Kaip ir egzistavimas ?vairi? tip? vidaus degimo varikli?, kuro element? yra ?vairi? – tinkamo kuro elemento tipo pasirinkimas priklauso nuo jo pritaikymo.

Kuro elementai skirstomi ? auk?tos temperat?ros ir ?emos temperat?ros. ?ema temperat?ra kuro elementai kaip kur? reikia palyginti gryno vandenilio. Tai da?nai rei?kia, kad norint paversti pirmin? kur? (pvz., gamtines dujas) ? gryn? vandenil?, reikia apdoroti kur?. ?is procesas sunaudoja papildomos energijos ir reikalauja speciali ?ranga. Auk?tos temperat?ros kuro elementai nereikia ?ios papildomos proced?ros, nes jie gali atlikti kuro „vidin? transformacij?“. pakilusios temperat?ros, o tai rei?kia, kad nereikia investuoti pinig? ? vandenilio infrastrukt?r?.

I?lydyto karbonato kuro elementai (MCFC)

I?lydyto karbonato elektrolito kuro elementai yra auk?tos temperat?ros kuro elementai. Auk?ta darbin? temperat?ra leid?ia tiesiogiai naudoti gamtines dujas be kuro procesoriaus ir ma?o ?ilumingumo kuro dujas i? pramonini? proces? ir kit? ?altini?. ?is procesas buvo sukurtas septintojo de?imtme?io viduryje. Nuo to laiko buvo patobulinta gamybos technologija, na?umas ir patikimumas.

RCFC veikimas skiriasi nuo kit? kuro element?. ?iose l?stel?se naudojamas elektrolitas, pagamintas i? i?lydyt? karbonato drusk? mi?inio. ?iuo metu naudojami dviej? tip? mi?iniai: li?io karbonatas ir kalio karbonatas arba li?io karbonatas ir natrio karbonatas. Norint i?lydyti karbonato druskas ir pasiekti auk?t? jon? mobilumo laipsn? elektrolite, kuro elementai su i?lydytu karbonato elektrolitu veikia auk?toje temperat?roje (650°C). Efektyvumas svyruoja tarp 60-80%.

Kaitinant iki 650°C temperat?ros, druskos tampa karbonato jon? (CO 3 2-) laidininku. ?ie jonai pereina i? katodo ? anod?, kur jie susijungia su vandeniliu ir sudaro vanden?, anglies dioksid? ir laisvuosius elektronus. ?ie elektronai yra nukreipti i?ilgai i?or?s elektros grandin? atgal ? katod?, kuris generuoja elektros, o ?iluma kaip ?alutinis produktas.

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

Auk?ta i?lydyto karbonato elektrolito kuro element? darbo temperat?ra turi tam tikr? prana?um?. Esant auk?tai temperat?rai, vyksta vidinis reformavimas gamtini? duj?, pa?alinant kuro procesoriaus poreik?. Be to, privalumai yra galimyb? ant elektrod? naudoti standartines statybines med?iagas, tokias kaip ner?dijan?io plieno lak?tai ir nikelio katalizatorius. Atliekin? ?iluma gali b?ti naudojama auk?to sl?gio garams gaminti ?vairiais pramoniniais ir komerciniais tikslais.

Auk?ta reakcijos temperat?ra elektrolite taip pat turi savo privalum?. Naudojant auk?t? temperat?r? reikia daug laiko pasiekti optimalias darbo s?lygas, o sistema l??iau reaguoja ? energijos suvartojimo poky?ius. ?ios charakteristikos leid?ia naudoti kuro element? ?renginius su i?lydytu karbonato elektrolitu esant pastoviai galiai. Auk?ta temperat?ra neleid?ia kuro elementui pakenkti anglies monoksidu, „apsinuodijimu“ ir kt.

Kuro elementai su i?lydytu karbonato elektrolitu yra tinkami naudoti dideliuose stacionariuose ?renginiuose. ?ilumin?s elektrin?s su galia elektros energija 2,8 MW. Pl?tojami ?renginiai, kuri? i??jimo galia iki 100 MW.

Fosforo r?g?ties kuro elementai (PAFC)

Fosforo (ortofosforo) r?g?ties kuro elementai buvo pirmieji komerciniam naudojimui skirti kuro elementai. Procesas buvo sukurtas septintojo de?imtme?io viduryje ir buvo i?bandytas nuo a?tuntojo de?imtme?io. Nuo tada stabilumas ir na?umas padid?jo, o kaina suma??jo.

Fosforo (ortofosforo) r?g?ties kuro elementuose naudojamas elektrolitas ortofosforo r?g?ties (H 3 PO 4) pagrindu, kurio koncentracija iki 100 proc. Ortofosforo r?g?ties joninis laidumas yra ma?as ?emos temperat?ros, d?l ?ios prie?asties ?ie kuro elementai naudojami iki 150–220°C temperat?roje.

?krovimo laikiklis kuro elementuose ?io tipo yra vandenilis (H+, protonas). Pana?us procesas vyksta ir proton? main? membranos kuro elementuose (PEMFC), kuri? metu ? anod? tiekiamas vandenilis suskaidomas ? protonus ir elektronus. Protonai keliauja per elektrolit? ir jungiasi su deguonimi i? oro prie katodo, sudarydami vanden?. Elektronai siun?iami per i?orin? elektros grandin?, taip generuojant elektros srov?. ?emiau pateikiamos reakcijos, kurios generuoja elektros srov? ir ?ilum?.

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

Kuro element?, kuri? pagrind? sudaro fosforo (ortofosforo) r?g?tis, efektyvumas generuojant yra didesnis nei 40%. elektros energija. Bendrai gaminant ?ilum? ir elektr? bendras efektyvumas siekia apie 85%. Be to, atsi?velgiant ? darbo temperat?r?, panaudota ?iluma gali b?ti naudojama vandeniui ?ildyti ir atmosferinio sl?gio garams generuoti.

Didelis ?ilumini? elektrini?, naudojan?i? kuro elementus, kuri? pagrind? sudaro fosforo (ortofosforo) r?g?tis, na?umas kombinuotai ?ilumin?s ir elektros energijos gamyboje yra vienas i? ?io tipo kuro element? privalum?. Agregatuose naudojamas apie 1,5% koncentracijos anglies monoksidas, kuris ?ymiai i?ple?ia kuro pasirinkim?. Be to, CO 2 neturi ?takos elektrolitui ir kuro elemento darbui, ?io tipo elementai veikia su reformuotu nat?raliu kuru. Paprastas dizainas, ma?as elektrolit? lakumo laipsnis ir padid?j?s stabilumas taip pat yra ?io tipo kuro element? prana?umai.

Komerciniais tikslais gaminamos ?ilumin?s elektrin?s, kuri? elektros i??jimo galia iki 400 kW. 11 MW ?renginiai i?laik? atitinkamus bandymus. Pl?tojami ?renginiai, kuri? i??jimo galia iki 100 MW.

Proton? main? membranos kuro elementai (PEMFC)

Proton? main? membranos kuro elementai laikomi geriausiu kuro element? tipu transporto priemon?s galiai generuoti, galin?iu pakeisti benzininius ir dyzelinius vidaus degimo variklius. ?iuos kuro elementus NASA pirm? kart? panaudojo Gemini programai. ?iandien kuriami ir demonstruojami MOPFC ?renginiai, kuri? galia nuo 1 W iki 2 kW.

?ie kuro elementai naudoja kiet? polimerin? membran? (plon? plastiko pl?vel?) kaip elektrolit?. Prisotintas vandeniu, ?is polimeras leid?ia protonams prasiskverbti, bet nelaid?ia elektronams.

Kuras yra vandenilis, o kr?vininkas yra vandenilio jonas (protonas). Prie anodo vandenilio molekul? suskaidoma ? vandenilio jon? (proton?) ir elektronus. Vandenilio jonai pereina per elektrolit? ? katod?, o elektronai juda aplink i?orin? rat? ir gamina elektros energij?. Deguonis, paimtas i? oro, tiekiamas ? katod? ir susijungia su elektronais ir vandenilio jonais, sudarydamas vanden?. Elektroduose vyksta ?ios reakcijos:

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

Palyginti su kit? tip? kuro elementais, proton? main? membranos kuro elementai gamina daugiau energijos tam tikram kuro elemento t?riui arba svoriui. ?i funkcija leid?ia jiems b?ti kompakti?kiems ir lengviems. Be to, darbin? temperat?ra yra ma?esn? nei 100°C, o tai leid?ia greitai prad?ti eksploatuoti. ?ios charakteristikos, taip pat galimyb? greitai pakeisti energijos i?eig?, yra tik keletas savybi?, d?l kuri? ?ie kuro elementai yra pagrindinis kandidatas naudoti transporto priemoni?.

Kitas privalumas yra tai, kad elektrolitas yra kietas, o ne skystas. Naudojant kiet? elektrolit? lengviau sulaikyti dujas prie katodo ir anodo, tod?l tokius kuro elementus pigiau pagaminti. Palyginti su kitais elektrolitais, naudojant kiet? elektrolit?, n?ra joki? sunkum?, toki? kaip orientacija, ma?iau problem? d?l korozijos atsiradimo, d?l kurio elementas ir jo komponentai yra patvaresni.

Kietojo oksido kuro elementai (SOFC)

Kietojo oksido kuro elementai yra auk??iausios darbin?s temperat?ros kuro elementai. Darbin? temperat?ra gali svyruoti nuo 600°C iki 1000°C, tod?l galima naudoti ?vairi? r??i? kur? be speciali? i?ankstinis gydymas. Tokioms auk?toms temperat?roms atlaikyti naudojamas elektrolitas yra plonas kietas metalo oksidas ant keramikos pagrindo, da?nai itrio ir cirkonio lydinys, kuris yra deguonies jon? (O 2 -) laidininkas. Kietojo oksido kuro element? technologija buvo vystoma nuo ?e?tojo de?imtme?io pabaigos. ir turi dvi konfig?racijas: plok??i? ir vamzdin?.

Kietasis elektrolitas u?tikrina sandar? duj? per?jim? i? vieno elektrodo ? kit?, o skysti elektrolitai yra por?tame substrate. ?io tipo kuro element? kr?vininkas yra deguonies jonas (O 2 -). Prie katodo deguonies molekul?s i? oro yra atskiriamos ? deguonies jon? ir keturis elektronus. Deguonies jonai praeina per elektrolit? ir susijungia su vandeniliu, sukurdami keturis laisvus elektronus. Elektronai siun?iami per i?orin? elektros grandin?, sukuriant elektros srov? ir atliekam? ?ilum?.

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 did?iausias i? vis? kuro element? – apie 60%. Be to, leid?ia auk?ta darbo temperat?ra kombinuota gamyba?ilumin? ir elektros energija auk?to sl?gio garams generuoti. Auk?tos temperat?ros kuro element? sujungus su turbina, galima sukurti hibridin? kuro element?, kuris padidint? elektros energijos gamybos efektyvum? iki 70%.

