Сутегі қуат көзі. Жанармай элементтері. Отын элементтерінің жұмыс істеу принципі

Отын элементі (Отын ұяшығы) – химиялық потенциалдық энергияны түрлендіргіш (энергия молекулалық байланыстар) электр энергиясына. Құрылғыда отын газ тәрізді сутегі (H 2) және оттегі (O 2) болатын жұмыс ұяшығынан тұрады. Жасушаның ішіндегі реакция өнімдері су, электр және жылу болып табылады. Технологиялық тұрғыдан жанармай элементтері қозғалтқыштарға қарағанда жетілдірілген жүйелер ретінде қарастырылуы керек. ішкі жану, көмірмен жұмыс істейтін электр станциялары және тіпті зиянды жанама өнімдерді шығаратын атом электр станциялары.

Атмосферада оттегі көп болғандықтан, отын ұяшығына сутегін қосу ғана қалады. Бұл затты электролизер деп аталатын аттас аппаратта электролиз процесі арқылы алу өте оңай.

Электролизер дегеніміз не және ол қалай жұмыс істейді?

Молекулаларды олардың құрамдас атомдарына бөлу үшін қолданылатын электрохимиялық құрылғы электр тоғы. Электролизерлер суды сутегі мен оттегіге бөлу үшін кеңінен қолданылады.

Кейбір басқа әдістермен салыстырғанда жоғары тиімділік пен жылдам динамикалық реакцияға байланысты электролиз әдісі өте жоғары тазалықтағы сутегін алудың ең перспективалы әдісі болып табылады (99,999%).

Электролиз арқылы алынған сутегі сапалы түрде таза, сондықтан отын ұяшығында қолдануға өте қолайлы.

Электролизерлердің қандай конструкциялары әзірленді?

Отын элементтері сияқты электролизерлер екі электрод пен электродтардың арасына орналастырылған ион өткізгіш электролит негізінде құрастырылған. Мұндай құрылғылар қолданылатын электролит түріне байланысты ерекшеленеді.

Электролизердің құрылымдық сұлбасы және сыртқы түріөнеркәсіптік нұсқалардың бірі: 1 - катализатор қабаты; 2 – газдың диффузиялық қабаты; 3 - биполярлы пластина; 4 – протон алмасу мембранасы; 5 - пломба

Тәжірибеде қолданылған немесе енгізу сатысында тұрған электролизерлердің бірнеше түрі әзірленді. Сутегі өндіретін электролизерлердің ең көп тараған екі түрі:

1. Сілтілік электролизер.
2. Мембраналық электролизер.

Сілтілік электролизер

Мұндай құрылғы сұйық күйдіргіш электролитте (әдетте 30% KOH) жұмыс істейді. Сілтілік электролизерлер катализатор ретінде әрекет ететін және жеткілікті сенімді құрылымға ие қымбат емес металдарға () салынған.

Сілтілік электролизерлер 99,8% таза сутегін шығарады, салыстырмалы түрде төмен температурада жұмыс істейді және жоғары деңгейөнімділік. Қондырғылардағы жұмыс қысымы 30 ATI жетуі мүмкін. Жұмыс кезінде токтың төмен тығыздығы сақталады.

Протон алмасу мембранасы (ПОМ) электролизер

Катализатор құрамында кеуекті құрылым, сондықтан платинаның бетінің ауданы сутегі немесе оттегінің әсеріне барынша ұшырайды. Катализатордың платинамен қапталған жағы POM-ға қараған.

Отын жасушасы қалай жұмыс істейді?

Отын жасушасының «жүрегінің» бір түрі протон алмасу мембранасы (POM) болып табылады. Бұл компонент протондардың дерлік кедергісіз өтуіне мүмкіндік береді, бірақ электрондарды блоктайды.

Осылайша, сутегі катализаторға түсіп, протондар мен электрондарға бөлінгенде, протондар тікелей катод жағына өтеді, ал электрондар сыртқы электр тізбегі арқылы жүреді.

Тиісінше, жолда электрондар пайдалы жұмыс істейді:

• электр шамын жағыңыз
• қозғалтқыш білігін бұраңыз
• батареяны зарядтау және т.б.

