მდგრადი ტექნოლოგიების დანერგვა: საწვავის უჯრედები. საწვავის უჯრედები

საწვავის უჯრედების/უჯრედების უპირატესობები

საწვავის უჯრედი/ უჯრედი არის მოწყობილობა, რომელიც ეფექტურად წარმოქმნის პირდაპირ დენს 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 ინახავენ ელექტრული ენერგია, არ გამორთეთ და არ გჭირდებათ ელექტროენერგია დასატენად. საწვავის უჯრედებს/უჯრედებს შეუძლიათ მუდმივად გამოიმუშაონ ელექტროენერგია, სანამ მათ ექნებათ საწვავი და ჰაერი.

სხვა დენის გენერატორებისგან განსხვავებით, როგორიცაა ძრავები შიგაწვისან ტურბინები, რომლებიც მუშაობენ გაზზე, ნახშირზე, ზეთზე 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 ინდუსტრიული სამყაროგანიცდიდა ნავთობის საწვავის დეფიციტს. 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.

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

ქვემოთ მოცემულია შესაბამისი რეაქცია:

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

საწვავის უჯრედების/უჯრედების ტიპები და მრავალფეროვნება

ისევე, როგორც არსებობს სხვადასხვა ტიპის შიდა წვის ძრავები, არსებობს სხვადასხვა ტიპის საწვავის უჯრედები - არჩევანი შესაფერისი ტიპისაწვავის უჯრედი 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 სამუშაო ტემპერატურა საშუალებას იძლევა ბუნებრივი აირის პირდაპირი გამოყენება საწვავის პროცესორის და დაბალი კალორიული ღირებულების საწვავის გაზის გარეშე 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 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 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
ზოგადი ელემენტის რეაქცია: H 2 (გ) + 1/2O 2 (გ) + CO 2 (კათოდი) => H 2 O (გ) + CO 2 (ანოდი)

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

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

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები/უჯრედები (SOFC)

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები არის საწვავის უჯრედები, რომლებსაც აქვთ უმაღლესი სამუშაო ტემპერატურა. ოპერაციული ტემპერატურა შეიძლება განსხვავდებოდეს 600°C-დან 1000°C-მდე, რაც 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.

საწვავის უჯრედების სხვადასხვა მოდული. საწვავის უჯრედის ბატარეა

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

საწვავის უჯრედის მოდული

საწვავის უჯრედების ტიპებისა და სახეობების შედარებითი ანალიზი

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

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

მუშაობენ მაღალ ტემპერატურაზე, რაც ამცირებს ძვირადღირებული ძვირფასი ლითონების (როგორიცაა პლატინის) საჭიროებას.
შეუძლია მუშაობა სხვადასხვა ტიპის ნახშირწყალბადის საწვავზე, ძირითადად ბუნებრივ აირზე
აქვს მეტი დროდაწყებული და, შესაბამისად, უკეთესია გრძელვადიანი
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

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

ვინაიდან მცირე თბოელექტროსადგურები შეიძლება დაკავშირებული იყოს ჩვეულებრივი გაზის მიწოდების ქსელთან, საწვავის უჯრედებს არ სჭირდებათ წყალბადის მიწოდების ცალკეული სისტემა. მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედებზე დაფუძნებული მცირე თბოელექტროსადგურების გამოყენებისას, წარმოქმნილი სითბო შეიძლება ინტეგრირებული იყოს სითბოს გადამცვლელებში წყლის გასათბობად და ჰაერის ვენტილაციისთვის, რაც ზრდის სისტემის საერთო ეფექტურობას. ეს ინოვაციური ტექნოლოგიასაუკეთესოდ 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 სარეზერვო ხანგრძლივობისთვის, რადგან მათი შენახვა ძვირია, ხანგრძლივი გამოყენების შემდეგ ხდება არასანდო, მგრძნობიარეა ტემპერატურის მიმართ და სახიფათოა სიცოცხლისთვის. გარემოგანკარგვის შემდეგ. დიზელისა და პროპანის გენერატორებს შეუძლიათ უზრუნველყონ უწყვეტი სარეზერვო ენერგია. თუმცა, გენერატორები შეიძლება იყოს არასანდო, საჭიროებს ვრცელ მოვლა-პატრონობას და ატმოსფეროში მაღალი დონის დამაბინძურებლებისა და სათბურის გაზების გამოყოფას.

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 ეკოლოგიურად სუფთაა ტექნოლოგიური გადაწყვეტაგარემოზე მინიმალური ზემოქმედებით.

საწვავის უჯრედები უზრუნველყოფენ სარეზერვო ენერგიას კრიტიკული საკომუნიკაციო ქსელის ინფრასტრუქტურისთვის უსადენო, მუდმივი და ფართოზოლოვანისატელეკომუნიკაციო სისტემაში, 250 ვტ-დან 15 კვტ-მდე, ისინი გვთავაზობენ უამრავ 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, კომერციულად წარმოებული საწვავი, რომელსაც ამჟამად აქვს მრავალი გამოყენება, მათ შორის საქარე მინის გამრეცხი, პლასტმასის ბოთლებიძრავის დანამატები, ემულსიური საღებავები. მეთანოლი ადვილად ტრანსპორტირებადია, წყალთან შერევა, აქვს კარგი ბიოდეგრადირება და არ შეიცავს გოგირდს. მას აქვს დაბალი გაყინვის წერტილი (-71°C) და არ იშლება ხანგრძლივი შენახვისას.

საწვავის უჯრედების/უჯრედების გამოყენება საკომუნიკაციო ქსელებში

უსაფრთხოების ქსელებს ესაჭიროებათ საიმედო სარეზერვო დენის გადაწყვეტილებები, რომლებიც შეიძლება გაგრძელდეს საათობით ან დღეებით საგანგებო სიტუაციებში, თუ 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 ქსელებისთვის, როგორიცაა მაღალსიჩქარიანი მონაცემთა ქსელები და ოპტიკურ-ბოჭკოვანი ხერხემალი, საკვანძო მნიშვნელობა აქვს მთელ მსოფლიოში. ასეთი ქსელებით გადაცემული ინფორმაცია შეიცავს კრიტიკულ მონაცემებს ისეთი ინსტიტუტებისთვის, როგორიცაა ბანკები, ავიახაზები ან სამედიცინო ცენტრები. ელექტროენერგიის უკმარისობა ასეთ ქსელებში არა მხოლოდ საფრთხეს უქმნის გადაცემული ინფორმაცია, 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
განაცხადები მოთხოვნებით ბატარეის ხანგრძლივობა> 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:

თხევადი საწვავის ტექნოლოგია წყვეტს წყალბადის შენახვის პრობლემას და უზრუნველყოფს პრაქტიკულად შეუზღუდავი სარეზერვო სიმძლავრეს.
მათი მშვიდი მუშაობის, დაბალი წონის, ტემპერატურის უკიდურესობისადმი გამძლეობისა და პრაქტიკულად ვიბრაციის გარეშე მუშაობის გამო, საწვავის უჯრედები შეიძლება დამონტაჟდეს გარეთ, სამრეწველო შენობებში/კონტეინერებში ან სახურავებზე.
სისტემის გამოყენებისთვის ადგილზე მზადება სწრაფი და ეკონომიურია, ხოლო ექსპლუატაციის ღირებულება დაბალია.
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.

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 ენერგიის გამომუშავების ეფექტურობის დანაკარგს, როდესაც ის წარმოიქმნება CHP ქარხანაში და გადაეცემა სახლებს ტრადიციული გადამცემი ქსელების მეშვეობით, რომლებიც გამოიყენება ამ მომენტში. 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.

საწვავის უჯრედების ინსტალაციის ერთ-ერთი მთავარი უპირატესობა ის არის, რომ მათ შეუძლიათ საიმედოდ და მდგრად ფუნქციონირება დაკავშირებული ნავთობის გაზიცვლადი შემადგენლობა. ცეცხლმოკიდებული ქიმიური რეაქციის გამო, რომელიც საფუძვლად უდევს საწვავის უჯრედის ფუნქციონირებას, მაგალითად, მეთანის პროცენტის შემცირება იწვევს მხოლოდ ენერგიის გამომუშავების შესაბამის შემცირებას.
მოქნილობა მომხმარებელთა ელექტრულ დატვირთვასთან მიმართებაში, დიფერენციალური, დატვირთვის აწევა.
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.
მაღალი ავტომატიზაცია და თანამედროვე დისტანციური მართვა არ საჭიროებს ქარხანაში პერსონალის მუდმივ ყოფნას.
დიზაინის სიმარტივე და ტექნიკური სრულყოფილება: მოძრავი ნაწილების, ხახუნის, შეზეთვის სისტემების არარსებობა მნიშვნელოვან ეკონომიკურ სარგებელს იძლევა საწვავის უჯრედების დანადგარების მუშაობისგან.
წყლის მოხმარება: გარემოს ტემპერატურაზე +30 °C-მდე არ არის და მაღალ ტემპერატურაზე უმნიშვნელოა.
წყლის გამოსასვლელი: არა.
გარდა ამისა, საწვავის უჯრედების თბოელექტროსადგურები არ ქმნიან ხმაურს, არ ვიბრირებენ, არ გამოაქვეყნოთ მავნე გამონაბოლქვი ატმოსფეროში

მათ მართავს აშშ-ს აერონავტიკისა და კოსმოსური ადმინისტრაციის (NASA) კოსმოსური ხომალდი. ისინი ელექტროენერგიას აწვდიან ომაჰაში პირველი ეროვნული ბანკის კომპიუტერებს. ისინი გამოიყენება ჩიკაგოს ზოგიერთ საზოგადოებრივ საქალაქო ავტობუსში.

