Kütuseelement on seade, mis toodab tõhusalt soojust ja alalisvoolu elektrienergia tulemusena keemiline reaktsioon ja vesinikurikka kütuse kasutamine. Tööpõhimõttelt sarnaneb see akuga. Struktuuriliselt esindab kütuseelementi elektrolüüt. Miks ta on tähelepanuväärne? Erinevalt akudest ei salvesta vesinikkütuseelemendid elektrienergiat, ei vaja laadimiseks elektrit ega tühjene. Rakud jätkavad elektri tootmist seni, kuni neil on õhku ja kütust.
Kütuseelementide ja teiste elektrigeneraatorite erinevus seisneb selles, et need ei põleta töötamise ajal kütust. Tänu sellele omadusele ei vaja nad kõrgsurverootoreid, ei tekita valju müra ega vibratsiooni. Kütuseelementides toodetakse elektrit vaikse elektrokeemilise reaktsiooni teel. Kütuse keemiline energia sellistes seadmetes muundatakse otse veeks, soojuseks ja elektriks.
Kütuseelemendid on erinevad kõrge efektiivsusega ja ei tekita suures koguses kasvuhoonegaase. Lahtri töö produkt on väike kogus vett auru ja süsinikdioksiid, mida puhta vesiniku kütusena kasutamisel ei eraldu.
NASA vajadus energiaallikate järele pikaajalisteks kosmosemissioonideks kutsus 1950. ja 1960. aastatel esile tollal ühe kõige nõudlikuma ülesande kütuseelementide jaoks. Leeliselemendid kasutavad kütusena hapnikku ja vesinikku, mis elektrokeemilise reaktsiooni käigus muutuvad kosmoselennul kasulikeks kõrvalsaadusteks - elektriks, veeks ja soojuseks.
Kütuseelemendid avastati esmakordselt aastal XIX algus sajandil – 1838. aastal. Samal ajal ilmus esimene teave nende tõhususe kohta.
Tööd leeliselisi elektrolüüte kasutavate kütuseelementide kallal algasid 1930. aastate lõpus. Nikkeldatud elektroodidega rakud kõrgsurve leiutati alles 1939. aastal. Teise maailmasõja ajal töötati Briti allveelaevadele välja kütuseelemendid, mis koosnesid umbes 25-sentimeetrise läbimõõduga leeliselementidest.
Huvi nende vastu kasvas 1950.–80. aastatel, mida iseloomustas naftakütuse nappus. Maailma riigid on asunud tegelema õhusaaste probleemidega ja keskkond keskkonnasõbraliku kütuseelemenditehnoloogia väljatöötamise poole püüdlemine toimub tänapäeval aktiivselt.
Kütuseelemendid toodavad soojust ja elektrit elektrokeemilise reaktsiooni tulemusena, mis toimub katoodi, anoodi ja elektrolüüdi abil.
Katood ja anood on eraldatud prootonit juhtiva elektrolüüdiga. Pärast katoodile hapniku ja anoodile vesiniku varustamist algab keemiline reaktsioon, mille tulemuseks on soojus, vool ja vesi.
Dissotsieerub anoodi katalüsaatoril, mis viib elektronide kadumiseni. Vesinikuioonid sisenevad katoodile läbi elektrolüüdi, elektronid aga läbivad välist elektrivõrku ja loovad alalisvoolu, mida kasutatakse seadmete toiteks. Katoodkatalüsaatoril olev hapniku molekul ühineb elektroni ja sissetuleva prootoniga, moodustades lõpuks vee, mis on ainus reaktsioonisaadus.
Valik konkreetne tüüp kütuseelement sõltub selle rakendusest. Kõik kütuseelemendid on jagatud kahte põhikategooriasse – kõrge temperatuur ja madal temperatuur. Viimased kasutavad kütusena puhast vesinikku. Sellised seadmed nõuavad reeglina primaarse kütuse töötlemist puhtaks vesinikuks. Protsess viiakse läbi spetsiaalse varustuse abil.
Kõrge temperatuuriga kütuseelemendid ei vaja seda, kuna need muundavad kütust kõrgel temperatuuril, välistades vajaduse vesiniku infrastruktuuri järele.
Vesinikkütuseelementide tööpõhimõte põhineb keemilise energia muundamisel elektrienergiaks ilma ebaefektiivsete põlemisprotsessideta ja soojusenergia muundamisel mehaaniliseks energiaks.
Vesinikkütuseelemendid on elektrokeemilised seadmed, mis toodavad elektrit ülitõhusa "külma" kütuse põletamise teel. Selliseid seadmeid on mitut tüüpi. Kõige lootustandvamaks tehnoloogiaks peetakse vesinik-õhk kütuseelemente, mis on varustatud prootonivahetusmembraaniga PEMFC.
