Түлшний бүрэлдэхүүн хэсгүүд. Устөрөгчийн энерги: урт удаан аялалын эхлэл

Энэ нь амьд организмын бүх биохимийн үйл явцын эрчим хүчний бүх нийтийн эх үүсвэр бөгөөд нэгэн зэрэг түүний дотоод мембран дээр цахилгаан потенциалын ялгаа үүсгэдэг. Гэсэн хэдий ч митохондрийн протоны шахуургууд нь уургийн шинж чанартай байдаг тул үйлдвэрлэлийн хэмжээнд цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхийн тулд энэ процессыг хуулбарлах нь хэцүү байдаг.

TE төхөөрөмж

Түлшний эсүүд нь онолын хувьд химийн энергийг цахилгаан энерги болгон хувиргах өндөр хурдтай цахилгаан химийн төхөөрөмж юм.

Түлш ба исэлдүүлэгчийн урсгалыг салгах зарчим

Ихэвчлэн бага температурт түлшний эсүүд нь анод талд устөрөгч, катодын тал дээр хүчилтөрөгч (устөрөгчийн эс) эсвэл метанол ба агаар мандлын хүчилтөрөгчийг ашигладаг. Түлшний эсүүдээс ялгаатай нь нэг удаагийн хүчдэлийн эсүүд болон батерейнууд нь хэрэглээний хатуу эсвэл шингэн урвалжуудыг агуулдаг бөгөөд тэдгээрийн масс нь батерейны эзэлхүүнээр хязгаарлагддаг бөгөөд цахилгаан химийн урвал зогссон тохиолдолд тэдгээрийг шинээр солих эсвэл урвуу үйлдлийг эхлүүлэхийн тулд цахилгаанаар цэнэглэх шаардлагатай. химийн урвал, эсвэл наад зах нь тэд ашигласан электрод болон бохирдсон электролитийг солих хэрэгтэй. Түлшний эсэд урвалжууд урсаж, урвалын бүтээгдэхүүнүүд урсаж, урвалжууд орж, түлшний эсийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн урвалыг хадгалах үед урвал үргэлжилж болох бөгөөд ихэнхдээ тэдгээрийн "хордлого" -аар тодорхойлогддог. -хангалтгүй цэвэр анхдагч бодисын бүтээгдэхүүн.

Устөрөгч-хүчилтөрөгчийн түлшний эсийн жишээ

Протон солилцооны мембран (жишээлбэл, "полимер электролит") устөрөгч-хүчилтөрөгчийн түлшний эс нь анод ба катод гэсэн хоёр электродыг тусгаарладаг протон дамжуулагч полимер мембраныг агуулдаг. Электрод бүр нь ихэвчлэн катализатороор бүрсэн нүүрстөрөгчийн хавтан (матриц) байдаг - цагаан алт эсвэл цагаан алтны бүлгийн металлын хайлш болон бусад найрлага.

Түлшний эсүүд нь галаник эсвэл цэнэглэдэг батерей зэрэг цахилгаан эрчим хүчийг хадгалах боломжгүй боловч зарим хэрэглээнд, тухайлбал, цахилгаан системээс тусгаарлагдсан цахилгаан станцууд нь тасалдалтай эрчим хүчний эх үүсвэрийг (нар, салхи) ашиглан электролизер, компрессор, түлш хадгалах савтай хослуулдаг. устөрөгчийн цилиндр) нь эрчим хүч хадгалах төхөөрөмжийг бүрдүүлдэг.

Мембран

Мембран нь протоныг дамжуулах боломжийг олгодог боловч электроныг дамжуулдаггүй. Энэ нь полимер (Nafion, polybenzimidazole гэх мэт) эсвэл керамик (оксид гэх мэт) байж болно. Гэсэн хэдий ч мембрангүй түлшний эсүүд байдаг.

Анод ба катодын материал ба катализатор

Анод ба катод нь ихэвчлэн цахилгаан дамжуулагч катализатор юм - өндөр хөгжсөн нүүрстөрөгчийн гадаргуу дээр хуримтлагдсан цагаан алт.

Түлшний эсийн төрлүүд

Түлшний эсийн үндсэн төрлүүд

Түлшний эсийн төрөл	Анод дахь урвал	Электролит	Катод дахь урвал	Температур, ° C
Шүлтлэг TE	2H 2 + 4OH − → 2H 2 O + 4e −	KOH уусмал	O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH −	200
Протон солилцооны мембрантай FC	2H 2 → 4H + + 4e −	Протон солилцооны мембран		80
Метанол TE	2CH 3 OH + 2H 2 O → 2CO 2 + 12H + + 12e −	Протон солилцооны мембран	3O 2 + 12H + + 12e − → 6H 2 O	60
Ортофосфорын хүчилд суурилсан FC	2H 2 → 4H + + 4e −	Фосфорын хүчлийн уусмал	O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O	200
Хайлсан карбонат дээр суурилсан түлшний эсүүд	2H 2 + 2CO 3 2− → 2H 2 O + 2CO 2 + 4e −	Хайлсан карбонат	O 2 + 2CO 2 + 4e − → 2CO 3 2−	650
Хатуу оксид TE	2H 2 + 2O 2 − → 2H 2 O + 4e −	Оксидын холимог	O 2 + 4e − → 2O 2 −	1000

Агаар-хөнгөн цагаан цахилгаан химийн генератор

Хөнгөн цагаан-агаарын цахилгаан химийн генератор нь хөнгөн цагааныг агаар мандлын хүчилтөрөгчтэй исэлдүүлэх замаар цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэдэг. Түүний доторх гүйдэл үүсгэх урвалыг дараах байдлаар илэрхийлж болно

4 Al + 3 O 2 + 6 H 2 O ⟶ 4 Al (OH) 3 , (\displaystyle (\ce (4 Al + 3 O_2 + 6 H_2O -> 4 Al(OH)_3,))) E = 2.71 V , (\ displaystyle \quad E=2.71~(\text(V)),)

мөн зэврэлтээс үүсэх урвал нь хэрхэн

2 Al + 6 H 2 O ⟶ 2 Al (OH) 3 + 3 H 2 ⋅ (\ displaystyle (\ce (2 Al + 6 H_2O -> 2 Al(OH)_3 + 3 H_2.)))

Агаар-хөнгөн цагаан цахилгаан химийн үүсгүүрийн ноцтой давуу талууд нь: өндөр (50% хүртэл) үр ашиг, хортой ялгаруулалтгүй, засвар үйлчилгээ хийхэд хялбар байдаг.

Давуу болон сул талууд

Устөрөгчийн түлшний эсийн давуу тал

Компакт хэмжээсүүд

Түлшний эсүүд нь уламжлалт эрчим хүчний эх үүсвэрээс хөнгөн бөгөөд жижиг хэмжээтэй байдаг. Түлшний эсүүд нь дуу чимээ багатай, дулаан бага зарцуулдаг, түлшний зарцуулалтын хувьд илүү үр ашигтай байдаг. Энэ нь ялангуяа цэргийн хэрэглээнд хамааралтай болно. Жишээлбэл, АНУ-ын армийн нэг цэрэг 22 төрлийн батерейг авч явдаг. [ ] Зайны дундаж чадал 20 ватт байна. Түлшний эсийг ашиглах нь ложистикийн зардлыг бууруулж, жинг бууруулж, төхөөрөмж, тоног төхөөрөмжийн ашиглалтын хугацааг уртасгах болно.

Түлшний эсийн асуудал

Тээвэрт түлшний эсийг нэвтрүүлэхэд устөрөгчийн дэд бүтэц байхгүйгээс болж саад болж байна. "Тахиа, өндөгний" асуудал байдаг - дэд бүтэц байхгүй бол яагаад устөрөгчийн машин үйлдвэрлэдэг вэ? Устөрөгчийн тээвэрлэлт байхгүй бол яагаад устөрөгчийн дэд бүтцийг барих ёстой вэ?

Ихэнх элементүүд үйл ажиллагааны явцад тодорхой хэмжээний дулаан ялгаруулдаг. Энэ нь дулааныг нөхөн сэргээх техникийн нарийн төвөгтэй төхөөрөмж (уурын турбин гэх мэт), түүнчлэн түлш, исэлдүүлэгчийн урсгалыг зохион байгуулах, цахилгаан хөөргөх хяналтын систем, мембраны бат бөх чанар, түлшний зарим дайвар бүтээгдэхүүнээр катализаторыг хордуулахыг шаарддаг. исэлдэлт болон бусад ажлууд. Гэхдээ үүнтэй зэрэгцэн процессын өндөр температур нь дулааны энерги үйлдвэрлэх боломжийг олгодог бөгөөд энэ нь цахилгаан станцын үр ашгийг ихээхэн нэмэгдүүлдэг.

Катализаторын хордлого ба мембраны бат бөх байдлын асуудлыг өөрөө эдгээх механизм бүхий элемент - ферментийн катализаторыг нөхөн сэргээх замаар шийддэг. ] .

Түлшний эсүүд нь химийн урвалын хурд багатай тул чухал ач холбогдолтой [ ] инерци ба оргил эсвэл импульсийн ачааллын нөхцөлд ажиллахын тулд тодорхой эрчим хүчний нөөц эсвэл бусад техникийн шийдлийг (суперконденсатор, батерей) ашиглах шаардлагатай.

Устөрөгчийг олж авах, хадгалах асуудал бас бий. Нэгдүгээрт, катализаторыг хурдан хордуулахгүйн тулд хангалттай цэвэр байх ёстой, хоёрдугаарт, өртөг нь эцсийн хэрэглэгчдэд ашигтай байхын тулд хангалттай хямд байх ёстой.

Энгийн химийн элементүүдээс устөрөгч, нүүрстөрөгч нь туйлшрал юм. Устөрөгч нь хамгийн өндөр хувийн шаталтын дулаантай боловч маш бага нягтралтай, химийн урвалын өндөр чадвартай байдаг. Нүүрстөрөгч нь хатуу элементүүдийн дунд хамгийн өндөр хувийн шаталтын дулаантай, нэлээд өндөр нягтралтай боловч идэвхжүүлэх энергийн улмаас химийн идэвхжил багатай байдаг. Алтан дундаж нь нүүрс ус (элсэн чихэр) эсвэл түүний дериватив (этанол) эсвэл нүүрсустөрөгч (шингэн ба хатуу) юм. Гарсан нүүрстөрөгчийн давхар исэл нь зөвшөөрөгдөх дээд хэмжээнээс хэтрэхгүйгээр дэлхийн амьсгалын ерөнхий мөчлөгт оролцох ёстой.

Устөрөгчийг үйлдвэрлэх олон арга байдаг ч одоогоор дэлхий даяар үйлдвэрлэсэн устөрөгчийн 50 орчим хувийг байгалийн хийнээс гаргаж авдаг. Бусад бүх аргууд маш үнэтэй хэвээр байна. Анхдагч эрчим хүчний тээвэрлэгчдийн тогтмол тэнцвэртэй байдал, массын түлш болох устөрөгчийн эрэлт хэрэгцээ нэмэгдэж, хэрэглэгчдийн бохирдолд тэсвэртэй байдал бий болсноор үйлдвэрлэлийн өсөлт яг энэ хувь хэмжээгээр нэмэгдэж, дэд бүтцийг хөгжүүлэх боломжийг олгох нь ойлгомжтой. Энэ нь боломжтой байхын тулд илүү үнэтэй (гэхдээ зарим тохиолдолд илүү тохиромжтой) аргууд устах болно. Устөрөгч нь хоёрдогч эрчим хүчний тээвэрлэгч болж оролцох бусад арга замууд нь түлшнээс эхлээд химийн батерей хүртэл үүрэг гүйцэтгэдэг. Үүнээс болж эрчим хүчний үнэ өсөхийн хэрээр устөрөгчийн үнэ ч зайлшгүй өсдөг гэсэн ойлголт байдаг. Гэхдээ сэргээгдэх эх үүсвэрээс гаргаж авсан эрчим хүчний өртөг байнга буурч байна (Салхины эрчим хүч, Устөрөгчийн үйлдвэрлэлийг үзнэ үү). Жишээлбэл, АНУ-д цахилгаан эрчим хүчний дундаж үнэ нэг кВт цаг тутамд 0.09 доллар болж өссөн бол салхинаас гаргаж авсан цахилгаан эрчим хүчний өртөг 0.04-0.07 доллар байна (Wind Energy эсвэл AWEA-г үзнэ үү). Японд нэг киловатт-цаг цахилгаан нь ойролцоогоор 0,2 ам.долларын үнэтэй бөгөөд энэ нь фотоволтайк эсийн үйлдвэрлэсэн цахилгааны өртөгтэй дүйцэхүйц юм. Зарим ирээдүйтэй бүс нутгуудын нутаг дэвсгэрийн алслагдсан байдлыг харгалзан үзвэл (жишээлбэл, фотоволтайк станцуудын үйлдвэрлэсэн цахилгааныг Африк тивээс шууд утсаар тээвэрлэх нь эрчим хүчний асар их чадавхийг үл харгалзан тодорхой үр дүнгүй юм), тэр ч байтугай устөрөгчийг "химийн батерей" болгон ажиллуулах нь тодорхойгүй байна. нэлээд ашигтай байж болно. 2010 оны байдлаар дулааны болон атомын цахилгаан станцын үйлдвэрлэсэн эрчим хүчтэй өрсөлдөхүйц байхын тулд устөрөгчийн түлшний эсийн эрчим хүчний өртөг найм дахин буурах ёстой.

Харамсалтай нь байгалийн хийнээс гаргаж авсан устөрөгч нь катализаторыг хордуулдаг CO болон устөрөгчийн сульфид агуулдаг. Тиймээс катализаторын хордлогыг багасгахын тулд түлшний эсийн температурыг нэмэгдүүлэх шаардлагатай. 160 ° C-ийн температурт аль хэдийн түлшинд 1% CO агуулагдаж болно.

Цагаан алтны катализатор бүхий түлшний эсийн сул тал нь цагаан алтны өндөр өртөг, устөрөгчийг дээр дурдсан хольцоос цэвэрлэхэд хүндрэлтэй байх, үүний үр дүнд хийн өндөр өртөг, хийн хордлогын улмаас элементийн нөөц хязгаарлагдмал байдаг. хольцоор катализатор. Үүнээс гадна катализаторын цагаан алт нь нөхөн сэргээгдэхгүй нөөц юм. Түүний нөөц нь 15-20 жил элемент үйлдвэрлэхэд хангалттай гэж үздэг.

Ферментүүдийг цагаан алтны катализатороос өөр хувилбар болгон судалж байна. Ферментүүд нь нөхөн сэргээгдэх материал бөгөөд хямд өртөгтэй, хямд түлшний үндсэн хольцоор хордуулдаггүй. Тэд тодорхой давуу талтай. Ферментийн CO болон устөрөгчийн сульфидын мэдрэмжгүй байдал нь биологийн эх үүсвэрээс устөрөгчийг, жишээлбэл, органик хог хаягдлыг хувиргах үед авах боломжтой болсон.

Өгүүллэг

Анхны нээлтүүд

Түлшний эсийн ажиллах зарчмыг 1839 онд Английн эрдэмтэн В.Гроув нээж, электролизийн процесс нь буцах боломжтой, өөрөөр хэлбэл устөрөгч ба хүчилтөрөгчийг шатаахгүйгээр усны молекул болгон нэгтгэж, харин дулаан ялгаруулах, цахилгаан. Эрдэмтэд энэ урвалыг гүйцэтгэж чадсан төхөөрөмжөө дуудсан "гэжээ. хийн зай", мөн энэ нь анхны түлшний эс байсан. Гэсэн хэдий ч дараагийн 100 жилд энэ санаа олдсонгүй практик хэрэглээ.

1937 онд профессор Ф.Бэкон түлшний эсээ бүтээх ажлыг эхлүүлсэн. 1950-иад оны сүүлч гэхэд тэрээр 5 кВт-ын хүчин чадалтай 40 түлшний эсээс бүрдсэн зайг бүтээжээ. Ийм зайг эрчим хүчээр хангахад ашиглаж болно гагнуурын машинэсвэл өргөгч. Батерей нь 200 ° C ба түүнээс дээш өндөр температурт, 20-40 бар даралттай ажилладаг. Түүнээс гадна тэр нэлээд том биетэй байсан.

ЗХУ ба Оросын судалгааны түүх

Анхны судалгаа 1930-аад оноос эхэлсэн. RSC Energia (1966 оноос хойш) Зөвлөлтийн сарны хөтөлбөрт зориулж PAFC элементүүдийг боловсруулсан. 1987-1987 онд Энергиа 100 орчим түлшний эс үйлдвэрлэсэн бөгөөд энэ нь нийтдээ 80,000 орчим цаг ажилласан.

Буран хөтөлбөр дээр ажиллах явцад шүлтлэг AFC элементүүдийг судалсан. Буран дээр 10 кВт-ын түлшний эсийг суурилуулсан.

1989 онд Өндөр температурын цахилгаан химийн хүрээлэн (Екатеринбург) нь 1 кВт-ын хүчин чадалтай анхны SOFC суурилуулалтыг үйлдвэрлэсэн.

1999 онд AvtoVAZ түлшний эсүүдтэй ажиллаж эхэлсэн. 2003 он гэхэд VAZ-2131 машин дээр суурилсан хэд хэдэн прототипийг бүтээжээ. Түлшний эсийн батерейг машины хөдөлгүүрийн тасалгаанд байрлуулсан бөгөөд шахсан устөрөгч бүхий савыг ачаа тээшний тасалгаанд байрлуулсан, өөрөөр хэлбэл эрчим хүчний нэгж, түлшний савны савны сонгодог зохион байгуулалтыг ашигласан. Устөрөгчийн машины хөгжлийг техникийн шинжлэх ухааны нэр дэвшигч Г.К. Мирзоев удирдсан.

2003 оны 11-р сарын 10-нд ОХУ-ын Шинжлэх ухааны академи болон Норильскийн никель компани хооронд устөрөгчийн эрчим хүч, түлшний эсийн салбарт хамтран ажиллах ерөнхий хэлэлцээрт гарын үсэг зурав. Энэ нь 2005 оны 5-р сарын 4-нд "Шинэ эрчим хүчний төслүүд" (NIK NEP) үндэсний инновацийн компанийг үүсгэн байгуулж, 2006 онд 1 кВт-ын хүчин чадалтай хатуу полимер электролитийн түлшний эсүүд дээр суурилсан нөөц цахилгаан станцыг үйлдвэрлэсэн. MFD-InfoCenter мэдээллийн агентлагийн мэдээлснээр, MMC Norilsk Nickel нь 2009 оны эхээр зарлагдсан үндсэн бус, ашиггүй хөрөнгөөс ангижрах шийдвэрийн хүрээнд New Energy Projects компанийг татан буулгаж байна.

