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

Отын элементі – тотықсыздандырғыштың (отынның) және тотықтырғыштың электродтарға үздіксіз және бөлек берілетін химиялық энергиясы тікелей электр энергиясына айналатын химиялық ток көзі.
энергия. Отын ұяшығының (FC) схемалық диаграммасы төменде көрсетілген:

ФК анод, катод, ион өткізгіш, анод және катод камераларынан тұрады. Қазіргі уақытта биоотын жасушаларының қуаты өнеркәсіптік ауқымда пайдалану үшін жеткіліксіз, бірақ қуаттылығы төмен BFC-лерді сезімтал сенсорлар ретінде медициналық мақсаттарда пайдалануға болады, өйткені олардағы ток күші өңделетін отын мөлшеріне пропорционалды.
Бүгінгі күні отын жасушаларының конструктивті сорттарының үлкен саны ұсынылды. Әрбір нақты жағдайда FC конструкциясы FC мақсатына, реагент түріне және иондық өткізгішке байланысты. Биологиялық катализаторларды пайдаланатын биоотын жасушаларына арнайы топ бөлінеді. Биологиялық жүйелердің маңызды ерекшеленетін белгісі олардың төмен температурада әртүрлі отындарды таңдамалы тотықтыру қабілеті болып табылады.
Көп жағдайда биоэлектрокатализде иммобилизацияланған ферменттер қолданылады; тірі организмдерден оқшауланған және тасымалдаушыға бекітілген, бірақ олардың каталитикалық белсенділігін (ішінара немесе толық) сақтайтын ферменттер, бұл оларды қайта пайдалануға мүмкіндік береді. Мысал ретінде биоотын жасушасын қарастырайық, онда ферментативті реакция медиатордың көмегімен электродтық реакцияға қосылады. Глюкозаоксидаза негізіндегі биоотын жасушасының схемасы:

Биоотын ұяшығы буферлік ерітіндіге батырылған екі инертті алтыннан, платинадан немесе көміртегі электродтарынан тұрады. Электродтар ион алмастырғыш мембранамен бөлінген: анод бөлімі ауамен, катод - азотпен тазартылады. Мембрана элементтің электрод бөлімдерінде өтетін реакцияларды кеңістікте бөлуге мүмкіндік береді және сонымен бірге олардың арасындағы протондардың алмасуын қамтамасыз етеді. Биосенсорларға жарамды мембраналардың әртүрлі түрлерін Ұлыбританияда көптеген компаниялар шығарады (VDN, VIROCT).
Глюкозаның құрамында глюкоза оксидазасы және еритін медиаторы бар биоотын ұяшығына 20°С-та енгізу нәтижесінде ферменттен анодқа медиатор арқылы электрон ағыны жүреді. Сыртқы контур арқылы электрондар катодқа барады, онда идеалды жағдайда протондар мен оттегінің қатысуымен су пайда болады. Алынған ток (қанықтыру болмаған кезде) жылдамдықты анықтайтын компоненттің (глюкоза) қосылуына пропорционалды. Стационарлық токтарды өлшеу арқылы глюкозаның тіпті төмен концентрациясын - 0,1 мМ-ге дейін тез (5 с) анықтауға болады. 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 бір уақытта төмен молекулалық құрамдас бөліктерді: газды, медиаторды, субстратты өтуі керек. Олардың диффузиялық қасиеттері буферлік ерітіндінің рН мәніне байланысты болса да, ион алмастырғыш мембраналар әдетте осы талаптарға жауап береді. Компоненттердің мембрана арқылы диффузиясы жанама реакциялардың әсерінен электрондарды тасымалдау тиімділігінің төмендеуіне әкеледі.
Бүгінгі күні ферменттік катализаторлары бар отын жасушаларының зертханалық үлгілері бар, олар өздерінің сипаттамалары бойынша практикалық қолдану талаптарына сәйкес келмейді. Алдағы бірнеше жылдағы негізгі күш-жігер биоотын жасушаларын жетілдіруге бағытталады және биоотын ұяшықтарын одан әрі пайдалану медицинамен көбірек байланысты болады, мысалы: оттегі мен глюкозаны қолданатын имплантацияланатын биоотын жасушасы.
Ферменттерді электрокатализде қолданғанда шешуді қажет ететін негізгі мәселе - ферменттік реакцияны электрохимиялық реакциямен байланыстыру, яғни ферменттің белсенді орталығынан электродқа тиімді электрон тасымалдауын қамтамасыз ету, оған қол жеткізуге болады. келесі жолдармен:
1. Төмен молекулалы тасымалдаушы – медиатор (медиатор биоэлектрокатализ) көмегімен ферменттің активті орталығынан электродқа электрондарды тасымалдау.
2. Тікелей, тікелей тотығу және ферменттің электродтағы белсенді жерлерін қалпына келтіру (тікелей биоэлектрокатализ).
Бұл жағдайда ферментативті және электрохимиялық реакциялардың медиаторлық конъюгациясы өз кезегінде төрт жолмен жүзеге асырылуы мүмкін:
1) фермент пен медиатор ерітінді көлемінде болады және медиатор электрод бетіне диффузияланады;
2) фермент электрод бетінде, ал медиатор ерітінді көлемінде;
3) фермент пен медиатор электрод бетінде иммобилизацияланады;
4) медиатор электрод бетіне бекітіледі, ал фермент ерітіндіде болады.

Бұл жұмыста лакказ оттегінің тотықсыздануының катодтық реакциясының катализаторы, ал глюкоза оксидазасы (GOD) глюкозаның тотығуының анодтық реакциясының катализаторы қызметін атқарды. Композиттік материалдардың құрамында ферменттер қолданылды, олардың жасалуы бір мезгілде аналитикалық сенсордың қызметін атқаратын биоотын жасушаларын жасаудың маңызды кезеңдерінің бірі болып табылады. Бұл жағдайда биокомпозиттік материалдар субстратты анықтау үшін селективтілік пен сезімталдықты қамтамасыз етуі керек 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 мен олардың туындылары) оттегімен тотығу болып табылады, содан кейін ол суға дейін тотықсызданады. Ферменттің молекулалық массасы 40000 г/моль.

Бүгінгі күні лакказ оттегін қалпына келтірудің ең белсенді электрокатализаторы екендігі көрсетілген. Оның қатысуымен оттегі атмосферасында электродта тепе-теңдік оттегі потенциалына жақын потенциал орнатылып, оттегінің тотықсыздануы тікелей суға өтеді.
Катодтық реакцияның катализаторы ретінде лакказ, AD-100 ацетилен қара және Нафион негізіндегі композициялық материал қолданылды (оттегінің тотықсыздануы). Композиттің ерекшелігі – фермент молекуласының электронды өткізгіш матрицаға қатысты бағдарлануын қамтамасыз ететін құрылым, ол тікелей электрон тасымалдау үшін қажет. Ферменттік катализде байқалатын композиттік тәсілдердегі лакказдың ерекше биоэлектрокаталитикалық белсенділігі. Лакказа жағдайында ферментативті және электрохимиялық реакцияның конъюгациясы әдісі, т.б. лакказ ферментінің белсенді орталығы арқылы субстраттан электрондарды электродқа беру әдісі тікелей биэлектрокатализ болып табылады.

Глюкоза оксидазасы (GOD) оксидоредуктаза класының ферменті болып табылады, оның екі суббірлігі бар, олардың әрқайсысында өзінің белсенді орталығы бар - (флавин адениндинуклеотиді) FAD. ҚҰДАЙ - бұл электрон донорына, глюкозаға қатысты селективті фермент және көптеген субстраттарды электронды акцепторлар ретінде пайдалана алады. Ферменттің молекулалық массасы 180 000 г/моль.

Глюкозаның медиаторлық механизммен анодтық тотығуы үшін біз GOD және ферроцен (Pc) негізіндегі композициялық материалды қолдандық. Композиттік материалға GOD, жоғары дисперсті коллоидты графит (HCG), Phc және Nafion кіреді, бұл жоғары дамыған беті бар электронды өткізгіш матрицаны алуға, реагенттердің реакция аймағына тиімді тасымалдануын және тұрақты сипаттамаларын қамтамасыз етуге мүмкіндік берді. композициялық материалдан. Ферменттік және электрохимиялық реакциялардың конъюгациясы әдісі, яғни. фермент пен медиатор электрод бетінде иммобилизацияланған кезде GOD белсенді орталығынан медиатор электродына тиімді электрон тасымалдауды қамтамасыз ету. Медиатор – электрон акцепторы ретінде ферроцен пайдаланылды. Органикалық субстрат глюкоза тотыққанда ферроцен тотықсызданады, содан кейін электродта тотығады.

Егер біреу қызығушылық танытса, мен электродты жабу процесін егжей-тегжейлі сипаттай аламын, бірақ бұл үшін жеке түрде жазған дұрыс. Ал тақырыпта мен тек нәтиже құрылымын сипаттаймын.

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

Электродтарды алғаннан кейін біз тікелей эксперименттік бөлікке көштік. Біздің жұмыс істейтін ұяшымыз мынандай болды:

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

Лакказа болмаған кезде күйедегі оттегінің төмендеуі нөлден төмен потенциалдарда жүреді және екі кезеңде жүреді: сутегі асқын тотығының аралық түзілуі арқылы. Суретте АД-100 бойынша иммобилизацияланған лакказ арқылы 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. Катодтық потенциалдар 0,76 В жоғары болғанда фермент электродында оттегінің каталитикалық тотықсыздануы байқалады, ол тікелей суға тікелей биоэлектрокатализ механизмі бойынша жүреді. 0,55 В жоғары катодтық потенциалдар аймағында қисық сызықта плато байқалады, ол оттегінің тотықсыздануының шекті кинетикалық тогына сәйкес келеді. Шектеулі ток шамамен 630 мкА/см2 болды.

HOD Nafion, ферроцен және VCG негізіндегі композициялық материалдың электрохимиялық әрекеті циклдік вольтамметрия (CV) арқылы зерттелді. Фосфатты буферлік ерітіндіде глюкоза болмаған кездегі композициялық материалдың күйі зарядтау қисықтарынан бақыланды. Зарядтау қисығында (-0,40) В потенциалында белсенді орталық GOD - (FAD) тотығу-тотықсыздану түрлендірулеріне байланысты максимумдар, 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 шығады. Рас, бұл жолда көптеген кедергілер бар, мысалы, ферменттердің белсенділігінің шыңдары әртүрлі рН-да байқалады. Бұл БФҚ-ға ион алмастырғыш мембрананы қосу қажеттілігіне әкелді.Мембрана элементтің 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 енуі медиатор арқылы ферменттен анодқа электрон ағынына әкеледі. Сыртқы контур арқылы электрондар катодқа барады, онда идеалды жағдайда протондар мен оттегінің қатысуымен су пайда болады. Алынған ток (қанықтыру болмаған жағдайда) жылдамдықты анықтайтын компонент глюкозаның қосылуына пропорционал. Стационарлық токтарды өлшеу арқылы глюкозаның тіпті төмен концентрациясын - 0,1 мМ-ге дейін тез (5 с) анықтауға болады.

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

Білімнің экологиясы. Ғылым және технология: Мобильді электроника жыл сайын жетілдіріліп, кең таралып, 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 қол жетімді болып келеді: PDA, ноутбуктер, мобильді және цифрлық құрылғылар, фото жиектемелер және т.б. Олардың барлығы жаңа мүмкіндіктермен, үлкенірек мониторлармен, сымсыз байланыстармен, күшті процессорлармен үнемі жаңартылып отырады, сонымен бірге азаяды. өлшемі.. Жартылай өткізгішті технологиядан айырмашылығы, энергетикалық технологиялар секірулер мен шектеулермен жүрмейді.

Саланың жетістіктерін қуаттандыру үшін қолда бар батареялар мен аккумуляторлар жеткіліксіз болып барады, сондықтан балама көздер мәселесі өте өткір. Отын ұяшықтары ең перспективалы бағыт 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 фильм, тасымалдауға арналған отын ұяшықтары: өткен, бүгін, болашақ

Жанармай жасушалары автомобиль өндірушілерін қызықтырады, ғарыш аппараттарын жасаушылар да оларға қызығушылық танытады. 1965 жылы оларды Америка ғарышқа ұшырылған Gemini 5-те, кейінірек Аполлонда да сынады. Қоршаған ортаның ластануымен, қазбалы отынның жануынан болатын парниктік газдар шығарындыларының ұлғаюымен байланысты проблемалар туындаған кезде де отын жасушаларын зерттеуге миллиондаған долларлар инвестицияланады, олардың қорлары да шексіз емес.

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

Аккумуляторлар мен аккумуляторлар сияқты, гальваникалық элемент, бірақ айырмашылығы бар, белсенді заттар онда бөлек сақталады. Олар пайдаланылған кезде электродтарға келеді. Теріс электродта табиғи отын немесе одан алынған кез келген зат жанады, ол газ тәрізді (мысалы, сутегі және көміртегі тотығы) немесе спирттер сияқты сұйық болуы мүмкін. Оң электродта, әдетте, оттегі әрекеттеседі.

Бірақ қарапайым көрінетін әрекет принципін шындыққа аудару оңай емес.

DIY отын ұяшығы

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

Өз қолыңызбен төмен қуатты отын ұяшығын тіпті мектеп зертханасында да жасауға болады. Ескі противогазға, бірнеше плексигласқа, сілтіге және этил спиртінің сулы ерітіндісіне (қарапайым айтқанда, арақ), отын ұяшығы үшін «отын» ретінде қызмет ету керек.

Ең алдымен, қалыңдығы кем дегенде бес миллиметр болатын плексигласс жасалған отын ұяшығы үшін корпус қажет. Ішкі қалқаларды (ішіндегі бес бөлік) сәл жұқа етіп жасауға болады - 3 см.Плексиглассты желімдеу үшін келесі құрамдағы желім қолданылады: алты грамм плексигласс чиптері жүз грамм хлороформда немесе дихлорэтанда ерітілген (олар сорғыш астында жұмыс істейді) ).

Сыртқы қабырғада енді резеңке тығын арқылы диаметрі 5-6 сантиметр болатын су төгетін шыны түтікшені енгізу керек болатын тесікті бұрғылау қажет.

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

Енді екінші және төртінші бөліктерде біз электродтардың рөлін атқаратын противогаздан (бірінші және екінші, сондай-ақ үшінші және төртінші) белсендірілген көмірді құйамыз. Көмір саңылаулар арқылы төгілмеуі үшін оны нейлон матаға салуға болады (әйелдердің нейлон шұлықтары жасайды).

Жанармай бірінші камерада айналады, бесіншіде оттегі жеткізушісі - ауа болуы керек. Электродтар арасында электролит болады және оның ауа камерасына ағып кетуіне жол бермеу үшін оны бензиндегі парафин ерітіндісімен (2 грамм парафиннің жарты стакан бензинге қатынасы) сіңіру керек. төртінші камераны ауа электролиті үшін көмірмен толтыру алдында. Көмір қабатында сымдар дәнекерленген мыс тақтайшаларын (аздап басу) қою керек. Олар арқылы ток электродтардан бұрылады.

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

Жанармай ұяшығы сынаққа дайын. Енді бір уақытта бірінші камераға отын, ал үшінші камераға электролит құю керек. Электродтарға бекітілген вольтметр 07 вольттан 0,9-ға дейін көрсетуі керек. Элементтің үздіксіз жұмысын қамтамасыз ету үшін пайдаланылған отынды ағызу (стаканға төгу) және жаңа отын қосу (резеңке түтік арқылы) қажет. Берілу жылдамдығы түтікшені қысу арқылы бақыланады. Лабораториялық жағдайда отын ұяшығының жұмысы осылай көрінеді, оның қуаты түсінікті.

Күшті арттыру үшін ғалымдар бұл мәселемен ұзақ уақыт бойы жұмыс істеп келеді. Метанол және этанол отын ұяшықтары белсенді дамытатын болатта орналасқан. Бірақ, өкінішке орай, әзірге оларды іс жүзінде жүзеге асырудың жолы 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. Мәселе тек сутегін өндірудің арзан және тиімді жолын табуда. Сутегі генераторлары мен отын элементтерін дамытуға жұмсалған орасан зор қаражат өз жемісін бере алмайды, сондықтан технологиялық серпіліс және оларды күнделікті өмірде нақты пайдалану уақыт мәселесі.

Қазірдің өзінде автомобиль өнеркәсібінің құбыжықтары: General Motors, Honda, Dreimler Coisler, Ballard, қуаты 50 кВт-қа дейінгі отын элементтерінде жұмыс істейтін автобустар мен автомобильдерді көрсетеді. Бірақ олардың қауіпсіздігіне, сенімділігіне, құнына байланысты мәселелер әлі шешілген жоқ. Жоғарыда айтылғандай, дәстүрлі қуат көздерінен айырмашылығы - аккумуляторлар мен аккумуляторлар, бұл жағдайда тотықтырғыш пен отын сырттан беріледі, ал отын элементі отынды жағу және босатылған энергияны электр энергиясына айналдыру үшін жүріп жатқан реакцияда тек делдал болып табылады. . «Жану» егер элемент дизельдік электр генераторы сияқты, бірақ генераторсыз және дизельсіз, сондай-ақ шусыз, түтінсіз және қызып кетпесе, жүктемеге ток берсе ғана болады. Сонымен қатар, аралық механизмдер болмағандықтан, тиімділік әлдеқайда жоғары.

Нанотехнологиялар мен наноматериалдарды пайдалануға үлкен үміт артады, бұл отын жасушаларын миниатюризациялауға, сонымен бірге олардың қуатын арттыруға көмектеседі. Өте тиімді катализаторлар, сондай-ақ мембранасы жоқ отын жасушаларының конструкциялары жасалғаны туралы хабарламалар бар. Оларда тотықтырғышпен бірге элементке отын (мысалы, метан) беріледі. Ерітінділер қызықты, мұнда суда еріген оттегі тотықтырғыш ретінде, ал ластанған суларда жиналған органикалық қоспалар отын ретінде пайдаланылады. Бұл биоотын жасушалары деп аталады.

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

Бізге қосылыңыз

Әлемнің барлық аймақтарында электр энергиясын өндіретін күн панельдері де, жел диірмендері де ешкімді таң қалдырмайды. Бірақ бұл құрылғылардан генерация тұрақты емес және жаңартылатын энергия объектілері электр энергиясын өндірмейтін кезеңде электр энергиясын алу үшін резервтік қуат көздерін орнату немесе электр желісіне қосылу қажет. Дегенмен, электр энергиясын өндіру үшін «балама» отынды қолданатын, яғни газды немесе мұнай өнімдерін жағуға болмайды, 19 ғасырда жасалған зауыттар бар. Мұндай қондырғылар отын элементтері болып табылады.

ЖАРАТЫЛУ ТАРИХЫ

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

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

Аккумуляторды электролиттік ұяшықтан ажырата отырып, ол электродтардың босатылған газды сіңіріп, ток шығара бастағанына таң қалды. Сутегінің электрохимиялық «суық» жану процесінің ашылуы энергетика саласында маңызды оқиға болды. Кейінірек ол Grove аккумуляторын жасады. Бұл құрылғыда азот қышқылына батырылған платина электроды және мырыш сульфатындағы мырыш электроды болды. Ол 12 ампер ток пен 8 вольт кернеуін тудырды. Граудың өзі бұл құрылысты атады «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.

«Grow's Battery»

(Дереккөз: Ұлттық табиғи тарих мұражайының корольдік қоғамы)

«Отын ұяшығы» термині (ағылшынша «Отын ұяшығы») тек 1889 жылы Л.Монд және
Ауа мен көмір газынан электр энергиясын өндіретін құрылғы жасауға тырысқан Ч.Лангер.

БҰЛ ҚАЛАЙ ЖҰМЫС ІСТЕЙДІ?

Жанармай элементі 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. Отын ұяшықтары тағы бір элементпен жабдықталған - мембрана.Отынның химиялық энергиясының тікелей электр энергиясына айналуы мембрананың жұмысына байланысты болады. Ол отын мен тотықтырғыш жеткізілетін элементтің екі камерасын бөледі. Мембрана катализатормен қапталған электродта бір камерадан екінші камераға отынның бөлінуі нәтижесінде алынатын протондардың ғана өтуіне мүмкіндік береді (одан кейін электрондар сыртқы контур арқылы өтеді). Екінші камерада протондар электрондармен (және оттегі атомдарымен) қайта қосылып, су түзеді.

Сутегі отын элементінің жұмыс принципі

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

Оттегіде қалыпты жану кезінде органикалық отын тотығады, ал отынның химиялық энергиясы жылу энергиясына айналады. Электролиттік ортада және электродтардың қатысуымен сутегі оттегімен тотыққанда не болатынын көрейік.

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

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

Көріп отырғаныңыздай, біз электрондарды аламыз, олар сыртқы контур арқылы өтіп, оттегі кіретін және реакция жүретін қарама-қарсы электродқа кіреді:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Пайда болған 2H 2 + O 2 → H 2 O реакциясы кәдімгі жанудағы сияқты екенін көруге болады, бірақ отын ұяшығы электр энергиясын және біраз жылуды шығарады.

ОТЫН КЕЛШЕКТЕРДІҢ ТҮРЛЕРІ

Реакцияға қолданылатын электролит түріне қарай FC жіктеледі:

Көмір, көміртегі тотығы, спирттер, гидразин және басқа да органикалық заттар жанармай элементтерінде отын ретінде, ал тотықтырғыш ретінде ауа, сутегі асқын тотығы, хлор, бром, азот қышқылы және т.б. қолданылуы мүмкін екенін ескеріңіз.

Отын ұяшықтарының тиімділігі

Отын жасушаларының ерекшелігі болып табылады тиімділігіне қатаң шектеулер жоқжылу қозғалтқышы сияқты.

Көмек: тиімділікКарно циклі температуралары бірдей минималды және максималды барлық жылу машиналары арасындағы мүмкін болатын ең жоғары тиімділік.

Демек, теорияда отын элементтерінің тиімділігі 100% жоғары болуы мүмкін. Көбісі күліп: «Мәңгілік қозғалыс машинасы ойлап табылды» деп ойлады. Жоқ, мектептегі химия курсына қайта оралған жөн. Отын элементі химиялық энергияны электр энергиясына айналдыруға негізделген. Мұнда ғажайыптар орын алады. Процесс барысында белгілі бір химиялық реакциялар қоршаған ортадан жылуды сіңіре алады.

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. Жылуды «суық» денеден «ыстық» денеге 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 отын 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 ұяшығы батареясын жобалап, құрастырды, бірақ батареяның қуат пен салмақ қатынасы өзгерді. тым кішкентай болып шықты - мұндай ұяшықтар практикалық пайдалануға жарамсыз және тым қымбат болды (дерек: http://www.powerinfo.ru/).

ЖЖЫН КЕЛШЕКТЕРІ МӘСЕЛЕЛЕРІ

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

Электролиз нәтижесінде отын ұяшығы 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 өткен электр мөлшеріне пропорционал. Бұл сутегін көбірек алу үшін көбірек электр энергиясын жұмсау керек дегенді білдіреді. Су электролизінің қолданыстағы әдістері бірліктен аз 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 де қолдануға болады. Сутегін өндірудің 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 грамм), сондықтан оны ұзақ қашықтыққа тасымалдау үшін оны қысу керек. Және бұл қосымша энергия мен ақшалай шығындар. Сондай-ақ, қауіпсіздік туралы ұмытпаңыз.

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

Катализатор

Отын ұяшығындағы реакцияны күшейту үшін анод беті әдетте катализатор болып табылады. Соңғы уақытқа дейін катализатор ретінде платина пайдаланылды. Сондықтан отын ұяшығының құны жоғары болды. Екіншіден, платина салыстырмалы түрде сирек кездесетін металл. Мамандардың айтуынша, отын элементтерінің өнеркәсіптік өндірісінде платинаның барланған қоры 15-20 жылда 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

Алғаш рет автомобиль технологиясында 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 аппараттарын жасаушылар отын ұяшықтарына қызығушылық танытты. Мыңдаған ғалымдар мен инженерлердің еңбегі жаңа деңгейге шығуға мүмкіндік берді және 1965 ж. Жанармай жасушалары АҚШ-та Gemini 5 ғарыш аппаратында, кейінірек Айға ұшу үшін және «Шатл» бағдарламасы бойынша «Аполлон» ғарыш кемесінде сынақтан өтті. КСРО-да NPO Kvant-да ғарышта пайдалану үшін отын ұяшықтары жасалды (дерек: http://www.powerinfo.ru/).

Отын ұяшығындағы сутегінің жануының соңғы өнімі су болғандықтан, олар қоршаған ортаға әсер ету тұрғысынан ең таза болып саналады. Сондықтан жанармай жасушалары экологияға деген жалпы қызығушылықтың фонында танымал бола бастады.

Қазірдің өзінде Honda, Ford, Nissan және Mercedes-Benz сияқты автомобиль өндірушілері сутегі отын элементтерімен жұмыс істейтін көліктерді жасады.

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

Автокөліктерді сутегімен 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 электр көлігін зарядтаудан жылдамырақ. Бірақ мұндай жобаларды жүзеге асыру кезінде олар электр көліктері сияқты проблемаға тап болды. Егер олар үшін инфрақұрылым болса, адамдар сутегі көлігіне «ауысуға» дайын. Ал тұтынушылар саны жеткілікті болса, жанармай құю бекеттерінің құрылысы басталады. Сондықтан, біз қайтадан жұмыртқа мен тауық дилеммасына келдік.

Жанармай ұяшықтары ұялы телефондар мен ноутбуктерде кеңінен қолданылады. Аптасына бір рет телефон зарядталатын күндер артта қалды. Қазір телефон күн сайын дерлік зарядталып жатыр, 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 2003 ж метанол отын ұяшығының дайын прототипін көрсетті. Ол шамамен 100 мВт қуат береді. 2 текше концентрлі (99,5%) метанолды бір рет толтыру MP3 ойнатқышының 20 сағат жұмыс істеуі үшін жеткілікті. Тағы да сол «Toshiba» ноутбуктің 275x75x40 мм қуат көзі элементін көрсетті, бұл компьютер бір зарядта 5 сағат жұмыс істеуге мүмкіндік береді.

Бірақ кейбір өндірушілер одан әрі кетті. PowerTrekk осы аттас зарядтағышты шығарды. PowerTrekk - әлемдегі алғашқы суды зарядтау құрылғысы. Оны пайдалану өте оңай. USB кабелі арқылы жылдам қуат беру үшін PowerTrekk суды қосу керек. Бұл отын ұяшығы сумен араласқан кезде кремний ұнтағы мен натрий силицидін (NaSi) қамтиды, бұл комбинация сутегін түзеді. Сутегі отын ұяшығындағы ауамен араласады және ол сутегін желдеткіштер мен сорғыларсыз мембраналық 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 қолданылды, бірақ бүгінгі күні электрохимиялық генераторлар әртүрлі салаларда көбірек қолданылады: бұл ұялы телефондар мен ноутбуктерге арналған қуат көздері, көлік қозғалтқыштары, ғимараттардың автономды қуат көздері және стационарлық электр станциялары. Бұл құрылғылардың кейбіреулері зертханалық прототиптер ретінде жұмыс істейді, кейбіреулері демонстрациялық мақсаттар үшін пайдаланылады немесе серияға дейінгі сынақтан өтуде. 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 тікелей электр тогы пайда болады.

Осы құрылғылардың біреуі келесі сипаттамаларға ие: 155 вольт кернеуінде 1400 ампер өндіріледі. Батареяның өлшемдері ені мен биіктігі бойынша 0,9 м, сондай-ақ ұзындығы 2,9 м. Ондағы электрохимиялық процесс 177 ° C температурада жүзеге асырылады, ол іске қосу кезінде батареяны қыздыруды, сондай-ақ оны пайдалану кезінде жылуды кетіруді қажет етеді. Осы мақсатта отын ұяшығының құрамына жеке су тізбегі енгізілген, оның ішінде 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 түзіледі. Жанармай ұяшығында тұрақсыз тұрақты ток пайда болады және оны түрлендіру үшін кернеу түрлендіргіші қолданылады.

