საწვავის უჯრედი გააკეთეთ ეს საკუთარ თავს სახლში. საწვავის უჯრედების ტექნოლოგია და მისი გამოყენება ავტომობილებში

ლითიუმ-იონური ბატარეების გამო ლეპტოპების გადახურებასთან, ხანძართან და თუნდაც აფეთქებასთან დაკავშირებული ბოლო მოვლენების ფონზე, არ შეიძლება არ გავიხსენოთ ახალი ალტერნატიული ტექნოლოგიები, რომლებიც, ექსპერტების უმეტესობის აზრით, მომავალში შეძლებს შეავსოს ან შეცვალოს. ტრადიციული ბატარეები დღეს. ჩვენ ვსაუბრობთ ენერგიის ახალ წყაროებზე - საწვავის უჯრედებზე.

ინტელის ერთ-ერთი დამფუძნებლის, გორდონ მურის მიერ 40 წლის წინ ჩამოყალიბებული წესის თანახმად, პროცესორის შესრულება ყოველ 18 თვეში ორმაგდება. ბატარეები ვერ ახერხებენ ჩიპებს. მათი სიმძლავრე, ექსპერტების აზრით, წელიწადში მხოლოდ 10%-ით იზრდება.

საწვავის უჯრედი მუშაობს ფიჭური (ფოროვანი) მემბრანის საფუძველზე, რომელიც ჰყოფს საწვავის უჯრედის ანოდისა და კათოდური სივრცეს. ეს მემბრანა ორივე მხრიდან დაფარულია შესაბამისი კატალიზატორებით. საწვავი მიეწოდება ანოდს, ამ შემთხვევაში გამოიყენება მეთანოლის ხსნარი (მეთილის სპირტი). საწვავის დაშლის ქიმიური რეაქციის შედეგად წარმოიქმნება თავისუფალი მუხტები, რომლებიც მემბრანის გავლით კათოდამდე აღწევს. ამრიგად, ელექტრული წრე იხურება და მასში წარმოიქმნება ელექტრული დენი მოწყობილობის კვებისათვის. ამ ტიპის საწვავის უჯრედს ეწოდება პირდაპირი მეთანოლის საწვავის უჯრედი (DMFC). საწვავის უჯრედების განვითარება დიდი ხნის წინ დაიწყო, მაგრამ პირველი შედეგები, რამაც საფუძველი მისცა ლითიუმ-იონურ ბატარეებთან რეალურ კონკურენციაზე საუბარი, მხოლოდ ბოლო ორი წლის განმავლობაში იქნა მიღებული.

2004 წელს ასეთი მოწყობილობების ბაზარზე დაახლოებით 35 მწარმოებელი იყო, მაგრამ მხოლოდ რამდენიმე კომპანიამ შეძლო ამ სფეროში მნიშვნელოვანი წარმატების გამოცხადება. იანვარში Fujitsu-მ წარმოადგინა თავისი განვითარება - ბატარეას ჰქონდა 15 მმ სისქე და შეიცავდა 300 მგ 30% მეთანოლის ხსნარს. 15 ვტ სიმძლავრე მას საშუალებას აძლევდა ლეპტოპი 8 საათის განმავლობაში მიეწოდებინა. ერთი თვის შემდეგ, პატარა კომპანია, PolyFuel, იყო პირველი, ვინც გამოაცხადა იმ მემბრანების კომერციული წარმოება, რომლითაც უნდა იყოს აღჭურვილი საწვავის ელექტრომომარაგება. უკვე მარტში Toshiba-მ აჩვენა მობილური კომპიუტერის პროტოტიპი, რომელიც მუშაობს საწვავზე. მწარმოებელი ამტკიცებდა, რომ ასეთი ლეპტოპი შეიძლება ხუთჯერ მეტხანს გაგრძელდეს ვიდრე ლეპტოპი ტრადიციული ბატარეის გამოყენებით.

2005 წელს LG Chem-მა გამოაცხადა თავისი საწვავის უჯრედის შექმნა. მის განვითარებაზე დაახლოებით 5 წელი და 5 მილიარდი დოლარი დაიხარჯა. შედეგად, შესაძლებელი გახდა 25 ვტ სიმძლავრის და 1 კგ წონის მოწყობილობის შექმნა, ლეპტოპთან დაკავშირებული USB ინტერფეისით და მისი მუშაობის 10 საათის განმავლობაში უზრუნველყოფა. ეს 2006 წელიც არაერთი საინტერესო მოვლენით გამოირჩეოდა. კერძოდ, ამერიკელმა დეველოპერებმა Ultracell-ისგან აჩვენეს საწვავის უჯრედი, რომელიც უზრუნველყოფს 25 ვტ სიმძლავრეს და აღჭურვილია სამი შესაცვლელი ვაზნით 67% მეთანოლით. მას შეუძლია ლეპტოპის ელექტროენერგიის მიწოდება 24 საათის განმავლობაში. ბატარეის წონა იყო დაახლოებით კილოგრამი, თითოეული ვაზნა იწონიდა დაახლოებით 260 გრამს.

გარდა იმისა, რომ ლითიუმ-იონურ ბატარეებზე მეტი სიმძლავრის მიწოდება შეუძლიათ, მეთანოლის ბატარეები ფეთქებადია. ნაკლოვანებები მოიცავს მათ საკმაოდ მაღალ ღირებულებას და მეთანოლის ვაზნების პერიოდულად შეცვლის აუცილებლობას.

თუ საწვავის ბატარეები არ ცვლის ტრადიციულს, მაშინ, სავარაუდოდ, მათი გამოყენება შესაძლებელია მათთან ერთად. ექსპერტების აზრით, 2006 წელს საწვავის უჯრედების ბაზარი დაახლოებით 600 მილიონი დოლარი იქნება, რაც საკმაოდ მოკრძალებული მაჩვენებელია. თუმცა, 2010 წლისთვის ექსპერტები პროგნოზირებენ სამჯერ ზრდას - 1,9 მილიარდ დოლარამდე.

სტატიის განხილვა "ალკოჰოლური ბატარეები ცვლის ლითიუმს"

ზემონენგი

ჯანდაბა, ამ მოწყობილობის შესახებ ინფორმაცია ვიპოვე ქალთა ჟურნალში.
მაშ, ნება მომეცით რამდენიმე სიტყვა ვთქვა ამის შესახებ:
1: უხერხულობა ის არის, რომ 6-10 საათის მუშაობის შემდეგ მოგიწევთ ახალი ვაზნის ძებნა და ეს ძვირია. რატომ დავხარჯავ ფულს ამ სისულელეზე
2: რამდენადაც მე მესმის, მეთილის სპირტიდან ენერგიის მიღების შემდეგ წყალი უნდა გამოთავისუფლდეს. ლეპტოპი და წყალი შეუთავსებელი რამ არის.
3: რატომ წერ ქალთა ჟურნალებში? თუ ვიმსჯელებთ კომენტარებით "მე არაფერი ვიცი" და "ეს რა არის?", ეს სტატია არ არის სილამაზისადმი მიძღვნილი საიტის დონე.

შემავსებლის შლანგის ფიტინგს ჩავსვამ საწვავის შემავსებლის ყელში და ვატრიალებ ნახევარი ბრუნით, რომ კავშირი დალუქოს. გადამრთველის დაწკაპუნება და ბენზინგასამართ სადგურზე შუქნიშნის ციმციმა უზარმაზარი წარწერით h3 მიუთითებს, რომ საწვავის შევსება დაიწყო. ერთი წუთი - და ავზი სავსეა, შეგიძლიათ წახვიდეთ!

სხეულის ელეგანტური კონტურები, ულტრა დაბალი საკიდარი, დაბალპროფილიანი ლაქები ნამდვილ სარბოლო ჯიშს იძლევა. გამჭვირვალე საფარის საშუალებით შეგიძლიათ იხილოთ მილსადენების და კაბელების სირთულეები. სადღაც უკვე ვნახე მსგავსი გამოსავალი... ოჰ დიახ, Audi R8-ზე ძრავი უკანა ფანჯრიდანაც ჩანს. მაგრამ Audi-ზე ეს არის ტრადიციული ბენზინი და ეს მანქანა წყალბადზე მუშაობს. BMW Hydrogen 7-ის მსგავსად, მაგრამ ამ უკანასკნელისგან განსხვავებით, აქ შიდა წვის ძრავა არ არის. ერთადერთი მოძრავი ნაწილებია საჭის მექანიზმი და ელექტროძრავის როტორი. და მისთვის ენერგია უზრუნველყოფილია საწვავის უჯრედით. ეს მანქანა გამოუშვა სინგაპურის კომპანია Horizon Fuel Cell Technologies-მა, რომელიც სპეციალიზირებულია საწვავის უჯრედების განვითარებასა და წარმოებაში. 2009 წელს ბრიტანულმა კომპანიამ Riversimple უკვე წარმოადგინა ურბანული წყალბადის მანქანა, რომელიც იკვებება Horizon Fuel Cell Technologies საწვავის უჯრედებით. იგი შეიქმნა ოქსფორდისა და კრანფილდის უნივერსიტეტებთან თანამშრომლობით. მაგრამ Horizon H-racer 2.0 არის სოლო განვითარება.

საწვავის უჯრედი შედგება ორი ფოროვანი ელექტროდისგან, რომლებიც დაფარულია კატალიზატორის ფენით და გამოყოფილია პროტონების გაცვლის მემბრანით. ანოდის კატალიზატორზე არსებული წყალბადი გარდაიქმნება პროტონებად და ელექტრონებად, რომლებიც ანოდისა და გარე ელექტრული წრედის მეშვეობით მოდიან კათოდში, სადაც წყალბადი და ჟანგბადი ერწყმის წყლის წარმოქმნას.