Осы жолмен ғана электрондар жасушаның екінші жағындағы протондармен және оттегімен қосылып, су шығарады.

Бұл реакциялардың барлығы бір жасушалық стек деп аталатын жерде жүреді. Іс жүзінде ол әдетте қолданылады тұтас жүйебірнеше ұяшықтардың дестесі болып табылатын негізгі компоненттің айналасында.

Стек бөліктерден тұратын модульге салынған:

• отын, су және ауаны басқару,
• тоңазытқыш жабдықтар,
• салқындатқышты басқару бағдарламалық құралы.

Содан кейін бұл модуль әртүрлі қолданбалар үшін пайдалануға болатын толық жүйеге біріктірілген.

Сутегінің энергиясы жоғары болғандықтан және отын элементтерінің жоғары тиімділігі (55%) арқасында технологияны әртүрлі салаларда қолдануға болады.

Мысалы, негізгі электр желісі бұзылған кезде электр энергиясын өндіруге арналған резервтік қуат көзі ретінде.

Технологияның айқын артықшылықтары

Химиялық потенциалдық энергияны тікелей электр энергиясына айналдыра отырып, отын элементтері «жылулық кедергілерді» жояды (термодинамиканың 2-ші заңы).

Сондықтан, өзінің табиғаты бойынша бұл технология кәдімгі іштен жанатын қозғалтқыштарға қарағанда тиімдірек көрінеді.

Сонымен, ішкі жану қозғалтқышының тізбегі бастапқыда химиялық потенциалдық энергияны жылуға айналдырады, содан кейін ғана механикалық жұмыс алынады.

Отын элементтерінің тікелей шығарындылары қарапайым су және кейбір жылу болып табылады. Мұнда басқалармен қатар парниктік газдарды да шығаратын бірдей іштен жанатын қозғалтқыштармен салыстырғанда айтарлықтай жақсарту бар.

Отын жасушалары қозғалатын бөліктердің болмауымен сипатталады. Мұндай конструкциялар әрқашан дәстүрлі қозғалтқыштарға қатысты сенімділіктің жоғарылауымен сипатталды.

Сутегі экологиялық таза жолмен өндіріледі, ал мұнай өнімдерін өндіру және өңдеу технологиялық өндіріс тұрғысынан өте қауіпті.

отын ұяшығыгальваникалық элементке ұқсас электрохимиялық құрылғы болып табылады, бірақ одан айырмашылығы - бұл электрохимиялық химиялық реакцияоған сырттан жеткізіледі - гальваникалық элементте немесе аккумуляторда сақталған шектеулі энергия көлемінен айырмашылығы.

Күріш. 1. Кейбір отын жасушалары

Жанармай элементтері үлкен шығындармен болатын тиімсіз жану процестерін айналып өтіп, отынның химиялық энергиясын электр энергиясына айналдырады. Химиялық реакция нәтижесінде олар сутегі мен оттегін электр энергиясына айналдырады. Бұл процестің нәтижесінде су пайда болып, көп мөлшерде жылу бөлінеді. Жанармай ұяшығы зарядталатын, содан кейін электр энергиясын сақтауға арналған батареяға өте ұқсас. Жанармай ұяшығының өнертапқышы - оны 1839 жылы ойлап тапқан Уильям Р.Гроув. Бұл отын ұяшығында электролит ретінде күкірт қышқылының ерітіндісі, ал отын ретінде сутегі пайдаланылды, ол тотықтырғыш ортада оттегімен қосылды. Соңғы уақытқа дейін отын элементтері тек зертханаларда және ғарыш кемелерінде қолданылды.

Күріш. 2.

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

Жанармай жасушалары жоғары тиімді және өндірмейді үлкен санкөмірқышқыл газы, метан және азот оксиді сияқты парниктік газдар. Отын жасушаларының жұмысы кезінде шығарылатын өнімдер тек бу түріндегі су және аз мөлшерде болады Көмір қышқыл газы, егер таза сутегі отын ретінде пайдаланылса, ол мүлдем шығарылмайды. Отын элементтері жинақтарға, содан кейін бөлек функционалды модульдерге жиналады.

