რა არის საწვავის უჯრედი. საწვავის უჯრედები: იმედის წელი

საწვავის უჯრედი
ელექტროქიმიური გენერატორი, მოწყობილობა, რომელიც უშუალოდ გარდაქმნის ქიმიურ ენერგიას ელექტრო ენერგიად. მიუხედავად იმისა, რომ იგივე ხდება ელექტრო ბატარეებში, საწვავის უჯრედებს აქვთ ორი მნიშვნელოვანი განსხვავება: 1) ისინი ფუნქციონირებენ მანამ, სანამ საწვავი და ოქსიდანტი მიეწოდება გარე წყაროდან; 2) ელექტროლიტის ქიმიური შემადგენლობა არ იცვლება ექსპლუატაციის დროს, ე.ი. საწვავის უჯრედს არ სჭირდება დატენვა.
იხილეთ ასევეკვების ელემენტი.
ოპერაციული პრინციპი.საწვავის უჯრედი (ნახ. 1) შედგება ორი ელექტროდისგან, რომლებიც გამოყოფილია ელექტროლიტით, და ერთ ელექტროდს საწვავის მიწოდების, მეორესთვის ოქსიდიზატორის, აგრეთვე რეაქციის პროდუქტების ამოღების სისტემისგან. უმეტეს შემთხვევაში, კატალიზატორები გამოიყენება ქიმიური რეაქციის დასაჩქარებლად. გარე ელექტრული წრე აკავშირებს საწვავის უჯრედს დატვირთვასთან, რომელიც მოიხმარს ელექტროენერგიას.

სურათზე ნაჩვენები ნახ. მჟავე საწვავის უჯრედში წყალბადი იკვებება ღრუ ანოდით და ელექტროლიტში შედის ელექტროდის მასალის ძალიან წვრილი ფორებით. ამ შემთხვევაში ხდება წყალბადის მოლეკულების დაშლა ატომებად, რომლებიც ქიმიზორბციის შედეგად, თითოეული თითო ელექტრონის შემოწირულობით, გადაიქცევა დადებითად დამუხტულ იონებად. ეს პროცესი შეიძლება აღწერილი იყოს შემდეგი განტოლებით:

წყალბადის იონები ელექტროლიტის მეშვეობით უჯრედის დადებით მხარეზე ვრცელდება. კათოდში მიწოდებული ჟანგბადი გადადის ელექტროლიტში და ასევე რეაგირებს ელექტროდის ზედაპირზე კატალიზატორის მონაწილეობით. როდესაც იგი აერთიანებს წყალბადის იონებს და ელექტრონებს, რომლებიც მოდის გარე წრედიდან, წარმოიქმნება წყალი:

საწვავის უჯრედები ტუტე ელექტროლიტით (ჩვეულებრივ კონცენტრირებული ნატრიუმის ან კალიუმის ჰიდროქსიდები) განიცდიან მსგავს ქიმიურ რეაქციებს. წყალბადი გადის ანოდში და რეაგირებს კატალიზატორის თანდასწრებით ელექტროლიტში არსებული ჰიდროქსილის იონებით (OH-), რათა წარმოქმნას წყალი და ელექტრონი:

კათოდზე ჟანგბადი რეაგირებს ელექტროლიტში არსებულ წყალთან და გარე წრედის ელექტრონებთან. რეაქციების თანმიმდევრულ ეტაპებზე წარმოიქმნება ჰიდროქსილის იონები (და ასევე პერჰიდროქსილ O2H-). კათოდზე მიღებული რეაქცია შეიძლება დაიწეროს შემდეგნაირად:

ელექტრონებისა და იონების ნაკადი ინარჩუნებს მუხტისა და მატერიის ბალანსს ელექტროლიტში. მიღებული წყალი ნაწილობრივ ასუფთავებს ელექტროლიტს. ნებისმიერ საწვავის უჯრედში ქიმიური რეაქციის ენერგიის ნაწილი გარდაიქმნება სითბოდ. ელექტრონების ნაკადი გარე წრეში არის პირდაპირი დენი, რომელიც გამოიყენება სამუშაოს შესასრულებლად. საწვავის უჯრედებში რეაქციების უმეტესობა უზრუნველყოფს EMF-ს დაახლოებით 1 ვ. მიკროსქემის გახსნა ან იონების მოძრაობის შეჩერება აჩერებს საწვავის უჯრედის მუშაობას. პროცესი, რომელიც მიმდინარეობს წყალბად-ჟანგბადის საწვავის უჯრედში, არსებითად ეწინააღმდეგება კარგად ცნობილი ელექტროლიზის პროცესს, რომლის დროსაც წყალი იშლება ელექტროლიტში ელექტრული დენის გავლისას. მართლაც, საწვავის უჯრედების ზოგიერთ სახეობაში პროცესი შეიძლება შებრუნებული იყოს - ელექტროდებზე ძაბვის გამოყენებით, შესაძლებელია წყლის დაშლა წყალბადად და ჟანგბადად, რომლებიც შეიძლება დაგროვდეს ელექტროდებზე. თუ უჯრედის დამუხტვას შეწყვეტთ და მასზე დატვირთვას დააკავშირებთ, ასეთი რეგენერაციული საწვავის უჯრედი მაშინვე დაიწყებს ნორმალურ რეჟიმში მუშაობას. თეორიულად, საწვავის უჯრედის ზომები შეიძლება იყოს სასურველი. თუმცა, პრაქტიკაში, რამდენიმე უჯრედი გაერთიანებულია პატარა მოდულებში ან ბატარეებში, რომლებიც დაკავშირებულია სერიულად ან პარალელურად.
საწვავის უჯრედების ტიპები.არსებობს სხვადასხვა ტიპის საწვავის უჯრედები. ისინი შეიძლება კლასიფიცირდეს, მაგალითად, გამოყენებული საწვავის, სამუშაო წნევისა და ტემპერატურის მიხედვით, განაცხადის ხასიათის მიხედვით.
წყალბადის საწვავის უჯრედები.ზემოთ აღწერილ ამ ტიპურ უჯრედში წყალბადი და ჟანგბადი ელექტროლიტში გადადის მიკროფოროვანი ნახშირბადის ან ლითონის ელექტროდების მეშვეობით. მაღალი დენის სიმკვრივე მიიღწევა უჯრედებში, რომლებიც მუშაობენ ამაღლებულ ტემპერატურაზე (დაახლოებით 250 ° C) და მაღალ წნევაზე. უჯრედები, რომლებიც იყენებენ წყალბადის საწვავს, რომელიც მიიღება ნახშირწყალბადის საწვავის გადამუშავების შედეგად, როგორიცაა ბუნებრივი აირი ან ნავთობპროდუქტები, სავარაუდოდ, ყველაზე ფართოდ გავრცელებული კომერციული გამოყენებაა. ელემენტების დიდი რაოდენობის კომბინაციით, შეგიძლიათ შექმნათ ძლიერი ენერგეტიკული დანადგარები. ამ დანადგარებში ელემენტების მიერ წარმოქმნილი პირდაპირი დენი გარდაიქმნება ალტერნატიულ დენად სტანდარტული პარამეტრებით. ახალი ტიპის ელემენტები, რომლებსაც შეუძლიათ წყალბადზე და ჟანგბადზე ნორმალურ ტემპერატურასა და წნევაზე მუშაობა, არის ელემენტები იონგამცვლელი მემბრანებით (ნახ. 2). ამ უჯრედებში, თხევადი ელექტროლიტის ნაცვლად, ელექტროდებს შორის მოთავსებულია პოლიმერული მემბრანა, რომლის მეშვეობითაც იონები თავისუფლად გადიან. ასეთ ელემენტებში ჰაერი შეიძლება გამოყენებულ იქნას ჟანგბადთან ერთად. უჯრედის მუშაობის დროს წარმოქმნილი წყალი არ ხსნის მყარ ელექტროლიტს და მისი ადვილად ამოღება შესაძლებელია.

კოლიერის ენციკლოპედია. - ღია საზოგადოება. 2000 .

ნახეთ, რა არის "FUEL ELEMENT" სხვა ლექსიკონებში:

საწვავის უჯრედი, ელექტროქიმიური ელემენტი საწვავის დაჟანგვის ენერგიის ელექტრო ენერგიად პირდაპირი გადაქცევისთვის. სათანადო დიზაინის ელექტროდები ჩაეფლო ELECTROLYTE-ში და საწვავი (მაგ. წყალბადი) მიეწოდება ერთ ... სამეცნიერო და ტექნიკური ენციკლოპედიური ლექსიკონი

გალვანური უჯრედი, რომელშიც რედოქს რეაქციას უჭერს მხარს სპეციალური ავზებიდან რეაგენტების უწყვეტი მიწოდება (საწვავი, მაგ. წყალბადი და ოქსიდიზატორი, მაგ. ჟანგბადი). ყველაზე მნიშვნელოვანი კომპონენტი...... დიდი ენციკლოპედიური ლექსიკონი

საწვავის უჯრედი- პირველადი უჯრედი, რომელშიც ელექტრული ენერგია წარმოიქმნება ელექტროქიმიური რეაქციების შედეგად აქტიურ ნივთიერებებს შორის, რომლებიც მუდმივად მიეწოდება ელექტროდებს გარედან. [GOST 15596 82] EN საწვავის უჯრედი, რომელსაც შეუძლია შეცვალოს ქიმიური ენერგია…… ტექნიკური თარჯიმნის სახელმძღვანელო

პირდაპირი მეთანოლის საწვავის უჯრედი საწვავის უჯრედი არის ელექტროქიმიური მოწყობილობა გალვანური უჯრედის მსგავსი, მაგრამ განსხვავებული... ვიკიპედია

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

მოწყობილობა

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

საწვავის უჯრედის მოწყობილობა შედგება სამი ძირითადი ნაწილისგან:

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

საწვავის უჯრედის ძირითადი ნაწილია ელექტროენერგიის გამომუშავების განყოფილება, რომელიც არის ცალკეული საწვავის უჯრედებისგან შემდგარი დასტა. პლატინის კატალიზატორი შედის საწვავის უჯრედების ელექტროდების სტრუქტურაში. ამ უჯრედების დახმარებით წარმოიქმნება მუდმივი ელექტრული დენი.

