo ir išsiskiria daug šilumos. Kuro elementas yra labai panašus į akumuliatorių, kurį galima įkrauti ir išnaudoti sukaupta elektros energija. Manoma, kad kuro elemento išradėjas yra Williamas R. Grove'as, kuris jį išrado dar 1839 m. Šiame kuro elemente kaip elektrolitas buvo naudojamas sieros rūgšties tirpalas, o kaip kuras – vandenilis, kuris oksiduojančioje terpėje buvo sujungtas su deguonimi. Iki šiol kuro elementai buvo naudojami tik laboratorijose ir erdvėlaiviuose.

Ryžiai. 2.

Kuro elementai neturi judančių dalių (bent jau pačioje kameroje) ir todėl nepaklūsta Carnot dėsniui. Tai yra, jie turės didesnį nei 50% efektyvumą ir yra ypač veiksmingi esant mažoms apkrovoms. Taigi, kuro elementų transporto priemonės gali (ir jau buvo įrodyta) ekonomiškesnės nei įprastos transporto priemonės realiomis vairavimo sąlygomis.

Kuro elementas generuoja nuolatinę įtampą, kuri gali būti naudojama elektros varikliui, apšvietimo įtaisams ir kitoms transporto priemonės elektros sistemoms vairuoti.

Yra keletas kuro elementų tipų, kurie skiriasi naudojamais cheminiais procesais. Kuro elementai paprastai klasifikuojami pagal naudojamo elektrolito tipą.

Kai kurios kuro elementų rūšys yra perspektyvios naudoti kaip jėgainių jėgainėms, o kitos - nešiojamiesiems įrenginiams ar automobiliams vairuoti.

1. Šarminiai kuro elementai (SHFC)

Šarminis kuro elementas- tai vienas iš pirmųjų sukurtų elementų. Šarminiai kuro elementai (ALFC) yra viena iš labiausiai ištirtų technologijų, NASA naudotų „Apollo“ ir „Space Shuttle“ programose nuo septintojo dešimtmečio vidurio. Šiuose erdvėlaiviuose kuro elementai gamina elektrą ir geriamąjį vandenį.

Ryžiai. 3.

Šarminio kuro elementai yra vienas iš efektyviausių elektros gamybai naudojamų elementų, o energijos gamybos efektyvumas siekia iki 70%.

Šarminiuose kuro elementuose naudojamas elektrolitas, tai yra vandeninis kalio hidroksido tirpalas, esantis poringoje stabilizuotoje matricoje. Kalio hidroksido koncentracija gali skirtis priklausomai nuo kuro elemento darbinės temperatūros, kuri svyruoja nuo 65 ° C iki 220 ° C. Krūvio nešiklis SHFC yra hidroksilo jonas (OH-), kuris juda nuo katodo iki anodo, kur reaguoja su vandeniliu, gamindamas vandenį ir elektronus. Ant anodo pagamintas vanduo grįžta atgal į katodą ir vėl sukuria hidroksilo jonus. Šios reakcijų serijos kuro elemente gamina elektros energiją ir, kaip šalutinį produktą, šilumą:

Reakcija prie anodo: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Katodinė reakcija: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Bendras sistemos atsakas: 2H2 + O2 => 2H2O

SHFC privalumas yra tas, kad šie kuro elementai yra pigiausi gamyboje, nes ant elektrodų reikalingas katalizatorius gali būti bet kuri medžiaga, kuri yra pigesnė nei tos, kurios naudojamos kaip kitų kuro elementų katalizatoriai. Be to, SCHE veikia palyginti žemoje temperatūroje ir yra vieni efektyviausių.

2. Kuro elementai, kurių pagrindą sudaro išlydytas karbonatas (RKTE)

Kuro elementai su išlydytu karbonato elektrolitu yra aukštos temperatūros kuro elementai. Aukšta darbinė temperatūra leidžia tiesiogiai naudoti gamtines dujas be procesoriaus ir mažo šilumingumo kuro dujas gamybos proceso kuruose ir iš kitų šaltinių. Šis procesas buvo sukurtas XX amžiaus 60-ųjų viduryje. Nuo to laiko buvo patobulinta gamybos technologija, našumas ir patikimumas.

Ryžiai. 4.

Kaitinant iki 650 °C, druskos tampa karbonato jonų (CO32-) laidininku. Šie jonai keliauja nuo katodo iki anodo, kur jie susijungia su vandeniliu ir sudaro vandenį, anglies dioksidą ir laisvuosius elektronus. Šie elektronai per išorinę elektros grandinę nukreipiami atgal į katodą, generuodami elektros srovę ir šilumą kaip šalutinį produktą.

Anodo reakcija: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Katodinė reakcija: CO2 + 1 / 2O2 + 2e- => CO32-

Bendra elemento reakcija: H2 (g) + 1 / 2O2 (g) + CO2 (katodas) => H2O (g) + CO2 (anodas)

Aukšta išlydyto karbonato elektrolito kuro elementų darbo temperatūra turi tam tikrų pranašumų. Privalumas – galimybė naudoti standartines medžiagas (nerūdijančio plieno lakštą ir nikelio katalizatorių ant elektrodų). Atliekinė šiluma gali būti naudojama aukšto slėgio garams generuoti. Aukšta reakcijos temperatūra elektrolite taip pat turi savo privalumų. Aukštos temperatūros naudojimas užtrunka ilgai, kol pasiekiamos optimalios darbo sąlygos, o sistema lėčiau reaguoja į energijos suvartojimo pokyčius. Šios charakteristikos leidžia naudoti kuro elementų įrenginius su išlydytu karbonato elektrolitu esant pastoviai galiai. Aukšta temperatūra apsaugo nuo anglies monoksido žalos kuro elementui, apsinuodijimo ir pan.

3. Kuro elementai, kurių pagrindą sudaro fosforo rūgštis (FCTE)

Kuro elementai, kurių pagrindą sudaro fosforo (ortofosforo) rūgštis tapo pirmaisiais komerciniam naudojimui skirtais kuro elementais. Šis procesas buvo sukurtas XX amžiaus 60 -ųjų viduryje, bandymai buvo atliekami nuo XX amžiaus 70 -ųjų. Dėl to padidėjo stabilumas ir našumas, o kaina sumažėjo.

Ryžiai. 5.