Kietojo oksido kuro elementai veikia labai auk?toje temperat?roje (600°C–1000°C), tod?l reikia daug laiko pasiekti optimalias darbo s?lygas, o sistema l??iau reaguoja ? energijos suvartojimo poky?ius. Esant tokioms auk?toms darbin?ms temperat?roms, nereikia jokio keitiklio, kuris atgaut? vandenil? i? kuro, tod?l ?ilumin? elektrin? gal?t? veikti naudojant santykinai ne?var? kur?, susidarant? dujofikuojant angl? ar i?metam?sias dujas ir pan. Kuro elementas taip pat puikiai tinka didel?s galios reikm?ms, ?skaitant pramonines ir dideles centrines elektrines. Komerciniu b?du gaminami moduliai, kuri? elektros i??jimo galia yra 100 kW.

Tiesioginio metanolio oksidacijos kuro elementai (DOMFC)

Kuro element? su tiesiogine metanolio oksidacija naudojimo technologija aktyviai vystosi. Ji s?kmingai ?sitvirtino mitybos srityje Mobilieji telefonai, ne?iojamiesiems kompiuteriams, taip pat ne?iojamiesiems elektros ?altiniams kurti. B?tent to ir siekiama ateityje panaudoti ?iuos elementus.

Kuro element? su tiesiogine metanolio oksidacija konstrukcija yra pana?i ? kuro element? su proton? main? membrana (MEPFC), t.y. Polimeras naudojamas kaip elektrolitas, o vandenilio jonas (protonas) – kaip kr?vininkas. Ta?iau skystas metanolis (CH 3 OH) oksiduojasi esant vandeniui prie anodo, i?skirdamas CO 2, vandenilio jonus ir elektronus, kurie siun?iami per i?orin? elektros grandin?, taip generuodami elektros srov?. Vandenilio jonai praeina per elektrolit? ir reaguoja su deguonimi i? oro ir elektronais i? i?orin?s grandin?s, kad susidaryt? vanduo prie anodo.

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

?i? kuro element? k?rimas prasid?jo 1990-?j? prad?ioje. Suk?rus patobulintus katalizatorius ir ?diegus kitas naujausias naujoves, galios tankis ir efektyvumas buvo padidintas iki 40%.

?ie elementai buvo i?bandyti 50-120°C temperat?ros diapazone. Esant ?emai darbinei temperat?rai ir nereikia keitiklio, tiesioginio metanolio oksidacijos kuro elementai yra pagrindinis kandidatas naudoti tiek mobiliuosiuose telefonuose, tiek kituose plataus vartojimo produktuose ir automobili? varikliuose. ?io tipo kuro element? prana?umas yra j? ma?as dydis, nes naudojamas skystas kuras, ir tai, kad nereikia naudoti keitiklio.

?arminiai kuro elementai (ALFC)

?arminiai kuro elementai (AFC) yra viena i? labiausiai i?tirt? technologij?, naudot? nuo septintojo de?imtme?io vidurio. NASA „Apollo“ ir „Space Shuttle“ programose. ?iuose erdv?laiviuose kuro elementai gamina elektros energij? ir geriam? vanden?. ?arminiai kuro elementai yra vieni i? labiausiai veiksmingi elementai, naudojamas elektrai gaminti, elektros gamybos efektyvumas siekia 70 proc.

?arminiuose kuro elementuose naudojamas elektrolitas, vandeninis kalio hidroksido tirpalas, esantis por?toje, stabilizuotoje matricoje. Kalio hidroksido koncentracija gali skirtis priklausomai nuo kuro elemento darbin?s temperat?ros, kuri svyruoja nuo 65°C iki 220°C. Kr?vio ne?iklis SHTE yra hidroksilo jonas (OH -), judantis nuo katodo iki anodo, kur reaguoja su vandeniliu, gamindamas vanden? ir elektronus. Ant anodo pagamintas vanduo gr??ta atgal ? katod? ir v?l sukuria hidroksilo jonus. D?l ?ios kuro elemente vykstan?i? reakcij? serijos susidaro elektra ir, kaip ?alutinis produktas, ?iluma:

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

SHTE privalumas yra tas, kad ?iuos kuro elementus gaminti yra pigiausia, nes ant elektrod? reikalingas katalizatorius gali b?ti bet kuri med?iaga, kuri yra pigesn? u? tas, kurios naudojamos kaip kit? kuro element? katalizatoriai. Be to, SFC veikia palyginti ?emoje temperat?roje ir yra vieni i? efektyviausi? kuro element? – tokios charakteristikos gali prisid?ti prie greitesn?s energijos gamybos ir didelio kuro efektyvumo.

Vienas i? b?dingi bruo?ai SHTE – didelis jautrumas CO 2, kuris gali b?ti kure arba ore. CO 2 reaguoja su elektrolitu, greitai j? nuodija ir labai suma?ina kuro elemento efektyvum?. Tod?l SHTE naudojamas tik u?darose erdv?se, tokiose kaip kosmin?s ir povandenin?s transporto priemon?s, jos turi va?iuoti grynu vandeniliu ir deguonimi. Be to, tokios molekul?s kaip CO, H 2 O ir CH 4, kurios yra saugios kitiems kuro elementams, o kai kurios i? j? netgi veikia kaip kuras, kenkia SHFC.

Polimeriniai elektrolit? kuro elementai (PEFC)

Polimerini? elektrolit? kuro element? atveju polimero membrana susideda i? polimerini? pluo?t? su vandens sritimis, kuriose laidumo vandens jonai H2O+ (protonas, raudonas) prisijungia prie vandens molekul?s. Vandens molekul?s kelia problem? d?l l?to jon? main?. Tod?l tiek degaluose, tiek prie i??jimo elektrod? reikalinga didel? vandens koncentracija, kuri riboja darbo temperat?r? iki 100°C.

Kietosios r?g?ties kuro elementai (SFC)

Kietosios r?g?ties kuro elementuose elektrolitas (C s HSO 4) neturi vandens. Tod?l darbin? temperat?ra yra 100-300°C. Deguonies anijon? SO 4 2- sukimasis leid?ia protonams (raudoniems) jud?ti taip, kaip parodyta paveiksl?lyje. Paprastai kietojo r?g?tinio kuro elementas yra sumu?tinis, kuriame labai plonas kieto r?g?ties junginio sluoksnis yra ?terptas tarp dviej? sandariai suspaust? elektrod?. geras kontaktas. Kaitinamas organinis komponentas i?garuoja, i?eina per elektroduose esan?ias poras, i?laikydamas daugkartinio kontakto tarp kuro (arba deguonies kitame elemento gale), elektrolito ir elektrod? galimyb?.

Kuro elementas yra elektrocheminis prietaisas, pana?us ? galvanin? element?, ta?iau nuo jo skiriasi tuo, kad med?iagos elektrocheminei reakcijai ? j? tiekiamos i? i?or?s – prie?ingai nei galvaniniame elemente ar baterijoje sukauptas ribotas energijos kiekis.

Ry?iai. 1. Kai kurie kuro elementai

Kuro elementai chemin? kuro energij? paver?ia elektra, aplenkdami neefektyvius degimo procesus, kurie vyksta su dideliais nuostoliais. Per chemin? reakcij? jie paver?ia vandenil? ir deguon? ? elektros energij?. D?l ?io proceso susidaro vanduo ir i?siskiria daug ?ilumos. Kuro elementas yra labai pana?us ? akumuliatori?, kur? galima ?krauti ir tada naudoti sukaupt? elektros energij?. Kuro elemento i?rad?ju laikomas Williamas R. Grove'as, kuris j? i?rado dar 1839 m. ?iame kuro elemente kaip elektrolitas buvo naudojamas sieros r?g?ties tirpalas, o kaip kuras – vandenilis, kuris buvo sujungtas su deguonimi oksidatoriuje. Dar visai neseniai kuro elementai buvo naudojami tik laboratorijose ir erdv?laiviuose.

Ry?iai. 2.

Skirtingai nuo kit? elektros generatori?, toki? kaip vidaus degimo varikliai ar turbinos, varomos dujomis, anglimi, mazutu ir kt., kuro elementai nedegina kuro. Tai rei?kia, kad n?ra triuk?ming? auk?to sl?gio rotori?, n?ra didelio i?metimo triuk?mo, jokios vibracijos. Kuro elementai gamina elektros energij? per tyli? elektrochemin? reakcij?. Kitas kuro element? bruo?as yra tai, kad jie paver?ia kuro chemin? energij? tiesiogiai ? elektros energij?, ?ilum? ir vanden?.

Kuro elementai yra labai efektyv?s ir negamina didelis kiekis?iltnamio efekt? sukelian?i? duj?, toki? kaip anglies dioksidas, metanas ir azoto oksidas. Vieninteliai kuro element? i?metimai yra vanduo gar? pavidalu ir nedidelis anglies dioksido kiekis, kuris visi?kai nei?siskiria, jei kaip kuras naudojamas grynas vandenilis. Kuro elementai surenkami ? mazgus, o v?liau ? atskirus funkcinius modulius.

Kuro elementai neturi judan?i? dali? (bent jau ne pa?ioje kameroje) ir tod?l nepakl?sta Carnot d?sniui. Tai yra, jie tur?s didesn? nei 50% efektyvum? ir yra ypa? veiksmingi esant ma?oms apkrovoms. Taigi, kuro element? transporto priemon?s gali tapti (ir jau ?rod?, kad yra) efektyvesn?s degal? nei ?prastos transporto priemon?s realiomis vairavimo s?lygomis.

Kuro elementas generuoja nuolatin?s ?tampos elektros srov?, kuri gali b?ti naudojama elektros varikliui, ap?vietimo sistemos ?renginiams ir kt. elektros sistemos ma?inoje.

Yra keletas kuro element? tip?, kurie skiriasi naudojamais cheminiais procesais. Kuro elementai paprastai klasifikuojami pagal naudojamo elektrolito tip?.

Kai kurie kuro element? tipai yra perspektyv?s j?gaini? varymui, o kiti – ne?iojamiesiems ?renginiams arba automobiliams vairuoti.

1. ?arminiai kuro elementai (ALFC)

?arminis kuro elementas– Tai vienas i? pirm?j? sukurt? element?. ?arminiai kuro elementai (AFC) yra viena i? labiausiai i?tirt? technologij?, nuo XX am?iaus 60-?j? vidurio NASA naudota „Apollo“ ir „Space Shuttle“ programose. ?iuose erdv?laiviuose kuro elementai gamina elektros energij? ir geriam? vanden?.

Ry?iai. 3.

?arminio kuro elementai yra vienas i? efektyviausi? element?, naudojam? elektros energijai gaminti, energijos gamybos efektyvumas siekia iki 70%.

?arminiuose kuro elementuose naudojamas elektrolitas, vandeninis kalio hidroksido tirpalas, esantis por?toje, stabilizuotoje matricoje. Kalio hidroksido koncentracija gali skirtis priklausomai nuo kuro elemento darbin?s temperat?ros, kuri svyruoja nuo 65°C iki 220°C. Kr?vio ne?iklis SHTE yra hidroksilo jonas (OH-), judantis nuo katodo iki anodo, kur reaguoja su vandeniliu, gamindamas vanden? ir elektronus. Ant anodo pagamintas vanduo gr??ta atgal ? katod? ir v?l sukuria hidroksilo jonus. D?l ?ios kuro elemente vykstan?i? reakcij? serijos susidaro elektra ir, kaip ?alutinis produktas, ?iluma:

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

Reakcija prie katodo: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Bendra sistemos reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O

SHTE privalumas yra tas, kad ?iuos kuro elementus gaminti yra pigiausia, nes ant elektrod? reikalingas katalizatorius gali b?ti bet kuri med?iaga, kuri yra pigesn? u? tas, kurios naudojamos kaip kit? kuro element? katalizatoriai. Be to, SHTE veikia palyginti ?emoje temperat?roje ir yra vieni efektyviausi?.