"წადი!" - გაგარინის სტილში იდაყვით მიბიძგებს მთავარი რედაქტორი. მაგრამ არც ისე სწრაფად: პირველ რიგში საჭიროა საწვავის უჯრედის "გახურება" ნაწილობრივი დატვირთვით. გადამრთველ გადამრთველს ვცვლი „დათბობის“ რეჟიმზე („დათბობა“) და ველოდები გამოყოფილ დროს. შემდეგ, ყოველი შემთხვევისთვის, ავზებ ავზს ბოლომდე. ახლა მოდით წავიდეთ: მანქანა, შეუფერხებლად ზუზუნებს ძრავით, წინ მიიწევს. დინამიკა შთამბეჭდავია, თუმცა, სხვას რას უნდა ველოდოთ ელექტრომობილისგან - მომენტი მუდმივია ნებისმიერ სიჩქარეზე. თუმცა არც ისე დიდი ხნით - წყალბადის სავსე ავზი მხოლოდ რამდენიმე წუთს ძლებს (ჰორიზონი გვპირდება უახლოეს მომავალში გამოუშვებს ახალ ვერსიას, რომელშიც წყალბადი არ ინახება ზეწოლის ქვეშ მყოფ გაზად, მაგრამ ინახება ფოროვანი მასალის მიერ ადსორბერში) . დიახ, და ის კონტროლდება, გულწრფელად რომ ვთქვათ, არც ისე კარგად - დისტანციური მართვის მხოლოდ ორი ღილაკია. მაგრამ ნებისმიერ შემთხვევაში, სამწუხაროა, რომ ეს არის მხოლოდ რადიო კონტროლირებადი სათამაშო, რომელიც დაგვიჯდა $150. ჩვენ წინააღმდეგი არ ვიქნებით ნამდვილი საწვავის უჯრედებით აღჭურვილი მანქანის მართვა ელექტროსადგურად.

ავზი, ელასტიური რეზინის კონტეინერი ხისტი გარსაცმის შიგნით, იჭიმება საწვავის შევსებისას და მუშაობს როგორც საწვავის ტუმბო, რომელიც წყალბადს „შეაქვს“ საწვავის უჯრედში. იმისათვის, რომ არ მოხდეს ავზის „შევსება“, ერთ-ერთი ფიტინგი დაკავშირებულია პლასტმასის მილით გადაუდებელი წნევის შემსუბუქების სარქველთან.

შევსების სვეტი

Თავად გააკეთე

Horizon H-racer 2.0 მოდის როგორც SKD (გააკეთე შენ თვითონ) ნაკრები, შეგიძლიათ შეიძინოთ იგი, მაგალითად, ამაზონზე. თუმცა, მისი აწყობა არ არის რთული - უბრალოდ დააყენეთ საწვავის ელემენტი და დააფიქსირეთ ხრახნებით, შეაერთეთ შლანგები წყალბადის ავზთან, საწვავის უჯრედთან, შემავსებლის ყელსა და გადაუდებელ სარქველთან და რჩება მხოლოდ ზედა კორპუსის დადება. ადგილზე, არ დაივიწყოს წინა და უკანა ბამპერები. კომპლექტს მოყვება ბენზინგასამართი სადგური, რომელიც წყალბადს წყლის ელექტროლიზით იღებს. იგი იკვებება ორი AA ბატარეით და თუ გსურთ, რომ ენერგია მთლიანად "სუფთა" იყოს - მზის პანელებიდან (ისინი ასევე მოყვება).

www.popmech.ru

როგორ გააკეთოთ საწვავის უჯრედი საკუთარი ხელით?

რა თქმა უნდა, საწვავის გარეშე სისტემების უწყვეტი მუშაობის უზრუნველსაყოფად პრობლემის უმარტივესი გადაწყვეტა არის ენერგიის მზა მეორადი წყაროს შეძენა ჰიდრავლიკური ან სხვა საფუძველზე, მაგრამ ამ შემთხვევაში, რა თქმა უნდა, შეუძლებელი იქნება თავიდან აცილება. დამატებითი ხარჯები და ამ პროცესში საკმაოდ რთულია რაიმე იდეის განხილვა შემოქმედებითი აზროვნების ფრენისთვის. გარდა ამისა, საწვავის უჯრედის საკუთარი ხელით დამზადება სულაც არ არის ისეთი რთული, როგორც ერთი შეხედვით ფიქრობთ, და თუ სასურველია, ყველაზე გამოუცდელ ოსტატსაც კი შეუძლია გაუმკლავდეს დავალებას. გარდა ამისა, სასიამოვნოზე მეტი ბონუსი იქნება ამ ელემენტის შექმნის დაბალი ხარჯები, რადგან მიუხედავად მისი ყველა სარგებლისა და მნიშვნელობისა, აბსოლუტურად უსაფრთხო იქნება ხელმისაწვდომი იმპროვიზირებული საშუალებების გამოყენება.

ამავდროულად, ერთადერთი ნიუანსი, რომელიც გასათვალისწინებელია დავალების შესრულებამდე, არის ის, რომ თქვენ შეგიძლიათ გააკეთოთ უკიდურესად დაბალი სიმძლავრის მოწყობილობა საკუთარი ხელით, ხოლო უფრო მოწინავე და რთული ინსტალაციების განხორციელება მაინც უნდა დატოვოთ კვალიფიციურ სპეციალისტებს. . რაც შეეხება სამუშაოს თანმიმდევრობას და მოქმედებების თანმიმდევრობას, პირველ რიგში უნდა დასრულდეს საქმე, რისთვისაც უმჯობესია გამოიყენოთ სქელკედლიანი პლექსიგლასი (მინიმუმ 5 სანტიმეტრი). კორპუსის კედლების დასაწებებლად და შიდა ტიხრების დასამონტაჟებლად, რისთვისაც უმჯობესია გამოიყენოთ უფრო თხელი პლექსიგლასი (საკმარისია 3 მილიმეტრი), იდეალურია ორკომპოზიტური წებოს გამოყენება, თუმცა დიდი სურვილით შესაძლებელია მაღალი ხარისხის შედუღება. კეთდება დამოუკიდებლად შემდეგი პროპორციების გამოყენებით: 100 გრამ ქლოროფორმზე - 6 გრამი ნამსხვრევები იგივე პლექსიგლასისგან.

ამ შემთხვევაში, პროცესი უნდა განხორციელდეს ექსკლუზიურად ქუდის ქვეშ. სანიაღვრე სისტემით აღჭურვის მიზნით, აუცილებელია მის წინა კედელზე ფრთხილად გაბურღოთ ხვრელი, რომლის დიამეტრი ზუსტად ემთხვევა რეზინის საცობის ზომებს, რომელიც ერთგვარი შუასადია. კორპუსი და მინის სადრენაჟე მილი. რაც შეეხება თავად მილის ზომებს, იდეალურია მისი სიგანე ხუთი ან ექვსი მილიმეტრის ტოლი იყოს, თუმცა ეს ყველაფერი დამოკიდებულია შემუშავებული სტრუქტურის ტიპზე. უფრო სავარაუდოა, რომ ამ სტატიის პოტენციურ მკითხველს გარკვეულწილად გააკვირვებს ძველი გაზის ნიღაბი, რომელიც ჩამოთვლილია საწვავის უჯრედის შესაქმნელად საჭირო ელემენტების ჩამონათვალში. იმავდროულად, ამ მოწყობილობის მთელი სარგებელი მდგომარეობს მისი რესპირატორის განყოფილებებში განლაგებულ გააქტიურებულ ნახშირბადში, რომელიც მოგვიანებით შეიძლება გამოყენებულ იქნას ელექტროდებად.

ვინაიდან ლაპარაკია პუდრისებურ კონსისტენციაზე, დიზაინის გასაუმჯობესებლად დაგჭირდებათ ნეილონის წინდები, რომლიდანაც შეგიძლიათ მარტივად გააკეთოთ ჩანთა და იქ ქვანახშირი ჩადოთ, წინააღმდეგ შემთხვევაში ის უბრალოდ ნახვრეტიდან გადმოიღვრება. რაც შეეხება განაწილების ფუნქციას, საწვავი კონცენტრირებულია პირველ პალატაში, ხოლო საწვავის უჯრედის ნორმალური ფუნქციონირებისთვის საჭირო ჟანგბადი, პირიქით, ცირკულირებს ბოლო, მეხუთე განყოფილებაში. თავად ელექტროლიტი, რომელიც მდებარეობს ელექტროდებს შორის, უნდა იყოს გაჟღენთილი სპეციალური ხსნარით (ბენზინი პარაფინით 125-დან 2 მილილიტრამდე თანაფარდობით) და ეს უნდა გაკეთდეს მანამ, სანამ ჰაერის ელექტროლიტი მოთავსდება მეოთხე განყოფილებაში. სათანადო გამტარობის უზრუნველსაყოფად ნახშირის თავზე იდება სპილენძის ფირფიტები წინასწარ შედუღებული მავთულებით, რომლის მეშვეობითაც ელექტროდები გადაიცემა ელექტროდებიდან.