Reakcija anode: 2H2 => 4H + + 4e

Katodo reakcija: O2 (g) + 4H + + 4e- => 2H2O

Bendroji elemento reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O

Didelis kuro elementų, kurių pagrindą sudaro fosforo (ortofosforo) rūgštis, šilumos ir elektrinių našumas kartu gaminant šilumą ir elektrą yra vienas iš šio tipo kuro elementų privalumų. Augalai naudoja anglies monoksidą, kurio koncentracija yra apie 1,5%, o tai žymiai išplečia kuro pasirinkimą. Paprasta konstrukcija, mažas elektrolitų lakumas ir didesnis stabilumas taip pat yra tokių kuro elementų privalumai.

Šiluminės elektrinės, kurių išėjimo galia yra iki 400 kW, gaminamos pramoniniu būdu. Atitinkamai buvo išbandyti 11 MW galios įrenginiai. Plėtojami įrenginiai, kurių išėjimo galia iki 100 MW.

4. Kuro elementai su protonų mainų membrana (MOPTE)

Kuro elementai su protonų mainų membrana yra laikomi geriausiu kuro elementų tipu transporto priemonėms energijai gaminti, kurie gali pakeisti benzininius ir dyzelinius vidaus degimo variklius. Šiuos kuro elementus NASA pirmą kartą panaudojo Gemini programai. Buvo sukurti ir parodyti MOPTE įrenginiai, kurių galia yra nuo 1 W iki 2 kW.

Ryžiai. 6.

Šių kuro elementų elektrolitas yra kieta polimerinė membrana (plona plastikinė plėvelė). Įmirkytas vandeniu, šis polimeras leidžia protonams prasiskverbti, bet nelaidžia elektronams.

Kuras yra vandenilis, o krūvininkas yra vandenilio jonas (protonas). Ant anodo vandenilio molekulė suskaidoma į vandenilio joną (protoną) ir elektronus. Vandenilio jonai pereina per elektrolitą į katodą, o elektronai juda aplink išorinį ratą ir gamina elektros energiją. Deguonis, paimtas iš oro, tiekiamas į katodą ir susijungia su elektronais ir vandenilio jonais, sudarydamas vandenį. Ant elektrodų vyksta šios reakcijos: Reakcija prie anodo: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e Reakcija prie katodo: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Bendra ląstelių reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O Palyginti su kitais kuro elementų tipai, kuro elementai protonų mainų membrana gamina daugiau energijos tam tikram kuro elemento tūriui arba svoriui. Ši funkcija leidžia jiems būti kompaktiškiems ir lengviems. Be to, darbinė temperatūra yra mažesnė nei 100 ° C, o tai leidžia greitai pradėti darbą. Šios charakteristikos, taip pat galimybė greitai pakeisti energijos išeigą, yra tik keletas dalykų, dėl kurių šie kuro elementai yra tinkamiausias naudoti transporto priemonėse.

Kitas privalumas – elektrolitas yra kietas, o ne skystas. Kietu elektrolitu lengviau išlaikyti dujas prie katodo ir anodo, todėl tokius kuro elementus pigiau pagaminti. Naudojant kietą elektrolitą, nėra tokių sunkumų kaip orientacija ir mažiau problemų dėl korozijos atsiradimo, dėl ko pailgėja elemento ir jo komponentų tarnavimo laikas.

Ryžiai. 7.

5. Kietojo oksido kuro elementai (SOFC)

Kietojo oksido kuro elementai yra kuro elementai, kurių darbinė temperatūra aukščiausia. Darbinę temperatūrą galima keisti nuo 600°C iki 1000°C, todėl galima naudoti įvairių rūšių degalus be specialaus išankstinio apdorojimo. Norint valdyti tokias aukštas temperatūras, naudojamas elektrolitas yra plonas keramikos pagrindu pagamintas kietas metalo oksidas, dažnai itrio ir cirkonio lydinys, kuris yra deguonies (O2-) jonų laidininkas. Kietojo oksido kuro elementų naudojimo technologija buvo kuriama nuo 1950 -ųjų pabaigos ir turi dvi konfigūracijas: plokščias ir vamzdines.

Ryžiai. aštuoni.

Reakcija prie anodo: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Katodo reakcija: O2 + 4e- => 2O2-

Bendroji elemento reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O

Elektros energijos gamybos efektyvumas yra didžiausias iš visų kuro elementų – apie 60%. Be to, aukšta darbo temperatūra leidžia kombinuotai gaminti šilumą ir elektros energiją, kad būtų generuojami aukšto slėgio garai. Aukštos temperatūros kuro elementą sujungus su turbina, galima sukurti hibridinį kuro elementą, kuris padidintų elektros energijos gamybos efektyvumą iki 70%.

Kietojo oksido kuro elementai veikia labai aukštoje temperatūroje (600°C-1000°C), todėl užtrunka daug laiko, kad būtų pasiektos optimalios darbo sąlygos, o sistema lėčiau reaguoja į energijos suvartojimo pokyčius. Esant tokioms aukštoms eksploatacinėms temperatūroms, keitiklio vandenilį iš kuro atgauti nereikia, todėl šiluminė elektrinė gali dirbti su santykinai nešvariu kuru, susidariusiu dėl anglies arba išmetamųjų dujų dujinimo ir panašiai. Be to, šis kuro elementas puikiai tinka didelės galios darbui, įskaitant pramonines ir dideles centrines elektrines. Parduodami moduliai, kurių išėjimo elektros galia yra 100 kW.

6. Kuro elementai su tiesiogine metanolio oksidacija (POMTE)

Kuro elementai su tiesiogine metanolio oksidacija Jie sėkmingai naudojami mobiliųjų telefonų, nešiojamųjų kompiuterių maitinimo srityje, taip pat kuriant nešiojamus maitinimo šaltinius, o tai ir yra siekiama ateityje naudoti tokius elementus.

Kuro elementų su tiesiogine metanolio oksidacija konstrukcija yra panaši į kuro elementų su protonų mainų membrana (MOPTE) konstrukciją, t.y. polimeras naudojamas kaip elektrolitas, o vandenilio jonas (protonas) naudojamas kaip krūvio nešiklis. Tačiau skystas metanolis (CH3OH) oksiduojasi esant vandeniui prie anodo, išskiriant CO2, vandenilio jonus ir elektronus, kurie nukreipiami palei išorinę elektros grandinę, o susidaro elektros srovė. Vandenilio jonai praeina per elektrolitą ir reaguoja su deguonimi iš oro ir elektronais iš išorinės grandinės, sudarydami vandenį prie anodo.