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

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

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

ასევე ძაბვის გადამყვანის ბლოკში არის:

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

ოპერაციული პრინციპი

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

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

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

Დათვალიერება

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

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

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

განაცხადი

დღეს საწვავის უჯრედები გამოიყენება Space Shuttle-ში, მრავალჯერადი გამოყენების კოსმოსურ ხომალდებში. ისინი იყენებენ დანადგარებს 12 ვატი სიმძლავრით. ისინი გამოიმუშავებენ მთელ ელექტროენერგიას კოსმოსურ ხომალდში. ელექტროქიმიური რეაქციის შედეგად წარმოქმნილი წყალი გამოიყენება სასმელად, მათ შორის გაგრილებისთვის.

ელექტროქიმიური გენერატორები ასევე გამოიყენებოდა საბჭოთა ბურანის, მრავალჯერადი გამოყენების გემისთვის.

საწვავის უჯრედები ასევე გამოიყენება სამოქალაქო სექტორში.

• 5–250 კვტ და მეტი სიმძლავრის სტაციონარული დანადგარები. ისინი გამოიყენება როგორც დამოუკიდებელი წყაროები სამრეწველო, საზოგადოებრივი და საცხოვრებელი კორპუსების სითბოს და ელექტრომომარაგებისთვის, გადაუდებელი და სარეზერვო ელექტრომომარაგებისთვის, უწყვეტი კვების წყაროებისთვის.
• პორტატული დანადგარები 1–50 კვტ სიმძლავრით. ისინი გამოიყენება კოსმოსური თანამგზავრებისა და გემებისთვის. იქმნება გოლფის ეტლების, ინვალიდის ეტლების, სარკინიგზო და სატვირთო მაცივრების, საგზაო ნიშნების ასლები.
• მობილური ბლოკები 25–150 კვტ სიმძლავრით. ისინი იწყებენ გამოყენებას სამხედრო გემებსა და წყალქვეშა ნავებში, მათ შორის მანქანებსა და სხვა მანქანებში. პროტოტიპები უკვე შექმნეს საავტომობილო გიგანტებმა, როგორიცაა Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford და სხვები.
• მიკრომოწყობილობები სიმძლავრით 1-500 ვატი. ისინი გამოიყენება მოწინავე ჯიბის კომპიუტერებში, ლეპტოპებში, საყოფაცხოვრებო ელექტრო მოწყობილობებში, მობილურ ტელეფონებში და თანამედროვე სამხედრო მოწყობილობებში.

თავისებურებები

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

პერსპექტივები

ამ დროისთვის ელექტროქიმიური გენერატორები ენერგიის ძირითად წყაროდ გამოსაყენებლად მოითხოვს მაღალ საწყის ხარჯებს. უფრო სტაბილური მემბრანების მაღალი გამტარობის, ეფექტური და იაფი კატალიზატორების და წყალბადის ალტერნატიული წყაროების დანერგვით, საწვავის უჯრედები გახდება უაღრესად ეკონომიკურად მიმზიდველი და დაინერგება ყველგან.

• მანქანები იმუშავებენ საწვავის უჯრედებზე, მათში საერთოდ არ იქნება შიდაწვის ძრავა. ენერგიის წყაროდ გამოყენებული იქნება წყალი ან მყარი წყალბადი. საწვავის შევსება მარტივი და უსაფრთხო იქნება, ხოლო მგზავრობა ეკოლოგიურად სუფთა - წარმოიქმნება მხოლოდ წყლის ორთქლი.
• ყველა შენობას ექნება საკუთარი პორტატული საწვავის უჯრედების დენის გენერატორები.
• ელექტროქიმიური გენერატორები ჩაანაცვლებენ ყველა ბატარეას და ნახავთ ნებისმიერ ელექტრონიკაში და საყოფაცხოვრებო ტექნიკაში.

Დადებითი და უარყოფითი მხარეები

საწვავის უჯრედების თითოეულ ტიპს აქვს თავისი დადებითი და უარყოფითი მხარეები. ზოგი მოითხოვს მაღალი ხარისხის საწვავს, ზოგს აქვს რთული დიზაინი და მოითხოვს მაღალ სამუშაო ტემპერატურას.

ზოგადად, საწვავის უჯრედების შემდეგი უპირატესობები შეიძლება აღინიშნოს:

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

ნაკლოვანებებს შორისაა:

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

საწვავის უჯრედი- რა არის? როდის და როგორ გამოჩნდა? რატომ არის საჭირო და რატომ ლაპარაკობენ მათზე ასე ხშირად ჩვენს დროში? რა არის მისი ფარგლები, მახასიათებლები და თვისებები? შეუჩერებელი პროგრესი ყველა ამ კითხვაზე პასუხს მოითხოვს!

რა არის საწვავის უჯრედი?

საწვავის უჯრედიარის დენის ქიმიური წყარო ან ელექტროქიმიური გენერატორი, მოწყობილობა ქიმიური ენერგიის ელექტრო ენერგიად გადაქცევისთვის. თანამედროვე ცხოვრებაში ქიმიური დენის წყაროები ყველგან გამოიყენება და არის ბატარეები მობილური ტელეფონებისთვის, ლეპტოპებისთვის, PDA-ებისთვის, ასევე დატენვის ბატარეები მანქანებში, უწყვეტი კვების წყაროები და ა.შ. ამ ტერიტორიის განვითარების შემდეგი ეტაპი იქნება საწვავის უჯრედების ყველგან გავრცელება და ეს უკვე უდაო ფაქტია.

საწვავის უჯრედების ისტორია

საწვავის უჯრედების ისტორია არის კიდევ ერთი ამბავი იმის შესახებ, თუ როგორ აღმოაჩინეს მატერიის თვისებები, რომლებიც ერთხელ აღმოჩენილ იქნა დედამიწაზე, ფართოდ გამოიყენეს კოსმოსში და ათასწლეულის მიჯნაზე დაბრუნდნენ ზეციდან დედამიწაზე.

ეს ყველაფერი 1839 წელს დაიწყოროდესაც გერმანელმა ქიმიკოსმა კრისტიან შონბეინმა გამოაქვეყნა საწვავის უჯრედის პრინციპები ფილოსოფიურ ჟურნალში. იმავე წელს, ინგლისელმა, ოქსფორდის კურსდამთავრებულმა, უილიამ რობერტ გროვმა დააპროექტა გალვანური უჯრედი, რომელსაც მოგვიანებით უწოდეს გროვის გალვანური უჯრედი, ის ასევე აღიარებულია პირველ საწვავის უჯრედად. თავად სახელი "საწვავის უჯრედი" გამოგონებას წარუდგინეს მისი წლისთავს - 1889 წელს. ტერმინის ავტორები არიან ლუდვიგ მონდი და კარლ ლანგერი.

ცოტა ადრე, 1874 წელს, ჟიულ ვერნმა იწინასწარმეტყველა ამჟამინდელი ენერგეტიკული მდგომარეობა თავის რომანში "იდუმალი კუნძული" და წერდა, რომ "ერთ დღეს წყალი გამოყენებული იქნება როგორც საწვავი, წყალბადი და ჟანგბადი გამოიყენებენ მის შემადგენელ".

ამასობაში ელექტრომომარაგების ახალი ტექნოლოგია თანდათან დაიხვეწა და XX საუკუნის 50-იანი წლებიდან არც ერთი წელი არ გასულა ამ სფეროში უახლესი გამოგონებების გამოცხადების გარეშე. 1958 წელს პირველი საწვავის უჯრედის ტრაქტორი გამოჩნდა შეერთებულ შტატებში, 1959 წელს. გამოუშვეს შედუღების აპარატის 5კვტ დენის წყარო და ა.შ. 70-იან წლებში წყალბადის ტექნოლოგია კოსმოსში აფრინდა: გამოჩნდა თვითმფრინავები და წყალბადის სარაკეტო ძრავები. 60-იან წლებში RSC Energia-მ შეიმუშავა საწვავის უჯრედები საბჭოთა მთვარის პროგრამისთვის. Buran-ის პროგრამამ ასევე არ გააკეთა მათ გარეშე: შეიქმნა 10 კვტ ტუტე საწვავის უჯრედები. და საუკუნის ბოლოს საწვავის უჯრედებმა ზღვის დონიდან ნულოვანი სიმაღლე გადალახეს - მათ საფუძველზე, ენერგიის წყაროგერმანული წყალქვეშა ნავი. დედამიწაზე დაბრუნების შემდეგ, პირველი ლოკომოტივი ექსპლუატაციაში შევიდა შეერთებულ შტატებში 2009 წელს. ბუნებრივია, საწვავის უჯრედებზე.

