Сынық материалдардан жасалған алкогольдік отын ұяшығы. Жанармай жасушаларының қондырғылары. Үйдегі DIY отын ұяшығы. Отын ұяшықтары азаматтық секторда да қолданылады

Қажетті нәрсенің бәрін дайындаңыз.Қарапайым отын ұяшығын жасау үшін сізге платина немесе платинамен қапталған 12 дюймдік сым, балшық таяқшасы, 9 вольтты батарея және батарея ұстағышы, мөлдір таспа, бір стақан су, ас тұзы (міндетті емес), жұқа металл қажет. таяқша және вольтметр.

  • 9 вольтты батарея мен батарея ұстағышын электроника немесе аппараттық дүкеннен сатып алуға болады.

Платинадан немесе платинамен қапталған сымнан ұзындығы 15 сантиметрлік екі бөлікті кесіңіз.Платина сымы арнайы мақсаттарда қолданылады және оны электроника дүкенінен сатып алуға болады. Ол реакцияның катализаторы ретінде қызмет етеді.

  • Серіппелердің пішінін жасау үшін сым бөліктерін жұқа металл шыбықтың айналасына ораңыз.Бұл отын ұяшығының электродтары болады. Сымның ұшын ұстап, орамды серіппе жасау үшін оны штангаға мықтап ораңыз. Штангадан бірінші сымды алып тастап, сымның екінші бөлігін ораңыз.

    • Сымды орау үшін өзек ретінде шеге, сым ілгіш немесе сынаушы зондты пайдалануға болады.

  • Батарея ұстағыш сымдарын жартысын кесіңіз.Сым кескіштерді алыңыз, ұстағышқа бекітілген екі сымды екіге бөліп, олардан оқшаулауды алыңыз. Сіз бұл жалаңаш сымдарды электродтарға қосасыз.

    • Сым кескіштердің тиісті бөлігін пайдаланып, сымның ұштарынан оқшаулауды алып тастаңыз. Батарея ұстағышынан кесіп алған сымдардың ұштарынан оқшаулауды алып тастаңыз.
    • Үлкендердің бақылауымен сымды кесіңіз.

  • Оқшаулаудан тазартылған сымдардың ұштарын электродтарға бекітіңіз.Сымдарды электродтарға жалғаңыз, сонда сіз қуат көзін (батарея ұстағышы) және отын ұяшығы қанша кернеу өндіретінін анықтау үшін вольтметрді қоса аласыз.

    • Батарея ұстағышының қызыл сымын және кесілген қызыл сымды сым катушкаларының бірінің үстіңгі жағына айналдырып, оның көп бөлігін бос қалдырыңыз.
    • Екінші орамның жоғарғы ұшын қара батарея ұстағыш сыммен және кесілген қара сыммен ораңыз.

  • Электродтарды балшық таяқшасына немесе ағаш таяқшаға бекітіңіз.Таяқша су құйылған стаканның мойнынан ұзын болуы керек, сонда ол оның үстіне тұруы керек. Электродтарды таяқшадан салбырап суға түсетіндей етіп жабыстырыңыз.

    • Мөлдір таспаны немесе электрлік таспаны пайдалануға болады. Ең бастысы, электродтар таяқшаға мықтап бекітілген.

  • Стаканға шүмек немесе тұзды су құйыңыз.Реакция болуы үшін судың құрамында электролиттер болуы керек. Бұл үшін тазартылған су жарамайды, өйткені оның құрамында электролиттер ретінде қызмет ете алатын қоспалар жоқ. Химиялық реакция қалыпты жүруі үшін суда тұзды немесе ас содасын ерітуге болады.

    • Кәдімгі судың құрамында минералды қоспалар бар, сондықтан қолыңызда тұз болмаса, оны электролит ретінде пайдалануға болады.
    • Бір стақан суға бір ас қасық (20 грамм) мөлшерінде тұз немесе ас содасын қосыңыз. Тұз немесе сода толығымен ерігенше суды араластырыңыз.

  • Бір стақан судың мойнына электродтары бар таяқшаны қойыңыз.Бұл жағдайда сым серіппелер түріндегі электродтар аккумулятор ұстағышының сымдарымен контактілерді қоспағанда, ұзындығының көп бөлігін су астында қалдыру керек. Тек платина сымы су астында болуы керек.

    • Қажет болса, электродтарды суда ұстау үшін таяқшаны таспамен бекітіңіз.

  • Электродтардан келетін сымдарды вольтметрге немесе жарықдиодты шамға қосыңыз.Вольтметрдің көмегімен белсендірілген отын ұяшығы шығаратын кернеуді анықтауға болады. Қызыл сымды оң терминалға, ал қара сымды вольтметрдің теріс терминалына қосыңыз.

    • Бұл кезеңде вольтметр шағын мәнді көрсетуі мүмкін, мысалы, 0,01 вольт, бірақ ондағы кернеу нөлге тең болуы керек.
    • Сондай-ақ, шам немесе жарық диодты сияқты шағын шамды қосуға болады.

    • Сутекті отын элементтері үлкен шығынды қажет ететін жану және жылу энергиясын механикалық энергияға айналдырудың тиімсіз процестерін айналып өтіп, отынның химиялық энергиясын электр энергиясына айналдырады. Сутегі отын ұяшығы болып табылады электрохимиялықҚұрылғы отынның жоғары тиімді «суық» жануының нәтижесінде тікелей электр энергиясын өндіреді. Сутегі-ауа протонды алмасу мембраналық отын ұяшығы (PEMFC) отын жасушаларының ең перспективалы технологияларының бірі болып табылады.

    Сегіз жыл бұрын Батыс Еуропада алты сұйық дизельдік сорғы табылды; олар соңына дейін екі жүз болуы керек. Біз электр қозғалтқышының таралуын ынталандыру үшін барлық жерде пайда болатын мыңдаған жылдам зарядтау терминалдарынан өте алыспыз. Міне, ысқылаған жері ауырады. Біз графенді жариялағанымыз жөн.

    Батареялар соңғы сөзін айтқан жоқ

    Автономиядан да көп нәрсе бар, сондықтан зарядтау уақытын шектеу EV-ді қабылдауды баяулатады. Дегенмен, ол осы айда өз тұтынушыларына жазған жазбасында батареялардың өте жоғары кернеулерде зондтың осы түрімен шектелетін шектеулері бар екенін еске алды. Томас Брахманға сутегі тарататын желі әлі де салынуы керек екені айтылады. Жоғары вольтты мыс кабельдердің қимасы жоғары болғандықтан, жылдам зарядтау терминалдарын көбейту де өте қымбатқа түсетінін еске түсіріп, қолын сыпыратын дәлел. «Сұйытылған сутекті өндіріс орындарының жанында көмілген цистерналардан жүк көлігімен тасымалдау оңай және арзан».

    Протон өткізгіш полимерлі мембрана екі электродты, анод пен катодты ажыратады. Әрбір электрод катализатормен қапталған көміртекті тақта (матрица) болып табылады. Анодтық катализаторда молекулалық сутегі диссоциацияланады және электрондарды береді. Сутегі катиондары мембрана арқылы катодқа өтеді, бірақ электрондар сыртқы контурға беріледі, өйткені мембрана электрондардың өтуіне мүмкіндік бермейді.

    Сутегі әлі электр энергиясының таза векторы емес

    Өте құпия ақпарат болып табылатын аккумулятордың өзіндік құнына келетін болсақ, Томас Брахман тиімділік артқан сайын оны айтарлықтай төмендетуге болатынына күмән келтірмейді. «Платина - қымбатырақ элемент.» Өкінішке орай, сутегінің барлығы дерлік қазба энергия көздерінен келеді. Оның үстіне, дигидроген - бұл энергияның векторы, оны өндіру, оны сұйылту, содан кейін оны электр энергиясына айналдыру кезінде елеусіз бөлігі тұтынылатын көз емес.

    Катодты катализаторда оттегі молекуласы электронмен (электр тізбегінен қоректенеді) және келіп түсетін протонмен қосылып, реакцияның жалғыз өнімі (бу және/немесе сұйықтық түрінде) болып табылатын суды құрайды.

    Энергия жүйесінің негізгі генераторлық элементі болып табылатын мембраналық-электродтық қондырғылар сутегі отын элементтерінен жасалған.

    Болашақтың көлігі өзін нағыз көлік сияқты ұстайды

    Драйверлердегі қызып кетуге байланысты жоғалтуларға қарамастан, батарея балансы шамамен үш есе жоғары. Әй, ғажайып көлік біздің жолдарымызға жаппай демонстрациялар аясында ғана соғылмайды. Брахман, электромобильдің табиғи үнсіздігі шулы әлемде өмір сүру әсерін күшейтетінін еске салады. Барлық қиындықтарға қарамастан, руль мен тежегіш педаль табиғи консистенцияны қамтамасыз етеді.

    Миниатюралық батарея, бірақ жақсартылған өнімділік

    Гаджет көрінеді, орталық экран бұрылыс сигналы қосылған кезде оң жақ айнаға орналастырылған камераның кескіндерін таратады. Біздің американдық тұтынушылардың көпшілігі бұдан былай талап етпейді және бұл бізге бағаны төмендетуге мүмкіндік береді - төмен тарифті ұсынатын бас инженерді ақтайды. Бірге жұмыс істейтін 358 бар болғандықтан, жанармай ұяшығы туралы айту керек. Сыйымдылығы 117 литр болатын негізгі резервуар орындықтың артқы қабырғасына қысылып, оның бүгілуіне жол бермейді, ал екіншісі - 24 литр орындық астына жасырылған.

    Дәстүрлі шешімдермен салыстырғанда сутегі отын жасушаларының артықшылықтары:

    - меншікті энергия сыйымдылығының жоғарылауы (500 ÷ 1000 Вт/кг),

    - кеңейтілген жұмыс температурасы диапазоны (-40 0 C / +40 0 C),

    - жылу нүктесінің, шудың және дірілдің болмауы;

    - суық бастаудағы сенімділік,

    - іс жүзінде шексіз энергия сақтау мерзімі (өзін-өзі разрядсыз),

    Бірінші екі тактілі отын ұяшығы

    Ықшам өлшеміне қарамастан, бұл жаңа отын ұяшығы дигидрогенді электр тогына бұрынғыға қарағанда тезірек және жақсырақ түрлендіреді. Ол оттегін қада элементтеріне бұрын олардың беріктігімен үйлеспейтін жылдамдықпен жеткізеді. Бұрын ағын жылдамдығын шектеген артық суды эвакуациялау жақсы. Нәтижесінде бір элементтің қуаты екі есе артады, ал тиімділік 60% жетеді.

    Бұл 1,7 кВт/сағ литий-ионды аккумулятордың болуына байланысты - алдыңғы орындықтардың астында орналасқан, бұл күшті жеделдету кезінде қосымша токты жеткізуге мүмкіндік береді. Немесе болжамды автономия 460 км құрайды, бұл өндіруші мәлімдегенмен сәйкес келеді.

    - жанармай картридждерінің санын өзгерту арқылы жүйенің энергия сыйымдылығын өзгерту мүмкіндігі, бұл шексіз дерлік автономияны қамтамасыз етеді,

    Сутегі сақтау сыйымдылығын өзгерту арқылы жүйенің кез келген дерлік ақылға қонымды энергия сыйымдылығын қамтамасыз ету мүмкіндігі,

    - жоғары энергия қарқындылығы,

    - сутегі қоспаларына төзімділік,

    Бірақ мың бөлік ауа ағынын жеңілдетеді және салқындатуды оңтайландырады. Бұрынғыдан да артық, бұл электромобиль отын ұяшығының алдыңғы және орталық екенін көрсетеді. Сала және біздің көшбасшыларымыз үшін үлкен сынақ. Сонымен қатар, қай отын ұяшығы немесе аккумулятор басым болатынын кім білетіні өте ақылды.

    Жанармай элементі - бұл қалдық өнімді, әдетте отын оксидін алу үшін химиялық реакцияда отын мен тотықтырғышты біріктіру арқылы тұрақты ток түрінде электр энергиясын өндіретін электрохимиялық энергияны түрлендіру құрылғысы.

    - ұзақ қызмет ету мерзімі,

    - экологиялық таза және тыныш жұмыс.

    ҰАО үшін сутегі отын элементтеріне негізделген электрмен жабдықтау жүйелері:

    Жанармай ұяшықтарын орнату ұшқышсыз көліктердәстүрлі батареялардың орнына ұшу ұзақтығын, салмағын көбейтеді пайдалы жүк, ұшақтың сенімділігін арттыруға, ұшқышсыз ұшу аппаратын ұшыру мен пайдаланудың температуралық диапазонын кеңейтуге, шекті -40 0С дейін төмендетуге мүмкіндік береді. Іштен жану қозғалтқыштарымен салыстырғанда отын элементтеріне негізделген жүйелер дыбыссыз, дірілсіз, төмен температурада жұмыс істейді, ұшу кезінде анықтау қиын, зиянды шығарындылар шығармайды және бейнебақылаудан пайдалы жүкті жеткізуге дейінгі тапсырмаларды тиімді орындай алады.

    Әрбір отын ұяшығында екі электрод бар, біреуі оң, екіншісі теріс және электр тогын тудыратын реакция электродтарда зарядталған бөлшектерді электродтан электродқа тасымалдайтын электролиттің қатысуымен жүреді, ал электрондар электродтар арасында орналасқан сыртқы сымдарда айналады. электр энергиясын жасау.

    Жанармай ұяшығы жанармай мен тотықтырғыштың қажетті ағыны сақталған кезде үздіксіз электр энергиясын өндіре алады. Кейбір отын ұяшықтары тек бірнеше ватт өндіреді, ал басқалары бірнеше жүз киловатт өндіре алады, ал шағын батареялар ноутбуктер мен ұялы телефондарда болуы мүмкін, бірақ отын элементтері үйлер мен кәсіпорындар үшін электр энергиясын өндіру үшін пайдаланылатын шағын генератор болу үшін тым қымбат.

    ҰАО электрмен жабдықтау жүйесінің құрамы:

    Отын элементтерінің экономикалық өлшемдері

    Сутекті отын көзі ретінде пайдалану айтарлықтай шығындарды талап етеді. Осы себепті сутегі қазір экономикалық емес көз болып табылады, әсіресе басқа арзанырақ көздерді пайдалануға болатындықтан. Сутегін өндіруге кететін шығындар әртүрлі болуы мүмкін, өйткені олар алынатын ресурстардың құнын көрсетеді.

    Аккумуляторлық отын көздері

    Отын жасушалары әдетте келесі санаттарға жіктеледі: сутегі отын элементтері, органикалық отын элементтері, металл отын элементтері және тотықсыздандырғыш батареялар. Сутекті отын көзі ретінде пайдаланған кезде, кері гидролиз процесінде химиялық энергия электр энергиясына айналады және қалдық ретінде тек су мен жылу шығарады. Сутегі отын ұяшығы өте төмен, бірақ сутегі өндірісінде азды-көпті жоғары болуы мүмкін, әсіресе қазба отынынан өндірілсе.

    • - отын ұяшығы батареясы,
    • - Қысқа мерзімді ең жоғары жүктемелерді жабу үшін Li-Po буферлік батареясы,
    • - электронды басқару жүйесі ,
    • - сығылған сутегі бар цилиндрден немесе сутегінің қатты көзінен тұратын отын жүйесі.

    Отын жүйесі борттағы сығылған сутегінің максималды жеткізілуін қамтамасыз ету үшін жоғары беріктігі бар жеңіл цилиндрлер мен редукторларды пайдаланады. Қажетті сутегі шығынын қамтамасыз ететін редукторлары бар әртүрлі көлемдегі цилиндрлерді (0,5-тен 25 литрге дейін) пайдалануға рұқсат етіледі.

    Сутегі батареялары екі санатқа бөлінеді: төмен температуралы батареялар және жоғары температуралы батареялар, мұнда жоғары температуралы батареялар да қазбалы отынды тікелей пайдалана алады. Соңғысы мұнай немесе бензин, спирт немесе биомасса сияқты көмірсутектерден тұрады.

    Батареялардағы басқа отын көздеріне спирттер, мырыш, алюминий, магний, иондық ерітінділер және көптеген көмірсутектер жатады, бірақ олармен шектелмейді. Басқа тотықтырғыштарға ауа, хлор және хлор диоксиді кіреді, бірақ олармен шектелмейді. Қазіргі уақытта отын жасушаларының бірнеше түрі бар.

    ҰАО электрмен жабдықтау жүйесінің сипаттамалары:

    Сутегі отын элементтеріне негізделген портативті зарядтағыштар:

    Сутегі отын элементтеріне негізделген портативті зарядтағыштар салмағы мен өлшемдері бойынша әлемде белсенді түрде қолданылатын қолданыстағы батарея зарядтағыштарымен салыстырылатын ықшам құрылғылар болып табылады.

    Заманауи әлемде кең таралған портативті технология үнемі қайта зарядталуы керек. Дәстүрлі портативті жүйелер төмен температурада іс жүзінде жарамсыз және өз функцияларын орындағаннан кейін олар (электр желілері) арқылы қайта зарядтауды қажет етеді, бұл да олардың тиімділігін және құрылғының автономиясын төмендетеді.

