Kütuseelement on keemilise potentsiaalse energia (molekulaarsete sidemete energia) muundur elektrienergiaks. Seade sisaldab tööelementi, kus kütuseks on gaas vesinik (H 2) ja hapnik (O 2). Raku sees toimuva reaktsiooni produktideks on vesi, elekter ja soojus. Tehnoloogiliselt tuleks kütuseelemente pidada sisepõlemismootorite, söeküttel töötavate elektrijaamade ja isegi tuumaelektrijaamadega võrreldes arenenumateks süsteemideks, mille tööga kaasneb kahjulike kõrvalsaaduste eraldumine.

Kuna hapnikku on atmosfääris suurtes kogustes, jääb üle vaid lisada kütuseelementi vesinik. Seda ainet saadakse üsna hõlpsasti elektrolüüsi teel samanimelises seadmes, mida nimetatakse elektrolüsaatoriks.

Mis on elektrolüsaator ja kuidas see töötab?

Elektrokeemiline seade, mis kasutab elektrivoolu molekulide eraldamiseks nende koostisesse kuuluvateks aatomiteks. Elektrolüsaatoreid kasutatakse laialdaselt vee eraldamiseks vesinikuks ja hapnikuks.

Elektrolüüsitehnika on kõige lootustandvam meetod väga kõrge puhtusastmega (99,999%) vesiniku tootmiseks tänu oma kõrgele efektiivsusele ja kiirele dünaamilisele reaktsioonile võrreldes mõne teise meetoditega.

Elektrolüüsi teel toodetud vesinik on kvalitatiivselt puhas ja sobib seetõttu hästi kütuseelemendis kasutamiseks.

Millised elektrolüsaatorite konstruktsioonid on välja töötatud?

Sarnaselt kütuseelementidega on elektrolüüsaatorid ehitatud kahe elektroodi ja elektroodide vahele paigutatud ioone juhtiva elektrolüüdi baasil. Sellised seadmed erinevad kasutatava elektrolüüdi tüübi poolest.

Elektrolüüsi konstruktsiooniskeem ja ühe tööstusliku variandi välimus: 1 – katalüsaatorikiht; 2 – gaasi difusioonikiht; 3 – bipolaarne plaat; 4 – prootonivahetusmembraan; 5 - tihend

Välja on töötatud mitut erinevat tüüpi elektrolüüsiseadmeid, mis on kas juba praktikas kasutusel või rakendamise etapis. Kaks kõige levinumat vesinikku tootvat elektrolüüsi tüüpi on:

1. Leeliseline elektrolüsaator.
2. Membraani elektrolüsaator.

Leeliseline elektrolüsaator

Seda tüüpi seade töötab vedelal söövitava elektrolüüdiga (tavaliselt 30% KOH). Leeliselised elektrolüsaatorid on ehitatud odavatele metallidele (), mis toimivad katalüsaatoritena ja millel on üsna usaldusväärne struktuur.

Leeliselised elektrolüsaatorid toodavad vesinikku puhtusega 99,8%, töötavad suhteliselt madalatel temperatuuridel ja on kõrge tootlikkusega. Käitiste töörõhk võib ulatuda 30 ATI-ni. Töö ajal säilib madal voolutihedus.

Prootonvahetusmembraani (POM) elektrolüsaator

Katalüsaatoril on poorne struktuur, nii et plaatina pindala on maksimaalselt avatud vesiniku või hapnikuga. Katalüsaatori plaatinaga kaetud külg on suunatud POM-i poole.

Kuidas kütuseelement töötab?

Kütuseelemendi "süda" on prootonivahetusmembraan (POM). See komponent võimaldab prootonitel peaaegu takistamatult läbida, kuid blokeerib elektronid.

Seega, kui vesinik siseneb katalüsaatorisse ja jaguneb prootoniteks ja elektronideks, saadetakse prootonid otse katoodi poolele ja elektronid järgnevad läbi välise elektriahela.

Sellest tulenevalt teevad elektronid kasulikku tööd:

• süüdata elektrilamp,
• pöörake mootori võlli,
• laadige akut jne.

Alles pärast seda teed järgides ühinevad elektronid prootonite ja hapnikuga raku teisel poolel, millele järgneb vee tootmine.

Mitmest kütuseelemendist koosnev terviklik süsteem: 1 – gaasi vastuvõtja; 2 – ventilaatoriga jahutusradiaator; 3 – kompressor; 4 – tugivundament; 5 – mitmest elemendist kokku pandud kütuseelement; 6 – vahesalvestusmoodul

Kõik need reaktsioonid toimuvad nn ühes rakus. Praktikas kasutatakse põhikomponendi ümber tavaliselt tervet süsteemi, milleks on mitme lahtri virn.

Virn on sisse ehitatud moodulisse, mis koosneb osadest:

• kütuse, vee ja õhu juhtimine,
• külmutusseadmed,
• Külmutusagensi haldamise tarkvara.

See moodul integreeritakse seejärel terviklikuks süsteemiks, mida saab kasutada erinevate rakenduste jaoks.

Tänu vesiniku suurele energiasisaldusele ja kütuseelementide kõrgele efektiivsusele (55%) saab tehnoloogiat kasutada erinevates valdkondades.

