Түлшний эсүүд
Түлшний эсүүд нь түлш (ихэвчлэн устөрөгч) ба исэлдүүлэгч бодис (ихэвчлэн хүчилтөрөгч) -ийн химийн энергийг хос исэлдүүлэх урвалаар цахилгаан болгон хувиргадаг цахилгаан химийн эсийн нэг төрөл юм. Эдгээр нь олон талаараа батерейтай төстэй боловч химийн урвалыг хангахын тулд түлш, исэлдүүлэгчийн тасралтгүй эх үүсвэр шаарддаг, харин зай нь эрчим хүчийг дотооддоо хуримтлуулдаг гэдгээрээ ялгаатай.
Түлшний эсийн үндсэн зарчим
Түлшний эсүүд нь химийн энергийг цахилгаан энерги болгон хувиргадаг цахилгаан химийн зарчмаар ажилладаг. Энэ процесс нь эсийн доторх хоёр тусдаа электрод (анод ба катод) дээр хоёр гол урвалыг агуулдаг.
- Анод дээр түлш (ихэвчлэн устөрөгч) исэлдэж, электронуудыг ялгаруулдаг. Ерөнхий урвалыг \( \textrm{Х}_2 \rightarrow 2\textrm{Х}^+ + 2\textrm{д}^- \) хэлбэрээр илэрхийлж болно.
- Катодын үед исэлдүүлэгч бодис (ихэвчлэн агаараас хүчилтөрөгч) буурч, электронуудыг хүлээн авч ус эсвэл зарим тохиолдолд бусад бүтээгдэхүүн үүсгэдэг. Ерөнхий хариу үйлдэл нь \( \frac{1}{2}\textrm{О}_2 + 2\textrm{Х}^+ + 2\textrm{д}^- \rightarrow \textrm{Х}_2\textrm{О} \) .
Анод дээр ялгарсан электронууд нь гадаад хэлхээгээр дамжиж катод руу хүрч, цахилгаан эрчим хүчээр хангадаг. Эс дотор байгаа электролит нь ионуудыг (устөрөгчийн түлшний эсийн хувьд H + ) анодоос катод руу зөөвөрлөж, хэлхээг дуусгаж, урвалыг үргэлжлүүлэх боломжийг олгодог.
Түлшний эсийн төрлүүд
Ашигласан электролитийн төрлөөс хамааран хэд хэдэн төрлийн түлшний эсүүд байдаг.
- Протон солилцооны мембран (PEM) түлшний эсүүд: Хатуу полимерийг электролит болгон ашиглаж, харьцангуй бага температурт сайн ажилладаг. Эдгээр нь авсаархан бөгөөд тээврийн хэрэгсэл болон зөөврийн цахилгаан хэрэглээнд ашиглагддаг.
- Хатуу исэл түлшний эсүүд (SOFC): Керамик материалыг электролит болгон ашиглаж, өндөр температурт ажиллана. Эдгээр нь үр ашиг, түлшний уян хатан чанараас шалтгаалан суурин эрчим хүч үйлдвэрлэхэд тохиромжтой.
- Шүлтлэг түлшний эсүүд (AFC): Шүлтлэг (калийн гидроксид гэх мэт) усан уусмалыг электролит болгон ашигладаг бөгөөд өндөр үр ашигтай байдаг тул сансрын нислэгт ашигладаг.
Ашиг тус ба хэрэглээ
Түлшний эсүүд нь уламжлалт шаталтад суурилсан эрчим хүчний эх үүсвэрээс хэд хэдэн давуу талтай бөгөөд үүнд:
- Өндөр үр ашиг: Түлшний эсүүд нь ердийн хөдөлгүүрээс илүү өндөр үр ашигтайгаар түлшийг цахилгаан болгон хувиргаж чаддаг, ялангуяа дулааныг сэргээх арга техникийг ашигладаг.
