სხვადასხვა ტიპის ძრავების არსებობის მსგავსად შიგაწვის, არსებობს სხვადასხვა ტიპის საწვავის უჯრედები – არჩევანი შესაფერისი ტიპისაწვავის უჯრედი დამოკიდებულია მის გამოყენებაზე.
საწვავის უჯრედებიიყოფა მაღალ და დაბალ ტემპერატურად. დაბალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედებიმოითხოვს შედარებით სუფთა წყალბადს, როგორც საწვავს. 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 უჯრედებიარ სჭირდებათ ეს დამატებითი პროცედურა, რადგან მათ შეუძლიათ საწვავის „შინაგანად გარდაქმნა“ ამაღლებულ ტემპერატურაზე, რაც იმას ნიშნავს, რომ არ არის საჭირო წყალბადის ინფრასტრუქტურაში ინვესტირება.
საწვავის უჯრედები გამდნარ კარბონატზე (MCFC)
გამდნარი კარბონატის ელექტროლიტის საწვავის უჯრედები მაღალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედებია. მაღალი სამუშაო ტემპერატურა საშუალებას იძლევა ბუნებრივი აირის პირდაპირი გამოყენება საწვავის პროცესორის და დაბალი კალორიული ღირებულების საწვავის გაზის გარეშე წარმოების პროცესებიდა სხვა წყაროებიდან. ეს პროცესი განვითარდა 1960-იანი წლების შუა ხანებში. მას შემდეგ გაუმჯობესდა წარმოების ტექნოლოგია, შესრულება და საიმედოობა.
RCFC-ის მოქმედება განსხვავდება სხვა საწვავის უჯრედებისგან. ეს უჯრედები იყენებენ ელექტროლიტს გამდნარი კარბონატის მარილების ნარევიდან. ამჟამად გამოიყენება ორი სახის ნარევები: ლითიუმის კარბონატი და კალიუმის კარბონატი ან ლითიუმის კარბონატი და ნატრიუმის კარბონატი. კარბონატული მარილების დნობა და მივაღწიოთ მაღალი ხარისხიელექტროლიტში იონების მოძრაობა, საწვავის უჯრედები გამდნარი კარბონატის ელექტროლიტით 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 / 2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
ზოგადი ელემენტის რეაქცია: H 2 (გ) + 1/2 O 2 (გ) + CO 2 (კათოდი) => H 2 O (გ) + CO 2 (ანოდი)
გამდნარი კარბონატის ელექტროლიტის საწვავის უჯრედების მაღალ სამუშაო ტემპერატურას აქვს გარკვეული უპირატესობები. მაღალ ტემპერატურაზე ბუნებრივი აირი შინაგანად რეფორმირებულია, რაც გამორიცხავს საწვავის პროცესორის საჭიროებას. გარდა ამისა, უპირატესობებში შედის სამშენებლო სტანდარტული მასალების გამოყენების შესაძლებლობა, როგორიცაა უჟანგავი ფოლადის ფურცელი და ნიკელის კატალიზატორი ელექტროდებზე. ნარჩენი სითბო შეიძლება გამოყენებულ იქნას მაღალი წნევის ორთქლის შესაქმნელად სხვადასხვა სამრეწველო და კომერციული 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 უჯრედების დაზიანებას ნახშირორჟანგით, „მოწამვლა“ და ა.შ.
გამდნარი კარბონატის საწვავის უჯრედები შესაფერისია დიდი სტაციონარული დანადგარების გამოსაყენებლად. თბოელექტროსადგურები, რომელთა გამომავალი ელექტრო სიმძლავრეა 2,8 მეგავატი, წარმოებულია ინდუსტრიულად. მუშავდება 100 მგვტ-მდე გამომავალი სიმძლავრის სადგურები.
ფოსფორის მჟავის საწვავის უჯრედები (PFC)
ფოსფორის (ორთოფოსფორის) მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედები იყო პირველი საწვავის უჯრედები კომერციული გამოყენებისთვის. ეს პროცესი განვითარდა 1960-იანი წლების შუა ხანებში და აპრობირებულია 1970-იანი წლებიდან. მას შემდეგ გაიზარდა სტაბილურობა, შესრულება და ღირებულება.
ფოსფორის (ორთოფოსფორის) მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედები იყენებენ ელექტროლიტს ორთოფოსფორის მჟავაზე (H 3 PO 4) 100%-მდე კონცენტრაციით. ფოსფორის მჟავას იონური გამტარობა დაბალია დაბალ ტემპერატურაზე, ამიტომ ეს საწვავის უჯრედები გამოიყენება 150-220°C-მდე ტემპერატურაზე.
ამ ტიპის საწვავის უჯრედებში მუხტის მატარებელია წყალბადი (H+, პროტონი). მსგავსი პროცესი ხდება პროტონების გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედებში (MEFC), რომელშიც ანოდში 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 2H 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 დიზაინიელექტროლიტების დაბალი არასტაბილურობა და გაზრდილი სტაბილურობა ასევე ამ ტიპის საწვავის უჯრედის უპირატესობაა.
თბოელექტროსადგურები, რომელთა გამომავალი ელექტრო სიმძლავრე 400 კვტ-მდეა, წარმოებულია ინდუსტრიულად. 11 მგვტ სიმძლავრის დანადგარებმა გავლილი აქვთ შესაბამისი ტესტები. მუშავდება 100 მგვტ-მდე გამომავალი სიმძლავრის სადგურები.
საწვავის უჯრედები პროტონული გაცვლის მემბრანით (PME)
პროტონების გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედები ითვლება საწვავის უჯრედების საუკეთესო ტიპად ავტომობილის ენერგიის წარმოებისთვის, რომელსაც შეუძლია შეცვალოს ბენზინისა და დიზელის შიდა წვის ძრავები. ეს საწვავის უჯრედები პირველად გამოიყენა ნასამ Gemini პროგრამისთვის. დღეს შემუშავებული და დემონსტრირებულია ინსტალაციები MOPFC-ზე 1 W-დან 2 კვტ-მდე სიმძლავრით.
ეს საწვავის უჯრედები ელექტროლიტად იყენებენ მყარ პოლიმერულ მემბრანას (თხელი პლასტიკური ფილმი). წყლით გაჟღენთვისას ეს პოლიმერი გადის პროტონებს, მაგრამ არ ატარებს ელექტრონებს.
საწვავი არის წყალბადი, ხოლო მუხტის მატარებელი არის წყალბადის იონი (პროტონი). ანოდზე წყალბადის მოლეკულა იყოფა წყალბადის იონად (პროტონად) და ელექტრონებად. წყალბადის იონები ელექტროლიტის გავლით კათოდში გადადიან, ხოლო ელექტრონები მოძრაობენ გარე წრის გარშემო და წარმოქმნიან ელექტრული ენერგია. ჟანგბადი, რომელიც მიიღება ჰაერიდან, მიეწოდება კათოდს და ერწყმის ელექტრონებსა და წყალბადის იონებს და წარმოქმნის წყალს. ელექტროდებზე ხდება შემდეგი რეაქციები:
რეაქცია ანოდზე: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
რეაქცია კათოდზე: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
ზოგადი ელემენტის რეაქცია: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
საწვავის უჯრედების სხვა ტიპებთან შედარებით, პროტონების გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედები აწარმოებენ მეტ ენერგიას საწვავის უჯრედის მოცემული მოცულობის ან წონისთვის. ეს ფუნქცია საშუალებას აძლევს მათ იყოს კომპაქტური და მსუბუქი. გარდა ამისა, სამუშაო ტემპერატურა 100°C-ზე ნაკლებია, რაც საშუალებას გაძლევთ სწრაფად დაიწყოთ მუშაობა. ეს მახასიათებლები, ისევე როგორც ენერგიის გამომუშავების სწრაფად შეცვლის შესაძლებლობა, მხოლოდ რამდენიმე მახასიათებელია, რაც ამ საწვავის უჯრედებს სატრანსპორტო საშუალებებში გამოყენების მთავარ კანდიდატად აქცევს.
კიდევ ერთი უპირატესობა ის არის, რომ ელექტროლიტი არის მყარი და არა თხევადი ნივთიერება. გაზების შენახვა კათოდსა და ანოდში უფრო ადვილია მყარი ელექტროლიტით და, შესაბამისად, ასეთი საწვავის უჯრედების წარმოება უფრო იაფია. სხვა ელექტროლიტებთან შედარებით, მყარი ელექტროლიტის გამოყენება არ იწვევს ისეთ პრობლემებს, როგორიცაა ორიენტაცია, ნაკლებია პრობლემები კოროზიის წარმოქმნის გამო, რაც იწვევს უჯრედისა და მისი კომპონენტების უფრო მეტ გამძლეობას.
მყარი ოქსიდის საწვავის 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 ოქსიდის საწვავის უჯრედების გამოყენების ტექნოლოგია 1950-იანი წლების ბოლოდან განვითარდა. და აქვს ორი კონფიგურაცია: პლანშეტური და მილისებური.
