წყალზე მომუშავე მანქანა შეიძლება მალე რეალობად იქცეს და წყალბადის საწვავის უჯრედები ბევრ სახლში დამონტაჟდება...

წყალბადის საწვავის უჯრედების ტექნოლოგია ახალი არ არის. ეს დაიწყო 1776 წელს, როდესაც ჰენრი კავენდიშმა პირველად აღმოაჩინა წყალბადი, როდესაც ხსნიდა ლითონებს განზავებულ მჟავებში. პირველი წყალბადის საწვავის უჯრედი გამოიგონა ჯერ კიდევ 1839 წელს უილიამ გროვის მიერ. მას შემდეგ წყალბადის საწვავის უჯრედები თანდათან გაუმჯობესდა და ახლა კოსმოსურ შატლებში მონტაჟდება, მათ ენერგიით ამარაგებს და წყლის წყაროს ემსახურება. დღეს წყალბადის საწვავის უჯრედების ტექნოლოგია მასობრივ ბაზარზე მიღწევის ზღვარზეა მანქანებში, სახლებში და პორტატულ მოწყობილობებში.

წყალბადის საწვავის უჯრედში ქიმიური ენერგია (წყალბადისა და ჟანგბადის სახით) პირდაპირ (წვის გარეშე) გარდაიქმნება ელექტრო ენერგიად. საწვავის უჯრედი შედგება კათოდის, ელექტროდების და ანოდისგან. წყალბადი მიეწოდება ანოდს, სადაც ის იყოფა პროტონებად და ელექტრონებად. პროტონებსა და ელექტრონებს აქვთ სხვადასხვა გზა კათოდისკენ. პროტონები ელექტროდის გავლით მიემართებიან კათოდამდე, ხოლო ელექტრონები მოძრაობენ საწვავის უჯრედების გარშემო, რათა მიაღწიონ კათოდს. ეს მოძრაობა ქმნის შემდგომ გამოსაყენებელ ელექტრო ენერგიას. მეორე მხრივ, წყალბადის პროტონები და ელექტრონები ერწყმის ჟანგბადს და წარმოქმნიან წყალს.

ელექტროლიზატორები წყლისგან წყალბადის ამოღების ერთ-ერთი გზაა. პროცესი ძირითადად საპირისპიროა, რაც ხდება წყალბადის საწვავის უჯრედის მუშაობისას. ელექტროლიზატორი შედგება ანოდისგან, ელექტროქიმიური უჯრედისა და კათოდისგან. წყალი და ძაბვა გამოიყენება ანოდზე, რომელიც წყალს ყოფს წყალბადად და ჟანგბადად. წყალბადი ელექტროქიმიური უჯრედის გავლით გადის კათოდში და ჟანგბადი მიეწოდება პირდაპირ კათოდს. იქიდან წყალბადის და ჟანგბადის მოპოვება და შენახვა შესაძლებელია. იმ დროს, როდესაც ელექტროენერგიის გამომუშავება არ არის საჭირო, დაგროვილი აირი შეიძლება ამოღებულ იქნეს საწყობიდან და უკან გადავიდეს საწვავის უჯრედში.

ეს სისტემა საწვავად იყენებს წყალბადს, რის გამოც, ალბათ, მრავალი მითი არსებობს მის უსაფრთხოებაზე. ჰინდენბურგის აფეთქების შემდეგ, მეცნიერებისგან შორს მყოფმა ბევრმა ადამიანმა და ზოგიერთმა მეცნიერმაც კი დაიწყო დაჯერება, რომ წყალბადის გამოყენება ძალიან საშიშია. თუმცა, ბოლოდროინდელმა კვლევებმა აჩვენა, რომ ამ ტრაგედიის მიზეზი იყო მასალის ტიპი, რომელიც გამოიყენეს მშენებლობაში და არა წყალბადი, რომელიც შიგნით იყო ამოტუმბული. წყალბადის შენახვის უსაფრთხოების შემოწმების შემდეგ აღმოჩნდა, რომ წყალბადის შენახვა საწვავის უჯრედებში უფრო უსაფრთხოავიდრე მანქანის საწვავის ავზში ბენზინის შენახვა.

რა ღირს თანამედროვე წყალბადის საწვავის უჯრედები?? კომპანიები ამჟამად სთავაზობენ წყალბადის საწვავის სისტემებს ენერგიის წარმოებისთვის დაახლოებით $3000 კილოვატზე. ბაზრის კვლევამ დაადგინა, რომ როდესაც ღირებულება $1500-მდე დაეცემა კილოვატზე, მასობრივი ენერგიის ბაზარზე მომხმარებლები მზად იქნებიან გადაერთონ ამ ტიპის საწვავზე.

წყალბადის საწვავის უჯრედების მანქანები ჯერ კიდევ უფრო ძვირია, ვიდრე წვის ძრავის მანქანები, მაგრამ მწარმოებლები იკვლევენ გზებს ფასის შესადარებელ დონემდე მიყვანისთვის. ზოგიერთ შორეულ რაიონში, სადაც არ არის ელექტროგადამცემი ხაზები, წყალბადის საწვავად ან სახლში ავტონომიური ელექტრომომარაგების გამოყენება შეიძლება ახლა უფრო ეკონომიური იყოს, ვიდრე, მაგალითად, ტრადიციული ენერგეტიკული მატარებლების ინფრასტრუქტურის აშენება.

რატომ არ არის ფართოდ გამოყენებული წყალბადის საწვავის უჯრედები? ამ დროისთვის მათი მაღალი ღირებულება წყალბადის საწვავის უჯრედების განაწილების მთავარი პრობლემაა. წყალბადის საწვავის სისტემებს უბრალოდ არ აქვთ მასობრივი მოთხოვნა ამჟამად. თუმცა, მეცნიერება არ დგას და უახლოეს მომავალში წყალზე მოძრავი მანქანა შეიძლება რეალურ რეალობად იქცეს.

საწვავის (წყალბადის) უჯრედების/უჯრედების დამზადება, აწყობა, ტესტირება და ტესტირება
იწარმოება ქარხნებში აშშ-სა და კანადაში

საწვავის (წყალბადის) უჯრედები/უჯრედები

კომპანია Intech GmbH / LLC Intech GmbH არის საინჟინრო მომსახურების ბაზარზე 1997 წლიდან, მრავალი წლის განმავლობაში სხვადასხვა სამრეწველო აღჭურვილობის ოფიციალური წარმომადგენელი, თქვენს ყურადღებას მოაქვს სხვადასხვა საწვავის (წყალბადის) უჯრედები / უჯრედები.

საწვავის უჯრედი/უჯრედი არის

საწვავის უჯრედების/უჯრედების უპირატესობები

საწვავის უჯრედი/უჯრედი არის მოწყობილობა, რომელიც ეფექტურად წარმოქმნის პირდაპირ დენსა და სითბოს წყალბადით მდიდარი საწვავიდან ელექტროქიმიური რეაქციის მეშვეობით.

საწვავის უჯრედი ბატარეის მსგავსია, რადგან ის წარმოქმნის პირდაპირ დენს ქიმიური რეაქციის შედეგად. საწვავის უჯრედი მოიცავს ანოდს, კათოდს და ელექტროლიტს. თუმცა, ბატარეებისგან განსხვავებით, საწვავის უჯრედები/უჯრედები ვერ ინახავს ელექტრო ენერგიას, არ იხსნება და არ საჭიროებს ელექტროენერგიის დატენვას. საწვავის უჯრედებს/უჯრედებს შეუძლიათ მუდმივად გამოიმუშაონ ელექტროენერგია, სანამ მათ ექნებათ საწვავი და ჰაერი.

სხვა ენერგეტიკული გენერატორებისგან განსხვავებით, როგორიცაა შიდა წვის ძრავები ან ტურბინები, რომლებიც იკვებება გაზით, ქვანახშირით, ზეთით და ა.შ., საწვავის უჯრედები/უჯრედები არ წვავს საწვავს. ეს ნიშნავს, რომ არ არის ხმაურიანი მაღალი წნევის როტორები, არ არის ხმამაღალი გამონაბოლქვი ხმაური, არ არის ვიბრაცია. საწვავის უჯრედები/უჯრედები წარმოქმნიან ელექტროენერგიას ჩუმი ელექტროქიმიური რეაქციის მეშვეობით. საწვავის უჯრედების/უჯრედების კიდევ ერთი მახასიათებელია ის, რომ ისინი საწვავის ქიმიურ ენერგიას პირდაპირ ელექტროენერგიაში, სითბოსა და წყალში გარდაქმნიან.

საწვავის უჯრედები ძალიან ეფექტურია და არ გამოიმუშავებს დიდი რაოდენობით სათბურის გაზებს, როგორიცაა ნახშირორჟანგი, მეთანი და აზოტის ოქსიდი. ექსპლუატაციის დროს გამოიყოფა მხოლოდ წყალი ორთქლის სახით და მცირე რაოდენობით ნახშირორჟანგი, რომელიც საერთოდ არ გამოიყოფა სუფთა წყალბადის საწვავად გამოყენების შემთხვევაში. საწვავის უჯრედები/უჯრედები იკრიბება შეკრებებად და შემდეგ ცალკეულ ფუნქციურ მოდულებად.

საწვავის უჯრედის/უჯრედის განვითარების ისტორია

1950-იან და 1960-იან წლებში საწვავის უჯრედებისთვის ერთ-ერთი ყველაზე დიდი გამოწვევა წარმოიშვა ეროვნული აერონავტიკისა და კოსმოსური ადმინისტრაციის (NASA) ენერგიის წყაროების საჭიროების გამო ხანგრძლივი კოსმოსური მისიებისთვის. NASA-ს ტუტე საწვავის უჯრედი იყენებს წყალბადს და ჟანგბადს, როგორც საწვავს, აერთიანებს ამ ორს ელექტროქიმიურ რეაქციაში. გამომავალი არის სამი რეაქციის გვერდითი პროდუქტი, რომელიც სასარგებლოა კოსმოსში ფრენისთვის - ელექტროენერგია კოსმოსური ხომალდის გასაძლიერებლად, წყალი სასმელი და გაგრილების სისტემებისთვის და სითბო ასტრონავტების სითბოს შესანარჩუნებლად.

საწვავის უჯრედების აღმოჩენა მე-19 საუკუნის დასაწყისით თარიღდება. საწვავის უჯრედების მოქმედების პირველი მტკიცებულება 1838 წელს იქნა მიღებული.

1930-იანი წლების ბოლოს დაიწყო მუშაობა ტუტე საწვავის უჯრედებზე და 1939 წლისთვის აშენდა უჯრედი მაღალი წნევის ნიკელის მოოქროვილი ელექტროდების გამოყენებით. მეორე მსოფლიო ომის დროს შეიქმნა საწვავის უჯრედები/უჯრედები ბრიტანეთის საზღვაო ძალების წყალქვეშა ნავებისთვის და 1958 წელს დაინერგა საწვავის შეკრება, რომელიც შედგებოდა 25 სმ დიამეტრის ტუტე საწვავის უჯრედებისგან/უჯრედებისგან.

ინტერესი გაიზარდა 1950-იან და 1960-იან წლებში და ასევე 1980-იან წლებში, როდესაც ინდუსტრიული სამყარო განიცდიდა მაზუთის დეფიციტს. ამავე პერიოდში მსოფლიო ქვეყნებიც შეშფოთდნენ ჰაერის დაბინძურების პრობლემაზე და განიხილეს ეკოლოგიურად სუფთა ელექტროენერგიის გამომუშავების გზები. ამჟამად საწვავის უჯრედების/უჯრედების ტექნოლოგია სწრაფ განვითარებას განიცდის.

როგორ მუშაობს საწვავის უჯრედები/უჯრედები

საწვავის უჯრედები/უჯრედები წარმოქმნიან ელექტროენერგიას და სითბოს მიმდინარე ელექტროქიმიური რეაქციის მეშვეობით ელექტროლიტის, კათოდის და ანოდის გამოყენებით.

ანოდი და კათოდი გამოყოფილია ელექტროლიტით, რომელიც ატარებს პროტონებს. ანოდში წყალბადის და კათოდში ჟანგბადის შესვლის შემდეგ იწყება ქიმიური რეაქცია, რის შედეგადაც წარმოიქმნება ელექტრო დენი, სითბო და წყალი.

ანოდის კატალიზატორზე მოლეკულური წყალბადი იშლება და კარგავს ელექტრონებს. წყალბადის იონები (პროტონები) ელექტროლიტის მეშვეობით მიემართება კათოდამდე, ხოლო ელექტრონები გადადიან ელექტროლიტში და გარე ელექტრული წრედის მეშვეობით, რაც ქმნის პირდაპირ დენს, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას აღჭურვილობის გასაძლიერებლად. კათოდის კატალიზატორზე ჟანგბადის მოლეკულა ერწყმის ელექტრონს (რომელიც მიეწოდება გარე კომუნიკაციებიდან) და შემომავალ პროტონს და აყალიბებს წყალს, რომელიც ერთადერთი რეაქციის პროდუქტია (ორთქლის და/ან სითხის სახით).

ქვემოთ მოცემულია შესაბამისი რეაქცია:

ანოდური რეაქცია: 2H 2 => 4H+ + 4e -
რეაქცია კათოდზე: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
ზოგადი ელემენტის რეაქცია: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

საწვავის უჯრედების/უჯრედების ტიპები და მრავალფეროვნება

სხვადასხვა ტიპის შიდა წვის ძრავების არსებობის მსგავსად, არსებობს სხვადასხვა ტიპის საწვავის უჯრედები - შესაბამისი ტიპის საწვავის უჯრედის არჩევანი დამოკიდებულია მის გამოყენებაზე.

საწვავის უჯრედები იყოფა მაღალ და დაბალ ტემპერატურად. დაბალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედებს სჭირდებათ შედარებით სუფთა წყალბადი, როგორც საწვავი. ეს ხშირად ნიშნავს, რომ საწვავის დამუშავება საჭიროა პირველადი საწვავის (როგორიცაა ბუნებრივი აირი) სუფთა წყალბადად გადაქცევისთვის. ეს პროცესი მოიხმარს დამატებით ენერგიას და მოითხოვს სპეციალურ აღჭურვილობას. მაღალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედებს არ სჭირდებათ ეს დამატებითი პროცედურა, რადგან მათ შეუძლიათ საწვავის "შინაგანად გარდაქმნა" მაღალ ტემპერატურაზე, რაც იმას ნიშნავს, რომ არ არის საჭირო წყალბადის ინფრასტრუქტურაში ინვესტირება.

საწვავის უჯრედები/უჯრედები მდნარ კარბონატზე (MCFC)

გამდნარი კარბონატის ელექტროლიტის საწვავის უჯრედები მაღალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედებია. მაღალი ოპერაციული ტემპერატურა საშუალებას იძლევა ბუნებრივი აირის პირდაპირი გამოყენება საწვავის პროცესორის გარეშე და დაბალი კალორიული ღირებულების საწვავი გაზი ტექნოლოგიური საწვავიდან და სხვა წყაროებიდან.

RCFC-ის მოქმედება განსხვავდება სხვა საწვავის უჯრედებისგან. ეს უჯრედები იყენებენ ელექტროლიტს გამდნარი კარბონატის მარილების ნარევიდან. ამჟამად გამოიყენება ორი სახის ნარევები: ლითიუმის კარბონატი და კალიუმის კარბონატი ან ლითიუმის კარბონატი და ნატრიუმის კარბონატი. კარბონატული მარილების დნობისთვის და ელექტროლიტში იონების მაღალი მობილურობის მისაღწევად, გამდნარი კარბონატის ელექტროლიტის მქონე საწვავის უჯრედები მუშაობენ მაღალ ტემპერატურაზე (650°C). ეფექტურობა მერყეობს 60-80% შორის.

როდესაც თბება 650°C ტემპერატურაზე, მარილები ხდება კარბონატული იონების გამტარებელი (CO 3 2-). ეს იონები კათოდიდან ანოდში გადადიან, სადაც წყალბადთან ერთად ქმნიან წყალს, ნახშირორჟანგს და თავისუფალ ელექტრონებს. ეს ელექტრონები იგზავნება გარე ელექტრული წრედის მეშვეობით კათოდში, წარმოქმნის ელექტრულ დენს და სითბოს, როგორც ქვეპროდუქტს.

ანოდური რეაქცია: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
რეაქცია კათოდზე: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
ზოგადი ელემენტის რეაქცია: H 2 (გ) + 1/2O 2 (გ) + CO 2 (კათოდი) => H 2 O (გ) + CO 2 (ანოდი)

გამდნარი კარბონატის ელექტროლიტის საწვავის უჯრედების მაღალ სამუშაო ტემპერატურას აქვს გარკვეული უპირატესობები. მაღალ ტემპერატურაზე ბუნებრივი აირი შინაგანად რეფორმირებულია, რაც გამორიცხავს საწვავის პროცესორის საჭიროებას. გარდა ამისა, უპირატესობებში შედის სამშენებლო სტანდარტული მასალების გამოყენების შესაძლებლობა, როგორიცაა უჟანგავი ფოლადის ფურცელი და ნიკელის კატალიზატორი ელექტროდებზე. ნარჩენი სითბო შეიძლება გამოყენებულ იქნას მაღალი წნევის ორთქლის შესაქმნელად სხვადასხვა სამრეწველო და კომერციული მიზნებისთვის.

ელექტროლიტში რეაქციის მაღალ ტემპერატურას ასევე აქვს თავისი უპირატესობები. მაღალი ტემპერატურის გამოყენებას დიდი დრო სჭირდება ოპტიმალური სამუშაო პირობების მისაღწევად და სისტემა უფრო ნელა რეაგირებს ენერგიის მოხმარების ცვლილებებზე. ეს მახასიათებლები საშუალებას იძლევა გამოიყენონ საწვავის უჯრედების სისტემები გამდნარი კარბონატის ელექტროლიტით მუდმივი სიმძლავრის პირობებში. მაღალი ტემპერატურა ხელს უშლის საწვავის უჯრედის დაზიანებას ნახშირბადის მონოქსიდით.

გამდნარი კარბონატის საწვავის უჯრედები შესაფერისია მსხვილ სტაციონალურ დანადგარებში გამოსაყენებლად. თბოელექტროსადგურები, რომელთა გამომავალი ელექტრო სიმძლავრეა 3.0 მეგავატი, წარმოებულია ინდუსტრიულად. მუშავდება 110 მგვტ-მდე გამომავალი სიმძლავრის სადგურები.

საწვავის უჯრედები/უჯრედები დაფუძნებული ფოსფორის მჟავაზე (PFC)

ფოსფორის (ორთოფოსფორის) მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედები იყო პირველი საწვავის უჯრედები კომერციული გამოყენებისთვის.

ფოსფორის (ორთოფოსფორის) მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედები იყენებენ ელექტროლიტს ორთოფოსფორის მჟავაზე (H 3 PO 4) კონცენტრაციით 100% -მდე. ფოსფორის მჟავას იონური გამტარობა დაბალია დაბალ ტემპერატურაზე, ამიტომ ეს საწვავის უჯრედები გამოიყენება 150-220°C-მდე ტემპერატურაზე.

ამ ტიპის საწვავის უჯრედებში მუხტის მატარებელია წყალბადი (H+, პროტონი). მსგავსი პროცესი ხდება პროტონების გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედებში, რომლებშიც ანოდისთვის მიწოდებული წყალბადი იყოფა პროტონებად და ელექტრონებად. პროტონები გადიან ელექტროლიტში და ერწყმის ჟანგბადს ჰაერიდან კათოდში და წარმოქმნიან წყალს. ელექტრონები მიმართულია გარე ელექტრული წრედის გასწვრივ და წარმოიქმნება ელექტრული დენი. ქვემოთ მოცემულია რეაქციები, რომლებიც წარმოქმნიან ელექტროენერგიას და სითბოს.

რეაქცია ანოდზე: 2H 2 => 4H + + 4e -
რეაქცია კათოდზე: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H 2 O
ზოგადი ელემენტის რეაქცია: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

ფოსფორის (ორთოფოსფორის) მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედების ეფექტურობა ელექტროენერგიის გამომუშავებისას 40%-ზე მეტია. სითბოს და ელექტროენერგიის კომბინირებულ წარმოებაში, საერთო ეფექტურობა არის დაახლოებით 85%. გარდა ამისა, სამუშაო ტემპერატურის გათვალისწინებით, ნარჩენი სითბო შეიძლება გამოყენებულ იქნას წყლის გასათბობად და ორთქლის წარმოქმნისთვის ატმოსფერულ წნევაზე.

ფოსფორის (ორთოფოსფორის) მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედებზე თბოელექტროსადგურების მაღალი შესრულება სითბოს და ელექტროენერგიის კომბინირებულ წარმოებაში არის ამ ტიპის საწვავის უჯრედების ერთ-ერთი უპირატესობა. მცენარეები იყენებენ ნახშირბადის მონოქსიდს კონცენტრაციით დაახლოებით 1,5%, რაც მნიშვნელოვნად აფართოებს საწვავის არჩევანს. გარდა ამისა, CO 2 არ მოქმედებს ელექტროლიტზე და საწვავის უჯრედის მუშაობაზე, ამ ტიპის უჯრედი მუშაობს რეფორმირებული ბუნებრივი საწვავით. მარტივი კონსტრუქცია, ელექტროლიტების დაბალი არასტაბილურობა და გაზრდილი სტაბილურობა ასევე ამ ტიპის საწვავის უჯრედის უპირატესობაა.

თბოელექტროსადგურები, რომელთა გამომავალი ელექტრო სიმძლავრე 500 კვტ-მდეა, წარმოებულია ინდუსტრიულად. 11 მგვტ სიმძლავრის დანადგარებმა გავლილი აქვთ შესაბამისი ტესტები. მუშავდება 100 მგვტ-მდე გამომავალი სიმძლავრის სადგურები.

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები/უჯრედები (SOFC)

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები არის საწვავის უჯრედები, რომლებსაც აქვთ უმაღლესი სამუშაო ტემპერატურა. ოპერაციული ტემპერატურა შეიძლება განსხვავდებოდეს 600°C-დან 1000°C-მდე, რაც იძლევა სხვადასხვა ტიპის საწვავის გამოყენების შესაძლებლობას სპეციალური წინასწარი დამუშავების გარეშე. ამ მაღალი ტემპერატურის მოსაგვარებლად გამოყენებული ელექტროლიტი არის თხელი კერამიკული მყარი ლითონის ოქსიდი, ხშირად იტრიუმის და ცირკონიუმის შენადნობი, რომელიც არის ჟანგბადის (O 2-) იონების გამტარი.

მყარი ელექტროლიტი უზრუნველყოფს გაზის ჰერმეტულ გადასვლას ერთი ელექტროდიდან მეორეზე, ხოლო თხევადი ელექტროლიტები განლაგებულია ფოროვან სუბსტრატში. ამ ტიპის საწვავის უჯრედებში მუხტის მატარებელია ჟანგბადის იონი (O 2-). კათოდზე ჟანგბადის მოლეკულები ჰაერიდან იყოფა ჟანგბადის იონად და ოთხ ელექტრონად. ჟანგბადის იონები გადის ელექტროლიტში და ერწყმის წყალბადს ოთხი თავისუფალი ელექტრონის წარმოქმნით. ელექტრონები მიმართულია გარე ელექტრული წრედის მეშვეობით, წარმოქმნის ელექტრო დენს და ნარჩენ სითბოს.

რეაქცია ანოდზე: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
რეაქცია კათოდზე: O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
ზოგადი ელემენტის რეაქცია: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

გამომუშავებული ელექტროენერგიის ეფექტურობა ყველაზე მაღალია საწვავის უჯრედებს შორის - დაახლოებით 60-70%. მაღალი სამუშაო ტემპერატურა იძლევა სითბოს და ენერგიის კომბინირებულ გამომუშავებას მაღალი წნევის ორთქლის წარმოქმნით. მაღალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედის ტურბინასთან შერწყმა ქმნის ჰიბრიდულ საწვავის უჯრედს, რათა გაზარდოს ენერგიის გამომუშავების ეფექტურობა 75%-მდე.

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები ფუნქციონირებს ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე (600°C - 1000°C), რის შედეგადაც დიდი ხნის განმავლობაში მიიღწევა ოპტიმალური სამუშაო პირობები და სისტემა უფრო ნელა რეაგირებს ენერგიის მოხმარების ცვლილებებზე. ასეთ მაღალ ოპერაციულ ტემპერატურაზე არ არის საჭირო გადამყვანი საწვავიდან წყალბადის აღსადგენად, რაც საშუალებას აძლევს თბოელექტროსადგურს იმუშაოს ნახშირის გაზიფიკაციის ან ნარჩენი აირების შედარებით უწმინდური საწვავებით და ა.შ. ასევე, ეს საწვავის უჯრედი შესანიშნავია მაღალი სიმძლავრის გამოყენებისთვის, მათ შორის სამრეწველო და დიდი ცენტრალური ელექტროსადგურებისთვის. სამრეწველო წარმოების მოდულები გამომავალი ელექტრული სიმძლავრით 100 კვტ.

საწვავის უჯრედები/უჯრედები პირდაპირი მეთანოლის დაჟანგვით (DOMTE)

საწვავის უჯრედების გამოყენების ტექნოლოგია მეთანოლის პირდაპირი დაჟანგვით გადის აქტიური განვითარების პერიოდს. მან წარმატებით დაიმკვიდრა თავი მობილური ტელეფონების, ლეპტოპების კვების, ასევე პორტატული ენერგიის წყაროების შექმნის სფეროში. რაზეა მიმართული ამ ელემენტების სამომავლო გამოყენება.

საწვავის უჯრედების სტრუქტურა მეთანოლის პირდაპირი დაჟანგვით მსგავსია საწვავის უჯრედების პროტონების გაცვლის მემბრანით (MOFEC), ე.ი. პოლიმერი გამოიყენება როგორც ელექტროლიტი, ხოლო წყალბადის იონი (პროტონი) გამოიყენება მუხტის მატარებლად. თუმცა, თხევადი მეთანოლი (CH 3 OH) ანოდში წყლის თანდასწრებით იჟანგება, გამოყოფს CO 2 , წყალბადის იონებს და ელექტრონებს, რომლებიც იმართება გარე ელექტრული წრეში და წარმოიქმნება ელექტრული დენი. წყალბადის იონები გადიან ელექტროლიტში და რეაგირებენ ჟანგბადთან ჰაერიდან და ელექტრონებით გარე წრედიდან ანოდში წყლის წარმოქმნით.

რეაქცია ანოდზე: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
რეაქცია კათოდზე: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
ზოგადი ელემენტის რეაქცია: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

ამ ტიპის საწვავის უჯრედების უპირატესობა არის მათი მცირე ზომები, თხევადი საწვავის გამოყენების გამო და კონვერტორის გამოყენების საჭიროების არარსებობის გამო.

ტუტე საწვავის უჯრედები/უჯრედები (AFC)

ტუტე საწვავის უჯრედები ერთ-ერთი ყველაზე ეფექტური უჯრედია, რომელიც გამოიყენება ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის, ელექტროენერგიის გამომუშავების ეფექტურობა 70%-მდე აღწევს.

ტუტე საწვავის უჯრედები იყენებენ ელექტროლიტს, ანუ კალიუმის ჰიდროქსიდის წყალხსნარს, რომელიც შეიცავს ფოროვან, სტაბილიზებულ მატრიცას. კალიუმის ჰიდროქსიდის კონცენტრაცია შეიძლება განსხვავდებოდეს საწვავის უჯრედის მუშაობის ტემპერატურის მიხედვით, რომელიც მერყეობს 65°C-დან 220°C-მდე. SFC-ში მუხტის მატარებელი არის ჰიდროქსიდის იონი (OH-), რომელიც მოძრაობს კათოდიდან ანოდამდე, სადაც იგი რეაგირებს წყალბადთან წყლისა და ელექტრონების წარმოქმნით. ანოდზე წარმოქმნილი წყალი უკან გადადის კათოდში და იქ კვლავ წარმოქმნის ჰიდროქსიდის იონებს. საწვავის უჯრედში მიმდინარე რეაქციების ამ სერიის შედეგად წარმოიქმნება ელექტროენერგია და, როგორც გვერდითი პროდუქტი, სითბო:

რეაქცია ანოდზე: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
რეაქცია კათოდზე: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
სისტემის ზოგადი რეაქცია: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

SFC-ების უპირატესობა ის არის, რომ ეს საწვავის უჯრედები წარმოებისთვის ყველაზე იაფია, რადგან ელექტროდებზე საჭირო კატალიზატორი შეიძლება იყოს ნებისმიერი ნივთიერება, რომელიც უფრო იაფია, ვიდრე სხვა საწვავის უჯრედების კატალიზატორად გამოყენებული. SCFC-ები მუშაობენ შედარებით დაბალ ტემპერატურაზე და არიან ერთ-ერთი ყველაზე ეფექტური საწვავის უჯრედები - ასეთმა მახასიათებლებმა შეიძლება შესაბამისად შეუწყოს ხელი ენერგიის უფრო სწრაფ გამომუშავებას და საწვავის მაღალ ეფექტურობას.

SHTE-ის ერთ-ერთი დამახასიათებელი მახასიათებელია მისი მაღალი მგრძნობელობა CO 2-ის მიმართ, რომელიც შეიძლება შეიცავდეს საწვავს ან ჰაერს. CO 2 რეაგირებს ელექტროლიტთან, სწრაფად წამლავს მას და მნიშვნელოვნად ამცირებს საწვავის უჯრედის ეფექტურობას. ამიტომ, SFC-ების გამოყენება შემოიფარგლება დახურულ სივრცეებში, როგორიცაა კოსმოსური და წყალქვეშა მანქანები, ისინი უნდა მუშაობდნენ სუფთა წყალბადზე და ჟანგბადზე. უფრო მეტიც, მოლეკულები, როგორიცაა CO, H 2 O და CH4, რომლებიც უსაფრთხოა სხვა საწვავის უჯრედებისთვის და ზოგიერთი მათგანისთვის საწვავიც კი, საზიანოა SFC-ებისთვის.

პოლიმერული ელექტროლიტის საწვავის უჯრედები/უჯრედები (PETE)

პოლიმერული ელექტროლიტის საწვავის უჯრედების შემთხვევაში, პოლიმერული მემბრანა შედგება პოლიმერული ბოჭკოებისგან წყლის რეგიონებით, რომლებშიც წყლის იონების გამტარობა (H 2 O + (პროტონი, წითელი) არის მიმაგრებული წყლის მოლეკულაზე). წყლის მოლეკულები წარმოადგენენ პრობლემას ნელი იონების გაცვლის გამო. ამიტომ საჭიროა წყლის მაღალი კონცენტრაცია როგორც საწვავში, ასევე გამონაბოლქვი ელექტროდებზე, რაც ზღუდავს სამუშაო ტემპერატურას 100°C-მდე.

მყარი მჟავა საწვავის უჯრედები/უჯრედები (SCFC)

მყარი მჟავა საწვავის უჯრედებში ელექტროლიტი (CsHSO 4) არ შეიცავს წყალს. სამუშაო ტემპერატურა ამიტომ არის 100-300°C. SO 4 2- ოქსი ანიონების ბრუნვა პროტონებს (წითელ) საშუალებას აძლევს გადაადგილდნენ, როგორც ეს ნაჩვენებია სურათზე. როგორც წესი, მყარი მჟავა საწვავის უჯრედი არის სენდვიჩი, რომელშიც მყარი მჟავა ნაერთის ძალიან თხელი ფენა მოთავსებულია ორ მჭიდროდ შეკუმშულ ელექტროდს შორის კარგი კონტაქტის უზრუნველსაყოფად. როდესაც გაცხელდება, ორგანული კომპონენტი აორთქლდება, ტოვებს ელექტროდების ფორებს და ინარჩუნებს მრავალი კონტაქტის უნარს საწვავს (ან ჟანგბადს უჯრედის მეორე ბოლოში), ელექტროლიტსა და ელექტროდებს შორის.

ენერგიის დაზოგვის ინოვაციური მუნიციპალური სითბო და ელექტროსადგურები, როგორც წესი, აგებულია მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედებზე (SOFC), პოლიმერული ელექტროლიტის საწვავის უჯრედებზე (PEFCs), ფოსფორმჟავას საწვავის უჯრედებზე (PCFCs), პროტონების გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედებზე (MPFC) და ტუტე საწვავის უჯრედებზე ( APFCs). მათ ჩვეულებრივ აქვთ შემდეგი მახასიათებლები:

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები (SOFC) უნდა იყოს აღიარებული, როგორც ყველაზე შესაფერისი, რომელიც:

• მუშაობენ მაღალ ტემპერატურაზე, რაც ამცირებს ძვირადღირებული ძვირფასი ლითონების (როგორიცაა პლატინის) საჭიროებას.
• შეუძლია მუშაობა სხვადასხვა სახის ნახშირწყალბადის საწვავზე, ძირითადად ბუნებრივ აირზე
• აქვთ გაშვების უფრო დიდი დრო და ამიტომ უფრო მეტად შეეფერება გრძელვადიან მუშაობას
• ელექტროენერგიის გამომუშავების მაღალი ეფექტურობის დემონსტრირება (70%-მდე).
• მაღალი ოპერაციული ტემპერატურის გამო, დანადგარები შეიძლება გაერთიანდეს სითბოს აღდგენის სისტემებთან, რაც ზრდის სისტემის საერთო ეფექტურობას 85%-მდე.
• აქვს თითქმის ნულოვანი გამონაბოლქვი, მუშაობს ჩუმად და აქვს დაბალი სამუშაო მოთხოვნები ელექტროენერგიის წარმოების არსებულ ტექნოლოგიებთან შედარებით

საწვავის უჯრედის ტიპი	სამუშაო ტემპერატურა	ენერგიის გამომუშავების ეფექტურობა	საწვავის ტიპი	განაცხადის არეალი
RKTE	550–700°C	50-70%		საშუალო და დიდი დანადგარები
FKTE	100–220°C	35-40%	სუფთა წყალბადი	დიდი დანადგარები
MOPTE	30-100°C	35-50%	სუფთა წყალბადი	მცირე დანადგარები
SOFC	450–1000°C	45-70%	ნახშირწყალბადის საწვავის უმეტესობა	მცირე, საშუალო და დიდი დანადგარები
POMTE	20-90°C	20-30%	მეთანოლი	პორტატული
შტე	50–200°C	40-70%	სუფთა წყალბადი	კოსმოსური კვლევა
პეტი	30-100°C	35-50%	სუფთა წყალბადი	მცირე დანადგარები

ვინაიდან მცირე თბოელექტროსადგურები შეიძლება დაკავშირებული იყოს ჩვეულებრივი გაზის მიწოდების ქსელთან, საწვავის უჯრედებს არ სჭირდებათ წყალბადის მიწოდების ცალკეული სისტემა. მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედებზე დაფუძნებული მცირე თბოელექტროსადგურების გამოყენებისას, წარმოქმნილი სითბო შეიძლება ინტეგრირებული იყოს სითბოს გადამცვლელებში წყლის გასათბობად და ჰაერის ვენტილაციისთვის, რაც ზრდის სისტემის საერთო ეფექტურობას. ეს ინოვაციური ტექნოლოგია საუკეთესოდ შეეფერება ეფექტური ენერგიის გამომუშავებას ძვირადღირებული ინფრასტრუქტურისა და რთული ინსტრუმენტების ინტეგრაციის საჭიროების გარეშე.

საწვავის უჯრედის/უჯრედის აპლიკაციები

საწვავის უჯრედების/უჯრედების გამოყენება სატელეკომუნიკაციო სისტემებში

მთელ მსოფლიოში უკაბელო საკომუნიკაციო სისტემების სწრაფი გავრცელებით და მობილური ტელეფონების ტექნოლოგიის მზარდი სოციალური და ეკონომიკური სარგებლით, საიმედო და ეფექტური სარეზერვო ენერგიის საჭიროება გახდა კრიტიკული. ქსელის დანაკარგები მთელი წლის განმავლობაში უამინდობის, ბუნებრივი კატასტროფების ან ქსელის შეზღუდული სიმძლავრის გამო მუდმივი გამოწვევაა ქსელის ოპერატორებისთვის.

სატელეკომუნიკაციო ელექტროენერგიის სარეზერვო გადაწყვეტილებები მოიცავს ბატარეებს (სარქველებით რეგულირებადი ტყვიის მჟავა ბატარეის ელემენტი) მოკლევადიანი სარეზერვო ენერგიისთვის და დიზელის და პროპანის გენერატორებს უფრო გრძელი სარეზერვო ენერგიისთვის. ბატარეები სარეზერვო ენერგიის შედარებით იაფი წყაროა 1-დან 2 საათამდე. თუმცა, ბატარეები არ არის შესაფერისი უფრო ხანგრძლივი სარეზერვო პერიოდისთვის, რადგან მათი შენახვა ძვირია, ხანგრძლივი გამოყენების შემდეგ ხდება არასანდო, მგრძნობიარეა ტემპერატურის მიმართ და სახიფათოა გარემოსთვის განადგურების შემდეგ. დიზელისა და პროპანის გენერატორებს შეუძლიათ უზრუნველყონ უწყვეტი სარეზერვო ენერგია. თუმცა, გენერატორები შეიძლება იყოს არასანდო, საჭიროებენ ვრცელ მოვლა-პატრონობას და ატმოსფეროში გამოყოფენ დამაბინძურებლებისა და სათბურის გაზების მაღალ დონეს.

ტრადიციული სარეზერვო ენერგიის გადაწყვეტილებების შეზღუდვების აღმოსაფხვრელად, შემუშავებულია ინოვაციური მწვანე საწვავის უჯრედების ტექნოლოგია. საწვავის უჯრედები საიმედო, ჩუმია, შეიცავს ნაკლებ მოძრავ ნაწილებს, ვიდრე გენერატორს, აქვთ უფრო ფართო ოპერაციული ტემპერატურის დიაპაზონი, ვიდრე ბატარეა -40°C-დან +50°C-მდე და, შედეგად, უზრუნველყოფს ენერგიის დაზოგვის უკიდურესად მაღალ დონეს. გარდა ამისა, ასეთი ქარხნის სიცოცხლის ღირებულება უფრო დაბალია, ვიდრე გენერატორის. საწვავის უჯრედზე დაბალი ღირებულება არის წელიწადში მხოლოდ ერთი სარემონტო ვიზიტის და ქარხნის მნიშვნელოვნად მაღალი პროდუქტიულობის შედეგი. ყოველივე ამის შემდეგ, საწვავის უჯრედი არის ეკოლოგიურად სუფთა ტექნოლოგიური გადაწყვეტა მინიმალური გარემოზე ზემოქმედებით.

საწვავის უჯრედები უზრუნველყოფენ სარეზერვო ენერგიას კრიტიკული საკომუნიკაციო ქსელის ინფრასტრუქტურისთვის სატელეკომუნიკაციო სისტემაში უკაბელო, მუდმივი და ფართოზოლოვანი კომუნიკაციებისთვის, 250 ვტ-დან 15 კვტ-მდე, ისინი გვთავაზობენ ბევრ შეუდარებელ ინოვაციურ ფუნქციას:

• სანდოობა- ცოტა მოძრავი ნაწილი და ლოდინის გამონადენი არ არის
• ᲔᲜᲔᲠᲒᲝᲠᲔᲜᲢᲐᲑᲔᲚᲣᲠᲝᲑᲐ
• დუმილი- დაბალი ხმაურის დონე
• სტაბილურობა- მუშაობის დიაპაზონი -40°C-დან +50°C-მდე
• ადაპტაციის უნარი- გარე და შიდა მონტაჟი (კონტეინერი/დამცავი კონტეინერი)
• მაღალი სიმძლავრე- 15 კვტ-მდე
• დაბალი ტექნიკური საჭიროება- მინიმალური წლიური მოვლა
• ᲔᲙᲝᲜᲝᲛᲘᲐ- საკუთრების მიმზიდველი მთლიანი ღირებულება
• სუფთა ენერგია- დაბალი ემისიები გარემოზე მინიმალური ზემოქმედებით

სისტემა მუდმივად გრძნობს მუდმივი ავტობუსის ძაბვას და შეუფერხებლად იღებს კრიტიკულ დატვირთვებს, თუ მუდმივი ავტობუსის ძაბვა დაეცემა მომხმარებლის მიერ განსაზღვრულ დანიშნულების წერტილს ქვემოთ. სისტემა მუშაობს წყალბადზე, რომელიც შედის საწვავის უჯრედების დასტაში ორიდან ერთი გზით - ან წყალბადის კომერციული წყაროდან, ან მეთანოლისა და წყლის თხევადი საწვავიდან, ბორტ რეფორმატორის სისტემის გამოყენებით.

ელექტროენერგია იწარმოება საწვავის უჯრედების დასტაზე პირდაპირი დენის სახით. მუდმივი სიმძლავრე იგზავნება გადამყვანში, რომელიც გარდაქმნის დაურეგულირებელ მუდმივ სიმძლავრეს საწვავის უჯრედების დასტადან მაღალი ხარისხის, რეგულირებად მუდმივ სიმძლავრედ საჭირო დატვირთვებისთვის. საწვავის უჯრედის ინსტალაციას შეუძლია უზრუნველყოს სარეზერვო ენერგია მრავალი დღის განმავლობაში, რადგან ხანგრძლივობა შემოიფარგლება მხოლოდ მარაგში არსებული წყალბადის ან მეთანოლის/წყლის საწვავის რაოდენობით.

საწვავის უჯრედები გვთავაზობენ უმაღლესი ენერგოეფექტურობას, გაზრდილი სისტემის საიმედოობას, უფრო პროგნოზირებად შესრულებას კლიმატის ფართო სპექტრში და საიმედო მომსახურების ხანგრძლივობას ინდუსტრიის სტანდარტული სარქველებით რეგულირებადი ტყვიის მჟავა ბატარეების პაკეტებთან შედარებით. სასიცოცხლო ციკლის ხარჯები ასევე დაბალია მოვლისა და გამოცვლის მნიშვნელოვნად ნაკლები მოთხოვნების გამო. საწვავის უჯრედები სთავაზობენ საბოლოო მომხმარებელს ეკოლოგიურ სარგებელს, რადგან ტყვიის მჟავას უჯრედებთან დაკავშირებული უტილიზაციის ხარჯები და პასუხისმგებლობის რისკები მზარდი შეშფოთებაა.