Näiteks elektritootmise varutoiteallikana elektri põhivõrgu häirete korral.

Tehnoloogia ilmsed eelised

Muutades keemilise potentsiaalse energia otse elektrienergiaks, välistavad kütuseelemendid termiliste kitsaskohtade teket (Termodünaamika 2. seadus).

Seetõttu peetakse seda tehnoloogiat oma olemuselt tavapärastest sisepõlemismootoritest tõhusamaks.

Seega muundab sisepõlemismootori ahel esialgu keemilise potentsiaalse energia soojuseks ja alles siis saadakse mehaaniline töö.

Kütuseelementide otsesed heitkogused on lihtsalt vesi ja natuke soojust. Siin on märkimisväärne edasiminek võrreldes samade sisepõlemismootoritega, mis muu hulgas eraldavad ka kasvuhoonegaase.

Kütuseelemente iseloomustab liikuvate osade puudumine. Selliseid konstruktsioone on traditsiooniliste mootoritega võrreldes alati iseloomustanud suurem töökindlus.

Vesinikku toodetakse keskkonnasäästlikult, samas kui naftasaaduste kaevandamine ja rafineerimine on tehnoloogilisest tootmisest väga ohtlik.

Kütuseelement on seade, mis toodab tõhusalt soojust ja alalisvoolu elektrokeemilise reaktsiooni kaudu ning kasutab vesinikurikast kütust. Selle tööpõhimõte on sarnane aku omaga. Struktuuriliselt esindab kütuseelementi elektrolüüt. Mis selles nii erilist on? Erinevalt akudest ei salvesta vesinikkütuseelemendid elektrienergiat, ei vaja laadimiseks elektrit ega tühjene. Rakud jätkavad elektri tootmist seni, kuni neil on õhku ja kütust.

Iseärasused

Kütuseelementide ja teiste elektrigeneraatorite erinevus seisneb selles, et need ei põleta töö ajal kütust. Tänu sellele omadusele ei vaja need kõrgsurverootoreid ega tekita valju müra ega vibratsiooni. Kütuseelementides toodetakse elektrit vaikse elektrokeemilise reaktsiooni kaudu. Kütuse keemiline energia sellistes seadmetes muundatakse otse veeks, soojuseks ja elektriks.

Kütuseelemendid on väga tõhusad ega tooda suures koguses kasvuhoonegaase. Emissiooniproduktiks raku töötamisel on väike kogus vett auru ja süsinikdioksiidi kujul, mis puhta vesiniku kütusena kasutamisel ei eraldu.

Välimuse ajalugu

1950. ja 1960. aastatel kutsus NASA esile kerkiv vajadus energiaallikate järele pikaajalisteks kosmosemissioonideks ühe kriitiliseima väljakutse tol ajal kütuseelementide jaoks. Leeliselemendid kasutavad kütusena hapnikku ja vesinikku, mis muudetakse elektrokeemilise reaktsiooni käigus kosmoselennu ajal kasulikeks kõrvalsaadusteks – elektriks, veeks ja soojuseks.

Kütuseelemendid avastati esmakordselt 19. sajandi alguses – 1838. aastal. Samal ajal ilmus esimene teave nende tõhususe kohta.

Tööd leeliselisi elektrolüüte kasutavate kütuseelementide kallal algasid 1930. aastate lõpus. Kõrgsurve all olevate nikeldatud elektroodidega rakke leiutati alles 1939. aastal. Teise maailmasõja ajal töötati Briti allveelaevade jaoks välja umbes 25-sentimeetrise läbimõõduga leeliselementidest koosnevad kütuseelemendid.

Huvi nende vastu kasvas 1950.–80. aastatel, mida iseloomustas naftakütuse nappus. Riigid üle maailma on asunud tegelema õhu- ja keskkonnasaaste probleemidega, et arendada keskkonnasõbralikku kütuseelementide tootmistehnoloogiat, mida praegu aktiivselt arendatakse.

Toimimispõhimõte

Kütuseelemendid toodavad soojust ja elektrit elektrokeemilise reaktsiooni tulemusena, mis hõlmab katoodi, anoodi ja elektrolüüti.

Katood ja anood on eraldatud prootonit juhtiva elektrolüüdiga. Pärast hapniku sisenemist katoodile ja vesiniku sisenemist anoodile 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 tekitavad alalisvoolu, mida kasutatakse seadmete toiteks. Katoodkatalüsaatoril olev hapnikumolekul ühineb elektroni ja sissetuleva prootoniga, moodustades lõpuks vee, mis on reaktsiooni ainus saadus.

Tüübid

Konkreetse kütuseelemendi tüübi valik sõltub selle rakendusest. Kõik kütuseelemendid on jagatud kahte põhikategooriasse – kõrge temperatuur ja madal temperatuur. Viimased kasutavad kütusena puhast vesinikku. Sellised seadmed nõuavad tavaliselt 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.

Üldmõisted

Vesinikkütuseelemendid on elektrokeemilised seadmed, mis toodavad elektrit kütuse ülitõhusa "külma" põletamise teel. Selliseid seadmeid on mitut tüüpi. Kõige lootustandvamaks tehnoloogiaks peetakse prootonivahetusmembraaniga PEMFC varustatud vesinik-õhk kütuseelemente.