Prootonit juhtiv polümeermembraan mõeldud kahe elektroodi – katoodi ja anoodi – eraldamiseks. Igaüht neist esindab katalüsaatoriga kaetud süsinikmaatriks. dissotsieerub anoodi katalüsaatoril, loovutades elektrone. Katioonid juhitakse läbi membraani katoodile, kuid elektronid kantakse üle välisesse vooluringi, kuna membraan ei ole ette nähtud elektronide ülekandmiseks.
Katoodkatalüsaatoril olev hapniku molekul ühineb elektroniga, mis on pärit elektriahel ja sissetulev prooton, moodustades lõpuks vee, mis on ainus reaktsioonisaadus.
Vesinikkütuseelemente kasutatakse membraan-elektroodiplokkide valmistamiseks, mis toimivad energiasüsteemi peamiste genereerivate elementidena.
Nende hulgas tuleks esile tõsta:
Tänu kõrge efektiivsusega Vesinikkütuseelemente kasutatakse erinevaid valdkondi:
Vesinikperoksiidi kütuseelementide laialdane kasutamine on võimalik alles pärast nende loomist tõhus viis vesiniku saamine. Tehnoloogia aktiivseks kasutuselevõtuks on vaja uusi ideid, kusjuures suured lootused on pandud biokütuseelementide ja nanotehnoloogia kontseptsioonile. Mõned ettevõtted on suhteliselt hiljuti välja lasknud erinevatel metallidel põhinevad tõhusad katalüsaatorid, samal ajal on ilmunud teave membraanideta kütuseelementide loomise kohta, mis võimaldas oluliselt vähendada tootmiskulusid ja lihtsustada selliste seadmete disaini. Vesinikkütuseelementide eelised ja omadused ei kaalu üles nende peamist puudust - kõrge hind, eriti kui võrrelda süsivesinike seadmetega. Ühe vesinikuelektrijaama loomine nõuab minimaalselt 500 tuhat dollarit.
Väikese võimsusega kütuseelementi saab luua iseseisvalt tavalise kodu- või koolilabori tingimustes. Materjalidena on kasutatud vana gaasimaski, pleksiklaasi tükke, etüülalkoholi ja leelise vesilahust.
Isetegemise vesinikkütuseelemendi korpus on valmistatud pleksiklaasist, mille paksus on vähemalt viis millimeetrit. Sektsioonide vahelised vaheseinad võivad olla õhemad - umbes 3 millimeetrit. Kokku liimitud pleksiklaas spetsiaalne liim valmistatud kloroformist või dikloroetaanist ja pleksiklaasist. Kõik tööd tehakse ainult siis, kui õhupuhasti töötab.
Korpuse välisseina puuritakse 5-6 sentimeetrise läbimõõduga auk, millesse torgatakse kummikork ja äravooluklaasist toru. Gaasimaski aktiivsüsi valatakse kütuseelemendi korpuse teise ja neljandasse kambrisse - seda kasutatakse elektroodina.
Kütus tsirkuleeritakse esimeses kambris, viies aga täidetakse õhuga, millest tarnitakse hapnikku. Elektroodide vahele valatud elektrolüüt immutatakse parafiini ja bensiini lahusega, et vältida selle sattumist õhukambrisse. Vaskplaadid asetatakse kivisöekihile, mille külge on joodetud juhtmed, mille kaudu vool suunatakse.
Kokkupandud vesinikkütuseelement laaditakse vahekorras 1:1 veega lahjendatud viinaga. Saadud segule lisatakse ettevaatlikult söövitav kaalium: 70 grammi kaaliumi lahustub 200 grammis vees.
Enne kütuseelemendi katsetamist vesinikuga valatakse kütus esimesse kambrisse ja elektrolüüt kolmandasse kambrisse. Elektroodidega ühendatud voltmeeter peaks näitama 0,7–0,9 volti. Elemendi pideva töö tagamiseks tuleb kasutatud kütus eemaldada ning läbi kummitoru valada uus kütus. Toru pigistades juhitakse kütuse väljastuskiirust. Sellistel kodus kokkupandud vesinikkütuseelementidel on väike võimsus.
Pikka aega tahtsin teile rääkida ettevõtte Alfaintek teisest suunast. See on vesinikkütuseelementide arendus, müük ja teenindus. Ma tahan kohe selgitada olukorda nende kütuseelementidega Venemaal.
Nende kütuseelementide laadimiseks mõeldud vesinikujaamade üsna kõrge hinna ja täieliku puudumise tõttu ei eeldata nende müüki Venemaal. Sellest hoolimata koguvad need kütuseelemendid Euroopas, eriti Soomes, iga aastaga populaarsust. Mis on saladus? Vaatame. See seade on keskkonnasõbralik, hõlpsasti kasutatav ja tõhus. See tuleb inimesele appi seal, kus ta vajab Elektrienergia. Saate seda kaasa võtta teele, matkale, kasutada seda maal, korteris autonoomse elektriallikana.