დიზაინის ეს ეტაპი უსაფრთხოდ შეიძლება ჩაითვალოს საბოლოო, რის შემდეგაც მზა მოწყობილობა იტენება, რისთვისაც საჭიროა ელექტროლიტი. მის მოსამზადებლად აუცილებელია ეთილის სპირტის თანაბარი ნაწილის შერევა გამოხდილ წყალთან და გაგრძელდეს კაუსტიკური კალიუმის თანდათანობითი შეყვანა 70 გრამი სითხის ჭიქაზე. წარმოებული მოწყობილობის პირველი ტესტი მოიცავს პლექსიგლასის კორპუსის პირველი (საწვავის სითხე) და მესამე (ეთილის სპირტისა და კაუსტიკური კალიუმისგან დამზადებული ელექტროლიტი) კონტეინერების ერთდროულ შევსებას.

www.uznay-kak.ru

წყალბადის საწვავის უჯრედები | LAVENT

დიდი ხანია მინდოდა მეთქვა კომპანია Alfaintek-ის სხვა მიმართულების შესახებ. ეს არის წყალბადის საწვავის უჯრედების განვითარება, გაყიდვა და მომსახურება. მსურს დაუყოვნებლივ ავუხსნა სიტუაცია ამ საწვავის უჯრედებთან დაკავშირებით რუსეთში.

საკმაოდ მაღალი ღირებულების და წყალბადის სადგურების სრული არარსებობის გამო ამ საწვავის უჯრედების დასატენად, მათი გაყიდვა რუსეთში არ არის მოსალოდნელი. მიუხედავად ამისა, ევროპაში, განსაკუთრებით ფინეთში, ეს საწვავის უჯრედები ყოველწლიურად იძენს პოპულარობას. რა არის საიდუმლო? Მოდი ვნახოთ. ეს მოწყობილობა არის ეკოლოგიურად სუფთა, მარტივი და ეფექტური. ის ეხმარება ადამიანს, სადაც მას ელექტრო ენერგია სჭირდება. შეგიძლიათ თან წაიღოთ გზაზე, ლაშქრობაში, გამოიყენოთ ქვეყანაში, ბინაში ელექტროენერგიის ავტონომიურ წყაროდ.

ელექტროენერგია საწვავის უჯრედში წარმოიქმნება წყალბადის ქიმიური რეაქციით ცილინდრიდან ლითონის ჰიდრიდთან და ჰაერიდან ჟანგბადთან ერთად. ცილინდრი არ არის ფეთქებადი და შეიძლება ინახებოდეს თქვენს კარადაში წლების განმავლობაში, ფრთებში მოლოდინში. ეს, ალბათ, წყალბადის შენახვის ტექნოლოგიის ერთ-ერთი მთავარი უპირატესობაა. სწორედ წყალბადის შენახვაა წყალბადის საწვავის განვითარების ერთ-ერთი მთავარი პრობლემა. უნიკალური ახალი მსუბუქი საწვავის უჯრედები, რომლებიც წყალბადს ჩვეულებრივ ელექტროენერგიად გარდაქმნიან უსაფრთხო, ჩუმად და ემისიების გარეშე.

ამ ტიპის ელექტროენერგია შეიძლება გამოყენებულ იქნას იმ ადგილებში, სადაც არ არის ცენტრალური ელექტროენერგია, ან როგორც გადაუდებელი ენერგიის წყარო.

ჩვეულებრივი ბატარეებისგან განსხვავებით, რომლებსაც დამუხტვა და ამავდროულად გათიშვა სჭირდებათ ელექტროენერგიის მომხმარებელთან დატენვის პროცესში, საწვავის უჯრედი მუშაობს როგორც „ჭკვიანი“ მოწყობილობა. ეს ტექნოლოგია უზრუნველყოფს უწყვეტ ენერგიას გამოყენების მთელი პერიოდის განმავლობაში, საწვავის ავზის შეცვლისას ენერგიის შენარჩუნების უნიკალური ფუნქციის გამო, რაც მომხმარებელს საშუალებას აძლევს არასოდეს გამორთოს მომხმარებელი. დახურულ შემთხვევაში, საწვავის უჯრედები შეიძლება ინახებოდეს რამდენიმე წლის განმავლობაში წყალბადის დაკარგვისა და მათი სიმძლავრის შემცირების გარეშე.

საწვავის უჯრედი განკუთვნილია მეცნიერებისა და მკვლევარებისთვის, სამართალდამცავებისთვის, მაშველებისთვის, გემისა და მარინას მფლობელებისთვის და ყველასთვის, ვისაც სჭირდება სანდო დენის წყარო საგანგებო სიტუაციებში. შეგიძლიათ მიიღოთ ძაბვა 12 ვოლტი ან 220 ვოლტი და მაშინ გექნებათ საკმარისი ენერგია ტელევიზორის, სტერეო სისტემის, მაცივრის, ყავის მადუღარას, ჩაიდანი, მტვერსასრუტი, საბურღი, მიკრო ღუმელი და სხვა ელექტრო მოწყობილობების გამოსაყენებლად.

Hydrocell საწვავის უჯრედები შეიძლება გაიყიდოს როგორც ერთეული ან როგორც 2-4 უჯრედის ბატარეები. ორი ან ოთხი ელემენტი შეიძლება გაერთიანდეს სიმძლავრის გასაზრდელად ან დენის გასაზრდელად.

საყოფაცხოვრებო ტექნიკის მუშაობის დრო საწვავის უჯრედებით

* - უწყვეტი მუშაობა

საწვავის უჯრედები სრულად იტენება წყალბადის სპეციალურ სადგურებზე. მაგრამ რა მოხდება, თუ მათგან შორს მოგზაურობთ და დატენვის საშუალება არ გაქვთ? განსაკუთრებით ასეთი შემთხვევებისთვის Alfaintek-ის სპეციალისტებმა შეიმუშავეს წყალბადის შესანახი ცილინდრები, რომლებითაც საწვავის უჯრედები გაცილებით დიდხანს იმუშავებენ.

იწარმოება ორი ტიპის ბალონები: NS-MN200 და NS-MN1200. აწყობილი NS-MN200 აქვს კოკა-კოლას ქილაზე ოდნავ დიდი ზომა, იტევს 230 ლიტრ წყალბადს, რაც შეესაბამება 40Ah (12V) და იწონის მხოლოდ. 2.5 კგ .ცილინდრი ლითონის ჰიდრიდით NS-MH1200 იტევს 1200 ლიტრ წყალბადს, რაც შეესაბამება 220Ah (12V). ცილინდრის წონაა 11 კგ.

ლითონის ჰიდრიდის ტექნიკა უსაფრთხო და მარტივი გზაა წყალბადის შესანახად, ტრანსპორტირებისთვის და გამოყენებისთვის. როდესაც ინახება ლითონის ჰიდრიდად, წყალბადი არის ქიმიური ნაერთის სახით და არა აირისებრი სახით. ეს მეთოდი შესაძლებელს ხდის საკმარისად მაღალი ენერგიის სიმკვრივის მიღებას. ლითონის ჰიდრიდის გამოყენების უპირატესობა ის არის, რომ ცილინდრის შიგნით წნევა მხოლოდ 2-4 ბარია.ბალონი არ არის ფეთქებადი და შეიძლება წლების განმავლობაში ინახებოდეს ნივთიერების მოცულობის შემცირების გარეშე. ვინაიდან წყალბადი ინახება ლითონის ჰიდრიდის სახით, ცილინდრიდან მიღებული წყალბადის სისუფთავე ძალიან მაღალია, 99,999%. წყალბადის შესანახი ცილინდრები ლითონის ჰიდრიდის სახით შეიძლება გამოყენებულ იქნას არა მხოლოდ HC 100,200,400 საწვავის უჯრედებთან, არამედ სხვა შემთხვევებში, როდესაც საჭიროა სუფთა წყალბადი. ცილინდრები შეიძლება ადვილად დაუკავშირდეს საწვავის უჯრედს ან სხვა მოწყობილობას სწრაფი შეერთების კონექტორით და მოქნილი შლანგით.

სამწუხაროა, რომ ეს საწვავის უჯრედები არ იყიდება რუსეთში. მაგრამ ჩვენს მოსახლეობაში იმდენი ადამიანია, ვისაც ეს სჭირდება. აბა, დაველოდოთ და ვნახოთ, თქვენ ნახეთ და გვექნება. ამასობაში სახელმწიფოს მიერ დაწესებულ ეკონომიურ ნათურებს შევიძენთ.

P.S. როგორც ჩანს, თემა საბოლოოდ დავიწყებას მიეცა. ამ სტატიის დაწერიდან ამდენი წლის შემდეგ არაფერი გამოვიდა. შეიძლება, რა თქმა უნდა, ყველგან არ ვიყურები, მაგრამ ის, რაც თვალში მომხვდება, სულაც არ მსიამოვნებს. ტექნოლოგია და იდეა კარგია, მაგრამ განვითარება ჯერ არ არის ნაპოვნი.

lavent.ru

საწვავის უჯრედი არის მომავალი, რომელიც დღეს იწყება!

21-ე საუკუნის დასაწყისი ეკოლოგიას ერთ-ერთ ყველაზე მნიშვნელოვან მსოფლიო ამოცანად მიიჩნევს. და პირველი, რასაც ყურადღება უნდა მიექცეს დღევანდელ პირობებში, არის ენერგიის ალტერნატიული წყაროების ძიება და გამოყენება. სწორედ მათ შეუძლიათ ჩვენს ირგვლივ გარემოს დაბინძურების თავიდან აცილება, ასევე მთლიანად უარი თქვან ნახშირწყალბადებზე დაფუძნებული საწვავის მუდმივად მზარდ ფასზე.

უკვე დღეს გამოიყენება ენერგიის წყაროები, როგორიცაა მზის უჯრედები და ქარის ტურბინები. მაგრამ, სამწუხაროდ, მათი ნაკლებობა დაკავშირებულია ამინდის დამოკიდებულებასთან, ასევე სეზონზე და დღის დროზე. ამ მიზეზით, მათი გამოყენება ასტრონავტიკაში, თვითმფრინავებსა და საავტომობილო ინდუსტრიებში თანდათან მიტოვებული ხდება და სტაციონარული გამოყენებისთვის ისინი აღჭურვილია ენერგიის მეორადი წყაროებით - ბატარეებით.