Viena i? b?ding? SHTE savybi? yra didelis jautrumas CO2, kurio gali b?ti kure ar ore. CO2 reaguoja su elektrolitu, greitai j? nuodija ir labai suma?ina kuro elemento efektyvum?. Tod?l SHTE naudojamas tik u?darose erdv?se, tokiose kaip kosmin?s ir povandenin?s transporto priemon?s; jie veikia naudojant gryn? vandenil? ir deguon?.

2. I?lydyto karbonato kuro elementai (MCFC)

Kuro elementai su i?lydytu karbonato elektrolitu yra auk?tos temperat?ros kuro elementai. Auk?ta darbin? temperat?ra leid?ia tiesiogiai naudoti gamtines dujas be kuro procesoriaus ir ma?o ?ilumingumo kuro dujas i? pramonini? proces? ir kit? ?altini?. ?is procesas buvo sukurtas XX am?iaus 60-?j? viduryje. Nuo to laiko buvo patobulinta gamybos technologija, na?umas ir patikimumas.

Ry?iai. 4.

RCFC veikimas skiriasi nuo kit? kuro element?. ?iose l?stel?se naudojamas elektrolitas, pagamintas i? i?lydyt? karbonato drusk? mi?inio. ?iuo metu naudojami dviej? tip? mi?iniai: li?io karbonatas ir kalio karbonatas arba li?io karbonatas ir natrio karbonatas. Norint i?lydyti karbonato druskas ir pasiekti auk?t? jon? mobilumo laipsn? elektrolite, kuro elementai su i?lydytu karbonato elektrolitu veikia auk?toje temperat?roje (650°C). Efektyvumas svyruoja tarp 60-80%.

Kaitinant iki 650°C temperat?ros, druskos tampa karbonato jon? (CO32-) laidininku. ?ie jonai pereina i? katodo ? anod?, kur jie susijungia su vandeniliu ir sudaro vanden?, anglies dioksid? ir laisvuosius elektronus. ?ie elektronai per i?orin? elektros grandin? siun?iami atgal ? katod?, sukuriant elektros srov? ir ?ilum? kaip ?alutinis produktas.

Reakcija prie anodo: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reakcija prie katodo: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

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

Auk?ta i?lydyto karbonato elektrolito kuro element? darbo temperat?ra turi tam tikr? prana?um?. Privalumas yra galimyb? naudoti standartines med?iagas (lap? Ner?dijantis plienas ir nikelio katalizatorius ant elektrod?). Atliekin? ?iluma gali b?ti naudojama auk?to sl?gio garams gaminti. Auk?ta reakcijos temperat?ra elektrolite taip pat turi savo privalum?. Naudojant auk?t? temperat?r? reikia daug laiko pasiekti optimalias darbo s?lygas, o sistema l??iau reaguoja ? energijos suvartojimo poky?ius. ?ios charakteristikos leid?ia naudoti kuro element? ?renginius su i?lydytu karbonato elektrolitu esant pastoviai galiai. Auk?ta temperat?ra apsaugo kuro element? nuo anglies monoksido, „apsinuodijimo“ ir kt.

Kuro elementai su i?lydytu karbonato elektrolitu yra tinkami naudoti dideliuose stacionariuose ?renginiuose. Komerciniu b?du gaminamos ?ilumin?s elektrin?s, kuri? elektros i??jimo galia yra 2,8 MW. Pl?tojami ?renginiai, kuri? i??jimo galia iki 100 MW.

3. Fosforo r?g?ties kuro elementai (PAFC)

Kuro elementai, kuri? pagrind? sudaro fosforo (ortofosforo) r?g?tis tapo pirmaisiais komerciniam naudojimui skirtais kuro elementais. ?is procesas buvo sukurtas XX am?iaus 60-?j? viduryje, bandymai buvo atliekami nuo XX am?iaus a?tuntojo de?imtme?io. Rezultatas buvo didesnis stabilumas ir na?umas bei ma?esn?s s?naudos.

Ry?iai. 5.

Fosforo (ortofosforo) r?g?ties kuro elementuose naudojamas elektrolitas ortofosforo r?g?ties (H3PO4) pagrindu, kurio koncentracija iki 100%. Fosforo r?g?ties joninis laidumas ?emoje temperat?roje yra ma?as, tod?l ?ie kuro elementai naudojami esant iki 150-220 °C temperat?rai.

?io tipo kuro element? kr?vininkas yra vandenilis (H+, protonas). Pana?us procesas vyksta ir proton? main? membranos kuro elementuose (PEMFC), kuri? metu ? anod? tiekiamas vandenilis suskaidomas ? protonus ir elektronus. Protonai keliauja per elektrolit? ir jungiasi su deguonimi i? oro prie katodo, sudarydami vanden?. Elektronai siun?iami per i?orin? elektros grandin?, taip generuojant elektros srov?. ?emiau pateikiamos reakcijos, kurios generuoja elektros srov? ir ?ilum?.

Reakcija prie anodo: 2H2 => 4H+ + 4e

Reakcija prie katodo: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

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

Kuro element?, kuri? pagrind? sudaro fosforo (ortofosforo) r?g?tis, efektyvumas generuojant elektros energij? yra didesnis nei 40%. Bendrai gaminant ?ilum? ir elektr? bendras efektyvumas siekia apie 85%. Be to, atsi?velgiant ? darbo temperat?r?, panaudota ?iluma gali b?ti naudojama vandeniui ?ildyti ir atmosferinio sl?gio garams generuoti.

Didelis ?ilumini? elektrini?, naudojan?i? kuro elementus, kuri? pagrind? sudaro fosforo (ortofosforo) r?g?tis, na?umas kombinuotai ?ilumin?s ir elektros energijos gamyboje yra vienas i? ?io tipo kuro element? privalum?. Agregatuose naudojamas apie 1,5% koncentracijos anglies monoksidas, kuris ?ymiai i?ple?ia kuro pasirinkim?. Paprasta konstrukcija, ma?as elektrolito nepastovumas ir didesnis stabilumas taip pat yra toki? kuro element? privalumai.

Komerciniais tikslais gaminamos ?ilumin?s elektrin?s, kuri? elektros i??jimo galia iki 400 kW. 11 MW galios ?renginiai pra?jo atitinkamus bandymus. Pl?tojami ?renginiai, kuri? i??jimo galia iki 100 MW.

4. Proton? main? membranos kuro elementai (PEMFC)

Proton? main? membranos kuro elementai yra laikomi geriausiu kuro element? tipu transporto priemon?ms energijai gaminti, kurie gali pakeisti benzininius ir dyzelinius vidaus degimo variklius. ?iuos kuro elementus NASA pirm? kart? panaudojo Gemini programai. Sukurti ir pademonstruoti ?renginiai MOPFC pagrindu, kuri? galia nuo 1 W iki 2 kW.

Ry?iai. 6.

?i? kuro element? elektrolitas yra kieta polimerin? membrana (plona plastiko pl?vel?). Prisotintas vandeniu, ?is polimeras leid?ia protonams prasiskverbti, bet nelaid?ia elektronams.

Kuras yra vandenilis, o kr?vininkas yra vandenilio jonas (protonas). Prie anodo vandenilio molekul? suskaidoma ? vandenilio jon? (proton?) ir elektronus. Vandenilio jonai pereina per elektrolit? ? katod?, o elektronai juda aplink i?orin? rat? ir gamina elektros energij?. Deguonis, paimtas i? oro, tiekiamas ? katod? ir susijungia su elektronais ir vandenilio jonais, sudarydamas vanden?. Prie elektrod? vyksta ?ios reakcijos: Reakcija prie anodo: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eReakcija prie katodo: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Bendra l?steli? reakcija: 2H2 + O2 => 2H2O Palyginti su kit? tip? kuro elementai, kuro elementai su proton? main? membrana gamina daugiau energijos tam tikram kuro elemento t?riui arba svoriui. ?i funkcija leid?ia jiems b?ti kompakti?kiems ir lengviems. Be to, darbin? temperat?ra yra ma?esn? nei 100°C, o tai leid?ia greitai prad?ti darb?. ?ios charakteristikos, taip pat galimyb? greitai pakeisti energijos i?eig?, yra tik keletas, d?l kuri? ?ie kuro elementai yra pagrindinis kandidatas naudoti transporto priemon?se.

Kitas privalumas yra tai, kad elektrolitas yra kietas, o ne skystas. Naudojant kiet? elektrolit? lengviau sulaikyti dujas prie katodo ir anodo, tod?l tokius kuro elementus pagaminti pigiau. Naudojant kiet? elektrolit?, n?ra orientacijos problem? ir ma?iau korozijos problem?, tod?l pailg?ja elemento ir jo komponent? ilgaam?i?kumas.

Ry?iai. 7.

5. Kietojo oksido kuro elementai (SOFC)

Kietojo oksido kuro elementai yra auk??iausios darbin?s temperat?ros kuro elementai. Darbin? temperat?ra gali svyruoti nuo 600°C iki 1000°C, tod?l galima naudoti ?vairi? r??i? degalus be specialaus i?ankstinio apdorojimo. Tokioms auk?toms temperat?roms atlaikyti naudojamas elektrolitas yra plonas kietas metalo oksidas ant keramikos pagrindo, da?nai itrio ir cirkonio lydinys, kuris yra deguonies jon? (O2-) laidininkas. Kietojo oksido kuro element? naudojimo technologija buvo vystoma nuo XX am?iaus ?e?tojo de?imtme?io pabaigos ir turi dvi konfig?racijas: plok?tumin? ir vamzdin?.

Kietasis elektrolitas u?tikrina sandar? duj? per?jim? i? vieno elektrodo ? kit?, o skysti elektrolitai yra por?tame substrate. ?io tipo kuro element? kr?vininkas yra deguonies jonas (O2-). Prie katodo deguonies molekul?s i? oro yra atskiriamos ? deguonies jon? ir keturis elektronus. Deguonies jonai praeina per elektrolit? ir susijungia su vandeniliu, sukurdami keturis laisvus elektronus. Elektronai siun?iami per i?orin? elektros grandin?, sukuriant elektros srov? ir atliekam? ?ilum?.

Ry?iai. 8.

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

Reakcija prie katodo: O2 + 4e- => 2O2-

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

Elektros energijos gamybos efektyvumas yra did?iausias i? vis? kuro element? – apie 60 proc. Be to, auk?ta darbin? temperat?ra leid?ia kartu gaminti ?ilumin? ir elektros energij?, kad susidaryt? auk?to sl?gio garai. Auk?tos temperat?ros kuro element? sujungus su turbina, galima sukurti hibridin? kuro element?, kuris padidint? elektros energijos gamybos efektyvum? iki 70%.