Kütuseelemendis toodetakse elektrit silindrist tuleva vesiniku keemilisel reaktsioonil metallhüdriidi ja õhu hapnikuga. Silinder ei ole plahvatusohtlik ja seda saab hoida oma kapis aastaid, oodates tiibades. See on võib-olla selle vesiniku salvestamise tehnoloogia üks peamisi eeliseid. Just vesiniku säilitamine on vesinikkütuse arendamise üks peamisi probleeme. Unikaalsed uued kerged kütuseelemendid, mis muudavad vesiniku tavapäraseks elektrienergiaks ohutult, vaikselt ja heitmevabalt.
Seda tüüpi elektrit saab kasutada kohtades, kus puudub tsentraalne elekter, või avariitoiteallikana.
Erinevalt tavalistest akudest, mida tuleb laadimise ajal laadida ja samal ajal elektritarbijast lahti ühendada, töötab kütuseelement “targa” seadmena. See tehnoloogia tagab katkematu toite kogu kasutusaja jooksul tänu ainulaadsele funktsioonile säilitada võimsust kütusepaagi vahetamisel, mis võimaldab kasutajal mitte kunagi tarbijat välja lülitada. Kinnises korpuses saab kütuseelemente säilitada mitu aastat ilma vesinikku kaotamata ja võimsust vähendamata.
Kütuseelement on mõeldud teadlastele ja teadlastele, korrakaitsjatele, vetelpäästjatele, laevade ja jahisadamate omanikele ning kõigile, kes vajavad hädaolukorras usaldusväärset toiteallikat. 
Võid saada 12 volti või 220 volti pinget ja siis jätkub energiat teleri, stereosüsteemi, külmkapi, kohvimasina, veekeetja, tolmuimeja, puuri, mikropliidi ja muude kodumasinate kasutamiseks.
Hüdroelemendi kütuseelemente saab müüa üksiku ühikuna või 2-4 elemendiga akudena. Kaks või neli elementi saab kombineerida, et suurendada võimsust või suurendada voolu. 
KÜTUSEELEMENTIDEGA KODUMASINATE TÖÖAEG
|
Elektriseadmed |
Tööaeg päevas (min.) |
Miinused. võimsus päevas (W*h) |
Tööaeg kütuseelementidega |
|||
|
Elektriline veekeetja |
||||||
|
Kohvimasin |
||||||
|
Mikroplaat |
||||||
|
Televisioon |
||||||
|
1 pirn 60W |
||||||
|
1 pirn 75W |
||||||
|
3 pirni 60W |
||||||
|
arvuti sülearvuti |
||||||
|
Külmkapp |
||||||
|
Energiasäästlik lamp |
||||||
* - pidev töö
Kütuseelemendid laetakse täielikult spetsiaalsetes vesinikujaamades. Aga mis siis, kui reisite neist kaugele ja laadimiseks pole võimalust? Eriti sellisteks puhkudeks on Alfainteki spetsialistid välja töötanud vesinikusalvestid, millega kütuseelemendid töötavad palju kauem.
Toodetakse kahte tüüpi silindreid: NS-MN200 ja NS-MN1200.
HC-MH200 komplekt on veidi suurem kui Coca-Cola purk, see mahutab 230 liitrit vesinikku, mis vastab 40Ah-le (12V), ja kaalub vaid 2,5 kg.
Metallhüdriidiga NS-MH1200 silinder mahutab 1200 liitrit vesinikku, mis vastab 220Ah-le (12V). Silindri kaal on 11 kg.
Metallhüdriidide kasutamise tehnika on ohutu ja lihtne viis vesiniku ladustamine, transport ja kasutamine. Metallhüdriidina säilitamisel on vesinik pigem keemilise ühendi kui gaasilises vormis. See meetod võimaldab saada piisavalt kõrge energiatiheduse. Metallhüdriidi kasutamise eeliseks on see, et rõhk silindri sees on vaid 2-4 baari. 
Silinder ei ole plahvatusohtlik ja seda saab säilitada aastaid ilma aine mahtu vähendamata. Kuna vesinikku hoitakse metallhüdriidina, on silindrist saadava vesiniku puhtus väga kõrge – 99,999%. Metallhüdriidi kujul olevaid vesinikusalvestisi saab kasutada mitte ainult HC 100 200 400 kütuseelementidega, vaid ka muudel juhtudel, kui on vaja puhast vesinikku. Silindreid saab kiirühenduse ja painduva vooliku abil lihtsalt ühendada kütuseelemendi või muu seadmega.
Kahju, et Venemaal neid kütuseelemente ei müüda. Kuid meie elanikkonna hulgas on nii palju inimesi, kes neid vajavad. No ootame ja vaatame, sina vaata ja saame. Vahepeal ostame riigi poolt peale surutud säästupirne.