2008 онд цахилгаан химийн технологи, цахилгаан хангамжийн системийн чиглэлээр судалгаа, шинжилгээний ажил эрхэлдэг InEnergy компанийг үүсгэн байгуулсан. Судалгааны үр дүнд үндэслэн ОХУ-ын Шинжлэх ухааны академийн тэргүүлэх хүрээлэнгүүдтэй (IPCP, ISTT, IHTT) хамтран өндөр үр дүнтэй туршилтын төслүүдийг хэрэгжүүлсэн. MTS компанийн хувьд устөрөгч-агаарын түлшний эсүүд дээр суурилсан түлшний эс, хяналтын систем, цахилгаан хадгалах төхөөрөмж, хөрвүүлэгчээс бүрдсэн модульчлагдсан нөөц эрчим хүчний системийг бий болгож, ашиглалтад оруулсан. Системийн хүч 10 кВт хүртэл.

Устөрөгч-агаарын эрчим хүчний систем нь гадаад орчны ажиллах температурын өргөн хүрээтэй (-40..+60С), өндөр үр ашигтай (60% хүртэл), дуу чимээ, чичиргээгүй, хурдан эхлүүлэх, авсаархан зэрэг олон маргаангүй давуу талуудтай. байгаль орчинд ээлтэй байдал (ус, "яндангийн" үр дүн гэх мэт).

Устөрөгч-агаарын системийг өмчлөх нийт өртөг нь ердийн цахилгаан химийн батерейгаас хамаагүй бага юм. Нэмж дурдахад тэдгээр нь механизмын хөдөлгөөнт хэсгүүд байхгүй тул засвар үйлчилгээ шаарддаггүй, ашиглалтын хугацаа нь 15 жил хүрч, сонгодог цахилгаан химийн батерейгаас тав дахин их байдаг тул эвдрэлд тэсвэртэй байдаг.

Газпром болон ОХУ-ын холбооны цөмийн төвүүд түлшний эсийн цахилгаан станцын загвар бүтээхээр ажиллаж байна. Одоо идэвхтэй хөгжиж байгаа хатуу исэл түлшний эсүүд 2016 оноос хойш гарч ирэх бололтой.

Түлшний эсийн хэрэглээ

Түлшний эсийг анх зөвхөн сансрын салбарт ашиглаж байсан боловч одоогоор тэдгээрийн хэрэглээний цар хүрээ тасралтгүй өргөжиж байна. Эдгээрийг суурин цахилгаан станцууд, барилга байгууламжийн дулаан, эрчим хүчний бие даасан эх үүсвэр, тээврийн хэрэгслийн хөдөлгүүр, зөөврийн компьютер, гар утасны тэжээлийн эх үүсвэр болгон ашигладаг. Эдгээр төхөөрөмжүүдийн зарим нь лабораторийн хананаас хараахан гараагүй байгаа бол зарим нь аль хэдийн худалдаанд гарсан бөгөөд удаан хугацаанд ашиглагдаж байна.

Түлшний эсийн хэрэглээний жишээ

Хэрэглээний талбар	Хүч	Хэрэглэх жишээ
Суурин суурилуулалт	5-250 кВт ба түүнээс дээш	Орон сууц, нийтийн болон үйлдвэрлэлийн барилга байгууламжийн дулаан, эрчим хүчний бие даасан эх үүсвэр, тасалдалгүй эрчим хүчний хангамж, нөөц болон яаралтай цахилгаан хангамжийн эх үүсвэрүүд
Зөөврийн суурилуулалт	1-50 кВт	Замын тэмдэг, ачааны болон хөргүүртэй төмөр замын ачааны машин, тэргэнцэр, гольфын тэрэг, сансрын хөлөг, хиймэл дагуул
Тээвэрлэлт	25-150 кВт	Машин болон бусад тээврийн хэрэгсэл, байлдааны хөлөг онгоц, шумбагч онгоц
Зөөврийн төхөөрөмж	1-500 Вт	Гар утас, зөөврийн компьютер, PDA, төрөл бүрийн хэрэглээний электрон төхөөрөмж, орчин үеийн цэргийн хэрэгсэл

Түлшний эсүүд дээр суурилсан өндөр хүчин чадалтай цахилгаан станцуудыг өргөн ашигладаг. Үндсэндээ ийм суурилуулалт нь хайлсан карбонат, фосфорын хүчил, хатуу исэлд суурилсан элементүүдийн үндсэн дээр ажилладаг. Дүрмээр бол ийм суурилуулалтыг зөвхөн цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхээс гадна дулааныг бий болгоход ашигладаг.

Өндөр температурт түлшний эсийг хийн турбинтай хослуулсан эрлийз үйлдвэрүүдийг хөгжүүлэхийн тулд ихээхэн хүчин чармайлт гаргаж байна. Ийм суурилуулалтын үр ашиг нь хийн турбиныг сайжруулснаар 74.6% хүрч чадна.

Түлшний эсүүд дээр суурилсан бага чадлын нэгжүүд мөн идэвхтэй үйлдвэрлэгдэж байна.

Түлшний эсийг үйлдвэрлэх, ашиглах техникийн зохицуулалт

2004 оны 8-р сарын 19-нд Олон улсын цахилгаан техникийн комисс (IEC) олон улсын анхны стандарт болох IEC 62282-2 “Түлшний эсийн технологи. 2-р хэсэг, Түлшний эсийн модулиуд.” Энэ нь түлшний эсийн технологийн техникийн хорооноос (TC/IEC 105) боловсруулсан IEC 62282 цувралын анхны стандарт байв. TC/IEC 105 Техникийн хороонд 17 орны байнгын төлөөлөгч, 15 орны ажиглагчид багтдаг.

TC/IEC 105 нь түлшний эсийн цахилгаан станцуудын стандартчилалтай холбоотой өргөн хүрээний сэдвүүдийг хамарсан IEC 62282 цувралын олон улсын 14 стандартыг боловсруулж хэвлүүлсэн. ОХУ-ын Техникийн зохицуулалт, хэмжил зүйн холбооны агентлаг (ROSSTANDART) нь TC/IEC 105 Техникийн хорооны хамтын гишүүн бөгөөд ажиглагчаар ажилладаг. ОХУ-ын талаас ОУЦХК-тай зохицуулах үйл ажиллагааг РосМЕК-ийн нарийн бичгийн дарга нарын газар (Росстандарт) гүйцэтгэдэг бөгөөд ОУЦХБ-ын стандартыг хэрэгжүүлэх ажлыг үндэсний стандартчиллын техникийн хороо ТС 029 "Устөрөгчийн технологи" гүйцэтгэдэг. Устөрөгчийн энергийн үндэсний холбоо (NAVE) болон KVT ХХК. Одоогийн байдлаар ROSSTANDART нь олон улсын IEC стандартуудтай ижил төстэй үндэсний болон улс хоорондын дараах стандартуудыг баталсан.

Ниссан устөрөгчийн түлшний эс

Хөдөлгөөнт электроникууд жил бүр сайжирч, улам өргөн тархаж, хүртээмжтэй болж байна: PDA, зөөврийн компьютер, хөдөлгөөнт болон дижитал төхөөрөмж, гэрэл зургийн жааз гэх мэт. Тэд бүгд шинэ функцууд, том дэлгэц, утасгүй холбоо, илүү хүчирхэг процессоруудаар байнга шинэчлэгдэж, хэмжээ нь буурч байна. . Эрчим хүчний технологи нь хагас дамжуулагч технологиос ялгаатай нь үсрэнгүй хөгжихгүй байна.

Салбарын ололт амжилтыг хангахад одоо байгаа батерей, аккумляторууд хангалтгүй болж байгаа тул өөр эх үүсвэрийн асуудал маш хурцаар тавигдаж байна. Түлшний эсүүд бол хамгийн ирээдүйтэй газар юм. Тэдний үйл ажиллагааны зарчмыг 1839 онд Уильям Гроув нээж, усны электролизийг өөрчилснөөр цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэжээ.

Видео: Баримтат кино, тээврийн түлшний эсүүд: өнгөрсөн, одоо, ирээдүй

Түлшний эсүүд машин үйлдвэрлэгчдийн сонирхлыг татдаг бөгөөд сансрын хөлгийн зохион бүтээгчид ч бас сонирхдог. 1965 онд тэдгээрийг Америк сансарт хөөргөсөн Gemini 5 сансрын хөлөг дээр, дараа нь Аполлон дээр туршиж үзсэн. Бохирдлын асуудал байсаар байгаа тул түлшний эсийн судалгаанд олон сая доллар зарцуулж байна. орчин, Органик түлш шатаах явцад үүссэн хүлэмжийн хийн ялгаруулалтыг нэмэгдүүлж, нөөц нь бас хязгааргүй юм.

Мазут, ихэвчлэн цахилгаан химийн генератор гэж нэрлэдэг бөгөөд доор тайлбарласны дагуу ажилладаг.

Энэ нь аккумлятор, батерейны нэгэн адил гальван элемент боловч идэвхтэй бодисыг тусад нь хадгалдаг. Тэдгээрийг ашиглах үед электродуудад нийлүүлдэг. Байгалийн түлш эсвэл түүнээс гаргаж авсан аливаа бодис нь хийн (устөрөгч, нүүрстөрөгчийн дутуу исэл) эсвэл спирттэй адил шингэн байж болох сөрөг электрод дээр шатдаг. Хүчилтөрөгч нь ихэвчлэн эерэг электродтой урвалд ордог.

Гэхдээ энгийн мэт санагдах үйл ажиллагааны зарчмыг бодит байдалд орчуулах нь тийм ч хялбар биш юм.

DIY түлшний эс

Видео: DIY устөрөгчийн түлшний эс

Харамсалтай нь энэ түлшний элемент ямар байх ёстойг харуулсан гэрэл зураг бидэнд байхгүй, бид таны төсөөлөлд найдаж байна.

Сургуулийн лабораторид ч гэсэн та бага чадалтай түлшний эсийг өөрийн гараар хийж болно. Та хуучин хийн маск, хэд хэдэн ширхэг plexiglass, шүлт, этилийн спиртийн усан уусмал (илүү энгийнээр хэлбэл архи) дээр нөөцлөх хэрэгтэй бөгөөд энэ нь түлшний эсийн "түлш" болж өгдөг.

Юуны өмнө танд хамгийн багадаа таван миллиметр зузаантай plexiglass материалаар хийгдсэн түлшний эсийн орон сууц хэрэгтэй. Дотоод хуваалтыг (дотоод таван тасалгаатай) бага зэрэг нимгэн болгож болно - 3 см.. Plexiglass-ийг наахын тулд дараах найрлагатай цавуу хэрэглэнэ: зургаан грамм plexiglass shavings нь нэг зуун грамм хлороформ эсвэл дихлорэтанаар уусдаг (ажил хийгдсэн). бүрээс дор).

Одоо та гадна хананд нүх өрөмдөх хэрэгтэй бөгөөд үүнд резинэн таглаагаар 5-6 см диаметртэй шилэн ус зайлуулах хоолойг оруулах хэрэгтэй.

Тогтмол хүснэгтийн хамгийн идэвхтэй металлууд зүүн доод буланд, өндөр идэвхтэй металлоидууд нь хүснэгтийн баруун дээд буланд байдаг гэдгийг хүн бүр мэддэг. электрон хандивлах чадвар нь дээрээс доош, баруунаас зүүн тийш нэмэгддэг. Тодорхой нөхцөлд металл эсвэл металлоид хэлбэрээр илэрч болох элементүүд хүснэгтийн төвд байдаг.

Одоо бид хийн маскаас идэвхжүүлсэн нүүрстөрөгчийг хоёр ба дөрөв дэх тасалгаанд (эхний ба хоёр дахь, гурав, дөрөв дэх хэсэг) асгаж, электродын үүрэг гүйцэтгэдэг. Нүхний нүхээр нүүрс асгарахаас сэргийлэхийн тулд та үүнийг нейлон даавуунд хийж болно (эмэгтэйчүүдийн нейлон оймс тохиромжтой). IN

Эхний камерт түлш эргэлдэж, тавдугаарт хүчилтөрөгчийн нийлүүлэгч байх ёстой - агаар. Электродуудын хооронд электролит байх бөгөөд үүнийг агаарын камерт урсахаас урьдчилан сэргийлэхийн тулд дүүргэхийн өмнө бензин дэх парафины уусмалаар (2 грамм парафины хагас шилтэй бензиний харьцаа) дэвтээнэ. агаарын электролитийн нүүрстөрөгч бүхий дөрөв дэх танхим. Нүүрсний давхарга дээр та утсыг гагнаж байгаа зэс хавтанг байрлуулах хэрэгтэй (бага зэрэг дарах замаар). Тэдгээрээр дамжуулан гүйдэл нь электродуудаас салах болно.

Үлдсэн зүйл бол элементийг цэнэглэх явдал юм. Үүний тулд та 1: 1 усаар шингэлж байх ёстой архи хэрэгтэй. Дараа нь гурван зуугаас гурван зуун тавин грамм идэмхий калийг болгоомжтой нэмнэ. Электролитийн хувьд 70 грамм калийн гидроксидыг 200 грамм усанд уусгана.

Түлшний эс туршилтанд бэлэн байна.Одоо та эхний камерт түлш, гурав дахь хэсэгт электролит асгах хэрэгтэй. Электродтой холбогдсон вольтметр нь 07 вольтоос 0.9 хүртэл байх ёстой. Элементийн тасралтгүй ажиллагааг хангахын тулд ашигласан түлшийг зайлуулж (шилэнд цутгаж), шинэ түлш (резин хоолойгоор дамжуулан) нэмэх шаардлагатай. Хоолойг шахах замаар тэжээлийн хурдыг тохируулна. Лабораторийн нөхцөлд түлшний эсийн үйл ажиллагаа иймэрхүү харагддаг бөгөөд хүч нь ойлгомжтой байдаг.

Видео: Гэртээ түлшний эс эсвэл мөнхийн зай

Илүү их хүчийг хангахын тулд эрдэмтэд энэ асуудал дээр удаан хугацаанд ажиллаж байна. Хөгжүүлэлтийн идэвхтэй ган нь метанол ба этилийн спиртийн түлшний эсийг агуулдаг. Гэвч харамсалтай нь тэдгээр нь хараахан хэрэгжээгүй байна.

Яагаад түлшний эсийг өөр эрчим хүчний эх үүсвэр болгон сонгосон бэ?

Устөрөгчийн шаталтын эцсийн бүтээгдэхүүн нь ус учраас түлшний эсийг өөр эрчим хүчний эх үүсвэр болгон сонгосон. Ганц асуудал бол устөрөгч үйлдвэрлэх хямд, үр дүнтэй аргыг олох явдал юм. Устөрөгчийн генератор, түлшний эсийг хөгжүүлэхэд оруулсан асар их хөрөнгө үр жимсээ өгөхөөс өөр аргагүй тул технологийн дэвшил, тэдгээрийн бодит хэрэглээ. Өдөр тутмын амьдрал, зөвхөн цаг хугацааны асуудал.

Өнөөдөр автомашины салбарын мангасууд: General Motors, Honda, Draimler Coyler, Ballard компаниуд 50 кВт-ын хүчин чадалтай түлшний эсүүдээр ажилладаг автобус, машинуудыг үзүүлж байна. Гэхдээ тэдний аюулгүй байдал, найдвартай байдал, өртөг зардалтай холбоотой асуудлууд шийдэгдээгүй байна. Өмнө дурьдсанчлан, уламжлалт эрчим хүчний эх үүсвэр болох зай, аккумлятороос ялгаатай нь энэ тохиолдолд исэлдүүлэгч ба түлшийг гаднаас нь нийлүүлдэг бөгөөд түлшний эс нь түлш шатаах, ялгарсан энергийг цахилгаан болгон хувиргах урвалд зөвхөн зуучлагч юм. Элемент нь дизель цахилгаан үүсгүүр гэх мэт ачаалалд гүйдэл өгдөг боловч генератор, дизель хөдөлгүүргүй, дуу чимээ, утаа, хэт халалтгүй тохиолдолд л "шаталт" үүсдэг. Үүний зэрэгцээ завсрын механизм байхгүй тул үр ашиг нь хамаагүй өндөр байдаг.

Видео: Устөрөгчийн түлшний эсийн машин

Нано технологи, наноматериал ашиглахад ихээхэн найдвар тавьж байна, энэ нь түлшний эсийг багасгахын зэрэгцээ хүчийг нэмэгдүүлэхэд тусална. Хэт үр ашигтай катализаторууд, мөн мембрангүй түлшний эсүүдэд зориулсан загварууд бий болсон гэсэн мэдээлэл бий. Тэдгээрийн дотор түлшийг (жишээлбэл, метан) исэлдүүлэгчийн хамт элементэд нийлүүлдэг. Сонирхолтой шийдэл нь агаарт ууссан хүчилтөрөгчийг исэлдүүлэгч болгон ашигладаг бөгөөд бохирдсон усанд хуримтлагдсан органик хольцыг түлш болгон ашигладаг. Эдгээр нь био түлшний элементүүд гэж нэрлэгддэг.

Шинжээчдийн үзэж байгаагаар түлшний эсүүд ойрын жилүүдэд массын зах зээлд гарч магадгүй юм.

Түлшний эс/эсийн давуу тал

Түлшний эс/эс нь устөрөгчөөр баялаг түлшнээс цахилгаанаар шууд гүйдэл, дулааныг үр ашигтайгаар үүсгэдэг төхөөрөмж юм. химийн урвал.

Түлшний эс нь химийн урвалаар шууд гүйдэл үүсгэдэг батерейтай төстэй. Түлшний эсэд анод, катод, электролит орно. Гэсэн хэдий ч батерейгаас ялгаатай нь түлшний эсүүд нь цахилгаан эрчим хүчийг хуримтлуулж чаддаггүй бөгөөд цэнэггүй болгох эсвэл цэнэглэхэд цахилгаан шаарддаггүй. Түлшний эсүүд/эсүүд нь түлш, агаараар хангагдсан тохиолдолд тасралтгүй цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх боломжтой.