Отын ұяшықтарында қозғалатын бөліктер жоқ (кем дегенде ұяшықтың өзінде емес), сондықтан олар Карно заңына бағынбайды. Яғни, олар 50% -дан астам тиімділікке ие болады және әсіресе төмен жүктемелерде тиімді. Осылайша, жанармай ұяшықтары бар көліктер нақты өмірде жүргізу жағдайында кәдімгі көліктерге қарағанда жанармай үнемдеуі мүмкін (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 электр станциялары ретінде пайдалануға перспективалы, ал басқалары портативті құрылғыларға немесе автомобильдерді басқаруға арналған.

1. Сілтілік отын элементтері (AFC)

Сілтілік отын ұяшығы- Бұл ең алғашқы әзірленген элементтердің бірі. Сілтілік отын жасушалары (ALFCs) 1960 жылдардың ортасынан бері NASA Аполлон және Space Shuttle бағдарламаларында қолданылған ең көп зерттелген технологиялардың бірі болып табылады. Бұлардың бортында ғарыш кемелеріотын жасушалары электр қуаты мен ауыз суды шығарады.

Күріш. 3.

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 пайдаланады, яғни. су ерітіндісікеуекті тұрақтандырылған матрицадағы калий гидроксиді. 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:

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

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

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

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, SFC салыстырмалы төмен температурада жұмыс істейді және ең тиімді болып табылады.

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

2. Карбонатты балқыма отын элементтері (MCFC)

Балқытылған карбонатты электролиті бар отын элементтеріжоғары 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.

Күріш. 4.

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 еріту және қол жеткізу жоғары дәрежеэлектролиттегі иондардың қозғалғыштығы, 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 (СО32-) үшін өткізгіш болады. Бұл иондар катодтан анодқа өтіп, сутегімен қосылып, су, көмірқышқыл газы және бос электрондар түзеді. Бұл электрондар сыртқы жағынан жіберіледі электр тізбегіжанама өнім ретінде электр тогын және жылуды генерациялай отырып, катодқа қайтады.

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

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

Жалпы элемент реакциясы: H2(г) + 1/2O2(г) + CO2(катод) => H2O(г) + CO2(анод)

Балқытылған карбонатты электролиттік отын элементтерінің жоғары жұмыс температурасы белгілі бір артықшылықтарға ие. Артықшылығы - стандартты материалдарды пайдалану мүмкіндігі (тот баспайтын болаттан жасалған табақ және электродтардағы никель катализаторы). Қалдық жылуды 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 элементінің көміртегі тотығымен зақымдалуын болдырмайды, «улану» және т.б.

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

3. Фосфор қышқылына негізделген отын жасушалары (ФҚҚ)

Фосфор (ортофосфор) қышқылына негізделген отын жасушаларыкоммерциялық пайдалануға арналған алғашқы отын элементтері болды. Бұл процесс ХХ ғасырдың 60-жылдарының ортасында дамыды, сынақтар ХХ ғасырдың 70-жылдарынан бастап жүргізіле бастады. Нәтижесінде тұрақтылық пен өнімділік артып, құны төмендеді.

Күріш. 5.

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

Осы типтегі отын элементтеріндегі заряд тасымалдаушы сутегі (Н+, 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.

Анодтық реакция: 2H2 => 4H+ + 4e

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

Жалпы элемент реакциясы: 2H2 + O2 => 2H2O

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. Қарапайым құрылыс, төмен электролиттік құбылмалылық және жоғары тұрақтылық осындай отын элементтерінің артықшылығы болып табылады.

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

4. Протон алмасу мембранасы бар отын жасушалары (MOFEC)

Протон алмасу мембранасы бар отын жасушаларыбензинді және дизельді іштен жанатын қозғалтқыштарды алмастыра алатын көлік құралдарын өндіруге арналған отын элементтерінің ең жақсы түрі болып саналады. Бұл отын жасушаларын NASA алғаш рет Gemini бағдарламасы үшін пайдаланды. Қуаты 1 Вт-тан 2 кВт-қа дейінгі MOPFC қондырғылары әзірленген және көрсетілген.

Күріш. 6.