P.S. Tundub, et teema on lõpuks unustuse hõlma vajunud. Nii palju aastaid pärast selle artikli kirjutamist ei tulnud midagi välja. Võib-olla ma muidugi ei otsi igale poole, aga see, mis mulle silma jääb, pole sugugi meeldiv. Tehnika ja idee on head, aga arendust pole veel leitud.
kütuseelement- mis see on? Millal ja kuidas ta ilmus? Miks seda vaja on ja miks neist meie ajal nii sageli räägitakse? Mis on selle ulatus, omadused ja omadused? Peatamatu areng nõuab vastuseid kõigile neile küsimustele!
Mis on kütuseelement?
kütuseelement- see on keemiline vooluallikas või elektrokeemiline generaator, see on seade keemilise energia muundamiseks elektrienergiaks. Kaasaegses elus kasutatakse keemilisi vooluallikaid kõikjal ja need on mobiiltelefonide, sülearvutite, pihuarvutite akud, aga ka autoakud, katkematu toiteallikad jne. Selle valdkonna arengu järgmine etapp on kütuseelementide laialdane levitamine ja see on vaieldamatu tõsiasi.
Kütuseelementide ajalugu
Kütuseelementide ajalugu on järjekordne lugu sellest, kuidas kunagi Maalt avastatud aine omadusi kasutati laialdaselt kaugel kosmoses ja aastatuhande vahetusel naasis need taevast Maale.
Kõik sai alguse 1839. aastal aastal, kui saksa keemik Christian Schönbein avaldas ajakirjas Philosophical Journal kütuseelemendi põhimõtted. Samal aastal konstrueeris inglane, Oxfordi ülikooli lõpetanud William Robert Grove galvaanilise elemendi, mida hiljem kutsuti Grove'i galvaanielemendiks, mida tunnustatakse ka esimese kütuseelemendina. Nimetus "kütuseelement" anti leiutisele selle juubeliaastal – 1889. aastal. Ludwig Mond ja Karl Langer on selle termini autorid.
Veidi varem, 1874. aastal, ennustas Jules Verne raamatus "Saladuslik saar" praegust energiaolukorda, kirjutades, et "Vett hakatakse ühel päeval kütusena kasutama, vesinikku ja hapnikku, millest see koosneb."
Vahepeal uus tehnoloogia toiteallikat täiustati järk-järgult ja alates XX sajandi 50ndatest ei möödunud aastatki ilma selle valdkonna uusimate leiutiste teatamiseta. 1958. aastal ilmus USA-s esimene kütuseelementidel töötav traktor, 1959. aastal. Vabanes keevitusmasina 5KW toide jne. 70ndatel tõusis vesinikutehnoloogia kosmosesse: ilmusid lennukid ja rakettmootorid vesinikul. 1960. aastatel töötas RSC Energia välja kütuseelemendid Nõukogude Kuu programmi jaoks. Ka Burani programm ei saanud ilma nendeta hakkama: töötati välja leeliselised 10 kW kütuseelemendid. Ja sajandi lõpu poole ületasid kütuseelemendid merepinnast nullkõrgust – nende põhjal arenesid elektrivarustus Saksa allveelaev. Maale naastes pandi 2009. aastal USA-s tööle esimene vedur. Loomulikult kütuseelementidel.
Kütuseelementide kogu ilusa ajaloo juures on huvitav see, et ratas on ikka veel inimkonna võrratu looduses leiutis. Fakt on see, et kütuseelemendid on oma konstruktsiooni ja tööpõhimõtte poolest sarnased bioloogilise elemendiga, mis on tegelikult miniatuurne vesinik-hapnik kütuseelement. Selle tulemusena leiutas inimene taas selle, mida loodus on miljoneid aastaid kasutanud.
Kütuseelementide tööpõhimõte
Kütuseelementide tööpõhimõte on ilmne isegi alates kooli õppekava keemias ja just tema pandi William Grove'i katsetesse 1839. aastal. Asi on selles, et vee elektrolüüsi (vee dissotsiatsiooni) protsess on pöörduv. Nii nagu on tõsi, et kui elektrivool lastakse läbi vee, jaguneb viimane vesinikuks ja hapnikuks, nii on ka vastupidi: vesinikku ja hapnikku saab kombineerida vee ja elektri tootmiseks. Grove'i katses asetati kaks elektroodi kambrisse, kuhu juhiti rõhu all piiratud koguses puhast vesinikku ja hapnikku. Tänu väikestele gaasimahtudele, aga ka süsinikelektroodide keemilistele omadustele, toimus kambris aeglane reaktsioon soojuse, vee eraldumisega ja, mis kõige tähtsam, potentsiaalivahe tekkimisega. elektroodid.