საწვავის უჯრედების მშვენიერი ისტორია არის ის, რომ ბორბალი ჯერ კიდევ შეუდარებელი გამოგონებაა ბუნებაში. ფაქტია, რომ მათი სტრუქტურისა და მუშაობის პრინციპის მიხედვით, საწვავის უჯრედები ჰგავს ბიოლოგიურ უჯრედს, რომელიც, ფაქტობრივად, არის მინიატურული წყალბად-ჟანგბადის საწვავის უჯრედი. შედეგად, ადამიანმა კიდევ ერთხელ გამოიგონა ის, რასაც ბუნება მილიონობით წლის განმავლობაში იყენებდა.

როგორ მუშაობს საწვავის უჯრედები

საწვავის უჯრედების მუშაობის პრინციპი აშკარაა ქიმიის სასკოლო კურიკულუმიდანაც კი და სწორედ ის ჩამოყალიბდა უილიამ გროვის ექსპერიმენტებში 1839 წელს. საქმე იმაშია, რომ წყლის ელექტროლიზის (წყლის დისოციაციის) პროცესი შექცევადია.როგორც მართალია, როდესაც ელექტრული დენი წყალში გადის, ეს უკანასკნელი იყოფა წყალბადად და ჟანგბადად, ასევე საპირისპიროა: წყალბადი და ჟანგბადი შეიძლება გაერთიანდეს წყლისა და ელექტროენერგიის მისაღებად. გროვის ექსპერიმენტში ორი ელექტროდი მოათავსეს პალატაში, რომელშიც სუფთა წყალბადის და ჟანგბადის შეზღუდული ნაწილი ზეწოლის ქვეშ იყო მიწოდებული. გაზის მცირე მოცულობის გამო, ისევე როგორც ნახშირბადის ელექტროდების ქიმიური თვისებების გამო, პალატაში მოხდა ნელი რეაქცია სითბოს, წყლის გამოყოფით და, რაც მთავარია, ელექტროდებს შორის პოტენციური სხვაობის წარმოქმნით. .

უმარტივესი საწვავის უჯრედი შედგება სპეციალური გარსისგან, რომელიც გამოიყენება ელექტროლიტად, რომლის ორივე მხარეს ფხვნილისმაგვარი ელექტროდებია გამოყენებული. წყალბადი მიდის ერთ მხარეს (ანოდი) და ჟანგბადი (ჰაერი) მეორეზე (კათოდი). თითოეულ ელექტროდზე სხვადასხვა ქიმიური რეაქცია მიმდინარეობს. ანოდზე წყალბადი იშლება პროტონებისა და ელექტრონების ნარევად. ზოგიერთ საწვავის უჯრედში ელექტროდები გარშემორტყმულია კატალიზატორით, რომელიც ჩვეულებრივ დამზადებულია პლატინისგან ან სხვა კეთილშობილური ლითონებისგან, რომლებიც ხელს უწყობენ დისოციაციის რეაქციას:

2H 2 → 4H + + 4e -

სადაც H 2 არის წყალბადის ორატომური მოლეკულა (ფორმა, რომელშიც წყალბადი არის გაზის სახით); H + - იონიზებული წყალბადი (პროტონი); e - - ელექტრონი.

საწვავის უჯრედის კათოდის მხარეს, პროტონები (გავლილი ელექტროლიტში) და ელექტრონები (რომლებიც გაივლიან გარე დატვირთვას) ხელახლა აერთიანებენ და რეაგირებენ კათოდში მიწოდებულ ჟანგბადთან და წარმოქმნიან წყალს:

4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O

სულ რეაქციასაწვავის უჯრედში ასე წერია:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

საწვავის უჯრედის მოქმედება ემყარება იმ ფაქტს, რომ ელექტროლიტი გადის პროტონებს თავის შიგნით (კათოდისკენ), მაგრამ ელექტრონები არა. ელექტრონები კათოდში გადადიან გარე გამტარი წრის გასწვრივ. ელექტრონების ეს მოძრაობა არის ელექტრული დენი, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას საწვავის უჯრედთან დაკავშირებული გარე მოწყობილობის სამართავად (დატვირთვა, მაგალითად, ნათურა):

საწვავის უჯრედები თავიანთ მუშაობაში იყენებენ წყალბადის საწვავს და ჟანგბადს. უმარტივესი გზაა ჟანგბადი - ჰაერიდან იღება. წყალბადის მიწოდება შესაძლებელია უშუალოდ კონტეინერიდან ან საწვავის გარე წყაროდან (ბუნებრივი აირი, ბენზინი ან მეთილის სპირტი - მეთანოლი) გამოყოფით. გარე წყაროს შემთხვევაში, საჭიროა მისი ქიმიური გარდაქმნა წყალბადის გამოსაყვანად. ამჟამად, პორტატული მოწყობილობებისთვის შემუშავებული საწვავის უჯრედების ტექნოლოგიების უმეტესობა იყენებს მეთანოლს.

საწვავის უჯრედის მახასიათებლები

საწვავის უჯრედები არსებული ბატარეების ანალოგია იმ გაგებით, რომ ორივე შემთხვევაში ელექტრო ენერგია მიიღება ქიმიური ენერგიისგან. მაგრამ ასევე არსებობს ფუნდამენტური განსხვავებები:

• ისინი მუშაობენ მხოლოდ მანამ, სანამ საწვავი და ოქსიდიზატორი მოდის გარე წყაროდან (ანუ მათ არ შეუძლიათ ელექტრო ენერგიის შენახვა),

  ელექტროლიტის ქიმიური შემადგენლობა არ იცვლება ექსპლუატაციის დროს (საწვავის უჯრედს არ სჭირდება დატენვა),

  ისინი სრულიად დამოუკიდებლები არიან ელექტროენერგიისგან (მაშინ როდესაც ჩვეულებრივი ბატარეები ინახავს ენერგიას ქსელიდან).

თითოეული საწვავის უჯრედი ქმნის ძაბვა 1 ვ... უფრო დიდი ძაბვა მიიღწევა მათი სერიაში შეერთებით. სიმძლავრის (დენის) მატება რეალიზდება სერიით დაკავშირებული საწვავის უჯრედების კასკადების პარალელური შეერთებით.

საწვავის უჯრედები ეფექტურობის მკაცრი შეზღუდვის გარეშეროგორც სითბოს ძრავებში (კარნოს ციკლის ეფექტურობა არის მაქსიმალური შესაძლო ეფექტურობა ყველა სითბოს ძრავას შორის ერთი და იგივე მინიმალური და მაქსიმალური ტემპერატურით).

Მაღალი ეფექტურობისმიიღწევა საწვავის ენერგიის ელექტროენერგიად პირდაპირი გადაქცევით. თუ საწვავი პირველად იწვება დიზელის გენერატორის კომპლექტში, მიღებული ორთქლი ან გაზი ამოძრავებს ტურბინას ან შიდა წვის ძრავის ლილვს, რომელიც თავის მხრივ ამოძრავებს ელექტრო გენერატორს. შედეგი არის ეფექტურობა მაქსიმუმ 42%, უფრო ხშირად ეს არის დაახლოებით 35-38%. უფრო მეტიც, კავშირების სიმრავლის გამო, ისევე როგორც თერმოდინამიკური შეზღუდვების გამო თერმოძრავების მაქსიმალურ ეფექტურობაზე, არსებული ეფექტურობა ნაკლებად სავარაუდოა, რომ გაიზარდოს უფრო მაღალი. არსებული საწვავის უჯრედები ეფექტურობა 60-80%,

ეფექტურობა თითქმის არ არის დამოკიდებული დატვირთვის ფაქტორზე,

ტევადობა რამდენჯერმე მეტიავიდრე არსებულ ბატარეებში,

სრული არ არის ეკოლოგიურად მავნე გამონაბოლქვი... გამოიყოფა მხოლოდ სუფთა წყლის ორთქლი და თერმული ენერგია (დიზელის გენერატორებისგან განსხვავებით, რომლებსაც აქვთ დამაბინძურებელი გამონაბოლქვი და საჭიროებენ მათ მოცილებას).

საწვავის უჯრედების ტიპები

საწვავის უჯრედები კლასიფიცირებულიშემდეგ საფუძვლებზე:

გამოყენებული საწვავით,

სამუშაო წნევისა და ტემპერატურის მიხედვით,

განაცხადის ბუნებით.

ზოგადად, გამოირჩევა შემდეგი საწვავის უჯრედების ტიპები:

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები (SOFC)

პროტონ-გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედი (PEMFC);

შექცევადი საწვავის უჯრედი (RFC)

პირდაპირი მეთანოლის საწვავის უჯრედი (DMFC);

მდნარ-კარბონატული საწვავის უჯრედები (MCFC);

ფოსფორმჟავას საწვავის უჯრედები (PAFC);

ტუტე საწვავის უჯრედები (AFC).