ელექტრო ბატარეების მუშაობაზე შეიძლება უარყოფითად იმოქმედოს ფაქტორების ფართო სპექტრმა, როგორიცაა დატენვის დონე, ტემპერატურა, ციკლები, სიცოცხლის ხანგრძლივობა და სხვა ცვლადები. მოწოდებული ენერგია განსხვავდება ამ ფაქტორების მიხედვით და არ არის ადვილი პროგნოზირება. პროტონების გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედის (PEMFC) მუშაობა შედარებით გავლენას არ ახდენს ამ ფაქტორებზე და შეუძლია უზრუნველყოს კრიტიკული სიმძლავრე, სანამ საწვავი ხელმისაწვდომია. გაზრდილი პროგნოზირებადობა მნიშვნელოვანი სარგებელია საწვავის უჯრედებზე გადასვლისას მისიის კრიტიკული სარეზერვო ენერგიის აპლიკაციებისთვის.

საწვავის უჯრედები გამოიმუშავებენ ენერგიას მხოლოდ მაშინ, როდესაც საწვავი მიეწოდება, როგორც გაზის ტურბინის გენერატორი, მაგრამ არ აქვთ მოძრავი ნაწილები გენერირების ზონაში. ამიტომ, გენერატორისგან განსხვავებით, ისინი არ ექვემდებარება სწრაფ ცვეთას და არ საჭიროებს მუდმივ მოვლას და შეზეთვას.

საწვავი, რომელიც გამოიყენება გაფართოებული ხანგრძლივობის საწვავის გადამყვანისთვის, არის მეთანოლისა და წყლის ნარევი. მეთანოლი არის ფართოდ ხელმისაწვდომი კომერციული საწვავი, რომელსაც ამჟამად აქვს მრავალი გამოყენება, მათ შორის საქარე მინის გამრეცხი, პლასტმასის ბოთლები, ძრავის დანამატები და ემულსიური საღებავები. მეთანოლი ადვილად ტრანსპორტირებადია, წყალთან შერევა, აქვს კარგი ბიოდეგრადირება და არ შეიცავს გოგირდს. მას აქვს დაბალი გაყინვის წერტილი (-71°C) და არ იშლება ხანგრძლივი შენახვისას.

საწვავის უჯრედების/უჯრედების გამოყენება საკომუნიკაციო ქსელებში

უსაფრთხოების ქსელებს ესაჭიროებათ საიმედო სარეზერვო დენის გადაწყვეტილებები, რომლებიც შეიძლება გაგრძელდეს საათობით ან დღეებით საგანგებო სიტუაციებში, თუ ელექტროგადამცემი ქსელი მიუწვდომელია.

რამდენიმე მოძრავი ნაწილებით და ლოდინის რეჟიმში ენერგიის შემცირების გარეშე, საწვავის უჯრედების ინოვაციური ტექნოლოგია გთავაზობთ მიმზიდველ გადაწყვეტას ამჟამად არსებულ სარეზერვო ენერგოსისტემებთან შედარებით.

საკომუნიკაციო ქსელებში საწვავის უჯრედების ტექნოლოგიის გამოყენების ყველაზე დამაჯერებელი მიზეზი არის გაზრდილი საერთო საიმედოობა და უსაფრთხოება. ისეთი მოვლენების დროს, როგორიცაა ელექტროენერგიის გათიშვა, მიწისძვრა, ქარიშხალი და ქარიშხალი, მნიშვნელოვანია, რომ სისტემამ გააგრძელოს მუშაობა და ჰქონდეს საიმედო სარეზერვო ელექტრომომარაგება დიდი ხნის განმავლობაში, მიუხედავად სარეზერვო ენერგოსისტემის ტემპერატურისა და ასაკისა.

საწვავის უჯრედების ელექტრომომარაგების დიაპაზონი იდეალურია უსაფრთხო საკომუნიკაციო ქსელების მხარდასაჭერად. ენერგიის დაზოგვის დიზაინის პრინციპების წყალობით, ისინი უზრუნველყოფენ ეკოლოგიურად სუფთა, საიმედო სარეზერვო სიმძლავრეს გახანგრძლივებული ხანგრძლივობით (რამდენიმე დღემდე) გამოსაყენებლად სიმძლავრის დიაპაზონში 250 W-დან 15 კვტ-მდე.

საწვავის უჯრედების/უჯრედების გამოყენება მონაცემთა ქსელებში

მონაცემთა ქსელების სანდო ელექტრომომარაგება, როგორიცაა მაღალსიჩქარიანი მონაცემთა ქსელები და ოპტიკურ-ბოჭკოვანი ხერხემალი, საკვანძო მნიშვნელობისაა მთელ მსოფლიოში. ასეთი ქსელებით გადაცემული ინფორმაცია შეიცავს კრიტიკულ მონაცემებს ისეთი ინსტიტუტებისთვის, როგორიცაა ბანკები, ავიახაზები ან სამედიცინო ცენტრები. ასეთ ქსელებში ელექტროენერგიის გათიშვა არა მხოლოდ საფრთხეს უქმნის გადაცემულ ინფორმაციას, არამედ, როგორც წესი, იწვევს მნიშვნელოვან ფინანსურ ზარალს. სანდო, ინოვაციური საწვავის უჯრედების ინსტალაციები, რომლებიც უზრუნველყოფენ ლოდინის ენერგიას, უზრუნველყოფენ საიმედოობას, რომელიც გჭირდებათ უწყვეტი ენერგიის უზრუნველსაყოფად.

საწვავის უჯრედები, რომლებიც მუშაობენ მეთანოლისა და წყლის თხევადი საწვავის ნარევზე, ​​უზრუნველყოფენ საიმედო სარეზერვო ელექტრომომარაგებას გახანგრძლივებული ხანგრძლივობით, რამდენიმე დღემდე. გარდა ამისა, ამ დანაყოფებს აქვთ მნიშვნელოვნად შემცირებული ტექნიკური მოთხოვნები გენერატორებთან და ბატარეებთან შედარებით, რაც მოითხოვს წელიწადში მხოლოდ ერთ ტექნიკურ ვიზიტს.

საწვავის უჯრედების დანადგარების გამოყენების ტიპიური აპლიკაციის მახასიათებლები მონაცემთა ქსელებში:

• აპლიკაციები სიმძლავრის შეყვანით 100 W-დან 15 კვტ-მდე
• აპლიკაციები ბატარეის მუშაობის მოთხოვნებით > 4 საათი
• ოპტიკურ-ბოჭკოვანი სისტემების გამეორებები (სინქრონული ციფრული სისტემების იერარქია, მაღალსიჩქარიანი ინტერნეტი, ხმა IP-ზე...)
• მონაცემთა მაღალსიჩქარიანი გადაცემის ქსელური კვანძები
• WiMAX გადაცემის კვანძები

საწვავის უჯრედების ლოდინის ინსტალაცია უამრავ უპირატესობას გვთავაზობს კრიტიკული მონაცემთა ქსელის ინფრასტრუქტურისთვის ტრადიციულ ბატარეასთან ან დიზელის გენერატორებთან შედარებით, რაც საშუალებას იძლევა გაზარდოს ადგილზე გამოყენება:

1. თხევადი საწვავის ტექნოლოგია წყვეტს წყალბადის შენახვის პრობლემას და უზრუნველყოფს პრაქტიკულად შეუზღუდავი სარეზერვო სიმძლავრეს.
2. მათი მშვიდი მუშაობის, დაბალი წონის, ტემპერატურის ცვლილებებისადმი გამძლეობისა და პრაქტიკულად ვიბრაციის გარეშე მუშაობის წყალობით, საწვავის უჯრედები შეიძლება დამონტაჟდეს გარეთ, სამრეწველო შენობებში/კონტეინერებში ან სახურავებზე.
3. სისტემის გამოყენებისთვის ადგილზე მზადება სწრაფი და ეკონომიურია, ხოლო ექსპლუატაციის ღირებულება დაბალია.
4. საწვავი ბიოდეგრადირებადია და წარმოადგენს ეკოლოგიურად სუფთა გადაწყვეტას ურბანული გარემოსთვის.

საწვავის უჯრედების/უჯრედების გამოყენება უსაფრთხოების სისტემებში

ყველაზე ფრთხილად შემუშავებული შენობების უსაფრთხოებისა და კომუნიკაციის სისტემები ისეთივე საიმედოა, როგორც ძალა, რომელიც მათ ძალას აძლევს. მიუხედავად იმისა, რომ სისტემების უმეტესობა მოიცავს გარკვეული ტიპის სარეზერვო უწყვეტ ენერგოსისტემას ელექტროენერგიის მოკლევადიანი დანაკარგებისთვის, ისინი არ ითვალისწინებენ ელექტროენერგიის ხანგრძლივ შეწყვეტას, რაც შეიძლება მოხდეს ბუნებრივი კატასტროფების ან ტერორისტული თავდასხმების შემდეგ. ეს შეიძლება იყოს კრიტიკული საკითხი მრავალი კორპორატიული და სამთავრობო უწყებისთვის.

სასიცოცხლო მნიშვნელობის სისტემები, როგორიცაა CCTV მონიტორინგი და წვდომის კონტროლის სისტემები (ID ბარათის წამკითხველები, კარის დახურვის მოწყობილობები, ბიომეტრიული იდენტიფიკაციის ტექნოლოგია და ა. უწყვეტი ელექტრომომარაგების საიმედო ალტერნატიული წყარო.

დიზელის გენერატორები ხმაურიანია, ძნელად მოსაძებნია და კარგად იციან მათი საიმედოობისა და ტექნიკური საკითხების შესახებ. ამის საპირისპიროდ, საწვავის უჯრედის სარეზერვო ინსტალაცია არის ჩუმი, საიმედო, აქვს ნულოვანი ან ძალიან დაბალი გამონაბოლქვი და ადვილად დამონტაჟდება სახურავზე ან შენობის გარეთ. ლოდინის რეჟიმში ის არ ითიშება და არ კარგავს ენერგიას. ის უზრუნველყოფს კრიტიკული სისტემების მუდმივ მუშაობას, მაშინაც კი, როცა დაწესებულება შეწყვეტს ფუნქციონირებას და შენობა ადამიანთა მიერ არის მიტოვებული.

საწვავის უჯრედების ინოვაციური დანადგარები იცავს ძვირადღირებულ ინვესტიციებს კრიტიკულ პროგრამებში. ისინი უზრუნველყოფენ ეკოლოგიურად სუფთა, საიმედო, ხანგრძლივ სარეზერვო სიმძლავრეს (მრავალ დღემდე) გამოსაყენებლად 250 ვტ-დან 15 კვტ-მდე სიმძლავრის დიაპაზონში, მრავალ შეუდარებელ მახასიათებლებთან და, განსაკუთრებით, ენერგიის დაზოგვის მაღალ დონესთან ერთად.

საწვავის უჯრედის სიმძლავრის სარეზერვო დანადგარები უამრავ უპირატესობას გვთავაზობენ კრიტიკული აპლიკაციებისთვის, როგორიცაა უსაფრთხოება და შენობის მართვის სისტემები ტრადიციულ ბატარეებთან ან დიზელის გენერატორებთან შედარებით. თხევადი საწვავის ტექნოლოგია წყვეტს წყალბადის შენახვის პრობლემას და უზრუნველყოფს პრაქტიკულად შეუზღუდავი სარეზერვო სიმძლავრეს.

საწვავის უჯრედების/უჯრედების გამოყენება სახლის გათბობასა და ელექტროენერგიის წარმოებაში

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები (SOFCs) გამოიყენება საიმედო, ენერგოეფექტური და ემისიების გარეშე თბოელექტროსადგურების ასაშენებლად, რათა გამოიმუშაონ ელექტროენერგია და სითბო ფართოდ ხელმისაწვდომი ბუნებრივი აირისა და განახლებადი საწვავის წყაროებიდან. ეს ინოვაციური დანადგარები გამოიყენება მრავალფეროვან ბაზრებზე, დაწყებული შიდა ელექტროენერგიის გამომუშავებით ელექტროენერგიის მიწოდებამდე შორეულ ტერიტორიებამდე, ისევე როგორც დამხმარე ენერგიის წყაროებით.

ენერგიის დაზოგვის ეს დანადგარები აწარმოებენ სითბოს სივრცისა და წყლის გასათბობად, ასევე ელექტროენერგიას, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას სახლში და მიეწოდება ელექტრო ქსელში. განაწილებული ელექტროენერგიის გამომუშავების წყაროები შეიძლება მოიცავდეს ფოტოვოლტაურ (მზის) უჯრედებს და მიკრო ქარის ტურბინებს. ეს ტექნოლოგიები თვალსაჩინო და ფართოდ ცნობილია, მაგრამ მათი ფუნქციონირება დამოკიდებულია ამინდის პირობებზე და მათ არ შეუძლიათ მუდმივად გამოიმუშაონ ელექტროენერგია მთელი წლის განმავლობაში. სიმძლავრის თვალსაზრისით, თბოელექტროსადგურები შეიძლება განსხვავდებოდეს 1 კვტ-ზე ნაკლებიდან 6 მგვტ-მდე და მეტი.

საწვავის უჯრედების/უჯრედების გამოყენება სადისტრიბუციო ქსელებში

მცირე თბოელექტროსადგურები შექმნილია იმისთვის, რომ იმუშაონ განაწილებული ელექტროენერგიის გამომუშავების ქსელში, რომელიც შედგება დიდი რაოდენობით მცირე გენერატორის კომპლექტებისგან ერთი ცენტრალიზებული ელექტროსადგურის ნაცვლად.

ქვემოთ მოყვანილი სურათი გვიჩვენებს ენერგიის გამომუშავების ეფექტურობის დანაკარგს, როდესაც ის წარმოიქმნება CHP-ის ელექტროსადგურების მიერ და გადაეცემა სახლებს ამჟამად გამოყენებული ტრადიციული გადამცემი ქსელების მეშვეობით. რაიონულ გენერაციაში ეფექტურობის დანაკარგები მოიცავს დანაკარგებს ელექტროსადგურიდან, დაბალი და მაღალი ძაბვის გადაცემასა და განაწილების დანაკარგებს.

ნახაზზე ნაჩვენებია მცირე თბოელექტროსადგურების ინტეგრაციის შედეგები: ელექტროენერგია გამოიმუშავებს 60%-მდე გამომუშავების ეფექტურობით გამოყენების ადგილზე. გარდა ამისა, ოჯახს შეუძლია გამოიყენოს საწვავის უჯრედებიდან გამომუშავებული სითბო წყლისა და სივრცის გასათბობად, რაც ზრდის საწვავის ენერგიის დამუშავების საერთო ეფექტურობას და აუმჯობესებს ენერგიის დაზოგვას.

საწვავის უჯრედების გამოყენება გარემოს დასაცავად - ასოცირებული ნავთობის გაზის გამოყენება

ნავთობის ინდუსტრიაში ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ამოცანაა დაკავშირებული ნავთობის გაზის გამოყენება. ასოცირებული ნავთობგაზის უტილიზაციის არსებულ მეთოდებს ბევრი უარყოფითი მხარე აქვს, რაც მთავარია ეკონომიკურად წამგებიანი. ასოცირებული ნავთობის გაზი იწვება, რაც დიდ ზიანს აყენებს გარემოს და ადამიანის ჯანმრთელობას.

საწვავის უჯრედის ინოვაციური სითბო და ელექტროსადგურები, რომლებიც იყენებენ ასოცირებულ ნავთობგაზს, როგორც საწვავს, ხსნის გზას რადიკალური და ეკონომიური გადაწყვეტისკენ ასოცირებული ნავთობგაზის გამოყენების პრობლემებისკენ.

1. საწვავის უჯრედების დანადგარების ერთ-ერთი მთავარი უპირატესობა ის არის, რომ მათ შეუძლიათ საიმედოდ და მდგრად ფუნქციონირება ცვლადი შემადგენლობით ასოცირებულ ნავთობ გაზზე. საწვავის უჯრედის მუშაობის საფუძველში არსებული ცეცხლმოკიდებული ქიმიური რეაქციის გამო, მაგალითად, მეთანის პროცენტის შემცირება იწვევს მხოლოდ ენერგიის გამომუშავების შესაბამის შემცირებას.
2. მოქნილობა მომხმარებელთა ელექტრულ დატვირთვასთან მიმართებაში, დიფერენციალური, დატვირთვის აწევა.
3. საწვავის უჯრედებზე თბოელექტროსადგურების დამონტაჟებისა და მიერთებისთვის მათი განხორციელება არ საჭიროებს კაპიტალურ ხარჯებს, რადგან დანადგარები ადვილად მონტაჟდება მინდვრებთან ახლოს, მოუმზადებელ უბნებზე, არის მარტივი, საიმედო და ეფექტური.
4. მაღალი ავტომატიზაცია და თანამედროვე დისტანციური მართვა არ საჭიროებს ქარხანაში პერსონალის მუდმივ ყოფნას.
5. დიზაინის სიმარტივე და ტექნიკური სრულყოფილება: მოძრავი ნაწილების, ხახუნის, შეზეთვის სისტემების არარსებობა მნიშვნელოვან ეკონომიკურ სარგებელს იძლევა საწვავის უჯრედების დანადგარების მუშაობისგან.
6. წყლის მოხმარება: გარემოს ტემპერატურაზე +30 °C-მდე არ არის და მაღალ ტემპერატურაზე უმნიშვნელოა.
7. წყლის გამოსასვლელი: არა.
8. გარდა ამისა, საწვავის უჯრედის თბოელექტროსადგურები არ ქმნიან ხმაურს, არ ვიბრირებენ,

საწვავის უჯრედები არის წყალბადის საწვავის ენერგიის ელექტროქიმიურად გადაქცევის გზა ელექტროენერგიად და ამ პროცესის ერთადერთი გვერდითი პროდუქტია წყალი.

წყალბადის საწვავი, რომელიც ამჟამად გამოიყენება საწვავის უჯრედებში, ჩვეულებრივ მიიღება მეთანის ორთქლის რეფორმირების შედეგად (ანუ ნახშირწყალბადების ორთქლით და სითბოთი მეთანად გადაქცევა), თუმცა შეიძლება იყოს უფრო მწვანე მიდგომა, როგორიცაა წყლის ელექტროლიზი მზის ენერგიის გამოყენებით.

საწვავის უჯრედის ძირითადი კომპონენტებია:

• ანოდი, რომელშიც წყალბადი იჟანგება;
• კათოდი, სადაც ჟანგბადი მცირდება;
• პოლიმერული ელექტროლიტური მემბრანა, რომლის მეშვეობითაც ხდება პროტონების ან ჰიდროქსიდის იონების ტრანსპორტირება (დამოკიდებულია საშუალოზე) - არ აძლევს წყალბადს და ჟანგბადს გავლის საშუალებას;
• ჟანგბადისა და წყალბადის ნაკადის ველები, რომლებიც პასუხისმგებელნი არიან ამ გაზების ელექტროდამდე მიწოდებაზე.

მაგალითად, მანქანის კვების მიზნით, რამდენიმე საწვავის უჯრედი იკრიბება ბატარეაში და ამ ბატარეით მიწოდებული ენერგიის რაოდენობა დამოკიდებულია ელექტროდების მთლიან ფართობზე და მასში არსებული უჯრედების რაოდენობაზე. საწვავის უჯრედში ენერგია წარმოიქმნება შემდეგნაირად: წყალბადი იჟანგება ანოდზე და მისგან ელექტრონები იგზავნება კათოდში, სადაც ჟანგბადი მცირდება. ანოდში წყალბადის დაჟანგვის შედეგად მიღებულ ელექტრონებს უფრო მაღალი ქიმიური პოტენციალი აქვთ, ვიდრე ელექტრონებს, რომლებიც ამცირებენ ჟანგბადს კათოდში. ეს განსხვავება ელექტრონების ქიმიურ პოტენციალებს შორის შესაძლებელს ხდის ენერგიის მოპოვებას საწვავის უჯრედებიდან.

შექმნის ისტორია

საწვავის უჯრედების ისტორია 1930-იან წლებში იწყება, როდესაც უილიამ რ. გროვის მიერ შეიქმნა წყალბადის პირველი საწვავის უჯრედი. ეს უჯრედი იყენებდა გოგირდის მჟავას ელექტროლიტად. Grove ცდილობდა სპილენძის დეპონირებას სპილენძის სულფატის წყალხსნარიდან რკინის ზედაპირზე. მან შენიშნა, რომ ელექტრონის დენის მოქმედებით წყალი იშლება წყალბადად და ჟანგბადად. ამ აღმოჩენის შემდეგ, გროვმა და მასთან პარალელურად მომუშავე ბაზელის უნივერსიტეტის ქიმიკოსმა კრისტიან შონბეინმა 1839 წელს ერთდროულად აჩვენეს წყალბად-ჟანგბადის საწვავის უჯრედში ენერგიის გენერირების შესაძლებლობა მჟავე ელექტროლიტის გამოყენებით. ამ ადრეულმა მცდელობებმა, მიუხედავად იმისა, რომ საკმაოდ პრიმიტიული ხასიათისაა, მიიპყრო მათი რამდენიმე თანამედროვეს, მათ შორის მაიკლ ფარადეის ყურადღება.

საწვავის უჯრედების კვლევა გაგრძელდა და 1930-იან წლებში F.T. ბეკონმა შემოიტანა ახალი კომპონენტი ტუტე საწვავის უჯრედში (საწვავის უჯრედების ერთ-ერთი სახეობა) - იონგამცვლელი მემბრანა ჰიდროქსიდის იონების ტრანსპორტირების გასაადვილებლად.

ტუტე საწვავის უჯრედების გამოყენების ერთ-ერთი ყველაზე ცნობილი ისტორიული მაგალითია მათი გამოყენება, როგორც ენერგიის მთავარი წყარო კოსმოსური ფრენების დროს აპოლონის პროგრამაში.

ისინი აირჩია NASA-მ მათი გამძლეობისა და ტექნიკური სტაბილურობის გამო. მათ გამოიყენეს ჰიდროქსიდის გამტარ მემბრანა, რომელიც ეფექტურობით აღემატებოდა მის პროტონგამცვლელ დის.

საწვავის უჯრედების პირველი პროტოტიპის შექმნიდან თითქმის ორი საუკუნის განმავლობაში ბევრი სამუშაო გაკეთდა მათ გასაუმჯობესებლად. ზოგადად, საწვავის უჯრედიდან მიღებული საბოლოო ენერგია დამოკიდებულია რედოქსის რეაქციის კინეტიკაზე, უჯრედის შიდა წინააღმდეგობასა და რეაქტიული აირებისა და იონების მასის გადაცემაზე კატალიზურად აქტიურ კომპონენტებზე. წლების განმავლობაში, მრავალი გაუმჯობესება განხორციელდა თავდაპირველ იდეაში, როგორიცაა:

1) პლატინის სადენების ჩანაცვლება ნახშირბადზე დაფუძნებული ელექტროდებით პლატინის ნანონაწილაკებით; 2) მაღალი გამტარობისა და სელექციურობის მემბრანების გამოგონება, როგორიცაა ნაფიონი, იონის ტრანსპორტირების გასაადვილებლად; 3) კატალიზური ფენის შერწყმა, მაგალითად, პლატინის ნანონაწილაკები, რომლებიც განაწილებულია ნახშირბადის ბაზაზე, იონგაცვლის მემბრანებთან, რის შედეგადაც წარმოიქმნება მემბრანა-ელექტროდის ერთეული მინიმალური შიდა წინააღმდეგობით; 4) ნაკადის ველების გამოყენება და ოპტიმიზაცია წყალბადისა და ჟანგბადის კატალიზურ ზედაპირზე მიტანის მიზნით, ხსნარში მათი უშუალო განზავების ნაცვლად.

ამ და სხვა გაუმჯობესებებმა საბოლოოდ გამოიწვია ტექნოლოგია, რომელიც საკმარისად ეფექტური იყო მანქანებში, როგორიცაა Toyota Mirai.

საწვავის უჯრედები ჰიდროქსიდის გაცვლის გარსებით

დელავერის უნივერსიტეტი ატარებს კვლევას საწვავის უჯრედების განვითარებაზე ჰიდროქსიდის გაცვლის მემბრანებით - HEMFCs (hydroxide exchange membrane fuelcell). საწვავის უჯრედები პროტონების გაცვლის მემბრანების ნაცვლად ჰიდროქსიდის გაცვლის მემბრანებით - PEMFC (პროტონების გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედები) - ნაკლებად აწყდება PEMFC-ების ერთ-ერთ დიდ პრობლემას - კატალიზატორის სტაბილურობის პრობლემას, რადგან ტუტე გარემოში უფრო მეტი ძირითადი მეტალის კატალიზატორია სტაბილური, ვიდრე მჟავეში. ტუტე ხსნარებში კატალიზატორების სტაბილურობა უფრო მაღალია იმის გამო, რომ ლითონების დაშლის შედეგად გამოიყოფა მეტი ენერგია დაბალ pH-ზე, ვიდრე მაღალი pH-ის დროს. ამ ლაბორატორიაში სამუშაოს უმეტესი ნაწილი ასევე ეძღვნება წყალბადის დაჟანგვისა და ჟანგბადის შემცირების რეაქციების ახალი ანოდური და კათოდური კატალიზატორების შემუშავებას მათი კიდევ უფრო ეფექტური დაჩქარების მიზნით. გარდა ამისა, ლაბორატორია ავითარებს ახალ ჰიდროქსიდის გაცვლის მემბრანებს, რადგან ასეთი მემბრანების გამტარობა და გამძლეობა ჯერ კიდევ არ არის გაუმჯობესებული, რათა კონკურენცია გაუწიოს პროტონების გაცვლის მემბრანებს.

მოძებნეთ ახალი კატალიზატორები

ჟანგბადის შემცირების რეაქციაში ზედმეტი ძაბვის დანაკარგების მიზეზი აიხსნება ამ რეაქციის შუალედურ პროდუქტებს შორის წრფივი მასშტაბის ურთიერთობებით. ამ რეაქციის ტრადიციულ ოთხელექტრონულ მექანიზმში ჟანგბადი თანმიმდევრულად მცირდება, რაც ქმნის შუალედურ პროდუქტებს - OOH*, O* და OH*, რათა საბოლოოდ წარმოიქმნას წყალი (H2O) კატალიზურ ზედაპირზე. იმის გამო, რომ ცალკეულ კატალიზატორზე შუალედური პროდუქტების ადსორბციული ენერგიები ერთმანეთთან ძლიერ კორელაციაშია, ჯერ არ არის ნაპოვნი კატალიზატორი, რომელიც, ყოველ შემთხვევაში, თეორიულად, არ ექნება ძაბვის დანაკარგები. მიუხედავად იმისა, რომ ამ რეაქციის სიჩქარე დაბალია, მჟავე გარემოდან ტუტე გარემოში შეცვლა, როგორიცაა HEMFC, დიდად არ მოქმედებს მასზე. თუმცა, წყალბადის დაჟანგვის რეაქციის სიჩქარე თითქმის განახევრებულია და ეს ფაქტი მოტივაციას უწევს კვლევას, რომელიც მიმართულია ამ შემცირების მიზეზის და ახალი კატალიზატორების აღმოჩენისკენ.

საწვავის უჯრედების უპირატესობები

ნახშირწყალბადის საწვავისგან განსხვავებით, საწვავის უჯრედები უფრო, თუ არა სრულყოფილად, ეკოლოგიურად კეთილგანწყობილია და მათი საქმიანობის შედეგად არ გამოიმუშავებს სათბურის გაზებს. უფრო მეტიც, მათი საწვავი (წყალბადი) პრინციპში განახლებადია, რადგან მისი მიღება შესაძლებელია წყლის ჰიდროლიზით. ამრიგად, წყალბადის საწვავის უჯრედები მომავალში გპირდებიან, რომ გახდებიან ენერგიის წარმოების პროცესის სრული ნაწილი, რომელშიც მზის და ქარის ენერგია გამოიყენება წყალბადის საწვავის წარმოებისთვის, რომელიც შემდეგ გამოიყენება საწვავის უჯრედში წყლის წარმოებისთვის. ამრიგად, ციკლი იხურება და ნახშირბადის კვალი არ რჩება.

მრავალჯერადი დატენვის ბატარეებისგან განსხვავებით, საწვავის უჯრედებს აქვთ უპირატესობა, რომ მათ არ სჭირდებათ დატენვა - მათ შეუძლიათ დაუყოვნებლივ დაიწყონ ენერგიის მიწოდება, როგორც კი ეს საჭიროა. ანუ, თუ ისინი გამოიყენება, მაგალითად, სატრანსპორტო საშუალებების სფეროში, მაშინ მომხმარებლის მხრიდან ცვლილებები თითქმის არ იქნება. მზის ენერგიისა და ქარის ენერგიისგან განსხვავებით, საწვავის უჯრედებს შეუძლიათ მუდმივად გამოიმუშაონ ენერგია და გაცილებით ნაკლებად არიან დამოკიდებული გარე პირობებზე. თავის მხრივ, გეოთერმული ენერგია მხოლოდ გარკვეულ გეოგრაფიულ რაიონებშია ხელმისაწვდომი, ხოლო საწვავის უჯრედებს ეს პრობლემა ისევ არ აქვთ.

წყალბადის საწვავის უჯრედები ენერგიის ერთ-ერთი ყველაზე პერსპექტიული წყაროა მათი პორტაბელურობისა და მასშტაბის თვალსაზრისით მოქნილობის გამო.

წყალბადის შენახვის სირთულე

გარდა მიმდინარე მემბრანების და კატალიზატორების ნაკლოვანებებთან დაკავშირებული პრობლემებისა, საწვავის უჯრედების სხვა ტექნიკური სირთულეები დაკავშირებულია წყალბადის საწვავის შენახვასა და ტრანსპორტირებასთან. წყალბადს აქვს ძალიან დაბალი სპეციფიკური ენერგია ერთეულ მოცულობაზე (ენერგიის რაოდენობა ერთეულ მოცულობაზე მოცემულ ტემპერატურასა და წნევაზე) და ამიტომ უნდა ინახებოდეს ძალიან მაღალ წნევაზე, რომ გამოიყენოს მანქანებში. წინააღმდეგ შემთხვევაში, საწვავის საჭირო რაოდენობის შესანახი კონტეინერის ზომა წარმოუდგენლად დიდი იქნება. წყალბადის შენახვის ამ შეზღუდვების გამო, გაკეთდა მცდელობები, ეპოვათ წყალბადის წარმოქმნის გზები მისი აირისებური ფორმის გარდა, მაგალითად, ლითონის ჰიდრიდის საწვავის უჯრედებში. თუმცა, სამომხმარებლო საწვავის უჯრედების ამჟამინდელი აპლიკაციები, როგორიცაა Toyota Mirai, იყენებს ზეკრიტიკულ წყალბადს (წყალბადს, რომელიც არის 33 კ ტემპერატურაზე და წნევა 13,3 ატმოსფეროზე, ანუ კრიტიკულ მნიშვნელობებზე) და ეს ახლა ყველაზე მოსახერხებელი ვარიანტია.

რეგიონის პერსპექტივები

მზის ენერგიის გამოყენებით წყლიდან წყალბადის მოპოვების არსებული ტექნიკური სირთულეებისა და პრობლემების გამო, უახლოეს მომავალში კვლევა სავარაუდოდ ძირითადად წყალბადის ალტერნატიული წყაროების მოძიებაზე იქნება ორიენტირებული. ერთ-ერთი პოპულარული იდეაა წყალბადის ნაცვლად ამიაკის (წყალბადის ნიტრიდის) გამოყენება უშუალოდ საწვავის უჯრედში, ან ამიაკისგან წყალბადის დამზადება. ამის მიზეზი ის არის, რომ ამიაკი ნაკლებად მოთხოვნადია წნევის მხრივ, რაც მის შენახვასა და გადაადგილებას უფრო კომფორტულს ხდის. გარდა ამისა, ამიაკი მიმზიდველია, როგორც წყალბადის წყარო, რადგან არ შეიცავს ნახშირბადს. ეს წყვეტს კატალიზატორის მოწამვლის პრობლემას მეთანისგან წარმოქმნილ წყალბადში CO CO-ს გამო.

სამომავლოდ, საწვავის უჯრედებმა შეიძლება იპოვონ ფართო გამოყენება სატრანსპორტო საშუალების ტექნოლოგიაში და განაწილებული ენერგიის გამომუშავებაში, მაგალითად, საცხოვრებელ ადგილებში. იმისდა მიუხედავად, რომ ამ მომენტში საწვავის უჯრედების, როგორც ენერგიის ძირითადი წყაროს გამოყენება დიდ ფულს მოითხოვს, თუ აღმოჩნდება იაფი და ეფექტური კატალიზატორები, სტაბილური მემბრანები მაღალი გამტარობით და წყალბადის ალტერნატიული წყაროები, წყალბადის საწვავის უჯრედები შეიძლება გახდეს ძალიან მაღალი. ეკონომიკურად მიმზიდველი.

საწვავის უჯრედი არის ელექტროქიმიური ენერგიის გარდაქმნის მოწყობილობა, რომელიც გარდაქმნის წყალბადს და ჟანგბადს ელექტროენერგიად ქიმიური რეაქციის გზით. ამ პროცესის შედეგად წარმოიქმნება წყალი და გამოიყოფა დიდი რაოდენობით სითბო. საწვავის უჯრედი ძალიან ჰგავს ბატარეას, რომელიც შეიძლება დაიტენოს და შემდეგ გამოიყენოს ელექტრო ენერგიის შესანახად.
საწვავის უჯრედის გამომგონებელი არის უილიამ რ. გროვი, რომელმაც გამოიგონა ის ჯერ კიდევ 1839 წელს. ამ საწვავის უჯრედში გოგირდმჟავას ხსნარი გამოიყენებოდა ელექტროლიტად, ხოლო წყალბადი გამოიყენებოდა როგორც საწვავი, რომელიც ჟანგბადთან ერთად ჟანგბადს ოქსიდიზატორში. . უნდა აღინიშნოს, რომ ბოლო დრომდე საწვავის უჯრედები გამოიყენებოდა მხოლოდ ლაბორატორიებში და კოსმოსურ ხომალდებზე.
სამომავლოდ, საწვავის უჯრედებს შეეძლებათ კონკურენცია გაუწიონ ენერგიის გარდაქმნის ბევრ სხვა სისტემას (მათ შორის გაზის ტურბინებს ელექტროსადგურებში), შიდა წვის ძრავებს მანქანებში და ელექტრო ბატარეებს პორტატულ მოწყობილობებში. შიგაწვის ძრავები წვავენ საწვავს და იყენებენ წვის აირების გაფართოებით შექმნილ წნევას მექანიკური სამუშაოების შესასრულებლად. ბატარეები ინახავს ელექტრო ენერგიას და შემდეგ გარდაქმნის მას ქიმიურ ენერგიად, რომელიც საჭიროების შემთხვევაში შეიძლება ისევ ელექტრო ენერგიად გარდაიქმნას. პოტენციურად, საწვავის უჯრედები ძალიან ეფექტურია. ჯერ კიდევ 1824 წელს ფრანგმა მეცნიერმა კარნომ დაამტკიცა, რომ შიგაწვის ძრავის შეკუმშვა-გაფართოების ციკლები ვერ უზრუნველყოფენ თერმული ენერგიის (რომელიც არის საწვავის წვის ქიმიური ენერგია) გადაქცევის ეფექტურობას მექანიკურ ენერგიად 50%-ზე მეტს. საწვავის უჯრედს არ აქვს მოძრავი ნაწილები (ყოველ შემთხვევაში, თავად უჯრედის შიგნით) და ამიტომ ისინი არ ემორჩილებიან კარნოს კანონს. ბუნებრივია, მათ ექნებათ 50%-ზე მეტი ეფექტურობა და განსაკუთრებით ეფექტურია დაბალ დატვირთვაზე. ამგვარად, საწვავის უჯრედის მქონე მანქანები მზად არიან იყოს (და უკვე დადასტურებულია) უფრო საწვავის ეფექტურობა, ვიდრე ჩვეულებრივი მანქანები რეალურ მართვის პირობებში.
საწვავის უჯრედი წარმოქმნის DC ელექტრულ დენს, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას ელექტროძრავის, განათების მოწყობილობების და სხვა ელექტრული სისტემების მართვისთვის მანქანაში. საწვავის უჯრედების რამდენიმე ტიპი არსებობს, რომლებიც განსხვავდება გამოყენებული ქიმიური პროცესებით. საწვავის უჯრედები ჩვეულებრივ კლასიფიცირდება ელექტროლიტის ტიპის მიხედვით. საწვავის უჯრედების ზოგიერთი ტიპი პერსპექტიულია ელექტროსადგურების გამოყენებისთვის, ზოგი კი შეიძლება სასარგებლო იყოს მცირე პორტატული მოწყობილობებისთვის ან მანქანების მართვისთვის.
ტუტე საწვავის უჯრედი ერთ-ერთი ყველაზე ადრე განვითარებული ელემენტია. მათ აშშ-ის კოსმოსური პროგრამა 1960-იანი წლებიდან იყენებდა. ასეთი საწვავის უჯრედები ძალიან მგრძნობიარეა დაბინძურების მიმართ და ამიტომ საჭიროებს ძალიან სუფთა წყალბადს და ჟანგბადს. გარდა ამისა, ისინი ძალიან ძვირია და, შესაბამისად, ამ ტიპის საწვავის უჯრედი ნაკლებად სავარაუდოა, რომ იპოვნოს ფართო გამოყენება მანქანებში.
ფოსფორის მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედები შეიძლება გამოყენებულ იქნას დაბალი სიმძლავრის სტაციონარულ დანადგარებში. ისინი მუშაობენ საკმაოდ მაღალ ტემპერატურაზე და ამიტომ დათბობას დიდი დრო სჭირდება, რაც ასევე არაეფექტურს ხდის მათ ავტომობილებში გამოსაყენებლად.
მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები უფრო შესაფერისია დიდი სტაციონარული ენერგიის გენერატორებისთვის, რომლებსაც შეუძლიათ ელექტროენერგიის მიწოდება ქარხნებში ან თემებში. ამ ტიპის საწვავის უჯრედი მუშაობს ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე (დაახლოებით 1000 °C). მაღალი სამუშაო ტემპერატურა გარკვეულ პრობლემებს ქმნის, მაგრამ, მეორე მხრივ, არის უპირატესობა - საწვავის უჯრედის მიერ წარმოებული ორთქლი შეიძლება გაიგზავნოს ტურბინებში მეტი ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის. საერთო ჯამში, ეს აუმჯობესებს სისტემის საერთო ეფექტურობას.
ერთ-ერთი ყველაზე პერსპექტიული სისტემაა პროტონების გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედი - POMFC (PEMFC - Protone Exchange Membrane Fuel Cell). ამ დროისთვის, ამ ტიპის საწვავის უჯრედი ყველაზე პერსპექტიულია, რადგან მას შეუძლია მანქანების, ავტობუსების და სხვა მანქანების მოძრაობა.

ქიმიური პროცესები საწვავის უჯრედში

საწვავის უჯრედები იყენებენ ელექტროქიმიურ პროცესს ჰაერიდან წყალბადის და ჟანგბადის შერწყმისთვის. ბატარეების მსგავსად, საწვავის უჯრედები იყენებენ ელექტროდებს (მყარ ელექტრული გამტარებლებს) ელექტროლიტში (ელექტრული გამტარ საშუალება). როდესაც წყალბადის მოლეკულები შედიან უარყოფით ელექტროდთან (ანოდთან), ეს უკანასკნელი იყოფა პროტონებად და ელექტრონებად. პროტონები გადიან პროტონების გაცვლის მემბრანაში (POM) საწვავის უჯრედის დადებით ელექტროდში (კათოდში) და წარმოქმნიან ელექტროენერგიას. არსებობს წყალბადის და ჟანგბადის მოლეკულების ქიმიური კომბინაცია წყლის წარმოქმნით, როგორც ამ რეაქციის ქვეპროდუქტი. საწვავის უჯრედებიდან გამონაბოლქვის ერთადერთი ტიპი არის წყლის ორთქლი.
საწვავის უჯრედების მიერ წარმოებული ელექტროენერგია შეიძლება გამოყენებულ იქნას ავტომობილის ელექტრულ ელექტროგადამცემში (შედგება ელექტრული დენის გადამყვანისა და AC ინდუქციური ძრავისგან), რათა უზრუნველყოს მექანიკური ენერგია ავტომობილის ასაწევად. დენის გადამყვანის ამოცანაა საწვავის უჯრედების მიერ წარმოებული პირდაპირი დენის გარდაქმნა ალტერნატიულ დენად, რომელსაც იყენებს ავტომობილის წევის ძრავა.

საწვავის უჯრედის სქემატური დიაგრამა პროტონგამცვლელი მემბრანით:
1 - ანოდი;
2 - პროტონების გაცვლის მემბრანა (REM);
3 - კატალიზატორი (წითელი);
4 - კათოდური

პროტონების გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედი (PEMFC) იყენებს ნებისმიერი საწვავის უჯრედის ერთ-ერთ უმარტივეს რეაქციას.