    Әрбір дигидроген молекуласы 2 электрон алады. Н ионы анодтан катодқа ауысады және электронды тасымалдау арқылы электр тогын тудырады. Ұшақтарға арналған отын ұяшықтары қандай болуы мүмкін? Бүгінгі таңда ұшақтарда литий-ионды гибридті отын ұяшығы батареясы арқылы ұшуға тырысу үшін сынақтар жүргізілуде. Жанармай ұяшығының шынайы артықшылығы оның салмағы аз тұтастығында жатыр: ол жеңілірек, бұл ұшақтың салмағын, демек, отын шығынын азайтуға көмектеседі.

    Бірақ әзірге отын ұяшықтары бар ұшақпен ұшу мүмкін емес, өйткені оның әлі де көптеген кемшіліктері бар. Жанармай ұяшығының суреті. Жанармай ұяшығының кемшіліктері қандай? Біріншіден, егер сутегі кең таралған болса, оны көп мөлшерде пайдалану қиынға соғады. Шынында да, ол тек Жерде ғана емес. Ол оттегі бар суда және аммиакта кездеседі. Сондықтан оны алу үшін суды электролиздеу қажет және бұл әлі кең тараған әдіс емес.

    Сутегі отын ұяшықтары жүйелері тек ықшам отын картриджін ауыстыруды талап етеді, содан кейін құрылғы дереу пайдалануға дайын болады.

    Портативті зарядтағыштардың ерекшеліктері:

    Сутегі отын элементтеріне негізделген үздіксіз қуат көздері:

    Сутегі отын элементтеріне негізделген кепілдендірілген электрмен жабдықтау жүйелері резервтік электрмен жабдықтауды және уақытша электрмен жабдықтауды ұйымдастыруға арналған. Сутегі отын элементтеріне негізделген кепілдендірілген электрмен жабдықтау жүйелері аккумуляторлар мен дизельдік генераторларды пайдалана отырып, уақытша және резервтік электрмен жабдықтауды ұйымдастырудың дәстүрлі шешімдерінен айтарлықтай артықшылықтар береді.

    Сутегі газ болып табылады, оны ұстау және тасымалдау қиынға соғады. Сутегін пайдаланумен байланысты тағы бір қауіп - бұл жарылыс қаупі, себебі ол жанғыш газ. аккумуляторды кең көлемде өндіру үшін не басқа энергия көзін қажет етеді, ол мұнай, газ немесе көмір немесе ядролық энергия, бұл оның экологиялық балансын керосиннен айтарлықтай нашарлатады және үйінді, платина, тіпті сирек кездесетін металды жасайды. және алтыннан да қымбат.

    Отын ұяшығы анодтағы отынды тотықтыру және катодтағы тотықтырғышты азайту арқылы энергияны қамтамасыз етеді. Отын ұяшықтары принципінің ашылуы және күкірт қышқылын электролит ретінде қолданатын зертханадағы алғашқы енгізу химик Уильям Гроувқа тиесілі.


    Үздіксіз электрмен жабдықтау жүйесінің сипаттамалары:

    Жанармай ұяшығыгальваникалық элементке ұқсас электрохимиялық құрылғы болып табылады, бірақ одан электрохимиялық реакцияға арналған заттардың оған сырттан берілуімен ерекшеленеді - гальваникалық элементте немесе аккумуляторда жинақталған энергияның шектеулі мөлшерінен айырмашылығы.

    Шынында да, жанармай жасушаларының кейбір артықшылықтары бар: дигидроген мен диоксидті пайдаланатындар тек су буын шығарады: сондықтан бұл таза технология. Электролиттің табиғатына, отынның табиғатына, тікелей немесе жанама тотығуына, жұмыс температурасына байланысты отын элементтерінің бірнеше түрі бар.

    Төмендегі кестеде осы әртүрлі құрылғылардың негізгі сипаттамалары жинақталған. Бірнеше еуропалық бағдарламалар тұрақты және арзанырақ полибензимидазол туындылары сияқты басқа полимерлерді қарастырады. Аккумулятордың ықшамдылығы 15-50 микрон деңгейіндегі мембраналар, кеуекті көміртекті анодтар және тот баспайтын болаттан жасалған биполярлы пластиналармен де тұрақты қиындық болып табылады. Өмір сүру ұзақтығын да жақсартуға болады, өйткені, бір жағынан, сутегідегі бірнеше ppm деңгейіндегі көміртегі тотығының іздері катализатор үшін нақты улар болып табылады, ал екінші жағынан, полимердегі суды бақылау міндетті болып табылады.



    Күріш. 1. Кейбір отын жасушалары


    Отын жасушалары үлкен шығындармен болатын тиімсіз жану процестерін айналып өтіп, отынның химиялық энергиясын электр энергиясына айналдырады. Олар химиялық реакция арқылы сутегі мен оттегін электр энергиясына айналдырады. Бұл процестің нәтижесінде су пайда болып, көп мөлшерде жылу бөлінеді. Отын ұяшығы зарядталатын, содан кейін жинақталған электр энергиясын пайдалана алатын батареяға өте ұқсас. Жанармай ұяшығының өнертапқышы оны 1839 жылы ойлап тапқан Уильям Р.Гроув болып саналады. Бұл отын ұяшығы электролит ретінде күкірт қышқылы ерітіндісін және отын ретінде сутегін пайдаланды, ол тотықтырғышта оттегімен біріктірілді. Соңғы уақытқа дейін отын элементтері тек зертханаларда және ғарыш кемелерінде қолданылды.





    Басқа электр генераторларынан айырмашылығы, мысалы, іштен жанатын қозғалтқыштар немесе газбен, көмірмен, мазутпен және т. Бұл шулы жоғары қысымды роторлардың, қатты шығатын шудың, тербелістердің болмауын білдіреді. Отын жасушалары дыбыссыз электрохимиялық реакция арқылы электр энергиясын шығарады. Отын элементтерінің тағы бір ерекшелігі - олар отынның химиялық энергиясын тікелей электр, жылу және суға айналдырады.


    Отын жасушаларының тиімділігі жоғары және көмірқышқыл газы, метан және азот оксиді сияқты парниктік газдардың көп мөлшерін шығармайды. Отын элементтерінің шығарындылары тек бу түріндегі су және аз мөлшерде көмірқышқыл газы болып табылады, егер таза сутегі отын ретінде пайдаланылса, ол мүлдем бөлінбейді. Отын элементтері жинақтарға, содан кейін жеке функционалды модульдерге жиналады.


    Отын элементтерінің қозғалатын бөліктері жоқ (кем дегенде ұяшықтың өзінде емес), сондықтан Карно заңына бағынбайды. Яғни, олар 50% -дан жоғары тиімділікке ие болады және әсіресе төмен жүктемелерде тиімді. Осылайша, жанармай ұяшықтары бар көліктер нақты әлемде жүргізу жағдайында кәдімгі көліктерге қарағанда жанармай үнемдей алады (және бұл қазірдің өзінде дәлелденді).


    Отын ұяшығы электр тогын шығарады тұрақты кернеу, ол көліктегі электр қозғалтқышын, жарықтандыруды және басқа электр жүйелерін басқару үшін пайдаланылуы мүмкін.


    Қолданылатын химиялық процестермен ерекшеленетін отын жасушаларының бірнеше түрі бар. Отын элементтері әдетте пайдаланатын электролит түріне қарай жіктеледі.


    Отын элементтерінің кейбір түрлері электр станциясының қозғалтқышы үшін перспективалы, ал басқалары портативті құрылғыларға немесе автомобильдерді басқаруға перспективалы.

    1. Сілтілік отын элементтері (ALFC)

    Сілтілік отын ұяшығы- Бұл ең алғашқы әзірленген элементтердің бірі. Сілтілік отын ұяшықтары (AFC) ең көп зерттелген технологиялардың бірі болып табылады, ХХ ғасырдың 60-жылдарының ортасынан бастап NASA Apollo және Space Shuttle бағдарламаларында қолданылған. Бұл ғарыш кемелерінің бортында отын элементтері электр энергиясы мен ауыз су шығарады.





    Сілтілік отын элементтері электр энергиясын өндіру үшін пайдаланылатын ең тиімді элементтердің бірі болып табылады, энергия өндіру тиімділігі 70% дейін жетеді.


    Сілтілік отын элементтері кеуекті, тұрақтандырылған матрицаның құрамындағы электролит, калий гидроксидінің сулы ерітіндісін пайдаланады. Калий гидроксидінің концентрациясы отын ұяшығының жұмыс температурасына байланысты өзгеруі мүмкін, ол 65 ° C пен 220 ° C аралығында болады. SHTE-дегі заряд тасымалдаушы гидроксил ионы (OH-), катодтан анодқа ауысады, онда ол сутегімен әрекеттеседі, су мен электрондарды шығарады. Анодта өндірілген су қайтадан катодқа жылжиды, сонда қайтадан гидроксил иондарын тудырады. Отын ұяшығында жүретін осы реакциялар тізбегі нәтижесінде электр энергиясы және жанама өнім ретінде жылу пайда болады:


    Анодтағы реакция: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e


    Катодтағы реакция: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH


    Жүйенің жалпы реакциясы: 2H2 + O2 => 2H2O


    SHTE артықшылығы мынада, бұл отын элементтері ең арзан өндіріледі, өйткені электродтарға қажетті катализатор басқа отын элементтері үшін катализатор ретінде қолданылатын заттарға қарағанда арзан заттардың кез келгені болуы мүмкін. Сонымен қатар, SHTE салыстырмалы түрде төмен температурада жұмыс істейді және ең тиімді болып табылады.


    SHTE тән ерекшеліктерінің бірі оның отын немесе ауада болуы мүмкін СО2-ге жоғары сезімталдығы болып табылады. СО2 электролитпен әрекеттеседі, оны тез уландырады және отын элементінің тиімділігін айтарлықтай төмендетеді. Сондықтан, SHTE пайдалану ғарыштық және су асты көліктері сияқты жабық кеңістіктермен шектеледі; олар таза сутегі мен оттегімен жұмыс істейді.

    2. Балқытылған карбонатты отын элементтері (MCFC)

    Балқытылған карбонатты электролиті бар отын элементтеріжоғары температуралы отын элементтері болып табылады. Жоғары жұмыс температурасы табиғи газды отындық процессорсыз және өнеркәсіптік процестерден және басқа көздерден алынатын төмен калориялы отын газын тікелей пайдалануға мүмкіндік береді. Бұл процесс ХХ ғасырдың 60-жылдарының ортасында дамыды. Содан бері өндіріс технологиясы, өнімділігі мен сенімділігі жақсарды.





    RCFC жұмысы басқа отын элементтерінен ерекшеленеді. Бұл жасушалар балқыған карбонат тұздарының қоспасынан жасалған электролит пайдаланады. Қазіргі уақытта қоспалардың екі түрі қолданылады: литий карбонаты және калий карбонаты немесе литий карбонаты және натрий карбонаты. Карбонат тұздарын балқыту және электролиттегі иондардың жоғары қозғалғыштығына қол жеткізу үшін балқытылған карбонатты электролиті бар отын элементтері жоғары температурада (650°С) жұмыс істейді. Тиімділігі 60-80% аралығында ауытқиды.


    650°С температураға дейін қыздырғанда тұздар карбонат иондары (СО32-) үшін өткізгіш болады. Бұл иондар катодтан анодқа өтіп, сутегімен қосылып су, көмірқышқыл газы және бос электрондар түзеді. Бұл электрондар сыртқы электр тізбегі арқылы катодқа қайта жіберіліп, жанама өнім ретінде электр тогы мен жылу шығарады.


    Анодтағы реакция: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e


    Катодтағы реакция: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-


    Элементтің жалпы реакциясы: H2(g) + 1/2O2(г) + CO2(катод) => H2O(g) + CO2(анод)


    Балқытылған карбонатты электролиттік отын элементтерінің жоғары жұмыс температурасы белгілі бір артықшылықтарға ие. Артықшылығы - стандартты материалдарды (тот баспайтын болаттан жасалған парақтар және электродтардағы никель катализаторы) пайдалану мүмкіндігі. Қалдық жылуды жоғары қысымды бу өндіру үшін пайдалануға болады. Электролиттегі реакцияның жоғары температурасының да өз артықшылықтары бар. Жоғары температураны пайдалану оңтайлы жұмыс жағдайларына қол жеткізу үшін ұзақ уақытты қажет етеді және жүйе энергияны тұтынудың өзгеруіне баяу жауап береді. Бұл сипаттамалар тұрақты қуат жағдайында балқытылған карбонатты электролиті бар отын ұяшықтарының қондырғыларын пайдалануға мүмкіндік береді. Жоғары температура отын ұяшығының көміртегі тотығымен зақымдалуын болдырмайды, «улану» және т.б.


    Балқытылған карбонатты электролиті бар отын элементтері үлкен стационарлық қондырғыларда қолдануға жарамды. Өндірістік мақсатта электр қуаты 2,8 МВт жылу электр станциялары шығарылады. Шығарылатын қуаты 100 МВт-қа дейінгі қондырғылар әзірленуде.

    3. Фосфор қышқылының отын элементтері (PAFC)

    Фосфор (ортофосфор) қышқылына негізделген отын жасушаларыкоммерциялық пайдалануға арналған алғашқы отын элементтері болды. Бұл процесс ХХ ғасырдың 60-жылдарының ортасында дамыды, сынақтар ХХ ғасырдың 70-жылдарынан бастап жүргізілді. Нәтиже тұрақтылық пен өнімділікті арттырды және құны төмендеді.





    Фосфор (ортофосфор) қышқылды отын элементтері 100%-ға дейінгі концентрацияда ортофосфор қышқылына (H3PO4) негізделген электролит пайдаланады. Фосфор қышқылының иондық өткізгіштігі төмен температурада төмен, сондықтан бұл отын элементтері 150-220 ° C температурада қолданылады.


    Осы типтегі отын элементтеріндегі заряд тасымалдаушы сутегі (Н+, протон) болып табылады. Ұқсас процесс протон алмасу мембранасының отын жасушаларында (PEMFC) орын алады, онда анодқа берілетін сутегі протондар мен электрондарға бөлінеді. Протондар электролит арқылы өтіп, катодтағы ауадағы оттегімен қосылып, су түзеді. Электрондар сыртқы электр тізбегі арқылы жіберіледі, осылайша электр тогын тудырады. Төменде электр тогы мен жылуды тудыратын реакциялар берілген.


    Анодтағы реакция: 2Н2 => 4Н+ + 4е


    Катодтағы реакция: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O


    Элементтің жалпы реакциясы: 2H2 + O2 => 2H2O


    Фосфор (ортофосфор) қышқылына негізделген отын элементтерінің тиімділігі электр энергиясын өндіру кезінде 40% -дан астам. Жылу және электр энергиясын біріктіріп өндіру кезінде жалпы тиімділік шамамен 85% құрайды. Сонымен қатар, жұмыс температурасын ескере отырып, қалдық жылуды суды жылытуға және атмосфералық қысымды бу өндіруге пайдалануға болады.


    Жылулық және электр энергиясын біріктіріп өндіруде фосфор (ортофосфор) қышқылы негізіндегі отын элементтерін пайдаланатын жылу электр станцияларының жоғары өнімділігі отын элементтерінің осы түрінің артықшылықтарының бірі болып табылады. Қондырғылар шамамен 1,5% концентрациясы бар көміртегі тотығын пайдаланады, бұл отын таңдауын айтарлықтай кеңейтеді. Қарапайым дизайн, электролиттердің құбылмалылығының төмен дәрежесі және тұрақтылықтың жоғарылауы да осындай отын элементтерінің артықшылығы болып табылады.


    Өндірістік мақсатта электр қуаты 400 кВт-қа дейінгі жылу электр станциялары шығарылады. Қуаты 11 МВт қондырғылар тиісті сынақтардан өтті. Шығарылатын қуаты 100 МВт-қа дейінгі қондырғылар әзірленуде.

    4. Протон алмасу мембраналық отын жасушалары (PEMFC)

    Протон алмасу мембранасы отын жасушаларыбензинді және дизельді іштен жанатын қозғалтқыштарды алмастыра алатын көліктерге қуат өндіруге арналған отын элементтерінің ең жақсы түрі болып саналады. Бұл отын жасушаларын NASA алғаш рет Gemini бағдарламасы үшін пайдаланды. Қуаты 1 Вт-тан 2 кВт-қа дейінгі MOPFC негізіндегі қондырғылар әзірленді және көрсетілді.





    Бұл отын элементтеріндегі электролит қатты полимерлі мембрана (пластиктен жасалған жұқа қабық) болып табылады. Сумен қаныққан кезде бұл полимер протондардың өтуіне мүмкіндік береді, бірақ электрондарды өткізбейді.


    Отын – сутегі, ал заряд тасымалдаушысы – сутегі ионы (протон). Анодта сутегі молекуласы сутегі ионына (протон) және электрондарға бөлінеді. Сутегі иондары электролит арқылы катодқа өтеді, ал электрондар сыртқы шеңбер бойымен қозғалып, электр энергиясын өндіреді. Ауадан алынған оттегі катодқа беріліп, электрондармен және сутегі иондарымен қосылып су түзеді. Электродтарда келесі реакциялар жүреді: Анодтағы реакция: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e Катодтағы реакция: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Жалпы жасуша реакциясы: 2H2 + O2 => 2H2O Басқа түрлермен салыстырғанда отын ұяшықтары, протон алмасу мембранасы бар отын элементтері отын ұяшығының берілген көлемі немесе салмағы үшін көбірек энергия шығарады. Бұл мүмкіндік олардың ықшам және жеңіл болуына мүмкіндік береді. Сонымен қатар, жұмыс температурасы 100 ° C-тан төмен, бұл жұмысты жылдам бастауға мүмкіндік береді. Бұл сипаттамалар, сондай-ақ энергия шығысын жылдам өзгерту мүмкіндігі - бұл отын ұяшықтарын көліктерде қолдануға негізгі үміткер ететін бірнеше ғана.