Kietojo oksido kuro elementai veikia labai auk?toje temperat?roje (600°C-1000°C), tod?l reikia daug laiko, kad b?t? pasiektos optimalios darbo s?lygos, o sistema l??iau reaguoja ? energijos suvartojimo poky?ius. Esant tokioms auk?toms darbin?ms temperat?roms, nereikia jokio keitiklio, kuris atgaut? vandenil? i? kuro, tod?l ?ilumin? elektrin? gal?t? veikti naudojant santykinai ne?var? kur?, susidarant? dujofikuojant angl? ar i?metam?sias dujas ir pan. Kuro elementas taip pat puikiai tinka didel?s galios reikm?ms, ?skaitant pramonines ir dideles centrines elektrines. Komerciniu b?du gaminami moduliai, kuri? elektros i??jimo galia yra 100 kW.

6. Tiesioginio metanolio oksidacijos kuro elementai (DOMFC)

Tiesiogin?s metanolio oksidacijos kuro elementai Jie s?kmingai naudojami maitinant mobiliuosius telefonus, ne?iojamus kompiuterius, taip pat kuriant ne?iojamus maitinimo ?altinius, ? k? ir siekiama ateityje naudoti tokius elementus.

Kuro element? su tiesiogine metanolio oksidacija konstrukcija yra pana?i ? kuro element? su proton? main? membrana (MEPFC), t.y. Polimeras naudojamas kaip elektrolitas, o vandenilio jonas (protonas) – kaip kr?vininkas. Ta?iau skystas metanolis (CH3OH) oksiduojasi esant vandeniui prie anodo, i?skirdamas CO2, vandenilio jonus ir elektronus, kurie siun?iami per i?orin? elektros grandin?, taip generuodami elektros srov?. Vandenilio jonai praeina per elektrolit? ir reaguoja su deguonimi i? oro ir elektronais i? i?orin?s grandin?s, kad susidaryt? vanduo prie anodo.

Reakcija prie anodo: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eReakcija prie katodo: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Bendra elemento reakcija: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Toki? vystymasis kuro elementai buvo vykdomi nuo XX am?iaus 90-?j? prad?ios ir j? savitoji galia bei efektyvumas buvo padidintas iki 40%.

?ie elementai buvo i?bandyti 50-120°C temperat?ros diapazone. D?l ?emos darbin?s temperat?ros ir to, kad nereikia keitiklio, tokius kuro elementus galima naudoti mobiliuosiuose telefonuose ir kitose plataus vartojimo prek?se, taip pat automobili? varikliuose. J? prana?umas taip pat yra ma?as dydis.

7. Polimerini? elektrolit? kuro elementai (PEFC)

Polimerini? elektrolit? kuro element? atveju polimero membrana susideda i? polimerini? pluo?t? su vandens sritimis, kuriose laidumo vandens jonai H2O+ (protonas, raudonas) prisijungia prie vandens molekul?s. Vandens molekul?s kelia problem? d?l l?to jon? main?. Tod?l tiek degaluose, tiek prie i??jimo elektrod? reikalinga didel? vandens koncentracija, kuri riboja darbo temperat?r? iki 100°C.

8. Kietosios r?g?ties kuro elementai (SFC)

Kietosios r?g?ties kuro elementuose elektrolitas (CsHSO4) neturi vandens. Tod?l darbin? temperat?ra yra 100-300°C. SO42 oksianijon? sukimasis leid?ia protonams (raudoniems) jud?ti, kaip parodyta paveiksl?lyje. Paprastai kietojo r?g?tinio kuro elementas yra sumu?tinis, kuriame labai plonas kieto r?g?ties junginio sluoksnis yra ?terptas tarp dviej? elektrod?, kurie yra sandariai suspausti, kad b?t? u?tikrintas geras kontaktas. Kaitinamas organinis komponentas i?garuoja, i?eina per elektroduose esan?ias poras, i?laikydamas daugkartinio kontakto tarp kuro (arba deguonies kitame elemento gale), elektrolito ir elektrod? galimyb?.

Ry?iai. 9.

9. Kuro element? svarbiausi? charakteristik? palyginimas

Ry?iai. 10.

10. Kuro element? naudojimas automobiliuose

Ry?iai. vienuolika.

Ry?iai. 12.

Kuro elementas- kas tai yra? Kada ir kaip jis atsirado? Kod?l to reikia ir kod?l ?iais laikais apie juos taip da?nai kalbama? Kokios jo taikymo sritys, savyb?s ir savyb?s? Nesustabdoma pa?anga reikalauja atsakym? ? visus ?iuos klausimus!

Kas yra kuro elementas?

Kuro elementas- yra cheminis srov?s ?altinis arba elektrocheminis generatorius; tai ?taisas, skirtas cheminei energijai paversti elektros energija. ?iuolaikiniame gyvenime cheminiai energijos ?altiniai naudojami visur ir yra mobili?j? telefon?, ne?iojam?j? kompiuteri?, delnini? kompiuteri?, taip pat automobili? baterijos, nepertraukiamo maitinimo ?altiniai ir kt. Kitas ?ios srities pl?tros etapas bus platus kuro element? platinimas ir tai yra nepaneigiamas faktas.

Kuro element? istorija

Kuro element? istorija – tai dar viena istorija apie tai, kaip ?em?je atrastos materijos savyb?s buvo pla?iai pritaikytos toli kosmose, o t?kstantme?i? sand?roje sugr??o i? dangaus ? ?em?.

Viskas prasid?jo 1839 m, kai vokie?i? chemikas Christianas Sch?nbeinas „Philosophical Journal“ paskelb? kuro elemento principus. Tais pa?iais metais anglas ir Oksfordo absolventas Williamas Robertas Grove'as suk?r? galvanin? element?, v?liau pavadint? Grove galvaniniu elementu, kuris taip pat pripa?intas pirmuoju kuro elementu. Pavadinimas „kuro elementas“ i?radimui buvo suteiktas jo jubiliejaus metais – 1889 m. S?vokos autoriai yra Ludwigas Mondas ir Karlas Langeris.

Kiek anks?iau, 1874 m., Jules'as Verne'as savo romane „Paslaptingoji sala“ numat? dabartin? energetikos situacij?, ra?ydamas, kad „vanduo vien? dien? bus naudojamas kaip kuras, o vandenilis ir deguonis, i? kuri? jis susideda, bus panaudoti“.

Tuo tarpu naujos maitinimo technologijos buvo pama?u tobulinamos, o nuo XX am?iaus 50-?j? nepra?jo n? metai, kad neb?t? paskelbti naujausi i?radimai ?ioje srityje. 1958 m. JAV pasirod? pirmasis traktorius, varomas kuro elementais, 1959 m. i?leistas 5kW maitinimo ?altinis suvirinimo aparatui ir kt. 70-aisiais ? kosmos? pakilo vandenilio technologijos: l?ktuvai ir raket? varikliai ant vandenilio. 60-aisiais RSC Energia suk?r? kuro elementus sovietinei M?nulio programai. Buran programa taip pat neapsi?jo be j?: buvo sukurti ?arminiai 10 kW kuro elementai. O ?imtme?io pabaigoje kuro elementai kirto nulin? auk?t? vir? j?ros lygio – remiantis jais, maitinimo ?altinis Vokie?i? povandeninis laivas. Gr??tant ? ?em? pirmasis lokomotyvas buvo prad?tas eksploatuoti JAV 2009 m. Nat?ralu, kad ant kuro element?.

Visoje nuostabioje kuro element? istorijoje ?domu tai, kad ratas vis dar i?lieka ?monijos i?radimu, neturin?iu analog? gamtoje. Faktas yra tas, kad savo konstrukcija ir veikimo principu kuro elementai yra pana??s ? biologin? element?, kuris i? esm?s yra miniati?rinis vandenilio-deguonies kuro elementas. D?l to ?mogus v?l i?rado ka?k?, k? gamta naudojo milijonus met?.

Kuro element? veikimo principas

Kuro element? veikimo principas akivaizdus net nuo mokyklos mokymo programa chemijoje ir b?tent tai buvo nustatyta Williamo Grove'o eksperimentuose 1839 m. Reikalas tas, kad vandens elektroliz?s (vandens disociacijos) procesas yra gr??tamas. Lygiai taip pat, kaip yra tiesa, kad elektros srovei tekant per vanden?, pastarasis suskaidomas ? vandenil? ir deguon?, taip yra ir atvirk??iai: vandenilis ir deguonis gali b?ti sujungti, kad susidaryt? vanduo ir elektra. Grove eksperimente du elektrodai buvo patalpinti ? kamer?, ? kuri? esant sl?giui buvo tiekiamas ribotas kiekis gryno vandenilio ir deguonies. D?l nedideli? duj? t?ri?, taip pat d?l anglies elektrod? chemini? savybi? kameroje ?vyko l?ta reakcija, i?siskirianti ?iluma, vanduo ir, svarbiausia, tarp elektrod? susidaro potencial? skirtumas.

Papras?iausias kuro elementas susideda i? specialios membranos, naudojamos kaip elektrolitas, kurios abiejose pus?se yra u?d?ti milteli? pavidalo elektrodai. Vandenilis patenka ? vien? pus? (anodas), o deguonis (oras) patenka ? kit? (katod?). Kiekviename elektrode vyksta skirtingos chemin?s reakcijos. Prie anodo vandenilis skyla ? proton? ir elektron? mi?in?. Kai kuriuose kuro elementuose elektrodai yra apsupti katalizatoriumi, da?niausiai pagamintu i? platinos ar kit? tauri?j? metal?, kuris skatina disociacijos reakcij?:

2H 2 -> 4H + + 4e -

kur H2 yra dviatom? vandenilio molekul? (forma, kurioje vandenilis yra duj? pavidalu); H + - jonizuotas vandenilis (protonas); e - - elektronas.

Kuro elemento katodo pus?je protonai (pra?j? per elektrolit?) ir elektronai (pra?j? i?orin? apkrov?) rekombinuoja ir reaguoja su ? katod? tiekiamu deguonimi, sudarydami vanden?:

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

Visi?ka reakcija kuro elemente para?yta taip:

2H 2 + O 2 -> 2H 2 O

Kuro elemento veikimas pagr?stas tuo, kad elektrolitas leid?ia pro j? prasiskverbti protonams (katodo link), bet elektronams – ne. Elektronai juda ? katod? i?orine laid?ia grandine. ?is elektron? jud?jimas yra elektros srov?, kuria galima valdyti i?orin? ?rengin?, prijungt? prie kuro elemento (apkrov?, pvz., elektros lemput?):

Savo darbe kuro elementai naudoja vandenilinis kuras ir deguonies. Lengviausias b?das yra su deguonimi – jis paimamas i? oro. Vandenilis gali b?ti tiekiamas tiesiai i? tam tikros talpos arba j? atskiriant i?orinis ?altinis degalai (gamtin?s dujos, benzinas arba metilo alkoholis – metanolis). I?orinio ?altinio atveju jis turi b?ti chemi?kai paverstas vandeniliu i?gauti. ?iuo metu dauguma kuro element? technologij?, kuriam? ne?iojamiesiems ?renginiams, naudoja metanol?.