თუმცა, საუკეთესო გამოსავალი არის საწვავის უჯრედი, რადგან ის არ საჭიროებს ენერგიის მუდმივ დატენვას. ეს არის მოწყობილობა, რომელსაც შეუძლია სხვადასხვა სახის საწვავის (ბენზინი, ალკოჰოლი, წყალბადი და ა.შ.) გადამუშავება და გადაქცევა პირდაპირ ელექტრო ენერგიად.

საწვავის უჯრედი მუშაობს შემდეგი პრინციპით: საწვავი მიეწოდება გარედან, რომელიც იჟანგება ჟანგბადით და ამ შემთხვევაში გამოთავისუფლებული ენერგია გარდაიქმნება ელექტროენერგიად. მოქმედების ეს პრინციპი უზრუნველყოფს თითქმის მარადიულ მუშაობას.

მე-19 საუკუნის ბოლოდან მეცნიერები უშუალოდ სწავლობდნენ საწვავის უჯრედს და მუდმივად ავითარებდნენ მის ახალ მოდიფიკაციას. ასე რომ, დღეს, სამუშაო პირობებიდან გამომდინარე, არსებობს ტუტე ან ტუტე (AFC), პირდაპირი ბოროჰიდრატი (DBFC), ელექტროგალვანური (EGFC), პირდაპირი მეთანოლი (DMFC), თუთია-ჰაერი (ZAFC), მიკრობული (MFC), ასევე ცნობილია ჭიანჭველა მჟავას (DFAFC) და ლითონის ჰიდრიდის (MHFC) მოდელები.

ერთ-ერთი ყველაზე პერსპექტიული არის წყალბადის საწვავის უჯრედი. ელექტროსადგურებში წყალბადის გამოყენებას თან ახლავს ენერგიის მნიშვნელოვანი გამოყოფა და ასეთი მოწყობილობის გამონაბოლქვი არის სუფთა წყლის ორთქლი ან სასმელი წყალი, რომელიც არანაირ საფრთხეს არ წარმოადგენს გარემოსთვის.

ამ ტიპის საწვავის უჯრედების წარმატებულმა ტესტირებამ კოსმოსურ ხომალდზე ბოლო დროს მნიშვნელოვანი ინტერესი გამოიწვია ელექტრონიკის და სხვადასხვა აღჭურვილობის მწარმოებლებში. მაგალითად, PolyFuel-მა წარმოადგინა მინიატურული წყალბადის საწვავის უჯრედი ლეპტოპებისთვის. მაგრამ ასეთი მოწყობილობის ძალიან მაღალი ღირებულება და მისი შეუფერხებელი შევსების სირთულე ზღუდავს სამრეწველო წარმოებას და ფართო განაწილებას. Honda ასევე აწარმოებს ავტომობილების საწვავის უჯრედებს 10 წელზე მეტი ხნის განმავლობაში. თუმცა, ამ ტიპის ტრანსპორტი არ იყიდება, არამედ მხოლოდ კომპანიის თანამშრომლების ოფიციალური გამოყენებისთვის. მანქანები ინჟინრების მეთვალყურეობის ქვეშაა.

ბევრს აინტერესებს, შესაძლებელია თუ არა საწვავის უჯრედის საკუთარი ხელით აწყობა. ყოველივე ამის შემდეგ, სახლში დამზადებული მოწყობილობის მნიშვნელოვანი უპირატესობა იქნება მცირე ინვესტიცია, განსხვავებით სამრეწველო მოდელისგან. მინიატურული მოდელისთვის დაგჭირდებათ 30 სმ პლატინის მოოქროვილი ნიკელის მავთული, პატარა პლასტმასის ან ხის ნაჭერი, სამაგრი 9 ვოლტიანი ბატარეისთვის და თავად ბატარეისთვის, გამჭვირვალე წებოვანი ლენტი, ჭიქა წყალი და ვოლტმეტრი. ასეთი მოწყობილობა საშუალებას მოგცემთ დაინახოთ და გაიგოთ სამუშაოს არსი, მაგრამ, რა თქმა უნდა, ის არ იმუშავებს მანქანისთვის ელექტროენერგიის გამომუშავებაზე.

fb.ru

წყალბადის საწვავის უჯრედები: ცოტა ისტორია | წყალბადი

ჩვენს დროში განსაკუთრებით მწვავედ დგას ტრადიციული ენერგორესურსების დეფიციტის პრობლემა და მათი გამოყენების გამო მთლიანად პლანეტის ეკოლოგიის გაუარესება. სწორედ ამიტომ, ბოლო წლებში მნიშვნელოვანი ფინანსური და ინტელექტუალური რესურსები დაიხარჯა ნახშირწყალბადის საწვავის პოტენციურად პერსპექტიული შემცვლელების შემუშავებაზე. წყალბადი შეიძლება გახდეს ასეთი შემცვლელი უახლოეს მომავალში, რადგან ელექტროსადგურებში მის გამოყენებას თან ახლავს დიდი რაოდენობით ენერგიის გამოყოფა, ხოლო გამონაბოლქვი არის წყლის ორთქლი, ანუ ისინი არ წარმოადგენს საფრთხეს გარემოსთვის.

მიუხედავად გარკვეული ტექნიკური სირთულეებისა, რომლებიც ჯერ კიდევ არსებობს წყალბადზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედების დანერგვისას, ბევრმა ავტომწარმოებელმა დააფასა ტექნოლოგიის დაპირება და უკვე აქტიურად ავითარებს მასობრივი წარმოების მანქანების პროტოტიპებს, რომლებსაც შეუძლიათ წყალბადის, როგორც ძირითადი საწვავის გამოყენება. ჯერ კიდევ 2011 წელს Daimler AG-მა წარმოადგინა Mercedes-Benz-ის კონცეპტუალური მოდელები წყალბადის ელექტროსადგურებით. გარდა ამისა, კორეულმა კომპანია Hyndayi-მ ოფიციალურად გამოაცხადა, რომ აღარ აპირებს ელექტრომობილების განვითარებას და ყველა ძალისხმევას კონცენტრირდება ხელმისაწვდომი წყალბადის მანქანის შემუშავებაზე.

მიუხედავად იმისა, რომ წყალბადის საწვავად გამოყენების იდეა ბევრისთვის არ არის ველური, უმეტესობას არ ესმის, როგორ მუშაობს წყალბადის საწვავის უჯრედები და რა არის მათში ასეთი გასაოცარი.

ტექნოლოგიის მნიშვნელობის გასაგებად, ჩვენ გთავაზობთ წყალბადის საწვავის უჯრედების ისტორიას.

პირველი ადამიანი, ვინც აღწერა წყალბადის გამოყენების პოტენციალი საწვავის უჯრედში, იყო გერმანელი კრისტიან ფრიდრიხი. ჯერ კიდევ 1838 წელს მან გამოაქვეყნა თავისი ნაშრომი იმ დროის ცნობილ სამეცნიერო ჟურნალში.

მომდევნო წელს, მოსამართლემ Ouls-დან, სერ უილიამ რობერტ გროვმა, შექმნა სამუშაო წყალბადის ბატარეის პროტოტიპი. თუმცა, მოწყობილობის სიმძლავრე ძალიან მცირე იყო მაშინდელი სტანდარტებითაც კი, ამიტომ მისი პრაქტიკული გამოყენების საკითხი არ დგას.

რაც შეეხება ტერმინს „საწვავის უჯრედი“, ის თავის არსებობას ევალება მეცნიერებს ლუდვიგ მონდსა და ჩარლზ ლანგერს, რომლებიც 1889 წელს ცდილობდნენ შეექმნათ საწვავის უჯრედი, რომელიც მუშაობს ჰაერზე და კოქსის ღუმელზე. სხვების აზრით, ეს ტერმინი პირველად გამოიყენა უილიამ უაიტ ჟაკსმა, რომელმაც პირველად გადაწყვიტა ფოსფორის მჟავის გამოყენება ელექტროლიტში.

1920-იან წლებში გერმანიაში არაერთი კვლევა ჩატარდა, რომლის შედეგი იყო მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედების აღმოჩენა და კარბონატული ციკლის გამოყენების გზები. აღსანიშნავია, რომ ეს ტექნოლოგიები ეფექტურად გამოიყენება ჩვენს დროში.

1932 წელს ინჟინერმა ფრენსის ბეკონმა დაიწყო მუშაობა წყალბადზე დაფუძნებული უშუალოდ საწვავის უჯრედების შესწავლაზე. მანამდე მეცნიერებმა გამოიყენეს დადგენილი სქემა - გოგირდის მჟავაში მოთავსებული იყო ფოროვანი პლატინის ელექტროდები. ასეთი სქემის აშკარა მინუსი მდგომარეობს, უპირველეს ყოვლისა, მის გაუმართლებელ მაღალ ღირებულებაში, პლატინის გამოყენების გამო. გარდა ამისა, კაუსტიკური გოგირდმჟავას გამოყენება საფრთხეს უქმნიდა მკვლევართა ჯანმრთელობას და ზოგჯერ სიცოცხლეს. ბეკონმა გადაწყვიტა წრედის ოპტიმიზაცია და პლატინა შეცვალა ნიკელით და ელექტროლიტად გამოიყენა ტუტე შემადგენლობა.