Дотоод шаталтат хөдөлгүүр эсвэл хий, нүүрс, мазут гэх мэт түлшээр ажилладаг турбин гэх мэт бусад цахилгаан үүсгүүрүүдээс ялгаатай нь түлшний эсүүд/эсүүд түлш шатдаггүй. Энэ нь дуу чимээ ихтэй өндөр даралтын ротор, чанга яндангийн дуу чимээ, чичиргээ байхгүй гэсэн үг юм. Түлшний эсүүд нь чимээгүй цахилгаан химийн урвалаар цахилгаан үүсгэдэг. Түлшний эс/эсийн өөр нэг онцлог нь түлшний химийн энергийг шууд цахилгаан, дулаан, ус болгон хувиргадаг явдал юм.

Түлшний эсүүд нь өндөр үр ашигтай бөгөөд үйлдвэрлэдэггүй их хэмжээнийнүүрстөрөгчийн давхар исэл, метан, азотын исэл зэрэг хүлэмжийн хий. Ашиглалтын явцад ялгардаг цорын ганц бүтээгдэхүүн бол уур хэлбэрээр ус, бага хэмжээний нүүрстөрөгчийн давхар исэл бөгөөд цэвэр устөрөгчийг түлш болгон ашиглавал огт ялгардаггүй. Түлшний элементүүд / эсүүд нь угсралт, дараа нь бие даасан функциональ модулиудад угсардаг.

Түлшний эс/эсийн хөгжлийн түүх

1950, 1960-аад оны үед түлшний эсийн хамгийн тулгамдсан асуудлуудын нэг нь Үндэсний Аэронавтик, Сансрын Удирдлагын (НАСА) урт хугацааны сансрын нислэгийн эрчим хүчний эх үүсвэрийн хэрэгцээ шаардлагаас үүдэлтэй байв. НАСА-гийн шүлтлэг түлшний эс нь хоёр химийн элементийг электрохимийн урвалд нэгтгэн устөрөгч болон хүчилтөрөгчийг түлш болгон ашигладаг. Гаралт нь сансрын нислэгийн урвалын гурван ашигтай бүтээгдэхүүн юм - сансрын хөлгийг тэжээх цахилгаан, ундны болон хөргөлтийн системд зориулсан ус, сансрын нисэгчдийг дулаацуулах дулаан.

Түлшний эсийн нээлт 19-р зууны эхэн үеэс эхэлсэн. Түлшний эсийн нөлөөний анхны нотолгоог 1838 онд олж авсан.

1930-аад оны сүүлээр шүлтлэг электролит бүхий түлшний эсүүд дээр ажиллаж эхэлсэн бөгөөд 1939 он гэхэд өндөр даралтын никель бүрсэн электродуудыг ашигласан эсийг бүтээжээ. Дэлхийн 2-р дайны үед Британийн Тэнгисийн цэргийн шумбагч онгоцонд түлшний эсүүд / эсүүд бүтээгдсэн бөгөөд 1958 онд 25 см-ээс дээш диаметртэй шүлтлэг түлшний эсүүд / эсүүдээс бүрдсэн түлшний угсралтыг нэвтрүүлсэн.

1950-1960-аад онд, мөн 1980-аад онд аж үйлдвэрийн ертөнц нефтийн түлшний хомсдолд орсон үед сонирхол нэмэгдсэн. Мөн энэ хугацаанд дэлхийн улс орнууд ч агаарын бохирдлын асуудалд санаа зовж, байгаль орчинд ээлтэй цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх арга замыг авч үзсэн. Түлшний эсийн технологи одоогоор эрчимтэй хөгжиж байна.

Түлшний эс/эсийн ажиллах зарчим

Түлшний эсүүд нь электролит, катод, анод ашиглан цахилгаан химийн урвал явагдсаны улмаас цахилгаан, дулааныг үүсгэдэг.

Анод ба катод нь протоныг дамжуулдаг электролитээр тусгаарлагддаг. Устөрөгч нь анод, хүчилтөрөгч катод руу орсны дараа химийн урвал эхэлдэг бөгөөд үүний үр дүнд цахилгаан, дулаан, ус.

Анодын катализатор дээр молекулын устөрөгч нь электроныг задалж, алддаг. Устөрөгчийн ионууд (протонууд) электролитээр дамжин катод руу дамждаг бол электронууд электролитээр дамжиж, гадаад цахилгаан хэлхээгээр дамждаг бөгөөд энэ нь төхөөрөмжийг тэжээхэд ашиглаж болох шууд гүйдэл үүсгэдэг. Катодын катализатор дээр хүчилтөрөгчийн молекул нь электрон (гадаад харилцаа холбоогоор хангадаг) болон ирж буй протонтой нэгдэж, цорын ганц урвалын бүтээгдэхүүн (уур ба / эсвэл шингэн хэлбэрээр) ус үүсгэдэг.

Харгалзах хариу урвалыг доор харуулав.

Анод дахь урвал: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Катод дахь урвал: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Элементийн ерөнхий урвал: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Түлшний элемент/эсийн төрөл ба төрөл зүйл

Дотоод шаталтат хөдөлгүүрүүд өөр өөр байдагтай адил түлшний эсүүд өөр өөр байдаг - сонголт тохиромжтой төрөлтүлшний эс нь түүний хэрэглээнээс хамаарна.

Түлшний эсүүд нь өндөр температур, бага температурт хуваагддаг. Бага температурт түлшний эсүүд нь харьцангуй цэвэр устөрөгчийг түлш болгон шаарддаг. Энэ нь ихэвчлэн анхдагч түлшийг (байгалийн хий гэх мэт) цэвэр устөрөгч болгон хувиргахын тулд түлш боловсруулах шаардлагатай гэсэн үг юм. Энэ процесс нь нэмэлт эрчим хүч зарцуулж, тусгай тоног төхөөрөмж шаарддаг. Өндөр температурт түлшний эсүүд нь түлшийг өндөр температурт "дотоод хувиргах" чадвартай тул устөрөгчийн дэд бүтцэд хөрөнгө оруулах шаардлагагүй гэсэн үг юм.

Хайлсан карбонатын түлшний эс/эс (MCFC)

Хайлсан карбонат электролитийн түлшний эсүүд нь өндөр температурт түлшний эсүүд юм. Ашиглалтын өндөр температур нь түлшний процессоргүйгээр байгалийн хий, түлшний илчлэг багатай түлшний хийг шууд ашиглах боломжийг олгодог үйлдвэрлэлийн үйл явцболон бусад эх сурвалжаас.

RCFC-ийн ажиллагаа нь бусад түлшний эсүүдээс ялгаатай. Эдгээр эсүүд нь хайлсан карбонатын давсны холимогоор хийсэн электролитийг ашигладаг. Одоогийн байдлаар литийн карбонат ба калийн карбонат эсвэл литийн карбонат, натрийн карбонат гэсэн хоёр төрлийн хольцыг ашиглаж байна. Карбонатын давсыг хайлуулж, электролит дэх ионы хөдөлгөөнийг өндөр түвшинд хүргэхийн тулд хайлсан карбонат электролит бүхий түлшний эсүүд өндөр температурт (650 ° C) ажилладаг. Үр ашиг нь 60-80% хооронд хэлбэлздэг.

650 хэм хүртэл халаахад давс нь карбонатын ионуудын дамжуулагч болдог (CO 3 2-). Эдгээр ионууд нь катодоос анод руу шилжиж устөрөгчтэй нийлж ус, нүүрстөрөгчийн давхар исэл, чөлөөт электрон үүсгэдэг. Эдгээр электронууд нь гадны цахилгаан хэлхээгээр катод руу буцаж илгээгдэж, цахилгаан гүйдэл, дулааныг дайвар бүтээгдэхүүн болгон үүсгэдэг.

Анод дахь урвал: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Катод дахь урвал: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Элементийн ерөнхий урвал: H 2 (g) + 1/2O 2 (г) + CO 2 (катод) => H 2 O (г) + CO 2 (анод)

Хайлсан карбонатын электролитийн түлшний эсийн өндөр температур нь тодорхой давуу талтай байдаг. Өндөр температурт дотоод шинэчлэлт үүсдэг Байгалийн хий, түлшний процессорын хэрэгцээг арилгах. Үүнээс гадна, давуу тал нь хуудас металл гэх мэт стандарт барилгын материалыг ашиглах боломжийг агуулдаг зэвэрдэггүй ганба электродууд дээр никель катализатор. Хаягдал дулааныг янз бүрийн үйлдвэрлэлийн болон арилжааны зориулалтаар өндөр даралтын уур үйлдвэрлэхэд ашиглаж болно.

Электролит дахь урвалын өндөр температур нь бас давуу талтай. Өндөр температурыг ашиглах нь үйл ажиллагааны оновчтой нөхцөлд хүрэхийн тулд ихээхэн цаг хугацаа шаарддаг бөгөөд систем нь эрчим хүчний хэрэглээний өөрчлөлтөд илүү удаан хариу үйлдэл үзүүлдэг. Эдгээр шинж чанарууд нь байнгын эрчим хүчний нөхцөлд хайлсан карбонат электролит бүхий түлшний эсийн суурилуулалтыг ашиглах боломжийг олгодог. Өндөр температур нь нүүрстөрөгчийн дутуу ислийг түлшний эсийг гэмтээхээс сэргийлдэг.

Хайлсан карбонат электролит бүхий түлшний эсүүд нь том суурин суурилуулалтанд ашиглахад тохиромжтой. 3.0 МВт цахилгаан гаргах хүчин чадалтай дулааны цахилгаан станцуудыг арилжааны зориулалтаар үйлдвэрлэдэг. 110 МВт хүртэл хүчин чадалтай суурилуулалтыг боловсруулж байна.

Фосфорын хүчлийн түлшний эсүүд (PAFC)

Фосфорын (ортофосфорын) хүчлийн түлшний эсүүд нь арилжааны зориулалттай анхны түлшний эсүүд байв.

Фосфорын (ортофосфорын) хүчлийн түлшний эсүүд дээр суурилсан электролитийг ашигладаг фосфорын хүчил(H 3 PO 4) 100% хүртэл концентрацитай. Фосфорын хүчлийн ионы дамжуулалт бага температурт бага байдаг тул эдгээр түлшний эсийг 150-220 ° C хүртэл температурт ашигладаг.

Түлшний эсүүд дэх цэнэглэгч энэ төрлийнустөрөгч (H+, протон) юм. Үүнтэй төстэй үйл явц нь протон солилцооны мембран бүхий түлшний эсүүдэд тохиолддог бөгөөд анод руу нийлүүлсэн устөрөгч нь протон ба электронуудад хуваагддаг. Протонууд электролитээр дамжиж, катод дахь агаараас хүчилтөрөгчтэй нийлж ус үүсгэдэг. Электронуудыг гадаад цахилгаан хэлхээгээр дамжуулж, улмаар цахилгаан гүйдэл үүсгэдэг. Цахилгаан гүйдэл ба дулааныг үүсгэдэг урвалуудыг доор харуулав.

Анод дахь урвал: 2H 2 => 4H + + 4e -
Катод дахь урвал: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2 H 2 O
Элементийн ерөнхий урвал: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Фосфорын (ортофосфорын) хүчилд суурилсан түлшний эсийн үр ашиг нь цахилгаан эрчим хүч үүсгэх үед 40% -иас дээш байдаг. Дулаан, цахилгаан эрчим хүчийг хослуулан үйлдвэрлэхэд нийт үр ашиг нь 85% орчим байна. Түүнчлэн, ашиглалтын температурыг харгалзан хаягдал дулааныг ус халааж, атмосферийн даралтын уурыг бий болгоход ашиглаж болно.

Дулааны болон цахилгаан эрчим хүчийг хослуулан үйлдвэрлэхэд фосфорын (ортофосфорын) хүчилд суурилсан түлшний эсийг ашигладаг дулааны цахилгаан станцуудын өндөр гүйцэтгэл нь энэ төрлийн түлшний эсийн нэг давуу тал юм. Уг нэгжүүд нь ойролцоогоор 1.5% -ийн агууламжтай нүүрстөрөгчийн дутуу ислийг ашигладаг бөгөөд энэ нь түлшний сонголтыг ихээхэн өргөжүүлдэг. Үүнээс гадна CO 2 нь электролит болон түлшний эсийн үйл ажиллагаанд нөлөөлдөггүй, энэ төрлийн эсүүд нь шинэчлэгдсэн байгалийн түлшээр ажилладаг. Энгийн загвар, электролитийн дэгдэмхий чанар, тогтвортой байдал нь энэ төрлийн түлшний эсийн давуу тал юм.

500 кВт хүртэлх цахилгаан гаралтын хүчин чадалтай дулааны цахилгаан станцуудыг арилжааны зориулалтаар үйлдвэрлэдэг. 11 МВт-ын хүчин чадалтай суурилуулалт нь зохих туршилтыг давсан. 100 МВт хүртэл хүчин чадалтай байгууламжуудыг боловсруулж байна.

Хатуу исэл түлшний эсүүд (SOFC)

Хатуу исэл түлшний эсүүд нь хамгийн өндөр температурт ажилладаг түлшний эсүүд юм. Ашиглалтын температур нь 600 ° C-аас 1000 ° C хооронд хэлбэлзэж болох бөгөөд энэ нь тусгай зориулалтгүйгээр янз бүрийн төрлийн түлш ашиглах боломжийг олгодог. урьдчилсан эмчилгээ. Ийм өндөр температурыг зохицуулахын тулд электролит нь керамик суурь дээр нимгэн хатуу металлын исэл, ихэвчлэн хүчилтөрөгчийн ион (O2-) дамжуулагч болох иттри ба цирконы хайлш юм.

Хатуу электролит нь хийн нэг электродоос нөгөөд шилжих шилжилтийг хангадаг бол шингэн электролит нь сүвэрхэг субстрат дотор байрладаг. Энэ төрлийн түлшний эсийн цэнэг зөөгч нь хүчилтөрөгчийн ион (O 2-) юм. Катодын үед агаараас хүчилтөрөгчийн молекулууд нь хүчилтөрөгчийн ион ба дөрвөн электронд хуваагддаг. Хүчилтөрөгчийн ионууд электролитээр дамжин устөрөгчтэй нэгдэж дөрвөн чөлөөт электрон үүсгэдэг. Электронуудыг гадаад цахилгаан хэлхээгээр дамжуулж, цахилгаан гүйдэл, хаягдал дулааныг үүсгэдэг.

Анод дахь урвал: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Катод дахь урвал: O 2 + 4e - => 2O 2-
Элементийн ерөнхий урвал: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Үйлдвэрлэсэн цахилгаан эрчим хүчний үр ашиг нь бүх түлшний эсүүдээс хамгийн өндөр буюу 60-70% байдаг. Ашиглалтын өндөр температур нь өндөр даралтын уур үүсгэх дулааны болон цахилгаан эрчим хүчийг хослуулан үйлдвэрлэх боломжийг олгодог. Өндөр температурт түлшний эсийг турбинтай хослуулснаар цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх үр ашгийг 75% хүртэл нэмэгдүүлэхийн тулд эрлийз түлшний эсийг бий болгох боломжтой.

Хатуу исэлийн түлшний эсүүд нь маш өндөр температурт (600°C–1000°C) ажилладаг бөгөөд энэ нь ашиглалтын оновчтой нөхцөлд хүрэхэд ихээхэн хугацаа шаардагдах бөгөөд эрчим хүчний хэрэглээний өөрчлөлтөд системийн хариу үйлдэл нь удааширдаг. Ашиглалтын ийм өндөр температурт түлшнээс устөрөгчийг гаргаж авахын тулд ямар ч хувиргагч шаардлагагүй бөгөөд дулааны цахилгаан станцыг нүүрс, хаягдал хийг хийжүүлэхээс үүссэн харьцангуй бохир түлшээр ажиллуулах боломжийг олгодог. Энэхүү түлшний эсийг ашиглахад маш тохиромжтой өндөр хүч, үүнд аж үйлдвэрийн болон томоохон төв цахилгаан станцууд. 100 кВт-ын цахилгаан гаралтын чадалтай модулиудыг арилжааны зориулалтаар үйлдвэрлэдэг.

Метанолын шууд исэлдэлтийн түлшний эсүүд (DOMFC)

Метанолын шууд исэлдэлттэй түлшний эсийг ашиглах технологи идэвхтэй хөгжиж байна. Энэ нь гар утас, зөөврийн компьютер, зөөврийн тэжээлийн эх үүсвэрийг бий болгох чиглэлээр өөрийгөө амжилттай нотолсон. Эдгээр элементүүдийг ирээдүйд ашиглах нь ийм зорилготой юм.

Метанолын шууд исэлдэлттэй түлшний эсийн загвар нь протон солилцооны мембран (MEPFC) бүхий түлшний эсүүдтэй төстэй, i.e. Полимерийг электролит болгон, устөрөгчийн ионыг (протон) цэнэглэгч болгон ашигладаг. Гэсэн хэдий ч шингэн метанол (CH 3 OH) нь анод дахь усны дэргэд исэлдэж, CO 2, устөрөгчийн ион, электроныг ялгаруулж, гадаад цахилгаан хэлхээгээр дамжуулж, улмаар цахилгаан гүйдэл үүсгэдэг. Устөрөгчийн ионууд электролитээр дамжин агаараас хүчилтөрөгч, гадаад хэлхээний электронуудтай урвалд орж анод дээр ус үүсгэдэг.

Анод дахь урвал: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Катод дахь урвал: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Элементийн ерөнхий урвал: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Энэ төрлийн түлшний эсийн давуу тал нь шингэн түлшний хэрэглээ, хөрвүүлэгч ашиглах шаардлагагүйгээс шалтгаалан жижиг хэмжээтэй байдаг.

Шүлтлэг түлшний эсүүд (ALFC)

Шүлтлэг түлшний эсүүд нь цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхэд ашигладаг хамгийн үр ашигтай эсүүдийн нэг бөгөөд эрчим хүчний үйлдвэрлэлийн үр ашиг нь 70% хүртэл байдаг.

Шүлтлэг түлшний эсүүд нь сүвэрхэг, тогтворжсон матрицад агуулагдах калийн гидроксидын усан уусмал болох электролитийг ашигладаг. Калийн гидроксидын концентраци нь түлшний эсийн ажиллах температураас хамаарч өөр өөр байж болох бөгөөд энэ нь 65 ° C-аас 220 ° C хооронд хэлбэлздэг. SHTE дахь цэнэгийн тээвэрлэгч нь катодоос анод руу шилжиж, устөрөгчтэй урвалд орж ус, электрон үүсгэдэг гидроксил ион (OH -) юм. Анод дээр үүссэн ус дахин катод руу шилжиж, тэнд дахин гидроксил ион үүсгэдэг. Түлшний эсэд явагддаг эдгээр цуврал урвалын үр дүнд цахилгаан болон дулааны дагалдах бүтээгдэхүүн үүсдэг.

