საწვავის უჯრედები საწვავის უჯრედები ქიმიური ენერგიის წყაროა. ისინი ახორციელებენ საწვავის ენერგიის პირდაპირ გარდაქმნას ელექტროენერგიად, გვერდის ავლით არაეფექტური, მაღალი დანაკარგების წვის პროცესებს. ეს ელექტროქიმიური მოწყობილობა, საწვავის მაღალეფექტური „ცივი“ წვის შედეგად, უშუალოდ გამოიმუშავებს ელექტროენერგიას.
ბიოქიმიკოსებმა დაადგინეს, რომ ბიოლოგიური წყალბად-ჟანგბადის საწვავის უჯრედი „ჩაშენებულია“ ყველა ცოცხალ უჯრედში (იხ. თავი 2).
ორგანიზმში წყალბადის წყაროა საკვები – ცხიმები, ცილები და ნახშირწყლები. კუჭში, ნაწლავებსა და უჯრედებში ის საბოლოოდ იშლება მონომერებად, რომლებიც, თავის მხრივ, ქიმიური გარდაქმნების სერიის შემდეგ, მატარებელ მოლეკულაზე მიმაგრებულ წყალბადს იძლევა.
ჰაერიდან ჟანგბადი სისხლში შედის ფილტვების მეშვეობით, ერწყმის ჰემოგლობინს და მიეწოდება ყველა ქსოვილში. წყალბადისა და ჟანგბადის შერწყმის პროცესი ორგანიზმის ბიოენერგეტიკის საფუძველია. აქ რბილ პირობებში (ოთახის ტემპერატურა, ნორმალური წნევა, წყლის გარემო) მაღალი ეფექტურობის ქიმიური ენერგია გარდაიქმნება თერმულ, მექანიკურ (კუნთების მოძრაობა), ელექტროენერგიად (ელექტრო პანდუსად), სინათლედ (მწერები, რომლებიც ასხივებენ შუქს).
ადამიანმა კიდევ ერთხელ გაიმეორა მოწყობილობა ბუნების მიერ შექმნილი ენერგიის მისაღებად. ამასთან, ეს ფაქტი მიმართულების პერსპექტივაზეც მიუთითებს. ბუნებაში ყველა პროცესი ძალიან რაციონალურია, ამიტომ საწვავის უჯრედების რეალური გამოყენებისკენ გადადგმული ნაბიჯები ენერგეტიკული მომავლის იმედს შთააგონებს.
1838 წელს წყალბად-ჟანგბადის საწვავის უჯრედის აღმოჩენა ეკუთვნის ინგლისელ მეცნიერს W. Grove-ს. წყლის წყალბადად და ჟანგბადად დაშლის გამოკვლევისას მან აღმოაჩინა გვერდითი მოვლენა - ელექტროლიზატორი წარმოქმნიდა ელექტრო დენს.
რა იწვის საწვავის უჯრედში?
წიაღისეული საწვავი (ქვანახშირი, გაზი და ნავთობი) ძირითადად ნახშირბადია. წვის დროს საწვავის ატომები კარგავენ ელექტრონებს, ხოლო ჰაერის ჟანგბადის ატომები იღებენ მათ. ასე რომ, დაჟანგვის პროცესში ნახშირბადის და ჟანგბადის ატომები გაერთიანებულია წვის პროდუქტებში - ნახშირორჟანგის მოლეკულებში. ეს პროცესი ენერგიულია: წვის პროცესში ჩართული ნივთიერებების ატომები და მოლეკულები იძენენ მაღალ სიჩქარეს და ეს იწვევს მათი ტემპერატურის ზრდას. ისინი იწყებენ სინათლის გამოსხივებას - ჩნდება ალი.
ნახშირბადის წვის ქიმიურ რეაქციას აქვს ფორმა:
C + O2 = CO2 + სითბო
წვის პროცესში ქიმიური ენერგია გარდაიქმნება თერმულ ენერგიად საწვავის ატომებსა და ოქსიდიზატორს შორის ელექტრონების გაცვლის გამო. ეს გაცვლა ხდება შემთხვევით.
წვა არის ელექტრონების გაცვლა ატომებს შორის, ხოლო ელექტრული დენი არის ელექტრონების მიმართული მოძრაობა. თუ ქიმიური რეაქციის პროცესში ელექტრონები იძულებულნი არიან შეასრულონ მუშაობა, მაშინ წვის პროცესის ტემპერატურა შემცირდება. FC-ში ელექტრონები მიიღება ერთ ელექტროდზე რეაქტიული ნივთიერებებისგან, თმობენ მათ ენერგიას ელექტრული დენის სახით და უერთდებიან რეაგენტებს მეორეზე.
ნებისმიერი HIT-ის საფუძველი არის ორი ელექტროდი, რომლებიც დაკავშირებულია ელექტროლიტით. საწვავის უჯრედი შედგება ანოდისგან, კათოდისგან და ელექტროლიტისგან (იხ. თავი 2). იჟანგება ანოდზე, ე.ი. ჩუქნის ელექტრონებს, აღმდგენი აგენტს (CO ან H2 საწვავი), ანოდიდან თავისუფალი ელექტრონები შედიან გარე წრეში და დადებითი იონები ინარჩუნებენ ანოდ-ელექტროლიტის ინტერფეისს (CO+, H+). ჯაჭვის მეორე ბოლოდან ელექტრონები უახლოვდებიან კათოდს, რომელზედაც მიმდინარეობს შემცირების რეაქცია (ელექტრონების დამატება ჟანგვის აგენტის O2–-ით). შემდეგ ოქსიდანტის იონები ელექტროლიტის მიერ გადადის კათოდში.
