როგორ მუშაობს წყალბადის საწვავის უჯრედი. საწვავის უჯრედები: იმედის წელი

შეერთებულმა შტატებმა მიიღო არაერთი ინიციატივა, რომლებიც მიმართულია წყალბადის საწვავის უჯრედების, ინფრასტრუქტურისა და ტექნოლოგიის შემუშავებაზე, რათა 2020 წლისთვის საწვავის უჯრედები პრაქტიკული და ეკონომიური იყოს. ამ მიზნებისათვის გამოყოფილია მილიარდ დოლარზე მეტი.

საწვავის უჯრედები წარმოქმნიან ელექტროენერგიას ჩუმად და ეფექტურად, დაბინძურების გარეშე. ენერგიის წყაროებისგან განსხვავებით, წიაღისეული საწვავის გამოყენებით, საწვავის უჯრედების ექსპლუატაციიდან შემავალი პროდუქტები არის სითბო და წყალი. როგორ მუშაობს?

ამ სტატიაში, ჩვენ მოკლედ განვიხილავთ საწვავის არსებულ თითოეულ ტექნოლოგიას, ასევე ვისაუბრებთ საწვავის უჯრედების დიზაინზე და ექსპლუატაციაზე და შევადარებთ მათ ენერგიის წარმოების სხვა ფორმებს. ჩვენ ასევე განვიხილავთ ზოგიერთ ბარიერს, რომელსაც მკვლევარები განიცდიან საწვავის უჯრედების პრაქტიკული და ხელმისაწვდომი მომხმარებლისთვის.

საწვავის უჯრედებია ელექტროქიმიური ენერგიის გადამყვანი მოწყობილობები. საწვავის უჯრედი ქიმიკატების, წყალბადის და ჟანგბადის წყალს გარდაქმნის, რაც ელექტროენერგიას წარმოქმნის.

კიდევ ერთი ელექტროქიმიური მოწყობილობა, რომელსაც ყველა ვიცნობთ არის ბატარეა. ბატარეას ყველა საჭირო ქიმიური ელემენტი აქვს შიგნით და ეს ნივთიერებები ელექტროენერგიად აქცევს. საბოლოო ჯამში, ეს ნიშნავს, რომ ბატარეა "კვდება" და თქვენ ან გადააგდებთ მას, ან ისევ დააკისრებთ მას.

საწვავის უჯრედში ქიმიკატები მუდმივად მიედინება მასში, რომ ის არასოდეს "კვდება". ელექტროენერგია წარმოიქმნება მანამ, სანამ საკანში შევა ქიმიკატები. დღეს საწვავის უჯრედების უმეტესობა წყალბადსა და ჟანგბადს იყენებს.

წყალბადი ყველაზე გავრცელებული ელემენტია ჩვენს გალაქტიკაში. ამასთან, წყალბადი პრაქტიკულად არ არსებობს დედამიწაზე მისი ელემენტარული ფორმით. ინჟინერებმა და მეცნიერებმა უნდა მიიღონ წყალბადის ნაერთების სუფთა წყალბადი, მათ შორის წიაღისეული საწვავი ან წყალი. ამ ნაერთებიდან წყალბადის წარმოქმნისთვის 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 წყალბადსა და ჟანგბადზე, ელექტრული დენის გავლით მის მეშვეობით (ამ პროცესს უწოდებენ ელექტროლიზი) მან თქვა, რომ ელექტროენერგია და წყალი მოპოვებული იქნება საპირისპირო მიზნით. მან შექმნა პრიმიტიული საწვავის უჯრედი და დაასახელა იგი გაზის გალვანური ბატარეა. ექსპერიმენტის ჩატარებისას ახალმა გამოგონებამ გროვმა დაამტკიცა თავისი ჰიპოთეზა. ორმოცდაათი წლის შემდეგ მეცნიერებმა ლუდვიგ მუნდმა და ჩარლზ ლანგერმა შეადგინეს ეს ტერმინი საწვავის უჯრედები  ელექტროენერგიის წარმოების პრაქტიკული მოდელის შექმნის მცდელობისას.

საწვავის უჯრედი კონკურენციას გაუწევს ენერგიის გარდაქმნის ბევრ სხვა მოწყობილობას, მათ შორისაა გაზის ტურბინები ქალაქის ელექტროსადგურებში, მანქანებში შიდა წვის ძრავებით, ისევე როგორც ყველა სახის ბატარეა. შიდა წვის ძრავები, ისევე როგორც აირის ტურბინები, წვავს სხვადასხვა ტიპის საწვავს და იყენებენ გაზების გაფართოებით შექმნილ წნევას მექანიკური მუშაობის შესასრულებლად. საჭიროების შემთხვევაში, ბატარეები ქიმიურ ენერგიას ელექტრო ენერგიად აქცევს. საწვავის უჯრედებმა უნდა შეასრულონ ეს დავალებები უფრო ეფექტურად.

საწვავის უჯრედი უზრუნველყოფს DC (პირდაპირი დენის) ძაბვას, რომლის საშუალებითაც შესაძლებელია ელექტროძრავების, განათების და სხვა ელექტრო მოწყობილობების ენერგია.

არსებობს მრავალი განსხვავებული ტიპის საწვავის უჯრედი, რომელთაგან თითოეული იყენებს სხვადასხვა ქიმიურ პროცესს. საწვავის უჯრედები, როგორც წესი, კლასიფიცირდება მათი მიხედვით სამუშაო ტემპერატურა  და ტიპიელექტროლიტირომელსაც იყენებენ. საწვავის უჯრედების ზოგიერთი ტიპი კარგად არის შესაფერისი სტაციონალურ ელექტროსადგურებში გამოსაყენებლად. სხვები შეიძლება სასარგებლო იყოს მცირე პორტატული მოწყობილობებისთვის ან ელექტროენერგიის მანქანებისთვის. საწვავის უჯრედების ძირითადი ტიპები მოიცავს:

პოლიმერული გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედი (PEMFC) საწვავის უჯრედი

PEMFC ითვლება, როგორც სავარაუდო კანდიდატი სატრანსპორტო პროგრამებისთვის. PEMFC- ს აქვს როგორც მაღალი სიმძლავრე, ასევე შედარებით დაბალი ტემპერატურა (60-დან 80 გრადუსამდე ცელსიუსში). დაბალი ოპერაციული ტემპერატურა გულისხმობს საწვავის უჯრედებს სწრაფად დათბობა, ელექტროენერგიის წარმოების დასაწყებად.

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები (SOFC)

ეს საწვავის უჯრედები ყველაზე შესაფერისია ელექტრული სტაციონალური გენერატორებისთვის, რომლებსაც ელექტროენერგიის მიწოდება შეუძლიათ ქარხნის ან ქალაქისთვის. ამ ტიპის საწვავის უჯრედი მოქმედებს ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე (700-დან 1000 გრადუსამდე ცელსიუსამდე). მაღალი ტემპერატურა საიმედოობის პრობლემაა, რადგან საწვავის უჯრედების ნაწილი შეიძლება ჩავარდეს რამდენიმე ჩართვის და გამორთვის ციკლის შემდეგ. ამასთან, მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები ძალიან სტაბილურია უწყვეტი მუშაობის დროს. სინამდვილეში, SOFC– მა აჩვენა ნებისმიერი საწვავის უჯრედის გრძელი სიცოცხლის ხანგრძლივობა გარკვეულ პირობებში. მაღალ ტემპერატურას ასევე აქვს უპირატესობა: საწვავის უჯრედების მიერ წარმოქმნილი ორთქლის გაგზავნა შესაძლებელია ტურბინებში და წარმოქმნის უფრო მეტ ელექტროენერგიას. ამ პროცესს უწოდებენ სითბოს და ელექტროენერგიის კოგენერაცია  და აუმჯობესებს სისტემის მთლიან მუშაობას.

ტუტე საწვავის უჯრედი (AFC) ტუტე საწვავის უჯრედი

ეს საწვავის უჯრედების ერთ-ერთი უძველესი მაგალითია, რომელიც 1960-იანი წლებიდან გამოიყენება. AFC– ები ძალიან მგრძნობიარეა დაბინძურების გამო, რადგან მათ სუფთა წყალბადი და ჟანგბადი სჭირდებათ. გარდა ამისა, ისინი ძალიან ძვირია, ამიტომ საწვავის უჯრედი ამ ტიპის ნაკლებად სავარაუდოა, რომ მასში მოექცეს.

დნობის-კარბონატის საწვავის უჯრედი (MCFC) საწვავის უჯრედი

SOFC- ს მსგავსად, ამ საწვავის უჯრედები ასევე საუკეთესოდ შეეფერება დიდ სტაციონალურ ელექტროსადგურებსა და გენერატორებს. ისინი მოქმედებენ 600 გრადუსი ცელსიუსით, რათა მათ წარმოქმნან ორთქლი, რაც თავის მხრივ შეიძლება კიდევ უფრო მეტი ენერგიის გამომუშავების მიზნით. მათ აქვთ უფრო დაბალი საოპერაციო ტემპერატურა ვიდრე მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები, რაც ნიშნავს რომ მათ არ სჭირდებათ ასეთი სითბოს მდგრადი მასალები. ეს მათ უფრო იაფი გახდის.

ფოსფორის მჟავა საწვავის უჯრედი (PAFC) საწვავის უჯრედი

ფოსფორის მჟავა საწვავის უჯრედიაქვს მცირე სტაციონალური ენერგეტიკულ სისტემებში გამოყენების პოტენციალი. იგი მუშაობს უფრო მაღალ ტემპერატურაზე, ვიდრე საწვავის უჯრედში პოლიმერული გაცვლის მემბრანა, ასე რომ, მისი გაცხელებას უფრო დიდი დრო სჭირდება, რაც მანქანებში გამოყენებისთვის უვარგისს ხდის.

პირდაპირი მეთანოლის საწვავის უჯრედი (DMFC) მეთანოლის საწვავის უჯრედები

მეთანოლის საწვავის უჯრედები შედარებულია PEMFC- ით ოპერაციული ტემპერატურის თვალსაზრისით, მაგრამ არც ისე ეფექტური. გარდა ამისა, DMFC მოითხოვს საკმაოდ დიდი რაოდენობით პლატინის მოქმედებას, როგორც კატალიზატორი, რაც ამ საწვავის უჯრედებს ძვირია.

პოლიმერული გაცვლის მემბრანული საწვავის უჯრედი

პოლიმერული მემბრანის გაცვლის საწვავის უჯრედი (PEMFC) არის ერთერთი ყველაზე პერსპექტიული საწვავის უჯრედის ტექნოლოგია. PEMFC იყენებს ერთ უმარტივეს რეაქციას საწვავის უჯრედში. განვიხილოთ, რაგან შედგება.

1. ა კვანძი   - საწვავის უჯრედის უარყოფითი ტერმინალი. იგი ატარებს ელექტრონებს, რომლებიც გათავისუფლებულია წყალბადის მოლეკულებიდან, რის შემდეგაც მათი გამოყენება შესაძლებელია გარე წრედში. იგი ამოტვიფრულია არხებით, რომლითაც აირისებრი წყალბადი თანაბრად ნაწილდება კატალიზის ზედაპირზე.

2.  რომ აოდი   - საწვავის უჯრედის დადებით ტერმინალს ასევე აქვს არხები კატალიზატორი ზედაპირზე ჟანგბადის განაწილებისთვის. იგი ასევე ატარებს ელექტრონებს კატალიზის გარე წრიდან, სადაც მათ შეუძლიათ წყლის წყალბადის და წყალბადის და ჟანგბადის იონებთან შერწყმა.

3.  ელექტროლიტური პროტონის გაცვლის მემბრანა. ეს არის სპეციალურად დამუშავებული მასალა, რომელიც ატარებს მხოლოდ დადებითად დატვირთულ იონებს და ბლოკავს ელექტრონებს. PEMFC- ზე მემბრანა უნდა იყოს დამატენიანებული, რომ ნორმალურად იმოქმედოს და დარჩეს სტაბილური.

4. კატალიზატორი  - ეს არის სპეციალური მასალა, რომელიც ხელს უწყობს ჟანგბადის და წყალბადის რეაქციას. როგორც წესი, იგი მზადდება პლატინის ნანონაწილაკებისგან, ძალიან წვრილად ვრცელდება ნახშირბადის ქაღალდზე ან ქსოვილზე. კატალიზატორი აქვს ზედაპირის სტრუქტურა ისეთი, რომ პლატინის მაქსიმალური ზედაპირი შეიძლება დაიცვას წყალბადის ან ჟანგბადისგან.

ფიგურაში ნაჩვენებია აირისებრი წყალბადი (H2), რომელიც საწვავის უჯრედში შედის ანოდის მხრიდან ზეწოლის ქვეშ. როდესაც H2 მოლეკულა კავშირშია პლატინის კატალიზატორთან, ის გამოყოფილია ორ H + იონად და ორ ელექტრონად. ელექტრონები გადის ანოდში, სადაც ისინი იყენებენ გარე წრედში (აკეთებენ სასარგებლო სამუშაოს შესრულებას, მაგალითად, ძრავის ბრუნვას) და ბრუნდებიან საწვავის უჯრედის კათოდური მხარეს.