Reakcija anode: CH3OH + H2O => CO2 + 6H + + 6e Reakcija prie katodo: 3 / 2O2 + 6H + + 6e- => 3H2O Bendra elemento reakcija: CH3OH + 3 / 2O2 => CO2 + 2H2O Tokių kuro elementų kūrimas buvo vykdomas nuo XX amžiaus pradžios90-x metų, o jų galios tankis ir efektyvumas buvo padidintas iki 40%.

Šie elementai buvo išbandyti 50–120 °C temperatūros diapazone. Dėl žemos darbinės temperatūros ir to, kad nereikia keitiklio, tokie kuro elementai geriausiai tinka mobiliuosiuose telefonuose ir kitose plataus vartojimo prekėse, taip pat automobilių varikliuose. Jų pranašumas taip pat yra mažas dydis.

7. Polimerinių elektrolitų kuro elementai (PETE)

8. Kietosios rūgšties kuro elementai (TKTE)

Kietosios rūgšties kuro elementuose elektrolitas (CsHSO4) neturi vandens. Todėl darbinė temperatūra yra 100-300 °C. Oksianijonų SO42 sukimasis leidžia protonams (raudoniems) judėti, kaip parodyta paveikslėlyje. Paprastai kietos rūgšties kuro elementas yra sumuštinis, kuriame labai plonas kietos rūgšties junginio sluoksnis yra įterptas tarp dviejų sandariai suspaustų elektrodų, kad būtų užtikrintas geras kontaktas. Kaitinamas organinis komponentas išgaruoja, išeina per elektroduose esančias poras, išsaugodamas galimybę užmegzti daugybę kontaktų tarp kuro (arba deguonies kitame elementų gale), elektrolito ir elektrodų.

Ryžiai. devynios.

9. Kuro elementų svarbiausių charakteristikų palyginimas

Kuro elementų charakteristikos

Kuro elementų tipas	Darbinė temperatūra	Energijos gamybos efektyvumas	Kuro tipas	Taikymo sritis
				Vidutiniai ir dideli įrenginiai
			Grynas vandenilis	instaliacijos
			Grynas vandenilis	Mažos instaliacijos
			Dauguma angliavandenilių kuro	Maži, vidutiniai ir dideli įrenginiai
				Nešiojamas instaliacijos
			Grynas vandenilis	Erdvė tiriant
			Grynas vandenilis	Mažos instaliacijos

Ryžiai. dešimt.

10. Kuro elementų naudojimas automobiliuose

Ryžiai. vienuolika.

Ryžiai. 12.

Kuro elementų / elementų privalumai

Kuro elementas / elementas yra prietaisas, kuris per elektrocheminę reakciją efektyviai generuoja nuolatinę srovę ir šilumą iš kuro, kuriame gausu vandenilio.

Kuro elementas yra panašus į akumuliatorių, nes per cheminę reakciją sukuria nuolatinę srovę. Kuro elementą sudaro anodas, katodas ir elektrolitas. Tačiau, skirtingai nei baterijos, kuro elementai / elementai negali kaupti elektros energijos, neišsikrauna ir nereikia elektros energijos įkrauti. Kuro elementai / elementai gali nuolat gaminti elektrą tol, kol jie turi kuro ir oro tiekimą.

Skirtingai nuo kitų elektros generatorių, tokių kaip vidaus degimo varikliai ar turbinos, veikiančios dujomis, anglimi, mazutu ir kt., kuro elementai / elementai nedegina kuro. Tai reiškia, kad nėra triukšmingų aukšto slėgio rotorių, nėra didelio išmetimo triukšmo, nėra vibracijos. Kuro elementai / elementai generuoja elektrą per tylią elektrocheminę reakciją. Kitas kuro elementų / elementų bruožas yra tai, kad jie paverčia kuro cheminę energiją tiesiogiai į elektros energiją, šilumą ir vandenį.

Kuro elementai yra labai efektyvūs ir neišskiria daug šiltnamio efektą sukeliančių dujų, tokių kaip anglies dioksidas, metanas ir azoto oksidas. Vienintelis produktas, išsiskiriantis eksploatacijos metu, yra vanduo garų pavidalu ir nedidelis anglies dioksido kiekis, kuris visiškai neišsiskiria, jei kaip kuras naudojamas grynas vandenilis. Kuro elementai / elementai surenkami į mazgus, o vėliau į atskirus funkcinius modulius.

Kuro elementų / elementų vystymosi istorija

1950-aisiais ir 1960-aisiais viena iš sudėtingiausių kuro elementų užduočių kilo dėl Nacionalinės aeronautikos ir kosmoso administracijos (NASA) poreikio energijos šaltiniams ilgalaikėms kosminėms misijoms. NASA šarminis kuro elementas / elementas naudoja vandenilį ir deguonį kaip kurą, sujungdami juos elektrocheminėje reakcijoje. Rezultatas yra trys naudingi šalutiniai reakcijos į kosmosą produktai - elektra erdvėlaiviui maitinti, vanduo geriamojo ir aušinimo sistemoms ir šiluma, kad astronautai būtų šilti.

Kuro elementų atradimai datuojami XIX amžiaus pradžioje. Pirmieji kuro elementų poveikio įrodymai buvo gauti 1838 m.

Trečiojo dešimtmečio pabaigoje buvo pradėti kurti kuro elementai su šarminiu elektrolitu, o 1939 m. buvo pastatytas elementas naudojant aukšto slėgio nikeliuotus elektrodus. Antrojo pasaulinio karo metu buvo kuriami Britanijos karinio jūrų laivyno povandeninių laivų kuro elementai ir elementai, o 1958 m. Buvo pristatytas kuro rinkinys, sudarytas iš šarminių kuro elementų / elementų, kurių skersmuo šiek tiek didesnis nei 25 cm.

Susidomėjimas išaugo šeštajame ir šeštajame dešimtmečiuose, taip pat devintajame dešimtmetyje, kai pramonės pasaulis patyrė mazuto trūkumą. Tuo pačiu laikotarpiu pasaulio šalys taip pat susirūpino oro taršos problema ir svarstė aplinkai nekenksmingos elektros gamybos būdus. Šiuo metu kuro elementų / elementų gamybos technologija išgyvena spartaus vystymosi etapą.