FC-ში ფიზიკურ-ქიმიური სისტემის სამი ფაზა გაერთიანებულია:
გაზი (საწვავი, ოქსიდიზატორი);
ელექტროლიტი (იონების გამტარი);
ლითონის ელექტროდი (ელექტრონების გამტარი).
საწვავის უჯრედებში რედოქსის რეაქციის ენერგია გარდაიქმნება ელექტრულ ენერგიად, ხოლო ჟანგვის და შემცირების პროცესები სივრცით გამოყოფილია ელექტროლიტით. ელექტროდები და ელექტროლიტები არ მონაწილეობენ რეაქციაში, მაგრამ რეალურ დიზაინში ისინი დროთა განმავლობაში ბინძურდებიან საწვავის მინარევებით. ელექტროქიმიური წვა შეიძლება მიმდინარეობდეს დაბალ ტემპერატურაზე და პრაქტიკულად დანაკარგების გარეშე. ნახ. p087 გვიჩვენებს სიტუაციას, როდესაც აირების ნარევი (CO და H2) შედის საწვავის უჯრედში, ე.ი. მას შეუძლია დაწვას აირისებრი საწვავი (იხ. თავი 1). ამრიგად, TE აღმოჩნდება "ყოვლისმჭამელი".
საწვავის უჯრედების გამოყენება რთულდება იმით, რომ საწვავი მათთვის უნდა იყოს „მომზადებული“. საწვავის უჯრედებისთვის წყალბადი მიიღება ორგანული საწვავის ან ნახშირის გაზიფიკაციის შედეგად. ამრიგად, ელექტროსადგურის სტრუქტურული დიაგრამა საწვავის უჯრედზე, გარდა საწვავის უჯრედის ბატარეებისა, DC-to-AC გადამყვანისა (იხ. თავი 3) და დამხმარე აღჭურვილობისა, მოიცავს წყალბადის წარმოების ერთეულს.
FC განვითარების ორი მიმართულება
საწვავის უჯრედების გამოყენების ორი სფეროა: ავტონომიური და ფართომასშტაბიანი ენერგია.
ავტონომიური გამოყენებისთვის, მთავარია სპეციფიკური მახასიათებლები და გამოყენების სიმარტივე. გამომუშავებული ენერგიის ღირებულება არ არის მთავარი მაჩვენებელი.
დიდი ენერგიის წარმოებისთვის, ეფექტურობა გადამწყვეტი ფაქტორია. გარდა ამისა, დანადგარები უნდა იყოს გამძლე, არ შეიცავდეს ძვირადღირებულ მასალებს და გამოიყენონ ბუნებრივი საწვავი მინიმალური მომზადების ხარჯებით.
ყველაზე დიდ სარგებელს გვთავაზობს საწვავის უჯრედების გამოყენება მანქანაში. აქ, როგორც არსად, საწვავის უჯრედების კომპაქტურობა გავლენას მოახდენს. საწვავიდან ელექტროენერგიის პირდაპირი მიღებით, ამ უკანასკნელის დაზოგვა იქნება დაახლოებით 50%.
პირველად, ფართომასშტაბიანი ენერგეტიკაში საწვავის უჯრედების გამოყენების იდეა ჩამოაყალიბა გერმანელმა მეცნიერმა ვ. ოსვალდმა 1894 წელს. მოგვიანებით განვითარდა საწვავის უჯრედზე დაფუძნებული ავტონომიური ენერგიის ეფექტური წყაროების შექმნის იდეა.
ამის შემდეგ განმეორებითი მცდელობები იყო ნახშირის, როგორც აქტიური ნივთიერების გამოყენება საწვავის უჯრედებში. 1930-იან წლებში გერმანელმა მკვლევარმა ე.ბაუერმა შექმნა საწვავის უჯრედის ლაბორატორიული პროტოტიპი მყარი ელექტროლიტით ნახშირის პირდაპირი ანოდური დაჟანგვისთვის. პარალელურად შეისწავლეს ჟანგბად-წყალბადის საწვავის უჯრედები.
1958 წელს ინგლისში ფ.ბეკონმა შექმნა პირველი ჟანგბად-წყალბადის ქარხანა 5 კვტ სიმძლავრის. მაგრამ ეს იყო შრომატევადი გაზის მაღალი წნევის (2 ... 4 მპა) გამოყენების გამო.
1955 წლიდან K. Kordesh ავითარებს დაბალი ტემპერატურის ჟანგბად-წყალბადის საწვავის უჯრედებს აშშ-ში. ისინი იყენებდნენ ნახშირბადის ელექტროდებს პლატინის კატალიზატორებით. გერმანიაში ე.იუსტი მუშაობდა არაპლატინის კატალიზატორების შექმნაზე.
1960 წლის შემდეგ შეიქმნა საჩვენებელი და სარეკლამო ნიმუშები. საწვავის უჯრედების პირველი პრაქტიკული გამოყენება ნაპოვნი იქნა კოსმოსურ ხომალდზე Apollo. ისინი წარმოადგენდნენ მთავარ ელექტროსადგურებს საბორტო აღჭურვილობის გასაძლიერებლად და ასტრონავტებს წყლითა და სითბოთი უზრუნველყოფდნენ.