ცალკე საწვავის უჯრედი

განვიხილოთ როგორ მუშაობს საწვავის უჯრედი. ანოდი, საწვავის უჯრედის უარყოფითი პოლუსი, ატარებს ელექტრონებს, რომლებიც თავისუფლდებიან წყალბადის მოლეკულებისგან, რათა მათი გამოყენება შესაძლებელია გარე ელექტრულ წრეში (წრეში). ამისათვის მასში არხებია ამოტვიფრული, რომლებიც წყალბადს თანაბრად ანაწილებენ კატალიზატორის მთელ ზედაპირზე. კათოდს (საწვავის უჯრედის დადებითი პოლუსი) აქვს ამოტვიფრული არხები, რომლებიც ანაწილებენ ჟანგბადს კატალიზატორის ზედაპირზე. ის ასევე ატარებს ელექტრონებს უკან გარე წრედან (წრედან) კატალიზატორისკენ, სადაც მათ შეუძლიათ წყალბადის იონებთან და ჟანგბადთან შეერთება წყლის წარმოქმნით. ელექტროლიტი არის პროტონების გაცვლის მემბრანა. ეს არის სპეციალური მასალა, ჩვეულებრივი პლასტმასის მსგავსი, მაგრამ დადებითად დამუხტული იონების გავლის და ელექტრონების გავლის დაბლოკვის უნარით.
კატალიზატორი არის სპეციალური მასალა, რომელიც აადვილებს რეაქციას ჟანგბადსა და წყალბადს შორის. კატალიზატორი ჩვეულებრივ მზადდება პლატინის ფხვნილისგან, რომელიც დეპონირებულია ძალიან თხელ ფენად ნახშირბადის ქაღალდზე ან ქსოვილზე. კატალიზატორი უნდა იყოს უხეში და ფოროვანი, რათა მისმა ზედაპირმა შეძლებისდაგვარად დაუკავშირდეს წყალბადთან და ჟანგბადთან. კატალიზატორის პლატინით დაფარული მხარე არის პროტონების გაცვლის მემბრანის (POM) წინ.
წყალბადის გაზი (H 2) მიეწოდება საწვავის უჯრედს ანოდის მხრიდან წნევის ქვეშ. როდესაც H2 მოლეკულა შედის კონტაქტში კატალიზატორის პლატინასთან, ის იყოფა ორ ნაწილად, ორ იონად (H+) და ორ ელექტრონად (e–). ელექტრონები გადის ანოდში, სადაც ისინი გადიან გარე წრედში (წრეში), აკეთებენ სასარგებლო სამუშაოს (მაგ. ელექტროძრავის მართვა) და ბრუნდებიან საწვავის უჯრედის კათოდური მხრიდან.
იმავდროულად, საწვავის უჯრედის კათოდური მხრიდან, ჟანგბადის გაზი (O 2) იძულებით გადადის კატალიზატორის გავლით, სადაც ის ქმნის ჟანგბადის ორ ატომს. თითოეულ ამ ატომს აქვს ძლიერი უარყოფითი მუხტი, რომელიც იზიდავს ორ H+ იონს მემბრანის გასწვრივ, სადაც ისინი ერწყმის ჟანგბადის ატომს და ორ ელექტრონს გარე მარყუჟიდან (ჯაჭვიდან) და წარმოქმნიან წყლის მოლეკულას (H 2 O).
ეს რეაქცია ერთ საწვავის უჯრედში წარმოქმნის სიმძლავრეს დაახლოებით 0,7 ვატი. სიმძლავრის საჭირო დონემდე ამაღლების მიზნით, აუცილებელია მრავალი ცალკეული საწვავის უჯრედის გაერთიანება საწვავის უჯრედების წყობის შესაქმნელად.
POM საწვავის უჯრედები მუშაობენ შედარებით დაბალ ტემპერატურაზე (დაახლოებით 80°C), რაც ნიშნავს, რომ ისინი შეიძლება სწრაფად გაცხელდეს სამუშაო ტემპერატურამდე და არ საჭიროებს ძვირადღირებულ გაგრილების სისტემებს. ამ უჯრედებში გამოყენებული ტექნოლოგიისა და მასალების მუდმივმა გაუმჯობესებამ მათი სიმძლავრე მიახლოვა იმ დონემდე, როდესაც ასეთი საწვავის უჯრედების ბატარეა, რომელიც იკავებს მანქანის საბარგულის მცირე ნაწილს, შეუძლია უზრუნველყოს მანქანის მართვისთვის საჭირო ენერგია.
გასული წლების განმავლობაში, მსოფლიოს წამყვანი ავტომობილების მწარმოებლების უმეტესობამ დიდი ინვესტიცია მოახდინა საწვავის უჯრედების გამოყენებით მანქანის დიზაინის შემუშავებაში. ბევრმა უკვე აჩვენა საწვავის უჯრედების მანქანები დამაკმაყოფილებელი სიმძლავრით და დინამიკით, თუმცა ისინი საკმაოდ ძვირი ღირდა.
ასეთი მანქანების დიზაინის გაუმჯობესება ძალიან ინტენსიურია.

საწვავის უჯრედის მანქანა, იყენებს ელექტროსადგურს, რომელიც მდებარეობს მანქანის იატაკის ქვეშ

NECAR V ავტომობილი დაფუძნებულია Mercedes-Benz A კლასის ავტომობილზე, მთელი ელექტროსადგური, საწვავის უჯრედებთან ერთად, მდებარეობს მანქანის იატაკის ქვეშ. ასეთი კონსტრუქციული გადაწყვეტა შესაძლებელს ხდის მანქანაში ოთხი მგზავრისა და ბარგის განთავსებას. აქ არა წყალბადი, არამედ მეთანოლი გამოიყენება მანქანის საწვავად. მეთანოლი რეფორმატორის (მოწყობილობა, რომელიც მეთანოლს წყალბადად გარდაქმნის) დახმარებით გარდაიქმნება წყალბადად, რომელიც აუცილებელია საწვავის უჯრედის გასაძლიერებლად. მანქანის ბორტზე რეფორმატორის გამოყენება შესაძლებელს ხდის თითქმის ნებისმიერი ნახშირწყალბადის გამოყენებას საწვავად, რაც შესაძლებელს ხდის საწვავის უჯრედის მანქანის საწვავის შევსებას არსებული ბენზინგასამართი სადგურის ქსელის გამოყენებით. თეორიულად, საწვავის უჯრედები ელექტროენერგიისა და წყლის გარდა არაფერს აწარმოებენ. საწვავის (ბენზინი ან მეთანოლი) გარდაქმნა წყალბადად, რომელიც საჭიროა საწვავის უჯრედისთვის, გარკვეულწილად ამცირებს ასეთი მანქანის ეკოლოგიურ მიმზიდველობას.
Honda-მ, რომელიც საწვავის უჯრედების ბიზნესშია 1989 წლიდან, 2003 წელს აწარმოა Honda FCX-V4 მანქანების მცირე პარტია ბალარდის პროტონგაცვლის მემბრანის ტიპის საწვავის უჯრედებით. ეს საწვავის უჯრედები გამოიმუშავებენ 78 კვტ ელექტროენერგიას, ხოლო წევის ძრავები 60 კვტ სიმძლავრით და 272 ნმ ბრუნვით გამოიყენება ამძრავი ბორბლების გადასაადგილებლად, აქვს შესანიშნავი დინამიკა და შეკუმშული წყალბადის მიწოდება შესაძლებელს ხდის მუშაობას. 355 კმ-მდე.

Honda FCX იყენებს საწვავის უჯრედის ენერგიას საკუთარი თავის ასაწევად.
Honda FCX არის მსოფლიოში პირველი საწვავის უჯრედების მანქანა, რომელმაც მიიღო სახელმწიფო სერთიფიკატი შეერთებულ შტატებში. მანქანას აქვს ZEV სერთიფიკატი - Zero Emission Vehicle (ნულოვანი დაბინძურების მანქანა). „ჰონდა“ ამ მანქანების გაყიდვას ჯერ არ აპირებს, მაგრამ თითო ერთეულზე დაახლოებით 30 მანქანას იჯარით გასცემს. კალიფორნია და ტოკიო, სადაც წყალბადის საწვავის ინფრასტრუქტურა უკვე არსებობს.

General Motors-ის Hy Wire-ის კონცეფციის მანქანას აქვს საწვავის უჯრედების ელექტროსადგური

საწვავის უჯრედების მანქანების განვითარებისა და შექმნის შესახებ დიდ კვლევას General Motors აწარმოებს.

Hy Wire Vehicle შასი

GM Hy Wire-ის კონცეფციის მანქანამ 26 პატენტი მიიღო. მანქანის საფუძველი არის ფუნქციური პლატფორმა 150 მმ სისქით. პლატფორმის შიგნით არის წყალბადის ცილინდრები, საწვავის უჯრედების ელექტროსადგური და ავტომობილის მართვის სისტემები უახლესი ელექტრონული კონტროლის მავთულის ტექნოლოგიის გამოყენებით. Hy Wire მანქანის შასი არის თხელი პლატფორმა, რომელიც შეიცავს მანქანის ყველა ძირითად სტრუქტურულ ელემენტს: წყალბადის ცილინდრებს, საწვავის უჯრედებს, ბატარეებს, ელექტროძრავებს და მართვის სისტემებს. დიზაინისადმი ეს მიდგომა შესაძლებელს ხდის მანქანის ძარის შეცვლას ექსპლუატაციის დროს.კომპანია ასევე ამოწმებს ექსპერიმენტულ Opel-ის საწვავის უჯრედების მანქანებს და აპროექტებს საწვავის უჯრედების წარმოების ქარხანას.

თხევადი წყალბადისთვის "უსაფრთხო" საწვავის ავზის დიზაინი:
1 - შევსების მოწყობილობა;
2 - გარე სატანკო;
3 - მხარს უჭერს;
4 - დონის სენსორი;
5 - შიდა ავზი;
6 - შევსების ხაზი;
7 - იზოლაცია და ვაკუუმი;
8 - გამათბობელი;
9 - სამონტაჟო ყუთი

ავტომობილებისთვის წყალბადის საწვავად გამოყენების პრობლემას BMW დიდ ყურადღებას აქცევს. Magna Steyer-თან ერთად, რომელიც ცნობილია კოსმოსურ კვლევებში თხევადი წყალბადის გამოყენების შესახებ, BMW-მ შეიმუშავა თხევადი წყალბადის საწვავის ავზი, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას მანქანებში.

ტესტებმა დაადასტურა საწვავის ავზის გამოყენების უსაფრთხოება თხევადი წყალბადით

კომპანიამ ჩაატარა ტესტების სერია სტრუქტურის უსაფრთხოებაზე სტანდარტული მეთოდების მიხედვით და დაადასტურა მისი სანდოობა.
2002 წელს ფრანკფურტის მოტორ შოუზე (გერმანია) აჩვენეს Mini Cooper Hydrogen, რომელიც იყენებს თხევად წყალბადს საწვავად. ამ მანქანის საწვავის ავზი იკავებს იმავე ადგილს, როგორც ჩვეულებრივი გაზის ავზი. ამ მანქანაში წყალბადი გამოიყენება არა საწვავის უჯრედებისთვის, არამედ როგორც საწვავი შიდა წვის ძრავებისთვის.

მსოფლიოში პირველი მასობრივი წარმოების მანქანა ბატარეის ნაცვლად საწვავის უჯრედით

2003 წელს BMW-მ გამოაცხადა პირველი მასობრივი წარმოების საწვავის უჯრედების ავტომობილის, BMW 750 hL-ის გამოშვება. ტრადიციული ბატარეის ნაცვლად გამოიყენება საწვავის უჯრედის ბატარეა. ამ მანქანას აქვს 12 ცილინდრიანი შიდა წვის ძრავა, რომელიც მუშაობს წყალბადზე, ხოლო საწვავის უჯრედი ემსახურება როგორც ჩვეულებრივი ბატარეის ალტერნატივას, რაც საშუალებას აძლევს კონდიციონერს და სხვა მომხმარებლებს იმუშაონ, როდესაც მანქანა დიდი ხნის განმავლობაში გაჩერებულია ძრავით გამორთული.

წყალბადის შევსებას რობოტი ასრულებს, მძღოლი ამ პროცესში არ არის ჩართული

იგივე კომპანია BMW-მ ასევე შეიმუშავა საწვავის რობოტული დისპენსერები, რომლებიც უზრუნველყოფენ მანქანების სწრაფ და უსაფრთხო შევსებას თხევადი წყალბადით.
ალტერნატიული საწვავის და ალტერნატიული ელექტროსადგურების გამოყენებით სატრანსპორტო საშუალებების შექმნაზე მიზნად ისახავს მრავალი განვითარების გაჩენა მიუთითებს იმაზე, რომ შიდა წვის ძრავები, რომლებიც დომინირებდნენ მანქანებზე გასული საუკუნის განმავლობაში, საბოლოოდ დაუთმობენ ადგილს უფრო სუფთა, უფრო ეფექტურ და ჩუმ დიზაინს. მათი ფართო გამოყენება ამჟამად შეფერხებულია არა ტექნიკური, არამედ ეკონომიკური და სოციალური პრობლემების გამო. მათი ფართო გამოყენებისთვის საჭიროა გარკვეული ინფრასტრუქტურის შექმნა ალტერნატიული საწვავის წარმოების განვითარებისთვის, ახალი ბენზინგასამართი სადგურების შექმნისა და განაწილებისთვის და მთელი რიგი ფსიქოლოგიური ბარიერების გადალახვისთვის. წყალბადის, როგორც სატრანსპორტო საწვავად გამოყენება მოითხოვს შენახვის, მიწოდებისა და განაწილების საკითხების მოგვარებას უსაფრთხოების სერიოზული ზომების გათვალისწინებით.
თეორიულად, წყალბადი ხელმისაწვდომია შეუზღუდავი რაოდენობით, მაგრამ მისი წარმოება ძალიან ენერგო ინტენსიურია. გარდა ამისა, მანქანების წყალბადის საწვავზე სამუშაოდ გადაქცევისთვის, ენერგოსისტემაში ორი დიდი ცვლილება უნდა განხორციელდეს: ჯერ მისი მოქმედების ბენზინიდან მეთანოლზე გადატანა, შემდეგ კი, გარკვეული პერიოდის განმავლობაში, წყალბადზე. ამ საკითხის გადაწყვეტამდე გარკვეული დრო დასჭირდება.

აღწერა:

ეს სტატია უფრო დეტალურად განიხილავს მათ სტრუქტურას, კლასიფიკაციას, უპირატესობებსა და ნაკლოვანებებს, ფარგლებს, ეფექტურობას, შექმნის ისტორიას და გამოყენების თანამედროვე პერსპექტივებს.

საწვავის უჯრედების გამოყენება შენობების კვებისათვის

Ნაწილი 1

ამ სტატიაში უფრო დეტალურად განიხილება საწვავის უჯრედების მუშაობის პრინციპი, მათი დიზაინი, კლასიფიკაცია, უპირატესობები და უარყოფითი მხარეები, ფარგლები, ეფექტურობა, შექმნის ისტორია და გამოყენების თანამედროვე პერსპექტივები. სტატიის მეორე ნაწილში, რომელიც გამოქვეყნდება ჟურნალ ABOK-ის მომდევნო ნომერში, მოცემულია ობიექტების მაგალითები, სადაც სხვადასხვა ტიპის საწვავის უჯრედები გამოიყენებოდა სითბოს და ელექტროენერგიის (ან მხოლოდ ელექტროენერგიის) წყაროდ.

შესავალი

საწვავის უჯრედები ენერგიის გამომუშავების ძალიან ეფექტური, საიმედო, გამძლე და ეკოლოგიურად სუფთა გზაა.

თავდაპირველად მხოლოდ კოსმოსურ ინდუსტრიაში გამოიყენებოდა, საწვავის უჯრედები ახლა სულ უფრო ხშირად გამოიყენება სხვადასხვა სფეროში - როგორიცაა სტაციონარული ელექტროსადგურები, შენობების სითბო და ელექტრომომარაგება, ავტომობილების ძრავები, ლეპტოპების და მობილური ტელეფონების ელექტრომომარაგება. ამ მოწყობილობებიდან ზოგიერთი არის ლაბორატორიული პროტოტიპი, ზოგი გადის წინასერიის ტესტირებას ან გამოიყენება საჩვენებელი მიზნებისთვის, მაგრამ ბევრი მოდელი მასობრივად იწარმოება და გამოიყენება კომერციულ პროექტებში.

საწვავის უჯრედი (ელექტროქიმიური გენერატორი) არის მოწყობილობა, რომელიც გარდაქმნის საწვავის (წყალბადის) ქიმიურ ენერგიას ელექტრო ენერგიად ელექტროქიმიური რეაქციის დროს, განსხვავებით ტრადიციული ტექნოლოგიებისგან, რომლებიც იყენებენ მყარი, თხევადი და აირისებრი საწვავის წვას. საწვავის პირდაპირი ელექტროქიმიური გადაქცევა ძალზე ეფექტური და მიმზიდველია გარემოსდაცვითი თვალსაზრისით, რადგან ექსპლუატაციის დროს გამოიყოფა დამაბინძურებლების მინიმალური რაოდენობა და არ არის ძლიერი ხმები და ვიბრაციები.

პრაქტიკული თვალსაზრისით, საწვავის უჯრედი ჰგავს ჩვეულებრივ გალვანურ ბატარეას. განსხვავება მდგომარეობს იმაში, რომ თავდაპირველად ბატარეა იტენება, ანუ ივსება "საწვავით". ექსპლუატაციის დროს "საწვავი" იხარჯება და ბატარეა დაცლილია. ბატარეისგან განსხვავებით, საწვავის უჯრედი იყენებს გარე წყაროდან მოწოდებულ საწვავს ელექტრო ენერგიის გამომუშავებისთვის (ნახ. 1).

ელექტროენერგიის წარმოებისთვის შეიძლება გამოყენებულ იქნას არა მხოლოდ სუფთა წყალბადი, არამედ სხვა წყალბადის შემცველი ნედლეულიც, როგორიცაა ბუნებრივი აირი, ამიაკი, მეთანოლი ან ბენზინი. ჩვეულებრივი ჰაერი გამოიყენება ჟანგბადის წყაროდ, რაც ასევე აუცილებელია რეაქციისთვის.

როდესაც სუფთა წყალბადი გამოიყენება როგორც საწვავი, რეაქციის პროდუქტები, გარდა ელექტრო ენერგიისა, არის სითბო და წყალი (ან წყლის ორთქლი), ანუ ატმოსფეროში არ გამოიყოფა აირები, რომლებიც იწვევს ჰაერის დაბინძურებას ან სათბურის ეფექტს. თუ წყალბადის შემცველი საკვები მასალა, როგორიცაა ბუნებრივი აირი, გამოიყენება როგორც საწვავი, სხვა აირები, როგორიცაა ნახშირბადის და აზოტის ოქსიდები, იქნება რეაქციის გვერდითი პროდუქტი, მაგრამ მისი რაოდენობა გაცილებით დაბალია, ვიდრე მისი წვის დროს. ბუნებრივი აირის რაოდენობა.

წყალბადის წარმოქმნის მიზნით საწვავის ქიმიური გარდაქმნის პროცესს რეფორმირება ეწოდება, ხოლო შესაბამის მოწყობილობას რეფორმატორი.

საწვავის უჯრედების უპირატესობები და უარყოფითი მხარეები

საწვავის უჯრედები უფრო ენერგოეფექტურია, ვიდრე შიდა წვის ძრავები, რადგან არ არსებობს თერმოდინამიკური შეზღუდვა საწვავის უჯრედების ენერგოეფექტურობაზე. საწვავის უჯრედების ეფექტურობა არის 50%, ხოლო შიდა წვის ძრავების ეფექტურობა 12-15%, ხოლო ორთქლის ტურბინის ელექტროსადგურების ეფექტურობა არ აღემატება 40% -ს. სითბოს და წყლის გამოყენებით, საწვავის უჯრედების ეფექტურობა კიდევ უფრო იზრდება.

მაგალითად, შიდა წვის ძრავებისგან განსხვავებით, საწვავის უჯრედების ეფექტურობა რჩება ძალიან მაღალი მაშინაც კი, როდესაც ისინი არ მუშაობენ სრული სიმძლავრით. გარდა ამისა, საწვავის უჯრედების სიმძლავრე შეიძლება გაიზარდოს მხოლოდ ცალკეული ბლოკების დამატებით, ხოლო ეფექტურობა არ იცვლება, ანუ დიდი დანადგარები ისეთივე ეფექტურია, როგორც მცირე. ეს გარემოებები საშუალებას იძლევა შეირჩეს აღჭურვილობის შემადგენლობის ძალიან მოქნილი არჩევანი მომხმარებლის სურვილის შესაბამისად და საბოლოოდ იწვევს აღჭურვილობის ხარჯების შემცირებას.

საწვავის უჯრედების მნიშვნელოვანი უპირატესობა მათი გარემოსდაცვითი კეთილგანწყობაა. საწვავის უჯრედებიდან ჰაერის გამონაბოლქვი იმდენად დაბალია, რომ შეერთებული შტატების ზოგიერთ რაიონში ისინი არ საჭიროებენ სპეციალურ ნებართვას სამთავრობო ჰაერის ხარისხის სააგენტოებისგან.

საწვავის უჯრედები შეიძლება განთავსდეს უშუალოდ შენობაში, რითაც შემცირდება დანაკარგები ენერგიის ტრანსპორტირებისას, ხოლო რეაქციის შედეგად წარმოქმნილი სითბო შეიძლება გამოყენებულ იქნას შენობის სითბოს ან ცხელი წყლით მომარაგებისთვის. სითბოს და ელექტრომომარაგების ავტონომიური წყაროები შეიძლება იყოს ძალიან მომგებიანი შორეულ რაიონებში და რეგიონებში, რომლებიც ხასიათდება ელექტროენერგიის დეფიციტით და მისი მაღალი ღირებულებით, მაგრამ ამავე დროს არსებობს წყალბადის შემცველი ნედლეულის მარაგი (ნავთობი, ბუნებრივი აირი). .

საწვავის უჯრედების უპირატესობაა ასევე საწვავის ხელმისაწვდომობა, საიმედოობა (საწვავის უჯრედში მოძრავი ნაწილები არ არის), გამძლეობა და მუშაობის სიმარტივე.

დღეს საწვავის უჯრედების ერთ-ერთი მთავარი ნაკლოვანება მათი შედარებით მაღალი ღირებულებაა, მაგრამ ეს ხარვეზი შეიძლება მალე დაიძლიოს - სულ უფრო მეტი კომპანია აწარმოებს საწვავის უჯრედების კომერციულ ნიმუშებს, ისინი მუდმივად იხვეწება და მათი ღირებულება მცირდება.

სუფთა წყალბადის საწვავად ყველაზე ეფექტური გამოყენება, თუმცა, ეს მოითხოვს სპეციალური ინფრასტრუქტურის შექმნას მისი წარმოებისა და ტრანსპორტირებისთვის. ამჟამად, ყველა კომერციული დიზაინი იყენებს ბუნებრივ აირს და მსგავს საწვავს. საავტომობილო მანქანებს შეუძლიათ გამოიყენონ ჩვეულებრივი ბენზინი, რაც საშუალებას მისცემს შეინარჩუნოს ბენზინგასამართი სადგურების არსებული განვითარებული ქსელი. თუმცა, ასეთი საწვავის გამოყენება იწვევს მავნე ემისიებს ატმოსფეროში (თუმცა ძალიან დაბალი) და ართულებს (და შესაბამისად ზრდის) საწვავის უჯრედს. სამომავლოდ განიხილება ეკოლოგიურად სუფთა განახლებადი ენერგიის წყაროების (მაგალითად, მზის ან ქარის ენერგია) გამოყენების შესაძლებლობა ელექტროლიზის გზით წყლის წყალბადად და ჟანგბადად დაშლის მიზნით და შემდეგ მიღებული საწვავის საწვავის უჯრედში გადაქცევისთვის. დახურულ ციკლში მომუშავე ასეთი კომბინირებული მცენარეები შეიძლება იყოს ეკოლოგიურად სუფთა, საიმედო, გამძლე და ეფექტური ენერგიის წყარო.

საწვავის უჯრედების კიდევ ერთი მახასიათებელია ის, რომ ისინი ყველაზე ეფექტურია როგორც ელექტრო, ასევე თერმული ენერგიის ერთდროულად გამოყენებისას. თუმცა, თერმული ენერგიის გამოყენების შესაძლებლობა ყველა ობიექტზე არ არის ხელმისაწვდომი. მხოლოდ ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის საწვავის უჯრედების გამოყენების შემთხვევაში მათი ეფექტურობა მცირდება, თუმცა აღემატება „ტრადიციული“ დანადგარების ეფექტურობას.

საწვავის უჯრედების ისტორია და თანამედროვე გამოყენება

საწვავის უჯრედების მუშაობის პრინციპი აღმოაჩინეს 1839 წელს. ინგლისელმა მეცნიერმა უილიამ რობერტ გროვმა (1811-1896) აღმოაჩინა, რომ ელექტროლიზის პროცესი - წყლის წყალბადად და ჟანგბადად დაშლა ელექტრული დენის საშუალებით - შექცევადია, ანუ წყალბადი და ჟანგბადი შეიძლება გაერთიანდეს წყლის მოლეკულებში წვის გარეშე, მაგრამ სითბოს და ელექტრო დენის გამოყოფით. გროვმა მოწყობილობას, რომელშიც ასეთი რეაქცია განხორციელდა, უწოდა "გაზის ბატარეა", რომელიც იყო პირველი საწვავის უჯრედი.

საწვავის უჯრედების ტექნოლოგიების აქტიური განვითარება მეორე მსოფლიო ომის შემდეგ დაიწყო და ის დაკავშირებულია კოსმოსურ ინდუსტრიასთან. იმ დროს ჩატარდა ძიება ეფექტური და საიმედო, მაგრამ ამავე დროს საკმაოდ კომპაქტური ენერგიის წყაროზე. 1960-იან წლებში NASA-ს სპეციალისტებმა (აერონავტიკისა და კოსმოსის ეროვნული ადმინისტრაცია, NASA) აირჩიეს საწვავის უჯრედები, როგორც ენერგიის წყარო კოსმოსური ხომალდებისთვის Apollo (პილოტირებული ფრენები მთვარეზე), Apollo-Soyuz, Gemini და Skylab პროგრამები. აპოლონმა გამოიყენა სამი 1,5 კვტ ერთეული (2,2 კვტ პიკური სიმძლავრე) კრიოგენული წყალბადისა და ჟანგბადის გამოყენებით ელექტროენერგიის, სითბოს და წყლის წარმოებისთვის. თითოეული ინსტალაციის მასა იყო 113 კგ. ეს სამი უჯრედი პარალელურად მუშაობდა, მაგრამ ერთი ერთეულის მიერ გამომუშავებული ენერგია საკმარისი იყო უსაფრთხო დაბრუნებისთვის. 18 ფრენის დროს საწვავის უჯრედებმა ავარიის გარეშე დაგროვდა სულ 10000 საათი. ამჟამად საწვავის უჯრედები გამოიყენება კოსმოსურ შატლში "Space Shuttle", რომელიც იყენებს 12 ვტ სიმძლავრის სამ ერთეულს, რომლებიც წარმოქმნის მთელ ელექტრო ენერგიას კოსმოსურ ხომალდზე (ნახ. 2). ელექტროქიმიური რეაქციის შედეგად მიღებული წყალი გამოიყენება როგორც სასმელი წყალი, ასევე გამაგრილებელი მოწყობილობებისთვის.

ჩვენს ქვეყანაში ასევე მიმდინარეობდა მუშაობა საწვავის უჯრედების შექმნაზე ასტრონავტიკაში გამოსაყენებლად. მაგალითად, საწვავის უჯრედები გამოიყენებოდა საბჭოთა კოსმოსური შატლის „ბურანის“ გასაძლიერებლად.

საწვავის უჯრედების კომერციული გამოყენების მეთოდების შემუშავება დაიწყო 1960-იანი წლების შუა ხანებში. ეს მოვლენები ნაწილობრივ დაფინანსდა სამთავრობო ორგანიზაციების მიერ.

ამჟამად საწვავის უჯრედების გამოყენების ტექნოლოგიების განვითარება რამდენიმე მიმართულებით მიდის. ეს არის სტაციონარული ელექტროსადგურების შექმნა საწვავის უჯრედებზე (როგორც ცენტრალიზებული, ასევე დეცენტრალიზებული ენერგომომარაგებისთვის), სატრანსპორტო საშუალებების ელექტროსადგურები (შექმნილია მანქანებისა და ავტობუსების ნიმუშები საწვავის უჯრედებზე, მათ შორის ჩვენს ქვეყანაში) (ნახ. 3) და ასევე კვების წყაროები სხვადასხვა მობილური მოწყობილობებისთვის (ლეპტოპები, მობილური ტელეფონები და ა.შ.) (სურ. 4).

საწვავის უჯრედების გამოყენების მაგალითები სხვადასხვა სფეროში მოცემულია ცხრილში. ერთი.

საწვავის უჯრედების ერთ-ერთი პირველი კომერციული მოდელი, რომელიც შექმნილია შენობების ავტონომიური სითბოს და ელექტრომომარაგებისთვის, იყო PC25 Model A, რომელიც დამზადებულია ONSI Corporation-ის (ახლანდელი United Technologies, Inc.) მიერ. ეს საწვავის უჯრედი, რომლის ნომინალური სიმძლავრეა 200 კვტ, მიეკუთვნება ფოსფორის მჟავაზე დაფუძნებული ელექტროლიტის მქონე უჯრედების ტიპს (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). მოდელის სახელში ნომერი „25“ ნიშნავს დიზაინის სერიულ ნომერს. წინა მოდელების უმეტესობა იყო ექსპერიმენტული ან საცდელი ნაწილი, როგორიცაა 12,5 კვტ სიმძლავრის "PC11" მოდელი, რომელიც გამოჩნდა 1970-იან წლებში. ახალმა მოდელებმა გაზარდეს ერთი საწვავის უჯრედიდან აღებული სიმძლავრე და ასევე შეამცირეს წარმოებული ენერგიის კილოვატზე ღირებულება. ამჟამად, ერთ-ერთი ყველაზე ეფექტური კომერციული მოდელია PC25 Model C საწვავის უჯრედი. მოდელი "A"-ს მსგავსად, ეს არის სრულად ავტომატური 200 კვტ სიმძლავრის PAFC ტიპის საწვავის უჯრედი, რომელიც განკუთვნილია უშუალოდ მომსახურე ობიექტზე დაყენებისთვის, როგორც სითბოს და ელექტროენერგიის დამოუკიდებელი წყარო. ასეთი საწვავის უჯრედი შეიძლება დამონტაჟდეს შენობის გარეთ. გარეგნულად ეს არის 5,5 მ სიგრძის, 3 მ სიგანისა და 3 მ სიმაღლის პარალელეპიპედი, წონა 18140 კგ. განსხვავება წინა მოდელებისგან არის გაუმჯობესებული რეფორმატორი და უფრო მაღალი დენის სიმკვრივე.

ცხრილი 1 საწვავის უჯრედების ფარგლები

რეგიონი აპლიკაციები Შეფასებული ძალა გამოყენების მაგალითები სტაციონარული დანადგარები 5–250 კვტ და უფრო მაღალი სითბოს და ელექტრომომარაგების ავტონომიური წყაროები საცხოვრებელი, საზოგადოებრივი და სამრეწველო შენობებისთვის, უწყვეტი კვების წყაროები, სარეზერვო და გადაუდებელი დენის წყაროები პორტატული დანადგარები 1–50 კვტ საგზაო ნიშნები, სატვირთო მანქანები და რკინიგზა, ინვალიდის ეტლები, გოლფის ეტლები, კოსმოსური ხომალდები და თანამგზავრები მობილური დანადგარები 25–150 კვტ მანქანები (პროტოტიპები შეიქმნა, მაგალითად, DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), ავტობუსები (მაგ. MAN, Neoplan, Renault) და სხვა მანქანები, სამხედრო გემები და წყალქვეშა ნავები. მიკრომოწყობილობები 1-500 W მობილური ტელეფონები, ლეპტოპები, PDA, სხვადასხვა სამომხმარებლო ელექტრონული მოწყობილობები, თანამედროვე სამხედრო მოწყობილობები

საწვავის უჯრედების ზოგიერთ სახეობაში ქიმიური პროცესი შეიძლება შეიცვალოს: ელექტროდებზე პოტენციური განსხვავების გამოყენებით, წყალი შეიძლება დაიშალოს წყალბადად და ჟანგბადად, რომლებიც გროვდება ფოროვან ელექტროდებზე. როდესაც დატვირთვა უკავშირდება, ასეთი რეგენერაციული საწვავის უჯრედი დაიწყებს ელექტრო ენერგიის გამომუშავებას.

საწვავის უჯრედების გამოყენების პერსპექტიული მიმართულებაა მათი გამოყენება განახლებადი ენერგიის წყაროებთან ერთად, როგორიცაა ფოტოელექტრული პანელები ან ქარის ტურბინები. ეს ტექნოლოგია საშუალებას გაძლევთ სრულად აიცილოთ ჰაერის დაბინძურება. მსგავსი სისტემის შექმნა იგეგმება, მაგალითად, ობერლინში, ადამ ჯოზეფ ლუისის სასწავლო ცენტრში (იხ. ABOK, 2002, No. 5, გვ. 10). ამჟამად ამ შენობაში ენერგიის ერთ-ერთ წყაროდ მზის პანელები გამოიყენება. NASA-ს სპეციალისტებთან ერთად შემუშავდა პროექტი ფოტოელექტრული პანელების გამოსაყენებლად წყლისგან წყალბადისა და ჟანგბადის ელექტროლიზის გზით წარმოებისთვის. წყალბადი შემდეგ გამოიყენება საწვავის უჯრედებში ელექტრო ენერგიისა და ცხელი წყლის შესაქმნელად. ეს საშუალებას მისცემს შენობას შეინარჩუნოს ყველა სისტემის მუშაობა მოღრუბლულ დღეებში და ღამით.

საწვავის უჯრედების მუშაობის პრინციპი

მაგალითისთვის განვიხილოთ საწვავის უჯრედის მუშაობის პრინციპი პროტონების გაცვლის მემბრანის უმარტივესი ელემენტის გამოყენებით (Proton Exchange Membrane, PEM). ასეთი ელემენტი შედგება პოლიმერული მემბრანისგან, რომელიც მოთავსებულია ანოდსა (დადებით ელექტროდს) და კათოდს (უარყოფითი ელექტროდი) შორის ანოდთან და კათოდის კატალიზატორებთან ერთად. ელექტროლიტად გამოიყენება პოლიმერული მემბრანა. PEM ელემენტის დიაგრამა ნაჩვენებია ნახ. 5.

პროტონების გაცვლის მემბრანა (PEM) არის თხელი (დაახლოებით 2-7 ფურცელი ჩვეულებრივი ქაღალდის სისქის) მყარი ორგანული ნაერთი. ეს მემბრანა ფუნქციონირებს როგორც ელექტროლიტი: წყლის თანდასწრებით მატერიას ჰყოფს დადებითად და უარყოფითად დამუხტულ იონებად.

ანოდზე ხდება ჟანგვითი პროცესი, ხოლო კათოდზე – რედუქციის პროცესი. ანოდი და კათოდი PEM უჯრედში დამზადებულია ფოროვანი მასალისგან, რომელიც ნახშირბადის და პლატინის ნაწილაკების ნაზავია. პლატინა მოქმედებს როგორც კატალიზატორი, რომელიც ხელს უწყობს დისოციაციის რეაქციას. ანოდი და კათოდი ხდება ფოროვანი მათში წყალბადის და ჟანგბადის თავისუფალი გავლისთვის, შესაბამისად.

ანოდი და კათოდი მოთავსებულია ორ მეტალის ფირფიტას შორის, რომლებიც წყალბადს და ჟანგბადს აწვდიან ანოდს და კათოდს და შლის სითბოს და წყალს, ასევე ელექტრო ენერგიას.

წყალბადის მოლეკულები ფირფიტაში არსებული არხებით ანოდამდე გადიან, სადაც მოლეკულები ცალკეულ ატომებად იშლება (ნახ. 6).

	სურათი 5 () პროტონების გაცვლის მემბრანის (PEM) საწვავის უჯრედის სქემატური დიაგრამა
	სურათი 6 () წყალბადის მოლეკულები ფირფიტის არხებით შედიან ანოდში, სადაც მოლეკულები იშლება ცალკეულ ატომებად.
	სურათი 7 () კატალიზატორის თანდასწრებით ქიმისორბციის შედეგად წყალბადის ატომები გარდაიქმნება პროტონებად.
	Ფიგურა 8 () დადებითად დამუხტული წყალბადის იონები მემბრანის გავლით კათოდში დიფუზირდება და ელექტრონის ნაკადი მიმართულია კათოდში გარე ელექტრული წრედის მეშვეობით, რომელსაც დატვირთვა უკავშირდება.
	სურათი 9 () ჟანგბადი, რომელიც მიეწოდება კათოდს, კატალიზატორის თანდასწრებით, შედის ქიმიურ რეაქციაში წყალბადის იონებთან პროტონების გაცვლის გარსიდან და ელექტრონები გარე ელექტრული წრედან. წყალი წარმოიქმნება ქიმიური რეაქციის შედეგად

შემდეგ, კატალიზატორის თანდასწრებით ქიმისორბციის შედეგად, წყალბადის ატომები, რომელთაგან თითოეული გასცემს თითო ელექტრონს e - , გარდაიქმნება დადებითად დამუხტულ წყალბადის იონებად H +, ანუ პროტონებად (ნახ. 7).

დადებითად დამუხტული წყალბადის იონები (პროტონები) მემბრანის მეშვეობით დიფუზირდება კათოდამდე, ხოლო ელექტრონების ნაკადი მიმართულია კათოდისკენ გარე ელექტრული წრედის მეშვეობით, რომელსაც უკავშირდება დატვირთვა (ელექტრული ენერგიის მომხმარებელი) (ნახ. 8).

კათოდში მიწოდებული ჟანგბადი, კატალიზატორის თანდასწრებით, შედის ქიმიურ რეაქციაში წყალბადის იონებთან (პროტონებთან) პროტონების გაცვლის მემბრანიდან და ელექტრონებით გარე ელექტრული წრედან (ნახ. 9). ქიმიური რეაქციის შედეგად წარმოიქმნება წყალი.

ქიმიური რეაქცია სხვა ტიპის საწვავის უჯრედში (მაგალითად, მჟავე ელექტროლიტთან, რომელიც წარმოადგენს ფოსფორმჟავას H 3 PO 4 ხსნარს) აბსოლუტურად იდენტურია საწვავის უჯრედში პროტონული მემბრანის მქონე ქიმიურ რეაქციასთან.

ნებისმიერ საწვავის უჯრედში, ქიმიური რეაქციის ენერგიის ნაწილი გამოიყოფა სითბოს სახით.

ელექტრონების ნაკადი გარე წრეში არის პირდაპირი დენი, რომელიც გამოიყენება სამუშაოს შესასრულებლად. გარე წრედის გახსნა ან წყალბადის იონების მოძრაობის შეჩერება აჩერებს ქიმიურ რეაქციას.

საწვავის უჯრედის მიერ წარმოებული ელექტრული ენერგიის რაოდენობა დამოკიდებულია საწვავის უჯრედის ტიპზე, გეომეტრიულ ზომებზე, ტემპერატურაზე, გაზის წნევაზე. ერთი საწვავის უჯრედი უზრუნველყოფს EMF-ს 1,16 ვ-ზე ნაკლებს. შესაძლებელია საწვავის უჯრედების ზომის გაზრდა, მაგრამ პრაქტიკაში გამოიყენება რამდენიმე უჯრედი, რომლებიც დაკავშირებულია ბატარეებში (ნახ. 10).

საწვავის უჯრედის მოწყობილობა

განვიხილოთ საწვავის უჯრედის მოწყობილობა PC25 Model C მოდელის მაგალითზე. საწვავის უჯრედის სქემა ნაჩვენებია ნახ. თერთმეტი.

საწვავის უჯრედი "PC25 Model C" შედგება სამი ძირითადი ნაწილისგან: საწვავის პროცესორი, ფაქტობრივი ენერგიის გამომუშავების განყოფილება და ძაბვის გადამყვანი.

საწვავის უჯრედის ძირითადი ნაწილი - ენერგიის გამომუშავების განყოფილება - არის დასტა, რომელიც შედგება 256 ინდივიდუალური საწვავის უჯრედისგან. საწვავის უჯრედების ელექტროდების შემადგენლობა მოიცავს პლატინის კატალიზატორს. ამ უჯრედების მეშვეობით წარმოიქმნება პირდაპირი ელექტრული დენი 1400 ამპერი 155 ვოლტ ძაბვაზე. ბატარეის ზომებია დაახლოებით 2.9 მ სიგრძე და 0.9 მ სიგანე და სიმაღლე.

ვინაიდან ელექტროქიმიური პროცესი მიმდინარეობს 177 ° C ტემპერატურაზე, აუცილებელია ბატარეის გაცხელება გაშვების დროს და მისგან სითბოს ამოღება ექსპლუატაციის დროს. ამისათვის საწვავის უჯრედი მოიცავს ცალკე წყლის წრეს, ხოლო ბატარეა აღჭურვილია სპეციალური გაგრილების ფირფიტებით.

საწვავის პროცესორი საშუალებას გაძლევთ გადაიყვანოთ ბუნებრივი აირი წყალბადად, რაც აუცილებელია ელექტროქიმიური რეაქციისთვის. ამ პროცესს რეფორმა ჰქვია. საწვავის პროცესორის მთავარი ელემენტია რეფორმატორი. რეფორმატორში ბუნებრივი აირი (ან წყალბადის შემცველი სხვა საწვავი) რეაგირებს ორთქლთან მაღალ ტემპერატურაზე (900 °C) და მაღალ წნევაზე ნიკელის კატალიზატორის თანდასწრებით. შემდეგი ქიმიური რეაქციები ხდება:

CH 4 (მეთანი) + H 2 O 3H 2 + CO

(რეაქცია ენდოთერმული, სითბოს შთანთქმით);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(რეაქცია ეგზოთერმულია, სითბოს გამოყოფით).

საერთო რეაქცია გამოიხატება განტოლებით:

CH 4 (მეთანი) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(რეაქცია ენდოთერმული, სითბოს შთანთქმით).

ბუნებრივი აირის კონვერტაციისთვის საჭირო მაღალი ტემპერატურის უზრუნველსაყოფად, დახარჯული საწვავის ნაწილი საწვავის უჯრედების დასტადან იგზავნება სანთურში, რომელიც ინარჩუნებს რეფორმატორს სასურველ ტემპერატურაზე.

რეფორმირებისთვის საჭირო ორთქლი წარმოიქმნება საწვავის უჯრედის მუშაობის დროს წარმოქმნილი კონდენსატისგან. ამ შემთხვევაში გამოიყენება საწვავის უჯრედის დასტადან ამოღებული სითბო (ნახ. 12).

საწვავის უჯრედების დასტა წარმოქმნის წყვეტილ პირდაპირ დენს, რომელიც ხასიათდება დაბალი ძაბვით და მაღალი დენით. ძაბვის გადამყვანი გამოიყენება მისი სამრეწველო სტანდარტის AC-ზე გადასაყვანად. გარდა ამისა, ძაბვის გადამყვანი ერთეული მოიცავს სხვადასხვა საკონტროლო მოწყობილობებს და უსაფრთხოების ჩაკეტვის სქემებს, რომლებიც საშუალებას აძლევს საწვავის უჯრედის გამორთვას სხვადასხვა უკმარისობის შემთხვევაში.