Сондай-ақ кернеу түрлендіргіш блогында:

• басқару құрылғылары.
• Әртүрлі ақаулар кезінде жанармай ұяшығын өшіретін қауіпсіздік блокировкасы тізбектері.

Жұмыс принципі

Протон алмасу мембранасы бар қарапайым элемент 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, сондай-ақ 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 өтуі үшін кеуекті етіп жасалған.
• 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.
• Хемосорбция нәтижесінде катализатор әсер еткенде 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. Бұл химиялық реакцияның нәтижесі су болып табылады.

Басқа түрдегі отын жасушаларында болатын химиялық реакция (мысалы, фосфор қышқылы H3PO4 түріндегі қышқыл электролитпен) протон алмасу мембранасы бар құрылғының реакциясымен толығымен бірдей.

Түрлері

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

• Фосфор 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 пайда болатын су ішу үшін, соның ішінде жабдықты салқындату үшін пайдаланылады.

Электрохимиялық генераторлар кеңестік «Буран» кемесін қуаттандыру 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, апаттық және резервтік қуат көздері, үздіксіз қуат көздері ретінде пайдаланылады.
• 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 соғыс кемелері 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, заманауи әскери құрылғыларда табады.

Ерекшеліктер

• Әрбір отын ұяшығындағы химиялық реакция энергиясының бір бөлігі жылу түрінде бөлінеді. Салқындату қажет. Сыртқы тізбекте электрондар ағыны жұмыс істеу үшін пайдаланылатын тұрақты ток жасайды. Сутегі иондарының қозғалысының тоқтауы немесе сыртқы контурдың ашылуы химиялық реакцияның аяқталуына әкеледі.
• Отын жасушалары жасайтын электр энергиясының мөлшері газ қысымымен, температурамен, геометриялық өлшемдермен және отын ұяшығының түрімен анықталады. Реакция нәтижесінде пайда болатын электр энергиясының мөлшерін арттыру үшін отын ұяшықтарының өлшемін үлкенірек етуге болады, бірақ іс жүзінде батареяларға біріктірілген бірнеше элементтер қолданылады.
• 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. Жүктемені қосқанда мұндай отын ұяшығы электр энергиясын өндіреді.

перспективалары

Қазіргі уақытта негізгі энергия көзі ретінде пайдалану үшін электрохимиялық генераторлар үлкен бастапқы шығындарды талап етеді. Өткізгіштігі жоғары, тиімді және арзан катализаторлары бар тұрақтырақ мембраналарды, сутегінің баламалы көздерін енгізу кезінде отын элементтері экономикалық жағынан жоғары тартымдылыққа ие болады және барлық жерде енгізіледі.

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

Артылықшылықтар мен кемшіліктер

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

Жалпы алғанда, отын элементтерінің келесі артықшылықтарын көрсетуге болады:

• қоршаған орта үшін қауіпсіздік;
• электрохимиялық генераторларды қайта зарядтау қажет емес;
• электрохимиялық генераторлар энергияны үнемі жасай алады, олар сыртқы жағдайларға мән бермейді;
• ауқымы мен тасымалдануы тұрғысынан икемділік.

Кемшіліктердің арасында:

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

отын ұяшығы ( отын ұяшығы) химиялық энергияны электр энергиясына түрлендіретін құрылғы. Ол принципі бойынша кәдімгі аккумуляторға ұқсас, бірақ оның жұмысы электрохимиялық реакцияның пайда болуы 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 бар болғанша іс жүзінде шексіз жұмыс істей алады. Толық зарядталғанша оларды бірнеше сағат бойы зарядтау қажет емес. Сонымен қатар, ұяшықтардың өздері аккумуляторды қозғалтқышты өшіріп, көлік тұрақта тұрғанда зарядтай алады.

Протонды мембраналық отын элементтері (PEMFC) және қатты оксидті отын жасушалары (SOFC) сутегі көліктерінде кеңінен қолданылады.

Протон алмасу мембранасы бар отын ұяшығы келесідей жұмыс істейді. Анод пен катодтың арасында арнайы мембрана және платинамен қапталған катализатор бар. Сутегі анодқа, ал оттегі катодқа түседі (мысалы, ауадан). Анодта сутегі катализатордың көмегімен протондар мен электрондарға ыдырайды. Сутегі протондары мембрана арқылы өтіп, катодқа түседі, ал электрондар сыртқы контурға беріледі (мембрана оларды өткізбейді). Осылайша алынған потенциалдар айырмасы электр тогының пайда болуына әкеледі. Катод жағында сутегі протондары оттегімен тотығады. Нәтижесінде автомобильдің пайдаланылған газдарының 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.

Бұл ұяшықтардағы қымбат платинаны алмастыратын осындай катализатор табылса, электр энергиясын өндіру үшін бірден арзан отын ұяшығы құрылады, яғни әлем мұнайға тәуелділіктен құтылады.

Қатты оксид жасушалары

SOFC қатты оксид жасушалары отынның тазалығына әлдеқайда аз талап етеді. Сонымен қатар, POX реформаторын қолданудың арқасында (Жартылай тотығу - ішінара тотығу) мұндай жасушалар қарапайым бензинді отын ретінде 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 SOFC өзі көмегімен (цирконий оксиді негізіндегі кеуекті керамикалық материалдан тұрады) сутегі ауадағы оттегімен тотығады. Бензиннен сутегін алғаннан кейін процесс жоғарыда сипатталған сценарий бойынша одан әрі жалғасады, тек бір ғана айырмашылық бар: SOFC отын ұяшығы сутегімен жұмыс істейтін құрылғылардан айырмашылығы, бастапқы отындағы бөгде қоспаларға азырақ сезімтал. Сондықтан бензиннің сапасы отын ұяшығының жұмысына әсер етпеуі керек.

SOFC жоғары жұмыс температурасы (650-800 градус) айтарлықтай кемшілік болып табылады, жылыту процесі шамамен 20 минутты алады. Дегенмен, 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 автономды құрылғы ретінде көлікке біріктіруге мүмкіндік береді.

Модульдік құрылым стандартты ұяшықтар жиынтығын тізбектей қосу арқылы қажетті кернеуге қол жеткізуге мүмкіндік береді. Және, мүмкін, ең бастысы, мұндай құрылғыларды енгізу тұрғысынан, SOFC-де өте қымбат платина негізіндегі электродтар жоқ. 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 (тікелей метанол ыдырауы бар отын ұяшығы);
• MCFC– Балқытылған карбонатты отын элементі (балқытылған карбонаттың отын ұяшығы);
• SOFC– Қатты оксидті отын ұяшығы (қатты оксидті отын элементі).

Жанармай жасушаларының/клеткаларының артықшылықтары

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

Жанармай элементі батареяға ұқсас, өйткені ол химиялық реакция арқылы тұрақты ток жасайды. Отын ұяшығына анод, катод және электролит кіреді. Дегенмен, аккумуляторлардан айырмашылығы, отын жасушалары/клеткалары электр энергиясын сақтай алмайды, зарядсыздандырмайды және электр қуатын қайта зарядтауды қажет етпейді. Жанармай жасушалары/клеткалары жанармай мен ауамен қамтамасыз етілген жағдайда үздіксіз электр энергиясын өндіре алады.

Газ, көмір, мұнай және т.б. арқылы жұмыс істейтін іштен жанатын қозғалтқыштар немесе турбиналар сияқты басқа қуат генераторларынан айырмашылығы, отын элементтері/клеткалары отынды жақпайды. Бұл шулы жоғары қысымды роторлардың, қатты шығатын шудың, дірілдің болмауын білдіреді. Отын жасушалары/клеткалары дыбыссыз электрохимиялық реакция арқылы электр энергиясын жасайды. 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 шығарылатын өнімдер тек бу түріндегі су және аз мөлшерде көмірқышқыл газы болып табылады, егер отын ретінде таза сутегі пайдаланылса, ол мүлдем бөлінбейді. Отын ұяшықтары/ұяшықтары жинақтарға, содан кейін жеке функционалды модульдерге жиналады.

Отын жасушаларының/клеткалардың даму тарихы

1950 және 1960 жылдары отын ұяшықтары үшін ең үлкен қиындықтардың бірі АҚШ Ұлттық аэронавтика және ғарыш басқармасының (NASA) ұзақ мерзімді ғарыштық миссиялар үшін энергия көздеріне деген қажеттілігінен туындады. NASA-ның сілтілі отын ұяшығы/клеткасы отын ретінде сутегі мен оттегін пайдаланады, екеуін электрохимиялық реакцияда біріктіреді. Шығарылатын өнім ғарышқа ұшу кезінде пайдалы реакцияның үш жанама өнімі болып табылады - ғарыш кемесіне қуат беретін 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 отын элементтерінде жұмыс басталды, ал 1939 жылға қарай жоғары қысымды никельмен қапталған электродтарды қолданатын ұяшық салынды. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде Британ Әскери-теңіз күштерінің сүңгуір қайықтарына арналған 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 мазут тапшылығын бастан кешірген 1980 жылдары қызығушылық артты. Сол кезеңде әлем елдері де ауаның ластану мәселесіне алаңдап, экологиялық таза электр энергиясын өндіру жолдарын қарастырды. Қазіргі уақытта отын ұяшығы/клетка технологиясы қарқынды даму үстінде.

Отын жасушалары/клеткалары қалай жұмыс істейді

Отын ұяшықтары/клеткалары электролит, катод және анод арқылы жүріп жатқан электрохимиялық реакция арқылы электр және жылу шығарады.

Анод пен катод протондарды өткізетін электролитпен бөлінген. Сутегі анодқа, оттегі катодқа түскеннен 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 және сыртқы электр тізбегі арқылы өтіп, жабдықты қуаттандыру үшін қолданылатын 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:

Анодтық реакция: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Катодтағы реакция: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Жалпы элемент реакциясы: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Отын жасушаларының/клеткаларының түрлері мен әртүрлілігі

Іштен жанатын қозғалтқыштардың әртүрлі түрлерінің болуы сияқты, отын элементтерінің әртүрлі түрлері бар - жанармай жасушаларының сәйкес 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 карбонаттағы отын жасушалары/клеткалары (MCFC)

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

RCFC жұмысы басқа отын элементтерінен ерекшеленеді. Бұл жасушалар балқыған карбонат тұздарының қоспасынан алынған электролит пайдаланады. Қазіргі уақытта қоспалардың екі түрі қолданылады: литий карбонаты және калий карбонаты немесе литий карбонаты және натрий карбонаты. Карбонатты тұздарды балқыту және электролиттегі иондардың қозғалғыштығының жоғары дәрежесіне жету үшін балқытылған карбонатты электролиті бар отын элементтері жоғары температурада (650°С) жұмыс істейді. Тиімділігі 60-80% аралығында өзгереді.

650°С температураға дейін қыздырғанда тұздар карбонат иондары үшін өткізгіш болады (СО 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.

Анодтық реакция: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Катодтағы реакция: CO 2 + 1 / 2O 2 + 2e - \u003d\u003e CO 3 2-
Жалпы элемент 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 температура кезінде табиғи газ іштей реформаланып, отын процессорының қажеттілігін жояды. Бұдан басқа, артықшылықтарға электродтарда тот баспайтын болаттан жасалған парақ және никель катализаторы сияқты стандартты құрылыс материалдарын пайдалану мүмкіндігі жатады. Қалдық жылуды әртүрлі өнеркәсіптік және коммерциялық мақсатта жоғары қысымды бу өндіру үшін пайдалануға болады.

Электролиттегі реакцияның жоғары температурасының да өз артықшылықтары бар. Жоғары температураны пайдалану оңтайлы жұмыс жағдайларына жету үшін көп уақытты қажет етеді және жүйе энергия тұтынудың өзгеруіне баяу әрекет етеді. Бұл сипаттамалар тұрақты қуат жағдайында балқытылған карбонатты электролиті бар отын жасушаларының жүйелерін пайдалануға мүмкіндік береді. Жоғары температура отын ұяшығының көміртегі тотығымен зақымдалуын болдырмайды.

Балқытылған карбонатты отын элементтері үлкен стационарлық қондырғыларда пайдалануға жарамды. Өнеркәсіптік өндірісте шығарылатын электр қуаты 3,0 МВт жылу электр станциялары шығарылады. Өндірістік қуаты 110 МВт-қа дейінгі стансалар әзірленуде.

Фосфор қышқылы (PFC) негізіндегі отын жасушалары/клеткалары

Фосфор (ортофосфор) қышқылына негізделген отын элементтері коммерциялық мақсаттағы алғашқы отын элементтері болды.

Фосфор (ортофосфор) қышқылына негізделген отын элементтері концентрациясы 100% дейін фосфор қышқылына негізделген электролит (H 3 PO 4) 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 ұяшықтарында орын алады, онда анодқа берілетін сутегі протондар мен электрондарға бөлінеді. Протондар электролит арқылы өтіп, катодта ауадағы оттегімен қосылып, су түзеді. Электрондар сыртқы электр тізбегі бойымен бағытталып, электр тогы пайда болады. Төменде электр және жылу бөлетін реакциялар берілген.

Анодтағы реакция: 2H 2 => 4H + + 4e -
Катодтағы реакция: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H 2 O
Жалпы элемент 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 өндіруде жалпы тиімділік шамамен 85% құрайды. Сонымен қатар, жұмыс температурасын ескере отырып, қалдық жылуды атмосфералық қысымда суды жылыту және бу өндіру үшін пайдалануға болады.

Жылу электр станцияларының жылу және электр энергиясын біріктіріп өндірудегі фосфор (ортофосфор) қышқылы негізіндегі отын элементтеріндегі жоғары өнімділігі отын элементтерінің осы түрінің артықшылықтарының бірі болып табылады. Зауыттар көміртегі тотығын шамамен 1,5% концентрацияда пайдаланады, бұл отын таңдауын айтарлықтай кеңейтеді. Сонымен қатар, СО 2 электролитке және отын ұяшығының жұмысына әсер етпейді, бұл ұяшық түрі реформаланған табиғи отынмен жұмыс істейді. Қарапайым құрылыс, төмен электролиттік құбылмалылық және жоғары тұрақтылық отын ұяшығының осы түрінің артықшылығы болып табылады.

Өнеркәсіптік жолмен шығарылатын электр қуаты 500 кВт дейінгі жылу электр станциялары. 11 МВт қондырғылар тиісті сынақтардан өтті. Өндірістік қуаты 100 МВт-қа дейінгі стансалар әзірленуде.

Қатты оксидті отын жасушалары/клеткалары (SOFC)

Қатты оксидті отын элементтері ең жоғары жұмыс температурасы бар 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. Осы жоғары температураларды өңдеу үшін қолданылатын электролит жұқа керамика негізіндегі қатты металл оксиді, көбінесе оттегі (O 2-) иондарының өткізгіші болып табылатын иттрий мен цирконийдің қорытпасы.

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

Анодтағы реакция: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Катодтағы реакция: O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
Жалпы элемент реакциясы: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Өндірілген электр энергиясының тиімділігі барлық отын элементтерінің ең жоғарысы - шамамен 60-70%. Жоғары жұмыс температурасы жоғары қысымды бу шығару үшін жылу мен электр қуатын біріктіруге мүмкіндік береді. Жоғары температуралы отын элементін турбинамен біріктіру электр энергиясын өндірудің тиімділігін 75% дейін арттыру үшін гибридті отын ұяшығын жасайды.

Қатты оксидті отын элементтері өте жоғары температурада (600°C-1000°C) жұмыс істейді, нәтижесінде оңтайлы жұмыс жағдайларына ұзақ уақыт жетеді және жүйе қуат тұтынуының өзгеруіне баяу жауап береді. Осындай жоғары жұмыс температурасында отыннан сутегін қалпына келтіру үшін конвертер қажет емес, бұл жылу электр станциясына көмірді газдандырудан немесе қалдық газдардан және т.б. салыстырмалы түрде таза емес отынмен жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Сондай-ақ, бұл отын ұяшығы жоғары қуатты қолданбалар үшін, соның ішінде өнеркәсіптік және ірі орталық электр станциялары үшін тамаша. Өнеркәсіпте шығарылатын модульдер шығарылатын электр қуаты 100 кВт.

Тікелей метанол тотығуы бар отын жасушалары/клеткалары (DOMTE)

Метанолдың тікелей тотығуымен отын элементтерін пайдалану технологиясы белсенді даму кезеңінен өтуде. Ол ұялы телефондарды, ноутбуктарды қуаттандыру, сондай-ақ портативті қуат көздерін жасау саласында өзін сәтті көрсетті. бұл элементтердің болашақта қолданылуы неге бағытталған.

Метанолдың тікелей тотығуы бар отын жасушаларының құрылымы протон алмасу мембранасы (MOFEC) 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 басқарылатын СО 2, сутегі иондары мен электрондарды босатады және электр тогы пайда болады. 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
Жалпы элемент 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 (AFC)

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

Сілтілік отын элементтері электролит, яғни кеуекті, тұрақтандырылған матрицадағы калий гидроксидінің сулы ерітіндісін пайдаланады. Калий гидроксидінің концентрациясы отын ұяшығының жұмыс температурасына байланысты өзгеруі мүмкін, ол 65 ° C пен 220 ° C аралығында болады. SFC-дегі заряд тасымалдаушы катодтан анодқа ауысатын гидроксид ионы (OH-) болып табылады, онда сутекпен әрекеттесіп, су мен электрондар түзеді. Анодта өндірілген су қайтадан катодқа жылжиды, сонда қайтадан гидроксид иондарын тудырады. Отын ұяшығында жүретін осы реакциялар сериясының 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

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

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

Полимер электролиттік отын жасушалары (PETE)

Полимерлі электролиттік отын элементтері жағдайында полимер мембранасы су иондарының (H 2 O + (протон, қызыл) су молекуласына бекітілген) өткізгіштігі бар су аймақтары бар полимерлі талшықтардан тұрады. Су молекулалары баяу ион алмасуына байланысты проблема тудырады. Сондықтан отынға да, шығатын электродтарға да судың жоғары концентрациясы қажет, бұл жұмыс температурасын 100 ° C дейін шектейді.

Қатты қышқыл отын жасушалары/клеткалары (SCFC)

Қатты қышқылды отын элементтерінде электролит (CsHSO 4) құрамында су болмайды. Сондықтан жұмыс температурасы 100-300°C. SO 4 2- окси аниондарының айналуы протондардың (қызыл) суретте көрсетілгендей қозғалуына мүмкіндік береді. Әдетте қатты қышқылды отын ұяшығы жақсы жанасуды қамтамасыз ету үшін екі тығыз сығылған электродтардың арасында қатты қышқыл қосылысының өте жұқа қабаты сэндвич болып табылады. Қыздыру кезінде органикалық компонент буланып, электродтардағы тесіктер арқылы отын (немесе ұяшықтың екінші жағындағы оттегі), электролит пен электродтар арасындағы көптеген байланыстар қабілетін сақтайды.

Әртүрлі отын ұяшықтары модульдері. отын ұяшығы батареясы

1. Жанармай батареясы
2. Басқа жоғары температуралық жабдықтар (біріктірілген бу генераторы, жану камерасы, жылу балансын ауыстырғыш)
3. Ыстыққа төзімді оқшаулау

отын ұяшығы модулі

Отын элементтерінің түрлері мен сорттарын салыстырмалы талдау

Инновациялық энергия үнемдейтін қалалық жылу және электр станциялары әдетте қатты оксидті отын элементтеріне (SOFC), полимер электролиттік отын элементтеріне (PEFCs), фосфор қышқылының отын элементтеріне (PCFCs), протон алмасу мембраналық отын элементтеріне (MPFCs) және сілтілі отын элементтеріне (МФҚ) салынған. APFC). Олар әдетте келесі сипаттамаларға ие:

Қатты оксидті отын элементтері (SOFC) ең қолайлы деп танылуы керек, олар:

• жоғары температурада жұмыс істейді, бұл қымбат бағалы металдарға (мысалы, платина) қажеттілікті азайтады.
• көмірсутекті отынның әртүрлі түрлерінде, негізінен табиғи газда жұмыс істей алады
• іске қосу уақыты ұзағырақ, сондықтан олар ұзақ мерзімді жұмыс үшін қолайлы
• электр энергиясын өндірудің жоғары тиімділігін көрсету (70% дейін)
• жоғары жұмыс температурасына байланысты қондырғыларды жылуды қалпына келтіру жүйелерімен біріктіруге болады, бұл жүйенің жалпы тиімділігін 85% дейін жеткізеді.
• нөлге жуық шығарындылары бар, үнсіз жұмыс істейді және қолданыстағы электр энергиясын өндіру технологияларымен салыстырғанда төмен жұмыс талаптары бар

Жанармай жасушаларының түрі	Жұмыс температурасы	Энергияны өндіру тиімділігі	Жанармай түрі	Қолдану саласы
РКТЕ	550–700°C	50-70%		Орташа және үлкен қондырғылар
FKTE	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
POMTE	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, өндірілетін жылуды суды жылытуға және желдету ауасына арналған жылу алмастырғыштарға біріктіруге болады, бұл жүйенің жалпы тиімділігін арттырады. Бұл инновациялық технология қымбат инфрақұрылымды және күрделі құралдарды біріктіруді қажет етпестен тиімді электр қуатын өндіру үшін ең қолайлы.

Отын ұяшықтары/клеткаларының қолданбалары

Телекоммуникациялық жүйелерде отын элементтерін/ұяшықтарды қолдану

Сымсыз байланыс жүйелерінің бүкіл әлем бойынша жылдам таралуымен, сондай-ақ ұялы телефон технологиясының өсіп келе жатқан әлеуметтік және экономикалық артықшылықтарымен сенімді және үнемді резервтік қуат қажеттілігі өте маңызды болды. Ауа-райының қолайсыздығынан, табиғи апаттардан немесе электр желісінің шектеулі сыйымдылығынан жыл бойы электр желілерінің жоғалуы желі операторлары үшін тұрақты қиындық болып табылады.

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

Дәстүрлі резервтік қуат шешімдерінің шектеулерін жою үшін жасыл отын жасушаларының инновациялық технологиясы әзірленді. Отын ұяшықтары сенімді, тыныш, генераторға қарағанда аз қозғалатын бөліктерден тұрады, аккумуляторға қарағанда -40°C-тан +50°C-қа дейінгі жұмыс температурасының кең диапазоны бар және нәтижесінде энергияны үнемдеудің өте жоғары деңгейін қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, мұндай қондырғының қызмет ету құны генераторға қарағанда төмен. Жанармай ұяшығының құнының төмендеуі жылына тек бір рет техникалық қызмет көрсетудің және зауыт өнімділігінің айтарлықтай жоғарылауының нәтижесі болып табылады. Өйткені, отын ұяшығы қоршаған ортаға ең аз әсер ететін экологиялық таза технологиялық шешім болып табылады.

Отын ұяшықтары блоктары телекоммуникация жүйесіндегі сымсыз, тұрақты және кең жолақты байланыстар үшін 250 Вт-тан 15 кВт-қа дейінгі диапазондағы маңызды байланыс желілерінің инфрақұрылымдарын резервтік қуатпен 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– сыртқы және ішкі орнату (контейнер/қорғаныс контейнері)
• ЖОҒАРЫ ҚУАТ– 15 кВт дейін
• ТӨМЕН ҚЫЗМЕТ КӨРСЕТУ– ең аз жылдық техникалық қызмет көрсету
• ЭКОНОМИКА- меншіктің тартымды жалпы құны
• ТАЗА ЭНЕРГИЯ– қоршаған ортаға ең аз әсер ететін төмен шығарындылар

Жүйе тұрақты ток шинасының кернеуін үнемі сезінеді және тұрақты шинаның кернеуі пайдаланушы анықтаған белгіленген мәннен төмен түссе, маңызды жүктемелерді біркелкі қабылдайды. Жүйе сутегімен жұмыс істейді, ол отын ұяшығы қабатына екі жолдың бірімен - сутегінің коммерциялық көзінен немесе борттық реформатор жүйесін пайдалана отырып, метанол мен судың сұйық отынынан түседі.

Электр энергиясы тұрақты ток түріндегі отын ұяшығымен өндіріледі. Тұрақты ток қуаты отын ұяшығынан реттелмейтін тұрақты ток қуатын қажетті жүктемелер үшін жоғары сапалы, реттелетін тұрақты ток қуатына түрлендіретін түрлендіргішке жіберіледі. Жанармай ұяшығын орнату көптеген күндер бойы резервтік қуатпен қамтамасыз ете алады, себебі ұзақтық тек қоймадағы бар сутегі немесе метанол/су отынының мөлшерімен шектеледі.

Отын ұяшықтары салалық стандартты клапанмен реттелетін қорғасын қышқылды аккумулятор жинақтарымен салыстырғанда жоғары энергия тиімділігін, жүйенің сенімділігін арттыруды, климаттың кең ауқымында болжамды өнімділікті және сенімді қызмет ету мерзімін ұсынады. Техникалық қызмет көрсету және ауыстыру талаптарының едәуір аз болуына байланысты өмірлік цикл шығындары да төмен. Отын ұяшықтары соңғы пайдаланушыға экологиялық артықшылықтар ұсынады, өйткені қорғасын қышқылы жасушаларымен байланысты кәдеге жарату шығындары мен жауапкершілік тәуекелдері өсіп келе жатқан алаңдаушылық тудырады.

Электрлік батареялардың өнімділігіне заряд деңгейі, температура, циклдар, 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.

Отын жасушалары газ турбиналық генератор сияқты отын берілгенде ғана энергия жасайды, бірақ генерация аймағында қозғалатын бөліктері жоқ. Сондықтан, генератордан айырмашылығы, олар тез тозуға ұшырамайды және тұрақты күтім мен майлауды қажет етпейді.

Ұзартылған ұзақтығы отын түрлендіргішін басқару үшін пайдаланылатын отын – метанол мен судың қоспасы. Метанол – кең қол жетімді, коммерциялық отын, оның қазіргі уақытта көптеген қолданылуы бар, соның ішінде әйнек жуғыш, пластикалық бөтелкелер, қозғалтқыш қоспалары және эмульсиялық бояулар. Метанол оңай тасымалданады, сумен араласады, биологиялық ыдырауы жақсы және күкіртсіз. Оның қату температурасы төмен (-71°C) және ұзақ сақтау кезінде ыдырамайды.

Байланыс желілерінде отын элементтерін/ұяшықтарды қолдану

Қауіпсіздік желілері электр желісі қолжетімсіз болған жағдайда төтенше жағдайда сағаттарға немесе күндерге созылатын сенімді резервтік қуат шешімдерін қажет етеді.

Қозғалмалы бөлшектері аз және күту режимінде қуатты төмендетпейтін инновациялық отын ұяшықтары технологиясы қазіргі уақытта қолда бар резервтік қуат жүйелерімен салыстырғанда тартымды шешім ұсынады.

Байланыс желілерінде отын ұяшықтары технологиясын пайдаланудың ең сенімді себебі - жалпы сенімділік пен қауіпсіздіктің жоғарылауы. Электр қуатының үзілуі, жер сілкінісі, дауыл және дауыл сияқты оқиғалар кезінде резервтік қуат жүйесінің температурасына немесе жасына қарамастан жүйелердің ұзақ уақыт жұмыс істеуі және сенімді резервтік қуат көзі болуы маңызды.

