Янз бүрийн төрлийн хөдөлгүүрүүд байдаг шиг дотоод шаталт, өөр өөр төрлийн түлшний эсүүд байдаг - сонголт тохиромжтой төрөлтүлшний эс нь түүний хэрэглээнээс хамаарна.
түлшний эсүүдөндөр температур, бага температур гэж хуваагддаг. Бага температурт түлшний эсүүдтүлш болгон харьцангуй цэвэр устөрөгч 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 эсүүдөндөр температурт түлшийг "дотоод хувиргах" чадвартай тул устөрөгчийн дэд бүтцэд хөрөнгө оруулалт хийх шаардлагагүй гэсэн үг юм.
Хайлсан карбонат дээрх түлшний эсүүд (MCFC)
Хайлсан карбонат электролитийн түлшний эсүүд нь өндөр температурт түлшний эсүүд юм. Ашиглалтын өндөр температур нь түлшний процессоргүй, бага илчлэг түлшний хийгүйгээр байгалийн хийг шууд ашиглах боломжийг олгодог үйлдвэрлэлийн үйл явцболон бусад эх сурвалжаас. Энэ үйл явцыг 1960-аад оны дундуур боловсруулсан. Тэр цагаас хойш үйлдвэрлэлийн технологи, гүйцэтгэл, найдвартай байдал сайжирсан.
RCFC-ийн ажиллагаа нь бусад түлшний эсүүдээс ялгаатай. Эдгээр эсүүд нь хайлсан карбонатын давсны холимогоос электролитийг ашигладаг. Одоогийн байдлаар литийн карбонат ба калийн карбонат эсвэл литийн карбонат, натрийн карбонат гэсэн хоёр төрлийн хольцыг ашиглаж байна. Карбонатын давсыг хайлуулж, хүрэх өндөр зэрэгтэйэлектролит дэх ионуудын хөдөлгөөн, хайлсан карбонат электролит бүхий түлшний эсүүд өндөр температурт (650 ° C) ажилладаг. Үр ашиг нь 60-80% хооронд хэлбэлздэг.
650°С 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 буцаж катод руу илгээгдэж, цахилгаан гүйдэл, дулааныг дагалдах бүтээгдэхүүн болгон үүсгэдэг.
Анодын урвал: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Катод дахь урвал: CO 2 + 1 / 2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Ерөнхий элементийн урвал: H 2 (г) + 1/2 O 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 байгалийн хий нь дотооддоо шинэчлэгдэж, түлшний процессор шаардлагагүй болно. Үүнээс гадна, давуу тал нь электрод дээр зэвэрдэггүй ган хуудас, никель катализатор зэрэг барилгын стандарт материалыг ашиглах боломжийг багтаадаг. Хаягдал дулааныг янз бүрийн үйлдвэр, худалдааны зориулалтаар өндөр даралтын уур үүсгэхэд ашиглаж болно.
Электролит дахь урвалын өндөр температур нь бас давуу талтай. Өндөр температурыг ашиглах нь үйл ажиллагааны оновчтой нөхцөлд хүрэхийн тулд удаан хугацаа шаарддаг бөгөөд систем нь эрчим хүчний хэрэглээний өөрчлөлтөд илүү удаан хариу үйлдэл үзүүлдэг. Эдгээр шинж чанарууд нь хайлсан карбонат электролит бүхий түлшний эсийн системийг тогтмол эрчим хүчний нөхцөлд ашиглах боломжийг олгодог. Өндөр температур нь нүүрстөрөгчийн дутуу исэл, "хордлого" гэх мэт түлшний эсийг гэмтээхээс сэргийлдэг.
Хайлсан карбонат түлшний эсүүд нь том суурин суурилуулалтанд ашиглахад тохиромжтой. 2.8 МВт хүчин чадалтай дулааны цахилгаан станцуудыг үйлдвэрийн аргаар үйлдвэрлэдэг. 100 МВт хүртэл хүчин чадалтай станцуудыг боловсруулж байна.
Фосфорын хүчлийн түлшний эсүүд (PFC)
Фосфорын (ортофосфорын) хүчилд суурилсан түлшний эсүүд нь арилжааны зориулалттай анхны түлшний эсүүд байв. Энэ процессыг 1960-аад оны дундуур боловсруулж, 1970-аад оноос туршсан. Түүнээс хойш тогтвортой байдал, гүйцэтгэл, өртөг нэмэгдсэн.
Фосфорын (ортофосфорын) хүчил дээр суурилсан түлшний эсүүд нь 100% хүртэл концентрацитай ортофосфорын хүчил (H 3 PO 4) дээр суурилсан электролитийг ашигладаг. Фосфорын хүчлийн ионы дамжуулалт бага температурт бага байдаг тул эдгээр түлшний эсийг 150-220 ° C хүртэл температурт ашигладаг.
Энэ төрлийн түлшний эсийн цэнэг зөөгч нь устөрөгч (H +, протон) юм. Үүнтэй төстэй үйл явц нь протон солилцооны мембран түлшний эсүүдэд (MEFCs) явагддаг бөгөөд анод руу нийлүүлсэн устөрөгч нь протон ба электронуудад хуваагддаг. Протонууд электролитээр дамжин катодын агаараас хүчилтөрөгчтэй нийлж ус үүсгэдэг. Электронууд нь гадаад цахилгаан хэлхээний дагуу чиглэгдэж, цахилгаан гүйдэл үүсдэг. Цахилгаан ба дулааныг үүсгэдэг урвалуудыг доор харуулав.
Анод дахь урвал: 2H 2 => 4H + + 4e -
Катод дахь урвал: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2H 2 O
Ерөнхий элементийн 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, цахилгааны хосолсон үйлдвэрлэлд нийт үр ашиг нь 85% орчим байдаг. Үүнээс гадна, ашиглалтын температурыг харгалзан хаягдал дулааныг агаар мандлын даралтаар ус халааж, уур үүсгэхэд ашиглаж болно.
Фосфорын (ортофосфорын) хүчилд суурилсан түлшний эсүүд дээр дулааны цахилгаан станцууд нь дулаан, цахилгаан хосолсон үйлдвэрлэлд өндөр үзүүлэлттэй байдаг нь энэ төрлийн түлшний эсийн нэг давуу тал юм. Уг үйлдвэрүүд нүүрстөрөгчийн дутуу ислийг ойролцоогоор 1.5% -ийн концентрацид 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 бага, тогтвортой байдал нэмэгдсэн нь энэ төрлийн түлшний эсийн давуу тал юм.
400 кВт хүртэл хүчин чадалтай дулааны цахилгаан станцуудыг үйлдвэрийн аргаар үйлдвэрлэдэг. 11 МВт-ын хүчин чадалтай суурилуулалтууд холбогдох туршилтыг давсан. 100 МВт хүртэл хүчин чадалтай станцуудыг боловсруулж байна.
Протон солилцооны мембран (PME) бүхий түлшний эсүүд
Протон солилцооны мембран түлшний эсүүд нь бензин болон дизель дотоод шаталтат хөдөлгүүрийг орлож чадах тээврийн хэрэгслийн эрчим хүч үйлдвэрлэх хамгийн сайн төрлийн түлшний эс гэж тооцогддог. Эдгээр түлшний эсийг НАСА анх Gemini хөтөлбөрт ашигласан. Өнөөдөр MOPFC дээр 1 Вт-аас 2 кВт-ын хүчин чадалтай суурилуулалтыг боловсруулж, үзүүлж байна.
Эдгээр түлшний эсүүд нь хатуу полимер мембраныг (нимгэн хуванцар хальс) электролит болгон ашигладаг. Усанд шингэсэн үед энэ полимер протоныг дамжуулдаг боловч электрон дамжуулдаггүй.
Түлш нь устөрөгч, цэнэглэгч нь устөрөгчийн ион (протон) юм. Анод дээр устөрөгчийн молекул нь устөрөгчийн ион (протон) ба электронуудад хуваагддаг. Устөрөгчийн ионууд электролитээр дамжин катод руу дамжих ба электронууд нь гаднах тойргийг тойрон хөдөлж, үүсгэдэг. цахилгаан эрчим хүч. Агаараас авсан хүчилтөрөгч нь катод руу орж электрон болон устөрөгчийн ионуудтай нийлж ус үүсгэдэг. Электродууд дээр дараах урвал явагдана.
Анод дахь урвал: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Катод дахь урвал: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Ерөнхий элементийн урвал: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Бусад төрлийн түлшний эсүүдтэй харьцуулахад протон солилцооны мембран түлшний эсүүд нь тухайн түлшний эсийн эзэлхүүн эсвэл жинд илүү их хүч үйлдвэрлэдэг. Энэ онцлог нь тэдгээрийг авсаархан, хөнгөн жинтэй болгох боломжийг олгодог. Үүнээс гадна, үйл ажиллагааны температур нь 100 ° C-аас бага бөгөөд энэ нь үйл ажиллагааг хурдан эхлүүлэх боломжийг олгодог. Эдгээр шинж чанарууд, мөн эрчим хүчний гаралтыг хурдан өөрчлөх чадвар нь эдгээр түлшний эсийг тээврийн хэрэгсэлд ашиглахад гол нэр дэвшигч болгодог шинж чанаруудын зөвхөн нэг хэсэг юм.
Өөр нэг давуу тал нь электролит нь шингэн биш харин хатуу бодис юм. Катод ба анод дахь хийнүүдийг хадгалах нь хатуу электролитийн хувьд илүү хялбар байдаг тул ийм түлшний эсийг үйлдвэрлэхэд хямд байдаг. Бусад электролитүүдтэй харьцуулахад хатуу электролитийн хэрэглээ нь чиг баримжаа зэрэг асуудал үүсгэдэггүй, зэврэлт үүсэхээс болж бага асуудал гардаг бөгөөд энэ нь эсийн болон түүний бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн эдэлгээний хугацааг уртасгахад хүргэдэг.
Хатуу исэл түлшний эсүүд (SOFC)
Хатуу исэл түлшний эсүүд нь хамгийн өндөр ажиллах температуртай түлшний эсүүд юм. Ашиглалтын температур нь 600 ° C-аас 1000 ° C-ийн хооронд хэлбэлзэж болох бөгөөд энэ нь янз бүрийн төрлийн түлшийг тусгай урьдчилсан боловсруулалтгүйгээр ашиглах боломжийг олгодог. Эдгээр өндөр температурыг зохицуулахын тулд электролит нь нимгэн керамик суурьтай хатуу металлын исэл, ихэвчлэн хүчилтөрөгч (O 2 -) ионыг дамжуулагч иттри ба цирконы хайлш юм. Хатуу исэл түлшний эсийг ашиглах технологи 1950-иад оны сүүлээс хөгжиж ирсэн. хавтгай ба хоолой гэсэн хоёр тохиргоотой.