Kaip veikia kuro elementai / elementai

Kuro elementai / elementai generuoja elektrą ir šilumą elektrocheminėje reakcijoje, kuri vyksta naudojant elektrolitą, katodą ir anodą.

Ant anodo katalizatoriaus molekulinis vandenilis disocijuoja ir praranda elektronus. Vandenilio jonai (protonai) yra nuvedami per elektrolitą į katodą, o elektronai praeina per elektrolitą ir praeina per išorinę elektros grandinę, sukuriant nuolatinę srovę, kurią galima naudoti įrangai maitinti. Ant katodo katalizatoriaus deguonies molekulė susijungia su elektronu (kuris tiekiamas iš išorinių ryšių) ir įeinančiu protonu ir sudaro vandenį, kuris yra vienintelis reakcijos produktas (garų ir (arba) skysčio pavidalu).

Toliau pateikiama atitinkama reakcija:

Reakcija prie anodo: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakcija prie katodo: O 2 + 4H + + 4e - => 2H 2 O
Bendroji elemento reakcija: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Kuro elementų / elementų tipai ir įvairovė

Panašiai kaip egzistuoja įvairių tipų vidaus degimo varikliai, yra įvairių kuro elementų tipų – tinkamo kuro elemento tipo pasirinkimas priklauso nuo pritaikymo.

Kuro elementai skirstomi į aukštos temperatūros ir žemos temperatūros. Žemos temperatūros kuro elementams kaip kuras reikalingas palyginti grynas vandenilis. Tai dažnai reiškia, kad norint paversti pirminį kurą (pvz., gamtines dujas) į gryną vandenilį, reikia apdoroti kurą. Šis procesas sunaudoja papildomą energiją ir reikalauja specialios įrangos. Aukštos temperatūros kuro elementams ši papildoma procedūra nereikalinga, nes jie gali „viduje konvertuoti“ kurą aukštesnėje temperatūroje, o tai reiškia, kad nereikia investuoti į vandenilio infrastruktūrą.

Kuro elementai / elementai ant išlydyto karbonato (RKTE)

Kaitinant iki 650 °C, druskos tampa karbonato jonų (CO 3 2-) laidininku. Šie jonai pereina iš katodo į anodą, kur jie susijungia su vandeniliu ir sudaro vandenį, anglies dioksidą ir laisvuosius elektronus. Šie elektronai per išorinę elektros grandinę nukreipiami atgal į katodą, generuodami elektros srovę ir šilumą kaip šalutinį produktą.

Reakcija prie anodo: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakcija prie katodo: CO 2 + 1 / 2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Bendra elemento reakcija: H 2 (g) + 1 / 2O 2 (g) + CO 2 (katodas) => H 2 O (g) + CO 2 (anodas)

Išlydyto karbonato elektrolito kuro elementai yra tinkami naudoti dideliuose stacionariuose įrenginiuose. Pramoniniu būdu gaminamos šiluminės elektrinės, kurių išėjimo elektros galia 3,0 MW. Plėtojami įrenginiai, kurių išėjimo galia iki 110 MW.

Fosforo rūgšties kuro elementai / elementai (FCTE)

Fosforo (ortofosforo) rūgšties kuro elementai buvo pirmieji komerciniam naudojimui skirti kuro elementai.

Kuro elementuose, kurių pagrindą sudaro fosforo (ortofosforo) rūgštis, naudojamas elektrolitas fosforo rūgšties (H 3 PO 4) pagrindu, kurio koncentracija yra iki 100 %. Fosforo rūgšties joninis laidumas žemoje temperatūroje yra mažas, todėl šie kuro elementai naudojami iki 150–220 °C temperatūroje.

Šio tipo kuro elementų krūvininkas yra vandenilis (H +, protonas). Panašus procesas vyksta kuro elementuose su protonų mainų membrana, kai į anodą tiekiamas vandenilis suskaidomas į protonus ir elektronus. Protonai keliauja per elektrolitą ir jungiasi su deguonimi iš oro prie katodo, sudarydami vandenį. Elektronai nukreipiami per išorinę elektros grandinę, sukuriant elektros srovę. Žemiau pateikiamos reakcijos, kurios sukelia elektrą ir šilumą.

Reakcija prie anodo: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakcija prie katodo: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2 H 2 O
Bendroji elemento reakcija: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Didelis kuro elementų, kurių pagrindą sudaro fosforo (ortofosforo) rūgštis, šilumos ir elektrinių našumas kartu gaminant šilumą ir elektrą yra vienas iš šio tipo kuro elementų privalumų. Gamyklose naudojamas apie 1,5% koncentracijos anglies monoksidas, kuris žymiai išplečia kuro pasirinkimą. Be to, CO 2 neturi įtakos elektrolitui ir kuro elemento veikimui, tokio tipo elementai veikia su reformuotu natūraliu kuru. Paprasta konstrukcija, mažas elektrolitų lakumas ir padidėjęs stabilumas taip pat yra šio tipo kuro elementų pranašumai.

Šilumos ir elektrinės, kurių išėjimo galia yra iki 500 kW, gaminamos pramoniniu būdu. 11 MW agregatai buvo atitinkamai išbandyti. Plėtojami įrenginiai, kurių išėjimo galia iki 100 MW.

Kietojo oksido kuro elementai / elementai (SOFC)

Kietojo oksido kuro elementai yra kuro elementai, kurių darbinė temperatūra yra aukščiausia. Darbinę temperatūrą galima keisti nuo 600°C iki 1000°C, todėl galima naudoti įvairių rūšių degalus be specialaus išankstinio apdorojimo. Tokiai aukštai temperatūrai atlaikyti naudojamas elektrolitas yra plonas, keramikos pagrindu pagamintas kietas metalo oksidas, dažnai itrio ir cirkonio lydinys, kuris yra deguonies (O 2-) jonų laidininkas.

Kietasis elektrolitas užtikrina hermetišką dujų perėjimą nuo vieno elektrodo prie kito, o skysti elektrolitai yra porėtame substrate. Šio tipo kuro elementų krūvininkas yra deguonies jonas (O 2-). Prie katodo deguonies molekulės iš oro yra atskiriamos į deguonies joną ir keturis elektronus. Deguonies jonai praeina per elektrolitą ir susijungia su vandeniliu, sudarydami keturis laisvus elektronus. Elektronai nukreipiami per išorinę elektros grandinę, sukuriant elektros srovę ir atliekamą šilumą.