Отын жасушаларының қуат көздерінің ауқымы қауіпсіз байланыс желілерін қолдау үшін өте қолайлы. Энергияны үнемдейтін дизайн принциптерінің арқасында олар 250 Вт-тан 15 кВт-қа дейінгі қуат диапазонында пайдалану үшін ұзартылған ұзақтығы (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. Күту режимінде қуат беретін сенімді, инновациялық отын ұяшықтары қондырғылары үздіксіз қуатты қамтамасыз ету үшін қажетті сенімділікті қамтамасыз етеді.

Метанол мен судың сұйық отын қоспасында жұмыс істейтін отын ұяшықтары қондырғылары бірнеше күнге дейін ұзартылған сенімді резервтік қуат көзін қамтамасыз етеді. Бұған қоса, бұл қондырғылар генераторлар мен аккумуляторлармен салыстырғанда техникалық қызмет көрсету талаптарын айтарлықтай төмендетеді, бұл жылына бір рет техникалық қызмет көрсетуді қажет етеді.

Деректер желілерінде отын ұяшықтары қондырғыларын қолданудың типтік сипаттамалары:

• 100 Вт-тан 15 кВт-қа дейінгі қуат кірістері 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 тасымалдаудың желілік түйіндері
• WiMAX беру түйіндері

Жанармай ұяшықтарының күту қондырғылары дәстүрлі аккумуляторлық немесе дизельдік генераторларға қарағанда маңызды деректер желісі инфрақұрылымдары үшін көптеген артықшылықтарды ұсынады, бұл жергілікті жерде пайдалануды арттыруға мүмкіндік береді:

1. Сұйық отын технологиясы сутегі сақтау мәселесін шешеді және іс жүзінде шексіз резервтік қуат береді.
2. Тыныш жұмысының, салмағының төмендігінің, температураның шектен шығуына төзімділігінің және іс жүзінде дірілсіз жұмысының арқасында отын элементтерін ашық ауада, өндірістік үй-жайларда/контейнерлерде немесе шатырларда орнатуға болады.
3. Жүйені пайдалану үшін жергілікті жерде дайындық жылдам және үнемді, ал пайдалану құны төмен.
4. Отын биологиялық ыдырайтын және қалалық орта үшін экологиялық таза шешім болып табылады.

Қауіпсіздік жүйелерінде отын элементтерін/жасушаларын қолдану

Ең мұқият жобаланған ғимараттың қауіпсіздік және коммуникациялық жүйелері оларды қуаттандыратын қуат сияқты ғана сенімді. Көптеген жүйелерде қысқа мерзімді қуат жоғалтулары үшін резервтік үзіліссіз қуат жүйесінің кейбір түрі қамтылғанымен, олар табиғи апаттардан немесе лаңкестік шабуылдардан кейін орын алуы мүмкін электр қуатының ұзағырақ үзілістерін қамтамасыз етпейді. Бұл көптеген корпоративтік және мемлекеттік органдар үшін маңызды мәселе болуы мүмкін.

Бейнебақылау мониторингі және қол жеткізуді басқару жүйелері (жеке куәліктерді оқу құрылғылары, есікті жабу 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. үздіксіз электрмен жабдықтаудың сенімді баламалы көзі.

Дизельдік генераторлар шулы, оларды табу қиын және олардың сенімділігі мен техникалық қызмет көрсету мәселелерін жақсы біледі. Керісінше, отын ұяшығының резервтік қондырғысы тыныш, сенімді, нөлдік немесе өте төмен шығарындыларға ие және шатырға немесе ғимараттың сыртына орнату оңай. Күту режимінде ол зарядсызданбайды немесе қуатын жоғалтпайды. Ол мекеме жұмысын тоқтатқаннан кейін және адамдар ғимаратты тастап кеткеннен 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 теңдесі жоқ мүмкіндіктермен және әсіресе энергияны үнемдеудің жоғары деңгейімен үйлеседі.

Отын ұяшықтарының қуат резервтік блоктары дәстүрлі аккумуляторларға немесе дизельдік генераторларға қарағанда қауіпсіздік және құрылысты басқару жүйелері сияқты маңызды қосымшалар үшін көптеген артықшылықтарды ұсынады. Сұйық отын технологиясы сутегі сақтау мәселесін шешеді және іс жүзінде шексіз резервтік қуат береді.

Тұрмыстық жылытуда және электр энергиясын өндіруде отын элементтерін/элементтерін қолдану

Қатты оксидті отын элементтері (SOFCs) кеңінен қол жетімді табиғи газ және жаңартылатын отын көздерінен электр және жылу алу үшін сенімді, энергияны үнемдейтін және шығарындылары жоқ жылу электр станцияларын салу үшін қолданылады. Бұл инновациялық қондырғылар отандық электр энергиясын өндіруден бастап шалғай елді мекендерді электрмен жабдықтауға дейін, сондай-ақ қосалқы қуат көздеріне дейін кең ауқымды 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 электр қуатын ЖЭО өндірген кезде және қазіргі уақытта қолданылып жүрген дәстүрлі электр жеткізу желілері арқылы үйлерге бергенде өндіру тиімділігінің жоғалуы көрсетілген. Аудандық генерациядағы тиімділік жоғалтуларына электр станциясынан, төмен және жоғары вольтты беруден және таратудағы ысыраптар жатады.

Суретте шағын жылу электр станцияларын біріктіру нәтижелері көрсетілген: электр энергиясы пайдалану орнында 60%-ға дейін генерациялау тиімділігімен өндіріледі. Сонымен қатар, үй шаруашылығы отын элементтері шығаратын жылуды суды және үй-жайларды жылыту үшін пайдалана алады, бұл отын энергиясын өңдеудің жалпы тиімділігін арттырады және энергияны үнемдеуді жақсартады.

Қоршаған ортаны қорғау үшін отын ұяшықтарын 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, ең бастысы – олардың экономикалық тұрғыдан тиімсіздігі. Ілеспе мұнай газы жағылады, бұл қоршаған ортаға және адам денсаулығына үлкен зиян келтіреді.

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

1. Отын ұяшықтары 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 азаюы қуат шығысының сәйкес төмендеуін ғана тудырады.
2. Тұтынушылардың электр жүктемесіне қатысты икемділік, дифференциал, жүктеме асқынуы.
3. Жылу электр станцияларын отын элементтеріне орнату және қосу үшін оларды іске асыру күрделі шығындарды қажет етпейді, өйткені Қондырғылар егістік маңындағы дайындалмаған учаскелерге оңай орнатылады, пайдалану оңай, сенімді және тиімді.
4. Жоғары автоматтандыру және заманауи қашықтан басқару зауытта персоналдың тұрақты болуын талап етпейді.
5. Конструкцияның қарапайымдылығы мен техникалық жетілдірілуі: қозғалатын бөлшектердің, үйкелістің, 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 элементтері бар жылу электр станциялары шу жасамайды, дірілмейді, атмосфераға зиянды шығарындыларды шығармаңыз

Отын элементі – химиялық реакция арқылы сутегі мен оттегін электр энергиясына түрлендіретін электрохимиялық энергияны түрлендіру құрылғысы. Бұл процестің нәтижесінде су пайда болып, көп мөлшерде жылу бөлінеді. Жанармай ұяшығы зарядталатын, содан кейін электр энергиясын сақтауға арналған батареяға өте ұқсас.
Жанармай ұяшығын ойлап тапқан Уильям Р.Гроув, оны сонау 1839 жылы ойлап тапты. Бұл отын ұяшығы электролит ретінде күкірт қышқылы ерітіндісін, ал отын ретінде сутекті пайдаланды, ол тотықтырғыш ортада оттегімен қосылды. Айта кету керек, соңғы уақытқа дейін отын ұяшықтары тек зертханаларда және ғарыш аппараттарында қолданылған.
Болашақта отын элементтері энергияны түрлендірудің көптеген басқа жүйелерімен (соның ішінде электр станцияларындағы газ турбиналарымен), автомобильдердегі іштен жанатын қозғалтқыштармен және портативті құрылғылардағы электр батареяларымен бәсекеге түсе алады. Іштен жанатын қозғалтқыштар отынды жағады және механикалық жұмыстарды орындау үшін жану газдарының кеңеюінен пайда болатын қысымды пайдаланады. Батареялар электр энергиясын сақтайды, содан кейін оны химиялық энергияға айналдырады, қажет болған жағдайда оны қайтадан электр энергиясына айналдыруға болады. Потенциалды түрде отын ұяшықтары өте тиімді. Сонау 1824 жылы француз ғалымы Карно іштен жанатын қозғалтқыштың қысу-кеңейту циклдері жылу энергиясын (бұл жанармайдың химиялық энергиясы) механикалық энергияға 50%-дан жоғары түрлендіру тиімділігін қамтамасыз ете алмайтынын дәлелдеді. Отын ұяшығының қозғалатын бөліктері жоқ (кем дегенде ұяшықтың өзінде емес), сондықтан олар Карно заңына бағынбайды. Әрине, олар 50% -дан астам тиімділікке ие болады және әсіресе төмен жүктемелерде тиімді. Осылайша, жанармай ұяшықтары бар көліктер нақты жүргізу жағдайында кәдімгі көліктерге қарағанда жанармай үнемдеуге дайын (және бұрыннан дәлелденген).
Жанармай ұяшығы көліктегі электр қозғалтқышын, жарықтандыру құрылғыларын және басқа электр жүйелерін басқару үшін пайдаланылуы мүмкін тұрақты токты тудырады. Қолданылатын химиялық процестермен ерекшеленетін отын жасушаларының бірнеше түрі бар. Отын элементтері әдетте пайдаланатын электролит түріне қарай жіктеледі. Отын жасушаларының кейбір түрлері электр станцияларында пайдалану үшін перспективалы, ал басқалары шағын портативті құрылғылар үшін немесе автомобильдерді басқару үшін пайдалы болуы мүмкін.
Сілтілі отын элементі ең ерте дамыған элементтердің бірі болып табылады. Оларды 1960 жылдардан бері АҚШ ғарыш бағдарламасы қолданып келеді. Мұндай отын элементтері ластануға өте сезімтал, сондықтан өте таза сутегі мен оттегін қажет етеді. Сонымен қатар, олар өте қымбат, сондықтан отын ұяшығының бұл түрі автомобильдерде кең қолдануды табуы екіталай.
Фосфор қышқылына негізделген отын элементтері төмен қуатты стационарлық қондырғыларда қолданылуы мүмкін. Олар өте жоғары температурада жұмыс істейді, сондықтан қызуға көп уақыт кетеді, бұл оларды автомобильдерде пайдалану үшін тиімсіз етеді.
Қатты оксидті отын элементтері зауыттарды немесе қауымдастықтарды электрмен қамтамасыз ете алатын үлкен стационарлық электр генераторлары үшін жақсырақ. Отын ұяшығының бұл түрі өте жоғары температурада (шамамен 1000 °C) жұмыс істейді. Жоғары жұмыс температурасы белгілі бір проблемаларды тудырады, бірақ екінші жағынан, артықшылығы бар - отын ұяшығы шығаратын буды көбірек электр энергиясын өндіру үшін турбинаға жіберуге болады. Тұтастай алғанда, бұл жүйенің жалпы тиімділігін арттырады.
Ең перспективалы жүйелердің бірі протон алмасу мембраналық отын ұяшығы - POMFC (PEMFC - Protone Exchange Membrane Fuel Cell). Қазіргі уақытта отын ұяшығының бұл түрі ең перспективалы болып табылады, өйткені ол автомобильдерді, автобустарды және басқа көліктерді жылжыта алады.

Отын ұяшығындағы химиялық процестер

Отын жасушалары сутегі мен ауадағы оттегіні біріктіру үшін электрохимиялық процесті пайдаланады. Батареялар сияқты, отын элементтері электролиттегі (электр өткізгіш орта) электродтарды (қатты электр өткізгіштер) пайдаланады. Сутегі молекулалары теріс электродпен (анод) жанасқанда, соңғылары протондар мен электрондарға бөлінеді. Протондар протон алмасу мембранасы (ПОМ) арқылы отын ұяшығының оң электродына (катодына) өтіп, электр энергиясын шығарады. Бұл реакцияның жанама өнімі ретінде судың пайда болуымен сутегі мен оттегі молекулаларының химиялық комбинациясы бар. Жанармай ұяшығынан шығатын шығарындылардың жалғыз түрі - су буы.
Отын элементтері шығаратын электр энергиясы көлік құралын қозғау үшін механикалық энергияны қамтамасыз ету үшін көліктің электрлік қуатында (электр қуатының түрлендіргішінен және айнымалы ток асинхронды қозғалтқыштан тұрады) пайдаланылуы мүмкін. Қуат түрлендіргішінің міндеті отын элементтері шығаратын тұрақты токты көлік құралының тартқыш қозғалтқышы пайдаланатын айнымалы токқа түрлендіру болып табылады.

Протон алмасу мембранасы бар отын ұяшығының схемалық диаграммасы:
1 - анод;
2 - протон алмасу мембранасы (РЭМ);
3 - катализатор (қызыл);
4 - катод

Протон алмасу мембраналық отын ұяшығы (PEMFC) кез келген отын ұяшығының ең қарапайым реакцияларының бірін пайдаланады.

Бөлек отын ұяшығы

Жанармай ұяшығының қалай жұмыс істейтінін қарастырыңыз. Анод, отын ұяшығының теріс полюсі сутегі молекулаларынан босатылған электрондарды сыртқы электр тізбегінде (тізбекте) пайдалану үшін өткізеді. Ол үшін сутекті катализатордың бүкіл бетіне біркелкі тарататын оған арналар ойылып салынған. Катодта (отын ұяшығының оң полюсі) катализатордың бетіне оттегін тарататын ойылған арналар бар. Ол сондай-ақ электрондарды сыртқы контурдан (тізбектен) катализаторға кері өткізеді, онда олар сутек иондарымен және оттегімен қосылып, су түзе алады. Электролит - протон алмасу мембранасы. Бұл қарапайым пластикке ұқсас, бірақ оң зарядталған иондарды өткізіп, электрондардың өтуін блоктайтын қабілеті бар ерекше материал.
Катализатор - бұл оттегі мен сутегі арасындағы реакцияны жеңілдететін арнайы материал. Катализатор әдетте көміртекті қағазға немесе матаға өте жұқа қабатқа салынған платина ұнтағынан жасалады. Катализатор кедір-бұдыр және кеуекті болуы керек, сондықтан оның беті мүмкіндігінше сутегімен және оттегімен жанасуы мүмкін. Катализатордың платинамен қапталған жағы протон алмасу мембранасының (ПОМ) алдында орналасқан.
Сутегі газы (H 2 ) отын ұяшығына анод жағынан қысыммен беріледі. Н2 молекуласы катализатордағы платинамен жанасқанда ол екі бөлікке, екі ионға (H+) және екі электронға (e–) бөлінеді. Электрондар анод арқылы өткізіледі, онда олар сыртқы контурдан (тізбектен) өтіп, пайдалы жұмыстарды орындайды (мысалы, электр қозғалтқышын жүргізеді) және отын элементінің катодтық жағынан оралады.
Сонымен қатар, отын ұяшығының катодтық жағынан оттегі газы (O 2) катализатор арқылы екі оттегі атомын құрайды. Бұл атомдардың әрқайсысының мембрана арқылы екі Н+ ионын тартатын күшті теріс заряды бар, мұнда олар оттегі атомымен және сыртқы контурдан (тізбектен) екі электронмен қосылып, су молекуласын (H 2 O) құрайды.
Бір отын ұяшығындағы бұл реакция шамамен 0,7 ватт қуат береді. Қуатты қажетті деңгейге дейін көтеру үшін көптеген жеке отын элементтерін біріктіріп, отын ұяшығы қабатын құру қажет.
POM отын элементтері салыстырмалы түрде төмен температурада (шамамен 80°C) жұмыс істейді, яғни олар жұмыс температурасына дейін тез қызады және қымбат салқындату жүйелерін қажет етпейді. Бұл ұяшықтарда қолданылатын технологиялар мен материалдардың үздіксіз жетілдірілуі олардың қуатын автомобиль жүксалғышының шағын бөлігін алатын осындай отын элементтерінің батареясы автомобильді басқаруға қажетті энергияны қамтамасыз ете алатын деңгейге жақындатты.
Соңғы жылдары әлемнің жетекші автомобиль өндірушілерінің көпшілігі жанармай элементтерін пайдалана отырып, автомобиль конструкцияларын әзірлеуге көп қаражат жұмсады. Көбісі қанағаттанарлық қуаты мен динамикалық сипаттамалары бар отын ұяшықтары бар көліктерді көрсетті, бірақ олар айтарлықтай қымбат болды.
Мұндай көліктердің дизайнын жетілдіру өте қарқынды.

Жанармай ұяшығы бар көлік, көліктің еденінің астында орналасқан электр станциясын пайдаланады

NECAR V көлігі Mercedes-Benz A-сыныптағы көлікке негізделген, оның негізінде бүкіл электр станциясы, көліктің еденінің астында орналасқан отын элементтері бар. Мұндай конструктивті шешім автомобильде төрт жолаушы мен багажды орналастыруға мүмкіндік береді. Мұнда көлікке отын ретінде сутегі емес, метанол пайдаланылады. Метанол риформердің көмегімен (метанолды сутегіге айналдыратын құрылғы) отын ұяшығын қуаттандыру үшін қажет сутегіге айналады. Автокөлік бортында реформаторды пайдалану отын ретінде кез келген дерлік көмірсутекті пайдалануға мүмкіндік береді, бұл қолданыстағы жанармай құю станцияларының желісін пайдалана отырып, жанармай ұяшығы бар автомобильге жанармай құюға мүмкіндік береді. Теориялық тұрғыдан, отын жасушалары электр және судан басқа ештеңе өндірмейді. Отынды (бензин немесе метанол) отын ұяшығына қажетті сутегіге айналдыру мұндай көліктің экологиялық тартымдылығын біршама төмендетеді.
1989 жылдан бері отын ұяшықтары бизнесімен айналысатын Хонда 2003 жылы Honda FCX-V4 көліктерінің шағын партиясын Баллардтың протон алмастырғыш мембраналық отын ұяшықтарымен шығарды. Бұл отын ұяшықтары 78 кВт электр қуатын өндіреді, ал жетек доңғалақтарын жүргізу үшін қуаты 60 кВт және айналу моменті 272 Н м тартқыш қозғалтқыштар қолданылады.Оның керемет динамикасы бар және сығылған сутегінің берілуі жұмыс істеуге мүмкіндік береді. 355 км-ге дейін.

Honda FCX өзін қозғалту үшін жанармай жасушаларының қуатын пайдаланады.
Honda FCX - Америка Құрама Штаттарында үкімет сертификатын алған әлемдегі алғашқы жанармай ұяшығы. Автокөлік ZEV сертификатына ие - Zero Emission Vehicle (нөлдік ластаушы көлік). Honda бұл көліктерді әзірге сатпайды, бірақ бір бірлікке шамамен 30 көлікті лизингке алады. Калифорния мен Токиода сутегімен жұмыс істейтін инфрақұрылым қазірдің өзінде бар.

General Motors компаниясының Hy Wire концепті автомобильінде отын ұяшықты электр станциясы бар

Жанармай элементтері бар көліктерді жасау және жасау бойынша үлкен зерттеулерді General Motors жүргізеді.

Hy Wire көлік шассиі

GM Hy Wire концепті көлігі 26 патент алды. Автокөліктің негізі - қалыңдығы 150 мм болатын функционалды платформа. Платформаның ішінде сутегі цилиндрлері, отын ұяшықтары электр станциясы және соңғы электронды басқару технологиясын қолданатын көлік құралдарын басқару жүйелері бар. Hy Wire автокөлігінің шассиі - бұл автомобильдің барлық негізгі құрылымдық элементтерін қамтитын жұқа платформа: сутегі цилиндрлері, отын элементтері, батареялар, электр қозғалтқыштары және басқару жүйелері. Дизайндағы бұл тәсіл пайдалану кезінде автомобильдердің корпустарын өзгертуге мүмкіндік береді.Компания сонымен қатар эксперименталды Opel отын ұяшықты көліктерін сынақтан өткізеді және отын жасушаларын шығаратын зауытты жобалайды.

Сұйытылған сутегіге арналған «қауіпсіз» жанармай багының конструкциясы:
1 - құю құрылғысы;
2 - сыртқы резервуар;
3 - тіректер;
4 - деңгей сенсоры;
5 - ішкі резервуар;
6 - толтыру сызығы;
7 - оқшаулау және вакуум;
8 - жылытқыш;
9 - орнату қорабы

Автокөліктерге отын ретінде сутекті пайдалану мәселесіне BMW көп көңіл бөледі. Ғарыштық зерттеулерде сұйытылған сутекті пайдалану бойынша жұмысымен танымал Magna Steyer-пен бірге BMW автокөліктерде қолдануға болатын сұйытылған сутекті отын цистернасын жасады.

Сынақтар сұйық сутегі бар отын багын пайдаланудың қауіпсіздігін растады

Компания стандартты әдістер бойынша құрылымның қауіпсіздігіне бірқатар сынақтар жүргізіп, оның сенімділігін растады.
2002 жылы Франкфурт автосалонында (Германия) отын ретінде сұйытылған сутекті пайдаланатын Mini Cooper Hydrogen көлігі көрсетілді. Бұл машинаның жанармай багысы кәдімгі газ багы сияқты орын алады. Бұл көліктегі сутегі отын элементтері үшін емес, іштен жанатын қозғалтқыштар үшін отын ретінде пайдаланылады.

Аккумулятордың орнына отын ұяшығы бар әлемдегі алғашқы сериялық автокөлік

2003 жылы BMW компаниясы алғашқы жаппай шығарылған отын ұяшықтары бар BMW 750 hL көлігінің шығарылғанын жариялады. Дәстүрлі аккумулятордың орнына отын ұяшығы батареясы қолданылады. Бұл автомобильде сутегімен жұмыс істейтін 12 цилиндрлі іштен жанатын қозғалтқышы бар, ал отын ұяшығы кәдімгі аккумуляторға балама ретінде қызмет етеді, бұл кондиционер мен басқа тұтынушыларға автомобиль ұзақ уақыт бойы қозғалтқыш өшірулі тұрақта тұрғанда жұмыс істеуге мүмкіндік береді.

Сутегіге жанармай құюды робот орындайды, жүргізуші бұл процеске қатыспайды

Сол BMW компаниясы автокөліктерді сұйытылған сутегімен жылдам және қауіпсіз жанармай құюды қамтамасыз ететін роботты отын диспенсерлерін де жасап шығарды.
Соңғы жылдары баламалы отын мен балама қозғалтқыш жүйелерін қолданатын автомобильдерді жасауға бағытталған көптеген әзірлемелердің пайда болуы өткен ғасырда автомобильдерде басым болған іштен жанатын қозғалтқыштар ақырында таза, тиімдірек және үнсіз дизайнға жол беретінін көрсетеді. Олардың кеңінен қолданылуын қазіргі уақытта техникалық емес, экономикалық және әлеуметтік мәселелер тежеп отыр. Оларды кеңінен қолдану үшін баламалы отын түрлерін өндіруді дамытудың белгілі бір инфрақұрылымын құру, жаңа жанармай құю станцияларын құру және тарату және бірқатар психологиялық кедергілерді еңсеру қажет. Көлік құралының отыны ретінде сутекті пайдалану маңызды қауіпсіздік шараларын ескере отырып, сақтау, жеткізу және тарату мәселелерін шешуді талап етеді.
Теориялық тұрғыдан сутегі шексіз мөлшерде болады, бірақ оны өндіру өте энергияны қажет етеді. Сонымен қатар, автомобильдерді сутегі отынымен жұмыс істеуге айналдыру үшін энергетикалық жүйеге екі үлкен өзгеріс енгізу керек: біріншіден, оның жұмысын бензиннен метанолға, содан кейін біраз уақытқа сутегіге ауыстыру. Бұл мәселе шешілгенше біраз уақыт өтеді.

Көкжиек: нөлдік таң | 2017-03-14

Horizon: Zero Dawn ойынында сіз тапсырманы орындау үшін 5 отын элементтерін таба аласыз Ежелгі Арсенал, олар үшін береді Қалқан тоқымашы- Ойындағы ең жақсы құрыш.

Көкжиек: Zero Dawn - отын ұяшықтарын қайдан табуға болады

Ойынның бастапқы кезеңінде сіз бірінші қуат элементін табасыз. бару керек ҚирауБұл Алойдың бала кезінен есінде. Картада бұл нүкте жасыл маркермен белгіленеді және сіз оған баруыңыз керек. Сіз қирандыларға жердегі кішкене тесік арқылы кіре аласыз. Сіздің міндетіңіз - бірінші деңгейге түсу.

Қирандыларда адасу мүмкін емес, бірақ өте сақ болыңыз. Кейде баспалдақпен түсіп, есіктерді тауып, сталактиттерді сындыруға тура келеді.

Жанармай ұяшығы үстел үстінде және жасыл белгішесі бар.

Екінші элементті табуға болады кейінмиссиядан өту «Нораның жүрегі». Ертеде сіз қосқышы бар есікті табасыз, оны қолданыңыз, есікті ашыңыз және жолыңызды жалғастырыңыз. Оңға бұрылып, алда тұрған есікті ұстаныңыз.

Осыдан кейін сіз голо-құлыпты табасыз, оны аша алмайсыз. Оның сол жағында сіз саңылауды көресіз, оның ішінде шамдар бар. Осы бағытта қозғалыңыз және көп ұзамай сіз жерде жатқан элементті табасыз.

Үшінші элементті миссия кезінде табуға болады «Магистрдің шегі». Миссияның міндеттерінің бірі биік ғимаратқа көтерілу болады. Оның үстіне бір рет сіз жаңа тапсырма аласыз - Фаро кеңсесінде ақпаратты табу.

Дұрыс жерге жеткенде, алға қарай жүрмеңіз. Артқа бұрылып, алдыңғы қабырғаға көтеріліңіз. Жанармай элементін тапқаннан кейін оны түгендеуге салып, тапсырманы жалғастыруға болады.

Төртінші отын ұяшығы

Төртінші элементті миссия кезінде табуға болады «Өлім қазынасы». Холо-құлып мәселесін шешкеннен кейін, үшінші қабатқа барыңыз, баспалдақпен жүріңіз және жақын арада дұрыс орынды табасыз. Дәлізде сол жақта голо-құлпы бар есік болады. Бұл бөлменің ішінде отын ұяшығы бар.

Бесінші элементті миссия кезінде табуға болады. «Құлаған тау». Бір сәтте сіз өзіңізді үлкен үңгірде табасыз, содан кейін сіз түбіне түспеуіңіз керек. Артқа бұрылсаңыз, алдыңызда тасты көресіз, оған көтерілу керек. Жоғарғы жағында сіз күлгін жарқылы бар туннельді көресіз, оған кіріп, соңына дейін жүріңіз. Қуат ұяшығы сізді сөреде күтеді.

Көп ұзамай (дәлірек айтқанда, оның қызықты шытырман оқиғасының басында) басты кейіпкер Нора тайпасының жерлеріне өте жақын орналасқан Forerunner бункеріне тап болады. Бұл ежелгі бункердің ішінде сауыт күшті және жоғары технологиялық есіктің артында жабылады, алыстан тек құрметті ғана емес, сонымен қатар өте тартымды көрінеді. Құрыш «Қалқан өру» деп аталады және шын мәнінде ойындағы ең жақсы жабдық болып табылады. Сондықтан бірден көптеген сұрақтар туындайды: «Sheld Weaver броньын қалай табуға және алуға болады?», «Отын қайдан табуға болады?», «Бункердің есіктерін қалай ашуға болады?» және сол тақырыпқа қатысты басқа да көптеген сұрақтар. Сонымен, бункердің есіктерін ашып, қалаған броньды алу үшін сізге бес отын ұяшығын табу керек, олар өз кезегінде ойын әлеміне шашыраңқы болады. Төменде мен іздеу кезінде және Ежелгі қару-жарақ қоймасында жұмбақтарды шешу үшін отын элементтерін қайдан және қалай табуға болатынын айтамын.