Хатуу электролит нь 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 хүчилтөрөгчийн молекулууд агаараас хүчилтөрөгчийн ион ба дөрвөн электрон болж хуваагддаг. Хүчилтөрөгчийн ионууд электролитээр дамжин устөрөгчтэй нийлж дөрвөн чөлөөт электрон үүсгэдэг. Электронууд нь 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 -
Ерөнхий элементийн урвал: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Үйлдвэрлэсэн цахилгаан эрчим хүчний үр ашиг нь бүх түлшний эсүүдээс хамгийн өндөр буюу 60% орчим байдаг. Үүнээс гадна ажлын өндөр температур нь өндөр даралтын уурыг бий болгохын тулд дулаан, эрчим хүчийг хослуулан үйлдвэрлэх боломжийг олгодог. Өндөр температурт түлшний эсийг турбинтай хослуулснаар цахилгаан эрчим хүчний үйлдвэрлэлийн үр ашгийг 70% хүртэл нэмэгдүүлэхийн тулд эрлийз түлшний эсийг бий болгодог.
Хатуу исэл түлшний эсүүд нь маш өндөр температурт (600°C-1000°C) ажилладаг бөгөөд үүний үр дүнд ашиглалтын оновчтой нөхцөлд удаан хугацаанд хүрч, систем нь эрчим хүчний хэрэглээний өөрчлөлтөд удаан хариу үйлдэл үзүүлдэг. Ашиглалтын ийм өндөр температурт түлшнээс устөрөгчийг гаргаж авахын тулд ямар ч хувиргагч шаардлагагүй бөгөөд дулааны цахилгаан станцыг нүүрс хийжүүлэх эсвэл хаягдал хий гэх мэт харьцангуй бохир түлшээр ажиллуулах боломжийг олгодог. Түүнчлэн энэхүү түлшний эс нь үйлдвэрлэлийн болон томоохон төв цахилгаан станцуудыг багтаасан өндөр хүчин чадалтай хэрэглээнд тохиромжтой. 100 кВт-ын гаралтын цахилгаан эрчим хүч бүхий үйлдвэрлэлийн модулиуд.
Метанолын шууд исэлдэлттэй түлшний эсүүд (DOMTE)
Метанолыг шууд исэлдүүлэх түлшний эсийг ашиглах технологи идэвхтэй хөгжиж байна. Тэрээр хоол тэжээлийн чиглэлээр өөрийгөө амжилттай хөгжүүлж чадсан гар утас, зөөврийн компьютер, түүнчлэн цахилгаан эрчим хүчний зөөврийн эх үүсвэрийг бий болгох. Эдгээр элементүүдийн ирээдүйн хэрэглээ юунд чиглэж байна.
Метанолын шууд исэлдэлттэй түлшний эсийн бүтэц нь протон солилцооны мембран (MOFEC) бүхий түлшний эсүүдтэй төстэй, i.e. полимерийг электролит болгон, устөрөгчийн ионыг (протон) цэнэг зөөгч болгон ашигладаг. Гэсэн хэдий ч шингэн метанол (CH 3 OH) нь анод дахь усны дэргэд исэлдэж, CO 2, устөрөгчийн ион ба электронуудыг ялгаруулж, гадаад цахилгаан хэлхээгээр удирддаг бөгөөд цахилгаан гүйдэл үүсдэг. 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 / 2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Ерөнхий элементийн урвал: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O
Эдгээр түлшний эсүүдийн хөгжил 1990-ээд оны эхээр эхэлсэн. Сайжруулсан катализаторыг хөгжүүлсний дараа болон бусад сүүлийн үеийн шинэчлэлийн ачаар эрчим хүчний нягтрал, үр ашгийг 40% хүртэл нэмэгдүүлсэн.
Эдгээр элементүүдийг 50-120 хэмийн температурт туршсан. Ашиглалтын температур багатай, хувиргагч шаардлагагүй тул шууд метанол түлшний эсүүд нь гар утас болон бусад өргөн хэрэглээний бүтээгдэхүүнээс эхлээд автомашины хөдөлгүүр хүртэлх хэрэглээнд хамгийн сайн нэр дэвшигч юм. Энэ төрлийн түлшний эсийн давуу тал нь шингэн түлшний хэрэглээ, хөрвүүлэгч ашиглах шаардлагагүйгээс шалтгаалан жижиг хэмжээтэй байдаг.
Шүлтлэг түлшний эсүүд (AFC)
Шүлтлэг түлшний эсүүд (ALFCs) нь хамгийн их судлагдсан технологийн нэг бөгөөд 1960-аад оны дунд үеэс ашиглагдаж ирсэн. НАСА-аас Apollo болон Space Shuttle хөтөлбөрүүдэд. Эдгээр сансрын хөлөг дээр түлшний эсүүд цахилгаан эрчим хүч болон ус уух. Шүлтлэг түлшний эсүүд нь цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхэд ашигладаг хамгийн үр ашигтай элементүүдийн нэг бөгөөд эрчим хүчний үйлдвэрлэлийн үр ашиг нь 70% хүртэл байдаг.
Шүлтлэг түлшний эсүүд нь электролит, өөрөөр хэлбэл сүвэрхэг, тогтворжсон матрицад агуулагдах калийн гидроксидын усан уусмалыг ашигладаг. Калийн гидроксидын концентраци нь түлшний эсийн ажиллах температураас хамаарч өөр өөр байж болно, энэ нь 65 ° C-аас 220 ° C хооронд хэлбэлздэг. SFC-ийн цэнэг зөөгч нь катодоос анод руу шилжиж устөрөгчтэй урвалд орж ус, электрон үүсгэдэг гидроксидын ион (OH-) юм. Анод дээр үүссэн ус дахин катод руу шилжиж, тэнд дахин гидроксидын ион үүсгэдэг. Түлшний эсэд явагдаж буй эдгээр цуврал урвалын үр дүнд цахилгаан үүсэж, дулааны дагалдах бүтээгдэхүүн болж:
Анод дахь урвал: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Катод дахь урвал: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Системийн ерөнхий урвал: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
SFC-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. Нэмж дурдахад, SCFC нь харьцангуй бага температурт ажилладаг бөгөөд хамгийн үр ашигтай түлшний эсүүдийн нэг юм - ийм шинж чанарууд 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-д өндөр мэдрэмжтэй байдаг. CO 2 нь электролиттэй урвалд орж, түүнийг хурдан хордуулж, түлшний эсийн үр ашгийг ихээхэн бууруулдаг. Тиймээс SFC-ийн хэрэглээ нь сансрын болон усан доорх тээврийн хэрэгсэл гэх мэт хаалттай орон зайд хязгаарлагддаг тул цэвэр устөрөгч, хүчилтөрөгч дээр ажиллах ёстой. Түүгээр ч зогсохгүй бусад түлшний эсүүдэд аюулгүй байдаг CO, H 2 O, CH 4 зэрэг молекулууд нь SFC-д сөрөг нөлөө үзүүлдэг.
Полимер электролит түлшний эсүүд (PETE)
Полимер электролитийн түлшний эсийн хувьд полимер мембран нь усны молекулд холбогдсон H 2 O + (протон, улаан) усны ионуудын дамжуулалт бүхий усны бүс бүхий полимер утаснаас бүрдэнэ. Усны молекулууд ионы солилцоо удаашралтай тул асуудал үүсгэдэг. Тиймээс түлшний болон яндангийн электродуудын аль алинд нь усны өндөр агууламж шаардагдах бөгөөд энэ нь ажлын температурыг 100 ° C хүртэл хязгаарладаг.
Хатуу хүчил түлшний эсүүд (SCFC)
Хатуу хүчлийн түлшний эсүүдэд электролит (C s HSO 4) нь ус агуулдаггүй. Тиймээс ажлын температур 100-300 ° C байна. SO 4 2- окси анионуудын эргэлт нь протонуудыг (улаан) зурагт үзүүлсэн шиг хөдөлгөх боломжийг олгодог. Ерөнхийдөө хатуу хүчиллэг түлшний эс нь хатуу хүчиллэг нэгдлийн маш нимгэн давхаргыг хоёр нягт шахсан электродын хооронд хавчуулж, сайн холбоо барихыг баталгаажуулдаг сэндвич юм. Халах үед органик бүрэлдэхүүн хэсэг нь ууршиж, электродуудын нүх сүвээр дамжин түлш (эсвэл эсийн нөгөө төгсгөлд хүчилтөрөгч), электролит ба электродуудын хооронд олон тооны холбоо барих чадварыг хадгалдаг.
| 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 | |
| FKTE | 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 |
| POMTE | 20-90 ° C | 20-30% | метанол | Зөөврийн нэгжүүд |
| SHTE | 50-200 ° C | 40-65% | цэвэр устөрөгч | сансрын судалгаа |
| ПИТ | 30-100 ° C | 35-50% | цэвэр устөрөгч | Жижиг суурилуулалт |
1-р хэсэг
Энэ нийтлэлд түлшний эсийн үйл ажиллагааны зарчим, тэдгээрийн дизайн, ангилал, давуу болон сул талууд, хамрах хүрээ, үр ашиг, үүссэн түүх, ашиглалтын орчин үеийн хэтийн төлөвийн талаар илүү дэлгэрэнгүй авч үзэх болно. Өгүүллийн хоёрдугаар хэсэгт ABOK сэтгүүлийн дараагийн дугаарт хэвлэгдэх бөгөөд янз бүрийн төрлийн түлшний эсийг дулаан, цахилгаан (эсвэл зөвхөн цахилгаан) эх үүсвэр болгон ашиглаж байсан байгууламжуудын жишээг харуулав.
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, эрчим хүчний бие даасан эх үүсвэр, тээврийн хэрэгслийн хөдөлгүүр, зөөврийн компьютер, гар утасны тэжээлийн эх үүсвэр зэрэг төрөл бүрийн салбарт улам бүр ашиглаж байна. Эдгээр төхөөрөмжүүдийн зарим нь лабораторийн прототип, зарим нь цувралын өмнөх туршилтад хамрагдаж байгаа эсвэл үзүүлэх зорилгоор ашиглагддаг боловч олон загварыг олноор үйлдвэрлэж, арилжааны төслүүдэд ашигладаг.
Түлшний эс (цахилгаан химийн үүсгүүр) нь хатуу, шингэн, хийн түлшний шаталтыг ашигладаг уламжлалт технологиос ялгаатай нь түлшний (устөрөгч) химийн энергийг цахилгаан химийн урвалын явцад шууд цахилгаан энерги болгон хувиргадаг төхөөрөмж юм. Ашиглалтын явцад хамгийн бага хэмжээний бохирдуулагч бодис ялгардаг, хүчтэй дуу чимээ, чичиргээ байхгүй тул түлшийг цахилгаан химийн аргаар шууд хувиргах нь байгаль орчны үүднээс маш үр дүнтэй бөгөөд сэтгэл татам юм.