Reakcija prie anodo: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reakcija prie katodo: O 2 + 4e - => 2O 2-
Bendroji elemento reakcija: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Pagamintos elektros energijos naudingumo koeficientas yra didžiausias iš visų kuro elementų – apie 60-70%. Aukšta darbinė temperatūra leidžia kombinuotai gaminti šilumą ir elektros energiją ir generuoti aukšto slėgio garus. Sujungus aukštos temperatūros kuro elementą su turbina, galima sukurti hibridinį kuro elementą, kuris padidintų elektros energijos gamybos efektyvumą iki 75%.

Kuro elementai / elementai su tiesiogine metanolio oksidacija (POMTE)

Kuro elementų su tiesiogine metanolio oksidacija konstrukcija yra panaši į kuro elementus su protonų mainų membrana (MOPTE), t.y. polimeras naudojamas kaip elektrolitas, o vandenilio jonas (protonas) naudojamas kaip krūvio nešiklis. Tačiau skystas metanolis (CH 3 OH) oksiduojamas esant vandeniui prie anodo, išskiriant CO 2, vandenilio jonus ir elektronus, kurie nukreipiami per išorinę elektros grandinę ir taip sukuriama elektros srovė. Vandenilio jonai praeina per elektrolitą ir reaguoja su deguonimi iš oro ir elektronais iš išorinės grandinės, sudarydami vandenį prie anodo.

Reakcija prie anodo: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakcija prie katodo: 3 / 2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Bendra elemento reakcija: CH 3 OH + 3 / 2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Šio tipo kuro elementų privalumas yra mažas dydis dėl skystojo kuro naudojimo ir keitiklio nebuvimo.

Šarminiai kuro elementai / elementai (SHFC)

Šarminio kuro elementai yra vienas iš efektyviausių elektros gamybai naudojamų elementų, o energijos gamybos efektyvumas siekia iki 70%.

Šarminiuose kuro elementuose naudojamas elektrolitas, tai yra vandeninis kalio hidroksido tirpalas, esantis poringoje stabilizuotoje matricoje. Kalio hidroksido koncentracija gali skirtis priklausomai nuo kuro elemento darbinės temperatūros, kuri svyruoja nuo 65 ° C iki 220 ° C. Krūvio nešiklis SHFC yra hidroksilo jonas (OH -), kuris juda iš katodo į anodą, kur reaguoja su vandeniliu, gamindamas vandenį ir elektronus. Ant anodo pagamintas vanduo grįžta atgal į katodą ir vėl sukuria hidroksilo jonus. Šios reakcijų serijos kuro elemente gamina elektros energiją ir, kaip šalutinį produktą, šilumą:

Reakcija prie anodo: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakcija prie katodo: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Bendroji sistemos reakcija: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

SHFC privalumas yra tas, kad šiuos kuro elementus gaminti yra pigiausia, nes ant elektrodų reikalingas katalizatorius gali būti bet kuri medžiaga, kuri yra pigesnė už tas, kurios naudojamos kaip kitų kuro elementų katalizatoriai. SCFC veikia palyginti žemoje temperatūroje ir yra vienas iš efektyviausių kuro elementų - tokios savybės atitinkamai gali prisidėti prie spartesnio energijos gamybos ir didelio kuro efektyvumo.

Viena iš būdingų SHFC savybių yra didelis jautrumas CO 2, kuris gali būti degaluose arba ore. CO 2 reaguoja su elektrolitu, greitai jį nuodija ir labai sumažina kuro elemento efektyvumą. Todėl SHTE naudojimas apsiriboja uždaromis erdvėmis, tokiomis kaip kosminės ir povandeninės transporto priemonės, jos turi veikti naudojant gryną vandenilį ir deguonį. Be to, tokios molekulės kaip CO, H 2 O ir CH4, kurios yra saugios kitiems kuro elementams, o kai kuriems iš jų netgi kuras, kenkia SHFC.

Polimerinių elektrolitų kuro elementai / elementai (PETE)

Polimerinių elektrolitų kuro elementų atveju polimero membrana susideda iš polimerinių pluoštų su vandens sritimis, kuriose yra vandens jonų laidumas (H 2 O + (protonas, raudonas) yra prijungtas prie vandens molekulės). Vandens molekulės kelia problemų dėl lėto jonų mainų. Todėl tiek degaluose, tiek išleidimo elektroduose reikalinga didelė vandens koncentracija, kuri riboja darbo temperatūrą iki 100 ° C.

Kietosios rūgšties kuro elementai / elementai (TFCS)

Kieto rūgšties kuro elementuose elektrolite (CsHSO 4) nėra vandens. Todėl darbinė temperatūra yra 100-300 °C. Deguonies anijonų SO 4 2- sukimasis leidžia protonams (raudoniems) judėti taip, kaip parodyta paveikslėlyje. Paprastai kietos rūgšties kuro elementas yra sumuštinis, kuriame labai plonas kietos rūgšties junginio sluoksnis yra įterptas tarp dviejų sandariai suspaustų elektrodų, kad būtų užtikrintas geras kontaktas. Kaitinamas organinis komponentas išgaruoja, išeina per elektroduose esančias poras, išsaugodamas galimybę užmegzti daugybę kontaktų tarp kuro (arba deguonies kitame elementų gale), elektrolito ir elektrodų.