ეს ყველაფერი საწვავის უჯრედებია. საწვავის უჯრედები არის ელექტროქიმიური მოწყობილობები, რომლებიც გამოიმუშავებენ ელექტროენერგიას წვის პროცესის გარეშე - ქიმიური საშუალებებით, ისევე როგორც ბატარეები. განსხვავება მხოლოდ ისაა, რომ ისინი იყენებენ სხვა ქიმიკატებს, წყალბადს და ჟანგბადს, ხოლო ქიმიური რეაქციის პროდუქტი წყალია. ბუნებრივი აირის გამოყენება ასევე შესაძლებელია, მაგრამ, რა თქმა უნდა, ნახშირორჟანგის გამოყოფის გარკვეული დონე გარდაუვალია ნახშირწყალბადის საწვავის გამოყენებისას.

ვინაიდან საწვავის უჯრედებს შეუძლიათ მუშაობა მაღალი ეფექტურობით და მავნე გამონაბოლქვის გარეშე, ისინი დიდ დაპირებას იძლევიან, როგორც მდგრადი ენერგიის წყაროს, რაც ხელს შეუწყობს სათბურის გაზების და სხვა დამაბინძურებლების ემისიების შემცირებას. საწვავის უჯრედების ფართო გამოყენების მთავარი დაბრკოლება არის მათი მაღალი ღირებულება სხვა მოწყობილობებთან შედარებით, რომლებიც გამოიმუშავებენ ელექტროენერგიას ან ამძრავებენ მანქანებს.

განვითარების ისტორია

პირველი საწვავის უჯრედები აჩვენა სერ უილიამ გროვზმა 1839 წელს. გროვზმა აჩვენა, რომ ელექტროლიზის პროცესი - წყლის დაყოფა წყალბადად და ჟანგბადად ელექტრული დენის მოქმედებით - შექცევადია. ანუ წყალბადი და ჟანგბადი შეიძლება ქიმიურად გაერთიანდეს ელექტროენერგიის შესაქმნელად.

ამის დემონსტრირების შემდეგ ბევრი მეცნიერი გულმოდგინედ ისწრაფოდა საწვავის უჯრედების შესასწავლად, მაგრამ შიდა წვის ძრავის გამოგონებამ და ნავთობის რეზერვების მოპოვების ინფრასტრუქტურის განვითარებამ მეცხრამეტე საუკუნის მეორე ნახევარში საწვავის უჯრედების განვითარება უკან დატოვა. კიდევ უფრო ზღუდავდა საწვავის უჯრედების განვითარებას მათი მაღალი ღირებულება.

საწვავის უჯრედების განვითარების ზრდა მოხდა 1950-იან წლებში, როდესაც NASA-მ მათ მიმართა კოსმოსური ფრენებისთვის კომპაქტური ელექტრო გენერატორის საჭიროების გამო. შესაბამისი თანხების ინვესტიცია განხორციელდა, რის შედეგადაც Apollo-სა და Gemini-ის ფრენები საწვავის უჯრედებზე განხორციელდა. კოსმოსური ხომალდი ასევე მუშაობს საწვავის უჯრედებზე.

საწვავის უჯრედები ჯერ კიდევ დიდწილად ექსპერიმენტული ტექნოლოგია, მაგრამ უკვე რამდენიმე კომპანია ყიდის მათ კომერციულ ბაზარზე. მხოლოდ ბოლო თითქმის ათი წლის განმავლობაში მნიშვნელოვანი მიღწევები იქნა მიღწეული კომერციული საწვავის უჯრედების ტექნოლოგიაში.

როგორ მუშაობს საწვავის უჯრედი

საწვავის უჯრედები ბატარეებს ჰგავს - ისინი გამოიმუშავებენ ელექტროენერგიას ქიმიური რეაქციის შედეგად. ამის საპირისპიროდ, შიდა წვის ძრავები წვავენ საწვავს და ამით გამოიმუშავებენ სითბოს, რომელიც შემდეგ გარდაიქმნება მექანიკურ ენერგიად. თუ გამონაბოლქვი აირების სითბო არ გამოიყენება რაიმე გზით (მაგალითად, გათბობისთვის ან კონდიცირებისთვის), მაშინ შეიძლება ითქვას, რომ შიდა წვის ძრავის ეფექტურობა საკმაოდ დაბალია. მაგალითად, მოსალოდნელია, რომ საწვავის უჯრედების ეფექტურობა სატრანსპორტო საშუალებებში გამოყენებისას - პროექტი ამჟამად დამუშავების პროცესშია - ორჯერ უფრო ეფექტური იქნება, ვიდრე მანქანებში გამოყენებული დღევანდელი ტიპიური ბენზინის ძრავები.

მიუხედავად იმისა, რომ ბატარეები და საწვავის უჯრედები ქიმიურად გამოიმუშავებენ ელექტროენერგიას, ისინი ასრულებენ ორ ძალიან განსხვავებულ ფუნქციას. ბატარეები არის შესანახი ენერგიის მოწყობილობები: მათ მიერ გამომუშავებული ელექტროენერგია არის მათში არსებული მატერიის ქიმიური რეაქციის შედეგი. საწვავის უჯრედები არ ინახავს ენერგიას, მაგრამ გარდაქმნის ენერგიის ნაწილს გარედან მიწოდებული საწვავიდან ელექტროენერგიად. ამ მხრივ, საწვავის უჯრედი უფრო ჰგავს ჩვეულებრივ ელექტროსადგურს.

საწვავის უჯრედების რამდენიმე განსხვავებული ტიპი არსებობს. უმარტივესი საწვავის უჯრედი შედგება სპეციალური მემბრანისგან, რომელიც ცნობილია როგორც ელექტროლიტი. ფხვნილი ელექტროდები დეპონირებულია მემბრანის ორივე მხარეს. ეს დიზაინი - ელექტროლიტი, რომელიც გარშემორტყმულია ორი ელექტროდით - ცალკე ელემენტია. წყალბადი მიედინება ერთ მხარეს (ანოდი) და ჟანგბადი (ჰაერი) მეორე მხარეს (კათოდი). თითოეულ ელექტროდს აქვს განსხვავებული ქიმიური რეაქცია.

ანოდზე წყალბადი იშლება პროტონებისა და ელექტრონების ნარევად. ზოგიერთ საწვავის უჯრედში ელექტროდები გარშემორტყმულია კატალიზატორით, რომელიც ჩვეულებრივ დამზადებულია პლატინისგან ან სხვა კეთილშობილური ლითონებისგან, რაც ხელს უწყობს დისოციაციის რეაქციას:

2H2 ==> 4H+ + 4e-.

H2 = დიატომური წყალბადის მოლეკულა, ფორმა, in

რომელშიც წყალბადი არის გაზის სახით;

H+ = იონიზებული წყალბადი, ე.ი. პროტონი;

e- = ელექტრონი.

საწვავის უჯრედის მოქმედება ემყარება იმ ფაქტს, რომ ელექტროლიტი გადის პროტონებს თავის შიგნით (კათოდისკენ), მაგრამ ელექტრონები არა. ელექტრონები მოძრაობენ კათოდისკენ გარე გამტარ წრის გასწვრივ. ელექტრონების ეს მოძრაობა არის ელექტრული დენი, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას საწვავის უჯრედთან დაკავშირებული გარე მოწყობილობის, როგორიცაა ელექტროძრავა ან ნათურა. ამ მოწყობილობას ჩვეულებრივ უწოდებენ "დატვირთვას".

საწვავის უჯრედის კათოდის მხარეს პროტონები (რომლებიც გაიარეს ელექტროლიტში) და ელექტრონები (რომლებმაც გაიარეს გარე დატვირთვა) "რეკომბინირდებიან" და რეაგირებენ კათოდში მიწოდებულ ჟანგბადთან და წარმოქმნიან წყალს, H2O:

4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O.

საწვავის უჯრედში მთლიანი რეაქცია იწერება შემდეგნაირად:

2H2 + O2 ==> 2H2O.

საწვავის უჯრედები თავიანთ მუშაობაში იყენებენ წყალბადის საწვავს და ჟანგბადს ჰაერიდან. წყალბადის მიწოდება შესაძლებელია უშუალოდ ან მისი გამოყოფით საწვავის გარე წყაროსგან, როგორიცაა ბუნებრივი აირი, ბენზინი ან მეთანოლი. გარე წყაროს შემთხვევაში, ის ქიმიურად უნდა გარდაიქმნას წყალბადის გამოსაყვანად. ამ პროცესს ეწოდება "რეფორმირება". წყალბადის მიღება ასევე შესაძლებელია ამიაკის, ალტერნატიული რესურსებიდან, როგორიცაა გაზი ქალაქის ნაგავსაყრელებიდან და გაზის გამწმენდი ნაგებობებიდან. ჩამდინარე წყლები, ასევე წყლის ელექტროლიზით, რომლის დროსაც ელექტროენერგია გამოიყენება წყლის წყალბადად და ჟანგბადად დასაშლელად. ამჟამად, ტრანსპორტირებაში გამოყენებული საწვავის უჯრედების ტექნოლოგიების უმეტესობა იყენებს მეთანოლს.