: Ұсынылған нұсқаулықта егжей-тегжейлі мәтіндік шолу ғана емес, сонымен қатар әрбір отын элементіне скриншоттар бекітілген және соңында бейне бар. Мұның бәрі іздеуді жеңілдету үшін жасалған, сондықтан мәтіндік шолудағы кейбір нүктелер түсініксіз болса, скриншоттар мен бейнені қарауды ұсынамын.

. Алғашқы отын – «Ана жүрегі»

Бірінші отын ұяшығын қайдан және қалай табуға болады - отынның орналасуы.

Сонымен, ең бірінші жанармай элементі (немесе қарапайым, отын) Алой «Ананың құрсағындағы» тапсырмасы бойынша ашық әлемге кірер алдында көп уақыт таба алады. Бұдан шығатын қорытынды: «Бастау» тапсырмасынан кейін (айтпақшы, бұл оқиға сюжетке де қатысты) басты кейіпкер Нора тайпасының киелі мекені болып табылатын «Ана жүрегі» деп аталатын жерде болады. матриархтардың мекені.

Қыз төсектен тұра салысымен, бірнеше бөлмеден (бөлмелерден) өтіп, олардың бірінде сіз дәл осылай ашылмайтын жабық есікке тап боласыз. Осы сәтте мен жан-жаққа қарауды ұсынамын, өйткені кейіпкердің қасында (немесе есіктердің жанында - ыңғайлырақ) желдету білігі бар, сонымен қатар жанып тұрған шамдармен безендірілген (жалпы, бұл сізге қажет).

Желдету білігі арқылы жолдың белгілі бір бөлігін өткеннен кейін, кейіпкер жабық есіктің артында болады. Қабырғалық блок пен жұмбақ мақсаттағы шамдардың жанындағы еденге қараңыз - бұл жерде бірінші отын ұяшығы жатыр.

: Есіңізде болсын, егер сіз ашық әлемге кірер алдында бірінші отын элементін алмасаңыз, содан кейін сіз бұл орынға өтудің кейінгі кезеңдерінде ғана жете аласыз. Бірақ дәлірек айтсақ, «Нораның жүрегі» тапсырмасын орындағаннан кейін, мен қазір отынды жинауды ұсынамын.

. Екінші отын - «Қайрандар»

Екінші отын ұяшығын қайдан және қалай табуға болады - отынның орналасуы.

Екінші отын іздегенде білу керек бірінші нәрсе - басты кейіпкер бала кезінде қирандыларға баяғыда (ойынның басында) құлаған кезде осы жерде болған. Сондықтан «Бастау» тапсырмасын орындағаннан кейін сіз өзіңіздің терең балалық шағыңызды еске түсіріп, екінші отын ұяшығын алу үшін тағы бір рет осы жерге түсуіңіз керек.

Төменде кейбір суреттер (скриншоттар) берілген. Бірінші суретте қирандылардың кіреберісі белгіленген (қызыл түспен). Қирандылардың ішінде сіз бірінші деңгейге өтуіңіз керек - бұл картада күлгін түспен ерекшеленетін төменгі оң жақ аймақ. Сонымен қатар, қыз найзасымен аша алатын есік болады.

Алой есіктерден өткен бойда, жоғарыдағы баспалдақпен көтеріліп, бірінші мүмкіндікте оңға бұрылыңыз: жас кезінде Алой сталактиттерден өте алмады, бірақ қазір оның кез келген тапсырманы жеңетін пайдалы «ойыншықтары» бар. Сонымен, найзаны алып, онымен сталактиттерді сындырыңыз. Жақында жол бос болады, сондықтан үстелде жатқан отын элементін алып, келесіге өту керек. Егер үзіндінің кейбір сәттері анық болмаса, скриншоттар төменде тәртіппен қоса беріледі.

. Үшінші отын – «Мастер шегі»

Үшінші отын элементін қайдан және қалай табуға болады - отынның орналасуы.

Солтүстікке баратын кез келді. «Шебердің шегі» квесті кезінде Алойға Алдыңғылардың алып қирандыларын мұқият зерттеп, зерттеу керек болады. Сонымен, он екінші деңгейдегі осы қирандыларда келесі, үшінші отын элементі жасырылады.

Сондықтан сізге бұл қирандылардың жоғарғы деңгейіне көтеріліп қана қоймай, сонымен бірге сәл жоғары көтерілуге ​​тура келеді. Қымбат уақытты жоғалтпаңыз және ғимараттың аман қалған бөлігімен жоғары көтеріліңіз. Өзіңізді барлық желдерге ашық шағын платформада тапқанша жоғары көтеріліңіз. Сонда бәрі қарапайым, өйткені отынның үшінші элементі жоғарғы жағында болады: басқатырғыштар, жұмбақтар мен құпиялар жоқ. Сондықтан жанармай алыңыз, төмен түсіп, әрі қарай жүріңіз.

. Төртінші отын – «Өлім қазынасы»

Төртінші отын элементін қайдан және қалай табуға болады - отынның орналасуы.

Жақсы жаңалық мынада, бұл отын ұяшығы да Horizon: Zero Dawn картасының солтүстік бөлігінде орналасқан, бірақ Нора тайпасының жерлеріне сәл жақынырақ. Келесі оқиға миссиясын өту кезінде басты кейіпкер қайтадан картаның осы бөлігіне түседі. Бірақ соңғы отын ұяшығына жетпес бұрын, Aloy орналасқан жердің үшінші деңгейінде орналасқан мөрленген есікке қуат көзін қалпына келтіру керек. Бұл үшін сізге кішкентай және өте қиын емес басқатырғышты шешу керек. Пазл блоктар мен реттегіштерге қатысты (есіктердің астындағы деңгейде төрт реттегіштің екі блогы бар). Сонымен, жаңадан бастағандар үшін реттегіштердің сол блогымен айналысуды ұсынамын: бірінші реттегіш жоғары көтерілуі керек (қараңыз), екіншісі - оңға, үшінші - солға, төртінші - төмен.

Осыдан кейін оң жақтағы блокқа өтіңіз. Алғашқы екі тұтқаға қол тигізбеңіз, бірақ үшінші және төртінші тұтқаларды бұру керек. Сондықтан, бір деңгейге көтеріліңіз - мұнда реттеушілердің соңғы блогы. Дұрыс реттілік келесідей болады: 1 - жоғары, 2 - төмен, 3 - солға, 4 - оңға.

Дұрыс орындалғаннан кейін басқару элементтері ақ түстен көгілдір түске өзгереді. Осылайша электрмен жабдықтау қалпына келтіріледі. Сондықтан есіктерге қайта тұрып, оны ашыңыз. Есіктердің артында кейіпкерді соңғы жанармай элементі «сәлемдеседі», сондықтан сіз келесі, соңғы отынға бара аласыз.

. Бесінші жанармай - «GAYA Prime»

Бесінші отын элементін қайдан және қалай табуға болады - отынның орналасуы.

Соңында, соңғы отын ұяшығы. Және оны тек сюжетті өту кезінде ғана алуға болады. Бұл жолы басты кейіпкер «GAYA Prime» деп аталатын қирандыларға баруы керек. Бұл жерде сіз үшінші деңгейге жақындаған кезде ерекше назар аударуыңыз керек. Қорытындысы - белгілі бір сәтте қыздың алдында тартымды тұңғиық пайда болады, оған арқанмен түсуге болады, бірақ оған бармау керек.

Тұңғиыққа дейін солға бұрылып, алдымен көзден жасырылған үңгірді зерттеу керек: егер сіз таудан абайлап төмен түссеңіз, оған кіруге болады. Ішке кіріп, соңына дейін алға қарай жалғастырыңыз. Оң жақтағы бөлмедегі соңғы бөлмеде соңғы отын ұяшығы орналасқан сөре болады. Онымен бірге сіз енді бункерге қауіпсіз оралып, керемет жабдықты алу үшін барлық құлыптарды аша аласыз.

. Ежелгі Арсеналға қалай кіруге болады?

Енді көптен күткен сыйлықты алу үшін Ежелгі Арсеналға оралу қалды. Егер сіз арсеналдың дәліздерін есіңізде ұстамасаңыз, төмендегі скриншоттарды қараңыз, бұл сізге бүкіл жолды есте сақтауға көмектеседі.

Сіз дұрыс жерге жеткенде және төмен бастағанда, отын элементтерін бос ұяшықтарға салыңыз. Нәтижесінде реттеуіштер жанады, сондықтан есіктерді ашу үшін шешуге болатын жаңа жұмбақ бар. Сонымен, бірінші тұтқа жоғары, екіншісі - оңға, үшінші - төмен, төртінші - солға, бесінші - жоғары бағытталуы керек. Сіз бәрін дұрыс жасаған кезде, есіктер ашылады, бірақ бұл аяқталудан алыс.

Келесі қадам - ​​құрыштың құлпын (немесе бекітпелерін) ашу - бұл реттегішке қатысты басқа қарапайым басқатырғыш, онда қалған отын элементтерін пайдалану керек. Бірінші тұтқаны – оңға, екінші – солға, үшінші – жоғары, төртінші – оңға, бесінші – қайтадан солға бұру керек.

Ақырында, осы ұзақ азаптардан кейін қару-жарақ алуға болады. «Қалқан өрім» - бұл басты кейіпкерді біраз уақытқа дерлік қорғансыз ететін өте жақсы жабдық. Ең бастысы, сауыттың түсін үнемі қадағалап отыру: егер сауыт ақ болып жыпылықтаса, онда бәрі тәртіппен. Егер қызыл болса, қалқан енді болмайды.

Олар АҚШ Ұлттық аэронавтика және ғарыш басқармасының (NASA) ғарыш аппараттарымен басқарылады. Олар Омахадағы Бірінші Ұлттық банктің компьютерлерін қуатпен қамтамасыз етеді. Олар Чикагодағы кейбір қоғамдық қалалық автобустарда қолданылады.

Бұлардың барлығы отын элементтері. Отын жасушалары - бұл батареялар сияқты химиялық жолмен - жану процесінсіз электр энергиясын өндіретін электрохимиялық құрылғылар. Жалғыз айырмашылығы, олар басқа химиялық заттарды, сутегі мен оттегін пайдаланады, ал химиялық реакцияның өнімі су болып табылады. Табиғи газды да қолдануға болады, бірақ, әрине, көмірсутекті отынды пайдалану кезінде көмірқышқыл газының белгілі бір деңгейіне жол бермеу мүмкін емес.

Отын жасушалары жоғары тиімділікпен және зиянды шығарындыларсыз жұмыс істей алатындықтан, олар парниктік газдар мен басқа да ластаушы заттардың шығарындыларын азайтуға көмектесетін тұрақты энергия көзі ретінде үлкен үміт береді. Жанармай элементтерін кеңінен қолданудың негізгі кедергісі - олардың электр энергиясын өндіретін немесе қозғалатын көлік құралдарымен салыстырғанда жоғары құны.

Даму тарихы

Алғашқы отын элементтерін 1839 жылы сэр Уильям Гроувс көрсетті. Гроувз электролиз процесі – электр тогының әсерінен судың сутегі мен оттегіге ыдырауы – қайтымды екенін көрсетті. Яғни, сутегі мен оттегі химиялық жолмен қосылып, электр тогын түзе алады.

Бұл дәлелденгеннен кейін көптеген ғалымдар отын элементтерін ыждағаттылықпен зерттеуге асықты, бірақ ХІХ ғасырдың екінші жартысында іштен жанатын қозғалтқыштың өнертабысы және мұнай қорын өндіру инфрақұрылымының дамуы отын элементтерін дамытуды артта қалдырды. Отын жасушаларының дамуын одан да шектеді, олардың жоғары құны.

Жанармай жасушаларының дамуының серпіні 1950 жылдары, NASA ғарыштық ұшулар үшін ықшам электр генераторының қажеттілігіне байланысты оларға жүгінген кезде пайда болды. Тиісті қаражат салынды, нәтижесінде отын ұяшықтарында Аполлон мен Gemini рейстері жүзеге асырылды. Ғарыш аппараттары да отын жасушаларында жұмыс істейді.

Жанармай жасушалары әлі де негізінен тәжірибелік технология болып табылады, бірақ бірнеше компаниялар оларды коммерциялық нарықта сатуда. Тек соңғы он жыл ішінде коммерциялық отын ұяшықтары технологиясында айтарлықтай жетістіктерге қол жеткізілді.

Жанармай ұяшығы қалай жұмыс істейді

Отын жасушалары батареялар сияқты - олар химиялық реакция арқылы электр энергиясын шығарады. Керісінше, іштен жану қозғалтқыштары отынды жағады және осылайша жылу шығарады, содан кейін ол механикалық энергияға айналады. Егер пайдаланылған газдардың жылуы қандай да бір жолмен (мысалы, жылыту немесе ауаны баптау үшін) пайдаланылмаса, іштен жану қозғалтқышының тиімділігі айтарлықтай төмен деп айтуға болады. Мысалы, қазіргі уақытта әзірленіп жатқан жоба көлікте пайдаланылған кезде жанармай жасушаларының тиімділігі автомобильдерде қолданылатын қазіргі типтік бензин қозғалтқыштарынан екі есе тиімді болады деп күтілуде.

Батареялар да, отын элементтері де химиялық жолмен электр энергиясын өндірсе де, олар екі түрлі функцияны орындайды. Батареялар жинақталған энергия құрылғылары: олар өндіретін электр энергиясы олардың ішіндегі заттардың химиялық реакциясының нәтижесі болып табылады. Отын жасушалары энергияны жинақтамайды, бірақ сырттан жеткізілетін отынның энергиясының бір бөлігін электр энергиясына айналдырады. Осыған байланысты отын ұяшығы кәдімгі электр станциясына көбірек ұқсайды.

Жанармай жасушаларының бірнеше түрі бар. Ең қарапайым отын ұяшығы электролит деп аталатын арнайы мембранадан тұрады. Ұнтақты электродтар мембрананың екі жағында орналасқан. Бұл дизайн - екі электродпен қоршалған электролит - жеке элемент. Сутегі бір жаққа (анод), оттегі (ауа) екінші жағына (катод) өтеді. Әрбір электродтың әртүрлі химиялық реакциясы бар.

Анодта сутегі протондар мен электрондар қоспасына ыдырайды. Кейбір отын элементтерінде электродтар диссоциация реакциясына ықпал ететін әдетте платинадан немесе басқа асыл металдардан жасалған катализатормен қоршалған:

2H2 ==> 4H+ + 4e-.

H2 = екі атомды сутегі молекуласы, пішіні, д

онда сутегі газ түрінде болады;

H+ = иондалған сутегі, яғни. протон;

e- = электрон.

Отын элементінің жұмысы электролит протондарды өзі арқылы (катодқа қарай) өткізетініне негізделген, бірақ электрондар өтпейді. Электрондар катодқа қарай сыртқы өткізгіш контур бойымен қозғалады. Электрондардың бұл қозғалысы отын ұяшығына қосылған сыртқы құрылғыны, мысалы, электр қозғалтқышын немесе электр шамын қуаттандыру үшін пайдаланылуы мүмкін электр тогы болып табылады. Бұл құрылғы әдетте «жүктеме» деп аталады.

Отын ұяшығының катодтық жағында протондар (электролит арқылы өткен) және электрондар (сыртқы жүктеме арқылы өткен) «қайта біріктіріліп», катодқа берілген оттегімен әрекеттесіп, суды құрайды, H2O:

4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O.

Жанармай ұяшығындағы жалпы реакция былай жазылады:

2H2 + O2 ==> 2H2O.

Өз жұмысында отын элементтері ауадан сутегі отын мен оттегін пайдаланады. Сутегін тікелей немесе табиғи газ, бензин немесе метанол сияқты сыртқы отын көзінен бөлу арқылы беруге болады. Сыртқы көз болған жағдайда сутегін алу үшін оны химиялық түрлендіру қажет. Бұл процесс «реформалау» деп аталады. Сутегін аммиактан, қалалық полигондар мен сарқынды суларды тазарту қондырғыларынан газ сияқты балама көздерден және суды сутегі мен оттегіге ыдырату үшін электр қуатын пайдаланатын су электролизінен де алуға болады. Қазіргі уақытта тасымалдауда қолданылатын отын ұяшықтары технологияларының көпшілігі метанолды пайдаланады.

Отын элементтері үшін сутегін алу үшін отынды реформалау үшін әртүрлі құралдар әзірленді. АҚШ-тың Энергетика министрлігі сутегіні өздігінен тұратын отын ұяшығына жеткізу үшін бензин реформаторының ішінде отын зауытын жасады. АҚШ-тағы Тынық мұхитының солтүстік-батысындағы ұлттық зертхананың зерттеушілері қуат блогының оннан бір бөлігін құрайтын ықшам отын реформаторын көрсетті. АҚШ коммуналдық мекемесі, Northwest Power Systems және Sandia ұлттық зертханасы отын элементтері үшін дизель отынын сутегіге айналдыратын отын реформаторын көрсетті.

Жекелей алғанда, отын ұяшықтары әрқайсысы шамамен 0,7-1,0 вольт шығарады. Кернеуді арттыру үшін элементтер «каскадқа» жиналады, яғни. сериялық қосылым. Көбірек ток жасау үшін каскадтық элементтердің жиынтықтары параллель қосылады. Жанармай жасушаларының каскадтарын жанармай зауытымен, ауа беру және салқындату жүйесімен және басқару жүйесімен біріктірсеңіз, сіз отын ұяшығы қозғалтқышын аласыз. Бұл қозғалтқыш көлікті, стационарлық электр станциясын немесе портативті электр генераторын қуаттай алады6. Жанармай ұяшықтары қозғалтқыштары қолданбаға, отын ұяшық түріне және қолданылатын отынға байланысты әртүрлі өлшемдерде болады. Мысалы, Омахадағы банкте орнатылған төрт бөлек 200 кВт стационарлық электр станциясының әрқайсысының көлемі шамамен жүк көлігі тіркемесіндей.

Қолданбалар

Жанармай элементтерін стационарлық және мобильді құрылғыларда пайдалануға болады. АҚШ-тың шығарындылар бойынша ережелерін қатайтуға жауап ретінде автомобиль өндірушілері, соның ішінде DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda және Nissan отын ұяшықтары бар көліктерді тәжірибе жасап, көрсетті. Алғашқы коммерциялық отын ұяшығы бар көліктер 2004 немесе 2005 жылдары жолға шығады деп күтілуде.

Жанармай жасушаларының технологиясы тарихындағы маңызды кезең 1993 жылы маусымда Ballard Power System компаниясынан 90 киловатт сутегі отын ұяшығы қозғалтқышы бар эксперименталды 32 футтық қалалық автобустың көрсетілімі болды. Содан бері әртүрлі отынмен жүретін жолаушылар көліктерінің көптеген түрлері мен буындары жасалып, пайдалануға берілді. 1996 жылдың аяғынан бері Калифорниядағы Палм шөлінде сутегі отын ұяшығымен жұмыс істейтін үш гольф арбасы қолданылуда. Чикаго, Иллинойс жолдарында; Ванкувер, Британдық Колумбия; және Осло, Норвегия жанармай ұяшықтары бар қалалық автобустарды сынап жатыр. Лондон көшелерінде сілтілі отын ұяшықтары бар таксилер сынақтан өтіп жатыр.

Жанармай жасушаларының технологиясын қолданатын бекітілген қондырғылар да көрсетілуде, бірақ олар әлі коммерциялық мақсатта кеңінен қолданылмайды. Небраскадағы Омаханың Бірінші Ұлттық Банкі компьютерлерді қуаттандыру үшін отын ұяшығы жүйесін пайдаланады, себебі жүйе батареяның резервтік көшірмесі бар ескі желі жүйесіне қарағанда сенімдірек. Жақында Аляскадағы пошта орталығында әлемдегі ең ірі коммерциялық 1,2 МВт отын ұяшықтары жүйесі орнатылады. Сондай-ақ отын ұяшығына арналған ноутбуктер, кәріздік тазарту қондырғыларында қолданылатын басқару жүйелері мен сауда автоматтары сынақтан өткізіліп, көрсетілуде.

«Қарсы және қарсы емес»

Жанармай жасушаларының бірқатар артықшылықтары бар. Қазіргі заманғы іштен жанатын қозғалтқыштардың ПӘК 12-15% ғана болса, отын элементтері үшін бұл коэффициент 50% құрайды. Жанармай жасушаларының тиімділігі олар толық қуатта пайдаланылмаса да, айтарлықтай жоғары деңгейде қалуы мүмкін, бұл бензин қозғалтқыштарынан айтарлықтай артықшылық.

Отын ұяшықтары дизайнының модульдік сипаты отын ұяшықтары электр станциясының қуатын жай ғана бірнеше кезеңді қосу арқылы арттыруға болатындығын білдіреді. Бұл сұраныс пен ұсынысты жақсырақ сәйкестендіруге мүмкіндік беретін қуатты толық пайдалану коэффициентін барынша азайтуды қамтамасыз етеді. Отын ұяшықтары қабатының тиімділігі жеке ұяшықтардың өнімділігімен анықталатындықтан, шағын отын ұяшықтары электр станциялары үлкендері сияқты тиімді жұмыс істейді. Сонымен қатар, стационарлық отын ұяшықтары жүйелерінің қалдық жылуын суды және үй-жайларды жылытуға пайдалануға болады, бұл энергия тиімділігін одан әрі арттырады.

Отын жасушаларын пайдаланған кезде зиянды шығарындылар іс жүзінде болмайды. Қозғалтқыш таза сутегімен жұмыс істегенде жанама өнім ретінде тек жылу мен таза су буы түзіледі. Сонымен, ғарыш кемелерінде астронавтар суды ішеді, ол борттағы отын жасушаларының жұмысы нәтижесінде пайда болады. Шығарындылардың құрамы сутегі көзінің табиғатына байланысты. Метанолды пайдалану азот оксидтері мен көміртегі тотығының нөлдік шығарындыларына және тек шағын көмірсутек шығарындыларына әкеледі. Сутегінен метанолға бензинге ауысқан сайын шығарындылар көбейеді, дегенмен бензинмен бірге шығарындылар айтарлықтай төмен болып қалады. Қалай болғанда да, бүгінгі дәстүрлі іштен жанатын қозғалтқыштарды отын элементтеріне ауыстыру CO2 және NOx шығарындыларының жалпы төмендеуіне әкеледі.

Отын элементтерін пайдалану орталықтандырылмаған электр энергиясын өндіру үшін қосымша мүмкіндіктер жасай отырып, энергетикалық инфрақұрылымның икемділігін қамтамасыз етеді. Орталықтандырылмаған энергия көздерінің көптігі тасымалдаудағы шығындарды азайтуға және энергияны сату нарықтарын дамытуға мүмкіндік береді (бұл әсіресе электр желілеріне қол жетімділігі жоқ шалғай және ауылдық жерлер үшін маңызды). Отын жасушаларының көмегімен жеке тұрғындар немесе аудандар өздерін электр энергиясының көп бөлігімен қамтамасыз ете алады және осылайша оны пайдалану тиімділігін айтарлықтай арттырады.

Отын жасушалары жоғары сапалы энергия мен сенімділікті арттырады. Олар берік, қозғалатын бөліктері жоқ және тұрақты қуат береді.

Дегенмен, өнімділікті жақсарту, шығындарды азайту және осылайша отын жасушаларын басқа энергетикалық технологиялармен бәсекеге қабілетті ету үшін отын ұяшықтары технологиясын одан әрі жетілдіру қажет. Айта кету керек, энергетикалық технологиялардың өзіндік құнының сипаттамалары қарастырылған кезде күрделі пайдалану шығындарын, ластаушы заттардың шығарындыларын, энергияның сапасын, ұзақ мерзімділікті, пайдаланудан шығаруды және икемділігін қоса алғанда, технологиялық сипаттамалардың барлық құрамдас бөліктері негізінде салыстыру жүргізілуі керек.

Сутегі газы ең жақсы отын болғанымен, оның инфрақұрылымы немесе көліктік базасы әлі жоқ. Қысқа мерзімде электр станцияларын бензин, метанол немесе табиғи газ түріндегі сутегі көздерімен қамтамасыз ету үшін қолданыстағы қазбалы отынмен қамтамасыз ету жүйелерін (жанармай құю станциялары және т.б.) пайдалануға болады. Бұл арнайы сутегі жанармай құю станцияларының қажеттілігін жояды, бірақ әрбір көлікті қазба отынынан сутегіге түрлендіргішпен («реформатор») жабдықтауды талап етеді. Бұл тәсілдің кемшілігі ол қазбалы отынды пайдаланады және осылайша көмірқышқыл газының шығарындыларына әкеледі. Қазіргі уақытта жетекші үміткер метанол бензинге қарағанда аз шығарындылар жасайды, бірақ ол көлікте үлкен сыйымдылықты резервуарды қажет етеді, өйткені ол бірдей энергия мазмұны үшін екі есе көп орын алады.

Қазба отынмен қамтамасыз ету жүйелерінен айырмашылығы, күн және жел жүйелері (судан сутегі мен оттегін жасау үшін электр қуатын пайдалану) және тікелей фотоконверсиялық жүйелер (сутегі өндіру үшін жартылай өткізгіш материалдарды немесе ферменттерді пайдалану) сутегін реформалау қадамынсыз қамтамасыз ете алады, осылайша, шығарындылар метанол немесе бензин отын элементтерін пайдалану кезінде байқалатын зиянды заттардың алдын алуға болады. Қажет болған жағдайда сутекті отын ұяшығында сақтауға және электр энергиясына айналдыруға болады. Алдағы уақытта отын ұяшықтарын жаңартылатын энергия көздерінің осы түрлеріне қосу өнімді, экологиялық таза және жан-жақты энергия көзін қамтамасыз етудің тиімді стратегиясы болуы мүмкін.

IEER ұсынымдары жергілікті, штат және штат үкіметтеріне көліктік сатып алу бюджеттерінің бір бөлігін олардың кейбір маңызды немесе жаңа ғимараттарын жылумен және электрмен қамтамасыз ету үшін жанармай ұяшықтары бар көліктерге және стационарлық отын ұяшықтары жүйелеріне бөлуге арналған. Бұл өмірлік маңызды технологияны дамытуға және парниктік газдар шығарындыларын азайтуға ықпал етеді.

Іштен жанатын қозғалтқыштардың әртүрлі түрлерінің болуы сияқты, отын элементтерінің әртүрлі түрлері бар - жанармай жасушаларының сәйкес түрін таңдау оның қолданылуына байланысты.

Отын элементтері жоғары температура және төмен температура болып бөлінеді. Төмен температурадағы отын ұяшықтарыотын 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 температура отын ұяшықтарыбұл қосымша процедураны қажет етпейді, өйткені олар жоғары температурада отынды «іштей түрлендіре» алады, яғни сутегі инфрақұрылымына инвестиция салудың қажеті жоқ.

Балқытылған карбонаттағы отын жасушалары (MCFC)

Балқытылған карбонатты электролит отын элементтері жоғары температуралы отын элементтері болып табылады. Жоғары жұмыс температурасы табиғи газды отындық процессорсыз және технологиялық отындардан және басқа көздерден алынатын төмен калориялы отын газын тікелей пайдалануға мүмкіндік береді. Бұл процесс 1960 жылдардың ортасында дамыды. Сол уақыттан бері өндіріс технологиясы, өнімділігі мен сенімділігі жақсарды.