საწვავის უჯრედების ერთ-ერთი ტიპი, რომელიც მუშაობს ნორმალურ ტემპერატურასა და წნევაზე წყალბადისა და ჟანგბადის გამოყენებით, არის იონგამცვლელი მემბრანის უჯრედები. მიღებული წყალი არ ხსნის მყარ ელექტროლიტს, მიედინება ქვემოთ და ადვილად გამოიყოფა.

საწვავის უჯრედის პრობლემები

საწვავის უჯრედების მთავარი პრობლემა დაკავშირებულია "შეფუთული" წყალბადის საჭიროებასთან, რომლის შეძენაც თავისუფლად შეიძლებოდა. ცხადია, პრობლემა დროთა განმავლობაში უნდა მოგვარდეს, მაგრამ ჯერჯერობით სიტუაცია ოდნავ ღიმილს იწვევს: რომელია პირველი - ქათამი თუ კვერცხი? საწვავის უჯრედები ჯერ კიდევ არ არის საკმარისად განვითარებული წყალბადის ქარხნების ასაშენებლად, მაგრამ მათი პროგრესი წარმოუდგენელია ამ მცენარეების გარეშე. აქ ჩვენ აღვნიშნავთ წყალბადის წყაროს პრობლემას. ამ დროისთვის წყალბადი ბუნებრივი გაზიდან მიიღება, თუმცა ენერგორესურსების ღირებულების ზრდა წყალბადის ფასსაც გაზრდის. ამ შემთხვევაში ბუნებრივი აირის წყალბადში CO და H 2 S (წყალბადის სულფიდი) არსებობა გარდაუვალია, რაც კატალიზატორს წამლავს.

ჩვეულებრივი პლატინის კატალიზატორები იყენებენ ძალიან ძვირადღირებულ და ბუნებრივად შეუცვლელ ლითონს - პლატინს. თუმცა ამ პრობლემის მოგვარება იგეგმება ფერმენტებზე დაფუძნებული კატალიზატორების გამოყენებით, რომლებიც იაფი და ადვილად წარმოქმნილი ნივთიერებებია.

ასევე პრობლემაა წარმოქმნილი სითბო. ეფექტურობა მკვეთრად გაიზრდება, თუ გამომუშავებული სითბო მიემართება სასარგებლო არხში - სითბოს მიწოდების სისტემისთვის თბოენერგიის წარმოებისთვის, გამოიყენოს იგი როგორც ნარჩენი სითბო შთანთქმისას. სამაცივრო მანქანებიდა ა.შ.

მეთანოლის საწვავის უჯრედები (DMFC): რეალური აპლიკაციები

პირდაპირი მეთანოლის საწვავის უჯრედები (DMFC) დღეს ყველაზე პრაქტიკული ინტერესია. Portege M100 ლეპტოპი, რომელიც იკვებება DMFC საწვავის უჯრედით, ასე გამოიყურება:

DMFC ელემენტის ტიპიური წრე, ანოდის, კათოდისა და მემბრანის გარდა, შეიცავს რამდენიმე დამატებით კომპონენტს: საწვავის კარტრიჯს, მეთანოლის სენსორს, საწვავის ცირკულაციის ტუმბოს, ჰაერის ტუმბოს, სითბოს გადამცვლელს და ა.შ.

ლეპტოპის მუშაობის დრო, მაგალითად, ბატარეებთან შედარებით, დაგეგმილია 4-ჯერ (20 საათამდე) გაზრდა, მობილური ტელეფონის - 100 საათამდე აქტიურ რეჟიმში და ექვს თვემდე ლოდინის რეჟიმში. დატენვა განხორციელდება თხევადი მეთანოლის ნაწილის დამატებით.

მთავარი ამოცანაა მეთანოლის ხსნარის გამოყენების ვარიანტების მოძიება მისი უმაღლესი კონცენტრაციით. პრობლემა ის არის, რომ მეთანოლი საკმაოდ ძლიერი შხამია, ლეტალური დოზით რამდენიმე ათეული გრამი. მაგრამ მეთანოლის კონცენტრაცია პირდაპირ გავლენას ახდენს მუშაობის ხანგრძლივობაზე. თუ ადრე გამოიყენებოდა მეთანოლის 3-10%-იანი ხსნარი, მაშინ უკვე გამოჩნდა მობილური ტელეფონები და PDA-ები 50%-იანი ხსნარის გამოყენებით, ხოლო 2008 წელს ლაბორატორიულ პირობებში MTI MicroFuel Cells-ის სპეციალისტებმა და ცოტა მოგვიანებით Toshiba-ს სპეციალისტებმა მიიღეს საწვავის უჯრედები. მუშაობს სუფთა მეთანოლზე.

საწვავის უჯრედები მომავალია!

დაბოლოს, საწვავის უჯრედების დიდი მომავლის დასტურია ის ფაქტი, რომ საერთაშორისო ორგანიზაცია IEC (საერთაშორისო ელექტროტექნიკური კომისია), რომელიც განსაზღვრავს ელექტრონული მოწყობილობების ინდუსტრიულ სტანდარტებს, უკვე გამოაცხადა სამუშაო ჯგუფის შექმნა საერთაშორისო სტანდარტის შემუშავებისთვის. მინიატურული საწვავის უჯრედები.

არავის გააკვირვებთ არც მზის პანელებით და არც ქარის ტურბინებით, რომლებიც ელექტროენერგიას გამოიმუშავებენ მსოფლიოს ყველა რეგიონში. მაგრამ ამ მოწყობილობებიდან გამომუშავება არ არის მუდმივი და თქვენ უნდა დააინსტალიროთ სარეზერვო დენის წყაროები, ან დაუკავშირდეთ ქსელს ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის იმ პერიოდში, როდესაც RES ობიექტები არ გამოიმუშავებენ ელექტროენერგიას. თუმცა არის მე-19 საუკუნეში შემუშავებული დანადგარები, რომლებიც ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის იყენებენ „ალტერნატიულ“ საწვავს, ანუ არ წვავენ გაზს ან ნავთობპროდუქტებს. საწვავის უჯრედები ასეთი დანადგარებია.

შექმნის ისტორია

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

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

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

"ბატარეის ზრდა"

(წყარო: ბუნების ისტორიის ეროვნული მუზეუმის სამეფო საზოგადოება)

ტერმინი "საწვავის უჯრედი" (ინგლ. "Fuel Cell") მხოლოდ 1889 წელს გამოჩნდა ლ. მონდისა და
C. Langer, რომელიც ცდილობდა შეექმნა ჰაერიდან და ნახშირის გაზიდან ელექტროენერგიის გამომუშავების მოწყობილობა.

ᲠᲝᲒᲝᲠ ᲛᲣᲨᲐᲝᲑᲡ?

საწვავის უჯრედი შედარებით მარტივი მოწყობილობაა... მას აქვს ორი ელექტროდი: ანოდი (უარყოფითი ელექტროდი) და კათოდი (დადებითი ელექტროდი). ელექტროდებზე ქიმიური რეაქცია მიმდინარეობს. მისი დასაჩქარებლად, ელექტროდების ზედაპირი დაფარულია კატალიზატორით. TE აღჭურვილია კიდევ ერთი ელემენტით - მემბრანა.საწვავის ქიმიური ენერგიის უშუალოდ ელექტროენერგიად გარდაქმნა განპირობებულია მემბრანის მუშაობით. ის გამოყოფს უჯრედის ორ კამერას, რომლებიც იკვებება საწვავითა და ოქსიდიზატორით. მემბრანა საშუალებას აძლევს მხოლოდ პროტონებს, რომლებიც მიიღება საწვავის გაყოფის შედეგად, გადავიდნენ ერთი კამერიდან მეორეში კატალიზატორით დაფარულ ელექტროდზე (ამ შემთხვევაში ელექტრონები გადიან გარე წრეში). მეორე კამერაში პროტონები კვლავ აერთიანებენ ელექტრონებს (და ჟანგბადის ატომებს) და წარმოქმნიან წყალს.

როგორ მუშაობს წყალბადის საწვავის უჯრედი

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

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

ტუტე გარემოში ელექტროდისთვის წყალბადის მიწოდებით, ხდება ქიმიური რეაქცია:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

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

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

ჩანს, რომ მიღებული რეაქცია 2H 2 + O 2 → H 2 O იგივეა, რაც ჩვეულებრივი წვის დროს, მაგრამ ელექტრო დენი და ნაწილობრივ სითბო წარმოიქმნება საწვავის უჯრედში.

საწვავის უჯრედების ტიპები

საწვავის უჯრედები კლასიფიცირდება რეაქციისთვის გამოყენებული ელექტროლიტის ტიპის მიხედვით:

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

საწვავის უჯრედის ეფექტურობა

საწვავის უჯრედების მახასიათებელია ეფექტურობის მკაცრი შეზღუდვის გარეშესითბოს ძრავების მსგავსად.