Анод дахь урвал: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Катод дахь урвал: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Системийн ерөнхий урвал: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

SHTE-ийн давуу тал нь эдгээр түлшний эсийг үйлдвэрлэхэд хамгийн хямд байдаг, учир нь электродуудад шаардлагатай катализатор нь бусад түлшний эсүүдэд катализатор болгон ашигладаг бодисуудаас хямд байдаг. SFC нь харьцангуй бага температурт ажилладаг бөгөөд хамгийн үр ашигтай түлшний эсүүдийн нэг юм - ийм шинж чанар нь эрчим хүчийг хурдан үйлдвэрлэх, түлшний үр ашгийг нэмэгдүүлэхэд хувь нэмэр оруулдаг.

SHTE-ийн нэг онцлог шинж чанар нь түлш эсвэл агаарт агуулагдах CO 2-т өндөр мэдрэмжтэй байдаг. CO 2 нь электролиттэй урвалд орж, түүнийг хурдан хордуулж, түлшний эсийн үр ашгийг ихээхэн бууруулдаг. Тиймээс SHTE-ийн хэрэглээ нь сансрын болон усан доорх тээврийн хэрэгсэл гэх мэт хаалттай орон зайд хязгаарлагддаг бөгөөд тэдгээр нь цэвэр устөрөгч, хүчилтөрөгчөөр ажиллах ёстой. Түүгээр ч зогсохгүй бусад түлшний эсүүдэд аюулгүй байдаг CO, H 2 O, CH4 зэрэг молекулууд нь SHFC-д хортой нөлөө үзүүлдэг.

Полимер электролитийн түлшний эсүүд (PEFC)

Полимер электролитийн түлшний эсийн хувьд полимер мембран нь усны молекулд наалддаг H2O+ (протон, улаан) усны ионуудын дамжуулалт бүхий усны бүс бүхий полимер утаснаас бүрддэг. Усны молекулууд нь ионы солилцоо удаашралтай тул асуудал үүсгэдэг. Тиймээс түлшний болон гаралтын электродуудын аль алинд нь усны өндөр агууламж шаардлагатай бөгөөд ажлын температурыг 100 ° C хүртэл хязгаарладаг.

Хатуу хүчил түлшний эсүүд (SFC)

Хатуу хүчлийн түлшний эсүүдэд электролит (CsHSO 4) нь ус агуулдаггүй. Тиймээс ажлын температур 100-300 ° C байна. SO 4 2-ийн хүчилтөрөгчийн анионуудын эргэлт нь протонуудыг (улаан) зурагт үзүүлсэн шиг хөдөлгөх боломжийг олгодог. Ихэвчлэн хатуу хүчиллэг түлшний эс нь хатуу хүчлийн нэгдлийн маш нимгэн давхаргыг хоёр нягт шахсан электродын хооронд хавчуулагдсан сэндвич юм. сайн харилцаатай. Халах үед органик бүрэлдэхүүн хэсэг нь ууршиж, электродын нүх сүвээр гарч, түлш (эсвэл элементийн нөгөө үзүүрт хүчилтөрөгч), электролит ба электродуудын хооронд олон тооны холбоо барих чадварыг хадгалдаг.

Төрөл бүрийн түлшний эсийн модулиуд. Түлшний эсийн зай

1. Түлшний эсийн зай
2. Өндөр температурт ажилладаг бусад тоног төхөөрөмж (нэгдсэн уурын генератор, шатаах камер, дулааны баланс солигч)
3. Халуунд тэсвэртэй тусгаарлагч

Түлшний эсийн модуль

Түлшний эсийн төрөл, сортын харьцуулсан шинжилгээ

Шинэлэг эрчим хүчний хэмнэлттэй хотын дулааны цахилгаан станцууд нь ихэвчлэн хатуу исэл түлшний эсүүд (SOFC), полимер электролитийн түлшний эсүүд (PEFC), фосфорын хүчлийн түлшний эсүүд (PAFC), протон солилцооны мембран түлшний эсүүд (PEMFC) болон шүлтлэг түлшний эсүүд дээр баригддаг. ALFC). Ихэвчлэн дараахь шинж чанаруудтай байдаг.

Хамгийн тохиромжтой нь хатуу исэл түлшний эсүүд (SOFC) байх ёстой бөгөөд үүнд:

• өндөр температурт ажиллах нь үнэтэй байх хэрэгцээг бууруулдаг үнэт металлууд(цагаан алт гэх мэт)
• төрөл бүрийн нүүрсустөрөгчийн түлш, гол төлөв байгалийн хий дээр ажиллах боломжтой
• байна илүү урт хугацаахөөргөх тул урт хугацааны үйл ажиллагаанд илүү тохиромжтой
• эрчим хүч үйлдвэрлэх өндөр үр ашгийг харуулах (70% хүртэл)
• Ашиглалтын өндөр температурын улмаас уг төхөөрөмжийг дулаан дамжуулах системтэй хослуулж, системийн нийт үр ашгийг 85% хүртэл авчирдаг.
• Одоо байгаа эрчим хүч үйлдвэрлэх технологитой харьцуулахад бараг тэг ялгаруулдаг, чимээгүй ажилладаг, ашиглалтын шаардлага багатай

Түлшний эсийн төрөл	Ажлын температур	Эрчим хүч үйлдвэрлэх үр ашиг	Шатахууны төрөл	Хэрэглээний талбар
РКТЭ	550-700 ° C	50-70%		Дунд болон том хэмжээний суурилуулалт
FCTE	100-220 ° C	35-40%	Цэвэр устөрөгч	Том хэмжээний суурилуулалт
MOPTE	30-100 ° C	35-50%	Цэвэр устөрөгч	Жижиг суурилуулалт
SOFC	450-1000 ° C	45-70%	Ихэнх нүүрсустөрөгчийн түлш	Жижиг, дунд, том суурилуулалт
PEMFC	20-90 ° C	20-30%	Метанол	Зөөврийн
SHTE	50-200 ° C	40-70%	Цэвэр устөрөгч	Сансрын судалгаа
ПИТ	30-100 ° C	35-50%	Цэвэр устөрөгч	Жижиг суурилуулалт

Жижиг дулааны цахилгаан станцууд нь ердийн хийн хангамжийн сүлжээнд холбогдох боломжтой тул түлшний эсүүд нь тусдаа устөрөгчийн хангамжийн системийг шаарддаггүй. Хатуу исэл түлшний эсүүд дээр суурилсан жижиг дулааны цахилгаан станцуудыг ашиглах үед үүссэн дулааныг ус, агааржуулалтын агаарыг халаах дулаан солилцогчдод нэгтгэж, системийн нийт үр ашгийг нэмэгдүүлдэг. Энэхүү шинэлэг технологи нь үнэтэй дэд бүтэц, нарийн төвөгтэй багаж хэрэгслийг нэгтгэх шаардлагагүйгээр цахилгаан эрчим хүчийг үр ашигтайгаар үйлдвэрлэхэд хамгийн тохиромжтой.

Түлшний эс/эсийн хэрэглээ

Харилцаа холбооны системд түлшний эсийг ашиглах

Дэлхий даяар утасгүй холбооны систем хурдацтай тархаж, гар утасны технологийн нийгэм-эдийн засгийн үр өгөөж нэмэгдэж байгаатай холбогдуулан найдвартай, хэмнэлттэй эрчим хүчний нөөц нөөцлөх хэрэгцээ нэн чухал болоод байна. Цаг агаарын таагүй нөхцөл байдал, байгалийн гамшиг, хязгаарлагдмал хүчин чадал зэргээс шалтгаалан жилийн туршид цахилгаан эрчим хүчний сүлжээний алдагдал нь сүлжээний операторуудад байнгын сорилт үүсгэдэг.

Уламжлалт харилцаа холбооны эрчим хүчний нөөцийн шийдлүүд нь богино хугацааны нөөц эрчим хүчний нөөцөд зориулагдсан батерей (хавхлага зохицуулалттай хар тугалганы хүчлийн батерей) ба урт хугацааны нөөц эрчим хүчний дизель болон пропан генераторуудыг агуулдаг. Батерей нь 1-2 цагийн турш нөөцлөх харьцангуй хямд эх үүсвэр юм. Гэсэн хэдий ч батерейнууд нь засвар үйлчилгээ хийхэд үнэтэй, удаан хугацаагаар ашигласны дараа найдваргүй болж, температурт мэдрэмтгий, устгасны дараа хүрээлэн буй орчинд аюул учруулдаг тул удаан хугацааны нөөц тэжээлд тохиромжгүй байдаг. Дизель болон пропан генераторууд нь урт хугацааны эрчим хүчний нөөцөөр хангах боломжтой. Гэсэн хэдий ч генераторууд найдваргүй, их хэмжээний засвар үйлчилгээ шаарддаг, бохирдуулагч, хий их хэмжээгээр ялгаруулдаг. Хүлэмжийн нөлөө.

Уламжлалт эрчим хүчний нөөцийн шийдлүүдийн хязгаарлалтыг даван туулахын тулд ногоон түлшний эсийн шинэлэг технологийг боловсруулсан. Түлшний эсүүд нь найдвартай, дуу чимээ багатай, генераторыг бодвол цөөн тооны хөдөлгөөнт хэсгүүдийг агуулдаг, батерейг бодвол илүү өргөн температурын хүрээтэй байдаг: -40 ° C-аас + 50 ° C хүртэл, үр дүнд нь эрчим хүчний маш өндөр хэмнэлттэй байдаг. Үүнээс гадна ийм суурилуулалтын ашиглалтын зардал нь генераторынхоос бага байдаг. Жилд нэг удаа засвар үйлчилгээ хийснээр түлшний эсийн зардал буурч, үйлдвэрийн бүтээмж мэдэгдэхүйц нэмэгддэг. Эцсийн эцэст түлшний эс нь байгаль орчинд хамгийн бага нөлөө үзүүлдэг ногоон технологийн шийдэл юм.

Түлшний эсийн суурилуулалт нь 250 Вт-аас 15 кВт хүртэлх цахилгаан холбооны систем дэх утасгүй, байнгын болон өргөн зурвасын холболтын чухал харилцаа холбооны сүлжээний дэд бүтцийг нөөц эрчим хүчээр хангадаг бөгөөд тэдгээр нь хосгүй олон шинэлэг боломжуудыг санал болгодог.

• НАЙДВАРТАЙ БАЙДАЛ– цөөн тооны хөдөлгөөнт хэсэг, зогсолтын горимд цэнэггүй
• ЭРЧИМ ХҮЧ ХЭМНЭХ
• ЧИМЭЭГҮЙ- дуу чимээ багатай
• ТОГТВОРТОЙ БАЙДАЛ-40°С-аас +50°C хүртэл ажиллах хүрээ
• Дасан зохицох чадвар- гадаа болон дотор суурилуулах (сав/хамгаалалтын сав)
• ӨНДӨР ХҮЧ- 15 кВт хүртэл
• ЗАСВАРЫН ШААРДЛАГА БАГА- жилийн хамгийн бага засвар үйлчилгээ
• ЭДИЙН ЗАСАГТАЙ- өмчлөх сонирхол татахуйц нийт өртөг
• НОГООН ЭРЧИМ ХҮЧ– байгаль орчинд үзүүлэх нөлөө багатай утаа багатай

Систем нь тогтмол гүйдлийн автобусны хүчдэлийг байнга мэдэрч, тогтмол гүйдлийн автобусны хүчдэл хэрэглэгчийн тодорхойлсон тогтоосон цэгээс доош унавал чухал ачааллыг жигд хүлээн авдаг. Систем нь устөрөгчөөр ажилладаг бөгөөд үүнийг түлшний эсийн яндан руу хоёр аргын аль нэгээр нь нийлүүлдэг - үйлдвэрлэлийн устөрөгчийн эх үүсвэрээс эсвэл метанол ба усны шингэн түлшээс, нэгдсэн шинэчлэлтийн системийг ашиглан.

Түлшний эсийн яндангаар цахилгаан эрчим хүчийг шууд гүйдэл хэлбэрээр үйлдвэрлэдэг. Тогтмол гүйдлийн хүчийг хувиргагч руу шилжүүлдэг бөгөөд энэ нь түлшний эсийн яндангаас ирж буй зохицуулалтгүй тогтмол гүйдлийн хүчийг шаардлагатай ачаалалд зориулж өндөр чанарын зохицуулалттай тогтмол гүйдлийн хүч болгон хувиргадаг. Түлшний эсийн суурилуулалт нь зөвхөн устөрөгч эсвэл метанол/усны түлшний хэмжээгээр хязгаарлагддаг тул олон өдрийн нөөц эрчим хүчээр хангах боломжтой.

Түлшний эсүүд нь үйлдвэрлэлийн стандарт хавхлагын зохицуулалттай хар тугалга-хүчлийн батерейтай харьцуулахад эрчим хүчний дээд зэргийн хэмнэлт, системийн найдвартай байдлыг сайжруулж, цаг уурын янз бүрийн нөхцөлд илүү урьдчилан таамаглах боломжтой гүйцэтгэл, найдвартай ажиллагааны бат бөх чанарыг санал болгодог. Засвар үйлчилгээ, солих шаардлага мэдэгдэхүйц бага тул насан туршийн зардал нь мөн бага байдаг. Түлшний эсүүд нь эцсийн хэрэглэгчдэд байгаль орчинд ээлтэй үр өгөөжийг өгдөг тул хар тугалга-хүчлийн эсүүдтэй холбоотой устгах зардал, хариуцлагын эрсдэл улам бүр нэмэгдэж байна.

Цахилгаан батерейны гүйцэтгэлд цэнэгийн түвшин, температур, унадаг дугуй, ашиглалтын хугацаа болон бусад хувьсагч зэрэг олон хүчин зүйл сөргөөр нөлөөлдөг. Өгөгдсөн эрчим хүч нь эдгээр хүчин зүйлээс хамаарч өөр өөр байх бөгөөд урьдчилан таамаглахад тийм ч хялбар биш юм. Гүйцэтгэлийн шинж чанарПротон солилцооны мембран түлшний эсүүд (PEMFCs) нь эдгээр хүчин зүйлүүдэд харьцангуй өртдөггүй бөгөөд түлш байгаа тохиолдолд чухал хүчийг хангаж чаддаг. Урьдчилан таамаглах чадвар нэмэгдсэн чухал давуу талэрчим хүчний нөөцийн чухал хэрэглээнд түлшний эсүүд рүү шилжих үед.

Түлшний эсүүд нь хийн турбин үүсгүүртэй адил түлш нийлүүлэх үед л эрчим хүч үүсгэдэг боловч үйлдвэрлэх хэсэгт хөдөлгөөнт хэсгүүд байдаггүй. Тиймээс генератороос ялгаатай нь тэдгээр нь хурдан элэгдэлд ордоггүй бөгөөд байнгын засвар үйлчилгээ, тосолгооны материал шаарддаггүй.

Урт хугацааны түлшний хөрвүүлэгчийг ажиллуулахад ашигладаг түлш нь метанол ба усны түлшний холимог юм. Метанол нь өргөн олдоцтой, худалдаанд үйлдвэрлэгдсэн түлш бөгөөд одоогоор салхины шил угаагч, хуванцар лонх, хөдөлгүүрийн нэмэлт, эмульсийн будаг. Метанол нь зөөвөрлөхөд хялбар, устай холих боломжтой, биологийн задрал сайтай, хүхэр агуулаагүй. Энэ нь хөлдөх температур багатай (-71 ° C) бөгөөд удаан хугацаагаар хадгалахад задардаггүй.

Харилцаа холбооны сүлжээнд түлшний эс / эсийг ашиглах

Аюулгүй харилцаа холбооны сүлжээ нь эрчим хүчний сүлжээ байхгүй тохиолдолд онцгой байдлын үед хэдэн цаг эсвэл хэдэн өдрийн турш ажиллах найдвартай нөөц эрчим хүчний шийдлүүдийг шаарддаг.

Хөдөлгөөнт хэсэг нь цөөхөн, зогсолтын эрчим хүчний алдагдалгүй тул түлшний эсийн шинэлэг технологи нь одоогийн нөөц эрчим хүчний системд сонирхолтой шийдлийг санал болгодог.

Харилцаа холбооны сүлжээнд түлшний эсийн технологийг ашиглах хамгийн чухал үндэслэл бол ерөнхий найдвартай байдал, аюулгүй байдлыг нэмэгдүүлэх явдал юм. Цахилгааны тасалдал, газар хөдлөлт, шуурга, хар салхи зэрэг үйл явдлын үед температур болон нөөц эрчим хүчний системийн наснаас үл хамааран системүүд тасралтгүй ажиллаж, удаан хугацааны туршид найдвартай нөөц хүчээр хангах нь чухал юм.

Түлшний эсэд суурилсан цахилгаан төхөөрөмжүүдийн шугам нь ангилсан харилцаа холбооны сүлжээг дэмжихэд тохиромжтой. Эрчим хүчний хэмнэлттэй дизайны зарчмуудын ачаар тэд 250 Вт-аас 15 кВт хүртэлх эрчим хүчний хүрээнд ашиглахад уртасгасан (хэдэн өдөр хүртэл) байгаль орчинд ээлтэй, найдвартай нөөц хүчийг өгдөг.

Мэдээллийн сүлжээнд түлшний эс/эсийг ашиглах

Өндөр хурдны мэдээллийн сүлжээ, шилэн кабель зэрэг мэдээллийн сүлжээг найдвартай эрчим хүчээр хангах нь дэлхий даяар чухал ач холбогдолтой юм. Ийм сүлжээгээр дамжуулж буй мэдээлэл нь банк, агаарын тээврийн болон эрүүл мэндийн төв зэрэг байгууллагуудын хувьд чухал мэдээллийг агуулдаг. Ийм сүлжээнд цахилгаан тасрах нь дамжуулагдсан мэдээлэлд аюул учруулахаас гадна, дүрмээр бол санхүүгийн томоохон алдагдалд хүргэдэг. Нөөц эрчим хүчний хангамжийг хангадаг найдвартай, шинэлэг түлшний эсийн суурилуулалт нь тасралтгүй эрчим хүчний хангамжийг хангахад шаардлагатай найдвартай байдлыг хангадаг.