ასეთ საწვავის უჯრედში საწვავში არსებული ენერგიის დაახლოებით 40% შეიძლება გარდაიქმნას ელექტრო ენერგიად. დაახლოებით იგივე რაოდენობა, საწვავის ენერგიის დაახლოებით 40%, შეიძლება გარდაიქმნას, რომელიც შემდეგ გამოიყენება გათბობის წყაროდ გათბობისთვის, ცხელი წყლით მომარაგებისთვის და მსგავსი მიზნებისთვის. ამრიგად, ასეთი ქარხნის მთლიანი ეფექტურობა შეიძლება მიაღწიოს 80% -ს.

სითბოს და ელექტროენერგიის მიწოდების ასეთი წყაროს მნიშვნელოვანი უპირატესობაა მისი ავტომატური მუშაობის შესაძლებლობა. მოვლისთვის, იმ ობიექტის მფლობელებს, რომელზედაც დამონტაჟებულია საწვავის უჯრედი, არ სჭირდებათ სპეციალურად მომზადებული პერსონალის შენარჩუნება - პერიოდული ტექნიკური მომსახურება შეიძლება განხორციელდეს ოპერაციული ორგანიზაციის თანამშრომლების მიერ.

საწვავის უჯრედების ტიპები

ამჟამად ცნობილია საწვავის უჯრედების რამდენიმე ტიპი, რომლებიც განსხვავდება გამოყენებული ელექტროლიტის შემადგენლობით. შემდეგი ოთხი ტიპი ყველაზე გავრცელებულია (ცხრილი 2):

1. საწვავის უჯრედები პროტონების გაცვლის მემბრანით (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. ორთოფოსფორის (ფოსფორის) მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედები (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. გამდნარ კარბონატზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედები (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). ამჟამად, საწვავის უჯრედების უდიდესი ფლოტი აგებულია PAFC ტექნოლოგიის საფუძველზე.

სხვადასხვა ტიპის საწვავის უჯრედების ერთ-ერთი მთავარი მახასიათებელია სამუშაო ტემპერატურა. მრავალი თვალსაზრისით, ეს არის ტემპერატურა, რომელიც განსაზღვრავს საწვავის უჯრედების მოცულობას. მაგალითად, მაღალი ტემპერატურა გადამწყვეტია ლეპტოპებისთვის, ამიტომ ამ ბაზრის სეგმენტისთვის მუშავდება პროტონული მემბრანის საწვავის უჯრედები დაბალი ოპერაციული ტემპერატურის მქონე.

შენობების ავტონომიური ელექტრომომარაგებისთვის საჭიროა მაღალი დადგმული სიმძლავრის საწვავის უჯრედები და ამავდროულად შესაძლებელია თერმული ენერგიის გამოყენება, შესაბამისად, ამ მიზნებისთვის შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვა ტიპის საწვავის უჯრედებიც.

პროტონის გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედები (PEMFC)

ეს საწვავის უჯრედები მუშაობენ შედარებით დაბალ სამუშაო ტემპერატურაზე (60-160°C). ისინი ხასიათდებიან მაღალი სიმძლავრის სიმკვრივით, საშუალებას გაძლევთ სწრაფად დაარეგულიროთ გამომავალი სიმძლავრე და შეიძლება სწრაფად ჩართოთ. ამ ტიპის ელემენტების მინუსი არის მაღალი მოთხოვნები საწვავის ხარისხზე, რადგან დაბინძურებულმა საწვავმა შეიძლება დააზიანოს მემბრანა. ამ ტიპის საწვავის უჯრედების ნომინალური სიმძლავრეა 1-100 კვტ.

პროტონების გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედები თავდაპირველად შეიქმნა General Electric Corporation-ის მიერ 1960-იან წლებში NASA-სთვის. ამ ტიპის საწვავის უჯრედი იყენებს მყარი მდგომარეობის პოლიმერულ ელექტროლიტს, რომელსაც ეწოდება პროტონების გაცვლის მემბრანა (PEM). პროტონებს შეუძლიათ გადაადგილება პროტონების გაცვლის მემბრანაში, მაგრამ ელექტრონები ვერ გაივლიან მასში, რაც იწვევს პოტენციურ განსხვავებას კათოდსა და ანოდს შორის. მათი სიმარტივისა და საიმედოობის გამო, ასეთი საწვავის უჯრედები გამოიყენებოდა როგორც ენერგიის წყარო Gemini პილოტირებული კოსმოსური ხომალდზე.

ამ ტიპის საწვავის უჯრედი გამოიყენება ენერგიის წყაროდ სხვადასხვა მოწყობილობებისთვის, პროტოტიპებისა და პროტოტიპების ჩათვლით, მობილური ტელეფონებიდან ავტობუსებამდე და სტაციონარული ენერგოსისტემებამდე. დაბალი ოპერაციული ტემპერატურა საშუალებას აძლევს ასეთ უჯრედებს გამოიყენონ სხვადასხვა ტიპის რთული ელექტრონული მოწყობილობების კვებისათვის. ნაკლებად ეფექტურია მათი გამოყენება, როგორც სითბოს და ელექტროენერგიის მიწოდების წყარო საზოგადოებრივი და სამრეწველო შენობებისთვის, სადაც საჭიროა დიდი რაოდენობით თერმული ენერგია. ამავდროულად, ასეთი ელემენტები პერსპექტიულია, როგორც ელექტრომომარაგების ავტონომიური წყარო მცირე საცხოვრებელი კორპუსებისთვის, როგორიცაა კოტეჯები, რომლებიც აშენებულია ცხელი კლიმატის მქონე რეგიონებში.

ცხრილი 2 საწვავის უჯრედების ტიპები

ნივთის ტიპი მუშები ტემპერატურა, °C ეფექტურობის გამომავალი ელექტრო ენერგია), % სულ ეფექტურობა, % საწვავის უჯრედებით პროტონების გაცვლის მემბრანა (PEMFC) 60–160 30–35 50–70 საწვავის უჯრედები ორთოფოსფორის საფუძველზე (ფოსფორის) მჟავა (PAFC) 150–200 35 70–80 საწვავის უჯრედებზე დაფუძნებული გამდნარი კარბონატი (MCFC) 600–700 45–50 70–80 მყარი მდგომარეობის ოქსიდი საწვავის უჯრედები (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

ფოსფორის მჟავის საწვავის უჯრედები (PAFC)

ამ ტიპის საწვავის უჯრედების ტესტები უკვე ჩატარდა 1970-იანი წლების დასაწყისში. სამუშაო ტემპერატურის დიაპაზონი - 150-200 °C. გამოყენების ძირითადი სფეროა სითბოს ავტონომიური წყაროები და საშუალო სიმძლავრის ელექტრომომარაგება (დაახლოებით 200 კვტ).

ამ საწვავის უჯრედებში გამოყენებული ელექტროლიტი არის ფოსფორის მჟავის ხსნარი. ელექტროდები დამზადებულია ნახშირბადით დაფარული ქაღალდისგან, რომელშიც პლატინის კატალიზატორია გაფანტული.

PAFC საწვავის უჯრედების ელექტრული ეფექტურობა არის 37-42%. თუმცა, ვინაიდან ეს საწვავის უჯრედები მუშაობენ საკმარისად მაღალ ტემპერატურაზე, შესაძლებელია ექსპლუატაციის შედეგად წარმოქმნილი ორთქლის გამოყენება. ამ შემთხვევაში, საერთო ეფექტურობა შეიძლება მიაღწიოს 80%.

ენერგიის გამოსამუშავებლად წყალბადის შემცველი საკვები უნდა გარდაიქმნას სუფთა წყალბადად რეფორმირების პროცესის მეშვეობით. მაგალითად, თუ ბენზინი გამოიყენება როგორც საწვავი, მაშინ გოგირდის ნაერთები უნდა მოიხსნას, რადგან გოგირდმა შეიძლება დააზიანოს პლატინის კატალიზატორი.

PAFC საწვავის უჯრედები იყო პირველი კომერციული საწვავის უჯრედები, რომლებიც ეკონომიკურად გამართლებული იყო. ყველაზე გავრცელებული მოდელი იყო 200 კვტ PC25 საწვავის უჯრედი, რომელიც დამზადებულია ONSI Corporation-ის (ახლანდელი United Technologies, Inc.) მიერ (ნახ. 13). მაგალითად, ეს ელემენტები გამოიყენება როგორც სითბოს და ელექტროენერგიის წყარო ნიუ-იორკის ცენტრალურ პარკში პოლიციის განყოფილებაში ან ენერგიის დამატებით წყაროდ Conde Nast Building-ისთვის და Four Times Square-ისთვის. ამ ტიპის უმსხვილესი სადგური იაპონიაში მდებარე 11 მეგავატი სიმძლავრის ელექტროსადგურად ტესტირება მიმდინარეობს.

ფოსფორის მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედები ასევე გამოიყენება მანქანებში ენერგიის წყაროდ. მაგალითად, 1994 წელს H-Power Corp.-მ, ჯორჯთაუნის უნივერსიტეტმა და აშშ-ის ენერგეტიკის დეპარტამენტმა აღჭურვეს ავტობუსი 50 კვტ სიმძლავრის ელექტროსადგურით.

მდნარი კარბონატის საწვავის უჯრედები (MCFC)

ამ ტიპის საწვავის უჯრედები მუშაობენ ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე - 600-700 °C. ეს ოპერაციული ტემპერატურა საშუალებას აძლევს საწვავს გამოიყენოს უშუალოდ უჯრედში, ცალკე რეფორმატორის საჭიროების გარეშე. ამ პროცესს „შიდა რეფორმირება“ ეწოდება. ეს საშუალებას გაძლევთ მნიშვნელოვნად გაამარტივოთ საწვავის უჯრედის დიზაინი.

გამდნარ კარბონატზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედები საჭიროებს გაშვების მნიშვნელოვან დროს და არ იძლევა გამომავალი სიმძლავრის სწრაფად რეგულირების საშუალებას, ამიტომ მათი გამოყენების ძირითადი სფეროა სითბოს და ელექტროენერგიის დიდი სტაციონარული წყაროები. თუმცა ისინი გამოირჩევიან საწვავის მაღალი კონვერტაციის ეფექტურობით - 60% ელექტროეფექტურობით და 85%-მდე საერთო ეფექტურობით.

ამ ტიპის საწვავის უჯრედში ელექტროლიტი შედგება კალიუმის კარბონატისა და ლითიუმის კარბონატის მარილებისგან, რომლებიც გაცხელებულია დაახლოებით 650 °C-მდე. ამ პირობებში მარილები დნობის მდგომარეობაშია და ქმნიან ელექტროლიტს. ანოდზე წყალბადი ურთიერთქმედებს CO 3 იონებთან, აყალიბებს წყალს, ნახშირორჟანგს და ათავისუფლებს ელექტრონებს, რომლებიც იგზავნება გარე წრეში, ხოლო კათოდზე ჟანგბადი ურთიერთქმედებს ნახშირორჟანგთან და ელექტრონებთან გარე წრედიდან, კვლავ ქმნის CO 3 იონებს.

ამ ტიპის საწვავის უჯრედების ლაბორატორიული ნიმუშები შექმნეს 1950-იანი წლების ბოლოს ჰოლანდიელმა მეცნიერებმა G. H. J. Broers-მა და J. A. A. Ketelaar-მა. 1960-იან წლებში ამ ელემენტებთან მუშაობდა ინჟინერი ფრენსის ტ. ბეკონი, მე-17 საუკუნის ცნობილი ინგლისელი მწერლისა და მეცნიერის შთამომავალი, რის გამოც MCFC საწვავის უჯრედებს ზოგჯერ ბეკონის ელემენტებად მოიხსენიებენ. NASA-ს Apollo, Apollo-Soyuz და Scylab პროგრამები იყენებდნენ სწორედ ასეთ საწვავის უჯრედებს ენერგიის წყაროდ (ნახ. 14). იმავე წლებში აშშ-ს სამხედრო დეპარტამენტმა გამოსცადა Texas Instruments-ის მიერ წარმოებული MCFC საწვავის უჯრედების რამდენიმე ნიმუში, რომლებშიც საწვავად გამოიყენებოდა სამხედრო კლასის ბენზინი. 1970-იანი წლების შუა ხანებში აშშ-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტმა დაიწყო კვლევა სტაციონარული გამდნარი კარბონატის საწვავის უჯრედის შესაქმნელად, რომელიც შესაფერისია პრაქტიკული გამოყენებისთვის. 1990-იან წლებში 250 კვტ-მდე სიმძლავრის არაერთი კომერციული ერთეული ამოქმედდა, მაგალითად, აშშ-ს საზღვაო საჰაერო სადგურ მირამარში კალიფორნიაში. 1996 წელს FuelCell Energy, Inc. ექსპლუატაციაში შევიდა 2 მგვტ სიმძლავრის წინასერიის ქარხანა სანტა კლარაში, კალიფორნია.

მყარი მდგომარეობის ოქსიდის საწვავის უჯრედები (SOFC)

მყარი მდგომარეობის ოქსიდის საწვავის უჯრედები დიზაინით მარტივია და მუშაობს ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე - 700-1000 °C. ასეთი მაღალი ტემპერატურა იძლევა შედარებით „ბინძური“, არარაფინირებული საწვავის გამოყენების საშუალებას. იგივე მახასიათებლები, როგორც გამდნარ კარბონატზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედებში, განსაზღვრავს გამოყენების მსგავს არეალს - სითბოს და ელექტროენერგიის დიდ სტაციონალურ წყაროებს.

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები სტრუქტურულად განსხვავდება საწვავის უჯრედებისგან PAFC და MCFC ტექნოლოგიებზე დაფუძნებული. ანოდი, კათოდი და ელექტროლიტი დამზადებულია სპეციალური კლასის კერამიკისგან. ყველაზე ხშირად, ცირკონიუმის ოქსიდისა და კალციუმის ოქსიდის ნარევი გამოიყენება ელექტროლიტად, მაგრამ სხვა ოქსიდების გამოყენება შესაძლებელია. ელექტროლიტი აყალიბებს კრისტალურ გისოსს, რომელიც დაფარულია ორივე მხრიდან ფოროვანი ელექტროდის მასალით. სტრუქტურულად, ასეთი ელემენტები მზადდება მილების ან ბრტყელი დაფების სახით, რაც შესაძლებელს ხდის მათ წარმოებაში ელექტრონიკის ინდუსტრიაში ფართოდ გამოყენებული ტექნოლოგიების გამოყენებას. შედეგად, მყარი მდგომარეობის ოქსიდის საწვავის უჯრედებს შეუძლიათ მუშაობა ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე, ამიტომ მათი გამოყენება შესაძლებელია როგორც ელექტრო, ასევე თერმული ენერგიის წარმოებისთვის.

მაღალ ოპერაციულ ტემპერატურაზე კათოდში წარმოიქმნება ჟანგბადის იონები, რომლებიც ბროლის გისოსებით გადადიან ანოდში, სადაც ისინი ურთიერთქმედებენ წყალბადის იონებთან, ქმნიან წყალს და ათავისუფლებენ თავისუფალ ელექტრონებს. ამ შემთხვევაში წყალბადი ბუნებრივი აირიდან გამოიყოფა უშუალოდ უჯრედში, ანუ არ არის საჭირო ცალკე რეფორმატორი.

მყარი მდგომარეობის ოქსიდის საწვავის უჯრედების შექმნის თეორიული საფუძველი ჩაეყარა 1930-იანი წლების ბოლოს, როდესაც შვეიცარიელმა მეცნიერებმა ბაუერმა (ემილ ბაუერი) და პრეისმა (ჰ. პრეისი) ჩაატარეს ექსპერიმენტები ცირკონიუმზე, იტრიუმზე, ცერიუმზე, ლანთანზე და ვოლფრამის გამოყენებით. როგორც ელექტროლიტები.

ასეთი საწვავის უჯრედების პირველი პროტოტიპები შეიქმნა 1950-იანი წლების ბოლოს რამდენიმე ამერიკული და ჰოლანდიური კომპანიის მიერ. ამ კომპანიების უმეტესობამ მალევე მიატოვა შემდგომი კვლევები ტექნოლოგიური სირთულეების გამო, მაგრამ ერთ-ერთმა მათგანმა, Westinghouse Electric Corp. (ამჟამად "Siemens Westinghouse Power Corporation"), განაგრძო მუშაობა. კომპანია ამჟამად იღებს წინასწარ შეკვეთებს ტუბულარული ტოპოლოგიის მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედის კომერციული მოდელისთვის (სურათი 15). ასეთი ელემენტების ბაზრის სეგმენტი არის სტაციონარული დანადგარები სითბოს და ელექტროენერგიის წარმოებისთვის 250 კვტ-დან 5 მგვტ-მდე სიმძლავრით.

SOFC ტიპის საწვავის უჯრედებმა აჩვენეს ძალიან მაღალი საიმედოობა. მაგალითად, Siemens Westinghouse-ის პროტოტიპის საწვავის უჯრედს აქვს 16600 საათი და აგრძელებს მუშაობას, რაც მას ყველაზე ხანგრძლივ უწყვეტ საწვავის უჯრედად აქცევს მსოფლიოში.

SOFC საწვავის უჯრედების მაღალი ტემპერატურის, მაღალი წნევის მუშაობის რეჟიმი საშუალებას იძლევა შეიქმნას ჰიბრიდული ქარხნები, რომლებშიც საწვავის უჯრედების გამონაბოლქვი ამოძრავებს გაზის ტურბინებს, რომლებიც გამოიყენება ელექტროენერგიის შესაქმნელად. პირველი ასეთი ჰიბრიდული ქარხანა ფუნქციონირებს ირვინში, კალიფორნიაში. ამ ქარხნის ნომინალური სიმძლავრეა 220 კვტ, საიდანაც 200 კვტ საწვავის უჯრედიდან და 20 კვტ მიკროტურბინის გენერატორიდან.

არავის გააკვირვებს არც მზის პანელები და არც ქარის წისქვილები, რომლებიც ელექტროენერგიას გამოიმუშავებენ მსოფლიოს ყველა რეგიონში. მაგრამ ამ მოწყობილობებიდან გამომავალი არ არის მუდმივი და აუცილებელია ელექტროენერგიის სარეზერვო წყაროების დაყენება, ან ქსელთან დაკავშირება ელექტროენერგიის მისაღებად იმ პერიოდში, როდესაც განახლებადი ენერგიის ობიექტები ელექტროენერგიას არ გამოიმუშავებს. თუმცა არის მე-19 საუკუნეში განვითარებული ქარხნები, რომლებიც ელექტროენერგიის გამოსამუშავებლად იყენებენ "ალტერნატიულ" საწვავს, ანუ არ წვავენ გაზს ან ნავთობპროდუქტებს. ასეთი დანადგარები არის საწვავის უჯრედები.

შექმნის ისტორია

საწვავის უჯრედები (FC) ან საწვავის უჯრედები აღმოაჩინა ჯერ კიდევ 1838-1839 წლებში უილიამ გროვმა (Grow, Grove), როდესაც ის სწავლობდა წყლის ელექტროლიზს.

მითითება: წყლის ელექტროლიზი არის წყლის დაშლის პროცესი ელექტრული დენის მოქმედებით წყალბადისა და ჟანგბადის მოლეკულებად.

ელექტროლიტური ელემენტიდან ბატარეის გათიშვისას, ის გაკვირვებული აღმოჩნდა, რომ ელექტროდებმა დაიწყეს გამოთავისუფლებული აირის შეწოვა და დენის გამომუშავება. წყალბადის ელექტროქიმიური „ცივი“ წვის პროცესის აღმოჩენა მნიშვნელოვანი მოვლენა გახდა ენერგეტიკულ ინდუსტრიაში. მოგვიანებით მან შექმნა Grove აკუმულატორი. ამ მოწყობილობას ჰქონდა პლატინის ელექტროდი ჩაძირული აზოტის მჟავაში და თუთიის ელექტროდი თუთიის სულფატში. მან გამოიმუშავა დენი 12 ამპერი და ძაბვა 8 ვოლტი. თავად გრუმ ამ კონსტრუქციას უწოდა "სველი ბატარეა". შემდეგ მან შექმნა ბატარეა ორი პლატინის ელექტროდის გამოყენებით. თითოეული ელექტროდის ერთი ბოლო იყო გოგირდმჟავაში, ხოლო მეორე ბოლოები დალუქული იყო წყალბადისა და ჟანგბადის კონტეინერებში. ელექტროდებს შორის სტაბილური დენი იყო და კონტეინერებში წყლის რაოდენობა გაიზარდა. Grow-მ შეძლო ამ მოწყობილობაში არსებული წყლის დაშლა და გაუმჯობესება.

"Grow's Battery"

(წყარო: ბუნების ისტორიის ეროვნული მუზეუმის სამეფო საზოგადოება)

ტერმინი "საწვავის უჯრედი" (ინგლისური "საწვავის უჯრედი") გამოჩნდა მხოლოდ 1889 წელს ლ. მონდისა და.
ჩ.ლანგერი, რომელიც ცდილობდა შეექმნა ჰაერიდან და ნახშირის გაზიდან ელექტროენერგიის გამომუშავების მოწყობილობა.

ᲠᲝᲒᲝᲠ ᲛᲣᲨᲐᲝᲑᲡ?

საწვავის უჯრედი შედარებით მარტივი მოწყობილობაა. მას აქვს ორი ელექტროდი: ანოდი (უარყოფითი ელექტროდი) და კათოდი (დადებითი ელექტროდი). ელექტროდებზე ქიმიური რეაქცია მიმდინარეობს. მისი დასაჩქარებლად, ელექტროდების ზედაპირი დაფარულია კატალიზატორით. საწვავის უჯრედები აღჭურვილია კიდევ ერთი ელემენტით - მემბრანა.საწვავის ქიმიური ენერგიის გადაქცევა პირდაპირ ელექტროენერგიად ხდება მემბრანის მუშაობის გამო. იგი ჰყოფს ელემენტის ორ კამერას, რომლებშიც მიეწოდება საწვავი და ოქსიდიზატორი. მემბრანა საშუალებას აძლევს მხოლოდ პროტონებს, რომლებიც მიიღება საწვავის დაყოფის შედეგად, გადავიდნენ ერთი კამერიდან მეორეში კატალიზატორით დაფარულ ელექტროდზე (შემდეგ ელექტრონები გადიან გარე წრეში). მეორე პალატაში პროტონები რეკომბინირდებიან ელექტრონებთან (და ჟანგბადის ატომებთან) და წარმოქმნიან წყალს.

წყალბადის საწვავის უჯრედის მუშაობის პრინციპი

ქიმიურ დონეზე საწვავის ენერგიის ელექტროენერგიად გადაქცევის პროცესი ჩვეულებრივი წვის (დაჟანგვის) პროცესის მსგავსია.

ჟანგბადში ნორმალური წვის დროს ორგანული საწვავი იჟანგება და საწვავის ქიმიური ენერგია გარდაიქმნება თერმულ ენერგიად. ვნახოთ, რა ხდება, როდესაც წყალბადი იჟანგება ჟანგბადით ელექტროლიტურ გარემოში და ელექტროდების თანდასწრებით.

ტუტე გარემოში მდებარე ელექტროდისთვის წყალბადის მიწოდებით, ქიმიური რეაქცია მიმდინარეობს:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

როგორც ხედავთ, ვიღებთ ელექტრონებს, რომლებიც გარე წრეში გავლისას შედიან საპირისპირო ელექტროდში, რომელშიც შედის ჟანგბადი და სადაც ხდება რეაქცია:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

ჩანს, რომ მიღებული რეაქცია 2H 2 + O 2 → H 2 O იგივეა, რაც ჩვეულებრივი წვის დროს, მაგრამ საწვავის უჯრედი გამოიმუშავებს ელექტროენერგიას და სითბოს.

საწვავის უჯრედების ტიპები

FC კლასიფიცირდება რეაქციისთვის გამოყენებული ელექტროლიტის ტიპის მიხედვით:

უნდა აღინიშნოს, რომ ქვანახშირი, ნახშირბადის მონოქსიდი, სპირტები, ჰიდრაზინი და სხვა ორგანული ნივთიერებები ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას საწვავის უჯრედებში, ხოლო ჰაერი, წყალბადის ზეჟანგი, ქლორი, ბრომი, აზოტის მჟავა და ა.შ.

საწვავის უჯრედის ეფექტურობა

საწვავის უჯრედების მახასიათებელია ეფექტურობის მკაცრი შეზღუდვის გარეშესითბოს ძრავის მსგავსად.

დახმარება: ეფექტურობაკარნოს ციკლი არის მაქსიმალური შესაძლო ეფექტურობა ყველა სითბოს ძრავას შორის ერთი და იგივე მინიმალური და მაქსიმალური ტემპერატურით.

ამრიგად, საწვავის უჯრედების ეფექტურობა თეორიულად შეიძლება იყოს 100% -ზე მეტი. ბევრმა გაიღიმა და ფიქრობდა: "მუდმივი მოძრაობის მანქანა გამოიგონეს". არა, ღირს სკოლის ქიმიის კურსზე დაბრუნება. საწვავის უჯრედი ეფუძნება ქიმიური ენერგიის ელექტრო ენერგიად გადაქცევას. აქ ხდება სასწაულები. ამ პროცესში გარკვეულ ქიმიურ რეაქციას შეუძლია გარემოდან სითბოს შთანთქმა.

მითითება: ენდოთერმული რეაქციები არის ქიმიური რეაქციები, რომელსაც თან ახლავს სითბოს შეწოვა. ენდოთერმული რეაქციებისთვის, ენთალპიისა და შინაგანი ენერგიის ცვლილებას აქვს დადებითი მნიშვნელობები (Δჰ >0, Δ U >0), ამრიგად, რეაქციის პროდუქტები შეიცავს უფრო მეტ ენერგიას, ვიდრე ორიგინალური კომპონენტები.

ასეთი რეაქციის მაგალითია წყალბადის დაჟანგვა, რომელიც გამოიყენება უმეტეს საწვავის უჯრედებში. ამიტომ, თეორიულად, ეფექტურობა შეიძლება იყოს 100% -ზე მეტი. მაგრამ დღეს საწვავის უჯრედები ექსპლუატაციის დროს თბება და ვერ შთანთქავს გარემოს სითბოს.

მითითება: ეს შეზღუდვა დაწესებულია თერმოდინამიკის მეორე კანონით. "ცივი" სხეულიდან "ცხელზე" სითბოს გადაცემის პროცესი შეუძლებელია.

გარდა ამისა, არის დანაკარგები, რომლებიც დაკავშირებულია არაბალანსირებულ პროცესებთან. როგორიცაა: ომური დანაკარგები ელექტროლიტის და ელექტროდების სპეციფიკური გამტარობის გამო, აქტივაციისა და კონცენტრაციის პოლარიზაცია, დიფუზიის დანაკარგები. შედეგად, საწვავის უჯრედებში წარმოქმნილი ენერგიის ნაწილი გარდაიქმნება სითბოდ. აქედან გამომდინარე, საწვავის უჯრედები არ არის მუდმივი მოძრაობის მანქანები და მათი ეფექტურობა 100% -ზე ნაკლებია. მაგრამ მათი ეფექტურობა სხვა მანქანების ეფექტურობაზე მეტია. დღეს საწვავის უჯრედის ეფექტურობა 80%-ს აღწევს.

მითითება:ორმოციან წლებში ინგლისელმა ინჟინერმა ტ.ბეკონმა დააპროექტა და ააშენა საწვავის უჯრედის ბატარეა, საერთო სიმძლავრით 6 კვტ და ეფექტურობით 80%, მუშაობს სუფთა წყალბადზე და ჟანგბადზე, მაგრამ ბატარეის სიმძლავრე-წონის თანაფარდობა შეიცვალა. ძალიან პატარა იყო - ასეთი უჯრედები პრაქტიკული გამოყენებისთვის უვარგისი და ძალიან ძვირი იყო (წყარო: http://www.powerinfo.ru/).

საწვავის უჯრედის საკითხები

თითქმის ყველა საწვავის უჯრედი იყენებს წყალბადს საწვავად, ამიტომ ლოგიკური კითხვაა: "სად შემიძლია მივიღო?"

როგორც ჩანს, ელექტროლიზის შედეგად საწვავის უჯრედი აღმოაჩინეს, ამიტომ ელექტროლიზის შედეგად გამოთავისუფლებული წყალბადი შეგიძლიათ გამოიყენოთ. მაგრამ მოდით უფრო ახლოს მივხედოთ ამ პროცესს.

ფარადეის კანონის მიხედვით: ნივთიერების რაოდენობა, რომელიც იჟანგება ანოდზე ან მცირდება კათოდში, პროპორციულია ელექტროლიტში გავლილი ელექტროენერგიის რაოდენობით. ეს ნიშნავს, რომ მეტი წყალბადის მისაღებად საჭიროა მეტი ელექტროენერგიის დახარჯვა. წყლის ელექტროლიზის არსებული მეთოდები მუშაობს ერთიანობაზე ნაკლები ეფექტურობით. შემდეგ მიღებულ წყალბადს ვიყენებთ საწვავის უჯრედებში, სადაც ეფექტურობაც ერთიანობაზე ნაკლებია. ამიტომ, ჩვენ დავხარჯავთ იმაზე მეტ ენერგიას, ვიდრე გამომუშავება შეგვიძლია.

რა თქმა უნდა, ბუნებრივი აირისგან მიღებული წყალბადის გამოყენებაც შეიძლება. წყალბადის წარმოების ეს მეთოდი რჩება ყველაზე იაფი და პოპულარული. ამჟამად მსოფლიოში წარმოებული წყალბადის დაახლოებით 50% მიიღება ბუნებრივი აირისგან. მაგრამ წყალბადის შენახვისა და ტრანსპორტირების პრობლემაა. წყალბადს აქვს დაბალი სიმკვრივე ( ერთი ლიტრი წყალბადი იწონის 0,0846 გრამს), ამიტომ შორ მანძილზე გადასატანად ის უნდა იყოს შეკუმშული. და ეს არის დამატებითი ენერგია და ფულადი ხარჯები. ასევე, არ დაივიწყოთ უსაფრთხოება.

თუმცა, აქაც არის გამოსავალი - წყალბადის წყაროდ შეიძლება გამოვიყენოთ თხევადი ნახშირწყალბადის საწვავი. მაგალითად, ეთილის ან მეთილის სპირტი. მართალია, აქ უკვე საჭიროა სპეციალური დამატებითი მოწყობილობა - საწვავის გადამყვანი, მაღალ ტემპერატურაზე (მეთანოლისთვის ეს იქნება სადღაც 240 ° C) ალკოჰოლების გადაქცევა აირისებრი H 2 და CO 2 ნარევად. მაგრამ ამ შემთხვევაში პორტაბელურობაზე ფიქრი უკვე უფრო რთულია - ასეთი მოწყობილობები კარგია სტაციონარული ან მანქანის გენერატორების გამოსაყენებლად, მაგრამ კომპაქტური მობილური აღჭურვილობისთვის გჭირდებათ რაღაც ნაკლებად მოცულობითი.

კატალიზატორი

საწვავის უჯრედში რეაქციის გასაძლიერებლად, ანოდის ზედაპირი ჩვეულებრივ კატალიზატორია. ბოლო დრომდე, პლატინას იყენებდნენ კატალიზატორად. ამიტომ, საწვავის უჯრედის ღირებულება მაღალი იყო. მეორეც, პლატინი შედარებით იშვიათი ლითონია. ექსპერტების აზრით, საწვავის უჯრედების სამრეწველო წარმოებაში, პლატინის შესწავლილი მარაგი ამოიწურება 15-20 წელიწადში. მაგრამ მეცნიერები მთელს მსოფლიოში ცდილობენ შეცვალონ პლატინა სხვა მასალებით. სხვათა შორის, ზოგიერთმა მათგანმა კარგ შედეგს მიაღწია. ასე რომ, ჩინელმა მეცნიერებმა შეცვალეს პლატინი კალციუმის ოქსიდით (წყარო: www.cheburek.net).

საწვავის უჯრედების გამოყენება

პირველად საწვავის უჯრედი საავტომობილო ტექნოლოგიაში გამოსცადეს 1959 წელს. Alice-Chambers ტრაქტორმა გამოიყენა 1008 ბატარეა მუშაობისთვის. საწვავი იყო გაზების, ძირითადად პროპანისა და ჟანგბადის ნაზავი.

წყარო: http://www.planetseed.com/

60-იანი წლების შუა პერიოდიდან, „კოსმოსური რბოლის“ სიმაღლეზე, კოსმოსური ხომალდების შემქმნელები დაინტერესდნენ საწვავის უჯრედებით. ათასობით მეცნიერისა და ინჟინრის მუშაობამ შესაძლებელი გახადა ახალ დონეზე ასვლა და 1965წ. საწვავის უჯრედები გამოსცადეს აშშ-ში Gemini 5 კოსმოსურ ხომალდზე, მოგვიანებით კი კოსმოსურ ხომალდზე Apollo-ზე მთვარეზე ფრენისთვის და შატლის პროგრამის ფარგლებში. სსრკ-ში საწვავის უჯრედები შეიქმნა NPO Kvant-ში, ასევე კოსმოსში გამოსაყენებლად (წყარო: http://www.powerinfo.ru/).

ვინაიდან საწვავის უჯრედში წყალბადის წვის საბოლოო პროდუქტი წყალია, ისინი ითვლება ყველაზე სუფთა გარემოზე ზემოქმედების თვალსაზრისით. ამიტომ, საწვავის უჯრედებმა დაიწყეს პოპულარობის მოპოვება ეკოლოგიისადმი ზოგადი ინტერესის ფონზე.

უკვე ამჟამად, ავტომობილების მწარმოებლებმა, როგორიცაა Honda, Ford, Nissan და Mercedes-Benz, შექმნეს მანქანები, რომლებიც იკვებება წყალბადის საწვავის უჯრედებით.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force იკვებება წყალბადით

წყალბადზე მანქანების გამოყენებისას წყალბადის შენახვის პრობლემა მოგვარებულია. წყალბადის ბენზინგასამართი სადგურების მშენებლობა შესაძლებელს გახდის საწვავის შევსებას ნებისმიერ ადგილას. უფრო მეტიც, მანქანის წყალბადით შევსება უფრო სწრაფია, ვიდრე ელექტრო მანქანის დამუხტვა ბენზინგასამართ სადგურზე. მაგრამ მსგავსი პროექტების განხორციელებისას მათ შეექმნათ ისეთი პრობლემა, როგორიც არის ელექტრომობილების პრობლემა. ხალხი მზადაა წყალბადის მანქანაზე „გადასასვლელად“, თუ მათთვის ინფრასტრუქტურა იქნება. ბენზინგასამართი სადგურების მშენებლობა კი იმ შემთხვევაში დაიწყება, თუ საკმარისი რაოდენობის მომხმარებელი იქნება. ამიტომ, კვლავ მივედით კვერცხთან და ქათმის დილემამდე.

საწვავის უჯრედები ფართოდ გამოიყენება მობილურ ტელეფონებსა და ლეპტოპებში. წავიდა ის დრო, როცა ტელეფონი კვირაში ერთხელ იტენებოდა. ახლა ტელეფონი იტენება, თითქმის ყოველდღე, ლეპტოპი კი ქსელის გარეშე მუშაობს 3-4 საათის განმავლობაში. ამიტომ, მობილური ტექნოლოგიების მწარმოებლებმა გადაწყვიტეს საწვავის უჯრედის სინთეზირება ტელეფონებთან და ლეპტოპებთან დასატენად და სამუშაოდ. მაგალითად, Toshiba 2003 წელს აჩვენა მეთანოლის საწვავის უჯრედის დასრულებული პროტოტიპი. ის იძლევა დაახლოებით 100 მვტ სიმძლავრეს. 2 კუბიკი კონცენტრირებული (99,5%) მეთანოლის ერთი შევსება საკმარისია MP3 ფლეერის მუშაობის 20 საათის განმავლობაში. ისევ იგივე „ტოშიბამ“ აჩვენა 275x75x40მმ ლეპტოპის კვების ელემენტი, რომელიც კომპიუტერს ერთი დამუხტვით 5 საათის განმავლობაში მუშაობის საშუალებას აძლევს.

მაგრამ ზოგიერთი მწარმოებელი უფრო შორს წავიდა. PowerTrekk-მა გამოუშვა ამავე სახელწოდების დამტენი. PowerTrekk არის პირველი წყლის დამტენი მსოფლიოში. მისი გამოყენება ძალიან მარტივია. PowerTrekk საჭიროებს წყლის დამატებას USB კაბელის საშუალებით მყისიერი ენერგიის უზრუნველსაყოფად. ეს საწვავის უჯრედი შეიცავს სილიციუმის ფხვნილს და ნატრიუმის სილიციდს (NaSi) წყალთან შერევისას, ეს კომბინაცია წარმოქმნის წყალბადს. წყალბადი ერევა ჰაერს თავად საწვავის უჯრედში და ის წყალბადს ელექტროენერგიად გარდაქმნის მემბრანული პროტონული გაცვლის მეშვეობით, ვენტილატორებისა და ტუმბოების გარეშე. თქვენ შეგიძლიათ შეიძინოთ ასეთი პორტატული დამტენი 149 ევროდ (

საწვავის უჯრედები (ელექტროქიმიური გენერატორები) ენერგიის გამომუშავების ძალიან ეფექტური, გამძლე, საიმედო და ეკოლოგიურად სუფთა მეთოდია. თავდაპირველად, მათ იყენებდნენ მხოლოდ კოსმოსურ ინდუსტრიაში, მაგრამ დღეს ელექტროქიმიური გენერატორები სულ უფრო ხშირად გამოიყენება სხვადასხვა სფეროში: ეს არის ელექტრომომარაგება მობილური ტელეფონებისა და ლეპტოპებისთვის, ავტომობილების ძრავებისთვის, შენობების ავტონომიური კვების წყაროები და სტაციონარული ელექტროსადგურები. ამ მოწყობილობებიდან ზოგიერთი მუშაობს როგორც ლაბორატორიული პროტოტიპები, ზოგი გამოიყენება საჩვენებელი მიზნებისთვის ან გადის წინასწარი სერიის ტესტირება. თუმცა, ბევრი მოდელი უკვე გამოიყენება კომერციულ პროექტებში და მასობრივად იწარმოება.

მოწყობილობა

საწვავის უჯრედები არის ელექტროქიმიური მოწყობილობები, რომლებსაც შეუძლიათ უზრუნველყონ არსებული ქიმიური ენერგიის მაღალი გადაქცევის სიჩქარე ელექტრო ენერგიად.

საწვავის უჯრედის მოწყობილობა მოიცავს სამ ძირითად ნაწილს:

1. ელექტროენერგიის გამომუშავების განყოფილება;
2. ᲞᲠᲝᲪᲔᲡᲝᲠᲘ;
3. ძაბვის ტრანსფორმატორი.

საწვავის უჯრედის ძირითადი ნაწილია ელექტროენერგიის გამომუშავების განყოფილება, რომელიც არის ინდივიდუალური საწვავის უჯრედებისგან დამზადებული ბატარეა. პლატინის კატალიზატორი შედის საწვავის უჯრედის ელექტროდების სტრუქტურაში. ამ უჯრედების დახმარებით წარმოიქმნება პირდაპირი ელექტრული დენი.

ერთ-ერთ ასეთ მოწყობილობას აქვს შემდეგი მახასიათებლები: 155 ვოლტის ძაბვის დროს, 1400 ამპერი გამოდის. ბატარეის ზომებია 0,9 მ სიგანე და სიმაღლე, ასევე 2,9 მ სიგრძე. მასში ელექტროქიმიური პროცესი ტარდება 177 ° C ტემპერატურაზე, რაც მოითხოვს ბატარეის გაცხელებას გაშვების დროს, ასევე სითბოს მოცილებას მისი მუშაობის დროს. ამ მიზნით, ცალკე წყლის წრე შედის საწვავის უჯრედის შემადგენლობაში, მათ შორის ბატარეა აღჭურვილია სპეციალური გაგრილების ფირფიტებით.

საწვავის პროცესი გარდაქმნის ბუნებრივ აირს წყალბადად, რომელიც საჭიროა ელექტროქიმიური რეაქციისთვის. საწვავის პროცესორის მთავარი ელემენტია რეფორმატორი. მასში ბუნებრივი აირი (ან წყალბადის შემცველი სხვა საწვავი) ურთიერთქმედებს მაღალ წნევაზე და მაღალ ტემპერატურაზე (დაახლოებით 900 ° C) წყლის ორთქლთან ნიკელის კატალიზატორის მოქმედებით.

არსებობს სანთურა რეფორმატორის საჭირო ტემპერატურის შესანარჩუნებლად. რეფორმირებისთვის საჭირო ორთქლი წარმოიქმნება კონდენსატისგან. საწვავის უჯრედების დასტაში იქმნება არასტაბილური პირდაპირი დენი და მის გადასაყვანად გამოიყენება ძაბვის გადამყვანი.

ასევე ძაბვის გადამყვან ბლოკში არის:

• საკონტროლო მოწყობილობები.
• უსაფრთხოების ჩაკეტვის სქემები, რომლებიც თიშავს საწვავის უჯრედს სხვადასხვა ხარვეზებზე.

ოპერაციული პრინციპი

პროტონის გაცვლის მემბრანის უმარტივესი ელემენტი შედგება პოლიმერული მემბრანისგან, რომელიც მდებარეობს ანოდსა და კათოდს შორის, ასევე კათოდური და ანოდური კატალიზატორებისგან. პოლიმერული მემბრანა გამოიყენება როგორც ელექტროლიტი.

