Kuro elementas
Kuro elementas gamina elektros energiją, naudodamas energiją, išsiskiriančią maišant degalus su oru, o šios reakcijos metu susidaro vanduo ir kartais anglies dioksidas. Labiausiai paplitęs kuro elementų kuras yra vandenilis, kuris reaguodamas su oro deguonimi sukuria tik vandenį. Kuro elementai veikia kaip akumuliatorius, į kurį nuolat tiekiamas kuras, todėl jis niekada neišsikrauna (jei tik turite pakankamai kuro). Kuro elementai yra svarbi vandenilio ekonomikos dalis. Vandenilio molekulių yra tokiose medžiagose kaip metanas, vanduo ir biomasė, tačiau visais atvejais jam išgauti reikia tam tikros energijos. Yra du paplitę vandenilio gamybos būdai - jis gali būti atskiriamas iš daugumos kuro rūšių, tokių kaip nafta, dujos, anglis, vykstant procesui, vadinamam garo riformingu, arba gali būti išgaunamas iš vandens, naudojant procesą, vadinamą elektrolize. Jei vandenilis atskiriamas nuo iškastinio kuro, išsiskiria anglies dioksidas. Jei vandeniliui išgauti iš vandens elektrolizės būdu naudojama saulės arba vėjo energija, pagamintas vandenilis yra nekenksmingas, nes į aplinką neišmetama jokių teršalų. Vandenilį taip pat galima atskirti iš atsinaujinančių biodujų, o tai reiškia, kad išsiskirianti anglis nėra iškastinės kilmės, todėl ji yra natūralaus anglies ciklo dalis.
Tiesioginio metanolio kuro elementas. Tikrasis kuro elemento kaminas yra paveikslėlio centre esanti dvisluoksnė kubinė struktūra.
Kaip konvertuoti energiją
Vanduo yra molekulė, sudaryta iš vieno deguonies atomo ir dviejų vandenilio atomų. Vandeniui suskaidyti į deguonį ir vandenilį reikia energijos, o energija išsiskiria, kai jie vėl susijungia į vandenį. Kuro elementas sujungia vandenilį ir deguonį taip, kad energija išsiskiria elektros energijos pavidalu.
Kuras (energijos šaltinis, dažniausiai vandenilis) ir oras (kuriame yra deguonies) patenka į priešingas kuro elemento puses. Kuro elemento viduryje tarp dviejų metalinių plokštelių, vadinamų elektrodais, yra "ekranas", vadinamas elektrolitu, kuris atskiria degalus ir orą. Skirtingų rūšių kuro elementų pavadinimai priklauso nuo to, kokio tipo ekranas naudojamas degalams ir orui atskirti. Ekranas praleidžia tik tam tikras įkrautas molekules, dar vadinamas jonais.
Kad susidarytų jonai, elektronus reikia pernešti iš vienos sistemos pusės į kitą. Elektronus nuo degalų atskiria metalinė plokštelė degalų pusėje, ir jie turi nukeliauti į oro pusę, kad būtų užbaigta reakcija. Kadangi ekranas nepraleidžia elektronų, jie atskiru laidu patenka į kitą metalinę plokštelę oro pusėje. Keliaudami elektronai sukuria elektros srovę (elektrą). Laidas yra ta vieta, kur galima naudoti elektros energiją. Pavyzdžiui, vielą galima perpjauti per pusę ir tarp abiejų pusių prijungti elektros lemputę.
Tuo tarpu jonai praeina pro ekraną ir reaguoja su molekulėmis (jau esančiomis kitoje pusėje) ir elektronais (keliaujančiais per laidą ir atiduodančiais energiją elektronikai maitinti) kitoje pusėje. Susidaro vanduo (ir, priklausomai nuo degalų rūšies, kartais kiti produktai), kuris išeina per išmetimo vamzdį.