მყარი ელექტროლიტი უზრუნველყოფს გაზის ჰერმეტულ გადასვლას ერთი ელექტროდიდან მეორეზე, ხოლო თხევადი ელექტროლიტები განლაგებულია ფოროვან სუბსტრატში. ამ ტიპის საწვავის უჯრედებში მუხტის მატარებელია ჟანგბადის იონი (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 - => 2O 2 -
ზოგადი ელემენტის რეაქცია: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
გამომუშავებული ელექტროენერგიის ეფექტურობა ყველაზე მაღალია საწვავის უჯრედებს შორის - დაახლოებით 60%. გარდა ამისა, მაღალი სამუშაო ტემპერატურა იძლევა სითბოს და ენერგიის კომბინირებულ გამომუშავებას მაღალი წნევის ორთქლის წარმოქმნით. მაღალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედის ტურბინასთან შერწყმა ქმნის ჰიბრიდულ საწვავის უჯრედს, რათა გაზარდოს ელექტროენერგიის გამომუშავების ეფექტურობა 70%-მდე.
მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები 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 პირდაპირი მეთანოლის დაჟანგვით (DOMTE)
საწვავის უჯრედების გამოყენების ტექნოლოგია მეთანოლის პირდაპირი დაჟანგვით გადის აქტიური განვითარების პერიოდს. მან წარმატებით დაიმკვიდრა თავი კვების სფეროში მობილური ტელეფონები, ლეპტოპები, ასევე ელექტროენერგიის პორტატული წყაროების შექმნა. 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 / 2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
ზოგადი ელემენტის რეაქცია: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O
ამ საწვავის უჯრედების განვითარება დაიწყო 1990-იანი წლების დასაწყისში. გაუმჯობესებული კატალიზატორების შემუშავების შემდეგ და სხვა ბოლო ინოვაციების წყალობით, სიმძლავრის სიმკვრივე და ეფექტურობა გაიზარდა 40%-მდე.
ამ ელემენტების ტესტირება მოხდა 50-120°C ტემპერატურის დიაპაზონში. დაბალი ოპერაციული ტემპერატურისა და გადამყვანის საჭიროების გარეშე, პირდაპირი მეთანოლის საწვავის უჯრედები საუკეთესო კანდიდატია აპლიკაციებისთვის, დაწყებული მობილური ტელეფონებიდან და სხვა სამომხმარებლო პროდუქტებით დამთავრებული საავტომობილო ძრავებით. 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 (ALFC) არის ერთ-ერთი ყველაზე შესწავლილი ტექნოლოგია და გამოიყენება 1960-იანი წლების შუა პერიოდიდან. NASA-ს მიერ Apollo-სა და Space Shuttle-ის პროგრამებში. ამ კოსმოსურ ხომალდზე საწვავის უჯრედები აწარმოებენ ელექტრო ენერგიას და წყლის დალევა. 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 გადადის 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 - \u003d\u003e 4OH -
სისტემის ზოგადი რეაქცია: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
SFC-ების უპირატესობა ისაა, რომ ეს საწვავის უჯრედები წარმოებისთვის ყველაზე იაფია, რადგან ელექტროდებზე საჭირო კატალიზატორი შეიძლება იყოს ნებისმიერი ნივთიერება, რომელიც უფრო იაფია, ვიდრე სხვა საწვავის უჯრედების კატალიზატორად გამოყენებული. გარდა ამისა, SCFC-ები მუშაობენ შედარებით დაბალ ტემპერატურაზე და არიან ერთ-ერთი ყველაზე ეფექტური საწვავის უჯრედები - ასეთმა მახასიათებლებმა შეიძლება შესაბამისად შეუწყოს ხელი ელექტროენერგიის 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 CH 4, რომლებიც უსაფრთხოა სხვა საწვავის უჯრედებისთვის და ზოგიერთი მათგანისთვის საწვავიც კი, საზიანოა SFC-სთვის.
პოლიმერული ელექტროლიტური საწვავის უჯრედები (PETE)
პოლიმერული ელექტროლიტური საწვავის უჯრედების შემთხვევაში, პოლიმერული მემბრანა შედგება პოლიმერული ბოჭკოებისგან წყლის რეგიონებით, რომლებშიც წყლის მოლეკულაზე მიმაგრებულია წყლის იონების H 2 O + (პროტონი, წითელი) გამტარობა. 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 (SCFC)
მყარი მჟავა საწვავის უჯრედებში ელექტროლიტი (C s HSO 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.
| საწვავის უჯრედის ტიპი | სამუშაო ტემპერატურა | ენერგიის გამომუშავების ეფექტურობა | საწვავის ტიპი | განაცხადის არეალი |
|---|---|---|---|---|
| RKTE | 550–700°C | 50-70% | საშუალო და დიდი დანადგარები | |
| FKTE | 100–220°C | 35-40% | სუფთა წყალბადი | დიდი დანადგარები |
| MOPTE | 30-100°C | 35-50% | სუფთა წყალბადი | მცირე დანადგარები |
| SOFC | 450–1000°C | 45-70% | ნახშირწყალბადის საწვავის უმეტესობა | მცირე, საშუალო და დიდი დანადგარები |
| POMTE | 20-90°C | 20-30% | მეთანოლი | პორტატული ერთეულები |
| შტე | 50–200°C | 40-65% | სუფთა წყალბადი | კოსმოსური კვლევა |
| პეტი | 30-100°C | 35-50% | სუფთა წყალბადი | მცირე დანადგარები |
Ნაწილი 1
ამ სტატიაში უფრო დეტალურად განიხილება საწვავის უჯრედების მუშაობის პრინციპი, მათი დიზაინი, კლასიფიკაცია, უპირატესობები და უარყოფითი მხარეები, ფარგლები, ეფექტურობა, შექმნის ისტორია და გამოყენების თანამედროვე პერსპექტივები. სტატიის მეორე ნაწილში, რომელიც გამოქვეყნდება ჟურნალ ABOK-ის მომდევნო ნომერში, მოცემულია ობიექტების მაგალითები, სადაც სხვადასხვა ტიპის საწვავის უჯრედები გამოიყენებოდა სითბოს და ელექტროენერგიის (ან მხოლოდ ელექტროენერგიის) წყაროდ.
შესავალი
საწვავის უჯრედები ენერგიის გამომუშავების ძალიან ეფექტური, საიმედო, გამძლე და ეკოლოგიურად სუფთა გზაა.
თავდაპირველად მხოლოდ კოსმოსურ ინდუსტრიაში გამოიყენებოდა, საწვავის უჯრედები ახლა სულ უფრო ხშირად გამოიყენება სხვადასხვა სფეროში - როგორც სტაციონარული ელექტროსადგურები, შენობების სითბოს და ენერგიის ავტონომიური წყაროები, მანქანების ძრავები, ლეპტოპების და მობილური ტელეფონების ელექტრომომარაგება. ამ მოწყობილობებიდან ზოგიერთი არის ლაბორატორიული პროტოტიპი, ზოგი გადის 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. ჰაერის დამაბინძურებლების ემისიები საწვავის უჯრედების მუშაობის შედეგად იმდენად დაბალია, რომ შეერთებული შტატების ზოგიერთ რაიონში მათ არ სჭირდებათ სპეციალური ნებართვა. სამთავრობო სააგენტოებიჰაერის გარემოს ხარისხის კონტროლი.
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 მინუსი არის მათი შედარებით მაღალი ღირებულება, მაგრამ ეს მინუსი შეიძლება მალე დაიძლიოს, რადგან უფრო მეტი კომპანია აწარმოებს. კომერციული ნიმუშებისაწვავის უჯრედები, ისინი მუდმივად იხვეწება და მათი ღირებულება მცირდება.
სუფთა წყალბადის საწვავად ყველაზე ეფექტური გამოყენება, თუმცა ეს მოითხოვს სპეციალური ინფრასტრუქტურის შექმნას მისი წარმოებისა და ტრანსპორტირებისთვის. ამჟამად, ყველა კომერციული დიზაინი იყენებს ბუნებრივ აირს და მსგავს საწვავს. საავტომობილო მანქანებს შეუძლიათ გამოიყენონ ჩვეულებრივი ბენზინი, რაც საშუალებას მისცემს შეინარჩუნოს ბენზინგასამართი სადგურების არსებული განვითარებული ქსელი. თუმცა, ასეთი საწვავის გამოყენება იწვევს მავნე გამონაბოლქვს ატმოსფეროში (თუმცა ძალიან დაბალი) და ართულებს (და შესაბამისად ზრდის) საწვავის უჯრედს. მომავალში, ეკოლოგიურად სუფთა განახლებადი ენერგიის წყაროების გამოყენების შესაძლებლობა (მაგ. მზის ენერგიაან ქარის ენერგია) წყლის დაშლა წყალბადად და ჟანგბადად ელექტროლიზით და შემდეგ მიღებული საწვავის გადაქცევა საწვავის უჯრედში. 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 ელექტროენერგიისთვის საბჭოთა გემიმრავალჯერადი გამოყენებადი "ბურანი".
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.
| ცხრილი 1 საწვავის უჯრედების ფარგლები |
|||||||||||||||
|
საწვავის უჯრედების ზოგიერთ სახეობაში ქიმიური პროცესი შეიძლება შეიცვალოს: ელექტროდებზე პოტენციური განსხვავების გამოყენებით, წყალი შეიძლება დაიშალოს წყალბადად და ჟანგბადად, რომლებიც გროვდება ფოროვან ელექტროდებზე. როდესაც დატვირთვა უკავშირდება, ასეთი რეგენერაციული საწვავის უჯრედი დაიწყებს ელექტრო ენერგიის გამომუშავებას.