Практик талаас нь авч үзвэл түлшний эс нь ердийн гальваник батерейтай төстэй юм. Үүний ялгаа нь эхлээд батерейг цэнэглэж, өөрөөр хэлбэл "түлш" -ээр дүүргэсэнд оршдог. Ашиглалтын явцад "түлш" зарцуулагдаж, зай нь цэнэггүй болно. Батерейгаас ялгаатай нь түлшний эс нь цахилгаан эрчим хүчийг бий болгохын тулд гадны эх үүсвэрээс нийлүүлсэн түлшийг ашигладаг (Зураг 1).
Цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхийн тулд зөвхөн цэвэр устөрөгч төдийгүй байгалийн хий, аммиак, метанол эсвэл бензин зэрэг устөрөгч агуулсан бусад түүхий эдийг ашиглаж болно. Энгийн агаарыг хүчилтөрөгчийн эх үүсвэр болгон ашигладаг бөгөөд энэ нь урвалд зайлшгүй шаардлагатай байдаг.
Цэвэр устөрөгчийг түлш болгон ашиглах үед урвалын бүтээгдэхүүн нь цахилгаан эрчим хүчээс гадна дулаан, ус (эсвэл усны уур) юм, өөрөөр хэлбэл агаар мандалд ямар ч хий ялгардаггүй, агаарын бохирдлыг үүсгэдэг эсвэл хүлэмжийн нөлөө үзүүлдэг. Хэрэв байгалийн хий зэрэг устөрөгч агуулсан түүхий эдийг түлш болгон ашигладаг бол нүүрстөрөгч, азотын исэл зэрэг бусад хий нь урвалын дайвар бүтээгдэхүүн болох боловч түүний хэмжээ нь ижил түлшийг шатаах үеийнхээс хамаагүй бага байна. байгалийн хийн хэмжээ.
Устөрөгчийг үйлдвэрлэхийн тулд түлшийг химийн аргаар хувиргах процессыг реформинг гэж нэрлэдэг бөгөөд 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 эрчим хүчний хэмнэлтэд термодинамикийн 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 зүгээр л тусдаа блок 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 хүсэлтийн дагуу тоног төхөөрөмжийн найрлагыг маш уян хатан сонгох боломжийг олгодог бөгөөд эцэст нь тоног төхөөрөмжийн зардлыг бууруулахад хүргэдэг.
Түлшний эсийн чухал давуу тал нь байгаль орчинд ээлтэй байдал юм. Түлшний эсийн үйл ажиллагаанаас үүдэлтэй бохирдуулагчийн агаарт ялгарах хэмжээ маш бага тул АНУ-ын зарим бүс нутагт тусгай зөвшөөрөл шаарддаггүй. төрийн байгууллагуудорчны агаарын чанарыг хянах.
Түлшний эсийг барилгад шууд байрлуулж, эрчим хүчний дамжуулалтын алдагдлыг бууруулж, урвалын үр дүнд үүссэн дулааныг дулаан эсвэл халуун усаар хангахад ашиглаж болно. Дулаан, эрчим хүчний 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 эдэлгээ, ажиллахад хялбар байдал юм.
Өнөөдөр түлшний эсийн гол сул талуудын нэг нь харьцангуй өндөр өртөгтэй боловч олон компани үйлдвэрлэдэг тул энэ сул талыг удахгүй даван туулах болно. арилжааны дээжтүлшний эсүүд, тэдгээрийг байнга сайжруулж, өртөг нь буурч байна.
Цэвэр устөрөгчийг түлш болгон хамгийн үр ашигтай ашиглахын тулд үүнийг үйлдвэрлэх, тээвэрлэх тусгай дэд бүтцийг бий болгох шаардлагатай болно. Одоогийн байдлаар бүх арилжааны загварт байгалийн хий болон ижил төстэй түлш хэрэглэдэг. Моторт тээврийн хэрэгсэл нь энгийн 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) электролизээр усыг устөрөгч ба хүчилтөрөгч болгон задалж, улмаар үүссэн түлшийг түлшний эсэд хувиргана. Хаалттай циклээр ажилладаг ийм хосолсон үйлдвэрүүд нь байгаль орчинд бүрэн ээлтэй, найдвартай, бат бөх, үр ашигтай эрчим хүчний эх үүсвэр болж чадна.
Түлшний эсийн өөр нэг онцлог нь цахилгаан болон дулааны эрчим хүчийг нэгэн зэрэг ашиглахад хамгийн үр ашигтай байдаг. Гэхдээ дулааны эрчим хүчийг ашиглах боломж байгууламж бүрт байдаггүй. Түлшний эсийг зөвхөн цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхэд ашиглах тохиолдолд тэдгээрийн үр ашиг нь "уламжлалт" суурилуулалтын үр ашгаас давсан боловч буурдаг.
Түлшний эсийн түүх ба орчин үеийн хэрэглээ
Түлшний эсийн ажиллах зарчмыг 1839 онд нээсэн. Английн эрдэмтэн Уильям Гроув (1811-1896) электролизийн үйл явц буюу цахилгаан гүйдлийн тусламжтайгаар усыг устөрөгч ба хүчилтөрөгч болгон задлах процесс нь буцах боломжтой, өөрөөр хэлбэл устөрөгч ба хүчилтөрөгчийг шатаахгүйгээр усны молекул болгон нэгтгэж болно гэдгийг олж мэдэв. дулаан ба цахилгаан гүйдэл ялгарах. Гроув ийм урвал явуулсан төхөөрөмжийг анхны түлшний элемент болох "хийн батерей" гэж нэрлэсэн.
Түлшний эсийн технологийн идэвхтэй хөгжил нь Дэлхийн 2-р дайны дараа эхэлсэн бөгөөд энэ нь сансрын салбартай холбоотой юм. Тухайн үед үр ашигтай, найдвартай, гэхдээ тэр үед нэлээд авсаархан эрчим хүчний эх үүсвэрийн эрэл хайгуул хийж байсан. 1960-аад онд НАСА-гийн мэргэжилтнүүд (Үндэсний Аэронавтик, Сансрын Удирдлагын газар, НАСА) түлшний эсийг Аполлон (Сар руу нисдэг нислэг), Аполло-Союз, Gemini, Skylab хөтөлбөрүүдийн сансрын хөлгүүдийн тэжээлийн эх үүсвэр болгон сонгосон. Аполло нь цахилгаан, дулаан, ус үйлдвэрлэхийн тулд криоген устөрөгч, хүчилтөрөгч ашиглан 1.5 кВт-ын гурван нэгжийг (2.2 кВт-ын оргил хүч) 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 үеэр түлшний эсүүд ямар ч доголдолгүй нийт 10 мянган цаг хуримтлагдсан байна. Одоогоор түлшний эсийг сансрын хөлөг дээрх бүх цахилгаан энергийг үүсгэдэг 12 Вт хүчин чадалтай гурван нэгжийг ашигладаг "Space Shuttle" хөлөгт ашиглаж байна (Зураг 2). Цахилгаан химийн урвалын үр дүнд олж авсан усыг ундны ус, хөргөх төхөөрөмж болгон ашигладаг.
Мөн манай улсад сансрын нисгэхэд ашиглах түлшний эсийг бий болгох ажил хийгдэж байсан. Жишээлбэл, түлшний эсийг эрчим хүчээр хангахад ашигласан Зөвлөлтийн хөлөг онгоцдахин ашиглах боломжтой "Буран".
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 нь хэд хэдэн чиглэлээр явагддаг. 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 машин, 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).
Төрөл бүрийн салбарт түлшний эсийг ашиглах жишээг Хүснэгтэнд үзүүлэв. нэг.
Барилгын бие даасан дулаан, эрчим хүчний хангамжид зориулагдсан түлшний эсийн анхны арилжааны загваруудын нэг нь ONSI корпораци (одоо United Technologies, Inc.) үйлдвэрлэсэн PC25 Model A юм. 200 кВт-ын нэрлэсэн хүчин чадалтай энэхүү түлшний эс нь фосфорын хүчил (Фосфорын хүчлийн түлшний эсүүд, PAFC) дээр суурилсан электролит бүхий эсийн төрөлд хамаарна. Загварын нэр дээрх "25" гэсэн тоо нь загварын серийн дугаарыг илэрхийлнэ. Өмнөх загваруудын ихэнх нь 1970-аад онд гарч ирсэн 12.5 кВт-ын хүчин чадалтай "PC11" загвар зэрэг туршилтын эсвэл туршилтын хэсгүүд байсан. Шинэ загварууд нь нэг түлшний эсээс 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" загварын нэгэн адил энэ нь 200 кВт-ын хүчин чадалтай PAFC төрлийн бүрэн автомат түлшний элемент бөгөөд дулаан, цахилгааны бие даасан эх үүсвэр болгон засвар үйлчилгээ хийж буй объект дээр шууд суурилуулах зориулалттай. Ийм түлшний эсийг барилгын гадна талд суурилуулж болно. Гаднах байдлаараа 5.5 м урт, 3 м өргөн, 3 м өндөр, 18140 кг жинтэй параллелепипед юм. Өмнөх загваруудаас ялгаатай нь сайжруулсан шинэчлэгч, илүү өндөр гүйдлийн нягтрал юм.
| Хүснэгт 1 Түлшний эсийн хамрах хүрээ |
|||||||||||||||
|
Зарим төрлийн түлшний эсүүдэд химийн процессыг эргүүлж болно: электродуудад боломжит зөрүүг хэрэглэснээр усыг сүвэрхэг электродууд дээр цуглуулдаг устөрөгч ба хүчилтөрөгч болгон задалж болно. Ачаалал холбогдсон үед ийм нөхөн сэргээгдэх түлшний эс нь цахилгаан эрчим хүчийг үүсгэж эхэлнэ.
Түлшний эсийг ашиглах ирээдүйтэй чиглэл бол тэдгээрийг фотоволтайк хавтан эсвэл салхин турбин зэрэг сэргээгдэх эрчим хүчний эх үүсвэртэй хослуулан ашиглах явдал юм. Энэхүү технологи нь агаарын бохирдлоос бүрэн зайлсхийх боломжийг 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 үүсвэрийн нэг болох нарны хавтан. НАСА-гийн мэргэжилтнүүдтэй хамтран фотоволтайк хавтанг ашиглан электролизийн аргаар устөрөгч, хүчилтөрөгч гаргаж авах төслийг боловсруулсан. 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
Жишээ болгон протон солилцооны мембран (Proton Exchange Membrane, PEM) бүхий хамгийн энгийн элементийг ашиглан түлшний эсийн ажиллах зарчмыг авч үзье. Ийм элемент нь анод (эерэг электрод) ба катод (сөрөг электрод) хооронд анод ба катодын катализаторын хамт байрлуулсан полимер мембранаас бүрдэнэ. Полимер мембраныг электролит болгон ашигладаг. PEM элементийн диаграммыг зурагт үзүүлэв. 5.