RCFC жұмысы басқа отын элементтерінен ерекшеленеді. Бұл жасушалар балқыған карбонат тұздарының қоспасынан алынған электролит пайдаланады. Қазіргі уақытта қоспалардың екі түрі қолданылады: литий карбонаты және калий карбонаты немесе литий карбонаты және натрий карбонаты. Карбонатты тұздарды балқыту және электролиттегі иондардың қозғалғыштығының жоғары дәрежесіне жету үшін балқытылған карбонатты электролиті бар отын элементтері жоғары температурада (650°С) жұмыс істейді. Тиімділігі 60-80% аралығында өзгереді.

650°С температураға дейін қыздырғанда тұздар карбонат иондары үшін өткізгіш болады (СО 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.

Анодтық реакция: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Катодтағы реакция: CO 2 + 1/2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Жалпы элемент реакциясы: H 2 (г) + 1/2 O 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 температура кезінде табиғи газ іштей реформаланып, отын процессорының қажеттілігін жояды. Бұдан басқа, артықшылықтарға электродтарда тот баспайтын болаттан жасалған парақ және никель катализаторы сияқты стандартты құрылыс материалдарын пайдалану мүмкіндігі жатады. Қалдық жылуды әртүрлі өнеркәсіптік және коммерциялық мақсатта жоғары қысымды бу өндіру үшін пайдалануға болады.

Электролиттегі реакцияның жоғары температурасының да өз артықшылықтары бар. Жоғары температураны пайдалану оңтайлы жұмыс жағдайларына жету үшін көп уақытты қажет етеді және жүйе энергия тұтынудың өзгеруіне баяу әрекет етеді. Бұл сипаттамалар тұрақты қуат жағдайында балқытылған карбонатты электролиті бар отын жасушаларының жүйелерін пайдалануға мүмкіндік береді. Жоғары температура отын жасушаларының көміртегі тотығымен зақымдалуын болдырмайды, «улану» және т.б.

Балқытылған карбонатты отын элементтері үлкен стационарлық қондырғыларда пайдалануға жарамды. Шығарылатын электр қуаты 2,8 МВт жылу электр станциялары өнеркәсіпте өндіріледі. Өндірістік қуаты 100 МВт-қа дейінгі стансалар әзірленуде.

Фосфор қышқылының отын жасушалары (PFC)

Фосфор (ортофосфор) қышқылына негізделген отын элементтері коммерциялық мақсаттағы алғашқы отын элементтері болды. Бұл процесс 1960-шы жылдардың ортасында әзірленді және 1970-ші жылдардан бері сынақтан өтті. Содан бері тұрақтылық, өнімділік және құны артты.

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

Осы типтегі отын элементтеріндегі заряд тасымалдаушы сутегі (H + , протон) болып табылады. Ұқсас процесс протон алмасу мембранасының отын жасушаларында (MEFC) орын алады, онда анодқа берілетін сутегі протондар мен электрондарға бөлінеді. Протондар электролит арқылы өтіп, катодта ауадағы оттегімен қосылып, су түзеді. Электрондар сыртқы электр тізбегі бойымен бағытталып, электр тогы пайда болады. Төменде электр және жылу бөлетін реакциялар берілген.

Анодтағы реакция: 2H 2 => 4H + + 4e -
Катодтағы реакция: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2H 2 O
Жалпы элемент 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 өндіруде жалпы тиімділік шамамен 85% құрайды. Сонымен қатар, жұмыс температурасын ескере отырып, қалдық жылуды атмосфералық қысымда суды жылыту және бу өндіру үшін пайдалануға болады.

Жылу электр станцияларының жылу және электр энергиясын біріктіріп өндірудегі фосфор (ортофосфор) қышқылы негізіндегі отын элементтеріндегі жоғары өнімділігі отын элементтерінің осы түрінің артықшылықтарының бірі болып табылады. Зауыттар көміртегі тотығын шамамен 1,5% концентрацияда пайдаланады, бұл отын таңдауын айтарлықтай кеңейтеді. Сонымен қатар, СО 2 электролитке және отын ұяшығының жұмысына әсер етпейді, бұл ұяшық түрі реформаланған табиғи отынмен жұмыс істейді. Қарапайым құрылыс, төмен электролиттік құбылмалылық және жоғары тұрақтылық отын ұяшығының осы түрінің артықшылығы болып табылады.

Өнеркәсіптік өндірісте 400 кВт-қа дейін шығатын электр қуаты бар жылу электр станциялары шығарылады. 11 МВт қондырғылар тиісті сынақтардан өтті. Өндірістік қуаты 100 МВт-қа дейінгі стансалар әзірленуде.

Протон алмасу мембранасы (PME) бар отын ұяшықтары

Протон алмасу мембранасының отын жасушалары бензин мен дизельді іштен жанатын қозғалтқыштарды алмастыра алатын көлік қуатын өндіруге арналған отын жасушаларының ең жақсы түрі болып саналады. Бұл отын жасушаларын NASA алғаш рет Gemini бағдарламасы үшін пайдаланды. Бүгінгі күні қуаттылығы 1 Вт-тан 2 кВт-қа дейінгі MOPFC қондырғылары әзірленуде және көрсетілуде.

Бұл отын элементтері электролит ретінде қатты полимерлі мембрананы (жұқа пластикалық пленка) пайдаланады. Сумен сіңдірілген кезде бұл полимер протондарды өткізеді, бірақ электрондарды өткізбейді.

Отын – сутегі, ал заряд тасымалдаушысы – сутегі ионы (протон). Анодта сутегі молекуласы сутегі ионына (протонға) және электрондарға бөлінеді. Сутегі иондары электролит арқылы катодқа өтеді, ал электрондар сыртқы шеңбер бойымен қозғалып, электр энергиясын шығарады. Ауадан алынған оттегі катодқа беріліп, электрондармен және сутегі иондарымен қосылып су түзеді. Электродтарда келесі реакциялар жүреді:

Анодтағы реакция: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Катодтағы реакция: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Жалпы элемент реакциясы: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Отын жасушаларының басқа түрлерімен салыстырғанда, протон алмасу мембранасының отын жасушалары берілген отын ұяшықтарының көлеміне немесе салмағына көбірек қуат береді. 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 қуат шығысын жылдам өзгерту мүмкіндігі - бұл отын ұяшықтарын көліктерде қолдануға негізгі үміткер ететін мүмкіндіктердің кейбірі ғана.

Тағы бір артықшылығы - электролит сұйық зат емес, қатты зат. Газдарды катодта және анодта ұстау қатты электролитпен оңайырақ, сондықтан мұндай отын элементтерін өндіру арзанырақ. Басқа электролиттермен салыстырғанда қатты электролиттерді пайдалану бағдарлау сияқты проблемаларды тудырмайды, коррозияның пайда болуына байланысты проблемалар аз болады, бұл ұяшық пен оның құрамдас бөліктерінің ұзақ мерзімділігіне әкеледі.

Қатты оксидті отын элементтері (SOFC)

Қатты оксидті отын элементтері ең жоғары жұмыс температурасы бар 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. Осы жоғары температураларды өңдеу үшін қолданылатын электролит жұқа керамика негізіндегі қатты металл оксиді, көбінесе оттегі (O 2 -) иондарының өткізгіші болып табылатын иттрий мен цирконийдің қорытпасы. Қатты оксидті отын элементтерін пайдалану технологиясы 1950 жылдардың аяғынан бастап дамып келеді. және екі конфигурациясы бар: жазық және құбырлы.

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

Анодтағы реакция: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Катодтағы реакция: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Жалпы элемент реакциясы: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Өндірілген электр энергиясының тиімділігі барлық отын элементтерінен ең жоғары - шамамен 60%. Сонымен қатар, жоғары жұмыс температурасы жоғары қысымды бу шығару үшін жылу мен электр қуатын біріктіруге мүмкіндік береді. Жоғары температуралы отын элементін турбинамен біріктіру электр энергиясын өндірудің тиімділігін 70%-ға дейін арттыру үшін гибридті отын ұяшығын жасайды.

Қатты оксидті отын элементтері өте жоғары температурада (600°C-1000°C) жұмыс істейді, нәтижесінде оңтайлы жұмыс жағдайларына ұзақ уақыт жетеді және жүйе қуат тұтынуының өзгеруіне баяу жауап береді. Осындай жоғары жұмыс температурасында отыннан сутегін қалпына келтіру үшін конвертер қажет емес, бұл жылу электр станциясына көмірді газдандырудан немесе қалдық газдардан және т.б. салыстырмалы түрде таза емес отынмен жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Сондай-ақ, бұл отын ұяшығы жоғары қуатты қолданбалар үшін, соның ішінде өнеркәсіптік және ірі орталық электр станциялары үшін тамаша. Өнеркәсіпте шығарылатын модульдер шығарылатын электр қуаты 100 кВт.

Тікелей метанол тотығуы бар отын жасушалары (DOMTE)

Метанолдың тікелей тотығуымен отын элементтерін пайдалану технологиясы белсенді даму кезеңінен өтуде. Ол ұялы телефондарды, ноутбуктарды қуаттандыру, сондай-ақ портативті қуат көздерін жасау саласында өзін сәтті көрсетті. бұл элементтердің болашақта қолданылуы неге бағытталған.

Метанолдың тікелей тотығуы бар отын жасушаларының құрылымы протон алмасу мембранасы (MOFEC) 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 басқарылатын СО 2, сутегі иондары мен электрондарды босатады және электр тогы пайда болады. 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: 3/2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Жалпы элемент реакциясы: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Бұл отын жасушаларының дамуы 1990 жылдардың басында басталды. Жақсартылған катализаторлар жасалғаннан кейін және басқа да соңғы жаңалықтардың арқасында қуат тығыздығы мен тиімділігі 40%-ға дейін артты.

Бұл элементтер 50-120°С температура диапазонында сыналған. Төмен жұмыс температурасы және түрлендіргішті қажет етпейтін тікелей метанол отын элементтері ұялы телефондар мен басқа тұтынушылық өнімдерден автомобиль қозғалтқыштарына дейінгі қолданбалар үшін ең жақсы үміткер болып табылады. Бұл түрдегі отын ұяшықтарының артықшылығы сұйық отынның пайдаланылуына байланысты олардың шағын өлшемдері және түрлендіргішті пайдалану қажеттілігінің болмауы.

Сілтілік отын элементтері (AFC)

Сілтілік отын элементтері (ALFCs) ең көп зерттелген технологиялардың бірі болып табылады және 1960 жылдардың ортасынан бері қолданыла бастады. НАСА Аполлон және Space Shuttle бағдарламаларында. Бұл ғарыш кемелерінің бортында отын ұяшықтары электр қуаты мен ауыз суды өндіреді. Сілтілік отын элементтері электр энергиясын өндіру үшін пайдаланылатын ең тиімді элементтердің бірі болып табылады, электр энергиясын өндіру тиімділігі 70% дейін жетеді.

Сілтілік отын элементтері электролит, яғни кеуекті, тұрақтандырылған матрицадағы калий гидроксидінің сулы ерітіндісін пайдаланады. Калий гидроксидінің концентрациясы отын ұяшығының жұмыс температурасына байланысты өзгеруі мүмкін, ол 65 ° C пен 220 ° C аралығында болады. SFC-дегі заряд тасымалдаушы катодтан анодқа ауысатын гидроксид ионы (OH-) болып табылады, онда сутекпен әрекеттесіп, су мен электрондар түзеді. Анодта өндірілген су қайтадан катодқа жылжиды, сонда қайтадан гидроксид иондарын тудырады. Отын ұяшығында жүретін осы реакциялар сериясының 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 - \u003d\u003e 4OH -
Жүйенің жалпы реакциясы: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

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

SHTE тән ерекшеліктерінің бірі оның отын немесе ауада болуы мүмкін CO 2-ге жоғары сезімталдығы болып табылады. СО 2 электролитпен әрекеттеседі, оны тез уландырады және отын элементінің тиімділігін айтарлықтай төмендетеді. Сондықтан SFC пайдалану ғарыштық және су асты көліктері сияқты жабық кеңістіктермен шектеледі, олар таза сутегі мен оттегімен жұмыс істеуі керек. Сонымен қатар, басқа отын элементтері үшін қауіпсіз CO, H 2 O және CH 4 сияқты молекулалар, тіпті олардың кейбіреулері үшін отын SFC үшін зиянды.

Полимер электролиттік отын элементтері (PETE)

Полимерлі электролиттік отын элементтері жағдайында полимерлі мембрана су молекуласына бекітілген су иондарының H 2 O + (протон, қызыл) өткізгіштігі бар су аймақтары бар полимерлі талшықтардан тұрады. Су молекулалары баяу ион алмасуына байланысты проблема тудырады. Сондықтан отынға да, шығатын электродтарға да судың жоғары концентрациясы қажет, бұл жұмыс температурасын 100 ° C дейін шектейді.

Қатты қышқылды отын элементтері (SCFC)

Қатты қышқылды отын элементтерінде электролит (C s HSO 4 ) құрамында су болмайды. Сондықтан жұмыс температурасы 100-300°C. SO 4 2- окси аниондарының айналуы протондардың (қызыл) суретте көрсетілгендей қозғалуына мүмкіндік береді. Әдетте қатты қышқылды отын ұяшығы жақсы жанасуды қамтамасыз ету үшін екі тығыз сығылған электродтардың арасында қатты қышқыл қосылысының өте жұқа қабаты сэндвич болып табылады. Қыздыру кезінде органикалық компонент буланып, электродтардағы тесіктер арқылы отын (немесе ұяшықтың екінші жағындағы оттегі), электролит пен электродтар арасындағы көптеген байланыстар қабілетін сақтайды.

Жанармай жасушаларының түрі	Жұмыс температурасы	Энергияны өндіру тиімділігі	Жанармай түрі	Қолдану саласы
РКТЕ	550–700°C	50-70%		Орташа және үлкен қондырғылар
FKTE	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
POMTE	20-90°C	20-30%	метанол	Портативті қондырғылар
SHTE	50–200°C	40-65%	таза сутегі	ғарыштық зерттеулер
PETE	30-100°C	35-50%	таза сутегі	Шағын қондырғылар

Сумен жұмыс істейтін көлік жақын арада шындыққа айналуы мүмкін және сутегі отын элементтері көптеген үйлерде орнатылады ...

Сутегі отын жасушаларының технологиясы жаңа емес. Ол 1776 жылы Генри Кавендиш металдарды сұйылтылған қышқылдарда еріту кезінде сутегін алғаш ашқан кезде басталды. Алғашқы сутегі отын ұяшығын 1839 жылы Уильям Гроув ойлап тапты. Содан бері сутегі отын элементтері бірте-бірте жетілдіріліп, қазір ғарыш кемелеріне орнатылып, оларды энергиямен қамтамасыз етіп, су көзі ретінде қызмет етеді. Бүгінгі таңда сутегі отын ұяшықтары технологиясы автомобильдерде, үйлерде және портативті құрылғыларда жаппай нарыққа шығу алдында тұр.

Сутегі отын ұяшығында химиялық энергия (сутегі және оттегі түрінде) тікелей (жанусыз) электр энергиясына айналады. Отын элементі катодтан, электродтардан және анодтан тұрады. Сутегі анодқа беріледі, онда ол протондар мен электрондарға бөлінеді. Протондар мен электрондардың катодқа баратын жолдары әртүрлі. Протондар электрод арқылы катодқа өтеді, ал электрондар катодқа жету үшін отын ұяшықтарын айналып өтеді. Бұл қозғалыс кейіннен пайдалануға болатын электр энергиясын жасайды. Екінші жағынан сутегі протондары мен электрондары оттегімен қосылып, су түзеді.

Электролизерлер сутегін судан алудың бір жолы. Процесс негізінен сутегі отын ұяшығы жұмыс істеген кезде болатын жағдайға қарама-қарсы. Электролизер анодтан, электрохимиялық элементтен және катодтан тұрады. Анодқа су мен кернеу беріледі, ол суды сутегі мен оттегіге бөледі. Сутегі электрохимиялық ұяшық арқылы катодқа өтеді, ал оттегі тікелей катодқа беріледі. Ол жерден сутегі мен оттегін алуға және сақтауға болады. Электр энергиясын өндіруді қажет етпейтін уақыттарда жинақталған газды қоймадан шығарып, отын ұяшығы арқылы кері жіберуге болады.

Бұл жүйе отын ретінде сутекті пайдаланады, сондықтан оның қауіпсіздігі туралы көптеген аңыздар бар. Гинденбург жарылысынан кейін көптеген ғылымнан алыс адамдар, тіпті кейбір ғалымдар сутекті пайдалану өте қауіпті деп санай бастады. Дегенмен, соңғы зерттеулер бұл қайғылы оқиғаның себебі ішіне айдалған сутегі емес, құрылыста пайдаланылған материал түріне байланысты екенін көрсетті. Сутегі қоймасының қауіпсіздігін тексергеннен кейін бұл анықталды отын ұяшықтарында сутегін сақтау қауіпсізрекавтомобильдің жанармай багында бензинді сақтаудан гөрі.

Қазіргі сутегі отын ұяшықтары қанша тұрады?? Қазіргі уақытта компаниялар бір киловатт үшін шамамен 3000 долларға қуат өндіру үшін сутегі отын жүйелерін ұсынып жатыр. Нарықтық зерттеулер құны бір киловатт үшін 1500 долларға дейін төмендеген кезде жаппай энергия нарығындағы тұтынушылар отынның осы түріне ауысуға дайын болатынын анықтады.

Сутегі отын ұяшықтары бар көліктер әлі де іштен жану қозғалтқышы бар көліктерге қарағанда қымбатырақ, бірақ өндірушілер бағаны салыстырмалы деңгейге дейін жеткізу жолдарын қарастыруда. Электр желілері жоқ кейбір шалғай аудандарда сутегін отын ретінде немесе үйде автономды қуат көзі ретінде пайдалану, мысалы, дәстүрлі энергия тасымалдаушылары үшін инфрақұрылымды салудан гөрі үнемді болуы мүмкін.

Неліктен сутегі отын элементтері әлі де кеңінен қолданылмайды? Қазіргі уақытта олардың жоғары құны сутегі отын элементтерін таратудың негізгі проблемасы болып табылады. Қазіргі уақытта сутегі отын жүйелеріне жаппай сұраныс жоқ. Дегенмен, ғылым бір орнында тұрмайды және жақын арада суда жүретін көлік нақты шындыққа айналуы мүмкін.

Отын (сутегі) ұяшықтарын/жасушаларын жасау, құрастыру, сынау және сынау
АҚШ пен Канададағы зауыттарда өндірілген

Отын (сутегі) жасушалары/клеткалары

Intech GmbH / LLC Intech GmbH компаниясы 1997 жылдан бері инжинирингтік қызметтер нарығында жұмыс істейді, көптеген жылдар бойы әртүрлі өнеркәсіптік жабдықтың ресми өкілі, әртүрлі отын (сутегі) жасушаларын / жасушаларын назарларыңызға ұсынады.

Жанармай ұяшығы/клеткасы

Жанармай жасушаларының/клеткаларының артықшылықтары

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

Жанармай элементі батареяға ұқсас, өйткені ол химиялық реакция арқылы тұрақты ток жасайды. Отын ұяшығына анод, катод және электролит кіреді. Дегенмен, аккумуляторлардан айырмашылығы, отын жасушалары/клеткалары электр энергиясын сақтай алмайды, зарядсыздандырмайды және электр қуатын қайта зарядтауды қажет етпейді. Жанармай жасушалары/клеткалары жанармай мен ауамен қамтамасыз етілген жағдайда үздіксіз электр энергиясын өндіре алады.

Газ, көмір, мұнай және т.б. арқылы жұмыс істейтін іштен жанатын қозғалтқыштар немесе турбиналар сияқты басқа қуат генераторларынан айырмашылығы, отын элементтері/клеткалары отынды жақпайды. Бұл шулы жоғары қысымды роторлардың, қатты шығатын шудың, дірілдің болмауын білдіреді. Отын жасушалары/клеткалары дыбыссыз электрохимиялық реакция арқылы электр энергиясын жасайды. 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 шығарылатын өнімдер тек бу түріндегі су және аз мөлшерде көмірқышқыл газы болып табылады, егер отын ретінде таза сутегі пайдаланылса, ол мүлдем бөлінбейді. Отын ұяшықтары/ұяшықтары жинақтарға, содан кейін жеке функционалды модульдерге жиналады.

Отын жасушаларының/клеткалардың даму тарихы

1950 және 1960 жылдары отын ұяшықтары үшін ең үлкен қиындықтардың бірі АҚШ Ұлттық аэронавтика және ғарыш басқармасының (NASA) ұзақ мерзімді ғарыштық миссиялар үшін энергия көздеріне деген қажеттілігінен туындады. NASA-ның сілтілі отын ұяшығы/клеткасы отын ретінде сутегі мен оттегін пайдаланады, екеуін электрохимиялық реакцияда біріктіреді. Шығарылатын өнім ғарышқа ұшу кезінде пайдалы реакцияның үш жанама өнімі болып табылады - ғарыш кемесіне қуат беретін 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 отын элементтерінде жұмыс басталды, ал 1939 жылға қарай жоғары қысымды никельмен қапталған электродтарды қолданатын ұяшық салынды. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде Британ Әскери-теңіз күштерінің сүңгуір қайықтарына арналған 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 мазут тапшылығын бастан кешірген 1980 жылдары қызығушылық артты. Сол кезеңде әлем елдері де ауаның ластану мәселесіне алаңдап, экологиялық таза электр энергиясын өндіру жолдарын қарастырды. Қазіргі уақытта отын ұяшығы/клетка технологиясы қарқынды даму үстінде.

Отын жасушалары/клеткалары қалай жұмыс істейді

Отын ұяшықтары/клеткалары электролит, катод және анод арқылы жүріп жатқан электрохимиялық реакция арқылы электр және жылу шығарады.

Анод пен катод протондарды өткізетін электролитпен бөлінген. Сутегі анодқа, оттегі катодқа түскеннен 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 өтіп, жабдықты қоректендіру үшін қолданылатын 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:

Анодтық реакция: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Катодтағы реакция: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Жалпы элемент реакциясы: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Отын жасушаларының/клеткаларының түрлері мен әртүрлілігі

Іштен жанатын қозғалтқыштардың әртүрлі түрлерінің болуы сияқты, отын элементтерінің әртүрлі түрлері бар - жанармай жасушаларының сәйкес 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 карбонаттағы отын жасушалары/клеткалары (MCFC)

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

RCFC жұмысы басқа отын элементтерінен ерекшеленеді. Бұл жасушалар балқыған карбонат тұздарының қоспасынан алынған электролит пайдаланады. Қазіргі уақытта қоспалардың екі түрі қолданылады: литий карбонаты және калий карбонаты немесе литий карбонаты және натрий карбонаты. Карбонатты тұздарды балқыту және электролиттегі иондардың қозғалғыштығының жоғары дәрежесіне жету үшін балқытылған карбонатты электролиті бар отын элементтері жоғары температурада (650°С) жұмыс істейді. Тиімділігі 60-80% аралығында өзгереді.

650°С температураға дейін қыздырғанда тұздар карбонат иондары үшін өткізгіш болады (СО 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.

Анодтық реакция: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Катодтағы реакция: CO 2 + 1 / 2O 2 + 2e - \u003d\u003e CO 3 2-
Жалпы элемент 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 температура кезінде табиғи газ іштей реформаланып, отын процессорының қажеттілігін жояды. Бұдан басқа, артықшылықтарға электродтарда тот баспайтын болаттан жасалған парақ және никель катализаторы сияқты стандартты құрылыс материалдарын пайдалану мүмкіндігі жатады. Қалдық жылуды әртүрлі өнеркәсіптік және коммерциялық мақсатта жоғары қысымды бу өндіру үшін пайдалануға болады.

Электролиттегі реакцияның жоғары температурасының да өз артықшылықтары бар. Жоғары температураны пайдалану оңтайлы жұмыс жағдайларына жету үшін көп уақытты қажет етеді және жүйе энергия тұтынудың өзгеруіне баяу әрекет етеді. Бұл сипаттамалар тұрақты қуат жағдайында балқытылған карбонатты электролиті бар отын жасушаларының жүйелерін пайдалануға мүмкіндік береді. Жоғары температура отын ұяшығының көміртегі тотығымен зақымдалуын болдырмайды.

Балқытылған карбонатты отын элементтері үлкен стационарлық қондырғыларда пайдалануға жарамды. Өнеркәсіптік өндірісте шығарылатын электр қуаты 3,0 МВт жылу электр станциялары шығарылады. Өндірістік қуаты 110 МВт-қа дейінгі стансалар әзірленуде.

Фосфор қышқылы (PFC) негізіндегі отын жасушалары/клеткалары

Фосфор (ортофосфор) қышқылына негізделген отын элементтері коммерциялық мақсаттағы алғашқы отын элементтері болды.

Фосфор (ортофосфор) қышқылына негізделген отын элементтері концентрациясы 100% дейін фосфор қышқылына негізделген электролит (H 3 PO 4) 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 ұяшықтарында орын алады, онда анодқа берілетін сутегі протондар мен электрондарға бөлінеді. Протондар электролит арқылы өтіп, катодта ауадағы оттегімен қосылып, су түзеді. Электрондар сыртқы электр тізбегі бойымен бағытталып, электр тогы пайда болады. Төменде электр және жылу бөлетін реакциялар берілген.

Анодтағы реакция: 2H 2 => 4H + + 4e -
Катодтағы реакция: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H 2 O
Жалпы элемент 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 өндіруде жалпы тиімділік шамамен 85% құрайды. Сонымен қатар, жұмыс температурасын ескере отырып, қалдық жылуды атмосфералық қысымда суды жылыту және бу өндіру үшін пайдалануға болады.

Жылу электр станцияларының жылу және электр энергиясын біріктіріп өндірудегі фосфор (ортофосфор) қышқылы негізіндегі отын элементтеріндегі жоғары өнімділігі отын элементтерінің осы түрінің артықшылықтарының бірі болып табылады. Зауыттар көміртегі тотығын шамамен 1,5% концентрацияда пайдаланады, бұл отын таңдауын айтарлықтай кеңейтеді. Сонымен қатар, СО 2 электролитке және отын ұяшығының жұмысына әсер етпейді, бұл ұяшық түрі реформаланған табиғи отынмен жұмыс істейді. Қарапайым құрылыс, төмен электролиттік құбылмалылық және жоғары тұрақтылық отын ұяшығының осы түрінің артықшылығы болып табылады.

Өнеркәсіптік жолмен шығарылатын электр қуаты 500 кВт дейінгі жылу электр станциялары. 11 МВт қондырғылар тиісті сынақтардан өтті. Өндірістік қуаты 100 МВт-қа дейінгі стансалар әзірленуде.

Қатты оксидті отын жасушалары/клеткалары (SOFC)

Қатты оксидті отын элементтері ең жоғары жұмыс температурасы бар 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. Осы жоғары температураларды өңдеу үшін қолданылатын электролит жұқа керамика негізіндегі қатты металл оксиді, көбінесе оттегі (O 2-) иондарының өткізгіші болып табылатын иттрий мен цирконийдің қорытпасы.

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

Анодтағы реакция: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Катодтағы реакция: O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
Жалпы элемент реакциясы: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Өндірілген электр энергиясының тиімділігі барлық отын элементтерінің ең жоғарысы - шамамен 60-70%. Жоғары жұмыс температурасы жоғары қысымды бу шығару үшін жылу мен электр қуатын біріктіруге мүмкіндік береді. Жоғары температуралы отын элементін турбинамен біріктіру электр энергиясын өндірудің тиімділігін 75% дейін арттыру үшін гибридті отын ұяшығын жасайды.