Kuro element? charakteristikos

Kuro elementai yra analogi?ki esamiems akumuliatoriams ta prasme, kad abiem atvejais elektros energija gaunama i? chemin?s energijos. Ta?iau yra ir esmini? skirtum?:

• jie veikia tik tol, kol kuras ir oksidatorius tiekiami i? i?orinio ?altinio (t. y. negali kaupti elektros energijos),

  elektrolito chemin? sud?tis eksploatacijos metu nekinta (kuro elemento nereikia ?krauti),

  jie visi?kai nepriklauso nuo elektros (tuo tarpu ?prasti akumuliatoriai kaupia energij? i? tinklo).

Kiekvienas kuro elementas sukuria ?tampa 1V. Didesn? ?tampa pasiekiama jungiant juos nuosekliai. Galios (srov?s) padid?jimas realizuojamas lygiagre?iai sujungus nuosekliai sujungt? kuro element? kaskadas.

Kuro elementuose n?ra grie?t? efektyvumo apribojim?, kaip ir ?ilumini? varikli? (Karno ciklo efektyvumas yra did?iausias galimas efektyvumas tarp vis? ?ilumini? varikli?, kuri? minimali ir maksimali temperat?ra).

Didelis efektyvumas pasiekiamas tiesiogiai paver?iant kuro energij? ? elektros energij?. Kai dyzeliniai generatoriai pirmiausia sudegina kur?, susidar? garai ar dujos sukasi turbinos arba vidaus degimo variklio velen?, o tai savo ruo?tu suka elektros generatori?. Rezultatas – maksimalus 42 % efektyvumas, bet da?niau apie 35-38 %. Be to, d?l daugyb?s nuorod?, taip pat d?l termodinamini? maksimali? apribojim? ?iluminis efektyvumas ma?in?, esamas efektyvumas grei?iausiai nebus padidintas. Esamiems kuro elementams efektyvumas yra 60-80%,

Efektyvumas beveik nepriklauso nuo apkrovos faktoriaus,

Talpa kelis kartus didesn? nei esamose baterijose,

U?baigti joki? aplinkai kenksming? ter?al?. I?skiriami tik gryni vandens garai ir ?ilumin? energija (skirtingai nuo dyzelini? generatori?, kurie turi ter?al? aplink? i?metimo vamzd?iai ir juos reikia pa?alinti).

Kuro element? tipai

Kuro elementai klasifikuojami pagal ?ias charakteristikas:

pagal naudojam? kur?,

pagal darbin? sl?g? ir temperat?r?,

pagal parai?kos pob?d?.

Apskritai i?skiriami ?ie dalykai: kuro element? tipai:

Kietojo oksido kuro elementai (SOFC);

Kuro elementas su proton? main? membranos kuro elementu (PEMFC);

Reversable Fuel Cell (RFC);

Tiesioginio metanolio kuro elementas (DMFC);

I?lydyto karbonato kuro elementai (MCFC);

Fosforo r?g?ties kuro elementai (PAFC);

?arminiai kuro elementai (AFC).

Viena kuro element? r??is, kuri veikia esant normaliai temperat?rai ir sl?giui naudojant vandenil? ir deguon?, yra jon? main? membranos elementas. Susidar?s vanduo netirpdo kieto elektrolito, teka ?emyn ir lengvai pa?alinamas.

Kuro element? problemos

Pagrindin? kuro element? problema susijusi su poreikiu tur?ti „supakuot?“ vandenil?, kurio b?t? galima laisvai ?sigyti. Akivaizdu, kad laikui b?gant problema tur?t? i?sispr?sti, ta?iau kol kas situacija kelia lengv? ?ypsen?: kas pirmiau – vi?ta ar kiau?inis? Kuro elementai dar n?ra pakankamai i?vystyti vandenilio gamykloms statyti, ta?iau j? pa?anga ne?sivaizduojama be ?i? gamykl?. ?ia atkreipiame d?mes? ? vandenilio ?altinio problem?. ?iuo metu vandenilis gaminamas i? gamtini? duj?, ta?iau did?jan?ios energijos s?naudos didins ir vandenilio kain?. Tuo pa?iu metu vandenilyje i? gamtini? duj? nei?vengiama CO ir H 2 S (vandenilio sulfido), kurie nuodija katalizatori?.

?prastuose platinos katalizatoriuose naudojamas labai brangus ir nepakei?iamas metalas – platina. Ta?iau ?i? problem? planuojama i?spr?sti naudojant ferment? pagrindu pagamintus katalizatorius, kurie yra pigi ir lengvai pagaminama med?iaga.

I?skiriama ?iluma taip pat yra problema. Efektyvumas smarkiai padid?s, jei sukuriama ?iluma bus nukreipta ? nauding? kanal? – gaminti ?ilumin? energija?ilumos tiekimo sistemoms, naudojama kaip atliekin? ?iluma absorbuojant ?aldymo ma?inos ir taip toliau.

Metanolio kuro elementai (DMFC): tikras pritaikymas

Did?iausi? praktin? susidom?jim? ?iandien kelia tiesioginiai metanolio kuro elementai (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). Portege M100 ne?iojamas kompiuteris, veikiantis su DMFC kuro elementu, atrodo taip:

?prastoje DMFC element? grandin?je, be anodo, katodo ir membranos, yra keletas papildom? komponent?: kuro kaset?, metanolio jutiklis, kuro cirkuliacinis siurblys, oro siurblys, ?ilumokaitis ir kt.

Pavyzd?iui, ne?iojamojo kompiuterio veikimo laik?, palyginti su baterijomis, planuojama padidinti 4 kartus (iki 20 valand?), mobiliojo telefono – iki 100 valand? aktyviu re?imu ir iki ?e?i? m?nesi? bud?jimo re?imu. ?krovimas bus atliekamas ?pilant dal? skysto metanolio.

Pagrindin? u?duotis – rasti did?iausios koncentracijos metanolio tirpalo naudojimo galimybes. B?da ta, kad metanolis yra gana stiprus nuodas, mirtinas keli? de?im?i? gram? doz?mis. Ta?iau metanolio koncentracija tiesiogiai veikia veikimo trukm?. Jei anks?iau buvo naudojamas 3-10% metanolio tirpalas, tai jau atsirado 50% tirpal? naudojantys mobilieji telefonai ir delniniai kompiuteriai, o 2008 metais laboratorin?mis s?lygomis MTI MicroFuel Cells, o kiek v?liau ir Toshiba specialistai gavo veikian?ius kuro elementus. ant gryno metanolio.

Kuro elementai yra ateitis!

Galiausiai, apie akivaizd?i? kuro element? ateit? liudija ir tai, kad tarptautin? organizacija IEC (Tarptautin? elektrotechnikos komisija), kuri nustato pramon?s standartus elektroniniams prietaisams, jau paskelb? apie darbo grup?s k?rim? tarptautiniam miniati?rini? kuro element? standartui sukurti. .

1 dalis

?iame straipsnyje i?samiau nagrin?jamas kuro element? veikimo principas, j? konstrukcija, klasifikacija, privalumai ir tr?kumai, taikymo sritis, efektyvumas, suk?rimo istorija ir ?iuolaikin?s naudojimo perspektyvos. Antroje straipsnio dalyje, kuris bus publikuojamas kitame ABOK ?urnalo numeryje, pateikia objekt?, kuriuose kaip ?ilumos ir elektros tiekimo (arba tik maitinimo) ?altiniai buvo naudojami ?vairi? tip? kuro elementai.

?vadas

Kuro elementai yra labai efektyvus, patikimas, patvarus ir aplinkai nekenksmingas b?das gaminti energij?.

Kuro elementai i? prad?i? buvo naudojami tik kosmoso pramon?je, o dabar vis da?niau naudojami skirtingos sritys- kaip stacionarios elektrin?s, autonominiai ?altiniai?ilumos ir energijos tiekimas pastatams, transporto priemoni? varikliai, ne?iojam?j? kompiuteri? ir mobili?j? telefon? maitinimo ?altiniai. Kai kurie i? ?i? ?rengini? yra laboratoriniai prototipai, kai kuriems atliekami prie?gamybiniai bandymai arba jie naudojami demonstravimo tikslais, ta?iau daugelis modeli? gaminami masi?kai ir naudojami komerciniuose projektuose.

Kuro elementas (elektrocheminis generatorius) yra ?taisas, kuris paver?ia kuro (vandenilio) chemin? energij? ? elektros energij? tiesiogiai elektrochemin?s reakcijos procese, o ne tradicin?s technologijos, kurios apima kiet?, skyst? ir dujinis kuras. Tiesiogin? elektrochemin? kuro konversija yra labai efektyvi ir patraukli aplinkosaugos po?i?riu, nes eksploatacijos procese susidaro minimalus ter?al? kiekis ir n?ra stipraus triuk?mo ar vibracijos.

Praktiniu po?i?riu kuro elementas primena ?prast? ?tampos baterij?. Skirtumas tas, kad baterija i? prad?i? ?kraunama, t.y. pripildoma „degalais“. Veikimo metu „degalai“ sunaudojami ir akumuliatorius i?sikrauna. Skirtingai nuo akumuliatoriaus, kuro elementas elektros energijai gaminti naudoja i? i?orinio ?altinio tiekiam? kur? (1 pav.).

Elektros energijai gaminti gali b?ti naudojamas ne tik grynas vandenilis, bet ir kitos vandenilio turin?ios ?aliavos, pavyzd?iui, gamtin?s dujos, amoniakas, metanolis ar benzinas. Paprastas oras naudojamas kaip deguonies ?altinis, taip pat b?tinas reakcijai.

Kaip kur? naudojant gryn? vandenil?, reakcijos produktai, be elektros energijos, yra ?iluma ir vanduo (arba vandens garai), t.y. ? atmosfer? nei?skiriamos dujos, kurios sukelia oro tar?? ar sukelia ?iltnamio efekt?. Jei kaip kuras yra naudojama vandenilio turinti ?aliava, pvz., gamtin?s dujos, kitos dujos, tokios kaip anglies ir azoto oksidai, bus ?alutinis reakcijos produktas, ta?iau j? kiekis yra daug ma?esnis nei deginant tok? pat? kiek? nat?ralios. duj?.

Kuro cheminio pavertimo vandenilio gamybai procesas vadinamas riformingu, o atitinkamas prietaisas vadinamas riformingu.

Kuro element? privalumai ir tr?kumai

Kuro elementai yra efektyvesni nei vidaus degimo varikliai, nes kuro elementams n?ra joki? termodinamini? energijos vartojimo efektyvumo apribojim?. Koeficientas naudingas veiksmas kuro element? – 50 proc., o vidaus degimo varikli? – 12-15 proc., o garo turbin? j?gaini? – ne daugiau kaip 40 proc. Naudojant ?ilum? ir vanden? kuro element? efektyvumas dar labiau padidinamas.

Skirtingai nei, pavyzd?iui, vidaus degimo varikli?, kuro element? efektyvumas i?lieka labai auk?tas net ir neveikiant visa galia. Be to, kuro element? gali? galima padidinti tiesiog pridedant atskirus agregatus, o efektyvumas nesikei?ia, t.y. didel?s instaliacijos yra tokios pat efektyvios kaip ir ma?os. Tokios aplinkyb?s leid?ia labai lanks?iai parinkti ?rangos sud?t? pagal kliento pageidavimus ir galiausiai suma?inti ?rangos s?naudas.