იმავდროულად, საწვავის უჯრედის კათოდური მხრიდან, ჰაერიდან ჟანგბადი (O2) გადის კატალიზატორიდან, სადაც ის ქმნის ორ ჟანგბადის ატომს. თითოეულ ამ ატომს აქვს ძლიერი უარყოფითი მუხტი. ეს უარყოფითი მუხტი მემბრანის მეშვეობით იზიდავს ორ H + იონს, სადაც ისინი აერთებენ ჟანგბადის ატომს და ორ ელექტრონს, რომლებიც გარე წრედან გამოდიან წყლის მოლეკულის შესაქმნელად (H2O).

ეს რეაქცია საწვავის ერთ უჯრედში წარმოქმნის მხოლოდ 0,7 ვოლტს. ძაბვის გონივრულ დონეზე გაზრდის მიზნით, მრავალი ინდივიდუალური საწვავის უჯრედი უნდა გაერთიანდეს, რომ მოხდეს საწვავის უჯრედების დასტის ჩამოყალიბება. ბიპოლარული ფირფიტები გამოიყენება ერთი საწვავის უჯრედი მეორეზე დასაკავშირებლად და შემცირებული პოტენციალის მქონე ჟანგვის ქვეშ. ბიპოლარული ფირფიტების დიდი პრობლემა მათი სტაბილურობაა. ბიპოლარული მეტალის ფირფიტები კოროზიის შედეგად შეიძლება დაზიანდეს, ხოლო ქვეპროდუქტები (რკინის და ქრომის იონები) ამცირებს საწვავის უჯრედის მემბრანებისა და ელექტროდების ეფექტურობას. ამრიგად, დაბალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედები იყენებენ მსუბუქი მეტალებს, ნახშირბადის და თერმოსინთერაპიის მასალის კომპოზიციურ ნაერთებს (თერმოსინთეზური მასალა პლასტიკური ერთგვარი პლასტიკაა, რომელიც მყარი რჩება მაღალი ტემპერატურის ზემოქმედების დროსაც კი) ბიპოლარული ფენის მასალის სახით.

საწვავის უჯრედების ეფექტურობა

დაბინძურების შემცირება საწვავის უჯრედის ერთ-ერთი მთავარი მიზანია. შედარებით საწვავის უჯრედის მანქანა, რომელსაც ბენზინის ძრავა და ბატარეა ახორციელებს მანქანაში, ნახავთ, თუ როგორ შეიძლება საწვავის უჯრედებმა გაზარდოს მანქანების ეფექტურობა.

ვინაიდან სამივე ტიპის მანქანას ბევრი იგივე კომპონენტი აქვს, ჩვენ უგულებელყოფს მანქანის ამ ნაწილს და შევადარებთ სარგებელს იმ წერტილამდე, სადაც წარმოიქმნება მექანიკური ენერგია. დავიწყოთ საწვავის უჯრედის მანქანით.

თუ საწვავის უჯრედი იკვებება სუფთა წყალბადით, მისი ეფექტურობა შეიძლება იყოს 80 პროცენტამდე. ამრიგად, იგი წყალბადის ენერგიის შინაარსის 80 პროცენტს ელექტროენერგიად გარდაქმნის. თუმცა, ჩვენ ჯერ კიდევ ელექტროენერგია უნდა გადავიტანოთ მექანიკურ მუშაობაზე. ეს მიიღწევა ელექტროძრავით და ინვერტორით. საავტომობილო + ინვერტორული ეფექტურობა ასევე დაახლოებით 80 პროცენტია. ეს იძლევა მთლიან ეფექტურობას დაახლოებით 80 * 80/100 \u003d 64 პროცენტით. Honda FCX კონცეფციის მანქანა 60% ენერგო ეფექტურობას აქვს.

თუ საწვავის წყარო არ არის სუფთა წყალბადის სახით, მაშინ მანქანასაც დასჭირდება რეფორმატორი. რეფორმატორები წყალბადს ან ალკოჰოლის საწვავს წყალბადად აქცევს. ისინი წარმოქმნიან სითბოს და წყალბადის გარდა CO და CO2 წარმოქმნიან. წარმოებული წყალბადის გასაწმენდად სხვადასხვა მოწყობილობები გამოიყენება, მაგრამ ეს გამწმენდი არასაკმარისია და ამცირებს საწვავის უჯრედის ეფექტურობას. ამრიგად, მკვლევარებმა გადაწყვიტეს კონცენტრირება მოახდინონ საწვავის უჯრედებზე სუფთა წყალბადზე მომუშავე მანქანებისთვის, მიუხედავად წყალბადის წარმოებასა და შენახვასთან დაკავშირებული პრობლემებისა.

ბენზინის ძრავისა და ელექტრო სატრანსპორტო საშუალების ეფექტურობა

ბენზინზე მომუშავე მანქანის ეფექტურობა გასაკვირი დაბალია. ყველა სითბო, რომელიც გამოდის გამონაბოლქვით ან რადიატორის მიერ შეიწოვება, ენერგიას ხარჯავს. ძრავა ასევე იყენებს უამრავ ენერგიას, მბრუნავი სხვადასხვა ტუმბოებით, გულშემატკივართან და გენერატორებით, რომლებიც ხელს უწყობენ მის მუშაობას. ამრიგად, საავტომობილო ბენზინის ძრავის საერთო ეფექტურობა დაახლოებით 20 პროცენტია. ამრიგად, ბენზინის თერმული ენერგიის შინაარსის მხოლოდ 20 პროცენტი გარდაიქმნება მექანიკურ მუშაობაში.

ბატარეის ელექტროენერგიას საკმაოდ მაღალი ეფექტურობა აქვს. ბატარეას აქვს ეფექტურობა დაახლოებით 90 პროცენტით (ბატარეების უმეტესობა აწარმოებს გარკვეულ სითბოს ან საჭიროებს გათბობას), ხოლო ელექტროძრავა + ინვერტორი, რომლის ეფექტურობაა დაახლოებით 80 პროცენტი. ეს იძლევა მთლიან ეფექტურობას დაახლოებით 72 პროცენტით.

მაგრამ ეს ასე არ არის. იმისთვის, რომ ელექტრო მანქანა გადავიდეს, ჯერ ელექტროენერგია სადმე უნდა წარმოიქმნას. თუ ეს იყო ელექტროსადგური, რომელიც იყენებდა წიაღისეული საწვავის დაწვის პროცესს (ვიდრე ბირთვული, ჰიდროელექტრო, მზის ან ქარის), მაშინ ელექტროსადგურის მიერ მოხმარებული საწვავის მხოლოდ 40 პროცენტს გადაკეთდა ელექტროენერგია. გარდა ამისა, ავტომობილის დატენვის პროცესი საჭიროა AC ენერგიის (AC) DC ენერგიად გადაქცევა (DC). ამ პროცესს აქვს დაახლოებით 90 პროცენტიანი ეფექტურობა.

ახლა, თუ დავაკვირდებით მთელ ციკლს, ელექტრული მანქანის ეფექტურობა თვით მანქანისთვის 72 პროცენტია, ელექტროსადგურისთვის 40 პროცენტი და ავტომობილის დატენვის 90 პროცენტი. ეს იძლევა ეფექტურობას 26 პროცენტით. სრული ეფექტურობა მნიშვნელოვნად განსხვავდება იმისდა მიხედვით, თუ რომელი ელექტროსადგური გამოიყენება ბატარეის დასატენად. თუ ავტომობილისთვის ელექტროენერგია იწარმოება, მაგალითად, ჰიდროელექტროსადგურის მიერ, მაშინ ელექტრული მანქანის ეფექტურობა იქნება დაახლოებით 65 პროცენტი.

მეცნიერები იკვლევენ და აუმჯობესებენ პროექტებს საწვავის უჯრედების ეფექტურობის გაზრდის მიზნით. ერთ-ერთი ახალი მიდგომაა საწვავის უჯრედისა და ბატარეის ელექტროენერგიის მქონე მანქანების გაერთიანება. შემუშავებულია კონცეფციის მანქანა, რომელსაც ახორციელებს ჰიბრიდული გადამცემი ენერგია საწვავის უჯრედის მიერ. იგი იყენებს ლითიუმის ბატარეას მანქანის გასაძლიერებლად, ხოლო საწვავის უჯრედი აკუმულატორებს ახდენს.

საწვავის უჯრედების სატრანსპორტო საშუალებები პოტენციურად ისეთივე ეფექტურია, როგორც ბატარეის ელექტროენერგიის მქონე მანქანა, რომელსაც ეშვება ელექტროსადგური, რომელიც არ იყენებს წიაღისეულ საწვავს. მაგრამ ამ პოტენციალის პრაქტიკული და ხელმისაწვდომი გზით მიღწევა შეიძლება რთული იყოს.

რატომ გამოვიყენოთ საწვავის უჯრედები?

მთავარი მიზეზი არის ყველაფერი, რაც ზეთთან არის დაკავშირებული. ამერიკამ უნდა შემოიტანოს თავისი ნავთობის თითქმის 60 პროცენტი. 2025 წლისთვის, იმპორტი 68% -მდე გაიზრდება. ამერიკელების ნავთობის ორი მესამედი ყოველდღიურად იყენებს ტრანსპორტირებისთვის. მაშინაც კი, თუ ქუჩაში ყველა მანქანა ჰიბრიდული მანქანა იქნებოდა, 2025 წლისთვის შეერთებულ შტატებს კვლავ მოუწევდათ იგივე რაოდენობის ზეთის გამოყენება, რომელიც ამერიკელებმა მოიხმარეს 2000 წელს. სინამდვილეში, ამერიკა მოიხმარს მსოფლიოს ყველა ნავთობის მეოთხედს, თუმცა აქ მსოფლიოს მოსახლეობის მხოლოდ 4.6% ცხოვრობს.

ექსპერტები ვარაუდობენ, რომ ნავთობის ფასები კიდევ უფრო იმატებს მომდევნო რამდენიმე ათწლეულში, რადგან იაფი წყაროები შემცირდება. ნავთობკომპანიებმა უნდა შეიმუშაონ ნავთობის საბადოები უფრო რთულ პირობებში, რაც გაზრდის ნავთობის ფასებს.

შიშები ბევრად სცილდება ეკონომიკურ უსაფრთხოებას. ნავთობის გაყიდვიდან ბევრი შემოსავალი იხარჯება საერთაშორისო ტერორიზმის, რადიკალური პოლიტიკური პარტიების და ნავთობპროდუქტების რეგიონების არასტაბილური მდგომარეობის მხარდასაჭერად.

ნავთობისა და სხვა წიაღისეული საწვავის გამოყენება ენერგიის წარმოქმნისათვის წარმოქმნის დაბინძურებას. ყველასთვის უმჯობესია იპოვონ ალტერნატივა - ენერგიის წიაღისეული საწვავის წვა.

საწვავის უჯრედები ნავთობის დამოკიდებულების მიმზიდველი ალტერნატივაა. დაბინძურების ნაცვლად საწვავის უჯრედები წარმოქმნის სუფთა წყალს, როგორც ქვეპროდუქტი. მიუხედავად იმისა, რომ ინჟინრები წყალბადის წარმოებაზე დროებით ყურადღებას ამახვილებდნენ სხვადასხვა ნამარხი წყაროდან, მაგალითად, ბენზინი ან ბუნებრივი აირი, შესწავლილი იქნება მომავალში წყალბადის წარმოების განახლებადი, ეკოლოგიურად კეთილისმყოფელი გზები. ყველაზე პერსპექტიული, რა თქმა უნდა, იქნება წყალბადის წყალბადის წარმოების პროცესი

ნავთობისადმი დამოკიდებულება და გლობალური დათბობა საერთაშორისო საკითხია. რამდენიმე ქვეყანა ერთობლივად მონაწილეობს საწვავის უჯრედების ტექნოლოგიის კვლევისა და განვითარების საქმეში.

ცხადია, რომ მეცნიერებსა და მწარმოებლებს უწევთ შრომისმოყვარეობა, სანამ საწვავის უჯრედები ენერგიის წარმოების თანამედროვე მეთოდების ალტერნატივა გახდებიან. და მაინც, მსოფლიო და გლობალური თანამშრომლობის მხარდაჭერით, სიცოცხლისუნარიანი საწვავის უჯრედებზე დაფუძნებული ენერგეტიკული სისტემა შეიძლება რეალობად იქცეს რამდენიმე ათეული წლის განმავლობაში.

საწვავის ცელი
  ელექტროქიმიური გენერატორი, მოწყობილობა, რომელიც უზრუნველყოფს ქიმიური ენერგიის პირდაპირ გადაქცევას ელექტრო ენერგიაში. მიუხედავად იმისა, რომ იგივე ელემენტი ხდება ელექტრულ ბატარეებში, საწვავის უჯრედებს ორი მნიშვნელოვანი განსხვავება აქვთ: 1) ისინი ფუნქციონირებენ მანამ, სანამ საწვავი და ოქსიდაზატორი გარე წყაროდან მოდის; 2) ელექტროლიტის ქიმიური შემადგენლობა არ იცვლება ოპერაციის დროს, ე.ი. საწვავის უჯრედის დატენვა არ გჭირდებათ.
აგრეთვე იხილეთ  POWER BATTERY.
მოქმედების პრინციპი.  საწვავის უჯრედი (ნახ. 1) შედგება ორი ელექტროდიდან, რომელიც გამოყოფილია ელექტროლიტით, და ელექტროდიდან საწვავის მიწოდების სისტემები, ხოლო მეორეზე ჟანგვითი აგენტი, ისევე როგორც რეაქტიული პროდუქტების ამოღების სისტემა. უმეტეს შემთხვევაში, კატალიზატორები გამოიყენება ქიმიური რეაქციის დასაჩქარებლად. საწვავის უჯრედის გარე ელექტრული წრე უკავშირდება დატვირთვას, რომელიც ელექტროენერგიას მოიხმარს.