• პროტონების გაცვლის მემბრანა ჰგავს მცირე სისქის თხელ მყარ ორგანულ ნაერთს. ეს მემბრანა მუშაობს როგორც ელექტროლიტი, წყლის თანდასწრებით იგი გამოყოფს ნივთიერებას როგორც უარყოფითად, ასევე დადებითად დამუხტულ იონებად.
• ოქსიდაცია იწყება ანოდიდან, ხოლო შემცირება ხდება კათოდზე. PEM უჯრედში კათოდი და ანოდი დამზადებულია ფოროვანი მასალისგან; ეს არის პლატინისა და ნახშირბადის ნაწილაკების ნარევი. პლატინა მოქმედებს როგორც კატალიზატორი, რომელიც ხელს უწყობს დისოციაციის რეაქციას. კათოდი და ანოდი ფოროვანია ისე, რომ ჟანგბადი და წყალბადი თავისუფლად გაიაროს მათში.
• ანოდი და კათოდი განლაგებულია ორ მეტალის ფირფიტას შორის, ისინი აწვდიან ჟანგბადს და წყალბადს კათოდსა და ანოდს და შლის ელექტრო ენერგიას, სითბოს და წყალს.
• ფირფიტის არხების მეშვეობით წყალბადის მოლეკულები შედიან ანოდში, სადაც მოლეკულები იშლება ატომებად.
• ქიმისორბციის შედეგად, კატალიზატორის ზემოქმედებისას, წყალბადის ატომები გარდაიქმნება დადებითად დამუხტულ წყალბადის იონებად H+, ანუ პროტონებად.
• პროტონები მემბრანის მეშვეობით კათოდში დიფუზირდება, ხოლო ელექტრონების ნაკადი კათოდში მიდის სპეციალური გარე ელექტრული წრის მეშვეობით. მას უკავშირდება დატვირთვა, ანუ ელექტროენერგიის მომხმარებელი.
• ჟანგბადი, რომელიც მიეწოდება კათოდს, ზემოქმედებისას შედის ქიმიურ რეაქციაში ელექტრონებით გარე ელექტრული წრედან და წყალბადის იონებით პროტონების გაცვლის გარსიდან. ამ ქიმიური რეაქციის შედეგია წყალი.

ქიმიური რეაქცია, რომელიც ხდება სხვა ტიპის საწვავის უჯრედებში (მაგალითად, მჟავე ელექტროლიტით ფოსფორმჟავას H3PO4 სახით) სრულიად იდენტურია პროტონის გაცვლის მემბრანის მქონე მოწყობილობის რეაქციასთან.

სახეები

ამ დროისთვის ცნობილია საწვავის უჯრედების რამდენიმე ტიპი, რომლებიც განსხვავდება გამოყენებული ელექტროლიტის შემადგენლობით:

• ორთოფოსფორის ან ფოსფორის მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედები (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
• მოწყობილობები პროტონების გაცვლის მემბრანით (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
• მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები (SOFC, Solid Oxide Fuel Cells).
• დნობის კარბონატზე დაფუძნებული ელექტროქიმიური გენერატორები (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

ამ დროისთვის, PAFC ტექნოლოგიის გამოყენებით ელექტროქიმიური გენერატორები უფრო ფართოდ გავრცელდა.

განაცხადი

დღეს საწვავის უჯრედები გამოიყენება Space Shuttle-ში, მრავალჯერადი გამოყენების კოსმოსურ მანქანებში. ისინი იყენებენ 12 ვტ ერთეულებს. ისინი გამოიმუშავებენ მთელ ელექტროენერგიას კოსმოსურ ხომალდში. წყალი, რომელიც წარმოიქმნება ელექტროქიმიური რეაქციის დროს, გამოიყენება სასმელად, მათ შორის გამაგრილებელი მოწყობილობებისთვის.

ელექტროქიმიური გენერატორები ასევე გამოიყენებოდა საბჭოთა ბურანის, მრავალჯერადი გამოყენების გემისთვის.

საწვავის უჯრედები ასევე გამოიყენება სამოქალაქო სექტორში.

• 5–250 კვტ და მეტი სიმძლავრის სტაციონარული დანადგარები. ისინი გამოიყენება როგორც ავტონომიური წყაროები სამრეწველო, საზოგადოებრივი და საცხოვრებელი კორპუსების სითბოს და ელექტრომომარაგებისთვის, გადაუდებელი და სარეზერვო ელექტრომომარაგებისთვის, უწყვეტი ელექტრომომარაგებისთვის.
• პორტატული დანადგარები 1–50 კვტ სიმძლავრით. ისინი გამოიყენება კოსმოსური თანამგზავრებისა და გემებისთვის. ინსტანციები იქმნება გოლფის ეტლებისთვის, ინვალიდის ეტლებისთვის, სარკინიგზო და სატვირთო მაცივრებისთვის, საგზაო ნიშნებისთვის.
• მობილური ბლოკები 25–150 კვტ სიმძლავრით. ისინი იწყებენ გამოყენებას სამხედრო გემებსა და წყალქვეშა ნავებში, მათ შორის მანქანებსა და სხვა მანქანებში. პროტოტიპები უკვე შექმნეს საავტომობილო გიგანტებმა, როგორიცაა Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford და სხვები.
• მიკრომოწყობილობები 1–500 ვტ სიმძლავრის. ისინი პოულობენ განაცხადს მოწინავე ხელის კომპიუტერებში, ლეპტოპებში, სამომხმარებლო ელექტრონულ მოწყობილობებში, მობილურ ტელეფონებში, თანამედროვე სამხედრო მოწყობილობებში.

თავისებურებები

• თითოეული საწვავის უჯრედში ქიმიური რეაქციის ენერგიის ნაწილი გამოიყოფა სითბოს სახით. საჭიროა გაგრილება. გარე წრეში, ელექტრონების ნაკადი ქმნის პირდაპირ დენს, რომელიც გამოიყენება სამუშაოს შესასრულებლად. წყალბადის იონების მოძრაობის შეწყვეტა ან გარე წრედის გახსნა იწვევს ქიმიური რეაქციის შეწყვეტას.
• ელექტროენერგიის რაოდენობა, რომელსაც საწვავის უჯრედები ქმნიან, განისაზღვრება გაზის წნევის, ტემპერატურის, გეომეტრიული ზომებისა და საწვავის უჯრედის ტიპის მიხედვით. რეაქციის შედეგად გამომუშავებული ელექტროენერგიის რაოდენობის გასაზრდელად შესაძლებელია საწვავის უჯრედების ზომა უფრო დიდი გახდეს, მაგრამ პრაქტიკაში გამოიყენება რამდენიმე ელემენტი, რომლებიც გაერთიანებულია ბატარეებში.
• ზოგიერთი ტიპის საწვავის უჯრედებში ქიმიური პროცესი შეიძლება შეცვალოს. ანუ, როდესაც ელექტროდებზე პოტენციური სხვაობა გამოიყენება, წყალი შეიძლება დაიშალოს ჟანგბადად და წყალბადად, რომლებიც შეგროვდება ფოროვან ელექტროდებზე. დატვირთვის ჩართვით, ასეთი საწვავის უჯრედი გამოიმუშავებს ელექტრო ენერგიას.

პერსპექტივები

ამჟამად ელექტროქიმიური გენერატორები ენერგიის ძირითად წყაროდ გამოსაყენებლად დიდ საწყის ხარჯებს მოითხოვს. უფრო სტაბილური მემბრანების მაღალი გამტარობის, ეფექტური და იაფი კატალიზატორების, წყალბადის ალტერნატიული წყაროების დანერგვით, საწვავის უჯრედები გახდება ეკონომიკურად მიმზიდველი და ყველგან იქნება დანერგილი.

• მანქანები იმუშავებენ საწვავის უჯრედებზე, მათ საერთოდ არ ექნებათ შიდაწვის ძრავები. ენერგიის წყაროდ გამოყენებული იქნება წყალი ან მყარ მდგომარეობაში მყოფი წყალბადი. საწვავის შევსება ადვილი და უსაფრთხო იქნება, ხოლო მგზავრობა ეკოლოგიურად სუფთა - წარმოიქმნება მხოლოდ წყლის ორთქლი.
• ყველა შენობას ექნება საკუთარი პორტატული საწვავის უჯრედების დენის გენერატორები.
• ელექტროქიმიური გენერატორები შეცვლის ყველა ელემენტს და იქნება ნებისმიერ ელექტრონიკაში და საყოფაცხოვრებო ტექნიკაში.

Დადებითი და უარყოფითი მხარეები

საწვავის უჯრედების თითოეულ ტიპს აქვს თავისი დადებითი და უარყოფითი მხარეები. ზოგიერთს მაღალი ხარისხის საწვავი სჭირდება, ზოგს აქვს რთული დიზაინი და მაღალი სამუშაო ტემპერატურა სჭირდება.

ზოგადად, საწვავის უჯრედების შემდეგი უპირატესობები შეიძლება აღინიშნოს:

• უსაფრთხოება გარემოსთვის;
• ელექტროქიმიურ გენერატორებს არ სჭირდებათ დატენვა;
• ელექტროქიმიურ გენერატორებს შეუძლიათ მუდმივად შექმნან ენერგია, მათ არ აინტერესებთ გარე პირობები;
• მოქნილობა მასშტაბისა და პორტაბელურობის თვალსაზრისით.

ნაკლოვანებებს შორისაა:

• საწვავის შენახვისა და ტრანსპორტირების ტექნიკური სირთულეები;
• მოწყობილობის არასრულყოფილი ელემენტები: კატალიზატორები, მემბრანები და ა.შ.

საწვავის უჯრედი ( საწვავის უჯრედი) არის მოწყობილობა, რომელიც გარდაქმნის ქიმიურ ენერგიას ელექტრო ენერგიად. იგი პრინციპში მსგავსია ჩვეულებრივი ბატარეის, მაგრამ განსხვავდება იმით, რომ მისი ფუნქციონირება მოითხოვს ნივთიერებების მუდმივ მიწოდებას გარედან ელექტროქიმიური რეაქციის წარმოებისთვის. წყალბადი და ჟანგბადი მიეწოდება საწვავის უჯრედებს, ხოლო გამომავალი არის ელექტროენერგია, წყალი და სითბო. მათ უპირატესობებში შედის გარემოსდაცვითი კეთილგანწყობა, საიმედოობა, გამძლეობა და მუშაობის სიმარტივე. ჩვეულებრივი ბატარეებისგან განსხვავებით, ელექტროქიმიურ გადამყვანებს შეუძლიათ პრაქტიკულად განუსაზღვრელი ვადით იმუშაონ, სანამ საწვავი ხელმისაწვდომია. ისინი არ საჭიროებენ საათობით დამუხტვას სრულ დატენვამდე. უფრო მეტიც, თავად უჯრედებს შეუძლიათ ბატარეის დატენვა, როდესაც მანქანა გაჩერებულია ძრავით გამორთული.

პროტონული მემბრანის საწვავის უჯრედები (PEMFC) და მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები (SOFC) ყველაზე ფართოდ გამოიყენება წყალბადის მანქანებში.

საწვავის უჯრედი პროტონების გაცვლის მემბრანით მუშაობს შემდეგნაირად. ანოდსა და კათოდს შორის არის სპეციალური მემბრანა და პლატინით დაფარული კატალიზატორი. წყალბადი შედის ანოდში, ხოლო ჟანგბადი შედის კათოდში (მაგალითად, ჰაერიდან). ანოდზე წყალბადი კატალიზატორის დახმარებით იშლება პროტონებად და ელექტრონებად. წყალბადის პროტონები გადიან მემბრანაში და შედიან კათოდში, ხოლო ელექტრონები მიედინება გარე წრეში (მემბრანა არ უშვებს მათ). ამგვარად მიღებული პოტენციური განსხვავება იწვევს ელექტრული დენის გამოჩენას. კათოდის მხარეს წყალბადის პროტონები იჟანგება ჟანგბადით. შედეგად წარმოიქმნება წყლის ორთქლი, რომელიც წარმოადგენს მანქანის გამონაბოლქვი აირების ძირითად ელემენტს. მაღალი ეფექტურობის მქონე PEM უჯრედებს აქვთ ერთი მნიშვნელოვანი ნაკლი - მათი მუშაობისთვის საჭიროა სუფთა წყალბადი, რომლის შენახვა საკმაოდ სერიოზული პრობლემაა.

თუ აღმოჩნდება ისეთი კატალიზატორი, რომელიც ჩაანაცვლებს ძვირადღირებულ პლატინას ამ უჯრედებში, მაშინვე შეიქმნება იაფი საწვავის უჯრედი ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის, რაც ნიშნავს, რომ მსოფლიო გათავისუფლდება ნავთობზე დამოკიდებულებისგან.

მყარი ოქსიდის უჯრედები

მყარი ოქსიდის SOFC უჯრედები გაცილებით ნაკლებ მოთხოვნადია საწვავის სისუფთავეზე. გარდა ამისა, POX რეფორმატორის (პარციალური ოქსიდაცია - ნაწილობრივი დაჟანგვა) გამოყენების წყალობით, ასეთ უჯრედებს შეუძლიათ საწვავის სახით ჩვეულებრივი ბენზინის მოხმარება. ბენზინის პირდაპირ ელექტროენერგიად გადაქცევის პროცესი შემდეგია. სპეციალურ მოწყობილობაში - რეფორმატორში, დაახლოებით 800 ° C ტემპერატურაზე, ბენზინი ორთქლდება და იშლება მის შემადგენელ ელემენტებად.

ეს ათავისუფლებს წყალბადს და ნახშირორჟანგს. გარდა ამისა, ასევე ტემპერატურის გავლენის ქვეშ და თავად SOFC-ის დახმარებით (რომელიც შედგება ფოროვანი კერამიკული მასალისგან, რომელიც დაფუძნებულია ცირკონიუმის ოქსიდზე), წყალბადი იჟანგება ჰაერში ჟანგბადით. ბენზინიდან წყალბადის მიღების შემდეგ, პროცესი შემდგომში მიმდინარეობს ზემოთ აღწერილი სცენარის მიხედვით, მხოლოდ ერთი განსხვავებით: SOFC საწვავის უჯრედი, წყალბადზე მომუშავე მოწყობილობებისგან განსხვავებით, ნაკლებად მგრძნობიარეა ორიგინალური საწვავის უცხო მინარევებისაგან. ასე რომ, ბენზინის ხარისხმა არ უნდა იმოქმედოს საწვავის უჯრედის მუშაობაზე.

SOFC-ის მაღალი სამუშაო ტემპერატურა (650-800 გრადუსი) მნიშვნელოვანი ნაკლია, გახურების პროცესს დაახლოებით 20 წუთი სჭირდება. თუმცა, ჭარბი სითბო პრობლემას არ წარმოადგენს, რადგან იგი მთლიანად ამოღებულია დარჩენილი ჰაერით და გამონაბოლქვი აირებით, რომლებიც წარმოებულია რეფორმატორისა და თავად საწვავის უჯრედის მიერ. ეს საშუალებას აძლევს SOFC სისტემის ინტეგრირებას მანქანაში, როგორც დამოუკიდებელი მოწყობილობა თერმულად იზოლირებულ კორპუსში.

მოდულური სტრუქტურა საშუალებას გაძლევთ მიაღწიოთ საჭირო ძაბვას სტანდარტული უჯრედების სერიების შეერთებით. და, ალბათ, რაც მთავარია, ასეთი მოწყობილობების დანერგვის თვალსაზრისით, SOFC-ში არ არის ძალიან ძვირადღირებული პლატინის დაფუძნებული ელექტროდები. სწორედ ამ ელემენტების მაღალი ღირებულებაა ერთ-ერთი დაბრკოლება PEMFC ტექნოლოგიის განვითარებასა და გავრცელებაში.

საწვავის უჯრედების ტიპები

ამჟამად, არსებობს ასეთი ტიპის საწვავის უჯრედები:

• A.F.C.– ტუტე საწვავის უჯრედი (ტუტე საწვავის უჯრედი);
• PAFC– ფოსფორმჟავას საწვავის უჯრედი (ფოსფორმჟავას საწვავის უჯრედი);
• PEMFC– პროტონების გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედი (საწვავის უჯრედი პროტონების გაცვლის მემბრანით);
• DMFC– პირდაპირი მეთანოლის საწვავი უჯრედი (საწვავის უჯრედი მეთანოლის პირდაპირი დაშლით);
• MCFC– Molten Carbonate Fuel Cell (მდნარი კარბონატის საწვავის უჯრედი);
• SOFC– მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედი (სოლიდური ოქსიდის საწვავის უჯრედი).

საწვავის უჯრედების/უჯრედების უპირატესობები

საწვავის უჯრედი/უჯრედი არის მოწყობილობა, რომელიც ეფექტურად წარმოქმნის პირდაპირ დენსა და სითბოს წყალბადით მდიდარი საწვავიდან ელექტროქიმიური რეაქციის მეშვეობით.

საწვავის უჯრედი ბატარეის მსგავსია, რადგან ის წარმოქმნის პირდაპირ დენს ქიმიური რეაქციის შედეგად. საწვავის უჯრედი მოიცავს ანოდს, კათოდს და ელექტროლიტს. თუმცა, ბატარეებისგან განსხვავებით, საწვავის უჯრედები/უჯრედები ვერ ინახავს ელექტრო ენერგიას, არ იხსნება და არ საჭიროებს ელექტროენერგიის დატენვას. საწვავის უჯრედებს/უჯრედებს შეუძლიათ მუდმივად გამოიმუშაონ ელექტროენერგია, სანამ მათ ექნებათ საწვავი და ჰაერი.

სხვა ენერგეტიკული გენერატორებისგან განსხვავებით, როგორიცაა შიდა წვის ძრავები ან ტურბინები, რომლებიც იკვებება გაზით, ქვანახშირით, ზეთით და ა.შ., საწვავის უჯრედები/უჯრედები არ წვავს საწვავს. ეს ნიშნავს, რომ არ არის ხმაურიანი მაღალი წნევის როტორები, არ არის ხმამაღალი გამონაბოლქვი ხმაური, არ არის ვიბრაცია. საწვავის უჯრედები/უჯრედები წარმოქმნიან ელექტროენერგიას ჩუმი ელექტროქიმიური რეაქციის მეშვეობით. საწვავის უჯრედების/უჯრედების კიდევ ერთი მახასიათებელია ის, რომ ისინი საწვავის ქიმიურ ენერგიას პირდაპირ ელექტროენერგიაში, სითბოსა და წყალში გარდაქმნიან.

საწვავის უჯრედები ძალიან ეფექტურია და არ გამოიმუშავებს დიდი რაოდენობით სათბურის გაზებს, როგორიცაა ნახშირორჟანგი, მეთანი და აზოტის ოქსიდი. ექსპლუატაციის დროს გამოიყოფა მხოლოდ წყალი ორთქლის სახით და მცირე რაოდენობით ნახშირორჟანგი, რომელიც საერთოდ არ გამოიყოფა სუფთა წყალბადის საწვავად გამოყენების შემთხვევაში. საწვავის უჯრედები/უჯრედები იკრიბება შეკრებებად და შემდეგ ცალკეულ ფუნქციურ მოდულებად.

საწვავის უჯრედის/უჯრედის განვითარების ისტორია

1950-იან და 1960-იან წლებში საწვავის უჯრედებისთვის ერთ-ერთი ყველაზე დიდი გამოწვევა წარმოიშვა ეროვნული აერონავტიკისა და კოსმოსური ადმინისტრაციის (NASA) ენერგიის წყაროების საჭიროების გამო ხანგრძლივი კოსმოსური მისიებისთვის. NASA-ს ტუტე საწვავის უჯრედი იყენებს წყალბადს და ჟანგბადს, როგორც საწვავს, აერთიანებს ამ ორს ელექტროქიმიურ რეაქციაში. გამომავალი არის სამი რეაქციის გვერდითი პროდუქტი, რომელიც სასარგებლოა კოსმოსში ფრენისთვის - ელექტროენერგია კოსმოსური ხომალდის გასაძლიერებლად, წყალი სასმელი და გაგრილების სისტემებისთვის და სითბო ასტრონავტების სითბოს შესანარჩუნებლად.

საწვავის უჯრედების აღმოჩენა მე-19 საუკუნის დასაწყისით თარიღდება. საწვავის უჯრედების მოქმედების პირველი მტკიცებულება 1838 წელს იქნა მიღებული.

1930-იანი წლების ბოლოს დაიწყო მუშაობა ტუტე საწვავის უჯრედებზე და 1939 წლისთვის აშენდა უჯრედი მაღალი წნევის ნიკელის მოოქროვილი ელექტროდების გამოყენებით. მეორე მსოფლიო ომის დროს შეიქმნა საწვავის უჯრედები/უჯრედები ბრიტანეთის საზღვაო ძალების წყალქვეშა ნავებისთვის და 1958 წელს დაინერგა საწვავის შეკრება, რომელიც შედგებოდა 25 სმ დიამეტრის ტუტე საწვავის უჯრედებისგან/უჯრედებისგან.

ინტერესი გაიზარდა 1950-იან და 1960-იან წლებში და ასევე 1980-იან წლებში, როდესაც ინდუსტრიული სამყარო განიცდიდა მაზუთის დეფიციტს. ამავე პერიოდში მსოფლიო ქვეყნებიც შეშფოთდნენ ჰაერის დაბინძურების პრობლემაზე და განიხილეს ეკოლოგიურად სუფთა ელექტროენერგიის გამომუშავების გზები. ამჟამად საწვავის უჯრედების/უჯრედების ტექნოლოგია სწრაფ განვითარებას განიცდის.

როგორ მუშაობს საწვავის უჯრედები/უჯრედები

საწვავის უჯრედები/უჯრედები წარმოქმნიან ელექტროენერგიას და სითბოს მიმდინარე ელექტროქიმიური რეაქციის მეშვეობით ელექტროლიტის, კათოდის და ანოდის გამოყენებით.

ანოდი და კათოდი გამოყოფილია ელექტროლიტით, რომელიც ატარებს პროტონებს. ანოდში წყალბადის და კათოდში ჟანგბადის შესვლის შემდეგ იწყება ქიმიური რეაქცია, რის შედეგადაც წარმოიქმნება ელექტრო დენი, სითბო და წყალი.

ანოდის კატალიზატორზე მოლეკულური წყალბადი იშლება და კარგავს ელექტრონებს. წყალბადის იონები (პროტონები) ელექტროლიტის მეშვეობით მიემართება კათოდამდე, ხოლო ელექტრონები გადადიან ელექტროლიტში და გარე ელექტრული წრედის მეშვეობით, რაც ქმნის პირდაპირ დენს, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას აღჭურვილობის გასაძლიერებლად. კათოდის კატალიზატორზე ჟანგბადის მოლეკულა ერწყმის ელექტრონს (რომელიც მიეწოდება გარე კომუნიკაციებიდან) და შემომავალ პროტონს და აყალიბებს წყალს, რომელიც ერთადერთი რეაქციის პროდუქტია (ორთქლის და/ან სითხის სახით).

ქვემოთ მოცემულია შესაბამისი რეაქცია:

ანოდური რეაქცია: 2H 2 => 4H+ + 4e -
რეაქცია კათოდზე: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
ზოგადი ელემენტის რეაქცია: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

საწვავის უჯრედების/უჯრედების ტიპები და მრავალფეროვნება

სხვადასხვა ტიპის შიდა წვის ძრავების არსებობის მსგავსად, არსებობს სხვადასხვა ტიპის საწვავის უჯრედები - შესაბამისი ტიპის საწვავის უჯრედის არჩევანი დამოკიდებულია მის გამოყენებაზე.

საწვავის უჯრედები იყოფა მაღალ და დაბალ ტემპერატურად. დაბალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედებს სჭირდებათ შედარებით სუფთა წყალბადი, როგორც საწვავი. ეს ხშირად ნიშნავს, რომ საწვავის დამუშავება საჭიროა პირველადი საწვავის (როგორიცაა ბუნებრივი აირი) სუფთა წყალბადად გადაქცევისთვის. ეს პროცესი მოიხმარს დამატებით ენერგიას და მოითხოვს სპეციალურ აღჭურვილობას. მაღალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედებს არ სჭირდებათ ეს დამატებითი პროცედურა, რადგან მათ შეუძლიათ საწვავის "შინაგანად გარდაქმნა" მაღალ ტემპერატურაზე, რაც იმას ნიშნავს, რომ არ არის საჭირო წყალბადის ინფრასტრუქტურაში ინვესტირება.

საწვავის უჯრედები/უჯრედები მდნარ კარბონატზე (MCFC)

გამდნარი კარბონატის ელექტროლიტის საწვავის უჯრედები მაღალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედებია. მაღალი ოპერაციული ტემპერატურა საშუალებას იძლევა ბუნებრივი აირის პირდაპირი გამოყენება საწვავის პროცესორის გარეშე და დაბალი კალორიული ღირებულების საწვავი გაზი ტექნოლოგიური საწვავიდან და სხვა წყაროებიდან.

RCFC-ის მოქმედება განსხვავდება სხვა საწვავის უჯრედებისგან. ეს უჯრედები იყენებენ ელექტროლიტს გამდნარი კარბონატის მარილების ნარევიდან. ამჟამად გამოიყენება ორი სახის ნარევები: ლითიუმის კარბონატი და კალიუმის კარბონატი ან ლითიუმის კარბონატი და ნატრიუმის კარბონატი. კარბონატული მარილების დნობისთვის და ელექტროლიტში იონების მაღალი მობილურობის მისაღწევად, გამდნარი კარბონატის ელექტროლიტის მქონე საწვავის უჯრედები მუშაობენ მაღალ ტემპერატურაზე (650°C). ეფექტურობა მერყეობს 60-80% შორის.

როდესაც თბება 650°C ტემპერატურაზე, მარილები ხდება კარბონატული იონების გამტარებელი (CO 3 2-). ეს იონები კათოდიდან ანოდში გადადიან, სადაც წყალბადთან ერთად ქმნიან წყალს, ნახშირორჟანგს და თავისუფალ ელექტრონებს. ეს ელექტრონები იგზავნება გარე ელექტრული წრედის მეშვეობით კათოდში, წარმოქმნის ელექტრულ დენს და სითბოს, როგორც ქვეპროდუქტს.

ანოდური რეაქცია: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
რეაქცია კათოდზე: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
ზოგადი ელემენტის რეაქცია: H 2 (გ) + 1/2O 2 (გ) + CO 2 (კათოდი) => H 2 O (გ) + CO 2 (ანოდი)

გამდნარი კარბონატის ელექტროლიტის საწვავის უჯრედების მაღალ სამუშაო ტემპერატურას აქვს გარკვეული უპირატესობები. მაღალ ტემპერატურაზე ბუნებრივი აირი შინაგანად რეფორმირებულია, რაც გამორიცხავს საწვავის პროცესორის საჭიროებას. გარდა ამისა, უპირატესობებში შედის სამშენებლო სტანდარტული მასალების გამოყენების შესაძლებლობა, როგორიცაა უჟანგავი ფოლადის ფურცელი და ნიკელის კატალიზატორი ელექტროდებზე. ნარჩენი სითბო შეიძლება გამოყენებულ იქნას მაღალი წნევის ორთქლის შესაქმნელად სხვადასხვა სამრეწველო და კომერციული მიზნებისთვის.

ელექტროლიტში რეაქციის მაღალ ტემპერატურას ასევე აქვს თავისი უპირატესობები. მაღალი ტემპერატურის გამოყენებას დიდი დრო სჭირდება ოპტიმალური სამუშაო პირობების მისაღწევად და სისტემა უფრო ნელა რეაგირებს ენერგიის მოხმარების ცვლილებებზე. ეს მახასიათებლები საშუალებას იძლევა გამოიყენონ საწვავის უჯრედების სისტემები გამდნარი კარბონატის ელექტროლიტით მუდმივი სიმძლავრის პირობებში. მაღალი ტემპერატურა ხელს უშლის საწვავის უჯრედის დაზიანებას ნახშირბადის მონოქსიდით.

გამდნარი კარბონატის საწვავის უჯრედები შესაფერისია მსხვილ სტაციონალურ დანადგარებში გამოსაყენებლად. თბოელექტროსადგურები, რომელთა გამომავალი ელექტრო სიმძლავრეა 3.0 მეგავატი, წარმოებულია ინდუსტრიულად. მუშავდება 110 მგვტ-მდე გამომავალი სიმძლავრის სადგურები.

საწვავის უჯრედები/უჯრედები დაფუძნებული ფოსფორის მჟავაზე (PFC)

ფოსფორის (ორთოფოსფორის) მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედები იყო პირველი საწვავის უჯრედები კომერციული გამოყენებისთვის.

ფოსფორის (ორთოფოსფორის) მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედები იყენებენ ელექტროლიტს ორთოფოსფორის მჟავაზე (H 3 PO 4) კონცენტრაციით 100% -მდე. ფოსფორის მჟავას იონური გამტარობა დაბალია დაბალ ტემპერატურაზე, ამიტომ ეს საწვავის უჯრედები გამოიყენება 150-220°C-მდე ტემპერატურაზე.

ამ ტიპის საწვავის უჯრედებში მუხტის მატარებელია წყალბადი (H+, პროტონი). მსგავსი პროცესი ხდება პროტონების გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედებში, რომლებშიც ანოდისთვის მიწოდებული წყალბადი იყოფა პროტონებად და ელექტრონებად. პროტონები გადიან ელექტროლიტში და ერწყმის ჟანგბადს ჰაერიდან კათოდში და წარმოქმნიან წყალს. ელექტრონები მიმართულია გარე ელექტრული წრედის გასწვრივ და წარმოიქმნება ელექტრული დენი. ქვემოთ მოცემულია რეაქციები, რომლებიც წარმოქმნიან ელექტროენერგიას და სითბოს.

რეაქცია ანოდზე: 2H 2 => 4H + + 4e -
რეაქცია კათოდზე: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H 2 O
ზოგადი ელემენტის რეაქცია: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

ფოსფორის (ორთოფოსფორის) მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედების ეფექტურობა ელექტროენერგიის გამომუშავებისას 40%-ზე მეტია. სითბოს და ელექტროენერგიის კომბინირებულ წარმოებაში, საერთო ეფექტურობა არის დაახლოებით 85%. გარდა ამისა, სამუშაო ტემპერატურის გათვალისწინებით, ნარჩენი სითბო შეიძლება გამოყენებულ იქნას წყლის გასათბობად და ორთქლის წარმოქმნისთვის ატმოსფერულ წნევაზე.

ფოსფორის (ორთოფოსფორის) მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედებზე თბოელექტროსადგურების მაღალი შესრულება სითბოს და ელექტროენერგიის კომბინირებულ წარმოებაში არის ამ ტიპის საწვავის უჯრედების ერთ-ერთი უპირატესობა. მცენარეები იყენებენ ნახშირბადის მონოქსიდს კონცენტრაციით დაახლოებით 1,5%, რაც მნიშვნელოვნად აფართოებს საწვავის არჩევანს. გარდა ამისა, CO 2 არ მოქმედებს ელექტროლიტზე და საწვავის უჯრედის მუშაობაზე, ამ ტიპის უჯრედი მუშაობს რეფორმირებული ბუნებრივი საწვავით. მარტივი კონსტრუქცია, ელექტროლიტების დაბალი არასტაბილურობა და გაზრდილი სტაბილურობა ასევე ამ ტიპის საწვავის უჯრედის უპირატესობაა.

თბოელექტროსადგურები, რომელთა გამომავალი ელექტრო სიმძლავრე 500 კვტ-მდეა, წარმოებულია ინდუსტრიულად. 11 მგვტ სიმძლავრის დანადგარებმა გავლილი აქვთ შესაბამისი ტესტები. მუშავდება 100 მგვტ-მდე გამომავალი სიმძლავრის სადგურები.

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები/უჯრედები (SOFC)

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები არის საწვავის უჯრედები, რომლებსაც აქვთ უმაღლესი სამუშაო ტემპერატურა. ოპერაციული ტემპერატურა შეიძლება განსხვავდებოდეს 600°C-დან 1000°C-მდე, რაც იძლევა სხვადასხვა ტიპის საწვავის გამოყენების შესაძლებლობას სპეციალური წინასწარი დამუშავების გარეშე. ამ მაღალი ტემპერატურის მოსაგვარებლად გამოყენებული ელექტროლიტი არის თხელი კერამიკული მყარი ლითონის ოქსიდი, ხშირად იტრიუმის და ცირკონიუმის შენადნობი, რომელიც არის ჟანგბადის (O 2-) იონების გამტარი.

მყარი ელექტროლიტი უზრუნველყოფს გაზის ჰერმეტულ გადასვლას ერთი ელექტროდიდან მეორეზე, ხოლო თხევადი ელექტროლიტები განლაგებულია ფოროვან სუბსტრატში. ამ ტიპის საწვავის უჯრედებში მუხტის მატარებელია ჟანგბადის იონი (O 2-). კათოდზე ჟანგბადის მოლეკულები ჰაერიდან იყოფა ჟანგბადის იონად და ოთხ ელექტრონად. ჟანგბადის იონები გადის ელექტროლიტში და ერწყმის წყალბადს ოთხი თავისუფალი ელექტრონის წარმოქმნით. ელექტრონები მიმართულია გარე ელექტრული წრედის მეშვეობით, წარმოქმნის ელექტრო დენს და ნარჩენ სითბოს.

რეაქცია ანოდზე: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
რეაქცია კათოდზე: O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
ზოგადი ელემენტის რეაქცია: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

გამომუშავებული ელექტროენერგიის ეფექტურობა ყველაზე მაღალია საწვავის უჯრედებს შორის - დაახლოებით 60-70%. მაღალი სამუშაო ტემპერატურა იძლევა სითბოს და ენერგიის კომბინირებულ გამომუშავებას მაღალი წნევის ორთქლის წარმოქმნით. მაღალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედის ტურბინასთან შერწყმა ქმნის ჰიბრიდულ საწვავის უჯრედს, რათა გაზარდოს ენერგიის გამომუშავების ეფექტურობა 75%-მდე.

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები ფუნქციონირებს ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე (600°C - 1000°C), რის შედეგადაც დიდი ხნის განმავლობაში მიიღწევა ოპტიმალური სამუშაო პირობები და სისტემა უფრო ნელა რეაგირებს ენერგიის მოხმარების ცვლილებებზე. ასეთ მაღალ ოპერაციულ ტემპერატურაზე არ არის საჭირო გადამყვანი საწვავიდან წყალბადის აღსადგენად, რაც საშუალებას აძლევს თბოელექტროსადგურს იმუშაოს ნახშირის გაზიფიკაციის ან ნარჩენი აირების შედარებით უწმინდური საწვავებით და ა.შ. ასევე, ეს საწვავის უჯრედი შესანიშნავია მაღალი სიმძლავრის გამოყენებისთვის, მათ შორის სამრეწველო და დიდი ცენტრალური ელექტროსადგურებისთვის. სამრეწველო წარმოების მოდულები გამომავალი ელექტრული სიმძლავრით 100 კვტ.

საწვავის უჯრედები/უჯრედები პირდაპირი მეთანოლის დაჟანგვით (DOMTE)

საწვავის უჯრედების გამოყენების ტექნოლოგია მეთანოლის პირდაპირი დაჟანგვით გადის აქტიური განვითარების პერიოდს. მან წარმატებით დაიმკვიდრა თავი მობილური ტელეფონების, ლეპტოპების კვების, ასევე პორტატული ენერგიის წყაროების შექმნის სფეროში. რაზეა მიმართული ამ ელემენტების სამომავლო გამოყენება.

საწვავის უჯრედების სტრუქტურა მეთანოლის პირდაპირი დაჟანგვით მსგავსია საწვავის უჯრედების პროტონების გაცვლის მემბრანით (MOFEC), ე.ი. პოლიმერი გამოიყენება როგორც ელექტროლიტი, ხოლო წყალბადის იონი (პროტონი) გამოიყენება მუხტის მატარებლად. თუმცა, თხევადი მეთანოლი (CH 3 OH) ანოდში წყლის თანდასწრებით იჟანგება, გამოყოფს CO 2 , წყალბადის იონებს და ელექტრონებს, რომლებიც იმართება გარე ელექტრული წრეში და წარმოიქმნება ელექტრული დენი. წყალბადის იონები გადიან ელექტროლიტში და რეაგირებენ ჟანგბადთან ჰაერიდან და ელექტრონებით გარე წრედიდან ანოდში წყლის წარმოქმნით.

რეაქცია ანოდზე: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
რეაქცია კათოდზე: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
ზოგადი ელემენტის რეაქცია: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

ამ ტიპის საწვავის უჯრედების უპირატესობა არის მათი მცირე ზომები, თხევადი საწვავის გამოყენების გამო და კონვერტორის გამოყენების საჭიროების არარსებობის გამო.

ტუტე საწვავის უჯრედები/უჯრედები (AFC)

ტუტე საწვავის უჯრედები ერთ-ერთი ყველაზე ეფექტური უჯრედია, რომელიც გამოიყენება ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის, ელექტროენერგიის გამომუშავების ეფექტურობა 70%-მდე აღწევს.

ტუტე საწვავის უჯრედები იყენებენ ელექტროლიტს, ანუ კალიუმის ჰიდროქსიდის წყალხსნარს, რომელიც შეიცავს ფოროვან, სტაბილიზებულ მატრიცას. კალიუმის ჰიდროქსიდის კონცენტრაცია შეიძლება განსხვავდებოდეს საწვავის უჯრედის მუშაობის ტემპერატურის მიხედვით, რომელიც მერყეობს 65°C-დან 220°C-მდე. SFC-ში მუხტის მატარებელი არის ჰიდროქსიდის იონი (OH-), რომელიც მოძრაობს კათოდიდან ანოდამდე, სადაც იგი რეაგირებს წყალბადთან წყლისა და ელექტრონების წარმოქმნით. ანოდზე წარმოქმნილი წყალი უკან გადადის კათოდში და იქ კვლავ წარმოქმნის ჰიდროქსიდის იონებს. საწვავის უჯრედში მიმდინარე რეაქციების ამ სერიის შედეგად წარმოიქმნება ელექტროენერგია და, როგორც გვერდითი პროდუქტი, სითბო:

რეაქცია ანოდზე: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
რეაქცია კათოდზე: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
სისტემის ზოგადი რეაქცია: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

SFC-ების უპირატესობა ის არის, რომ ეს საწვავის უჯრედები წარმოებისთვის ყველაზე იაფია, რადგან ელექტროდებზე საჭირო კატალიზატორი შეიძლება იყოს ნებისმიერი ნივთიერება, რომელიც უფრო იაფია, ვიდრე სხვა საწვავის უჯრედების კატალიზატორად გამოყენებული. SCFC-ები მუშაობენ შედარებით დაბალ ტემპერატურაზე და არიან ერთ-ერთი ყველაზე ეფექტური საწვავის უჯრედები - ასეთმა მახასიათებლებმა შეიძლება შესაბამისად შეუწყოს ხელი ენერგიის უფრო სწრაფ გამომუშავებას და საწვავის მაღალ ეფექტურობას.

SHTE-ის ერთ-ერთი დამახასიათებელი მახასიათებელია მისი მაღალი მგრძნობელობა CO 2-ის მიმართ, რომელიც შეიძლება შეიცავდეს საწვავს ან ჰაერს. CO 2 რეაგირებს ელექტროლიტთან, სწრაფად წამლავს მას და მნიშვნელოვნად ამცირებს საწვავის უჯრედის ეფექტურობას. ამიტომ, SFC-ების გამოყენება შემოიფარგლება დახურულ სივრცეებში, როგორიცაა კოსმოსური და წყალქვეშა მანქანები, ისინი უნდა მუშაობდნენ სუფთა წყალბადზე და ჟანგბადზე. უფრო მეტიც, მოლეკულები, როგორიცაა CO, H 2 O და CH4, რომლებიც უსაფრთხოა სხვა საწვავის უჯრედებისთვის და ზოგიერთი მათგანისთვის საწვავიც კი, საზიანოა SFC-ებისთვის.

პოლიმერული ელექტროლიტის საწვავის უჯრედები/უჯრედები (PETE)

პოლიმერული ელექტროლიტის საწვავის უჯრედების შემთხვევაში, პოლიმერული მემბრანა შედგება პოლიმერული ბოჭკოებისგან წყლის რეგიონებით, რომლებშიც წყლის იონების გამტარობა (H 2 O + (პროტონი, წითელი) არის მიმაგრებული წყლის მოლეკულაზე). წყლის მოლეკულები წარმოადგენენ პრობლემას ნელი იონების გაცვლის გამო. ამიტომ საჭიროა წყლის მაღალი კონცენტრაცია როგორც საწვავში, ასევე გამონაბოლქვი ელექტროდებზე, რაც ზღუდავს სამუშაო ტემპერატურას 100°C-მდე.

მყარი მჟავა საწვავის უჯრედები/უჯრედები (SCFC)

მყარი მჟავა საწვავის უჯრედებში ელექტროლიტი (CsHSO 4) არ შეიცავს წყალს. სამუშაო ტემპერატურა ამიტომ არის 100-300°C. SO 4 2- ოქსი ანიონების ბრუნვა პროტონებს (წითელ) საშუალებას აძლევს გადაადგილდნენ, როგორც ეს ნაჩვენებია სურათზე. როგორც წესი, მყარი მჟავა საწვავის უჯრედი არის სენდვიჩი, რომელშიც მყარი მჟავა ნაერთის ძალიან თხელი ფენა მოთავსებულია ორ მჭიდროდ შეკუმშულ ელექტროდს შორის კარგი კონტაქტის უზრუნველსაყოფად. როდესაც გაცხელდება, ორგანული კომპონენტი აორთქლდება, ტოვებს ელექტროდების ფორებს და ინარჩუნებს მრავალი კონტაქტის უნარს საწვავს (ან ჟანგბადს უჯრედის მეორე ბოლოში), ელექტროლიტსა და ელექტროდებს შორის.