    Тағы бір артықшылығы - электролит сұйық емес, қатты зат. Қатты электролит көмегімен катод пен анодта газдарды ұстау оңайырақ, сондықтан мұндай отын элементтерін өндіру арзанырақ. Қатты электролит кезінде бағдарлау мәселелері болмайды және коррозияға қатысты мәселелер аз болады, бұл ұяшықтың және оның құрамдастарының ұзақ қызмет ету мерзімін арттырады.



    5. Қатты оксидті отын элементтері (SOFC)

    Қатты оксидті отын жасушаларыең жоғары жұмыс температурасы отын элементтері болып табылады. Жұмыс температурасы 600 ° C-тан 1000 ° C-қа дейін өзгеруі мүмкін, бұл отынның әртүрлі түрлерін арнайы алдын ала өңдеусіз пайдалануға мүмкіндік береді. Мұндай жоғары температураларды өңдеу үшін электролит керамикалық негізде жұқа қатты металл оксиді, көбінесе оттегі иондарының (O2-) өткізгіші болып табылатын иттрий мен цирконийдің қорытпасы қолданылады. Қатты оксидті отын элементтерін пайдалану технологиясы ХХ ғасырдың 50-жылдарының аяғынан бастап дамып келеді және екі конфигурацияға ие: жазық және құбырлы.


    Қатты электролит газдың бір электродтан екіншісіне жабық өтуін қамтамасыз етеді, ал сұйық электролиттер кеуекті субстратта орналасады. Осы типтегі отын элементтеріндегі заряд тасымалдаушы оттегі ионы (O2-) болып табылады. Катодта ауадағы оттегі молекулалары оттегі ионына және төрт электронға бөлінеді. Оттегі иондары электролит арқылы өтіп, сутегімен қосылып, төрт бос электрон түзеді. Электрондар сыртқы электр тізбегі арқылы жіберіліп, электр тогын және бос жылуды тудырады.





    Анодтағы реакция: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e


    Катодтағы реакция: O2 + 4e- => 2O2-


    Элементтің жалпы реакциясы: 2H2 + O2 => 2H2O


    Электр энергиясын өндірудің тиімділігі барлық отын элементтерінен ең жоғары - шамамен 60%. Сонымен қатар, жоғары жұмыс температурасы жоғары қысымды бу шығару үшін жылу және электр энергиясын біріктіріп өндіруге мүмкіндік береді. Жоғары температуралы отын элементін турбинамен біріктіру электр энергиясын өндірудің тиімділігін 70%-ға дейін арттыру үшін гибридті отын элементтерін жасауға мүмкіндік береді.


    Қатты оксидті отын элементтері өте жоғары температурада (600°C-1000°C) жұмыс істейді, бұл оңтайлы жұмыс жағдайларына жету үшін айтарлықтай уақытты қажет етеді және энергия тұтынудағы өзгерістерге жүйенің реакциясы баяуырақ болады. Осындай жоғары жұмыс температурасында отыннан сутегін алу үшін конвертер қажет емес, бұл жылу электр станциясының көмірді немесе қалдық газдарды газдандыру нәтижесіндегі салыстырмалы түрде таза емес отынмен жұмыс істеуіне мүмкіндік береді және т.б. Жанармай ұяшығы сонымен қатар өнеркәсіптік және ірі орталық электр станцияларын қоса алғанда, жоғары қуатты қолданбалар үшін тамаша. Электр қуаты 100 кВт болатын модульдер коммерциялық түрде шығарылады.

    6. Тікелей метанолды тотықтыратын отын элементтері (DOMFC)

    Тікелей метанол тотығу отын жасушаларыОлар ұялы телефондарды, ноутбуктарды қуаттандыру саласында, сондай-ақ портативті қуат көздерін жасау үшін сәтті қолданылуда, бұл элементтерді болашақта пайдалануды көздейді.


    Метанолдың тікелей тотығуы бар отын жасушаларының дизайны протон алмасу мембранасы (MEPFC) бар отын жасушаларының дизайнына ұқсас, яғни. Электролит ретінде полимер, ал заряд тасымалдаушы ретінде сутегі ионы (протон) қолданылады. Бірақ сұйық метанол (CH3OH) анодта судың қатысуымен тотығады, сыртқы электр тізбегі арқылы жіберілетін СО2, сутегі иондары мен электрондарды босатады, осылайша электр тогын тудырады. Сутегі иондары электролит арқылы өтіп, ауадағы оттегімен және сыртқы контурдағы электрондармен әрекеттесіп, анодта су түзеді.


    Анодтағы реакция: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e Катодтағы реакция: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Элементтің жалпы реакциясы: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Мұндай заттардың дамуы отын ұяшықтары ХХ ғасырдың 90-шы жылдарының басынан бері жүргізілуде және олардың меншікті қуаты мен тиімділігі 40% дейін өсті.


    Бұл элементтер 50-120°С температура диапазонында сыналған. Төмен жұмыс температурасына және түрлендіргішке қажеттіліктің болмауына байланысты мұндай отын элементтері ұялы телефондар мен басқа да тұтынушылық өнімдерде, сондай-ақ автомобиль қозғалтқыштарында қолдануға негізгі үміткер болып табылады. Олардың артықшылығы да шағын өлшемдері.

    7. Полимер электролиттік отын элементтері (PEFC)



    Полимерлі электролиттік отын элементтері жағдайында полимерлі мембрана су молекуласына H2O+ (протон, қызыл) өткізгіш су иондары қосылатын су аймақтары бар полимерлі талшықтардан тұрады. Су молекулалары баяу ион алмасуына байланысты проблема тудырады. Сондықтан отында да, шығыс электродтарында да судың жоғары концентрациясы қажет, бұл жұмыс температурасын 100 ° C дейін шектейді.

    8. Қатты қышқыл отын элементтері (ҚҚҚ)



    Қатты қышқылды отын элементтерінде электролит (CsHSO4) құрамында су болмайды. Сондықтан жұмыс температурасы 100-300°C. SO42 оксианиондарының айналуы протондардың (қызыл) суретте көрсетілгендей қозғалуына мүмкіндік береді. Әдетте, қатты қышқылды отын ұяшығы жақсы жанасуды қамтамасыз ету үшін бір-біріне тығыз басылған екі электродтың арасында қатты қышқыл қосылысының өте жұқа қабаты сэндвич болып табылады. Қыздырған кезде органикалық компонент буланып, электродтардағы саңылаулар арқылы шығып, отын (немесе элементтің екінші жағындағы оттегі), электролит пен электродтар арасындағы бірнеше контактілердің мүмкіндігін сақтайды.



    9. Отын элементтерінің маңызды сипаттамаларын салыстыру

    Отын жасушаларының сипаттамалары

    Жанармай жасушаларының түрі

    Жұмыс температурасы

    Электр энергиясын өндіру тиімділігі

    Жанармай түрі

    Қолдану аясы

    Орташа және үлкен қондырғылар

    Таза сутегі

    қондырғылар

    Таза сутегі

    Шағын қондырғылар

    Көмірсутекті отындардың көпшілігі

    Шағын, орта және үлкен қондырғылар

    Портативті

    қондырғылар

    Таза сутегі

    Ғарыш

    зерттелген

    Таза сутегі

    Шағын қондырғылар


    10. Автомобильдерде отын элементтерін қолдану





    Білімнің экологиясы. Ғылым және технология: Мобильді электроника жыл сайын жетілдіріліп, кең таралған және қолжетімді болып келеді: PDA, ноутбуктер, мобильді және цифрлық құрылғылар, фото жиектемелер және т.б. Олардың барлығы үнемі толықтырылып отырады.

    Үйдегі DIY отын ұяшығы

    Мобильді электроника жыл сайын жетілдіріліп, кең таралған және қолжетімді болып келеді: PDA, ноутбуктер, мобильді және цифрлық құрылғылар, фото жиектемелер және т.б. Олардың барлығы жаңа функциялармен, үлкенірек мониторлармен, сымсыз байланыстармен, қуатты процессорлармен үнемі жаңартылып отырады, сонымен бірге өлшемдері азаяды. . Жартылай өткізгіштік технологиядан айырмашылығы, энергетикалық технологиялар қарқынды дамымайды.

    Саланың жетістіктерін қуаттандыру үшін қолданыстағы батареялар мен аккумуляторлар жеткіліксіз болып барады, сондықтан балама көздер мәселесі өте өткір. Отын ұяшықтары ең перспективалы аймақ болып табылады. Олардың жұмыс істеу принципін сонау 1839 жылы судың электролизін өзгерту арқылы электр энергиясын өндіретін Уильям Гроув ашты.

    Отын жасушалары дегеніміз не?

    Бейне: деректі, тасымалдауға арналған отын ұяшықтары: өткен, бүгін, болашақ

    Жанармай жасушалары автомобиль өндірушілерін қызықтырады, ал ғарыш кемелерінің дизайнерлері де оларға қызығушылық танытады. 1965 жылы оларды Америка тіпті ғарышқа ұшырылған Gemini 5 ғарыш аппаратында, кейінірек Аполлонда сынады. Ластану мәселелері сақталып отырғандықтан, бүгінде отын жасушаларын зерттеуге миллиондаған долларлар құйылады. қоршаған орта, қорлары да шексіз емес органикалық отынды жағу кезінде пайда болатын парниктік газдардың шығарындыларын арттыру.

    Көбінесе электрохимиялық генератор деп аталатын отын ұяшығы төменде сипатталған тәсілмен жұмыс істейді.

    Аккумуляторлар мен аккумуляторлар сияқты гальваникалық элемент бола отырып, бірақ белсенді заттар онда бөлек сақталады. Олар пайдаланылған кезде электродтарға беріледі. Табиғи отын немесе одан алынған кез келген зат газ тәрізді (мысалы, сутегі және көміртегі тотығы) немесе спирттер сияқты сұйық болуы мүмкін теріс электродта жанады. Оттегі әдетте оң электродта әрекеттеседі.

    Бірақ қарапайым болып көрінетін жұмыс принципін шындыққа аудару оңай емес.

    DIY отын ұяшығы

    Өкінішке орай, бізде бұл отын элементінің қандай болуы керектігі туралы фотосуреттер жоқ, біз сіздің қиялыңызға сенеміз.

    Сіз тіпті мектеп зертханасында өз қолыңызбен төмен қуатты отын ұяшығын жасай аласыз. Сізге ескі противогазды, бірнеше плексиглассты, сілтіні және этил спиртінің сулы ерітіндісін (қарапайым айтқанда, арақ) жинақтау керек, ол отын ұяшығы үшін «отын» болады.


    Ең алдымен, қалыңдығы кем дегенде бес миллиметр болатын плексигласс жасалған отын ұяшығы үшін корпус қажет. Ішкі қалқаларды (ішінде бес бөлік бар) сәл жұқа етіп жасауға болады - 3 см.Плексиглассты желімдеу үшін келесі құрамдағы желімді пайдаланыңыз: алты грамм плексигластың жоңқасы жүз грамм хлороформда немесе дихлорэтанда ерітіледі (жұмыс орындалады) қалпақ астында).

    Енді сіз сыртқы қабырғада тесікті бұрғылауыңыз керек, оған резеңке тығын арқылы диаметрі 5-6 сантиметр болатын шыны су төгетін түтікшені енгізу керек.

    Периодтық кестеде ең белсенді металдар төменгі сол жақ бұрышта, ал жоғары белсенді металлоидтар кестенің жоғарғы оң жақ бұрышында орналасқанын бәрі біледі, яғни. электрондарды беру қабілеті жоғарыдан төменге және оңнан солға қарай артады. Белгілі бір жағдайларда металдар немесе металлоидтар ретінде көрінетін элементтер үстелдің ортасында орналасқан.

    Енді противогазды екінші және төртінші бөліктерге құямыз белсендірілген көмір(бірінші бөлім мен екінші, сондай-ақ үшінші және төртінші арасында) электродтар ретінде әрекет етеді. Көмірдің саңылаулардан ағып кетуіне жол бермеу үшін оны нейлон матаға салуға болады (әйелдердің нейлон шұлықтары қолайлы).

    Жанармай бірінші камерада айналады, ал бесіншіде оттегі жеткізушісі - ауа болуы керек. Электродтар арасында электролит болады және оның ауа камерасына ағып кетуіне жол бермеу үшін, ауа электролитіне арналған төртінші камераға көмірді құймас бұрын, оны бензиндегі парафин ерітіндісімен (пропорция 2) сіңіру керек. грамм парафин жарты стакан бензинге дейін). Көмір қабатында сымдар дәнекерленген мыс пластиналарын (аздап басу арқылы) қою керек. Олар арқылы ток электродтардан бұрылады.

    Тек элементті зарядтау ғана қалады. Ол үшін 1: 1 сумен сұйылту керек арақ қажет. Содан кейін үш жүзден үш жүз елу граммға дейін каустикалық калийді мұқият қосыңыз. Электролит үшін 70 грамм калий гидроксиді 200 грамм суда ерітілген.

    Жанармай ұяшығы сынаққа дайын. Енді бірінші камераға отын мен электролит үшіншіге бір мезгілде құю керек. Электродтарға қосылған вольтметр 07 вольттан 0,9-ға дейін көрсетуі керек. Элементтің үздіксіз жұмысын қамтамасыз ету үшін пайдаланылған отынды алып тастау (стаканға төгу) және жаңа отын қосу (резеңке түтік арқылы) қажет. Беру жылдамдығы түтікшені қысу арқылы реттеледі. Лабораториялық жағдайда отын ұяшығының жұмысы осылай көрінеді, оның қуаты түсінікті.

    Үлкен қуатты қамтамасыз ету үшін ғалымдар бұл мәселемен ұзақ уақыт бойы жұмыс істеп келеді. Дамудағы белсенді болат метанол және этанол отын ұяшықтарын орналастырады. Бірақ, өкінішке орай, олар әлі де қолданысқа енген жоқ.

    Неліктен отын ұяшығы балама қуат көзі ретінде таңдалады


    Баламалы қуат көзі ретінде отын ұяшығы таңдалды, өйткені ондағы сутегінің жануының соңғы өнімі су болып табылады. Жалғыз мәселе - сутегін өндірудің арзан және тиімді әдісін табу. Сутегі генераторлары мен отын элементтерін дамытуға жұмсалған орасан зор қаражат өз жемісін бермеуі мүмкін емес, сондықтан технологиялық серпіліс және оларды күнделікті өмірде нақты пайдалану уақыт мәселесі.

    Қазірдің өзінде автомобиль өнеркәсібінің құбыжықтары: General Motors, Honda, Draimler Coyler, Ballard, қуаты 50 кВт-қа жететін отын элементтерімен жұмыс істейтін автобустар мен автомобильдерді көрсетуде. Бірақ олардың қауіпсіздігіне, сенімділігіне және құнына байланысты мәселелер әлі шешілген жоқ. Жоғарыда айтылғандай, дәстүрлі қуат көздерінен айырмашылығы - аккумуляторлар мен аккумуляторлар, бұл жағдайда тотықтырғыш пен отын сырттан беріледі, ал отын ұяшығы отын жағудың және босатылған энергияны электр энергиясына айналдырудың жүріп жатқан реакциясында тек делдал болып табылады. «Жану» егер элемент дизельдік электр генераторы сияқты, бірақ генераторсыз және дизельді қозғалтқышсыз, сондай-ақ шусыз, түтінсіз және қызып кетпесе, жүктемеге ток беретін болса ғана болады. Сонымен қатар, аралық механизмдер болмағандықтан, тиімділік әлдеқайда жоғары.

    Нанотехнологиялар мен наноматериалдарды пайдалануға үлкен үміт артылады, бұл олардың қуатын арттыра отырып, отын жасушаларын миниатюризациялауға көмектеседі. Өте тиімді катализаторлар, сондай-ақ мембранасы жоқ отын элементтеріне арналған конструкциялар жасалғаны туралы хабарламалар бар. Оларда отын (мысалы, метан) тотықтырғышпен бірге элементке беріледі. Қызықты ерітінділер тотықтырғыш ретінде ауада еріген оттегіні, ал отын ретінде ластанған суларда жиналған органикалық қоспаларды пайдаланады. Бұл биоотын элементтері деп аталады.

    Отын жасушалары, сарапшылардың пікірінше, алдағы жылдары жаппай нарыққа шығуы мүмкін.жарияланды

    Бізге қосылыңыз

    Мен бұл тақырып толығымен Хабр тақырыбына қатысты емес екенін бірден ескерткім келеді, бірақ MIT-те әзірленген элемент туралы постқа түсініктемелерде идея қолдау тапқан сияқты болды, сондықтан төменде мен биоотын туралы кейбір ойларды сипаттаймын. элементтері.
    Бұл тақырып жазылған жұмысты мен 11-сыныпта орындадым, INTEL ISEF халықаралық конференциясында екінші орын алдым.