Lihtsaim kütuseelement koosneb spetsiaalsest elektrolüüdina kasutatavast membraanist, mille mõlemale küljele on paigaldatud pulbrilised elektroodid. Ühele poole (anood) siseneb vesinik ja teisele (katoodile) hapnik (õhk). Igal elektroodil on erinev keemiline reaktsioon. Anoodil laguneb vesinik prootonite ja elektronide seguks. Mõnes kütuseelemendis on elektroodid ümbritsetud katalüsaatoriga, mis on tavaliselt valmistatud plaatinast või muudest väärismetallidest, et aidata kaasa dissotsiatsioonireaktsioonile:
2H 2 → 4H + + 4e -
kus H2 on kaheaatomiline vesiniku molekul (vorm, milles vesinik esineb gaasina); H + - ioniseeritud vesinik (prooton); e - - elektron.
Kütuseelemendi katoodipoolsel küljel rekombineeruvad prootonid (läbivad elektrolüüdi) ja elektronid (mis läbisid välist koormust) ja reageerivad katoodile tarnitud hapnikuga, moodustades vee:
4H + + 4e - + O2 → 2H2O
Üldine reaktsioon kütuseelemendis on kirjutatud järgmiselt:
2H2 + O2 → 2H2O
Kütuseelemendi töö põhineb asjaolul, et elektrolüüt laseb prootoneid läbi iseenda (katoodi suunas), kuid elektronid mitte. Elektronid liiguvad katoodi suunas mööda välist juhtivat ahelat. See elektronide liikumine on elektrivool, mida saab kasutada kütuseelemendiga ühendatud välisseadme toiteks (koormus, näiteks lambipirn):
Kütuseelemendid kasutavad oma töös vesinikkütust ja hapnikku. Kõige lihtsam on hapnikuga – seda võetakse õhust. Vesinikku saab tarnida otse mahutist või sellest eraldades väline allikas kütus ( maagaas, bensiin või metüülalkohol – metanool). Välise allika puhul tuleb see vesiniku eraldamiseks keemiliselt muundada. Praegu kasutab enamik kaasaskantavate seadmete jaoks väljatöötatavaid kütuseelementide tehnoloogiaid metanooli.
Kütuseelemendi omadused
Kütuseelemendid on analoogsed olemasolevatele akudele selles mõttes, et mõlemal juhul saadakse elektrienergia keemilisest energiast. Kuid on ka põhimõttelisi erinevusi:
need töötavad ainult seni, kuni kütust ja oksüdeerijat toidetakse välisest allikast (st nad ei suuda elektrienergiat salvestada),
elektrolüüdi keemiline koostis töötamise ajal ei muutu (kütuseelementi pole vaja laadida),
need on elektrist täiesti sõltumatud (tavalised akud salvestavad energiat vooluvõrgust).
Iga kütuseelement loob pinge 1 V. Suurem pinge saavutatakse nende järjestikku ühendamisel. Võimsuse (voolu) suurenemine toimub järjestikku ühendatud kütuseelementide kaskaadide paralleelse ühendamise kaudu.
Kütuseelementide jaoks tõhususele pole rangeid piiranguid, nagu soojusmasinate puhul (Carnot' tsükli kasutegur on maksimaalne võimalik kasutegur kõigi sama minimaalse ja maksimaalse temperatuuriga soojusmasinate seas).
Kõrge efektiivsusega saavutatakse kütuseenergia otsesel muundamisel elektriks. Kui kütus põletatakse esmalt diiselgeneraatorites, keerab tekkiv aur või gaas turbiini või sisepõlemismootori võlli, mis omakorda elektrigeneraatori. Tulemuseks on efektiivsus maksimaalselt 42%, sagedamini on see umbes 35-38%. Veelgi enam, paljude seoste ja soojusmasinate maksimaalse kasuteguri termodünaamiliste piirangute tõttu ei tõsta olemasolevat efektiivsust tõenäoliselt kõrgemale. Olemasolevate kütuseelementide jaoks Kasutegur on 60-80%,
Tõhusus peaaegu ei sõltu koormustegurist,
Võimsus on mitu korda suurem kui olemasolevad akud
Täielik ei mingeid keskkonnakahjulikke heitmeid. Väljastatakse ainult puhast veeauru ja soojusenergiat (erinevalt diiselgeneraatoritest, millel on saasteheitmed ja mis nõuavad nende eemaldamist).
Kütuseelementide tüübid
kütuseelemendid salastatud järgmistel põhjustel:
kasutatud kütuse järgi
töörõhk ja temperatuur,
vastavalt rakenduse laadile.
Üldiselt on järgmised kütuseelementide tüübid:
Tahkeoksiidkütuseelemendid (SOFC);
Prootonvahetusmembraaniga kütuseelement (prootonvahetusmembraaniga kütuseelement - PEMFC);
Pööratav kütuseelement (RFC);
Otsese metanooli kütuseelement (Direct-metanol fuel cell – DMFC);
Sulatatud karbonaatkütuseelement (Molten-carbonate kütuseelemendid – MCFC);
Fosforhappe kütuseelemendid (PAFC);
Leeliskütuseelemendid (AFC).