საწვავის უჯრედების გამოყენების პერსპექტიული მიმართულებაა მათი გამოყენება განახლებადი ენერგიის წყაროებთან ერთად, როგორიცაა ფოტოელექტრული პანელები ან ქარის ტურბინები. ეს ტექნოლოგია საშუალებას გაძლევთ სრულად აიცილოთ ჰაერის დაბინძურება. მსგავსი სისტემის შექმნა იგეგმება, მაგალითად, ადამ ჯოზეფ ლუისის სასწავლო ცენტრში ობერლინში (იხ. ABOK, 2002, No. 5, გვ. 10). ამჟამად, როგორც ენერგიის ერთ-ერთი წყარო ამ შენობაში, მზის პანელები. NASA-ს სპეციალისტებთან ერთად შემუშავდა პროექტი ფოტოელექტრული პანელების გამოყენებით წყალბადისა და ჟანგბადის წარმოებისთვის წყლისგან ელექტროლიზის გზით. შემდეგ წყალბადი გამოიყენება საწვავის უჯრედებში ელექტროენერგიისა და ცხელი წყლის გამოსამუშავებლად. ეს საშუალებას მისცემს შენობას შეინარჩუნოს ყველა სისტემის მუშაობა მოღრუბლულ დღეებში და ღამით.
საწვავის უჯრედების მუშაობის პრინციპი
მაგალითისთვის განვიხილოთ საწვავის უჯრედის მუშაობის პრინციპი პროტონის გაცვლის მემბრანის უმარტივესი ელემენტის გამოყენებით (Proton Exchange Membrane, PEM). ასეთი ელემენტი შედგება პოლიმერული მემბრანისგან, რომელიც მოთავსებულია ანოდსა (დადებით ელექტროდს) და კათოდს (უარყოფითი ელექტროდი) შორის ანოდთან და კათოდის კატალიზატორებთან ერთად. ელექტროლიტად გამოიყენება პოლიმერული მემბრანა. PEM ელემენტის დიაგრამა ნაჩვენებია ნახ. 5.
პროტონების გაცვლის მემბრანა (PEM) არის თხელი (დაახლოებით 2-7 ფურცელი ჩვეულებრივი ქაღალდის სისქის) მყარი ორგანული ნაერთი. ეს მემბრანა ფუნქციონირებს როგორც ელექტროლიტი: წყლის თანდასწრებით ის ყოფს მატერიას დადებითად და უარყოფითად დამუხტულ იონებად.
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).
სურათი 5 () პროტონების გაცვლის მემბრანის (PEM) საწვავის უჯრედის სქემატური დიაგრამა |
|
სურათი 6 () წყალბადის მოლეკულები ფირფიტის არხებით შედიან ანოდში, სადაც მოლეკულები იშლება ცალკეულ ატომებად. |
|
სურათი 7 () კატალიზატორის თანდასწრებით ქიმისორბციის შედეგად წყალბადის ატომები გარდაიქმნება პროტონებად. |
|
Ფიგურა 8 () დადებითად დამუხტული წყალბადის იონები მემბრანის გავლით კათოდში დიფუზირდება და ელექტრონის ნაკადი მიმართულია კათოდში გარე ელექტრული წრედის მეშვეობით, რომელსაც დატვირთვა უკავშირდება. |
|
სურათი 9 () ჟანგბადი, რომელიც მიეწოდება კათოდს, კატალიზატორის თანდასწრებით, შედის ქიმიურ რეაქციაში წყალბადის იონებთან პროტონების გაცვლის მემბრანიდან და ელექტრონები გარე ელექტრული წრედან. წყალი წარმოიქმნება ქიმიური რეაქციის შედეგად |
შემდეგ, კატალიზატორის თანდასწრებით ქიმისორბციის შედეგად, წყალბადის ატომები, რომელთაგან თითოეული გასცემს თითო ელექტრონს e - , გარდაიქმნება დადებითად დამუხტულ წყალბადის იონებად H +, ანუ პროტონებად (ნახ. 7).
დადებითად დამუხტული წყალბადის იონები (პროტონები) მემბრანის მეშვეობით დიფუზირდება კათოდამდე, ხოლო ელექტრონების ნაკადი მიმართულია კათოდისკენ გარე ელექტრული წრედის მეშვეობით, რომელსაც უკავშირდება დატვირთვა (ელექტრული ენერგიის მომხმარებელი) (ნახ. 8).
კათოდში მიწოდებული ჟანგბადი, კატალიზატორის თანდასწრებით, შედის ქიმიურ რეაქციაში წყალბადის იონებთან (პროტონებთან) პროტონების გაცვლის მემბრანიდან და ელექტრონებით გარე ელექტრული წრედან (ნახ. 9). ქიმიური რეაქციის შედეგად წარმოიქმნება წყალი.
ქიმიური რეაქცია სხვა ტიპის საწვავის უჯრედში (მაგალითად, მჟავე ელექტროლიტთან, რომელიც წარმოადგენს ფოსფორმჟავას H 3 PO 4 ხსნარს) აბსოლუტურად იდენტურია საწვავის უჯრედში პროტონული მემბრანის მქონე ქიმიურ რეაქციასთან.
ნებისმიერ საწვავის უჯრედში, ქიმიური რეაქციის ენერგიის ნაწილი გამოიყოფა სითბოს სახით.
ელექტრონების ნაკადი გარე წრეში არის პირდაპირი დენი, რომელიც გამოიყენება სამუშაოს შესასრულებლად. გარე წრედის გახსნა ან წყალბადის იონების მოძრაობის შეჩერება აჩერებს ქიმიურ რეაქციას.
საწვავის უჯრედის მიერ წარმოებული ელექტრული ენერგიის რაოდენობა დამოკიდებულია საწვავის უჯრედის ტიპზე, გეომეტრიულ ზომებზე, ტემპერატურაზე, გაზის წნევაზე. ერთი საწვავის უჯრედი უზრუნველყოფს EMF-ს 1,16 ვ-ზე ნაკლებს. შესაძლებელია საწვავის უჯრედების ზომის გაზრდა, მაგრამ პრაქტიკაში გამოიყენება რამდენიმე უჯრედი, რომლებიც დაკავშირებულია ბატარეებში (ნახ. 10).
საწვავის უჯრედის მოწყობილობა
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 თერმული ენერგია, რომელიც შემდეგ გამოიყენება გათბობის, ცხელი წყლით მომარაგების და მსგავსი მიზნებისათვის სითბოს წყაროდ. ამრიგად, ასეთი ქარხნის მთლიანი ეფექტურობა შეიძლება 80% -ს მიაღწიოს.
სითბოს და ელექტროენერგიის ასეთი წყაროს მნიშვნელოვანი უპირატესობაა მისი ავტომატური მუშაობის შესაძლებლობა. მოვლისთვის, იმ ობიექტის მფლობელებს, რომელზედაც დამონტაჟებულია საწვავის უჯრედი, არ სჭირდებათ სპეციალურად მომზადებული პერსონალის შენარჩუნება - პერიოდული მოვლაშეიძლება განხორციელდეს მოქმედი 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.
ერთ-ერთი ძირითადი თვისება განსხვავებული ტიპებისაწვავის უჯრედი არის სამუშაო ტემპერატურა. მრავალი თვალსაზრისით, ეს არის ტემპერატურა, რომელიც განსაზღვრავს საწვავის უჯრედების მოცულობას. მაგალითად, მაღალი ტემპერატურა გადამწყვეტია ლეპტოპებისთვის, ამიტომ ამ ბაზრის სეგმენტისთვის მუშავდება პროტონული მემბრანის საწვავის უჯრედები დაბალი ოპერაციული ტემპერატურის მქონე.
შენობების ავტონომიური ელექტრომომარაგებისთვის საჭიროა მაღალი დადგმული სიმძლავრის საწვავის უჯრედები და ამავდროულად შესაძლებელია თერმული ენერგიის გამოყენება, შესაბამისად, ამ მიზნებისთვის შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვა ტიპის საწვავის უჯრედებიც.
პროტონის გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედები (PEMFC)
ეს საწვავის უჯრედები მუშაობენ შედარებით დაბალ სამუშაო ტემპერატურაზე (60-160°C). ისინი ხასიათდებიან მაღალი სიმძლავრის სიმკვრივით, საშუალებას გაძლევთ სწრაფად დაარეგულიროთ გამომავალი სიმძლავრე და შეიძლება სწრაფად ჩართოთ. ამ ტიპის ელემენტების მინუსი არის მაღალი მოთხოვნები საწვავის ხარისხზე, 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 პილოტზე კოსმოსური ხომალდიტყუპები.
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 კომპლექსის კვებისათვის ელექტრონული მოწყობილობები. 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.
| მაგიდა 2 საწვავის უჯრედების ტიპები |
||||||||||||||||||||
|
ფოსფორის მჟავის საწვავის უჯრედები (PAFC)
ამ ტიპის საწვავის უჯრედების ტესტები უკვე ჩატარდა 1970-იანი წლების დასაწყისში. სამუშაო ტემპერატურის დიაპაზონი - 150-200 °C. გამოყენების ძირითადი სფეროა სითბოს ავტონომიური წყაროები და საშუალო სიმძლავრის ელექტრომომარაგება (დაახლოებით 200 კვტ).