Қатты оксидті отын элементтері өте жоғары температурада (600°C-1000°C) жұмыс істейді, нәтижесінде оңтайлы жұмыс жағдайларына ұзақ уақыт жетеді және жүйе қуат тұтынуының өзгеруіне баяу жауап береді. Осындай жоғары жұмыс температурасында отыннан сутегін қалпына келтіру үшін конвертер қажет емес, бұл жылу электр станциясына көмірді газдандырудан немесе қалдық газдардан және т.б. салыстырмалы түрде таза емес отынмен жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Сондай-ақ, бұл отын ұяшығы жоғары қуатты қолданбалар үшін, соның ішінде өнеркәсіптік және ірі орталық электр станциялары үшін тамаша. Өнеркәсіпте шығарылатын модульдер шығарылатын электр қуаты 100 кВт.

Тікелей метанол тотығуы бар отын жасушалары/клеткалары (DOMTE)

Метанолдың тікелей тотығуымен отын элементтерін пайдалану технологиясы белсенді даму кезеңінен өтуде. Ол ұялы телефондарды, ноутбуктарды қуаттандыру, сондай-ақ портативті қуат көздерін жасау саласында өзін сәтті көрсетті. бұл элементтердің болашақта қолданылуы неге бағытталған.

Метанолдың тікелей тотығуы бар отын жасушаларының құрылымы протон алмасу мембранасы (MOFEC) 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 басқарылатын СО 2, сутегі иондары мен электрондарды босатады және электр тогы пайда болады. 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
Жалпы элемент 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 (AFC)

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

Сілтілік отын элементтері электролит, яғни кеуекті, тұрақтандырылған матрицадағы калий гидроксидінің сулы ерітіндісін пайдаланады. Калий гидроксидінің концентрациясы отын ұяшығының жұмыс температурасына байланысты өзгеруі мүмкін, ол 65 ° C пен 220 ° C аралығында болады. SFC-дегі заряд тасымалдаушы катодтан анодқа ауысатын гидроксид ионы (OH-) болып табылады, онда сутекпен әрекеттесіп, су мен электрондар түзеді. Анодта өндірілген су қайтадан катодқа жылжиды, сонда қайтадан гидроксид иондарын тудырады. Отын ұяшығында жүретін осы реакциялар сериясының 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

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

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

Полимер электролиттік отын жасушалары (PETE)

Полимерлі электролиттік отын элементтері жағдайында полимер мембранасы су иондарының (H 2 O + (протон, қызыл) су молекуласына бекітілген) өткізгіштігі бар су аймақтары бар полимерлі талшықтардан тұрады. Су молекулалары баяу ион алмасуына байланысты проблема тудырады. Сондықтан отынға да, шығатын электродтарға да судың жоғары концентрациясы қажет, бұл жұмыс температурасын 100 ° C дейін шектейді.

Қатты қышқыл отын жасушалары/клеткалары (SCFC)

Қатты қышқылды отын элементтерінде электролит (CsHSO 4) құрамында су болмайды. Сондықтан жұмыс температурасы 100-300°C. SO 4 2- окси аниондарының айналуы протондардың (қызыл) суретте көрсетілгендей қозғалуына мүмкіндік береді. Әдетте қатты қышқылды отын ұяшығы жақсы жанасуды қамтамасыз ету үшін екі тығыз сығылған электродтардың арасында қатты қышқыл қосылысының өте жұқа қабаты сэндвич болып табылады. Қыздыру кезінде органикалық компонент буланып, электродтардағы тесіктер арқылы отын (немесе ұяшықтың екінші жағындағы оттегі), электролит пен электродтар арасындағы көптеген байланыстар қабілетін сақтайды.

Инновациялық энергия үнемдейтін қалалық жылу және электр станциялары әдетте қатты оксидті отын элементтеріне (SOFC), полимер электролиттік отын элементтеріне (PEFCs), фосфор қышқылының отын элементтеріне (PCFCs), протон алмасу мембраналық отын элементтеріне (MPFCs) және сілтілі отын элементтеріне (МФҚ) салынған. APFC). Олар әдетте келесі сипаттамаларға ие:

Қатты оксидті отын элементтері (SOFC) ең қолайлы деп танылуы керек, олар:

• жоғары температурада жұмыс істейді, бұл қымбат бағалы металдарға (мысалы, платина) қажеттілікті азайтады.
• көмірсутекті отынның әртүрлі түрлерінде, негізінен табиғи газда жұмыс істей алады
• іске қосу уақыты ұзағырақ, сондықтан олар ұзақ мерзімді жұмыс үшін қолайлы
• электр энергиясын өндірудің жоғары тиімділігін көрсету (70% дейін)
• жоғары жұмыс температурасына байланысты қондырғыларды жылуды қалпына келтіру жүйелерімен біріктіруге болады, бұл жүйенің жалпы тиімділігін 85% дейін жеткізеді.
• нөлге жуық шығарындылары бар, үнсіз жұмыс істейді және қолданыстағы электр энергиясын өндіру технологияларымен салыстырғанда төмен жұмыс талаптары бар

Жанармай жасушаларының түрі	Жұмыс температурасы	Энергияны өндіру тиімділігі	Жанармай түрі	Қолдану саласы
РКТЕ	550–700°C	50-70%		Орташа және үлкен қондырғылар
FKTE	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
POMTE	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, өндірілетін жылуды суды жылытуға және желдету ауасына арналған жылу алмастырғыштарға біріктіруге болады, бұл жүйенің жалпы тиімділігін арттырады. Бұл инновациялық технология қымбат инфрақұрылымды және күрделі құралдарды біріктіруді қажет етпестен тиімді электр қуатын өндіру үшін ең қолайлы.

Отын ұяшықтары/клеткаларының қолданбалары

Телекоммуникациялық жүйелерде отын элементтерін/ұяшықтарды қолдану

Сымсыз байланыс жүйелерінің бүкіл әлем бойынша жылдам таралуымен, сондай-ақ ұялы телефон технологиясының өсіп келе жатқан әлеуметтік және экономикалық артықшылықтарымен сенімді және үнемді резервтік қуат қажеттілігі өте маңызды болды. Ауа-райының қолайсыздығынан, табиғи апаттардан немесе электр желісінің шектеулі сыйымдылығынан жыл бойы электр желілерінің жоғалуы желі операторлары үшін тұрақты қиындық болып табылады.

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

Дәстүрлі резервтік қуат шешімдерінің шектеулерін жою үшін жасыл отын жасушаларының инновациялық технологиясы әзірленді. Отын ұяшықтары сенімді, тыныш, генераторға қарағанда аз қозғалатын бөліктерден тұрады, аккумуляторға қарағанда -40°C-тан +50°C-қа дейінгі жұмыс температурасының кең диапазоны бар және нәтижесінде энергияны үнемдеудің өте жоғары деңгейін қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, мұндай қондырғының қызмет ету құны генераторға қарағанда төмен. Жанармай ұяшығының құнының төмендеуі жылына тек бір рет техникалық қызмет көрсетудің және зауыт өнімділігінің айтарлықтай жоғарылауының нәтижесі болып табылады. Өйткені, отын ұяшығы қоршаған ортаға ең аз әсер ететін экологиялық таза технологиялық шешім болып табылады.

Отын ұяшықтары блоктары телекоммуникация жүйесіндегі сымсыз, тұрақты және кең жолақты байланыстар үшін 250 Вт-тан 15 кВт-қа дейінгі диапазондағы маңызды байланыс желілерінің инфрақұрылымдарын резервтік қуатпен 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– сыртқы және ішкі орнату (контейнер/қорғаныс контейнері)
• ЖОҒАРЫ ҚУАТ– 15 кВт дейін
• ТӨМЕН ҚЫЗМЕТ КӨРСЕТУ– ең аз жылдық техникалық қызмет көрсету
• ЭКОНОМИКА- меншіктің тартымды жалпы құны
• ТАЗА ЭНЕРГИЯ– қоршаған ортаға ең аз әсер ететін төмен шығарындылар

Жүйе тұрақты ток шинасының кернеуін үнемі сезінеді және тұрақты шинаның кернеуі пайдаланушы анықтаған белгіленген мәннен төмен түссе, маңызды жүктемелерді біркелкі қабылдайды. Жүйе сутегімен жұмыс істейді, ол отын ұяшығы қабатына екі жолдың бірімен - сутегінің коммерциялық көзінен немесе борттық реформатор жүйесін пайдалана отырып, метанол мен судың сұйық отынынан түседі.

Электр энергиясы тұрақты ток түріндегі отын ұяшығымен өндіріледі. Тұрақты ток қуаты отын ұяшығынан реттелмейтін тұрақты ток қуатын қажетті жүктемелер үшін жоғары сапалы, реттелетін тұрақты ток қуатына түрлендіретін түрлендіргішке жіберіледі. Жанармай ұяшығын орнату көптеген күндер бойы резервтік қуатпен қамтамасыз ете алады, себебі ұзақтық тек қоймадағы бар сутегі немесе метанол/су отынының мөлшерімен шектеледі.

Отын ұяшықтары салалық стандартты клапанмен реттелетін қорғасын қышқылды аккумулятор жинақтарымен салыстырғанда жоғары энергия тиімділігін, жүйенің сенімділігін арттыруды, климаттың кең ауқымында болжамды өнімділікті және сенімді қызмет ету мерзімін ұсынады. Техникалық қызмет көрсету және ауыстыру талаптарының едәуір аз болуына байланысты өмірлік цикл шығындары да төмен. Отын ұяшықтары соңғы пайдаланушыға экологиялық артықшылықтар ұсынады, өйткені қорғасын қышқылы жасушаларымен байланысты кәдеге жарату шығындары мен жауапкершілік тәуекелдері өсіп келе жатқан алаңдаушылық тудырады.

Электрлік батареялардың өнімділігіне заряд деңгейі, температура, циклдар, 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.

Отын жасушалары газ турбиналық генератор сияқты отын берілгенде ғана энергия жасайды, бірақ генерация аймағында қозғалатын бөліктері жоқ. Сондықтан, генератордан айырмашылығы, олар тез тозуға ұшырамайды және тұрақты күтім мен майлауды қажет етпейді.

Ұзартылған ұзақтығы отын түрлендіргішін басқару үшін пайдаланылатын отын – метанол мен судың қоспасы. Метанол – кең қол жетімді, коммерциялық отын, оның қазіргі уақытта көптеген қолданылуы бар, соның ішінде әйнек жуғыш, пластикалық бөтелкелер, қозғалтқыш қоспалары және эмульсиялық бояулар. Метанол оңай тасымалданады, сумен араласады, биологиялық ыдырауы жақсы және күкіртсіз. Оның қату температурасы төмен (-71°C) және ұзақ сақтау кезінде ыдырамайды.

Байланыс желілерінде отын элементтерін/ұяшықтарды қолдану

Қауіпсіздік желілері электр желісі қолжетімсіз болған жағдайда төтенше жағдайда сағаттарға немесе күндерге созылатын сенімді резервтік қуат шешімдерін қажет етеді.

Қозғалмалы бөлшектері аз және күту режимінде қуатты төмендетпейтін инновациялық отын ұяшықтары технологиясы қазіргі уақытта қолда бар резервтік қуат жүйелерімен салыстырғанда тартымды шешім ұсынады.

Байланыс желілерінде отын ұяшықтары технологиясын пайдаланудың ең сенімді себебі - жалпы сенімділік пен қауіпсіздіктің жоғарылауы. Электр қуатының үзілуі, жер сілкінісі, дауыл және дауыл сияқты оқиғалар кезінде резервтік қуат жүйесінің температурасына немесе жасына қарамастан жүйелердің ұзақ уақыт жұмыс істеуі және сенімді резервтік қуат көзі болуы маңызды.

Отын жасушаларының қуат көздерінің ауқымы қауіпсіз байланыс желілерін қолдау үшін өте қолайлы. Энергияны үнемдейтін дизайн принциптерінің арқасында олар 250 Вт-тан 15 кВт-қа дейінгі қуат диапазонында пайдалану үшін ұзартылған ұзақтығы (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. Күту режимінде қуат беретін сенімді, инновациялық отын ұяшықтары қондырғылары үздіксіз қуатты қамтамасыз ету үшін қажетті сенімділікті қамтамасыз етеді.

Метанол мен судың сұйық отын қоспасында жұмыс істейтін отын ұяшықтары қондырғылары бірнеше күнге дейін ұзартылған сенімді резервтік қуат көзін қамтамасыз етеді. Бұған қоса, бұл қондырғылар генераторлар мен аккумуляторлармен салыстырғанда техникалық қызмет көрсету талаптарын айтарлықтай төмендетеді, бұл жылына бір рет техникалық қызмет көрсетуді қажет етеді.

Деректер желілерінде отын ұяшықтары қондырғыларын қолданудың типтік сипаттамалары:

• 100 Вт-тан 15 кВт-қа дейінгі қуат кірістері 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 тасымалдаудың желілік түйіндері
• WiMAX беру түйіндері

Жанармай ұяшықтарының күту қондырғылары дәстүрлі аккумуляторлық немесе дизельдік генераторларға қарағанда маңызды деректер желісі инфрақұрылымдары үшін көптеген артықшылықтарды ұсынады, бұл жергілікті жерде пайдалануды арттыруға мүмкіндік береді:

1. Сұйық отын технологиясы сутегі сақтау мәселесін шешеді және іс жүзінде шексіз резервтік қуат береді.
2. Тыныш жұмысының, салмағының төмендігінің, температураның шектен шығуына төзімділігінің және іс жүзінде дірілсіз жұмысының арқасында отын элементтерін ашық ауада, өндірістік үй-жайларда/контейнерлерде немесе шатырларда орнатуға болады.
3. Жүйені пайдалану үшін жергілікті жерде дайындық жылдам және үнемді, ал пайдалану құны төмен.
4. Отын биологиялық ыдырайтын және қалалық орта үшін экологиялық таза шешім болып табылады.

Қауіпсіздік жүйелерінде отын элементтерін/жасушаларын қолдану

Ең мұқият жобаланған ғимараттың қауіпсіздік және коммуникациялық жүйелері оларды қуаттандыратын қуат сияқты ғана сенімді. Көптеген жүйелерде қысқа мерзімді қуат жоғалтулары үшін резервтік үзіліссіз қуат жүйесінің кейбір түрі қамтылғанымен, олар табиғи апаттардан немесе лаңкестік шабуылдардан кейін орын алуы мүмкін электр қуатының ұзағырақ үзілістерін қамтамасыз етпейді. Бұл көптеген корпоративтік және мемлекеттік органдар үшін маңызды мәселе болуы мүмкін.

Бейнебақылау мониторингі және қол жеткізуді басқару жүйелері (жеке куәліктерді оқу құрылғылары, есікті жабу 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. үздіксіз электрмен жабдықтаудың сенімді баламалы көзі.

Дизельдік генераторлар шулы, оларды табу қиын және олардың сенімділігі мен техникалық қызмет көрсету мәселелерін жақсы біледі. Керісінше, отын ұяшығының резервтік қондырғысы тыныш, сенімді, нөлдік немесе өте төмен шығарындыларға ие және шатырға немесе ғимараттың сыртына орнату оңай. Күту режимінде ол зарядсызданбайды немесе қуатын жоғалтпайды. Ол мекеме жұмысын тоқтатқаннан кейін және адамдар ғимаратты тастап кеткеннен 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 теңдесі жоқ мүмкіндіктермен және әсіресе энергияны үнемдеудің жоғары деңгейімен үйлеседі.

Отын ұяшықтарының қуат резервтік блоктары дәстүрлі аккумуляторларға немесе дизельдік генераторларға қарағанда қауіпсіздік және құрылысты басқару жүйелері сияқты маңызды қосымшалар үшін көптеген артықшылықтарды ұсынады. Сұйық отын технологиясы сутегі сақтау мәселесін шешеді және іс жүзінде шексіз резервтік қуат береді.

Тұрмыстық жылытуда және электр энергиясын өндіруде отын элементтерін/элементтерін қолдану

Қатты оксидті отын элементтері (SOFCs) кеңінен қол жетімді табиғи газ және жаңартылатын отын көздерінен электр және жылу алу үшін сенімді, энергияны үнемдейтін және шығарындылары жоқ жылу электр станцияларын салу үшін қолданылады. Бұл инновациялық қондырғылар отандық электр энергиясын өндіруден бастап шалғай елді мекендерді электрмен жабдықтауға дейін, сондай-ақ қосалқы қуат көздеріне дейін кең ауқымды нарықтарда қолданылады.

Бұл энергия үнемдейтін қондырғылар үй-жайларды жылытуға және ыстық суға арналған жылуды, сондай-ақ үйде пайдалануға болатын және электр желісіне қайта жіберілетін электр энергиясын өндіреді. Бөлінген электр энергиясын өндіру көздеріне фотоэлектрлік (күн) элементтер мен микро жел турбиналары кіруі мүмкін. Бұл технологиялар көзге көрінетін және кеңінен танымал, бірақ олардың жұмысы ауа райы жағдайына байланысты және олар жыл бойы тұрақты түрде электр энергиясын өндіре алмайды. Қуат бойынша жылу электр станциялары 1 кВт-тан аздан 6 МВт-қа дейін және одан да көп болуы мүмкін.

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 электр қуатын ЖЭО өндірген кезде және қазіргі уақытта қолданылып жүрген дәстүрлі электр жеткізу желілері арқылы үйлерге бергенде өндіру тиімділігінің жоғалуы көрсетілген. Аудандық генерациядағы тиімділік жоғалтуларына электр станциясынан, төмен және жоғары вольтты беруден және таратудағы ысыраптар жатады.

Суретте шағын жылу электр станцияларын біріктіру нәтижелері көрсетілген: электр энергиясы пайдалану орнында 60%-ға дейін генерациялау тиімділігімен өндіріледі. Сонымен қатар, үй шаруашылығы отын элементтері шығаратын жылуды суды және үй-жайларды жылыту үшін пайдалана алады, бұл отын энергиясын өңдеудің жалпы тиімділігін арттырады және энергияны үнемдеуді жақсартады.

Қоршаған ортаны қорғау үшін отын ұяшықтарын 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, ең бастысы – олардың экономикалық тұрғыдан тиімсіздігі. Ілеспе мұнай газы жағылады, бұл қоршаған ортаға және адам денсаулығына үлкен зиян келтіреді.

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

1. Отын ұяшықтары 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 азаюы қуат шығысының сәйкес төмендеуін ғана тудырады.
2. Тұтынушылардың электр жүктемесіне қатысты икемділік, дифференциал, жүктеме асқынуы.
3. Жылу электр станцияларын отын элементтеріне орнату және қосу үшін оларды іске асыру күрделі шығындарды қажет етпейді, өйткені Қондырғылар егістік маңындағы дайындалмаған учаскелерге оңай орнатылады, пайдалану оңай, сенімді және тиімді.
4. Жоғары автоматтандыру және заманауи қашықтан басқару зауытта персоналдың тұрақты болуын талап етпейді.
5. Конструкцияның қарапайымдылығы мен техникалық жетілдірілуі: қозғалатын бөлшектердің, үйкелістің, 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 элементтері бар жылу электр станциялары шу жасамайды, дірілмейді,

Отын элементтері сутегі отын энергиясын электр энергиясына электрохимиялық түрлендіру тәсілі болып табылады және бұл процестің жалғыз жанама өнімі су болып табылады.

Қазіргі уақытта отын ұяшықтарында қолданылатын сутегі отыны әдетте метанның бу реформингінен (яғни, көмірсутектерді бумен және жылумен метанға айналдырудан) алынады, дегенмен бұл әдіс күн энергиясын пайдаланып судың электролизі сияқты жасыл болуы мүмкін.

Жанармай ұяшығының негізгі компоненттері:

• сутегі тотыққан анод;
• оттегі азайған катод;
• протондар немесе гидроксид иондары (ортаға байланысты) тасымалданатын полимерлі электролиттік мембрана - ол сутегі мен оттегінің өтуіне жол бермейді;
• осы газдарды электродқа жеткізуге жауапты оттегі мен сутегінің ағындық өрістері.

Мысалы, автомобильді қуаттандыру үшін батареяға бірнеше отын элементтері жиналады және осы аккумулятордан берілетін энергия мөлшері электродтардың жалпы ауданына және ондағы ұяшықтардың санына байланысты. Отын ұяшығындағы энергия келесідей түзіледі: сутегі анодта тотығады, ал одан электрондар оттегі тотықсызданатын катодқа жіберіледі. Анодта сутектің тотығуынан алынған электрондардың химиялық потенциалы катодтағы оттегін төмендететін электрондарға қарағанда жоғары болады. Электрондардың химиялық потенциалдарының арасындағы бұл айырмашылық отын элементтерінен энергия алуға мүмкіндік береді.

Жаратылыс тарихы

Отын жасушаларының тарихы 1930 жылдарға дейін барады, ол кезде бірінші сутегі отын ұяшығын Уильям Р.Гроув жасаған. Бұл жасуша электролит ретінде күкірт қышқылын пайдаланды. Гроув мыс сульфатының сулы ерітіндісіндегі мысты темір бетіне түсіруге тырысты. Ол электронды токтың әсерінен судың сутегі мен оттегіге ыдырайтынын байқады. Бұл ашылудан кейін онымен қатар жұмыс істеген Базель университетінің (Швейцария) химигі Гроув пен Кристиан Шоенбейн бір мезгілде 1839 жылы қышқыл электролит арқылы сутегі-оттегі отын ұяшығында энергия алу мүмкіндігін көрсетті. Бұл ерте әрекеттер, табиғаты өте қарапайым болғанымен, олардың бірнеше замандастарының, соның ішінде Майкл Фарадейдің назарын аударды.

Отын элементтерін зерттеу жалғасын тауып, 1930 жылдары Ф.Т. Бэкон сілтілі отын ұяшығына (отын элементтерінің бір түрі) жаңа компонентті енгізді - гидроксид иондарының тасымалдануын жеңілдету үшін ион алмастырғыш мембрана.

Сілтілі отын элементтерін пайдаланудың ең танымал тарихи мысалдарының бірі оларды «Аполлон» бағдарламасында ғарыштық ұшулар кезінде негізгі энергия көзі ретінде пайдалану болып табылады.

Оларды NASA беріктігі мен техникалық тұрақтылығы үшін таңдады. Олар гидроксидті өткізгіш мембрананы пайдаланды, ол тиімділігі жағынан протон алмастырушы апасынан жоғары болды.

Алғашқы отын ұяшықтарының прототипі жасалғаннан бері екі ғасырға жуық уақыт ішінде оларды жетілдіру бойынша көп жұмыстар атқарылды. Жалпы алғанда, отын ұяшығынан алынатын соңғы энергия тотығу-тотықсыздану реакциясының кинетикасына, жасушаның ішкі кедергісіне және реакцияға түсетін газдар мен иондардың каталитикалық белсенді компоненттерге массалық алмасуына байланысты. Осы жылдар ішінде бастапқы идеяға көптеген жақсартулар енгізілді, мысалы:

1) платина сымдарын платина нанобөлшектерімен көміртегі негізіндегі электродтармен ауыстыру; 2) иондарды тасымалдауды жеңілдету үшін Nafion сияқты жоғары өткізгіштік пен селективті мембраналарды ойлап табу; 3) каталитикалық қабатты, мысалы, көміртекті негізге бөлінген платина нанобөлшектерін ионалмастырғыш мембраналармен біріктіру, нәтижесінде ең аз ішкі кедергісі бар мембраналық-электродты қондырғы; 4) сутегі мен оттегін ерітіндіде тікелей сұйылтудың орнына каталитикалық бетке жеткізу үшін ағындық өрістерді пайдалану және оңтайландыру.

Осы және басқа да жақсартулар, сайып келгенде, Toyota Mirai сияқты көліктерде пайдалану үшін жеткілікті тиімді технологияға әкелді.

Гидроксидті алмасу мембранасы бар отын жасушалары

Делавэр университеті гидроксид алмасу мембранасы бар отын жасушаларын - HEMFCs (гидроксид алмасу мембраналық отын элементтері) әзірлеу бойынша зерттеулер жүргізеді. Протон алмасу мембраналарының орнына гидроксид алмасу мембраналары бар отын жасушалары - PEMFCs (протон алмасу мембраналық отын жасушалары) - PEMFCs үлкен проблемаларының біріне азырақ - катализатордың тұрақтылығының мәселесі, өйткені көптеген негізгі металдардың катализаторлары сілтілі ортада тұрақты. қышқылда. Сілтілік ерітінділердегі катализаторлардың тұрақтылығы жоғары рН-ға қарағанда металдардың еруі төмен рН кезінде көбірек энергия бөлетіндіктен жоғары. Бұл зертханадағы жұмыстың көп бөлігі сонымен қатар сутегі тотығу және оттегінің тотықсыздану реакциялары үшін жаңа анодтық және катодтық катализаторларды әзірлеуге, оларды одан да тиімдірек жеделдетуге арналған. Сонымен қатар, зертхана жаңа гидроксид алмасу мембраналарын жасауда, өйткені протон алмасу мембраналарымен бәсекелесу үшін мұндай мембраналардың өткізгіштігі мен ұзақ мерзімділігі әлі де жақсартылмаған.

Жаңа катализаторларды іздеңіз

Оттегінің тотықсыздану реакциясындағы асқын кернеудің жоғалуының себебі осы реакцияның аралық өнімдері арасындағы сызықтық масштабтық қатынастармен түсіндіріледі. Бұл реакцияның дәстүрлі төрт электронды механизмінде оттегі дәйекті түрде төмендетіліп, аралық өнімдер – OOH*, O* және OH* түзіліп, нәтижесінде каталитикалық бетінде су (H2O) түзіледі. Жеке катализатордағы аралық өнімдердің адсорбциялық энергиялары бір-бірімен жоғары корреляцияға ие болғандықтан, кем дегенде теориялық тұрғыдан алғанда, артық кернеу жоғалтулары болмайтын катализатор әлі табылған жоқ. Бұл реакцияның жылдамдығы төмен болғанымен, қышқылдық ортадан сілтілі ортаға ауысу, мысалы, HEMFC-дегідей, оған көп әсер етпейді. Дегенмен, сутегі тотығу реакциясының жылдамдығы екі есеге дерлік төмендейді және бұл факт осы төмендеудің себебін табуға және жаңа катализаторларды ашуға бағытталған зерттеулерді ынталандырады.

Отын жасушаларының артықшылықтары

Көмірсутекті отындардан айырмашылығы, отын ұяшықтары, егер олар өте жақсы болмаса, экологиялық таза және олардың қызметі нәтижесінде парниктік газдарды шығармайды. Оның үстіне, олардың отыны (сутегі) негізінен жаңартылатын, өйткені оны судың гидролизі арқылы алуға болады. Осылайша, сутегі отын элементтері болашақта энергия өндіру процесінің толық бөлігі болуға уәде береді, онда күн мен жел энергиясы сутегі отын өндіру үшін пайдаланылады, содан кейін су өндіру үшін отын ұяшығында пайдаланылады. Осылайша, цикл жабық және көміртегі ізі қалмайды.

Қайта зарядталатын батареялардан айырмашылығы, отын элементтерінің артықшылығы бар, олар қайта зарядтаудың қажеті жоқ - олар энергияны қажет болған кезде дереу бере бастайды. Яғни, олар, мысалы, көлік саласында қолданылса, тұтынушы тарапынан ешқандай өзгеріс болмайды десе де болады. Күн энергиясы мен жел энергиясынан айырмашылығы, отын элементтері үздіксіз энергия өндіре алады және сыртқы жағдайларға әлдеқайда аз тәуелді. Өз кезегінде, геотермалдық энергия белгілі бір географиялық аймақтарда ғана қол жетімді, ал отын ұяшықтарында бұл мәселе қайтадан болмайды.

Сутегі отын элементтері ауқымы жағынан тасымалдануы мен икемділігіне байланысты ең перспективалы энергия көздерінің бірі болып табылады.