- Байгаль орчны ашиг тус: Түлшний эсүүд нь бага хэмжээний бохирдуулагч бодис ялгаруулдаг, учир нь тэдгээрийн үндсэн дайвар бүтээгдэхүүн нь ус, зарим тохиолдолд бага хэмжээний азотын исэл байдаг. Энэ нь тэдгээрийг чулуужсан түлшинд суурилсан эрчим хүчний эх үүсвэрээс илүү цэвэрхэн хувилбар болгож байна.
- Чимээгүй ажиллагаа: Хөдөлгөөнт хэсэгтэй хөдөлгүүрээс ялгаатай нь түлшний эсүүд чимээгүй ажилладаг тул дуу чимээ мэдрэмтгий орчинд ашиглахад давуу талтай.
Түлшний эсүүд нь янз бүрийн салбарт хэрэглээг олдог:
- Тээвэрлэлт: Түлшний эсийг дотоод шаталтат хөдөлгүүрээс илүү цэвэрхэн хувилбараар санал болгодог тул автомашинаас автобус хүртэл тээврийн хэрэгсэлд ашигладаг.
- Суурин эрчим хүч үйлдвэрлэх: Түлшний эсийг орон сууц, худалдаа, үйлдвэрлэлийн орчинд эрчим хүч үйлдвэрлэхэд ашиглаж, нам гүм, үр ашигтай, байгаль орчинд ээлтэй эрчим хүчний эх үүсвэрээр хангах боломжтой.
- Зөөврийн эрчим хүч: Авсаархан хэмжээтэй, бага ялгаруулдаг тул түлшний эсүүд нь зөөврийн электрон хэрэгсэл, яаралтай цахилгаан хангамж, найдвартай байдал, хүч жингийн харьцаа чухал байдаг цэргийн хэрэглээнд тохиромжтой.
- Сансрын хэрэглээ: Түлшний эсүүд нь эрчим хүчний өндөр хэмнэлттэй, найдвартай, сансрын нисгэгчдийг цахилгаан, ундны усаар хангадаг тул олон арван жилийн турш сансрын нислэгт ашиглагдаж ирсэн.
Бэрхшээл ба ирээдүйн чиг хандлага
Тэдний давуу талыг үл харгалзан түлшний эсийг өргөнөөр нэвтрүүлэх нь хэд хэдэн бэрхшээлтэй тулгардаг.
- Зардал: Түлшний эсийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн өндөр өртөг, ялангуяа электрод дахь урвалыг хурдасгадаг катализаторууд (ихэвчлэн цагаан алт гэх мэт үнэт металлаар хийгдсэн) ихээхэн саад учруулдаг.
- Түлшний дэд бүтэц: Устөрөгчийн түлшний дэд бүтэц дутмаг байгаа нь устөрөгчийн түлшний эсүүдэд ихээхэн саад болж байгаа тул барихад их хэмжээний хөрөнгө оруулалт шаардагддаг.
- Бат бөх чанар: Түлшний эсүүд, ялангуяа өндөр температурт ажилладаг түлшний эсүүд нь эдэлгээ, найдвартай байдлыг хязгаарлаж болох бат бөх байдлын асуудалтай тулгардаг.
Судалгаа, хөгжүүлэлт нь дараах сорилтуудыг даван туулахад чиглэгддэг.
- Түлшний эсийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдэд илүү хэмнэлттэй материалыг боловсруулах.
- Түлшний эсийн үр ашиг, бат бөх чанарыг сайжруулах.
- Тогтвортой, өргөн тархсан устөрөгчийн түлшний дэд бүтцийг бий болгох.
Дүгнэж хэлэхэд түлшний эсүүд нь янз бүрийн хэрэглээнд цэвэр, үр ашигтай, найдвартай эрчим хүч үйлдвэрлэх ирээдүйтэй технологийг төлөөлдөг. Судалгааны өнөөгийн сорилтуудыг шийдвэрлэхийн хэрээр түлшний эсийн ирээдүй гэрэл гэгээтэй харагдаж байгаа бөгөөд тээвэр, суурин эрчим хүч үйлдвэрлэх болон бусад салбарт мэдэгдэхүйц нөлөө үзүүлэх боломжтой.
