Degvielas šūnas ir pastāvējušas jau vairāk kā 160 gadus. Deviņpadsmitā gadsimta 30.gados Velsiešu jurists Sers Viljams Roberts Grovs (Sir William Robert Grove), apgrieza pretējā virzienā jau labi zināmo ķīmijas principu par elektrolīzi un ieguva elektrību. Tolaik , sabiedrība nebija pārāk ieinteresēta jaunajā atklājumā , degvielās šūnā , un tai nebija ne mazākās nojausmas par degvielas šūnas patieso potenciālu.

Draudi apkārtējai videi attiecībā uz sabiedrības enerģijas patēriņu , koncentrējoties uz globālo sasilšanu un vispārīgo gaisa piesārņojumu , ir piespiedušas cilvēkus meklēt alternatīvas fosilajai degvielai.

Degvielas šūnas ar to gandrīz neesošajiem izmešiem ir risinājums gaisa piesārņojuma problēmām , kas saistītas ar enerģijas ieguvi. Samazināts gaisa piesārņojuma daudzums ievērojami samazinātu daudzas no mūsdienu lielpilsētu problēmām , kas saistītas ar iedzīvotāju veselības stāvokli, un kopumā uzlabotu iedzīvotāju dzīves kvalitāti.

Degvielas šūnas ir pirmais solis uz drošu un vienmērīgu pāriešanu uz Ūdeņraža balstītu ekonomiju.

Degvielas šūnas ir viena no galvenajām tehnoloģijām nākotnes ūdeņraža saimniecībai. Tām ir potenciāls aizstāt gan iekšdedzes dzinējus automobiļos, gan stacionāros elektrības avotus.

Degvielas šūnām ir daudzas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajām iekšdedzes tehnoloģijām, kas šobrīd darbina lielāko daļu automobiļiem un elektrostacijām. Degvielas šūnas izdala daudz mazāk siltumnīcas efekta gāzes, un ja par degvielu tiek izmantots tīrs ūdeņradis, tad vienīgie blakusprodukti ir tikai ūdens un siltums.

Kā darbojas degvielas šūnas?

Degvielas šūna ir kas galvenokārt izmanto ūdeņradi un skābekli, lai elektroķīmisku procesu rezultātā radītu elektrību. Atsevišķi stāvoša degvielas šūna sastāv no elektrolīta un diviem, ar katalizatoru apstrādātiem, elektrodiem. Ūdeņradis tiek pievadīts anoda pusē, un skābeklis tiek pievadīts katoda pusē. PEM (Polymer Electrolit Membrane – polimēru elektrolītu membrāna) degvielas šūnas gadijumā katalizators atrauj elektronus no ūdeņraža atomiem. Atbrīvojušies no elektroniem, protoni iziet caur elektrolītu. Elektroni līdz katodam tiek novadīti pa ārēju ķēdi. Rodas strāva, kuru var izmantot. Katoda pusē otrs elektrods atkal savieno ūdeņraža atomu, kas savienojoties ar skābekli veido ūdens molekulu.

  Kurināmā elements

Kurināmā elements (degvielas elements, fuel cell, топливный элемент, Brennstoffzelle) ir ierīce tiešai ķīmiskās enerģijas pārveidošanai elektroenerģijā, jonizējot un oksidējot kurināmo (Akadēmiskā terminu datubāze AkadTerm). Nosaukumos lieto arī degvielas šūna, degšūna.

Kurināmā elements ir gan gāzes akumulators (baterija), gan cietvielu elektroķīmiskais reaktors, kurš dod elektrību tikai tad, kad ar tā elektrodiem mijiedarbojas attiecīgā gāze (ūdeņradis un skābeklis). Elementa vienu šūnu veido membrānas-elektrodu sistēma (MES), kas ir septiņu slāņu sistēma. Tā sastāv no protonus (H+) vadošas membrānas, kurai abās pusēs ir uzklāti katalizatoru slāņi, divi gāzu difūzijas slāņi un divi elektrodi (anods un katods).

Ūdeņraža gāzei nonākot līdz anoda (negatīvais elektrods) katalizatoram, molekulas tiek sadalītas ūdeņraža atomos, bet skābekļa molekulas tiek sadalītas uz katoda (pozitīvais elektrods) katalizatora. Ja ārējā ķēde ir noslēgta, ūdeņraža atomi atdod elektronus anodam un nonāk līdz katodam, bet protoni (pozitīvi lādēti ūdeņraža atomi) pārvietojas cauri membrānai un pie katoda katalizatora reaģē ar skābekļa atomiem, veidojot ūdeni. Membrāna nedrīkst būt ne elektronus vadoša, ne gāzu caurlaidīga, savukārt reakcijā radies ūdens jāizvada no membrānas. Tātad it kā vienkārša ierīce, bet tās izveidošana mūsdienīgā izskatā ir prasījusi vairākus desmitus gadu.

Degvielas šūnas priekšrocības

Efektivitāte – tiek prognozēts, ka ar degvielas šūnām darbināmo automobiļu efektivitāte varētu sasniegt 40 līdz 45 %.  Iekšdedzes dzinējs vidēji izmanto tikai 15% no benzīna enerģijas lai grieztu mašīnas riteņus. Tiek prognozēts, ka ar degvielas šūnām darbināmās elektrostacijas varētu sasniegt līdz pat 80% efektivitātei, ja tās tiktu izmantotas kā apvienotās siltuma un enerģijas elektrostacijas.

Tīrība – vienīgas kas nāk no ūdeņraža mašīnas izpūtēja ir karsti ūdens tvaiki. Ar degvielas šūnām darbināmi auto, kuriem būs degvielas reformatora sistēma, izdalīs divas trešdaļas mazāk piesārņojuma, nekā ar benzīnu darbināma iekšdedzes dzinēja auto.