  ფიგურაში გამოსახული. მჟავა ელექტროლიტის მქონე საწვავის უჯრედში წყალბადის მიწოდება ხდება ღრუ ანოდის საშუალებით და ელექტროლიტში შედის ელექტროდის მასში ძალიან მცირე ფორების საშუალებით. ამ შემთხვევაში წყალბადის მოლეკულები იშლება ატომებად, რომლებიც ქიმიოზის მიღების შედეგად, თითოეულს თითო ელექტრონს გადასცემენ, გადადიან დადებითად დატვირთულ იონებად. ეს პროცესი შეიძლება შეფასდეს შემდეგი განტოლებებით:

წყალბადის იონები ელექტროლიტის საშუალებით დიფუზიისკენ მიდიან უჯრედის დადებით მხარეზე. კათოდზე მიწოდებული ჟანგბადი გადის ელექტროლიტში და ასევე რეაგირებს ელექტროდის ზედაპირზე კატალიზატორის მონაწილეობით. როდესაც იგი გაერთიანებულია წყალბადის იონებთან და ელექტრონთან, რომლებიც გარე წრიდან მოდის, წყალი იქმნება:

ტუტე ელექტროლიტური საწვავის უჯრედებში (ჩვეულებრივ კონცენტრირებული ნატრიუმის ან კალიუმის ჰიდროქსიდები), მსგავსი ქიმიური რეაქციები ხდება. წყალბადი გადის ანოდში და რეაგირებს ელექტროლიტში ჰიდროქსილის იონების (OH-) კატალიზატორის თანდასწრებით წყალში და ელექტრონად ჩამოყალიბდეს:

კათოდზე ჟანგბადი რეაგირებს ელექტროლიტში მოთავსებულ წყალთან და ელექტრო წრედის ელექტრონებით. რეაქციების შემდგომ სტადიებში წარმოიქმნება ჰიდროქსილის იონები (ისევე როგორც პერჰიდროქსილი O2H-). შედეგად რეაქცია კათოდზე შეიძლება დაიწეროს შემდეგნაირად:

ელექტრონებისა და იონების ნაკადი ინარჩუნებს დატვირთვასა და მატერიის ბალანსს ელექტროლიტში. რეაქციის შედეგად მიღებულმა წყალმა ნაწილობრივ განზავდეს ელექტროლიტი. ნებისმიერ საწვავის უჯრედში, ქიმიური რეაქციის ენერგიის ნაწილი გარდაიქმნება სითბოს. გარე წრეში ელექტრონების ნაკადი არის პირდაპირი დენი, რომელიც გამოიყენება სამუშაოს შესასრულებლად. საწვავის უჯრედებში რეაქციების უმეტესობა იძლევა დაახლოებით 1 ვ-ს სიჩქარეს. მიკროსქემის გახსნა ან იონების მოძრაობის შეჩერება აჩერებს საწვავის უჯრედს. წყალბადის-ჟანგბადის საწვავის უჯრედში მიმდინარე პროცესი თანდაყოლილია საყოველთაოდ ცნობილი ელექტროლიზის პროცესის საპირისპიროდ, რომლის დროსაც ხდება წყლის დისოციაცია, როდესაც ელექტრო დენი გადის ელექტროლიტით. მართლაც, საწვავის უჯრედების ზოგიერთ სახეობაში პროცესი შეიძლება შეიცვალოს - ელექტროდებისადმი ძაბვის გამოყენებით, შესაძლებელია წყლის წყალბადის და ჟანგბადის დაშლა, რომლის შეგროვება შესაძლებელია ელექტროდებზე. თუ შეაჩერეთ უჯრედის დატენვა და დატვირთვა დაუკავშირეთ მას, ასეთი რეგენერაციული საწვავის უჯრედი დაუყოვნებლივ დაიწყებს მუშაობას ნორმალურ რეჟიმში. თეორიულად, საწვავის უჯრედის ზომები შეიძლება თვითნებურად დიდი იყოს. თუმცა, პრაქტიკაში, რამდენიმე ელემენტი გაერთიანებულია მცირე მოდულებში ან ბატარეებში, რომლებიც დაკავშირებულია სერიებით ან პარალელურად.
საწვავის უჯრედების ტიპები.  არსებობს სხვადასხვა ტიპის საწვავის უჯრედები. მათი კლასიფიკაცია შეიძლება, მაგალითად, გამოყენებული საწვავის, სამუშაო წნევის და ტემპერატურის მიხედვით, განაცხადის ხასიათის მიხედვით.
ელემენტები წყალბადის საწვავზე. ზემოთ აღწერილი ამ ტიპურ უჯრედში წყალბადის და ჟანგბადის გადატანა ხდება ელექტროლიტში მიკროპოლისური ნახშირბადის ან ლითონის ელექტროდების საშუალებით. მაღალი დენის სიმკვრივე მიიღწევა მომატებულ ტემპერატურაზე მოქმედი ელემენტებით (დაახლოებით 250 ° C) და მაღალი წნევით. ნახშირწყალბადის საწვავის გადამუშავების შედეგად მიღებული წყალბადის საწვავის ელემენტები, როგორიცაა ბუნებრივი გაზი ან ნავთობპროდუქტები, სავარაუდოდ ნახავთ ყველაზე გავრცელებულ კომერციულ გამოყენებას. დიდი რაოდენობით ელემენტების გაერთიანებით, თქვენ შეგიძლიათ შექმნათ ძლიერი ელექტროსადგურები. ამ დანადგარებში, ელემენტების მიერ წარმოქმნილი პირდაპირი დენი გარდაიქმნება ალტერნატიულ დენად, სტანდარტული პარამეტრებით. ახალი ტიპის ელემენტები, რომლებიც ახდენენ წყალბადის და ჟანგბადის ნორმალურ ტემპერატურაზე და წნევაზე მუშაობას, წარმოადგენენ იონური გაცვლის მემბრანების ელემენტებს (ნახ. 2). ამ უჯრედებში, თხევადი ელექტროლიტის ნაცვლად, ელექტროდს შორის მდებარეობს პოლიმერული მემბრანა, რომლის მეშვეობითაც იონები თავისუფლად გადის. ასეთ ელემენტებში, ჰაერი შეიძლება გამოყენებულ იქნას ჟანგბადთან ერთად. უჯრედის ექსპლუატაციის დროს წარმოქმნილი წყალი არ დაითხოვოს მყარი ელექტროლიტი და მისი ამოღება მარტივია.

კოლიერის ენციკლოპედია. - ღია საზოგადოება. 2000 .

იხილეთ რა არის "საწვავის ელემენტი" სხვა ლექსიკონებში:

საწვავის ელემენტი, ელექტრული ქიმიური ელემენტი საწვავის ჟანგვის ენერგიის ელექტრო ენერგიად გადაქცევის მიზნით. შესაბამისად, შემუშავებული ელექტროდები ჩაეფლო ELECTROLYT- ში, ხოლო საწვავი (მაგალითად, წყალბადი) მიეწოდება ერთ ... სამეცნიერო და ტექნიკური ენციკლოპედიური ლექსიკონი

გალვანური უჯრედი, რომელშიც რედოქსის რეაქციას ეხმარება სპეციალური ავზებიდან რეაგენტების (საწვავი, მაგ. წყალბადი და ჟანგვითი აგენტი, მაგ., ჟანგბადი) უწყვეტი მიწოდებით. ყველაზე მნიშვნელოვანი კომპონენტი ... ... დიდი ენციკლოპედიური ლექსიკონი

საწვავის უჯრედი  - ძირითადი ელემენტი, რომელშიც ელექტროენერგია წარმოიქმნება აქტიურ ნივთიერებებს შორის ელექტროქიმიური რეაქციის გამო, რომლებიც მუდმივად შედიან ელექტროდებს გარედან. [GOST 15596 82] EN საწვავის უჯრედს, რომელსაც შეუძლია ქიმიური ენერგიის შეცვლა ... ტექნიკური თარჯიმნის მითითება

პირდაპირი მეთანოლის საწვავის უჯრედი საწვავის უჯრედი არის ელექტროქიმიური მოწყობილობა, რომელიც მსგავსია გალვანური უჯრედისა, მაგრამ მისგან განსხვავდება ... ვიკიპედია

მობილური ელექტრონიკა ყოველწლიურად, თუ არა თვეში, უფრო ხელმისაწვდომი და ფართოდ გავრცელებული ხდება. აქ თქვენ გაქვთ ლეპტოპები, PDA და ციფრული კამერები და მობილური ტელეფონები და ყველა სახის სასარგებლო და არც ისე სასარგებლო მოწყობილობა. და ყველა ეს მოწყობილობა მუდმივად იძენს ახალ მახასიათებლებს, უფრო მძლავრ პროცესორებს, დიდ ფერად ეკრანებს, უკაბელო კომუნიკაციებს, ამავე დროს მცირდება ზომაში. მაგრამ, ნახევარგამტარული ტექნოლოგიებისგან განსხვავებით, ამ მობილური მობილური მენიუების ენერგეტიკული ტექნოლოგიები არ მიდის ხტომით.

ჩვეულებრივი დატენვის ბატარეები და ბატარეები აშკარად არ არის საკმარისი ელექტრონიკის ინდუსტრიის უახლესი მიღწევების შესანარჩუნებლად ნებისმიერი მნიშვნელოვანი დროის განმავლობაში. და საიმედო და მოცულობითი ბატარეების გარეშე, მობილურობისა და უკაბელოობის მთელი მნიშვნელობა იკარგება. ასე რომ, კომპიუტერული ინდუსტრია უფრო და უფრო აქტიურად მუშაობს პრობლემის მოგვარებაზე ალტერნატიული კვების წყარო. და ყველაზე პერსპექტიული, დღეს, მიმართულებაა საწვავის უჯრედები.

საწვავის უჯრედების მუშაობის ძირითადი პრინციპი აღმოაჩინა ბრიტანელმა მეცნიერმა სერ უილიამ გროვმა 1839 წელს. იგი ცნობილია როგორც საწვავის უჯრედის მამა. უილიამ გროვმა ელექტროენერგია წარმოქმნა წყალბადის და ჟანგბადის მოპოვების შეცვლით. ბატარეის ელექტროლიტური უჯრედიდან გათიშვისას, გროვმა გაკვირვებული დაინახა, რომ ელექტროდებმა დაიწყეს გაათავისუფლებული გაზის ათვისება და დენის წარმოქმნა. პროცესის გახსნა წყალბადის ელექტროქიმიური ცივი წვა  მოვლენა ენერგეტიკის სექტორში გახდა მნიშვნელოვანი, და მომავალში ისეთი ცნობილი ელექტროქიმიკოსები, როგორებიც იყვნენ ოსტვალდი და ნერნსტი, დიდ როლს თამაშობდნენ თეორიული საფუძვლების შემუშავებაში და საწვავის უჯრედების პრაქტიკული განხორციელებაში და პროგნოზირებდნენ მათთვის დიდ მომავალს.

თვითონ ტერმინი "საწვავის უჯრედი" (საწვავის უჯრედი)  მოგვიანებით გამოჩნდა - იგი 1889 წელს შემოთავაზებულ იქნა ლუდვიგ მენდისა და ჩარლზ ლანჟერის მიერ, რომლებმაც შეეცადნენ შექმნან მოწყობილობა საჰაერო და ნახშირის გაზებიდან ელექტროენერგიის მოსამზადებლად.

ნორმალური წვის დროს ჟანგბადი ჟანგავს წიაღისეულ საწვავს, საწვავის ქიმიური ენერგია არაეფექტურად გარდაიქმნება თერმული ენერგიად. მაგრამ აღმოჩნდა, რომ შესაძლებელი გახდა ჟანგვის რეაქციის ჩატარება, მაგალითად, წყალბადი წყალბადთან, ელექტროლიტურ საშუალებად და ელექტროდების თანდასწრებით ელექტრო დენის მისაღებად. მაგალითად, წყალმჟავა მივაწოდებთ ტუტე საშუალო გარემოში მდებარე ელექტროდს, ჩვენ ვიღებთ ელექტრონებს:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

რომელიც, გარეგანი წრის გავლით, მიდის საპირისპირო ელექტროდთან, რომლის ჟანგბადში შედის და სადაც ხდება რეაქცია: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

ჩანს, რომ შედეგად მიღებული რეაქცია 2H2 + O2 → H2O იგივეა, რაც ნორმალური წვის დროს, მაგრამ საწვავის უჯრედში, ან სხვაგვარად - ელექტროქიმიური გენერატორი, გამოდის ელექტრო დენი მაღალი ეფექტურობით და ნაწილობრივ სითბოთი. გაითვალისწინეთ, რომ ქვანახშირი, ნახშირორჟანგი, ალკოჰოლი, ჰიდრაზინი, სხვა ორგანული ნივთიერებები ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც საწვავის უჯრედებში, ხოლო ჰაერი, წყალბადის ზეჟანგი, ქლორი, ბრომი, აზოტის მჟავა და ა.შ.