Метанол ба усны шингэн түлшний хольцоор ажилладаг түлшний эсийн нэгжүүд нь удаан хугацаагаар, хэдэн өдөр хүртэл найдвартай нөөц хүчийг өгдөг. Нэмж дурдахад, эдгээр нэгжүүд нь генератор, батерейтай харьцуулахад засвар үйлчилгээний шаардлагыг мэдэгдэхүйц бууруулж, жилд зөвхөн нэг удаа засвар үйлчилгээ хийх шаардлагатай болдог.

Мэдээллийн сүлжээнд түлшний эсийн суурилуулалтыг ашиглах ердийн хэрэглээний талбайн шинж чанарууд:

• 100 Вт-аас 15 кВт хүртэлх эрчим хүчний хэрэглээний хэрэглээ
• Зайны ашиглалтын хугацаа 4 цагаас дээш байх шаардлагатай програмууд
• Шилэн кабелийн систем дэх давтагч (синхрон тоон системийн шатлал, өндөр хурдны интернет, IP дээр дуу хоолой...)
• Өндөр хурдны өгөгдөл дамжуулах сүлжээний зангилаа
• WiMAX дамжуулах зангилаа

Түлшний эсийн тэжээлийн нөөц суурилуулалт нь уламжлалт батерей эсвэл дизель генераторуудтай харьцуулахад чухал ач холбогдолтой мэдээллийн сүлжээний дэд бүтцэд олон давуу талыг санал болгодог бөгөөд энэ нь газар дээр байрлуулах боломжийг нэмэгдүүлэх боломжийг олгодог:

1. Шингэн түлшний технологи нь устөрөгчийг байрлуулах асуудлыг шийдэж, бараг хязгааргүй нөөц хүчийг өгдөг.
2. Чимээгүй ажиллагаатай, бага жинтэй, температурын өөрчлөлтөд тэсвэртэй, бараг чичиргээгүй ажиллагаатай тул түлшний эсийг барилгын гадна, үйлдвэрийн барилга/чингэнд эсвэл дээвэр дээр суурилуулах боломжтой.
3. Системийг газар дээр нь ашиглах бэлтгэл ажил нь хурдан бөгөөд хэмнэлттэй, ашиглалтын зардал бага байдаг.
4. Энэ түлш нь био задралд ордог бөгөөд хотын орчинд байгаль орчинд ээлтэй шийдэл юм.

Түлшний эсүүд/эсүүдийг хамгаалалтын системд ашиглах

Барилгын аюулгүй байдал, харилцаа холбооны системүүдийг хамгийн нарийн зохион бүтээсэн нь зөвхөн тэдгээрийг дэмждэг цахилгаан хангамжтай адил найдвартай байдаг. Ихэнх системүүд нь богино хугацааны эрчим хүчний алдагдалд зориулж зарим төрлийн тасралтгүй эрчим хүчний нөөцийн системийг агуулдаг боловч байгалийн гамшиг эсвэл террорист халдлагын дараа үүсч болох урт хугацааны цахилгаан тасалдлыг зохицуулдаггүй. Энэ нь олон аж ахуйн нэгж, төрийн байгууллагуудын хувьд чухал асуудал байж болох юм.

CCTV (иргэний үнэмлэх уншигч, хаалга түгжих төхөөрөмж, биометрийн таних технологи гэх мэт) ашиглан хяналт, хандалтын хяналтын систем, автомат галын дохиололнайдвартай, өөр, удаан эдэлгээтэй цахилгаан хангамж байхгүй тохиолдолд гал унтраах систем, лифтийг удирдах систем, харилцаа холбооны сүлжээ эрсдэлд орно.

Дизель генераторууд нь маш их дуу чимээ гаргадаг, байршлыг тогтооход хэцүү, найдвартай байдал, засвар үйлчилгээний талаар сайн мэддэг асуудлуудтай байдаг. Үүний эсрэгээр, нөөц эрчим хүчээр хангадаг түлшний эсийн суурилуулалт нь чимээгүй, найдвартай, тэг эсвэл маш бага утаа ялгаруулдаг бөгөөд дээвэр дээр эсвэл барилгын гадна талд хялбархан суурилуулж болно. Энэ нь зогсолтын горимд цэнэггүй, цэнэгээ алдахгүй. Энэ нь байгууламжийн үйл ажиллагааг зогсоож, барилгыг чөлөөлсний дараа ч чухал системүүдийн тасралтгүй ажиллагааг баталгаажуулдаг.

Түлшний эсийн шинэлэг суурилуулалт нь чухал хэрэглээнд үнэтэй хөрөнгө оруулалтыг хамгаалдаг. Эдгээр нь байгаль орчинд ээлтэй, найдвартай нөөц хүчийг 250 Вт-аас 15 кВт хүртэл уртасгах хугацаатай (олон хоног хүртэл) хангаж, олон тооны хосгүй шинж чанарууд, ялангуяа эрчим хүчний өндөр хэмнэлттэй хослуулсан.

Түлшний эсийн тэжээлийн нөөц суурилуулалт нь уламжлалт батерейгаар ажилладаг эсвэл дизель генераторын хэрэглээтэй харьцуулахад аюулгүй байдал, барилгын хяналтын систем зэрэг чухал ач холбогдолтой хэрэглээнд ашиглахад олон давуу талтай. Шингэн түлшний технологи нь устөрөгчийг байрлуулах асуудлыг шийдэж, бараг хязгааргүй нөөц хүчийг өгдөг.

Хотын халаалт, эрчим хүч үйлдвэрлэхэд түлшний эсүүд / эсүүдийг ашиглах

Хатуу исэл түлшний эсүүд (SOFCs) нь найдвартай, эрчим хүчний хэмнэлттэй, утаа ялгаруулахгүй дулааны цахилгаан станцуудыг өргөнөөр ашиглах боломжтой байгалийн хий, сэргээгдэх түлшний эх үүсвэрээс цахилгаан, дулаан үйлдвэрлэх боломжийг олгодог. Эдгээр шинэлэг суурилуулалтыг гэрийн цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхээс эхлээд алсаас эрчим хүчний хангамж, түүнчлэн нэмэлт тэжээлийн хангамж хүртэл янз бүрийн зах зээлд ашигладаг.

Түгээх сүлжээнд түлшний эсүүд / эсүүдийг ашиглах

Бага оврын дулааны цахилгаан станцууд нь нэг төвлөрсөн цахилгаан станцын оронд олон тооны жижиг үүсгүүрийн иж бүрдэлээс бүрдсэн эрчим хүч үйлдвэрлэх түгээх сүлжээнд ажиллах зориулалттай.

Доорх зурагт цахилгаан эрчим хүчийг дулааны цахилгаан станцад үйлдвэрлэж, одоо ашиглагдаж байгаа уламжлалт цахилгаан дамжуулах сүлжээгээр дамжуулан айл өрхөд дамжуулах үед үр ашгийн алдагдлыг харуулав. Төвлөрсөн үйлдвэрлэлийн үр ашгийн алдагдалд цахилгаан станцын алдагдал, бага болон өндөр хүчдэлийн дамжуулалт, түгээлтийн алдагдал орно.

Зурагт жижиг дулааны цахилгаан станцуудыг нэгтгэсний үр дүнг харуулав: цахилгаан эрчим хүчийг ашиглалтын цэг дээр 60% хүртэл үйлдвэрлэх үр ашигтайгаар үйлдвэрлэдэг. Үүнээс гадна айл өрх түлшний эсээс үүссэн дулааныг ус, орон зайг халаахад ашиглах боломжтой бөгөөд энэ нь түлшний эрчим хүчний боловсруулалтын ерөнхий үр ашгийг нэмэгдүүлж, эрчим хүчний хэмнэлтийг нэмэгдүүлдэг.

Байгаль орчныг хамгаалахын тулд түлшний эсийг ашиглах - холбогдох нефтийн хийг ашиглах

Газрын тосны салбарын хамгийн чухал ажлуудын нэг бол холбогдох нефтийн хийг ашиглах явдал юм. Холбогдох нефтийн хийг ашиглах одоо байгаа аргууд нь маш олон сул талуудтай бөгөөд гол нь эдийн засгийн хувьд үр ашиггүй байдаг. Холбогдох нефтийн хий шатдаг бөгөөд энэ нь байгаль орчин, хүний ​​эрүүл мэндэд асар их хор хөнөөл учруулдаг.

Холбогдох нефтийн хийг түлш болгон ашигладаг түлшний эсийг ашигладаг шинэлэг дулааны цахилгаан станцууд нь холбогдох нефтийн хийг ашиглах асуудлыг эрс, хэмнэлттэй шийдвэрлэх замыг нээж байна.

1. Түлшний эсийн суурилуулалтын гол давуу талуудын нэг нь хувьсах найрлагатай холбогдох нефтийн хий дээр найдвартай, тогтвортой ажиллах чадвартай байдаг. Түлшний эсийн үйл ажиллагааны үндэс болох галгүй химийн урвалын улмаас, жишээлбэл, метаны хувь буурах нь зөвхөн эрчим хүчний гарцыг бууруулахад хүргэдэг.
2. Хэрэглэгчдийн цахилгаан ачаалал, уналт, ачааллын өсөлттэй холбоотой уян хатан байдал.
3. Дулааны цахилгаан станцыг түлшний эсүүд дээр суурилуулах, холбохын тулд тэдгээрийг хэрэгжүүлэхэд хөрөнгийн зардал шаардагдахгүй, учир нь Энэ нэгжийг талбайн ойролцоох бэлтгэлгүй газруудад хялбархан суулгаж болно, ашиглахад хялбар, найдвартай, үр ашигтай.
4. Өндөр автоматжуулалт, орчин үеийн алсын удирдлага нь суурилуулалтанд байнгын ажилчдыг шаарддаггүй.
5. Загварын энгийн байдал, техникийн төгс байдал: хөдөлгөөнт эд анги, үрэлт, тосолгооны систем байхгүй нь түлшний эсийн суурилуулалтаас ихээхэн хэмжээний эдийн засгийн үр ашгийг өгдөг.
6. Усны хэрэглээ: орчны температур +30 ° C хүртэл байхгүй, өндөр температурт үл тоомсорлодог.
7. Усны гарц: байхгүй.
8. Түүнчлэн түлшний эсийг ашигладаг дулааны цахилгаан станцууд нь дуу чимээ гаргахгүй, чичиргээгүй, агаар мандалд хортой ялгаруулалт үүсгэхгүй

Түлшний эс нь химийн урвалаар устөрөгч, хүчилтөрөгчийг цахилгаан болгон хувиргадаг цахилгаан химийн энерги хувиргах төхөөрөмж юм. Энэ үйл явцын үр дүнд ус үүсч, их хэмжээний дулаан ялгардаг. Түлшний эс нь цэнэглэж, дараа нь хуримтлагдсан цахилгаан эрчим хүчийг ашиглах боломжтой зайтай маш төстэй юм.
Уильям Р.Гроувыг түлшний эсийг зохион бүтээгч гэж үздэг бөгөөд түүнийг 1839 онд анх зохион бүтээжээ. Энэхүү түлшний үүрэнд хүхрийн хүчлийн уусмалыг электролит болгон, устөрөгчийг түлш болгон ашиглаж, хүчилтөрөгчтэй нийлүүлж байжээ. исэлдүүлэгч бодис. Саяхныг хүртэл түлшний эсийг зөвхөн лаборатори болон сансрын хөлөгт ашигладаг байсныг тэмдэглэх нь зүйтэй.
Ирээдүйд түлшний эсүүд нь бусад олон эрчим хүч хувиргах системүүд (цахилгаан станцуудын хийн турбинууд орно), автомашины дотоод шаталтат хөдөлгүүр, зөөврийн төхөөрөмжийн цахилгаан батерейтай өрсөлдөх боломжтой болно. Дотоод шаталтат хөдөлгүүр нь түлшийг шатааж, шаталтын хийн тэлэлтээс үүссэн даралтыг механик ажил гүйцэтгэхэд ашигладаг. Батерей нь цахилгаан энергийг хуримтлуулж, дараа нь химийн энерги болгон хувиргадаг бөгөөд шаардлагатай бол дахин цахилгаан энерги болгон хувиргадаг. Түлшний эсүүд нь маш үр дүнтэй байдаг. 1824 онд Францын эрдэмтэн Карно дотоод шаталтат хөдөлгүүрийн шахалтын өргөтгөлийн циклүүд нь дулааны энергийг (энэ нь түлш шатаах химийн энерги) 50% -иас дээш механик энерги болгон хувиргах үр ашгийг хангаж чадахгүй гэдгийг нотолсон. Түлшний эс нь хөдөлгөөнт хэсгүүдгүй (ядаж дотор нь биш) тул тэд Карногийн хуулийг дагаж мөрддөггүй. Мэдээжийн хэрэг, тэдгээр нь 50% -иас дээш үр ашигтай байх бөгөөд ялангуяа бага ачаалалтай үед үр дүнтэй байдаг. Иймээс түлшний эсүүдтэй автомашинууд бодит жолоодлогын нөхцөлд ердийн тээврийн хэрэгслээс илүү түлш хэмнэлттэй болох төлөвтэй байна (мөн аль хэдийн батлагдсан).
Түлшний эс нь тогтмол хүчдэлийн цахилгаан гүйдэл үүсгэдэг бөгөөд энэ нь тээврийн хэрэгслийн цахилгаан мотор, гэрэлтүүлэг болон бусад цахилгаан системийг жолоодоход ашиглаж болно. Ашигласан химийн процессоосоо ялгаатай хэд хэдэн төрлийн түлшний эсүүд байдаг. Түлшний эсийг ихэвчлэн ашигладаг электролитийн төрлөөр нь ангилдаг. Зарим төрлийн түлшний эсүүд нь цахилгаан станцыг хөдөлгөхөд таатай байдаг бол зарим нь зөөврийн жижиг төхөөрөмж эсвэл машиныг тэжээхэд ашигтай байж болно.
Шүлтлэг түлшний эс нь хамгийн анхны бүтээгдсэн эсийн нэг юм. Тэдгээрийг 1960-аад оноос хойш АНУ-ын сансрын хөтөлбөрт ашиглаж ирсэн. Ийм түлшний эсүүд нь бохирдолд маш мэдрэмтгий байдаг тул маш цэвэр устөрөгч, хүчилтөрөгч шаарддаг. Тэд бас маш үнэтэй тул ийм төрлийн түлшний эсийг автомашинд өргөнөөр ашиглахгүй байх магадлалтай.
Фосфорын хүчилд суурилсан түлшний эсүүд нь суурин бага чадалтай суурилуулалтанд хэрэглэгдэх боломжтой. Тэд нэлээд өндөр температурт ажилладаг тул халаахад удаан хугацаа шаардагддаг бөгөөд энэ нь машинд ашиглахад үр дүнгүй болгодог.
Хатуу исэл түлшний эсүүд нь үйлдвэр эсвэл олон нийтийн эрчим хүчийг хангах боломжтой том суурин цахилгаан үүсгүүрт илүү тохиромжтой. Энэ төрлийн түлшний эс нь маш өндөр температурт (ойролцоогоор 1000 ° C) ажилладаг. Ашиглалтын өндөр температур нь тодорхой асуудлуудыг үүсгэдэг боловч нөгөө талаас давуу талтай байдаг - түлшний эсээс гаргаж авсан уурыг турбин руу илгээж илүү их цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх боломжтой. Ерөнхийдөө энэ нь системийн ерөнхий үр ашгийг дээшлүүлдэг.
Хамгийн ирээдүйтэй системүүдийн нэг бол протон солилцооны мембран түлшний эс (PEMFC - Protone Exchange Membrane Fuel Cell) юм. Одоогийн байдлаар энэ төрлийн түлшний эсүүд нь автомашин, автобус болон бусад тээврийн хэрэгслийг тэжээж чаддаг тул хамгийн ирээдүйтэй юм.

Түлшний эс дэх химийн процессууд

Түлшний эсүүд нь устөрөгчийг агаараас гаргаж авсан хүчилтөрөгчтэй нэгтгэх цахилгаан химийн процессыг ашигладаг. Шиг батерейнуудТүлшний эсүүд нь электролит (цахилгаан дамжуулагч орчин) дахь электродыг (хатуу цахилгаан дамжуулагч) ашигладаг. Устөрөгчийн молекулууд сөрөг электрод (анод) -тай холбоо барих үед сүүлийнх нь протон ба электронуудад хуваагдана. Протонууд нь протон солилцооны мембранаар (POEM) дамжин түлшний эсийн эерэг электрод (катод) руу дамждаг бөгөөд цахилгаан үүсгэдэг. Устөрөгч ба хүчилтөрөгчийн молекулуудын химийн нэгдэл нь энэхүү урвалын дайвар бүтээгдэхүүн болох ус үүсгэдэг. Түлшний эсээс ялгарах цорын ганц төрөл бол усны уур юм.
Түлшний эсээс гаргаж авсан цахилгааныг тээврийн хэрэгслийн цахилгаан тэжээлд (цахилгаан гүйдлийн хувиргагч ба хувьсах гүйдлийн индукцийн мотороос бүрддэг) ашиглаж, машиныг хөдөлгөх механик энергийг хангах боломжтой. Цахилгаан хувиргагчийн ажил нь түлшний эсүүдээс үүссэн шууд гүйдлийг тээврийн хэрэгслийн зүтгүүрийн моторыг ажиллуулдаг ээлжит гүйдэл болгон хувиргах явдал юм.

Протон солилцооны мембран бүхий түлшний эсийн диаграмм:
1 - анод;
2 - протон солилцооны мембран (PEM);
3 - катализатор (улаан);
4 - катод

Протон солилцооны мембран түлшний эс (PEMFC) нь аливаа түлшний эсийн хамгийн энгийн урвалуудын нэгийг ашигладаг.