Üks kütuseelementide tüüpidest, mis töötavad aadressil normaalsed temperatuurid vesinikku ja hapnikku kasutavad rõhud on ioonivahetusmembraaniga elemendid. Saadud vesi ei lahusta tahket elektrolüüti, voolab alla ja on kergesti eemaldatav.
Kütuseelementide probleemid
Kütuseelementide põhiprobleem on seotud vajadusega "pakendatud" vesiniku järele, mida võiks vabalt osta. Ilmselgelt peaks probleem aja jooksul lahenema, kuid seni tekitab olukord kerge muigega: mis tuleb enne – kana või muna? Kütuseelemendid ei ole veel piisavalt arenenud vesinikujaamade ehitamiseks, kuid nende areng on mõeldamatu ilma nende jaamadeta. Siinkohal märgime ka vesinikuallika probleemi. Vesinikku toodetakse praegu maagaasist, kuid kallinevad energiakulud tõstavad ka vesiniku hinda. Samal ajal on CO ja H 2 S (vesiniksulfiid) olemasolu maagaasist saadavas vesinikus vältimatu, mis mürgitavad katalüsaatorit.
Levinud plaatina katalüsaatorites kasutatakse väga kallist ja looduses asendamatut metalli – plaatinat. aga see probleem probleem plaanitakse lahendada ensüümidel põhinevate katalüsaatoritega, mis on odav ja kergesti valmistatav aine.
Probleemiks on ka kuumus. Tõhusus suureneb järsult, kui tekkiv soojus suunatakse kasulikku kanalisse – tootma soojusenergia küttesüsteemi jaoks kasutada neeldumisel jääksoojuseks külmutusmasinad jne.
Metanooli kütuseelemendid (DMFC): tõeline rakendus
Otsesed metanoolkütuseelemendid (DMFC) pakuvad tänapäeval kõige suuremat praktilist huvi. Portege M100 sülearvuti, mis töötab DMFC kütuseelemendiga, näeb välja selline:
Tüüpiline DMFC vooluring sisaldab lisaks anoodile, katoodile ja membraanile mitmeid lisakomponente: kütusekassett, metanooliandur, kütuse tsirkulatsioonipump, õhupump, soojusvaheti jne.
Näiteks sülearvuti tööaega võrreldes akudega plaanitakse pikendada 4 korda (kuni 20 tundi), mobiiltelefonil - kuni 100 tundi aktiivses režiimis ja kuni kuus kuud ooterežiimis. Laadimine toimub osa vedela metanooli lisamisega.
Peamine ülesanne on leida võimalusi kasutada kõige suurema kontsentratsiooniga metanoolilahust. Probleem on selles, et metanool on üsna tugev mürk, mitmekümnegrammistes annustes surmav. Kuid metanooli kontsentratsioon mõjutab otseselt töö kestust. Kui varem kasutati 3-10% metanoolilahust, siis 50% lahust kasutavad mobiiltelefonid ja pihuarvutid on juba ilmunud ning 2008. aastal said laboritingimustes MTI MicroFuel Cells ja veidi hiljem ka Toshiba kütuseelemendid, mis töötavad. puhas metanool.
Kütuseelemendid on tulevik!
Lõpetuseks, kütuse ilmselgest suurest tulevikust räägib asjaolu, et elektroonikaseadmete tööstusstandardeid määratlev rahvusvaheline organisatsioon IEC (International Electrotechnical Commission) on juba teatanud miniatuursete kütuseelementide rahvusvahelise standardi väljatöötamise töörühma loomisest. rakud.
Vesinikkütuseelemendid muudavad kütuse keemilise energia elektrienergiaks, jättes mööda ebaefektiivsetest, suure kadudega põlemisprotsessidest ja soojusenergia muundamisest mehaaniliseks energiaks.
Vesinikkütuseelemendid muudavad kütuse keemilise energia elektrienergiaks, jättes mööda ebaefektiivsetest, suure kadudega põlemisprotsessidest ja soojusenergia muundamisest mehaaniliseks energiaks. Vesinikkütuseelement on elektrokeemiline seade toodab kütuse ülitõhusa "külm" põletamise tulemusena otse elektrit. Prootonivahetusmembraani vesinik-õhk kütuseelement (PEMFC) on üks paljutõotavamaid kütusetehnoloogiaid. elemendid.
Prootonit juhtiv polümeermembraan eraldab kaks elektroodi, anoodi ja katoodi. Iga elektrood on süsinikplaat (maatriks), mis on kaetud katalüsaatoriga. Anoodkatalüsaatoril dissotsieerub molekulaarne vesinik ja loovutab elektrone. Vesinikkatioonid juhitakse läbi membraani katoodile, kuid elektronid antakse välja välisesse vooluringi, kuna membraan ei lase elektronidel läbi minna.