ქსელის გარეთ FC ინსტალაციების გამოყენების ძირითადი სფეროები იყო სამხედრო და საზღვაო აპლიკაციები. 1960-იანი წლების ბოლოს საწვავის უჯრედებზე კვლევის მოცულობა შემცირდა, ხოლო 1980-იანი წლების შემდეგ კვლავ გაიზარდა ფართომასშტაბიანი ენერგიის მიმართ.
VARTA-მ შეიმუშავა FCs ორმხრივი გაზის დიფუზიის ელექტროდების გამოყენებით. ამ ტიპის ელექტროდებს "იანუსს" უწოდებენ. Siemens-მა შეიმუშავა ელექტროდები სიმძლავრის 90 ვტ/კგ-მდე. შეერთებულ შტატებში ჟანგბად-წყალბადის უჯრედებზე მუშაობას ახორციელებს United Technology Corp.
ფართომასშტაბიან ენერგეტიკულ ინდუსტრიაში ძალზე პერსპექტიულია საწვავის უჯრედების გამოყენება დიდი ენერგიის შესანახად, მაგალითად, წყალბადის წარმოებისთვის (იხ. თავი 1). (მზე და ქარი) გაფანტულია (იხ. ჩვ. 4). მათი სერიოზული გამოყენება, რომელიც მომავალში შეუცვლელია, წარმოუდგენელია ტევადი ბატარეების გარეშე, რომლებიც ამა თუ იმ ფორმით ინახავს ენერგიას.
დაგროვების პრობლემა დღეს უკვე აქტუალურია: ენერგოსისტემების დატვირთვის ყოველდღიური და ყოველკვირეული რყევები მნიშვნელოვნად ამცირებს მათ ეფექტურობას და მოითხოვს ე.წ. ელექტროქიმიური ენერგიის შენახვის ერთ-ერთი ვარიანტია საწვავის უჯრედი ელექტროლიზატორებთან და გაზის დამჭერებთან* კომბინაციაში.
* გაზის დამჭერი [გაზი + ინგლისური. holder] - დიდი რაოდენობით გაზის შესანახი.
პირველი თაობის TE
პირველი თაობის საშუალო ტემპერატურის საწვავის უჯრედები, რომლებიც მუშაობენ 200...230°C ტემპერატურაზე თხევად საწვავზე, ბუნებრივ აირზე ან ტექნიკურ წყალბადზე*, მიაღწიეს უდიდეს ტექნოლოგიურ სრულყოფილებას. ელექტროლიტი მათში არის ფოსფორის მჟავა, რომელიც ავსებს ფოროვან ნახშირბადის მატრიქსს. ელექტროდები დამზადებულია ნახშირბადისგან, ხოლო კატალიზატორი არის პლატინისგან (პლატინი გამოიყენება რამდენიმე გრამიანი ოდენობით თითო კილოვატ სიმძლავრეზე).
* კომერციული წყალბადი არის წიაღისეული საწვავის კონვერტაციის პროდუქტი, რომელიც შეიცავს ნახშირბადის მონოქსიდის უმნიშვნელო მინარევებს.
ერთ-ერთი ასეთი ელექტროსადგური ექსპლუატაციაში შევიდა კალიფორნიის შტატში 1991 წელს. იგი შედგება თვრამეტი ბატარეისგან, რომელთა წონაა თითო 18 ტონა და მოთავსებულია კორპუსში, რომლის დიამეტრი 2 მ-ზე მეტია და სიმაღლე დაახლოებით 5 მ. ბატარეის გამოცვლის პროცედურა გააზრებული იქნა რელსების გასწვრივ მოძრავი ჩარჩოს სტრუქტურის გამოყენებით.
შეერთებულმა შტატებმა იაპონიას ორი ელექტროსადგური გადასცა იაპონიას. პირველი მათგანი 1983 წლის დასაწყისში დაიწყო. სადგურის ოპერატიული მაჩვენებლები შეესაბამებოდა გაანგარიშებულებს. იგი მუშაობდა ნომინალის 25-დან 80%-მდე დატვირთვით. ეფექტურობამ მიაღწია 30...37%-ს - ეს ახლოსაა თანამედროვე დიდ თბოელექტროსადგურებთან. მისი გაშვების დრო ცივი მდგომარეობიდან არის 4 საათიდან 10 წუთამდე, ხოლო სიმძლავრის ცვლილების ხანგრძლივობა ნულიდან სრულამდე მხოლოდ 15 წამია.
ახლა შეერთებული შტატების სხვადასხვა ნაწილში მიმდინარეობს 40 კვტ სიმძლავრის მცირე კომბინირებული სითბოს და ელექტროსადგურების ტესტირება, საწვავის გამოყენების კოეფიციენტით დაახლოებით 80%. მათ შეუძლიათ წყლის გაცხელება 130°C-მდე და მოთავსებულია სამრეცხაოებში, სპორტულ კომპლექსებში, საკომუნიკაციო პუნქტებში და ა.შ. ასამდე ინსტალაცია უკვე მუშაობდა სულ ასობით ათასი საათის განმავლობაში. FC ელექტროსადგურების გარემოსდაცვითი კეთილგანწყობა საშუალებას აძლევს მათ განთავსდეს პირდაპირ ქალაქებში.
პირველი საწვავის ელექტროსადგური ნიუ-იორკში, 4,5 მეგავატი სიმძლავრით, ეკავა 1,3 ჰექტარი ფართობი. ახლა ორნახევარჯერ მეტი სიმძლავრის ახალი სადგურებისთვის საჭიროა 30x60 მ ზომით მოედანი, შენდება რამდენიმე საჩვენებელი ელექტროსადგური 11 მგვტ სიმძლავრით. თვალშისაცემია მშენებლობის დრო (7 თვე) და ჰესის მიერ დაკავებული ფართობი (30x60 მ). ახალი ელექტროსადგურების სავარაუდო მომსახურების ვადა 30 წელია.