საწვავის უჯრედების სხვადასხვა მოდული. საწვავის უჯრედის ბატარეა

1. საწვავის უჯრედის ბატარეა
2. სხვა მაღალი ტემპერატურის აღჭურვილობა (ინტეგრირებული ორთქლის გენერატორი, წვის კამერა, სითბოს ბალანსის შემცვლელი)
3. სითბოს მდგრადი იზოლაცია

საწვავის უჯრედის მოდული

საწვავის უჯრედების ტიპებისა და სახეობების შედარებითი ანალიზი

ენერგიის დაზოგვის ინოვაციური მუნიციპალური სითბო და ელექტროსადგურები, როგორც წესი, აგებულია მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედებზე (SOFC), პოლიმერული ელექტროლიტის საწვავის უჯრედებზე (PEFCs), ფოსფორმჟავას საწვავის უჯრედებზე (PCFCs), პროტონების გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედებზე (MPFC) და ტუტე საწვავის უჯრედებზე ( APFCs). მათ ჩვეულებრივ აქვთ შემდეგი მახასიათებლები:

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები (SOFC) უნდა იყოს აღიარებული, როგორც ყველაზე შესაფერისი, რომელიც:

• მუშაობენ მაღალ ტემპერატურაზე, რაც ამცირებს ძვირადღირებული ძვირფასი ლითონების (როგორიცაა პლატინის) საჭიროებას.
• შეუძლია მუშაობა სხვადასხვა სახის ნახშირწყალბადის საწვავზე, ძირითადად ბუნებრივ აირზე
• აქვთ გაშვების უფრო დიდი დრო და ამიტომ უფრო მეტად შეეფერება გრძელვადიან მუშაობას
• ელექტროენერგიის გამომუშავების მაღალი ეფექტურობის დემონსტრირება (70%-მდე).
• მაღალი ოპერაციული ტემპერატურის გამო, დანადგარები შეიძლება გაერთიანდეს სითბოს აღდგენის სისტემებთან, რაც ზრდის სისტემის საერთო ეფექტურობას 85%-მდე.
• აქვს თითქმის ნულოვანი გამონაბოლქვი, მუშაობს ჩუმად და აქვს დაბალი სამუშაო მოთხოვნები ელექტროენერგიის წარმოების არსებულ ტექნოლოგიებთან შედარებით

საწვავის უჯრედის ტიპი	სამუშაო ტემპერატურა	ენერგიის გამომუშავების ეფექტურობა	საწვავის ტიპი	განაცხადის არეალი
RKTE	550–700°C	50-70%		საშუალო და დიდი დანადგარები
FKTE	100–220°C	35-40%	სუფთა წყალბადი	დიდი დანადგარები
MOPTE	30-100°C	35-50%	სუფთა წყალბადი	მცირე დანადგარები
SOFC	450–1000°C	45-70%	ნახშირწყალბადის საწვავის უმეტესობა	მცირე, საშუალო და დიდი დანადგარები
POMTE	20-90°C	20-30%	მეთანოლი	პორტატული
შტე	50–200°C	40-70%	სუფთა წყალბადი	კოსმოსური კვლევა
პეტი	30-100°C	35-50%	სუფთა წყალბადი	მცირე დანადგარები

ვინაიდან მცირე თბოელექტროსადგურები შეიძლება დაკავშირებული იყოს ჩვეულებრივი გაზის მიწოდების ქსელთან, საწვავის უჯრედებს არ სჭირდებათ წყალბადის მიწოდების ცალკეული სისტემა. მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედებზე დაფუძნებული მცირე თბოელექტროსადგურების გამოყენებისას, წარმოქმნილი სითბო შეიძლება ინტეგრირებული იყოს სითბოს გადამცვლელებში წყლის გასათბობად და ჰაერის ვენტილაციისთვის, რაც ზრდის სისტემის საერთო ეფექტურობას. ეს ინოვაციური ტექნოლოგია საუკეთესოდ შეეფერება ეფექტური ენერგიის გამომუშავებას ძვირადღირებული ინფრასტრუქტურისა და რთული ინსტრუმენტების ინტეგრაციის საჭიროების გარეშე.

საწვავის უჯრედის/უჯრედის აპლიკაციები

საწვავის უჯრედების/უჯრედების გამოყენება სატელეკომუნიკაციო სისტემებში

მთელ მსოფლიოში უკაბელო საკომუნიკაციო სისტემების სწრაფი გავრცელებით და მობილური ტელეფონების ტექნოლოგიის მზარდი სოციალური და ეკონომიკური სარგებლით, საიმედო და ეფექტური სარეზერვო ენერგიის საჭიროება გახდა კრიტიკული. ქსელის დანაკარგები მთელი წლის განმავლობაში უამინდობის, ბუნებრივი კატასტროფების ან ქსელის შეზღუდული სიმძლავრის გამო მუდმივი გამოწვევაა ქსელის ოპერატორებისთვის.

სატელეკომუნიკაციო ელექტროენერგიის სარეზერვო გადაწყვეტილებები მოიცავს ბატარეებს (სარქველებით რეგულირებადი ტყვიის მჟავა ბატარეის ელემენტი) მოკლევადიანი სარეზერვო ენერგიისთვის და დიზელის და პროპანის გენერატორებს უფრო გრძელი სარეზერვო ენერგიისთვის. ბატარეები სარეზერვო ენერგიის შედარებით იაფი წყაროა 1-დან 2 საათამდე. თუმცა, ბატარეები არ არის შესაფერისი უფრო ხანგრძლივი სარეზერვო პერიოდისთვის, რადგან მათი შენახვა ძვირია, ხანგრძლივი გამოყენების შემდეგ ხდება არასანდო, მგრძნობიარეა ტემპერატურის მიმართ და სახიფათოა გარემოსთვის განადგურების შემდეგ. დიზელისა და პროპანის გენერატორებს შეუძლიათ უზრუნველყონ უწყვეტი სარეზერვო ენერგია. თუმცა, გენერატორები შეიძლება იყოს არასანდო, საჭიროებენ ვრცელ მოვლა-პატრონობას და ატმოსფეროში გამოყოფენ დამაბინძურებლებისა და სათბურის გაზების მაღალ დონეს.

ტრადიციული სარეზერვო ენერგიის გადაწყვეტილებების შეზღუდვების აღმოსაფხვრელად, შემუშავებულია ინოვაციური მწვანე საწვავის უჯრედების ტექნოლოგია. საწვავის უჯრედები საიმედო, ჩუმია, შეიცავს ნაკლებ მოძრავ ნაწილებს, ვიდრე გენერატორს, აქვთ უფრო ფართო ოპერაციული ტემპერატურის დიაპაზონი, ვიდრე ბატარეა -40°C-დან +50°C-მდე და, შედეგად, უზრუნველყოფს ენერგიის დაზოგვის უკიდურესად მაღალ დონეს. გარდა ამისა, ასეთი ქარხნის სიცოცხლის ღირებულება უფრო დაბალია, ვიდრე გენერატორის. საწვავის უჯრედზე დაბალი ღირებულება არის წელიწადში მხოლოდ ერთი სარემონტო ვიზიტის და ქარხნის მნიშვნელოვნად მაღალი პროდუქტიულობის შედეგი. ყოველივე ამის შემდეგ, საწვავის უჯრედი არის ეკოლოგიურად სუფთა ტექნოლოგიური გადაწყვეტა მინიმალური გარემოზე ზემოქმედებით.

საწვავის უჯრედები უზრუნველყოფენ სარეზერვო ენერგიას კრიტიკული საკომუნიკაციო ქსელის ინფრასტრუქტურისთვის სატელეკომუნიკაციო სისტემაში უკაბელო, მუდმივი და ფართოზოლოვანი კომუნიკაციებისთვის, 250 ვტ-დან 15 კვტ-მდე, ისინი გვთავაზობენ ბევრ შეუდარებელ ინოვაციურ ფუნქციას:

• სანდოობა- ცოტა მოძრავი ნაწილი და ლოდინის გამონადენი არ არის
• ᲔᲜᲔᲠᲒᲝᲠᲔᲜᲢᲐᲑᲔᲚᲣᲠᲝᲑᲐ
• დუმილი- დაბალი ხმაურის დონე
• სტაბილურობა- მუშაობის დიაპაზონი -40°C-დან +50°C-მდე
• ადაპტაციის უნარი- გარე და შიდა მონტაჟი (კონტეინერი/დამცავი კონტეინერი)
• მაღალი სიმძლავრე- 15 კვტ-მდე
• დაბალი ტექნიკური საჭიროება- მინიმალური წლიური მოვლა
• ᲔᲙᲝᲜᲝᲛᲘᲐ- საკუთრების მიმზიდველი მთლიანი ღირებულება
• სუფთა ენერგია- დაბალი ემისიები გარემოზე მინიმალური ზემოქმედებით

სისტემა მუდმივად გრძნობს მუდმივი ავტობუსის ძაბვას და შეუფერხებლად იღებს კრიტიკულ დატვირთვებს, თუ მუდმივი ავტობუსის ძაბვა დაეცემა მომხმარებლის მიერ განსაზღვრულ დანიშნულების წერტილს ქვემოთ. სისტემა მუშაობს წყალბადზე, რომელიც შედის საწვავის უჯრედების დასტაში ორიდან ერთი გზით - ან წყალბადის კომერციული წყაროდან, ან მეთანოლისა და წყლის თხევადი საწვავიდან, ბორტ რეფორმატორის სისტემის გამოყენებით.

ელექტროენერგია იწარმოება საწვავის უჯრედების დასტაზე პირდაპირი დენის სახით. მუდმივი სიმძლავრე იგზავნება გადამყვანში, რომელიც გარდაქმნის დაურეგულირებელ მუდმივ სიმძლავრეს საწვავის უჯრედების დასტადან მაღალი ხარისხის, რეგულირებად მუდმივ სიმძლავრედ საჭირო დატვირთვებისთვის. საწვავის უჯრედის ინსტალაციას შეუძლია უზრუნველყოს სარეზერვო ენერგია მრავალი დღის განმავლობაში, რადგან ხანგრძლივობა შემოიფარგლება მხოლოდ მარაგში არსებული წყალბადის ან მეთანოლის/წყლის საწვავის რაოდენობით.

საწვავის უჯრედები გვთავაზობენ უმაღლესი ენერგოეფექტურობას, გაზრდილი სისტემის საიმედოობას, უფრო პროგნოზირებად შესრულებას კლიმატის ფართო სპექტრში და საიმედო მომსახურების ხანგრძლივობას ინდუსტრიის სტანდარტული სარქველებით რეგულირებადი ტყვიის მჟავა ბატარეების პაკეტებთან შედარებით. სასიცოცხლო ციკლის ხარჯები ასევე დაბალია მოვლისა და გამოცვლის მნიშვნელოვნად ნაკლები მოთხოვნების გამო. საწვავის უჯრედები სთავაზობენ საბოლოო მომხმარებელს ეკოლოგიურ სარგებელს, რადგან ტყვიის მჟავას უჯრედებთან დაკავშირებული უტილიზაციის ხარჯები და პასუხისმგებლობის რისკები მზარდი შეშფოთებაა.

ელექტრო ბატარეების მუშაობაზე შეიძლება უარყოფითად იმოქმედოს ფაქტორების ფართო სპექტრმა, როგორიცაა დატენვის დონე, ტემპერატურა, ციკლები, სიცოცხლის ხანგრძლივობა და სხვა ცვლადები. მოწოდებული ენერგია განსხვავდება ამ ფაქტორების მიხედვით და არ არის ადვილი პროგნოზირება. პროტონების გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედის (PEMFC) მუშაობა შედარებით გავლენას არ ახდენს ამ ფაქტორებზე და შეუძლია უზრუნველყოს კრიტიკული სიმძლავრე, სანამ საწვავი ხელმისაწვდომია. გაზრდილი პროგნოზირებადობა მნიშვნელოვანი სარგებელია საწვავის უჯრედებზე გადასვლისას მისიის კრიტიკული სარეზერვო ენერგიის აპლიკაციებისთვის.

საწვავის უჯრედები გამოიმუშავებენ ენერგიას მხოლოდ მაშინ, როდესაც საწვავი მიეწოდება, როგორც გაზის ტურბინის გენერატორი, მაგრამ არ აქვთ მოძრავი ნაწილები გენერირების ზონაში. ამიტომ, გენერატორისგან განსხვავებით, ისინი არ ექვემდებარება სწრაფ ცვეთას და არ საჭიროებს მუდმივ მოვლას და შეზეთვას.

საწვავი, რომელიც გამოიყენება გაფართოებული ხანგრძლივობის საწვავის გადამყვანისთვის, არის მეთანოლისა და წყლის ნარევი. მეთანოლი არის ფართოდ ხელმისაწვდომი კომერციული საწვავი, რომელსაც ამჟამად აქვს მრავალი გამოყენება, მათ შორის საქარე მინის გამრეცხი, პლასტმასის ბოთლები, ძრავის დანამატები და ემულსიური საღებავები. მეთანოლი ადვილად ტრანსპორტირებადია, წყალთან შერევა, აქვს კარგი ბიოდეგრადირება და არ შეიცავს გოგირდს. მას აქვს დაბალი გაყინვის წერტილი (-71°C) და არ იშლება ხანგრძლივი შენახვისას.

საწვავის უჯრედების/უჯრედების გამოყენება საკომუნიკაციო ქსელებში

უსაფრთხოების ქსელებს ესაჭიროებათ საიმედო სარეზერვო დენის გადაწყვეტილებები, რომლებიც შეიძლება გაგრძელდეს საათობით ან დღეებით საგანგებო სიტუაციებში, თუ ელექტროგადამცემი ქსელი მიუწვდომელია.

რამდენიმე მოძრავი ნაწილებით და ლოდინის რეჟიმში ენერგიის შემცირების გარეშე, საწვავის უჯრედების ინოვაციური ტექნოლოგია გთავაზობთ მიმზიდველ გადაწყვეტას ამჟამად არსებულ სარეზერვო ენერგოსისტემებთან შედარებით.

საკომუნიკაციო ქსელებში საწვავის უჯრედების ტექნოლოგიის გამოყენების ყველაზე დამაჯერებელი მიზეზი არის გაზრდილი საერთო საიმედოობა და უსაფრთხოება. ისეთი მოვლენების დროს, როგორიცაა ელექტროენერგიის გათიშვა, მიწისძვრა, ქარიშხალი და ქარიშხალი, მნიშვნელოვანია, რომ სისტემამ გააგრძელოს მუშაობა და ჰქონდეს საიმედო სარეზერვო ელექტრომომარაგება დიდი ხნის განმავლობაში, მიუხედავად სარეზერვო ენერგოსისტემის ტემპერატურისა და ასაკისა.

საწვავის უჯრედების ელექტრომომარაგების დიაპაზონი იდეალურია უსაფრთხო საკომუნიკაციო ქსელების მხარდასაჭერად. ენერგიის დაზოგვის დიზაინის პრინციპების წყალობით, ისინი უზრუნველყოფენ ეკოლოგიურად სუფთა, საიმედო სარეზერვო სიმძლავრეს გახანგრძლივებული ხანგრძლივობით (რამდენიმე დღემდე) გამოსაყენებლად სიმძლავრის დიაპაზონში 250 W-დან 15 კვტ-მდე.

საწვავის უჯრედების/უჯრედების გამოყენება მონაცემთა ქსელებში

მონაცემთა ქსელების სანდო ელექტრომომარაგება, როგორიცაა მაღალსიჩქარიანი მონაცემთა ქსელები და ოპტიკურ-ბოჭკოვანი ხერხემალი, საკვანძო მნიშვნელობისაა მთელ მსოფლიოში. ასეთი ქსელებით გადაცემული ინფორმაცია შეიცავს კრიტიკულ მონაცემებს ისეთი ინსტიტუტებისთვის, როგორიცაა ბანკები, ავიახაზები ან სამედიცინო ცენტრები. ასეთ ქსელებში ელექტროენერგიის გათიშვა არა მხოლოდ საფრთხეს უქმნის გადაცემულ ინფორმაციას, არამედ, როგორც წესი, იწვევს მნიშვნელოვან ფინანსურ ზარალს. სანდო, ინოვაციური საწვავის უჯრედების ინსტალაციები, რომლებიც უზრუნველყოფენ ლოდინის ენერგიას, უზრუნველყოფენ საიმედოობას, რომელიც გჭირდებათ უწყვეტი ენერგიის უზრუნველსაყოფად.

საწვავის უჯრედები, რომლებიც მუშაობენ მეთანოლისა და წყლის თხევადი საწვავის ნარევზე, ​​უზრუნველყოფენ საიმედო სარეზერვო ელექტრომომარაგებას გახანგრძლივებული ხანგრძლივობით, რამდენიმე დღემდე. გარდა ამისა, ამ დანაყოფებს აქვთ მნიშვნელოვნად შემცირებული ტექნიკური მოთხოვნები გენერატორებთან და ბატარეებთან შედარებით, რაც მოითხოვს წელიწადში მხოლოდ ერთ ტექნიკურ ვიზიტს.

საწვავის უჯრედების დანადგარების გამოყენების ტიპიური აპლიკაციის მახასიათებლები მონაცემთა ქსელებში:

• აპლიკაციები სიმძლავრის შეყვანით 100 W-დან 15 კვტ-მდე
• აპლიკაციები ბატარეის მუშაობის მოთხოვნებით > 4 საათი
• ოპტიკურ-ბოჭკოვანი სისტემების გამეორებები (სინქრონული ციფრული სისტემების იერარქია, მაღალსიჩქარიანი ინტერნეტი, ხმა IP-ზე...)
• მონაცემთა მაღალსიჩქარიანი გადაცემის ქსელური კვანძები
• WiMAX გადაცემის კვანძები

საწვავის უჯრედების ლოდინის ინსტალაცია უამრავ უპირატესობას გვთავაზობს კრიტიკული მონაცემთა ქსელის ინფრასტრუქტურისთვის ტრადიციულ ბატარეასთან ან დიზელის გენერატორებთან შედარებით, რაც საშუალებას იძლევა გაზარდოს ადგილზე გამოყენება:

1. თხევადი საწვავის ტექნოლოგია წყვეტს წყალბადის შენახვის პრობლემას და უზრუნველყოფს პრაქტიკულად შეუზღუდავი სარეზერვო სიმძლავრეს.
2. მათი მშვიდი მუშაობის, დაბალი წონის, ტემპერატურის ცვლილებებისადმი გამძლეობისა და პრაქტიკულად ვიბრაციის გარეშე მუშაობის წყალობით, საწვავის უჯრედები შეიძლება დამონტაჟდეს გარეთ, სამრეწველო შენობებში/კონტეინერებში ან სახურავებზე.
3. სისტემის გამოყენებისთვის ადგილზე მზადება სწრაფი და ეკონომიურია, ხოლო ექსპლუატაციის ღირებულება დაბალია.
4. საწვავი ბიოდეგრადირებადია და წარმოადგენს ეკოლოგიურად სუფთა გადაწყვეტას ურბანული გარემოსთვის.

საწვავის უჯრედების/უჯრედების გამოყენება უსაფრთხოების სისტემებში

ყველაზე ფრთხილად შემუშავებული შენობების უსაფრთხოებისა და კომუნიკაციის სისტემები ისეთივე საიმედოა, როგორც ძალა, რომელიც მათ ძალას აძლევს. მიუხედავად იმისა, რომ სისტემების უმეტესობა მოიცავს გარკვეული ტიპის სარეზერვო უწყვეტ ენერგოსისტემას ელექტროენერგიის მოკლევადიანი დანაკარგებისთვის, ისინი არ ითვალისწინებენ ელექტროენერგიის ხანგრძლივ შეწყვეტას, რაც შეიძლება მოხდეს ბუნებრივი კატასტროფების ან ტერორისტული თავდასხმების შემდეგ. ეს შეიძლება იყოს კრიტიკული საკითხი მრავალი კორპორატიული და სამთავრობო უწყებისთვის.

სასიცოცხლო მნიშვნელობის სისტემები, როგორიცაა CCTV მონიტორინგი და წვდომის კონტროლის სისტემები (ID ბარათის წამკითხველები, კარის დახურვის მოწყობილობები, ბიომეტრიული იდენტიფიკაციის ტექნოლოგია და ა. უწყვეტი ელექტრომომარაგების საიმედო ალტერნატიული წყარო.

დიზელის გენერატორები ხმაურიანია, ძნელად მოსაძებნია და კარგად იციან მათი საიმედოობისა და ტექნიკური საკითხების შესახებ. ამის საპირისპიროდ, საწვავის უჯრედის სარეზერვო ინსტალაცია არის ჩუმი, საიმედო, აქვს ნულოვანი ან ძალიან დაბალი გამონაბოლქვი და ადვილად დამონტაჟდება სახურავზე ან შენობის გარეთ. ლოდინის რეჟიმში ის არ ითიშება და არ კარგავს ენერგიას. ის უზრუნველყოფს კრიტიკული სისტემების მუდმივ მუშაობას, მაშინაც კი, როცა დაწესებულება შეწყვეტს ფუნქციონირებას და შენობა ადამიანთა მიერ არის მიტოვებული.

საწვავის უჯრედების ინოვაციური დანადგარები იცავს ძვირადღირებულ ინვესტიციებს კრიტიკულ პროგრამებში. ისინი უზრუნველყოფენ ეკოლოგიურად სუფთა, საიმედო, ხანგრძლივ სარეზერვო სიმძლავრეს (მრავალ დღემდე) გამოსაყენებლად 250 ვტ-დან 15 კვტ-მდე სიმძლავრის დიაპაზონში, მრავალ შეუდარებელ მახასიათებლებთან და, განსაკუთრებით, ენერგიის დაზოგვის მაღალ დონესთან ერთად.

საწვავის უჯრედის სიმძლავრის სარეზერვო დანადგარები უამრავ უპირატესობას გვთავაზობენ კრიტიკული აპლიკაციებისთვის, როგორიცაა უსაფრთხოება და შენობის მართვის სისტემები ტრადიციულ ბატარეებთან ან დიზელის გენერატორებთან შედარებით. თხევადი საწვავის ტექნოლოგია წყვეტს წყალბადის შენახვის პრობლემას და უზრუნველყოფს პრაქტიკულად შეუზღუდავი სარეზერვო სიმძლავრეს.

საწვავის უჯრედების/უჯრედების გამოყენება სახლის გათბობასა და ელექტროენერგიის წარმოებაში

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები (SOFCs) გამოიყენება საიმედო, ენერგოეფექტური და ემისიების გარეშე თბოელექტროსადგურების ასაშენებლად, რათა გამოიმუშაონ ელექტროენერგია და სითბო ფართოდ ხელმისაწვდომი ბუნებრივი აირისა და განახლებადი საწვავის წყაროებიდან. ეს ინოვაციური დანადგარები გამოიყენება მრავალფეროვან ბაზრებზე, დაწყებული შიდა ელექტროენერგიის გამომუშავებით ელექტროენერგიის მიწოდებამდე შორეულ ტერიტორიებამდე, ისევე როგორც დამხმარე ენერგიის წყაროებით.

საწვავის უჯრედების/უჯრედების გამოყენება სადისტრიბუციო ქსელებში

მცირე თბოელექტროსადგურები შექმნილია იმისთვის, რომ იმუშაონ განაწილებული ელექტროენერგიის გამომუშავების ქსელში, რომელიც შედგება დიდი რაოდენობით მცირე გენერატორის კომპლექტებისგან ერთი ცენტრალიზებული ელექტროსადგურის ნაცვლად.

ქვემოთ მოყვანილი სურათი გვიჩვენებს ენერგიის გამომუშავების ეფექტურობის დანაკარგს, როდესაც ის წარმოიქმნება CHP-ის ელექტროსადგურების მიერ და გადაეცემა სახლებს ამჟამად გამოყენებული ტრადიციული გადამცემი ქსელების მეშვეობით. რაიონულ გენერაციაში ეფექტურობის დანაკარგები მოიცავს დანაკარგებს ელექტროსადგურიდან, დაბალი და მაღალი ძაბვის გადაცემასა და განაწილების დანაკარგებს.

ნახაზზე ნაჩვენებია მცირე თბოელექტროსადგურების ინტეგრაციის შედეგები: ელექტროენერგია გამოიმუშავებს 60%-მდე გამომუშავების ეფექტურობით გამოყენების ადგილზე. გარდა ამისა, ოჯახს შეუძლია გამოიყენოს საწვავის უჯრედებიდან გამომუშავებული სითბო წყლისა და სივრცის გასათბობად, რაც ზრდის საწვავის ენერგიის დამუშავების საერთო ეფექტურობას და აუმჯობესებს ენერგიის დაზოგვას.

საწვავის უჯრედების გამოყენება გარემოს დასაცავად - ასოცირებული ნავთობის გაზის გამოყენება

ნავთობის ინდუსტრიაში ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ამოცანაა დაკავშირებული ნავთობის გაზის გამოყენება. ასოცირებული ნავთობგაზის უტილიზაციის არსებულ მეთოდებს ბევრი უარყოფითი მხარე აქვს, რაც მთავარია ეკონომიკურად წამგებიანი. ასოცირებული ნავთობის გაზი იწვება, რაც დიდ ზიანს აყენებს გარემოს და ადამიანის ჯანმრთელობას.

საწვავის უჯრედის ინოვაციური სითბო და ელექტროსადგურები, რომლებიც იყენებენ ასოცირებულ ნავთობგაზს, როგორც საწვავს, ხსნის გზას რადიკალური და ეკონომიური გადაწყვეტისკენ ასოცირებული ნავთობგაზის გამოყენების პრობლემებისკენ.

1. საწვავის უჯრედების დანადგარების ერთ-ერთი მთავარი უპირატესობა ის არის, რომ მათ შეუძლიათ საიმედოდ და მდგრად ფუნქციონირება ცვლადი შემადგენლობით ასოცირებულ ნავთობ გაზზე. საწვავის უჯრედის მუშაობის საფუძველში არსებული ცეცხლმოკიდებული ქიმიური რეაქციის გამო, მაგალითად, მეთანის პროცენტის შემცირება იწვევს მხოლოდ ენერგიის გამომუშავების შესაბამის შემცირებას.
2. მოქნილობა მომხმარებელთა ელექტრულ დატვირთვასთან მიმართებაში, დიფერენციალური, დატვირთვის აწევა.
3. საწვავის უჯრედებზე თბოელექტროსადგურების დამონტაჟებისა და მიერთებისთვის მათი განხორციელება არ საჭიროებს კაპიტალურ ხარჯებს, რადგან დანადგარები ადვილად მონტაჟდება მინდვრებთან ახლოს, მოუმზადებელ უბნებზე, არის მარტივი, საიმედო და ეფექტური.
4. მაღალი ავტომატიზაცია და თანამედროვე დისტანციური მართვა არ საჭიროებს ქარხანაში პერსონალის მუდმივ ყოფნას.
5. დიზაინის სიმარტივე და ტექნიკური სრულყოფილება: მოძრავი ნაწილების, ხახუნის, შეზეთვის სისტემების არარსებობა მნიშვნელოვან ეკონომიკურ სარგებელს იძლევა საწვავის უჯრედების დანადგარების მუშაობისგან.
6. წყლის მოხმარება: გარემოს ტემპერატურაზე +30 °C-მდე არ არის და მაღალ ტემპერატურაზე უმნიშვნელოა.
7. წყლის გამოსასვლელი: არა.
8. გარდა ამისა, საწვავის უჯრედის თბოელექტროსადგურები არ ქმნიან ხმაურს, არ ვიბრირებენ, არ გამოაქვეყნოთ მავნე გამონაბოლქვი ატმოსფეროში

წყალბადის საწვავის უჯრედები გარდაქმნის საწვავის ქიმიურ ენერგიას ელექტროენერგიად, გვერდის ავლით წვის და თერმული ენერგიის მექანიკურ ენერგიად გადაქცევის არაეფექტურ, მაღალი დანაკარგების პროცესებს. წყალბადის საწვავის უჯრედი არის ელექტროქიმიურიმოწყობილობა საწვავის მაღალეფექტური „ცივი“ წვის შედეგად უშუალოდ გამოიმუშავებს ელექტროენერგიას. პროტონების გაცვლის მემბრანა წყალბად-ჰაერის საწვავის უჯრედი (PEMFC) არის საწვავის უჯრედების ერთ-ერთი ყველაზე პერსპექტიული ტექნოლოგია.

რვა წლის წინ დასავლეთ ევროპაში ექვსი თხევადი დიზელის ტუმბო გაიხსნა; ისინი უნდა იყოს ორასი ბოლომდე. ჩვენ შორს ვართ ათასობით სწრაფი დატენვის ტერმინალისგან, რომლებიც ყველგან იჩეკება ელექტრო მოძრაობის გავრცელების სტიმულირებისთვის. და სწორედ აქ მტკივა გახეხვა. და სჯობს გამოვაცხადოთ გრაფენი.

ბატარეებს არ უთქვამთ ბოლო სიტყვა

ეს უფრო მეტია ვიდრე ავტონომია, ამიტომ დატენვის დროის შეზღუდვა ანელებს ელექტრომობილის გავრცელებას. თუმცა, მან გაიხსენა ამ თვეში შენიშვნა, რომელიც მიმართა მის მომხმარებლებს, რომ ბატარეებს აქვთ შეზღუდვა ამ ტიპის ზონდზე ძალიან მაღალი ძაბვის დროს. თომას ბრახმანს ეტყვიან, რომ წყალბადის გამანაწილებელი ქსელი ჯერ კიდევ უნდა აშენდეს. არგუმენტი, რომ ის ხელს წმენდს და იხსენებს, რომ სწრაფი დამუხტვის ტერმინალების გამრავლება ასევე ძალიან ძვირია, მაღალი ძაბვის სპილენძის კაბელების მაღალი კვეთის გამო. „იოლი და იაფია თხევადი წყალბადის ტრანსპორტირება სატვირთო მანქანებით ჩამარხული ავზებიდან წარმოების უბნებთან ახლოს“.

პროტონგამტარი პოლიმერული მემბრანა ჰყოფს ორ ელექტროდს, ანოდს და კათოდს. თითოეული ელექტროდი არის ნახშირბადის ფირფიტა (მატრიცა), რომელიც დაფარულია კატალიზატორით. ანოდის კატალიზატორზე მოლეკულური წყალბადი ანაწილებს და აძლევს ელექტრონებს. წყალბადის კათიონები მემბრანის მეშვეობით კათოდამდე მიემართება, მაგრამ ელექტრონები გადაეცემა გარე წრეს, რადგან მემბრანა არ აძლევს ელექტრონებს გავლის საშუალებას.

წყალბადი ჯერ კიდევ არ არის სუფთა ელექტროენერგიის ვექტორი

რაც შეეხება თავად ბატარეის ღირებულებას, რომელიც ძალიან სენსიტიური ინფორმაციაა, თომას ბრახმანს ეჭვი არ ეპარება, რომ მისი ეფექტურობის მატებასთან ერთად შეიძლება მნიშვნელოვნად შემცირდეს. "პლატინი არის ელემენტი, რომელიც უფრო ძვირია." სამწუხაროდ, თითქმის მთელი წყალბადი მოდის წიაღისეული ენერგიის წყაროებიდან. უფრო მეტიც, დიჰიდროგენი მხოლოდ ენერგიის ვექტორია და არა წყარო, საიდანაც მისი წარმოებისას არცთუ უმნიშვნელო ნაწილი მოიხმარება, მისი გათხევადება და შემდეგ ელექტროენერგიად გადაქცევა.

კათოდის კატალიზატორზე ჟანგბადის მოლეკულა ერწყმის ელექტრონს (რომელიც მიეწოდება ელექტრული წრედან) და შემომავალ პროტონს და წარმოქმნის წყალს, რომელიც ერთადერთი რეაქციის პროდუქტია (ორთქლის და/ან სითხის სახით).

მემბრანულ-ელექტროდის ბლოკები მზადდება წყალბადის საწვავის უჯრედებისგან, რომლებიც წარმოადგენენ ენერგეტიკული სისტემის ძირითად გენერირებულ ელემენტს.

მომავლის მანქანა იქცევა როგორც ნამდვილი

ბატარეის ბალანსი დაახლოებით სამჯერ მეტია, მიუხედავად დრაივერებში გათბობის გამო დანაკარგებისა. ვაი, სასწაული მანქანა ჩვენს გზებს არ გატყდება, გარდა სახალხო დემონსტრაციების ნაწილისა. ბრახმანი, რომელიც იხსენებს, რომ ელექტრომობილის ბუნებრივი სიჩუმე აძლიერებს ხმაურიან სამყაროში ცხოვრების შთაბეჭდილებას. ყველა შანსების საწინააღმდეგოდ, საჭის და სამუხრუჭე პედლები ბუნებრივ კონსისტენციას იძლევა.

პატარა ბატარეა, მაგრამ გაუმჯობესებული შესრულება

გაჯეტი შესამჩნევია, ცენტრალური ეკრანი აფანტავს მარჯვენა სარკეში მოთავსებული კამერის გამოსახულებებს, როგორც კი შემობრუნების სიგნალი გააქტიურდება. ჩვენი ამერიკელი მომხმარებლების უმეტესობა აღარ მოითხოვს და ეს საშუალებას გვაძლევს შევინარჩუნოთ ფასები - ამართლებს მთავარი ინჟინერი, რომელიც გვთავაზობს უფრო დაბალ განაკვეთს. ნამდვილად ღირს საწვავის უჯრედების დასტაზე საუბარი, რადგან არის 358, რომლებიც ერთად მუშაობენ. 117 ლიტრი მოცულობის მთავარი ავზი, დაჭერილი სკამზე უკანა კედელზე, კრძალავს მის დაკეცვას, ხოლო მეორე - 24 ლიტრი, იმალება სავარძლის ქვეშ.

წყალბადის საწვავის უჯრედების უპირატესობები ტრადიციულ ხსნარებთან შედარებით:

- გაზრდილი სპეციფიკური ენერგიის ინტენსივობა (500 ÷ 1000 ვტ*სთ/კგ),

- გაფართოებული სამუშაო ტემპერატურის დიაპაზონი (-40 0 C / +40 0 C),

- თერმული ლაქის არარსებობა, ხმაური და ვიბრაცია;

- ცივი დაწყების საიმედოობა

- ენერგიის შენახვის პრაქტიკულად შეუზღუდავი პერიოდი (თვითგამოშვების ნაკლებობა),

პირველი ორტაქტიანი საწვავის უჯრედი

კომპაქტური ზომის მიუხედავად, ეს ახალი საწვავის უჯრედი გარდაქმნის დიჰიდროგენს ელექტროენერგიად უფრო სწრაფად და უკეთ, ვიდრე მისი წინამორბედი. ის აწვდის წყობის ელემენტებს ჟანგბადში იმ სიჩქარით, რომელიც ადრე ითვლებოდა მათი გამძლეობის შეუსაბამოდ. ჭარბი წყალი, რომელიც ადრე ზღუდავდა ნაკადის სიჩქარეს, საუკეთესოდ ევაკუირებულია. შედეგად, ელემენტის სიმძლავრე განახევრებულია, ხოლო ეფექტურობა 60% -ს აღწევს.

ეს განპირობებულია წინა სავარძლების ქვეშ მდებარე 1,7 კვტ/სთ ლითიუმ-იონური ბატარეის არსებობით, რაც იძლევა დამატებითი დენის მიწოდების საშუალებას ძლიერი აჩქარების დროს. ან პროგნოზის ავტონომია არის 460 კმ, რაც სრულყოფილად შეესაბამება იმას, რასაც მწარმოებელი აცხადებს.

- სისტემის ენერგიის ინტენსივობის შეცვლის შესაძლებლობა საწვავის ვაზნების რაოდენობის შეცვლით, რაც უზრუნველყოფს თითქმის შეუზღუდავ ავტონომიას;

სისტემის თითქმის ნებისმიერი გონივრული ენერგიის ინტენსივობის უზრუნველყოფის შესაძლებლობა წყალბადის შენახვის სიმძლავრის შეცვლით,

- მაღალი ენერგიის მოხმარება

- წყალბადის მინარევებისადმი ტოლერანტობა,

მაგრამ ათასი ნაწილი აადვილებს ჰაერის ნაკადს და აუმჯობესებს გაგრილებას. უფრო მეტად, ვიდრე მისი წინამორბედი, ეს ელექტრო მანქანა აჩვენებს, რომ საწვავის უჯრედი ყურადღების ცენტრშია. დიდი გამოწვევა ინდუსტრიისთვის და ჩვენი ლიდერებისთვის. იმავდროულად, ძალიან ჭკვიანი, ვინ იცის, რომელი საწვავის უჯრედი ან ბატარეა გაიმარჯვებს.

საწვავის უჯრედი არის ელექტროქიმიური ენერგიის გარდაქმნის მოწყობილობა, რომელსაც შეუძლია გამოიმუშაოს ელექტროენერგია პირდაპირი დენის სახით საწვავის და ოქსიდიზატორის შერწყმით ქიმიურ რეაქციაში ნარჩენების, როგორც წესი, საწვავის ოქსიდის წარმოქმნით.

- ხანგრძლივი მომსახურების ვადა,

- გარემოსდაცვითი კეთილგანწყობა და სამუშაოს უხმაურობა.

უპილოტო საფრენი აპარატებისთვის წყალბადის საწვავის უჯრედებზე დაფუძნებული ელექტრომომარაგების სისტემები:

საწვავის უჯრედების დაყენება უპილოტო საფრენი აპარატებიტრადიციული ბატარეების ნაცვლად, ის ამრავლებს ფრენის ხანგრძლივობას, დატვირთვის წონას, შესაძლებელს ხდის თვითმფრინავის საიმედოობის გაზრდას, უპილოტო საფრენი აპარატის გაშვებისა და ექსპლუატაციის ტემპერატურული დიაპაზონის გაფართოებას, ლიმიტის დაწევას -40 0С-მდე. შიდა წვის ძრავებთან შედარებით, საწვავის უჯრედების სისტემები ჩუმია, ვიბრაციის გარეშე, მუშაობს დაბალ ტემპერატურაზე, ძნელია ამოცნობა ფრენის დროს, არ გამოიმუშავებს მავნე გამონაბოლქვს და შეუძლია ეფექტურად შეასრულოს დავალებები ვიდეოთვალთვალებიდან ტვირთის მიწოდებამდე.

თითოეულ საწვავის უჯრედს აქვს ორი ელექტროდი, ერთი დადებითი და ერთი უარყოფითი, და რეაქცია, რომელიც გამოიმუშავებს ელექტროენერგიას, ხდება ელექტროდებზე ელექტროლიტის თანდასწრებით, რომელიც ატარებს დამუხტულ ნაწილაკებს ელექტროდიდან ელექტროდამდე, ხოლო ელექტრონები ცირკულირებენ ელექტროდებს შორის მდებარე გარე სადენებში. ელექტროენერგიის შესაქმნელად.

საწვავის უჯრედს შეუძლია მუდმივად გამოიმუშაოს ელექტროენერგია, სანამ შენარჩუნებულია საწვავის და ოქსიდიზატორის საჭირო ნაკადი. ზოგიერთი საწვავის უჯრედი გამოიმუშავებს მხოლოდ რამდენიმე ვატს, სხვები კი რამდენიმე ასეულ კილოვატს აწარმოებენ, ხოლო პატარა ბატარეები, სავარაუდოდ, გვხვდება ლეპტოპებსა და მობილურ ტელეფონებში, მაგრამ საწვავის უჯრედები ძალიან ძვირია იმისთვის, რომ იყოს პატარა გენერატორები, რომლებიც გამოიყენებენ ელექტროენერგიის გამომუშავებას სახლებისა და ბიზნესისთვის.

უპილოტო საფრენი აპარატის ელექტრომომარაგების სისტემის შემადგენლობა:

საწვავის უჯრედების ეკონომიკური ზომები

წყალბადის, როგორც საწვავის წყაროს გამოყენება მნიშვნელოვან ხარჯებს იწვევს. ამ მიზეზით, წყალბადი ახლა არაეკონომიური წყაროა, განსაკუთრებით იმიტომ, რომ სხვა ნაკლებად ძვირი წყაროების გამოყენება შესაძლებელია. წყალბადის წარმოების ხარჯები შეიძლება განსხვავდებოდეს, რადგან ისინი ასახავს რესურსების ღირებულებას, საიდანაც იგი მოპოვებულია.

ბატარეის საწვავის წყაროები

საწვავის უჯრედები ზოგადად კლასიფიცირდება შემდეგ კატეგორიებად: წყალბადის საწვავის უჯრედები, ორგანული საწვავის უჯრედები, ლითონის საწვავის უჯრედები და რედოქსის ბატარეები. როდესაც წყალბადი გამოიყენება საწვავის წყაროდ, ქიმიური ენერგია გარდაიქმნება ელექტროენერგიად საპირისპირო ჰიდროლიზის პროცესის დროს, რათა მხოლოდ წყალი და სითბო იყოს ნარჩენები. წყალბადის საწვავის უჯრედი ძალიან დაბალია, მაგრამ შეიძლება მეტ-ნაკლებად მაღალი იყოს წყალბადის წარმოებაში, განსაკუთრებით თუ ის წარმოებულია წიაღისეული საწვავისგან.

• - საწვავის უჯრედის ბატარეა,
• - Li-Po ბუფერული ბატარეა მოკლევადიანი პიკური დატვირთვის დასაფარავად,
• - ელექტრონული საკონტროლო სისტემა ,
• - საწვავის სისტემა, რომელიც შედგება შეკუმშული წყალბადის ცილინდრისგან ან წყალბადის მყარი წყაროსგან.

საწვავის სისტემა იყენებს მაღალი სიმტკიცის მსუბუქ ცილინდრებს და რედუქტორებს ბორტზე შეკუმშული წყალბადის მაქსიმალური მიწოდების უზრუნველსაყოფად. ნებადართულია სხვადასხვა სტანდარტული ზომის ცილინდრების (0,5-დან 25 ლიტრამდე) გამოყენება რედუქტორებით, რომლებიც უზრუნველყოფენ წყალბადის აუცილებელ ნაკადს.

წყალბადის ბატარეები იყოფა ორ კატეგორიად: დაბალი ტემპერატურის ბატარეები და მაღალი ტემპერატურის ბატარეები, სადაც მაღალი ტემპერატურის ბატარეებს ასევე შეუძლიათ უშუალოდ წიაღისეული საწვავის გამოყენება. ეს უკანასკნელი შედგება ნახშირწყალბადებისგან, როგორიცაა ნავთობი ან ბენზინი, ალკოჰოლი ან ბიომასი.

ბატარეებში საწვავის სხვა წყაროებია, მაგრამ არ შემოიფარგლება, ალკოჰოლები, თუთია, ალუმინი, მაგნიუმი, იონური ხსნარები და მრავალი ნახშირწყალბადები. სხვა ჟანგვის აგენტებს მიეკუთვნება, მაგრამ არ შემოიფარგლება მხოლოდ ჰაერი, ქლორი და ქლორის დიოქსიდი. ამჟამად, საწვავის უჯრედების რამდენიმე ტიპი არსებობს.