ტექნოლოგიის გასაუმჯობესებლად ნაყოფიერი მუშაობის წყალობით, ბეკონმა უკვე 1959 წელს ფართო საზოგადოებას წარუდგინა თავისი ორიგინალური წყალბადის საწვავის უჯრედი, რომელიც აწარმოებდა 5 კვტ სიმძლავრეს და შეეძლო შედუღების მანქანა. მან წარმოდგენილ მოწყობილობას „ბეკონის უჯრედი“ უწოდა.

იმავე წლის ოქტომბერში შეიქმნა უნიკალური ტრაქტორი, რომელიც წყალბადზე მუშაობდა და ოც ცხენის ძალას გამოიმუშავებდა.

მეოცე საუკუნის სამოციან წლებში ამერიკული კომპანია General Electric, ბეკონის მიერ შემუშავებული სქემა, გაუმჯობესდა და გამოიყენა Apollo და NASA Gemini კოსმოსურ პროგრამებზე. NASA-ს სპეციალისტები მივიდნენ დასკვნამდე, რომ ბირთვული რეაქტორის გამოყენება ძალიან ძვირი, ტექნიკურად რთული და სახიფათოა. გარდა ამისა, საჭირო იყო მზის პანელებით ბატარეების გამოყენებაზე უარის თქმა მათი დიდი ზომების გამო. პრობლემის გადაწყვეტა იყო წყალბადის საწვავის უჯრედები, რომლებსაც შეუძლიათ კოსმოსური ხომალდის ენერგიით, ხოლო მისი ეკიპაჟის სუფთა წყლით მომარაგება.

პირველი ავტობუსი წყალბადის საწვავად აშენდა 1993 წელს. წყალბადის საწვავის უჯრედებით მომუშავე სამგზავრო მანქანების პროტოტიპები უკვე წარმოდგენილი იყო 1997 წელს ისეთი გლობალური საავტომობილო ბრენდების მიერ, როგორიცაა Toyota და Daimler Benz.

ცოტა უცნაურია, რომ პერსპექტიული ეკოლოგიურად სუფთა საწვავი, რომელიც თხუთმეტი წლის წინ დანერგეს მანქანაში, ჯერ კიდევ არ არის გავრცელებული. ამას ბევრი მიზეზი აქვს, რომელთაგან მთავარი, ალბათ, არის პოლიტიკური და სიზუსტე შესაბამისი ინფრასტრუქტურის შექმნაში. იმედი ვიქონიოთ, რომ წყალბადი მაინც იტყვის თავის სათქმელს და იქნება ელექტრომობილების მნიშვნელოვანი კონკურენტი.(odnaknopka)

Energycraft.org

ჩვენი მატერიალური საზოგადოება ენერგიის გარეშე არა მარტო ვერ განვითარდება, არამედ საერთოდ იარსებებს კიდეც. საიდან მოდის ენერგია? ბოლო დრომდე ადამიანები მის მოსაპოვებლად მხოლოდ ერთ გზას იყენებდნენ, ბუნებას ვებრძოლეთ, მოპოვებულ ტროფებს ვწვავდით ცეცხლსასროლი იარაღით, ჯერ სახლში, შემდეგ ორთქლის ლოკომოტივებში და ძლიერ თბოელექტროსადგურებში.

თანამედროვე ერისკაცის მიერ მოხმარებულ კილოვატ საათზე არ არის ეტიკეტები, რომლებიც მიუთითებენ რამდენი წლის განმავლობაში მუშაობდა ბუნება ისე, რომ ცივილიზებულმა ადამიანმა ისარგებლოს ტექნოლოგიის უპირატესობებით და რამდენი წელი უნდა იმუშაოს მას მიყენებული ზიანის შესამსუბუქებლად. მისი ასეთი ცივილიზაციით. თუმცა საზოგადოებაში მწიფდება იმის გაგება, რომ ადრე თუ გვიან ილუზორული იდილია დასრულდება. სულ უფრო და უფრო ხშირად ადამიანები იგონებენ გზებს, რათა უზრუნველყონ ენერგიით მათი საჭიროებები ბუნების მინიმალური ზიანით.

წყალბადის საწვავის უჯრედები სუფთა ენერგიის წმინდა გრაალია. ისინი ამუშავებენ წყალბადს, პერიოდული ცხრილის ერთ-ერთ საერთო ელემენტს და ასხივებენ მხოლოდ წყალს, პლანეტაზე ყველაზე გავრცელებულ ნივთიერებას. ვარდისფერ სურათს აფუჭებს ადამიანებისთვის წყალბადის, როგორც ნივთიერების, ხელმისაწვდომობის არქონა. ბევრია, მაგრამ მხოლოდ შეკრულ მდგომარეობაში და მისი ამოღება ბევრად უფრო რთულია, ვიდრე ნაწლავებიდან ზეთის ამოტუმბვა ან ქვანახშირის ამოთხრა.

სუფთა და ეკოლოგიურად სუფთა წყალბადის წარმოების ერთ-ერთი ვარიანტია მიკრობული საწვავის უჯრედები (MTB), რომლებიც იყენებენ მიკროორგანიზმებს წყლის ჟანგბადად და წყალბადად დასაშლელად. აქაც ყველაფერი გლუვი არ არის. მიკრობები შესანიშნავ საქმეს აკეთებენ სუფთა საწვავის წარმოებაში, მაგრამ პრაქტიკაში საჭირო ეფექტურობის მისაღწევად, MTB-ს სჭირდება კატალიზატორი, რომელიც აჩქარებს პროცესის ერთ-ერთ ქიმიურ რეაქციას.

ეს კატალიზატორი არის ძვირფასი ლითონის პლატინა, რომლის ღირებულება MTB-ის გამოყენებას ეკონომიკურად გაუმართლებელს და პრაქტიკულად შეუძლებელს ხდის.

ვისკონსინ-მილუოკის უნივერსიტეტის მეცნიერებმა ძვირადღირებული კატალიზატორის შემცვლელი იპოვეს. პლატინის ნაცვლად, მათ შესთავაზეს ნახშირბადის, აზოტის და რკინის კომბინაციით დამზადებული იაფი ნანოროლების გამოყენება. ახალი კატალიზატორი შედგება გრაფიტის ღეროებისგან ზედაპირულ ფენაში აზოტით და რკინის კარბიდის ბირთვებში. სიახლის სამთვიანი ტესტირების დროს კატალიზატორმა აჩვენა უფრო მაღალი შესაძლებლობები, ვიდრე პლატინის. ნანორადების მოქმედება უფრო სტაბილური და კონტროლირებადი აღმოჩნდა.

და რაც მთავარია, უნივერსიტეტის მეცნიერების ჭკუა გაცილებით იაფია. ამრიგად, პლატინის კატალიზატორების ღირებულება შეადგენს MTB-ის ღირებულების დაახლოებით 60%-ს, ხოლო ნანორადების ღირებულება მათი ამჟამინდელი ფასის 5%-ია.

კატალიზური ნანორადების შემქმნელის, პროფესორ იუჰონგ ჩენის (ჯუნჰონგ ჩენ) თქმით: „საწვავის უჯრედებს შეუძლიათ უშუალოდ საწვავის ელექტროენერგიად გარდაქმნა. მათთან ერთად განახლებადი წყაროებიდან ელექტროენერგიის მიწოდება შესაძლებელია იქ, სადაც საჭიროა, რაც არის სუფთა, ეფექტური და მდგრადი.

ახლა პროფესორი ჩენი და მისი მკვლევართა გუნდი კატალიზატორის ზუსტი მახასიათებლების შესწავლით არიან დაკავებული. მათი მიზანია გამოგონებას მისცენ პრაქტიკული აქცენტი, გახადონ ის მასიური წარმოებისთვის და გამოყენებისთვის.

Gizmag-ის ცნობით

www.facepla.net

წყალბადის საწვავის უჯრედები და ენერგეტიკული სისტემები

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 დამონტაჟებულია კოსმოსურ შატლებში, ამარაგებს მათ ენერგიით და ემსახურება როგორც წყლის წყაროს. 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 მარშრუტები კათოდისკენ. პროტონები ელექტროდის გავლით მიემართებიან კათოდამდე, ხოლო ელექტრონები მოძრაობენ საწვავის უჯრედების გარშემო კათოდამდე მისასვლელად. ეს მოძრაობა ქმნის შემდგომ გამოსაყენებელ ელექტრო ენერგიას. მეორე მხრივ, წყალბადის პროტონები და ელექტრონები ერწყმის ჟანგბადს და წარმოქმნიან წყალს.

ელექტროლიზატორები წყალბადის ამოღების ერთ-ერთი გზაა წყლიდან. 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, ალბათ ამიტომაც არსებობს მრავალი მითი მის უსაფრთხოებაზე. ჰინდენბურგის აფეთქების შემდეგ, მეცნიერებისგან შორს მყოფმა ბევრმა 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 შესახებ ტესტების ჩატარების შემდეგ დადგინდა, რომ საწვავის უჯრედებში წყალბადის შენახვა უფრო უსაფრთხოა, ვიდრე 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 შიდა 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 ენერგო გადამზიდავებისთვის ინფრასტრუქტურის აშენება.

რატომ ჯერ კიდევ 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.

www.tesla-tehnika.biz

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

წყალბადის ტექნოლოგია საწვავის უჯრედებიარა ახალი. 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 დამონტაჟებულია კოსმოსურ შატლებში, ამარაგებს მათ ენერგიით და ემსახურება როგორც წყლის წყაროს. 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 მარშრუტები კათოდისკენ. პროტონები ელექტროდის გავლით მიემართებიან კათოდამდე, ხოლო ელექტრონები მოძრაობენ საწვავის უჯრედების გარშემო კათოდამდე მისასვლელად. ეს მოძრაობა ქმნის შემდგომ გამოსაყენებელ ელექტრო ენერგიას. მეორე მხრივ, წყალბადის პროტონები და ელექტრონები ერწყმის ჟანგბადს და წარმოქმნიან წყალს.