Протон солилцооны мембран (PEM) нь нимгэн (ойролцоогоор 2-7 хуудас зузаан энгийн цаас) хатуу органик нэгдэл юм. Энэ мембран нь электролитийн үүрэг гүйцэтгэдэг: ус байгаа нөхцөлд бодисыг эерэг ба сөрөг цэнэгтэй ион болгон ялгадаг.
Анод дээр исэлдэлтийн процесс, катод дээр бууралтын процесс явагдана. PEM эсийн анод ба катод нь нүүрстөрөгч ба цагаан алтны хэсгүүдийн холимог сүвэрхэг материалаар хийгдсэн байдаг. Платинум нь диссоциацийн урвалыг дэмждэг катализаторын үүрэг гүйцэтгэдэг. Анод ба катодыг устөрөгч болон хүчилтөрөгчөөр 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 бие даасан атомуудад задардаг (Зураг 6).
Зураг 5 () Протон солилцооны мембран (PEM) түлшний эсийн бүдүүвч диаграм |
|
Зураг 6 () Хавтан дахь сувгаар дамжин устөрөгчийн молекулууд нь анод руу орж, 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, электрон урсгал нь ачаалал холбогдсон гадаад цахилгаан хэлхээгээр 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. Ус нь химийн урвалын үр дүнд үүсдэг |
Дараа нь катализаторын оролцоотойгоор химисорбцийн үр дүнд тус бүр нь нэг электрон e - өгөгч устөрөгчийн атомууд эерэг цэнэгтэй устөрөгчийн ион H +, өөрөөр хэлбэл протон болж хувирдаг (Зураг 7).
Эерэг цэнэглэгдсэн устөрөгчийн ионууд (протонууд) мембранаар дамжин катод руу тархаж, ачаалал (цахилгаан энергийн хэрэглэгч) холбогдсон гадаад цахилгаан хэлхээгээр электрон урсгал нь 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 эс дэх химийн урвал (жишээлбэл, фосфорын хүчлийн H 3 PO 4-ийн уусмал болох хүчиллэг электролиттэй) нь протон солилцооны мембран бүхий түлшний эсийн химийн урвалтай яг адилхан юм.
Аливаа түлшний эсэд химийн урвалын энергийн нэг 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. Нэг түлшний эс нь 1.16 В-оос бага EMF-ийг хангадаг. Түлшний эсийн хэмжээг нэмэгдүүлэх боломжтой боловч практикт хэд хэдэн эсийг зайнд холбосон (Зураг 10) ашигладаг.
Түлшний эсийн төхөөрөмж
PC25 Model C загварын жишээн дээр түлшний эсийн төхөөрөмжийг авч үзье. Түлшний эсийн схемийг зурагт үзүүлэв. арван нэгэн.
Түлшний элемент "PC25 Model C" нь түлшний процессор, бодит эрчим хүч үйлдвэрлэх хэсэг, хүчдэл хувиргагч гэсэн гурван үндсэн хэсгээс бүрдэнэ.
Түлшний эсийн гол хэсэг буюу эрчим хүч үйлдвэрлэх хэсэг нь 256 бие даасан түлшний эсээс бүрдсэн стек юм. Түлшний эсийн электродын найрлагад цагаан алтны катализатор орно. Эдгээр эсүүдээр дамжуулан 155 вольтын хүчдэлд 1400 амперийн шууд цахилгаан гүйдэл үүсдэг. Батерейны хэмжээсүүд нь ойролцоогоор 2.9 м урт, 0.9 м өргөн, өндөртэй.
Цахилгаан химийн процесс нь 177 ° C-ийн температурт явагддаг тул эхлүүлэх үед зайг халааж, үйл ажиллагааны явцад дулааныг зайлуулах шаардлагатай. Үүнийг хийхийн тулд түлшний эс нь тусдаа усны хэлхээг агуулдаг бөгөөд зай нь тусгай хөргөлтийн хавтангаар тоноглогдсон байдаг.
Түлшний процессор нь байгалийн хийг устөрөгч болгон хувиргах боломжийг олгодог бөгөөд энэ нь цахилгаан химийн урвалд шаардлагатай байдаг. Энэ үйл явцыг шинэчлэл гэж нэрлэдэг. Түлшний процессорын гол элемент нь шинэчлэгч юм. Шинэчлэгчийн хувьд байгалийн хий (эсвэл бусад устөрөгч агуулсан түлш) нь никелийн катализаторын оролцоотойгоор өндөр температур (900 ° C), өндөр даралттай ууртай урвалд ордог. Дараах химийн урвал явагдана.
CH 4 (метан) + H 2 O 3H 2 + CO
(эндотермик урвал, 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
(эндотермик урвал, дулаан шингээлттэй).
Байгалийн хий хөрвүүлэхэд шаардагдах өндөр температурыг хангахын тулд түлшний эсийн яндангаас зарцуулсан түлшний нэг хэсгийг шинэчлэгчийг шаардлагатай температурт байлгах шарагч руу чиглүүлдэг.
Түлшний эсийн үйл ажиллагааны явцад үүссэн конденсатаас шинэчлэлт хийхэд шаардагдах уурыг үүсгэдэг. Энэ тохиолдолд түлшний эсийн яндангаас гаргаж авсан дулааныг ашиглана (Зураг 12).
Түлшний эсийн стек нь завсарлагатай шууд гүйдлийг үүсгэдэг бөгөөд энэ нь бага хүчдэл, өндөр гүйдэлтэй байдаг. Үүнийг үйлдвэрлэлийн стандарт 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 эрчим хүчний 40 орчим хувийг түлш болгон хувиргах боломжтой дулааны энерги, дараа нь халаалт, халуун ус хангамж, ижил төстэй зориулалтаар дулааны эх үүсвэр болгон ашигладаг. Тиймээс ийм үйлдвэрийн нийт үр ашиг 80% хүрч чадна.
Ийм дулаан, цахилгааны эх үүсвэрийн чухал давуу тал нь автоматаар ажиллах боломж юм. Засвар үйлчилгээний хувьд түлшний элемент суурилуулсан байгууламжийн эзэд тусгайлан бэлтгэгдсэн боловсон хүчнийг ажиллуулах шаардлагагүй. үечилсэн засвар үйлчилгээүйл ажиллагаа явуулж буй байгууллагын ажилтнууд гүйцэтгэж 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 (фосфорын) 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 (Хатуу исэл түлшний эсүүд, SOFC). Одоогийн байдлаар түлшний эсийн хамгийн том флотыг PAFC технологид үндэслэн байгуулж байна.
Гол онцлогуудын нэг янз бүрийн төрөлтүлшний эс нь ажлын температур юм. Олон талаараа энэ нь түлшний эсийн хамрах хүрээг 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.
Барилгын бие даасан эрчим хүчний хангамжийн хувьд өндөр суурилагдсан хүчин чадалтай түлшний эсүүд шаардлагатай бөгөөд үүнтэй зэрэгцэн дулааны энергийг ашиглах боломжтой 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 нягтралаар тодорхойлогддог бөгөөд гаралтын хүчийг хурдан тохируулах боломжийг олгодог бөгөөд хурдан асаах боломжтой. Энэ төрлийн элементүүдийн 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 корпораци НАСА-д зориулан бүтээжээ. Энэ төрлийн түлшний эсүүд нь Proton Exchange Membrane (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 байдлаасаа шалтгаалан ийм түлшний эсийг жолоодлогын эх үүсвэр болгон ашигладаг байв сансрын хөлөгИхэр.
Энэ төрлийн түлшний эсийг гар утаснаас эхлээд автобус, суурин эрчим хүчний систем хүртэл загвар, загвар зэрэг олон төрлийн төхөөрөмжүүдийн тэжээлийн эх үүсвэр болгон ашигладаг. Ашиглалтын бага температур нь ийм эсүүдийг янз бүрийн төрлийн цогцолборыг тэжээхэд ашиглах боломжийг олгодог электрон тоног төхөөрөмж. Үр ашиг багатай нь их хэмжээний дулааны эрчим хүч шаардагдах нийтийн болон үйлдвэрлэлийн барилга байгууламжийг дулаан, эрчим хүчний хангамжийн эх үүсвэр болгон ашиглах явдал юм. 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 |
||||||||||||||||||||
|
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 чиглэл нь дунд эрчим хүчний (ойролцоогоор 200 кВт) дулаан, эрчим хүчний хангамжийн бие даасан эх үүсвэр юм.
Эдгээр түлшний эсүүдэд ашигладаг электролит нь фосфорын хүчлийн уусмал юм. Электродууд нь нүүрстөрөгчөөр бүрсэн цаасаар хийгдсэн бөгөөд үүнд цагаан алтны катализатор тархсан байдаг.
PAFC түлшний эсийн цахилгаан үр ашиг 37-42% байна. Гэсэн хэдий ч эдгээр түлшний эсүүд нь хангалттай 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 хүхрийн нэгдлүүдийг зайлуулах шаардлагатай.
PAFC түлшний эсүүд нь эдийн засгийн үндэслэлтэй 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-Йоркийн төв цэцэрлэгт хүрээлэнгийн цагдаагийн газарт дулаан, цахилгааны эх үүсвэр эсвэл Conde Nast Building & Four Times Square-ийн эрчим хүчний нэмэлт эх үүсвэр болгон ашигладаг. Энэ төрлийн хамгийн том станц нь Японд байрладаг 11 МВт-ын хүчин чадалтай цахилгаан станц болохыг туршиж байна.
Фосфорын хүчилд суурилсан 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 50 кВт-ын цахилгаан станц бүхий автобусыг тоноглосон.
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 шаардлагагүйгээр шууд эсийн дотор ашиглах боломжийг олгодог. Энэ үйл явцыг "дотоод шинэчлэл" гэж нэрлэдэг. 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 дулаан, цахилгааны томоохон суурин эх үүсвэрүүд юм. Гэсэн хэдий ч тэдгээр нь түлшний хувиргах өндөр үр ашигтайгаар ялгагдана - 60% цахилгааны үр ашиг, 85% хүртэл ерөнхий үр ашиг.