შემუშავებულია საწვავის რეფორმირების სხვადასხვა საშუალებები საწვავის უჯრედებისთვის წყალბადის წარმოებისთვის. აშშ-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტმა შეიმუშავა საწვავის ქარხანა ბენზინის რეფორმატორის შიგნით, რათა წყალბადი მიეწოდებინა თვითმყოფად საწვავის უჯრედს. აშშ-ში წყნარი ოკეანის ჩრდილო-დასავლეთის ეროვნული ლაბორატორიის მკვლევარებმა აჩვენეს კომპაქტური საწვავის რეფორმატორი, რომელიც სიმძლავრის პაკეტის ზომის მეათედია. აშშ-ს კომუნალურმა კომპანიამ, Northwest Power Systems-მა და Sandia National Laboratory-მ აჩვენეს საწვავის რეფორმატორი, რომელიც გარდაქმნის დიზელის საწვავს წყალბადად საწვავის უჯრედებისთვის.

ინდივიდუალურად, საწვავის უჯრედები აწარმოებენ დაახლოებით 0,7-1,0 ვოლტს თითოეული. ძაბვის გაზრდის მიზნით, ელემენტები იკრიბება "კასკადში", ე.ი. სერიული კავშირი. მეტი დენის შესაქმნელად, კასკადის ელემენტების ნაკრები დაკავშირებულია პარალელურად. თუ საწვავის უჯრედების კასკადებს შეუთავსებთ საწვავის ქარხანას, ჰაერის მიწოდების და გაგრილების სისტემას და საკონტროლო სისტემას, მიიღებთ საწვავის უჯრედის ძრავას. ამ ძრავას შეუძლია მართოს მანქანა, სტაციონარული ელექტროსადგური ან პორტატული ელექტრო გენერატორი6. საწვავის უჯრედის ძრავები სხვადასხვა ზომისაა, რაც დამოკიდებულია აპლიკაციის, საწვავის უჯრედის ტიპისა და გამოყენებული საწვავის მიხედვით. მაგალითად, ომაჰას ბანკში დამონტაჟებული ოთხი ცალკეული 200 კვტ სიმძლავრის სტაციონარული ელექტროსადგურიდან თითოეული დაახლოებით სატვირთო ტრაილერის ზომისაა.

აპლიკაციები

საწვავის უჯრედების გამოყენება შესაძლებელია როგორც სტაციონარული, ასევე მობილურ მოწყობილობებში. აშშ-ს ემისიების რეგულაციების გამკაცრების საპასუხოდ, ავტომწარმოებლებმა, მათ შორის DaimlerChrysler-მა, Toyota-მ, Ford-მა, General Motors-მა, Volkswagen-მა, Honda-მ და Nissan-მა ჩაატარეს ექსპერიმენტები და აჩვენეს საწვავის უჯრედების მანქანები. პირველი კომერციული საწვავის უჯრედების მანქანები, სავარაუდოდ, გზებზე გამოვა 2004 ან 2005 წლებში.

საწვავის უჯრედების ტექნოლოგიის ისტორიაში მთავარი ეტაპი იყო 1993 წლის ივნისში ექსპერიმენტული 32 ფუტიანი საქალაქო ავტობუსის ჩვენება Ballard Power System-დან 90 კილოვატი წყალბადის საწვავის უჯრედის ძრავით. მას შემდეგ ბევრი განსხვავებული ტიპებიდა სხვადასხვა თაობის საწვავის უჯრედებით აღჭურვილი სამგზავრო მანქანები განსხვავებული ტიპებისაწვავი. 1996 წლის ბოლოდან კალიფორნიის პალმის უდაბნოში წყალბადის საწვავის უჯრედებით აღჭურვილი სამი გოლფის ურიკა გამოიყენებოდა. ჩიკაგოს გზებზე, ილინოისი; ვანკუვერი, ბრიტანეთის კოლუმბია; და ოსლო, ნორვეგია ამოწმებენ საწვავის უჯრედების საქალაქო ავტობუსებს. ლონდონის ქუჩებში ტუტე საწვავის უჯრედების ტაქსები ტესტირებას ახდენენ.

ასევე ნაჩვენებია ფიქსირებული დანადგარები საწვავის უჯრედების ტექნოლოგიის გამოყენებით, მაგრამ ისინი ჯერ კიდევ არ არის ფართოდ გამოყენებული. კომერციული აპლიკაცია. ნებრასკაში ომაჰას პირველი ეროვნული ბანკი იყენებს საწვავის უჯრედის სისტემას კომპიუტერების კვებისათვის, რადგან სისტემა უფრო საიმედოა, ვიდრე ძველი ქსელის სისტემა ბატარეის სარეზერვო საშუალებით. ყველაზე დიდი მსოფლიოში კომერციული სისტემა 1.2 მეგავატიანი საწვავის უჯრედი მალე დამონტაჟდება ალასკაზე საფოსტო ცენტრში. საწვავის უჯრედების ლეპტოპები, საკონტროლო სისტემები, რომლებიც გამოიყენება კანალიზაციის გამწმენდ ნაგებობებში და სავაჭრო მანქანებში, ასევე მიმდინარეობს ტესტირება და დემონსტრირება.

"Დადებითი და უარყოფითი მხარეები"

საწვავის უჯრედებს აქვთ მრავალი უპირატესობა. მაშინ, როცა თანამედროვე შიდა წვის ძრავების ეფექტურობა მხოლოდ 12-15%-ია, საწვავის უჯრედებისთვის ეს კოეფიციენტი 50%-ია. საწვავის უჯრედების ეფექტურობა შეიძლება დარჩეს საკმაოდ მაღალი დონემაშინაც კი, როდესაც ისინი არ გამოიყენება სრული ნომინალური სიმძლავრით, რაც მთავარი უპირატესობაა ბენზინის ძრავებთან შედარებით.

საწვავის უჯრედის დიზაინის მოდულარული ბუნება ნიშნავს, რომ საწვავის უჯრედის ელექტროსადგურის სიმძლავრე შეიძლება გაიზარდოს კიდევ რამდენიმე ეტაპის დამატებით. ეს უზრუნველყოფს სიმძლავრის არასაკმარისი ათვისების ფაქტორის მინიმუმამდე დაყვანას, რაც უზრუნველყოფს მიწოდებისა და მოთხოვნის უკეთ შეთავსებას. იმის გამო, რომ საწვავის უჯრედების ეფექტურობა განისაზღვრება ცალკეული უჯრედების მუშაობით, მცირე საწვავის უჯრედების ელექტროსადგურები მუშაობენ ისევე ეფექტურად, როგორც დიდი. გარდა ამისა, სტაციონარული საწვავის უჯრედების სისტემებიდან ნარჩენი სითბო შეიძლება გამოყენებულ იქნას წყლისა და სივრცის გასათბობად, რაც კიდევ უფრო გაზრდის ენერგოეფექტურობას.

საწვავის უჯრედების გამოყენებისას პრაქტიკულად არ არის მავნე გამონაბოლქვი. როდესაც ძრავა მუშაობს სუფთა წყალბადზე, მხოლოდ სითბო და სუფთა წყლის ორთქლი წარმოიქმნება როგორც ქვეპროდუქტი. ასე რომ, კოსმოსურ ხომალდზე ასტრონავტები სვამენ წყალს, რომელიც წარმოიქმნება ბორტზე საწვავის უჯრედების მუშაობის შედეგად. ემისიების შემადგენლობა დამოკიდებულია წყალბადის წყაროს ბუნებაზე. მეთანოლის გამოყენება იწვევს აზოტის ოქსიდების და ნახშირბადის მონოქსიდის ნულოვან გამოყოფას და მხოლოდ მცირე ნახშირწყალბადების გამონაბოლქვს. ემისიები იზრდება წყალბადიდან მეთანოლზე ბენზინზე გადასვლისას, თუმცა ბენზინის შემთხვევაშიც კი გამონაბოლქვი საკმაოდ დაბალი დარჩება. ნებისმიერ შემთხვევაში, დღევანდელი ტრადიციული შიდა წვის ძრავების ჩანაცვლება საწვავის უჯრედებით გამოიწვევს CO2 და NOx ემისიების საერთო შემცირებას.

საწვავის უჯრედების გამოყენება უზრუნველყოფს ენერგეტიკული ინფრასტრუქტურის მოქნილობას, შექმნას დამატებითი ფუნქციებიდეცენტრალიზებული ელექტროენერგიის წარმოებისთვის. დეცენტრალიზებული ენერგიის წყაროების სიმრავლე შესაძლებელს ხდის გადაცემის დანაკარგების შემცირებას და ენერგიის გაყიდვის ბაზრების განვითარებას (რაც განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია შორეულ და სოფლად ელექტროგადამცემ ხაზებთან წვდომის გარეშე). საწვავის უჯრედების დახმარებით ცალკეულ მაცხოვრებლებს ან უბნებს შეუძლიათ უზრუნველყონ ელექტროენერგიის უმეტესი ნაწილი და ამით მნიშვნელოვნად გაზარდონ მისი გამოყენების ეფექტურობა.