Бұл отын элементтеріндегі электролит қатты полимерлі мембрана (жұқа пластикалық пленка) болып табылады. 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: Анодтық реакция: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eКатод реакциясы: O2 + 2H2O + 4e- => 4OHЖалпы жасуша реакциясы: 2H2 + O2 => 2H2O Басқа отын элементтерінің түрлерімен салыстырғанда, отын элементтері протон алмасу мембранасы бар отын ұяшығының берілген көлеміне немесе салмағына көбірек энергия 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 энергия шығысын жылдам өзгерту мүмкіндігі - бұл отын ұяшықтарын көліктерде қолдануға негізгі үміткер ететін мүмкіндіктердің кейбірі ғана.

Тағы бір артықшылығы - электролит сұйық емес, қатты зат. Газдарды катодта және анодта қатты электролитпен ұстау оңайырақ, сондықтан мұндай отын элементтерін өндіру арзанырақ. Қатты электролитті пайдаланған кезде бағдарлау сияқты қиындықтар болмайды, ал ұяшық пен оның құрамдас бөліктерінің төзімділігін арттыратын коррозияның пайда болуына байланысты проблемалар аз.

Күріш. 7.

5. Қатты оксидті отын элементтері (SOFC)

Қатты оксидті отын жасушаларыең 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 (O2-) иондарының өткізгіші болып табылатын иттрий мен цирконийдің қорытпасы болып табылады. Қатты оксидті отын элементтерін пайдалану технологиясы 1950 жылдардың аяғынан бастап дамып келеді және екі конфигурацияға ие: жазық және құбырлы.

Қатты электролит бір электродтан екіншісіне газдың герметикалық ауысуын қамтамасыз етеді, ал сұйық электролиттер кеуекті субстратта орналасады. Осы типтегі отын элементтеріндегі заряд тасымалдаушы оттегі ионы (О2-) 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 тогы мен қалдық жылуды тудырады.

Күріш. 8.

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

Катодтағы реакция: O2 + 4e- => 2O2-

Жалпы элемент реакциясы: 2H2 + O2 => 2H2O

Электр энергиясын өндірудің тиімділігі барлық отын элементтерінен ең жоғары - шамамен 60%. Сонымен қатар, жоғары жұмыс температурасы жоғары қысымды бу шығару үшін жылу 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 жету үшін айтарлықтай уақыт кетеді және жүйе қуат тұтынуындағы өзгерістерге 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.

6. Тікелей метанол тотығуы бар отын жасушалары (DOMTE)

Тікелей метанол тотығуы бар отын жасушаларыұялы телефондарды, ноутбуктерді қуаттандыру саласында, сондай-ақ портативті қуат көздерін жасау үшін сәтті қолданылады, бұл элементтерді болашақта пайдалануды көздейді.

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

Анодтық реакция: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eКатод реакциясы: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Жалпы элемент реакциясы: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O 1990 жж және олардың меншікті қуаты мен ПӘК артты. 40%-ға дейін.

Бұл элементтер 50-120°С температура диапазонында сыналған. Төмен жұмыс температурасына байланысты және түрлендіргішті қажет етпейтіндіктен, бұл отын элементтері ұялы телефондар мен басқа тұтынушылық өнімдерде, сондай-ақ автомобиль қозғалтқыштарында қолданбалар үшін ең жақсы үміткер болып табылады. Олардың артықшылығы да шағын өлшемдер.

7. Полимер электролиттік отын элементтері (PETE)

Полимерлі электролиттік отын элементтері жағдайында полимерлі мембрана су молекуласына су иондарының H2O+ (протон, қызыл) өткізгіштігі бекітілген су аймақтары бар полимерлі талшықтардан тұрады. Су молекулалары баяу ион алмасуына байланысты проблема тудырады. Сондықтан талап етіледі жоғары концентрацияжұмыс температурасын 100°C дейін шектейтін отындағы да, шығатын электродтардағы да су.