Prootonit juhtiv polümeermembraan on ette nähtud kahe elektroodi – katoodi ja anoodi – eraldamiseks. Igaüht neist esindab süsinikmaatriks, millele on ladestunud katalüsaator. dissotsieerub anoodi katalüsaatoril, loovutades elektrone. Katoodid juhitakse läbi membraani katoodile, kuid elektronid kanduvad välisesse vooluringi, kuna membraan ei ole ette nähtud elektronide ülekandmiseks.

Katoodkatalüsaatoril olev hapnikumolekul ühineb elektriahela elektroni ja sissetuleva prootoniga, moodustades lõpuks vee, mis on reaktsiooni ainus saadus.

Vesinikkütuseelemente kasutatakse membraan-elektroodseadmete tootmiseks, mis toimivad energiasüsteemi peamiste genereerivate elementidena.

Vesinikkütuseelementide eelised

Nende hulgas on:

• Suurenenud erisoojusvõimsus.
• Lai töötemperatuuri vahemik.
• Ei mingit vibratsiooni, müra ega kuumaplekki.
• Külmkäivituse töökindlus.
• Puudub isetühjenemine, mis tagab energia pikaajalise salvestamise.
• Piiramatu autonoomia tänu võimalusele reguleerida energiaintensiivsust, muutes kütusekassettide arvu.
• Vesiniku salvestamise võimsuse muutmisega tagatakse praktiliselt igasugune energiaintensiivsus.
• Pikk kasutusiga.
• Vaikne ja keskkonnasõbralik töö.
• Kõrge energiaintensiivsuse tase.
• Tolerantsus vesiniku võõrlisandite suhtes.

Kasutusala

Tänu oma kõrgele efektiivsusele kasutatakse vesinikkütuseelemente erinevates valdkondades:

• Kaasaskantavad laadijad.
• UAV-de toitesüsteemid.
• Katkematud toiteallikad.
• Muud seadmed ja seadmed.

Vesinikenergia väljavaated

Vesinikperoksiidi kütuseelementide laialdane kasutamine on võimalik alles pärast tõhusa vesiniku tootmise meetodi loomist. Tehnoloogia aktiivseks kasutuselevõtuks on vaja uusi ideid, kusjuures suuri lootusi pannakse 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 on võimaldanud oluliselt vähendada tootmiskulusid ja lihtsustada selliste seadmete disaini. Vesinikkütuseelementide eelised ja omadused ei kaalu üles nende peamist puudust - kõrget hinda, eriti võrreldes süsivesinikseadmetega. Ühe vesinikuelektrijaama loomine nõuab minimaalselt 500 tuhat dollarit.

Kuidas vesinikkütuseelementi kokku panna?

Väikese võimsusega kütuseelemendi saate ise luua tavalises kodu- või koolilaboris. Materjalidena on kasutatud vana gaasimaski, pleksiklaasi tükke, etüülalkoholi ja leelise vesilahust.

Vesinikkütuseelemendi korpus luuakse oma kätega pleksiklaasist, mille paksus on vähemalt viis millimeetrit. Sektsioonide vahelised vaheseinad võivad olla õhemad - umbes 3 millimeetrit. Pleksiklaas liimitakse kokku spetsiaalse liimiga, mis on valmistatud kloroformist või dikloroetaanist ja pleksiklaasist. Kõik tööd tehakse ainult töötava kapoti korral.

Korpuse välisseina puuritakse 5-6 sentimeetrise läbimõõduga auk, millesse torgatakse kummikork ja klaasist äravoolutoru. Gaasimaski aktiivsüsi valatakse kütuseelemendi korpuse teise ja neljandasse kambrisse - seda kasutatakse elektroodina.

Kütus hakkab ringlema esimeses kambris, viies aga täidetakse õhuga, millest tarnitakse hapnikku. Elektroodide vahele valatud elektrolüüt immutatakse parafiini ja bensiini lahusega, et vältida selle sattumist õhukambrisse. Söekihile asetatakse vaskplaadid, millele on joodetud juhtmed, mille kaudu vool juhitakse.

Kokkupandud vesinikkütuseelement laaditakse veega lahjendatud viinaga vahekorras 1:1. Saadud segule lisatakse ettevaatlikult söövitav kaalium: 70 grammi kaaliumi lahustatakse 200 grammis vees.

Enne vesinikkütuseelemendi katsetamist valatakse esimesse kambrisse kütus ja kolmandasse elektrolüüt. Elektroodidega ühendatud voltmeetri näit peaks varieeruma 0,7–0,9 volti. Elemendi pideva töö tagamiseks tuleb kasutatud kütus eemaldada ja uus kütus läbi kummitoru valada. Toru pigistades reguleeritakse kütuse etteande kiirust. Sellistel kodus kokkupandud vesinikkütuseelementidel on vähe võimsust.

“Rohelise” energia seisukohast on vesinikkütuseelementidel ülikõrge, 60% kasutegur. Võrdluseks: parimate sisepõlemismootorite kasutegur on 35-40%. Päikeseelektrijaamade puhul on koefitsient vaid 15-20%, kuid see sõltub suuresti ilmastikutingimustest. Parima tiivikuga tuuleparkide kasutegur ulatub 40%-ni, mis on võrreldav aurugeneraatoritega, kuid tuulikud nõuavad ka sobivaid ilmastikutingimusi ja kulukat hooldust.