ამ საწვავის უჯრედებში გამოყენებული ელექტროლიტი არის ფოსფორის მჟავის ხსნარი. ელექტროდები დამზადებულია ნახშირბადით დაფარული ქაღალდისგან, რომელშიც პლატინის კატალიზატორია გაფანტული.
PAFC საწვავის უჯრედების ელექტრული ეფექტურობა არის 37-42%. თუმცა, ვინაიდან ეს საწვავის უჯრედები მუშაობენ საკმარისად მაღალ ტემპერატურაზე, შესაძლებელია ექსპლუატაციის შედეგად წარმოქმნილი ორთქლის გამოყენება. ამ შემთხვევაში, საერთო ეფექტურობა შეიძლება მიაღწიოს 80% -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. ამ ტიპის უმსხვილესი სადგური იაპონიაში მდებარე 11 მეგავატი სიმძლავრის ელექტროსადგურად ტესტირება მიმდინარეობს.
ფოსფორის მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედები ასევე გამოიყენება მანქანებში ენერგიის წყაროდ. მაგალითად, 1994 წელს H-Power Corp.-მ, ჯორჯთაუნის უნივერსიტეტმა და აშშ-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-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტმა დაიწყო კვლევა სტაციონარული გამდნარი კარბონატის საწვავის უჯრედის შესაქმნელად, რომელიც შესაფერისია პრაქტიკული გამოყენებისთვის. 1990-იან წლებში 250 კვტ-მდე სიმძლავრის არაერთი კომერციული ერთეული ამოქმედდა, მაგალითად, აშშ-ს საზღვაო საჰაერო სადგურ მირამარში კალიფორნიაში. 1996 წელს FuelCell Energy, Inc. ამოქმედდა საცდელი ოპერაცია 2 მეგავატიანი პრესერიის 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 სითბოს და ელექტროენერგიის წარმოებისთვის 250 კვტ-დან 5 მგვტ-მდე სიმძლავრით.
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.
შეერთებულმა შტატებმა განახორციელა რამდენიმე ინიციატივა წყალბადის საწვავის უჯრედების, ინფრასტრუქტურისა და ტექნოლოგიების შესაქმნელად, რათა საწვავის უჯრედების მანქანები 2020 წლისთვის გახდეს პრაქტიკული და ეკონომიური. ამ მიზნებისთვის ერთ მილიარდ დოლარზე მეტია გამოყოფილი.
საწვავის უჯრედები გამოიმუშავებენ ელექტროენერგიას მშვიდად და ეფექტურად დაბინძურების გარეშე გარემო. წიაღისეული საწვავის ენერგიის წყაროებისგან განსხვავებით, საწვავის უჯრედების ქვეპროდუქტებია სითბო და წყალი. Როგორ მუშაობს?
ამ სტატიაში ჩვენ მოკლედ მიმოვიხილავთ თითოეულ არსებულს საწვავის ტექნოლოგიებიდღეს, ასევე ისაუბრეთ საწვავის უჯრედების დიზაინსა და ექსპლუატაციაზე, შეადარეთ ისინი ენერგიის წარმოების სხვა ფორმებს. ჩვენ ასევე განვიხილავთ ზოგიერთ დაბრკოლებას, რომელსაც აწყდებიან მკვლევარები საწვავის უჯრედების პრაქტიკული და ხელმისაწვდომი მომხმარებლებისთვის.
საწვავის უჯრედები არის ელექტროქიმიური ენერგიის გარდაქმნის მოწყობილობები. საწვავის უჯრედი გარდაიქმნება ქიმიური ნივთიერებებიწყალბადი და ჟანგბადი წყალში, რომლის პროცესშიც იგი გამოიმუშავებს ელექტროენერგიას.
კიდევ ერთი ელექტროქიმიური მოწყობილობა, რომელსაც ყველა კარგად ვიცნობთ, არის ბატარეა. ბატარეას შიგნით აქვს ყველა საჭირო ქიმიური ელემენტი და ამ ნივთიერებებს ელექტროენერგიად აქცევს. ეს ნიშნავს, რომ ბატარეა საბოლოოდ „კვდება“ და თქვენ ან გადააგდებთ მას, ან იტენით.
საწვავის უჯრედში მასში მუდმივად იკვებება ქიმიკატები, რათა ის არასოდეს „მოკვდეს“. ელექტროენერგია წარმოიქმნება მანამ, სანამ ქიმიკატები შედიან უჯრედში. დღეს გამოყენებული საწვავის უჯრედების უმეტესობა წყალბადს და ჟანგბადს იყენებს.
წყალბადი არის ყველაზე უხვი ელემენტი ჩვენს გალაქტიკაში. თუმცა, წყალბადი პრაქტიკულად არ არსებობს დედამიწაზე მისი ელემენტარული ფორმით. ინჟინრებმა და მეცნიერებმა უნდა ამოიღონ სუფთა წყალბადი წყალბადის ნაერთებიდან, მათ შორის წიაღისეული საწვავიდან ან წყლისგან. ამ ნაერთებიდან წყალბადის გამოსაყვანად საჭიროა ენერგიის დახარჯვა სითბოს ან ელექტროენერგიის სახით.
საწვავის უჯრედების გამოგონება
სერ უილიამ გროვმა გამოიგონა პირველი საწვავის უჯრედი 1839 წელს. გროვმა იცოდა, რომ წყალი შეიძლება დაიყოს წყალბადად და ჟანგბადად მასში ელექტრული დენის გატარებით (პროცესი ე.წ. ელექტროლიზი). მან შესთავაზა, რომ საპირისპირო თანმიმდევრობით, ელექტროენერგიისა და წყლის მიღება შეიძლებოდა. მან შექმნა პრიმიტიული საწვავის უჯრედი და დაარქვა მას გაზის გალვანური ბატარეა. მისი ახალი გამოგონების ექსპერიმენტის შემდეგ, გროვმა დაამტკიცა თავისი ჰიპოთეზა. ორმოცდაათი წლის შემდეგ, მეცნიერებმა ლუდვიგ მონდმა და ჩარლზ ლანგერმა შემოიღეს ეს ტერმინი საწვავის უჯრედებიელექტროენერგიის გამომუშავების პრაქტიკული მოდელის აგების მცდელობისას.
საწვავის უჯრედი კონკურენციას გაუწევს ენერგიის გარდაქმნის ბევრ სხვა მოწყობილობას, მათ შორის გაზის ტურბინებს ურბანულ ელექტროსადგურებში, შიდა წვის ძრავებს მანქანებში და ყველა სახის ბატარეებს. შიდა წვის ძრავები, გაზის ტურბინების მსგავსად, იწვის განსხვავებული სახეობებისაწვავი და გამოიყენოს აირების გაფართოებით შექმნილი წნევა მექანიკური სამუშაოების შესასრულებლად. ბატარეები საჭიროების შემთხვევაში გარდაქმნის ქიმიურ ენერგიას ელექტრო ენერგიად. საწვავის უჯრედებს ეს ამოცანები უფრო ეფექტურად უნდა შეასრულონ.
საწვავის უჯრედი უზრუნველყოფს DC (პირდაპირი დენი) ძაბვას, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას ელექტროძრავების, განათების და სხვა ელექტრო მოწყობილობების გასაძლიერებლად.
საწვავის უჯრედების რამდენიმე განსხვავებული ტიპი არსებობს, თითოეული იყენებს სხვადასხვა ქიმიურ პროცესებს. საწვავის უჯრედები ჩვეულებრივ კლასიფიცირდება მათი მიხედვით ოპერაციული ტემპერატურადა ტიპიელექტროლიტი,რომელსაც ისინი იყენებენ. ზოგიერთი ტიპის საწვავის უჯრედი კარგად არის შესაფერისი სტაციონარული ელექტროსადგურებში გამოსაყენებლად. სხვები შეიძლება სასარგებლო იყოს პატარა პორტატული მოწყობილობებისთვის ან მანქანებისთვის. საწვავის უჯრედების ძირითადი ტიპები მოიცავს:
პოლიმერული მემბრანის საწვავის უჯრედი (PEMFC)
PEMFC ითვლება ყველაზე სავარაუდო კანდიდატად სატრანსპორტო აპლიკაციებისთვის. PEMFC-ს აქვს როგორც მაღალი სიმძლავრე, ასევე შედარებით დაბალი სამუშაო ტემპერატურა (60-დან 80 გრადუს ცელსიუსამდე). დაბალი ოპერაციული ტემპერატურა ნიშნავს, რომ საწვავის უჯრედები სწრაფად გახურდებიან ელექტროენერგიის გამომუშავების დასაწყებად.
მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედი (SOFC)
ეს საწვავის უჯრედები ყველაზე შესაფერისია დიდი სტაციონარული ენერგიის გენერატორებისთვის, რომლებსაც შეუძლიათ ელექტროენერგიის მიწოდება ქარხნებში ან ქალაქებში. ამ ტიპის საწვავის უჯრედი მუშაობს ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე (700-დან 1000 გრადუს ცელსიუსამდე). მაღალი ტემპერატურა საიმედოობის პრობლემაა, რადგან ზოგიერთი საწვავის უჯრედი შეიძლება ჩავარდეს რამდენიმე ციკლის ჩართვისა და გამორთვის შემდეგ. თუმცა, მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები ძალიან სტაბილურია უწყვეტი მუშაობის დროს. მართლაც, SOFC-ებმა აჩვენეს საწვავის უჯრედების ყველაზე გრძელი მოქმედების ვადა გარკვეულ პირობებში. მაღალ ტემპერატურას ასევე აქვს ის უპირატესობა, რომ საწვავის უჯრედების მიერ წარმოქმნილი ორთქლი შეიძლება მიმართული იყოს ტურბინებისკენ და გამოიმუშაოს მეტი ელექტროენერგია. ამ პროცესს ე.წ სითბოს და ელექტროენერგიის კოგენერაციადა აუმჯობესებს სისტემის საერთო ეფექტურობას.
ტუტე საწვავის უჯრედი (AFC)
ეს არის საწვავის უჯრედების ერთ-ერთი უძველესი დიზაინი, რომელიც გამოიყენება 1960-იანი წლებიდან. AFC ძალიან მგრძნობიარეა დაბინძურების მიმართ, რადგან მათ სჭირდებათ სუფთა წყალბადი და ჟანგბადი. გარდა ამისა, ისინი ძალიან ძვირია, ამიტომ ამ ტიპის საწვავის უჯრედი ნაკლებად სავარაუდოა, რომ მასობრივ წარმოებაში მოხვდება.
დნობის კარბონატის საწვავის უჯრედი (MCFC)
SOFC-ების მსგავსად, ეს საწვავის უჯრედები ასევე საუკეთესოდ შეეფერება დიდ სტაციონალურ ელექტროსადგურებს და გენერატორებს. ისინი მუშაობენ 600 გრადუს ცელსიუსზე, ასე რომ მათ შეუძლიათ გამოიმუშაონ ორთქლი, რომელიც, თავის მხრივ, შეიძლება გამოყენებულ იქნას კიდევ უფრო მეტი ენერგიის გამომუშავებისთვის. მათ აქვთ უფრო დაბალი სამუშაო ტემპერატურა, ვიდრე მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები, რაც იმას ნიშნავს, რომ მათ არ სჭირდებათ ასეთი სითბოს მდგრადი მასალები. ეს მათ ოდნავ იაფს ხდის.
ფოსფორმჟავას საწვავის უჯრედი (PAFC)
ფოსფორის მჟავას საწვავის უჯრედიაქვს მცირე სტაციონარული ენერგოსისტემებში გამოყენების პოტენციალი. ის მუშაობს უფრო მაღალ ტემპერატურაზე, ვიდრე პოლიმერული მემბრანის საწვავის უჯრედი, ამიტომ დათბობას უფრო მეტი დრო სჭირდება, რაც მას საავტომობილო გამოყენებისთვის უვარგისს ხდის.
მეთანოლის საწვავის უჯრედები პირდაპირი მეთანოლის საწვავის უჯრედი (DMFC)
მეთანოლის საწვავის უჯრედები შედარებულია PEMFC-თან სამუშაო ტემპერატურის თვალსაზრისით, მაგრამ არ არის ისეთი ეფექტური. გარდა ამისა, DMFC-ები მოითხოვს საკმაოდ დიდ პლატინს, როგორც კატალიზატორს, რაც ამ საწვავის უჯრედებს ძვირად აქცევს.
საწვავის უჯრედი პოლიმერული გაცვლის მემბრანით
პოლიმერული მემბრანის საწვავის უჯრედი (PEMFC) არის საწვავის უჯრედების ერთ-ერთი ყველაზე პერსპექტიული ტექნოლოგია. PEMFC იყენებს ნებისმიერი საწვავის უჯრედის ერთ-ერთ უმარტივეს რეაქციას. იფიქრეთ რისგან შედგება.
1. მაგრამ კვანძი - საწვავის უჯრედის უარყოფითი ტერმინალი. ის ატარებს ელექტრონებს, რომლებიც გამოიყოფა წყალბადის მოლეკულებიდან, რის შემდეგაც მათი გამოყენება შესაძლებელია გარე წრეში. მასზე ამოტვიფრულია არხები, რომლებითაც წყალბადის გაზი თანაბრად ნაწილდება კატალიზატორის ზედაპირზე.
2.რომ ატომი - საწვავის უჯრედის დადებით ტერმინალს ასევე აქვს არხები კატალიზატორის ზედაპირზე ჟანგბადის გასანაწილებლად. ის ასევე ატარებს ელექტრონებს კატალიზატორის გარე ჯაჭვიდან, სადაც მათ შეუძლიათ წყალბადის და ჟანგბადის იონებთან შეერთება წყლის წარმოქმნით.
3.ელექტროლიტ-პროტონების გაცვლის მემბრანა. ეს არის სპეციალურად დამუშავებული მასალა, რომელიც ატარებს მხოლოდ დადებითად დამუხტულ იონებს და ბლოკავს ელექტრონებს. PEMFC-ში მემბრანა უნდა იყოს დატენიანებული, რომ სწორად იმუშაოს და დარჩეს სტაბილური.
4. კატალიზატორიარის სპეციალური მასალა, რომელიც ხელს უწყობს ჟანგბადისა და წყალბადის რეაქციას. ის ჩვეულებრივ მზადდება პლატინის ნანონაწილაკებისგან, რომლებიც ძალიან თხლად არის დეპონირებული ნახშირბადის ქაღალდზე ან ქსოვილზე. კატალიზატორს აქვს ზედაპირის სტრუქტურა ისეთი, რომ პლატინის მაქსიმალური ზედაპირი შეიძლება ექვემდებარებოდეს წყალბადს ან ჟანგბადს.
სურათზე ნაჩვენებია წყალბადის გაზი (H2), რომელიც ზეწოლის ქვეშ შედის საწვავის უჯრედში ანოდის მხრიდან. როდესაც H2 მოლეკულა შედის კონტაქტში პლატინასთან კატალიზატორზე, ის იყოფა ორ H+ იონად და ორ ელექტრონად. ელექტრონები გადიან ანოდში, სადაც ისინი გამოიყენება გარე წრეში (შესრულებული სასარგებლო სამუშაო, როგორიცაა ძრავის როტაცია) და დაბრუნდით საწვავის უჯრედის კათოდის მხარეს.
იმავდროულად, საწვავის უჯრედის კათოდის მხარეს, ჰაერიდან ჟანგბადი (O2) გადის კატალიზატორში, სადაც ის ქმნის ჟანგბადის ორ ატომს. თითოეულ ამ ატომს აქვს ძლიერი უარყოფითი მუხტი. ეს უარყოფითი მუხტი იზიდავს ორ H+ იონს მემბრანის გასწვრივ, სადაც ისინი ერწყმის ჟანგბადის ატომს და ორ ელექტრონს გარე წრედიდან და წარმოქმნიან წყლის მოლეკულას (H2O).
ეს რეაქცია ერთ საწვავის უჯრედში წარმოქმნის მხოლოდ დაახლოებით 0,7 ვოლტს. ძაბვის გონივრულ დონემდე ამაღლების მიზნით, ბევრი ინდივიდუალური საწვავის უჯრედი უნდა გაერთიანდეს საწვავის უჯრედების წყობის შესაქმნელად. ბიპოლარული ფირფიტები გამოიყენება ერთი საწვავის უჯრედის მეორესთან დასაკავშირებლად და დაჟანგვის შესამცირებლად. ბიპოლარული ფირფიტების დიდი პრობლემა მათი სტაბილურობაა. ლითონის ბიპოლარული ფირფიტები შეიძლება იყოს კოროზიული და ქვეპროდუქტები (რკინის და ქრომის იონები) ამცირებს საწვავის უჯრედების მემბრანების და ელექტროდების ეფექტურობას. ამიტომ, დაბალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედები იყენებენ მსუბუქ ლითონებს, გრაფიტს და ნახშირბადის და თერმომმაგრი მასალის კომპოზიტურ ნაერთებს (თერმომყარი მასალა არის პლასტმასის სახეობა, რომელიც რჩება მყარი მაშინაც კი, როდესაც ექვემდებარება მაღალ ტემპერატურას) ბიპოლარული ფურცლის მასალის სახით.
საწვავის უჯრედის ეფექტურობა
დაბინძურების შემცირება საწვავის უჯრედის ერთ-ერთი მთავარი მიზანია. საწვავის უჯრედით მომუშავე მანქანისა და ბენზინის ძრავით მომუშავე მანქანისა და ბატარეით მომუშავე მანქანის შედარებით, თქვენ ხედავთ, თუ როგორ გააუმჯობესებს საწვავის უჯრედები მანქანების ეფექტურობას.
ვინაიდან სამივე ტიპის მანქანას ბევრი ერთი და იგივე კომპონენტი აქვს, ჩვენ უგულებელყოფთ მანქანის ამ ნაწილს და შევადარებთ სასარგებლო ქმედებებიიქამდე, სადაც წარმოიქმნება მექანიკური ენერგია. დავიწყოთ საწვავის უჯრედის მანქანით.