უპილოტო საფრენი აპარატის ელექტრომომარაგების სისტემის მახასიათებლები:

წყალბადის საწვავის უჯრედებზე დაფუძნებული პორტატული დამტენები:

წყალბადის საწვავის უჯრედებზე დაფუძნებული პორტატული დამტენები არის კომპაქტური მოწყობილობები, რომლებიც შედარებულია წონით და ზომით მსოფლიოში არსებულ და ფართოდ გამოყენებულ ბატარეის დამტენებთან.

თანამედროვე მსოფლიოში ყველგან გავრცელებული პორტატული ტექნოლოგია რეგულარულად საჭიროებს დატენვას. ტრადიციული პორტატული სისტემები პრაქტიკულად გამოუსადეგარია უარყოფით ტემპერატურაზე და მათი ფუნქციის შესრულების შემდეგ ისინი ასევე საჭიროებენ დატენვას (ელექტრო ქსელები), რაც ასევე ამცირებს მათ ეფექტურობას და მოწყობილობის ავტონომიას.

დიჰიდროგენის თითოეულ მოლეკულას აქვს 2 ელექტრონი. H იონი ანოდიდან კათოდში გადადის და ელექტრონის გადაცემისას იწვევს ელექტრო დენს. როგორი შეიძლება იყოს თვითმფრინავის საწვავის უჯრედები? დღეს ტარდება ტესტები თვითმფრინავებზე, რათა სცადონ მათი ფრენა საწვავის უჯრედის ლითიუმ-იონური ჰიბრიდული ბატარეის გამოყენებით. საწვავის უჯრედის ნამდვილი მოგება მდგომარეობს მის დაბალ წონაში მთლიანობაში: ის უფრო მსუბუქია, რაც ხელს უწყობს თვითმფრინავის წონის შემცირებას და, შესაბამისად, საწვავის მოხმარებას.

მაგრამ ამ დროისთვის საწვავის უჯრედების თვითმფრინავით ფრენა შეუძლებელია, რადგან მას ჯერ კიდევ ბევრი ნაკლი აქვს. საწვავის უჯრედის სურათი. რა არის საწვავის უჯრედის უარყოფითი მხარეები? უპირველეს ყოვლისა, წყალბადი რომ იყოს გავრცელებული, მისი დიდი რაოდენობით გამოყენება პრობლემურია. მართლაც, ის ხელმისაწვდომია არა მხოლოდ დედამიწაზე. ის გვხვდება ჟანგბადის შემცველ წყალში, ამიაკში. ამიტომ მის მისაღებად აუცილებელია წყლის ელექტროლიზის ჩატარება და ეს ჯერ კიდევ არ არის ფართოდ გამოყენებული მეთოდი.

წყალბადის საწვავის უჯრედების სისტემები საჭიროებს მხოლოდ კომპაქტური საწვავის კარტრიჯის შეცვლას, რის შემდეგაც მოწყობილობა დაუყოვნებლივ მზად არის მუშაობისთვის.

პორტატული დამტენების მახასიათებლები:

წყალბადის საწვავის უჯრედებზე დაფუძნებული უწყვეტი დენის წყაროები:

წყალბადის საწვავის უჯრედებზე დაფუძნებული უწყვეტი ელექტრომომარაგების სისტემები შექმნილია სარეზერვო ელექტრომომარაგებისა და დროებითი ელექტრომომარაგების ორგანიზებისთვის. წყალბადის საწვავის უჯრედებზე დაფუძნებული უწყვეტი ელექტრომომარაგების სისტემები გვთავაზობენ მნიშვნელოვან უპირატესობებს ტრადიციულ გადაწყვეტილებებთან შედარებით დროებითი და სარეზერვო ელექტრომომარაგების ორგანიზებისთვის, ბატარეებისა და დიზელის გენერატორების გამოყენებით.

წყალბადი არის გაზი და ამიტომ ძნელია შეკავება და ტრანსპორტირება. წყალბადის გამოყენებასთან დაკავშირებული კიდევ ერთი რისკი არის აფეთქების რისკი, რადგან ეს არის ძალიან აალებადი გაზი. ის, რაც ამარაგებს ბატარეას მისი წარმოებისთვის დიდი მასშტაბით, მოითხოვს ენერგიის განსხვავებულ წყაროს, იქნება ეს ნავთობი, გაზი თუ ქვანახშირი, თუ ბირთვული ენერგია, რაც მის გარემოს ბალანსს მნიშვნელოვნად აუარესებს, ვიდრე ნავთი და ქმნის გროვას, პლატინას, ლითონს. კიდევ უფრო იშვიათი და ძვირფასი ვიდრე ოქრო.

საწვავის უჯრედი უზრუნველყოფს ენერგიას ანოდში საწვავის დაჟანგვით და კათოდში ოქსიდიზატორის შემცირებით. საწვავის უჯრედის პრინციპის აღმოჩენა და პირველი ლაბორატორიული დანერგვა გოგირდმჟავას ელექტროლიტად გამოყენებით მიეკუთვნება ქიმიკოს უილიამ გროვს.

უწყვეტი ელექტრომომარაგების სისტემის მახასიათებლები:

საწვავის უჯრედიგალვანური უჯრედის მსგავსი ელექტროქიმიური მოწყობილობაა, მაგრამ მისგან განსხვავდება იმით, რომ ელექტროქიმიური რეაქციისთვის განკუთვნილი ნივთიერებები მასში იკვებება გარედან - განსხვავებით გალვანურ უჯრედში ან ბატარეაში შენახული ენერგიის შეზღუდული რაოდენობით.

მართლაც, საწვავის უჯრედებს აქვთ გარკვეული უპირატესობები: დიჰიდროგენისა და დიოქსიდის გამოყენებით მხოლოდ წყლის ორთქლს გამოყოფენ: ასე რომ, ეს არის სუფთა ტექნოლოგია. არსებობს რამდენიმე სახის საწვავის უჯრედები, რაც დამოკიდებულია ელექტროლიტის ბუნებაზე, საწვავის ბუნებაზე, პირდაპირი ან არაპირდაპირი დაჟანგვის, სამუშაო ტემპერატურის მიხედვით.

შემდეგი ცხრილი აჯამებს ამ სხვადასხვა მოწყობილობების ძირითად მახასიათებლებს. რამდენიმე ევროპული პროგრამა ეძებს სხვა პოლიმერებს, როგორიცაა პოლიბენზიმიდაზოლის წარმოებულები, რომლებიც უფრო სტაბილური და იაფია. ბატარეის კომპაქტურობა ასევე მუდმივი გამოწვევაა 15-50 მიკრონიანი მემბრანებით, ფოროვანი ნახშირბადის ანოდებით და უჟანგავი ფოლადის ბიპოლარული ფირფიტებით. სიცოცხლის ხანგრძლივობა ასევე შეიძლება გაუმჯობესდეს, რადგან, ერთის მხრივ, ნახშირბადის მონოქსიდის კვალი წყალბადში რამდენიმე წილი მილიონზე არის კატალიზატორის ნამდვილი შხამი, ხოლო მეორეს მხრივ, პოლიმერში წყლის კონტროლი აუცილებელია.

ბრინჯი. ერთი. ზოგიერთი საწვავის უჯრედი

საწვავის უჯრედები გარდაქმნის საწვავის ქიმიურ ენერგიას ელექტროენერგიად, გვერდის ავლით წვის არაეფექტურ პროცესებს, რომლებიც ხდება დიდი დანაკარგებით. ქიმიური რეაქციის შედეგად ისინი წყალბადს და ჟანგბადს ელექტროენერგიად გარდაქმნიან. ამ პროცესის შედეგად წარმოიქმნება წყალი და გამოიყოფა დიდი რაოდენობით სითბო. საწვავის უჯრედი ძალიან ჰგავს ბატარეას, რომელიც შეიძლება დაიტენოს და შემდეგ გამოიყენოს ელექტრო ენერგიის შესანახად. საწვავის უჯრედის გამომგონებელი უილიამ რ.გროუვია, რომელმაც ის ჯერ კიდევ 1839 წელს გამოიგონა. ამ საწვავის უჯრედში გოგირდის მჟავას ხსნარი გამოიყენებოდა როგორც ელექტროლიტი, ხოლო წყალბადი გამოიყენებოდა როგორც საწვავი, რომელიც ჟანგბადთან ერთად ჟანგბადს აჟანგავდა. ბოლო დრომდე საწვავის უჯრედები გამოიყენებოდა მხოლოდ ლაბორატორიებში და კოსმოსურ ხომალდებში.

სხვა ენერგეტიკული გენერატორებისგან განსხვავებით, როგორიცაა შიდა წვის ძრავები ან ტურბინები, რომლებიც იკვებება გაზით, ნახშირით, ზეთით და ა.შ., საწვავის უჯრედები არ წვავს საწვავს. ეს ნიშნავს, რომ არ არის ხმაურიანი მაღალი წნევის როტორები, არ არის ხმამაღალი გამონაბოლქვი ხმაური, არ არის ვიბრაცია. საწვავის უჯრედები წარმოქმნიან ელექტროენერგიას ჩუმი ელექტროქიმიური რეაქციის საშუალებით. საწვავის უჯრედების კიდევ ერთი თვისება ის არის, რომ ისინი საწვავის ქიმიურ ენერგიას პირდაპირ ელექტროენერგიაში, სითბოსა და წყალში გარდაქმნიან.

საწვავის უჯრედები ძალიან ეფექტურია და არ გამოიმუშავებს დიდი რაოდენობით სათბურის გაზებს, როგორიცაა ნახშირორჟანგი, მეთანი და აზოტის ოქსიდი. საწვავის უჯრედის მუშაობის შედეგად გამონაბოლქვი მხოლოდ წყალია ორთქლის სახით და მცირე რაოდენობით ნახშირორჟანგი, რომელიც საერთოდ არ გამოიყოფა სუფთა წყალბადის საწვავად გამოყენების შემთხვევაში. საწვავის უჯრედები იკრიბება შეკრებებში და შემდეგ ცალკეულ ფუნქციურ მოდულებში.

საწვავის უჯრედებს არ აქვთ მოძრავი ნაწილები (ყოველ შემთხვევაში, თავად უჯრედის შიგნით) და ამიტომ ისინი არ ემორჩილებიან კარნოს კანონს. ანუ ექნებათ 50%-ზე მეტი ეფექტურობა და განსაკუთრებით ეფექტურია დაბალ დატვირთვაზე. ამგვარად, საწვავის უჯრედების მანქანები შეიძლება გახდეს (და უკვე დადასტურებულია) საწვავის უფრო ეფექტური, ვიდრე ჩვეულებრივი მანქანები რეალურ მართვის პირობებში.

საწვავის უჯრედი წარმოქმნის DC ელექტრულ დენს, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას ელექტროძრავის, განათების მოწყობილობების და სხვა ელექტრული სისტემების მართვისთვის მანქანაში.

საწვავის უჯრედების რამდენიმე ტიპი არსებობს, რომლებიც განსხვავდება გამოყენებული ქიმიური პროცესებით. საწვავის უჯრედები ჩვეულებრივ კლასიფიცირდება ელექტროლიტის ტიპის მიხედვით.

ზოგიერთი ტიპის საწვავის უჯრედი პერსპექტიულია ელექტროსადგურებში გამოსაყენებლად, ზოგი კი პორტატული მოწყობილობებისთვის ან მანქანების მართვისთვის.

1. ტუტე საწვავის უჯრედები (AFC)

ტუტე საწვავის უჯრედი- ეს ერთ-ერთი პირველივე განვითარებული ელემენტია. ტუტე საწვავის უჯრედები (ALFC) არის ერთ-ერთი ყველაზე შესწავლილი ტექნოლოგია, რომელიც გამოიყენება 1960-იანი წლების შუა პერიოდის შემდეგ NASA-ს მიერ Apollo-სა და Space Shuttle-ის პროგრამებში. ამ კოსმოსურ ხომალდზე საწვავის უჯრედები აწარმოებენ ელექტროენერგიას და სასმელ წყალს.

ტუტე საწვავის უჯრედები ერთ-ერთი ყველაზე ეფექტური უჯრედია, რომელიც გამოიყენება ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის, ელექტროენერგიის გამომუშავების ეფექტურობა 70%-მდე აღწევს.

ტუტე საწვავის უჯრედები იყენებენ ელექტროლიტს, ანუ კალიუმის ჰიდროქსიდის წყალხსნარს, რომელიც შეიცავს ფოროვან, სტაბილიზებულ მატრიცას. კალიუმის ჰიდროქსიდის კონცენტრაცია შეიძლება განსხვავდებოდეს საწვავის უჯრედის მუშაობის ტემპერატურის მიხედვით, რომელიც მერყეობს 65°C-დან 220°C-მდე. SFC-ში მუხტის მატარებელი არის ჰიდროქსიდის იონი (OH-), რომელიც გადადის კათოდიდან ანოდამდე, სადაც ის რეაგირებს წყალბადთან წყლისა და ელექტრონების წარმოქმნით. ანოდზე წარმოქმნილი წყალი უკან გადადის კათოდში და იქ კვლავ წარმოქმნის ჰიდროქსიდის იონებს. საწვავის უჯრედში მიმდინარე რეაქციების ამ სერიის შედეგად წარმოიქმნება ელექტროენერგია და, როგორც გვერდითი პროდუქტი, სითბო:

ანოდური რეაქცია: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

რეაქცია კათოდზე: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

სისტემის ზოგადი რეაქცია: 2H2 + O2 => 2H2O

SFC-ების უპირატესობა ის არის, რომ ეს საწვავის უჯრედები წარმოებისთვის ყველაზე იაფია, რადგან ელექტროდებზე საჭირო კატალიზატორი შეიძლება იყოს ნებისმიერი ნივთიერება, რომელიც უფრო იაფია, ვიდრე სხვა საწვავის უჯრედების კატალიზატორად გამოყენებული. გარდა ამისა, SFC-ები მუშაობენ შედარებით დაბალ ტემპერატურაზე და ერთ-ერთი ყველაზე ეფექტურია.

SFC-ის ერთ-ერთი დამახასიათებელი მახასიათებელია მისი მაღალი მგრძნობელობა CO2-ის მიმართ, რომელიც შეიძლება შეიცავდეს საწვავს ან ჰაერს. CO2 რეაგირებს ელექტროლიტთან, სწრაფად წამლავს მას და მნიშვნელოვნად ამცირებს საწვავის უჯრედის ეფექტურობას. ამიტომ, SFC-ების გამოყენება შემოიფარგლება დახურულ სივრცეებში, როგორიცაა კოსმოსური და წყალქვეშა მანქანები, ისინი მუშაობენ სუფთა წყალბადზე და ჟანგბადზე.

2. კარბონატის დნობის საწვავის უჯრედები (MCFC)

საწვავის უჯრედები გამდნარი კარბონატის ელექტროლიტითარის მაღალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედები. მაღალი ოპერაციული ტემპერატურა საშუალებას იძლევა ბუნებრივი აირის პირდაპირი გამოყენება საწვავის პროცესორის გარეშე და დაბალი კალორიული ღირებულების საწვავი გაზი ტექნოლოგიური საწვავიდან და სხვა წყაროებიდან. ეს პროცესი განვითარდა 1960-იანი წლების შუა ხანებში. მას შემდეგ გაუმჯობესდა წარმოების ტექნოლოგია, შესრულება და საიმედოობა.

RCFC-ის მოქმედება განსხვავდება სხვა საწვავის უჯრედებისგან. ეს უჯრედები იყენებენ ელექტროლიტს გამდნარი კარბონატის მარილების ნარევიდან. ამჟამად გამოიყენება ორი სახის ნარევები: ლითიუმის კარბონატი და კალიუმის კარბონატი ან ლითიუმის კარბონატი და ნატრიუმის კარბონატი. კარბონატული მარილების დნობისთვის და ელექტროლიტში იონების მაღალი მობილურობის მისაღწევად, გამდნარი კარბონატის ელექტროლიტის მქონე საწვავის უჯრედები მუშაობენ მაღალ ტემპერატურაზე (650°C). ეფექტურობა მერყეობს 60-80% შორის.

650°C ტემპერატურამდე გაცხელებისას მარილები იქცევა კარბონატული იონების გამტარებად (CO32-). ეს იონები კათოდიდან ანოდამდე მიდიან, სადაც წყალბადთან ერთად ქმნიან წყალს, ნახშირორჟანგს და თავისუფალ ელექტრონებს. ეს ელექტრონები იგზავნება გარე ელექტრული წრედის მეშვეობით კათოდში, წარმოქმნის ელექტრულ დენს და სითბოს, როგორც ქვეპროდუქტს.

ანოდური რეაქცია: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

რეაქცია კათოდზე: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

ზოგადი ელემენტის რეაქცია: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(კათოდი) => H2O(g) + CO2(ანოდი)

გამდნარი კარბონატის ელექტროლიტის საწვავის უჯრედების მაღალ სამუშაო ტემპერატურას აქვს გარკვეული უპირატესობები. უპირატესობა არის სტანდარტული მასალების გამოყენების შესაძლებლობა (უჟანგავი ფოლადის ფურცელი და ნიკელის კატალიზატორი ელექტროდებზე). ნარჩენი სითბო შეიძლება გამოყენებულ იქნას მაღალი წნევის ორთქლის წარმოებისთვის. ელექტროლიტში რეაქციის მაღალ ტემპერატურას ასევე აქვს თავისი უპირატესობები. მაღალი ტემპერატურის გამოყენებას დიდი დრო სჭირდება ოპტიმალური სამუშაო პირობების მისაღწევად და სისტემა უფრო ნელა რეაგირებს ენერგიის მოხმარების ცვლილებებზე. ეს მახასიათებლები საშუალებას იძლევა გამოიყენონ საწვავის უჯრედების სისტემები გამდნარი კარბონატის ელექტროლიტით მუდმივი სიმძლავრის პირობებში. მაღალი ტემპერატურა ხელს უშლის საწვავის უჯრედის დაზიანებას ნახშირორჟანგით, „მოწამვლა“ და ა.შ.

გამდნარი კარბონატის საწვავის უჯრედები შესაფერისია მსხვილ სტაციონალურ დანადგარებში გამოსაყენებლად. თბოელექტროსადგურები, რომელთა გამომავალი ელექტროენერგია 2,8 მეგავატია, წარმოებულია ინდუსტრიულად. მუშავდება 100 მგვტ-მდე გამომავალი სიმძლავრის სადგურები.

3. ფოსფორის მჟავაზე (PFC) დაფუძნებული საწვავის უჯრედები

საწვავის უჯრედები ფოსფორის (ორთოფოსფორის) მჟავაზე დაფუძნებულიგახდა პირველი საწვავის უჯრედები კომერციული გამოყენებისთვის. ეს პროცესი განვითარდა XX საუკუნის 60-იანი წლების შუა ხანებში, ტესტები ტარდება XX საუკუნის 70-იანი წლებიდან. შედეგად, გაიზარდა სტაბილურობა და შესრულება და შემცირდა ღირებულება.

ფოსფორის (ორთოფოსფორის) მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედები იყენებენ ელექტროლიტს ორთოფოსფორის მჟავაზე (H3PO4) 100%-მდე კონცენტრაციით. ფოსფორის მჟავას იონური გამტარობა დაბალია დაბალ ტემპერატურაზე, ამიტომ ეს საწვავის უჯრედები გამოიყენება 150-220°C-მდე ტემპერატურაზე.

ამ ტიპის საწვავის უჯრედებში მუხტის მატარებელია წყალბადი (H+, პროტონი). მსგავსი პროცესი ხდება პროტონების გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედებში (MEFC), რომლის დროსაც ანოდში მიწოდებული წყალბადი იყოფა პროტონებად და ელექტრონებად. პროტონები გადიან ელექტროლიტში და ერწყმის ჟანგბადს ჰაერიდან კათოდში და წარმოქმნიან წყალს. ელექტრონები მიმართულია გარე ელექტრული წრედის გასწვრივ და წარმოიქმნება ელექტრული დენი. ქვემოთ მოცემულია რეაქციები, რომლებიც წარმოქმნიან ელექტროენერგიას და სითბოს.

ანოდური რეაქცია: 2H2 => 4H+ + 4e

რეაქცია კათოდზე: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

ზოგადი ელემენტის რეაქცია: 2H2 + O2 => 2H2O

ფოსფორის (ორთოფოსფორის) მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედების ეფექტურობა ელექტროენერგიის გამომუშავებისას 40%-ზე მეტია. სითბოს და ელექტროენერგიის კომბინირებულ წარმოებაში, საერთო ეფექტურობა არის დაახლოებით 85%. გარდა ამისა, სამუშაო ტემპერატურის გათვალისწინებით, ნარჩენი სითბო შეიძლება გამოყენებულ იქნას წყლის გასათბობად და ორთქლის წარმოქმნისთვის ატმოსფერულ წნევაზე.

ფოსფორის (ორთოფოსფორის) მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედებზე თბოელექტროსადგურების მაღალი შესრულება სითბოს და ელექტროენერგიის კომბინირებულ წარმოებაში არის ამ ტიპის საწვავის უჯრედების ერთ-ერთი უპირატესობა. მცენარეები იყენებენ ნახშირბადის მონოქსიდს კონცენტრაციით დაახლოებით 1,5%, რაც მნიშვნელოვნად აფართოებს საწვავის არჩევანს. მარტივი კონსტრუქცია, ელექტროლიტების დაბალი ცვალებადობა და გაზრდილი სტაბილურობა ასევე ასეთი საწვავის უჯრედების უპირატესობაა.

თბოელექტროსადგურები, რომელთა გამომავალი ელექტრო სიმძლავრე 400 კვტ-მდეა, წარმოებულია ინდუსტრიულად. 11 მეგავატი სიმძლავრის დანადგარებმა შესაბამისი ტესტები გაიარა. მუშავდება 100 მგვტ-მდე გამომავალი სიმძლავრის სადგურები.

4. საწვავის უჯრედები პროტონების გაცვლის მემბრანით (MOFEC)

საწვავის უჯრედები პროტონების გაცვლის მემბრანითითვლება საწვავის უჯრედების საუკეთესო ტიპად ავტომობილის ენერგიის გამომუშავებისთვის, რომელსაც შეუძლია შეცვალოს ბენზინისა და დიზელის შიდა წვის ძრავები. ეს საწვავის უჯრედები პირველად გამოიყენა ნასამ Gemini პროგრამისთვის. შემუშავებულია და ნაჩვენებია ინსტალაციები MOPFC-ზე 1 W-დან 2 კვტ-მდე სიმძლავრით.

ამ საწვავის უჯრედებში ელექტროლიტი არის მყარი პოლიმერული მემბრანა (თხელი პლასტიკური ფილმი). წყლით გაჟღენთილი ეს პოლიმერი გადის პროტონებს, მაგრამ არ ატარებს ელექტრონებს.

საწვავი არის წყალბადი, ხოლო მუხტის მატარებელია წყალბადის იონი (პროტონი). ანოდზე წყალბადის მოლეკულა იყოფა წყალბადის იონად (პროტონად) და ელექტრონებად. წყალბადის იონები ელექტროლიტის გავლით კათოდში გადადიან, ხოლო ელექტრონები მოძრაობენ გარე წრის გარშემო და წარმოქმნიან ელექტრო ენერგიას. ჟანგბადი, რომელიც მიიღება ჰაერიდან, მიეწოდება კათოდს და ერწყმის ელექტრონებსა და წყალბადის იონებს და წარმოქმნის წყალს. ელექტროდებზე ხდება შემდეგი რეაქციები: ანოდური რეაქცია: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eკათოდური რეაქცია: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH უჯრედის მთლიანი რეაქცია: 2H2 + O2 => 2H2O სხვა ტიპის საწვავის უჯრედებთან, საწვავის უჯრედებთან შედარებით. პროტონების გაცვლის მემბრანით წარმოქმნის მეტ ენერგიას საწვავის უჯრედის მოცემული მოცულობის ან წონისთვის. ეს ფუნქცია საშუალებას აძლევს მათ იყოს კომპაქტური და მსუბუქი. გარდა ამისა, სამუშაო ტემპერატურა 100°C-ზე ნაკლებია, რაც საშუალებას გაძლევთ სწრაფად დაიწყოთ მუშაობა. ეს მახასიათებლები, ისევე როგორც ენერგიის გამომუშავების სწრაფად შეცვლის შესაძლებლობა, მხოლოდ რამდენიმე მახასიათებელია, რაც ამ საწვავის უჯრედებს სატრანსპორტო საშუალებებში გამოყენების მთავარ კანდიდატად აქცევს.

კიდევ ერთი უპირატესობა ის არის, რომ ელექტროლიტი არის მყარი და არა თხევადი. უფრო ადვილია გაზების შენახვა კათოდში და ანოდში მყარი ელექტროლიტით, ამიტომ ასეთი საწვავის უჯრედების წარმოება უფრო იაფია. მყარი ელექტროლიტის გამოყენებისას არ არსებობს სირთულეები, როგორიცაა ორიენტაცია და ნაკლები პრობლემები კოროზიის წარმოქმნის გამო, რაც ზრდის უჯრედისა და მისი კომპონენტების გამძლეობას.

5. მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები (SOFC)

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედებიარის საწვავის უჯრედები ყველაზე მაღალი სამუშაო ტემპერატურის მქონე. ოპერაციული ტემპერატურა შეიძლება განსხვავდებოდეს 600°C-დან 1000°C-მდე, რაც იძლევა სხვადასხვა ტიპის საწვავის გამოყენების შესაძლებლობას სპეციალური წინასწარი დამუშავების გარეშე. ამ მაღალი ტემპერატურის მოსაგვარებლად გამოყენებული ელექტროლიტი არის თხელი კერამიკული მყარი ლითონის ოქსიდი, ხშირად იტრიუმის და ცირკონიუმის შენადნობი, რომელიც არის ჟანგბადის (O2-) იონების გამტარი. მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედების გამოყენების ტექნოლოგია განვითარდა 1950-იანი წლების ბოლოდან და აქვს ორი კონფიგურაცია: პლანშეტური და მილისებური.

მყარი ელექტროლიტი უზრუნველყოფს გაზის ჰერმეტულ გადასვლას ერთი ელექტროდიდან მეორეზე, ხოლო თხევადი ელექტროლიტები განლაგებულია ფოროვან სუბსტრატში. ამ ტიპის საწვავის უჯრედებში მუხტის მატარებელია ჟანგბადის იონი (О2-). კათოდზე ჟანგბადის მოლეკულები ჰაერიდან იყოფა ჟანგბადის იონად და ოთხ ელექტრონად. ჟანგბადის იონები გადის ელექტროლიტში და ერწყმის წყალბადს ოთხი თავისუფალი ელექტრონის წარმოქმნით. ელექტრონები მიმართულია გარე ელექტრული წრეში, წარმოქმნის ელექტრო დენს და ნარჩენ სითბოს.

ანოდური რეაქცია: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

რეაქცია კათოდზე: O2 + 4e- => 2O2-

ზოგადი ელემენტის რეაქცია: 2H2 + O2 => 2H2O

ელექტროენერგიის წარმოების ეფექტურობა ყველაზე მაღალია საწვავის უჯრედებს შორის - დაახლოებით 60%. გარდა ამისა, მაღალი სამუშაო ტემპერატურა იძლევა სითბოს და ენერგიის კომბინირებულ გამომუშავებას მაღალი წნევის ორთქლის წარმოქმნით. მაღალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედის ტურბინასთან შერწყმა ქმნის ჰიბრიდულ საწვავის უჯრედს, რათა გაზარდოს ელექტროენერგიის გამომუშავების ეფექტურობა 70%-მდე.

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები მუშაობენ ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე (600°C-1000°C), რის შედეგადაც ხდება მნიშვნელოვანი დრო სამუშაო ოპტიმალური პირობების მისაღწევად და სისტემა უფრო ნელა რეაგირებს ენერგიის მოხმარების ცვლილებებზე. ასეთ მაღალ ოპერაციულ ტემპერატურაზე არ არის საჭირო გადამყვანი საწვავიდან წყალბადის აღსადგენად, რაც საშუალებას აძლევს თბოელექტროსადგურს იმუშაოს ნახშირის გაზიფიკაციის ან ნარჩენი აირების შედარებით უწმინდური საწვავებით და ა.შ. ასევე, ეს საწვავის უჯრედი შესანიშნავია მაღალი სიმძლავრის გამოყენებისთვის, მათ შორის სამრეწველო და დიდი ცენტრალური ელექტროსადგურებისთვის. სამრეწველო წარმოების მოდულები გამომავალი ელექტრული სიმძლავრით 100 კვტ.

6. საწვავის უჯრედები პირდაპირი მეთანოლის დაჟანგვით (DOMTE)

საწვავის უჯრედები პირდაპირი მეთანოლის დაჟანგვითწარმატებით გამოიყენება მობილური ტელეფონების, ლეპტოპების კვების სფეროში, ასევე პორტატული ენერგიის წყაროების შესაქმნელად, რისკენაც არის მიმართული ასეთი ელემენტების სამომავლო გამოყენება.

საწვავის უჯრედების დიზაინი მეთანოლის პირდაპირი დაჟანგვით მსგავსია საწვავის უჯრედების დიზაინის პროტონების გაცვლის მემბრანით (MOFEC), ე.ი. პოლიმერი გამოიყენება როგორც ელექტროლიტი, ხოლო წყალბადის იონი (პროტონი) გამოიყენება მუხტის მატარებლად. მაგრამ თხევადი მეთანოლი (CH3OH) იჟანგება წყლის თანდასწრებით ანოდში, გამოყოფს CO2, წყალბადის იონებს და ელექტრონებს, რომლებიც იგზავნება გარე ელექტრული წრეში და წარმოიქმნება ელექტრული დენი. წყალბადის იონები გადიან ელექტროლიტში და რეაგირებენ ჟანგბადთან ჰაერიდან და ელექტრონებით გარე წრედიდან ანოდში წყლის წარმოქმნით.

ანოდური რეაქცია: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e კათოდური რეაქცია: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O მთლიანი ელემენტის რეაქცია: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O 1990-იანი წლები და მათი სპეციფიკური სიმძლავრე და ეფექტურობა გაიზარდა. 40%-მდე.

ამ ელემენტების ტესტირება მოხდა 50-120°C ტემპერატურის დიაპაზონში. დაბალი ოპერაციული ტემპერატურისა და გადამყვანის საჭიროების გამო, ეს საწვავის უჯრედები საუკეთესო კანდიდატია მობილურ ტელეფონებსა და სხვა სამომხმარებლო პროდუქტებში, ასევე მანქანის ძრავებში გამოსაყენებლად. მათი უპირატესობა ასევე არის მცირე ზომები.

7. პოლიმერული ელექტროლიტური საწვავის უჯრედები (PETE)

პოლიმერული ელექტროლიტის საწვავის უჯრედების შემთხვევაში, პოლიმერული მემბრანა შედგება პოლიმერული ბოჭკოებისგან წყლის რეგიონებით, რომლებშიც წყლის იონების გამტარობაა H2O+ (პროტონი, წითელი) მიმაგრებულია წყლის მოლეკულაზე. წყლის მოლეკულები წარმოადგენენ პრობლემას ნელი იონების გაცვლის გამო. ამიტომ საჭიროა წყლის მაღალი კონცენტრაცია როგორც საწვავში, ასევე გამონაბოლქვი ელექტროდებზე, რაც ზღუდავს სამუშაო ტემპერატურას 100°C-მდე.

8. მყარი მჟავა საწვავის უჯრედები (SCFC)

მყარი მჟავა საწვავის უჯრედებში ელექტროლიტი (CsHSO4) არ შეიცავს წყალს. სამუშაო ტემპერატურა ამიტომ არის 100-300°C. SO42-ოქსიანიონების ბრუნვა პროტონებს (წითელ) საშუალებას აძლევს იმოძრაონ, როგორც ნაჩვენებია სურათზე. როგორც წესი, მყარი მჟავა საწვავის უჯრედი არის სენდვიჩი, რომელშიც მყარი მჟავა ნაერთის ძალიან თხელი ფენა მოთავსებულია ორ მჭიდროდ შეკუმშულ ელექტროდს შორის კარგი კონტაქტის უზრუნველსაყოფად. როდესაც გაცხელდება, ორგანული კომპონენტი აორთქლდება, ტოვებს ელექტროდების ფორებს და ინარჩუნებს მრავალი კონტაქტის უნარს საწვავს (ან ჟანგბადს უჯრედის მეორე ბოლოში), ელექტროლიტსა და ელექტროდებს შორის.

9. საწვავის უჯრედების ყველაზე მნიშვნელოვანი მახასიათებლების შედარება

საწვავის უჯრედის მახასიათებლები

საწვავის უჯრედის ტიპი	სამუშაო ტემპერატურა	ენერგიის გამომუშავების ეფექტურობა	საწვავის ტიპი	ფარგლები
				საშუალო და დიდი დანადგარები
			სუფთა წყალბადი	დანადგარები
			სუფთა წყალბადი	მცირე დანადგარები
			ნახშირწყალბადის საწვავის უმეტესობა	მცირე, საშუალო და დიდი დანადგარები
				პორტატული დანადგარები
			სუფთა წყალბადი	ფართი გამოკვლეული
			სუფთა წყალბადი	მცირე დანადგარები

10. საწვავის უჯრედების გამოყენება მანქანებში

ცოდნის ეკოლოგია. მეცნიერება და ტექნოლოგია: მობილური ელექტრონიკა ყოველწლიურად იხვეწება, უფრო ფართოდ გავრცელებული და ხელმისაწვდომი ხდება: PDA, ლეპტოპები, მობილური და ციფრული მოწყობილობები, ფოტო ჩარჩოები და ა.შ. ყველა მათგანი მუდმივად ივსება.

წვრილმანი საწვავის უჯრედი სახლში

მობილური ელექტრონიკა ყოველწლიურად იხვეწება, უფრო ფართოდ გავრცელებული და ხელმისაწვდომი ხდება: PDA-ები, ლეპტოპები, მობილური და ციფრული მოწყობილობები, ფოტო ჩარჩოები და ა.შ. ყველა მათგანი მუდმივად განახლდება ახალი ფუნქციებით, უფრო დიდი მონიტორებით, უკაბელო კომუნიკაციებით, უფრო ძლიერი პროცესორებით და მცირდება. ზომა.. ენერგეტიკული ტექნოლოგიები, განსხვავებით ნახევარგამტარული ტექნოლოგიისგან, არ მიდიან ნახტომებით და საზღვრებით.

ინდუსტრიის მიღწევების გასაძლიერებლად არსებული ბატარეები და აკუმულატორები არასაკმარისი ხდება, ამიტომ ალტერნატიული წყაროების საკითხი ძალიან მწვავედ დგას. საწვავის უჯრედები ყველაზე პერსპექტიული მიმართულებაა. მათი მოქმედების პრინციპი ჯერ კიდევ 1839 წელს აღმოაჩინა უილიამ გროვმა, რომელმაც გამოიმუშავა ელექტროენერგია წყლის ელექტროლიზის შეცვლით.

რა არის საწვავის უჯრედები?

ვიდეო: დოკუმენტური ფილმი, საწვავის უჯრედები ტრანსპორტისთვის: წარსული, აწმყო, მომავალი

საწვავის უჯრედები დაინტერესებულია მანქანების მწარმოებლებისთვის და მათით დაინტერესებულნი არიან კოსმოსური ხომალდების შემქმნელებიც. 1965 წელს ისინი ამერიკამ გამოსცადა კოსმოსში გაშვებულ Gemini 5-ზე, მოგვიანებით კი Apollo-ზე. მილიონობით დოლარის ინვესტიცია ხდება საწვავის უჯრედების კვლევაში დღესაც, როდესაც არსებობს პრობლემები გარემოს დაბინძურებასთან, წიაღისეული საწვავის წვის შედეგად სათბურის გაზების ემისიების ზრდასთან, რომლის მარაგი ასევე არ არის უსასრულო.

საწვავის უჯრედი, რომელსაც ხშირად უწოდებენ ელექტროქიმიურ გენერატორს, მუშაობს ქვემოთ აღწერილი წესით.

ის, როგორც აკუმულატორები და ბატარეები, გალვანური უჯრედია, მაგრამ იმ განსხვავებით, რომ აქტიური ნივთიერებები მასში ცალკე ინახება. ისინი მოდიან ელექტროდებთან, როგორც ისინი გამოიყენება. ბუნებრივი საწვავი ან მისგან მიღებული ნებისმიერი ნივთიერება იწვის უარყოფით ელექტროდზე, რომელიც შეიძლება იყოს აირისებრი (მაგალითად, წყალბადი და ნახშირბადის მონოქსიდი) ან თხევადი, როგორიცაა ალკოჰოლი. დადებით ელექტროდზე, როგორც წესი, ჟანგბადი რეაგირებს.

მაგრამ მარტივი გარეგნობის მოქმედების პრინციპი ადვილი არ არის რეალობად გადაითარგმნოს.

წვრილმანი საწვავის უჯრედი

სამწუხაროდ, ჩვენ არ გვაქვს ფოტოები, თუ როგორი უნდა იყოს ეს საწვავის ელემენტი, თქვენი ფანტაზიის იმედი გვაქვს.

დაბალი სიმძლავრის საწვავის უჯრედი საკუთარი ხელით შეიძლება გაკეთდეს სკოლის ლაბორატორიაშიც კი. საჭიროა ძველი გაზის ნიღაბი, რამდენიმე ცალი პლექსიგლასი, ტუტე და ეთილის სპირტის წყალხსნარი (უფრო მარტივად, არაყი), რომელიც საწვავის უჯრედისთვის „საწვავად“ იქნება.

უპირველეს ყოვლისა, საჭიროა საწვავის უჯრედის კორპუსი, რომელიც საუკეთესოდ არის დამზადებული პლექსიგლასისგან, მინიმუმ ხუთი მილიმეტრის სისქით. შიდა ტიხრები (შიგნიდან ხუთი კუპე) შეიძლება გაკეთდეს ოდნავ თხელი - 3 სმ. პლექსიგლასის დასაწებებლად გამოიყენება შემდეგი შემადგენლობის წებო: ექვსი გრამი პლექსიგლასის ჩიპები იხსნება ას გრამ ქლოროფორმში ან დიქლორეთანში (მუშაობენ კაპოტის ქვეშ. ).

გარე კედელში ახლა აუცილებელია ხვრელის გაბურღვა, რომელშიც რეზინის საცობით უნდა ჩადოთ სანიაღვრე მინის მილი 5-6 სანტიმეტრი დიამეტრით.

ყველამ იცის, რომ პერიოდულ სისტემაში ქვედა მარცხენა კუთხეში არის ყველაზე აქტიური ლითონები, ხოლო მაღალი აქტივობის მეტალოიდები - ცხრილში ზედა მარჯვენა კუთხეში, ე.ი. ელექტრონების დონაციის უნარი იზრდება ზემოდან ქვემოდან და მარჯვნიდან მარცხნივ. ელემენტები, რომლებიც გარკვეულ პირობებში შეიძლება გამოვლინდეს როგორც ლითონები ან მეტალოიდები, მაგიდის ცენტრშია.

ახლა, მეორე და მეოთხე განყოფილებაში, ჩვენ ვასხამთ გააქტიურებულ ნახშირბადს გაზის ნიღბიდან (პირველ ტიხრსა და მეორეს შორის, ასევე მესამე და მეოთხეს შორის), რომელიც იმოქმედებს როგორც ელექტროდები. იმისათვის, რომ ნახშირი არ დაიღვაროს ნახვრეტებიდან, ის შეიძლება მოთავსდეს ნეილონის ქსოვილში (ქალის ნეილონის წინდები გამოდგება).

საწვავი ცირკულირებს პირველ პალატაში, მეხუთეში უნდა იყოს ჟანგბადის მიმწოდებელი - ჰაერი. ელექტროდებს შორის იქნება ელექტროლიტი და ჰაერის კამერაში მისი გაჟონვის თავიდან ასაცილებლად აუცილებელია მისი გაჟღენთვა ბენზინში პარაფინის ხსნარით (2 გრამი პარაფინის თანაფარდობა ნახევარ ჭიქა ბენზინთან) ჰაერის ელექტროლიტისთვის მეოთხე კამერის ნახშირით შევსებამდე. ნახშირის ფენაზე თქვენ უნდა დაადოთ (ოდნავ დაჭერით) სპილენძის ფირფიტები, რომლებზეც მავთულები არის შედუღებული. მათი მეშვეობით დენი გადაინაცვლებს ელექტროდებიდან.

რჩება მხოლოდ ელემენტის დატენვა. ამისთვის საჭიროა არაყი, რომელიც წყლით უნდა განზავდეს 1:1-ში. შემდეგ ფრთხილად დაამატეთ სამას სამას ორმოცდაათი გრამი კაუსტიკური კალიუმი. ელექტროლიტისთვის 70 გრამი კაუსტიკური კალიუმი იხსნება 200 გრამ წყალში.

საწვავის უჯრედი მზად არის ტესტირებისთვის. ახლა თქვენ ერთდროულად უნდა დაასხით საწვავი პირველ პალატაში, ხოლო ელექტროლიტი მესამეში. ელექტროდებზე დამაგრებული ვოლტმეტრი უნდა იყოს 07 ვოლტიდან 0,9-მდე. ელემენტის უწყვეტი მუშაობის უზრუნველსაყოფად, საჭიროა დახარჯული საწვავის გადინება (გადინება ჭიქაში) და ახალი საწვავის დამატება (რეზინის მილის მეშვეობით). კვების სიჩქარე კონტროლდება მილის შეკუმშვით. ასე გამოიყურება საწვავის უჯრედის მუშაობა ლაბორატორიულ პირობებში, რომლის სიმძლავრე გასაგებია მცირე.

ძალაუფლების გასაძლიერებლად, მეცნიერები ამ პრობლემაზე დიდი ხანია მუშაობენ. მეთანოლი და ეთანოლის საწვავის უჯრედები განლაგებულია აქტიური განვითარების ფოლადზე. მაგრამ, სამწუხაროდ, ჯერჯერობით მათი პრაქტიკაში დანერგვის გზა არ არსებობს.