საწვავის უჯრედების განვითარება ენერგიულად გაგრძელდა, როგორც საზღვარგარეთ, ისე რუსეთში, შემდეგ კი სსრკ-ში. იმ მეცნიერებს შორის, რომლებმაც დიდი წვლილი შეიტანეს საწვავის უჯრედების შესწავლაში, ვახსენებთ ვ. ჟაკო, პ. იაბლოჩკოვი, ფ. ბეკონი, ე. ბაუერი, ე იუსტინი, კ. კორდესი. გასული საუკუნის შუა ხანებში, საწვავის უჯრედების პრობლემებზე ახალი შეტევა დაიწყო. ეს ნაწილობრივ გამოწვეულია თავდაცვის კვლევის შედეგად ახალი იდეების, მასალებისა და ტექნოლოგიების გაჩენით.

ერთ-ერთი მეცნიერი, რომელმაც საწვავის უჯრედების განვითარებაში მნიშვნელოვანი ნაბიჯი გადადგა, იყო პ. მ. სპირიდონოვი. სპირიდონოვის წყალბადის-ჟანგბადის ელემენტები  მისცა მიმდინარე სიმკვრივე 30 mA / cm2, რაც ამ დროისათვის დიდ მიღწევად ითვლებოდა. ორმოციან წლებში, ო. დავიტიანმა შექმნა ინსტალაცია ნახშირბადის გაზიფიკაციით მიღებული გენერატორის გაზის ელექტროქიმიური წვისთვის. ელემენტის მოცულობის თითოეული კუბური მეტრით, დავიტიანმა მიიღო 5 კვტ სიმძლავრე.

ეს იყო პირველი მყარი ელექტროლიტური საწვავის უჯრედი. მას ჰქონდა მაღალი ეფექტურობა, მაგრამ დროთა განმავლობაში, ელექტროლიტი გახდა გამოუსადეგარი, და ის უნდა შეიცვალოს. მოგვიანებით, ორმოცდაათიანი წლების მიწურულს, დავთიანმა შექმნა ძლიერი ინსტალაცია, რომელიც ასრულებდა ტრაქტორს. იმავე წლებში ინგლისელმა ინჟინერმა ტ. ბეკონმა დააპროექტა და ააშენა საწვავის უჯრედის ბატარეა, რომლის საერთო მოცულობა 6 კვტ და ეფექტურობაა 80%, მოქმედებს სუფთა წყალბადსა და ჟანგბადზე, მაგრამ ძალაუფლების შეფარდება ბატარეის წონაზე ძალიან მცირე იყო - ასეთი ელემენტები არ იყო შესაფერისი პრაქტიკული გამოყენებისთვის და ასევე ძვირფასებო.

მომდევნო წლებში დასრულდა მარტოების დრო. კოსმოსური ხომალდის შემქმნელები დაინტერესდნენ საწვავის უჯრედებით. 60-იანი წლების შუა პერიოდიდან მილიონობით დოლარის ინვესტიცია განხორციელდა საწვავის უჯრედების კვლევაში. ათასობით მეცნიერისა და ინჟინრის მუშაობამ საშუალება მისცა ახალ დონემდე მიეღწია, ხოლო 1965 წელს. საწვავის უჯრედების ტესტირება განხორციელდა შეერთებულ შტატებში Gemini 5-ის კოსმოსურ ხომალდზე, მოგვიანებით კი აპოლონის გემებზე, მთვარეზე ფრენებისა და Shuttle პროგრამის შესაბამისად.

სსრკ – ში საწვავის უჯრედები შეიქმნა NPO Kvant– ში, აგრეთვე სივრცეში გამოსაყენებლად. ამ წლებში უკვე გამოჩნდა ახალი მასალები - მყარი პოლიმერული ელექტროლიტები იონური გაცვლის მემბრანებზე დაყრდნობით, კატალიზატორების, ელექტროდების ახალი ტიპები. და მაინც, სამუშაო მიმდინარე სიმკვრივე იყო მცირე - 100-200 მა / სმ 2 დიაპაზონში, ხოლო ელექტროდებზე პლატინის შემცველობა იყო რამდენიმე გ / სმ 2. ბევრი პრობლემა იყო გამძლეობასთან, სტაბილურობასთან და უსაფრთხოებასთან.

საწვავის უჯრედების სწრაფი განვითარების შემდეგი ეტაპი 90-იან წლებში დაიწყო. გასული საუკუნეა და ახლაც გრძელდება. ეს გამოწვეულია ახალი ეფექტური ენერგიის წყაროების აუცილებლობით, რაც, ერთი მხრივ, გამოწვეულია სათბურის გაზების მზარდი ემისიის გაზრდით, სათბურის საწვავის წვისა და, მეორეს მხრივ, ამგვარი საწვავის გაფუჭების შედეგად. მას შემდეგ, რაც წყალი წარმოადგენს წყალბადის წვის საბოლოო პროდუქტს საწვავის უჯრედში, ისინი გარემოზე ზემოქმედების თვალსაზრისით ყველაზე სუფთა მიიჩნევა. მთავარი პრობლემა მხოლოდ წყალბადის წარმოების ეფექტური და იაფი საშუალებაა.

მილიარდი ფინანსური ინვესტიცია საწვავის უჯრედების და წყალბადის გენერატორების განვითარებაში უნდა გამოიწვიოს ტექნოლოგიურმა მიღწევამ და მათი გამოყენება ყოველდღიურ რეალობად აქციოს: მობილური ტელეფონის უჯრედებში, მანქანებში, ელექტროსადგურებში. უკვე, საავტომობილო გიგანტები, როგორებიცაა Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors, აჩვენებენ მანქანებს და ავტობუსებს, რომლებიც მოძრაობენ 50 კვტ საწვავის უჯრედზე. არაერთი კომპანია განვითარდა მყარი საწვავის ელექტროლიტური საწვავის უჯრედის სადემონსტრაციო ქარხნები 500 კვტ. მიუხედავად ამისა, საწვავის უჯრედების მუშაობის გაუმჯობესების მნიშვნელოვანი მიღწევის მიუხედავად, მათი პრობლემის, საიმედოობის და უსაფრთხოებასთან დაკავშირებული პრობლემები კვლავ უნდა მოგვარდეს.

საწვავის უჯრედში, ბატარეებისა და აკუმულატორებისგან განსხვავებით, როგორც საწვავი, ისე ოქსიდიზატორი მას მიეწოდება გარედან. საწვავის უჯრედი მხოლოდ შუამავალია რეაქციაში და იდეალურ პირობებში შეიძლება თითქმის სამუდამოდ იმუშაოს. ამ ტექნოლოგიის სილამაზე ის არის, რომ სინამდვილეში, ელემენტი იწვის საწვავს და პირდაპირ გარდაქმნის ენერგიას ელექტროენერგიად გარდაქმნის. საწვავის პირდაპირი წვის საშუალებით ის ჟანგბადიდან იჟანგება, ხოლო ამ პროცესში წარმოქმნილი სითბო გამოიყენება სასარგებლო სამუშაოს დასასრულებლად.

საწვავის უჯრედში, ისევე როგორც ბატარეებში, საწვავის დაჟანგვის რეაქციები და ჟანგბადის შემცირება სივრცობრივად განცალკევებულია და "დაწვის" პროცესი მხოლოდ იმ შემთხვევაში მიმდინარეობს, თუ უჯრედი დატვირთვას ახდენს. ჰგავს დიზელის გენერატორი, მხოლოდ დიზელის და გენერატორის გარეშე. და ასევე მოწევა, ხმაური, გადახურება და გაცილებით მაღალი ეფექტურობა. ეს უკანასკნელი აიხსნება იმით, რომ, პირველ რიგში, არ არსებობს შუალედური მექანიკური მოწყობილობები და, მეორეც, საწვავის უჯრედი არ არის სითბოს ძრავა და, შესაბამისად, არ ემორჩილება კარნოტის კანონს (ანუ, მისი ეფექტურობა არ არის განსაზღვრული ტემპერატურის სხვაობით).

ჟანგბადი გამოიყენება როგორც ჟანგვითი აგენტი საწვავის უჯრედებში. უფრო მეტიც, ვინაიდან ჟანგბადი სავსებით საკმარისია ჰაერში, არ არის საჭირო ჟანგვის აგენტი მომარაგებაზე ფიქრი. რაც შეეხება საწვავს, ეს არის წყალბადი. ასე რომ, რეაქცია ხდება საწვავის უჯრედში:

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

შედეგი არის სასარგებლო ენერგია და წყლის ორთქლი. მისი დიზაინში ყველაზე მარტივი პროტონის გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედი (იხ. სურათი 1). იგი მუშაობს შემდეგნაირად: წყალბადი, რომელიც შედის ელემენტში, იშლება კატალიზის მოქმედების ქვეშ, ელექტრონებში და დადებითად დატვირთული წყალბადის იონებით H +. შემდეგ სპეციალური მემბრანა შედის სპექტაკლში, აქ მოქმედებს როგორც ელექტროლიტი ჩვეულებრივი ბატარეაში. ქიმიური შემადგენლობის გამო, იგი გადის პროტონებს თავისთავად, მაგრამ ის ხვდება ელექტრონებს. ამრიგად, ანოდზე დაგროვილი ელექტრონები ქმნიან ზედმეტ უარყოფით მუხტს, ხოლო წყალბადის იონები კოდოდზე დადებით მუხტს ქმნიან (ელემენტზე ძაბვა დაახლოებით 1 ვა).

მაღალი სიმძლავრის შესაქმნელად, საწვავის უჯრედი იკრიბება საკნების მრავლობითში. თუ თქვენ დატვირთვის ელემენტს შეიტანთ, მაშინ ელექტრონები მიედინება მას კათოდში, ქმნის მიმდინარეობას და ამთავრებს წყალბადის დაჟანგვის პროცესს ჟანგბადის საშუალებით. როგორც ასეთი საწვავის უჯრედებში კატალიზატორი, ნახშირბადის ბოჭკოზე განთავსებული პლატინის მიკრო ნაწილაკები, როგორც წესი, გამოიყენება. მისი სტრუქტურის გამო, ასეთი კატალიზატორი კარგად გადის გაზსა და ელექტროენერგიას. მემბრანა, როგორც წესი, დამზადებულია გოგირდის შემცველი ნაფიონის პოლიმერისგან. მემბრანის სისქე ტოლია მილიმეტრის მეათედით. რეაქციის დროს, რა თქმა უნდა, სითბო ასევე თავისუფლდება, მაგრამ ეს ასე არ არის, ისე, რომ საოპერაციო ტემპერატურა შენარჩუნებულია 40-80 ° C- ის დიაპაზონში.

სურათი 1. საწვავის უჯრედის მუშაობის პრინციპი

არსებობს სხვა ტიპის საწვავის უჯრედები, რომლებიც ძირითადად განსხვავდება გამოყენებული ელექტროლიტის ტიპის მიხედვით. თითქმის ყველა მათგანი წყალბადს, როგორც საწვავს მოითხოვს, ამიტომ ლოგიკური კითხვა ჩნდება: სად შეიძლება მისი მიღება. ცხადია, შესაძლებელია ცილინდრებისგან შეკუმშული წყალბადის გამოყენება, მაგრამ შემდეგ დაუყოვნებლივ წარმოიქმნება პრობლემები, რომლებიც დაკავშირებულია მაღალი წნევის ქვეშ მყოფი ამ აალებადი გაზის ტრანსპორტირებასა და შენახვასთან. რა თქმა უნდა, შეგიძლიათ გამოიყენოთ წყალბადი შეკრული ფორმით, როგორც ლითონის ჰიდრიდულ ბატარეებში. და მაინც, ამოცანაა მისი მოპოვება და ტრანსპორტირება, რადგან წყალბადის ბენზინგასამართი სადგურების ინფრასტრუქტურა არ არსებობს.

ამასთან, გამოსავალი ასევე არსებობს - თხევადი ნახშირწყალბადის საწვავი შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც წყალბადის წყარო. მაგალითად, ეთილის ან მეთილის სპირტი. მართალია, აქ უკვე საჭიროა სპეციალური დამატებითი მოწყობილობა - საწვავის გადამყვანი, რომელიც ალკოჰოლს გარდაქმნის მაღალ ტემპერატურაზე აირისებრი H2 და CO2- ის ნაზავში (მეტანოლისთვის ეს იქნება სადღაც 240 ° C). მაგრამ ამ შემთხვევაში უკვე რთულია ვიფიქროთ პორტაბელურობაზე - ასეთი მოწყობილობები კარგად არის გამოყენებული, როგორც სტაციონარული, ან, მაგრამ კომპაქტური მობილური აღჭურვილობისთვის, თქვენ გჭირდებათ რაღაც ნაკლებად რთული.

აქ ჩვენ მივედით იმ მოწყობილობასთან, რომლის განვითარება ელექტრონიკის თითქმის ყველა უმსხვილესი მწარმოებელი საშინელი ძალით არის დაკავებული - მეთანოლის საწვავის უჯრედი  (სურათი 2).