Энэ төрлийн түлшний эсийн электролит нь калийн карбонат ба литийн карбонатын давсаас бүрддэг бөгөөд ойролцоогоор 650 ° C хүртэл халаадаг. Ийм нөхцөлд давс нь электролит үүсгэдэг хайлсан төлөвт байна. Анод дээр устөрөгч нь CO 3 ионтой харилцан үйлчилж, ус, нүүрстөрөгчийн давхар ислийг үүсгэж, гадаад хэлхээнд илгээгдсэн электронуудыг ялгаруулдаг 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 эрдэмтэн Г.Х.Ж.Броерс, Ж.А.Кетелаар нар бүтээжээ. 1960-аад онд 17-р зууны Английн алдарт зохиолч, эрдэмтний удмын инженер Фрэнсис Т.Бэкон эдгээр элементүүдтэй ажиллаж байсан тул MCFC түлшний эсийг Бэкон элемент гэж нэрлэдэг. НАСА-гийн Аполлон, Аполлон-Союз, Скилла хөтөлбөрүүд нь яг ийм түлшний эсийг эрчим хүчний эх үүсвэр болгон ашигласан (Зураг 14). Мөн тэр жилүүдэд АНУ-ын цэргийн алба Техас Инструментс компанийн үйлдвэрлэсэн MCFC түлшний эсийн хэд хэдэн дээжийг туршсан бөгөөд үүнд армийн ангиллын бензинийг түлш болгон ашигладаг байжээ. 1970-аад оны дундуур АНУ-ын Эрчим хүчний яам практик хэрэглээнд тохиромжтой суурин хайлсан карбонат түлшний эсийг бүтээхээр судалгаа хийж эхэлсэн. 1990-ээд онд Калифорни дахь АНУ-ын тэнгисийн цэргийн агаарын станц Мирамар гэх мэт 250 кВт хүртэл хүчин чадалтай хэд хэдэн арилжааны нэгжүүд ашиглалтад орсон. 1996 онд FuelCell Energy, Inc. онд эхлүүлсэн туршилтын ажиллагааКалифорниа мужийн Санта Клара дахь 2 МВт-ын хүчин чадалтай үйлдвэр.
Хатуу төлөвт исэл түлшний эсүүд (SOFC)
Хатуу төлөвт ислийн түлшний эсүүд нь дизайны хувьд энгийн бөгөөд маш өндөр температурт ажилладаг - 700-1000 ° C. Ийм өндөр температур нь харьцангуй "бохир", боловсруулаагүй түлшийг ашиглах боломжийг олгодог. Хайлсан карбонат дээр суурилсан түлшний эсүүдтэй ижил шинж чанарууд нь ижил төстэй хэрэглээний талбарыг тодорхойлдог - дулаан, цахилгааны том суурин эх үүсвэр.
Хатуу исэл түлшний эсүүд нь PAFC болон MCFC технологид суурилсан түлшний эсүүдээс бүтцийн хувьд ялгаатай. Анод, катод, электролит нь тусгай зэрэглэлийн керамикаар хийгдсэн байдаг. Ихэнхдээ цирконы исэл ба кальцийн оксидын холимогийг электролит болгон ашигладаг боловч бусад ислийг 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 үйлдвэрлэхэд ашиглах боломжийг олгодог. Үүний үр дүнд хатуу төлөвт исэлдсэн түлшний эсүүд нь маш өндөр температурт ажиллах чадвартай тул цахилгаан болон дулааны эрчим хүчийг үйлдвэрлэхэд ашиглаж болно.
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 устөрөгч нь байгалийн хийнээс шууд эсэд ялгардаг, өөрөөр хэлбэл тусдаа шинэчлэгч байх шаардлагагүй.
1930-аад оны сүүлээр Швейцарийн эрдэмтэд Бауэр (Эмил Бауэр), Преис (Х.Прейс) нар циркони, иттрий, церий, лантан, вольфрамыг ашиглан туршилт хийснээр хатуу төлөвт ислийн түлшний эсийг бий болгох онолын үндэс тавигдсан. электролит хэлбэрээр.
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 энэ онд хүлээгдэж буй хоолойн топологийн хатуу исэл түлшний эсийн арилжааны загварын урьдчилсан захиалгыг хүлээн авч байна (Зураг 15). Ийм элементүүдийн зах зээлийн сегмент нь 250 кВт-аас 5 МВт-ын хүчин чадалтай дулаан, цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх суурин суурилуулалт юм.
SOFC төрлийн түлшний эсүүд нь маш өндөр найдвартай байдлыг харуулсан. Жишээлбэл, Siemens Westinghouse-ийн түлшний эсийн прототип нь 16,600 цаг ажилласан бөгөөд 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 үйлдвэр Калифорни мужийн Ирвин хотод ажиллаж байна. Энэ станцын нэрлэсэн хүчин чадал нь 220 кВт, үүнээс 200 кВт нь түлшний эсээс, 20 кВт нь микротурбин генератороос.
АНУ устөрөгчийн түлшний эсүүд, 2020 он гэхэд түлшний эсийн тээврийн хэрэгслийг практик, хэмнэлттэй болгох дэд бүтэц, технологийг хөгжүүлэх хэд хэдэн санаачилга гаргасан. Эдгээр зорилгоор нэг тэрбум гаруй доллар хуваарилсан.
Түлшний эсүүд нь бохирдолгүйгээр чимээгүй, үр ашигтайгаар цахилгаан үүсгэдэг орчин. Шатахууны эрчим хүчний эх үүсвэрээс ялгаатай нь түлшний эсийн дайвар бүтээгдэхүүн нь дулаан, ус юм. Хэрхэн ажилладаг?
Энэ нийтлэлд бид одоо байгаа зүйл бүрийг товчхон авч үзэх болно түлшний технологиӨнөөдөр түлшний эсийн дизайн, ашиглалтын талаар ярихаас гадна эрчим хүчний үйлдвэрлэлийн бусад хэлбэрүүдтэй харьцуулж үзээрэй. Мөн бид түлшний эсийг хэрэглэгчдэд практик, боломжийн үнэтэй болгоход судлаачдад тулгарч буй зарим саад бэрхшээлийн талаар ярилцах болно.
Түлшний эсүүд нь цахилгаан химийн энерги хувиргах төхөөрөмж. Түлшний эсийг хувиргадаг химийн бодисууд, устөрөгч ба хүчилтөрөгчийг ус болгон хувиргаж, улмаар цахилгаан үүсгэдэг.
Бидний сайн мэддэг өөр нэг цахилгаан химийн төхөөрөмж бол зай юм. Зай нь дотор нь шаардлагатай бүх химийн элементүүдийг агуулдаг бөгөөд эдгээр бодисыг цахилгаан болгон хувиргадаг. Энэ нь батерейг эцэст нь "үхэх" бөгөөд та үүнийг хаях эсвэл дахин цэнэглэнэ гэсэн үг юм.
Түлшний эсэд химийн бодис байнга орж ирдэг тул хэзээ ч "үхдэггүй". Химийн бодисууд эсэд орж ирэхэд л цахилгаан үүснэ. Өнөөдөр ашиглагдаж буй ихэнх түлшний эсүүд устөрөгч болон хүчилтөрөгчийг ашигладаг.
Устөрөгч бол манай галактикийн хамгийн элбэг байдаг элемент юм. Гэсэн хэдий ч устөрөгч нь дэлхий дээр элемент хэлбэрээр бараг байдаггүй. Инженер, эрдэмтэд устөрөгчийн нэгдлээс, тэр дундаа чулуужсан түлш эсвэл уснаас цэвэр устөрөгч гаргаж авах ёстой. Эдгээр нэгдлүүдээс устөрөгчийг гаргаж авахын тулд та дулаан эсвэл цахилгаан хэлбэрээр эрчим хүч зарцуулах хэрэгтэй.
Түлшний эсийн шинэ бүтээл
Сэр Уильям Гроув 1839 онд анхны түлшний эсийг зохион бүтээжээ. Гроув усыг цахилгаан гүйдэл дамжуулснаар устөрөгч, хүчилтөрөгч болон хуваагдаж болно гэдгийг мэдэж байсан (энэ процессыг электролиз). Урвуу дарааллаар цахилгаан, ус авч болно гэж тэр санал болгов. Тэрээр анхдагч түлшний эсийг бүтээж, түүнийг нэрлэсэн хийн гальваник батерей. Гроув шинэ бүтээлээ туршиж үзсэнийхээ дараа өөрийн таамаглалыг баталжээ. Тавин жилийн дараа эрдэмтэд Людвиг Монд, Чарльз Лангер нар энэ нэр томъёог гаргажээ түлшний эсүүдэрчим хүч үйлдвэрлэх практик загварыг бий болгохыг оролдох үед.
Түлшний эс нь хотын цахилгаан станцуудын хийн турбин, автомашины дотоод шаталтат хөдөлгүүр, бүх төрлийн батерей зэрэг бусад олон эрчим хүч хувиргах төхөөрөмжтэй өрсөлдөх болно. Хийн турбин гэх мэт дотоод шаталтат хөдөлгүүрүүд шатдаг янз бүрийн төрөлтүлш болон хийн тэлэлтээс үүссэн даралтыг механик ажил гүйцэтгэхэд ашиглана. Батерей нь шаардлагатай үед химийн энергийг цахилгаан энерги болгон хувиргадаг. Түлшний эсүүд эдгээр ажлыг илүү үр дүнтэй гүйцэтгэх хэрэгтэй.
Түлшний элемент нь цахилгаан мотор, гэрэлтүүлэг болон бусад цахилгаан хэрэгслийг тэжээхэд ашиглаж болох DC (шууд гүйдэл) хүчдэлийг хангадаг.
Хэд хэдэн төрлийн түлшний эсүүд байдаг бөгөөд тус бүр нь өөр өөр химийн процессыг ашигладаг. Түлшний эсийг ихэвчлэн тэдгээрийн дагуу ангилдаг Үйлдлийн температурболон төрөлэлектролит,тэдний ашигладаг. Зарим төрлийн түлшний эсүүд нь суурин цахилгаан станцуудад ашиглахад тохиромжтой. Бусад нь жижиг зөөврийн төхөөрөмж эсвэл машиныг тэжээхэд хэрэгтэй байж болно. Түлшний эсийн үндсэн төрлүүд нь:
Полимер солилцооны мембран түлшний эс (PEMFC)
PEMFC нь тээврийн програмд хамгийн магадлалтай нэр дэвшигч гэж тооцогддог. PEMFC нь өндөр хүчин чадалтай, харьцангуй бага ажиллах температуртай (60-аас 80 градусын температурт). Ашиглалтын температур бага байгаа нь түлшний эсүүд хурдан дулаарч цахилгаан үүсгэж эхэлдэг гэсэн үг юм.
Хатуу исэл түлшний эс (SOFC)
Эдгээр түлшний эсүүд нь үйлдвэр, хотыг цахилгаан эрчим хүчээр хангах боломжтой том суурин цахилгаан үүсгүүрт хамгийн тохиромжтой. Энэ төрлийн түлшний эс нь маш өндөр температурт (700-аас 1000 хэм хүртэл) ажилладаг. Өндөр температур нь найдвартай байдлын асуудал юм, учир нь зарим түлшний эсүүд асаах, унтраах хэд хэдэн мөчлөгийн дараа бүтэлгүйтдэг. Гэсэн хэдий ч хатуу исэл түлшний эсүүд тасралтгүй ажиллахад маш тогтвортой байдаг. Үнэн хэрэгтээ, SOFCs нь тодорхой нөхцөлд ямар ч түлшний эсийн хамгийн урт ашиглалтын хугацааг харуулсан. Өндөр температур нь түлшний эсүүдээс үүссэн уурыг турбин руу чиглүүлж, илүү их цахилгаан үйлдвэрлэх давуу талтай юм. Энэ процессыг нэрлэдэг дулаан, цахилгааныг нэгтгэхмөн системийн ерөнхий үр ашгийг дээшлүүлдэг.