Įvairūs kuro elementų moduliai. Kuro elementų akumuliatorius

Kuro elementų akumuliatorius
Kita įranga, veikianti aukštoje temperatūroje (integruotas garo generatorius, degimo kamera, šilumos balanso keitiklis)
Karščiui atspari izoliacija

Kuro elementų modulis

Kuro elementų tipų ir veislių lyginamoji analizė

Inovatyvios energiją taupančios komunalinės šilumos ir elektrinės dažniausiai statomos ant kietojo oksido kuro elementų (SOFC), polimerinių elektrolitų kuro elementų (PETF), fosforo rūgšties kuro elementų (PCFC), protonų mainų membraninių kuro elementų (MOPFC) ir šarminio kuro elementų ( PSFC) ... Paprastai jie turi šias savybes:

Tinkamiausi turėtų būti pripažinti kietojo oksido kuro elementais (SOFC), kurie:

dirbti aukštesnėje temperatūroje, o tai sumažina brangių tauriųjų metalų (pvz., platinos) poreikį
gali veikti naudojant įvairių rūšių angliavandenilių kurą, daugiausia gamtines dujas
turi ilgesnį paleidimo laiką, todėl geriau tinka ilgalaikiams veiksmams
parodyti aukštą energijos gamybos efektyvumą (iki 70%)
dėl aukštų darbinių temperatūrų įrenginius galima derinti su šilumos atgavimo sistemomis, todėl bendras sistemos efektyvumas siekia 85%.
išmetamų teršalų beveik nėra, jie veikia tyliai ir turi mažus eksploatavimo reikalavimus, palyginti su esamomis energijos gamybos technologijomis

Kuro elementų tipas	Darbinė temperatūra	Energijos gamybos efektyvumas	Kuro tipas	Taikymo sritis
RKTE	550-700 ° C temperatūroje	50-70%		Vidutiniai ir dideli įrenginiai
FKTE	100-220 °C	35-40%	Grynas vandenilis	Didelės instaliacijos
MOPTE	30-100°C	35-50%	Grynas vandenilis	Mažos instaliacijos
SOFC	450-1000 ° C temperatūroje	45-70%	Dauguma angliavandenilių kuro	Maži, vidutiniai ir dideli įrenginiai
POMTE	20-90°C	20-30%	Metanolis	Nešiojamas
SHTE	50-200 °C	40-70%	Grynas vandenilis	Kosmoso tyrinėjimas
PETE	30-100°C	35-50%	Grynas vandenilis	Mažos instaliacijos

Kadangi mažas termofikacines elektrines galima prijungti prie įprasto dujų tiekimo tinklo, kuro elementams atskiros vandenilio tiekimo sistemos nereikia. Naudojant mažus kietojo oksido kuro elementų kogeneracinius įrenginius, pagamintą šilumą galima integruoti į šilumokaičius vandeniui ir vėdinimo orui šildyti, taip padidinant bendrą sistemos efektyvumą. Ši naujoviška technologija geriausiai tinka efektyviai elektros energijai gaminti, nereikalaujant brangios infrastruktūros ir sudėtingo prietaisų integravimo.

Kuro elementų / elementų taikymas

Kuro elementai / elementų taikymas telekomunikacijų sistemose

Sparčiai plintant belaidžio ryšio sistemoms visame pasaulyje ir didėjant socialinei ir ekonominei mobiliųjų telefonų technologijų naudai, patikimos ir ekonomiškos atsarginės energijos poreikis tapo itin svarbus. Tinklo nuostoliai ištisus metus dėl blogo oro, stichinių nelaimių ar riboto tinklo pajėgumo yra nuolatinis iššūkis tinklo operatoriams.

Tradiciniai telekomunikacijų atsarginiai sprendimai apima akumuliatorius (vožtuvu reguliuojamą švino rūgšties akumuliatorių), skirtą trumpalaikiam atsarginiam veikimui, ir dyzelinius bei propano generatorius, skirtus ilgesniam atsarginiam veikimui. Baterijos yra palyginti pigus 1–2 valandų atsarginis maitinimo šaltinis. Tačiau baterijos netinka ilgesniam atsarginiam energijos kiekiui, nes jas brangu išlaikyti, jos tampa nepatikimos po ilgo naudojimo, yra jautrios temperatūrai ir yra pavojingos aplinkai po išmetimo. Dyzeliniai ir propano generatoriai gali užtikrinti nuolatinę atsarginę galią. Tačiau generatoriai gali būti nepatikimi, reikalauja daug laiko reikalaujančios priežiūros ir išmeta į atmosferą daug taršos ir šiltnamio efektą sukeliančių dujų.

Siekiant pašalinti tradicinių budėjimo režimo energijos sprendimų apribojimus, buvo sukurta naujoviška ekologiška kuro elementų technologija. Kuro elementai yra patikimi, tylūs, juose yra mažiau judančių dalių nei generatoriuje, jų veikimo temperatūrų diapazonas yra platesnis nei akumuliatoriaus, nuo -40°C iki +50°C, ir dėl to itin taupo energiją. Be to, tokio įrenginio eksploatavimo kaina yra mažesnė nei generatoriaus. Mažesnes kuro elementų sąnaudas lemia tik vienas techninės priežiūros apsilankymas per metus ir žymiai didesnis įrenginio našumas. Juk kuro elementas yra aplinkai nekenksmingas technologinis sprendimas, darantis minimalų poveikį aplinkai.

Kuro elementų blokai teikia atsarginę galią svarbioms belaidžių, nuolatinių ir plačiajuosčių telekomunikacijų ryšių tinklų infrastruktūroms, kurių galia svyruoja nuo 250 W iki 15 kW, ir siūlo daugybę neprilygstamų naujoviškų funkcijų:

PATIKIMUMAS- mažai judančių dalių ir jokios iškrovos budėjimo režimu
ENERGIJOS TAUPYMAS
TYLA- žemas triukšmo lygis
DARNUMAS- Darbo diapazonas nuo -40°C iki +50°C
PRITAIKYMAS- montavimas lauke ir viduje (konteineris / apsauginis konteineris)
AUKŠTA ĮTAMPA- iki 15 kW
MAŽOS PRIEŽIŪROS POREIKIAI- minimali metinė priežiūra
EFEKTYVUMAS- patrauklios bendros nuosavybės išlaidos
APLINKAI DRAUGIANTI ENERGIJA- mažos emisijos ir minimalus poveikis aplinkai

Sistema visą laiką jaučia nuolatinės srovės magistralės įtampą ir sklandžiai priima kritines apkrovas, jei nuolatinės srovės magistralės įtampa nukrenta žemiau vartotojo nustatytos iš anksto nustatytos vertės. Sistema veikia naudojant vandenilį, kuris į kuro elementų kaminą patenka vienu iš dviejų būdų – arba iš pramoninio vandenilio šaltinio, arba iš skystojo kuro iš metanolio ir vandens, naudojant integruotą riformingo sistemą.

Elektra gaminama kuro elementų kamino nuolatinės srovės pavidalu. Nuolatinė galia perduodama į keitiklį, kuris nereguliuojamą nuolatinę srovę iš kuro elementų kamino paverčia kokybiška, reikiamoms apkrovoms reguliuojama nuolatine srove. Kuro elementų instaliacija gali užtikrinti atsarginį energijos tiekimą daug dienų, nes veikimo trukmę riboja tik vandenilio arba kuro iš metanolio / vandens kiekis.