მეორე და მესამე თაობის TE
საუკეთესო მახასიათებლებით უკვე დაპროექტებულია 5 მეგავატი სიმძლავრის მოდულური სადგურები მეორე თაობის საშუალო ტემპერატურის საწვავის უჯრედებით. ისინი მუშაობენ 650...700°C ტემპერატურაზე. მათი ანოდები მზადდება ნიკელისა და ქრომის აგლომერირებული ნაწილაკებისგან, კათოდები მზადდება აგლომერირებული და დაჟანგული ალუმინისგან, ხოლო ელექტროლიტი არის ლითიუმის და კალიუმის კარბონატების ნარევი. ამაღლებული ტემპერატურა ხელს უწყობს ორი ძირითადი ელექტროქიმიური პრობლემის გადაჭრას:
შეამციროს კატალიზატორის "მოწამვლა" ნახშირბადის მონოქსიდით;
გაზარდოს კათოდზე ოქსიდიზატორის შემცირების პროცესის ეფექტურობა.
მესამე თაობის მაღალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედები მყარი ოქსიდების ელექტროლიტით (ძირითადად ცირკონიუმის დიოქსიდი) კიდევ უფრო ეფექტური იქნება. მათი მუშაობის ტემპერატურა 1000°C-მდეა. ასეთი საწვავის უჯრედებით ელექტროსადგურების ეფექტურობა 50%-ს უახლოვდება. აქ ნახშირის გაზიფიცირების პროდუქტები ნახშირბადის მონოქსიდის მნიშვნელოვანი შემცველობით ასევე შესაფერისია საწვავად. თანაბრად მნიშვნელოვანია, რომ მაღალი ტემპერატურის ქარხნებიდან ნარჩენი სითბო შეიძლება გამოყენებულ იქნას ორთქლის წარმოებისთვის ელექტრო გენერატორების ტურბინებისთვის.
Vestingaus არის მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედების ბიზნესში 1958 წლიდან. იგი ავითარებს 25 ... 200 კვტ სიმძლავრის ელექტროსადგურებს, რომლებშიც შესაძლებელია ნახშირის აირისებრი საწვავის გამოყენება. ტესტირებისთვის მზადდება რამდენიმე მეგავატის სიმძლავრის ექსპერიმენტული დანადგარები. კიდევ ერთი ამერიკული ფირმა, Engelgurd, აწარმოებს 50 კვტ საწვავის უჯრედებს, რომლებიც მუშაობენ მეთანოლზე ფოსფორის მჟავასთან ელექტროლიტად.
უფრო და უფრო მეტი ფირმა მთელ მსოფლიოში მონაწილეობს საწვავის უჯრედების შექმნაში. ამერიკულმა გაერთიანებულმა ტექნოლოგიამ და იაპონურმა Toshiba-მ შექმნეს საერთაშორისო საწვავის უჯრედების კორპორაცია. ევროპაში ბელგიურ-ჰოლანდიური კონსორციუმი Elenko, დასავლეთ გერმანული კომპანია Siemens, იტალიური Fiat და ბრიტანული Jonson Metju არიან დაკავებული საწვავის უჯრედებით.
ვიქტორ ლავრუსი.
თუ მოგეწონათ ეს მასალა, მაშინ გთავაზობთ ჩვენს საიტზე საუკეთესო მასალების არჩევანს ჩვენი მკითხველების მიხედვით. თქვენ შეგიძლიათ იპოვოთ არჩევანი - TOP ეკოლოგიურად სუფთა ტექნოლოგიების, ახალი მეცნიერებისა და სამეცნიერო აღმოჩენების შესახებ, სადაც ეს თქვენთვის ყველაზე მოსახერხებელია
წყალბადის საწვავის უჯრედები გარდაქმნის საწვავის ქიმიურ ენერგიას ელექტროენერგიად, გვერდის ავლით წვის და თერმული ენერგიის მექანიკურ ენერგიად გადაქცევის არაეფექტურ, მაღალი დანაკარგების პროცესებს.
აღწერა:
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 ერთ-ერთი ყველაზე პერსპექტიული საწვავის ტექნოლოგია. ელემენტები.
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.
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.
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),
- სითბოს ადგილის არარსებობა, ხმაური და ვიბრაცია;
– ცივი დაწყების საიმედოობა
- ენერგიის შენახვის პრაქტიკულად შეუზღუდავი პერიოდი (თვითგამოშვების გარეშე),
– 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;
– ხანგრძლივი მომსახურების ვადა,
- ეკოლოგიურად სუფთა და ხმაურიანი მუშაობა.
განაცხადი:
– უპილოტო საფრენი აპარატების ელექტრომომარაგების სისტემები,
– პორტატული დამტენები,
– უწყვეტი კვების წყაროები,
– Სხვა მოწყობილობები.
Nissan წყალბადის საწვავის უჯრედი
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, ხოლო 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.
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.
არის, როგორც აკუმულატორები და ბატარეები, გალვანური უჯრედი, 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 არც ისე ადვილია რეალობაში თარგმნა.
წვრილმანი საწვავის უჯრედი
ვიდეო: წვრილმანი წყალბადის 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 მარტივია, არაყი), რომელიც საწვავის უჯრედისთვის „საწვავად“ იქნება.