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

ამრიგად, საწვავის უჯრედების ეფექტურობა თეორიულად შეიძლება იყოს 100% -ზე მეტი. ბევრმა გაიღიმა და ფიქრობდა: "მუდმივი მოძრაობის მანქანა ნიშნავს გამოგონებას". არა, აქ ღირს სკოლის ქიმიის კურსზე დაბრუნება. საწვავის უჯრედი ემყარება ქიმიური ენერგიის ელექტრო ენერგიად გადაქცევას. სწორედ აქ მოდის სასწაულები. გარკვეული ქიმიური რეაქციები კურსის განმავლობაში შეიძლება აღიქვას გარემოდან სითბო.

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

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

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

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

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

საწვავის უჯრედის პრობლემები

თითქმის ყველა საწვავის უჯრედი იყენებს წყალბადს საწვავად, ამიტომ ჩნდება ლოგიკური კითხვა: "სად მივიღო?"

როგორც ჩანს, საწვავის ელემენტი აღმოჩენილია ელექტროლიზის შედეგად, ასე რომ თქვენ შეგიძლიათ გამოიყენოთ ელექტროლიზის შედეგად გამოთავისუფლებული წყალბადი. მაგრამ მოდით უფრო ახლოს მივხედოთ ამ პროცესს.

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

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

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

კატალიზატორი

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

საწვავის უჯრედების გამოყენება

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

წყარო: http://www.planetseed.com/

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

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

უკვე მანქანების მწარმოებლებმა, როგორიცაა Honda, Ford, Nissan და Mercedes-Benz შექმნეს წყალბადის საწვავის უჯრედების მანქანები.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force იკვებება წყალბადით

წყალბადის მანქანების გამოყენებისას წყალბადის შენახვის პრობლემა მოგვარებულია. ბენზინგასამართი სადგურების მშენებლობა წყალბადით შესაძლებელს გახდის ყველგან შევსებას. უფრო მეტიც, ავტომობილის წყალბადით საწვავის შევსება უფრო სწრაფია, ვიდრე ელექტრომობილის დამუხტვა ბენზინგასამართ სადგურზე. მაგრამ მსგავსი პროექტების განხორციელებისას ჩვენ დაგვხვდა ისეთი პრობლემა, როგორიცაა ელექტრომობილები. ხალხი მზადაა წყალბადით მომუშავე ავტომობილზე „გადაერთოს“, თუ მათთვის ინფრასტრუქტურა იქნება. ბენზინგასამართი სადგურების მშენებლობა კი იმ შემთხვევაში დაიწყება, თუ საკმარისი რაოდენობის მომხმარებელი იქნება. ამიტომ, კვლავ მივედით კვერცხებისა და ქათმის დილემამდე.

საწვავის უჯრედები ფართოდ გამოიყენება მობილურ ტელეფონებსა და ლეპტოპებში. უკვე გავიდა დრო, როცა ტელეფონი კვირაში ერთხელ იტენებოდა. ახლა ტელეფონი თითქმის ყოველდღე იტენება, ლეპტოპი კი ქსელის გარეშე მუშაობს 3-4 საათის განმავლობაში. ამიტომ, მობილური ტექნოლოგიის მწარმოებლებმა გადაწყვიტეს საწვავის უჯრედის სინთეზირება ტელეფონებითა და ლეპტოპებით დასატენად და სამუშაოდ. მაგალითად, კომპანია Toshiba 2003 წელს. აჩვენა მეთანოლის საწვავის უჯრედის დასრულებული პროტოტიპი. ის იძლევა დაახლოებით 100 მვტ სიმძლავრეს. 2 კუბიკი კონცენტრირებული (99,5%) მეთანოლის ერთი შევსება საკმარისია MP3 პლეერის 20 საათის მუშაობისთვის. ისევ იგივე „ტოშიბამ“ აჩვენა ნოუთბუქების ბატარეა 275x75x40 მმ, რაც საშუალებას აძლევს კომპიუტერს იმუშაოს 5 საათის განმავლობაში საწვავის ერთი შევსებიდან.

მაგრამ ზოგიერთი მწარმოებელი უფრო შორს წავიდა. კომპანია „PowerTrekk“-მა ამავე სახელწოდების დამტენი გამოუშვა. PowerTrekk არის მსოფლიოში პირველი წყლის დამტენი. ძალიან მარტივი გამოსაყენებელია. წყალი უნდა დაემატოს PowerTrekk-ს, რათა უზრუნველყოს მყისიერი ენერგია USB კაბელის საშუალებით. ეს საწვავის უჯრედი შეიცავს სილიციუმის ფხვნილს და ნატრიუმის სილიციდს (NaSi) წყალთან შერევისას, ეს კომბინაცია წარმოქმნის წყალბადს. წყალბადი ერევა ჰაერს თავად საწვავის უჯრედში და წყალბადს ელექტროენერგიად გარდაქმნის მემბრანა-პროტონული გაცვლის მეშვეობით, ვენტილატორებისა და ტუმბოების გარეშე. თქვენ შეგიძლიათ შეიძინოთ ასეთი პორტატული დამტენი 149 ევროდ (

მობილური ელექტრონიკა ყოველწლიურად, თვეში რომ არა, უფრო ხელმისაწვდომი და ფართოდ გავრცელებული ხდება. აქ თქვენ გაქვთ ლეპტოპები, PDA-ები, ციფრული კამერები, მობილური ტელეფონები და ბევრი ყველა სახის სასარგებლო და არც ისე მოსახერხებელი მოწყობილობა. და ყველა ეს მოწყობილობა მუდმივად იძენს ახალ ფუნქციებს, უფრო მძლავრ პროცესორებს, უფრო დიდ ფერად ეკრანებს, უკაბელო კავშირს, ხოლო ზომაში მცირდება. მაგრამ, ნახევარგამტარული ტექნოლოგიებისგან განსხვავებით, ამ მობილური მენაჟეის ენერგეტიკული ტექნოლოგიები სულაც არ არის ნახტომი და საზღვრები.

ჩვეულებრივი აკუმულატორები და ბატარეები აშკარად არ არის საკმარისი ელექტრონიკის ინდუსტრიის უახლესი მიღწევებისთვის მნიშვნელოვანი დროის განმავლობაში. და საიმედო, მაღალი ტევადობის ბატარეების გარეშე, მობილურობა და უსადენო კავშირი დაკარგულია. ასე რომ, კომპიუტერული ინდუსტრია უფრო და უფრო აქტიურად მუშაობს ამ პრობლემაზე ალტერნატიული კვების წყაროები... და ყველაზე პერსპექტიული მიმართულება დღეს აქ არის საწვავის უჯრედები.

საწვავის უჯრედების ძირითადი პრინციპი აღმოაჩინა ბრიტანელმა მეცნიერმა სერ უილიამ გროვმა 1839 წელს. ის ცნობილია როგორც "საწვავის უჯრედის" მამა. უილიამ გროვმა გამოიმუშავა ელექტროენერგია წყალბადისა და ჟანგბადის მოპოვების გზით. ბატარეის ელექტროლიტური ელემენტიდან გათიშვისას, გროვმა გაკვირვებული აღმოაჩინა, რომ ელექტროდებმა დაიწყეს წარმოქმნილი აირის შეწოვა და დენის წარმოქმნა. პროცესის გახსნა წყალბადის ელექტროქიმიური "ცივი" წვაგახდა მნიშვნელოვანი მოვლენა ენერგეტიკულ სექტორში, მოგვიანებით კი ისეთმა ცნობილმა ელექტროქიმიკოსებმა, როგორებიც არიან ოსტვალდი და ნერნსტი, მნიშვნელოვანი როლი ითამაშეს საწვავის უჯრედების თეორიული საფუძვლების შემუშავებაში და პრაქტიკულ განხორციელებაში და უწინასწარმეტყველეს მათ დიდი მომავალი.

მე თვითონ ტერმინი "საწვავის უჯრედი"მოგვიანებით გამოჩნდა - ის 1889 წელს შემოგვთავაზეს ლუდვიგ მონდმა და ჩარლზ ლანგერმა, რომლებიც ცდილობდნენ შეექმნათ მოწყობილობა ჰაერიდან და ნახშირის გაზიდან ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის.

ჟანგბადში ნორმალური წვის დროს ორგანული საწვავი იჟანგება და საწვავის ქიმიური ენერგია არაეფექტურად გარდაიქმნება თერმულ ენერგიად. მაგრამ შესაძლებელი აღმოჩნდა დაჟანგვის რეაქცია, მაგალითად, წყალბადის ჟანგბადთან, განხორციელებულიყო ელექტროლიტურ გარემოში და ელექტროდების თანდასწრებით, მიეღო ელექტრული დენა. მაგალითად, წყალბადის მიწოდებით ელექტროდს ტუტე გარემოში, ვიღებთ ელექტრონებს:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

რომლებიც გარე წრეში გავლისას შედიან საპირისპირო ელექტროდში, რომელშიც შედის ჟანგბადი და სადაც მიმდინარეობს რეაქცია: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

ჩანს, რომ მიღებული რეაქცია 2H2 + O2 → H2O იგივეა, რაც ჩვეულებრივი წვის დროს, მაგრამ საწვავის უჯრედში, ან სხვაგვარად - ელექტროქიმიური გენერატორიელექტრული დენი მიიღება დიდი ეფექტურობით და ნაწილობრივ სითბოთი. გაითვალისწინეთ, რომ ქვანახშირი, ნახშირბადის მონოქსიდი, სპირტები, ჰიდრაზინი და სხვა ორგანული ნივთიერებები ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც საწვავი საწვავის უჯრედებში, ხოლო ჰაერი, წყალბადის ზეჟანგი, ქლორი, ბრომი, აზოტის მჟავა და ა.შ. შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც ოქსიდანტები.