Svarbus kuro element? privalumas yra j? ekologi?kumas. Kuro element? emisija yra tokia ma?a, kad kai kuriose JAV vietose j? nereikia eksploatuoti. specialus leidimas i? vyriausybini? agent?r?, stebin?i? oro kokyb?.

Kuro elementai gali b?ti dedami tiesiai ? pastat?, suma?inant nuostolius energijos transportavimo metu, o reakcijos metu susidariusi? ?ilum? galima panaudoti pastatui tiekti ?ilum? ar kar?t? vanden?. Autonominiai ?ilumos ir elektros ?altiniai gali b?ti labai naudingi atokiose vietov?se ir regionuose, kuriuose tr?ksta elektros ir jos auksta kaina, bet kartu yra ir vandenilio turin?i? ?aliav? (naftos, gamtini? duj?) atsargos.

Kuro element? privalumai taip pat yra kuro prieinamumas, patikimumas (kuro elemente n?ra judan?i? dali?), ilgaam?i?kumas ir naudojimo paprastumas.

Vienas pagrindini? kuro element? tr?kum? ?iandien yra gana didel? kaina, ta?iau ?? tr?kum? greitai pavyks ?veikti – vis daugiau ?moni? gamina komercinius kuro element? pavyzd?ius, jie nuolat tobulinami, ma??ja j? savikaina.

Veiksmingiausias b?das yra naudoti gryn? vandenil? kaip kur?, ta?iau tam reik?s sukurti speciali? infrastrukt?r? jo gamybai ir transportavimui. ?iuo metu visi komerciniai modeliai naudoja gamtines dujas ir pana?? kur?. Variklin?s transporto priemon?s gali naudoti ?prast? benzin?, o tai leis i?laikyti esam? i?vystyt? degalini? tinkl?. Ta?iau naudojant tok? kur? ? atmosfer? i?metama kenksming? ter?al? (nors ir labai ma?ai) ir komplikuojasi (tod?l i?auga) kuro elementas. Ateityje svarstoma galimyb? panaudoti aplinkai nekenksmingus atsinaujinan?ius energijos ?altinius (pavyzd?iui, saul?s ar v?jo energij?) vandeniui suskaidyti ? vandenil? ir deguon? elektroliz?s b?du, o v?liau gaut? kur? paversti kuro elemente. Tokios kombinuotos gamyklos, veikian?ios u?daru ciklu, gali b?ti visi?kai ekologi?kas, patikimas, patvarus ir efektyvus energijos ?altinis.

Kitas kuro element? bruo?as yra tai, kad jie yra efektyviausi, kai vienu metu naudojami tiek elektros, tiek ?ilumos energija. Ta?iau ne kiekvienas objektas turi galimyb? naudoti ?ilumin? energij?. Jei kuro elementai naudojami tik elektros energijai gaminti, j? efektyvumas ma??ja, nors ir vir?ija „tradicini?“ ?rengini? efektyvum?.

Kuro element? istorija ir ?iuolaikinis naudojimas

Kuro element? veikimo principas buvo atrastas 1839 m. Angl? mokslininkas Williamas Robertas Grove'as (1811-1896) atrado, kad elektroliz?s procesas – vandens skilimas ? vandenil? ir deguon? veikiant elektros srovei – yra gr??tamasis, t.y. vandenilis ir deguonis gali susijungti ? vandens molekules nedegdami, bet i?siskiriant. ?ilumos ir elektros srov?s. Grove'as prietais?, kuriame tokia reakcija buvo ?manoma, pavadino „duj? baterija“, kuri buvo pirmasis kuro elementas.

Aktyvus kuro element? panaudojimo technologij? vystymas prasid?jo po Antrojo pasaulinio karo ir siejamas su aviacijos ir kosmoso pramone. ?iuo metu buvo ie?koma efektyvaus ir patikimo, bet kartu gana kompakti?ko energijos ?altinio. 1960-aisiais NASA (Nacionalin? aeronautikos ir kosmoso administracija, NASA) specialistai kuro elementus pasirinko kaip energijos ?altin? Apollo (pilotuojami skryd?iai ? M?nul?), Apollo-Soyuz, Gemini ir Skylab programose. Erdv?laivis „Apollo“ naudojo tris 1,5 kW (2,2 kW maksimumo) j?gaines, naudojan?ias kriogenin? vandenil? ir deguon? elektrai, ?ilumai ir vandeniui gaminti. Kiekvieno ?renginio mas? buvo 113 kg. ?ios trys l?stel?s veik? lygiagre?iai, ta?iau vieno bloko pagamintos energijos pakako saugiam gr??imui. Per 18 skryd?i? kuro elementai veik? i? viso 10 000 valand? be gedim?. ?iuo metu kuro elementai naudojami Space Shuttle, kuris naudoja tris 12 W agregatus, kad generuot? vis? erdv?laivyje esan?i? elektros energij? (2 pav.). Elektrochemin?s reakcijos metu gautas vanduo naudojamas geriamajam vandeniui, taip pat au?inimo ?rangai.

M?s? ?alyje taip pat buvo dirbama kuriant kuro elementus, skirtus naudoti astronautikoje. Pavyzd?iui, kuro elementai buvo naudojami soviet? daugkartinio naudojimo erdv?laiviui „Buran“.

Kuro element? komercinio naudojimo metodai prad?ti kurti septintojo de?imtme?io viduryje. ?iuos poky?ius i? dalies finansavo vyriausybin?s organizacijos.

?iuo metu kuro element? naudojimo technologij? pl?tra vyksta keliomis kryptimis. Tai stacionari? j?gaini? ant kuro element? (tiek centralizuotai tiek decentralizuoto energijos tiekimo), transporto priemoni? elektrini? (sukurti automobili? ir autobus? ant kuro element? pavyzd?iai, taip pat ir m?s? ?alyje) (3 pav.), o. taip pat ?vairi? mobili?j? ?rengini? (ne?iojam?j? kompiuteri?, mobili?j? telefon? ir kt.) maitinimo ?altiniai (4 pav.).

Kuro element? panaudojimo ?vairiose srityse pavyzd?iai pateikti lentel?je. 1.

Vienas i? pirm?j? komercini? kuro element? modeli?, skirt? autonominiam pastat? ?ilumos ir elektros energijos tiekimui, buvo PC25 modelis A, pagamintas ONSI Corporation (dabar United Technologies, Inc.). ?is 200 kW vardin?s galios kuro elementas yra tam tikro tipo elementas, kurio elektrolitas yra fosforo r?g?ties pagrindu (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Skai?ius „25“ modelio pavadinime rei?kia dizaino serijos numer?. Dauguma ankstesni? modeli? buvo eksperimentiniai arba bandomieji agregatai, pavyzd?iui, a?tuntajame de?imtmetyje pristatytas 12,5 kW galios „PC11“ modelis. Naujieji modeliai padidino i? atskiro kuro elemento i?gaunam? gali?, taip pat suma?ino pagamintos energijos kilovato kain?. ?iuo metu vienas efektyviausi? komercini? modeli? yra PC25 Model C kuro elementas. Kaip ir A modelis, tai yra visi?kai automatinis 200 kW PAFC kuro elementas, skirtas montuoti vietoje kaip savaranki?kas ?ilumos ir energijos ?altinis. Tok? kuro element? galima ?rengti pastato i?or?je. I?ori?kai tai 5,5 m ilgio, 3 m plo?io ir auk??io gretasienis, sveriantis 18 140 kg. Skirtumas nuo ankstesni? modeli? yra patobulintas reformeris ir didesnis srov?s tankis.

Kai kuri? tip? kuro elementuose cheminis procesas gali b?ti apverstas: pritaikius elektrodams potencial? skirtum?, vanduo gali b?ti suskaidytas ? vandenil? ir deguon?, kurie surenkami ant poring? elektrod?. Prijungus apkrov?, toks regeneracinis kuro elementas prad?s gaminti elektros energij?.

Daug ?adanti kuro element? naudojimo kryptis yra j? naudojimas kartu su atsinaujinan?iais energijos ?altiniais, pavyzd?iui, fotovoltin?mis plok?t?mis ar v?jo elektrin?mis. ?i technologija leid?ia visi?kai i?vengti oro tar?os. Pana?i? sistem? planuojama sukurti, pavyzd?iui, Adam Joseph Lewis mokymo centre Oberline (?r. ABOK, 2002, Nr. 5, p. 10). ?iuo metu vienas i? energijos ?altini? ?iame pastate yra saul?s elementai. Kartu su NASA specialistais buvo sukurtas fotovoltini? plok??i? panaudojimo projektas vandenil? ir deguon? gaminti i? vandens elektroliz?s b?du. Tada vandenilis naudojamas kuro elementuose elektrai ir kar?tam vandeniui gaminti. Tai leis pastate i?laikyti vis? sistem? funkcionalum? debesuotomis dienomis ir nakt?.

Kuro element? veikimo principas

Panagrin?kime kuro elemento veikimo princip? naudodami paprasto elemento su proton? main? membrana (Proton Exchange Membrane, PEM) pavyzd?. Toks elementas susideda i? polimerin?s membranos, esan?ios tarp anodo (teigiamo elektrodo) ir katodo (neigiamo elektrodo), kartu su anodo ir katodo katalizatoriais. Polimerin? membrana naudojama kaip elektrolitas. PEM elemento schema parodyta fig. 5.

Proton? main? membrana (PEM) yra plona (ma?daug 2–7 popieriaus lap? storio) kieta med?iaga organinis junginys. ?i membrana veikia kaip elektrolitas: esant vandeniui, ji atskiria med?iag? ? teigiamo ir neigiamo kr?vio jonus.

Anode vyksta oksidacijos procesas, o katode – redukcijos procesas. PEM elemento anodas ir katodas yra pagaminti i? por?tos med?iagos, kuri yra anglies ir platinos daleli? mi?inys. Platina veikia kaip katalizatorius, skatinantis disociacijos reakcij?. Anodas ir katodas yra akytas, kad pro juos laisvai praeit? vandenilis ir deguonis.

Anodas ir katodas yra tarp dviej? metalini? plok??i?, kurios tiekia vandenil? ir deguon? ? anod? ir katod?, pa?alina ?ilum? ir vanden? bei elektros energij?.

Vandenilio molekul?s plok?tel?je esan?iais kanalais patenka ? anod?, kur molekul?s suskaidomos ? atskirus atomus (6 pav.).

Tada, vykstant chemisorbcijai, dalyvaujant katalizatoriui, vandenilio atomai, kiekvienas atiduodami po vien? elektron? e –, paver?iami teigiamai ?krautais vandenilio jonais H +, t.y. protonais (7 pav.).

Teigiamai ?krauti vandenilio jonai (protonai) difunduoja per membran? ? katod?, o elektron? srautas nukreipiamas ? katod? per i?orin? elektros grandin?, prie kurios prijungta apkrova (elektros energijos vartotojas) (8 pav.).

? katod? tiekiamas deguonis, esant katalizatoriui, vyksta ? chemin? reakcij? su vandenilio jonais (protonais) i? proton? main? membranos ir elektronais i? i?orin?s elektros grandin?s (9 pav.). D?l chemin?s reakcijos susidaro vanduo.