უპირველეს ყოვლისა, საჭიროა საწვავის უჯრედის კორპუსი, რომელიც საუკეთესოდ არის დამზადებული პლექსიგლასისგან, მინიმუმ ხუთი მილიმეტრის სისქისგან. 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, ცხრილის 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). AT
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.
ვიდეო: საწვავის უჯრედი ან მარადიული ბატარეა სახლში
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 Koisler, Ballard აჩვენებენ ავტობუსებსა და მანქანებს, რომლებიც მუშაობენ 50 კვტ-მდე სიმძლავრის საწვავის უჯრედებზე. 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.
ვიდეო: წყალბადის საწვავის უჯრედის მანქანა
დიდი იმედებია ნანოტექნოლოგიებისა და ნანომასალების გამოყენებაზე, რაც ხელს შეუწყობს საწვავის უჯრედების მინიატურიზაციას, ხოლო 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
საწვავის უჯრედი- რა არის? როდის და როგორ გამოჩნდა? რატომ არის საჭირო და რატომ ლაპარაკობენ მათზე ასე ხშირად ჩვენს დროში? რა არის მისი ფარგლები, მახასიათებლები და თვისებები? შეუჩერებელი პროგრესი ყველა ამ კითხვაზე პასუხს მოითხოვს!
რა არის საწვავის უჯრედი?
საწვავის უჯრედი- ეს არის ქიმიური დენის წყარო ან ელექტროქიმიური გენერატორი, ეს არის მოწყობილობა ქიმიური ენერგიის ელექტრო ენერგიად გადაქცევისთვის. თანამედროვე ცხოვრებაში ქიმიური დენის წყაროები ყველგან გამოიყენება და არის ბატარეები მობილური ტელეფონებისთვის, ლეპტოპებისთვის, PDA-ებისთვის, ასევე მანქანებში ბატარეები, უწყვეტი დენის წყაროები და ა.შ. ამ სფეროს განვითარების შემდეგი ეტაპი იქნება საწვავის უჯრედების ფართო გავრცელება და ეს უდაო ფაქტია.
საწვავის უჯრედების ისტორია
საწვავის უჯრედების ისტორია არის კიდევ ერთი ამბავი იმის შესახებ, თუ როგორ გამოიყენებოდა მატერიის თვისებები, რომლებიც ერთხელ აღმოჩენილი იქნა დედამიწაზე, ფართოდ გამოიყენებოდა შორეულ სივრცეში და ათასწლეულის მიჯნაზე ისინი დაბრუნდნენ ზეციდან დედამიწაზე.
ეს ყველაფერი 1839 წელს დაიწყოროდესაც გერმანელმა ქიმიკოსმა კრისტიან შონბეინმა გამოაქვეყნა საწვავის უჯრედის პრინციპები ფილოსოფიურ ჟურნალში. იმავე წელს, ინგლისელმა, ოქსფორდის კურსდამთავრებულმა, უილიამ რობერტ გროვმა, დააპროექტა გალვანური უჯრედი, რომელსაც მოგვიანებით უწოდეს გროვის გალვანური უჯრედი, რომელიც ასევე აღიარებულია პირველ საწვავის უჯრედად. თვით სახელწოდება "საწვავის უჯრედი" გამოგონებას მიენიჭა მისი საიუბილეო წელს - 1889 წელს. ტერმინის ავტორები არიან ლუდვიგ მონდი და კარლ ლანგერი.
ცოტა ადრე, 1874 წელს, ჟიულ ვერნმა, იდუმალ კუნძულზე, იწინასწარმეტყველა ამჟამინდელი ენერგეტიკული ვითარება და წერდა, რომ „ერთ დღეს წყალი გამოყენებული იქნება როგორც საწვავი, წყალბადი და ჟანგბადი, რომლისგანაც იგი შედგება, გამოიყენებენ“.
ამასობაში, ელექტრომომარაგების ახალი ტექნოლოგია თანდათან დაიხვეწა და XX საუკუნის 50-იანი წლებიდან დაწყებული, არც ერთი წელი არ გასულა ამ სფეროში უახლესი გამოგონებების გამოცხადების გარეშე. 1958 წელს შეერთებულ შტატებში, 1959 წელს გამოჩნდა პირველი ტრაქტორი, რომელიც იკვებება საწვავის უჯრედებით. გამოუშვეს შედუღების აპარატის 5 კვტ ელექტრომომარაგება და ა.შ. 70-იან წლებში წყალბადის ტექნოლოგია კოსმოსში აფრინდა: წყალბადზე გამოჩნდა თვითმფრინავები და სარაკეტო ძრავები. 1960-იან წლებში RSC Energia-მ შეიმუშავა საწვავის უჯრედები საბჭოთა მთვარის პროგრამისთვის. Buran-ის პროგრამამ ასევე არ გააკეთა მათ გარეშე: შეიქმნა ტუტე 10 კვტ საწვავის უჯრედები. და საუკუნის ბოლოს, საწვავის უჯრედებმა ზღვის დონიდან ნულოვანი სიმაღლე გადალახეს - მათზე დაყრდნობით, განვითარდა ელექტრომომარაგებაგერმანული წყალქვეშა ნავი. დედამიწაზე დაბრუნების შემდეგ, 2009 წელს აშშ-ში პირველი ლოკომოტივი ექსპლუატაციაში შევიდა. ბუნებრივია, საწვავის უჯრედებზე.