Шүлтлэг түлшний эс (AFC)
Энэ нь 1960-аад оноос хойш ашигласан түлшний эсийн хамгийн эртний загваруудын нэг юм. AFC нь цэвэр устөрөгч, хүчилтөрөгч шаарддаг тул бохирдолд маш мэдрэмтгий байдаг. Үүнээс гадна тэдгээр нь маш үнэтэй тул ийм төрлийн түлшний эсийг бөөнөөр үйлдвэрлэх магадлал багатай юм.
Хайлсан карбонат түлшний эс (MCFC)
SOFC-ийн нэгэн адил эдгээр түлшний эсүүд нь том суурин цахилгаан станц, генераторуудад хамгийн тохиромжтой. Тэд Цельсийн 600 градусын температурт ажилладаг тул уур үүсгэж, улмаар илүү их эрчим хүч үйлдвэрлэхэд ашиглаж болно. Тэд хатуу исэл түлшний эсээс бага ажиллах температуртай байдаг тул ийм халуунд тэсвэртэй материал хэрэггүй гэсэн үг юм. Энэ нь тэднийг бага зэрэг хямд болгодог.
Фосфорын хүчлийн түлшний эс (PAFC)
Фосфорын хүчлийн түлшний эсбага оврын суурин эрчим хүчний системд ашиглах боломжтой. Энэ нь полимер солилцооны мембран түлшний эсээс өндөр температурт ажилладаг тул халаахад удаан хугацаа шаардагдах тул автомашины хэрэглээнд тохиромжгүй болгодог.
Метанол түлшний эсүүд Шууд метанол түлшний эсүүд (DMFC)
Метанолын түлшний эсүүд нь үйл ажиллагааны температурын хувьд PEMFC-тэй харьцуулах боломжтой боловч үр ашигтай байдаггүй. Нэмж дурдахад, DMFC нь катализаторын хувьд маш их цагаан алт шаарддаг бөгөөд энэ нь эдгээр түлшний эсүүдийг үнэтэй болгодог.
Полимер солилцооны мембран бүхий түлшний эс
Полимер солилцооны мембран түлшний эс (PEMFC) нь түлшний эсийн хамгийн ирээдүйтэй технологийн нэг юм. PEMFC нь аливаа түлшний эсийн хамгийн энгийн урвалуудын нэгийг ашигладаг. Энэ нь юунаас бүрддэгийг анхаарч үзээрэй.
1. ГЭХДЭЭ зангилаа – Түлшний эсийн сөрөг терминал. Энэ нь устөрөгчийн молекулуудаас ялгардаг электронуудыг дамжуулдаг бөгөөд үүний дараа тэдгээрийг гадаад хэлхээнд ашиглаж болно. Энэ нь катализаторын гадаргуу дээр устөрөгчийн хий жигд тархдаг суваг бүхий сийлбэртэй байдаг.
2.руу атом - түлшний эсийн эерэг терминал нь катализаторын гадаргуу дээр хүчилтөрөгчийг түгээх сувагтай байдаг. Энэ нь мөн катализаторын гаднах гинжин хэлхээнээс электронуудыг буцааж дамжуулдаг бөгөөд тэдгээр нь устөрөгч болон хүчилтөрөгчийн ионуудтай нэгдэж ус үүсгэдэг.
3.Электролит-протон солилцооны мембран. Энэ нь зөвхөн эерэг цэнэгтэй ионуудыг дамжуулж, электронуудыг блоклодог тусгайлан боловсруулсан материал юм. PEMFC-д мембран нь хэвийн ажиллаж, тогтвортой байхын тулд чийгшүүлсэн байх ёстой.
4. Катализаторхүчилтөрөгч ба устөрөгчийн урвалыг дэмждэг тусгай материал юм. Энэ нь ихэвчлэн нүүрстөрөгчийн цаас эсвэл даавуунд маш нимгэн хуримтлагдсан цагаан алтны нано хэсгүүдээр хийгдсэн байдаг. Катализатор нь гадаргуугийн бүтэцтэй бөгөөд цагаан алтны гадаргуугийн хамгийн их талбай нь устөрөгч эсвэл хүчилтөрөгчийн нөлөөнд автдаг.
Зурагт устөрөгчийн хий (H2) даралт дор анод талаас түлшний элемент рүү орж байгааг харуулж байна. H2 молекул нь катализатор дээр цагаан алттай хүрэлцэх үед хоёр H+ ион, хоёр электрон болон хуваагдана. Электронууд нь гадаад хэлхээнд ашиглагддаг анодоор дамждаг (гүйцэтгэнэ ашигтай ажил, моторын эргэлт гэх мэт) ба түлшний элементийн катодын тал руу буцна.
Үүний зэрэгцээ түлшний эсийн катодын тал дээр агаараас хүчилтөрөгч (O2) нь катализатороор дамжин хоёр хүчилтөрөгчийн атом үүсгэдэг. Эдгээр атом бүр хүчтэй сөрөг цэнэгтэй байдаг. Энэ сөрөг цэнэг нь мембраны дундуур хоёр H+ ионыг татаж, хүчилтөрөгчийн атом болон гадаад хэлхээний хоёр электронтой нийлж усны молекул (H2O) үүсгэдэг.
Нэг түлшний эс дэх энэхүү урвал нь зөвхөн ойролцоогоор 0.7 вольт үүсгэдэг. Хүчдэлийг боломжийн түвшинд хүргэхийн тулд олон бие даасан түлшний эсийг нэгтгэж, түлшний эсийн яндан үүсгэх шаардлагатай. Хоёр туйлт ялтсууд нь нэг түлшний эсийг нөгөөд холбоход хэрэглэгддэг ба потенциал буурах исэлдэлтэнд ордог. Хоёр туйлт ялтсуудын хамгийн том асуудал бол тэдний тогтвортой байдал юм. Металл хоёр туйлт хавтанг зэврүүлж, дайвар бүтээгдэхүүн (төмөр ба хромын ионууд) нь түлшний эсийн мембран, электродын үр ашгийг бууруулдаг. Тиймээс бага температурт түлшний эсүүд нь хөнгөн металл, бал чулуу, нүүрстөрөгчийн нийлмэл нэгдлүүд болон термостат (термостат материал нь өндөр температурт тэсвэртэй байсан ч гэсэн нэг төрлийн хуванцар юм) хоёр туйлт хуудас материал хэлбэрээр ашигладаг.
Түлшний эсийн үр ашиг
Бохирдлыг бууруулах нь түлшний эсийн гол зорилтуудын нэг юм. Түлшний эсээр ажилладаг машиныг бензин хөдөлгүүрээр ажилладаг машин, батерейгаар ажилладаг машинтай харьцуулж үзвэл түлшний эсүүд машины үр ашгийг хэрхэн сайжруулж болохыг харж болно.
Гурван төрлийн машин бүгд ижил бүрэлдэхүүн хэсгүүдтэй тул бид машины энэ хэсгийг үл тоомсорлож, харьцуулах болно ашигтай үйлдлүүдмеханик энерги үүсэх цэг хүртэл. Түлшний эсийн машинаас эхэлье.
Хэрэв түлшний эс нь цэвэр устөрөгчөөр ажилладаг бол түүний үр ашиг 80 хүртэл хувьтай байдаг. Ийнхүү устөрөгчийн энергийн 80 хувийг цахилгаан болгон хувиргадаг. Гэсэн хэдий ч бид цахилгаан эрчим хүчийг механик ажил болгон хувиргах шаардлагатай хэвээр байна. Энэ нь цахилгаан мотор болон инвертерийн тусламжтайгаар хийгддэг. Мотор + инвертерийн үр ашиг мөн ойролцоогоор 80 хувь байна. Энэ нь ойролцоогоор 80*80/100=64 хувийн ерөнхий үр ашгийг өгдөг. Honda-ийн FCX концепцийн машин нь 60 хувийн эрчим хүчний хэмнэлттэй байдаг.
Хэрэв түлшний эх үүсвэр нь цэвэр устөрөгчийн хэлбэрт ороогүй бол тээврийн хэрэгсэлбас шинэчлэгч хэрэгтэй болно. Шинэчлэгч нар нүүрсустөрөгч буюу спиртийн түлшийг устөрөгч болгон хувиргадаг. Тэд дулааныг үүсгэж, устөрөгчөөс гадна CO, CO2 үүсгэдэг. Үүссэн устөрөгчийг цэвэршүүлэхийн тулд тэд ашигладаг янз бүрийн төхөөрөмж, гэхдээ энэ цэвэрлэгээ хангалтгүй бөгөөд түлшний эсийн үр ашгийг бууруулдаг. Тиймээс судлаачид устөрөгчийг үйлдвэрлэх, хадгалахтай холбоотой асуудлуудыг үл харгалзан цэвэр устөрөгчөөр ажилладаг тээврийн хэрэгслийн түлшний эсүүдэд анхаарлаа хандуулахаар шийджээ.
Бензин хөдөлгүүр ба автомашины цахилгаан батерейны үр ашиг
Бензинээр ажилладаг машины үр ашиг нь гайхалтай бага байдаг. Яндангаар гадагшилдаг эсвэл радиаторт шингэсэн бүх дулаан нь дэмий үрсэн энерги юм. Хөдөлгүүр нь янз бүрийн насос, сэнс, генераторуудыг эргүүлэхэд маш их энерги зарцуулдаг. Тиймээс автомашины бензин хөдөлгүүрийн нийт үр ашиг ойролцоогоор 20 хувь байна. Ийнхүү бензиний дулааны энергийн ердөө 20 орчим хувь нь механик ажил болж хувирдаг.
Зайгаар ажилладаг цахилгаан машин нь нэлээд өндөр үр ашигтай байдаг. Батерей нь ойролцоогоор 90 хувийн үр ашигтай (ихэнх батерей нь бага зэрэг дулаан үүсгэдэг эсвэл халаалт шаарддаг), мотор + инвертер нь ойролцоогоор 80 хувийн үр ашигтай байдаг. Энэ нь ойролцоогоор 72 хувийн үр ашгийг өгдөг.