Нэг эсийн түлшний эс

Түлшний эс хэрхэн ажилладагийг харцгаая. Түлшний эсийн сөрөг терминал болох анод нь устөрөгчийн молекулуудаас чөлөөлөгдсөн электронуудыг дамжуулж, тэдгээрийг гадаад цахилгаан хэлхээнд ашиглах боломжтой болгодог. Үүнийг хийхийн тулд суваг сийлбэрлэж, катализаторын бүх гадаргуу дээр устөрөгчийг жигд хуваарилдаг. Катод (түлшний эсийн эерэг туйл) нь катализаторын гадаргуу дээр хүчилтөрөгчийг түгээдэг сийлбэртэй сувагтай. Мөн гаднах гогцооноос (хэлхээ) электронуудыг буцааж катализатор руу дамжуулж, устөрөгчийн ион, хүчилтөрөгчтэй нэгдэж ус үүсгэдэг. Электролит нь протон солилцооны мембран юм. Энэ нь энгийн хуванцартай төстэй, гэхдээ эерэг цэнэгтэй ионуудыг нэвтрүүлэх чадвартай, электрон дамжуулалтыг хаадаг тусгай материал юм.
Катализатор нь хүчилтөрөгч ба устөрөгчийн хоорондох урвалыг хөнгөвчлөх тусгай материал юм. Катализаторыг ихэвчлэн нүүрстөрөгчийн цаас эсвэл даавуунд маш нимгэн давхаргаар түрхсэн цагаан алтны нунтагаар хийдэг. Катализатор нь барзгар, сүвэрхэг байх ёстой бөгөөд ингэснээр гадаргуу нь устөрөгч, хүчилтөрөгчтэй хамгийн их харьцах боломжтой. Катализаторын цагаан алтаар бүрсэн тал нь протон солилцооны мембраны (PEM) урд байрладаг.
Устөрөгчийн хий (H2) нь анодын даралтын дор түлшний элементэд нийлүүлдэг. H2 молекул нь катализатор дээр цагаан алттай хүрэлцэх үед хоёр ион (H+) ба хоёр электрон (e-) гэсэн хоёр хэсэгт хуваагддаг. Электронууд нь анодоор дамждаг бөгөөд тэдгээр нь ашигтай ажил хийж (цахилгаан мотор жолоодох гэх мэт) гаднах гогцоо (хэлхээ) дамжин өнгөрч, түлшний эсийн катодын тал руу буцаж ирдэг.
Үүний зэрэгцээ түлшний эсийн катодын тал дээр хүчилтөрөгчийн хий (O 2) катализатороор дамждаг бөгөөд энэ нь хоёр хүчилтөрөгчийн атом үүсгэдэг. Эдгээр атом тус бүр нь хүчтэй сөрөг цэнэгтэй бөгөөд энэ нь мембранаар дамжин хоёр H+ ионыг татах ба тэнд хүчилтөрөгчийн атом болон гадна хэлхээний хоёр электронтой нийлж усны молекул (H 2 O) үүсгэдэг.
Нэг түлшний эс дэх энэхүү урвал нь ойролцоогоор 0.7 Вт хүчийг үүсгэдэг. Эрчим хүчийг шаардлагатай түвшинд хүргэхийн тулд олон бие даасан түлшний эсийг нэгтгэж, түлшний эсийн яндан үүсгэх шаардлагатай.
POM түлшний эсүүд нь харьцангуй бага температурт (ойролцоогоор 80 ° C) ажилладаг бөгөөд энэ нь тэдгээрийг ажлын температурт хурдан хүргэх боломжтой бөгөөд үнэтэй хөргөлтийн систем шаарддаггүй. Эдгээр эсүүдэд ашигласан технологи, материалыг тасралтгүй сайжруулснаар автомашины их биений багахан хэсгийг эзэлдэг ийм түлшний эсийн батарей нь машин жолоодоход шаардлагатай эрчим хүчийг хангаж чадах хэмжээнд хүртэл хүчийг нь ойртуулж байна.
Сүүлийн жилүүдэд дэлхийн тэргүүлэгч автомашин үйлдвэрлэгчдийн ихэнх нь түлшний эсийг ашигладаг тээврийн хэрэгслийн загварыг боловсруулахад ихээхэн хөрөнгө оруулалт хийж байна. Хэдийгээр нэлээд үнэтэй байсан ч хангалттай хүч чадал, гүйцэтгэлийн шинж чанар бүхий түлшний эсийн тээврийн хэрэгслийг олон хүн аль хэдийн харуулсан.
Ийм машинуудын дизайныг сайжруулах ажил маш эрчимтэй явагдаж байна.

Түлшний эсийн тээврийн хэрэгсэл нь тээврийн хэрэгслийн шалны доор байрлах цахилгаан станцыг ашигладаг

NECAR V нь Мерседес Бензийн А ангиллын автомашин дээр суурилж, бүхэл бүтэн цахилгаан станц, түлшний эсүүд нь машины шалан доор байрладаг. Энэхүү дизайны шийдэл нь машинд дөрвөн зорчигч, ачаа тээшийг багтаах боломжтой болгодог. Энд устөрөгч биш, харин метанолыг машины түлш болгон ашигладаг. Метанол нь шинэчлэгч (метанолыг устөрөгч болгон хувиргадаг төхөөрөмж) ашиглан түлшний эсийг тэжээхэд шаардлагатай устөрөгч болж хувирдаг. Автомашины тавцан дээр шинэчлэгчийг ашиглах нь бараг бүх нүүрсустөрөгчийг түлш болгон ашиглах боломжийг олгодог бөгөөд энэ нь одоо байгаа шатахуун түгээх станцын сүлжээг ашиглан түлшний эсийн машиныг цэнэглэх боломжийг олгодог. Онолын хувьд түлшний эсүүд нь цахилгаан, уснаас өөр зүйл үүсгэдэггүй. Түлш (бензин эсвэл метанол) -ийг түлшний эсэд шаардагдах устөрөгч болгон хувиргах нь ийм машины байгаль орчны сэтгэл татам байдлыг бага зэрэг бууруулдаг.
1989 оноос хойш түлшний эсийн үйлдвэрлэлд оролцож байгаа Хонда 2003 онд Баллард мембран төрлийн протон солилцооны түлшний эсүүд бүхий Honda FCX-V4 автомашины жижиг хэсгийг үйлдвэрлэсэн. Эдгээр түлшний эсүүд нь 78 кВт цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэдэг ба жолоодлогын дугуйг жолоодоход 60 кВт чадал, 272 Нм эргүүлэх хүч бүхий зүтгүүрийн цахилгаан моторыг ашигладаг.Түлшний эсийн машин нь уламжлалт машинтай харьцуулахад ойролцоогоор жинтэй байдаг. 40% бага, энэ нь маш сайн динамиктай бөгөөд шахсан устөрөгчийн нийлүүлэлт нь 355 км хүртэл гүйх боломжийг олгодог.

Honda FCX нь түлшний эсээс үүссэн цахилгаан эрчим хүчийг жолоодоход ашигладаг.
Honda FCX бол АНУ-д засгийн газрын гэрчилгээ авсан дэлхийн анхны түлшний эсийн машин юм. Энэхүү машин нь ZEV - Zero Emission Vehicle стандартын дагуу гэрчилгээжсэн. Хонда одоохондоо эдгээр машиныг зарахгүй байгаа ч нэг ширхэгийг 30 орчим машин лизингээр авч байна. Устөрөгчөөр цэнэглэх дэд бүтэц аль хэдийн бий болсон Калифорни, Токио.

General Motors-ын Hy Wire концепцийн машин нь түлшний эсийн цахилгаан дамжуулагчтай

Женерал Моторс түлшний эсийн автомашиныг хөгжүүлэх, бүтээх талаар өргөн хүрээтэй судалгаа хийж байна.

Hy Wire машины явах эд анги

GM Hy Wire концепц машинд 26 патент олгосон. Машины үндэс нь 150 мм зузаантай функциональ платформ юм. Платформ дотор устөрөгчийн цилиндр, түлшний эсийн цахилгаан станц, тээврийн хэрэгслийн хяналтын системийг ашигладаг Хамгийн сүүлийн үеийн технологиудутсаар цахим хяналт. Hy Wire автомашины явах эд анги нь устөрөгчийн сав, түлшний эс, батерей, цахилгаан мотор, удирдлагын систем зэрэг тээврийн хэрэгслийн бүтцийн бүх үндсэн элементүүдийг агуулсан нимгэн тавцан юм. Дизайн дахь ийм арга барил нь ашиглалтын явцад машины их биеийг өөрчлөх боломжийг бүрдүүлдэг.Түүнчлэн тус компани Opel түлшний элементийн автомашины прототипийг туршиж, түлшний эс үйлдвэрлэх үйлдвэрийн зураг төслийг боловсруулж байна.

"Аюулгүй" шингэрүүлсэн устөрөгчийн түлшний савны дизайн:
1 - дүүргэх төхөөрөмж;
2 - гадаад сав;
3 - дэмжлэг;
4 - түвшний мэдрэгч;
5 - дотоод сав;
6 - дүүргэх шугам;
7 - тусгаарлагч ба вакуум;
8 - халаагч;
9 - угсрах хайрцаг

BMW компани устөрөгчийг автомашины түлш болгон ашиглах асуудалд ихээхэн анхаарал хандуулдаг. Шингэрүүлсэн устөрөгчийг ашиглах чиглэлээр хийсэн ажлаараа алдартай Магна Стейертэй хамт сансрын судалгаа BMW компани автомашинд ашиглах шингэрүүлсэн устөрөгчийн түлшний сав бүтээжээ.

Шингэн устөрөгчийн түлшний сав ашиглах аюулгүй байдлыг туршилтаар баталсан

Тус компани стандарт аргыг ашиглан бүтцийн аюулгүй байдлын хэд хэдэн туршилтыг хийж, найдвартай байдлыг нь баталгаажуулсан.
2002 онд Майн дахь Франкфурт (Герман) хотод болсон автомашины үзэсгэлэн дээр шингэрүүлсэн устөрөгчийг түлш болгон ашигладаг Mini Cooper Hydrogen-ийг үзүүлжээ. Энэ машины түлшний сав нь ердийн хийн савтай ижил зай эзэлдэг. Энэ машин дахь устөрөгчийг түлшний эсэд ашигладаггүй, харин дотоод шаталтат хөдөлгүүрт түлш болгон ашигладаг.

Батерейны оронд түлшний элемент бүхий дэлхийн анхны үйлдвэрлэлийн машин

2003 онд BMW анхны түлшний элемент бүхий BMW 750 hL автомашин үйлдвэрлэж байгаагаа зарлав. Уламжлалт батерейны оронд түлшний эсийн зайг ашигладаг. Энэхүү машин нь устөрөгчөөр ажилладаг 12 цилиндртэй дотоод шаталтат хөдөлгүүртэй бөгөөд түлшний эс нь ердийн батерейг орлох үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд хөдөлгүүр нь ажиллахгүй удаан хугацаагаар зогсоолд байх үед агааржуулагч болон бусад цахилгаан хэрэглэгчдэд ажиллах боломжийг олгодог.

Устөрөгчийн дүүргэлтийг робот гүйцэтгэдэг бөгөөд жолооч энэ үйл явцад оролцдоггүй

Үүнтэй ижил BMW компани автомашиныг шингэрүүлсэн устөрөгчөөр хурдан, аюулгүй цэнэглэх зориулалттай робот цэнэглэгчийг зохион бүтээжээ.
Сүүлийн жилүүдэд альтернатив түлш, өөр эрчим хүч ашиглан машин бүтээхэд чиглэсэн олон тооны бүтээн байгуулалтууд гарч ирсэн нь өнгөрсөн зуунд автомашинд ноёрхсон дотоод шаталтат хөдөлгүүрүүд эцэстээ илүү цэвэр, илүү үр ашигтай, чимээгүй загварт шилжих болно гэдгийг харуулж байна. Тэдний өргөн тархалт нь одоогоор техникийн бус, харин эдийн засаг, нийгмийн асуудлаас болж хязгаарлагдаж байна. Тэдгээрийг өргөнөөр ашиглахын тулд өөр түлш үйлдвэрлэх, шинэ шатахуун түгээх станцуудыг бий болгох, түгээх, сэтгэл зүйн олон саад бэрхшээлийг даван туулах тодорхой дэд бүтцийг бий болгох шаардлагатай байна. Устөрөгчийг тээврийн хэрэгслийн түлш болгон ашиглахын тулд аюулгүй байдлын ноцтой арга хэмжээнүүдийг авч хадгалах, хүргэх, түгээх асуудлыг шийдвэрлэх шаардлагатай болно.
Устөрөгчийг онолын хувьд хязгааргүй хэмжээгээр авах боломжтой боловч түүний үйлдвэрлэл нь маш их эрчим хүч шаарддаг. Үүнээс гадна автомашиныг устөрөгчийн түлшээр ажилладаг болгохын тулд эрчим хүчний системд хоёр том өөрчлөлт хийх шаардлагатай: эхлээд бензинээс метанол руу, дараа нь тодорхой хугацааны дараа устөрөгч рүү шилжих хэрэгтэй. Энэ асуудал шийдэгдэх хүртэл нэлээд хугацаа өнгөрнө.

1-р хэсэг

Энэ нийтлэлд түлшний эсийн үйл ажиллагааны зарчим, тэдгээрийн дизайн, ангилал, давуу болон сул талууд, хэрэглээний хамрах хүрээ, үр ашиг, үүссэн түүх, ашиглалтын орчин үеийн хэтийн төлөвийг нарийвчлан авч үзэх болно. Өгүүллийн хоёрдугаар хэсэгт ABOK сэтгүүлийн дараагийн дугаарт хэвлэгдэх бөгөөд энэ нь янз бүрийн төрлийн түлшний эсийг дулаан, эрчим хүчний хангамжийн эх үүсвэр болгон ашиглаж байсан байгууламжуудын жишээг өгдөг (эсвэл зөвхөн цахилгаан хангамж).

Оршил

Түлшний эсүүд нь эрчим хүч үйлдвэрлэх маш үр ашигтай, найдвартай, удаан эдэлгээтэй, байгаль орчинд ээлтэй арга юм.

Анх зөвхөн сансрын салбарт хэрэглэгдэж байсан түлшний эсийг суурин цахилгаан станц, барилга байгууламжийн дулаан, цахилгааны бие даасан эх үүсвэр, тээврийн хэрэгслийн хөдөлгүүр, зөөврийн компьютер, гар утасны тэжээлийн эх үүсвэр гэх мэт төрөл бүрийн салбарт улам бүр ашиглаж байна. Эдгээр төхөөрөмжүүдийн зарим нь лабораторийн прототип, зарим нь үйлдвэрлэлийн өмнөх туршилтанд хамрагдаж байгаа эсвэл үзүүлэх зорилгоор ашиглагддаг боловч олон загварыг олноор үйлдвэрлэж, арилжааны төслүүдэд ашигладаг.

Түлшний эс (цахилгаан химийн генератор) нь түлшний (устөрөгч) химийн энергийг цахилгаан химийн урвалын явцад шууд цахилгаан энерги болгон хувиргадаг төхөөрөмж юм. уламжлалт технологи, энэ нь хатуу, шингэн болон шаталтыг хамардаг хийн түлш. Түлшний шууд цахилгаан химийн хувиргалт нь байгаль орчны үүднээс маш үр дүнтэй бөгөөд сонирхол татахуйц байдаг, учир нь үйл ажиллагааны процесс нь хамгийн бага хэмжээний бохирдуулагч бодис үүсгэдэг бөгөөд хүчтэй дуу чимээ, чичиргээ байхгүй.

Практик талаас нь авч үзвэл түлшний эс нь ердийн вольт батерейтай төстэй юм. Үүний ялгаа нь батерейг анх цэнэглэдэг, өөрөөр хэлбэл "түлш" -ээр дүүргэдэг. Ашиглалтын явцад "түлш" зарцуулагдаж, зай цэнэггүй болно. Батерейгаас ялгаатай нь түлшний эс нь цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхийн тулд гадны эх үүсвэрээс нийлүүлсэн түлшийг ашигладаг (Зураг 1).

Цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхийн тулд зөвхөн цэвэр устөрөгч төдийгүй устөрөгч агуулсан бусад түүхий эд, жишээлбэл, байгалийн хий, аммиак, метанол эсвэл бензинийг ашиглаж болно. Энгийн агаарыг хүчилтөрөгчийн эх үүсвэр болгон ашигладаг бөгөөд энэ нь урвалд шаардлагатай байдаг.

Цэвэр устөрөгчийг түлш болгон ашиглах үед урвалын бүтээгдэхүүн нь цахилгаан эрчим хүчээс гадна дулаан, ус (эсвэл усны уур), өөрөөр хэлбэл агаарын бохирдлыг үүсгэдэг эсвэл хүлэмжийн үр нөлөөг үүсгэдэг хий нь агаар мандалд ялгардаггүй. Хэрэв байгалийн хий зэрэг устөрөгч агуулсан түүхий эдийг түлш болгон ашигладаг бол нүүрстөрөгч, азотын исэл зэрэг бусад хий нь урвалын дайвар бүтээгдэхүүн болох боловч хэмжээ нь ижил хэмжээний байгалийн хий шатаах үеийнхээс хамаагүй бага байна. хий.

Устөрөгчийг үйлдвэрлэхийн тулд түлшийг химийн аргаар хувиргах процессыг реформ гэж нэрлэдэг бөгөөд түүнд тохирох төхөөрөмжийг шинэчлэгч гэж нэрлэдэг.

Түлшний эсийн давуу болон сул талууд

Түлшний эсүүд нь дотоод шаталтат хөдөлгүүрээс илүү эрчим хүчний хэмнэлттэй байдаг, учир нь түлшний эсийн термодинамик эрчим хүчний үр ашгийн хязгаарлалт байхгүй. Түлшний эсийн үр ашиг 50%, дотоод шаталтат хөдөлгүүрийн үр ашиг 12-15%, уурын турбин цахилгаан станцын үр ашиг 40% -иас хэтрэхгүй байна. Дулаан, ус ашигласнаар түлшний эсийн үр ашиг улам нэмэгддэг.

Жишээлбэл, дотоод шаталтат хөдөлгүүрээс ялгаатай нь түлшний эсийн үр ашиг нь бүрэн хүчин чадлаараа ажиллахгүй байсан ч маш өндөр хэвээр байна. Нэмж дурдахад, түлшний эсийн хүчийг бие даасан нэгжийг нэмэх замаар нэмэгдүүлэх боломжтой бөгөөд үр ашиг нь өөрчлөгддөггүй, өөрөөр хэлбэл том суурилуулалт нь жижиг хэмжээтэй адил үр дүнтэй байдаг. Эдгээр нөхцөл байдал нь хэрэглэгчийн хүсэлд нийцүүлэн тоног төхөөрөмжийн найрлагыг уян хатан байдлаар сонгох боломжийг олгодог бөгөөд эцэст нь тоног төхөөрөмжийн зардлыг бууруулахад хүргэдэг.

Түлшний эсийн чухал давуу тал нь байгаль орчинд ээлтэй байдал юм. Түлшний эсийн ялгаруулалт маш бага тул АНУ-ын зарим бүс нутагт тэдгээрийн үйл ажиллагаа нь засгийн газрын агаарын чанарын зохицуулагчдаас тусгай зөвшөөрөл шаарддаггүй.