Kuro elementai sutaupo daug energijos, padidina sistemos patikimumą, labiau nuspėjamą veikimą įvairiose klimato srityse ir patikimą tarnavimo laiką, palyginti su pramoniniais standartiniais vožtuvais reguliuojamais švino rūgšties akumuliatorių paketais. Gyvenimo ciklo sąnaudos taip pat mažesnės dėl žymiai mažesnių priežiūros ir keitimo reikalavimų. Kuro elementai teikia naudos aplinkai galutiniam vartotojui, nes su švino rūgšties elementais susijusios šalinimo išlaidos ir atsakomybės rizika kelia vis didesnį susirūpinimą.

Elektrinių baterijų veikimą gali neigiamai paveikti įvairūs veiksniai, tokie kaip įkrovos lygis, temperatūra, ciklai, tarnavimo laikas ir kiti kintamieji. Tiekiama energija skirsis priklausomai nuo šių veiksnių ir nėra lengva nuspėti. Protonų mainų membranos (POMFC) kuro elemento veikimui šie veiksniai santykinai įtakos neturi ir gali tiekti svarbią elektros energiją tol, kol yra kuro. Didesnis nuspėjamumas yra svarbi privalumas, kai reikia pereiti prie kuro elementų svarbioms atsarginėms galios programoms.

Kuro elementai generuoja energiją tik tada, kai tiekiamas kuras, pavyzdžiui, dujų turbinos generatorius, bet generavimo zonoje neturi judančių dalių. Todėl, skirtingai nei generatorius, jie greitai nesusidėvi ir nereikalauja nuolatinės priežiūros bei tepimo.

Degalai, naudojami pailginto veikimo kuro konverteriui varyti, yra metanolio ir vandens degalų mišinys. Metanolis yra plačiai prieinamas komercinis kuras, kurį šiuo metu galima naudoti įvairiais būdais, įskaitant priekinio stiklo ploviklius, plastikinius butelius, variklio priedus ir emulsinius dažus. Metanolis lengvai transportuojamas, gali būti maišomas su vandeniu, gerai biologiškai skaidomas, jame nėra sieros. Jis turi žemą užšalimo temperatūrą (-71 ° C) ir nesuyra ilgai laikant.

Kuro elementų / elementų taikymas ryšių tinkluose

Saugiems ryšių tinklams reikalingi patikimi atsarginio maitinimo sprendimai, kurie gali veikti valandas ar dienas avariniais atvejais, jei elektros tinklo nebebus.

Inovatyvi kuro elementų technologija, kurioje yra mažai judančių dalių ir nenukenčia budėjimo režimu, siūlo patrauklų sprendimą, palyginti su dabartinėmis budėjimo režimo maitinimo sistemomis.

Įtikinamiausia kuro elementų technologijos naudojimo ryšių tinkluose priežastis yra padidėjęs bendras patikimumas ir saugumas. Per incidentus, tokius kaip elektros energijos tiekimo nutraukimas, žemės drebėjimai, audros ir uraganai, svarbu, kad sistemos veiktų ir ilgą laiką turėtų patikimą atsarginį maitinimo šaltinį, neatsižvelgiant į atsarginės energijos sistemos temperatūrą ar eksploatavimo laiką.

Kuro elementų maitinimo šaltinių asortimentas idealiai tinka palaikyti saugius ryšių tinklus. Dėl savo energijos taupymo principų jie užtikrina aplinkai nekenksmingą, patikimą atsarginę galią su pailgintu veikimo laiku (iki kelių dienų), skirtą naudoti nuo 250 W iki 15 kW galios.

Kuro elementų / elementų taikymas duomenų tinkluose

Patikimas duomenų tinklų, tokių kaip didelės spartos duomenų tinklai ir šviesolaidinės magistralės, maitinimas yra labai svarbus visame pasaulyje. Tokiais tinklais perduodamoje informacijoje yra svarbių duomenų tokioms institucijoms kaip bankai, oro linijos ar medicinos centrai. Elektros tiekimo nutraukimas tokiuose tinkluose ne tik kelia pavojų perduodamai informacijai, bet, kaip taisyklė, sukelia didelių finansinių nuostolių. Patikimi, naujoviški kuro elementų įrenginiai su atsargine galia užtikrina patikimumą, kurio reikia norint užtikrinti nepertraukiamą maitinimą.

Kuro elementų blokai, veikiantys skystu metanolio ir vandens mišiniu, užtikrina patikimą atsarginę galią su ilgesniu veikimo laiku iki kelių dienų. Be to, šiems agregatams, palyginti su generatoriais ir akumuliatoriais, gerokai sumažėjo techninės priežiūros reikalavimai, todėl prireikia tik vieno techninės priežiūros apsilankymo per metus.

Tipinės kuro elementų įrenginių naudojimo duomenų tinkluose vietos charakteristikos:

Taikomi įrenginiai, kurių suvartojamos energijos kiekis yra nuo 100 W iki 15 kW
Programos, kurių akumuliatoriaus veikimo laikas > 4 valandos
Retransliatoriai šviesolaidinėse sistemose (sinchroninių skaitmeninių sistemų hierarchija, spartus internetas, balso per IP...)
Didelės spartos tinklo mazgai
WiMAX perdavimo mazgai

Kuro elementų budėjimo įrenginiai suteikia daug pranašumų svarbioms duomenų tinklo infrastruktūroms, palyginti su tradiciniais autonominiais akumuliatoriais ar dyzeliniais generatoriais, todėl juos galima naudoti daugiau vietoje:

Skystojo kuro technologija išsprendžia vandenilio kaupimo problemą ir užtikrina praktiškai neribotą atsarginio maitinimo šaltinio veikimą.
Dėl tylaus veikimo, mažo svorio, atsparumo ekstremalioms temperatūroms ir praktiškai be vibracijos kuro elementai gali būti montuojami pastato išorėje, pramoninėse patalpose / konteineriuose ar ant stogų.
Sistemos paruošimas naudoti vietoje yra greitas ir ekonomiškas, o eksploatacinės išlaidos nedidelės.
Kuras yra biologiškai skaidus ir yra aplinkai nekenksmingas sprendimas miesto aplinkai.