Nagu näeme, on vesinikuenergia selle parameetri poolest kõige atraktiivsem energiaallikas, kuid siiski on mitmeid probleeme, mis takistavad selle massilist kasutamist. Kõige olulisem neist on vesiniku tootmise protsess.

Kaevandamise probleemid

Vesinikenergia on keskkonnasõbralik, kuid mitte autonoomne. Kütuseelemendi tööks on vaja vesinikku, mida puhtal kujul Maal ei leidu. Vesinikku on vaja toota, kuid kõik praegu olemasolevad meetodid on kas väga kallid või ebaefektiivsed.

Kõige tõhusamaks meetodiks kulutatud energiaühiku kohta toodetud vesiniku mahu osas peetakse maagaasi aurureformimise meetodit. Metaan kombineeritakse veeauruga rõhul 2 MPa (umbes 19 atmosfääri, s.o rõhk umbes 190 m sügavusel) ja temperatuuril umbes 800 kraadi, mille tulemusena saadakse muundatud gaas, mille vesinikusisaldus on 55-75%. Aurureformimiseks on vaja tohutuid seadmeid, mida saab kasutada ainult tootmises.

Auru metaani reformimiseks mõeldud toruahi ei ole kõige ergonoomilisem viis vesiniku tootmiseks. Allikas: CTK-Euro

Mugavam ja lihtsam meetod on vee elektrolüüs. Kui töödeldavat vett läbib elektrivool, toimub rida elektrokeemilisi reaktsioone, mille tulemusena moodustub vesinik. Selle meetodi oluliseks puuduseks on reaktsiooni läbiviimiseks vajalik suur energiakulu. See tähendab, et tekib veidi kummaline olukord: vesinikuenergia saamiseks vajate... energiat. Et vältida tarbetuid kulusid elektrolüüsi ajal ja säästa väärtuslikke ressursse, püüavad mõned ettevõtted välja töötada täistsükli "elekter - vesinik - elekter" süsteeme, milles energia tootmine on võimalik ilma välise laadimiseta. Sellise süsteemi näide on Toshiba H2One'i arendus.

Mobiilne elektrijaam Toshiba H2One

Oleme välja töötanud H2One mobiilse minijõujaama, mis muudab vee vesinikuks ja vesiniku energiaks. Elektrolüüsi säilitamiseks kasutab see päikesepaneele ja üleliigne energia salvestatakse akudesse ja tagab süsteemi toimimise päikesevalguse puudumisel. Saadud vesinik suunatakse kas otse kütuseelementidesse või saadetakse hoiustamiseks integreeritud paaki. Tunni jooksul toodab H2One elektrolüsaator kuni 2 m 3 vesinikku ja annab kuni 55 kW väljundvõimsust. 1 m 3 vesiniku tootmiseks vajab jaam kuni 2,5 m 3 vett.

Kui H2One jaam ei ole võimeline varustama elektriga suurt ettevõtet ega tervet linna, siis selle energiast piisab väikeste piirkondade või organisatsioonide toimimiseks. Tänu teisaldatavusele saab seda kasutada ka ajutise lahendusena loodusõnnetuste või hädaolukorras elektrikatkestuse ajal. Lisaks vajab vesinikuelektrijaam erinevalt diiselgeneraatorist, mille tööks on vaja kütust, vaid vett.

Praegu on Toshiba H2One kasutusel vaid mõnes Jaapani linnas – näiteks varustab see elektri ja sooja veega Kawasaki linna raudteejaama.

H2One süsteemi paigaldamine Kawasakisse

Vesiniku tulevik

Tänapäeval annavad vesinikkütuseelemendid energiat kaasaskantavatele jõupankadele, autodega linnaliinibussidele ja raudteetranspordile. (Vesiniku kasutamisest autotööstuses räägime lähemalt oma järgmises postituses). Vesinikkütuseelemendid osutusid ootamatult suurepäraseks lahenduseks kvadrokopteritele - akuga sarnase massiga tagab vesinikuvarustus kuni viis korda pikema lennuaja. Külm aga ei mõjuta efektiivsust kuidagi. Sotši olümpiamängudel kasutati filmimisel Venemaa ettevõtte AT Energy toodetud eksperimentaalseid kütuseelemendidroone.

On saanud teatavaks, et eelseisvatel Tokyo olümpiamängudel hakatakse vesinikku kasutama autodes, elektri ja soojuse tootmisel ning sellest saab ka olümpiaküla peamine energiaallikas. Sel eesmärgil Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. tellimusel. Jaapani linna Namie ehitatakse maailma üht suurimat vesiniku tootmisjaamu. Jaam hakkab tarbima kuni 10 MW rohelistest allikatest saadavat energiat, tekitades elektrolüüsi teel kuni 900 tonni vesinikku aastas.