ელექტროლიზატორები წყალბადის ამოღების ერთ-ერთი გზაა წყლიდან. 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, ალბათ ამიტომაც არსებობს მრავალი მითი მის უსაფრთხოებაზე. ჰინდენბურგის აფეთქების შემდეგ, მეცნიერებისგან შორს მყოფმა ბევრმა 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 წყალბადს სთავაზობენ საწვავის სისტემებიენერგიის წარმოება კილოვატზე დაახლოებით 3000 აშშ დოლარის ღირებულებით. 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 შიდა 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 ენერგო გადამზიდავებისთვის ინფრასტრუქტურის აშენება.

რატომ ჯერ კიდევ 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 გზით.

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 აშშ-ის აერონავტიკისა და კოსმოსური ადმინისტრაციის ეროვნული ადმინისტრაციის (NASA) ენერგიის წყაროების მოთხოვნილებაზე ხანგრძლივი კოსმოსური მისიებისთვის. NASA-ს ტუტე საწვავის უჯრედი იყენებს წყალბადს და ჟანგბადს, როგორც საწვავს, აერთიანებს ამ ორს ელექტროქიმიურ რეაქციაში. გამომავალი არის რეაქციის სამი გვერდითი პროდუქტი, რომელიც სასარგებლოა კოსმოსური ფრენისთვის - ელექტროენერგია კოსმოსური ხომალდის გასაძლიერებლად, წყალი სასმელისა 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 ასამბლეა, რომელიც შედგებოდა 25 სმ დიამეტრის ტუტე საწვავის უჯრედებისგან/უჯრედებისგან.

ინტერესი გაიზარდა 1950-იან და 1960-იან წლებში და ასევე 1980-იან წლებში, როდესაც ინდუსტრიულმა სამყარომ განიცადა საწვავის დეფიციტი. ამავე პერიოდში, მსოფლიოს 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. მას შემდეგ, რაც წყალბადი შედის ანოდში, ხოლო ჟანგბადი შედის კათოდში, იწყება ქიმიური რეაქცია, რის შედეგადაც ელექტროობა, სითბო და წყალი.

ანოდის კატალიზატორზე მოლეკულური წყალბადი იშლება და კარგავს ელექტრონებს. წყალბადის იონები (პროტონები) ელექტროლიტის მეშვეობით მიემართება კათოდამდე, ხოლო ელექტრონები გადიან ელექტროლიტში და გადიან გარედან. ელექტრული წრეპირდაპირი დენის შექმნა, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას აღჭურვილობის კვებისათვის. 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 უჯრედები საჭიროებენ შედარებით სუფთა წყალბადს საწვავად. 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 ნიშნავს, რომ არ არის საჭირო წყალბადის ინფრასტრუქტურაში ინვესტირება.

საწვავის უჯრედები/უჯრედები გამდნარ კარბონატზე (MCFC)

გამდნარი კარბონატის ელექტროლიტის საწვავის უჯრედები მაღალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედებია. მაღალი ოპერაციული ტემპერატურა საშუალებას იძლევა ბუნებრივი აირის პირდაპირი გამოყენება საწვავის პროცესორის გარეშე და საწვავი გაზი დაბალი კალორიული ღირებულებასაწვავი წარმოების პროცესებიდა 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 დნობისა 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 ხდება შინაგანი რეფორმირება ბუნებრივი აირი, 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 გამოყენებისთვის.

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 დიდი სტაციონარული დანადგარების გამოსაყენებლად. თბოელექტროსადგურები, რომელთა გამომავალი ელექტრო სიმძლავრეა 3.0 მეგავატი, წარმოებულია ინდუსტრიულად. მუშავდება 110 მეგავატამდე 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 კათოდში ჰაერიდან ჟანგბადთან ერთად ქმნიან 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 ერთობლივ წარმოებაში, საერთო ეფექტურობა დაახლოებით 85% -ს შეადგენს. 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 ცვალებადობა 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 საშუალებას იძლევა გამოიყენოთ სხვადასხვა ტიპის საწვავი 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 ოპერაციული 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) იჟანგება ანოდში წყლის თანდასწრებით, გამოყოფს CO 2 , წყალბადის იონებს და ელექტრონებს, რომლებიც ხელმძღვანელობენ 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 ზომა, თხევადი საწვავის გამოყენების გამო და კონვერტორის გამოყენების საჭიროების არარსებობა.

ტუტე საწვავის უჯრედები (AFC)

ტუტე საწვავის უჯრედები არის ერთ-ერთი ყველაზე ეფექტური ელემენტი, რომელიც გამოიყენება ელექტროენერგიის წარმოებისთვის, 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, შესაბამისად, შეიძლება ხელი შეუწყოს 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 ელექტროლიტური 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. შესაბამისად, სამუშაო ტემპერატურაა 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 იმუშაოს სხვადასხვა სახისნახშირწყალბადის საწვავი, ძირითადად ბუნებრივი აირი
• აქვთ უფრო ხანგრძლივი გაშვების დრო და ამიტომ უფრო შესაფერისია გრძელვადიანი მუშაობისთვის
• აჩვენებს ელექტროენერგიის გამომუშავების მაღალ ეფექტურობას (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

მას შემდეგ, რაც მცირე თბოელექტროსადგურები შეიძლება იყოს დაკავშირებული ჩვეულებრივი გაზმომარაგების ქსელთან, საწვავის უჯრედები არ საჭიროებს ცალკე სისტემაწყალბადის მიწოდება. 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

უკაბელო საკომუნიკაციო სისტემების სწრაფი გავრცელებით მთელს მსოფლიოში, ისევე როგორც მობილური ტელეფონების ტექნოლოგიის მზარდი სოციალური და ეკონომიკური სარგებელის გამო, 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 (სარქვლის რეგულირებადი ტყვიის მჟავა ბატარეის ელემენტი) მოკლევადიანი სარეზერვო ენერგიისთვის და დიზელისა 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 შენარჩუნება 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, მოითხოვონ ვრცელი მოვლა და ატმოსფეროში გამოუშვან დამაბინძურებლებისა და სათბურის გაზების მაღალი დონე.

ტრადიციული სარეზერვო ენერგიის გადაწყვეტილებების შეზღუდვების აღმოსაფხვრელად, შემუშავებულია ინოვაციური მწვანე საწვავის უჯრედების ტექნოლოგია. საწვავის უჯრედები საიმედოა, ჩუმი, შეიცავს ნაკლებ მოძრავ ნაწილს, ვიდრე გენერატორი, 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 უჯრედების 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 ძალას 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 ნიშნულზე 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 დასტაში პირდაპირი დენის სახით. მუდმივი სიმძლავრე იგზავნება გადამყვანთან, რომელიც გარდაქმნის დაურეგულირებელ მუდმივ სიმძლავრეს საწვავის უჯრედების წყობიდან 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 დიაპაზონში და საიმედო მომსახურების ხანგრძლივობას ინდუსტრიის სტანდარტული სარქველების რეგულირებადი ტყვიის მჟავა ბატარეების პაკეტებთან შედარებით. სასიცოცხლო ციკლის ხარჯები ასევე დაბალია მოვლისა და ჩანაცვლების 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, სიცოცხლე და სხვა ცვლადები. მოწოდებული ენერგია განსხვავდება ამ ფაქტორების მიხედვით და არ არის ადვილი პროგნოზირება. პროტონების გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედის (PEMFC) მუშაობა შედარებით არ არის დამოკიდებული 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 ენერგო გადაწყვეტილებები, რომლებიც შეიძლება გაგრძელდეს საათობით ან დღეებით საგანგებო სიტუაციებში, თუ ელექტრო ქსელი მიუწვდომელია.

მცირე 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 დანადგარები, 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.

მონაცემთა ქსელებში საწვავის უჯრედების დანადგარების გამოყენების ტიპიური აპლიკაციის მახასიათებლები:

• აპლიკაციები სიმძლავრის შეყვანით 100 ვტ-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 ინსტალაციები უამრავ უპირატესობას გვთავაზობს კრიტიკული მონაცემთა ქსელის ინფრასტრუქტურისთვის ტრადიციულ ბატარეის 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 უკიდურესობისადმი გამძლეობისა და პრაქტიკულად ვიბრაციის გარეშე მუშაობის გამო, 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 შენობის 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 ენერგიის 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, კარების დახურვის მოწყობილობები, ბიომეტრიული იდენტიფიკაციის ტექნოლოგია და ა. უწყვეტი ელექტრომომარაგების საიმედო ალტერნატიული წყარო.

დიზელის გენერატორები ხმაურიანია, ძნელად მოსაძებნი და ცნობილია მათი საიმედოობით და მოვლა. ამის საპირისპიროდ, საწვავის უჯრედის სარეზერვო ინსტალაცია არის მშვიდი, საიმედო, აქვს ნულოვანი ან ძალიან დაბალი გამონაბოლქვი და ადვილად ინსტალაცია 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 შენობას ხალხი მიატოვებს.

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

საწვავის უჯრედის სიმძლავრის სარეზერვო დანადგარები უამრავ უპირატესობას გვთავაზობენ მისიის 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 გათბობისა და ელექტროენერგიის წარმოებაში

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები (SOFCs) გამოიყენება საიმედო, ენერგოეფექტური და ემისიების გარეშე თბოელექტროსადგურების ასაშენებლად ელექტროენერგიისა და სითბოს წარმოებისთვის ფართოდ ხელმისაწვდომი ბუნებრივი აირისა და განახლებადი საწვავის წყაროებიდან. ეს ინოვაციური დანადგარები გამოიყენება მრავალფეროვან ბაზრებზე, დაწყებული შიდა ელექტროენერგიის გამომუშავებით ელექტროენერგიის მიწოდებამდე შორეულ ადგილებში, ასევე დამხმარე ენერგიის წყაროებით.

