Degvielas elements (ūdeņraža šūna): definīcija un darbības princips

Ūdens ir molekula, kas sastāv no viena skābekļa atoma un diviem ūdeņraža atomiem. Lai sadalītu ūdeni skābeklī un ūdeņradī, ir vajadzīga enerģija, un enerģija izdalās, kad tie atkal tiek savienoti kopā kā ūdens. Kurināmā elements savieno ūdeņradi un skābekli atpakaļ kopā tā, ka enerģija izdalās elektrības veidā.

Degviela (enerģijas avots, parasti ūdeņradis) un gaiss (kas satur skābekli) tiek novietoti pretējās degvielas elementa pusēs. Degvielas elementa vidū starp divām metāla plāksnēm, ko sauc par elektrodiem, ir "ekrāns", ko sauc par elektrolītu, kas atdala degvielu un gaisu. Dažādu veidu degvielas elementu nosaukumi ir atkarīgi no tā, kāda veida ekrāns tiek izmantots degvielas un gaisa atdalīšanai. Ekrāns caur to var izlaist tikai noteiktas uzlādētas molekulas, ko dēvē arī par joniem.

Lai radītu jonus, ir jāpārnes elektroni no vienas sistēmas puses uz otru. Elektroni tiek atdalīti no degvielas ar metāla plāksni degvielas pusē, un tiem jāpārvietojas uz gaisa pusi, lai pabeigtu reakciju. Tā kā ekrāns neļauj elektroniem izkļūt cauri, tie pa atsevišķu vadu nonāk uz otru metāla plāksni gaisa pusē. Elektronu pārvietošanās rada elektrisko strāvu (elektrību). Vads ir vieta, kur var izmantot elektrību. Piemēram, vadu var pārgriezt uz pusēm, un starp abām pusēm var savienot spuldzīti.

Tikmēr joni izplūst cauri ekrānam un reaģē ar molekulām (kas jau atrodas otrā pusē) un elektroniem (kas ceļo pa vadu, izdalot enerģiju elektronikas darbināšanai) otrā pusē. Veidojas ūdens (un, atkarībā no degvielas veida, dažkārt arī citi produkti), kas izplūst caur izplūdes cauruli.

Kurināmā elementi ražo elektroenerģiju, apvienojot skābekli un ūdeņradi. Efektivitāte ir ļoti laba (aptuveni 40-70 %). Ja reakcijas laikā izmanto izplūdes siltumu, to maksimālais lietderības koeficients ir 83 %. Turklāt kurināmā elementos var izmantot dažādas degvielas, piemēram, dabasgāzi, metanolu, sašķidrinātu naftas gāzi (LPG), naftu, petroleju u. c.

Daži kurināmā elementu veidi ražo tikai ūdeni, kas nozīmē, ka nerodas piesārņojums. Lielākā daļa kurināmā elementu veidu rada daudz mazāk emisiju nekā klasiskā ("kaloriskā") elektroenerģijas ražošana. Tie var patērēt tos pašus degvielas veidus kā klasiskie enerģijas ģeneratori, piemēram, dīzeļdzinēji, taču tie ir aptuveni divas reizes efektīvāki, kas nozīmē, ka tie var saražot tādu pašu enerģijas daudzumu ar uz pusi mazāku degvielas daudzumu un tādējādi vismaz uz pusi mazāku piesārņojumu. Turklāt tiešās konversijas kurināmā elementiem ir mazāks risks, ka tie rada sekundārās emisijas, piemēram, NOx, SOx un cietās daļiņas, kas ir sadegšanas blakusparādības, veicina globālo sasilšanu un ir pazīstamas kā kritēriju piesārņotāji.

Kurināmā elementi ir ļoti klusi. Tiem nav kustīgu detaļu, izņemot dažus ventilatorus gaisa kustībai un sūkņus ūdens kustībai, un tas nozīmē, ka tos ļoti reti nepieciešams remontēt, tomēr daži lieli kurināmā elementi, ko izmanto, piemēram, ēku barošanai, var būt diezgan trausli.

Tā kā degvielas elementi rada ļoti maz piesārņojošo vielu emisiju, tos bieži izmanto transportlīdzekļos, kas pārvietojas ēku iekšienē, piemēram, autoiekrāvēs. Tā kā tie ir ļoti klusi, tos izmanto dažās militārajās zemūdenēs, lai izvairītos no atklāšanas. Degviela tiek izmantota efektīvāk, un tas nozīmē, ka kurināmā elementi var darboties ilgāk, nesaņemot jaunu degvielu. Tas ļauj tos izmantot grūti pieejamās vietās, piemēram, meteoroloģiskajās vai pētniecības stacijās, kosmosa kuģos vai militārajās bāzēs.