ნახ .2. საწვავის უჯრედის მოქმედების პრინციპი მეტანოლზე

წყალბადის და მეთანოლის შევსების ელემენტებს შორის ფუნდამენტური განსხვავებაა გამოყენებული კატალიზატორი. მეთანოლის საწვავის უჯრედში არსებული კატალიზატორი საშუალებას აძლევს პროტონების ამოღებას პირდაპირ ალკოჰოლის მოლეკულიდან. ამრიგად, საწვავის საკითხი წყდება - მეთილის სპირტი მასობრივი წარმოებით ხდება ქიმიური ინდუსტრიისთვის, მისი შენახვა და ტრანსპორტირება მარტივია, ხოლო მეტანოლის საწვავის უჯრედში დატენვა, საკმარისია, უბრალოდ, ვაზნა შეცვალოს საწვავის საშუალებით. მართალია, არსებობს ერთი მნიშვნელოვანი მინუსი - მეთანოლი ტოქსიკურია. გარდა ამისა, მეთანოლის საწვავის უჯრედის ეფექტურობა მნიშვნელოვნად დაბალია, ვიდრე წყალბადის ერთი.

სურ. 3. მეთანოლის საწვავის უჯრედი

ყველაზე მაცდური ვარიანტია ეთილის სპირტის, როგორც საწვავის გამოყენება, რადგან ნებისმიერი შემადგენლობისა და სიმტკიცის ალკოჰოლური სასმელების წარმოება და განაწილება მთელს მსოფლიოში კარგად არის დადგენილი. ამასთან, სამწუხაროდ, ეთანოლის საწვავის უჯრედების ეფექტურობა კიდევ უფრო დაბალია, ვიდრე მეტანოლი.

როგორც უკვე აღინიშნა საწვავის უჯრედების სფეროში მრავალი წლის განმავლობაში განვითარება, აშენდა სხვადასხვა ტიპის საწვავის უჯრედები. საწვავის უჯრედები კლასიფიცირდება ელექტროლიტით და საწვავის ტიპის მიხედვით.

1. მყარი პოლიმერული წყალბადის-ჟანგბადის ელექტროლიტი.

2. მყარი პოლიმერული მეტანოლის საწვავის უჯრედები.

3. ელემენტები ტუტე ელექტროლიტზე.

4. ფოსფორის მჟავა საწვავის უჯრედები.

5. საწვავის უჯრედები მდნარ კარბონატებზე.

6. მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები.

იდეალურ შემთხვევაში, საწვავის უჯრედების ეფექტურობა ძალიან მაღალია, მაგრამ რეალურ პირობებში არის დანაკარგები, რომლებიც დაკავშირებულია არაუცირებელი პროცესებით, მაგალითად, ოჰუმური დანაკარგებით ელექტროლიტისა და ელექტროდების გამტარობის, გააქტიურებისა და კონცენტრაციის პოლარიზაციის, დიფუზიური დანაკარგების გამო. ამის შედეგად, საწვავის უჯრედებში წარმოქმნილი ენერგიის ნაწილი გარდაიქმნება სითბოს. სპეციალისტების ძალისხმევა მიმართულია ამ დანაკარგების შემცირებაში.

Ohmic დანაკარგების ძირითადი წყარო, ისევე როგორც საწვავის უჯრედების მაღალი ფასის მიზეზი არის პერფორიორირებული სულფოკონაციური-იონის გაცვლის მემბრანები. ახლა ჩვენ ვეძებთ ალტერნატიულ, იაფი პროტონის გამტარებელ პოლიმერებს. ვინაიდან ამ მემბრანების გამტარობა (მყარი ელექტროლიტი) მისაღებ მნიშვნელობას (10 Ohm / სმ) აღწევს მხოლოდ წყლის თანდასწრებით, საწვავის უჯრედში მომარაგებული გაზები დამატებით უნდა იყოს დამატენიანებული სპეციალურ აპარატში, რაც ასევე სისტემას უფრო ძვირი უჯდება. კატალიზური გაზის დიფუზიური ელექტროდების დროს, ძირითადად, პლატინის და ზოგიერთ სხვა კეთილშობილური ლითონის დროს გამოიყენება, და ჯერჯერობით ჩანაცვლება არ ყოფილა. მიუხედავად იმისა, რომ საწვავის უჯრედებში პლატინის შემცველობა რამდენიმე მგ / სმ 2ა, დიდი ბატარეებისთვის მისი რაოდენობა აღწევს ათობით გრამს.

საწვავის უჯრედების დიზაინის შექმნისას დიდი ყურადღება ეთმობა სითბოს მოცილების სისტემას, რადგან მაღალი დენის სიმკვრივის დროს (1A / სმ 2 – მდე) სისტემა თვითგათბობს. გაგრილებისთვის გამოიყენება სპეციალური არხების საშუალებით საწვავის უჯრედში მიმოქცევაში მყოფი წყალი, ხოლო დაბალი სიმძლავრეების დროს გამოიყენება ჰაერის აფეთქება.

ასე რომ, გარდა საწვავის უჯრედის ბატარეისა, ელექტროქიმიური გენერატორის თანამედროვე სისტემა "იზრდება" მრავალი დამხმარე მოწყობილობით, მაგალითად: ტუმბოები, კომპრესორი საჰაერო მიწოდებისთვის, წყალბადის შესასვლელით, გაზის humidifier, გაგრილების ერთეული, გაზის გაჟონვის კონტროლის სისტემა, DC to AC გადამყვანი, კონტროლის პროცესორი ა.შ. ეს ყველაფერი იწვევს იმ ფაქტს, რომ 2004-2005 წლებში საწვავის უჯრედების სისტემის ღირებულება იყო 2-3 ათასი $ / კვტ. ექსპერტების აზრით, საწვავის უჯრედები ხელმისაწვდომი გახდება ტრანსპორტში და სტაციონალურ ელექტროსადგურებში გამოსაყენებლად 50-100 $ / კვტ სიმძლავრით.

ყოველდღიურ ცხოვრებაში საწვავის უჯრედების დანერგვისთვის, იაფი კომპონენტებთან ერთად, თქვენ უნდა ველოდოთ ახალ ორიგინალურ იდეებსა და მიდგომებს. კერძოდ, დიდი იმედები უკავშირდება ნანომასალების გამოყენებას და ნანოტექნოლოგიას. მაგალითად, ახლახან რამდენიმე კომპანიამ გამოაცხადა სუპერეფექტური კატალიზატორის შექმნაზე, კერძოდ, ჟანგბადის ელექტროდისთვის, რომელიც დაფუძნებულია სხვადასხვა ლითონის ნანონაწილაკების მტევნებზე. გარდა ამისა, არსებობს ცნობები გარსის თავისუფალი საწვავის უჯრედების დიზაინის შესახებ, რომელშიც თხევადი საწვავი (მაგ. მეთანოლი) მიეწოდება საწვავის უჯრედს დაჟანგვის აგენტი. საინტერესო კონცეფციაა დაბინძურებულ წყლებში მოქმედი ბიოსაწვავიანი ელემენტების შემუშავებული კონცეფცია და იხსნება ჟანგბადი, როგორც ჟანგვითი აგენტი, და ორგანული მინარევები, როგორც საწვავი.

ექსპერტების აზრით, საწვავის უჯრედები მასა ბაზარზე შევა უახლოეს წლებში. მართლაც, დეველოპერები იპყრობენ ტექნიკურ პრობლემებს ერთმანეთის მიყოლებით, აფიქსირებენ წარმატებებს და წარმოადგენენ საწვავის უჯრედების პროტოტიპებს. მაგალითად, ტოშიბამ აჩვენა მზა პროტოტიპი მეტანოლის საწვავის უჯრედი. მას აქვს 22x56x4.5 მმ ზომა და იძლევა 100 მვტ ბრძანების ძალას. კონცენტრირებული (99.5%) მეტანოლის 2 კუბში ერთი შევსება საკმარისია MP3 ფლეერის მუშაობისთვის 20 საათის განმავლობაში. Toshiba– მ გაათავისუფლა კომერციული საწვავის უჯრედი მობილური ტელეფონებისთვის. ისევ იგივე, იგივე Toshiba- მ აჩვენა 275x75x40 მმ გაზომვისთვის ლეპტოპების ელემენტი, რისი საშუალებითაც კომპიუტერს შეეძლო ერთი საათის განმავლობაში საწვავისგან 5 საათის განმავლობაში მუშაობა.

კიდევ ერთი იაპონური კომპანია, Fujitsu, არ ჩამორჩება Toshiba- ს. 2004 წელს მან ასევე შემოიტანა ელემენტი, რომელიც მოქმედებს მეთანოლის 30% წყალხსნარში. ამ საწვავის უჯრედში მუშაობდნენ ერთ საწვავად 300 მლ 10 საათში და ამავე დროს გამოვიდა ენერგია 15 ვატი.

Casio ავითარებს საწვავის უჯრედს, რომელშიც მეტანოლი პირველად დამუშავებულია აირის H2 და CO2 ნარევი მინიატურული საწვავის გადამყვანში, შემდეგ კი იკვებება საწვავის უჯრედში. მიტინგის დროს კასიოს პროტოტიპმა ლეპტოპს ძალაუფლება 20 საათის განმავლობაში მიაწოდა.

Samsung ასევე შენიშნა საწვავის უჯრედების სფეროში - 2004 წელს მან აჩვენა მისი 12 ვტ პროტოტიპი, რომელიც განკუთვნილია ლეპტოპის შესაქმნელად. ზოგადად, Samsung ელოდება საწვავის უჯრედების გამოყენებას, ძირითადად მეოთხე თაობის სმარტფონებში.

უნდა ითქვას, რომ იაპონური კომპანიები ზოგადად ძალიან საფუძვლიანად მიუახლოვდნენ საწვავის უჯრედების განვითარებას. 2003 წელს, კომპანიები, როგორიცაა Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony და Toshiba შეუერთდნენ ძალებს უჯრედების საერთო სტანდარტის შესამუშავებლად ლეპტოპებისთვის, მობილური ტელეფონებისთვის, PDA და სხვა ელექტრონული მოწყობილობებისთვის. ამერიკული კომპანიები, რომლებიც ასევე მრავლადაა ამ ბაზარზე, ძირითადად მუშაობენ სამხედროებთან ხელშეკრულებებით და ავითარებენ საწვავის უჯრედებს ამერიკელი ჯარისკაცების ელექტრიფიკაციისთვის.

გერმანელები არ ჩამორჩებიან - Smart Fuel Cell ყიდის საწვავის უჯრედებს მობილური ოფისის შესაქმნელად. მოწყობილობას ეწოდება Smart Fuel Cell C25, მას აქვს ზომები 150x112x65 მმ და მას შეუძლია ერთ საათზე 140 ვტ-საათის წარმოება ერთ ავტოგასამართ სადგურზე. ეს საკმარისია ლეპტოპის შესაქმნელად, დაახლოებით 7 საათის განმავლობაში. შემდეგ ვაზნა შეიძლება შეიცვალოს და შეგიძლიათ გააგრძელოთ მუშაობა. ვაზნის ზომა მეთანოლით არის 99x63x27 მმ, ხოლო ის იწონის 150 გ. თავად სისტემა წონაა 1.1 კგ, ასე რომ, თქვენ საერთოდ არ შეგიძლიათ გამოიყენოთ იგი პორტატული, მაგრამ ეს მაინც სრული და მოსახერხებელი მოწყობილობაა. კომპანია ასევე შეიმუშავებს საწვავის მოდულს პროფესიონალური ვიდეო კამერების გასაუმჯობესებლად.

ზოგადად, საწვავის უჯრედები თითქმის შევიდნენ მობილური ელექტრონიკის ბაზარზე. მწარმოებლები დარჩნენ მასობრივი წარმოების დაწყებამდე უახლესი ტექნიკური პრობლემების გადასაჭრელად.

პირველ რიგში, აუცილებელია საწვავის უჯრედების მინიატურალიზაციის საკითხის მოგვარება. ყოველივე ამის შემდეგ, რაც უფრო მცირეა საწვავის უჯრედი, მით ნაკლები ძალა ექნება მას გამოსცემს - ასე რომ მუდმივად ვითარდება ახალი კატალიზატორები და ელექტროდები, რომლებიც მცირე ზომის ზომებში საშუალებას მისცემენ მაქსიმალურად გაზარდონ სამუშაო ზედაპირი. აქ, უბრალოდ დროში, სასარგებლო იქნება ნანოტექნოლოგიისა და ნანომასალების სფეროში (მაგალითად, ნანოტუბები) სფეროში განვითარებული უახლესი მოვლენები. კვლავ, ელემენტების (საწვავის და წყლის ტუმბოების, გაგრილების სისტემების და საწვავის კონვერტაციის) შემცირების მინიმიზაციის მიზნით, სულ უფრო მეტხანს გამოიყენება მიკროელექტრომექანიკური ავანსები.