საწვავის უჯრედების მთელ ლამაზ ისტორიაში საინტერესოა ის, რომ ბორბალი ჯერ კიდევ კაცობრიობის უბადლო გამოგონებაა ბუნებაში. საქმე იმაშია, რომ საწვავის უჯრედები თავიანთი სტრუქტურით და მოქმედების პრინციპით ჰგავს ბიოლოგიურ უჯრედს, რომელიც, ფაქტობრივად, არის მინიატურული წყალბად-ჟანგბადის საწვავის უჯრედი. შედეგად, ადამიანმა კიდევ ერთხელ გამოიგონა ის, რასაც ბუნება იყენებს მილიონობით წლის განმავლობაში.
საწვავის უჯრედების მუშაობის პრინციპი
საწვავის უჯრედების მუშაობის პრინციპი აშკარაა ქიმიის სასკოლო კურიკულუმიდანაც კი და სწორედ ის ჩამოყალიბდა უილიამ გროვის ექსპერიმენტებში 1839 წელს. საქმე იმაშია, რომ წყლის ელექტროლიზის (წყლის დისოციაციის) პროცესი შექცევადია.როგორც მართალია, როდესაც ელექტრული დენი წყალში გადის, ეს უკანასკნელი იყოფა წყალბადად და ჟანგბადად, ასევე საპირისპიროა: წყალბადი და ჟანგბადი შეიძლება გაერთიანდეს წყლისა და ელექტროენერგიის შესაქმნელად. გროვის ექსპერიმენტში ორი ელექტროდი მოათავსეს პალატაში, რომელშიც სუფთა წყალბადის და ჟანგბადის შეზღუდული ნაწილი ზეწოლის ქვეშ იყო მიწოდებული. გაზის მცირე მოცულობის გამო, აგრეთვე ნახშირბადის ელექტროდების ქიმიური თვისებების გამო, პალატაში მოხდა ნელი რეაქცია სითბოს, წყლის გამოყოფით და, რაც მთავარია, პოტენციური სხვაობის წარმოქმნით. ელექტროდები.
უმარტივესი საწვავის უჯრედი შედგება სპეციალური მემბრანისგან, რომელიც გამოიყენება ელექტროლიტად, რომლის ორივე მხარეს გამოიყენება ფხვნილი ელექტროდები. წყალბადი შედის ერთ მხარეს (ანოდი), ხოლო ჟანგბადი (ჰაერი) შედის მეორე მხარეს (კათოდი). თითოეულ ელექტროდს აქვს განსხვავებული ქიმიური რეაქცია. ანოდზე წყალბადი იშლება პროტონებისა და ელექტრონების ნარევში. ზოგიერთ საწვავის უჯრედში ელექტროდები გარშემორტყმულია კატალიზატორით, რომელიც ჩვეულებრივ დამზადებულია პლატინისგან ან სხვა კეთილშობილური ლითონებისგან, რათა დაეხმაროს დისოციაციის რეაქციას:
2H 2 → 4H + + 4e -
სადაც H 2 არის დიატომური წყალბადის მოლეკულა (ფორმა, რომელშიც წყალბადი არის გაზის სახით); H + - იონიზებული წყალბადი (პროტონი); e - - ელექტრონი.
საწვავის უჯრედის კათოდის მხარეს, პროტონები (გავლილი ელექტროლიტში) და ელექტრონები (რომლებიც გაივლიან გარე დატვირთვას) შერწყმულია და რეაგირებენ კათოდში მიწოდებულ ჟანგბადთან წყლის წარმოქმნით:
4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O
საერთო რეაქციასაწვავის უჯრედში იწერება შემდეგნაირად:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
საწვავის უჯრედის მოქმედება ემყარება იმ ფაქტს, რომ ელექტროლიტი გადის პროტონებს თავის შიგნით (კათოდისკენ), მაგრამ ელექტრონები არა. ელექტრონები მოძრაობენ კათოდისკენ გარე გამტარ წრის გასწვრივ. ელექტრონების ეს მოძრაობა არის ელექტრული დენი, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას საწვავის უჯრედთან დაკავშირებული გარე მოწყობილობის გასაძლიერებლად (დატვირთვა, როგორიცაა ნათურა):
საწვავის უჯრედები თავიანთ მუშაობაში იყენებენ წყალბადის საწვავს და ჟანგბადს. უმარტივესი გზაა ჟანგბადი - ჰაერიდან იღება. წყალბადის მიწოდება შესაძლებელია უშუალოდ გარკვეული კონტეინერიდან ან საწვავის გარე წყაროდან (ბუნებრივი აირი, ბენზინი ან მეთილის სპირტი - მეთანოლი) გამოყოფით. გარე წყაროს შემთხვევაში, ის ქიმიურად უნდა გარდაიქმნას წყალბადის გამოსაყვანად. ამჟამად, პორტატული მოწყობილობებისთვის შემუშავებული საწვავის უჯრედების ტექნოლოგიების უმეტესობა იყენებს მეთანოლს.
საწვავის უჯრედის მახასიათებლები
ისინი მუშაობენ მხოლოდ მანამ, სანამ საწვავი და ოქსიდიზატორი მიეწოდება გარე წყაროდან (ანუ მათ არ შეუძლიათ ელექტრო ენერგიის შენახვა),
ელექტროლიტის ქიმიური შემადგენლობა არ იცვლება ექსპლუატაციის დროს (საწვავის უჯრედს არ სჭირდება დატენვა),
ისინი სრულიად დამოუკიდებლები არიან ელექტროენერგიისგან (მაშინ როდესაც ჩვეულებრივი ბატარეები ინახავს ენერგიას ქსელიდან).