საწვავის უჯრედები გვთავაზობენ ენერგიას Მაღალი ხარისხიდა გაიზარდა საიმედოობა. ისინი გამძლეა, არ აქვთ მოძრავი ნაწილები და აწარმოებენ მუდმივ ენერგიას.

თუმცა, საწვავის უჯრედების ტექნოლოგია კიდევ უფრო უნდა გაუმჯობესდეს, რათა გაუმჯობესდეს შესრულება, შემცირდეს ხარჯები და ამით საწვავის უჯრედები კონკურენტუნარიანი გახდეს სხვა ენერგეტიკული ტექნოლოგიების მიმართ. უნდა აღინიშნოს, რომ ენერგეტიკული ტექნოლოგიების ღირებულების მახასიათებლების განხილვისას შედარება უნდა მოხდეს ყველა კომპონენტის საფუძველზე. ტექნოლოგიური მახასიათებლებიმათ შორის კაპიტალური საოპერაციო ხარჯები, დამაბინძურებლების ემისიები, ელექტროენერგიის ხარისხი, გამძლეობა, დეკომისია და მოქნილობა.

მიუხედავად იმისა, რომ წყალბადის გაზი საუკეთესო საწვავია, მისთვის ინფრასტრუქტურა ან სატრანსპორტო ბაზა ჯერ არ არსებობს. მოკლევადიან პერსპექტივაში, არსებული წიაღისეული საწვავის მიწოდების სისტემები (გაზგასამართი სადგურები და ა.შ.) შეიძლება გამოყენებულ იქნას ელექტროსადგურების წყალბადის წყაროებით ბენზინის, მეთანოლის ან ბუნებრივი აირის სახით. ეს გამორიცხავს წყალბადის ბენზინგასამართი სადგურების საჭიროებას, მაგრამ მოითხოვს თითოეულ მანქანას წიაღისეული საწვავის წყალბადის გადამყვანით („რეფორმატორი“). ამ მიდგომის მინუსი არის ის, რომ ის იყენებს წიაღისეულ საწვავს და, შესაბამისად, იწვევს ნახშირორჟანგის გამოყოფას. მეთანოლი, ამჟამად წამყვანი კანდიდატი, ქმნის ნაკლებ გამონაბოლქვს, ვიდრე ბენზინზე, მაგრამ მას დასჭირდება უფრო დიდი ტევადობის ავზი მანქანაში, რადგან ის ორჯერ მეტ ადგილს იკავებს იმავე ენერგეტიკული შემცველობისთვის.

წიაღისეული საწვავის მომარაგების სისტემებისგან განსხვავებით, მზის და ქარის სისტემებს (ელექტროენერგიის გამოყენებით წყალბადისა და ჟანგბადის შესაქმნელად) და პირდაპირი ფოტოკონვერტაციის სისტემებს (ნახევარგამტარული მასალების ან ფერმენტების გამოყენებით წყალბადის წარმოებისთვის) შეუძლიათ წყალბადის მიწოდება რეფორმირების საფეხურის გარეშე და, შესაბამისად, გამონაბოლქვი. შეიძლება თავიდან იქნას აცილებული მავნე ნივთიერებები, რომლებიც შეინიშნება მეთანოლის ან ბენზინის საწვავის უჯრედების გამოყენებისას. საჭიროების შემთხვევაში წყალბადის შენახვა და ელექტროენერგიად გადაქცევა საწვავის უჯრედში შეიძლებოდა. მომავალში, საწვავის უჯრედების დაკავშირება ამ სახის განახლებადი ენერგიის წყაროებთან, სავარაუდოდ, იქნება ეფექტური სტრატეგია ენერგიის პროდუქტიული, ეკოლოგიურად სუფთა და მრავალმხრივი წყაროს უზრუნველსაყოფად.

IEER-ის რეკომენდაციებია ადგილობრივი, შტატისა და შტატის მთავრობებისთვის, თავიანთი სატრანსპორტო შესყიდვების ბიუჯეტის ნაწილი გამოყოს საწვავის უჯრედების მანქანებს და სტაციონარული საწვავის უჯრედების სისტემებს, რათა უზრუნველყონ სითბო და ელექტროენერგია ზოგიერთი მათი ძირითადი თუ ახალი შენობებისთვის. ეს ხელს შეუწყობს სასიცოცხლო მნიშვნელობის ტექნოლოგიების განვითარებას და სათბურის გაზების ემისიების შემცირებას.

AT თანამედროვე ცხოვრებაქიმიური დენის წყაროები ყველგან გვახვევენ: ეს არის ბატარეები ფანრებში, ბატარეები შიგნით მობილური ტელეფონებიწყალბადის საწვავის უჯრედები, რომლებიც უკვე გამოიყენება ზოგიერთ მანქანაში. ელექტროქიმიური ტექნოლოგიების სწრაფმა განვითარებამ შეიძლება გამოიწვიოს ის ფაქტი, რომ უახლოეს მომავალში, ბენზინის ძრავიანი მანქანების ნაცვლად, გარშემორტყმული ვიქნებით მხოლოდ ელექტრო მანქანებით, ტელეფონები სწრაფად აღარ ამოიწურება და თითოეულ სახლს ექნება საკუთარი საწვავის უჯრედი. ელექტრო გენერატორი. ურალის ფედერალური უნივერსიტეტის ერთ-ერთი ერთობლივი პროგრამა რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის ურალის ფილიალის მაღალი ტემპერატურის ელექტროქიმიის ინსტიტუტთან, რომელთანაც ჩვენ გამოვაქვეყნებთ ამ სტატიას, ეძღვნება ელექტროქიმიური შენახვისა და დენის გენერატორების ეფექტურობის გაზრდას. .

დღესდღეობით არსებობს მრავალი სხვადასხვა ტიპის ბატარეა, რომელთა შორის ნავიგაცია სულ უფრო რთულია. ყველასთვის შორს არის ნათელი, თუ რით განსხვავდება ბატარეა სუპერკონდენსატორისგან და რატომ შეიძლება წყალბადის საწვავის უჯრედის გამოყენება გარემოსთვის ზიანის მიყენების შიშის გარეშე. ამ სტატიაში ვისაუბრებთ იმაზე, თუ როგორ გამოიყენება ქიმიური რეაქციები ელექტროენერგიის შესაქმნელად, რა განსხვავებაა თანამედროვე ქიმიური დენის წყაროების ძირითად ტიპებს შორის და რა პერსპექტივები იხსნება ელექტროქიმიური ენერგიისთვის.

ქიმია, როგორც ელექტროენერგიის წყარო

ჯერ ვნახოთ, რატომ შეიძლება საერთოდ ქიმიური ენერგიის გამოყენება ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის. საქმე ისაა, რომ რედოქს რეაქციებში ელექტრონები გადადის ორ განსხვავებულ იონს შორის. თუ ქიმიური რეაქციის ორი ნახევარი განცალკევებულია სივრცეში ისე, რომ დაჟანგვა და შემცირება მოხდეს ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად, მაშინ შესაძლებელია დავრწმუნდეთ, რომ ელექტრონი, რომელიც შორდება ერთ იონს, მაშინვე არ დაეცემა მეორეზე, არამედ ჯერ. მიდის მისთვის წინასწარ განსაზღვრულ გზაზე. ეს რეაქცია შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც ელექტრული დენის წყარო.

ეს კონცეფცია პირველად მე-18 საუკუნეში განხორციელდა იტალიელმა ფიზიოლოგმა ლუიჯი გალვანმა. ტრადიციული გალვანური უჯრედის მოქმედება ემყარება სხვადასხვა აქტივობის მქონე ლითონების შემცირებისა და დაჟანგვის რეაქციებს. მაგალითად, კლასიკური უჯრედი არის გალვანური უჯრედი, რომელშიც თუთია იჟანგება და სპილენძი მცირდება. შემცირების და დაჟანგვის რეაქციები ხდება, შესაბამისად, კათოდზე და ანოდზე. და იმისათვის, რომ სპილენძის და თუთიის იონები არ მოხვდეს „უცხო ტერიტორიაზე“, სადაც მათ შეუძლიათ უშუალოდ რეაგირება მოახდინონ ერთმანეთთან, ჩვეულებრივ ანოდსა და კათოდს შორის ათავსებენ სპეციალურ მემბრანას. შედეგად, პოტენციური განსხვავება წარმოიქმნება ელექტროდებს შორის. თუ ელექტროდებს დააკავშირებთ, მაგალითად, ნათურს, მაშინ დენი იწყებს გადინებას მიღებულ ელექტრულ წრეში და ნათურა ანათებს.

გალვანური უჯრედის დიაგრამა

Wikimedia Commons

ანოდისა და კათოდის მასალების გარდა, ქიმიური დენის წყაროს მნიშვნელოვანი კომპონენტია ელექტროლიტი, რომლის შიგნით მოძრაობენ იონები და რომლის საზღვარზე ყველა ელექტროქიმიური რეაქცია მიმდინარეობს ელექტროდებთან. ამ შემთხვევაში, ელექტროლიტი არ უნდა იყოს თხევადი - ეს შეიძლება იყოს როგორც პოლიმერული, ასევე კერამიკული მასალა.