მეორე მნიშვნელოვანი პრობლემა, რომლის მოგვარებაა საჭირო, არის ფასი. მართლაც, როგორც საწვავის უჯრედების კატალიზატორი, ძალიან ძვირი პლატინაა გამოყენებული. კიდევ ერთხელ, ზოგიერთი მწარმოებელი ცდილობს მაქსიმალურად გამოიყენოს უკვე კარგად განვითარებული სილიკონის ტექნოლოგია.

რაც შეეხება საწვავის უჯრედების გამოყენების სხვა სფეროებს, საწვავის უჯრედები უკვე კარგად არის ჩამოყალიბებული, თუმცა ისინი ჯერ კიდევ არ გახდნენ მთავარი ენერგეტიკის სფეროში ან ტრანსპორტში. უკვე ბევრმა მწარმოებელმა წარმოადგინა თავიანთი საწვავის უჯრედის ელექტრული კონცეფციის მანქანები. მსოფლიოს რამდენიმე ქალაქში, საწვავის უჯრედების ავტობუსები გადის. კანადური Ballard Power Systems აწარმოებს სტაციონარული გენერატორების სპექტრს 1-დან 250 კვტტ-მდე. ამავე დროს, კილოვატის გენერატორები შექმნილია იმისთვის, რომ დაუყოვნებლივ მიაწოდონ ერთი ბინა ელექტროენერგიით, სითბოთი და ცხელი წყლით.

ბოლო დროს, საწვავის უჯრედების თემა ყველას ტუჩებზე დგას. და ეს გასაკვირი არ არის, რომ ამ ტექნოლოგიის დანერგვამ ელექტრონიკის სამყაროში, მან ახალი შობა მიიღო. მსოფლიო ლიდერები რასობრივი მიკროელექტრონიკის სფეროში წარმოადგენენ მათი მომავალი პროდუქციის პროტოტიპებს, რომლებშიც ინტეგრირდება საკუთარი მიკროელექტროსადგურები. ეს, ერთი მხრივ, უნდა ასუსტებდეს მობილური მოწყობილობების კავშირს "გასასვლელთან" და, მეორეს მხრივ, გახანგრძლივებს ბატარეის ხანგრძლივობას.

გარდა ამისა, ზოგი მათგანი მუშაობს ეთანოლის საფუძველზე, ამიტომ ამ ტექნოლოგიების განვითარება უშუალო სარგებელს მიიღებს ალკოჰოლური სასმელების მწარმოებლებზე - ათეული წლის შემდეგ, IT სპეციალისტების ხაზები, რომლებიც დგანან მათი ლეპტოპისთვის შემდეგი ”დოზის” მიღმა, გამოიყოფა ღვინის ინდუსტრიაში.

ჩვენ არ შეგვიძლია განვიხილოთ საწვავის უჯრედების „სიცხე“, რამაც Hi-Tech ინდუსტრია მოიცვა და შევეცადოთ გაერკვნენ, თუ რა სახის მხეცია ეს ტექნოლოგია, რას ჭამს, როდესაც თქვენ მოელით, რომ ის მოვიდა "კვების სერვისში". ამ მასალაში განვიხილავთ საწვავის უჯრედების მიერ გატარებულ გზას ამ ტექნოლოგიის აღმოჩენის დღიდან. ასევე შეეცადეთ შეაფასოთ მომავალში მათი განხორციელებისა და განვითარების პერსპექტივები.

როგორ იყო

პირველად, საწვავის უჯრედის მოწყობილობის პრინციპი აღწერილი იყო ჯერ კიდევ 1838 წელს, კრისტიან ფრიდრიხ შონბეინმა, ხოლო ერთი წლის შემდეგ ფილოსოფიურმა ჟურნალმა გამოაქვეყნა თავისი სტატია ამ თემაზე. თუმცა, ეს მხოლოდ თეორიული კვლევები იყო. პირველი აქტიური საწვავის უჯრედი გამოიცა 1843 წელს, ვალის წარმოშობის მეცნიერის, სერ უილიამ გროვის ლაბორატორიაში. როდესაც შეიქმნა, გამომგონებელმა გამოიყენა მასალები მსგავსი, რომლებიც გამოიყენება თანამედროვე ფოსფორის მჟავა ბატარეებში. შემდგომში სერ გროვის საწვავის უჯრედი გაუმჯობესდა W. Thomas Grub– ის მიერ. 1955 წელს ამ ქიმიკოსმა, რომელიც მუშაობდა ლეგენდარული კომპანია General Electric– ში, საწვავის უჯრედში გამოიყენებოდა სულფონირებული პოლისტიროლისგან დამზადებული იონური გაცვლის მემბრანა. მხოლოდ სამი წლის შემდეგ, მისმა კოლეგამ ლეონარდ ნიდრახმა შესთავაზა მემბრანზე პლატინის დაყენების ტექნოლოგია, რომელიც წყალბადის დაჟანგვისა და ჟანგბადის შთანთქმის პროცესში კატალიზატორის როლს ასრულებდა.

საწვავის უჯრედების "მამა კრისტიან შონბეინი"

ამ პრინციპებმა შეადგინა საწვავის უჯრედების ახალი თაობის საფუძველი, სახელწოდებით გრუბ-ნიდრა ელემენტები მათი შემქმნელების საპატივცემულოდ. General Electric– მა განაგრძო ამ მიმართულებით განვითარება, რომელშიც ნასას და საავიაციო გიგანტ მაკდონელის თვითმფრინავის დახმარებით შეიქმნა პირველი კომერციული საწვავის უჯრედი. საზღვარგარეთ ახალი ტექნოლოგია შენიშნეს. და უკვე 1959 წელს, ბრიტანელმა ფრენსისმა ტომას ბეკონმა შემოიტანა 5 კვტ-იანი სტაციონალური საწვავის უჯრედი. შემდგომში მისი დაპატენტებული დიზაინის ლიცენზია მიიღეს ამერიკელებმა და ნასას კოსმოსურ ხომალდში გამოიყენეს ელექტროენერგია და სასმელი წყლის მომარაგება. იმავე წელს, ჰარი ირიგმა, ამერიკელმა, ააშენა პირველი საწვავის უჯრედის ტრაქტორი (სულ სიმძლავრე 15 კვტ). ბატარეებში ელექტროლიტი გამოიყენებოდა კალიუმის ჰიდროქსიდი, ხოლო რეაგენტი გამოიყენებოდა შეკუმშული წყალბადი და ჟანგბადი.

პირველად UTC Power- მა, რომელმაც შესთავაზა სარეზერვო ელექტროსისტემები საავადმყოფოებისთვის, უნივერსიტეტებისთვის და ბიზნეს-ცენტრებისთვის, სტაციონარული საწვავის უჯრედების წარმოება კომერციული მიზნებისთვის დააყენა "ნაკადში". ეს კომპანია, რომელიც ამ სფეროში მსოფლიო ლიდერია, ჯერ კიდევ აწარმოებს ასეთ გადაწყვეტილებებს 200 კვტ-მდე სიმძლავრით. ის ასევე არის ნასას საწვავის უჯრედების მთავარი მიმწოდებელი. მისი პროდუქტები ფართოდ გამოიყენებოდა აპოლონის კოსმოსური პროგრამის განმავლობაში და დღემდე მოთხოვნაა, როგორც კოსმოსური შატლის პროგრამა. UTC Power ასევე გთავაზობთ "სამომხმარებლო" საწვავის უჯრედებს, რომლებიც ფართოდ გამოიყენება მანქანებში. მან პირველად შექმნა საწვავის უჯრედი, რომლის საშუალებითაც შესაძლებელია დენის წარმოქმნა დაბალ ტემპერატურაზე, პროტონის გაცვლის მემბრანის გამოყენების წყალობით.

როგორ მუშაობს

მკვლევარებმა ექსპერიმენტები ჩაუტარეს სხვადასხვა ნივთიერებებს, როგორც რეაგენტები. ამასთან, საწვავის უჯრედების ფუნქციონირების ძირითადი პრინციპები, მიუხედავად მნიშვნელოვნად განსხვავებული საოპერაციო მახასიათებლებისა, უცვლელი რჩება. ნებისმიერი საწვავის უჯრედი არის ელექტროქიმიური ენერგიის გადამყვანი მოწყობილობა. იგი წარმოქმნის ელექტროენერგიას გარკვეული რაოდენობის საწვავიდან (ანოდიდან) და ოქსიდიზატორიდან (კათოდის მხრიდან). რეაქცია მიმდინარეობს ელექტროლიტის თანდასწრებით (ნივთიერება, რომელიც შეიცავს თავისუფალ იონებს და იქცევა ელექტროგამტარ საშუალებად). პრინციპში, ნებისმიერ ასეთ მოწყობილობაში არსებობს მასში შემავალი გარკვეული რეაქტივები და მათი რეაქციის პროდუქტები, რომლებიც ამოღებულია ელექტროქიმიური რეაქციის შემდეგ. ელექტროლიტი ამ შემთხვევაში ემსახურება მხოლოდ რეაგენტების ურთიერთქმედების საშუალებად და არ იცვლება საწვავის უჯრედში. ასეთი სქემის საფუძველზე, იდეალური საწვავის უჯრედი უნდა იმუშაოს მანამ, სანამ არ არსებობს რეაქციისთვის აუცილებელი ნივთიერებების მიწოდება.

საწვავის უჯრედები არ უნდა იყოს დაბნეული ჩვეულებრივი ბატარეებით. პირველ შემთხვევაში, გარკვეული „საწვავი“ მოიხმარს ელექტროენერგიის წარმოებას, რომლის მოგვიანებით გადადება ხდება საჭირო. გალვანური უჯრედების შემთხვევაში ელექტროენერგია ინახება დახურულ ქიმიურ სისტემაში. ბატარეების შემთხვევაში, მიმდინარე მომარაგება შესაძლებელს ხდის განახორციელოს საპირისპირო ელექტროქიმიური რეაქცია და რეაგენტები დაუბრუნოს პირვანდელ მდგომარეობაში (მაგ., დააკისროს იგი). შესაძლებელია საწვავის სხვადასხვა დაჟანგვის აგენტი. მაგალითად, წყალბადის საწვავის უჯრედში, წყალბადი და ჟანგბადი (ჟანგვის აგენტი) გამოიყენება როგორც რეაქტივები. ნახშირწყალბადები და ალკოჰოლები ხშირად იყენებენ როგორც საწვავს, ხოლო ჰაერი, ქლორი და ქლორის დიოქსიდი მოქმედებენ როგორც ოქსიდანტები.

კატალიზის რეაქცია საწვავის უჯრედში ელექტრონებს და პროტონებს საწვავს, ხოლო მოძრავი ელექტრონები ელექტრულ დენს ქმნიან. კატალიზატორის როლში, რომელიც აჩქარებს რეაქციას, პლატინის ან მისი შენადნობების ჩვეულებრივ გამოიყენება საწვავის უჯრედებში. კიდევ ერთი კატალიზური პროცესი უბრუნებს ელექტრონებს, აერთიანებს მათ პროტონებით და ჟანგვის აგენტით, რის შედეგადაც წარმოიქმნება რეაქტიული პროდუქტები (ემისიები). როგორც წესი, ეს გამონაბოლქვები მარტივი ნივთიერებებია: წყალი და ნახშირორჟანგი.

ტრადიციული პროტონის გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედში (PEMFC), პოლიმერული პროტონის გამტარ მემბრანას ანაწილებს ანოდი და კათოდური მხარეები. კათოდური მხრიდან, წყალბადის დიფუზია ანოდის კატალიზატორამდე, სადაც მას შემდეგ ელექტრონები და პროტონები ათავისუფლებენ. მას შემდეგ, რაც პროტონები მემბრანას კათოდში გადის, ხოლო ელექტრონები, რომლებიც ვერ იცავენ პროტონებს (მემბრანა ელექტრონულად იზოლირებულია), იგზავნება გარე დატვირთვის მიკროსქემის გასწვრივ (ელექტრომომარაგების სისტემა). კათოდური კატალიზის მხარეს ჟანგბადი რეაგირებს პროტონებით, რომლებმაც გაიარეს მემბრანა და ელექტრონები, რომლებიც შედიან გარე დატვირთვის წრედში. ამ რეაქციის შედეგად, წყალი მიიღება (ორთქლის ან თხევადი სახით). მაგალითად, რეაქტიული პროდუქტები საწვავის უჯრედებში ნახშირწყალბადის საწვავის გამოყენებით (მეთანოლი, დიზელი) არის წყალი და ნახშირორჟანგი.

თითქმის ყველა ტიპის საწვავის უჯრედები განიცდიან ელექტრულ დანაკარგებს, რაც გამოწვეულია როგორც კონტაქტების, ასევე საწვავის უჯრედის ელემენტების და ბუნებრივი გამტარიანობის ბუნებრივი გამძლეობით (საწყისი ენერგიისათვის აუცილებელი დამატებითი ენერგია). ზოგიერთ შემთხვევაში, შეუძლებელია ამ დანაკარგების მთლიანად თავიდან აცილება, ზოგჯერ კი "ცხვრის ტყავი სანთელი არ ღირს", თუმცა, ყველაზე ხშირად მათი შემცირება შესაძლებელია. ამ პრობლემის გადასაჭრელად ვარიანტია ამ მოწყობილობების კომპლექტების გამოყენება, რომლებშიც საწვავის უჯრედები, დამოკიდებულია ელექტრომომარაგების სისტემის მოთხოვნებზე, შეიძლება დაკავშირებული იყოს პარალელურად (უფრო მაღალი დენით) ან სერიით (უფრო მაღალი ძაბვა).