Vesinikenergia on meie "varu tulevikuks", kui fossiilkütustest tuleb täielikult loobuda ja taastuvad energiaallikad ei suuda inimkonna vajadusi rahuldada. Markets&Marketsi prognoosi kohaselt kasvab globaalse vesiniku tootmise maht, mis praegu on 115 miljardit dollarit, 2022. aastaks 154 miljardi dollarini. Kuid tehnoloogia massiline kasutuselevõtt ei toimu lähitulevikus Erielektrijaamade tootmine ja käitamine vajavad veel lahendamist ning nende maksumuse vähendamist. Kui tehnoloogilised tõkked on ületatud, jõuab vesinikuenergia uuele tasemele ja võib olla sama laialt levinud kui traditsiooniline või hüdroenergia tänapäeval.

Olen pikka aega tahtnud teile rääkida ettevõtte Alfaintek teisest suunast. See on vesinikkütuseelementide arendus, müük ja teenindus. Tahaksin kohe selgitada nende kütuseelementide olukorda Venemaal.

Kuna nende kütuseelementide laadimiseks on üsna kõrge hind ja vesinikujaamade täielik puudumine, pole nende müüki Venemaal oodata. Sellest hoolimata koguvad need kütuseelemendid Euroopas, eriti Soomes, iga aastaga populaarsust. Mis on saladus? Vaatame. See seade on keskkonnasõbralik, lihtne kasutada ja tõhus. See tuleb inimesele appi seal, kus ta vajab elektrienergiat. Saate selle kaasa võtta teele, matkale või kasutada seda oma maamajas või korteris autonoomse elektriallikana.

Kütuseelemendis toodetakse elektrit paagist 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 elektritarbijast lahti ühendada, töötab kütuseelement "targa" seadmena. See tehnoloogia tagab katkematu toite kogu kasutusaja jooksul tänu ainulaadsele energiasäästufunktsioonile kütusepaagi vahetamisel, mis võimaldab kasutajal mitte kunagi tarbijat välja lülitada. Kinnises korpuses saab kütuseelemente säilitada mitu aastat ilma vesiniku mahtu kaotamata ja võimsust vähendamata.

Kütuseelement on mõeldud teadlastele ja uurijatele, korrakaitsjatele, päästetöötajatele, paadi- ja jahisadama omanikele ning kõigile teistele, kes vajavad hädaolukorras usaldusväärset toiteallikat.
Võid saada 12 volti või 220 volti ja siis jätkub energiat teleri, stereo, külmkapi, kohvimasina, veekeetja, tolmuimeja, puuri, mikropliidi ja muude elektriseadmete käitamiseks.

Hüdroelemendi kütuseelemente saab müüa üksikuna või 2-4 elemendiga akudena. Kaks või neli elementi saab kombineerida, et suurendada võimsust või suurendada voolutugevust.

KÜTUSEELEMENTIDEGA KODUMASINATE TÖÖAEG

	Elektriseadmed	Tööaeg päevas (min.)	Nõutud võimsus päevas (Wh)	Tööaeg kütuseelementidega
	Elektriline veekeetja
	Kohvimasin
	Mikroplaat
	TV
	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 vesiniku hoidmiseks mõeldud silindrid, millega kütuseelemendid töötavad palju kauem.

Toodetakse kahte tüüpi silindreid: NS-MN200 ja NS-MN1200.
Kokkupandud NS-MH200 on veidi suurem kui Coca-Cola purk, mahutab 230 liitrit vesinikku, mis vastab 40Ah-le (12V), ja kaalub vaid 2,5 kg.
NS-MN1200 metallhüdriidi silinder mahutab 1200 liitrit vesinikku, mis vastab 220Ah-le (12V). Silindri kaal on 11 kg.

Metallhüdriidi tehnika on ohutu ja lihtne viis vesiniku hoidmiseks, transportimiseks ja kasutamiseks. 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 säilitatakse metallhüdriidina, on silindrist saadava vesiniku puhtus väga kõrge – 99,999%. Metallhüdriidvesiniku akumulatsioonisilindreid saab kasutada mitte ainult HC 100 200 400 kütuseelementidega, vaid ka muudel juhtudel, kus on vaja puhast vesinikku. Silindreid saab kiirühenduse ja painduva vooliku abil hõlpsasti ühendada kütuseelemendi või muu seadmega.

Kahju, et Venemaal neid kütuseelemente ei müüda. Kuid meie elanikkonna hulgas on nii palju inimesi, kes neid vajavad. Eks me ootame ja vaatame, ja sa näed, meil on mõned. Vahepeal ostame riigi poolt peale surutud säästupirne.

P.S. Tundub, et teema on lõpuks unustusehõlma vajunud. Nii palju aastaid pärast selle artikli kirjutamist pole sellest midagi välja tulnud. Võib-olla ma muidugi ei otsi igalt poolt, aga see, mis mulle silma jääb, pole sugugi meeldiv. Tehnoloogia ja idee on head, kuid seda pole veel välja töötatud.