თუ საწვავის უჯრედი იკვებება სუფთა წყალბადით, მისი ეფექტურობა შეიძლება იყოს 80 პროცენტამდე. ამრიგად, ის წყალბადის ენერგეტიკული შემცველობის 80 პროცენტს ელექტროენერგიად გარდაქმნის. თუმცა, ჩვენ ჯერ კიდევ გვიწევს ელექტრული ენერგიის გარდაქმნა მექანიკურ სამუშაოდ. ეს მიიღწევა ელექტროძრავით და ინვერტორით. ძრავის + ინვერტორის ეფექტურობა ასევე დაახლოებით 80 პროცენტია. ეს იძლევა საერთო ეფექტურობას დაახლოებით 80*80/100=64 პროცენტს. Honda-ს FCX კონცეპტუალურ მანქანას, გავრცელებული ინფორმაციით, აქვს 60 პროცენტიანი ენერგოეფექტურობა.
თუ საწვავის წყარო არ არის სუფთა წყალბადის სახით, მაშინ მანქანაასევე დასჭირდება რეფორმატორი. რეფორმატორები ნახშირწყალბადის ან ალკოჰოლის საწვავს წყალბადად გარდაქმნიან. ისინი გამოიმუშავებენ სითბოს და აწარმოებენ CO და CO2 წყალბადის გარდა. მიღებული წყალბადის გასაწმენდად იყენებენ სხვადასხვა მოწყობილობები, მაგრამ ეს გაწმენდა არასაკმარისია და ამცირებს საწვავის უჯრედის ეფექტურობას. ამიტომ, მკვლევარებმა გადაწყვიტეს ფოკუსირება საწვავის უჯრედებზე სუფთა წყალბადზე მომუშავე მანქანებისთვის, მიუხედავად წყალბადის წარმოებასა და შენახვასთან დაკავშირებული პრობლემებისა.
ბენზინის ძრავისა და მანქანის ეფექტურობა ელექტრო ბატარეებზე
ბენზინზე მომუშავე მანქანის ეფექტურობა საოცრად დაბალია. მთელი სითბო, რომელიც გამოდის გამონაბოლქვის სახით ან შეიწოვება რადიატორის მიერ, უაზრო ენერგიაა. ძრავა ასევე დიდ ენერგიას ხარჯავს სხვადასხვა ტუმბოების, ვენტილატორების და გენერატორების გასააქტიურებლად, რომლებიც აგრძელებენ მას მუშაობას. ამრიგად, საავტომობილო ბენზინის ძრავის საერთო ეფექტურობა დაახლოებით 20 პროცენტია. ამრიგად, ბენზინის თერმული ენერგიის მხოლოდ დაახლოებით 20 პროცენტი გარდაიქმნება მექანიკურ სამუშაოდ.
ბატარეებზე მომუშავე ელექტრო მანქანას საკმაოდ მაღალი ეფექტურობა აქვს. ბატარეა არის დაახლოებით 90 პროცენტიანი ეფექტურობა (ბატარეების უმეტესობა წარმოქმნის გარკვეულ სითბოს ან საჭიროებს გათბობას), ხოლო ძრავა + ინვერტორი არის დაახლოებით 80 პროცენტი. ეს იძლევა საერთო ეფექტურობას დაახლოებით 72 პროცენტს.
მაგრამ ეს ყველაფერი არ არის. იმისთვის, რომ ელექტრომობილმა იმოძრაოს, ჯერ ელექტროენერგია სადღაც უნდა გამოიმუშაოს. თუ ეს იყო ელექტროსადგური, რომელიც იყენებდა წიაღისეული საწვავის წვის პროცესს (და არა ბირთვული, ჰიდროელექტრო, მზის ან ქარის ენერგიას), მაშინ ელექტროსადგურის მიერ მოხმარებული საწვავის მხოლოდ 40 პროცენტი გარდაიქმნება ელექტროენერგიად. გარდა ამისა, მანქანის დატენვის პროცესი მოითხოვს ალტერნატიული დენის (AC) დენის გადაქცევას პირდაპირ დენის (DC) სიმძლავრეზე. ამ პროცესის ეფექტურობა დაახლოებით 90 პროცენტია.
ახლა, თუ გადავხედავთ მთელ ციკლს, ელექტრომობილის ეფექტურობა არის 72 პროცენტი თავად მანქანისთვის, 40 პროცენტი ელექტროსადგურისთვის და 90 პროცენტი მანქანის დამუხტვისთვის. ეს იძლევა საერთო ეფექტურობას 26 პროცენტს. საერთო ეფექტურობა მნიშვნელოვნად განსხვავდება იმის მიხედვით, თუ რომელი ელექტროსადგური გამოიყენება ბატარეის დასატენად. თუ მანქანისთვის ელექტროენერგია გამოიმუშავებს, მაგალითად, ჰიდროელექტროსადგურს, მაშინ ელექტრომობილის ეფექტურობა იქნება დაახლოებით 65 პროცენტი.
მეცნიერები იკვლევენ და ამუშავებენ დიზაინებს საწვავის უჯრედების ეფექტურობის გასაგრძელებლად. ერთ-ერთი ახალი მიდგომაა საწვავის უჯრედისა და ბატარეით მომუშავე მანქანების გაერთიანება. მუშავდება კონცეპტუალური ავტომობილი, რომელიც იკვებება საწვავის უჯრედებით აღჭურვილი ჰიბრიდული ძრავით. ის იყენებს ლითიუმის ბატარეას მანქანის კვებისათვის, ხოლო საწვავის უჯრედი ავსებს ბატარეას.
საწვავის უჯრედების მანქანები პოტენციურად ისეთივე ეფექტურია, როგორც ბატარეით მომუშავე მანქანა, რომელიც იტენება წიაღისეული საწვავისგან თავისუფალი ელექტროსადგურიდან. მაგრამ ასეთი პოტენციალის მიღწევა პრაქტიკული და ხელმისაწვდომი გზაშეიძლება რთული აღმოჩნდეს.
რატომ გამოვიყენოთ საწვავის უჯრედები?
მთავარი მიზეზი ყველაფერი ზეთთან არის დაკავშირებული. ამერიკამ თავისი ნავთობის თითქმის 60 პროცენტი უნდა შემოიტანოს. 2025 წლისთვის იმპორტი 68%-მდე გაიზრდება. ამერიკელები ყოველდღიურად იყენებენ ნავთობის ორ მესამედს ტრანსპორტირებისთვის. თუნდაც ქუჩაში ყველა მანქანა იყოს ჰიბრიდული მანქანა, 2025 წლისთვის აშშ-ს კვლავ მოუწევს იგივე რაოდენობის ზეთის გამოყენება, რასაც ამერიკელები მოიხმარდნენ 2000 წელს. მართლაც, ამერიკა მოიხმარს მსოფლიოში წარმოებული ნავთობის მეოთხედს, თუმცა აქ მსოფლიოს მოსახლეობის მხოლოდ 4,6% ცხოვრობს.
ექსპერტები იმედოვნებენ, რომ ნავთობის ფასები გაგრძელდება მომდევნო რამდენიმე ათწლეულის განმავლობაში, რადგან იაფი წყაროები ამოიწურება. ნავთობკომპანიებიუნდა განვითარდეს ნავთობის საბადოებისულ უფრო რთულ პირობებში, რამაც გამოიწვია ნავთობის ფასების ზრდა.
შიშები შორს ვრცელდება ეკონომიკური უსაფრთხოება. ნავთობის გაყიდვიდან მიღებული შემოსავლის დიდი ნაწილი იხარჯება საერთაშორისო ტერორიზმის, რადიკალური პოლიტიკური პარტიების მხარდაჭერასა და ნავთობმომპოვებელ რეგიონებში არასტაბილურ ვითარებაზე.
ნავთობისა და სხვა წიაღისეული საწვავის გამოყენება ენერგიისთვის იწვევს დაბინძურებას. ყველასთვის საუკეთესოა ალტერნატივის პოვნა - წიაღისეული საწვავის დაწვა ენერგიისთვის.
საწვავის უჯრედები ნავთობზე დამოკიდებულების მიმზიდველი ალტერნატივაა. საწვავის უჯრედები დაბინძურების ნაცვლად აწარმოებენ სუფთა წყალს, როგორც ქვეპროდუქტს. მიუხედავად იმისა, რომ ინჟინრები დროებით ფოკუსირდნენ წყალბადის წარმოებაზე სხვადასხვა წიაღისეული წყაროებიდან, როგორიცაა ბენზინი ან ბუნებრივი აირი, მომავალში წყალბადის წარმოების განახლებადი, ეკოლოგიურად სუფთა გზები იკვლევენ. ყველაზე პერსპექტიული, რა თქმა უნდა, იქნება წყლისგან წყალბადის მიღების პროცესი.
ნავთობზე დამოკიდებულება და გლობალური დათბობა საერთაშორისო პრობლემაა. რამდენიმე ქვეყანა ერთობლივად არის ჩართული საწვავის უჯრედების ტექნოლოგიის კვლევისა და განვითარების შემუშავებაში.