Tā kā kosmosa kuģi tiek palaisti, izmantojot raķetes, kas satur tīru ūdeņradi un skābekli, elektroenerģiju uz kuģa ražo, izmantojot ļoti efektīvus kurināmā elementus, kuros var izmantot šo degvielu. Turklāt kosmosa kuģu degvielas elementi izplūdes gāzēs ražo tīru ūdeni, ko tālāk var uztvert un izmantot kā dzeramo ūdeni astronautiem, tātad pilnīgi nekas netiek izšķiests.

Degvielas elementus var klasificēt pēc iekšējā ekrāna (elektrolīta) veida. Piemēram, fosforskābes kurināmā elementi ir paredzēti zemām temperatūrām. To izmanto mobilajos telefonos un automobiļu barošanas avotos, kam nepieciešama liela strāva, jo tas ir daudz drošāks. Sārmu kurināmā elementi parasti satur kālija hidroksīdu (KOH). Metanola degvielas elementus izmanto, elektroķīmiski reaģējot ar metanolu. Šis degvielas elementu veids ir labāka izvēle vienkāršākām sistēmām. Taču metanola kurināmā elementiem ir zems izejas blīvums, jo tā reakcijas ātrums ir lēns.

Daži svarīgi kurināmā elementu veidi:

• Fosforskābes kurināmā elements (PAFC) - Fosforskābes kurināmā elementi šodien ir komerciāli pieejami. Tie ir visizplatītākie kurināmā elementi kombinētai siltuma un elektroenerģijas ražošanai.
• Protonu apmaiņas membrānas kurināmā elements (PEM) - šie kurināmā elementi darbojas salīdzinoši zemā temperatūrā (aptuveni 175 °F), tiem ir liels jaudas blīvums, tie var ātri mainīt jaudu, lai apmierinātu enerģijas pieprasījuma izmaiņas, un ir piemēroti lietojumiem, piemēram, automobiļos, kur nepieciešama ātra iedarbināšana. Visos komerciālajos transportlīdzekļos ar kurināmā elementiem izmanto šāda tipa kurināmā elementus. Šo kurināmā elementu trūkums ir tas, ka tiem nepieciešams augstas tīrības pakāpes ūdeņradis, kura ražošana ir dārga.
• Kausēta karbonāta kurināmā elements (MCFC) - šie kurināmā elementi darbojas ļoti augstā temperatūrā, kas ļauj pārvērst sarežģītākas degvielas, piemēram, dabasgāzi, ūdeņraža degvielā, ko var izmantot pašā elementā. To iedarbināšana un izslēgšana aizņem vairākas stundas, tāpēc tos izmanto tikai tādos lietojumos, kur tie var darboties nepārtraukti, piemēram, stacionārā enerģija lielām ēkām/uzņēmumiem.
• Mikrobiālais kurināmā elements (MFC) - kurināmā elements, kas izmanto elpojošus mikrobus, lai pārvērstu organiskos substrātus elektriskā enerģijā, izmantojot oksidēšanās unreducēšanās reakcijas.

Kurināmā elementiem ir daudz pielietojumu - lielākie autoražotāji strādā pie kurināmā elementu automobiļu komercializācijas. Toyota un Honda ir izlaidušas attiecīgi Mirai un Clarity. Ar kurināmā elementiem tiek darbināti autobusi, laivas, vilcieni, lidmašīnas, motorolleri, iekrāvēji un velosipēdi. Ar kurināmā elementiem tiek darbināti tirdzniecības automāti, putekļu sūcēji un ceļazīmes. Tiek prognozēti miniatūri kurināmā elementi mobilajiem telefoniem, klēpjdatoriem un pārnēsājamai elektronikai. Slimnīcas, kredītkaršu centri, policijas iecirkņi un bankas izmanto kurināmā elementus, lai nodrošinātu savu telpu barošanu. Notekūdeņu attīrīšanas iekārtās un atkritumu poligonos tos izmanto, lai saražoto metāna gāzi pārvērstu elektroenerģijā. Degvielas elementus jau sen izmanto kosmosā. Telekomunikāciju uzņēmumi izmanto kurināmā elementus mobilo telefonu, radio un 911 torņos.