    Отын элементі – электродтарға үздіксіз және бөлек берілетін тотықсыздандырғыш (отын) мен тотықтырғыштың химиялық энергиясы тікелей электр энергиясына айналатын химиялық ток көзі.
    энергия. Отын ұяшығының (FC) схемалық диаграммасы төменде келтірілген:

    Отын элементі анодтан, катодтан, иондық өткізгіштен, анодтан және катодты камералардан тұрады. Қазіргі уақытта биоотын жасушаларының қуаты өнеркәсіптік ауқымда пайдалану үшін жеткіліксіз, бірақ төмен қуатты BFC-терді сезімтал сенсорлар ретінде медициналық мақсаттарда пайдалануға болады, өйткені олардағы ток күші өңделетін отын мөлшеріне пропорционалды.
    Бүгінгі күні отын элементтерінің көптеген дизайн сорттары ұсынылған. Әрбір нақты жағдайда отын ұяшығының конструкциясы отын ұяшығының мақсатына, реагент түріне және иондық өткізгішке байланысты. Арнайы топқа биологиялық катализаторларды пайдаланатын биоотын жасушалары кіреді. Биологиялық жүйелердің маңызды ерекшеленетін белгісі олардың төмен температурада әртүрлі отындарды таңдамалы тотықтыру қабілеті болып табылады.
    Көп жағдайда иммобилизацияланған ферменттер биоэлектрокатализде қолданылады, яғни. тірі организмдерден оқшауланған және тасымалдаушыға бекітілген, бірақ каталитикалық белсенділікті сақтайтын (ішінара немесе толық) оларды қайта пайдалануға мүмкіндік беретін ферменттер. Медиатордың көмегімен ферментативті реакция электродтық реакциямен қосылатын биоотын жасушасының мысалын қарастырайық. Глюкозаоксидаза негізіндегі биоотын жасушасының схемасы:

    Биоотын элементі буферлік ерітіндіге батырылған алтыннан, платинадан немесе көміртектен жасалған екі инертті электродтан тұрады. Электродтар ион алмастырғыш мембранамен бөлінген: анод бөлімі ауамен, катод бөлімі азотпен тазартылады. Мембрана жасушаның электродтық бөлімдерінде болатын реакцияларды кеңістікте бөлуге мүмкіндік береді және сонымен бірге олардың арасындағы протондардың алмасуын қамтамасыз етеді. Биосенсорлар үшін жарамды мембраналар әртүрлі түрлеріҰлыбританияда көптеген компаниялар (VDN, VIROKT) шығарады.
    Глюкозаның құрамында глюкоза оксидазасы және еритін медиаторы бар биоотын ұяшығына 20 ° C температурада глюкозаны енгізу медиатор арқылы ферменттен анодқа электрондардың ағынына әкеледі. Электрондар сыртқы контур арқылы катодқа барады, онда идеалды жағдайда протондар мен оттегінің қатысуымен су түзіледі. Алынған ток (қанықтыру болмаған кезде) жылдамдықты анықтайтын компоненттің (глюкоза) қосылуына пропорционалды. Стационарлық токтарды өлшеу арқылы сіз глюкозаның тіпті төмен концентрациясын - 0,1 мМ дейін жылдам (5 с) анықтай аласыз. Датчик ретінде сипатталған биоотын ұяшығы медиатордың болуына және оттегі катодына және мембранасына белгілі талаптарға байланысты белгілі бір шектеулерге ие. Соңғысы ферментті ұстап тұруы керек және сонымен бірге төмен молекулалық құрамдастардың: газ, медиатор, субстрат арқылы өтуіне мүмкіндік беруі керек. Олардың диффузиялық қасиеттері буферлік ерітіндінің рН мәніне байланысты болса да, ион алмасу мембраналары жалпы осы талаптарды қанағаттандырады. Компоненттердің мембрана арқылы диффузиясы жанама реакциялардың әсерінен электрондарды тасымалдау тиімділігінің төмендеуіне әкеледі.
    Бүгінгі таңда сипаттамалары практикалық қолдану талаптарына сәйкес келмейтін ферменттік катализаторлары бар отын жасушаларының зертханалық үлгілері бар. Алдағы бірнеше жылдағы негізгі күш-жігер биоотын жасушаларын тазартуға бағытталады және биоотын ұяшықтарын одан әрі қолдану медицинаға көбірек қатысты болады, мысалы: оттегі мен глюкозаны қолданатын имплантацияланатын биоотын жасушасы.
    Ферменттерді электрокатализде пайдаланған кезде шешуді қажет ететін негізгі мәселе - ферменттік реакцияны электрохимиялық реакциямен байланыстыру, яғни ферменттің белсенді орталығынан электродқа тиімді электрондарды тасымалдауды қамтамасыз ету, оған қол жеткізуге болады. келесі жолдар:
    1. Төмен молекулалы тасымалдаушы – медиатор (медиатор биоэлектрокатализ) көмегімен ферменттің активті орталығынан электрондарды электродқа беру.
    2. Тікелей, тікелей тотығу және ферменттің электродтағы белсенді жерлерін қалпына келтіру (тікелей биоэлектрокатализ).
    Бұл жағдайда ферментативті және электрохимиялық реакциялардың медиаторлық байланысы, өз кезегінде, төрт жолмен жүзеге асырылуы мүмкін:
    1) фермент пен медиатор ерітіндінің негізгі бөлігінде болады және медиатор электрод бетіне таралады;
    2) фермент электрод бетінде, ал медиатор ерітінді көлемінде;
    3) фермент пен медиатор электродтың бетінде иммобилизацияланады;
    4) медиатор электродтың бетіне тігілген, ал фермент ерітіндіде.

    Бұл жұмыста лакказ оттегінің тотықсыздануының катодтық реакциясының катализаторы, ал глюкоза оксидазасы (GOD) глюкозаның тотығуының анодтық реакциясының катализаторы қызметін атқарды. Ферменттер композиттік материалдардың бір бөлігі ретінде пайдаланылды, олардың жасалуы бір уақытта аналитикалық сенсор ретінде қызмет ететін биоотын жасушаларын жасаудың маңызды кезеңдерінің бірі болып табылады. Бұл жағдайда биокомпозиттік материалдар субстратты анықтау үшін селективтілік пен сезімталдықты қамтамасыз етуі және сонымен бірге ферментативті белсенділікке жақындайтын жоғары биоэлектрокаталитикалық белсенділікке ие болуы керек.
    Лакказа – құрамында Cu бар оксидоредуктаза, оның негізгі қызметі табиғи жағдайда органикалық субстраттарды (фенолдар және олардың туындылары) суға дейін тотықсызданған оттегімен тотығу болып табылады. Ферменттің молекулалық массасы 40000 г/моль.

    Бүгінгі күні лакказ оттегін қалпына келтірудің ең белсенді электрокатализаторы екендігі көрсетілген. Оның оттегі атмосферасында электродта болуы кезінде оттегінің тепе-теңдік потенциалына жақын потенциал орнатылады және оттегінің азаюы тікелей суға түседі.
    Катодтық реакцияның катализаторы (оттегі тотықсыздануы) ретінде лакказ, ацетилен қара AD-100 және Нафион негізіндегі композициялық материал пайдаланылды. Композиттің ерекше қасиеті оның құрылымы болып табылады, ол фермент молекуласының электрон өткізгіш матрицаға қатысты бағдарлануын қамтамасыз етеді, электрондарды тікелей тасымалдау үшін қажет. Ферменттік катализде байқалатын композиттік тәсілдердегі лакказдың ерекше биоэлектрокаталитикалық белсенділігі. Лакказа жағдайында ферментативті және электрохимиялық реакцияларды біріктіру әдісі, яғни. электронды субстраттан лакказ ферментінің белсенді орталығы арқылы электродқа көшіру әдісі – тікелей биэлектрокатализ.

    Глюкозаоксидаза (GOD) оксидоредуктаза класының ферменті болып табылады, екі суббірлігі бар, олардың әрқайсысында өзінің белсенді орталығы бар - (флавин адениндинуклеотиді) ФАД. ҚҰДАЙ - бұл электрон доноры, глюкоза үшін селективті фермент және электронды акцепторлар ретінде көптеген субстраттарды пайдалана алады. Ферменттің молекулалық массасы 180 000 г/моль.

    Бұл жұмыста біз медиатор механизмі арқылы глюкозаның анодты тотығуы үшін GOD және ферроцен (FC) негізіндегі композициялық материалды қолдандық. Композиттік материал құрамына GOD, жоғары дисперсті коллоидты графит (HCG), Fc және Nafion кіреді, бұл жоғары дамыған беті бар электронды өткізгіш матрицаны алуға, реагенттерді реакция аймағына тиімді тасымалдауды және композиттің тұрақты сипаттамаларын қамтамасыз етуге мүмкіндік берді. материал. Ферменттік және электрохимиялық реакцияларды біріктіру әдісі, яғни. фермент пен медиатор электродтың бетінде иммобилизацияланған кезде, электрондардың GOOD белсенді орталығынан медиатор электродына тиімді тасымалдануын қамтамасыз ету. Медиатор – электрон акцепторы ретінде ферроцен пайдаланылды. Органикалық субстрат глюкоза тотыққанда ферроцен тотықсызданады, содан кейін электродта тотығады.

    Егер біреу қызығушылық танытса, мен электродты жабынды алу процесін егжей-тегжейлі сипаттай аламын, бірақ бұл үшін жеке хабарламада жазған дұрыс. Ал тақырыпта мен алынған құрылымды жай ғана сипаттаймын.

    1. AD-100.
    2. лакказ.
    3. гидрофобты кеуекті субстрат.
    4. Нафион.

    Таңдаушыларды қабылдағаннан кейін біз тікелей эксперименттік бөлімге көштік. Біздің жұмыс ұяшығымыз келесідей болды:

    1. Ag/AgCl анықтамалық электроды;
    2. жұмыс электроды;
    3. көмекші электрод - Рт.
    Глюкозаоксидазамен тәжірибеде – аргонмен, лакказмен – оттегімен тазарту.

    Лакказа болмаған кезде күйедегі оттегінің азаюы нөлден төмен потенциалдарда жүреді және екі кезеңде жүреді: сутегі асқын тотығының аралық түзілуі арқылы. Суретте АД-100 бойынша иммобилизацияланған лакказдың оттегінің электрототықсыздануының поляризация қисығы көрсетілген, оттегі атмосферасында рН 4,5 ерітіндіде алынған. Бұл шарттарда оттегінің тепе-теңдік потенциалына (0,76 В) жақын стационарлық потенциал орнатылады. 0,76 В катодтық потенциалдарда фермент электродында оттегінің каталитикалық тотықсыздануы байқалады, ол тікелей суға тікелей биоэлектрокатализ механизмі арқылы өтеді. 0,55 В катодтан төмен потенциалды аймақта қисық сызықта плато байқалады, ол оттегінің тотықсыздануының шекті кинетикалық токына сәйкес келеді. Токтың шекті мәні шамамен 630 мкА/см2 болды.

    GOD Nafion, ферроцен және VKG негізіндегі композициялық материалдың электрохимиялық әрекеті циклдік вольтамметрия (CV) арқылы зерттелді. Фосфатты буферлік ерітіндіде глюкоза болмаған кездегі композициялық материалдың күйі зарядтау қисықтарының көмегімен бақыланды. Зарядтау қисығында (–0,40) В потенциалында GOD - (FAD) белсенді орталығының тотығу-тотықсыздану түрлендірулеріне байланысты максимумдар байқалады, ал 0,20-0,25 В кезінде ферроценнің тотығу және тотықсыздану максимумдары байқалады.

    Алынған нәтижелерден оттегі реакциясының катализаторы ретінде лакказы бар катодтың және глюкозаның тотығуы үшін глюкоза оксидазасының негізіндегі анодтың негізінде биоотын ұяшығын құрудың іргелі мүмкіндігі бар екендігі анықталды. Рас, бұл жолда көптеген кедергілер бар, мысалы, ферменттердің белсенділігінің шыңдары әртүрлі рН деңгейінде байқалады. Бұл БФҚ-ға ион алмасу мембранасын қосу қажеттілігіне әкелді.Мембрана жасушаның электродтық бөлімдерінде болатын реакцияларды кеңістікте бөлуге мүмкіндік береді және сонымен бірге олардың арасындағы протондардың алмасуын қамтамасыз етеді. Анод бөліміне ауа кіреді.
    Глюкозаның құрамында глюкоза оксидазасы мен медиаторы бар биоотын ұяшығына енгізу нәтижесінде ферменттен электрондар медиатор арқылы анодқа өтеді. Электрондар сыртқы контур арқылы катодқа барады, онда идеалды жағдайда протондар мен оттегінің қатысуымен су түзіледі. Алынған ток (қанықтыру болмаған жағдайда) жылдамдықты анықтайтын компонент глюкозаның қосылуына пропорционал. Стационарлық токтарды өлшеу арқылы сіз глюкозаның тіпті төмен концентрациясын - 0,1 мМ дейін жылдам (5 с) анықтай аласыз.

    Өкінішке орай, мен бұл BFC идеясын іс жүзінде жүзеге асыра алмадым, өйткені 11-сыныптан кейін мен бағдарламашы мамандығына оқуға түстім, оны бүгінде де ынтамен атқарып жүрмін. Оны аяқтағандардың барлығына рахмет.

    Сіз енді әлемнің барлық аймақтарында электр энергиясын өндіретін күн батареяларымен де, жел турбиналарымен де ешкімді таң қалдырмайсыз. Бірақ бұл құрылғылардың шығысы тұрақты емес және жаңартылатын энергия көздері электр энергиясын өндірмейтін кезеңде электр энергиясын алу үшін резервтік қуат көздерін орнату немесе желіге қосылу қажет. Дегенмен, 19 ғасырда электр энергиясын өндіру үшін «балама» отынды пайдаланатын, яғни газды немесе мұнай өнімдерін жақпайтын зауыттар бар. Мұндай қондырғылар отын элементтері болып табылады.

    ЖАРАТЫЛУ ТАРИХЫ

    Отын жасушаларын (FC) немесе отын элементтерін 1838-1839 жылдары Уильям Гроув (Гроув, Гроув) судың электролизін зерттеген кезде ашқан.

    Анықтама: Судың электролизі судың электр тогының әсерінен сутегі мен оттегі молекулаларына ыдырау процесі.

    Аккумуляторды электролиттік ұяшықтан ажыратқаннан кейін ол электродтардың бөлінген газды сіңіріп, ток шығара бастағанына таң қалды. Сутегінің электрохимиялық «суық» жану процесінің ашылуы энергетика саласындағы маңызды оқиға болды. Кейінірек ол Grove батареясын жасады. Бұл құрылғыда азот қышқылына батырылған платина электроды және мырыш сульфатындағы мырыш электроды болды. Ол 12 ампер ток пен 8 вольт кернеуін тудырды. Grow өзі бұл дизайн деп аталады «дымқыл батарея». Содан кейін ол екі платина электродтары арқылы аккумулятор жасады. Әрбір электродтың бір ұшы күкірт қышқылында болды, ал басқа ұштары сутегі мен оттегі бар контейнерлерде тығыздалған. Электродтар арасында тұрақты ток болды, ыдыстар ішіндегі судың мөлшері арта түсті. Grow осы құрылғыдағы суды ыдыратып, жақсарта алды.

    «Батареяның өсуі»

    (Дереккөз: Ұлттық табиғи тарих мұражайының корольдік қоғамы)

    «Отын ұяшығы» термині (ағылшынша «Fuel Cell») тек 1889 жылы Л.Монд және
    Ауа мен көмір газынан электр энергиясын өндіруге арналған құрылғы жасауға тырысқан С.Лангер.

    БҰЛ ҚАЛАЙ ЖҰМЫС ІСТЕЙДІ?

    Жанармай ұяшығы - салыстырмалы түрде қарапайым құрылғы. Оның екі электроды бар: анод (теріс электрод) және катод (оң электрод). Электродтарда химиялық реакция жүреді. Оны жылдамдату үшін электродтардың беті катализатормен қапталған. ФК тағы бір элементпен жабдықталған - мембрана.Отынның химиялық энергиясының тікелей электр энергиясына айналуы мембрананың жұмысының арқасында жүзеге асады. Ол отын мен тотықтырғыш жеткізілетін элементтің екі камерасын бөледі. Мембрана катализатормен қапталған электродта бір камерадан екінші камераға отынның бөлінуі нәтижесінде түзілетін протондарды ғана өткізуге мүмкіндік береді (одан кейін электрондар сыртқы тізбек арқылы өтеді). Екінші камерада протондар электрондармен (және оттегі атомдарымен) қосылып, су түзеді.

    Сутегі отын элементінің жұмыс принципі

    Химиялық деңгейде отын энергиясын электр энергиясына айналдыру процесі кәдімгі жану процесіне (тотығу) ұқсас.

    Оттегіде қалыпты жану кезінде органикалық отынның тотығуы жүреді, ал отынның химиялық энергиясы жылу энергиясына айналады. Электролиттік ортада және электродтардың қатысуымен сутегінің оттегімен тотығуы кезінде не болатынын көрейік.