Chemin? reakcija kit? tip? kuro elementuose (pavyzd?iui, su r?g?tiniu elektrolitu, kuriame naudojamas ortofosforo r?g?ties H 3 PO 4 tirpalas) yra visi?kai identi?ka cheminei reakcijai kuro elemente su proton? main? membrana.

Bet kuriame kuro elemente dalis chemin?s reakcijos energijos i?siskiria kaip ?iluma.

Elektron? srautas i?orin?je grandin?je yra nuolatin? srov?, kuri naudojama darbui atlikti. Atidarius i?orin? grandin? arba sustabd?ius vandenilio jon? jud?jim?, chemin? reakcija sustabdoma.

Kuro elemento pagaminamos elektros energijos kiekis priklauso nuo kuro elemento tipo, geometrini? matmen?, temperat?ros, duj? sl?gio. Atskiras kuro elementas u?tikrina ma?esn? nei 1,16 V EML. Kuro element? dyd? galima padidinti, ta?iau prakti?kai naudojami keli elementai, sujungti ? baterijas (10 pav.).

Kuro element? dizainas

Pa?velkime ? kuro elemento konstrukcij?, kaip pavyzd? naudodami PC25 model? C. Kuro element? diagrama parodyta fig. vienuolika.

PC25 Model C kuro elementas susideda i? trij? pagrindini? dali?: kuro procesoriaus, tikrosios energijos gamybos sekcijos ir ?tampos keitiklio.

Pagrindin? kuro elemento dalis – energijos gamybos sekcija – yra baterija, kuri? sudaro 256 atskiri elementai kuro elementai. Kuro element? elektroduose yra platinos katalizatorius. ?ios l?stel?s gamina nuolatin? 1400 amper? elektros srov? esant 155 voltams. Akumuliatoriaus matmenys yra ma?daug 2,9 m ilgio ir 0,9 m plo?io ir auk??io.

Kadangi elektrocheminis procesas vyksta 177 °C temperat?roje, paleid?iant akumuliatori? b?tina pa?ildyti, o eksploatacijos metu i? jo pa?alinti ?ilum?. Nor?dami tai pasiekti, kuro elemente yra atskira vandens grandin?, o akumuliatoriuje yra specialios au?inimo plok?t?s.

Kuro procesorius gamtines dujas paver?ia vandeniliu, reikalingu elektrocheminei reakcijai. ?is procesas vadinamas reformavimu. Pagrindinis kuro procesoriaus elementas yra reformeris. Reformeryje gamtin?s dujos (arba kitas vandenilio turintis kuras) reaguoja su vandens garais esant auk?tai temperat?rai (900 °C) ir auk?tam sl?giui, esant nikelio katalizatoriui. Tokiu atveju vyksta ?ios chemin?s reakcijos:

CH 4 (metanas) + H 2 O 3H 2 + CO

(reakcija yra endotermin?, su ?ilumos absorbcija);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(reakcija egzotermin?, i?siskiria ?iluma).

Bendra reakcija i?rei?kiama lygtimi:

CH 4 (metanas) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(reakcija yra endotermin?, su ?ilumos absorbcija).

Norint u?tikrinti auk?t? temperat?r?, reikaling? gamtin?ms dujoms konvertuoti, dalis panaudoto kuro i? kuro element? kamino nukreipiama ? degikl?, kuris palaiko reikiam? reformerio temperat?r?.

Reformavimui reikalingas garas susidaro i? kondensato, susidaran?io kuro elemento veikimo metu. Tam naudojama i? kuro element? akumuliatoriaus pa?alinta ?iluma (12 pav.).

Kuro element? kaminas gamina nuolatin? srov?, kuri yra ?emos ?tampos ir didel?s srov?s. Nor?dami j? konvertuoti ? kintamoji srov?, atitinkantis pramon?s standartus, naudojamas ?tampos keitiklis. Be to, ?tampos keitiklio bloke yra ?vair?s valdymo ?taisai ir saugos blokavimo grandin?s, kurios leid?ia i?jungti kuro element? esant ?vairiems gedimams.

Tokiame kuro elemente ma?daug 40 % kuro energijos gali b?ti paversta elektros energija. Ma?daug tiek pat, apie 40% kuro energijos, galima paversti ?ilumine energija, kuri v?liau naudojama kaip ?ilumos ?altinis ?ildymui, kar?to vandens tiekimui ir pana?iems tikslams. Taigi bendras tokio ?renginio efektyvumas gali siekti 80%.

Svarbus tokio ?ilumos ir elektros ?altinio privalumas yra galimyb? j? automati?kai veikti. Prie?i?rai objekto, kuriame ?rengtas kuro elementas, savininkams nereikia pri?i?r?ti specialiai apmokyto personalo – periodin? prie?i?r? gali atlikti eksploatuojan?ios organizacijos darbuotojai.

Kuro element? tipai

?iuo metu yra ?inomi keli kuro element? tipai, kurie skiriasi naudojamo elektrolito sud?timi. ?ios keturios r??ys yra pla?iausiai paplitusios (2 lentel?):

1. Kuro elementai su proton? main? membrana (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Kuro elementai, kuri? pagrind? sudaro ortofosforo r?g?tis (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Kuro elementai i?lydyto karbonato pagrindu (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Kietojo oksido kuro elementai (SOFC). ?iuo metu did?iausias kuro element? parkas yra pagr?stas PAFC technologija.

Vienas i? pagrindin?s savyb?s skirting? tip? kuro element? yra darbin? temperat?ra. Daugeliu at?vilgi? kuro element? taikymo srit? lemia temperat?ra. Pavyzd?iui, ne?iojamiesiems kompiuteriams itin svarbi auk?ta temperat?ra, tod?l ?iam rinkos segmentui kuriami ?emos darbin?s temperat?ros proton? main? membraniniai kuro elementai.

Pastat? autonominiam maitinimui reikalingi didel?s instaliuotos galios kuro elementai, o kartu yra galimyb? panaudoti ?ilumin? energij?, tod?l ?iems tikslams gali b?ti naudojami ir kit? tip? kuro elementai.

Proton? main? membranos kuro elementai (PEMFC)

?ie kuro elementai veikia palyginti ?emoje darbin?je temperat?roje (60-160 °C). Jie turi didel? galios tank?, leid?ia greitai reguliuoti i??jimo gali? ir gali b?ti greitai ?jungiami. ?io tipo element? tr?kumas yra auk?ti degal? kokyb?s reikalavimai, nes u?ter?tas kuras gali pa?eisti membran?. ?io tipo kuro element? vardin? galia yra 1-100 kW.

Proton? main? membranos kuro elementus i? prad?i? NASA suk?r? General Electric septintajame de?imtmetyje. ?io tipo kuro elementuose naudojamas kietojo k?no polimero elektrolitas, vadinamas proton? main? membrana (PEM). Protonai gali jud?ti per proton? main? membran?, bet elektronai negali praeiti pro j?, tod?l tarp katodo ir anodo atsiranda potencial? skirtumas. D?l savo paprastumo ir patikimumo tokie kuro elementai buvo naudojami kaip pilotuojam? erdv?laivi? energijos ?altinis. erdv?laivis Dvyniai.

?io tipo kuro elementai naudojami kaip energijos ?altinis Platus pasirinkimas?vair?s ?renginiai, ?skaitant pavyzd?ius ir prototipus prie? gamyb?, nuo mobili?j? telefon? iki autobus? ir stacionari? maitinimo sistem?. ?ema darbin? temperat?ra leid?ia tokius elementus naudoti ?vairi? tip? sud?tingiems elektroniniams prietaisams maitinti. J? naudojimas yra ma?iau efektyvus kaip ?ilumos ir elektros energijos tiekimo ?altinis visuomeniniams ir pramoniniams pastatams, kur reikalingi dideli ?ilumin?s energijos kiekiai. Tuo pa?iu metu tokie elementai yra perspektyv?s kaip autonominis maitinimo ?altinis ma?iems gyvenamiesiems pastatams, pavyzd?iui, koted?ams, pastatytiems kar?to klimato regionuose.

Fosforo r?g?ties kuro elementai (PAFC)

?io tipo kuro element? bandymai buvo atlikti jau a?tuntojo de?imtme?io prad?ioje. Darbin?s temperat?ros diapazonas - 150-200 °C. Pagrindin? taikymo sritis – autonominiai vidutin?s galios (apie 200 kW) ?ilumos ir elektros energijos tiekimo ?altiniai.

?iuose kuro elementuose kaip elektrolitas naudojamas fosforo r?g?ties tirpalas. Elektrodai pagaminti i? popieriaus, padengto anglimi, kuriame yra platinos katalizatorius.

PAFC kuro element? elektrinis naudingumo koeficientas yra 37-42%. Ta?iau kadangi ?ie kuro elementai veikia gana auk?toje temperat?roje, galima panaudoti darbo metu susidaran?ius garus. ?iuo atveju bendras efektyvumas gali siekti 80%.

Norint gaminti energij?, vandenilio turin?ios ?aliavos turi b?ti konvertuojamos ? gryn? vandenil? per reformavimo proces?. Pavyzd?iui, jei benzinas naudojamas kaip kuras, b?tina pa?alinti sieros turin?ius junginius, nes siera gali pa?eisti platinos katalizatori?.

PAFC kuro elementai buvo pirmieji komerciniai kuro elementai, kurie buvo naudojami ekonomi?kai. Labiausiai paplit?s modelis buvo 200 kW galios PC25 kuro elementas, pagamintas ONSI Corporation (dabar United Technologies, Inc.) (13 pav.). Pavyzd?iui, ?ie elementai naudojami kaip ?ilumin?s ir elektros energijos ?altinis Niujorko Centrinio parko policijos nuovadoje arba kaip papildomas energijos ?altinis Conde Nast pastate ir Four Times Square. Labiausiai didel? instaliacija?is tipas yra bandomas kaip 11 MW j?gain?, esanti Japonijoje.

Fosforo r?g?ties kuro elementai taip pat naudojami kaip energijos ?altinis transporto priemon?se. Pavyzd?iui, 1994 m. H-Power Corp., D?ord?tauno universitetas ir JAV Energetikos departamentas ?reng? autobus? elektrin? galia 50 kW.

I?lydyto karbonato kuro elementai (MCFC)

?io tipo kuro elementai veikia labai auk?toje – 600-700 °C – temperat?roje. ?ios darbin?s temperat?ros leid?ia kur? naudoti tiesiogiai pa?ioje kameroje, nenaudojant atskiro reformatoriaus. ?is procesas buvo vadinamas „vidaus reforma“. Tai leid?ia ?ymiai supaprastinti kuro elemento konstrukcij?.

I?lydyto karbonato pagrindu pagaminti kuro elementai reikalauja ilgo paleidimo laiko ir neleid?ia greitai reguliuoti i??jimo galios, tod?l pagrindin? j? taikymo sritis yra dideli stacionar?s ?ilumin?s ir elektros energijos ?altiniai. Ta?iau jiems b?dingas didelis kuro konversijos efektyvumas – 60 % elektros naudingumo koeficientas ir iki 85 % bendras efektyvumas.