Uzticamība – Degvielas šūnu sistēmas ir ļoti uzticamas, kas ir ļoti nepieciešams stacionārajos elektroapgādes avotos, kur  augstas kvalitātes nepārtraukta elektrības piegāde ir vitāli svarīga.

Daudzveidīgums – degvielas šūnas var darboties plašā elektrības daudzumā, sākot no mikro līdz pat megavatu produkcijai.

Degvielas šūnu tipi

Polimēru elektrolīta membrānas (PEM) degvielas šūnas – tiek sauktas arī par protonu apmaiņas membrānu degvielas šūnām.  Šīs degvielas šūnas, salīdzinājumā ar citām, piedāvā augstu elektrības blīvumu, mazu svaru un  mazu trokšņu līmeni. PEM degvielas šūnas darbojas samērā zemās temperatūrās – aptuveni 800C. Zemā darbības temperatūra atļauj tām uzsākt darbu daudz īsākā laika posmā ( nav nepieciešams ilgs iesilšanas laiks, kas nozīmē ka sistēmas komponenti mazāk „nonēsājas”, līdz ar to palielinās degvielas šūnas mūža ilgums. PEM degvielas šūnas galvenokārt izmanto transporta vajadzībām, retos gadījumos kā stacionāro enerģijas avotu. Tomēr šāda veida sistēmās ir nepieciešama cēlmetāla(parasti platīna) klātbūtne katalizatorā, kas savukārt pievieno papildus izmaksas.

Sārmu degvielas šūnas (Alkaline Fuel Cell (AFCs)) izmanto kālija hidroksīda šķīdumu ūdenī kā elektrolītu, un var izmantot lielu daudzumu dažādu nevērtīgo metālu kā katalizatorus pie katoda un anoda. Augsto temperatūru AFC darbojas temperatūrās starp 100 un 250C. Taču jaunās AFC ir izveidotas tā, lai varētu darboties 23 līdz 70C temperatūrā. Kosmiskajās tehnoloģijās tās uzrādīja 60% efektivitāti. AFC nepilnība ir tāda, ka to viegli var sabojāt CO2 klātbūtne.

Cietā oksīda degvielas šūnas (Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs)) izmanto cietus, neporainus keramiskos savienojumus kā elektrolītu.  SOFC efektivitāte ir aptuveni 50-60 % pārvēršot degvielu elektrībā. Ja sistēmā paredz izmantot arī degvielas sūnas blakusproduktus – karstumu, tad efektivitāte varētu pieaugt līdz pat 80 -85%. Cietā oksīda degvielas šūnas darbojas ļoti augstā temperatūrā, aptuveni 1000C, tādā veidā neradot nepieciešamību pēc dārgmetālu katalizatora, kas savukārt samazina izmaksas.

Augstā temperatūra nozīmē to, ka degvielas šūna uzsāk darbību ļoti lēnām, un rada nepieciešamību pēc īpašas siltumizturīgas apdares lai pasargātu personālu. Augstā temperatūra arī rada īpašas prasības pēc materiālu izturības.

Fosforskābes degvielas šūnas (Phosphoric Acid Fuel Cells(PAFCs)) izmanto šķidru fosforskābi kā elektrolītu – skābe tiek turēta ar teflonu saistītā silikona karbīda formā, un porainā oglekļa elektrodi satur platīna katalizatoru. PAFC degvielas šūnas ir daudz izturīgākas pret netīrību fosilajās degvielās kā PEM degvielas šūnas. To efektivitāte ir līdz 85%, ja tās izmanto lai ražotu gan elektrību gan siltumu, taču daudz zemāka, ja ražo tikai elektrību(37-42%). PAFC pārsvarā izmanto stacionāros enerģijas ģenerēšanas avotos, lai gan dažas PAFC ir uzstādītas lielākos autobusos. PAFC ir nepieciešams dārgs platīna katalizators, kas ievērojami palielina izmaksas. Vidēji PAFC degvielas šūna izmaksā no$4000 līdz$4500 par vienu kilovatu.

Kausētā karbonāta degvielas šūnas (Molten Carbonate Fuel Cells(MCFCs)) šobrīd tiek pilnveidotas ar dabas gāzi un akmeņoglēm darbināmām elektrostacijām. MCFC ir augstās temperatūras degvielas šūnas, kas kā elektrolītu izmanto sārma karbonātu, kas ievietots porainā, ķīmiski inertā litija alumīnija oksīda (LiAlO2) formā. Ņemot vērā to, ka MCFC darbojas temperatūrā, kas augstāka par 6500C, pie katoda un anoda var izmantot nevērtīgos metālus, lai samazinātu izmaksas. Galvenā MCFC  nepilnība ir tās mūža ilgums. Augstā temperatūra kurā šīs degvielas šūnas darbojas, kā arī korozīvais elektrolīts samazina degvienas šūnas mūža ilgumu.

 

Valsts Pētījumu Programma „ENERĢĒTIKĀ”

Valsts Pētījumu Programma 2010-2013 "Inovatīvas enerģijas resursu ieguves un uzmantošanas tehnoloģijas un zema oglekļa emisiju nodrošināšana ar atjaunojamiem energoresursiem, atbalsta pasākumi vides un klimata degradācijas ...

Kontakti

„Latvijas Ūdeņraža Asociācija”
Juridiskā adrese.: Akadēmijas laukums 1kab.1312, Rīga, LV1050
Reģ.Nr:40008093009
Konts:LV92HABA0551010918039
E-pasts: info@h2lv.eu

Newsletter

„Latvijas Ūdeņraža Asociācija” © h2lv.eu | 2012