საწვავის უჯრედების განვითარება ენერგიულად გაგრძელდა როგორც საზღვარგარეთ, ასევე რუსეთში, შემდეგ კი სსრკ-ში. მეცნიერთა შორის, რომლებმაც დიდი წვლილი შეიტანეს საწვავის უჯრედების შესწავლაში, აღვნიშნავთ ვ.ჯაკოს, პ.იაბლოჩკოვს, ფ.ბეკონს, ე.ბაუერს, ე.იუსტის, კ.კორდეშს. გასული საუკუნის შუა წლებში დაიწყო საწვავის უჯრედების პრობლემების ახალი ქარიშხალი. ეს ნაწილობრივ განპირობებულია თავდაცვის კვლევის შედეგად ახალი იდეების, მასალებისა და ტექნოლოგიების გაჩენით.

ერთ-ერთი მეცნიერი, რომელმაც მნიშვნელოვანი ნაბიჯი გადადგა საწვავის უჯრედების განვითარებაში, იყო P.M.Spiridonov. სპირიდონოვის წყალბად-ჟანგბადის ელემენტებიმისცა დენის სიმკვრივე 30 mA/cm2, რაც იმ დროისთვის დიდ მიღწევად ითვლებოდა. ორმოციან წლებში ო.დავტიანმა შექმნა ნახშირის გაზიფიკაციით მიღებული გენერატორის გაზის ელექტროქიმიური წვის ინსტალაცია. ელემენტის მოცულობის თითოეულ კუბურ მეტრზე დავტიანი იღებდა 5 კვტ სიმძლავრეს.

Ის იყო პირველი მყარი ელექტროლიტური საწვავის უჯრედი... მას ჰქონდა მაღალი ეფექტურობა, მაგრამ დროთა განმავლობაში ელექტროლიტი გაუარესდა და უნდა შეიცვალოს. შემდგომში დავტიანმა ორმოცდაათიანი წლების ბოლოს შექმნა მძლავრი ინსტალაცია, რომელიც მოძრაობაში აყენებს ტრაქტორს. იმავე წლებში ინგლისელმა ინჟინერმა ტ.ბეკონმა დააპროექტა და ააშენა საწვავის უჯრედების ბატარეა, საერთო სიმძლავრით 6 კვტ და ეფექტურობით 80%, მუშაობს სუფთა წყალბადზე და ჟანგბადზე, მაგრამ სიმძლავრე-წონის თანაფარდობა. ბატარეა ძალიან პატარა აღმოჩნდა - ასეთი უჯრედები უვარგისი იყო პრაქტიკული გამოყენებისთვის და ძალიან ძვირი.

მომდევნო წლებში მარტოხელების დრო გავიდა. კოსმოსური ხომალდების შემქმნელები საწვავის უჯრედებით დაინტერესდნენ. 60-იანი წლების შუა პერიოდიდან მილიონობით დოლარის ინვესტიცია განხორციელდა საწვავის უჯრედების კვლევაში. ათასობით მეცნიერისა და ინჟინრის მუშაობამ შესაძლებელი გახადა ახალ დონეზე ასვლა და 1965წ. საწვავის უჯრედები გამოსცადეს აშშ-ში Gemini-5 კოსმოსურ ხომალდზე, მოგვიანებით კი კოსმოსურ ხომალდზე Apollo-ზე მთვარეზე ფრენისთვის და შატლის პროგრამის ფარგლებში.

სსრკ-ში საწვავის უჯრედები შეიქმნა NPO Kvant-ში, ასევე კოსმოსში გამოსაყენებლად. იმ წლებში უკვე გამოჩნდა ახალი მასალები - მყარი პოლიმერული ელექტროლიტები იონგაცვლის მემბრანებზე დაფუძნებული, ახალი ტიპის კატალიზატორები, ელექტროდები. მიუხედავად ამისა, სამუშაო დენის სიმკვრივე იყო მცირე - 100-200 mA / cm2 ფარგლებში, ხოლო ელექტროდებზე პლატინის შემცველობა იყო რამდენიმე გ / სმ2. ბევრი პრობლემა იყო გამძლეობასთან, სტაბილურობასთან, უსაფრთხოებასთან დაკავშირებით.

საწვავის უჯრედების სწრაფი განვითარების შემდეგი ეტაპი 90-იან წლებში დაიწყო. გასული საუკუნისა და დღემდე გრძელდება. ეს გამოწვეულია ახალი ეფექტური ენერგიის წყაროების საჭიროებით, ერთი მხრივ, წიაღისეული საწვავის წვის შედეგად სათბურის აირების მზარდი ემისიების გლობალურ ეკოლოგიურ პრობლემასთან და, მეორე მხრივ, ასეთი საწვავის ამოწურვით. რეზერვები. ვინაიდან საწვავის უჯრედში წყალბადის წვის საბოლოო პროდუქტი წყალია, ისინი ყველაზე სუფთად ითვლება გარემოზე ზემოქმედების თვალსაზრისით. მთავარი პრობლემა მხოლოდ წყალბადის წარმოებისთვის ეფექტური და იაფი მეთოდის პოვნაშია.

მილიარდობით ფინანსურმა ინვესტიციებმა საწვავის უჯრედების და წყალბადის გენერატორების განვითარებაში უნდა გამოიწვიოს ტექნოლოგიური გარღვევა და რეალობად აქციოს ისინი ყოველდღიურ ცხოვრებაში: უჯრედებში მობილური ტელეფონებისთვის, მანქანებში, ელექტროსადგურებში. უკვე ახლა ისეთი საავტომობილო გიგანტები, როგორებიცაა Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors, აჩვენებენ მანქანებსა და ავტობუსებს, რომლებიც მუშაობენ საწვავის უჯრედებზე 50 კვტ სიმძლავრით. განვითარდა არაერთი კომპანია საჩვენებელი ელექტროსადგურები საწვავის უჯრედებზე მყარი ოქსიდის ელექტროლიტით 500 კვტ-მდე სიმძლავრით... მაგრამ, მიუხედავად მნიშვნელოვანი გარღვევისა საწვავის უჯრედების მახასიათებლების გაუმჯობესებაში, ჯერ კიდევ ბევრი პრობლემაა გადასაჭრელი, რაც დაკავშირებულია მათ ღირებულებასთან, საიმედოობასთან და უსაფრთხოებასთან.

საწვავის უჯრედში, ბატარეებისა და აკუმულატორებისგან განსხვავებით, საწვავიც და ოქსიდიზატორიც მას გარედან მიეწოდება. საწვავის უჯრედი მხოლოდ შუამავალია რეაქციაში და იდეალურ პირობებში შეიძლება თითქმის სამუდამოდ იმუშაოს. ამ ტექნოლოგიის სილამაზე ის არის, რომ, ფაქტობრივად, ელემენტი წვავს საწვავს და პირდაპირ გარდაქმნის გამოთავისუფლებულ ენერგიას ელექტროენერგიად. საწვავის პირდაპირი წვისას ის იჟანგება ჟანგბადით და ამის დროს გამოთავისუფლებული სითბო გამოიყენება სასარგებლო სამუშაოს შესასრულებლად.

საწვავის უჯრედში, ისევე როგორც ბატარეებში, საწვავის დაჟანგვის და ჟანგბადის შემცირების რეაქციები სივრცით არის გამიჯნული და "წვის" პროცესი ხდება მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ უჯრედი აწვდის დენს დატვირთვას. Ის მსგავსია დიზელის ელექტრო გენერატორი, მხოლოდ დიზელის და გენერატორის გარეშე... ასევე კვამლის, ხმაურის, გადახურების გარეშე და გაცილებით მაღალი ეფექტურობით. ეს უკანასკნელი აიხსნება იმით, რომ ჯერ ერთი, არ არსებობს შუალედური მექანიკური მოწყობილობები და მეორეც, საწვავის უჯრედი არ არის თერმოძრავა და, შედეგად, არ ემორჩილება კარნოს კანონს (ანუ მისი ეფექტურობა არ განისაზღვრება ტემპერატურის სხვაობა).

ჟანგბადი გამოიყენება როგორც ჟანგვის აგენტი საწვავის უჯრედებში. უფრო მეტიც, რადგან ჰაერში საკმარისი ჟანგბადია, არ არის საჭირო ოქსიდიზატორის მიწოდებაზე ფიქრი. საწვავი წყალბადია. ასე რომ, რეაქცია ხდება საწვავის უჯრედში:

2H2 + O2 → 2H2O + ელექტროენერგია + სითბო.