Efektyvumas
Kuro elementai gamina elektrą jungdami deguonį ir vandenilį. Efektyvumas yra labai geras (apie 40-70 %). Didžiausias jų efektyvumas siekia 83 %, jei reakcijos metu naudojama išmetamųjų dujų šiluma. Be to, kuro elementai gali naudoti įvairius degalus, pavyzdžiui, gamtines dujas, metanolį, suskystintas naftos dujas (SND), benziną, žibalą ir kt.
Funkcijos
Kai kurių tipų kuro elementai gamina tik vandenį, todėl neteršia aplinkos. Dauguma kuro elementų tipų išmeta daug mažiau teršalų nei klasikinė ("kaloringa") elektros energijos gamyba. Jie gali naudoti tuos pačius kuro tipus kaip ir klasikiniai energijos generatoriai, pavyzdžiui, dyzeliniai varikliai, tačiau jie yra maždaug du kartus efektyvesni, o tai reiškia, kad gali pagaminti tokį patį energijos kiekį su dvigubai mažesniu kuro kiekiu, taigi ir mažiausiai dvigubai mažesne tarša. Be to, naudojant tiesioginės konversijos kuro elementus yra mažesnė rizika, kad susidarys antrinės emisijos, pavyzdžiui, NOx, SOx ir kietosios dalelės, kurios yra šalutinis degimo poveikis, prisideda prie visuotinio atšilimo ir vadinamos kriteriniais teršalais.
Kuro elementai veikia labai tyliai. Juose nėra jokių judančių dalių, išskyrus kai kuriuos ventiliatorius orui judinti ir siurblius vandeniui judinti, todėl juos labai retai reikia remontuoti, tačiau kai kurie dideli kuro elementai, naudojami pastatams maitinti, gali būti gana trapūs.
Dėl labai mažo išmetamų teršalų kiekio kuro elementai dažnai naudojami transporto priemonėse, kurios važinėja pastatų viduje, pavyzdžiui, krautuvuose. Kadangi jie labai tylūs, kai kuriuose kariniuose povandeniniuose laivuose jie naudojami siekiant išvengti aptikimo. Kuras naudojamas efektyviau, todėl kuro elementai gali veikti ilgiau, negaudami naujų degalų. Todėl juos galima naudoti sunkiai prieinamose vietose, pavyzdžiui, meteorologijos ar mokslinių tyrimų stotyse, kosminiuose laivuose ar karinėse bazėse.
Kadangi kosminiai laivai paleidžiami raketomis, kuriose yra gryno vandenilio ir deguonies, elektros energija laive gaminama naudojant labai efektyvius kuro elementus, galinčius naudoti šiuos degalus. Be to, kosminiuose laivuose esantys degalų elementai išmetamosiose dujose gamina gryną vandenį, kurį galima toliau surinkti ir naudoti kaip geriamąjį vandenį astronautams, t. y. visiškai nieko nešvaistoma.
Kuro elementų tipai
Kuro elementus galima klasifikuoti pagal vidinio ekrano (elektrolito) tipą. Pavyzdžiui, fosforo rūgšties kuro elementai skirti žemoms temperatūroms. Jis naudojamas mobiliuosiuose telefonuose ir automobilių maitinimo šaltiniuose, kuriems reikia didelės srovės, nes yra daug saugesnis. Šarminiuose kuro elementuose paprastai būna kalio hidroksido (KOH). Metanolio kuro elementai naudojami elektrochemiškai reaguojant metanoliui. Šio tipo kuro elementai geriau tinka paprastesnėms sistemoms. Tačiau metanolio kuro elementų išėjimo tankis yra mažas, nes jo reakcijos greitis yra lėtas.
Kai kurie svarbūs kuro elementų tipai:
- Fosforo rūgšties kuro elementas (PAFC) - šiandien galima įsigyti fosforo rūgšties kuro elementų. Tai labiausiai paplitę kuro elementai, skirti kombinuotai šilumos ir elektros energijos gamybai.
- Protonų mainų membraniniai kuro elementai (PEM) - šie kuro elementai veikia palyginti žemoje temperatūroje (apie 175 °F), pasižymi dideliu galios tankiu, gali greitai keisti savo galią, kad atitiktų energijos poreikio pokyčius, ir yra tinkami naudoti, pavyzdžiui, automobiliuose, kai reikia greitai įsijungti. Visose komercinėse transporto priemonėse su kuro elementais naudojami šio tipo kuro elementai. Šių kuro elementų trūkumas yra tas, kad jiems reikia didelio grynumo vandenilio, kurio gamyba yra brangi.