Katoodkatalüsaatoril ühineb hapniku molekul elektroni (mis saadakse elektriahelast) ja sissetuleva prootoniga ning moodustab vee, mis on ainus reaktsioonisaadus (auru ja/või vedeliku kujul).
Membraan-elektroodiplokid on valmistatud vesinikkütuseelementidest, mis on energiasüsteemi peamine genereeriv element.
– suurenenud erienergia intensiivsus (500 ÷ 1000 W*h/kg),
– laiendatud töötemperatuuri vahemik (-40 0 C / +40 0 C),
- kuumapunkti, müra ja vibratsiooni puudumine,
– külmkäivituse töökindlus
– praktiliselt piiramatu energiasalvestusperiood (ei isetühjenemist),
– võimalus muuta süsteemi energiaintensiivsust, muutes kütusekassettide arvu, mis tagab peaaegu piiramatu autonoomia,
– võimalus tagada süsteemi peaaegu igasugune mõistlik energiaintensiivsus, muutes vesinikuhoidla võimsust,
– suur energiatarbimine
- taluvus vesiniku lisandite suhtes,
– pikk eluaeg,
- keskkonnasõbralikkus ja müravaba töö.
– UAV-de toitesüsteemid,
– kaasaskantavad laadijad,
– katkematud toiteallikad,
– Muud seadmed.
Nissani vesinikkütuseelement
Mobiilne elektroonika täiustub iga aastaga, muutub laiemaks ja kättesaadavamaks: pihuarvutid, sülearvutid, mobiil- ja digiseadmed, pildiraamid jne. Neid kõiki uuendatakse pidevalt uute funktsioonide, suuremate monitoride, traadita side, tugevamate protsessoritega, samas kui nende arv väheneb. suurus.. Toitetehnoloogiad, erinevalt pooljuhttehnoloogiast, ei liigu hüppeliselt.
Olemasolevatest patareidest ja akudest tööstuse saavutuste toiteks on muutumas ebapiisavaks, mistõttu on alternatiivsete allikate küsimus väga terav. Kütuseelemendid on kõige lootustandvam suund. Nende tööpõhimõtte avastas juba 1839. aastal William Grove, kes tootis elektrit vee elektrolüüsi muutmise teel.
Video: Dokumentaalfilm, kütuseelemendid transpordiks: minevik, olevik, tulevik
Kütuseelemendid pakuvad huvi autotootjatele ja nende vastu tunnevad huvi ka tegijad. kosmoselaevad. 1965. aastal katsetas neid isegi Ameerika kosmosesse saadetud Gemini 5 ja hiljem Apolloga. Kütuseelementide uurimisse investeeritakse miljoneid dollareid ka tänapäeval, kui on probleeme keskkonnareostusega, suurenevate fossiilkütuste põletamisel tekkivate kasvuhoonegaaside heitkogustega, mille varud pole samuti lõputud.
Kütuseelement, mida sageli nimetatakse elektrokeemiliseks generaatoriks, töötab allpool kirjeldatud viisil.
Olles, nagu akud ja patareid, galvaaniline element, kuid selle erinevusega, et aktiivseid aineid hoitakse selles eraldi. Need tulevad elektroodide juurde, kui neid kasutatakse. Negatiivsel elektroodil põleb looduslik kütus või mis tahes sellest saadud aine, mis võib olla gaasiline (näiteks vesinik ja süsinikmonooksiid) või vedel, nagu alkoholid. Positiivse elektroodi juures reageerib reeglina hapnik.
Kuid lihtsa välimusega tegevuspõhimõtet pole lihtne tegelikkuseks tõlkida.
Video: DIY vesinikkütuseelement
Kahjuks pole meil fotosid, milline see kütuseelement välja peaks nägema, loodame teie fantaasiale.
Oma kätega väikese võimsusega kütuseelementi saab valmistada isegi koolilaboris. Vaja on varuda vana gaasimaski, mitu pleksiklaasi tükki, leelist ja etüülalkoholi vesilahust (lihtsamalt viina), mis toimib kütuseelemendi "kütusena".
Kõigepealt on vaja kütuseelemendi korpust, mis on kõige parem teha pleksiklaasist, paksusega vähemalt viis millimeetrit. Sisemised vaheseinad(sees viis kambrit) saab teha veidi õhemaks - 3 cm.Pleksiklaasi liimimiseks kasutatakse järgmise koostisega liimi: kuus grammi pleksiklaasi lahustatakse sajas grammis kloroformis või dikloroetaanis (need töötavad kapoti all).
Välisseinasse on nüüd vaja puurida auk, millesse tuleb läbi kummikorgi pista 5-6 sentimeetrise läbimõõduga äravooluklaasist toru.