8. Қатты қышқыл отын элементтері (SCFC)

Қатты қышқылды отын элементтерінде электролит (CsHSO4) құрамында су болмайды. Сондықтан жұмыс температурасы 100-300°C. SO42-оксианиондарының айналуы протондардың (қызыл) суретте көрсетілгендей қозғалуына мүмкіндік береді. Әдетте қатты қышқылды отын ұяшығы жақсы жанасуды қамтамасыз ету үшін екі тығыз сығылған электродтардың арасында қатты қышқыл қосылысының өте жұқа қабаты сэндвич болып табылады. Қызған кезде органикалық компонентжанармай (немесе ұяшықтардың екінші жағындағы оттегі), электролит пен электродтар арасындағы көптеген байланыстар қабілетін сақтай отырып, электродтардағы саңылаулар арқылы буланып кетеді.

Күріш. 9.

9. Отын элементтерінің маңызды сипаттамаларын салыстыру

Күріш. 10.

10. Автомобильдерде отын элементтерін қолдану

Күріш. он бір.

Күріш. 12.

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 қолданбалар үшін 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 ортофосфор 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 ол су мен электрондарды өндіру үшін сутегімен әрекеттеседі. 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, өйткені электродтарға қажетті катализатор басқа отын элементтері үшін катализатор ретінде қолданылатын заттарға қарағанда арзанырақ 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.

Сутегі отын элементтері тиімсіз, шығынды жану процестерін және жылу энергиясын механикалық энергияға айналдыруды айналып өтіп, отынның химиялық энергиясын электр энергиясына айналдырады.

Сипаттама:

Сутегі отын элементтері тиімсіз, шығынды жану процестерін және жылу энергиясын механикалық энергияға айналдыруды айналып өтіп, отынның химиялық энергиясын электр энергиясына айналдырады. Сутегі отын ұяшығы болып табылады электрохимиялыққұрылғы отынның жоғары тиімді «суық» жануының нәтижесінде тікелей электр энергиясын шығарады. Протон алмасу мембраналық сутегі-ауа отын ұяшығы (PEMFC) отынның ең перспективалы технологияларының бірі болып табылады. элементтері.

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

Катодты катализаторда оттегі молекуласы электронмен (электр тізбегінен қоректенетін) және келетін протонмен қосылып, жалғыз реакция өнімі (бу және/немесе сұйықтық түрінде) болып табылатын суды құрайды.

Мембраналық-электродты блоктар энергетикалық жүйенің негізгі генераторлық элементі болып табылатын сутегі отын элементтерінен жасалған.

Дәстүрлі шешімдермен салыстырғанда сутегі отын жасушаларының артықшылықтары:

– жоғары меншікті энергия сыйымдылығы (500 ÷ 1000 Вт*сағ/кг),

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

- жылу нүктесінің, шудың және дірілдің болмауы;

– суық іске қосу сенімділігі

– энергияны іс жүзінде шектеусіз сақтау мерзімі (өзін-өзі разрядсыз);

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

– сутегі қоймасының сыйымдылығын өзгерту арқылы жүйенің кез келген дерлік ақылға қонымды энергия сыйымдылығын қамтамасыз ету мүмкіндігі;

– жоғары энергия тұтыну

- сутегі қоспаларына төзімділік,

– ұзақ қызмет ету мерзімі,

- экологиялық таза және шусыз жұмыс.

Қолдану:

– ұшқышсыз ұшу аппараттарын электрмен жабдықтау жүйелері,

– портативті зарядтағыштар,

– үздіксіз қуат көздері,

– Басқа құрылғылар.

Кәсіпкер Данила Шапошников өнімді зертханадан нарыққа шығаруды өз мойнына алғанын айтады. AT Energy стартапы дрондарға қазіргіден бірнеше есе ұзағырақ ұшуға мүмкіндік беретін сутегі отын элементтерін жасайды.

Кәсіпкер Данила Шапошников ғалымдар Юрий Добровольский мен Сергей Нефедкинге өздерінің өнертабысын – аяз бен ылғалдан қорықпай бірнеше сағат жұмыс істей алатын ықшам сутегі отын ұяшықтарын коммерцияландыруға көмектеседі. Олар құрған AT Energy компаниясы қазірдің өзінде шамамен 100 миллион рубль тартты. инвестиция салып, әзірге негізінен литий-ионды аккумуляторларды пайдаланатын ұшқышсыз ұшу аппараттары үшін 7 миллиард долларлық әлемдік нарықты жаулап алуға дайындалуда.