Kütuseelement on elektrokeemiline energia muundamise seade, mis muudab vesiniku ja hapniku keemilise reaktsiooni kaudu elektriks. Selle protsessi tulemusena tekib vesi ja eraldub suur hulk soojust. Kütuseelement on väga sarnane akuga, mida saab laadida ja seejärel salvestatud elektrienergiat kasutada.
Kütuseelemendi leiutajaks peetakse William R. Grove'i, kes leiutas selle juba aastal 1839. Selles kütuseelemendis kasutati elektrolüüdina väävelhappe lahust ja kütusena vesinikku, mis ühendati aastal hapnikuga. oksüdeeriv aine. Tuleb märkida, et kuni viimase ajani kasutati kütuseelemente ainult laborites ja kosmoselaevadel.
Tulevikus suudavad kütuseelemendid konkureerida paljude teiste energia muundamissüsteemidega (sh elektrijaamade gaasiturbiinidega), autode sisepõlemismootoritega ja kaasaskantavate seadmete elektriakudega. Sisepõlemismootorid põletavad kütust ja kasutavad mehaaniliste tööde tegemiseks põlemisgaaside paisumisel tekkivat rõhku. Patareid salvestavad elektrienergiat, seejärel muundavad selle keemiliseks energiaks, mida saab vajadusel tagasi elektrienergiaks muuta. Kütuseelemendid on potentsiaalselt väga tõhusad. Aastal 1824 tõestas prantsuse teadlane Carnot, et sisepõlemismootori surve-paisumistsüklid ei suuda tagada soojusenergia (mis on kütuse põlemise keemiline energia) mehaaniliseks energiaks muundamise efektiivsust üle 50%. Kütuseelemendil pole liikuvaid osi (vähemalt mitte elemendi enda sees) ja seetõttu ei allu need Carnot' seadusele. Loomulikult on nende efektiivsus suurem kui 50% ja need on eriti tõhusad madalal koormusel. Seega on kütuseelemendiga sõidukid valmis muutuma (ja on juba tõestanud, et need on) tegelikes sõidutingimustes tavaliste sõidukitega võrreldes kütusesäästlikumaks.
Kütuseelement toodab konstantse pingega elektrivoolu, mida saab kasutada elektrimootori, valgustuse ja muude sõiduki elektrisüsteemide juhtimiseks. Kütuseelemente on mitut tüüpi, mis erinevad kasutatavate keemiliste protsesside poolest. Kütuseelemendid liigitatakse tavaliselt kasutatava elektrolüüdi tüübi järgi. Teatud tüüpi kütuseelemendid on paljulubavad elektrijaamade käitamiseks, samas kui teised võivad olla kasulikud väikeste kaasaskantavate seadmete või autode toiteks.
Leeliseline kütuseelement on üks esimesi, mis välja töötati. Neid on USA kosmoseprogrammis kasutatud alates 1960. aastatest. Sellised kütuseelemendid on väga vastuvõtlikud saastumisele ja vajavad seetõttu väga puhast vesinikku ja hapnikku. Need on ka väga kallid, mis tähendab, et seda tüüpi kütuseelemente ei kasutata tõenäoliselt autodes laialdaselt.
Fosforhappel põhinevaid kütuseelemente saab kasutada statsionaarsetes väikese võimsusega seadmetes. Need töötavad üsna kõrgetel temperatuuridel ja seetõttu kuluvad soojenemiseks kaua aega, mis muudab need ka autodes ebaefektiivseks.
Tahkeoksiidkütuseelemendid sobivad paremini suurtele statsionaarsetele elektrigeneraatoritele, mis suudavad varustada elektriga tehaseid või kogukondi. Seda tüüpi kütuseelemendid töötavad väga kõrgetel temperatuuridel (umbes 1000 °C). Kõrge töötemperatuur tekitab teatud probleeme, kuid teisalt on eelis - kütuseelemendi toodetud auru saab suunata turbiinidesse, et toota rohkem elektrit. Üldiselt parandab see süsteemi üldist tõhusust.
Üks paljutõotavamaid süsteeme on prootonivahetusmembraani kütuseelement (PEMFC – Protone Exchange Membrane Fuel Cell). Praegu on seda tüüpi kütuseelemendid kõige lootustandvamad, kuna see suudab toita autosid, busse ja muid sõidukeid.

Keemilised protsessid kütuseelemendis

Kütuseelemendid kasutavad vesiniku ühendamiseks õhust saadava hapnikuga elektrokeemilist protsessi. Nagu akud, kasutavad kütuseelemendid elektroode (tahkeid elektrijuhte) elektrolüüdis (elektrit juhtivas keskkonnas). Kui vesinikumolekulid puutuvad kokku negatiivse elektroodiga (anoodiga), eralduvad viimased prootoniteks ja elektronideks. Prootonid läbivad prootonvahetusmembraani (POEM) kütuseelemendi positiivsele elektroodile (katoodile), tekitades elektrit. Vesiniku ja hapniku molekulide keemiline kombinatsioon tekib selle reaktsiooni kõrvalsaadusena. Ainus kütuseelemendi heitkoguste tüüp on veeaur.
Kütuseelementide toodetud elektrit saab kasutada sõiduki elektrilises jõuallikas (mis koosneb elektrienergia muundurist ja vahelduvvoolu asünkroonmootorist), et anda sõiduki edasiliikumiseks mehaanilist energiat. Elektrienergia muunduri ülesanne on muundada kütuseelementide toodetud alalisvool vahelduvvooluks, mis töötab sõiduki veomootoriga.