Kõik teavad, et perioodilisustabeli vasakus alanurgas on neid kõige rohkem aktiivsed metallid, ja kõrge aktiivsusega metalloidid on tabelis üleval paremas nurgas, st. elektronide loovutamise võime suureneb ülalt alla ja paremalt vasakule. Tabeli keskel on elemendid, mis võivad teatud tingimustel avalduda metallide või metalloididena.
Nüüd valame teises ja neljandas sektsioonis gaasimaskist aktiivsütt (esimese vaheseina ja teise, samuti kolmanda ja neljanda vahele), mis toimib elektroodidena. Et kivisüsi läbi aukude välja ei valguks, võib selle panna nailonkangasse (sobivad ka naiste nailonist sukad). IN
Kütus hakkab ringlema esimeses kambris, viiendas peaks olema hapniku tarnija - õhk. Elektroodide vahel on elektrolüüt ja selle õhukambrisse lekkimise vältimiseks on vaja seda leotada parafiini lahusega bensiinis (2 grammi parafiini ja poole klaasi bensiini suhe) enne neljanda kambri täitmist söega õhu elektrolüüdi saamiseks. Söekihile tuleb panna (kergelt vajutades) vaskplaadid, mille külge on joodetud juhtmed. Nende kaudu suunatakse vool elektroodidelt kõrvale.
Jääb vaid elemendi laadimine. Selleks on vaja viina, mis tuleb lahjendada veega vahekorras 1: 1. Seejärel lisage ettevaatlikult kolmsada kuni kolmsada viiskümmend grammi söövitavat kaaliumi. Elektrolüüdi jaoks lahustatakse 70 grammi söövitavat kaaliumit 200 grammis vees.
Kütuseelement on testimiseks valmis. Nüüd peate samaaegselt valama kütust esimesse kambrisse ja elektrolüüti kolmandasse. Elektroodide külge kinnitatud voltmeeter peaks näitama 07 volti kuni 0,9 volti. Elemendi pideva töö tagamiseks on vaja kasutatud kütus tühjendada (klaasi tühjendada) ja lisada uus kütus (läbi kummitoru). Etteandekiirust juhitakse toru pigistamisega. Nii näeb laboritingimustes välja kütuseelemendi töö, mille võimsus on arusaadavalt väike.
Video: Kütuseelement ehk igavene aku kodus
Võimsuse suurendamiseks on teadlased selle probleemiga pikka aega tegelenud. Metanool ja etanooli kütuseelemendid asuvad aktiivse arendusterasel. Kuid kahjuks pole siiani võimalik neid praktikas rakendada.
Alternatiivseks jõuallikaks valiti kütuseelement, kuna selles on vesiniku põlemise lõpp-produktiks vesi. Probleem on ainult odava ja tõhusa vesiniku tootmise viisi leidmises. Vesinikugeneraatorite ja kütuseelementide arendusse investeeritud kolossaalsed vahendid ei saa jätta vilja kandmata, seega tehnoloogiline läbimurre ja nende reaalne kasutamine Igapäevane elu, ainult aja küsimus.
Juba täna on autotööstuse koletised: General Motors, Honda, Dreimler Koisler, Ballard demonstreerivad busse ja autosid, mis töötavad kütuseelementidel võimsusega kuni 50 kW. Kuid nende ohutuse, töökindluse, kuludega seotud probleemid pole veel lahendatud. Nagu juba mainitud, on erinevalt traditsioonilistest toiteallikatest - akudest ja patareidest - antud juhul oksüdeerija ja kütus väljastpoolt ning kütuseelement on vaid vahendaja reaktsioonis, mis toimub kütuse põletamisel ja vabaneva energia muundamisel elektrienergiaks. . "Põlemine" toimub ainult siis, kui element annab koormusele voolu, nagu diiselelektrigeneraator, kuid ilma generaatori ja diislita ning ka ilma müra, suitsu ja ülekuumenemiseta. Samal ajal on efektiivsus palju suurem, kuna puuduvad vahepealsed mehhanismid.
Video: Vesinikkütuseelemendiga auto
Nanotehnoloogiate ja nanomaterjalide kasutamisele pannakse suuri lootusi, mis aitab kütuseelemente miniatuurseks muuta, suurendades samal ajal nende võimsust. On teatatud, et on loodud ülitõhusaid katalüsaatoreid, aga ka kütuseelementide konstruktsioone, millel pole membraane. Nendes koos oksüdeerijaga tarnitakse elemendile kütust (näiteks metaan). Huvitavad on lahendused, kus oksüdeeriva ainena kasutatakse vees lahustunud hapnikku ja kütusena reostunud veekogudesse kogunevaid orgaanilisi lisandeid. Need on nn biokütuseelemendid.
Kütuseelemendid võivad ekspertide sõnul jõuda massiturule lähiaastatel