საწვავის უჯრედების ტიპები

არსებობს მრავალი ტიპის საწვავის უჯრედი, თუმცა შევეცდებით მოკლედ ვისაუბროთ მათზე ყველაზე გავრცელებულებზე.

ტუტე საწვავის უჯრედები (AFC)

ტუტე ან ტუტე საწვავის უჯრედები, რომელსაც ასევე უწოდებენ ბეკონის უჯრედებს ბრიტანული ”მამის” საპატივცემულოდ, არის ერთ-ერთი ყველაზე კარგად განვითარებული საწვავის უჯრედების ტექნოლოგია. სწორედ ამ მოწყობილობებმა შეუწყო ხელი მთვარეზე ფეხის დადგმას. ზოგადად, NASA იყენებს ამ ტიპის საწვავის უჯრედებს გასული საუკუნის 60-იანი წლების შუა ხანებიდან. AFC მოიხმარს წყალბადსა და სუფთა ჟანგბადს, აწარმოებს სასმელ წყალს, სითბოს და ელექტროენერგიას. მეტწილად იმის გამო, რომ ეს ტექნოლოგია კარგად არის განვითარებული, მას გააჩნია ერთ – ერთი ყველაზე მაღალი ხარისხის მაჩვენებელი მსგავს სისტემებს შორის (პოტენციალი დაახლოებით 70%).

ამასთან, ამ ტექნოლოგიას აქვს თავისი ნაკლი. თხევადი ტუტე ნივთიერების, როგორც ელექტროლიტის გამოყენების სპეციფიკის გამო, რომელიც არ ბლოკავს ნახშირორჟანგს, კალიუმის ჰიდროქსიდს (გამოყენებული ელექტროლიტის ერთ-ერთი ვარიანტი) შეუძლია რეაქცია მოახდინოს ჩვეულებრივი ჰაერის ამ კომპონენტთან. შედეგი შეიძლება იყოს კალიუმის კარბონატის ტოქსიკური ნაერთი. ამის თავიდან ასაცილებლად აუცილებელია გამოიყენოთ სუფთა ჟანგბადი ან გაწმენდის ნახშირორჟანგი. ბუნებრივია, ეს გავლენას ახდენს ასეთი მოწყობილობების ფასზე. თუმცა, ასეც რომ იყოს, AFCs არის ყველაზე იაფი საწვავის უჯრედი, რომლის წარმოებაში დღესაც ხელმისაწვდომია.

პირდაპირი ბორჰიდრიდის საწვავის უჯრედები (DBFC)

ტუტე საწვავის უჯრედების ეს ქვეტიპი იყენებს ნატრიუმის ბორჰიდრიდს, როგორც საწვავს. თუმცა, ჩვეულებრივი წყალბადის დაფუძნებული AFC– სგან განსხვავებით, ამ ტექნოლოგიას აქვს ერთი მნიშვნელოვანი უპირატესობა - ნახშირორჟანთან კონტაქტის შემდეგ ტოქსიკური ნაერთების წარმოქმნის რისკის არარსებობა. თუმცა, მისი რეაქციის პროდუქტია ბორაქსის ნივთიერება, რომელსაც ფართოდ იყენებენ სარეცხი საშუალებები და საპნები. Borax შედარებით არატოქსიკურია.

DBFC- ების დამზადებაც კი იაფი შეიძლება იყოს, ვიდრე ტრადიციული საწვავის უჯრედები, რადგან მათ არ სჭირდებათ ძვირადღირებული პლატინის კატალიზატორი. გარდა ამისა, მათ აქვთ უფრო მაღალი ენერგიის სიმკვრივე. დადგენილია, რომ ერთი კილოგრამი ნატრიუმის ბორჰიდრიდის წარმოება 50 $ ღირს, მაგრამ თუ მისი მასობრივი წარმოება მოაწყეთ და ბორაქსის დამუშავებას მოაწყობთ, მაშინ ეს ბარი შეიძლება შემცირდეს 50-ჯერ.

ლითონის ჰიდრიდის საწვავის უჯრედები (MHFC)

ტუტე საწვავის უჯრედების ეს ქვეკლასი აქტიურად სწავლობს. ამ მოწყობილობების თვისებაა ქიმიური წყალბადის შესანახი შესაძლებლობა საწვავის უჯრედში. ბორჰიდრიდის საწვავის პირდაპირ უჯრედს აქვს იგივე უნარი, მაგრამ ამისგან განსხვავებით, MHFC ივსება სუფთა წყალბადით.

ამ საწვავის უჯრედების განმასხვავებელ მახასიათებლებს შორისაა შემდეგი:

• ელექტრო ენერგიისგან დატენვის უნარი;
• მუშაობა დაბალ ტემპერატურაზე - -20 ° C- მდე;
• ხანგრძლივი შენახვის ვადა;
• სწრაფი ცივი დაწყება;
• გარკვეული წყობის მუშაობის უნარი წყალბადის გარე წყაროს გარეშე (საწვავის შეცვლის დრო).

იმისდა მიუხედავად, რომ მრავალი კომპანია მუშაობს მასობრივი MHFC– ების შექმნაზე, ჯერჯერობით პროტოტიპების ეფექტურობა კონკურენტ ტექნოლოგიებთან შედარებით საკმარისი არ არის. ამ საწვავის უჯრედების ერთ – ერთი საუკეთესო დონის სიმკვრივის მაჩვენებელი არის 250 მილიამპერი კვადრატულ სანტიმეტრზე, ხოლო ჩვეულებრივი PEMFC სტანდარტული საწვავის უჯრედები უზრუნველყოფენ მიმდინარე სიმკვრივეს 1 ამპერი კვადრატულ სანტიმეტრზე.

ელექტრო-გალვანური საწვავის უჯრედები (EGFC)

ქიმიური რეაქცია EGFC- ში ხდება კალიუმის ჰიდროქსიდის და ჟანგბადის მონაწილეობით. ეს ქმნის ელექტრული დენის ტყვიის ანოდს და მოოქროვილი კათოდს შორის. ელექტრო-გალვანური საწვავის უჯრედის მიერ წარმოქმნილი ძაბვა პირდაპირპროპორციულია ჟანგბადის რაოდენობით. ეს თვისება საშუალებას მისცემდა EGFC ფართოდ იქნას გამოყენებული, როგორც მოწყობილობა, რომელიც ჟანგბადის კონცენტრაციის შესამოწმებლად გამოიყენება სკუბაში და სამედიცინო აღჭურვილობებში. მაგრამ ზუსტად ამ დამოკიდებულების გამო, საწვავის უჯრედებს კალიუმის ჰიდროქსიდზე აქვთ ეფექტური მოქმედების ძალიან შეზღუდული ვადა (ხოლო ჟანგბადის კონცენტრაცია მაღალია).

პირველი სერთიფიცირებული ჟანგბადის კონცენტრაციის მონიტორები EGFC– ზე ფართოდ გავრცელდა 2005 წელს, მაგრამ შემდეგ დიდი პოპულარობა არ მოიპოვა. ორი წლის შემდეგ გამოვიდა, მნიშვნელოვნად შეცვლილი მოდელი ბევრად უფრო წარმატებული აღმოჩნდა და ფლორიდაში, მყვინთავთა სპეციალურ გამოფენაზე, "ინოვაციისთვის "აც კი მიიღო პრიზი. ამჟამად, მათ იყენებენ ორგანიზაციები, როგორიცაა NOAA (ოკეანესა და ატმოსფერული ეროვნული ადმინისტრაცია) და DDRC (Diving დაავადებათა კვლევის ცენტრი).

მჟავა საწვავის პირდაპირი უჯრედები (DFAFC)

ეს საწვავის უჯრედები წარმოადგენს PEMFC პირდაპირი საკვების მჟავა მოწყობილობების ქვეტიპი. მათი სპეციფიკური მახასიათებლების გამო, ამ საწვავის უჯრედებს დიდი შანსი აქვთ მომავალში, რომ გახდნენ ენერგიის მთავარი საშუალება ისეთი პორტატული ელექტრონიკისთვის, როგორიცაა ლაპტოპები, მობილური ტელეფონი და ა.შ.

მეთანოლის მსგავსად, formic მჟავა პირდაპირ იკვებება საწვავის უჯრედში სპეციალური გამწმენდის ნაბიჯის გარეშე. ამ ნივთიერების შესანახად ასევე გაცილებით უსაფრთხოა, ვიდრე, მაგალითად, წყალბადი, და არ არის აუცილებელი რაიმე სპეციფიკური შენახვის პირობების უზრუნველყოფა: ფორმულის მჟავა არის სითხე ნორმალურ ტემპერატურაზე. უფრო მეტიც, ამ ტექნოლოგიას აქვს ორი უდაო უპირატესობა პირდაპირი მეთანოლის საწვავის უჯრედებთან შედარებით. პირველ რიგში, მეტანოლისგან განსხვავებით, მჟავას მჟავა არ გაჟონავს მემბრანაში. ამიტომ, განსაზღვრებით DFAFC– ის ეფექტურობა უნდა იყოს უფრო მაღალი. მეორეც, დეპრესიული დაზიანების შემთხვევაში, ფორმინის მჟავა არც ისე საშიშია (მეტანოლმა შეიძლება გამოიწვიოს სიბრმავე, ხოლო სიკვდილი მაღალი დოზით).

საინტერესოა, რომ ბოლო დრომდე, ბევრი მეცნიერი არ მიიჩნევდა ამ ტექნოლოგიას პრაქტიკულ მომავალს. მიზეზი, რამაც მკვლევარებმა მრავალი წლის განმავლობაში „ჯვარი დააყენეს“ მჟავაზე, იყო ელექტროქიმიური მაღალი გადაჭარბება, რამაც გამოიწვია მნიშვნელოვანი ელექტრული დანაკარგი. მაგრამ ბოლოდროინდელმა ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ამ არაეფექტურობის მიზეზი იყო პლატინის, როგორც კატალიზატორი, გამოყენება, რომელიც ტრადიციულად ფართოდ გამოიყენება ამ მიზნებისათვის საწვავის უჯრედებში. მას შემდეგ, რაც ილინოისის უნივერსიტეტის მეცნიერებმა ჩაატარეს ექსპერიმენტების სერია სხვა მასალებთან დაკავშირებით, აღმოჩნდა, რომ თუ პალადიუმი გამოიყენებოდა როგორც კატალიზატორი, DFAFC- ის პროდუქტიულობა უფრო მაღალი იყო ვიდრე ექვივალენტი პირდაპირი მეტანოლის საწვავის უჯრედები. ამჟამად ამ ტექნოლოგიის უფლებები ეკუთვნის ამერიკულ კომპანია Tekion- ს, სთავაზობს პროდუქციის ხაზს Formira Power Pack მიკროელექტრონული მოწყობილობებისთვის. ეს სისტემა არის "დუპლექსი", რომელიც შედგება ბატარეისა და ფაქტობრივი საწვავის უჯრედისგან. მას შემდეგ, რაც ბატარეის კარტრიჯში რეაგენტის მიწოდება ამოიწურა, მომხმარებელი უბრალოდ ცვლის მას ახალს. ამრიგად, იგი ხდება სრულიად დამოუკიდებელი "გამოსასვლელიდან". მწარმოებლის დაპირებების თანახმად, ბრალდებას შორის დრო გაორმაგდება იმით, რომ ტექნოლოგია მხოლოდ 10-15% -ით მეტი უჯდება, ვიდრე ჩვეულებრივი ბატარეები. ამ ტექნოლოგიის ერთადერთი სერიოზული დაბრკოლება შეიძლება იყოს ის, რომ მას მხარს უჭერს საშუალო კომპანია და იგი უბრალოდ შეიძლება გადალახოს უფრო დიდი კონკურენტებით, რომლებიც წარმოადგენენ თავიანთ ტექნოლოგიებს, რაც შეიძლება მრავალი გზით დაქვემდებარდეს DFAFC- ს.

პირდაპირი მეთანოლის საწვავის უჯრედები (DMFC)

ეს საწვავის უჯრედები პროტონის გაცვლის მემბრანის მოწყობილობების ქვესახეობაა. ისინი იყენებენ მეტანოლს საწვავის უჯრედში საწვავის უჯრედში შემდგომი გაწმენდის გარეშე. ამავე დროს, მეთილის სპირტი უფრო ადვილია შესანახად და არ არის ფეთქებადი (თუმც იგი წვება და შეიძლება გამოიწვიოს სიბრმავე). ამ შემთხვევაში, მეთანოლს აქვს მნიშვნელოვნად მაღალი ენერგიის მოცულობა, ვიდრე შეკუმშული წყალბადი.

ამასთან, იმის გამო, რომ მეტანოლს შეუძლია გარსის გარჩევა, მზარდი საწვავისთვის DMFC- ის ეფექტურობა მცირეა. და მიუხედავად იმისა, რომ ამ მიზეზით ისინი არ არიან შესაფერისი სატრანსპორტო საშუალებებისა და დიდი დანადგარებისთვის, ეს მოწყობილობები იდეალურად არის შესაფერისი მობილური მოწყობილობებზე ბატარეის გამოცვლაზე.