გალვანური უჯრედის მთავარი მინუსი არის მისი შეზღუდული მუშაობის დრო. როგორც კი რეაქცია ბოლომდე მიდის (ანუ მთელი თანდათანობით დაშლის ანოდი მთლიანად მოიხმარება), ასეთი ელემენტი უბრალოდ შეწყვეტს მუშაობას.

თითის ტუტე ბატარეები

მრავალჯერადი

პირველი ნაბიჯი ქიმიური დენის წყაროების შესაძლებლობების გაფართოებისაკენ იყო ბატარეის შექმნა - დენის წყარო, რომლის დატენვა და, შესაბამისად, ხელახლა გამოყენება შესაძლებელია. ამისათვის მეცნიერებმა უბრალოდ შესთავაზეს შექცევადი ქიმიური რეაქციების გამოყენება. ბატარეის პირველად სრულად დაცლის შემდეგ, გარე დენის წყაროს დახმარებით, მასში მომხდარი რეაქცია შეიძლება დაიწყოს საპირისპირო მიმართულებით. ეს აღადგენს თავდაპირველ მდგომარეობას, რათა ბატარეა კვლავ გამოიყენოს დატენვის შემდეგ.

მანქანის ტყვიის მჟავა ბატარეა

დღეისათვის შეიქმნა მრავალი სხვადასხვა ტიპის ბატარეა, რომლებიც განსხვავდებიან მათში მიმდინარე ქიმიური რეაქციის სახეობით. ბატარეების ყველაზე გავრცელებული ტიპებია ტყვიის მჟავა (ან უბრალოდ ტყვიის) ბატარეები, რომლებიც დაფუძნებულია ტყვიის დაჟანგვა-აღდგენის რეაქციაზე. ასეთ მოწყობილობებს აქვთ საკმაოდ ხანგრძლივი მომსახურების ვადა და მათი ენერგიის მოხმარება კილოგრამზე 60 ვტ-სთ-მდეა. ბოლო დროს კიდევ უფრო პოპულარულია ლითიუმ-იონური ბატარეები, რომლებიც დაფუძნებულია ლითიუმის რედოქს რეაქციაზე. თანამედროვე ლითიუმ-იონური ბატარეების ენერგეტიკული ინტენსივობა ახლა აღემატება 250 ვტ-საათს კილოგრამზე.

Li-ion ბატარეა მობილური ტელეფონისთვის

ლითიუმ-იონური ბატარეების მთავარი პრობლემაა მათი დაბალი ეფექტურობა დაბალ ტემპერატურაზე, სწრაფი დაბერება და გაზრდილი ფეთქებადობა. და იმის გამო, რომ ლითიუმის ლითონი ძალიან აქტიურად რეაგირებს წყალთან, რათა წარმოქმნას წყალბადის აირი და ჟანგბადი გამოიყოფა ბატარეის წვის დროს, ლითიუმ-იონური ბატარეის სპონტანური წვა ძალიან რთულია ტრადიციული ხანძრის ჩაქრობის მეთოდებით. ასეთი ბატარეის უსაფრთხოების გასაუმჯობესებლად და მისი დატენვის დროის დაჩქარების მიზნით, მეცნიერებმა შესთავაზეს კათოდური მასალა, რომელიც ხელს უშლის დენდრიტული ლითიუმის სტრუქტურების წარმოქმნას და ელექტროლიტში ამატებს ნივთიერებებს, რომლებიც ქმნიან ფეთქებად სტრუქტურებს და კომპონენტებს, რომლებიც ანთებენ ადრეულ ეტაპებზე. .

მყარი ელექტროლიტი

როგორც ბატარეების ეფექტურობისა და უსაფრთხოების გაუმჯობესების კიდევ ერთი ნაკლებად აშკარა გზა, ქიმიკოსებმა შესთავაზეს არ შემოიფარგლონ თხევადი ელექტროლიტებით ქიმიური ენერგიის წყაროებში, არამედ შექმნან მთლიანად მყარი მდგომარეობის ენერგიის წყარო. ასეთ მოწყობილობებში საერთოდ არ არის თხევადი კომპონენტები, მაგრამ მათ შორის არის მყარი ანოდის, მყარი კათოდის და მყარი ელექტროლიტის ფენიანი სტრუქტურა. ელექტროლიტი ამავდროულად ასრულებს მემბრანის ფუნქციას. მუხტის მატარებლები მყარ ელექტროლიტში შეიძლება იყოს სხვადასხვა იონები, რაც დამოკიდებულია მის შემადგენლობასა და რეაქციებზე, რომლებიც მიმდინარეობს ანოდსა და კათოდზე. მაგრამ ისინი ყოველთვის საკმარისად მცირე იონებია, რომლებსაც შეუძლიათ შედარებით თავისუფლად გადაადგილება კრისტალში, მაგალითად, H + პროტონები, Li + ლითიუმის იონები ან O 2- ჟანგბადის იონები.

წყალბადის საწვავის უჯრედები

დატენვის შესაძლებლობა და უსაფრთხოების სპეციალური ზომები აქცევს ბატარეებს დენის ბევრად უფრო პერსპექტიულ წყაროდ, ვიდრე ჩვეულებრივი ბატარეები, მაგრამ მაინც, თითოეული ბატარეა შეიცავს რეაგენტების შეზღუდულ რაოდენობას შიგნით და, შესაბამისად, შეზღუდული ენერგიის მიწოდებას, და ყოველ ჯერზე ბატარეა უნდა დაიტენოს. განაახლოს მისი შესრულება.

იმისათვის, რომ ბატარეა "უსასრულო" გახდეს, შესაძლებელია ენერგიის წყაროდ გამოვიყენოთ არა ის ნივთიერებები, რომლებიც უჯრედის შიგნით არის, არამედ მასში სპეციალურად ამოტუმბული საწვავი. რაც მთავარია, ნივთიერება, რომელიც შეძლებისდაგვარად მარტივია შემადგენლობით, ეკოლოგიურად სუფთა და უხვად ხელმისაწვდომი დედამიწაზე, საუკეთესოდ შეეფერება ასეთ საწვავს.

ამ ტიპის ყველაზე შესაფერისი ნივთიერებაა წყალბადის გაზი. მისი დაჟანგვა ატმოსფერული ჟანგბადით წყლის წარმოქმნის მიზნით (რეაქციის მიხედვით 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) არის მარტივი რედოქსული რეაქცია და ელექტრონების ტრანსპორტირება იონებს შორის ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც დენის წყარო. ამ შემთხვევაში მიმდინარე რეაქცია არის ერთგვარი საპირისპირო რეაქცია წყლის ელექტროლიზის რეაქციაზე (რომელშიც ელექტრული დენის მოქმედებით წყალი იშლება ჟანგბადად და წყალბადად) და პირველად ასეთი სქემა შემოგვთავაზეს ჯერ კიდევ ქ. მე-19 საუკუნის შუა ხანებში.

მაგრამ იმისდა მიუხედავად, რომ წრე საკმაოდ მარტივად გამოიყურება, ამ პრინციპზე დაფუძნებული ეფექტური მოწყობილობის შექმნა სულაც არ არის ტრივიალური ამოცანა. ამისათვის აუცილებელია სივრცეში ჟანგბადისა და წყალბადის ნაკადების გამოყოფა, ელექტროლიტის მეშვეობით საჭირო იონების ტრანსპორტირება და ოპერაციის ყველა ეტაპზე შესაძლო ენერგიის დანაკარგების შემცირება.

წყალბადის საწვავის უჯრედის მუშაობის სქემატური დიაგრამა

სამუშაო წყალბადის საწვავის უჯრედის სქემა ძალიან ჰგავს ქიმიური დენის წყაროს სქემას, მაგრამ შეიცავს დამატებით არხებს საწვავის და ჟანგვის მიწოდებისთვის და რეაქციის პროდუქტებისა და ჭარბი მიწოდებული გაზების მოსაშორებლად. ელექტროდები ასეთ ელემენტში არის ფოროვანი გამტარ კატალიზატორები. აირისებრი საწვავი (წყალბადი) მიეწოდება ანოდს, ხოლო ჟანგვის აგენტი (ჟანგბადი ჰაერიდან) მიეწოდება კათოდს და თითოეული ელექტროდის საზღვარზე ელექტროლიტთან ხდება საკუთარი ნახევრად რეაქცია (დაჟანგვა). წყალბადი და ჟანგბადის შემცირება, შესაბამისად). ამ შემთხვევაში, საწვავის უჯრედის ტიპისა და ელექტროლიტის ტიპის მიხედვით, თავად წყლის წარმოქმნა შეიძლება მიმდინარეობდეს ანოდში ან კათოდში.