Түлшний эсийг барилгад шууд байрлуулж, эрчим хүчний тээвэрлэлтийн явцад алдагдлыг бууруулж, урвалын үр дүнд үүссэн дулааныг дулаан эсвэл халуун усаар хангахад ашиглаж болно. Дулаан, цахилгааны бие даасан эх үүсвэрүүд нь алслагдсан бүс нутаг, цахилгаан эрчим хүчний хомсдол, өндөр өртөгтэй бүс нутагт маш их ашиг тустай байж болох ч устөрөгч агуулсан түүхий эд (газрын тос, байгалийн хий) нөөцтэй байдаг.

Түлшний эсийн давуу тал нь түлшний бэлэн байдал, найдвартай байдал (түлшний эсэд хөдөлгөөнт хэсэг байхгүй), удаан эдэлгээтэй, ажиллахад хялбар байдал юм.

Өнөөдөр түлшний эсийн гол сул талуудын нэг нь харьцангуй өндөр өртөгтэй боловч энэ сул талыг удахгүй арилгах боломжтой - улам олон компани түлшний эсийн арилжааны дээжийг үйлдвэрлэж, тэдгээрийг байнга сайжруулж, өртөг нь буурч байна.

Цэвэр устөрөгчийг түлш болгон ашиглах нь хамгийн үр дүнтэй арга боловч үүнийг үйлдвэрлэх, тээвэрлэх тусгай дэд бүтцийг бий болгох шаардлагатай болно. Одоогийн байдлаар бүх арилжааны загварууд нь байгалийн хий болон ижил төстэй түлш хэрэглэдэг. Моторт тээврийн хэрэгсэл нь ердийн бензин ашиглах боломжтой бөгөөд энэ нь одоо байгаа шатахуун түгээх станцуудын сүлжээг хадгалах боломжийг олгоно. Гэсэн хэдий ч ийм түлшний хэрэглээ нь агаар мандалд хортой ялгаруулалтыг (маш бага ч гэсэн) хүргэж, түлшний эсийг хүндрүүлдэг (тиймээс өртөгийг нэмэгдүүлдэг). Ирээдүйд байгаль орчинд ээлтэй сэргээгдэх эрчим хүчний эх үүсвэрийг ашиглах боломж (жишээлбэл, нарны эрчим хүчэсвэл салхины эрчим хүч) электролиз ашиглан усыг устөрөгч ба хүчилтөрөгч болгон задалж, улмаар үүссэн түлшийг түлшний эсэд хувиргана. Хаалттай горимд ажилладаг ийм хосолсон үйлдвэрүүд нь байгаль орчинд ээлтэй, найдвартай, бат бөх, үр ашигтай эрчим хүчний эх үүсвэр болж чадна.

Түлшний эсийн өөр нэг онцлог нь цахилгаан болон дулааны энергийг нэгэн зэрэг ашиглахад хамгийн үр ашигтай байдаг. Гэхдээ дулааны эрчим хүчийг ашиглах боломж байгууламж болгонд байдаггүй. Хэрэв түлшний эсийг зөвхөн цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхэд ашигладаг бол "уламжлалт" суурилуулалтын үр ашгаас давсан ч үр ашиг нь буурдаг.

Түлшний эсийн түүх ба орчин үеийн хэрэглээ

Түлшний эсийн ажиллах зарчмыг 1839 онд нээсэн. Английн эрдэмтэн Уильям Роберт Гроув (1811-1896) электролизийн үйл явц буюу цахилгаан гүйдлээр усыг устөрөгч ба хүчилтөрөгч болгон задлах процесс нь буцаах боломжтой, өөрөөр хэлбэл устөрөгч ба хүчилтөрөгчийг шатаахгүйгээр усны молекул болгон нэгтгэж болно гэдгийг олж мэдэв. дулаан ба цахилгаан гүйдлийн . Гроув ийм хариу үйлдэл үзүүлэх боломжтой төхөөрөмжийг анхны түлшний эс болох "хийн батерей" гэж нэрлэсэн.

Түлшний эсийг ашиглах технологийг идэвхтэй хөгжүүлэх нь Дэлхийн 2-р дайны дараа эхэлсэн бөгөөд энэ нь сансрын салбартай холбоотой юм. Энэ үед үр дүнтэй, найдвартай, гэхдээ тэр үед нэлээд авсаархан, эрчим хүчний эх үүсвэр хайж байсан. 1960-аад онд НАСА (Үндэсний Аэронавтик, Сансрын Удирдлагын Газар, НАСА) мэргэжилтнүүд Аполло (Сар руу нисдэг хүн), Аполло-Союз, Gemini, Skylab хөтөлбөрүүдийн сансрын хөлгүүдийн тэжээлийн эх үүсвэр болгон түлшний эсийг сонгосон. Аполло сансрын хөлөг нь цахилгаан, дулаан, ус үйлдвэрлэхийн тулд криоген устөрөгч, хүчилтөрөгч ашиглан 1.5 кВт (2.2 кВт оргил) гурван станц ашигласан. Суурилуулалт бүрийн жин 113 кг байв. Эдгээр гурван эс зэрэгцэн ажиллаж байсан боловч нэг нэгжээс үүссэн энерги нь аюулгүй буцаж ирэхэд хангалттай байв. 18 нислэгийн хугацаанд түлшний эсүүд нийт 10,000 цагийн турш ямар ч доголдолгүй ажилласан. Түлшний эсийг одоогоор сансрын хөлөгт ашиглаж байна дахин ашиглах боломжтойСансрын хөлөг дээрх бүх цахилгаан энергийг үүсгэдэг 12 Вт-ын гурван суурилуулалтыг ашигладаг "Space Shuttle" (Зураг 2). Цахилгаан химийн урвалын үр дүнд олж авсан усыг ундны ус болон хөргөх төхөөрөмжид ашигладаг.

Манай улсад сансрын нисгэхэд ашиглах түлшний эсийг бий болгох ажил хийгдсэн. Жишээлбэл, түлшний эсийг Зөвлөлтийн дахин ашиглах боломжтой "Буран" сансрын хөлгийг тэжээхэд ашигласан.

Түлшний эсийг арилжааны зориулалтаар ашиглах аргыг боловсруулах ажил 1960-аад оны дунд үеэс эхэлсэн. Эдгээр бүтээн байгуулалтыг төрийн байгууллагууд хэсэгчлэн санхүүжүүлсэн.

Одоогийн байдлаар түлшний эсийг ашиглах технологийг хөгжүүлэх ажил хэд хэдэн чиглэлээр явагдаж байна. Энэ нь түлшний эсүүд дээр суурин цахилгаан станцууд (төвлөрсөн болон төвлөрсөн бус эрчим хүчний хангамжийн аль алинд нь), тээврийн хэрэгслийн цахилгаан станцууд (түлшний эсүүд дээр автомашин, автобусны дээжийг бий болгосон, түүний дотор манай улсад) (Зураг 3), болон мөн янз бүрийн хөдөлгөөнт төхөөрөмжүүдийн тэжээлийн хангамж (зөөврийн компьютер, гар утас гэх мэт) (Зураг 4).

Түлшний эсийг ашиглах жишээ янз бүрийн бүс нутагхүснэгтэд өгсөн болно. 1.

Барилга байгууламжийг бие даасан дулаан, эрчим хүчээр хангах зориулалттай анхны арилжааны түлшний эсийн загваруудын нэг бол ONSI корпорацийн (одоо United Technologies, Inc.) үйлдвэрлэсэн PC25 Model A юм. 200 кВт-ын хүчин чадалтай энэхүү түлшний эс нь фосфорын хүчил (Фосфорын хүчлийн түлшний эсүүд, PAFC) дээр суурилсан электролит бүхий эсийн төрөл юм. Загварын нэр дэх “25” тоо нь загварын серийн дугаарыг илэрхийлнэ. Ихэнх өмнөх загварууд нь 1970-аад онд танилцуулагдсан 12.5 кВт-ын хүчин чадалтай "PC11" загвар зэрэг туршилтын эсвэл туршилтын нэгжүүд байсан. Шинэ загварууд нь бие даасан түлшний эсээс гаргаж авах хүчийг нэмэгдүүлж, үйлдвэрлэсэн нэг киловатт эрчим хүчний зардлыг бууруулсан. Одоогийн байдлаар арилжааны хамгийн үр дүнтэй загваруудын нэг бол PC25 Model C түлшний эс юм. А загвартай адил энэ нь дулаан, эрчим хүчний бие даасан эх үүсвэр болгон газар дээр нь суурилуулах зориулалттай бүрэн автомат 200 кВт-ын хүчин чадалтай PAFC түлшний эс юм. Ийм түлшний эсийг барилгын гадна байрлуулж болно. Гаднах байдлаараа 5.5 м урт, 3 м өргөн, өндөр, 18140 кг жинтэй параллелепипед юм. Өмнөх загваруудаас ялгаатай нь сайжруулсан шинэчлэгч, илүү өндөр гүйдлийн нягтрал юм.

Хүснэгт 1 Түлшний эсийн хэрэглээний талбар

Бүс нутаг програмууд Нэрлэсэн хүч Хэрэглэх жишээ Хөдөлгөөнгүй суурилуулалт 5-250 кВт ба илүү өндөр Орон сууц, нийтийн болон үйлдвэрлэлийн барилга байгууламжийн дулаан, эрчим хүчний бие даасан эх үүсвэр, тасалдалгүй эрчим хүчний хангамж, нөөц болон яаралтай цахилгаан хангамжийн эх үүсвэрүүд Зөөврийн суурилуулалт 1-50 кВт Замын тэмдэг, ачааны болон хөргүүртэй төмөр замын ачааны машин, тэргэнцэр, гольфын тэрэг, сансрын хөлөг, хиймэл дагуул Гар утас суурилуулалт 25-150 кВт Автомашин (жишээ нь: DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), автобус (жишээ нь "MAN", "Neoplan", "Renault") болон бусад тээврийн хэрэгслийн загваруудыг бүтээсэн. , байлдааны хөлөг онгоц, шумбагч онгоц Микро төхөөрөмж 1-500 Вт Гар утас, зөөврийн компьютер, хувийн дижитал туслах (PDA), янз бүрийн хэрэглээний электрон төхөөрөмж, орчин үеийн цэргийн хэрэгсэл

Зарим төрлийн түлшний эсүүдэд химийн процессыг эргүүлж болно: электродуудад боломжит зөрүүг хэрэглэснээр усыг устөрөгч ба хүчилтөрөгч болгон задалж, сүвэрхэг электродууд дээр хуримтлагддаг. Ачаалал холбогдсон үед ийм нөхөн сэргээгдэх түлшний эс нь цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэж эхэлнэ.

Түлшний эсийг ашиглах ирээдүйтэй чиглэл бол сэргээгдэх эрчим хүчний эх үүсвэр, жишээлбэл, фотоволтайк хавтан эсвэл салхины цахилгаан станцтай хамт ашиглах явдал юм. Энэхүү технологи нь агаарын бохирдлоос бүрэн зайлсхийх боломжийг бидэнд олгодог. Үүнтэй төстэй системийг жишээлбэл, Оберлин дахь Адам Жозеф Льюис сургалтын төвд бий болгохоор төлөвлөж байна (ABOK, 2002, No5, хуудас 10-ыг үзнэ үү). Одоогийн байдлаар энэ барилгын эрчим хүчний эх үүсвэрүүдийн нэг нь нарны хавтан. НАСА-гийн мэргэжилтнүүдтэй хамтран фотоволтайк хавтанг ашиглан электролизийн аргаар устөрөгч болон хүчилтөрөгчийг уснаас гаргаж авах төслийг боловсруулжээ. Дараа нь устөрөгчийг түлшний эсүүдэд цахилгаан болон халуун ус үйлдвэрлэхэд ашигладаг. Энэ нь үүлэрхэг өдөр, шөнийн цагаар барилга байгууламжийн бүх системийн ажиллагааг хангах боломжийг олгоно.

Түлшний эсийн үйл ажиллагааны зарчим

Протон солилцооны мембран (Proton Exchange Membrane, PEM) бүхий энгийн элементийн жишээн дээр түлшний эсийн ажиллах зарчмыг авч үзье. Ийм эс нь анод ба катодын катализаторын хамт анод (эерэг электрод) ба катод (сөрөг электрод) хооронд байрлуулсан полимер мембранаас бүрдэнэ. Полимер мембраныг электролит болгон ашигладаг. PEM элементийн диаграммыг Зураг дээр үзүүлэв. 5.

Протон солилцооны мембран (PEM) нь нимгэн (2-7 хуудас зузаан цаас) хатуу органик нэгдэл юм. Энэ мембран нь электролитийн үүрэг гүйцэтгэдэг: энэ нь устай байх үед бодисыг эерэг ба сөрөг цэнэгтэй ион болгон тусгаарладаг.

Анод дээр исэлдэлтийн процесс, катод дээр бууралтын процесс явагдана. PEM эсийн анод ба катод нь нүүрстөрөгч болон цагаан алтны хэсгүүдийн холимог сүвэрхэг материалаар хийгдсэн байдаг. Платинум нь диссоциацийн урвалыг дэмждэг катализаторын үүрэг гүйцэтгэдэг. Анод ба катодыг устөрөгч, хүчилтөрөгчөөр дамжин чөлөөтэй нэвтрүүлэхийн тулд сүвэрхэг болгодог.

Анод ба катодыг хоёр металл хавтангийн хооронд байрлуулж, анод ба катодыг устөрөгч, хүчилтөрөгчөөр хангаж, дулаан, ус, түүнчлэн цахилгаан энергийг зайлуулдаг.

Устөрөгчийн молекулууд нь хавтан дахь сувгуудаар дамжин анод руу дамждаг бөгөөд молекулууд нь бие даасан атомуудад задардаг (Зураг 6).

	Зураг 5. () Протон солилцооны мембран (PEM эс) бүхий түлшний эсийн бүдүүвч зураг
	Зураг 6. () Устөрөгчийн молекулууд хавтан дахь сувгуудаар дамжин анод руу дамждаг бөгөөд молекулууд бие даасан атомуудад задардаг.
	Зураг 7. () Катализаторын оролцоотойгоор химисорбцийн үр дүнд устөрөгчийн атомууд протон болж хувирдаг.
	Зураг 8. () Эерэг цэнэглэгдсэн устөрөгчийн ионууд нь мембранаар дамжин катод руу тархаж, ачаалал холбогдсон гадаад цахилгаан хэлхээгээр электронуудын урсгал катод руу чиглэнэ.
	Зураг 9. () Катод руу нийлүүлсэн хүчилтөрөгч нь катализаторын оролцоотойгоор протон солилцооны мембранаас устөрөгчийн ионууд болон гадаад цахилгаан хэлхээний электронуудтай химийн урвалд ордог. Химийн урвалын үр дүнд ус үүсдэг

Дараа нь катализаторын оролцоотойгоор химисорбцийн үр дүнд устөрөгчийн атомууд тус бүр нь нэг электрон e --ээс татгалзаж, эерэг цэнэгтэй устөрөгчийн ион H +, өөрөөр хэлбэл протон болж хувирдаг (Зураг 7).

Эерэг цэнэглэгдсэн устөрөгчийн ионууд (протонууд) мембранаар дамжин катод руу тархаж, электронуудын урсгал нь ачаалал (цахилгаан энергийн хэрэглэгч) холбогдсон гадаад цахилгаан хэлхээгээр дамжин катод руу чиглэнэ (Зураг 8).

Катод руу нийлүүлсэн хүчилтөрөгч нь катализаторын оролцоотойгоор протон солилцооны мембранаас устөрөгчийн ионууд (протонууд) болон гадаад цахилгаан хэлхээний электронуудтай химийн урвалд ордог (Зураг 9). Химийн урвалын үр дүнд ус үүсдэг.

Бусад төрлийн түлшний эсийн химийн урвал (жишээлбэл, ортофосфорын хүчлийн H 3 PO 4 уусмалыг ашигладаг хүчлийн электролиттэй хамт) нь протон солилцооны мембран бүхий түлшний эсийн химийн урвалтай яг ижил байна.

Аливаа түлшний эсэд химийн урвалын энергийн зарим хэсэг нь дулаан хэлбэрээр ялгардаг.

Гадаад хэлхээн дэх электронуудын урсгал нь ажил хийхэд ашиглагддаг шууд гүйдэл юм. Гаднах хэлхээг нээх эсвэл устөрөгчийн ионуудын хөдөлгөөнийг зогсоох нь химийн урвалыг зогсооно.

Түлшний эсийн үйлдвэрлэсэн цахилгаан эрчим хүчний хэмжээ нь түлшний эсийн төрөл, геометрийн хэмжээс, температур, хийн даралт зэргээс хамаарна. Тусдаа түлшний эс нь 1.16 В-оос бага EMF-ийг хангадаг. Түлшний эсийн хэмжээг нэмэгдүүлэх боломжтой боловч практикт батерейнд холбогдсон хэд хэдэн элементийг ашигладаг (Зураг 10).

Түлшний эсийн дизайн

Жишээ болгон PC25 Model C ашиглан түлшний эсийн дизайныг авч үзье. Түлшний эсийн диаграммыг Зураг дээр үзүүлэв. арван нэгэн.

PC25 Model C түлшний эс нь түлшний процессор, бодит эрчим хүч үйлдвэрлэх хэсэг, хүчдэл хувиргагч гэсэн гурван үндсэн хэсгээс бүрдэнэ.

Түлшний эсийн гол хэсэг - эрчим хүч үйлдвэрлэх хэсэг нь 256 бие даасан түлшний эсээс бүрдсэн зай юм. Түлшний эсийн электродууд нь цагаан алтны катализатор агуулдаг. Эдгээр эсүүд нь 155 вольтоор 1400 ампер тогтмол цахилгаан гүйдэл үүсгэдэг. Батерейны хэмжээс нь ойролцоогоор 2.9 м урт, 0.9 м өргөн, өндөртэй.

Цахилгаан химийн процесс нь 177 ° C-ийн температурт явагддаг тул батарейг эхлүүлэх үед халааж, үйл ажиллагааны явцад дулааныг зайлуулах шаардлагатай. Үүнд хүрэхийн тулд түлшний эс нь тусдаа усны хэлхээг агуулдаг бөгөөд зай нь тусгай хөргөлтийн хавтангаар тоноглогдсон байдаг.