ენერგიის დაზოგვის ეს დანადგარები აწარმოებენ სითბოს სივრცის გათბობისა და ცხელი წყლისთვის, ასევე ელექტროენერგიას, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას სახლში და ისევ ელექტრო ქსელში. განაწილებული ელექტროენერგიის გამომუშავების წყაროები შეიძლება შეიცავდეს ფოტოვოლტაურ (მზის) უჯრედებს და მიკრო ქარის ტურბინებს. ეს ტექნოლოგიები თვალსაჩინო და ფართოდ ცნობილია, მაგრამ მათი ფუნქციონირება დამოკიდებულია ამინდის პირობებზე და მათ არ შეუძლიათ ელექტროენერგიის მუდმივი გამომუშავება 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 განაწილებულ ელექტროენერგიის გამომუშავების ქსელში, რომელიც შედგება დიდი რაოდენობით მცირე გენერატორის კომპლექტებისგან ერთი ცენტრალიზებული ელექტროსადგურის ნაცვლად.

ქვემოთ მოყვანილი სურათი გვიჩვენებს ელექტროენერგიის გამომუშავების ეფექტურობის დანაკარგს, როდესაც ის წარმოიქმნება CHP-ის 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 უჯრედების მიერ 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 ნავთობის აირების გამოყენების არსებულ მეთოდებს ბევრი უარყოფითი მხარე აქვს, მთავარი ის არის, რომ ეკონომიკურად არ არის მომგებიანი. ასოცირებული ნავთობის გაზი იწვება, რაც დიდ ზიანს აყენებს გარემოს და ადამიანის ჯანმრთელობას.

საწვავის უჯრედების ინოვაციური სითბო და ელექტროსადგურები, რომლებიც იყენებენ ასოცირებულ ნავთობგაზს, როგორც საწვავს, გზას უხსნის რადიკალურ და ეკონომიურ გადაწყვეტას 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. ცეცხლმოკიდებული ქიმიური რეაქციის გამო, რომელიც საფუძვლად უდევს საწვავის უჯრედის ფუნქციონირებას, 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 მინდვრების მახლობლად 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 უჯრედების თბოელექტროსადგურები არ ქმნიან ხმაურს, არ ვიბრირებენ,

საწვავის უჯრედები წყალბადის საწვავის ენერგიის ელექტროქიმიურად გარდაქმნის გზაა 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 მიდგომა შეიძლება იყოს უფრო მწვანე, 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) - ის არ აძლევს წყალბადს და ჟანგბადს გავლის საშუალებას;
• ჟანგბადისა და წყალბადის ნაკადის ველები, რომლებიც პასუხისმგებელნი არიან ამ გაზების ელექტროდამდე მიწოდებაზე.

მაგალითად, მანქანის კვებისათვის, 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 წლებამდე მიდის, როდესაც პირველი წყალბადის საწვავის უჯრედი შეიქმნა უილიამ რ. გროვის მიერ. 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 ძირითადი წყარო კოსმოსური ფრენების დროს აპოლონის პროგრამაში.

ისინი აირჩია NASA-მ მათი გამძლეობისა და ტექნიკური სტაბილურობის გამო. ისინი იყენებდნენ ჰიდროქსიდის გამტარ მემბრანას, 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 მავთულის ჩანაცვლება ნახშირბადზე დაფუძნებული ელექტროდებით პლატინის ნანონაწილაკებით; 2) მაღალი გამტარობისა და სელექციურობის მემბრანების გამოგონება, როგორიცაა ნაფიონი, იონის ტრანსპორტირების გასაადვილებლად; 3) კატალიზური ფენის გაერთიანება, მაგალითად, პლატინის ნანონაწილაკები, განაწილებული ნახშირბადის ბაზაზე, იონგამცვლელი მემბრანებით, რის შედეგადაც წარმოიქმნება მემბრანა-ელექტროდის ერთეული მინიმალური შიდა წინააღმდეგობით; 4) ნაკადის ველების გამოყენება და ოპტიმიზაცია წყალბადისა და ჟანგბადის კატალიზურ ზედაპირზე გადასატანად, 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 მეტალის კატალიზატორი სტაბილურია, 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 დაჟანგვის და ჟანგბადის შემცირების რეაქციების ახალი ანოდური და კათოდური კატალიზატორების შემუშავებას, მათი კიდევ უფრო ეფექტური დაჩქარების მიზნით. გარდა ამისა, ლაბორატორია ავითარებს ჰიდროქსიდის გაცვლის ახალ 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, რომელსაც, ყოველ შემთხვევაში, თეორიულად, არ ექნება ზედმეტი ძაბვის დანაკარგები. მიუხედავად იმისა, რომ ამ რეაქციის სიჩქარე დაბალია, მჟავე გარემოდან ტუტე გარემოზე 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 არ გამოიმუშავებს სათბურის გაზებს მათი საქმიანობის შედეგად. უფრო მეტიც, მათი საწვავი (წყალბადი) პრინციპში განახლებადია, რადგან მისი მიღება შესაძლებელია წყლის ჰიდროლიზით. ამრიგად, წყალბადის საწვავის უჯრედები მომავალში 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 საჭირო იქნება. ანუ, თუ ისინი გამოიყენება, მაგალითად, სატრანსპორტო საშუალებების სფეროში, მაშინ მომხმარებლის მხრიდან ცვლილებები თითქმის არ იქნება. მზის ენერგიისა და ქარისგან განსხვავებით, საწვავის უჯრედებს შეუძლიათ ენერგიის უწყვეტი წარმოება 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, შესაბამისად, უნდა ინახებოდეს ძალიან მაღალ წნევაზე, რომ გამოიყენოს მანქანებში. წინააღმდეგ შემთხვევაში, საწვავის საჭირო რაოდენობის შესანახად კონტეინერის ზომა შეუძლებლად 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 K ტემპერატურაზე და წნევა 13,3 ატმოსფეროზე, ანუ კრიტიკულ მნიშვნელობებზე) და ეს ახლა ყველაზე მოსახერხებელი ვარიანტია.

რეგიონის პერსპექტივები

მზის ენერგიის გამოყენებით წყლისგან წყალბადის მიღების არსებული ტექნიკური სირთულეებისა და პრობლემების გამო, უახლოეს მომავალში კვლევა სავარაუდოდ ძირითადად წყალბადის ალტერნატიული წყაროების მოძიებაზე იქნება ორიენტირებული. ერთ-ერთი პოპულარული იდეაა წყალბადის ნაცვლად უშუალოდ საწვავის უჯრედში ამიაკის (წყალბადის ნიტრიდის) გამოყენება, ან ამიაკისგან წყალბადის დამზადება. ამის მიზეზი ის არის, რომ ამიაკი ნაკლებად მომთხოვნია წნევის მხრივ, რაც მის შენახვასა და გადაადგილებას უფრო მოხერხებულს ხდის. გარდა ამისა, ამიაკი მიმზიდველია, როგორც წყალბადის წყარო, რადგან ის 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 დროისთვის 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.

ქიმიური პროცესები საწვავის უჯრედში

საწვავის უჯრედები იყენებენ ელექტროქიმიურ პროცესს ჰაერიდან წყალბადთან ჟანგბადთან შერწყმისთვის. ბატარეების მსგავსად, საწვავის უჯრედები იყენებენ ელექტროდებს (მყარი ელექტროგამტარები) 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 ელექტროენერგიის სისტემაში (შედგება ელექტრული დენის გადამყვანისა და AC ინდუქციური ძრავისგან), რათა უზრუნველყოს მექანიკური ენერგია მანქანის ასაწევად. დენის გადამყვანის ამოცანაა საწვავის უჯრედების მიერ წარმოებული პირდაპირი დენის გარდაქმნა ალტერნატიულ დენად, რომელსაც იყენებს ავტომობილის წევის ძრავა.

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

პროტონის 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 შევიდეს წყალბადთან და ჟანგბადთან. კატალიზატორის პლატინით დაფარული მხარე არის პროტონების გაცვლის მემბრანის (POM) წინ.
წყალბადის გაზი (H 2 ) მიეწოდება საწვავის უჯრედს ზეწოლის ქვეშ ანოდის მხრიდან. როდესაც H2 მოლეკულა შედის კონტაქტში კატალიზატორის პლატინასთან, ის იყოფა ორ ნაწილად, ორ იონად (H+) და ორ ელექტრონად (e–). ელექტრონები ატარებენ ანოდს, სადაც ისინი გადიან გარე წრეში (წრეში), აკეთებენ სასარგებლო სამუშაოს (მაგალითად, 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 ტექნოლოგიებისა და მასალების მუდმივმა გაუმჯობესებამ მათი სიმძლავრე მიახლოვა იმ დონემდე, რომ 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 ავტომობილების დიზაინის შემუშავებაში. ბევრმა უკვე აჩვენა საწვავის უჯრედების მანქანები დამაკმაყოფილებელი სიმძლავრით და დინამიური მახასიათებლებით, 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 ელექტროენერგიის 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 გამოუშვა Honda FCX-V4 მანქანების მცირე პარტია პროტონების გაცვლის საწვავის უჯრედებით. მემბრანის ტიპიბალარდის ფირმა. ეს საწვავის უჯრედები გამოიმუშავებს 78 კვტ ელექტროენერგიაამძრავი ბორბლების გადასაადგილებლად გამოიყენება წევის ძრავები 60 კვტ სიმძლავრისა და ბრუნვის 272 ნმ.საწვავის უჯრედის მანქანას, ტრადიციულ მანქანასთან შედარებით, აქვს დაახლოებით 40%-ით ნაკლები მასა, რაც მას შესანიშნავად უზრუნველყოფს. დინამიკა და შეკუმშული წყალბადის მიწოდება იძლევა 355 კმ-მდე გაშვების შესაძლებლობას.