რატომ არის არჩეული საწვავის უჯრედი ენერგიის ალტერნატიულ წყაროდ

ენერგიის ალტერნატიულ წყაროდ აირჩიეს საწვავის უჯრედი, რადგან მასში წყალბადის წვის საბოლოო პროდუქტი წყალია. პრობლემა მხოლოდ წყალბადის წარმოების იაფი და ეფექტური გზის პოვნაშია. წყალბადის გენერატორებისა და საწვავის უჯრედების განვითარებაში ჩადებულმა კოლოსალურმა სახსრებმა ნაყოფი ვერ მოიტანს, ამიტომ ტექნოლოგიური გარღვევა და მათი რეალური გამოყენება ყოველდღიურ ცხოვრებაში მხოლოდ დროის საკითხია.

უკვე დღეს, საავტომობილო ინდუსტრიის მონსტრები: General Motors, Honda, Dreimler Coisler, Ballard, აჩვენებენ ავტობუსებსა და მანქანებს, რომლებიც მუშაობენ საწვავის უჯრედებზე 50 კვტ-მდე სიმძლავრით. მაგრამ, მათ უსაფრთხოებასთან, საიმედოობასთან, ღირებულებასთან დაკავშირებული პრობლემები - ჯერ არ მოგვარებულა. როგორც უკვე აღვნიშნეთ, ენერგიის ტრადიციული წყაროებისგან განსხვავებით - ბატარეები და ბატარეები, ამ შემთხვევაში, ოქსიდიზატორი და საწვავი მიეწოდება გარედან, ხოლო საწვავის უჯრედი მხოლოდ შუამავალია მიმდინარე რეაქციაში საწვავის დაწვისა და გამოთავისუფლებული ენერგიის ელექტროენერგიად გადაქცევაში. . "დაწვა" ხდება მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ ელემენტი აწვდის დენს დატვირთვას, როგორც დიზელის გენერატორი, მაგრამ გენერატორისა და დიზელის გარეშე, ასევე ხმაურის, კვამლისა და გადახურების გარეშე. ამავდროულად, ეფექტურობა გაცილებით მაღალია, რადგან არ არსებობს შუალედური მექანიზმები.

დიდი იმედებია ნანოტექნოლოგიებისა და ნანომასალების გამოყენებაზე, რაც ხელს შეუწყობს საწვავის უჯრედების მინიატურიზაციას და მათი სიმძლავრის გაზრდას. გავრცელდა ინფორმაცია იმის შესახებ, რომ შეიქმნა ულტრაეფექტური კატალიზატორები, ასევე საწვავის უჯრედების დიზაინი, რომლებსაც არ აქვთ მემბრანები. მათში ოქსიდიზატორთან ერთად ელემენტს მიეწოდება საწვავი (მაგალითად მეთანი). საინტერესოა ხსნარები, სადაც წყალში გახსნილი ჟანგბადი გამოიყენება ჟანგვის აგენტად, ხოლო დაბინძურებულ წყლებში დაგროვილი ორგანული მინარევები გამოიყენება საწვავად. ეს არის ეგრეთ წოდებული ბიოსაწვავის უჯრედები.

საწვავის უჯრედები, ექსპერტების აზრით, მასობრივ ბაზარზე შესვლას უახლოეს წლებში შეუძლია.გამოქვეყნდა

შემოგვიერთდით

პატენტის RU 2379795 მფლობელები:

გამოგონება ეხება პირდაპირი მოქმედების ალკოჰოლური საწვავის უჯრედებს მყარი მჟავა ელექტროლიტების და შიდა რეფორმირების კატალიზატორების გამოყენებით. გამოგონების ტექნიკური შედეგია ელემენტის სპეციფიკური სიმძლავრე და ძაბვის გაზრდა. გამოგონების თანახმად, საწვავის უჯრედში შედის ანოდი, კათოდი, მყარი მჟავა ელექტროლიტი, გაზის დიფუზიური ფენა და შიდა რეფორმირების კატალიზატორი. შიდა რეფორმირების კატალიზატორი შეიძლება შეიცავდეს ნებისმიერ შესაფერის რეფორმატორს და არის ანოდის მიმდებარედ. ამ კონფიგურაციაში, საწვავის უჯრედის კატალიზატორზე ეგზოთერმული რეაქციების დროს წარმოქმნილი სითბო და საწვავის უჯრედის ელექტროლიტის ომური გათბობა არის მამოძრავებელი ძალა საწვავის ენდოთერმული რეფორმირების რეაქციისთვის ალკოჰოლური საწვავის წყალბადად გადაქცევისთვის. შესაძლებელია ნებისმიერი ალკოჰოლური საწვავის გამოყენება, როგორიცაა მეთანოლი ან ეთანოლი. 5 n. და 20 ზ.პ. f-ly, 4 ავად.

ტექნიკური სფერო

გამოგონება ეხება პირდაპირი მოქმედების ალკოჰოლური საწვავის უჯრედებს მყარი მჟავა ელექტროლიტების გამოყენებით.

თანამედროვე

ალკოჰოლები ბოლო დროს მოექცა ინტენსიური შემოწმების ქვეშ, როგორც პოტენციური საწვავი. ალკოჰოლები, როგორიცაა მეთანოლი და ეთანოლი, განსაკუთრებით სასურველია საწვავად, რადგან მათ აქვთ სპეციფიკური ენერგია ხუთ-შვიდჯერ აღემატება სტანდარტულ შეკუმშულ წყალბადს. მაგალითად, ერთი ლიტრი მეთანოლი ენერგიულად უდრის 5,2 ლიტრ წყალბადს, რომელიც შეკუმშულია 320 ატმ. გარდა ამისა, ერთი ლიტრი ეთანოლი ენერგიულად უდრის 7,2 ლიტრ წყალბადს, რომელიც შეკუმშულია 350 ატმ. ასეთი ალკოჰოლური სასმელები ასევე სასურველია, რადგან მათი დამუშავება, შენახვა და ტრანსპორტირება მარტივია.

მეთანოლი და ეთანოლი იყო მრავალი კვლევის საგანი ალკოჰოლური საწვავის თვალსაზრისით. ეთანოლის მიღება შესაძლებელია შაქრისა და სახამებლის შემცველი მცენარეების დუღილის შედეგად. მეთანოლის მიღება შესაძლებელია ხის ან ნარჩენი ხის/მარცვლეულის (ჩალის) გაზიფიკაციის შედეგად. თუმცა, მეთანოლის სინთეზი უფრო ეფექტურია. ეს ალკოჰოლური სასმელები, სხვა საკითხებთან ერთად, არის განახლებადი რესურსები და, შესაბამისად, ისინი მნიშვნელოვან როლს შეასრულებენ როგორც სათბურის გაზების ემისიების შემცირებაში, ასევე წიაღისეულ საწვავზე დამოკიდებულების შემცირებაში.

საწვავის უჯრედები შემოთავაზებულია, როგორც მოწყობილობები, რომლებიც გარდაქმნის ასეთი ალკოჰოლების ქიმიურ ენერგიას ელექტრო ენერგიად. ამ მხრივ, პირდაპირი მოქმედების ალკოჰოლური საწვავის უჯრედები პოლიმერული ელექტროლიტური გარსებით ექვემდებარება ინტენსიურ კვლევას. კერძოდ, შესწავლილია პირდაპირი მეთანოლის საწვავის უჯრედები და პირდაპირი ეთანოლის საწვავის უჯრედები. თუმცა, პირდაპირი ეთანოლის საწვავის უჯრედებზე კვლევა შეზღუდული იყო ეთანოლის დაჟანგვის შედარებითი სირთულის გამო მეთანოლთან შედარებით.

მიუხედავად ამ ვრცელი კვლევის ძალისხმევისა, პირდაპირი მოქმედების ალკოჰოლური საწვავის უჯრედების მოქმედება რჩება არადამაკმაყოფილებელი, ძირითადად ელექტროდის კატალიზატორების მიერ დაწესებული კინეტიკური შეზღუდვების გამო. მაგალითად, ტიპიური პირდაპირი მოქმედების მეთანოლის საწვავის უჯრედებს აქვთ სიმძლავრის სიმჭიდროვე დაახლოებით 50 მვტ/სმ 2. მიღებულია უფრო მაღალი სპეციფიკური სიმძლავრის დონეები, როგორიცაა 335 მვტ/სმ 2, მაგრამ მხოლოდ უკიდურესად მძიმე პირობებში (Nafion®, 130°C, ჟანგბადი 5 ატმოსფერო და მეთანოლი 1 M დინების სიჩქარეზე 2 cc/წთ წნევით 1.8 ატმ). ანალოგიურად, პირდაპირ ეთანოლის საწვავის უჯრედს აქვს სიმძლავრის სიმჭიდროვე 110 მვტ/სმ 2 მსგავს უკიდურესად მძიმე პირობებში (ნაფიონი® სილიციუმი, 140°C, ანოდი 4 ატმ, ჟანგბადი 5,5 ატმ). შესაბამისად, საჭიროა პირდაპირი მოქმედების ალკოჰოლური საწვავის უჯრედები, რომლებსაც აქვთ მაღალი სიმძლავრის სიმკვრივე ასეთი ექსტრემალური პირობების არარსებობის შემთხვევაში.

გამოგონების მოკლე შინაარსი

წინამდებარე გამოგონება ეხება ალკოჰოლური საწვავის უჯრედებს, რომლებიც შეიცავს მყარი მჟავას ელექტროლიტებს და იყენებენ შიდა რეფორმირების კატალიზატორს. საწვავის უჯრედი ჩვეულებრივ მოიცავს ანოდს, კათოდს, მყარი მჟავას ელექტროლიტს და შიდა რეფორმატორს. რეფორმატორი ითვალისწინებს ალკოჰოლური საწვავის რეფორმირებას წყალბადის წარმოებისთვის. რეფორმირების რეაქციის მამოძრავებელი ძალა არის სითბო, რომელიც წარმოიქმნება საწვავის უჯრედში ეგზოთერმული რეაქციების დროს.

საწვავის უჯრედში მყარი მჟავა ელექტროლიტების გამოყენება შესაძლებელს ხდის რეფორმატორის უშუალოდ ანოდის მიმდებარედ განთავსებას. ეს ადრე შეუძლებელი იყო ცნობილი რეფორმირების მასალების ეფექტური ფუნქციონირებისთვის საჭირო ამაღლებული ტემპერატურისა და ტიპიური პოლიმერული ელექტროლიტური მემბრანების სითბოს მგრძნობელობის გამო. თუმცა, ჩვეულებრივი პოლიმერული ელექტროლიტური მემბრანებთან შედარებით, მყარი მჟავა ელექტროლიტები უძლებენ გაცილებით მაღალ ტემპერატურას, რაც შესაძლებელს ხდის რეფორმატორის განთავსებას ანოდის გვერდით და, შესაბამისად, ელექტროლიტთან ახლოს. ამ კონფიგურაციაში ელექტროლიტის მიერ წარმოქმნილი ნარჩენი სითბო შეიწოვება რეფორმატორის მიერ და ამოძრავებს ენდოთერმულ რეფორმირების რეაქციას.

ნახატების მოკლე აღწერა

წინამდებარე გამოგონების ეს და სხვა თავისებურებები და უპირატესობები უკეთესად იქნება გაგებული შემდეგი დეტალური აღწერილობის წაკითხვისას, თანდართულ ნახაზებთან ერთად, სადაც:

სურათი 1 არის საწვავის უჯრედის სქემატური წარმოდგენა წინამდებარე გამოგონების ერთი განსახიერების მიხედვით;

სურათი 2 არის მრუდების გრაფიკული შედარება სიმძლავრის სიმკვრივესა და უჯრედის ძაბვას შორის საწვავის უჯრედებისთვის, მიღებული მაგალითები 1 და 2 და შედარებითი მაგალითი 1-ის მიხედვით;

სურათი 3 არის მრუდების გრაფიკული შედარება სიმძლავრის სიმკვრივესა და უჯრედის ძაბვას შორის საწვავის უჯრედებისთვის, მიღებული მაგალითების 3, 4 და 5 და შედარებითი მაგალითი 2-ის მიხედვით; და

სურათი 4 არის მრუდების გრაფიკული შედარება სიმძლავრის სიმკვრივესა და უჯრედის ძაბვას შორის საწვავის უჯრედებისთვის, მიღებული შედარებითი მაგალითების 2 და 3 შესაბამისად.

გამოგონების დეტალური აღწერა

წინამდებარე გამოგონება ეხება პირდაპირ ალკოჰოლის საწვავის უჯრედებს, რომლებიც შეიცავს მყარი მჟავას ელექტროლიტებს და შიდა რეფორმირების კატალიზატორის გამოყენებას მემბრანული ელექტროდის კრებულთან (MEA) ფიზიკურ კონტაქტში, რომელიც შექმნილია ალკოჰოლური საწვავის რეფორმირებისთვის წყალბადის წარმოებისთვის. როგორც ზემოთ აღინიშნა, საწვავის უჯრედების მოქმედება, რომლებიც გარდაქმნიან ქიმიურ ენერგიას ალკოჰოლში პირდაპირ ელექტრო ენერგიად, რჩება არადამაკმაყოფილებელი საწვავის უჯრედების ელექტროდის კატალიზატორების მიერ დაწესებული კინეტიკური შეზღუდვების გამო. თუმცა, ცნობილია, რომ ეს კინეტიკური საზღვრები მნიშვნელოვნად მცირდება წყალბადის საწვავის გამოყენებისას. შესაბამისად, წინამდებარე გამოგონება იყენებს რეფორმატორ კატალიზატორს ან რეფორმატორს ალკოჰოლური საწვავის წყალბადად გადაქცევისთვის, რითაც ამცირებს ან აღმოფხვრის ალკოჰოლურ საწვავთან დაკავშირებული კინეტიკური შეზღუდვები. ალკოჰოლური საწვავი ორთქლით რეფორმირებულია შემდეგი რეაქციის მაგალითების მიხედვით:

მეთანოლი წყალბადამდე: CH 3 OH + H 2 O→ 3H 2 + CO 2;

ეთანოლი წყალბადამდე: C 2 H 5 OH + 3H 2 O→ 6H 2 + 2CO 2.

თუმცა, რეფორმირების რეაქცია ძალიან ენდოთერმულია. ამიტომ, რეფორმატორი უნდა გაცხელდეს, რათა მიიღოს მამოძრავებელი ძალა რეფორმირების რეაქციისთვის. საჭირო სითბოს რაოდენობა ჩვეულებრივ შეადგენს დაახლოებით 59 კჯ მეთანოლზე (დაახლოებით 0,25 მოლი წყალბადის დაწვას) და დაახლოებით 190 კჯ თითო მოლ ეთანოლზე (ექვივალენტური დაახლოებით 0,78 მოლი წყალბადის დაწვას).

საწვავის უჯრედების მუშაობისას ელექტრო დენის გავლის შედეგად წარმოიქმნება ნარჩენი სითბო, რომლის ეფექტური მოცილებაც პრობლემურია. თუმცა, ამ ნარჩენი სითბოს წარმოქმნა ბუნებრივ არჩევანს ხდის რეფორმატორის უშუალოდ საწვავის უჯრედის გვერდით განთავსებას. ასეთი კონფიგურაცია შესაძლებელს ხდის წყალბადის მიწოდებას რეფორმატორიდან საწვავის უჯრედში და გაცივდეს საწვავის უჯრედს და საშუალებას აძლევს საწვავის უჯრედს გაათბოს რეფორმატორი და წარმოქმნას მასში რეაქციების მამოძრავებელი ძალა. ეს კონფიგურაცია გამოიყენება მდნარი კარბონატის საწვავის უჯრედებში და მეთანის რეფორმირების რეაქციებისთვის დაახლოებით 650°C ტემპერატურაზე. თუმცა, ალკოჰოლის რეფორმირების რეაქციები ჩვეულებრივ მიმდინარეობს ტემპერატურაზე, რომელიც მერყეობს დაახლოებით 200°C-დან დაახლოებით 350°C-მდე და ჯერ არ არის შემუშავებული ალკოჰოლის რეფორმირების შესაბამისი საწვავის უჯრედი.

წინამდებარე გამოგონება ეხება ასეთ საწვავის უჯრედს ალკოჰოლური რეფორმირების გამოყენებით. როგორც ილუსტრირებულია სურათზე 1, საწვავის უჯრედი 10 წინამდებარე გამოგონების მიხედვით, ზოგადად მოიცავს პირველ დენის კოლექტორს/გაზის დიფუზიის ფენას 12, ანოდს 12a, მეორე დენის კოლექტორს/გაზის დიფუზიის ფენას 14, კათოდს 14a, ელექტროლიტს 16 და შიდა რეფორმირების კატალიზატორი 18. შიდა რეფორმირების კატალიზატორი 18 განთავსებული ანოდის გვერდით 12a. უფრო კონკრეტულად, რეფორმირების კატალიზატორი 18 მოთავსებულია გაზის პირველ დიფუზიურ ფენას 12 და ანოდს 12a შორის. შეიძლება გამოყენებულ იქნას ნებისმიერი ცნობილი შესაფერისი რეფორმატორული კატალიზატორი 18. შესაფერისი რეფორმირების კატალიზატორების შეუზღუდავი მაგალითები მოიცავს Cu-Zn-Al ოქსიდების, Cu-Co-Zn-Al ოქსიდების ნარევებს და Cu-Zn-Al-Zr ოქსიდების ნარევებს. .

შეიძლება გამოყენებულ იქნას ნებისმიერი ალკოჰოლური საწვავი, როგორიცაა მეთანოლი, ეთანოლი და პროპანოლი. გარდა ამისა, დიმეთილის ეთერი შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც საწვავი.

ისტორიულად, ეს კონფიგურაცია შეუძლებელი იყო ალკოჰოლური საწვავის უჯრედებისთვის, რეფორმირების რეაქციის ენდოთერმული ხასიათისა და ელექტროლიტის სითბოს მგრძნობელობის გამო. ტიპიური ალკოჰოლური საწვავის უჯრედები იყენებენ პოლიმერული ელექტროლიტის მემბრანებს, რომლებიც ვერ გაუძლებენ რეფორმირების კატალიზატორის მართვისთვის საჭირო სითბოს. თუმცა, წინამდებარე გამოგონების საწვავის უჯრედებში გამოყენებული ელექტროლიტები შეიცავს მყარ მჟავას ელექტროლიტებს, როგორიც არის აღწერილი აშშ-ს პატენტში, რომელიც ელოდება აშშ-ს საპატენტო განაცხადს 10/139043, სახელწოდებით PROTON CONDUCTING MEMBRANE UING A SOLID ACID, რომლის მთელი შიგთავსიც ასევე ჩართულია. აქ მითითებით. წინამდებარე გამოგონებაში ელექტროლიტად გამოსაყენებლად შესაფერისი მყარი მჟავის ერთ-ერთი შეუზღუდავი მაგალითია CsH 2 PO 4. ამ გამოგონების საწვავის უჯრედებში გამოყენებული მყარი მჟავა ელექტროლიტები უძლებენ გაცილებით მაღალ ტემპერატურას, რაც შესაძლებელს ხდის რეფორმირების კატალიზატორის პირდაპირ ანოდთან განთავსებას. გარდა ამისა, ენდოთერმული რეფორმირების რეაქცია მოიხმარს საწვავის უჯრედში ეგზოთერმული რეაქციების დროს წარმოქმნილ სითბოს, რაც ქმნის თერმულად დაბალანსებულ სისტემას.

ეს მყარი მჟავები გამოიყენება მათ სუპერპროტონულ ფაზებში და მოქმედებენ როგორც პროტონის გამტარ მემბრანა ტემპერატურულ დიაპაზონში დაახლოებით 100°C-დან დაახლოებით 350°C-მდე. ამ ტემპერატურის დიაპაზონის ზედა ბოლო იდეალურია მეთანოლის რეფორმირებისთვის. იმისათვის, რომ წარმოიქმნას საკმარისი სითბო რეფორმირების რეაქციისთვის მამოძრავებელი ძალის შესაქმნელად და მყარი მჟავე ელექტროლიტის პროტონული გამტარობის უზრუნველსაყოფად, წინამდებარე გამოგონების საწვავის უჯრედი სასურველია იმუშაოს ტემპერატურაზე, რომელიც მერყეობს დაახლოებით 100°C-დან დაახლოებით 500°C-მდე. თუმცა, უფრო სასურველია საწვავის უჯრედის მუშაობა 200°C-დან დაახლოებით 350°C-მდე ტემპერატურაზე. ალკოჰოლის საწვავის უჯრედების მუშაობის მნიშვნელოვნად გაუმჯობესების გარდა, გამოგონების ალკოჰოლური საწვავის უჯრედების შედარებით მაღალმა ოპერაციულმა ტემპერატურამ შეიძლება დაუშვას ძვირადღირებული ლითონის კატალიზატორები, როგორიცაა Pt/Ru და Pt ანოდში და კათოდში, შესაბამისად, ნაკლებით. ძვირადღირებული კატალიზატორი მასალები.

შემდეგი მაგალითები და შედარებითი მაგალითები ასახავს გამოგონების ალკოჰოლური საწვავის უჯრედების მაღალ ეფექტურობას. თუმცა, ეს მაგალითები წარმოდგენილია მხოლოდ საილუსტრაციოდ და არ უნდა იქნას მიღებული, როგორც გამოგონების შეზღუდვა ამ მაგალითებით.

მაგალითი 1 მეთანოლის საწვავის უჯრედი

13 მგ/სმ2 Pt/Ru გამოიყენებოდა როგორც ანოდის ელექტროკატალიზატორი. Cu (30% wt.) - Zn (20% wt.) - Al გამოიყენებოდა შიდა რეფორმირების კატალიზატორად. კათოდური ელექტროკატალიზატორის სახით გამოყენებული იყო 15 მგ/სმ2 Pt. გამოყენებული ელექტროლიტი იყო CsH 2 PO 4 მემბრანა 160 μm სისქით. მეთანოლისა და წყლის ორთქლზე მომზადებული ნარევები იკვებებოდა ანოდის სივრცეში 100 μl/წთ ნაკადის სიჩქარით. 30% დატენიანებული ჟანგბადი შეტანილი იქნა კათოდზე 50 სმ 3/წთ ნაკადის სიჩქარით (სტანდარტული ტემპერატურა და წნევა). მეთანოლი:წყალი თანაფარდობა იყო 25:75. ელემენტის ტემპერატურა დაყენებული იყო 260°C-ის ტოლი.

მაგალითი 2 ეთანოლის საწვავის უჯრედი

13 მგ/სმ2 Pt/Ru გამოიყენებოდა როგორც ანოდის ელექტროკატალიზატორი. Cu (30% wt.) - Zn (20% wt.) - Al გამოიყენებოდა შიდა რეფორმირების კატალიზატორად. კათოდური ელექტროკატალიზატორის სახით გამოყენებული იყო 15 მგ/სმ2 Pt. გამოყენებული ელექტროლიტი იყო CsH 2 PO 4 მემბრანა 160 μm სისქით. ეთანოლისა და წყლის ორთქლზე მომზადებული ნარევები იკვებებოდა ანოდის სივრცეში 100 μl/წთ ნაკადის სიჩქარით. 30% დატენიანებული ჟანგბადი შეტანილი იქნა კათოდზე 50 სმ 3/წთ ნაკადის სიჩქარით (სტანდარტული ტემპერატურა და წნევა). ეთანოლის: წყლის თანაფარდობა იყო 15:85. ელემენტის ტემპერატურა დაყენებული იყო 260°C-ის ტოლი.

შედარებითი მაგალითი 1 საწვავის უჯრედი სუფთა H2-ის გამოყენებით

13 მგ/სმ2 Pt/Ru გამოიყენებოდა როგორც ანოდის ელექტროკატალიზატორი. კათოდური ელექტროკატალიზატორის სახით გამოყენებული იყო 15 მგ/სმ2 Pt. გამოყენებული ელექტროლიტი იყო CsH 2 PO 4 მემბრანა 160 μm სისქით. 3% დატენიანებული წყალბადი მიეწოდებოდა ანოდის სივრცეს 100 μl/წთ ნაკადის სიჩქარით. 30% დატენიანებული ჟანგბადი შეტანილი იქნა კათოდზე 50 სმ 3/წთ ნაკადის სიჩქარით (სტანდარტული ტემპერატურა და წნევა). ელემენტის ტემპერატურა დაყენებული იყო 260°C-ის ტოლი.

სურათი 2 გვიჩვენებს მოსახვევებს სიმძლავრის სიმკვრივესა და უჯრედის ძაბვას შორის მაგალითებისთვის 1 და 2 და შედარებითი მაგალითი 1. როგორც ნაჩვენებია, მეთანოლის საწვავის უჯრედი (მაგალითი 1) აღწევს სიმძლავრის პიკს 69 მვტ/სმ უჯრედი აღწევს სიმძლავრის პიკს 53 მვტ. /სმ 2 და წყალბადის საწვავის უჯრედი (შედარებითი მაგალითი 1) აღწევს სიმძლავრის პიკს 80

მვტ/სმ 2. ეს შედეგები აჩვენებს, რომ საწვავის უჯრედები, რომლებიც წარმოებულია მაგალითი 1-ისა და შედარებითი მაგალითი 1-ის მიხედვით, ძალიან ჰგავს, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ მეთანოლის საწვავის უჯრედი, რომელსაც აქვს რეფორმატორი, ავლენს თითქმის ისეთივე ეფექტურობას, როგორც წყალბადის საწვავის უჯრედის, რაც მნიშვნელოვანი გაუმჯობესებაა. თუმცა, როგორც ნაჩვენებია შემდეგ მაგალითებში და შედარებით მაგალითებში, ელექტროლიტის სისქის შემცირებით, მიიღწევა სიმძლავრის სიმკვრივის დამატებითი ზრდა.

საწვავის უჯრედი დამზადდა CsH 2 PO 4-ის ნალექის დეპონირებით ფოროვან უჟანგავი ფოლადის საყრდენზე, რომელიც ემსახურებოდა როგორც გაზის დიფუზიის ფენას, ასევე დენის კოლექტორს. კათოდური ელექტროკატალიზატორის ფენა ჯერ იყო დეპონირებული გაზის დიფუზიის ფენაზე და შემდეგ დაჭერით ელექტროლიტური ფენის დეპონირებამდე. ამის შემდეგ მოხდა ანოდური ელექტროკატალიზატორის ფენის დეპონირება, რასაც მოჰყვა მეორე გაზის დიფუზიური ელექტროდის განთავსება, როგორც სტრუქტურის საბოლოო ფენა.

როგორც ანოდის ელექტროდი, CsH 2 PO 4, Pt (50 ატომური წონა %) Ru, Pt (40 wt. %) - Ru (20 wt. %), დეპონირებული C (40 wt. %) და ნაფტალინის ნარევი. გამოყენებული იყო. კომპონენტების თანაფარდობა CsH 2 PO 4: Pt-Ru: Pt-Ru-C: ნაფტალინის ნარევში იყო 3:3:1:0.5 (წონა). ნარევი გამოიყენებოდა საერთო რაოდენობით 50 მგ. ჩამოტვირთვა Pt და Ru იყო 5.6 მგ/სმ 2 და 2.9 მგ/სმ 2 შესაბამისად. ანოდის ელექტროდის ფართობი იყო 1,74 სმ 2.

როგორც კათოდური ელექტროდი გამოიყენებოდა CsH 2 PO 4, Pt, Pt (50% wt.), დეპონირებული C (50% wt.) და ნაფტალინის ნარევი. კომპონენტების თანაფარდობა CsH 2 PO 4:Pt:Pt-C:ნაფთალინის ნარევში იყო 3:3:1:1 (წონა). ნარევი გამოიყენებოდა საერთო რაოდენობით 50 მგ. Pt დატვირთვები იყო 7.7 მგ/სმ2. კათოდის ფართობი უდრის 2,3-2,9 სმ 1-ს.

როგორც რეფორმირების კატალიზატორი გამოიყენება CuO (30% wt.) - ZnO (20% wt.) - Al 2 O 3 ანუ CuO (31% mol.) - ZnO (16% mol.) - Al 2 O 3 . რეფორმატორული კატალიზატორი მომზადდა ერთობლივი ნალექის მეთოდით სპილენძის, თუთიის და ალუმინის ნიტრატის ხსნარის (ლითონის ჯამური კონცენტრაცია იყო 1 მოლ/ლ) და ნატრიუმის კარბონატების წყალხსნარი (1,1 მოლ/ლ). ნალექი გარეცხეს დეიონირებული წყლით, გაფილტრეს და გააშრეს ჰაერში 120°C-ზე 12 საათის განმავლობაში. გამხმარი ფხვნილი 1 გ ოდენობით მსუბუქად დაჭერით 3,1 მმ სისქეზე და 15,6 მმ დიამეტრზე და შემდეგ კალცინირებული 350°C-ზე 2 საათის განმავლობაში.

გამოყენებული ელექტროლიტი იყო CsH 2 PO 4 მემბრანა 47 μm სისქით.

მეთანოლ-წყლის ხსნარი (43% vol. ან 37% wt. ან 25% mol. ან 1.85 M მეთანოლი) იკვებებოდა მინის ამაორთქლებლად (200°C) 135 μl/წთ სიჩქარით. ელემენტის ტემპერატურა დაყენებული იყო 260°C-ის ტოლი.

საწვავის ელემენტი მომზადდა ზემოაღნიშნული მაგალითი 3-ის შესაბამისად, გარდა იმისა, რომ აორთქლების საშუალებით (200°C) 114 μl/წთ სიჩქარით იკვებებოდა არა მეთანოლ-წყლის, არამედ ეთანოლ-წყლის ნარევით ( 36% მოცულობით ან მასის 31% ან 15% მოლ., ან 0,98 M ეთანოლი).

საწვავის ელემენტი მომზადდა ზემოაღნიშნული მაგალითი 3-ის შესაბამისად, გარდა იმისა, რომ 100 μl/წთ ნაკადის სიჩქარით, არაყი (Absolut Vodka, შვედეთი) (40% vol. ან 34% wt., ან 17% mol.) იყო. მიეწოდება მეთანოლ-წყლის ნარევის ნაცვლად. ეთანოლი).

შედარებითი მაგალითი 2

საწვავის ელემენტი მომზადდა ზემოთ მოყვანილი მაგალითი 3-ის შესაბამისად, გარდა იმისა, რომ მეთანოლ-წყლის ნაცვლად გამოყენებული იყო გამხმარი წყალბადი 100 სსმ-ზე დატენიანებული ცხელი წყლით (70°C).

შედარებითი მაგალითი 3

საწვავის უჯრედი მომზადდა ზემოთ მოყვანილი მაგალითი 3-ის შესაბამისად, გარდა იმისა, რომ არ იყო გამოყენებული რეფორმირების კატალიზატორი და უჯრედის ტემპერატურა დაყენებული იყო 240°C-მდე.

შედარებითი მაგალითი 4

საწვავის უჯრედი მომზადდა შედარებითი მაგალითი 2-ის შესაბამისად, გარდა იმისა, რომ უჯრედის ტემპერატურა დაყენებული იყო 240°C-მდე.

სურათი 3 გვიჩვენებს მოსახვევებს სიმძლავრის სიმკვრივესა და უჯრედის ძაბვას შორის მაგალითებისთვის 3, 4 და 5 და შედარებითი მაგალითი 2. როგორც ნაჩვენებია, მეთანოლის საწვავის უჯრედი (მაგალითი 3) აღწევს სიმძლავრის პიკს 224 მვტ/სმ 2, რაც მნიშვნელოვანი ზრდაა. სპეციფიკური სიმძლავრე 1 მაგალითის შესაბამისად მიღებულ საწვავის უჯრედთან შედარებით და აქვს ბევრად უფრო სქელი ელექტროლიტი. ეს მეთანოლის საწვავის უჯრედი ასევე აჩვენებს მუშაობის მკვეთრ გაუმჯობესებას მეთანოლის საწვავის უჯრედებთან შედარებით, რომლებიც არ იყენებენ შიდა რეფორმატორს, რაც უკეთ ჩანს 4-ზე. ეთანოლის საწვავის უჯრედი, რომელსაც აქვს სქელი ელექტროლიტური მემბრანა (მაგალითი 2). თუმცა, როგორც ნაჩვენებია, მეთანოლის საწვავის უჯრედი (მაგალითი 3) უკეთესად მუშაობს, ვიდრე ეთანოლის საწვავის უჯრედი (მაგალითი 4). არყის საწვავის უჯრედისთვის (მაგალითი 5), მიღწეულია სპეციფიკური სიმძლავრეები, რომლებიც შედარებულია ეთანოლის საწვავის უჯრედთან. როგორც ნახაზი 3-ზეა ნაჩვენები, მეთანოლის საწვავის უჯრედი (მაგალითი 3) ავლენს ეფექტურობას დაახლოებით ისეთივე კარგი, როგორც წყალბადის საწვავის უჯრედის (შედარებითი მაგალითი 2).

სურათი 4 გვიჩვენებს სიმძლავრის სიმკვრივეს უჯრედის ძაბვის მრუდების მიმართ შედარებითი მაგალითებისთვის 3 და 4. როგორც ნაჩვენებია, მეთანოლის საწვავის უჯრედი რეფორმატორის გარეშე (შედარებითი მაგალითი 3) აღწევს ენერგიის მნიშვნელოვნად დაბალ სიმკვრივეს, ვიდრე წყალბადის საწვავის უჯრედით მიღწეული (შედარებითი მაგალითი 4). გარდა ამისა, ნახატები 2, 3 და 4 აჩვენებს, რომ მეთანოლის საწვავის უჯრედთან შედარებით რეფორმატორის გარეშე (შედარებითი მაგალითი 3), მნიშვნელოვნად მაღალი სიმძლავრის სიმკვრივეა მიღწეული მეთანოლის საწვავის უჯრედებისთვის რეფორმატორებით (მაგალითები 1 და 3).

ზემოაღნიშნული აღწერა წარმოდგენილია გამოგონების ამჟამად სასურველი განსახიერების წარმოსაჩენად. მათ, ვინც დახელოვნებულია შესაბამის ხელოვნებასა და ტექნოლოგიაში, რომელსაც ეს გამოგონება ეხება, უნდა გაიგონ, რომ ცვლილებები და მოდიფიკაციები შეიძლება განხორციელდეს აღწერილ განსახიერებებში ამ გამოგონების პრინციპებიდან, ფარგლების და სულისკვეთების არსებითი გადახრის გარეშე. შესაბამისად, ზემოაღნიშნული აღწერა არ უნდა იქნას აღქმული, როგორც მხოლოდ აღწერილ კონკრეტულ განსახიერებებზე მითითება, არამედ უნდა გვესმოდეს, რომ შეესაბამება და ასაბუთებს შემდეგ პრეტენზიებს, რომლებიც შეიცავს გამოგონების სრულ და ყველაზე ობიექტურ სფეროს.

1. საწვავის უჯრედი, რომელიც შედგება: ანოდური ელექტროკატალიტიკური ფენისგან, კათოდური ელექტროკატალიტიკური ფენის, ელექტროლიტური ფენის შემცველი მყარი მჟავის შემცველი, გაზის დიფუზიური ფენის და შიდა რეფორმირების კატალიზატორის მიმდებარედ, განლაგებულია ანოდის ელექტროკატალიტიკური ფენის გვერდით ისე, რომ შიდა რეფორმირების კატალიზატორი მდებარეობს. ანოდის ელექტროკატალიტურ ფენასა და გაზის დიფუზიურ ფენას შორის და ფიზიკურ კონტაქტშია ანოდის ელექტროკატალიტურ ფენასთან.

2. 1-ლი მოთხოვნის საწვავის უჯრედი, სადაც მყარი მჟავე ელექტროლიტი შეიცავს CsH 2 PO 4 .

3. 1 მოთხოვნის საწვავის უჯრედი, სადაც რეფორმირების კატალიზატორი შეირჩევა ჯგუფიდან, რომელიც შედგება Cu-Zn-Al ოქსიდის ნარევებისგან, Cu-Co-Zn-Al ოქსიდის ნარევებისგან და Cu-Zn-Al-Zr ოქსიდის ნარევებისგან.

4. საწვავის უჯრედის მუშაობის მეთოდი, მათ შორის:





საწვავის მიწოდება; და საწვავის უჯრედის მუშაობა დაახლოებით 100°C-დან 500°C-მდე ტემპერატურაზე.

5. მეთოდი 4 პრეტენზიის, სადაც საწვავი არის ალკოჰოლი.

6. მეთოდი 4 პრეტენზიის, სადაც საწვავი შეირჩევა ჯგუფიდან, რომელიც შედგება მეთანოლის, ეთანოლის, პროპანოლისა და დიმეთილის ეთერისგან.

7. მეთოდი 4 მოთხოვნის, სადაც საწვავის უჯრედი მუშაობს ტემპერატურაზე დაახლოებით 200°C-დან დაახლოებით 350°C-მდე.

8. პროცესი 4 პრეტენზიით, სადაც რეფორმირების კატალიზატორი შეირჩევა ჯგუფიდან, რომელიც შედგება Cu-Zn-Al ოქსიდის ნარევებისგან, Cu-Co-Zn-Al ოქსიდის ნარევებისგან და Cu-Zn-Al-Zr ოქსიდის ნარევებისგან.

9. მეთოდი 4 პრეტენზიით, სადაც ელექტროლიტი შეიცავს მყარ მჟავას.

10. მეთოდი 9 პრეტენზიის მიხედვით, სადაც მყარი მჟავა შეიცავს CsH 2 PO 4 .

11. საწვავის უჯრედის მუშაობის მეთოდი, მათ შორის:
ანოდური ელექტროკატალიტიკური ფენის ფორმირება;
კათოდური ელექტროკატალიტიკური ფენის ფორმირება;
მყარი მჟავის შემცველი ელექტროლიტური ფენის ფორმირება;
გაზის დიფუზიური ფენის წარმოქმნა და
შიდა რეფორმატორული კატალიზატორის ფორმირება ანოდის ელექტროკატალიტიკური ფენის მიმდებარედ, ისე, რომ შიდა რეფორმატორული კატალიზატორი განლაგებულია ანოდის ელექტროკატალიტურ ფენასა და გაზის დიფუზიურ ფენას შორის და ფიზიკურ კონტაქტშია ანოდის ელექტროკატალიტურ ფენასთან;
საწვავის მიწოდება; და საწვავის უჯრედის მუშაობა 200°C-დან დაახლოებით 350°C-მდე ტემპერატურაზე.

12. 11 მოთხოვნის მეთოდი, სადაც საწვავი არის ალკოჰოლი.

13. 11 მოთხოვნის მეთოდი, სადაც საწვავი შეირჩევა ჯგუფიდან, რომელიც შედგება მეთანოლის, ეთანოლის, პროპანოლისა და დიმეთილის ეთერისაგან.

14. პროცესი 11 პრეტენზიით, სადაც რეფორმირების კატალიზატორი შეირჩევა ჯგუფიდან, რომელიც შედგება Cu-Zn-Al ოქსიდის ნარევებისგან, Cu-Co-Zn-Al ოქსიდის ნარევებისგან და Cu-Zn-Al-Zr ოქსიდის ნარევებისგან.

15. 11 პრეტენზიის მეთოდი, სადაც ელექტროლიტი შეიცავს მყარ მჟავას.

16. 15-ე პრეტენზიის მეთოდი, სადაც მყარი მჟავა შეიცავს CsH 2 PO 4 .

17. საწვავის უჯრედის მუშაობის მეთოდი, მათ შორის:
ანოდური ელექტროკატალიტიკური ფენის ფორმირება;
კათოდური ელექტროკატალიტიკური ფენის ფორმირება;
მყარი მჟავის შემცველი ელექტროლიტური ფენის ფორმირება;
გაზის დიფუზიური ფენის წარმოქმნა და
შიდა რეფორმატორული კატალიზატორის ფორმირება ანოდის ელექტროკატალიტიკური ფენის მიმდებარედ, ისე, რომ შიდა რეფორმატორული კატალიზატორი განლაგებულია ანოდის ელექტროკატალიტურ ფენასა და გაზის დიფუზიურ ფენას შორის და ფიზიკურ კონტაქტშია ანოდის ელექტროკატალიტურ ფენასთან;
ალკოჰოლური საწვავის მიწოდება; და საწვავის უჯრედის მუშაობა დაახლოებით 100°C-დან 500°C-მდე ტემპერატურაზე.

18. 17-ე პრეტენზიის მეთოდი, სადაც საწვავი შეირჩევა ჯგუფიდან, რომელიც შედგება მეთანოლის, ეთანოლის, პროპანოლისა და დიმეთილის ეთერისაგან.

19. 17 პრეტენზიის მეთოდი, სადაც საწვავის უჯრედი მუშაობს ტემპერატურაზე დაახლოებით 200°C-დან დაახლოებით 350°C-მდე.

20. პროცესი 17 პრეტენზიით, სადაც რეფორმირების კატალიზატორი შეირჩევა ჯგუფიდან, რომელიც შედგება Cu-Zn-Al ოქსიდის ნარევებისგან, Cu-Co-Zn-Al ოქსიდის ნარევებისგან და Cu-Zn-Al-Zr ოქსიდის ნარევებისგან.

21. 17-ე პრეტენზიის მეთოდი, სადაც მყარი მჟავე ელექტროლიტი შეიცავს CsH2PO4.

22. საწვავის უჯრედის მუშაობის მეთოდი, მათ შორის:
ანოდური ელექტროკატალიტიკური ფენის ფორმირება;
კათოდური ელექტროკატალიტიკური ფენის ფორმირება;
მყარი მჟავის შემცველი ელექტროლიტური ფენის ფორმირება;
გაზის დიფუზიური ფენის წარმოქმნა და
შიდა რეფორმატორული კატალიზატორის ფორმირება ანოდის ელექტროკატალიტიკური ფენის მიმდებარედ, ისე, რომ შიდა რეფორმატორული კატალიზატორი განლაგებულია ანოდის ელექტროკატალიტურ ფენასა და გაზის დიფუზიურ ფენას შორის და ფიზიკურ კონტაქტშია ანოდის ელექტროკატალიტურ ფენასთან;
ალკოჰოლური საწვავის მიწოდება; და საწვავის უჯრედის მუშაობა 200°C-დან დაახლოებით 350°C-მდე ტემპერატურაზე.

გამოგონება ეხება პირდაპირი მოქმედების ალკოჰოლური საწვავის უჯრედებს მყარი მჟავა ელექტროლიტების და შიდა რეფორმირების კატალიზატორების გამოყენებით