ტოიოტას წყალბადის საწვავის უჯრედი

ჯოზეფ ბრენტი / flickr

თუ ელექტროლიტი არის პროტონგამტარი პოლიმერი ან კერამიკული მემბრანა, მჟავა ან ტუტე ხსნარი, მაშინ ელექტროლიტში მუხტის მატარებელია წყალბადის იონები. ამ შემთხვევაში, მოლეკულური წყალბადი ანოდში იჟანგება წყალბადის იონებისკენ, რომლებიც გადიან ელექტროლიტში და იქ რეაგირებენ ჟანგბადთან. თუ ჟანგბადის იონი O 2– არის მუხტის მატარებელი, როგორც მყარი ოქსიდის ელექტროლიტის შემთხვევაში, მაშინ ჟანგბადი იკლებს იონად კათოდში, ეს იონი გადის ელექტროლიტში და ჟანგავს წყალბადს ანოდში, რათა წარმოქმნას წყალი და თავისუფალი. ელექტრონები.

საწვავის უჯრედებისთვის წყალბადის დაჟანგვის რეაქციის გარდა, შემოთავაზებული იყო სხვა ტიპის რეაქციების გამოყენება. მაგალითად, წყალბადის ნაცვლად, შემცირების საწვავი შეიძლება იყოს მეთანოლი, რომელიც ჟანგბადით იჟანგება ნახშირორჟანგად და წყალში.

საწვავის უჯრედის ეფექტურობა

წყალბადის საწვავის უჯრედების ყველა უპირატესობის მიუხედავად (როგორიცაა გარემოსდაცვითი კეთილგანწყობა, პრაქტიკულად შეუზღუდავი ეფექტურობა, კომპაქტური ზომა და ენერგიის მაღალი ინტენსივობა), მათ ასევე აქვთ მთელი რიგი უარყოფითი მხარეები. ეს მოიცავს, პირველ რიგში, კომპონენტების თანდათანობით დაბერებას და წყალბადის შენახვის სირთულეებს. სწორედ იმაზე, თუ როგორ უნდა აღმოიფხვრას ეს ხარვეზები, დღეს მეცნიერები მუშაობენ.

ამჟამად შემოთავაზებულია საწვავის უჯრედების ეფექტურობის გაზრდა ელექტროლიტის შემადგენლობის, კატალიზატორის ელექტროდის თვისებების და სისტემის გეომეტრიის შეცვლით (რაც უზრუნველყოფს საწვავის აირების მიწოდებას სასურველ წერტილამდე და ამცირებს გვერდითი ეფექტებს). წყალბადის გაზის შენახვის პრობლემის გადასაჭრელად გამოიყენება პლატინის შემცველი მასალები, რომელთა გაჯერებისთვის, მაგალითად, გრაფენის გარსები.

შედეგად, შესაძლებელია საწვავის უჯრედის სტაბილურობისა და მისი ცალკეული კომპონენტების სიცოცხლის ხანგრძლივობის გაზრდა. ახლა ასეთ უჯრედებში ქიმიური ენერგიის ელექტრულ ენერგიად გადაქცევის კოეფიციენტი 80 პროცენტს აღწევს და გარკვეულ პირობებში შეიძლება იყოს უფრო მაღალიც.

წყალბადის ენერგიის უზარმაზარი პერსპექტივები დაკავშირებულია საწვავის უჯრედების მთლიან ბატარეებად გაერთიანების შესაძლებლობასთან, მათი გადაქცევის მაღალი სიმძლავრის ელექტრო გენერატორებად. ახლაც წყალბადის საწვავის უჯრედებზე მომუშავე ელექტრო გენერატორებს აქვთ რამდენიმე ასეულ კილოვატამდე სიმძლავრე და გამოიყენება მანქანების ენერგიის წყაროდ.

ალტერნატიული ელექტროქიმიური შენახვა

კლასიკური ელექტროქიმიური დენის წყაროების გარდა, უფრო უჩვეულო სისტემები ასევე გამოიყენება ენერგიის შესანახ მოწყობილობად. ერთ-ერთი ასეთი სისტემაა სუპერკონდენსატორი (ან იონისტორი) - მოწყობილობა, რომელშიც მუხტის განცალკევება და დაგროვება ხდება დამუხტული ზედაპირის მახლობლად ორმაგი ფენის წარმოქმნის გამო. ასეთ მოწყობილობაში ელექტროდი-ელექტროლიტის ინტერფეისზე სხვადასხვა ნიშნის იონები ორ ფენად დგანან, ეგრეთ წოდებული "ორმაგი ელექტრო ფენა", რომელიც ქმნის ერთგვარ ძალიან თხელ კონდენსატორს. ასეთი კონდენსატორის ტევადობა, ანუ დაგროვილი მუხტის რაოდენობა განისაზღვრება ელექტროდის მასალის სპეციფიური ზედაპირის ფართობით; ამიტომ, მიზანშეწონილია მიიღოს ფოროვანი მასალები მაქსიმალური სპეციფიური ზედაპირის ფართობით. სუპერკონდენსატორები.

იონისტორები ჩემპიონები არიან დამუხტვის ქიმიურ დენის წყაროებს შორის დატენვის სიჩქარის თვალსაზრისით, რაც ამ ტიპის მოწყობილობის უდავო უპირატესობაა. სამწუხაროდ, ისინი რეკორდსმენები არიან გამონადენის სიჩქარითაც. იონისტორების ენერგიის სიმკვრივე რვაჯერ ნაკლებია ტყვიის ბატარეებთან შედარებით და 25-ჯერ ნაკლები ლითიუმ-იონურ ბატარეებთან შედარებით. კლასიკური "ორმაგი შრის" იონისტორები არ იყენებენ ელექტროქიმიურ რეაქციას თავის ბირთვში და მათზე ყველაზე ზუსტად გამოიყენება ტერმინი "კონდენსატორი". თუმცა, იონისტორების იმ ვერსიებში, რომლებიც დაფუძნებულია ელექტროქიმიურ რეაქციაზე და მუხტის დაგროვება ვრცელდება ელექტროდის სიღრმეში, შესაძლებელია მიაღწიოთ უფრო მაღალ გამონადენს, ხოლო დატენვის სწრაფი სიჩქარის შენარჩუნებით. სუპერკონდენსატორების დეველოპერების ძალისხმევა მიზნად ისახავს შექმნას ჰიბრიდული მოწყობილობები ბატარეებით, რომლებიც აერთიანებს სუპერკონდენსატორების უპირატესობებს, პირველ რიგში დატენვის მაღალ სიჩქარეს და ბატარეების უპირატესობებს - ენერგიის მაღალი ინტენსივობას და ხანგრძლივ განმუხტვის დროს. წარმოიდგინეთ უახლოეს მომავალში იონისტორის ბატარეა, რომელიც რამდენიმე წუთში დაიტენება და ლეპტოპს ან სმარტფონს ერთი ან მეტი დღით კვებავს!

იმისდა მიუხედავად, რომ ახლა სუპერკონდენსატორების ენერგიის სიმკვრივე ჯერ კიდევ რამდენჯერმე ნაკლებია, ვიდრე ბატარეების ენერგიის სიმკვრივე, ისინი გამოიყენება სამომხმარებლო ელექტრონიკადა სხვადასხვა მანქანების ძრავებისთვის, მათ შორის უმეტესი.

* * *

ამრიგად, დღეს არსებობს ელექტროქიმიური მოწყობილობების დიდი რაოდენობა, რომელთაგან თითოეული პერსპექტიულია მისი სპეციფიკური გამოყენებისთვის. ამ მოწყობილობების ეფექტურობის გასაუმჯობესებლად, მეცნიერებმა უნდა გადაჭრას მთელი რიგი პრობლემები, როგორც ფუნდამენტური, ასევე ტექნოლოგიური. ამ ამოცანების უმეტესი ნაწილი ერთ-ერთი გარღვევის პროექტის ფარგლებში განიხილება ურალის ფედერალურ უნივერსიტეტში, ამიტომ ვთხოვეთ მაქსიმ ანანიევს, რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის ურალის ფილიალის მაღალი ტემპერატურის ელექტროქიმიის ინსტიტუტის დირექტორს, ურალის ფედერალური უნივერსიტეტის ქიმიური ტექნოლოგიის ინსტიტუტის ელექტროქიმიური წარმოების ტექნოლოგიის დეპარტამენტის პროფესორი, ისაუბროს თანამედროვე საწვავის უჯრედების განვითარების უახლოეს გეგმებსა და პერსპექტივებზე. .

N+1: არის თუ არა ალტერნატივა ყველაზე პოპულარული Li-Ion ბატარეებისთვის უახლოეს მომავალში?

მაქსიმ ანანიევი:ბატარეის დეველოპერების თანამედროვე ძალისხმევა მიმართულია ელექტროლიტში მუხტის მატარებლის ტიპის შეცვლაზე ლითიუმიდან ნატრიუმამდე, კალიუმამდე და ალუმინამდე. ლითიუმის გამოცვლის შედეგად შესაძლებელი იქნება ბატარეის ღირებულების შემცირება, თუმცა წონის და ზომის მახასიათებლები პროპორციულად გაიზრდება. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, იგივე ელექტრული მახასიათებლებისთვის, ნატრიუმ-იონური ბატარეა უფრო დიდი და მძიმე იქნება, ვიდრე ლითიუმ-იონური ბატარეა.