    Сілтілік ортада орналасқан электродты сутегімен қамтамасыз ету арқылы химиялық реакция жүреді:

    2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

    Көріп отырғаныңыздай, біз сыртқы контурдан өтіп, оттегі ағатын және реакция жүретін қарама-қарсы электродқа келетін электрондарды аламыз:

    4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

    Пайда болған 2H 2 + O 2 → H 2 O реакциясы қалыпты жану кезіндегідей болатынын көруге болады, бірақ Отын ұяшығы электр тогын және біраз жылуды шығарады.

    ОТЫН КЕЛШЕКТЕРДІҢ ТҮРЛЕРІ

    Реакцияға қолданылатын электролит түріне қарай отын элементтерін жіктеу әдеттегідей:

    Сондай-ақ отын элементтері отын ретінде көмірді, көміртегі тотығын, спирттерді, гидразинді және басқа органикалық заттарды, ал тотықтырғыш ретінде ауаны, сутегі асқын тотығын, хлорды, бромды, азот қышқылын және т.б. пайдалана алатынын ескеріңіз.

    ОТЫН КЕЛШЕКТЕРІНІҢ ТИІМДІЛІГІ

    Отын жасушаларының ерекшелігі болып табылады тиімділігіне қатаң шектеулер жоқ, жылу қозғалтқыштары сияқты.

    Анықтама: тиімділікКарно циклі ең төменгі және максималды температуралары бірдей барлық жылу машиналары арасындағы мүмкін болатын ең жоғары тиімділік болып табылады.

    Демек, теорияда отын элементтерінің тиімділігі 100% жоғары болуы мүмкін. Көбісі күліп: «Мәңгілік қозғалыс машинасы ойлап табылды» деп ойлады. Жоқ, біз мектептегі химия курсына қайта оралуымыз керек. Отын элементі химиялық энергияны электр энергиясына айналдыруға негізделген. Мұнда ғажайыптар орын алады. Кейбір химиялық реакциялар пайда болған кезде қоршаған ортадан жылуды сіңіруі мүмкін.

    Анықтама: Эндотермиялық реакциялар - жылуды сіңірумен жүретін химиялық реакциялар. Эндотермиялық реакциялар үшін энтальпияның және ішкі энергияның өзгеруі оң мәндерге ие (ΔХ >0, Δ У >0), осылайша реакция өнімдері бастапқы компоненттерге қарағанда көбірек энергияны қамтиды.

    Мұндай реакцияның мысалы ретінде отын элементтерінің көпшілігінде қолданылатын сутегінің тотығуын келтіруге болады. Сондықтан теориялық тұрғыдан тиімділік 100% -дан жоғары болуы мүмкін. Бірақ бүгінгі күні отын элементтері жұмыс кезінде қызады және қоршаған ортадан жылуды сіңіре алмайды.

    Анықтама: Бұл шектеу термодинамиканың екінші заңымен қойылған. «Суық» денеден «ыстық» денеге жылу беру процесі мүмкін емес.

    Сонымен қатар, тепе-теңдіксіз процестермен байланысты шығындар бар. Мысалы: электролит пен электродтардың меншікті өткізгіштігінен болатын омдық ысыраптар, активтену мен концентрацияның поляризациясы, диффузиялық шығындар. Нәтижесінде отын элементтерінде түзілетін энергияның бір бөлігі жылуға айналады. Демек, отын элементтері мәңгілік қозғалыс машиналары емес және олардың тиімділігі 100% -дан аз. Бірақ олардың тиімділігі басқа машиналарға қарағанда жоғары. Бүгін Жанармай жасушаларының тиімділігі 80% жетеді.

    Анықтама:Қырқыншы жылдары ағылшын инженері Т.Бэкон таза сутегі мен оттегімен жұмыс істейтін жалпы қуаты 6 кВт және ПӘК 80% болатын отын элементтерінен тұратын аккумуляторды жобалап, құрастырды, бірақ батареяның қуат пен салмақ қатынасы тым кішкентай болып шықты - мұндай элементтер практикалық қолдануға жарамсыз және тым қымбат болды (дерек: http://www.powerinfo.ru/).

    ОТЫН КЕЛШЕКТЕР ПРОБЛЕМАЛАРЫ

    Барлық дерлік отын ұяшықтары отын ретінде сутекті пайдаланады, сондықтан логикалық сұрақ туындайды: «Мен оны қайдан аламын?»

    Электролиз нәтижесінде отын элементі ашылған сияқты, сондықтан электролиз нәтижесінде бөлінген сутекті пайдалануға болады. Бірақ бұл процесті толығырақ қарастырайық.

    Фарадей заңы бойынша: анодта тотыққан немесе катодта тотықсызданған заттың мөлшері электролит арқылы өтетін электр энергиясының мөлшеріне пропорционал. Бұл сутегін көбірек алу үшін көбірек электр энергиясын жұмсау керек дегенді білдіреді. Қолданыстағы су электролизі әдістері бірден төмен тиімділікпен жұмыс істейді. Содан кейін алынған сутекті отын ұяшықтарында пайдаланамыз, мұнда тиімділік те бірліктен аз. Сондықтан біз өндіре алатынымыздан көп энергия жұмсаймыз.

    Әрине, табиғи газдан алынған сутекті пайдалануға болады. Сутегін алудың бұл әдісі ең арзан және ең танымал болып қала береді. Қазіргі уақытта әлемде өндірілетін сутегінің шамамен 50% табиғи газдан алынады. Бірақ сутегін сақтау және тасымалдау мәселесі бар. Сутегінің тығыздығы төмен ( бір литр сутегінің салмағы 0,0846 г), сондықтан оны тасымалдау үшін ұзақ қашықтықтароны қысу керек. Ал бұл қосымша энергия және ақшалай шығындар. Сонымен қатар, қауіпсіздік туралы ұмытпаңыз.

    Дегенмен, бұл жерде де шешім бар - сұйық көмірсутекті отынды сутегі көзі ретінде пайдалануға болады. Мысалы, этил немесе метил спирті. Рас, бұл үшін арнайы қосымша құрылғы қажет - отын түрлендіргіші, қашан жоғары температура(метанол үшін бұл шамамен 240 ° C болады) спирттерді газ тәрізді H 2 және CO 2 қоспасына айналдыру. Бірақ бұл жағдайда портативтілік туралы ойлау қиынырақ - мұндай құрылғыларды стационарлық немесе автокөлік генераторлары ретінде пайдалану жақсы, бірақ ықшам мобильді жабдық үшін сізге аз көлемді нәрсе қажет.

    Катализатор

    Отын ұяшығындағы реакцияны күшейту үшін анод беті әдетте катализатормен өңделеді. Соңғы уақытқа дейін катализатор ретінде платина пайдаланылды. Сондықтан отын ұяшығының құны жоғары болды. Екіншіден, платина салыстырмалы түрде сирек кездесетін металл. Сарапшылардың пікірінше, отын элементтерінің өнеркәсіптік өндірісімен платинаның дәлелденген қоры 15-20 жылдан кейін таусылады. Бірақ бүкіл әлем ғалымдары платинаны басқа материалдармен алмастыруға тырысуда. Айтпақшы, олардың кейбірі жақсы нәтижелерге қол жеткізді. Осылайша қытай ғалымдары платинаны кальций оксидімен алмастырды (дерек көзі: www.cheburek.net).

    ОТЫН КЕЛШЕКТЕРДІ ПАЙДАЛАНУ

    Автокөлік технологиясындағы алғашқы отын ұяшығы 1959 жылы сыналған. Alice-Chambers тракторы жұмыс істеу үшін 1008 аккумуляторды пайдаланды. Отын газдардың, негізінен пропан мен оттегінің қоспасы болды.

    Дереккөз: http://www.planetseed.com/

    60-жылдардың ортасынан бастап, «ғарыштық жарыстың» шыңында ғарыш кемелерін жасаушылар отын жасушаларына қызығушылық танытты. Мыңдаған ғалымдар мен инженерлердің еңбегі жаңа деңгейге шығуға мүмкіндік берді және 1965 ж. жанармай жасушалары АҚШ-та Gemini 5 ғарыш кемесіне, кейінірек Айға ұшуға және Шаттл бағдарламасына арналған Аполлон ғарыш кемесіне сынақтан өтті. КСРО-да NPO Kvant-да ғарышта пайдалану үшін отын ұяшықтары жасалды (дерек: http://www.powerinfo.ru/).

    Отын ұяшығында сутегінің жануының соңғы өнімі су болғандықтан, олар қоршаған ортаға әсер ету тұрғысынан ең таза болып саналады. Сондықтан отын ұяшықтары қоршаған ортаға жалпы қызығушылықтың фонында танымал бола бастады.

    Қазірдің өзінде Honda, Ford, Nissan және Mercedes-Benz сияқты автомобиль өндірушілері сутегі отын элементтерімен жұмыс істейтін автомобильдер жасап шығарды.

    Mercedes-Benz - сутегімен жұмыс істейтін Ener-G-Force

    Сутегі машиналарын пайдалану кезінде сутегі сақтау мәселесі шешіледі. Сутегі жанармай құю станцияларының құрылысы кез келген жерде жанармай құюға мүмкіндік береді. Оның үстіне автокөлікті сутегімен толтыру жанармай құю станциясында электромобильді зарядтаудан жылдамырақ. Бірақ мұндай жобаларды жүзеге асырған кезде біз электромобильдер сияқты проблемаға тап болдық. Адамдарға инфрақұрылым болса, сутегі көлігіне көшуге дайын. Ал тұтынушылар саны жеткілікті болса, жанармай құю бекеттерінің құрылысы басталады. Сондықтан, біз тағы да жұмыртқа мен тауық дилеммасына келдік.

    Жанармай ұяшықтары ұялы телефондар мен ноутбуктерде кеңінен қолданылады. Телефон аптасына бір рет зарядталатын уақыт өтіп кетті. Қазір телефон күн сайын дерлік зарядталады, ал ноутбук желісіз 3-4 сағат жұмыс істейді. Сондықтан мобильді технология өндірушілері зарядтау және жұмыс істеу үшін телефондар мен ноутбуктермен бірге отын ұяшығын синтездеуге шешім қабылдады. Мысалы, Toshiba компаниясы 2003 ж. метанол отын ұяшығының дайын прототипін көрсетті. Ол шамамен 100 мВт қуат шығарады. 2 текше концентрлі (99,5%) метанолды бір рет толтыру MP3 ойнатқышының 20 сағат жұмыс істеуіне жеткілікті. Тағы да сол Toshiba 275x75x40 мм өлшемді ноутбуктерді қуаттандыруға арналған ұяшықты көрсетті, бұл компьютерге бір зарядта 5 сағат жұмыс істеуге мүмкіндік береді.

    Бірақ кейбір өндірушілер одан әрі кетті. PowerTrekk компаниясы осы аттас зарядтағышты шығарды. PowerTrekk — әлемдегі алғашқы су зарядтағыш. Оны пайдалану өте оңай. PowerTrekk USB сымы арқылы лезде электр қуатын қамтамасыз ету үшін суды қосуды қажет етеді. Бұл отын ұяшығында кремний ұнтағы мен натрий силициді (NaSi) бар, сумен араласқан кезде комбинация сутегін түзеді. Сутегі отын ұяшығының өзінде ауамен араласады және ол сутегін желдеткіштер мен сорғыларсыз мембрана-протон алмасу арқылы электр энергиясына айналдырады. Мұндай портативті зарядтағышты 149 евроға сатып алуға болады (

    Отын элементтері (электрохимиялық генераторлар) энергия өндірудің өте тиімді, ұзақ мерзімді, сенімді және экологиялық таза әдісі болып табылады. Бастапқыда олар тек ғарыш өнеркәсібінде ғана қолданылды, бірақ бүгінгі күні электрохимиялық генераторлар әртүрлі салаларда көбірек қолданылады: ұялы телефондар мен ноутбуктерге арналған қуат көздері, көлік қозғалтқыштары, ғимараттардың автономды қуат көздері және стационарлық электр станциялары. Бұл құрылғылардың кейбірі зертханалық прототиптер ретінде жұмыс істейді, ал басқалары демонстрациялық мақсаттар үшін пайдаланылады немесе өндіріске дейінгі сынақтан өтеді. Дегенмен, көптеген модельдер қазірдің өзінде коммерциялық жобаларда қолданылады және жаппай шығарылады.

    Құрылғы

    Отын жасушалары - бұл бар химиялық энергияны электр энергиясына жоғары түрлендіру жылдамдығын қамтамасыз етуге қабілетті электрохимиялық құрылғылар.

    Жанармай ұяшығы құрылғысы үш негізгі бөліктен тұрады:

    1. Электр энергиясын өндіру бөлімі;
    2. ОРТАЛЫҚ ЕСЕПТЕУІШ БӨЛІМ;
    3. Кернеу трансформаторы.

    Отын элементінің негізгі бөлігі жеке отын элементтерінен жасалған аккумулятор болып табылатын электр энергиясын өндіру бөлімі болып табылады. Платина катализаторы отын элементінің электродтарының құрылымына кіреді. Осы жасушалардың көмегімен тұрақты электр тогы жасалады.

    Осы құрылғылардың біреуі келесі сипаттамаларға ие: 155 вольт кернеуінде 1400 ампер өндіріледі. Батареяның өлшемдері ені мен биіктігі бойынша 0,9 м, ұзындығы 2,9 м. Ондағы электрохимиялық процесс 177 ° C температурада жүзеге асырылады, ол іске қосу кезінде батареяны қыздыруды, сондай-ақ оның жұмысы кезінде жылуды кетіруді қажет етеді. Осы мақсатта отын ұяшығына жеке су тізбегі енгізілген, ал аккумулятор арнайы салқындатқыш тақталармен жабдықталған.

    Отын процесі табиғи газды сутегіге айналдырады, ол электрохимиялық реакция үшін қажет. Жанармай процессорының негізгі элементі - реформатор. Онда табиғи газ (немесе басқа сутегі бар отын) никель катализаторының әсерінен су буымен жоғары қысымда және жоғары температурада (шамамен 900 ° C) әрекеттеседі.

    Реформатордың қажетті температурасын ұстап тұру үшін қыздырғыш бар. Реформингке қажетті бу конденсаттан жасалады. Отын батареясының батареясында тұрақсыз тұрақты ток пайда болады және оны түрлендіру үшін кернеу түрлендіргіші қолданылады.

    Сондай-ақ кернеу түрлендіргіш блогында:

    • Басқару құрылғылары.
    • Әртүрлі ақаулар кезінде отын ұяшығын өшіретін қауіпсіздік блокировкасы тізбектері.

    Жұмыс принципі

    Ең қарапайым протон алмасу мембранасы анод пен катод арасында орналасқан полимерлі мембранадан, сонымен қатар катод пен анод катализаторларынан тұрады. Полимерлі мембрана электролит ретінде қолданылады.

    • Протон алмасу қабықшасы қалыңдығы шағын, жұқа қатты органикалық қосылысқа ұқсайды. Бұл мембрана электролит ретінде жұмыс істейді, су болған кезде ол затты теріс және оң зарядталған иондарға бөледі.
    • Тотығу анодтан басталады, ал тотықсыздану катодта жүреді. PEM ұяшығындағы катод пен анод кеуекті материалдан жасалған; бұл платина мен көміртегі бөлшектерінің қоспасы. Платина диссоциация реакциясына ықпал ететін катализатор қызметін атқарады. Катод пен анод олар арқылы оттегі мен сутегі еркін өтетіндей кеуекті болады.
    • Анод пен катод екі металл пластина арасында орналасады, олар катод пен анодқа оттегі мен сутегін береді, электр энергиясын, жылу мен суды кетіреді.
    • Пластинадағы арналар арқылы сутегі молекулалары анодқа түседі, онда молекулалар атомдарға ыдырайды.
    • Катализатор әсерінен хемосорбция нәтижесінде сутегі атомдары оң зарядты сутегі иондары Н+, яғни протондарға айналады.
    • Протондар мембрана арқылы катодқа диффузияланады, ал электрондар ағыны арнайы сыртқы электр тізбегі арқылы катодқа өтеді. Оған жүктеме қосылған, яғни электр энергиясын тұтынушы.
    • Катодқа берілетін оттегі әсер еткенде сыртқы электр тізбегінің электрондарымен және протон алмасу мембранасының сутегі иондарымен химиялық реакцияға түседі. Осы химиялық реакция нәтижесінде су пайда болады.

    Отын элементтерінің басқа түрлерінде (мысалы, ортофосфор қышқылы H3PO4 түріндегі қышқыл электролитпен) болатын химиялық реакция протон алмасу мембранасы бар құрылғының реакциясымен толығымен бірдей.

    Түрлері

    Қазіргі уақытта қолданылатын электролиттің құрамында ерекшеленетін отын элементтерінің бірнеше түрлері белгілі:

    • Ортофосфор немесе фосфор қышқылына негізделген отын жасушалары (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
    • Протон алмасу мембранасы бар құрылғылар (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
    • Қатты оксидті отын элементтері (SOFC, қатты оксидті отын жасушалары).
    • Балқытылған карбонат негізіндегі электрохимиялық генераторлар (MCFC, балқытылған карбонатты отын жасушалары).

    Қазіргі уақытта PAFC технологиясын қолданатын электрохимиялық генераторлар кеңірек тарады.