- Šie kuro elementai veikia labai aukštoje temperatūroje, todėl sudėtingesnius degalus, pavyzdžiui, gamtines dujas, galima paversti vandenilio kuru, kuris naudojamas pačiame elemente. Jiems įjungti ir išjungti reikia kelių valandų, todėl jie naudojami tik tais atvejais, kai gali veikti nepertraukiamai, pavyzdžiui, stacionariai maitinant didelius pastatus ir (arba) įmones.
- Mikrobinis kuro elementas (MFC) - kuro elementas, kuriame kvėpuojantys mikrobai organinius substratus paverčia elektros energija, naudodami oksidacijosir redukcijos reakcijas.
Programos
Kuro elementai gali būti įvairiai naudojami - pagrindiniai automobilių gamintojai siekia komercializuoti kuro elementais varomus automobilius. "Toyota" ir "Honda" išleido atitinkamai "Mirai" ir "Clarity". Kuro elementais varomi autobusai, laivai, traukiniai, lėktuvai, motoroleriai, krautuvai ir dviračiai. Degalų elementais varomi prekybos automatai, dulkių siurbliai ir greitkelių kelio ženklai. Prognozuojama, kad miniatiūriniai kuro elementai bus skirti mobiliesiems telefonams, nešiojamiesiems kompiuteriams ir nešiojamajai elektronikai. Ligoninės, kredito kortelių centrai, policijos nuovados ir bankai naudoja kuro elementus savo patalpoms aprūpinti energija. Nuotekų valymo įrenginiuose ir sąvartynuose jie naudojami gaminamoms metano dujoms paversti elektra. Kuro elementai jau seniai naudojami kosmose. Telekomunikacijų bendrovės kuro elementus naudoja mobiliųjų telefonų, radijo ir 911 bokštuose.
Klausimai ir atsakymai
K: Kaip kuro elementas gamina elektros energiją?
Atsakymas: Kuro elementas gamina elektrą maišydamas kurą su oru ir sukeldamas reakciją, kurios metu išsiskiria energija, susidaro vanduo ir kartais anglies dioksidas.
K: Koks kuras dažniausiai naudojamas kuro elementuose?
A: Dažniausiai kuro elementuose naudojamas vandenilis.
K: Kuo kuro elementas skiriasi nuo akumuliatoriaus?
A: Kuro elementas nuo akumuliatoriaus skiriasi tuo, kad į jį nuolat tiekiami degalai, todėl jis niekada neišsikrauna, kol yra pakankamai degalų.
K: Kas yra vandenilio ekonomika?
A.: Vandenilio ekonomika - tai vandenilio, kaip kuro šaltinio, naudojimas siekiant sumažinti priklausomybę nuo iškastinio kuro.
K: Kaip gaminamas vandenilis?
Atsakymas: Vandenilis gali būti gaminamas naudojant procesą, vadinamą garų riformingu, arba išgaunamas iš vandens naudojant procesą, vadinamą elektrolize.
K: Kas atsitinka, kai vandenilis atskiriamas nuo iškastinio kuro?
A. Atskiriant vandenilį nuo iškastinio kuro išsiskiria anglies dioksidas.
K.: Ar galima vandenilį gaminti taip, kad nebūtų išmetama jokių kenksmingų teršalų?
Atsakymas: Taip, jei vandeniliui gaminti naudojama energija gaunama iš atsinaujinančių šaltinių, pavyzdžiui, saulės ar vėjo, pagamintas vandenilis yra nekenksmingas, nes į aplinką neišmetama jokių teršalų. Vandenilį taip pat galima išskirti iš atsinaujinančių biodujų, o tai reiškia, kad išsiskirianti anglis nėra iškastinės kilmės, todėl ji yra natūralaus anglies ciklo dalis.