Зертханадан нарыққа дейін

Бұл бизнесті Шапошниковтың энергетика және электрохимия саласындағы екі ғылым докторы – Ресей ғылым академиясының Черноголовкадағы Химиялық физика мәселелері институтынан келген Добровольскиймен және Мәскеудегі сутегі энергиясы орталығын басқаратын Нефедкинмен таныстыруынан бастады. Энергетика институты. Профессорларда төмен температуралы отын ұяшықтарын жасау идеясы болды, бірақ олар өз өнертабыстарын нарыққа қалай шығару керектігін түсінбеді. «Мен өнімді зертханадан нарыққа шығаруға тәуекел еткен кәсіпкер-инвестор ретінде әрекет еттім», - деп еске алады РБК-ге берген сұхбатында Шапошников.

2012 жылдың тамызында Шапошников, Добровольский және Нефедкин AT Energy (AT Energy LLC) компаниясын тіркеп, прототиптерді дайындауға кірісті. Компания өтініш беріп, Сколково тұрғыны атанды. 2013 жыл бойына институттың Черноголовкадағы жалға алынған базасында AT Energy компаниясының негізін салушылар отын батареяларының қызмет ету мерзімін түбегейлі арттыру бойынша жұмыс жасады. «Черноголовка – ғылым қаласы, ол жерден лаборанттар, инженерлер мен электрохимиктер табу және тарту өте оңай», - дейді Шапошников. Содан кейін AT Energy Черноголовск индустриалды паркіне көшті. Онда алғашқы өнім – дрондарға арналған отын ұяшығы пайда болды.

AT Energy әзірлеген отын ұяшығының «жүрегі» электрохимиялық реакция жүретін мембраналық электродты блок болып табылады: бір жағынан ауа оттегімен, екінші жағынан сығылған газ тәрізді сутегімен қамтамасыз етіледі, нәтижесінде сутегі тотығуының химиялық реакциясы, энергия түзіледі.

Нақты өнім үшін AT Energy Сколководан екі грант (барлығы 47 миллион рубльге жуық) ала алды, сондай-ақ шамамен 1 миллион доллар инвестиция тарта алды. North Energy Ventures қоры жобаға сенді (AT Energy-ден 13,8% алды, оның серіктесі Шапошниковтың өзі), Мәскеу физика-техникалық институтының түлектері негізін қалаған Phystech Ventures венчурлық қоры (13,8%) және Morton әзірлеушісі. (10%); тікелей Шапошников пен Добровольскийге қазір AT Energy-нің 26,7%, ал Нефедкинге - 9% (барлығы - заңды тұлғалардың бірыңғай мемлекеттік тізілімі бойынша) тиесілі.

AT Сандардағы энергия

Шамамен 1 00 миллион рубль— тартылған инвестициялардың жалпы сомасы

3-30 кг- AT Energy энергия жүйелерін жасайтын дрондардың массасы

$7 млрджылына – 2015 ж. жаһандық дрондар нарығының көлемі

$90 млн— 2014 жылғы әскери ұшқышсыз ұшақтардың ресейлік нарығының көлемі

$5 млн— 2014 жылы ұшқышсыз ұшақтардың ресейлік азаматтық нарығының көлемі

$2,6 млрд— 2014 жылғы әлемдік отын ұяшықтары нарығының көлемі

Дереккөз: Компания деректері, Business Insider, Markets & Markets

Ұзақ, тіпті ұзағырақ ұшу

Бүгінгі таңда әлемдегі дрондардың 80% дерлік литий-ион немесе литий-полимерлі батареялармен жұмыс істейтін электр қозғалтқыштарын пайдаланады. «Батареялардың ең үлкен проблемасы - олардың өлшемдерінде шектеулер болуы. Егер сіз екі есе көп қуат алғыңыз келсе, басқа батареяны салыңыз, ал басқасын және т.б. Ал дрондарда ең маңызды параметр - оның массасы», - деп түсіндіреді Шапошников.