Түлшний процессор нь байгалийн хийг цахилгаан химийн урвалд шаардлагатай устөрөгч болгон хувиргадаг. Энэ үйл явцыг шинэчлэл гэж нэрлэдэг. Түлшний процессорын гол элемент нь шинэчлэгч юм. Шинэчлэгчийн хувьд байгалийн хий (эсвэл бусад устөрөгч агуулсан түлш) нь никель катализаторын оролцоотойгоор өндөр температур (900 ° C), өндөр даралттай усны ууртай урвалд ордог. Энэ тохиолдолд дараахь химийн урвал явагдана.

CH 4 (метан) + H 2 O 3H 2 + CO

(урвал нь эндотермик, дулаан шингээлттэй);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(урвал нь экзотермик, дулаан ялгаруулдаг).

Ерөнхий урвалыг тэгшитгэлээр илэрхийлнэ.

CH 4 (метан) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(урвал нь эндотермик, дулаан шингээлттэй).

Байгалийн хийг хувиргахад шаардагдах өндөр температурыг хангахын тулд түлшний эсийн яндангаас ашигласан түлшний тодорхой хэсгийг шатаагч руу чиглүүлдэг бөгөөд энэ нь шаардлагатай шинэчлэгчийн температурыг хадгалж байдаг.

Шинэчлэл хийхэд шаардагдах уур нь түлшний элементийг ажиллуулах явцад үүссэн конденсатаас үүсдэг. Энэ нь түлшний эсүүдийн батарейгаас ялгарах дулааныг ашигладаг (Зураг 12).

Түлшний эсийн стек нь бага хүчдэл, өндөр гүйдэл бүхий тасалдалтай шууд гүйдлийг үүсгэдэг. Үүнийг үйлдвэрлэлийн стандартын хувьсах гүйдэлд хөрвүүлэхийн тулд хүчдэл хувиргагчийг ашигладаг. Үүнээс гадна хүчдэл хувиргагч төхөөрөмж нь янз бүрийн хяналтын төхөөрөмж, аюулгүй байдлын түгжээний хэлхээг агуулдаг бөгөөд янз бүрийн эвдрэл гарсан тохиолдолд түлшний элементийг унтраах боломжийг олгодог.

Ийм түлшний эсэд түлшний энергийн 40 орчим хувийг цахилгаан энерги болгон хувиргах боломжтой. Ойролцоогоор ижил хэмжээний түлшний энергийн 40 орчим хувийг дулааны эрчим хүч болгон хувиргаж, дараа нь халаалт, халуун ус хангамж, ижил төстэй зориулалтаар дулааны эх үүсвэр болгон ашигладаг. Тиймээс ийм суурилуулалтын нийт үр ашиг 80% хүрч чадна.

Чухал давуу талДулаан, цахилгааны ийм эх үүсвэр нь түүний автомат ажиллагаатай байх боломж юм. Засвар үйлчилгээ хийхийн тулд түлшний эсийг суурилуулсан байгууламжийн эзэд тусгайлан бэлтгэгдсэн боловсон хүчин байлгах шаардлагагүй - үе үе засвар үйлчилгээг үйл ажиллагааны байгууллагын ажилтнууд хийж болно.

Түлшний эсийн төрлүүд

Одоогийн байдлаар хэд хэдэн төрлийн түлшний эсүүд мэдэгдэж байгаа бөгөөд тэдгээр нь ашигласан электролитийн найрлагад ялгаатай байдаг. Дараах дөрвөн төрөл нь хамгийн өргөн тархсан (Хүснэгт 2):

1. Протон солилцооны мембрантай түлшний эсүүд (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Ортофосфорын хүчилд суурилсан түлшний эсүүд (Фосфорын хүчлийн түлшний эсүүд, PAFC).

3. Хайлсан карбонат дээр суурилсан түлшний эсүүд (Молтен карбонат түлшний эсүүд, MCFC).

4. Хатуу исэл түлшний эсүүд (SOFC). Одоогийн байдлаар түлшний эсийн хамгийн том флот нь PAFC технологид суурилсан.

Гол шинж чанаруудын нэг янз бүрийн төрөлтүлшний эсүүд нь үйл ажиллагааны температур юм. Олон талаараа энэ нь түлшний эсийн хэрэглээний талбарыг тодорхойлдог температур юм. Жишээлбэл, өндөр температур нь зөөврийн компьютерт маш чухал байдаг тул энэ зах зээлийн сегментийн хувьд бага температуртай протон солилцооны мембран түлшний эсийг боловсруулж байна.

Барилга байгууламжийг бие даасан эрчим хүчээр хангахын тулд суурилуулсан өндөр хүчин чадалтай түлшний эсүүд шаардлагатай бөгөөд үүнтэй зэрэгцэн дулааны энергийг ашиглах боломж байдаг тул эдгээр зорилгоор бусад төрлийн түлшний эсийг ашиглаж болно.

Протон солилцооны мембран түлшний эсүүд (PEMFC)

Эдгээр түлшний эсүүд нь ажлын харьцангуй бага температурт (60-160 ° C) ажилладаг. Эдгээр нь эрчим хүчний өндөр нягтралтай, гаралтын хүчийг хурдан тохируулах боломжийг олгодог бөгөөд хурдан асаах боломжтой. Энэ төрлийн элементийн сул тал нь түлшний чанарт тавигдах өндөр шаардлага юм, учир нь бохирдсон түлш нь мембраныг гэмтээж болно. Энэ төрлийн түлшний эсийн нэрлэсэн хүч нь 1-100 кВт байна.

Протон солилцооны мембран түлшний эсийг 1960-аад онд General Electric компани НАСА-д зориулан бүтээжээ. Энэ төрлийн түлшний эсүүд нь Proton Exchange Membran (PEM) гэж нэрлэгддэг хатуу төлөвт полимер электролитийг ашигладаг. Протонууд протон солилцооны мембранаар дамжин хөдөлж болох боловч электронууд дамжин өнгөрөх боломжгүй тул катод ба анодын хоорондох боломжит ялгаа үүсдэг. Энгийн бөгөөд найдвартай учраас ийм түлшний эсийг жолоодлоготой Gemini сансрын хөлөгт тэжээлийн эх үүсвэр болгон ашигласан.

Энэ төрлийн түлшний эсийг эрчим хүчний эх үүсвэр болгон ашигладаг өргөн хамрах хүрээ янз бүрийн төхөөрөмжгар утаснаас авахуулаад автобус, суурин эрчим хүчний систем хүртэл үйлдвэрлэлийн өмнөх дээж, прототипийг багтаасан. Ашиглалтын бага температур нь ийм эсүүдийг янз бүрийн төрлийн нарийн төвөгтэй электрон төхөөрөмжийг тэжээхэд ашиглах боломжийг олгодог. Тэдний хэрэглээ нь их хэмжээний дулааны эрчим хүч шаардагдах нийтийн болон үйлдвэрлэлийн барилга байгууламжийг дулаан, цахилгаан эрчим хүчээр хангах эх үүсвэр болгон үр ашиг багатай байдаг. Үүний зэрэгцээ ийм элементүүд нь халуун уур амьсгалтай бүс нутагт баригдсан зуслангийн байшин гэх мэт жижиг орон сууцны барилгуудыг эрчим хүчний хангамжийн бие даасан эх үүсвэр болгон амлаж байна.

хүснэгт 2 Түлшний эсийн төрлүүд

Зүйлийн төрөл Ажилчид температур, °C Үр ашгийн гарц цахилгаан эрчим хүч),% Нийт Үр ашиг, % Түлшний эсүүдтэй протон солилцооны мембран (PEMFC) 60–160 30–35 50–70 Түлшний эсүүд фосфор дээр үндэслэсэн (фосфорын) хүчил (PAFC) 150–200 35 70–80 Түлшний эсүүд дээр суурилсан хайлсан карбонат (MCFC) 600–700 45–50 70–80 Хатуу исэл түлшний эсүүд (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

Фосфорын хүчлийн түлшний эсүүд (PAFC)

Энэ төрлийн түлшний эсийн туршилтыг 1970-аад оны эхээр аль хэдийн хийсэн. Ашиглалтын температурын хүрээ - 150-200 ° C. Хэрэглээний гол талбар нь дунд эрчим хүчний (ойролцоогоор 200 кВт) дулаан, цахилгаан эрчим хүчний бие даасан эх үүсвэр юм.

Эдгээр түлшний эсүүд нь фосфорын хүчлийн уусмалыг электролит болгон ашигладаг. Электродууд нь цагаан алтны катализатор тархсан нүүрстөрөгчөөр бүрсэн цаасаар хийгдсэн байдаг.

PAFC түлшний эсийн цахилгаан үр ашиг 37-42% байна. Гэсэн хэдий ч эдгээр түлшний эсүүд нь нэлээд өндөр температурт ажилладаг тул үйл ажиллагааны үр дүнд үүссэн уурыг ашиглах боломжтой байдаг. Энэ тохиолдолд нийт үр ашиг нь 80% хүрч чадна.

Эрчим хүч үйлдвэрлэхийн тулд устөрөгч агуулсан түүхий эдийг шинэчлэх процессоор цэвэр устөрөгч болгон хувиргах ёстой. Жишээлбэл, бензинийг түлш болгон ашигладаг бол хүхэр нь цагаан алтны катализаторыг гэмтээж болзошгүй тул хүхэр агуулсан нэгдлүүдийг зайлуулах шаардлагатай.

PAFC түлшний эсүүд нь эдийн засгийн хувьд ашигласан анхны арилжааны түлшний эсүүд байв. Хамгийн түгээмэл загвар нь ONSI корпораци (одоо United Technologies, Inc.) үйлдвэрлэсэн 200 кВт-ын хүчин чадалтай PC25 түлшний эс байв (Зураг 13). Жишээлбэл, эдгээр элементүүдийг Нью-Йорк дахь Төв Парк дахь цагдаагийн газарт дулааны болон цахилгаан эрчим хүчний эх үүсвэр эсвэл Conde Nast Building & Four Times Square-т нэмэлт эрчим хүчний эх үүсвэр болгон ашигладаг. Энэ төрлийн хамгийн том суурилуулалтыг Японд байрлах 11 МВт-ын цахилгаан станц гэж туршиж байна.

Фосфорын хүчлийн түлшний эсийг мөн тээврийн хэрэгсэлд эрчим хүчний эх үүсвэр болгон ашигладаг. Жишээлбэл, 1994 онд H-Power корпораци, Жоржтауны их сургууль, АНУ-ын Эрчим хүчний яам автобусаар тоноглогдсон. цахилгаан станцхүч 50 кВт.

Хайлсан карбонатын түлшний эсүүд (MCFC)

Энэ төрлийн түлшний эсүүд нь маш өндөр температурт ажилладаг - 600-700 ° C. Эдгээр үйл ажиллагааны температур нь түлшийг тусдаа шинэчлэгч ашиглахгүйгээр шууд эсийн дотор ашиглах боломжийг олгодог. Энэ үйл явцыг "дотоод шинэчлэл" гэж нэрлэсэн. Энэ нь түлшний эсийн дизайныг ихээхэн хялбаршуулах боломжийг олгодог.

Хайлсан карбонат дээр суурилсан түлшний эсүүд нь их хэмжээний эхлүүлэх хугацаа шаарддаг бөгөөд гаралтын хүчийг хурдан тохируулах боломжийг олгодоггүй тул тэдгээрийн хэрэглээний гол талбар нь дулааны болон цахилгаан эрчим хүчний томоохон суурин эх үүсвэрүүд юм. Гэсэн хэдий ч тэдгээр нь түлшний өндөр үр ашигтайгаар тодорхойлогддог - цахилгааны 60%, нийт үр ашиг нь 85% хүртэл байдаг.

Энэ төрлийн түлшний эсийн электролит нь ойролцоогоор 650 ° C хүртэл халсан калийн карбонат ба литийн карбонатын давсаас бүрдэнэ. Ийм нөхцөлд давс нь электролит үүсгэдэг хайлсан төлөвт байна. Анод дээр устөрөгч нь CO 3 ионтой урвалд орж ус, нүүрстөрөгчийн давхар ислийг үүсгэж, электронуудыг ялгаруулж, тэдгээр нь гадаад хэлхээнд илгээгддэг бол катод дээр хүчилтөрөгч нь нүүрстөрөгчийн давхар исэл, гадаад хэлхээний электронуудтай харилцан үйлчилж, дахин CO 3 ионыг үүсгэдэг. .

Энэ төрлийн түлшний эсийн лабораторийн дээжийг 1950-иад оны сүүлээр Голландын эрдэмтэд Г.Х.Ж.Броерс, Ж.А.Кетелаар нар бүтээжээ. 1960-аад онд 17-р зууны Английн нэрт зохиолч, эрдэмтний удмын инженер Фрэнсис Т.Бэкон эдгээр эсүүдтэй ажиллаж байсан тул MCFC түлшний эсийг Бэкон эс гэж нэрлэдэг. НАСА-гийн Аполлон, Аполло-Союз, Скилла хөтөлбөрүүдэд эдгээр түлшний эсүүдийг эрчим хүчний хангамжийн эх үүсвэр болгон ашигласан (Зураг 14). Эдгээр жилүүдэд АНУ-ын цэргийн хэлтэс цэргийн зориулалттай бензинийг түлш болгон ашигладаг Texas Instruments компанийн үйлдвэрлэсэн MCFC түлшний эсийн хэд хэдэн дээжийг туршиж үзсэн. 1970-аад оны дундуур АНУ-ын Эрчим хүчний яам практик хэрэглээнд тохиромжтой хайлсан карбонат дээр суурилсан суурин түлшний эсийг бий болгох судалгааг эхлүүлсэн. 1990-ээд онд 250 кВт хүртэл нэрлэсэн хүчин чадалтай хэд хэдэн арилжааны байгууламжууд, тухайлбал Калифорни дахь АНУ-ын тэнгисийн цэргийн Мирамар агаарын станцад нэвтрүүлсэн. 1996 онд FuelCell Energy, Inc. Калифорниа мужийн Санта Клара хотод үйлдвэрлэлийн өмнөх 2 МВт-ын хүчин чадалтай станцыг ашиглалтад оруулав.

Хатуу төлөвт исэл түлшний эсүүд (SOFC)

Хатуу төлөвт ислийн түлшний эсүүд нь дизайны хувьд энгийн бөгөөд маш өндөр температурт ажилладаг - 700-1,000 ° C. Ийм өндөр температур нь харьцангуй "бохир", боловсруулаагүй түлш ашиглах боломжийг олгодог. Хайлсан карбонат дээр суурилсан түлшний эсийн шинж чанарууд нь ижил төстэй хэрэглээний талбарыг тодорхойлдог - дулааны болон цахилгаан эрчим хүчний томоохон суурин эх үүсвэрүүд.

Хатуу исэл түлшний эсүүд нь PAFC болон MCFC технологид суурилсан түлшний эсүүдээс бүтцийн хувьд ялгаатай. Анод, катод, электролит нь тусгай зэрэглэлийн керамикаар хийгдсэн байдаг. Хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг электролит нь цирконы исэл ба кальцийн оксидын холимог боловч бусад ислийг ч ашиглаж болно. Электролит нь хоёр талдаа сүвэрхэг электродын материалаар бүрсэн болор тор үүсгэдэг. Бүтцийн хувьд ийм элементүүдийг хоолой эсвэл хавтгай самбар хэлбэрээр хийдэг бөгөөд энэ нь электроникийн салбарт өргөн хэрэглэгддэг технологийг үйлдвэрлэлдээ ашиглах боломжийг олгодог. Үүний үр дүнд хатуу төлөвт исэлдсэн түлшний эсүүд нь маш өндөр температурт ажиллах боломжтой бөгөөд энэ нь цахилгаан болон дулааны энерги үйлдвэрлэхэд давуу талтай юм.

Ашиглалтын өндөр температурт хүчилтөрөгчийн ионууд катод дээр үүсдэг бөгөөд тэдгээр нь болор тороор дамжин анод руу шилжиж, устөрөгчийн ионуудтай харилцан үйлчилж, ус үүсгэж, чөлөөт электронуудыг ялгаруулдаг. Энэ тохиолдолд устөрөгчийг байгалийн хийнээс шууд эсэд тусгаарладаг, өөрөөр хэлбэл тусдаа шинэчлэгч байх шаардлагагүй.

1930-аад оны сүүлээр Швейцарийн эрдэмтэн Эмиль Бауэр, Х.Прейс нар циркони, иттрий, церий, лантан, вольфрамыг электролит болгон ашиглах туршилт хийснээр хатуу төлөвт исэлдлийн түлшний эсийг бий болгох онолын үндэс тавигдсан.

Ийм түлшний эсийн анхны загваруудыг 1950-иад оны сүүлээр Америк, Голландын хэд хэдэн компани бүтээжээ. Эдгээр компаниудын ихэнх нь технологийн хүндрэлээс болж удалгүй цаашдын судалгаагаа орхисон боловч тэдний нэг нь Westinghouse Electric Corp. (одоо Siemens Westinghouse Power Corporation), үргэлжлүүлэн ажилласан. Тус компани одоогоор хоолой хэлбэрийн хатуу төлөвт исэлдүүлэх түлшний эсийн арилжааны загварын урьдчилсан захиалгыг хүлээн авч байгаа бөгөөд энэ жил худалдаанд гарах төлөвтэй байна (Зураг 15). Ийм элементүүдийн зах зээлийн сегмент нь 250 кВт-аас 5 МВт-ын хүчин чадалтай дулааны болон цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх суурин суурилуулалт юм.

SOFC түлшний эсүүд нь маш өндөр найдвартай байдлыг харуулсан. Жишээлбэл, Siemens Westinghouse-ийн үйлдвэрлэсэн түлшний эсийн прототип нь 16,600 цаг ажиллаж, үргэлжлүүлэн ажиллаж байгаа нь дэлхийн хамгийн урт тасралтгүй ажиллах түлшний элемент болж байна.

SOFC түлшний эсийн өндөр температур, өндөр даралттай ажиллах горим нь түлшний эсийн ялгаруулалт нь цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхэд ашигладаг хийн турбинуудыг жолооддог эрлийз үйлдвэрүүдийг бий болгох боломжийг олгодог. Ийм анхны эрлийз суурилуулалт Калифорни мужийн Ирвин хотод ажиллаж байна. Энэхүү суурилуулалтын нэрлэсэн хүч нь 220 кВт, үүнээс 200 кВт нь түлшний эсээс, 20 кВт нь микротурбин генератороос.