ცხადია, მეცნიერებს და მწარმოებლებს ბევრი სამუშაო აქვთ გასაკეთებელი, სანამ საწვავის უჯრედები ალტერნატივა გახდება. თანამედროვე მეთოდებიენერგიის წარმოება. და მაინც, მთელი მსოფლიოს მხარდაჭერით და გლობალური თანამშრომლობით, საწვავის უჯრედებზე დაფუძნებული სიცოცხლისუნარიანი ენერგეტიკული სისტემა შეიძლება რეალობად იქცეს რამდენიმე ათწლეულში.
საწვავის უჯრედი ( საწვავის უჯრედი) არის მოწყობილობა, რომელიც გარდაქმნის ქიმიურ ენერგიას ელექტრო ენერგიად. იგი პრინციპში მსგავსია ჩვეულებრივი ბატარეის, მაგრამ განსხვავდება იმით, რომ მისი ფუნქციონირება მოითხოვს ნივთიერებების მუდმივ მიწოდებას გარედან ელექტროქიმიური რეაქციის წარმოქმნისთვის. წყალბადი და ჟანგბადი მიეწოდება საწვავის უჯრედებს, ხოლო გამომავალი არის ელექტროენერგია, წყალი და სითბო. მათ უპირატესობებში შედის გარემოსდაცვითი კეთილგანწყობა, საიმედოობა, გამძლეობა და მუშაობის სიმარტივე. ჩვეულებრივი ბატარეებისგან განსხვავებით, ელექტროქიმიურ გადამყვანებს შეუძლიათ პრაქტიკულად განუსაზღვრელი ვადით იმუშაონ, სანამ საწვავი ხელმისაწვდომია. ისინი არ საჭიროებენ საათობით დამუხტვას სრულ დატენვამდე. უფრო მეტიც, თავად უჯრედებს შეუძლიათ ბატარეის დატენვა, როდესაც მანქანა გაჩერებულია ძრავით გამორთული.
პროტონული მემბრანის საწვავის უჯრედები (PEMFC) და მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები (SOFC) ყველაზე ფართოდ გამოიყენება წყალბადის მანქანებში.
საწვავის უჯრედი პროტონების გაცვლის მემბრანით მუშაობს შემდეგნაირად. ანოდსა და კათოდს შორის არის სპეციალური მემბრანა და პლატინით დაფარული კატალიზატორი. წყალბადი შედის ანოდში, ხოლო ჟანგბადი შედის კათოდში (მაგალითად, ჰაერიდან). ანოდზე წყალბადი კატალიზატორის დახმარებით იშლება პროტონებად და ელექტრონებად. წყალბადის პროტონები გადიან მემბრანაში და შედიან კათოდში, ხოლო ელექტრონები გადაეცემა გარე წრეს (მემბრანა მათ არ უშვებს). ამგვარად მიღებული პოტენციური განსხვავება იწვევს ელექტრული დენის გამოჩენას. კათოდის მხარეს წყალბადის პროტონები იჟანგება ჟანგბადით. შედეგად წარმოიქმნება წყლის ორთქლი, რომელიც წარმოადგენს მანქანის გამონაბოლქვი აირების ძირითად ელემენტს. მაღალი ეფექტურობის მქონე PEM უჯრედებს აქვთ ერთი მნიშვნელოვანი ნაკლი - მათი მუშაობისთვის საჭიროა სუფთა წყალბადი, რომლის შენახვა საკმაოდ სერიოზული პრობლემაა.
თუ აღმოჩნდება ისეთი კატალიზატორი, რომელიც ჩაანაცვლებს ძვირადღირებულ პლატინას ამ უჯრედებში, მაშინვე შეიქმნება იაფი საწვავის უჯრედი ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის, რაც ნიშნავს, რომ მსოფლიო გათავისუფლდება ნავთობზე დამოკიდებულებისგან.
მყარი ოქსიდის უჯრედები
მყარი ოქსიდის SOFC უჯრედები გაცილებით ნაკლებ მოთხოვნადია საწვავის სისუფთავეზე. გარდა ამისა, POX რეფორმატორის (პარციალური ოქსიდაცია - ნაწილობრივი დაჟანგვა) გამოყენების წყალობით, ასეთ უჯრედებს შეუძლიათ საწვავის სახით ჩვეულებრივი ბენზინის მოხმარება. ბენზინის პირდაპირ ელექტროენერგიად გადაქცევის პროცესი შემდეგია. სპეციალურ მოწყობილობაში - რეფორმატორში, დაახლოებით 800 ° C ტემპერატურაზე, ბენზინი ორთქლდება და იშლება მის შემადგენელ ელემენტებად.
ეს ათავისუფლებს წყალბადს და ნახშირორჟანგს. გარდა ამისა, ასევე ტემპერატურის გავლენის ქვეშ და უშუალოდ SOFC-ის დახმარებით (შედგება ფოროვანი კერამიკული მასალაცირკონიუმის ოქსიდის საფუძველზე), წყალბადი იჟანგება ჰაერში ჟანგბადით. ბენზინიდან წყალბადის მიღების შემდეგ, პროცესი შემდგომში მიმდინარეობს ზემოთ აღწერილი სცენარის მიხედვით, მხოლოდ ერთი განსხვავებით: SOFC საწვავის უჯრედი, წყალბადზე მომუშავე მოწყობილობებისგან განსხვავებით, ნაკლებად მგრძნობიარეა ორიგინალური საწვავის უცხო მინარევებისაგან. ასე რომ, ბენზინის ხარისხმა არ უნდა იმოქმედოს საწვავის უჯრედის მუშაობაზე.
SOFC-ის მაღალი სამუშაო ტემპერატურა (650-800 გრადუსი) მნიშვნელოვანი ნაკლია, გახურების პროცესს დაახლოებით 20 წუთი სჭირდება. თუმცა, ჭარბი სითბო პრობლემას არ წარმოადგენს, რადგან ის მთლიანად ამოღებულია დარჩენილი ჰაერით და გამონაბოლქვი აირებით, რომლებიც წარმოებულია რეფორმატორისა და თავად საწვავის უჯრედის მიერ. ეს საშუალებას აძლევს SOFC სისტემის ინტეგრირებას მანქანაში, როგორც დამოუკიდებელი მოწყობილობა თერმულად იზოლირებულ კორპუსში.
მოდულური სტრუქტურა საშუალებას გაძლევთ მიაღწიოთ საჭირო ძაბვას სერიული კავშირისტანდარტული უჯრედების ნაკრები. და, ალბათ, რაც მთავარია, ასეთი მოწყობილობების დანერგვის თვალსაზრისით, SOFC-ში არ არის ძალიან ძვირი პლატინის დაფუძნებული ელექტროდები. სწორედ ამ ელემენტების მაღალი ღირებულებაა ერთ-ერთი დაბრკოლება PEMFC ტექნოლოგიის განვითარებასა და გავრცელებაში.
საწვავის უჯრედების ტიპები
ამჟამად, არსებობს ასეთი ტიპის საწვავის უჯრედები:
- A.F.C.– ტუტე საწვავის უჯრედი (ტუტე საწვავის უჯრედი);
- PAFC– ფოსფორმჟავას საწვავის უჯრედი (ფოსფორმჟავას საწვავის უჯრედი);
- PEMFC– პროტონების გაცვლის მემბრანის საწვავი უჯრედი (საწვავის უჯრედი პროტონების გაცვლის მემბრანით);
- DMFC– პირდაპირი მეთანოლის საწვავი უჯრედი (საწვავის უჯრედი მეთანოლის პირდაპირი დაშლით);
- MCFC– Molten Carbonate Fuel Cell (მდნარი კარბონატის საწვავის უჯრედი);
- SOFC– მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედი (სოლიდური ოქსიდის საწვავის უჯრედი).
სერ უილიამ გროვმა ბევრი რამ იცოდა ელექტროლიზის შესახებ, ამიტომ მან წამოაყენა ჰიპოთეზა, რომ ამ პროცესით (რომელიც წყალს ყოფს მის შემადგენელ წყალბადსა და ჟანგბადში ელექტროენერგიის გატარებით) მას შეეძლო გამოემუშავებინა, თუ ის შებრუნებული იქნებოდა. ქაღალდზე გაანგარიშების შემდეგ ექსპერიმენტულ ეტაპზე გადავიდა და თავისი იდეების დამტკიცება მოახერხა. დადასტურებული ჰიპოთეზა შეიმუშავეს მეცნიერებმა ლუდვიგ მონდმა და მისმა თანაშემწემ ჩარლზ ლანგრემ, გააუმჯობესეს ტექნოლოგია და 1889 წელს დაარქვეს მას სახელი, რომელიც მოიცავდა ორ სიტყვას - "საწვავის უჯრედი".
ახლა ეს ფრაზა მყარად დამკვიდრდა მძღოლების ყოველდღიურ ცხოვრებაში. თქვენ ნამდვილად გსმენიათ ტერმინი "საწვავის უჯრედი" არაერთხელ. ინტერნეტში, ტელევიზორში ახალ ამბებში სულ უფრო და უფრო ციმციმდება ახალი სიტყვები. ისინი ჩვეულებრივ ეხება ისტორიებს უახლესი ჰიბრიდული მანქანების ან ამ ჰიბრიდული მანქანების განვითარების პროგრამებზე.