Kuro elementų / elementų naudojimas apsaugos sistemose

Pačios sudėtingiausios pastato apsaugos ir ryšių sistemos yra tiek patikimos, kiek jas palaikantis maitinimo šaltinis. Nors daugumoje sistemų yra tam tikro tipo UPS trumpalaikiams energijos praradimams, jos nesudaro sąlygų ilgesniam elektros energijos tiekimo nutraukimui, kuris gali atsirasti po stichinių nelaimių ar teroristinių išpuolių. Tai gali būti svarbi daugelio įmonių ir vyriausybinių agentūrų problema.

Jei nėra, kyla pavojus gyvybiškai svarbioms sistemoms, pvz., vaizdo stebėjimo ir prieigos kontrolės sistemoms (ID kortelių skaitytuvams, durų uždarymo įtaisams, biometrinėms identifikavimo priemonėms ir kt.), automatinėms gaisro signalizacijos ir gesinimo sistemoms, liftų valdymo sistemoms ir telekomunikacijų tinklams. patikimas alternatyvus nuolatinės energijos šaltinis.

Dyzeliniai generatoriai kelia daug triukšmo, yra sunkiai įrengiami, gerai žinomi dėl savo patikimumo ir priežiūros problemų. Priešingai, kuro elementų įrenginys, tiekiantis atsarginę energiją, yra tylus, patikimas, išmeta nulinį arba labai mažai teršalų ir jį lengva montuoti ant stogo arba pastato išorėje. Laukimo režimu jis neišsenka ir nepraranda energijos. Tai užtikrina, kad svarbios sistemos ir toliau veiktų, net ir po to, kai įrenginys uždaromas ir žmonės palieka pastatą.

Naujoviški kuro elementų įrenginiai apsaugo vertingas investicijas į svarbias užduotis. Jie užtikrina ekologišką, patikimą, ilgalaikį (iki daugelio dienų) budėjimo režimo galią, skirtą naudoti nuo 250 W iki 15 kW galios diapazone, kartu su daugybe neprilygstamų funkcijų ir ypač daug energijos taupymo.

Kuro elementų budėjimo jėgainės suteikia daug pranašumų, skirtų naudoti svarbiausioms užduotims, tokioms kaip saugumo ir pastatų valdymo sistemos, palyginti su tradicinėmis autonominėmis baterijomis ar dyzeliniais generatoriais. Skystojo kuro technologija išsprendžia vandenilio kaupimo problemą ir užtikrina praktiškai neribotą atsarginio maitinimo šaltinio veikimą.

Kuro elementų / elementų taikymas namų šildymui ir elektros energijos gamybai

Kietojo oksido kuro elementai (SFC) naudojami kuriant patikimas, efektyviai energiją vartojančias ir teršalų neišskiriančias šilumines elektrines, gaminančias elektros energiją ir šilumą iš plačiai prieinamų gamtinių dujų ir atsinaujinančių kuro šaltinių. Šie naujoviški įrenginiai naudojami įvairiose rinkose – nuo elektros energijos gamybos namuose iki nuotolinio maitinimo tiekimo ir kaip pagalbiniai maitinimo šaltiniai.

Kuro elementų / elementų taikymas paskirstymo tinkluose

Mažos kogeneracinės elektrinės skirtos veikti paskirstytame elektros energijos gamybos tinkle, kurį sudaro ne viena centralizuota elektrinė, o daug mažų generatorių.

Žemiau esančiame paveikslėlyje pavaizduoti elektros gamybos efektyvumo nuostoliai, kai ji gaminama kogeneracinėse elektrinėse ir perduodama į namus tradiciniais šiuo metu naudojamais elektros perdavimo tinklais. Centralizuotos gamybos efektyvumo nuostoliai apima elektrinės, žemos ir aukštos įtampos perdavimo bei paskirstymo nuostolius.

Paveiksle pavaizduoti mažųjų šiluminių elektrinių integravimo rezultatai: elektra generuojama panaudojimo vietoje efektyvumu iki 60%. Be to, namų ūkis kuro elementų pagamintą šilumą gali panaudoti vandeniui ir erdvei šildyti, o tai padidina bendrą kuro energetinį efektyvumą ir pagerina energijos taupymą.

Kuro elementų naudojimas siekiant apsaugoti aplinką – susijusių naftos dujų panaudojimas

Viena iš svarbiausių užduočių naftos pramonėje yra susijusių naftos dujų panaudojimas. Esami asocijuotų naftos dujų panaudojimo būdai turi daug trūkumų, iš kurių pagrindinis yra tai, kad jie yra ekonomiškai nenaudingi. Susijusios naftos dujos sudeginamos, o tai daro didelę žalą aplinkai ir žmonių sveikatai.

Inovatyvios kuro elementų šiluminės elektrinės, kaip kurą naudojantys susijusias naftos dujas, atveria kelią radikaliam ir ekonomiškam susijusių naftos dujų panaudojimo problemų sprendimui.

Vienas iš pagrindinių kuro elementų įrenginių privalumų yra tai, kad jos gali patikimai ir stabiliai veikti su kintamomis susijusiomis naftos dujomis. Dėl beliepsnio cheminės reakcijos, kuri yra kuro elemento veikimo pagrindas, sumažėjęs, pavyzdžiui, metano procentas, tik atitinkamai sumažina išėjimo galią.
Lankstumas vartotojų elektros apkrovos, kritimo, apkrovos šuolių atžvilgiu.
Šilumos ir elektrinių ant kuro elementų įrengimui ir prijungimui jų įgyvendinimas nereikalauja kapitalinių išlaidų, nes agregatai lengvai montuojami neparuoštose aikštelėse šalia laukų, yra patogūs eksploatuoti, patikimi ir efektyvūs.
Aukšta automatika ir modernus nuotolinio valdymo pultas nereikalauja nuolatinio personalo buvimo prie įrenginio.
Dizaino paprastumas ir techninis tobulumas: judančių dalių, trinties, tepimo sistemų nebuvimas suteikia didelę ekonominę naudą eksploatuojant kuro elementų įrenginius.
Vandens suvartojimas: nėra aplinkos temperatūroje iki +30 ° C ir nereikšmingas esant aukštesnei temperatūrai.
Vandens išleidimo anga: nėra.
Be to, kuro elementų šilumos ir elektrinės nekelia triukšmo, nevibruoja, neleisti kenksmingų teršalų į atmosferą