Prootonivahetusmembraaniga kütuseelemendi skeem:
1 - anood;
2 - prootonivahetusmembraan (PEM);
3 - katalüsaator (punane);
4 - katood

Prootonvahetusmembraani kütuseelement (PEMFC) kasutab mis tahes kütuseelemendi üht lihtsaimat reaktsiooni.

Üheelemendiline kütuseelement

Vaatame, kuidas kütuseelement töötab. Anood, kütuseelemendi negatiivne klemm, juhib elektrone, mis on vabastatud vesiniku molekulidest, et neid saaks kasutada välises elektriahelas. Selleks graveeritakse sellesse kanalid, mis jaotavad vesiniku ühtlaselt üle kogu katalüsaatori pinna. Katoodil (kütuseelemendi positiivne poolus) on söövitatud kanalid, mis jaotavad hapnikku üle katalüsaatori pinna. Samuti juhib see elektronid välisest ahelast (ahelast) tagasi katalüsaatorisse, kus nad saavad ühineda vesinikioonide ja hapnikuga, moodustades vett. Elektrolüüt on prootonivahetusmembraan. See on spetsiaalne materjal, mis sarnaneb tavalise plastiga, kuid millel on võime positiivselt laetud ioone läbi lasta ja elektronide läbipääsu blokeerida.
Katalüsaator on spetsiaalne materjal, mis hõlbustab hapniku ja vesiniku vahelist reaktsiooni. Katalüsaator on tavaliselt valmistatud plaatinapulbrist, mis kantakse väga õhukese kihina kopeerpaberile või riidele. Katalüsaator peab olema kare ja poorne, et selle pind saaks maksimaalselt kokku puutuda vesiniku ja hapnikuga. Katalüsaatori plaatinaga kaetud pool on prootonivahetusmembraani (PEM) ees.
Vesinikgaas (H2) suunatakse kütuseelemendisse anoodi rõhu all. Kui H2 molekul puutub kokku katalüsaatoril oleva plaatinaga, jaguneb see kaheks osaks, kaheks iooniks (H+) ja kaheks elektroniks (e–). Elektronid juhitakse läbi anoodi, kus nad läbivad kasulikku tööd tehes (näiteks elektrimootori juhtimine) välise ahela (ahela) ja naasevad kütuseelemendi katoodi poolel.
Samal ajal surutakse kütuseelemendi katoodi poolel hapnik (O 2 ) läbi katalüsaatori, kus see moodustab kaks hapnikuaatomit. Kõigil neil aatomitel on tugev negatiivne laeng, mis tõmbab kaks H+ iooni üle membraani, kus nad ühinevad hapnikuaatomi ja kahe elektroniga välisahelast, moodustades veemolekuli (H 2 O).
See reaktsioon ühes kütuseelemendis annab umbes 0,7 W võimsust. Võimsuse tõstmiseks vajalikule tasemele tuleb palju üksikuid kütuseelemente kombineerida, et moodustada kütuseelementide virn.
POM-kütuseelemendid töötavad suhteliselt madalatel temperatuuridel (umbes 80 °C), mis tähendab, et neid saab kiiresti töötemperatuurini viia ja need ei vaja kalleid jahutussüsteeme. Nendes elementides kasutatava tehnoloogia ja materjalide pidev täiustamine on viinud nende võimsuse lähemale tasemele, kus selliste kütuseelementide aku, mis hõivab väikese osa auto pagasiruumist, suudab pakkuda auto juhtimiseks vajalikku energiat.
Viimaste aastate jooksul on enamik maailma juhtivatest autotootjatest teinud suuri investeeringuid kütuseelemente kasutavate sõidukite disainide arendamisse. Paljud on juba demonstreerinud kütuseelemendiga sõidukeid, millel on rahuldav võimsus ja jõudlusnäitajad, kuigi need olid üsna kallid.
Selliste autode disaini täiustamine on väga intensiivne.

Kütuseelemendiga sõiduk kasutab elektrijaama, mis asub sõiduki põranda all

NECAR V põhineb Mercedes-Benz A-klassi autol, kogu elektrijaam koos kütuseelementidega asub auto põranda all. Selline disainilahendus võimaldab autosse mahutada neli reisijat ja pagasi. Siin ei kasutata auto kütusena mitte vesinikku, vaid metanooli. Metanool muundatakse reformeriga (seade, mis muudab metanooli vesinikuks) kütuseelemendi toiteks vajalikuks vesinikuks. Reformeri kasutamine autos võimaldab kasutada kütusena peaaegu kõiki süsivesinikke, mis võimaldab tankida kütuseelemendiga autot olemasoleva bensiinijaamade võrgustiku abil. Teoreetiliselt ei tooda kütuseelemendid muud kui elektrit ja vett. Kütuse (bensiini või metanooli) muutmine kütuseelemendi jaoks vajalikuks vesinikuks vähendab mõnevõrra sellise auto keskkonnasõbralikkust.
Alates 1989. aastast kütuseelementidega tegelenud Honda tootis 2003. aastal väikese partii Honda FCX-V4 sõidukeid Ballardi membraantüüpi prootonivahetuskütuseelementidega. Need kütuseelemendid toodavad 78 kW elektrienergiat ning veorataste vedamiseks kasutatakse 60 kW võimsusega ja 272 Nm pöördemomendiga veomootoreid. Kütuseelemendiga auto on traditsioonilise autoga võrreldes ligikaudu 40% vähem, mis tagab suurepärase dünaamika ning kokkusurutud vesiniku varu võimaldab joosta kuni 355 km.