საწვავის უჯრედები არსებული ბატარეების ანალოგია იმ გაგებით, რომ ორივე შემთხვევაში ელექტრო ენერგია მიიღება ქიმიური ენერგიისგან. მაგრამ ასევე არსებობს ფუნდამენტური განსხვავებები:
თითოეული საწვავის უჯრედი ქმნის ძაბვა 1 ვ. მეტი ძაბვა მიიღწევა მათი სერიული შეერთებით. სიმძლავრის (დენის) მატება რეალიზდება სერიით დაკავშირებული საწვავის უჯრედების კასკადების პარალელური შეერთებით.
საწვავის უჯრედებისთვის ეფექტურობის მკაცრი შეზღუდვის გარეშერაც შეეხება სითბოს ძრავებს (კარნოს ციკლის ეფექტურობა არის მაქსიმალური შესაძლო ეფექტურობა ყველა სითბოს ძრავას შორის ერთი და იგივე მინიმალური და მაქსიმალური ტემპერატურით).
Მაღალი ეფექტურობისმიიღწევა საწვავის ენერგიის ელექტროენერგიად პირდაპირი გადაქცევით. თუ საწვავი პირველად იწვება დიზელის გენერატორის კომპლექტებში, შედეგად მიღებული ორთქლი ან გაზი აქცევს ტურბინას ან შიდა წვის ძრავის ლილვს, რომელიც თავის მხრივ აქცევს ელექტრო გენერატორს. შედეგი არის ეფექტურობა მაქსიმუმ 42%, უფრო ხშირად დაახლოებით 35-38%. უფრო მეტიც, მრავალი კავშირის გამო, ისევე როგორც თერმოდინამიკური შეზღუდვების გამო თერმოძრავების მაქსიმალურ ეფექტურობაზე, არსებული ეფექტურობა ნაკლებად სავარაუდოა, რომ გაიზარდოს უფრო მაღალი. არსებული საწვავის უჯრედებისთვის ეფექტურობა 60-80%,
ეფექტურობა თითქმის არ არის დამოკიდებული დატვირთვის ფაქტორზე,
ტევადობა რამდენჯერმე მეტიავიდრე არსებული ბატარეები
სრული არ არის ეკოლოგიურად მავნე გამონაბოლქვი. გამოიყოფა მხოლოდ სუფთა წყლის ორთქლი და თერმული ენერგია (დიზელის გენერატორებისგან განსხვავებით, რომლებსაც აქვთ დამაბინძურებელი გამონაბოლქვი და საჭიროებს მათ მოცილებას).
საწვავის უჯრედების ტიპები
საწვავის უჯრედები კლასიფიცირებულიშემდეგ საფუძვლებზე:
გამოყენებული საწვავით
სამუშაო წნევა და ტემპერატურა,
განაცხადის ხასიათის მიხედვით.
ზოგადად, არსებობს შემდეგი საწვავის უჯრედების ტიპები:
მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები (SOFC);
საწვავის უჯრედი პროტონების გაცვლის მემბრანით (Proton-change membrane საწვავი უჯრედი - PEMFC);
შექცევადი საწვავის უჯრედი (RFC);
პირდაპირი მეთანოლის საწვავის უჯრედი (Direct-methanol fuel cell - DMFC);
დნება კარბონატის საწვავის უჯრედი (Molten-carbonate საწვავის უჯრედები - MCFC);
ფოსფორმჟავას საწვავის უჯრედები (PAFC);
ტუტე საწვავის უჯრედები (AFC).
საწვავის უჯრედების ერთ-ერთი ტიპი, რომელიც მუშაობს ნორმალურ ტემპერატურასა და წნევაზე წყალბადისა და ჟანგბადის გამოყენებით, არის ელემენტები იონგაცვლის მემბრანით. მიღებული წყალი არ ხსნის მყარ ელექტროლიტს, მიედინება ქვემოთ და ადვილად იშლება.
საწვავის უჯრედების პრობლემები
საწვავის უჯრედების მთავარი პრობლემა დაკავშირებულია „შეფუთული“ წყალბადის საჭიროებასთან, რომლის შეძენაც თავისუფლად შეიძლებოდა. ცხადია, პრობლემა დროთა განმავლობაში უნდა მოგვარდეს, მაგრამ ჯერჯერობით სიტუაცია ოდნავ ღიმილს იწვევს: რა მოდის პირველ რიგში - ქათამი თუ კვერცხი? საწვავის უჯრედები ჯერ კიდევ არ არის საკმარისად განვითარებული წყალბადის ქარხნების ასაშენებლად, მაგრამ მათი პროგრესი წარმოუდგენელია ამ მცენარეების გარეშე. აქვე აღვნიშნავთ წყალბადის წყაროს პრობლემასაც. წყალბადი ამჟამად ბუნებრივი აირისგან იწარმოება, მაგრამ ენერგეტიკული ხარჯების ზრდა წყალბადის ფასსაც გაზრდის. ამავდროულად, CO და H 2 S (წყალბადის სულფიდი) არსებობა გარდაუვალია ბუნებრივი აირის წყალბადში, რომელიც წამლავს კატალიზატორს.