გარდა ამისა, ბატარეების გაუმჯობესების ერთ-ერთი პერსპექტიული განვითარებადი სფეროა ჰიბრიდული ქიმიური ენერგიის წყაროების შექმნა, რომელიც დაფუძნებულია ლითონის იონური ბატარეების ჰაერის ელექტროდთან კომბინაციაზე, როგორც საწვავის უჯრედებში. ზოგადად, ჰიბრიდული სისტემების შექმნის მიმართულება, როგორც უკვე აჩვენა სუპერკონდენსატორების მაგალითზე, როგორც ჩანს, უახლოეს მომავალში შესაძლებელი გახდება ბაზარზე მაღალი სამომხმარებლო მახასიათებლების მქონე ქიმიური ენერგიის წყაროების ხილვა.

ურალის ფედერალური უნივერსიტეტი, აკადემიურ და ინდუსტრიულ პარტნიორებთან ერთად რუსეთიდან და მსოფლიოდან, ამჟამად ახორციელებს ექვს მეგაპროექტს, რომლებიც ორიენტირებულია გარღვევის სფეროებზე. სამეცნიერო გამოკვლევა. ერთ-ერთი ასეთი პროექტია „ელექტროქიმიური ენერგიის ინჟინერიის პერსპექტიული ტექნოლოგიები ახალი მასალების ქიმიური დიზაინიდან ახალი თაობის ელექტროქიმიურ მოწყობილობებამდე ენერგიის დაზოგვისა და კონვერტაციისთვის“.

სტრატეგიული აკადემიური ერთეულის (SAU) UrFU საბუნებისმეტყველო მეცნიერებათა და მათემატიკის სკოლის მეცნიერთა ჯგუფი, რომელშიც შედის მაქსიმ ანანიევი, ეწევა ახალი მასალებისა და ტექნოლოგიების დიზაინსა და განვითარებას, მათ შორის საწვავის უჯრედებს, ელექტროლიტურ უჯრედებს, მეტალის გრაფენის ბატარეებს, ელექტროქიმიურს. ენერგიის შესანახი სისტემები და სუპერკონდენსატორები.

კვლევა და სამეცნიერო მუშაობატარდება მუდმივი თანამშრომლობით მაღალი ტემპერატურის ელექტროქიმიის ინსტიტუტთან, რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის ურალის ფილიალთან და პარტნიორების მხარდაჭერით.

რომელი საწვავის უჯრედები მუშავდება ამჟამად და აქვთ ყველაზე დიდი პოტენციალი?

საწვავის უჯრედების ერთ-ერთი ყველაზე პერსპექტიული ტიპია პროტონ-კერამიკული უჯრედები. მათ აქვთ უპირატესობები პოლიმერული საწვავის უჯრედებთან მიმართებაში პროტონების გაცვლის მემბრანით და მყარი ოქსიდის უჯრედებით, რადგან მათ შეუძლიათ მუშაობა ნახშირწყალბადის საწვავის პირდაპირი მიწოდებით. ეს მნიშვნელოვნად ამარტივებს ელექტროსადგურის დიზაინს, რომელიც დაფუძნებულია პროტონ-კერამიკული საწვავის უჯრედებზე და საკონტროლო სისტემაზე და, შესაბამისად, ზრდის მუშაობის საიმედოობას. მართალია, ამ ტიპის საწვავის უჯრედები ამჟამად ისტორიულად ნაკლებად განვითარებულია, მაგრამ თანამედროვე სამეცნიერო კვლევები საშუალებას გვაძლევს მომავალში ამ ტექნოლოგიის მაღალი პოტენციალის იმედი ვიქონიოთ.

საწვავის უჯრედებთან დაკავშირებული რა პრობლემებია ახლა ურალის ფედერალურ უნივერსიტეტში?

ახლა UrFU მეცნიერები, რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის ურალის ფილიალის მაღალი ტემპერატურის ელექტროქიმიის ინსტიტუტთან (IHTE) ერთად, მუშაობენ მაღალეფექტური ელექტროქიმიური მოწყობილობებისა და ავტონომიური ენერგიის გენერატორების შექმნაზე განაწილებულ ენერგიაში გამოსაყენებლად. განაწილებული ენერგიისთვის ელექტროსადგურების შექმნა თავდაპირველად გულისხმობს ჰიბრიდული სისტემების განვითარებას ელექტროენერგიის გენერატორზე და შესანახ მოწყობილობაზე, რომლებიც არის ბატარეები. ამავდროულად, საწვავის უჯრედი მუდმივად მუშაობს, უზრუნველყოფს დატვირთვას პიკის საათებში, ხოლო უმოქმედო რეჟიმში იტვირთება ბატარეა, რომელიც თავისთავად შეიძლება იყოს რეზერვის როლი როგორც ენერგიის მაღალი მოხმარების, ასევე საგანგებო სიტუაციების შემთხვევაში.

ურალის ფედერალური უნივერსიტეტისა და IHTE-ს ქიმიკოსებმა მიაღწიეს უდიდეს წარმატებას მყარი ოქსიდის და პროტონ-კერამიკული საწვავის უჯრედების განვითარებაში. 2016 წლიდან, ურალში, სახელმწიფო კორპორაცია Rosatom-თან ერთად, შეიქმნა პირველი რუსული ელექტროსადგურების წარმოება, რომელიც დაფუძნებულია მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედებზე. ურალის მეცნიერთა განვითარებამ უკვე გაიარა "საველე" ტესტები გაზსადენის კათოდური დაცვის სადგურზე შპს Uraltransgaz-ის ექსპერიმენტულ ადგილზე. 1,5 კილოვატი ნომინალური სიმძლავრის ელექტროსადგური მუშაობდა 10 ათას საათზე მეტ ხანს და აჩვენა ასეთი მოწყობილობების გამოყენების მაღალი პოტენციალი.

ურალის ფედერალური უნივერსიტეტისა და IHTE-ის ერთობლივი ლაბორატორიის ფარგლებში მუშავდება ელექტროქიმიური მოწყობილობები, რომლებიც დაფუძნებულია პროტონგამტარ კერამიკულ მემბრანაზე. ეს საშუალებას მისცემს უახლოეს მომავალში შეამციროს მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედების ოპერაციული ტემპერატურა 900-დან 500 გრადუს ცელსიუსამდე და უარი თქვას ნახშირწყალბადის საწვავის წინასწარ რეფორმირებაზე, რითაც შექმნის ეკონომიურ ელექტროქიმიურ გენერატორებს, რომლებსაც შეუძლიათ მუშაობა განვითარებული გაზმომარაგების ინფრასტრუქტურა რუსეთში.

ალექსანდრე დუბოვი

ცოდნის ეკოლოგია მეცნიერება და ტექნოლოგია: წყალბადის ენერგია ერთ-ერთი ყველაზე ეფექტური ინდუსტრიაა და საწვავის უჯრედები საშუალებას აძლევს მას დარჩეს ინოვაციური ტექნოლოგიების წინა პლანზე.

საწვავის 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. ისევ ბატარეის მსგავსად, საწვავის უჯრედი შეიცავს ანოდს, კათოდს და ელექტროლიტს. თუმცა, ბატარეებისგან განსხვავებით, საწვავის უჯრედები ვერ ინახავს ელექტრო ენერგიას, არ იხსნება და არ საჭიროებს ელექტროენერგიის დატენვას. საწვავის უჯრედებს შეუძლიათ მუდმივად გამოიმუშაონ ელექტროენერგია, სანამ მათ ექნებათ საწვავი და ჰაერი. სწორი ტერმინისამუშაო საწვავის უჯრედის აღსაწერად, ეს არის ელემენტების სისტემა, რადგან სრული მუშაობისთვის საჭიროა ზოგიერთი დამხმარე სისტემა.

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

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

საწვავის უჯრედების მუშაობის პრინციპი

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

ანოდი და კათოდი გამოყოფილია ელექტროლიტით, რომელიც ატარებს პროტონებს. მას შემდეგ, რაც წყალბადი შედის ანოდში და ჟანგბადი შედის კათოდში, იწყება ქიმიური რეაქცია, რის შედეგადაც წარმოიქმნება ელექტრო დენი, სითბო და წყალი. ანოდის კატალიზატორზე მოლეკულური წყალბადი იშლება და კარგავს ელექტრონებს. წყალბადის იონები (პროტონები) ელექტროლიტის მეშვეობით მიემართება კათოდამდე, ხოლო ელექტრონები გადადიან ელექტროლიტში და გარე ელექტრული წრედის მეშვეობით, რაც ქმნის პირდაპირ დენს, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას აღჭურვილობის გასაძლიერებლად. კათოდის კატალიზატორზე ჟანგბადის მოლეკულა ერწყმის ელექტრონს (რომელიც მიეწოდება გარე კომუნიკაციებიდან) და შემომავალ პროტონს და აყალიბებს წყალს, რომელიც ერთადერთი რეაქციის პროდუქტია (ორთქლის და/ან სითხის სახით).

ქვემოთ მოცემულია შესაბამისი რეაქცია:

ანოდური რეაქცია: 2H2 => 4H+ + 4e-
რეაქცია კათოდზე: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
ზოგადი ელემენტის რეაქცია: 2H2 + O2 => 2H2O

საწვავის უჯრედების ტიპები

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 ელემენტები 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 დაბალი კალორიული ღირებულების საწვავი გაზი ტექნოლოგიური საწვავიდან და სხვა წყაროებიდან. ეს პროცესი განვითარდა 1960-იანი წლების შუა ხანებში. მას შემდეგ გაუმჯობესდა წარმოების ტექნოლოგია, შესრულება და საიმედოობა.