Сутекті сақтаудың күрделілігі

Ағымдағы мембраналар мен катализаторлардың кемшіліктеріне байланысты проблемалардан басқа, отын элементтері үшін басқа да техникалық қиындықтар сутегі отынын сақтау және тасымалдаумен байланысты. Сутегінің көлем бірлігіне өте төмен меншікті энергиясы бар (берілген температура мен қысымда көлем бірлігіне келетін энергия мөлшері), сондықтан көліктерде пайдалану үшін өте жоғары қысымда сақталуы керек. Әйтпесе, отынның қажетті мөлшерін сақтауға арналған контейнердің көлемі мүмкін емес үлкен болады. Осы сутегі сақтау шектеулеріне байланысты метал гидридті отын ұяшықтары сияқты оның газ тәрізді түрінен басқа нәрседен сутегін алу жолдарын іздеу әрекеттері жасалды. Дегенмен, Toyota Mirai сияқты қазіргі тұтынушы отын ұяшықтары қосымшаларында аса критикалық сутегі (33 К жоғары температурада және 13,3 атмосферадан жоғары қысымда, яғни сыни мәндерден жоғары сутегі) пайдаланылады және бұл қазір ең қолайлы нұсқа.

Аймақтың перспективалары

Қолданыстағы техникалық қиындықтар мен сутегін күн энергиясын пайдаланып судан алу проблемаларына байланысты, жақын болашақта зерттеулер негізінен сутегінің баламалы көздерін іздеуге бағытталатын болады. Танымал идеялардың бірі - сутегінің орнына тікелей отын ұяшығында аммиакты (сутегі нитриді) пайдалану немесе аммиактан сутегін алу. Мұның себебі, аммиак қысымға аз талап етеді, бұл оны сақтауға және жылжытуға ыңғайлы етеді. Сонымен қатар, аммиак сутегі көзі ретінде тартымды, өйткені оның құрамында көміртегі жоқ. Бұл метаннан түзілетін сутегінің кейбір СО-ның әсерінен катализатордың улану мәселесін шешеді.

Болашақта отын ұяшықтары көліктер технологиясы мен бөлінген энергия өндіруде, мысалы, тұрғын аудандарда кең қолданыс таба алады. Қазіргі уақытта отын элементтерін энергияның негізгі көзі ретінде пайдалану көп қаражатты қажет ететініне қарамастан, арзанырақ және тиімдірек катализаторлар, жоғары өткізгіштігі бар тұрақты мембраналар және сутегінің балама көздері табылса, сутегі отын элементтері жоғары болуы мүмкін. экономикалық тартымды.

Отын элементі – химиялық реакция арқылы сутегі мен оттегін электр энергиясына түрлендіретін электрохимиялық энергияны түрлендіру құрылғысы. Бұл процестің нәтижесінде су пайда болып, көп мөлшерде жылу бөлінеді. Жанармай ұяшығы зарядталатын, содан кейін электр энергиясын сақтауға арналған батареяға өте ұқсас.
Жанармай ұяшығын ойлап тапқан Уильям Р.Гроув, оны сонау 1839 жылы ойлап тапты. Бұл отын ұяшығы электролит ретінде күкірт қышқылы ерітіндісін, ал отын ретінде сутекті пайдаланды, ол тотықтырғыш ортада оттегімен қосылды. Айта кету керек, соңғы уақытқа дейін отын ұяшықтары тек зертханаларда және ғарыш аппараттарында қолданылған.
Болашақта отын элементтері энергияны түрлендірудің көптеген басқа жүйелерімен (соның ішінде электр станцияларындағы газ турбиналарымен), автомобильдердегі іштен жанатын қозғалтқыштармен және портативті құрылғылардағы электр батареяларымен бәсекеге түсе алады. Іштен жанатын қозғалтқыштар отынды жағады және механикалық жұмыстарды орындау үшін жану газдарының кеңеюінен пайда болатын қысымды пайдаланады. Батареялар электр энергиясын сақтайды, содан кейін оны химиялық энергияға айналдырады, қажет болған жағдайда оны қайтадан электр энергиясына айналдыруға болады. Потенциалды түрде отын ұяшықтары өте тиімді. Сонау 1824 жылы француз ғалымы Карно іштен жанатын қозғалтқыштың қысу-кеңейту циклдері жылу энергиясын (бұл жанармайдың химиялық энергиясы) механикалық энергияға 50%-дан жоғары түрлендіру тиімділігін қамтамасыз ете алмайтынын дәлелдеді. Отын ұяшығының қозғалатын бөліктері жоқ (кем дегенде ұяшықтың өзінде емес), сондықтан олар Карно заңына бағынбайды. Әрине, олар 50% -дан астам тиімділікке ие болады және әсіресе төмен жүктемелерде тиімді. Осылайша, жанармай ұяшықтары бар көліктер нақты жүргізу жағдайында кәдімгі көліктерге қарағанда жанармай үнемдеуге дайын (және бұрыннан дәлелденген).
Жанармай ұяшығы көліктегі электр қозғалтқышын, жарықтандыру құрылғыларын және басқа электр жүйелерін басқару үшін пайдаланылуы мүмкін тұрақты токты тудырады. Қолданылатын химиялық процестермен ерекшеленетін отын жасушаларының бірнеше түрі бар. Отын элементтері әдетте пайдаланатын электролит түріне қарай жіктеледі. Отын жасушаларының кейбір түрлері электр станцияларында пайдалану үшін перспективалы, ал басқалары шағын портативті құрылғылар үшін немесе автомобильдерді басқару үшін пайдалы болуы мүмкін.
Сілтілі отын элементі ең ерте дамыған элементтердің бірі болып табылады. Оларды 1960 жылдардан бері АҚШ ғарыш бағдарламасы қолданып келеді. Мұндай отын элементтері ластануға өте сезімтал, сондықтан өте таза сутегі мен оттегін қажет етеді. Сонымен қатар, олар өте қымбат, сондықтан отын ұяшығының бұл түрі автомобильдерде кең қолдануды табуы екіталай.
Фосфор қышқылына негізделген отын элементтері төмен қуатты стационарлық қондырғыларда қолданылуы мүмкін. Олар өте жоғары температурада жұмыс істейді, сондықтан қызуға көп уақыт кетеді, бұл оларды автомобильдерде пайдалану үшін тиімсіз етеді.
Қатты оксидті отын элементтері зауыттарды немесе қауымдастықтарды электрмен қамтамасыз ете алатын үлкен стационарлық электр генераторлары үшін жақсырақ. Отын ұяшығының бұл түрі өте жоғары температурада (шамамен 1000 °C) жұмыс істейді. Жоғары жұмыс температурасы белгілі бір проблемаларды тудырады, бірақ екінші жағынан, артықшылығы бар - отын ұяшығы шығаратын буды көбірек электр энергиясын өндіру үшін турбинаға жіберуге болады. Тұтастай алғанда, бұл жүйенің жалпы тиімділігін арттырады.
Ең перспективалы жүйелердің бірі протон алмасу мембраналық отын ұяшығы - POMFC (PEMFC - Protone Exchange Membrane Fuel Cell). Қазіргі уақытта отын ұяшығының бұл түрі ең перспективалы болып табылады, өйткені ол автомобильдерді, автобустарды және басқа көліктерді жылжыта алады.

Отын ұяшығындағы химиялық процестер

Отын жасушалары сутегі мен ауадағы оттегіні біріктіру үшін электрохимиялық процесті пайдаланады. Батареялар сияқты, отын элементтері электролиттегі (электр өткізгіш орта) электродтарды (қатты электр өткізгіштер) пайдаланады. Сутегі молекулалары теріс электродпен (анод) жанасқанда, соңғылары протондар мен электрондарға бөлінеді. Протондар протон алмасу мембранасы (ПОМ) арқылы отын ұяшығының оң электродына (катодына) өтіп, электр энергиясын шығарады. Бұл реакцияның жанама өнімі ретінде судың пайда болуымен сутегі мен оттегі молекулаларының химиялық комбинациясы бар. Жанармай ұяшығынан шығатын шығарындылардың жалғыз түрі - су буы.
Отын элементтері шығаратын электр энергиясы көлік құралын қозғау үшін механикалық энергияны қамтамасыз ету үшін көліктің электрлік қуатында (электр қуатының түрлендіргішінен және айнымалы ток асинхронды қозғалтқыштан тұрады) пайдаланылуы мүмкін. Қуат түрлендіргішінің міндеті отын элементтері шығаратын тұрақты токты көлік құралының тартқыш қозғалтқышы пайдаланатын айнымалы токқа түрлендіру болып табылады.

Протон алмасу мембранасы бар отын ұяшығының схемалық диаграммасы:
1 - анод;
2 - протон алмасу мембранасы (РЭМ);
3 - катализатор (қызыл);
4 - катод

Протон алмасу мембраналық отын ұяшығы (PEMFC) кез келген отын ұяшығының ең қарапайым реакцияларының бірін пайдаланады.

Бөлек отын ұяшығы

Жанармай ұяшығының қалай жұмыс істейтінін қарастырыңыз. Анод, отын ұяшығының теріс полюсі сутегі молекулаларынан босатылған электрондарды сыртқы электр тізбегінде (тізбекте) пайдалану үшін өткізеді. Ол үшін сутекті катализатордың бүкіл бетіне біркелкі тарататын оған арналар ойылып салынған. Катодта (отын ұяшығының оң полюсі) катализатордың бетіне оттегін тарататын ойылған арналар бар. Ол сондай-ақ электрондарды сыртқы контурдан (тізбектен) катализаторға кері өткізеді, онда олар сутек иондарымен және оттегімен қосылып, су түзе алады. Электролит - протон алмасу мембранасы. Бұл қарапайым пластикке ұқсас, бірақ оң зарядталған иондарды өткізіп, электрондардың өтуін блоктайтын қабілеті бар ерекше материал.
Катализатор - бұл оттегі мен сутегі арасындағы реакцияны жеңілдететін арнайы материал. Катализатор әдетте көміртекті қағазға немесе матаға өте жұқа қабатқа салынған платина ұнтағынан жасалады. Катализатор кедір-бұдыр және кеуекті болуы керек, сондықтан оның беті мүмкіндігінше сутегімен және оттегімен жанасуы мүмкін. Катализатордың платинамен қапталған жағы протон алмасу мембранасының (ПОМ) алдында орналасқан.
Сутегі газы (H 2 ) отын ұяшығына анод жағынан қысыммен беріледі. Н2 молекуласы катализатордағы платинамен жанасқанда ол екі бөлікке, екі ионға (H+) және екі электронға (e–) бөлінеді. Электрондар анод арқылы өткізіледі, онда олар сыртқы контурдан (тізбектен) өтіп, пайдалы жұмыстарды орындайды (мысалы, электр қозғалтқышын жүргізеді) және отын элементінің катодтық жағынан оралады.
Сонымен қатар, отын ұяшығының катодтық жағынан оттегі газы (O 2) катализатор арқылы екі оттегі атомын құрайды. Бұл атомдардың әрқайсысының мембрана арқылы екі Н+ ионын тартатын күшті теріс заряды бар, мұнда олар оттегі атомымен және сыртқы контурдан (тізбектен) екі электронмен қосылып, су молекуласын (H 2 O) құрайды.
Бір отын ұяшығындағы бұл реакция шамамен 0,7 ватт қуат береді. Қуатты қажетті деңгейге дейін көтеру үшін көптеген жеке отын элементтерін біріктіріп, отын ұяшығы қабатын құру қажет.
POM отын элементтері салыстырмалы түрде төмен температурада (шамамен 80°C) жұмыс істейді, яғни олар жұмыс температурасына дейін тез қызады және қымбат салқындату жүйелерін қажет етпейді. Бұл ұяшықтарда қолданылатын технологиялар мен материалдардың үздіксіз жетілдірілуі олардың қуатын автомобиль жүксалғышының шағын бөлігін алатын осындай отын элементтерінің батареясы автомобильді басқаруға қажетті энергияны қамтамасыз ете алатын деңгейге жақындатты.
Соңғы жылдары әлемнің жетекші автомобиль өндірушілерінің көпшілігі жанармай элементтерін пайдалана отырып, автомобиль конструкцияларын әзірлеуге көп қаражат жұмсады. Көбісі қанағаттанарлық қуаты мен динамикалық сипаттамалары бар отын ұяшықтары бар көліктерді көрсетті, бірақ олар айтарлықтай қымбат болды.
Мұндай көліктердің дизайнын жетілдіру өте қарқынды.

Жанармай ұяшығы бар көлік, көліктің еденінің астында орналасқан электр станциясын пайдаланады

NECAR V көлігі Mercedes-Benz A-сыныптағы көлікке негізделген, оның негізінде бүкіл электр станциясы, көліктің еденінің астында орналасқан отын элементтері бар. Мұндай конструктивті шешім автомобильде төрт жолаушы мен багажды орналастыруға мүмкіндік береді. Мұнда көлікке отын ретінде сутегі емес, метанол пайдаланылады. Метанол риформердің көмегімен (метанолды сутегіге айналдыратын құрылғы) отын ұяшығын қуаттандыру үшін қажет сутегіге айналады. Автокөлік бортында реформаторды пайдалану отын ретінде кез келген дерлік көмірсутекті пайдалануға мүмкіндік береді, бұл қолданыстағы жанармай құю станцияларының желісін пайдалана отырып, жанармай ұяшығы бар автомобильге жанармай құюға мүмкіндік береді. Теориялық тұрғыдан, отын жасушалары электр және судан басқа ештеңе өндірмейді. Отынды (бензин немесе метанол) отын ұяшығына қажетті сутегіге айналдыру мұндай көліктің экологиялық тартымдылығын біршама төмендетеді.
1989 жылдан бері отын ұяшықтары бизнесімен айналысатын Хонда 2003 жылы Honda FCX-V4 көліктерінің шағын партиясын Баллардтың протон алмастырғыш мембраналық отын ұяшықтарымен шығарды. Бұл отын ұяшықтары 78 кВт электр қуатын өндіреді, ал жетек доңғалақтарын жүргізу үшін қуаты 60 кВт және айналу моменті 272 Н м тартқыш қозғалтқыштар қолданылады.Оның керемет динамикасы бар және сығылған сутегінің берілуі жұмыс істеуге мүмкіндік береді. 355 км-ге дейін.

Honda FCX өзін қозғалту үшін жанармай жасушаларының қуатын пайдаланады.
Honda FCX - Америка Құрама Штаттарында үкімет сертификатын алған әлемдегі алғашқы жанармай ұяшығы. Автокөлік ZEV сертификатына ие - Zero Emission Vehicle (нөлдік ластаушы көлік). Honda бұл көліктерді әзірге сатпайды, бірақ бір бірлікке шамамен 30 көлікті лизингке алады. Калифорния мен Токиода сутегімен жұмыс істейтін инфрақұрылым қазірдің өзінде бар.

General Motors компаниясының Hy Wire концепті автомобильінде отын ұяшықты электр станциясы бар

Жанармай элементтері бар көліктерді жасау және жасау бойынша үлкен зерттеулерді General Motors жүргізеді.

Hy Wire көлік шассиі

GM Hy Wire концепті көлігі 26 патент алды. Автокөліктің негізі - қалыңдығы 150 мм болатын функционалды платформа. Платформаның ішінде сутегі цилиндрлері, отын ұяшықтары электр станциясы және соңғы электронды басқару технологиясын қолданатын көлік құралдарын басқару жүйелері бар. Hy Wire автокөлігінің шассиі - бұл автомобильдің барлық негізгі құрылымдық элементтерін қамтитын жұқа платформа: сутегі цилиндрлері, отын элементтері, батареялар, электр қозғалтқыштары және басқару жүйелері. Дизайндағы бұл тәсіл пайдалану кезінде автомобильдердің корпустарын өзгертуге мүмкіндік береді.Компания сонымен қатар эксперименталды Opel отын ұяшықты көліктерін сынақтан өткізеді және отын жасушаларын шығаратын зауытты жобалайды.

Сұйытылған сутегіге арналған «қауіпсіз» жанармай багының конструкциясы:
1 - құю құрылғысы;
2 - сыртқы резервуар;
3 - тіректер;
4 - деңгей сенсоры;
5 - ішкі резервуар;
6 - толтыру сызығы;
7 - оқшаулау және вакуум;
8 - жылытқыш;
9 - орнату қорабы

Автокөліктерге отын ретінде сутекті пайдалану мәселесіне BMW көп көңіл бөледі. Ғарыштық зерттеулерде сұйытылған сутекті пайдалану бойынша жұмысымен танымал Magna Steyer-пен бірге BMW автокөліктерде қолдануға болатын сұйытылған сутекті отын цистернасын жасады.

Сынақтар сұйық сутегі бар отын багын пайдаланудың қауіпсіздігін растады

Компания стандартты әдістер бойынша құрылымның қауіпсіздігіне бірқатар сынақтар жүргізіп, оның сенімділігін растады.
2002 жылы Франкфурт автосалонында (Германия) отын ретінде сұйытылған сутекті пайдаланатын Mini Cooper Hydrogen көлігі көрсетілді. Бұл машинаның жанармай багысы кәдімгі газ багы сияқты орын алады. Бұл көліктегі сутегі отын элементтері үшін емес, іштен жанатын қозғалтқыштар үшін отын ретінде пайдаланылады.

Аккумулятордың орнына отын ұяшығы бар әлемдегі алғашқы сериялық автокөлік

2003 жылы BMW компаниясы алғашқы жаппай шығарылған отын ұяшықтары бар BMW 750 hL көлігінің шығарылғанын жариялады. Дәстүрлі аккумулятордың орнына отын ұяшығы батареясы қолданылады. Бұл автомобильде сутегімен жұмыс істейтін 12 цилиндрлі іштен жанатын қозғалтқышы бар, ал отын ұяшығы кәдімгі аккумуляторға балама ретінде қызмет етеді, бұл кондиционер мен басқа тұтынушыларға автомобиль ұзақ уақыт бойы қозғалтқыш өшірулі тұрақта тұрғанда жұмыс істеуге мүмкіндік береді.

Сутегіге жанармай құюды робот орындайды, жүргізуші бұл процеске қатыспайды

Сол BMW компаниясы автокөліктерді сұйытылған сутегімен жылдам және қауіпсіз жанармай құюды қамтамасыз ететін роботты отын диспенсерлерін де жасап шығарды.
Соңғы жылдары баламалы отын мен балама қозғалтқыш жүйелерін қолданатын автомобильдерді жасауға бағытталған көптеген әзірлемелердің пайда болуы өткен ғасырда автомобильдерде басым болған іштен жанатын қозғалтқыштар ақырында таза, тиімдірек және үнсіз дизайнға жол беретінін көрсетеді. Олардың кеңінен қолданылуын қазіргі уақытта техникалық емес, экономикалық және әлеуметтік мәселелер тежеп отыр. Оларды кеңінен қолдану үшін баламалы отын түрлерін өндіруді дамытудың белгілі бір инфрақұрылымын құру, жаңа жанармай құю станцияларын құру және тарату және бірқатар психологиялық кедергілерді еңсеру қажет. Көлік құралының отыны ретінде сутекті пайдалану маңызды қауіпсіздік шараларын ескере отырып, сақтау, жеткізу және тарату мәселелерін шешуді талап етеді.
Теориялық тұрғыдан сутегі шексіз мөлшерде болады, бірақ оны өндіру өте энергияны қажет етеді. Сонымен қатар, автомобильдерді сутегі отынымен жұмыс істеуге айналдыру үшін энергетикалық жүйеге екі үлкен өзгеріс енгізу керек: біріншіден, оның жұмысын бензиннен метанолға, содан кейін біраз уақытқа сутегіге ауыстыру. Бұл мәселе шешілгенше біраз уақыт өтеді.

Сипаттама:

Бұл мақалада олардың құрылымы, жіктелуі, артықшылықтары мен кемшіліктері, қолдану аясы, тиімділігі, құрылу тарихы және пайдаланудың заманауи перспективалары толығырақ қарастырылады.

Ғимараттарды қуаттандыру үшін отын элементтерін пайдалану

1 бөлім

Бұл мақалада отын элементтерінің жұмыс принципі, олардың дизайны, жіктелуі, артықшылықтары мен кемшіліктері, қолдану аясы, тиімділігі, жасау тарихы және пайдаланудың қазіргі заманғы перспективалары толығырақ қарастырылады. Мақаланың екінші бөлігінде ABOK журналының келесі санында жарияланатын , жылу және электр энергиясы (немесе тек электр энергиясы) көздері ретінде отын элементтерінің әртүрлі түрлері пайдаланылған нысандардың мысалдары келтірілген.

Кіріспе

Отын жасушалары энергияны өндірудің өте тиімді, сенімді, ұзақ және экологиялық таза әдісі болып табылады.

Алғашында тек ғарыш өнеркәсібінде қолданылған отын ұяшықтары қазір әртүрлі салаларда - стационарлық электр станцияларында, ғимараттарды жылумен және электрмен қамтамасыз етуде, көлік қозғалтқыштарында, ноутбуктер мен ұялы телефондарға арналған қуат көздерінде көбірек қолданылады. Бұл құрылғылардың кейбіреулері зертханалық прототиптер болып табылады, кейбіреулері алдын ала сериялық сынақтан өтіп жатыр немесе демонстрациялық мақсатта пайдаланылады, бірақ көптеген модельдер жаппай шығарылады және коммерциялық жобаларда қолданылады.

Отын элементі (электрохимиялық генератор) - қатты, сұйық және газ тәрізді отынды жағуды қолданатын дәстүрлі технологиялардан айырмашылығы, отынның (сутегі) химиялық энергиясын электрохимиялық реакция процесінде тікелей электр энергиясына түрлендіретін құрылғы. Отынның тікелей электрохимиялық түрлендіруі экологиялық тұрғыдан өте тиімді және тартымды, өйткені жұмыс кезінде ластаушы заттардың ең аз мөлшері бөлінеді, күшті шу мен тербеліс болмайды.

Практикалық тұрғыдан алғанда, отын элементі әдеттегі гальваникалық батареяға ұқсайды. Айырмашылық бастапқыда аккумулятор зарядталған, яғни «отынмен» толтырылған. Жұмыс кезінде «отын» тұтынылады және батарея заряды таусылады. Аккумулятордан айырмашылығы, отын ұяшығы электр энергиясын өндіру үшін сыртқы көзден жеткізілетін отынды пайдаланады (Cурет 1).

Электр энергиясын өндіру үшін тек таза сутекті ғана емес, сонымен қатар табиғи газ, аммиак, метанол немесе бензин сияқты құрамында сутегі бар басқа шикізатты да қолдануға болады. Кәдімгі ауа оттегінің көзі ретінде пайдаланылады, ол реакция үшін де қажет.

Таза сутекті отын ретінде пайдаланған кезде реакция өнімдері электр энергиясынан басқа жылу мен су (немесе су буы) болып табылады, яғни атмосфераға ауаны ластайтын немесе парниктік әсерді тудыратын газдар шығарылмайды. Табиғи газ сияқты құрамында сутегі бар шикізат отын ретінде пайдаланылса, көміртегі мен азот оксидтері сияқты басқа газдар реакцияның жанама өнімі болады, бірақ оның мөлшері бірдей жанған кездегіден әлдеқайда төмен. табиғи газдың мөлшері.

Сутегін алу үшін отынды химиялық түрлендіру процесі риформинг, ал сәйкес құрылғыны риформер деп атайды.

Отын элементтерінің артықшылықтары мен кемшіліктері

Отын элементтері іштен жану қозғалтқыштарына қарағанда энергияны үнемдейді, өйткені отын элементтері үшін энергия тиімділігіне термодинамикалық шектеулер жоқ. Отын элементтерінің ПӘК 50% болса, іштен жанатын қозғалтқыштардың ПӘК 12-15%, ал бу турбиналы электр станцияларының ПӘК 40% аспайды. Жылу мен суды пайдалану арқылы отын элементтерінің тиімділігі одан әрі артады.

Мысалы, іштен жанатын қозғалтқыштардан айырмашылығы, отын элементтерінің тиімділігі олар толық қуатта жұмыс істемесе де өте жоғары болып қалады. Сонымен қатар, отын ұяшықтарының қуатын жай ғана бөлек блоктарды қосу арқылы арттыруға болады, бұл ретте тиімділік өзгермейді, яғни үлкен қондырғылар шағын қондырғылар сияқты тиімді. Бұл жағдайлар тапсырыс берушінің қалауына сәйкес жабдықтың құрамын өте икемді таңдауға мүмкіндік береді және сайып келгенде жабдықтың құнын төмендетуге әкеледі.

Отын жасушаларының маңызды артықшылығы - олардың экологиялық тазалығы. Жанармай элементтерінің ауаға шығарындылары соншалықты төмен, Америка Құрама Штаттарының кейбір бөліктерінде олар мемлекеттік ауа сапасы агенттіктерінің арнайы рұқсаттарын талап етпейді.

Жанармай элементтерін тікелей ғимаратқа орналастыруға болады, осылайша энергияны тасымалдау шығындарын азайтады, ал реакция нәтижесінде пайда болатын жылу ғимаратты жылу немесе ыстық сумен қамтамасыз ету үшін пайдаланылуы мүмкін. Жылумен және электрмен жабдықтаудың автономды көздері шалғай аудандарда және электр энергиясының тапшылығымен және оның қымбаттығымен сипатталатын аймақтарда өте тиімді болуы мүмкін, бірақ сонымен бірге құрамында сутегі бар шикізат қоры (мұнай, табиғи газ) бар. .

Жанармай элементтерінің артықшылықтары сонымен қатар отынның болуы, сенімділігі (отын ұяшығында қозғалатын бөліктер жоқ), ұзақ мерзімділік пен жұмыстың қарапайымдылығы болып табылады.

Бүгінгі таңда отын элементтерінің негізгі кемшіліктерінің бірі олардың салыстырмалы түрде жоғары құны болып табылады, бірақ бұл кемшілікті тез арада жоюға болады - көбірек компаниялар отын элементтерінің коммерциялық үлгілерін шығарады, олар үнемі жетілдірілуде және олардың құны төмендейді.

Таза сутекті отын ретінде барынша тиімді пайдалану, алайда, бұл оны өндіру мен тасымалдау үшін арнайы инфрақұрылым құруды талап етеді. Қазіргі уақытта барлық коммерциялық дизайн табиғи газды және ұқсас отынды пайдаланады. Автокөліктер қарапайым бензинді пайдалана алады, бұл қазіргі дамыған жанармай құю станцияларының желісін сақтауға мүмкіндік береді. Дегенмен, мұндай отынды пайдалану атмосфераға зиянды шығарындыларға әкеледі (өте аз болса да) және отын ұяшығын қиындатады (демек, оның құнын арттырады). Болашақта суды электролиз арқылы сутегі мен оттегіге ыдырату, содан кейін алынған отынды отын элементіне айналдыру үшін экологиялық таза жаңартылатын энергия көздерін (мысалы, күн немесе жел энергиясы) пайдалану мүмкіндігі қарастырылуда. Жабық циклде жұмыс істейтін мұндай біріктірілген қондырғылар толығымен экологиялық таза, сенімді, берік және тиімді энергия көзі бола алады.

Отын элементтерінің тағы бір ерекшелігі - олар электр және жылу энергиясын бір уақытта қолданғанда ең тиімді. Алайда жылу энергиясын пайдалану мүмкіндігі әрбір нысанда бола бермейді. Отын элементтерін тек электр энергиясын өндіру үшін пайдаланған жағдайда, олардың тиімділігі «дәстүрлі» қондырғылардың тиімділігінен асып кетсе де, төмендейді.

Отын жасушаларының тарихы және қазіргі заманғы қолданылуы

Отын элементтерінің жұмыс істеу принципі 1839 жылы ашылды. Ағылшын ғалымы Уильям Гроув (1811-1896) электролиз процесі - судың электр тогының көмегімен сутегі мен оттегіге ыдырауы - қайтымды екенін, яғни сутегі мен оттегінің жанусыз, бірақ су молекулаларына қосылуы мүмкін екенін анықтады. жылу мен электр тогының бөлінуі. Гроув мұндай реакция жүргізілген құрылғыны бірінші отын ұяшығы болған «газ батареясы» деп атады.