Гэхдээ энэ нь бүгд биш юм. Цахилгаан машиныг хөдөлгөхийн тулд эхлээд хаа нэгтээ цахилгаан үйлдвэрлэх ёстой. Хэрэв энэ нь чулуужсан түлшний шаталтын процессыг ашигласан цахилгаан станц байсан бол (цөм, усан цахилгаан, нар, салхины эрчим хүч гэхээсээ илүү) цахилгаан станцын хэрэглэж буй түлшний дөнгөж 40 орчим хувийг цахилгаан болгон хувиргасан. Түүнчлэн, машиныг цэнэглэх үйл явц нь хувьсах гүйдлийн хүчийг тогтмол гүйдлийн (DC) хүч болгон хувиргах шаардлагатай байдаг. Энэ процесс нь ойролцоогоор 90 хувийн үр ашигтай байдаг.
Одоо бүхэл бүтэн циклийг нь авч үзвэл цахилгаан тээврийн хэрэгслийн үр ашиг нь машин өөрөө 72 хувь, цахилгаан станцад 40 хувь, машиныг цэнэглэхэд 90 хувь байна. Энэ нь нийт 26 хувийн үр ашгийг өгдөг. Батерейг цэнэглэхэд ямар цахилгаан станц ашиглаж байгаагаас хамааран ерөнхий үр ашиг нь ихээхэн ялгаатай байдаг. Хэрэв автомашины цахилгаан эрчим хүчийг жишээлбэл, усан цахилгаан станц үйлдвэрлэдэг бол цахилгаан машины үр ашиг 65 орчим хувь болно.
Эрдэмтэд түлшний эсийн үр ашгийг дээшлүүлэхийн тулд дизайныг судалж, боловсронгуй болгож байна. Шинэ арга замуудын нэг нь түлшний эс болон батарейгаар ажилладаг тээврийн хэрэгслийг хослуулах явдал юм. Түлшний эсээр ажилладаг эрлийз цахилгаан дамжуулах төхөөрөмжөөр ажиллах концепцийн автомашиныг боловсруулж байна. Энэ нь литийн зайг ашиглан машиныг тэжээдэг бол түлшний эс нь зайгаа цэнэглэдэг.
Түлшний эсийн тээврийн хэрэгсэл нь чулуужсан түлшгүй цахилгаан станцаас цэнэглэгддэг батарейгаар ажилладаг машинтай адил үр ашигтай байдаг. Гэхдээ ийм чадавхид хүрэх нь практик болон хүртээмжтэй аргахэцүү байж магадгүй.
Яагаад түлшний эсийг ашигладаг вэ?
Гол шалтгаан нь газрын тостой холбоотой бүх зүйл. Америк нефтийнхээ бараг 60 хувийг импортлох ёстой. 2025 он гэхэд импорт 68 хувьд хүрэх төлөвтэй байна. Америкчууд өдөр бүр газрын тосныхоо гуравны хоёрыг тээвэрлэхэд ашигладаг. Гудамжинд байгаа машин бүр эрлийз машин байсан ч 2025 он гэхэд АНУ 2000 онд америкчуудын хэрэглэж байсан хэмжээний тосыг хэрэглэх ёстой. Үнэхээр Америк дэлхийн нийт нефтийн дөрөвний нэгийг хэрэглэдэг ч дэлхийн хүн амын дөнгөж 4.6 хувь нь энд амьдардаг.
Хямдхан эх үүсвэрүүд шавхагдаж байгаа тул ойрын хэдэн арван жилд нефтийн үнэ өссөөр байна гэж шинжээчид үзэж байна. Газрын тосны компаниудхөгжих ёстой газрын тосны талбайнуудулам хүндэрсэн нөхцөлд газрын тосны үнэ өсөхөд хүргэж байна.
Айдас нь илүү хол байдаг эдийн засгийн аюулгүй байдал. Газрын тосны борлуулалтаас олсон орлогын ихээхэн хэсгийг олон улсын терроризм, радикал улс төрийн намууд, газрын тос олборлогч бүс нутгийн тогтворгүй байдлыг дэмжихэд зарцуулдаг.
Газрын тос болон бусад чулуужсан түлшийг эрчим хүч болгон ашиглах нь бохирдол үүсгэдэг. Хүн бүр өөр хувилбарыг хайж олох нь хамгийн сайн арга юм - эрчим хүчний зориулалтаар чулуужсан түлш шатаах.
Түлшний эсүүд нь газрын тосны хамаарлаас илүү сонирхолтой хувилбар юм. Түлшний эсүүд нь бохирдуулахын оронд дайвар бүтээгдэхүүн болох цэвэр усыг үйлдвэрлэдэг. Инженерүүд бензин, байгалийн хий гэх мэт янз бүрийн чулуужсан эх үүсвэрээс устөрөгч үйлдвэрлэхэд түр зуур анхаарлаа хандуулж байсан ч ирээдүйд устөрөгч үйлдвэрлэх сэргээгдэх, байгаль орчинд ээлтэй аргуудыг судалж байна. Хамгийн ирээдүйтэй нь мэдээж уснаас устөрөгч авах үйл явц байх болно.
Газрын тосны хамаарал, дэлхийн дулаарал нь олон улсын асуудал болоод байна. Түлшний эсийн технологийн судалгаа, хөгжүүлэлтийн хөгжилд хэд хэдэн улс хамтран оролцож байна.
Түлшний эсийг өөр хувилбар болгохоос өмнө эрдэмтэд, үйлдвэрлэгчид маш их ажил хийх ёстой нь ойлгомжтой. орчин үеийн аргуудэрчим хүчний үйлдвэрлэл. Гэсэн хэдий ч дэлхий нийт, дэлхийн хамтын ажиллагааны дэмжлэгтэйгээр түлшний эсэд суурилсан эрчим хүчний систем нь хэдэн арван жилийн дараа бодит байдал болж чадна.
мазут ( мазут) нь химийн энергийг цахилгаан энерги болгон хувиргадаг төхөөрөмж юм. Энэ нь зарчмын хувьд ердийн батерейтай төстэй боловч цахилгаан химийн урвал явагдахын тулд түүний үйл ажиллагаанд гаднаас байнга бодис нийлүүлэх шаардлагатай байдгаараа ялгаатай. Устөрөгч, хүчилтөрөгчийг түлшний эсүүдэд нийлүүлдэг бөгөөд гаралт нь цахилгаан, ус, дулаан юм. Тэдний давуу тал нь байгаль орчинд ээлтэй, найдвартай, удаан эдэлгээтэй, ажиллахад хялбар байдаг. Ердийн батерейгаас ялгаатай нь цахилгаан химийн хувиргагч нь түлш байгаа үед бараг хязгааргүй ажиллах боломжтой. Тэдгээрийг бүрэн цэнэглэх хүртэл хэдэн цагийн турш цэнэглэх шаардлагагүй. Түүгээр ч зогсохгүй хөдөлгүүр унтарсан машин зогсож байхад эсүүд өөрсдөө зайгаа цэнэглэж чаддаг.
Протон мембран түлшний эсүүд (PEMFC) болон хатуу исэл түлшний эсүүд (SOFC) нь устөрөгчийн тээврийн хэрэгсэлд хамгийн өргөн хэрэглэгддэг.
Протон солилцооны мембрантай түлшний эс нь дараах байдлаар ажилладаг. Анод ба катодын хооронд тусгай мембран, цагаан алтаар бүрсэн катализатор байдаг. Устөрөгч нь анод руу, хүчилтөрөгч нь катод руу ордог (жишээлбэл, агаараас). Анод дээр устөрөгчийг катализаторын тусламжтайгаар протон ба электрон болгон задалдаг. Устөрөгчийн протонууд мембранаар дамжин катод руу ордог бол электронууд нь гадаад хэлхээнд дамждаг (мембран нь тэдгээрийг нэвтрүүлэхгүй). Ийнхүү олж авсан боломжит ялгаа нь цахилгаан гүйдэл үүсэхэд хүргэдэг. Катодын тал дээр устөрөгчийн протонууд хүчилтөрөгчөөр исэлддэг. Үүний үр дүнд машины утааны хийн гол элемент болох усны уур үүсдэг. Өндөр үр ашигтай PEM эсүүд нь нэг чухал сул талтай байдаг - тэдгээрийн үйл ажиллагаа нь цэвэр устөрөгч шаарддаг бөгөөд үүнийг хадгалах нь нэлээд ноцтой асуудал юм.
Хэрэв эдгээр эсийн доторх үнэтэй цагаан алтыг орлох ийм катализатор олдвол цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх хямд түлшний эс нэн даруй бий болох бөгөөд энэ нь дэлхийн газрын тосны хараат байдлаас ангижрах болно гэсэн үг юм.
Хатуу исэл эсүүд
Хатуу ислийн SOFC эсүүд түлшний цэвэр байдалд хамаагүй бага шаардлага тавьдаг. Үүнээс гадна, POX-ийн шинэчлэгч (Хэсэгчилсэн исэлдэлт - хэсэгчилсэн исэлдэлт) хэрэглэсний ачаар ийм эсүүд энгийн бензинийг түлш болгон хэрэглэж болно. Бензинийг шууд цахилгаан болгон хувиргах үйл явц дараах байдалтай байна. Тусгай төхөөрөмж - шинэчлэгч, ойролцоогоор 800 хэмийн температурт бензин ууршиж, түүний бүрэлдэхүүн хэсгүүдэд задардаг.
Энэ нь устөрөгч болон нүүрстөрөгчийн давхар ислийг ялгаруулдаг. Цаашилбал, мөн температурын нөлөөн дор, SOFC-ийн тусламжтайгаар шууд (сүвэрхэг керамик материалцирконы исэлд үндэслэсэн), устөрөгч нь агаар дахь хүчилтөрөгчөөр исэлддэг. Бензинээс устөрөгчийг олж авсны дараа процесс нь дээр дурдсан хувилбарын дагуу үргэлжлэх бөгөөд зөвхөн нэг ялгаа нь: SOFC түлшний эс нь устөрөгч дээр ажилладаг төхөөрөмжөөс ялгаатай нь анхны түлш дэх гадны хольцод бага мэдрэмтгий байдаг. Тиймээс бензиний чанар нь түлшний эсийн гүйцэтгэлд нөлөөлөх ёсгүй.
SOFC-ийн ажлын өндөр температур (650-800 градус) нь мэдэгдэхүйц сул тал бөгөөд халаах процесс нь ойролцоогоор 20 минут болдог. Гэсэн хэдий ч илүүдэл дулаан нь шинэчлэгч болон түлшний эсээс үүссэн агаар, утааны хийгээр бүрэн арилдаг тул асуудал биш юм. Энэ нь SOFC системийг дулаан тусгаарлагдсан орон сууцанд бие даасан төхөөрөмж болгон тээврийн хэрэгсэлд нэгтгэх боломжийг олгодог.