    Қолдану

    Бүгінгі күні отын жасушалары Space Shuttle, қайта пайдалануға болатын ғарыш аппараттарында қолданылады. Олар 12 Вт қондырғыларды пайдаланады. Олар ғарыш кемесіндегі барлық электр энергиясын өндіреді. Электрохимиялық реакция кезінде түзілетін су ішуге, соның ішінде жабдықты салқындатуға пайдаланылады.

    Электрохимиялық генераторлар кеңестік «Буран» ғарыш кемесіне қуат беру үшін де пайдаланылды.

    Отын ұяшықтары азаматтық секторда да қолданылады.

    • Қуаты 5–250 кВт және одан жоғары стационарлық қондырғылар. Олар өнеркәсіптік, қоғамдық және тұрғын үйлерді жылумен және электрмен жабдықтаудың автономды көздері ретінде, апаттық және резервтік қуат көздерін, үздіксіз қуат көздерін пайдаланады.
    • Қуаты 1–50 кВт болатын портативті қондырғылар. Олар ғарыштық спутниктер мен кемелер үшін қолданылады. Даналар гольф арбалары, мүгедектер арбалары, теміржол және жүк тоңазытқыштары, жол белгілері үшін жасалған.
    • Қуаты 25–150 кВт болатын жылжымалы қондырғылар. Олар әскери кемелер мен суасты қайықтарында, соның ішінде автомобильдер мен басқа да көліктерде қолданыла бастады. Прототиптерді Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford және т.б. сияқты автокөлік алпауыттары жасап қойған.
    • 1–500 Вт қуаты бар микроқұрылғылар. Олар қосымшаны жетілдірілген портативті компьютерлерде, ноутбуктерде, тұтынушылық электронды құрылғыларда, ұялы телефондарда және заманауи әскери құрылғыларда табады.

    Ерекшеліктер

    • Әрбір отын ұяшығындағы химиялық реакцияның энергиясының бір бөлігі жылу түрінде бөлінеді. Тоңазытқыш қажет. Сыртқы тізбекте электрондар ағыны жұмыс істеу үшін пайдаланылатын тұрақты ток жасайды. Сутегі иондарының қозғалысын тоқтату немесе сыртқы контурды ашу химиялық реакцияның тоқтауына әкеледі.
    • Отын жасушалары жасайтын электр энергиясының мөлшері газ қысымымен, температурамен, геометриялық өлшемдермен және отын ұяшығының түрімен анықталады. Реакция нәтижесінде өндірілетін электр энергиясының мөлшерін ұлғайту үшін отын элементтерін үлкейтуге болады, бірақ іс жүзінде бірнеше ұяшықтар пайдаланылады, олар батареяларға біріктіріледі.
    • Отын жасушаларының кейбір түрлеріндегі химиялық процесті кері қайтаруға болады. Яғни, электродтарға потенциалдар айырмасы қолданылған кезде су оттегі мен сутегіге ыдырауы мүмкін, олар кеуекті электродтарда жиналатын болады. Жүктеме қосылған кезде мұндай отын ұяшығы электр энергиясын жасайды.

    Перспективалар

    Қазіргі уақытта электрохимиялық генераторларды энергияның негізгі көзі ретінде пайдалану үшін үлкен бастапқы шығындар қажет. Өткізгіштігі жоғары, тиімді және арзан катализаторлары және сутегінің баламалы көздері бар неғұрлым тұрақты мембраналарды енгізу кезінде отын элементтері экономикалық тұрғыдан жоғары тартымдылыққа ие болады және барлық жерде жүзеге асырылатын болады.

    • Автомобильдер отын элементтерімен жұмыс істейді, іштен жанатын қозғалтқыштар мүлде болмайды. Энергия көзі ретінде су немесе қатты күйдегі сутегі пайдаланылады. Жанармай құю қарапайым және қауіпсіз болады, ал көлік жүргізу экологиялық таза болады - тек су буы шығарылады.
    • Барлық ғимараттарда өздерінің портативті отын ұяшықтарының электр генераторлары болады.
    • Электрохимиялық генераторлар барлық батареяларды ауыстырады және кез келген электроника мен тұрмыстық техникаға орнатылады.

    Артылықшылықтар мен кемшіліктер

    Отын ұяшығының әрбір түрінің өз кемшіліктері мен артықшылықтары бар. Кейбіреулер жоғары сапалы отынды қажет етеді, басқалары күрделі дизайнға ие және жоғары жұмыс температурасын талап етеді.

    Жалпы, отын жасушаларының келесі артықшылықтарын атап өтуге болады:

    • экологиялық қауіпсіздік;
    • электрохимиялық генераторларды қайта зарядтау қажет емес;
    • электрохимиялық генераторлар энергияны үнемі жасай алады, олар сыртқы жағдайларға мән бермейді;
    • масштабта икемділік және тасымалдану.

    Кемшіліктердің арасында:

    • отынды сақтау және тасымалдау кезіндегі техникалық қиындықтар;
    • құрылғының жетілмеген элементтері: катализаторлар, мембраналар және т.б.

    Жанармай ұяшығы ( Жанармай ұяшығы) химиялық энергияны электр энергиясына түрлендіретін құрылғы. Ол принципі бойынша кәдімгі аккумуляторға ұқсас, бірақ оның жұмысы электрохимиялық реакцияның жүруі үшін сырттан үнемі заттардың жеткізілуін қажет ететіндігімен ерекшеленеді. Сутегі мен оттегі отын элементтеріне беріледі, ал шығарылатын электр энергиясы, су және жылу. Олардың артықшылығына экологиялық тазалық, сенімділік, ұзақ мерзімділік және пайдаланудың қарапайымдылығы жатады. Кәдімгі батареялардан айырмашылығы, электрохимиялық түрлендіргіштер жанармай жеткізілгенше іс жүзінде шексіз жұмыс істей алады. Олар толық зарядталғанша бірнеше сағат бойы зарядтаудың қажеті жоқ. Оның үстіне ұяшықтардың өзі қозғалтқышты өшіріп, көлік тұрақта тұрғанда аккумуляторды зарядтай алады.

    Сутегі көліктерінде ең көп қолданылатын отын элементтері протонды мембраналық отын элементтері (PEMFCs) және қатты оксидті отын элементтері (SOFCs) болып табылады.

    Протон алмасу мембранасының отын ұяшығы келесідей жұмыс істейді. Анод пен катодтың арасында арнайы мембрана және платинамен қапталған катализатор бар. Анодқа сутегі, ал катодқа оттегі (мысалы, ауадан) беріледі. Анодта сутегі катализатордың көмегімен протондар мен электрондарға ыдырайды. Сутегі протондары мембрана арқылы өтіп, катодқа жетеді, ал электрондар сыртқы контурға беріледі (мембраналық олардың өтуіне мүмкіндік бермейді). Осылайша алынған потенциалдар айырмасы электр тогының пайда болуына әкеледі. Катод жағында сутегі протондары оттегімен тотығады. Нәтижесінде автокөлік пайдаланылған газдардың негізгі элементі болып табылатын су буы пайда болады. Жоғары тиімділікке ие PEM жасушаларының бір маңызды кемшілігі бар - олардың жұмыс істеуі үшін таза сутегі қажет, оны сақтау өте маңызды мәселе.

    Егер осы ұяшықтардағы қымбат платинаның орнын басатын осындай катализатор табылса, электр энергиясын өндіретін арзан отын ұяшығы бірден құрылады, яғни әлем мұнайға тәуелділіктен құтылады деген сөз.

    Қатты оксид жасушалары

    Қатты оксидті SOFC жасушалары отынның тазалығына әлдеқайда аз талап етеді. Сонымен қатар, POX реформаторын (ішінара тотығу) пайдаланудың арқасында мұндай жасушалар отын ретінде қарапайым бензинді тұтына алады. Бензинді тікелей электр энергиясына айналдыру процесі келесідей. Арнайы құрылғыда - реформаторда шамамен 800 ° C температурада бензин буланып, оның құрамдас элементтеріне ыдырайды.

    Бұл сутегі мен көмірқышқыл газын шығарады. Әрі қарай, температураның әсерінен және тікелей SOFC қолданумен (цирконий оксидінің негізіндегі кеуекті керамикалық материалдан тұрады) сутегі ауадағы оттегімен тотығады. Бензиннен сутегін алғаннан кейін процесс жоғарыда сипатталған сценарий бойынша жалғасады, тек бір айырмашылығы бар: SOFC отын ұяшығы, сутегімен жұмыс істейтін құрылғылардан айырмашылығы, бастапқы отындағы қоспаларға азырақ сезімтал. Сондықтан бензиннің сапасы отын ұяшығының жұмысына әсер етпеуі керек.

    SOFC жұмысының жоғары температурасы (650–800 градус) елеулі кемшілік болып табылады, қыздыру процесі шамамен 20 минутты алады. Бірақ артық жылу проблема емес, өйткені ол реформатор мен отын ұяшығының өзі шығаратын қалған ауа мен пайдаланылған газдар арқылы толығымен жойылады. Бұл SOFC жүйесін жылу оқшауланған корпуста жеке құрылғы ретінде көлікке біріктіруге мүмкіндік береді.

    Модульдік құрылым стандартты ұяшықтар жиынтығын тізбектей қосу арқылы қажетті кернеуге қол жеткізуге мүмкіндік береді. Және, ең бастысы, мұндай құрылғыларды енгізу тұрғысынан алғанда, SOFC өте қымбат платина негізіндегі электродтарды қамтымайды. Дәл осы элементтердің жоғары құны PEMFC технологиясын дамыту мен таратудағы кедергілердің бірі болып табылады.

    Отын жасушаларының түрлері

    Қазіргі уақытта отын жасушаларының келесі түрлері бар:

    • A.F.C.– Alkaline Fuel Cell (сілтілі отын элементі);
    • PAFC– Фосфор қышқылының отын элементі (фосфор қышқылының отын элементі);
    • PEMFC– Протон алмасу мембранасы отын ұяшығы (протон алмасу мембранасы бар отын элементі);
    • DMFC– Тікелей метанол отын ұяшығы (метанолдың тікелей ыдырауы бар отын ұяшығы);
    • MCFC– Балқытылған карбонатты отын элементі (балқытылған карбонаттың отын ұяшығы);
    • SOFC– Қатты оксидті отын ұяшығы (қатты оксидті отын элементі).

    Отын элементтерінің/клеткалардың артықшылықтары

    Отын элементі/элементтері – электрохимиялық реакция арқылы сутегіге бай отыннан тұрақты ток пен жылуды тиімді өндіретін құрылғы.

    Жанармай ұяшығы батареяға ұқсайды, өйткені ол химиялық реакция арқылы тұрақты ток шығарады. Отын ұяшығына анод, катод және электролит кіреді. Алайда, батареялардан айырмашылығы, отын элементтері электр энергиясын сақтай алмайды және зарядсыздандырмайды немесе қайта зарядтау үшін электр қуатын қажет етпейді. Жанармай жасушалары/клеткалары жанармай мен ауамен қамтамасыз етілсе, үздіксіз электр энергиясын өндіре алады.

    Басқа қуат генераторларынан айырмашылығы, мысалы, іштен жанатын қозғалтқыштар немесе газ, көмір, мазут және т.б. арқылы жұмыс істейтін турбиналар, отын элементтері/элементтері отынды жақпайды. Бұл шулы жоғары қысымды роторлардың, қатты шығатын шудың, дірілдің болмауын білдіреді. Отын жасушалары/клеткалары дыбыссыз электрохимиялық реакция арқылы электр энергиясын шығарады. Отын элементтерінің/клеткаларының тағы бір ерекшелігі - олар отынның химиялық энергиясын тікелей электр, жылу және суға айналдырады.

    Отын жасушаларының тиімділігі жоғары және көмірқышқыл газы, метан және азот оксиді сияқты парниктік газдардың көп мөлшерін шығармайды. Жұмыс кезінде шығарындылардың жалғыз өнімі бу түріндегі су және отын ретінде таза сутегі пайдаланылған жағдайда мүлдем бөлінбейтін аз мөлшерде көмірқышқыл газы болып табылады. Отын элементтері/ұяшықтары жинақтарға, содан кейін жеке функционалды модульдерге жиналады.

    Отын жасушаларының/клеткаларының даму тарихы

    1950 және 1960 жылдары отын элементтері үшін ең өзекті мәселелердің бірі Ұлттық аэронавтика және ғарыш басқармасының (NASA) ұзақ мерзімді ғарыштық миссиялар үшін энергия көздеріне деген қажеттілігінен туындады. NASA-ның сілтілі отын ұяшығы екі химиялық элементті электрохимиялық реакцияда біріктіру арқылы отын ретінде сутегі мен оттегін пайдаланады. Шығарылатын нәтиже ғарыштық ұшу кезіндегі реакцияның үш пайдалы өнімі болып табылады - ғарыш кемесін қуаттандыру үшін электр энергиясы, ауыз су және салқындату жүйелеріне арналған су және ғарышкерлерді жылыту үшін жылу.

    Отын жасушаларының ашылуы 19 ғасырдың басынан басталады. Отын жасушаларының әсерінің алғашқы дәлелі 1838 жылы алынды.

    1930 жылдардың соңында сілтілі электролиті бар отын ұяшықтары бойынша жұмыс басталды және 1939 жылы жоғары қысымды никельмен қапталған электродтарды қолданатын ұяшық салынды. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде Британ Әскери-теңіз күштерінің сүңгуір қайықтары үшін отын ұяшықтары/клеткалары әзірленді және 1958 жылы диаметрі 25 см-ден сәл асатын сілтілі отын элементтерінен/клеткаларынан тұратын отын жинағы енгізілді.

    1950 және 1960 жылдары, сондай-ақ өнеркәсіп әлемі мұнай отынының тапшылығын бастан өткерген 1980 жылдары қызығушылық артты. Дәл осы кезеңде әлем елдері де ауаның ластану мәселесіне алаңдап, экологиялық таза түрде электр энергиясын өндірудің жолдарын қарастырды. Қазіргі уақытта отын ұяшықтары технологиясы қарқынды даму үстінде.

    Отын элементтерінің/клеткалардың жұмыс принципі

    Отын жасушалары/клеткалары электролит, катод және анод арқылы өтетін электрохимиялық реакция нәтижесінде электр және жылу шығарады.



    Анод пен катод протондарды өткізетін электролитпен бөлінген. Сутегі анодқа, оттегі катодқа өткеннен кейін химиялық реакция басталады, нәтижесінде электр тогы, жылу және су пайда болады.

    Анодтық катализаторда молекулалық сутегі диссоциацияланады және электрондарды жоғалтады. Сутегі иондары (протондар) электролит арқылы катодқа өтеді, ал электрондар электролит арқылы өтіп, сыртқы электр тізбегі арқылы қозғалып, жабдықты қуаттандыру үшін пайдаланылуы мүмкін тұрақты ток жасайды. Катодты катализаторда оттегі молекуласы электронмен (сыртқы байланыстардан қамтамасыз етіледі) және келетін протонмен қосылып, жалғыз реакция өнімі (бу және/немесе сұйық түрінде) болып табылатын суды құрайды.

    Төменде сәйкес реакция берілген:

    Анодтағы реакция: 2H 2 => 4H+ + 4e -
    Катодтағы реакция: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
    Элементтің жалпы реакциясы: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

    Отын элементтерінің/клеткаларының түрлері мен әртүрлілігі

    Іштен жанатын қозғалтқыштардың әртүрлі түрлері бар сияқты, отын ұяшықтарының да әртүрлі түрлері бар - отын ұяшығының дұрыс түрін таңдау оның қолданылуына байланысты.

    Отын элементтері жоғары температура және төмен температура болып бөлінеді. Төмен температуралы отын элементтері отын ретінде салыстырмалы түрде таза сутекті қажет етеді. Бұл көбінесе бастапқы отынды (мысалы, табиғи газ) таза сутегіге айналдыру үшін отынды өңдеу қажет екенін білдіреді. Бұл процесс қосымша энергияны жұмсайды және арнайы жабдықты қажет етеді. Жоғары температурадағы отын элементтеріне бұл қосымша процедура қажет емес, өйткені олар жоғары температурада отынды «іштей түрлендіре» алады, яғни сутегі инфрақұрылымына инвестиция салудың қажеті жоқ.

    Балқытылған карбонатты отын ұяшықтары/клеткалары (MCFC)

    Балқытылған карбонатты электролит отын элементтері жоғары температуралы отын элементтері болып табылады. Жоғары жұмыс температурасы табиғи газды отындық процессорсыз және өнеркәсіптік процестерден және басқа көздерден алынатын төмен калориялы отын газын тікелей пайдалануға мүмкіндік береді.

    RCFC жұмысы басқа отын элементтерінен ерекшеленеді. Бұл жасушалар балқыған карбонат тұздарының қоспасынан жасалған электролит пайдаланады. Қазіргі уақытта қоспалардың екі түрі қолданылады: литий карбонаты және калий карбонаты немесе литий карбонаты және натрий карбонаты. Карбонат тұздарын балқыту және электролиттегі иондардың жоғары қозғалғыштығына қол жеткізу үшін балқытылған карбонатты электролиті бар отын элементтері жоғары температурада (650°С) жұмыс істейді. Тиімділігі 60-80% аралығында ауытқиды.