შედეგი არის სასარგებლო ენერგია და წყლის ორთქლი. მის სტრუქტურაში უმარტივესი არის პროტონების გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედი(იხ. სურათი 1). იგი მუშაობს შემდეგნაირად: ელემენტში შემავალი წყალბადი კატალიზატორის მოქმედებით იშლება ელექტრონები და დადებითად დამუხტული წყალბადის იონები H+. შემდეგ მოქმედებს სპეციალური მემბრანა, რომელიც ასრულებს ელექტროლიტის როლს ჩვეულებრივ ბატარეაში. მისი ქიმიური შემადგენლობის გამო, ის პროტონებს საშუალებას აძლევს გაიარონ საკუთარ თავში, მაგრამ ინარჩუნებს ელექტრონებს. ამრიგად, ანოდზე დაგროვილი ელექტრონები ქმნიან ზედმეტ უარყოფით მუხტს, ხოლო წყალბადის იონები ქმნიან დადებით მუხტს კათოდზე (უჯრედში ძაბვა დაახლოებით 1 ვ-ია).

მაღალი სიმძლავრის შესაქმნელად, საწვავის უჯრედი იკრიბება მრავალი უჯრედისგან. თუ ელემენტი შედის დატვირთვაში, მაშინ ელექტრონები მიედინება მასში კათოდში, შექმნის დენს და დაასრულებს წყალბადის დაჟანგვის პროცესს ჟანგბადით. როგორც კატალიზატორი ასეთ საწვავის უჯრედებში, როგორც წესი, გამოიყენება ნახშირბადის ბოჭკოზე დაყრდნობილი პლატინის მიკრონაწილაკები. მისი სტრუქტურის გამო, ასეთი კატალიზატორი არის გაზისა და ელექტროენერგიის მაღალი გამტარიანობა. მემბრანა ჩვეულებრივ მზადდება გოგირდის შემცველი პოლიმერისგან, ნაფიონისგან. მემბრანის სისქე უდრის მილიმეტრის მეათედს. რეაქციის დროს, რა თქმა უნდა, სითბოც გამოიყოფა, მაგრამ არც ისე ბევრია, ამიტომ სამუშაო ტემპერატურა შენარჩუნებულია 40-80 ° C დიაპაზონში.

სურ. 1. როგორ მუშაობს საწვავის უჯრედი

არსებობს სხვა ტიპის საწვავის უჯრედები, რომლებიც ძირითადად განსხვავდებიან გამოყენებული ელექტროლიტის ტიპის მიხედვით. თითქმის ყველა მათგანს სჭირდება წყალბადი, როგორც საწვავი, ამიტომ ჩნდება ლოგიკური კითხვა: სად მივიღოთ იგი. რა თქმა უნდა, შესაძლებელი იქნებოდა შეკუმშული წყალბადის გამოყენება ცილინდრებიდან, მაგრამ მაშინვე წარმოიქმნება პრობლემები, რომლებიც დაკავშირებულია მაღალი წნევის ქვეშ ამ ძალზე აალებადი გაზის ტრანსპორტირებასთან და შენახვასთან. რა თქმა უნდა, წყალბადის გამოყენება შესაძლებელია შეკრული სახით, როგორც ლითონის ჰიდრიდის ბატარეებში. მაგრამ მაინც, მისი წარმოებისა და ტრანსპორტირების პრობლემა რჩება, რადგან წყალბადის შევსების ინფრასტრუქტურა არ არსებობს.

თუმცა, აქაც არის გამოსავალი - წყალბადის წყაროდ შეიძლება გამოვიყენოთ თხევადი ნახშირწყალბადის საწვავი. მაგალითად, ეთილის ან მეთილის სპირტი. მართალია, აქ უკვე საჭიროა სპეციალური დამატებითი მოწყობილობა - საწვავის გადამყვანი, რომელიც ალკოჰოლებს გადააქცევს აირისებრი H2 და CO2 ნარევში მაღალ ტემპერატურაზე (მეთანოლისთვის ეს იქნება სადღაც დაახლოებით 240 ° C). მაგრამ ამ შემთხვევაში, პორტაბელურობაზე ფიქრი უკვე უფრო რთულია - ასეთი მოწყობილობები კარგია, როგორც სტაციონარული ან, მაგრამ კომპაქტური მობილური აღჭურვილობისთვის გჭირდებათ რაღაც ნაკლებად რთული.

და აი, მივედით ზუსტად მოწყობილობამდე, რომლის განვითარებასაც საშინელი ძალით აკეთებენ ელექტრონიკის თითქმის ყველა უმსხვილესი მწარმოებელი - მეთანოლის საწვავის უჯრედი(სურათი 2).

ნახ. 2. როგორ მუშაობს მეთანოლის საწვავის უჯრედი

წყალბადისა და მეთანოლის საწვავის უჯრედებს შორის ფუნდამენტური განსხვავება მდგომარეობს გამოყენებულ კატალიზატორში. კატალიზატორი მეთანოლის საწვავის უჯრედში საშუალებას აძლევს პროტონებს ამოიღონ უშუალოდ ალკოჰოლის მოლეკულიდან. ამრიგად, საწვავის საკითხი მოგვარებულია - მეთილის სპირტი მასიურად იწარმოება ქიმიური მრეწველობისთვის, მისი შენახვა და ტრანსპორტირება მარტივია, მეთანოლის საწვავის უჯრედის დასატენად კი საკმარისია საწვავის კარტრიჯის უბრალოდ შეცვლა. მართალია, არსებობს ერთი მნიშვნელოვანი ნაკლი - მეთანოლი ტოქსიკურია. გარდა ამისა, მეთანოლის საწვავის უჯრედის ეფექტურობა მნიშვნელოვნად დაბალია, ვიდრე წყალბადის საწვავის უჯრედი.

ბრინჯი. 3. მეთანოლის საწვავის უჯრედი

ყველაზე მაცდური ვარიანტია ეთილის სპირტის გამოყენება საწვავად, ვინაიდან ნებისმიერი შემადგენლობისა და სიმტკიცის ალკოჰოლური სასმელების წარმოება და გავრცელება კარგად არის დამკვიდრებული მთელ მსოფლიოში. თუმცა, ეთანოლის საწვავის უჯრედების ეფექტურობა, სამწუხაროდ, უფრო დაბალია, ვიდრე მეთანოლი.

როგორც აღინიშნა საწვავის უჯრედების სფეროში მრავალწლიანი განვითარების დროს, აშენდა სხვადასხვა ტიპის საწვავის უჯრედები. საწვავის უჯრედები კლასიფიცირდება ელექტროლიტისა და საწვავის ტიპის მიხედვით.

1. მყარი პოლიმერული წყალბად-ჟანგბადის ელექტროლიტი.

2. მყარი პოლიმერული მეთანოლის საწვავის უჯრედები.

3. უჯრედები ტუტე ელექტროლიტზე.

4. ფოსფორმჟავას საწვავის უჯრედები.

5. საწვავის უჯრედები გამდნარ კარბონატებზე დაფუძნებული.

6. მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები.

იდეალურ შემთხვევაში, საწვავის უჯრედების ეფექტურობა ძალიან მაღალია, მაგრამ რეალურ პირობებში არის დანაკარგები, რომლებიც დაკავშირებულია არათანაბარი პროცესებთან, როგორიცაა: ომური დანაკარგები ელექტროლიტისა და ელექტროდების სპეციფიკური გამტარობის გამო, აქტივაციისა და კონცენტრაციის პოლარიზაცია, დიფუზიის დანაკარგები. შედეგად, საწვავის უჯრედებში წარმოქმნილი ენერგიის ნაწილი გარდაიქმნება სითბოდ. სპეციალისტების ძალისხმევა მიმართულია ამ დანაკარგების შესამცირებლად.

ომური დანაკარგების მთავარი წყარო, ისევე როგორც საწვავის უჯრედების მაღალი ღირებულების მიზეზი, არის პერფტორირებული სულფონური კათიონური გარსები. ახლა მიმდინარეობს ალტერნატიული, იაფი პროტონგამტარ პოლიმერების ძებნა. ვინაიდან ამ მემბრანების (მყარი ელექტროლიტების) გამტარობა აღწევს მისაღებ მნიშვნელობას (10 Ohm/სმ) მხოლოდ წყლის თანდასწრებით, საწვავის უჯრედში მიწოდებული აირები დამატებით უნდა დატენიანდეს სპეციალურ მოწყობილობაში, რაც ასევე ზრდის მის ღირებულებას. სისტემა. კატალიზურ აირისებრ დიფუზიურ ელექტროდებში ძირითადად პლატინა და ზოგიერთი სხვა კეთილშობილი ლითონი გამოიყენება და ჯერჯერობით მათი შემცვლელი არ არის ნაპოვნი. მიუხედავად იმისა, რომ პლატინის შემცველობა საწვავის უჯრედებში არის რამდენიმე მგ/სმ2, დიდი ბატარეებისთვის მისი რაოდენობა ათეულ გრამს აღწევს.

საწვავის უჯრედების დაპროექტებისას დიდი ყურადღება ეთმობა სითბოს მოცილების სისტემას, რადგან მაღალი დენის სიმკვრივის დროს (1A / სმ2-მდე), ხდება სისტემის თვითგათბობა. გაგრილებისთვის გამოიყენება წყალი, რომელიც ცირკულირებს საწვავის უჯრედში სპეციალური არხებით, ხოლო დაბალი სიმძლავრის დროს ხდება ჰაერის აფეთქება.