Модульчлагдсан бүтэц нь шаардлагатай хүчдэлд хүрэх боломжийг олгодог цуваа холболтстандарт эсийн багц. Магадгүй хамгийн чухал нь ийм төхөөрөмжийг нэвтрүүлэх үүднээс авч үзвэл SOFC-д маш үнэтэй платин дээр суурилсан электродууд байдаггүй. Эдгээр элементүүдийн өндөр өртөг нь PEMFC технологийг хөгжүүлэх, түгээн дэлгэрүүлэхэд тулгарч буй бэрхшээлүүдийн нэг юм.
Түлшний эсийн төрлүүд
Одоогийн байдлаар ийм төрлийн түлшний эсүүд байдаг.
- A.F.C.– Шүлтлэг түлшний эс (шүлтлэг түлшний эс);
- PAFC– Фосфорын хүчлийн түлшний эс (фосфорын хүчлийн түлшний эс);
- PEMFC– Протон солилцооны мембран түлшний эс (протон солилцооны мембрантай түлшний эс);
- DMFC– Шууд метанол түлшний эс (метанолын шууд задралтай түлшний эс);
- MCFC– Хайлсан карбонатын түлшний эс (хайлсан карбонатын түлшний эс);
- SOFC– Хатуу исэл түлшний эс (хатуу исэл түлшний эс).
Сэр Уильям Гроув электролизийн талаар маш их зүйлийг мэддэг байсан тул (энэ нь усыг түүний бүрэлдэхүүн хэсэг болох устөрөгч болон хүчилтөрөгч болгон хуваах замаар цахилгаан гүйдэл дамжуулдаг) урвуу эргэлттэй байсан бол үйлдвэрлэж чадна гэж таамаглаж байв. Цаасан дээр тооцоо хийснийхээ дараа тэрээр туршилтын шатанд орж, санаагаа баталж чаджээ. Батлагдсан таамаглалыг эрдэмтэд Людвиг Монд болон түүний туслах Чарльз Лангре нар боловсруулж, технологийг сайжруулж, 1889 онд "түлшний эс" гэсэн хоёр үг агуулсан нэр өгчээ.
Одоо энэ хэллэг нь жолооч нарын өдөр тутмын амьдралд бат бөх болсон. Та "түлшний эс" гэсэн нэр томъёог нэгээс олон удаа сонссон байх. Интернэт, зурагтаар гарч буй мэдээнд шинэ үг хэллэг улам бүр анивчсаар байна. Тэд ихэвчлэн хамгийн сүүлийн үеийн эрлийз тээврийн хэрэгслийн тухай түүхүүд эсвэл эдгээр эрлийз тээврийн хэрэгслийн хөгжүүлэлтийн хөтөлбөрийн тухай өгүүлдэг.
Тухайлбал, 11 жилийн өмнө АНУ-д "Устөрөгчийн түлшний санаачлага" хөтөлбөр хэрэгжиж эхэлсэн. Хөтөлбөр нь 2020 он гэхэд түлшний эс бүхий автомашиныг практик, эдийн засгийн хувьд ашигтай болгоход шаардлагатай устөрөгчийн түлшний эс болон дэд бүтцийн технологийг хөгжүүлэхэд чиглэв. Дашрамд дурдахад, энэ хугацаанд тус хөтөлбөрт нэг тэрбум гаруй доллар хуваарилсан нь АНУ-ын эрх баригчид ноцтой бооцоо тавьсаныг харуулж байна.
Далайн нөгөө эрэгт автомашин үйлдвэрлэгчид ч бас сэрэмжтэй байж, түлшний эсийн автомашины судалгааг эхлүүлж эсвэл үргэлжлүүлж байв. , тэр ч байтугай хүчирхэг түлшний эсийн технологийг бүтээхээр үргэлжлүүлэн ажиллаж байсан.
Дэлхийн бүх автомашин үйлдвэрлэгчдийн дунд энэ салбарт хамгийн том амжилтыг Японы хоёр автомашин үйлдвэрлэгч олсон байна. Тэдний түлшний эсийн загварууд аль хэдийн бүрэн үйлдвэрлэгдэж байгаа бол өрсөлдөгчид нь тэдний ард зогсож байна.
Тиймээс автомашины үйлдвэрлэлийн түлшний эсүүд энд үлдэх болно. Технологийн зарчмууд, орчин үеийн машинд хэрэглэх талаар авч үзье.
Түлшний эсийн үйл ажиллагааны зарчим
Үнэндээ, . Техникийн үүднээс авч үзвэл түлшний эсийг эрчим хүч хувиргах цахилгаан химийн төхөөрөмж гэж тодорхойлж болно. Энэ нь устөрөгч, хүчилтөрөгчийн тоосонцорыг ус болгон хувиргаж, цахилгаан эрчим хүч, шууд гүйдэл үүсгэдэг.
Олон төрлийн түлшний эсүүд байдаг бөгөөд зарим нь машинд аль хэдийн ашиглагдаж, зарим нь судалгаанд туршиж байна. Тэдний ихэнх нь устөрөгч, хүчилтөрөгчийг гол зүйл болгон ашигладаг химийн элементүүдхувиргахад шаардлагатай.
Үүнтэй ижил төстэй процедур нь ердийн батерейнд тохиолддог бөгөөд цорын ганц ялгаа нь "хавтан дээр" хувиргахад шаардлагатай бүх химийн бодисуудтай байдаг бол түлшний эсийг гадны эх үүсвэрээс "цэнэглэх" боломжтой байдаг бөгөөд үүний үр дүнд " цахилгаан эрчим хүчний үйлдвэрлэл"-ийг үргэлжлүүлж болно. Усны уур, цахилгаанаас гадна процедурын өөр нэг дагалдах бүтээгдэхүүн нь үүссэн дулаан юм.
Протон солилцооны мембран устөрөгч-хүчилтөрөгчийн түлшний эс нь анод, катод гэсэн хоёр электродыг тусгаарладаг протон дамжуулагч полимер мембраныг агуулдаг. Электрод бүр нь ихэвчлэн хуримтлагдсан катализатор - цагаан алт эсвэл платиноидын хайлш болон бусад найрлагатай нүүрстөрөгчийн хавтан (матриц) юм.
Анодын катализатор дээр молекулын устөрөгч нь электроныг задалж, алддаг. Устөрөгчийн катионууд нь мембранаар дамжин катод руу дамждаг боловч мембран нь электроныг нэвтрүүлэхийг зөвшөөрдөггүй тул электронууд нь гадаад хэлхээнд дамждаг.
Катодын катализатор дээр хүчилтөрөгчийн молекул нь электрон (гадаад харилцаа холбоогоор хангадаг) болон орж ирж буй протонтой нэгдэж ус үүсгэдэг бөгөөд энэ нь цорын ганц урвалын бүтээгдэхүүн (уур ба / эсвэл шингэн хэлбэрээр) болдог.
wikipedia.org
Машинд хэрэглэх
Бүх төрлийн түлшний эсүүдээс протон солилцооны мембран дээр суурилсан түлшний эсүүд буюу барууны орнуудад Полимер солилцооны мембран түлшний эс (PEMFC) нь тээврийн хэрэгсэлд ашиглахад хамгийн тохиромжтой нэр дэвшигч болсон. Үүний гол шалтгаан нь эрчим хүчний өндөр нягтрал, ажлын температур харьцангуй бага байдаг бөгөөд энэ нь түлшний эсийг ашиглалтад оруулахад их цаг зарцуулдаггүй гэсэн үг юм. Тэд хурдан дулаарч, шаардлагатай хэмжээний цахилгаан эрчим хүчийг үйлдвэрлэж эхэлнэ. Мөн бүх төрлийн түлшний эсийн хамгийн энгийн урвалуудын нэгийг ашигладаг.
1994 онд Мерседес-Бенз NECAR1 (шинэ цахилгаан машин 1) дээр суурилсан MB100 загварыг танилцуулснаар ийм технологи бүхий анхны тээврийн хэрэгсэл хийгдсэн. Бага чадлын гаралтаас гадна (ердөө 50 киловатт) энэ концепцийн хамгийн том дутагдал нь түлшний эс нь фургоны ачааны бүхэл бүтэн хэсгийг эзэлдэг байв.
Түүнчлэн, идэвхгүй аюулгүй байдлын үүднээс авч үзвэл, онгоцонд шатамхай даралттай устөрөгчөөр дүүргэсэн асар том сав суурилуулах шаардлагатай байсан тул масс үйлдвэрлэх нь аймшигтай санаа байв.
Дараагийн арван жилийн хугацаанд технологи хөгжиж, Мерседесийн хамгийн сүүлийн үеийн түлшний эсийн концепцийн нэг нь 115 морины хүчтэй байв. (85 кВт) ба цэнэглэхээс өмнө 400 орчим километрийн зайд. Мэдээжийн хэрэг, Германчууд ирээдүйн түлшний эсийг бүтээх цорын ганц анхдагчид биш юм. Япон, Тоёота ба . Автомашины хамгийн том тоглогчдын нэг бол үйлдвэрлэлийн машиныг танилцуулсан Хонда юм цахилгаан станцустөрөгчийн түлшний эсүүд дээр. АНУ-д FCX Clarity-ийн түрээсийн борлуулалт 2008 оны зун эхэлсэн бөгөөд хэсэг хугацааны дараа автомашины борлуулалт Япон руу шилжсэн. 
Устөрөгчийн түлшний эсийн дэвшилтэт систем нь футурист машиныг ердийнх шиг таван минут хүрэхгүй хугацаанд цэнэглэх боломжтой нэг саванд 520 км замыг туулах чадвартай Mirai-г Тоёота улам бүр ахиулсан. Шатахууны хэрэглээний үзүүлэлтүүд нь ямар ч эргэлзээтэй хүнийг гайхшруулж, сонгодог цахилгаан станцтай автомашины хувьд ч гайхалтай, энэ нь машиныг хотод, хурдны зам дээр эсвэл хосолсон мөчлөгт ашигласан эсэхээс үл хамааран 3.5 литр зарцуулдаг.
Найман жил өнгөрчээ. Хонда тэр цагийг сайн ашигласан. Хоёр дахь үеийн Honda FCX Clarity худалдаанд гарлаа. Түүний түлшний эсийн яндан нь эхний загвараас 33%-иар илүү авсаархан бөгөөд эрчим хүчний нягтрал 60%-иар нэмэгдсэн байна. Honda компани Clarity Fuel Cell-ийн түлшний элемент болон нэгдсэн цахилгаан дамжуулагчийг V6 хөдөлгүүртэй харьцуулах боломжтой бөгөөд таван зорчигч болон тэдний ачаа тээшийг багтаах хангалттай дотоод зай үлдээдэг гэж мэдэгджээ.
Тооцоолсон зай нь 500 км бөгөөд шинэ зүйлийн анхны үнийг 60,000 доллараар тогтоох ёстой. Үнэтэй юу? Харин ч эсрэгээрээ маш хямд. 2000 оны эхээр эдгээр технологитой машинууд 100 мянган долларын үнэтэй байсан.