მაგალითად, 11 წლის წინ აშშ-ში პროგრამა „The Hydrogen Fuel Initiative“ დაიწყო. პროგრამა ფოკუსირებული იყო წყალბადის საწვავის უჯრედების და ინფრასტრუქტურული ტექნოლოგიების განვითარებაზე, რომლებიც საჭიროა საწვავის უჯრედების სატრანსპორტო საშუალებების პრაქტიკული და ეკონომიკურად სიცოცხლისუნარიანობისთვის 2020 წლისთვის. სხვათა შორის, ამ დროის განმავლობაში პროგრამაზე 1 მილიარდ დოლარზე მეტი გამოიყო, რაც მიუთითებს სერიოზულ ფსონზე, რომელზეც აშშ-ის ხელისუფლებამ დადო.
ოკეანის მეორე მხარეს, ავტომობილების მწარმოებლები ასევე მზადყოფნაში იყვნენ და იწყებდნენ ან აგრძელებდნენ კვლევას საწვავის უჯრედების მანქანებზე. და კიდევ განაგრძო მუშაობა საწვავის უჯრედების ძლიერი ტექნოლოგიის მშენებლობაზე.
ამ სფეროში ყველაზე დიდი წარმატება ყველა გლობალურ ავტომწარმოებელს შორის მიაღწია ორმა იაპონელმა ავტომწარმოებელმა და. მათი საწვავის უჯრედების მოდელები უკვე სრულ წარმოებაშია, ხოლო კონკურენტები მათ უკან დგანან.
ამიტომ, საწვავის უჯრედები საავტომობილო ინდუსტრიაში აქ დარჩება. განვიხილოთ ტექნოლოგიის პრინციპები და მისი გამოყენება თანამედროვე მანქანებში.
საწვავის უჯრედის მუშაობის პრინციპი
Სინამდვილეში, . ტექნიკური თვალსაზრისით, საწვავის უჯრედი შეიძლება განისაზღვროს, როგორც ელექტროქიმიური მოწყობილობა ენერგიის გარდაქმნისთვის. ის წყალბადისა და ჟანგბადის ნაწილაკებს წყალში გარდაქმნის, ამ პროცესში წარმოქმნის ელექტროენერგიას, პირდაპირ დენს.
საწვავის უჯრედების მრავალი სახეობა არსებობს, ზოგი უკვე გამოიყენება მანქანებში, ზოგი კი კვლევაში ტესტირება ხდება. მათი უმეტესობა ძირითადად წყალბადს და ჟანგბადს იყენებს ქიმიური ელემენტებისაჭირო კონვერტაციისთვის.
მსგავსი პროცედურა ხდება ჩვეულებრივ ბატარეაში, ერთადერთი განსხვავება ისაა, რომ მას უკვე აქვს ყველა საჭირო ქიმიკატი, რომელიც საჭიროა კონვერტაციისთვის "ბორტზე", ხოლო საწვავის უჯრედის "დატენვა" შესაძლებელია გარე წყაროდან, რის გამოც პროცესი " ელექტროენერგიის წარმოება“ შესაძლოა გაგრძელდეს. წყლის ორთქლისა და ელექტროენერგიის გარდა, პროცედურის კიდევ ერთი გვერდითი პროდუქტია წარმოქმნილი სითბო.
პროტონ-გაცვლის მემბრანა წყალბად-ჟანგბადის საწვავის უჯრედი შეიცავს პროტონგამტარ პოლიმერულ მემბრანას, რომელიც ჰყოფს ორ ელექტროდს, ანოდს და კათოდს. თითოეული ელექტროდი ჩვეულებრივ არის ნახშირბადის ფირფიტა (მატრიცა) დეპონირებული კატალიზატორით - პლატინით ან პლატინოიდების შენადნობით და სხვა კომპოზიციებით.
ანოდის კატალიზატორზე მოლეკულური წყალბადი იშლება და კარგავს ელექტრონებს. წყალბადის კათიონები მემბრანის გავლით კათოდამდე მიემართება, მაგრამ ელექტრონები გადაეცემა გარე წრეს, რადგან მემბრანა არ აძლევს ელექტრონებს გავლის საშუალებას.
კათოდის კატალიზატორზე ჟანგბადის მოლეკულა ერწყმის ელექტრონს (რომელიც მიეწოდება გარე კომუნიკაციებიდან) და შემომავალ პროტონს და ქმნის წყალს, რომელიც ერთადერთი რეაქციის პროდუქტია (ორთქლის და/ან სითხის სახით).
wikipedia.org
აპლიკაცია მანქანებში
ყველა ტიპის საწვავის უჯრედებიდან, საწვავის უჯრედები, რომლებიც დაფუძნებულია პროტონების გაცვლის მემბრანებზე ან, როგორც მათ დასავლეთში უწოდებენ, პოლიმერული გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედი (PEMFC), გახდა საუკეთესო კანდიდატი მანქანებში გამოსაყენებლად. ამის ძირითადი მიზეზებია მისი მაღალი სიმძლავრის სიმკვრივე და შედარებით დაბალი სამუშაო ტემპერატურა, რაც თავის მხრივ ნიშნავს, რომ საწვავის უჯრედების ექსპლუატაციაში მოყვანას დიდი დრო არ სჭირდება. ისინი სწრაფად გახურდებიან და დაიწყებენ საჭირო რაოდენობის ელექტროენერგიის გამომუშავებას. ის ასევე იყენებს ყველა ტიპის საწვავის უჯრედების ერთ-ერთ უმარტივეს რეაქციას.
პირველი მანქანა ამ ტექნოლოგიით გაკეთდა ჯერ კიდევ 1994 წელს, როდესაც Mercedes-Benz-მა წარადგინა MB100 NECAR1-ზე (ახალი ელექტრო მანქანა 1) საფუძველზე. გარდა დაბალი სიმძლავრისა (მხოლოდ 50 კილოვატი), ამ კონცეფციის ყველაზე დიდი ნაკლი ის იყო, რომ საწვავის უჯრედი იკავებდა ფურგონის ტვირთის სათავსოს მთელ მოცულობას.
ასევე, პასიური უსაფრთხოების თვალსაზრისით, ეს იყო საშინელი იდეა მასობრივი წარმოებისთვის, იმის გათვალისწინებით, რომ საჭიროა ბორტზე აალებადი წნევით სავსე წყალბადით სავსე მასიური ავზი.
მომდევნო ათწლეულის განმავლობაში ტექნოლოგია განვითარდა და მერსედესის საწვავის უჯრედების ერთ-ერთ უახლეს კონცეფციას ჰქონდა 115 ცხ.ძ. (85 კვტ) და მანძილი დაახლოებით 400 კილომეტრია საწვავის შევსებამდე. რა თქმა უნდა, გერმანელები არ იყვნენ ერთადერთი პიონერები მომავლის საწვავის უჯრედების შემუშავებაში. არ დაგავიწყდეთ ორი იაპონური, ტოიოტა და . ერთ-ერთი უდიდესი საავტომობილო მოთამაშე იყო Honda, რომელმაც წარმოადგინა სერიული მანქანა ელექტროსადგურიწყალბადის საწვავის უჯრედებზე. FCX Clarity-ის ლიზინგის გაყიდვები შეერთებულ შტატებში დაიწყო 2008 წლის ზაფხულში; ცოტა მოგვიანებით, მანქანის გაყიდვა გადავიდა იაპონიაში. 
Toyota კიდევ უფრო შორს წავიდა Mirai-ით, რომლის მოწინავე წყალბადის საწვავის უჯრედების სისტემა, როგორც ჩანს, შეუძლია ფუტურისტულ მანქანას 520 კმ დისტანციის მინიჭება ერთ ავზზე, რომლის შევსება ხუთ წუთზე ნაკლებ დროშია შესაძლებელი, ისევე როგორც ჩვეულებრივი. საწვავის მოხმარების მაჩვენებლები გააოცებს ნებისმიერ სკეპტიკოსს, ისინი წარმოუდგენელია კლასიკური ელექტროსადგურის მქონე მანქანისთვისაც კი, ის მოიხმარს 3,5 ლიტრს, იმისდა მიუხედავად, მანქანა გამოიყენება ქალაქში, გზატკეცილზე თუ კომბინირებულ ციკლში.
რვა წელი გავიდა. ჰონდამ ეს დრო კარგად გამოიყენა. მეორე თაობის Honda FCX Clarity ახლა იყიდება. მისი საწვავის უჯრედები 33%-ით უფრო კომპაქტურია ვიდრე პირველი მოდელი, 60%-ით გაზრდილი სიმძლავრის სიმჭიდროვე. Honda ირწმუნება, რომ Clarity Fuel Cell-ში საწვავის უჯრედი და ინტეგრირებული ძალაუფლება ზომით შედარებულია V6 ძრავთან, რაც ტოვებს საკმარის შიდა სივრცეს ხუთი მგზავრისთვის და მათი ბარგისთვის.
სავარაუდო მანძილი 500 კმ-ია, ახალი ნივთების საწყისი ფასი კი 60 000 დოლარი უნდა დაფიქსირდეს. ძვირია? პირიქით, ძალიან იაფია. 2000 წლის დასაწყისში ამ ტექნოლოგიების მქონე მანქანები 100 000 დოლარი ღირდა.