Ұшқышсыз ұшақтың массасы оның пайдалы жүктемесін – оған ілінетін құрылғылардың санын (мысалы, камералар, тепловизорлар, сканерлеу құрылғылары және т.б.), сондай-ақ ұшу уақытын анықтайды. Бүгінгі күні дрондар негізінен жарты сағаттан бір жарым сағатқа дейін ұшады. «Жарты сағат қызық емес», - дейді Шапошников. «Сіз оны ауаға көтергеннен кейін батареяны ауыстыру уақыты келді». Сонымен қатар, литий-ионды аккумуляторлар төмен температурада әрекет етеді. Шапошников AT Energy-де жасалған отын ұяшықтары дрондарға бес есе ұзағырақ ұшуға мүмкіндік береді: екі жарым сағаттан төрт сағатқа дейін және олар аяздан қорықпайды (минус 20 градусқа дейін).

AT Energy өзінің аккумуляторлары үшін шығыс материалдары мен компоненттерін Ресейде де, шетелде де сатып алады. «Ғылыми әзірлемелер үшін шағын сериялар көзделіп отыр, сондықтан біз әлеуетті ресейлік құрамдас өндірушілерге өз өндірісін локализациялай алатындай жоспарлау көкжиегін әлі бере алмаймыз», - деп түсіндіреді Шапошников.

2014 жылы AT Energy алғашқы келісімшарттарды орындады: ол әскерилерге өзінің отын элементтеріне негізделген 20 аккумуляторлық жүйені жеткізді (Шапошников тапсырыс берушінің атын атамайды). Олар сондай-ақ Сочи Олимпиадасын түсіру кезінде пайдаланған AFM-Servers компаниясының дрондарымен жабдықталған. «Компанияның мақсаттарының бірі біздің жүйелерімізді дрондарда сынау болды, және біз бұл үшін ақы алды ма, жоқ па, бәрібір», - деп еске алады Шапошников. Бүгінгі күні AT Energy бірқатар келісім-шарттар мен алдын-ала келісім-шарттарға қол қойды, олардың әлеуетті кірісі, Шапошниковтың айтуынша, 100 миллион рубльді құрайды. (негізінен мемлекеттік органдармен).

Шапошников AT Energy қаржылық нәтижелерін ашпайды. Kontur.Fokus мәліметі бойынша, 2014 жылы компания 12,4 миллион рубль табыс тапқан. және 1,2 миллион рубль таза шығын. AT Energy шығаратын қуаттылығы 0,5 кВт-қа дейінгі отын ұяшықтарының құны, Шапошниковтың айтуынша, дрон түріне, оның міндеттеріне, ұшу ұзақтығына және басқа параметрлерге байланысты 10-25 мың долларды құрайды.

Рубльдің құнсыздануы, Шапошниковтың пікірінше, компанияның әлемдік нарыққа шығуын жеңілдетеді. «Біз 2016 жылы батыстық ойыншылармен қарым-қатынас орнатуды, ал 2017 жылы шетелдік ұшқышсыз ұшақтардың негізгі түрлеріне арналған алғашқы өнімдерді шығаруды мақсат етіп қойдық», - дейді ол.

ИНВЕСТОР

«AT Energy бірегей сипаттамалары бар отын ұяшығын жасай алды»

Олег Перцовский, «Сколково» қорының энергияны үнемдейтін технологиялар кластерінің операциялық директоры

«Олар өте ықшам әрі қымбат емес, теріс температурада жұмыс істейтін құрылғы жасай алды. Білімді қажет ететін жобалар үшін төрт жыл аз уақыт, сондықтан олар қалыпты қарқынмен жүріп жатыр, біздің ойымызша. Дрондар отын элементтеріне арналған айқын және перспективалы қолданбалардың бірі болып табылады. Қуат көзін ауыстыру арқылы ұшқышсыз ұшақ бірдей массалық-өлшемдік сипаттамалармен ұшу уақытын бірнеше есе арттыра алады. Сондай-ақ автономды электрмен жабдықтау нарығы бар, мысалы, ұялы байланыс желілері, мұнда электр желілері жоқ шалғай аудандарда төмен қуатты қуат көздеріне үлкен қажеттілік бар».