    650°С температураға дейін қыздырғанда тұздар карбонат иондары үшін өткізгіш болады (CO 3 2-). Бұл иондар катодтан анодқа өтіп, сутегімен қосылып су, көмірқышқыл газы және бос электрондар түзеді. Бұл электрондар сыртқы электр тізбегі арқылы катодқа қайта жіберіліп, жанама өнім ретінде электр тогы мен жылу шығарады.

    Анодтағы реакция: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
    Катодтағы реакция: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
    Элементтің жалпы реакциясы: H 2 (г) + 1/2O 2 (г) + CO 2 (катод) => H 2 O (г) + CO 2 (анод)

    Балқытылған карбонатты электролиттік отын элементтерінің жоғары жұмыс температурасы белгілі бір артықшылықтарға ие. Жоғары температурада табиғи газ ішкі реформаланады, отын процессорының қажеттілігін жояды. Бұдан басқа, артықшылықтарға электродтарда баспайтын болаттан жасалған парақтар мен никель катализаторы сияқты стандартты құрылыс материалдарын пайдалану мүмкіндігі жатады. Қалдық жылуды әртүрлі өнеркәсіптік және коммерциялық мақсаттарда жоғары қысымды бу өндіру үшін пайдалануға болады.

    Электролиттегі реакцияның жоғары температурасының да өз артықшылықтары бар. Жоғары температураны пайдалану оңтайлы жұмыс жағдайларына қол жеткізу үшін айтарлықтай уақытты қажет етеді және жүйе энергияны тұтынудың өзгеруіне баяу жауап береді. Бұл сипаттамалар тұрақты қуат жағдайында балқытылған карбонатты электролиті бар отын ұяшықтарының қондырғыларын пайдалануға мүмкіндік береді. Жоғары температура көміртегі тотығының отын ұяшығын зақымдауына жол бермейді.

    Балқытылған карбонатты электролиті бар отын элементтері үлкен стационарлық қондырғыларда қолдануға жарамды. Өндірістік мақсатта электр қуаты 3,0 МВт жылу электр станциялары шығарылады. Шығу қуаты 110 МВт-қа дейінгі қондырғылар әзірленуде.

    Фосфор қышқылының отын жасушалары/клеткалары (PAFC)

    Фосфорлық (ортофосфорлық) қышқылды отын элементтері коммерциялық мақсатқа арналған алғашқы отын элементтері болды.

    Фосфорлық (ортофосфор) қышқылды отын элементтері 100%-ға дейінгі концентрациясы бар ортофосфор қышқылына (H 3 PO 4) негізделген электролит пайдаланады. Фосфор қышқылының иондық өткізгіштігі төмен температурада төмен, сондықтан бұл отын элементтері 150–220°C температурада қолданылады.

    Осы типтегі отын элементтеріндегі заряд тасымалдаушы сутегі (Н+, протон) болып табылады. Ұқсас процесс протон алмасу мембранасы бар отын ұяшықтарында жүреді, онда анодқа берілетін сутегі протондар мен электрондарға бөлінеді. Протондар электролит арқылы өтіп, катодтағы ауадағы оттегімен қосылып, су түзеді. Электрондар сыртқы электр тізбегі арқылы жіберіледі, осылайша электр тогын тудырады. Төменде электр тогы мен жылуды тудыратын реакциялар берілген.

    Анодтағы реакция: 2H 2 => 4H + + 4e -
    Катодтағы реакция: O 2 (г) + 4H + + 4e - => 2 H 2 O
    Элементтің жалпы реакциясы: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

    Фосфор (ортофосфор) қышқылына негізделген отын элементтерінің тиімділігі электр энергиясын өндіру кезінде 40% -дан астам. Жылу және электр энергиясын біріктіріп өндіру кезінде жалпы тиімділік шамамен 85% құрайды. Сонымен қатар, жұмыс температурасын ескере отырып, қалдық жылуды суды жылытуға және атмосфералық қысымды бу өндіруге пайдалануға болады.

    Жылулық және электр энергиясын біріктіріп өндіруде фосфор (ортофосфор) қышқылы негізіндегі отын элементтерін пайдаланатын жылу электр станцияларының жоғары өнімділігі отын элементтерінің осы түрінің артықшылықтарының бірі болып табылады. Қондырғылар шамамен 1,5% концентрациясы бар көміртегі тотығын пайдаланады, бұл отын таңдауын айтарлықтай кеңейтеді. Сонымен қатар, СО 2 электролитке және отын ұяшығының жұмысына әсер етпейді, бұл ұяшық түрі жаңартылған табиғи отынмен жұмыс істейді. Қарапайым дизайн, электролиттердің ұшпалығының төмен дәрежесі және тұрақтылықтың жоғарылауы да отын ұяшығының осы түрінің артықшылығы болып табылады.

    Өндірістік мақсатта 500 кВт-қа дейінгі электр қуатына ие жылу электр станциялары шығарылады. 11 МВт қондырғылар тиісті сынақтардан өтті. Шығарылатын қуаты 100 МВт-қа дейінгі қондырғылар әзірленуде.

    Қатты оксидті отын жасушалары (SOFC)

    Қатты оксидті отын элементтері ең жоғары жұмыс температурасы отын элементтері болып табылады. Жұмыс температурасы 600 ° C-тан 1000 ° C-қа дейін өзгеруі мүмкін, бұл отынның әртүрлі түрлерін арнайы алдын ала өңдеусіз пайдалануға мүмкіндік береді. Мұндай жоғары температураларды өңдеу үшін электролит керамикалық негізде жұқа қатты металл оксиді, көбінесе оттегі иондарының (O2-) өткізгіші болып табылатын иттрий мен цирконийдің қорытпасы қолданылады.

    Қатты электролит газдың бір электродтан екіншісіне жабық өтуін қамтамасыз етеді, ал сұйық электролиттер кеуекті субстратта орналасады. Осы типтегі отын ұяшықтарындағы заряд тасымалдаушы оттегі ионы (O 2-) болып табылады. Катодта ауадағы оттегі молекулалары оттегі ионына және төрт электронға бөлінеді. Оттегі иондары электролит арқылы өтіп, сутегімен қосылып, төрт бос электрон түзеді. Электрондар сыртқы электр тізбегі арқылы жіберіліп, электр тогын және бос жылуды тудырады.

    Анодтағы реакция: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
    Катодтағы реакция: O 2 + 4e - => 2O 2-
    Элементтің жалпы реакциясы: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

    Өндірілген электр энергиясының ПӘК барлық отын элементтерінің ең жоғарысы - шамамен 60-70%. Жоғары жұмыс температурасы жоғары қысымды бу шығару үшін жылу және электр энергиясын біріктіріп өндіруге мүмкіндік береді. Жоғары температуралы отын элементін турбинамен біріктіру электр энергиясын өндірудің тиімділігін 75%-ға дейін арттыру үшін гибридті отын элементтерін жасауға мүмкіндік береді.

    Қатты оксидті отын элементтері өте жоғары температурада (600°C–1000°C) жұмыс істейді, бұл оңтайлы жұмыс жағдайларына жету үшін айтарлықтай уақытты және энергия тұтынудағы өзгерістерге жүйенің реакциясын баяулатады. Осындай жоғары жұмыс температурасында отыннан сутегін алу үшін конвертер қажет емес, бұл жылу электр станциясының көмірді немесе қалдық газдарды газдандыру нәтижесіндегі салыстырмалы түрде таза емес отынмен жұмыс істеуіне мүмкіндік береді және т.б. Жанармай ұяшығы сонымен қатар өнеркәсіптік және ірі орталық электр станцияларын қоса алғанда, жоғары қуатты қолданбалар үшін тамаша. Электр қуаты 100 кВт болатын модульдер коммерциялық түрде шығарылады.

    Тікелей метанол тотығу отын ұяшықтары/жасушалары (DOMFC)

    Тікелей метанол тотығуымен отын элементтерін пайдалану технологиясы белсенді даму кезеңінен өтуде. Ол ұялы телефондарды, ноутбуктерді қуаттандыру, сондай-ақ портативті қуат көздерін жасау саласында өзін сәтті көрсетті. Бұл элементтерді болашақта пайдалану осы мақсатқа бағытталған.

    Метанолдың тікелей тотығуы бар отын жасушаларының дизайны протон алмасу мембранасы (MEPFC) бар отын жасушаларына ұқсас, яғни. Электролит ретінде полимер, ал заряд тасымалдаушы ретінде сутегі ионы (протон) қолданылады. Бірақ сұйық метанол (CH 3 OH) анодта судың қатысуымен тотығады, сыртқы электр тізбегі арқылы жіберілетін СО 2, сутегі иондары мен электрондарды босатады, сол арқылы электр тогын тудырады. Сутегі иондары электролит арқылы өтіп, ауадағы оттегімен және сыртқы контурдағы электрондармен әрекеттесіп, анодта су түзеді.

    Анодтағы реакция: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
    Катодтағы реакция: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
    Элементтің жалпы реакциясы: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

    Бұл түрдегі отын ұяшықтарының артықшылығы сұйық отынның пайдаланылуына байланысты олардың шағын өлшемдері және түрлендіргішті пайдалану қажеттілігінің болмауы.

    Сілтілік отын жасушалары/клеткалары (ALFC)

    Сілтілік отын элементтері электр энергиясын өндіру үшін пайдаланылатын ең тиімді элементтердің бірі болып табылады, энергия өндіру тиімділігі 70% дейін жетеді.

    Сілтілік отын элементтері кеуекті, тұрақтандырылған матрицаның құрамындағы электролит, калий гидроксидінің сулы ерітіндісін пайдаланады. Калий гидроксидінің концентрациясы отын ұяшығының жұмыс температурасына байланысты өзгеруі мүмкін, ол 65 ° C пен 220 ° C аралығында болады. SHTE-дегі заряд тасымалдаушы гидроксил ионы (OH -), катодтан анодқа ауысады, онда ол сутегімен әрекеттеседі, су мен электрондарды шығарады. Анодта өндірілген су қайтадан катодқа жылжиды, сонда қайтадан гидроксил иондарын тудырады. Отын ұяшығында жүретін осы реакциялар тізбегі нәтижесінде электр энергиясы және жанама өнім ретінде жылу пайда болады:

    Анодтағы реакция: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
    Катодтағы реакция: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
    Жүйенің жалпы реакциясы: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

    SHTE артықшылығы мынада, бұл отын элементтері ең арзан өндіріледі, өйткені электродтарға қажетті катализатор басқа отын элементтері үшін катализатор ретінде қолданылатын заттарға қарағанда арзанырақ заттардың кез келгені болуы мүмкін. SFC салыстырмалы түрде төмен температурада жұмыс істейді және ең тиімді отын элементтерінің бірі болып табылады - мұндай сипаттамалар нәтижесінде электр қуатын жылдам өндіруге және отынның жоғары тиімділігіне ықпал етеді.

    SHTE тән ерекшеліктерінің бірі оның отын немесе ауада болуы мүмкін СО 2-ге жоғары сезімталдығы болып табылады. СО 2 электролитпен әрекеттеседі, оны тез уландырады және отын элементінің тиімділігін айтарлықтай төмендетеді. Сондықтан, SHTE пайдалану жабық кеңістіктермен шектеледі, мысалы, ғарыштық және суасты көліктері, олар таза сутегі мен оттегімен жұмыс істеуі керек. Оның үстіне басқа отын элементтері үшін қауіпсіз, тіпті кейбіреулері үшін отын ретінде әрекет ететін CO, H 2 O және CH4 сияқты молекулалар SHFC-ге зиянды.

    Полимерлі электролиттік отын жасушалары (PEFC)

    Полимерлі электролиттік отын ұяшықтары жағдайында полимер мембранасы су молекуласына су H2O+ (протон, қызыл) иондарының өткізгіштігі бар су аймақтары бар полимерлі талшықтардан тұрады. Су молекулалары баяу ион алмасуына байланысты проблема тудырады. Сондықтан отында да, шығыс электродтарында да жұмыс температурасын 100 ° C дейін шектейтін судың жоғары концентрациясы қажет.

    Қатты қышқыл отын жасушалары/клеткалары (SFC)

    Қатты қышқылды отын элементтерінде электролит (CsHSO 4) құрамында су болмайды. Сондықтан жұмыс температурасы 100-300°C. Оксианиондарының SO 4 2- айналуы протондардың (қызыл) суретте көрсетілгендей қозғалуына мүмкіндік береді. Әдетте, қатты қышқылды отын ұяшығы жақсы жанасуды қамтамасыз ету үшін бір-біріне тығыз басылған екі электродтың арасында қатты қышқыл қосылысының өте жұқа қабаты сэндвич болып табылады. Қыздырған кезде органикалық компонент буланып, электродтардағы саңылаулар арқылы шығып, отын (немесе элементтің екінші жағындағы оттегі), электролит пен электродтар арасындағы бірнеше контактілердің мүмкіндігін сақтайды.

    Әртүрлі отын ұяшықтары модульдері. Жанармай ұяшығының батареясы

    1. Жанармай ұяшығының батареясы
    2. Жоғары температурада жұмыс істейтін басқа жабдықтар (біріктірілген бу генераторы, жану камерасы, жылу балансын ауыстырғыш)
    3. Ыстыққа төзімді оқшаулау

    Жанармай ұяшығы модулі

    Отын элементтерінің түрлері мен сорттарын салыстырмалы талдау

    Инновациялық энергияны үнемдейтін қалалық жылу және электр станциялары әдетте қатты оксидті отын элементтеріне (SOFC), полимер электролиттік отын элементтеріне (PEFC), фосфор қышқылының отын элементтеріне (PAFC), протон алмасу мембраналық отын элементтеріне (PEMFC) және сілтілі отын элементтеріне (PEMFC) салынған. ALFC). Әдетте келесі сипаттамаларға ие:

    Қатты оксидті отын элементтерін (SOFC) ең қолайлы деп санау керек, олар:

    • жоғары температурада жұмыс істеп, қымбат бағалы металдарға (мысалы, платина) қажеттілікті азайтады.
    • үшін жұмыс істей алады әртүрлі түрлерікөмірсутекті отын, негізінен табиғи газ
    • іске қосу уақыты ұзағырақ, сондықтан олар ұзақ мерзімді әрекетке жақсырақ келеді
    • жоғары энергия өндіру тиімділігін көрсету (70% дейін)
    • Жұмыс температурасының жоғары болуына байланысты қондырғыларды жылу тасымалдау жүйелерімен біріктіруге болады, бұл жүйенің жалпы тиімділігін 85% дейін жеткізеді.
    • іс жүзінде нөлдік шығарындыларға ие, үнсіз жұмыс істейді және қолданыстағы электр энергиясын өндіру технологияларымен салыстырғанда төмен жұмыс талаптары бар
    Жанармай жасушаларының түрі Жұмыс температурасы Электр энергиясын өндіру тиімділігі Жанармай түрі Қолдану саласы
    РКТЕ 550–700°C 50-70% Орташа және үлкен қондырғылар
    FCTE 100–220°C 35-40% Таза сутегі Үлкен қондырғылар
    MOPTE 30-100°C 35-50% Таза сутегі Шағын қондырғылар
    SOFC 450–1000°C 45-70% Көмірсутекті отындардың көпшілігі Шағын, орта және үлкен қондырғылар
    PEMFC 20-90°C 20-30% Метанол Портативті
    SHTE 50–200°C 40-70% Таза сутегі Ғарыштық зерттеулер
    PETE 30-100°C 35-50% Таза сутегі Шағын қондырғылар

    Шағын жылу электр станцияларын кәдімгі газбен жабдықтау желісіне қосуға болатындықтан, отын ұяшықтары сутегімен жабдықтаудың жеке жүйесін қажет етпейді. Қатты оксидті отын элементтеріне негізделген шағын жылу электр станцияларын пайдаланған кезде, түзілетін жылу суды және желдету ауасын жылыту үшін жылу алмастырғыштарға біріктіріліп, жүйенің жалпы тиімділігін арттырады. Бұл инновациялық технология қымбат инфрақұрылымды және күрделі құралдарды біріктіруді қажет етпестен электр энергиясын тиімді өндіруге ең қолайлы.

    Жанармай жасушаларын/клеткаларын қолдану

    Телекоммуникациялық жүйелерде отын элементтерін/ұяшықтарды қолдану

    Бүкіл әлемде сымсыз байланыс жүйелерінің тез таралуына, сондай-ақ ұялы телефон технологиясының әлеуметтік-экономикалық артықшылықтарының артуына байланысты сенімді және үнемді қуат резервінің қажеттілігі өте маңызды болды. Ауа-райының қолайсыздығынан, табиғи апаттардан немесе электр желісінің шектеулі қуаттылығына байланысты жыл бойы электр желісінің ысыраптары желі операторлары үшін тұрақты қиындық тудырады.

    Дәстүрлі телекоммуникациялық қуатты резервтік шешімдерге қысқа мерзімді резервтік қуат үшін батареялар (клапанмен реттелетін қорғасын-қышқылды батарея ұясы) және ұзақ мерзімді резервтік қуат үшін дизельдік және пропан генераторлары кіреді. Батареялар 1-2 сағатқа арналған резервтік қуаттың салыстырмалы түрде арзан көзі болып табылады. Дегенмен, батареялар ұзақ мерзімді резервтік қуат үшін жарамсыз, өйткені оларға қызмет көрсету қымбат, ұзақ уақыт пайдаланудан кейін сенімсіз болады, температураға сезімтал және қоқысқа тастағаннан кейін қоршаған ортаға қауіпті. Дизельдік және пропан генераторлары ұзақ мерзімді қуат резервін қамтамасыз ете алады. Дегенмен, генераторлар сенімсіз болуы мүмкін, көп еңбекті қажет ететін техникалық қызмет көрсетуді қажет етеді және ластаушы заттар мен парниктік газдардың жоғары деңгейін шығарады.