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 იღებს. 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 მანქანების მართვის სისტემები უახლესი ტექნოლოგიაელექტრონული კონტროლი მავთულით. Hy Wire მანქანის შასი არის თხელი პლატფორმა, რომელიც შეიცავს მანქანის ყველა ძირითად სტრუქტურულ ელემენტს: წყალბადის ცილინდრებს, საწვავის უჯრედებს, ბატარეებს, ელექტროძრავებს და მართვის სისტემებს. დიზაინის ეს მიდგომა შესაძლებელს ხდის მანქანის ძარის შეცვლას ექსპლუატაციის დროს.კომპანია ასევე ამოწმებს Opel-ის საწვავის უჯრედების ექსპერიმენტულ 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 გამოყენებასთან დაკავშირებით, 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. Საწვავის ავზიეს მანქანა 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.
გასული საუკუნის განმავლობაში მანქანებში დომინირებულ შიდა წვის ძრავები, რომლებიც მიზნად ისახავს მანქანების შექმნას ალტერნატიული საწვავის და ალტერნატიული მამოძრავებელი სისტემების გამოყენებით, მიზნად ისახავს მრავალი განვითარების გაჩენას. მათ ფართო გამოყენებას ამჟამად აფერხებს არა ტექნიკური, არამედ ეკონომიკური და სოციალური პრობლემები. მათი ფართო გამოყენებისთვის საჭიროა გარკვეული ინფრასტრუქტურის შექმნა ალტერნატიული საწვავის წარმოების განვითარებისთვის, ახალი ბენზინგასამართი სადგურების შექმნისა და გავრცელებისათვის და რიგი ფსიქოლოგიური ბარიერების გადალახვა. წყალბადის, როგორც სატრანსპორტო საწვავად გამოყენება მოითხოვს შენახვის, მიწოდების 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 გავა.

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 წინა სერიულ 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 ელექტროენერგიად უშუალოდ ელექტროქიმიური რეაქციის პროცესში, განსხვავებით ტრადიციული ტექნოლოგიებისგან, რომლებიც იყენებენ მყარი, თხევადი და აირისებრი საწვავის წვას. საწვავის პირდაპირი ელექტროქიმიური გადაქცევა ძალიან 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 წყალბადის შემცველი სხვა ნედლეულიც, როგორიცაა ბუნებრივი აირი, ამიაკი, მეთანოლი ან ბენზინი. ჩვეულებრივი ჰაერი გამოიყენება ჟანგბადის წყაროდ, რაც ასევე აუცილებელია რეაქციისთვის.

როდესაც სუფთა წყალბადი გამოიყენება საწვავად, რეაქციის პროდუქტები, ელექტროენერგიის გარდა, 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 საწვავის უჯრედების ენერგოეფექტურობის თერმოდინამიკური შეზღუდვა. საწვავის უჯრედების ეფექტურობა შეადგენს 50%-ს, ხოლო შიდა წვის ძრავების ეფექტურობა 12-15%-ს, 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 ნაწილში ისინი არ საჭიროებენ სპეციალურ ნებართვას სამთავრობო ჰაერის ხარისხის სააგენტოებიდან.

საწვავის უჯრედები შეიძლება განთავსდეს პირდაპირ შენობაში, რითაც შემცირდება ენერგიის გადაცემის დანაკარგები და 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 მისი წარმოქმნისა და ტრანსპორტირების სპეციალური ინფრასტრუქტურის შექმნას. 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 გამონაბოლქვს ატმოსფეროში (თუმცა ძალიან დაბალი) და ართულებს (და შესაბამისად ზრდის) საწვავის უჯრედს. სამომავლოდ განიხილება ეკოლოგიურად სუფთა განახლებადი ენერგიის წყაროების (მაგალითად, მზის ენერგია ან ქარის ენერგია) გამოყენების შესაძლებლობა ელექტროლიზით 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. საწვავის უჯრედების მხოლოდ ელექტროენერგიის გამოსამუშავებლად 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 გროვმა (1811-1896) აღმოაჩინა, რომ ელექტროლიზის პროცესი - წყლის დაშლა წყალბადად და ჟანგბადად ელექტრული დენის საშუალებით - შექცევადია, ანუ წყალბადი და ჟანგბადი შეიძლება გაერთიანდეს წყლის მოლეკულებში წვის გარეშე, მაგრამ სითბოს და ელექტრო დენის გათავისუფლება. გროვმა მოწყობილობას, რომელშიც ასეთი რეაქცია განხორციელდა, "გაზის ბატარეა" უწოდა, 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 (National Aeronautics and Space Administration, 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 წყალბადის 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 ნომინალური სიმძლავრით 200 კვტ მიეკუთვნება ფოსფორის მჟავაზე დაფუძნებული ელექტროლიტის მქონე უჯრედებს (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 მიღებული 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 PAFC ტიპის სრულად ავტომატური საწვავის უჯრედი 200 კვტ სიმძლავრით, შექმნილია უშუალოდ მომსახურე ობიექტზე დასაყენებლად, 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.

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 გამოყენებით წყალბადისა და ჟანგბადის წარმოებისთვის წყლისგან ელექტროლიზის გზით. წყალბადი შემდეგ გამოიყენება საწვავის უჯრედებში, რათა გამოიმუშაოს ელექტრო ენერგია და ცხელი წყალი. 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.

ჟანგვითი პროცესი ხდება ანოდზე, ხოლო რედუქციის პროცესი ხდება კათოდზე. PEM უჯრედში ანოდი და კათოდი 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).

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 ელექტრონის 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

მოდით 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 - ელექტროენერგიის წარმოების განყოფილება - არის დასტა, რომელიც შედგება 256 ინდივიდუალური საწვავის უჯრედისგან. საწვავის უჯრედების ელექტროდების შემადგენლობა მოიცავს პლატინის კატალიზატორს. ამ უჯრედების მეშვეობით წარმოიქმნება 1400 ამპერის პირდაპირი ელექტრული დენი 155 ვოლტის 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 არის ეგზოთერმული, 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 უჯრედის დასტადან მიემართება სანთურს, რომელიც ინარჩუნებს რეფორმატორს საჭირო 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, რომელიც შემდეგ გამოიყენება გათბობის წყაროდ გათბობისთვის, ცხელი წყლით მომარაგებისთვის და მსგავსი მიზნებისთვის. ამრიგად, ასეთი ქარხნის მთლიანი ეფექტურობა შეიძლება 80% -ს მიაღწიოს.

სითბოს და ელექტროენერგიის ასეთი წყაროს მნიშვნელოვანი უპირატესობაა მისი შესაძლებლობა ავტომატური ოპერაცია. ტექნიკური მომსახურებისთვის, 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. საწვავის უჯრედები ორთოფოსფორულ (ფოსფორის) მჟავაზე (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. საწვავის უჯრედები გამდნარ კარბონატზე დაფუძნებული (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 მიზნებისათვის შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვა ტიპის საწვავის უჯრედები.

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, ვინაიდან 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 კოსმოსურ ხომალდზე.

ამ ტიპის საწვავის უჯრედი გამოიყენება ენერგიის წყაროდ სხვადასხვა მოწყობილობების ფართო სპექტრისთვის, 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.

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% -ს.

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. Ყველაზე დიდი აპარატურაამ ტიპის ტესტირება მიმდინარეობს იაპონიაში მდებარე 11 მეგავატი სიმძლავრის ელექტროსადგურად.

ფოსფორის მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედები ასევე გამოიყენება მანქანებში ენერგიის წყაროდ. მაგალითად, 1994 წელს H-Power Corp.-მ, ჯორჯთაუნის უნივერსიტეტმა და აშშ-ს 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 მაღალი საწვავის 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, წარმოქმნის 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 შეიქმნა 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-ის ენერგეტიკის დეპარტამენტმა დაიწყო კვლევა სტაციონარული გამდნარი კარბონატის საწვავის უჯრედის შესაქმნელად, რომელიც შესაფერისია პრაქტიკული გამოყენება. 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 მუშაობენ 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, რომლებიც დაფუძნებულია PAFC და MCFC ტექნოლოგიებზე. 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 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 გამოიყოფა ბუნებრივი აირიდან 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. (ახლა "Siemens Westinghouse Power Corporation"), გააგრძელა მუშაობა. კომპანია ამჟამად იღებს წინასწარ შეკვეთებს ტუბულარული ტოპოლოგიის მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედის კომერციული მოდელისთვის (სურათი 15). ასეთი ელემენტების ბაზრის სეგმენტი არის სტაციონარული დანადგარები 250 კვტ-დან 5 მგვტ-მდე სიმძლავრის თერმული და ელექტრო ენერგიის წარმოებისთვის.

SOFC ტიპის საწვავის უჯრედებმა აჩვენეს ძალიან მაღალი საიმედოობა. მაგალითად, Siemens Westinghouse-ის საწვავის უჯრედის პროტოტიპს 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 გამომუშავებისთვის. პირველი ასეთი ჰიბრიდული ქარხანა ფუნქციონირებს ირვინში, კალიფორნიაში. ამ ქარხნის ნომინალური სიმძლავრეა 220 კვტ, საიდანაც 200 კვტ საწვავის უჯრედიდან და 20 კვტ მიკროტურბინის გენერატორიდან.