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

650°C ტემპერატურამდე გაცხელებისას მარილები იქცევა კარბონატული იონების გამტარებად (CO32-). ეს იონები კათოდიდან 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: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
რეაქცია კათოდზე: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
ზოგადი ელემენტის რეაქცია: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(კათოდი) => H2O(g) + CO2(ანოდი)

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 მჟავაზე (PFC) დაფუძნებული საწვავის უჯრედები.

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

ამ ტიპის საწვავის უჯრედებში მუხტის მატარებელია წყალბადი (H+, პროტონი). მსგავსი პროცესი ხდება პროტონების გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედებში (MEFC), 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.

ანოდური რეაქცია: 2H2 => 4H+ + 4e-
რეაქცია კათოდზე: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
ზოგადი ელემენტის რეაქცია: 2H2 + O2 => 2H2O

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, CO2 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 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 ელექტრო ენერგიას. ჟანგბადი, რომელიც მიიღება ჰაერიდან, მიეწოდება კათოდს და ერწყმის ელექტრონებსა და წყალბადის იონებს და წარმოქმნის წყალს. ელექტროდებზე ხდება შემდეგი რეაქციები:

ანოდური რეაქცია: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
რეაქცია კათოდზე: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
ზოგადი ელემენტის რეაქცია: 2H2 + O2 => 2H2O

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

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

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.

საწვავის უჯრედები პირდაპირი მეთანოლის დაჟანგვით (DOMTE)

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 (CH3OH) იჟანგება წყლის თანდასწრებით ანოდში, გამოყოფს CO2, 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.

ანოდური რეაქცია: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
რეაქცია კათოდზე: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
ზოგადი ელემენტის რეაქცია: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

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 ბორტზე კოსმოსური ხომალდებისაწვავის უჯრედები აწარმოებენ ელექტროენერგიას 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 გადამზიდავი არის ჰიდროქსიდის იონი (OH-), რომელიც გადადის კათოდიდან ანოდამდე, სადაც ის რეაგირებს წყალბადთან წყლისა და ელექტრონების წარმოქმნით. ანოდზე წარმოქმნილი წყალი უკან გადადის კათოდში და იქ კვლავ წარმოქმნის ჰიდროქსიდის იონებს. საწვავის უჯრედში მიმდინარე რეაქციების ამ სერიის შედეგად წარმოიქმნება ელექტროენერგია და, როგორც გვერდითი პროდუქტი, სითბო:

ანოდური რეაქცია: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
რეაქცია კათოდზე: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
სისტემის ზოგადი რეაქცია: 2H2 + O2 => 2H2O

SFC-ების უპირატესობა ის არის, რომ ეს საწვავის უჯრედები წარმოებისთვის ყველაზე იაფია, რადგან ელექტროდებზე საჭირო კატალიზატორი შეიძლება იყოს ნებისმიერი ნივთიერება, რომელიც უფრო იაფია, ვიდრე სხვა საწვავის უჯრედების კატალიზატორად გამოყენებული. გარდა ამისა, 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.

SFC-ის ერთ-ერთი დამახასიათებელი მახასიათებელია მისი მაღალი მგრძნობელობა CO2-ის მიმართ, რომელიც შეიძლება შეიცავდეს საწვავს ან ჰაერს. CO2 რეაგირებს ელექტროლიტთან, სწრაფად წამლავს მას და მნიშვნელოვნად ამცირებს საწვავის უჯრედის ეფექტურობას. ამიტომ, SFC-ების გამოყენება შემოიფარგლება დახურულ სივრცეებში, როგორიცაა კოსმოსური და წყალქვეშა მანქანები, ისინი უნდა მუშაობდნენ სუფთა წყალბადზე და ჟანგბადზე. უფრო მეტიც, მოლეკულები, როგორიცაა CO, H2O და CH4, რომლებიც უსაფრთხოა სხვა საწვავის უჯრედებისთვის და ზოგიერთი მათგანისთვის საწვავიც კი, საზიანოა SFC-ებისთვის.

პოლიმერული ელექტროლიტური საწვავის უჯრედები (PETE)

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

მყარი მჟავა საწვავის უჯრედები (SCFC)

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. გამოქვეყნებულია

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

შემოგვიერთდით

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 ჩუმად და ეფექტურად გარემოს დაბინძურების გარეშე. წიაღისეული საწვავის ენერგიის წყაროებისგან განსხვავებით, საწვავის უჯრედების ქვეპროდუქტებია სითბო და წყალი. Როგორ მუშაობს?

ამ სტატიაში მოკლედ მიმოვიხილავთ დღეს არსებულ საწვავის თითოეულ ტექნოლოგიას, ასევე ვისაუბრებთ საწვავის უჯრედების დიზაინსა და მუშაობაზე და შევადარებთ მათ 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 გარდაქმნის ქიმიურ ნივთიერებებს, წყალბადს და ჟანგბადს წყალში, ელექტროენერგიის წარმოქმნის პროცესში.

კიდევ ერთი ელექტროქიმიური მოწყობილობა, რომელსაც ყველა კარგად ვიცნობთ, არის ბატარეა. ბატარეას აქვს ყველა საჭირო ქიმიური ელემენტებითავის შიგნით და ამ ნივთიერებებს ელექტროენერგიად გარდაქმნის. ეს ნიშნავს, რომ ბატარეა საბოლოოდ „კვდება“ და თქვენ ან გადააგდებთ მას, ან იტენით.

საწვავის უჯრედში მასში მუდმივად იკვებება ქიმიკატები, რათა ის არასოდეს „მოკვდეს“. ელექტროენერგია გამოიმუშავებს მანამ, სანამ ნაკადი იქნება ქიმიური ნივთიერებებიელემენტში. დღეს გამოყენებული საწვავის უჯრედების უმეტესობა წყალბადს და ჟანგბადს იყენებს.

წყალბადი ყველაზე გავრცელებული ელემენტია 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 უწოდა 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 მანქანას ასევე 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. ქუჩაში ყველა მანქანა რომ 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.

ᲖᲐᲠᲘ

საწვავის უჯრედის/უჯრედის განვითარების ისტორია

როგორ მუშაობს საწვავის უჯრედები/უჯრედები

საწვავის უჯრედების/უჯრედების ტიპები და მრავალფეროვნება

საწვავის უჯრედები/უჯრედები გამდნარ კარბონატზე (MCFC)

საწვავის უჯრედები/უჯრედები დაფუძნებული ფოსფორის მჟავაზე (PFC)

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები/უჯრედები (SOFC)

საწვავის უჯრედები/უჯრედები პირდაპირი მეთანოლის დაჟანგვით (DOMTE)

ტუტე საწვავის უჯრედები (AFC)

პოლიმერული ელექტროლიტური საწვავის უჯრედები/უჯრედები (PETE)

მყარი მჟავა საწვავის უჯრედები/უჯრედები (SCFC)

საწვავის უჯრედების სხვადასხვა მოდული. საწვავის უჯრედის ბატარეა

საწვავის უჯრედების ტიპებისა და სახეობების შედარებითი ანალიზი

საწვავის უჯრედის/უჯრედის აპლიკაციები

საწვავის უჯრედების/უჯრედების გამოყენება სატელეკომუნიკაციო სისტემებში

საწვავის უჯრედების/უჯრედების გამოყენება საკომუნიკაციო ქსელებში

საწვავის უჯრედების/უჯრედების გამოყენება მონაცემთა ქსელებში

საწვავის უჯრედების/უჯრედების გამოყენება უსაფრთხოების სისტემებში

საწვავის უჯრედების/უჯრედების გამოყენება სახლის გათბობისა და ელექტროენერგიის წარმოებაში

საწვავის უჯრედების/უჯრედების გამოყენება სადისტრიბუციო ქსელებში

საწვავის უჯრედების გამოყენება გარემოს დასაცავად - ასოცირებული ნავთობის გაზის გამოყენება

ქიმია, როგორც ელექტროენერგიის წყარო

მრავალჯერადი

მყარი ელექტროლიტი

წყალბადის საწვავის უჯრედები

საწვავის უჯრედის ეფექტურობა

ალტერნატიული ელექტროქიმიური შენახვა

* * *

საწვავის უჯრედების მუშაობის პრინციპი

საწვავის უჯრედების გამოგონება

პოლიმერული მემბრანის საწვავის უჯრედი (PEMFC)

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედი (SOFC)

ტუტე საწვავის უჯრედი (AFC)

დნობის კარბონატის საწვავის უჯრედი (MCFC)

ფოსფორმჟავას საწვავის უჯრედი (PAFC)

საწვავის უჯრედი პოლიმერული გაცვლის მემბრანით

საწვავის უჯრედის ეფექტურობა

ბენზინის ძრავისა და მანქანის ეფექტურობა ელექტრო ბატარეებზე

რატომ გამოვიყენოთ საწვავის უჯრედები?

ასევე წაიკითხეთ

სასაქონლო ჭარბი რაოდენობის შემცირება

რაციონალური წინადადებები რაციონალური წინადადება მექანიკის მაგალითებზე

ᲖᲐᲠᲘ