?io tipo kuro elementuose elektrolitas susideda i? kalio karbonato ir li?io karbonato drusk?, ?kaitint? iki ma?daug 650 °C. Tokiomis s?lygomis druskos yra i?lydytos ir sudaro elektrolit?. Prie anodo vandenilis reaguoja su CO 3 jonais, sudarydamas vanden?, anglies dioksid? ir i?skirdamas elektronus, kurie siun?iami ? i?orin? grandin?, o prie katodo deguonis s?veikauja su anglies dioksidu ir elektronais i? i?orin?s grandin?s ir v?l susidaro CO 3 jonai. .

?io tipo kuro element? laboratorinius pavyzd?ius ?e?tojo de?imtme?io pabaigoje suk?r? oland? mokslininkai G. H. J. Broersas ir J. A. A. Ketelaaras. Septintajame de?imtmetyje su ?iais elementais dirbo in?inierius Francis T. Baconas, garsaus XVII am?iaus angl? ra?ytojo ir mokslininko palikuonis, tod?l MCFC kuro elementai kartais vadinami Bekono elementais. NASA Apollo, Apollo-Soyuz ir Scylab programose ?ie kuro elementai buvo naudojami kaip energijos tiekimo ?altinis (14 pav.). Tais pa?iais metais JAV karinis departamentas i?band? kelis MCFC kuro element? pavyzd?ius, pagamintus „Texas Instruments“, kuriuose kaip kuras buvo naudojamas karinis benzinas. A?tuntojo de?imtme?io viduryje JAV Energetikos departamentas prad?jo tyrimus, siekdamas sukurti stacionar? kuro element? i?lydyto karbonato pagrindu, tinkant? praktiniam naudojimui. De?imtajame de?imtmetyje buvo pristatyta keletas komercini? ?rengini?, kuri? vardin? galia iki 250 kW, pavyzd?iui, JAV karinio j?r? laivyno oro stotyje Miramar Kalifornijoje. 1996 m. FuelCell Energy, Inc. Santa Klaroje, Kalifornijoje, paleido ikigamybin? 2 MW elektrin?.

Kietojo k?no oksido kuro elementai (SOFC)

Kietojo k?no oksido kuro elementai yra paprastos konstrukcijos ir veikia labai auk?toje – 700-1000 °C temperat?roje. Tokios auk?tos temperat?ros leid?ia naudoti santykinai „ne?var?“, nerafinuot? kur?. Tos pa?ios savyb?s kaip ir kuro element?, kuri? pagrind? sudaro i?lydytas karbonatas, lemia pana?i? taikymo srit? – didelius stacionarius ?ilumin?s ir elektros energijos ?altinius.

Kietojo oksido kuro elementai strukt?ri?kai skiriasi nuo kuro element?, pagr?st? PAFC ir MCFC technologijomis. Anodas, katodas ir elektrolitas yra pagaminti i? speciali? keramikos r??i?. Da?niausiai naudojamas elektrolitas yra cirkonio oksido ir kalcio oksido mi?inys, ta?iau gali b?ti naudojami ir kiti oksidai. Elektrolitas sudaro kristalin? gardel?, i? abiej? pusi? padengt? akyta elektrodo med?iaga. Strukt?ri?kai tokie elementai gaminami vamzd?i? arba plok??i? plok??i? pavidalu, tod?l j? gamyboje galima panaudoti elektronikos pramon?je pla?iai naudojamas technologijas. D?l to kietojo k?no oksido kuro elementai gali veikti labai auk?toje temperat?roje, tod?l jie yra naudingi tiek elektros, tiek ?ilumin?s energijos gamybai.

Esant auk?tai darbinei temperat?rai, prie katodo susidaro deguonies jonai, kurie per kristalin? gardel? migruoja ? anod?, kur s?veikauja su vandenilio jonais, sudarydami vanden? ir i?skirdami laisvuosius elektronus. ?iuo atveju vandenilis nuo gamtini? duj? atskiriamas tiesiai l?stel?je, t.y. nereikia atskiro reformatoriaus.

Kietojo k?no oksido kuro element? k?rimo teoriniai pagrindai buvo pad?ti XX am?iaus ketvirtojo de?imtme?io pabaigoje, kai ?veicarijos mokslininkai Emilis Baueris ir H. Preisas eksperimentavo su cirkoniu, itriu, ceriu, lantanu ir volframu, naudodami juos kaip elektrolitus.

Pirmuosius toki? kuro element? prototipus ?e?tojo de?imtme?io pabaigoje suk?r? nema?ai Amerikos ir Olandijos kompanij?. Dauguma ?i? ?moni? netrukus atsisak? tolesni? tyrim? d?l technologini? sunkum?, ta?iau viena i? j? – Westinghouse Electric Corp. (dabar Siemens Westinghouse Power Corporation), t?s? darb?. ?iuo metu bendrov? priima i?ankstinius komercinio vamzdinio kietojo k?no oksido kuro elemento modelio, kur? tikimasi ?sigyti ?iais metais, u?sakymus (15 pav.). Toki? element? rinkos segmentas – stacionar?s ?ilumos ir elektros energijos gamybos ?renginiai, kuri? galia nuo 250 kW iki 5 MW.

SOFC kuro elementai pademonstravo labai didel? patikimum?. Pavyzd?iui, „Siemens Westinghouse“ pagamintas kuro elemento prototipas pasiek? 16 600 darbo valand? ir toliau veikia, tod?l tai yra ilgiausias nepertraukiamas kuro element? eksploatavimo laikas pasaulyje.

SOFC tipo kuro element? darbo re?imas, s auk?tos temperat?ros ir auk?to sl?gio, leid?ia sukurti hibridinius ?renginius, kuriuose kuro element? emisijos sukasi duj? turbinos, naudojamas elektros energijai gaminti. Pirmoji tokia hibridin? instaliacija veikia Irvine, Kalifornijoje. ?io ?renginio vardin? galia – 220 kW, i? kuri? 200 kW – kuro elemento ir 20 kW – mikroturbinos generatoriaus.

„Ancient Arsenal“ u?duotis yra viena ?domiausi? ir naudingiausi? „Horizon Zero Dawn“ u?duo?i?. Kaip atlyg? u? jo u?baigim? gausite Shield Weaver kostium?. M?s? nuomone, tai yra geriausias ?arvas ?aidime. Ji apsaugo Aloy j?gos lauku, kuris sugeria vis? gaunam? ?al?, kol baigsis ?krovimas. ?i? u?duot? gausite, kai rasite pirm?j? kuro element? arba pat? bunker? su senoviniais ?arvais. Turiu pasakyti, kad tai gauti yra daug lengviau nei tai padaryti.

Kur galiu rasti visus „Horizon Zero Dawn“ kuro elementus?

I? viso ?aidime yra 5 kuro elementai, su kuriais susidursite istorijos misij? metu. Kai kuriuos i? j? lengva praleisti, bet nesijaudinkite. J?s visada galite j? sugr??ti v?liau. Jei mirsi, v?l tur?si eiti pasiimti kuro elemento. Jis nei?saugomas j?s? inventoriuje akimirksniu, jums reikia patekti ? patikros punkt?. Tur?kite tai omenyje. Visi elementai pa?ym?ti ry?kiai ?alia piktograma, tod?l vargu ar pamatysite juos b?dami netoliese. Pirmieji du elementai naudojami durims atidaryti. Norint atrakinti pat? ?arvuot?, reikia dar trij?.

Pirmasis kuro elementas

Jis yra Did?iosios Motinos vietoje ir yra prieinamas misijos „Kalno ?s?ios“ metu. Labai svarbu jo nepraleisti atliekant ?i? u?duot?, nes i??jus i? zonos vartai su prieiga prie ?ios vietos bus u?blokuoti ir kit? kart? atsidarys tik ?aidimo pabaigoje, ?vykd?ius misij? „Noros ?irdis“. “.

?? kuro element? lengva rasti, jei ?inote, kur ie?koti. Tod?l pirmiausia pasiekite Aloy ?enkl?, parodyt? ?emiau esan?ioje ekrano kopijoje. Tiesiai prie?ais jus bus durys su jungikliu. Atidarome j? ir einame ? priek?. Taip pat atidarome kitas duris ir atsiduriame dideliame kambaryje. ?ia reikia pasukti ? de?in? ir ?va?iuoti ? duris su spyna, kurios negalime atidaryti.

Ta?iau apsidair? kair?je pamatysite didel? ni?? su ?vak?mis viduje. ?lipkite ? j? ir jud?kite ? priek? palei velen?, kol pamatysite kuro element?.

Antrasis kuro elementas

?? element? galima rasti griuv?siuose, ? kuriuos Aloy lipo vaikyst?je. Vaikyst?je negal?site jo pasiimti, tod?l tur?site gr??ti v?liau. Prieikite prie ?alio ?ymeklio ir apsi?valgykite. ??jimas ? griuv?sius yra skyl? ?em?je. Atsargiai nusileisk.

Prava?iuoti griuv?sius pakankamai lengva, tod?l vargu ar pasiklysite. I? esm?s j?s turite pasiekti ?enkl?, parodyt? ?emiau esan?ioje ekrano kopijoje. Ten prie? save i?vysite kambar?, kurio ??jim? u?stoja smail?s uol? dariniai. Sulau?ykite juos ietimi ir rasite antr? kuro element?.

Tre?ias kuro elementas

Nor?dami rasti kit? kuro element? „Horizon Zero Dawn“, tur?site per?velgti istorij?. Mums reikia misijos Master's Limit. Nepamir?kite sugr??ti prie ?io vadovo, kai ten pateksite. ?ios misijos metu tur?site u?kopti ? labai auk?t? pastat?. Tam tikru momentu ?aidimas jums pasakys ka?k? pana?aus ?: „Suraskite Faro biur?, kad gautum?te daugiau informacijos apie daktar? Sobek?“.

?iuo metu reikia apsisukti ir u? sav?s rasti sien?, kuria gal?tum u?lipti. Eikite iki galo ir kuro elementas j?s? lauks ant ?em?s pa?iame bok?to vir?uje (12 auk?tas).

Ketvirtas kuro elementas

?? element? galima rasti misijos „Mirties lobis“ metu katakombose.

Pirmiausia pasiekite ?enkl? tre?iame lygyje, parodyt? toliau esan?ioje ekrano kopijoje. Prie? jus bus u?rakintos durys. Nor?dami j? atrakinti, turite eiti ? kair? ir ?okti ?emyn. Ten rasite tris „Twist lock“ galvos?kius. ?alia kiekvieno yra spintel?, kurioje pasl?ptas problemos sprendimas. Tiesiog nuskaitykite. Du galvos?kiai yra lygiu ?emiau dur?, o dar vienas yra tame pa?iame lygyje. Kai i?spr?site visus tris, vir?uje esan?ios durys atsidarys ir gausite kuro element?.

Penktasis kuro elementas

Paskutin? kuro element? „Horizon Zero Dawn“ galima rasti misijos „Fallen Mountain“ metu GAIA Prime vietoje.

Pasiekite viet? tre?iame lygyje, pa?ym?toje toliau esan?ioje ekrano kopijoje. Prie? jus bus vieta, i? kurios reik?s lipti virve ?emyn. Ver?iau pasukite ? kair? ir atsargiai lipkite ?emyn kalno ?laitu. Ten pamatysite ??jim? ? urv?. Pa?ioje pabaigoje j?s? lauks paskutinis elementas.