Honda FCX kasutab sõitmiseks kütuseelementide toodetud elektrienergiat.
Honda FCX on maailma esimene kütuseelemendiga sõiduk, mis on saanud Ameerika Ühendriikides riikliku sertifikaadi. Auto on sertifitseeritud vastavalt ZEV - Zero Emission Vehicle standarditele. Honda ei kavatse neid autosid veel müüa, kuid liisib umbes 30 autot ühiku kohta. California ja Tokyo, kus vesiniku tankimise infrastruktuur on juba olemas.

General Motorsi Hy Wire ideesõidukil on kütuseelemendiga jõuülekanne

General Motors viib läbi ulatuslikke uuringuid kütuseelemendiga sõidukite arendamise ja loomise alal.

Hy Wire auto šassii

GM Hy Wire ideeautole anti välja 26 patenti. Auto aluseks on funktsionaalne platvorm paksusega 150 mm. Platvormi sees on vesinikupaagid, kütuseelemendi jõuallikas ja sõiduki juhtimissüsteemid, mis kasutavad uusimaid drive-by-wire tehnoloogiaid. Hy Wire sõiduki šassii on õhuke platvorm, millel on kõik sõiduki konstruktsiooni põhielemendid: vesinikupaagid, kütuseelemendid, akud, elektrimootorid ja juhtimissüsteemid. Selline lähenemine disainile võimaldab muuta autode kereid töö käigus. Ettevõte katsetab ka Opeli kütuseelemendiga autode prototüüpe ja projekteerib kütuseelementide tootmise tehast.

"Ohutu" veeldatud vesinikkütuse paagi projekteerimine:
1 - täitmisseade;
2 - välimine paak;
3 - toed;
4 - tasemeandur;
5 - sisemine paak;
6 - täiteliin;
7 - isolatsioon ja vaakum;
8 - kütteseade;
9 - paigalduskast

BMW pöörab palju tähelepanu vesiniku kasutamise probleemile autode kütusena. Koos Magna Steyeriga, kes on tuntud oma töö eest veeldatud vesiniku kasutamisel kosmoseuuringutes, on BMW välja töötanud veeldatud vesiniku kütusepaagi, mida saab kasutada autodes.

Testid on kinnitanud vedela vesiniku kütusepaagi kasutamise ohutust

Ettevõte viis standardmeetodite abil läbi rea konstruktsiooni ohutuse katseid ja kinnitas selle töökindlust.
2002. aastal näidati Frankfurdis (Saksamaa) autonäitusel Mini Cooper Hydrogenit, mis kasutab kütusena veeldatud vesinikku. Selle auto kütusepaak võtab sama palju ruumi kui tavaline gaasipaak. Vesinikku selles autos ei kasutata kütuseelementidena, vaid sisepõlemismootori kütusena.

Maailma esimene seeriaauto, millel on aku asemel kütuseelement

2003. aastal teatas BMW esimese kütuseelemendiga seeriaauto, BMW 750 hL tootmisest. Traditsioonilise aku asemel kasutatakse kütuseelemendi akut. Sellel autol on 12-silindriline vesinikul töötav sisepõlemismootor ning kütuseelement on alternatiiviks tavapärasele akule, võimaldades konditsioneeril ja teistel elektritarbijatel töötada, kui auto on pikka aega pargitud ilma mootorita.

Vesiniku täitmist teostab robot, juht sellesse protsessi ei kaasata

Sama BMW firma on välja töötanud ka robottankimisautomaadid, mis tagavad autode kiire ja turvalise tankimise veeldatud vesinikuga.
Viimastel aastatel ilmnenud suur hulk arendusi, mille eesmärk on luua alternatiivseid kütuseid ja alternatiivseid jõuallikaid kasutavaid autosid, viitab sellele, et viimase sajandi jooksul autode seas domineerinud sisepõlemismootorid annavad lõpuks teed puhtamatele, tõhusamatele ja vaiksematele disainidele. Nende laialdast kasutuselevõttu ei piira praegu mitte tehnilised, vaid pigem majanduslikud ja sotsiaalsed probleemid. Nende laialdaseks kasutamiseks on vaja luua teatud infrastruktuur alternatiivsete kütuste tootmise arendamiseks, uute tanklate loomiseks ja levitamiseks ning ületada mitmeid psühholoogilisi tõkkeid. Vesiniku kasutamine sõidukikütusena nõuab ladustamise, tarnimise ja jaotamise probleemide lahendamist ning tõsiste ohutusmeetmete rakendamist.
Vesinikku on teoreetiliselt saadaval piiramatus koguses, kuid selle tootmine on väga energiamahukas. Lisaks tuleb autode vesinikkütusel töötamiseks muutmiseks teha elektrisüsteemis kaks suurt muudatust: esiteks vahetada selle töö bensiinilt metanoolile ja seejärel teatud aja jooksul vesinikule. Selle probleemi lahendamiseni kulub veidi aega.