«Бәсекеге қабілетті өнімді жасау және осы нарыққа кіру маңызды инвестициялық тәуекелдерге ие»

Сергей Филимонов, GS Venture Corporate Venture Fund басшысы (GS Group бөлігі)

«Сыйымдылығы жоғары отын ұяшықтары нарығы ұшқышсыз авиация кеңістігіне қарағанда әлдеқайда кең және күрделі. Бірақ отын ұяшықтары тиімділік жағынан да, құны жағынан да бар бірқатар энергия көздерімен бәсекелесуге мәжбүр болады. Бәсекеге қабілетті өнімді жасау және осы нарыққа шығу айтарлықтай инвестициялық тәуекелдерге ие. GS Venture үшін ұшқышсыз ұшу аппараттары мен отын ұяшықтары салалары өте қызықты, бірақ қор стартапқа инвестиция салуға дайын емес, себебі бұл компания дамып келе жатқан салада жұмыс істейді және тез өсіп келе жатқан нарықты мақсат етеді.

КЛИЕНТТЕР

«Бұл үздік технологиянарықта, бірақ тым қымбат

Олег Панфиленок, Copter Express негізін қалаушы және бас директоры

«AT Energy компаниясының технологиясы өте күшті. «Отын ұяшығы плюс сутегі багы» комбинациясы литий-полимерлі немесе литий-ионды аккумуляторларға қарағанда айтарлықтай жоғары сенімді қуат сыйымдылығына қол жеткізуге мүмкіндік береді. Біз диаметрі шамамен 1 метр болатын карта түсіретін дронды үлкен аумақта ұшуға әзірледік - егер сіз оған сутегі отын элементтерін қойсаңыз, ол төрт сағатқа дейін ұшады. Бұл ыңғайлы және тиімді болар еді, қайта зарядтау үшін құрылғыны бірнеше рет отырғызудың қажеті болмас еді.

Қазіргі уақытта бұл нарықтағы ең жақсы технология екені сөзсіз, бірақ бір мәселе бар: ол біз үшін тым қымбат. AT Energy компаниясының бір батареясы шамамен 500 мың рубльді құрайды. - литий-полимерлі аккумулятордан жоғары шама тәртібі. Иә, бұл шетелдік аналогтардан бір жарым есе арзан, бірақ бізге он керек. Біз бюджеті бар әскерилер емеспіз, біз коммерциялық компаниямыз және үлкен ақша төлеуге дайын емеспіз. Әскерилер үшін ұшқышсыз ұшақтың сипаттамалары оның құнынан маңыздырақ, бірақ сауда үшін, керісінше, нашаррақ, бірақ арзанырақ болғаны дұрыс ».

«Көптеген тапсырмаларды орындау үшін ұшқышсыз ұшу уақыты - ең маңызды фактор»

Максим Шинкевич, Unmanned Systems компаниялар тобының бас директоры

«Біз AT Energy компаниясымен жақсы таныспыз және олармен ынтымақтастық туралы келісімге қол қойдық. Жақында біз AT Energy компаниясының жанармай элементтерімен жабдықталған және 2,5 сағаттан 4 сағатқа дейін ұшатын жүк көтергіштігі 2 кг-ға дейінгі жаңа габаритті мультикоптерді әзірлеуді аяқтадық. Литий батареяларында мұндай дрон бар болғаны 30 минут ұшатын еді. Бұл дронды азаматтық және әскери мақсатта да қолдануға болады – бұл адамдарды іздестіру және құтқару үшін бейнебақылау жүйесі, біз оны сериялық түрде ұшыруға қазірдің өзінде дайынбыз. Бізде оған бірінші азаматтық тапсырыс беруші бар, оны іс жүзінде көрсеткен бойда басқа келісімшарттар пайда болады.

Жанармай элементтерін жаппай пайдаланудағы негізгі проблемалардың бірі - оларды зарядтауға арналған станциялар желісінің болмауы. Олар аккумуляторларға қарағанда қымбатырақ (нәтижесінде оларды пайдаланатын дрон құны 15%-ға артады), бірақ оның орнына сіз ұшу ұзақтығынан екі есе көп уақыт аласыз. Көптеген тапсырмаларды орындау үшін ұшқышсыз ұшу уақыты ең маңызды фактор болып табылады ».

Наталья Суворова