Жанармай жасушаларының технологияларының белсенді дамуы Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін басталды және ол аэроғарыш өнеркәсібімен байланысты. Ол кезде тиімді және сенімді, бірақ сонымен бірге өте ықшам энергия көзін іздеу жұмыстары жүргізілді. 1960 жылдары NASA сарапшылары (Ұлттық аэронавтика және ғарыш басқармасы, NASA) Аполлон (Айға басқарылатын ұшулар), Аполлон-Союз, Gemini және Skylab бағдарламаларының ғарыш кемелері үшін қуат көзі ретінде отын элементтерін таңдады. . Аполлон электр қуатын, жылуды және суды өндіру үшін криогенді сутегі мен оттегін пайдаланатын 1,5 кВт үш қондырғыны (2,2 кВт ең жоғары қуат) пайдаланды. Әрбір қондырғының массасы 113 кг болды. Бұл үш ұяшық параллель жұмыс істеді, бірақ бір бірлік өндіретін энергия қауіпсіз қайтару үшін жеткілікті болды. 18 рейс кезінде жанармай ұяшықтары ақаусыз жалпы саны 10 000 сағатты жинады. Қазіргі уақытта ғарыш кемесінің бортында барлық электр энергиясын өндіретін қуаты 12 Вт үш блокты пайдаланатын «Space Shuttle» ғарыш кемесінде отын элементтері қолданылады (2-сурет). Электрохимиялық реакция нәтижесінде алынған су ауыз су ретінде, сондай-ақ салқындату жабдықтары үшін пайдаланылады.

Біздің елімізде астронавтикада қолданылатын отын элементтерін жасау жұмыстары да жүргізілді. Мысалы, отын элементтері кеңестік «Буран» ғарыш кемесін қуаттандыру үшін пайдаланылды.

Отын элементтерін коммерциялық пайдалану әдістерін әзірлеу 1960 жылдардың ортасында басталды. Бұл әзірлемелер ішінара мемлекеттік ұйымдар тарапынан қаржыландырылды.

Қазіргі уақытта отын элементтерін пайдалану технологияларын дамыту бірнеше бағытта жүреді. Бұл отын элементтерінде стационарлық электр станцияларын (орталықтандырылған және орталықтандырылмаған энергиямен қамтамасыз ету үшін), көлік құралдарының электр станцияларын (отын элементтерінде автомобильдер мен автобустардың үлгілері жасалды, оның ішінде біздің елімізде) (3-сурет) және сонымен қатар әртүрлі мобильді құрылғылардың (ноутбуктар, ұялы телефондар және т.б.) қуат көздері (4-сурет).

Әртүрлі салаларда отын элементтерін пайдалану мысалдары кестеде келтірілген. 1.

Ғимараттарды автономды жылумен және электрмен жабдықтауға арналған отын элементтерінің алғашқы коммерциялық үлгілерінің бірі ONSI корпорациясы (қазіргі United Technologies, Inc.) шығарған PC25 Model A болды. Номиналды қуаты 200 кВт болатын бұл отын элементі фосфор қышқылына негізделген электролиті бар ұяшықтар түріне жатады (Фосфор қышқылының отын ұяшықтары, PAFC). Модель атауындағы «25» саны дизайнның реттік нөмірін білдіреді. Алдыңғы үлгілердің көпшілігі 1970 жылдары енгізілген 12,5 кВт «PC11» үлгісі сияқты эксперименттік немесе сынақ бөліктері болды. Жаңа модельдер бір отын ұяшығынан алынатын қуатты арттырды, сонымен қатар өндірілген энергияның бір киловатт құнын төмендетті. Қазіргі уақытта ең тиімді коммерциялық үлгілердің бірі PC25 Model C отын ұяшығы болып табылады. «А» үлгісі сияқты бұл жылу мен электр энергиясының тәуелсіз көзі ретінде қызмет көрсетілетін объектіге тікелей орнатуға арналған қуаты 200 кВт болатын PAFC типті толық автоматты отын ұяшығы. Мұндай отын ұяшығын ғимараттың сыртында орнатуға болады. Сырттай қарағанда ұзындығы 5,5 м, ені 3 м, биіктігі 3 м, салмағы 18140 кг параллелепипед. Алдыңғы үлгілерден айырмашылығы - жақсартылған реформатор және жоғары ток тығыздығы.

1-кесте Отын элементтерінің қолданылу аясы

Аймақ қолданбалар Бағаланған қуат Қолдану мысалдары Стационарлық қондырғылар 5–250 кВт және жоғарырақ Тұрғын үйлерді, қоғамдық және өндірістік ғимараттарды жылумен және электрмен жабдықтаудың автономды көздері, үздіксіз қуат көздері, резервтік және апаттық қуат көздері Портативті қондырғылар 1–50 кВт Жол белгілері, рефрижераторлы жүк көліктері мен темір жолдар, мүгедектер арбалары, гольф арбалары, ғарыш кемелері және спутниктер Ұялы қондырғылар 25–150 кВт Автомобильдер (прототиптер, мысалы, DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), автобустар (мысалы, MAN, Neoplan, Renault) және басқа көліктер, әскери кемелер мен сүңгуір қайықтар. Микроқұрылғылар 1-500 Вт Ұялы телефондар, ноутбуктер, компьютерлік компьютерлер, әртүрлі тұтынушылық электронды құрылғылар, заманауи әскери құрылғылар

Отын элементтерінің кейбір түрлерінде химиялық процесті өзгертуге болады: электродтарға потенциалдар айырмашылығын қолдану арқылы су кеуекті электродтарда жиналатын сутегі мен оттегіге ыдырауы мүмкін. Жүктеме қосылған кезде мұндай регенеративті отын ұяшығы электр энергиясын өндіре бастайды.

Отын элементтерін пайдаланудың перспективалы бағыты оларды фотоэлектрлік панельдер немесе жел турбиналары сияқты жаңартылатын энергия көздерімен бірге пайдалану болып табылады. Бұл технология ауаның ластануын толығымен болдырмауға мүмкіндік береді. Осыған ұқсас жүйені, мысалы, Оберлиндегі Адам Джозеф Льюис оқу орталығында құру жоспарлануда (ABOK, 2002, № 5, 10 б. қараңыз). Қазіргі уақытта бұл ғимаратта күн батареялары энергия көздерінің бірі ретінде пайдаланылады. NASA мамандарымен бірге электролиз арқылы судан сутегі мен оттегін алу үшін фотоэлектрлік панельдерді пайдалану жобасы әзірленді. Содан кейін сутегі электр энергиясын және ыстық суды өндіру үшін отын ұяшықтарында қолданылады. Бұл ғимаратқа бұлтты күндерде және түнде барлық жүйелердің өнімділігін сақтауға мүмкіндік береді.

Отын элементтерінің жұмыс істеу принципі

Мысал ретінде протон алмасу мембранасы (Proton Exchange Membrane, PEM) бар қарапайым элементті қолданатын отын ұяшығының жұмыс істеу принципін қарастырайық. Мұндай элемент анод пен катод катализаторларымен бірге анод (оң электрод) мен катодтың (теріс электрод) арасына орналастырылған полимерлі мембранадан тұрады. Электролит ретінде полимерлі мембрана қолданылады. PEM элементінің диаграммасы күріште көрсетілген. 5.

Протон алмасу мембранасы (PEM) - жұқа (қалың қағаздың шамамен 2-7 парағы) қатты органикалық қосылыс. Бұл мембрана электролит қызметін атқарады: ол судың қатысуымен заттарды оң және теріс зарядталған иондарға бөледі.

Анодта тотығу процесі, катодта тотықсыздану процесі жүреді. PEM ұяшығындағы анод пен катод көміртегі мен платина бөлшектерінің қоспасы болып табылатын кеуекті материалдан жасалған. Платина диссоциация реакциясына ықпал ететін катализатор ретінде әрекет етеді. Анод пен катод сәйкесінше олар арқылы сутегі мен оттегінің еркін өтуі үшін кеуекті етіп жасалған.

Анод пен катод анод пен катодты сутегі мен оттегімен қамтамасыз ететін және жылу мен суды, сондай-ақ электр энергиясын кетіретін екі металл пластина арасына орналастырылған.

Сутегі молекулалары пластинкадағы арналар арқылы анодқа өтеді, онда молекулалар жеке атомдарға ыдырайды (6-сурет).

	5-сурет () Протон алмасу мембранасының (PEM) отын ұяшығының схемалық диаграммасы
	6-сурет () Пластинадағы арналар арқылы сутегі молекулалары молекулалар жеке атомдарға ыдырайтын анодқа түседі.
	7-сурет () Катализатор қатысында хемосорбция нәтижесінде сутегі атомдары протондарға айналады.
	8-сурет () Оң зарядталған сутегі иондары мембрана арқылы катодқа диффузияланады, ал электрондар ағыны жүктеме қосылған сыртқы электр тізбегі арқылы катодқа бағытталады.
	9-сурет () Катодқа берілген оттегі катализатордың қатысуымен протон алмасу мембранасының сутегі иондарымен және сыртқы электр тізбегіндегі электрондармен химиялық реакцияға түседі. Су химиялық реакция нәтижесінде пайда болады

Содан кейін катализатор қатысында хемосорбция нәтижесінде әрқайсысы бір электроннан e - беретін сутегі атомдары оң зарядты сутегі иондары Н+, яғни протондарға айналады (7-сурет).

Оң зарядталған сутегі иондары (протондар) мембрана арқылы катодқа диффузияланады, ал электрондар ағыны жүктеме (электр энергиясын тұтынушы) қосылған сыртқы электр тізбегі арқылы катодқа бағытталады (8-сурет).

Катодқа берілген оттегі катализатордың қатысуымен протон алмасу мембранасынан сутегі иондарымен (протондармен) және сыртқы электр тізбегінен электрондармен химиялық реакцияға түседі (9-сурет). Химиялық реакция нәтижесінде су пайда болады.

Басқа түрдегі отын ұяшығындағы химиялық реакция (мысалы, фосфор қышқылының H 3 PO 4 ерітіндісі болып табылатын қышқыл электролитпен) протон алмасу мембранасы бар отын ұяшығындағы химиялық реакциямен мүлдем бірдей.

Кез келген отын ұяшығында химиялық реакция энергиясының бір бөлігі жылу түрінде бөлінеді.

Сыртқы тізбектегі электрондар ағыны жұмысты орындау үшін пайдаланылатын тұрақты ток болып табылады. Сыртқы контурды ашу немесе сутегі иондарының қозғалысын тоқтату химиялық реакцияны тоқтатады.

Отын ұяшығы шығаратын электр энергиясының мөлшері отын элементінің түріне, геометриялық өлшемдерге, температураға, газ қысымына байланысты. Бір отын ұяшығы 1,16 В-тан аз ЭҚК қамтамасыз етеді. Отын элементтерінің көлемін ұлғайтуға болады, бірақ іс жүзінде батареяларда қосылған бірнеше ұяшықтар қолданылады (Cурет 10).

Жанармай жасушаларының құрылғысы

PC25 Model C үлгісінің мысалында отын ұяшығы құрылғысын қарастырайық. Отын ұяшығының схемасы күріште көрсетілген. он бір.

«PC25 Model C» отын ұяшығы үш негізгі бөліктен тұрады: отын процессоры, нақты қуат өндіру бөлімі және кернеу түрлендіргіші.

Отын ұяшығының негізгі бөлігі - электр энергиясын өндіру бөлімі - 256 жеке отын элементтерінен тұратын стек. Отын элементінің электродтарының құрамына платина катализаторы кіреді. Бұл ұяшықтар арқылы 155 вольт кернеуде 1400 ампер тұрақты электр тогы пайда болады. Батареяның өлшемдері ұзындығы шамамен 2,9 м, ені мен биіктігі бойынша 0,9 м.

Электрохимиялық процесс 177 ° C температурада өтетіндіктен, іске қосу кезінде батареяны қыздырып, жұмыс кезінде одан жылуды алып тастау керек. Ол үшін отын ұяшығы жеке су тізбегін қамтиды, ал батарея арнайы салқындатқыш тақталармен жабдықталған.

Жанармай процессоры табиғи газды сутегіге айналдыруға мүмкіндік береді, ол электрохимиялық реакция үшін қажет. Бұл процесс реформалау деп аталады. Жанармай процессорының негізгі элементі - реформатор. Реформаторда табиғи газ (немесе басқа сутегі бар отын) никель катализаторының қатысуымен жоғары температурада (900 ° C) және жоғары қысымда бумен әрекеттеседі. Келесі химиялық реакциялар жүреді:

CH 4 (метан) + H 2 O 3H 2 + CO

(реакция эндотермиялық, жылу сіңірумен);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(реакция экзотермиялық, жылу бөлінуімен).

Жалпы реакция мына теңдеумен өрнектеледі:

CH 4 (метан) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(реакция эндотермиялық, жылу сіңірумен).

Табиғи газды түрлендіруге қажетті жоғары температураны қамтамасыз ету үшін отын ұяшығынан пайдаланылған отынның бір бөлігі реформерді қажетті температурада ұстап тұратын оттыққа жіберіледі.

Реформингке қажетті бу отын ұяшығының жұмысы кезінде пайда болған конденсаттан пайда болады. Бұл жағдайда отын ұяшығынан алынған жылу пайдаланылады (Cурет 12).

Жанармай ұяшығы қабаты төмен кернеумен және жоғары токпен сипатталатын үзіліссіз тұрақты ток тудырады. Оны өнеркәсіптік стандартты айнымалы токқа түрлендіру үшін кернеу түрлендіргіші қолданылады. Сонымен қатар, кернеу түрлендіргіш блогында әртүрлі ақаулар болған жағдайда отын элементін өшіруге мүмкіндік беретін әртүрлі басқару құрылғылары мен қауіпсіздік блоктау схемалары бар.

Мұндай отын ұяшығында отындағы энергияның шамамен 40% электр энергиясына айналуы мүмкін. Шамамен бірдей мөлшерді, шамамен 40% отын энергиясын түрлендіруге болады, содан кейін оны жылыту, ыстық сумен жабдықтау және ұқсас мақсаттар үшін жылу көзі ретінде пайдаланады. Осылайша, мұндай зауыттың жалпы тиімділігі 80% жетуі мүмкін.

Мұндай жылу және электр энергиясы көзінің маңызды артықшылығы оның автоматты түрде жұмыс істеу мүмкіндігі болып табылады. Техникалық қызмет көрсету үшін отын ұяшығы орнатылған нысанның иелері арнайы оқытылған персоналды ұстаудың қажеті жоқ - мерзімді техникалық қызмет көрсетуді пайдаланушы ұйымның қызметкерлері жүзеге асыра алады.

Жанармай жасушаларының түрлері

Қазіргі уақытта отын элементтерінің бірнеше түрі белгілі, олар қолданылатын электролиттің құрамында ерекшеленеді. Келесі төрт түрі ең кең таралған (2-кесте):

1. Протон алмасу мембранасы бар отын жасушалары (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Ортофосфор (фосфор) қышқылы негізіндегі отын жасушалары (Фосфор қышқылының отын жасушалары, PAFC).

3. Балқытылған карбонат негізіндегі отын элементтері (Молтен Карбонат отын ұяшықтары, MCFC).

4. Қатты оксидті отын элементтері (Қатты оксидті отын жасушалары, SOFC). Қазіргі уақытта PAFC технологиясы негізінде отын элементтерінің ең үлкен паркі салынған.

Әртүрлі типтегі отын жасушаларының негізгі сипаттамаларының бірі жұмыс температурасы болып табылады. Көптеген жолдармен бұл отын элементтерінің көлемін анықтайтын температура. Мысалы, ноутбуктер үшін жоғары температура өте маңызды, сондықтан нарықтың осы сегменті үшін төмен жұмыс температурасы бар протон алмасу мембраналық отын жасушалары әзірленуде.

Ғимараттарды автономды электрмен жабдықтау үшін орнатылған қуаттылығы жоғары отын элементтері қажет, сонымен бірге жылу энергиясын пайдалануға болады, сондықтан осы мақсаттар үшін басқа типтегі отын элементтерін де пайдалануға болады.

Протон алмасу мембраналық отын жасушалары (PEMFC)

Бұл отын элементтері салыстырмалы түрде төмен жұмыс температурасында (60-160 ° C) жұмыс істейді. Олар жоғары қуат тығыздығымен ерекшеленеді, шығыс қуатын жылдам реттеуге мүмкіндік береді және тез қосуға болады. Элементтердің бұл түрінің кемшілігі отын сапасына қойылатын жоғары талаптар болып табылады, өйткені ластанған отын мембрананы зақымдауы мүмкін. Осы түрдегі отын элементтерінің номиналды қуаты 1-100 кВт.

Протон алмасу мембраналық отын жасушаларын 1960 жылдары General Electric корпорациясы NASA үшін әзірледі. Отын ұяшығының бұл түрі протон алмасу мембранасы (PEM) деп аталатын қатты күйдегі полимерлі электролитті пайдаланады. Протондар протон алмасу мембранасы арқылы қозғала алады, бірақ электрондар ол арқылы өте алмайды, нәтижесінде катод пен анод арасындағы потенциалдар айырмасы пайда болады. Қарапайымдылығы мен сенімділігіне байланысты мұндай отын элементтері Gemini басқарылатын ғарыш кемесінде қуат көзі ретінде пайдаланылды.

Отын ұяшығының бұл түрі ұялы телефондардан автобустар мен стационарлық қуат жүйелеріне дейінгі прототиптер мен прототиптерді қоса алғанда, әртүрлі құрылғылардың кең ауқымы үшін қуат көзі ретінде пайдаланылады. Төмен жұмыс температурасы мұндай ұяшықтарды әртүрлі типтегі күрделі электронды құрылғыларды қуаттандыру үшін пайдалануға мүмкіндік береді. Жылу энергиясының көп мөлшері қажет болатын қоғамдық және өндірістік ғимараттарды жылумен және электрмен жабдықтау көзі ретінде пайдалану тиімділігі азырақ. Сонымен қатар, мұндай элементтер ыстық климаты бар аймақтарда салынған коттедждер сияқты шағын тұрғын үйлерді электрмен жабдықтаудың автономды көзі ретінде перспективалы болып табылады.

кесте 2 Жанармай жасушаларының түрлері

Элемент түрі жұмысшылар температура, °C өнімділік шығару электрлік энергия), % Барлығы Тиімділік, % Жанармай жасушалары бар протон алмасу мембранасы (PEMFC) 60–160 30–35 50–70 отын жасушалары ортофосфорға негізделген (Фосфор қышқылы) 150–200 35 70–80 Отын жасушаларына негізделген балқытылған карбонат (MCFC) 600–700 45–50 70–80 Қатты күйдегі оксид отын элементтері (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

Фосфор қышқылының отын жасушалары (PAFC)

Осы типтегі отын элементтерін сынау 1970 жылдардың басында жүргізілді. Жұмыс температурасының диапазоны - 150-200 °C. Қолданудың негізгі саласы - орташа қуаттың (шамамен 200 кВт) жылу және электрмен жабдықтаудың автономды көздері.

Бұл отын элементтерінде қолданылатын электролит фосфор қышқылының ерітіндісі болып табылады. Электродтар көміртегімен қапталған қағаздан жасалған, оның ішінде платина катализаторы дисперсті.

PAFC отын элементтерінің электрлік тиімділігі 37-42% құрайды. Дегенмен, бұл отын элементтері жеткілікті жоғары температурада жұмыс істейтіндіктен, жұмыс нәтижесінде пайда болатын буды пайдалануға болады. Бұл жағдайда жалпы тиімділік 80% жетуі мүмкін.

Энергияны өндіру үшін құрамында сутегі бар шикізатты риформинг процесі арқылы таза сутегіге айналдыру керек. Мысалы, егер бензин отын ретінде пайдаланылса, күкірт қосылыстарын алып тастау керек, өйткені күкірт платина катализаторын зақымдауы мүмкін.

PAFC отын элементтері экономикалық тұрғыдан негізделген алғашқы коммерциялық отын элементтері болды. Ең көп таралған модель ONSI корпорациясы (қазіргі United Technologies, Inc.) шығарған 200 кВт PC25 отын ұяшығы болды (Cурет 13). Мысалы, бұл элементтер Нью-Йорк орталық саябағындағы полиция бөлімшесінде жылу мен электр энергиясының көзі ретінде немесе Conde Nast Building & Four Times Square үшін қосымша қуат көзі ретінде пайдаланылады. Осы типтегі ең ірі зауыт Жапонияда орналасқан 11 МВт электр станциясы ретінде сынақтан өтуде.

Фосфор қышқылына негізделген отын жасушалары көліктерде энергия көзі ретінде де қолданылады. Мысалы, 1994 жылы H-Power Corp., Джорджтаун университеті және АҚШ Энергетика министрлігі 50 кВт электр станциясы бар автобусты жабдықтады.

Балқытылған карбонатты отын ұяшықтары (MCFC)

Осы типтегі отын элементтері өте жоғары температурада жұмыс істейді - 600-700 ° C. Бұл жұмыс температуралары жеке реформаторды қажет етпей, отынды тікелей жасушаның өзінде пайдалануға мүмкіндік береді. Бұл процесс «ішкі реформалау» деп аталады. Бұл отын ұяшығының дизайнын айтарлықтай жеңілдетуге мүмкіндік береді.

Балқытылған карбонат негізіндегі отын элементтері айтарлықтай іске қосу уақытын қажет етеді және шығыс қуатын жылдам реттеуге мүмкіндік бермейді, сондықтан олардың негізгі қолдану аймағы жылу мен электр энергиясының үлкен стационарлық көздері болып табылады. Дегенмен, олар отынды түрлендірудің жоғары тиімділігімен ерекшеленеді - 60% электрлік тиімділік және жалпы тиімділік 85% дейін.

Отын элементтерінің бұл түрінде электролит калий карбонаты мен литий карбонаты тұздарынан тұрады, ол шамамен 650 ° C дейін қыздырылған. Бұл жағдайда тұздар балқыған күйде, электролит түзеді. Анодта сутегі СО 3 иондарымен әрекеттесіп, суды, көмірқышқыл газын түзеді және сыртқы контурға жіберілетін электрондарды босатады, ал катодта оттегі көмірқышқыл газымен және сыртқы контурдағы электрондармен әрекеттесіп, қайтадан CO 3 ионын түзеді.

Осы түрдегі отын элементтерінің зертханалық үлгілерін 1950 жылдардың соңында голланд ғалымдары Г.Х.Дж.Броерс пен Я.А.Кетелаар жасаған. 1960 жылдары 17 ғасырдағы әйгілі ағылшын жазушысы және ғалымының ұрпағы инженер Фрэнсис Т. Бэкон осы элементтермен жұмыс істеді, сондықтан MCFC отын элементтері кейде Бэкон элементтері деп аталады. NASA-ның «Аполлон», «Аполлон-Союз» және «Scylab» бағдарламалары қуат көзі ретінде дәл осындай отын элементтерін пайдаланды (Cурет 14). Сол жылдары АҚШ әскери департаменті отын ретінде армиялық маркалы бензин пайдаланылған Texas Instruments компаниясы шығарған MCFC отын жасушаларының бірнеше үлгілерін сынады. 1970 жылдардың ортасында АҚШ Энергетика министрлігі практикалық қолдану үшін қолайлы стационарлық балқытылған карбонатты отын ұяшығын жасау бойынша зерттеулерді бастады. 1990 жылдары Калифорниядағы АҚШ Әскери-теңіз күштерінің Мирамар әуе станциясы сияқты 250 кВт-қа дейінгі бірқатар коммерциялық қондырғылар іске қосылды. 1996 жылы FuelCell Energy, Inc. Калифорния штатындағы Санта-Клара қаласында қуаттылығы 2 МВт болатын зауытты пайдалануға берді.

Қатты күйдегі оксидті отын элементтері (SOFC)

Қатты күйдегі оксидті отын элементтерінің конструкциясы қарапайым және өте жоғары температурада жұмыс істейді - 700-1000 ° C. Мұндай жоғары температура салыстырмалы түрде «лас», тазартылмаған отынды пайдалануға мүмкіндік береді. Балқытылған карбонат негізіндегі отын элементтеріндегідей ерекшеліктер ұқсас қолдану аймағын анықтайды - жылу мен электр энергиясының үлкен стационарлық көздері.

Қатты оксидті отын элементтері PAFC және MCFC технологияларына негізделген отын элементтерінен құрылымдық жағынан ерекшеленеді. Анод, катод және электролит керамиканың арнайы сорттарынан жасалған. Көбінесе электролит ретінде цирконий оксиді мен кальций оксидінің қоспасы пайдаланылады, бірақ басқа оксидтерді қолдануға болады. Электролит екі жағынан кеуекті электрод материалымен қапталған кристалдық торды құрайды. Құрылымдық жағынан мұндай элементтер түтіктер немесе жалпақ тақталар түрінде жасалады, бұл оларды өндіруде электроника өнеркәсібінде кеңінен қолданылатын технологияларды пайдалануға мүмкіндік береді. Нәтижесінде қатты күйдегі оксидті отын элементтері өте жоғары температурада жұмыс істей алады, сондықтан оларды электр және жылу энергиясын өндіру үшін пайдалануға болады.

Жоғары жұмыс температурасында катодта оттегі иондары түзіледі, олар кристалдық тор арқылы анодқа ауысады, онда сутегі иондарымен әрекеттесіп, су түзеді және бос электрондарды шығарады. Бұл жағдайда сутегі табиғи газдан тікелей жасушада бөлінеді, яғни жеке реформатор қажет емес.

Қатты күйдегі оксидті отын элементтерін жасаудың теориялық негіздері 1930 жылдардың аяғында, швейцариялық ғалымдар Бауэр (Эмиль Бауэр) және Преис (Х. Преис) цирконий, иттрий, церий, лантан және вольфраммен тәжірибе жасаған кезде қаланды. электролиттер ретінде.

Мұндай отын ұяшықтарының алғашқы прототиптерін 1950 жылдардың соңында бірқатар американдық және голландиялық компаниялар жасаған. Бұл компаниялардың көпшілігі технологиялық қиындықтарға байланысты көп ұзамай қосымша зерттеулерден бас тартты, бірақ олардың бірі Westinghouse Electric Corp. (қазіргі «Siemens Westinghouse Power Corporation»), жұмысын жалғастырды. Қазіргі уақытта компания ағымдағы жылы күтілетін қатты оксидті отын ұяшықтарының құбырлы топологиясының коммерциялық үлгісіне алдын ала тапсырыстарды қабылдауда (15-сурет). Мұндай элементтердің нарықтық сегменті қуаттылығы 250 кВт-тан 5 МВт-қа дейінгі жылу және электр энергиясын өндіруге арналған стационарлық қондырғылар болып табылады.

SOFC типті отын элементтері өте жоғары сенімділік көрсетті. Мысалы, Siemens Westinghouse отын ұяшығының прототипі 16 600 сағат жұмыс істеді және жұмысын жалғастыруда, бұл оны әлемдегі ең ұзақ үздіксіз отын ұяшығына айналдырады.

SOFC отын элементтерінің жоғары температура, жоғары қысымды жұмыс режимі гибридті қондырғыларды құруға мүмкіндік береді, оларда отын жасушаларының шығарындылары электр энергиясын өндіру үшін пайдаланылатын газ турбиналарымен жұмыс істейді. Мұндай алғашқы гибридті зауыт Калифорния штатының Ирвин қаласында жұмыс істейді. Бұл қондырғының номиналды қуаты 220 кВт, оның 200 кВт отын ұяшығынан және 20 кВт микротурбиналық генератордан.