ჩვეულებრივი პლატინის კატალიზატორები იყენებენ ბუნებაში ძალიან ძვირადღირებულ და შეუცვლელ ლითონს - პლატინს. თუმცა, ამ პრობლემის მოგვარება იგეგმება ფერმენტებზე დაფუძნებული კატალიზატორების გამოყენებით, რომლებიც იაფი და ადვილად წარმოქმნილი ნივთიერებაა.
სიცხე ასევე პრობლემაა. ეფექტურობა მკვეთრად გაიზრდება, თუ გამომუშავებული სითბო მიემართება სასარგებლო არხზე - სითბოს მიწოდების სისტემისთვის თერმული ენერგიის წარმოებისთვის, შთანთქმის დროს ნარჩენი სითბოს გამოყენებად. სამაცივრო მანქანებიდა ა.შ.
მეთანოლის საწვავის უჯრედები (DMFC): რეალური გამოყენება
პირდაპირი მეთანოლის საწვავის უჯრედები (DMFC) დღეს ყველაზე პრაქტიკული ინტერესია. Portege M100 ლეპტოპი, რომელიც მუშაობს DMFC საწვავის უჯრედზე, ასე გამოიყურება:
ტიპიური DMFC წრე შეიცავს, ანოდის, კათოდისა და მემბრანის გარდა, რამდენიმე დამატებით კომპონენტს: საწვავის კარტრიჯს, მეთანოლის სენსორს, საწვავის ცირკულაციის ტუმბოს, ჰაერის ტუმბოს, სითბოს გადამცვლელს და ა.შ.
ლეპტოპის მუშაობის დრო, მაგალითად, ბატარეებთან შედარებით, დაგეგმილია 4-ჯერ (20 საათამდე) გაზრდა, მობილური ტელეფონის - 100 საათამდე აქტიურ რეჟიმში და ექვს თვემდე ლოდინის რეჟიმში. დატენვა განხორციელდება თხევადი მეთანოლის ნაწილის დამატებით.
მთავარი ამოცანაა იპოვოთ მეთანოლის ხსნარის გამოყენების ვარიანტები მისი უმაღლესი კონცენტრაციით. პრობლემა ის არის, რომ მეთანოლი საკმაოდ ძლიერი შხამია, ლეტალური დოზით რამდენიმე ათეული გრამი. მაგრამ მეთანოლის კონცენტრაცია პირდაპირ გავლენას ახდენს მუშაობის ხანგრძლივობაზე. თუ ადრე გამოიყენებოდა 3-10% მეთანოლის ხსნარი, მაშინ უკვე გამოჩნდა მობილური ტელეფონები და PDA-ები, რომლებიც იყენებენ 50% ხსნარს, ხოლო 2008 წელს, ლაბორატორიულ პირობებში, MTI MicroFuel Cells-მა და ცოტა მოგვიანებით Toshiba-მ მიიღეს საწვავის უჯრედები, რომლებიც მუშაობენ. სუფთა მეთანოლი.
საწვავის უჯრედები მომავალია!
და ბოლოს, ის ფაქტი, რომ საერთაშორისო ორგანიზაციამ IEC (საერთაშორისო ელექტროტექნიკური კომისია), რომელიც განსაზღვრავს ელექტრონული მოწყობილობების სამრეწველო სტანდარტებს, უკვე გამოაცხადა სამუშაო ჯგუფის შექმნა მინიატურული საწვავის უჯრედების საერთაშორისო სტანდარტის შემუშავებისთვის, საწვავის აშკარა დიდ მომავალზე მეტყველებს. უჯრედები.
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 - როგორც სტაციონარული ელექტროსადგურები, შენობების სითბოს და ენერგიის ავტონომიური წყაროები, მანქანების 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 დამუხტულია, 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, რომელიც 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 წარმოებულია 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 |
|||||||||||||||
|
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, ადამ ჯოზეფ ლუისის სასწავლო ცენტრში ობერლინში (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 წყალბადისა და ჟანგბადის წარმოებისთვის წყლისგან ელექტროლიზის გზით. წყალბადი შემდეგ გამოიყენება საწვავის უჯრედებში ელექტროენერგიისა და ცხელი წყლის გამოსამუშავებლად. ეს საშუალებას მისცემს შენობას შეინარჩუნოს ყველა სისტემის მუშაობა მოღრუბლულ დღეებში და ღამით.
საწვავის უჯრედების მუშაობის პრინციპი
მაგალითისთვის განვიხილოთ საწვავის უჯრედის მუშაობის პრინციპი პროტონის 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 ის ყოფს მატერიას 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 - , გადაიქცევა 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 ორთოფოსფორის მჟავას 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. ცალკე 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 ჩავარდნის შემთხვევაში.
ასეთ საწვავის უჯრედში საწვავში არსებული ენერგიის დაახლოებით 40% შეიძლება გარდაიქმნას ელექტრო ენერგიად. დაახლოებით იგივე რაოდენობა, საწვავის ენერგიის დაახლოებით 40%, შეიძლება გარდაიქმნას თერმულ ენერგიად, რომელიც შემდეგ გამოიყენება როგორც სითბოს წყარო გათბობისთვის, ცხელი წყლით მომარაგებისთვის და მსგავსი მიზნებისთვის. ამრიგად, ასეთი ქარხნის მთლიანი ეფექტურობა შეიძლება მიაღწიოს 80% -ს.
სითბოს და ელექტროენერგიის 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
დღეისათვის 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 |
||||||||||||||||||||
|
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-ისა 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 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 დაფუძნებულ 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 ქმნის 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 იმუშაონ ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე, რაც მათ ხელსაყრელ ხდის 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.