ასე რომ, ელექტროქიმიური გენერატორის თანამედროვე სისტემა, გარდა თავად საწვავის უჯრედისა, არის "გაზრდილი" მრავალი დამხმარე მოწყობილობით, როგორიცაა: ტუმბოები, ჰაერის მიწოდების კომპრესორი, წყალბადის შეყვანა, გაზის დამატენიანებელი, გაგრილების განყოფილება, ა. გაზის გაჟონვის კონტროლის სისტემა, DC-to-AC გადამყვანი, საკონტროლო პროცესორი და სხვა.. ყოველივე ეს განაპირობებს იმას, რომ საწვავის უჯრედების სისტემის ღირებულება 2004-2005 წლებში იყო 2-3 ათასი აშშ დოლარი/კვტ. ექსპერტების აზრით, საწვავის უჯრედები ხელმისაწვდომი გახდება სატრანსპორტო და სტაციონარულ ელექტროსადგურებში გამოსაყენებლად 50-100 $ / კვტ.

საწვავის უჯრედების ყოველდღიურ ცხოვრებაში დანერგვისთვის, კომპონენტების ღირებულების შემცირებასთან ერთად, უნდა ველოდოთ ახალ ორიგინალურ იდეებსა და მიდგომებს. კერძოდ, დიდი იმედები ამყარებს ნანომასალებისა და ნანოტექნოლოგიის გამოყენებას. მაგალითად, რამდენიმე კომპანიამ ცოტა ხნის წინ გამოაცხადა ულტრაეფექტური კატალიზატორების შექმნა, კერძოდ, ჟანგბადის ელექტროდისთვის, რომელიც დაფუძნებულია სხვადასხვა ლითონის ნანონაწილაკების კლასტერებზე. გარდა ამისა, იყო შეტყობინებები მემბრანული საწვავის უჯრედების დიზაინის შესახებ, რომლებშიც თხევადი საწვავი (როგორიცაა მეთანოლი) მიეწოდება საწვავის უჯრედში ოქსიდიზატორთან ერთად. ასევე საინტერესოა დაბინძურებულ წყლებში მოქმედი ბიოსაწვავის უჯრედების შემუშავებული კონცეფცია, რომლებიც მოიხმარენ გახსნილ ატმოსფერულ ჟანგბადს, როგორც ჟანგბადს და ორგანულ მინარევებს, როგორც საწვავს.

ექსპერტების პროგნოზით, საწვავის უჯრედები მასობრივ ბაზარზე უახლოეს წლებში შევა. მართლაც, დეველოპერები ერთმანეთის მიყოლებით იპყრობენ ტექნიკურ პრობლემებს, აფიქსირებენ წარმატებებს და წარმოადგენენ საწვავის უჯრედების პროტოტიპებს. მაგალითად, Toshiba-მ აჩვენა მეთანოლის საწვავის უჯრედის დასრულებული პროტოტიპი. მას აქვს ზომა 22x56x4.5 მმ და იძლევა დაახლოებით 100 მვტ სიმძლავრეს. 2 კუბიკი კონცენტრირებული (99,5%) მეთანოლის ერთი შევსება საკმარისია MP3 პლეერის 20 საათის მუშაობისთვის. Toshiba-მ გამოუშვა კომერციული საწვავის უჯრედი მობილური ტელეფონების კვებისათვის. ისევ იგივე Toshiba-მ აჩვენა ბატარეა ნოუთბუქებისთვის 275x75x40 მმ, რაც საშუალებას აძლევს კომპიუტერს იმუშაოს 5 საათის განმავლობაში ერთი შევსებიდან.

Toshiba-ს არ ჩამორჩება კიდევ ერთი იაპონური კომპანია Fujitsu. 2004 წელს მან ასევე შემოიტანა ელემენტი, რომელიც მოქმედებს მეთანოლის 30%-იან წყალხსნარზე. ეს საწვავის უჯრედი მუშაობდა 300 მლ შიგთავსით 10 საათის განმავლობაში და ამავე დროს აწვდიდა 15 ვატს სიმძლავრეს.

Casio ავითარებს საწვავის უჯრედს, რომელშიც მეთანოლი ჯერ გარდაიქმნება H2 და CO2 გაზების ნარევად მინიატურულ საწვავის გადამყვანში და შემდეგ იკვებება საწვავის უჯრედში. დემონსტრაციის დროს Casio-ს პროტოტიპი ლეპტოპს 20 საათის განმავლობაში ამუშავებდა.

Samsung-მა ასევე გაითქვა სახელი საწვავის უჯრედების სფეროში - 2004 წელს მან აჩვენა თავისი 12W პროტოტიპი, რომელიც შექმნილია ლეპტოპის კვებისათვის. ზოგადად, Samsung აპირებს საწვავის უჯრედების გამოყენებას, პირველ რიგში, მეოთხე თაობის სმარტფონებში.

უნდა ითქვას, რომ იაპონური კომპანიები ზოგადად ძალიან საფუძვლიანად მიუდგნენ საწვავის უჯრედების განვითარებას. ჯერ კიდევ 2003 წელს, კომპანიებმა, როგორიცაა Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony და Toshiba, შეუერთდნენ ძალებს ლეპტოპების, მობილური ტელეფონების, PDA და სხვა ელექტრონული მოწყობილობების საწვავის უჯრედების ერთიანი სტანდარტის შესაქმნელად. ამერიკული კომპანიები, რომელთაგან ასევე ბევრია ამ ბაზარზე, ძირითადად მუშაობენ სამხედროებთან კონტრაქტით და ავითარებენ საწვავის უჯრედებს ამერიკელი ჯარისკაცების ელექტრიფიკაციისთვის.

გერმანელები არ ჩამორჩებიან - Smart Fuel Cell ყიდის საწვავის უჯრედებს მობილური ოფისის გასაძლიერებლად. მოწყობილობას ეწოდება Smart Fuel Cell C25, აქვს ზომები 150x112x65 მმ და შეუძლია მიაწოდოს 140 ვტ/საათამდე ერთჯერადი შევსება. ეს საკმარისია ლეპტოპის დასაყენებლად დაახლოებით 7 საათის განმავლობაში. შემდეგ ვაზნა შეიძლება შეიცვალოს და შეგიძლიათ გააგრძელოთ მუშაობა. მეთანოლის ვაზნის ზომაა 99x63x27 მმ და იწონის 150გრ. თავად სისტემა იწონის 1,1 კგ-ს, ასე რომ თქვენ მას ვერ უწოდებთ მთლიანად პორტატულს, მაგრამ მაინც არის სრულიად დასრულებული და მოსახერხებელი მოწყობილობა. კომპანია ასევე ავითარებს საწვავის მოდულს პროფესიონალური ვიდეოკამერების გასაძლიერებლად.

ზოგადად, საწვავის უჯრედები უკვე პრაქტიკულად შემოდის მობილური ელექტრონიკის ბაზარზე. მწარმოებლებს რჩებათ გადაჭრას ბოლო ტექნიკური პრობლემები მასობრივი წარმოების დაწყებამდე.

პირველ რიგში, აუცილებელია საწვავის უჯრედების მინიატურიზაციის საკითხის მოგვარება. ყოველივე ამის შემდეგ, რაც უფრო მცირეა საწვავის უჯრედი, მით ნაკლები ენერგიის მიწოდება იქნება იგი - ამიტომ მუდმივად მუშავდება ახალი კატალიზატორები და ელექტროდები, რათა მაქსიმალურად გაზარდოს სამუშაო ზედაპირი მცირე ზომებით. აქ, ნანოტექნოლოგიისა და ნანომასალების (მაგალითად, ნანომილები) სფეროში უახლესი განვითარება ძალიან სასარგებლოა. ისევ და ისევ, მიკროელექტრომექანიკის მიღწევები სულ უფრო ხშირად გამოიყენება ელემენტების მილების მინიატურიზაციისთვის (საწვავის და წყლის ტუმბოები, გაგრილების სისტემები და საწვავის კონვერტაცია).

მეორე მთავარი საკითხი, რომელიც უნდა განიხილებოდეს, არის ღირებულება. მართლაც, ძალიან ძვირადღირებული პლატინი გამოიყენება როგორც კატალიზატორი საწვავის უჯრედების უმეტესობაში. კვლავ, ზოგიერთი მწარმოებელი ცდილობს მაქსიმალურად გამოიყენოს უკვე კარგად დამკვიდრებული სილიკონის ტექნოლოგიები.

რაც შეეხება საწვავის უჯრედების გამოყენების სხვა სფეროებს, საწვავის უჯრედები უკვე მტკიცედ დაიმკვიდრეს იქ, თუმცა ისინი ჯერ არ გახდნენ მეინსტრიმი არც ენერგეტიკულ სექტორში და არც ტრანსპორტში. უკვე ბევრმა ავტომობილების მწარმოებელმა წარმოადგინა თავისი კონცეფციური მანქანები, რომლებიც იკვებება საწვავის უჯრედებით. მსოფლიოს რამდენიმე ქალაქში არის საწვავის უჯრედების ავტობუსები. Canadian Ballard Power Systems აწარმოებს სტაციონარული გენერატორების სპექტრს 1-დან 250 კვტ-მდე. ამავდროულად, კილოვატიანი გენერატორები გათვლილია იმისთვის, რომ დაუყოვნებლივ მიაწოდოს ერთ ბინას ელექტროენერგია, სითბო და ცხელი წყალი.