    Дәстүрлі резервтік қуат шешімдерінің шектеулерін еңсеру үшін жасыл отын ұяшықтарының инновациялық технологиясы әзірленді. Жанармай элементтері сенімді, тыныш, құрамында генераторға қарағанда қозғалатын бөлшектері аз, жұмыс температурасы аккумуляторға қарағанда кеңірек: -40°C-тан +50°C-қа дейін және нәтижесінде энергияны үнемдеудің өте жоғары деңгейін қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, мұндай қондырғының қызмет ету құны генераторға қарағанда төмен. Жылына бір рет техникалық қызмет көрсету және зауыт өнімділігінің айтарлықтай жоғарылауы отын ұяшықтарының төмен шығындарының нәтижесі болып табылады. Күннің соңында отын ұяшығы қоршаған ортаға ең аз әсер ететін жасыл технология шешімі болып табылады.

    Отын ұяшықтары қондырғылары 250 Вт-тан 15 кВт-қа дейінгі телекоммуникация жүйесіндегі сымсыз, тұрақты және кең жолақты байланыстар үшін маңызды байланыс желісі инфрақұрылымдары үшін резервтік қуатты қамтамасыз етеді, олар көптеген теңдессіз инновациялық мүмкіндіктерді ұсынады:

    • СЕНІМДІЛІК– аз қозғалатын бөліктер және күту режимінде разряд жоқ
    • ЭНЕРГИЯНЫ ҮНЕМДЕУ
    • ТЫНЫШТЫҚ– төмен шу деңгейі
    • ТҰРАҚТЫЛЫҚ– жұмыс диапазоны -40°C және +50°C
    • БЕЙІМДІЛІК– сыртта және үй ішінде орнату (контейнер/қорғаныс контейнері)
    • ЖОҒАРЫ ҚУАТ– 15 кВт дейін
    • ТӨМЕН ҚЫЗМЕТ КӨРСЕТУ ТАЛАПТАРЫ– ең аз жылдық техникалық қызмет көрсету
    • ҮНЕМДІ- меншіктің тартымды жалпы құны
    • ЖАСЫЛ ЭНЕРГИЯ– қоршаған ортаға ең аз әсер ететін төмен шығарындылар

    Жүйе тұрақты ток шинасының кернеуін үнемі сезінеді және тұрақты шинаның кернеуі пайдаланушы анықтаған орнату нүктесінен төмен түссе, маңызды жүктемелерді біркелкі қабылдайды. Жүйе сутегімен жұмыс істейді, ол екі тәсілдің бірімен – өнеркәсіптік сутегі көзінен немесе интеграцияланған риформинг жүйесін пайдалана отырып, метанол мен судың сұйық отынынан беріледі.

    Электр энергиясы тұрақты ток түріндегі отын ұяшығымен өндіріледі. Тұрақты ток қуаты түрлендіргішке беріледі, ол отын ұяшығынан келетін реттелмейтін тұрақты токты қажетті жүктемелер үшін жоғары сапалы реттелетін тұрақты ток қуатына түрлендіреді. Отын ұяшықтары қондырғылары бірнеше күн бойы резервтік қуатпен қамтамасыз ете алады, өйткені ұзақтық тек қол жетімді сутегі немесе метанол/су отынының мөлшерімен шектеледі.

    Отын ұяшықтары салалық стандартты клапанмен реттелетін қорғасын-қышқылды аккумуляторлық батареялармен салыстырғанда қуатты үнемдеуді, жүйенің сенімділігін жоғарылатуды, климаттың кең ауқымында болжамды өнімділікті және сенімді жұмыс беріктігін ұсынады. Техникалық қызмет көрсету және ауыстыру талаптарының айтарлықтай төмендеуіне байланысты қызмет мерзімі бойынша шығындар да төмен. Отын ұяшықтары соңғы пайдаланушыға экологиялық артықшылықтар береді, өйткені қорғасын-қышқыл жасушаларымен байланысты кәдеге жарату шығындары мен жауапкершілік тәуекелдері өсіп келе жатқан алаңдаушылық тудырады.

    Электрлік батареялардың өнімділігіне заряд деңгейі, температура, цикл, қызмет ету мерзімі және басқа айнымалылар сияқты кең ауқымды факторлар теріс әсер етуі мүмкін. Берілетін энергия осы факторларға байланысты өзгереді және болжау оңай емес. Протон алмасу мембранасының отын ұяшығының (PEMFC) өнімділігі бұл факторларға салыстырмалы түрде әсер етпейді және жанармай бар болған кезде маңызды қуатты қамтамасыз ете алады. Болжамдылықтың жоғарылауы миссия үшін маңызды резервтік қуат қолданбалары үшін отын ұяшықтарына көшу кезінде маңызды артықшылық болып табылады.

    Жанармай элементтері газ турбиналық генераторға ұқсас, бірақ генерация аймағында қозғалатын бөліктері жоқ отын берілген кезде ғана қуат жасайды. Сондықтан, генератордан айырмашылығы, олар тез тозуға ұшырамайды және тұрақты күтім мен майлауды қажет етпейді.

    Ұзартылған отын түрлендіргішін басқару үшін пайдаланылатын отын – метанол мен судың отын қоспасы. Метанол – кең қол жетімді, коммерциялық өндірілген отын, қазіргі уақытта көптеген мақсаттарда қолданылады, соның ішінде әйнек жуғышты, пластикалық бөтелкелер, қозғалтқыш қоспалары, эмульсиялық бояулар. Метанол оңай тасымалданады, сумен араласады, биологиялық ыдырауы жақсы, құрамында күкірт жоқ. Оның қату температурасы төмен (-71°С) және ұзақ сақтау кезінде ыдырамайды.

    Байланыс желілерінде отын элементтерін/ұяшықтарды қолдану

    Қауіпсіз байланыс желілері электр желісі бұдан былай қол жетімді болмаса, төтенше жағдайларда сағаттар немесе күндер бойы жұмыс істей алатын сенімді резервтік қуат шешімдерін қажет етеді.

    Қозғалмалы бөлшектері аз және күту режимінде қуат жоғалмайды, инновациялық отын ұяшықтары технологиясы ағымдағы резервтік қуат жүйелеріне тартымды шешім ұсынады.

    Байланыс желілерінде отын ұяшықтары технологиясын пайдаланудың ең сенімді дәлелі жалпы сенімділік пен қауіпсіздіктің жоғарылауы болып табылады. Электр қуатының үзілуі, жер сілкінісі, дауыл және дауыл сияқты оқиғалар кезінде температураға немесе резервтік қуат жүйесінің жасына қарамастан жүйелердің ұзақ уақыт бойы жұмыс істеуін жалғастыруы және сенімді резервтік қуатпен қамтамасыз етілуі маңызды.

    Отын ұяшықтарына негізделген қуат құрылғыларының желісі жіктелген байланыс желілерін қолдау үшін өте қолайлы. Энергияны үнемдейтін дизайн қағидаттарының арқасында олар 250 Вт-тан 15 кВт-қа дейінгі қуат диапазонында пайдалану үшін ұзақ уақытқа (бірнеше күнге дейін) экологиялық таза, сенімді резервтік қуатты қамтамасыз етеді.

    Деректер желілерінде отын ұяшықтарын/ұяшықтарын қолдану

    Жоғары жылдамдықты деректер желілері және талшықты-оптикалық магистральдар сияқты деректер желілерін сенімді қуатпен қамтамасыз ету бүкіл әлемде маңызды болып табылады. Мұндай желілер арқылы берілетін ақпарат банктер, авиакомпаниялар немесе медициналық орталықтар сияқты мекемелер үшін маңызды деректерді қамтиды. Мұндай желілердегі электр қуатының үзілуі тек жіберілетін ақпаратқа қауіп төндірмейді, сонымен қатар, әдетте, айтарлықтай қаржылық шығындарға әкеледі. Сақтық қуат көзін қамтамасыз ететін сенімді, инновациялық отын ұяшықтары қондырғылары үздіксіз қуат беруді қамтамасыз ету үшін қажетті сенімділікті қамтамасыз етеді.

    Метанол мен судың сұйық отын қоспасымен жұмыс істейтін отын ұяшықтары бірнеше күнге дейін ұзартылған сенімді резервтік қуатты қамтамасыз етеді. Бұған қоса, бұл қондырғылар генераторлар мен аккумуляторлармен салыстырғанда техникалық қызмет көрсету талаптарын айтарлықтай азайтты, бұл жылына тек бір рет техникалық қызмет көрсетуді қажет етеді.

    Деректер желілерінде отын ұяшықтары қондырғыларын пайдалану үшін типтік қолдану сайтының сипаттамалары:

    • 100 Вт-тан 15 кВт-қа дейінгі қуат тұтыну шамалары бар қолданбалар
    • Батареяның қызмет ету мерзімі > 4 сағат болатын қолданбалар
    • Талшықты-оптикалық жүйелердегі қайталағыштар (синхронды цифрлық жүйелер иерархиясы, жоғары жылдамдықты Интернет, IP арқылы дауыс...)
    • Мәліметтерді жоғары жылдамдықпен тасымалдауға арналған желілік түйіндер
    • WiMAX тарату түйіндері

    Отын ұяшықтарының қуат резервтік қондырғылары дәстүрлі аккумуляторлық немесе дизельдік генераторлармен салыстырғанда өте маңызды деректер желісі инфрақұрылымдары үшін көптеген артықшылықтарды ұсынады, бұл сайтта орналастыру опцияларын арттыруға мүмкіндік береді:

    1. Сұйық отын технологиясы сутегін орналастыру мәселесін шешеді және іс жүзінде шексіз резервтік қуат береді.
    2. Тыныш жұмысының, төмен салмағының, температураның өзгеруіне төзімділігінің және іс жүзінде дірілсіз жұмысының арқасында отын элементтерін ғимараттардың сыртында, өндірістік ғимараттарда/контейнерлерде немесе шатырларда орнатуға болады.
    3. Жүйені сайтта пайдалануға дайындық жылдам және үнемді, пайдалану шығындары төмен.
    4. Отын биологиялық ыдырайтын және қалалық орта үшін экологиялық таза шешімді қамтамасыз етеді.

    Қауіпсіздік жүйелерінде отын элементтерін/жасушаларын қолдану

    Ең мұқият жобаланған ғимараттың қауіпсіздік және коммуникация жүйелері оларды қолдайтын қуат көзі сияқты ғана сенімді. Көптеген жүйелер қысқа мерзімді қуат жоғалтулары үшін үзіліссіз резервтік жүйенің қандай да бір түрін қамтығанымен, олар табиғи апаттардан немесе лаңкестік шабуылдардан кейін орын алуы мүмкін электр қуатының ұзақ мерзімді үзілістеріне сәйкес келмейді. Бұл көптеген корпоративтік және мемлекеттік органдар үшін маңызды мәселе болуы мүмкін.

    CCTV қол жеткізуді бақылау және басқару жүйелері (жеке куәліктерді оқу құрылғылары, есікті құлыптау құрылғылары, биометриялық сәйкестендіру технологиясы және т.б.), автоматты өрт дабылы және өрт сөндіру жүйелері, лифттерді басқару жүйелері және телекоммуникация желілері сияқты өмірлік маңызды жүйелерге қауіп төнеді. сенімді, ұзақ мерзімді балама қуат көзі.

    Дизельдік генераторлар көп шу шығарады, оларды табу қиын, сенімділік пен техникалық қызмет көрсету мәселелері белгілі. Керісінше, резервтік қуатты қамтамасыз ететін отын ұяшығы қондырғысы тыныш, сенімді, нөлдік немесе өте төмен шығарындыларды шығарады және шатырға немесе ғимараттың сыртына оңай орнатуға болады. Күту режимінде ол зарядсызданбайды немесе қуатын жоғалтпайды. Ол нысан жұмысын тоқтатқаннан кейін және ғимарат босатылғаннан кейін де маңызды жүйелердің үздіксіз жұмысын қамтамасыз етеді.

    Инновациялық отын ұяшықтары қондырғылары маңызды қолданбаларға қымбат инвестицияларды қорғайды. Олар 250 Вт-тан 15 кВт-қа дейінгі қуат диапазонында пайдалану үшін ұзақ мерзімді (көп күнге дейін) экологиялық таза, сенімді резервтік қуатты қамтамасыз етеді, көптеген теңдессіз мүмкіндіктермен және әсіресе энергияны үнемдеудің жоғары деңгейімен үйлеседі.

    Отын ұяшықтарының қуат резервтік қондырғылары дәстүрлі аккумуляторлық немесе дизельдік генератор қолданбаларына қарағанда қауіпсіздік және құрылысты басқару жүйелері сияқты маңызды қолданбаларда пайдалану үшін көптеген артықшылықтарды ұсынады. Сұйық отын технологиясы сутегін орналастыру мәселесін шешеді және іс жүзінде шексіз резервтік қуат береді.

    Қалалық жылу мен электр энергиясын өндіруде отын элементтерін/ұяшықтарды қолдану

    Қатты оксидті отын элементтері (SOFC) кең қол жетімді табиғи газ және жаңартылатын отын көздерінен электр және жылу өндіру үшін сенімді, энергияны үнемдейтін және шығарындысыз жылу электр станцияларын қамтамасыз етеді. Бұл инновациялық қондырғылар үйдегі электр энергиясын өндіруден қашықтан электрмен жабдықтауға дейін, сондай-ақ қосалқы қуат көздеріне дейін әртүрлі нарықтарда қолданылады.

    Тарату желілерінде отын элементтерін/клеткаларын қолдану

    Шағын жылу электр станциялары бір орталықтандырылған электр станциясының орнына көптеген шағын генераторлық қондырғылардан тұратын бөлінген электр энергиясын өндіру желісінде жұмыс істеуге арналған.



    Төмендегі суретте жылу электр станциясында өндірілген және қазіргі уақытта қолданылатын дәстүрлі электр беру желілері арқылы үйлерге жіберілген электр энергиясын өндіру тиімділігінің жоғалуы көрсетілген. Орталықтандырылған генерациядағы тиімділік жоғалтуларына электр станциясынан, төмен вольтты және жоғары вольтты беруден, таратудағы ысыраптар жатады.

    Суретте шағын жылу электр станцияларын біріктіру нәтижелері көрсетілген: электр энергиясы пайдалану орнында 60%-ға дейін генерация тиімділігімен өндіріледі. Бұған қоса, үй шаруашылығы отын элементтері шығаратын жылуды су мен кеңістікті жылыту үшін пайдалана алады, бұл отын энергиясын өңдеудің жалпы тиімділігін арттырады және энергияны үнемдейді.

    Қоршаған ортаны қорғау үшін отын элементтерін пайдалану – ілеспе мұнай газын кәдеге жарату

    Мұнай саласындағы маңызды міндеттердің бірі ілеспе мұнай газын кәдеге жарату болып табылады. Ілеспе мұнай газын кәдеге жаратудың қолданыстағы әдістерінің көптеген кемшіліктері бар, олардың ең бастысы экономикалық тұрғыдан тиімді емес. Ілеспе мұнай газы жағылады, ол қоршаған ортаға және адам денсаулығына орасан зор зиян келтіреді.

    Отын ретінде ілеспе мұнай газын пайдаланатын отын элементтерін пайдаланатын инновациялық жылу электр станциялары ілеспе мұнай газын кәдеге жарату мәселелерін түбегейлі және үнемді шешуге жол ашады.

    1. Отын элементтерінің қондырғыларының негізгі артықшылықтарының бірі олардың құрамы өзгермелі ілеспе мұнай газында сенімді және тұрақты жұмыс істей алуы болып табылады. Жанармай ұяшығының жұмысының негізінде жатқан жалынсыз химиялық реакцияға байланысты, мысалы, метан пайызының төмендеуі тек қуат шығысының сәйкес төмендеуіне әкеледі.
    2. Тұтынушылардың электр жүктемесіне, құлдырауға, жүктеменің жоғарылауына қатысты икемділік.
    3. Отын элементтеріне жылу электр станцияларын орнату және қосу үшін оларды іске асыру күрделі шығындарды қажет етпейді, өйткені Қондырғыларды егістіктердің жанындағы дайын емес учаскелерге оңай орнатуға болады, пайдалану оңай, сенімді және тиімді.
    4. Жоғары автоматтандыру және заманауи қашықтан басқару қондырғыда персоналдың тұрақты болуын талап етпейді.
    5. Конструкцияның қарапайымдылығы мен техникалық жетілдірілуі: қозғалатын бөлшектердің, үйкеліс және майлау жүйелерінің болмауы отын элементтері қондырғыларының жұмысынан айтарлықтай экономикалық пайда әкеледі.
    6. Суды тұтыну: қоршаған орта температурасында +30 °C-қа дейін болмайды және жоғары температурада шамалы.
    7. Су шығысы: жоқ.
    8. Сонымен қатар, отын элементтерін пайдаланатын жылу электр станциялары шу жасамайды, тербелмейді, атмосфераға зиянды шығарындыларды шығармаңыз