დამუშავებული მეთანოლის საწვავის უჯრედები (RMFC)

დამუშავებული მეთანოლის საწვავის უჯრედები განსხვავდება DMFC– სგან მხოლოდ იმით, რომ ისინი ელექტროენერგიის წინა თაობის დროს ისინი მეტანოლს წყალბადსა და ნახშირორჟანად გარდაიქმნებიან. ეს ხდება სპეციალურ მოწყობილობაში, რომელსაც ეწოდება საწვავის პროცესორი. ამ წინასწარი ეტაპის შემდეგ (რეაქცია ხორციელდება ტემპერატურაზე 250 ° C- ზე ზემოთ), წყალბადი შემოდის ჟანგვის რეაქციაში, რის შედეგადაც იქმნება წყალი და იქმნება ელექტროენერგია.

მეტანოლის გამოყენება RMFC– ში განპირობებულია იმით, რომ იგი წყალბადის ბუნებრივი გადამზიდავია, ხოლო საკმარისად დაბალ ტემპერატურაზე (სხვა ნივთიერებებთან შედარებით) მისი დაშლა შესაძლებელია წყალბადის და ნახშირორჟანგით. ამიტომ, ეს ტექნოლოგია უფრო მოწინავეა, ვიდრე DMFC. დამუშავებული მეთანოლის საწვავის უჯრედები საშუალებას იძლევა უფრო მეტი ეფექტურობა, კომპაქტურობა და შესრულება ნულზე დაბალ ტემპერატურაზე.

პირდაპირი ეთანოლის საწვავის უჯრედები (DEFC)

საწვავის უჯრედების კლასის კიდევ ერთი წარმომადგენელი პროტონის გაცვლის ლატებით. როგორც სახელი გულისხმობს, ეთანოლი შემოდის საწვავის უჯრედში, რაც გადაკვეთს შემდგომი გაწმენდის ან დაშლის ეტაპებს უფრო მარტივ ნივთიერებებში. ამ მოწყობილობების პირველი პლიუსი არის ეთილის სპირტის გამოყენება ტოქსიკური მეთანოლის ნაცვლად. ეს ნიშნავს, რომ თქვენ არ გჭირდებათ ბევრი ფულის ინვესტიცია ამ საწვავის დასადგენად.

ალკოჰოლის ენერგეტიკული სიმკვრივე დაახლოებით 30% -ით მეტია, ვიდრე მეტანოლი. გარდა ამისა, მისი მიღება დიდი რაოდენობით შეიძლება ბიომასისგან. ეთანოლის საწვავის უჯრედების ღირებულების შემცირების მიზნით, აქტიურად ეძებენ კატალიზატორის ალტერნატიულ მასალას. პლატინა, რომელიც ტრადიციულად საწვავის უჯრედებში გამოიყენება ამ მიზნებისათვის, ძალიან ძვირია და წარმოადგენს მნიშვნელოვან წინააღმდეგობას ამ ტექნოლოგიების მასობრივი დანერგვისთვის. რკინის, სპილენძისა და ნიკელის ნარევიდან დამზადებული კატალიზატორი შეიძლება ამ პრობლემის მოგვარება იყოს.ამან აჩვენა შთამბეჭდავი შედეგები ექსპერიმენტულ სისტემებში.

თუთიის საჰაერო საწვავის უჯრედები (ZAFC)

ZAFCs იყენებენ თუთიას, რომ ჟანგბადი ჟანგბადით ჰაერიდან გამოიმუშაონ, ელექტრო ენერგია წარმოქმნან. ეს საწვავის უჯრედები იაფია წარმოებისთვის და უზრუნველყოფს საკმაოდ მაღალი ენერგიის სიმკვრივეს. ისინი ამჟამად გამოიყენება სმენის მოწყობილობებში და ექსპერიმენტულ ელექტრო მანქანებში.

ანოდიის მხარეს არის თუთიის ნაწილაკების ნარევი ელექტროლიტთან, ხოლო კათოდური მხრიდან არის წყალი და ჟანგბადი ჰაერიდან, რომლებიც ერთმანეთთან რეაგირებენ და ქმნიან ჰიდროქსილს (მისი მოლეკულა არის ჟანგბადის ატომ და წყალბადის ატომ, რომელთა შორის არის კოვალენტური კავშირი). ჰიდროქსილის რეაქციის შედეგად თუთიის ნარევთან ერთად, კათოდზე გამოთავისუფლებული ელექტრონები იხსნება. მაქსიმალური ძაბვა, რომელსაც ამგვარი საწვავის უჯრედები ასხივებენ, არის 1.65 V, მაგრამ, როგორც წესი, იგი ხელოვნურად მცირდება 1.4–1.35 ვ, რაც ზღუდავს ჰაერში შესვლას სისტემაში. ამ ელექტროქიმიური რეაქციის საბოლოო პროდუქტებია თუთიის ოქსიდი და წყალი.

შესაძლებელია ამ ტექნოლოგიის გამოყენება როგორც ბატარეებში (დატენვის გარეშე), ისე საწვავის უჯრედებში. ამ უკანასკნელ შემთხვევაში, ანოდიის მხარეს მდებარე პალატა გაწმენდილია და შევსებულია თუთიის პასტით. ზოგადად, ZAFC ტექნოლოგიამ ჩამოაყალიბა როგორც მარტივი და საიმედო ბატარეები. მათი უდავო უპირატესობაა რეაქციის კონტროლის შესაძლებლობა მხოლოდ საწვავის უჯრედში ჰაერის ნაკადის რეგულირების გზით. მრავალი მკვლევარი თუთიის ჰაერის საწვავის უჯრედებს განიხილავს, როგორც ელექტრული სატრანსპორტო საშუალებების მომავალი მთავარი წყარო.

მიკრობული საწვავის უჯრედები (MFC)

კაცობრიობის სასარგებლოდ ბაქტერიების გამოყენების იდეა არ არის ახალი, თუმცა ამ ბოლო დროს ამ იდეების რეალიზაციამდე მივიდა. ამჟამად აქტიურად არის შესწავლილი ბიოტექნოლოგიის კომერციული გამოყენების საკითხი სხვადასხვა პროდუქციის წარმოებისთვის (მაგალითად, ბიოასგან წყალბადის წარმოება), მავნე ნივთიერებების განეიტრალება და ელექტროენერგიის წარმოება. მიკრობული საწვავის უჯრედები, რომელსაც ასევე უწოდებენ ბიოლოგიურს, წარმოადგენს ბიოლოგიურ ელექტროქიმიურ სისტემას, რომელიც წარმოქმნის ელექტროენერგიას ბაქტერიების გამოყენებით. ეს ტექნოლოგია დაფუძნებულია კატაბოლიზმზე (რთული მოლეკულის უფრო მარტივ დაშლაში ენერგიის განთავისუფლებით) დაშლის ისეთი ნივთიერებები, როგორებიცაა გლუკოზა, აცეტატი (ძმარმჟავას მარილი), ბუტირატი (ბუტირიუმის მჟავის მარილი) ან ჩამდინარე წყლები. მათი დაჟანგვის გამო, ელექტრონები იხსნება, რომლებიც გადადიან ანოდში, რის შემდეგაც გამომუშავებული ელექტრული დენი მიედინება დირიჟორის მეშვეობით კათოდში.

ასეთ საწვავის უჯრედებში, როგორც წესი, მედიატორები გამოიყენება, რომლებიც აუმჯობესებენ ელექტრონების პატენტირებას. პრობლემა ის არის, რომ ნივთიერებები, რომლებიც მედიატორების როლს ასრულებენ, ძვირი და ტოქსიკურია. ამასთან, ელექტროქიმიურად აქტიური ბაქტერიების გამოყენების შემთხვევაში, შუამავლის საჭიროება ქრება. ასეთი "მედიატორისგან თავისუფალი" მიკრობული საწვავის უჯრედების შექმნა საკმაოდ ცოტა ხნის წინ დაიწყო და, შესაბამისად, მათი ყველა თვისებისგან შორს არის კარგად შესწავლილი.

მიუხედავად დაბრკოლებებისა, რომლებიც MFC ჯერ კიდევ არ არის გადალახული, ამ ტექნოლოგიას უზარმაზარი პოტენციალი აქვს. პირველ რიგში, ძნელი არ არის „საწვავის“ პოვნა. უფრო მეტიც, დღეს ძალიან მწვავეა ჩამდინარე წყლების გაწმენდისა და მრავალი ნარჩენების განკარგვის საკითხი. ამ ტექნოლოგიის გამოყენებამ ორივე პრობლემის გადაჭრა შეიძლება. მეორეც, თეორიულად, მისი ეფექტურობა შეიძლება იყოს ძალიან მაღალი. მიკრობული საწვავის უჯრედების ინჟინრების მთავარი პრობლემაა და, ფაქტობრივად, ამ მოწყობილობის ყველაზე მნიშვნელოვანი ელემენტი, მიკრობები. და მაშინ, როდესაც მიკრობიოლოგები, რომლებიც იღებენ უამრავ გრანტს კვლევისთვის, იხარებენ, სამეცნიერო ფანტასტიკის მწერლები ასევე ხელს უჭერენ ხელს, თვლიან წიგნების წარმატებას არასწორი მიკროორგანიზმების "გარეგნობის" შედეგებზე. ბუნებრივია, არსებობს რისკი, რომ გამოიტანოს ისეთი რამ, რაც „დაიწოვს“ არა მხოლოდ არასაჭირო ნარჩენებს, არამედ რაღაც ღირებულსაც. ამიტომ, პრინციპში, ისევე როგორც ნებისმიერი ახალი ბიოტექნოლოგიის შემთხვევაში, ხალხი ეხება იმ აზრს, რომ სიფრთხილით მოვეკიდოთ ჯიბეში ბაქტერიებით სავსე ყუთს.

განაცხადი

სტაციონალური შიდა და სამრეწველო ელექტროსადგურები

საწვავის უჯრედები ფართოდ გამოიყენება როგორც ენერგიის წყარო სხვადასხვა ავტონომიურ სისტემაში, მაგალითად, კოსმოსური ხომალდი, დისტანციური ამინდის სადგურები, სამხედრო დანადგარები და ა.შ. ასეთი ენერგომომარაგების სისტემის მთავარი უპირატესობა მისი უკიდურესად მაღალი საიმედოობაა სხვა ტექნოლოგიებთან შედარებით. საწვავის უჯრედებში მოძრავი ნაწილების და ნებისმიერი მექანიზმის არარსებობის გამო, ენერგომომარაგების სისტემების საიმედოობამ შეიძლება მიაღწიოს 99,99% -ს. გარდა ამისა, წყალბადის, როგორც რეაგენტის გამოყენების შემთხვევაში, შესაძლებელია ძალიან დაბალი წონის მიღწევა, რაც კოსმოსური აღჭურვილობის შემთხვევაში ერთ – ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი კრიტერიუმია.

ბოლო დროს, ფართოდ გავრცელებულია კომბინირებული სითბო და ელექტროსადგურები, რომლებიც ფართოდ გამოიყენება საცხოვრებელ კორპუსებსა და ოფისებში. ამ სისტემების თავისებურება ის არის, რომ ისინი მუდმივად წარმოქმნიან ელექტროენერგიას, რომელსაც, თუ დაუყოვნებლივ არ იყენებენ, წყლისა და ჰაერის გასათბობად გამოიყენება. იმისდა მიუხედავად, რომ ასეთი დანადგარების ელექტრული ეფექტურობა მხოლოდ 15-20% -ს შეადგენს, ეს მინუსი ანაზღაურდება იმით, რომ გამოუყენებელი ელექტროენერგია გამოიყენება სითბოს წარმოებისთვის. ზოგადად, ასეთი კომბინირებული სისტემების ენერგოეფექტურობა დაახლოებით 80% -ს შეადგენს. ასეთი საწვავის უჯრედებისთვის ერთ-ერთი საუკეთესო რეაქტორია ფოსფორის მჟავა. ეს ერთეულები უზრუნველყოფენ ენერგოეფექტურობას 90% დონეზე (35-50% ელექტროენერგია, დანარჩენი კი თერმული ენერგია).

ტრანსპორტი

საწვავის უჯრედებზე დაფუძნებული ენერგეტიკული სისტემები ფართოდ გამოიყენება ტრანსპორტში. სხვათა შორის, გერმანელები იყვნენ პირველები, ვინც დააყენეს საწვავის უჯრედები მანქანებზე. ასე რომ, მსოფლიოში პირველი კომერციული ნავი, რომელიც აღჭურვილია ასეთი ინსტალაციით, დებიუტი იყო რვა წლის წინ. ეს პატარა გემი, რომელიც "ჰიდრა" მოინათლა და 22 მგზავრზე გადაყვანისთვის იყო განკუთვნილი, გერმანიის ყოფილ დედაქალაქთან ახლოს 2000 წლის ივნისში გაიქცა. წყალბადი (ტუტე საწვავის უჯრედი) მოქმედებს, როგორც ენერგიის განმახორციელებელი რეაქტორი. წყალმცენარეების (ტუტე) საწვავის უჯრედების გამოყენების წყალობით, ინსტალაციას შეუძლია დენის დენის წარმოქმნა ტემპერატურაზე –10 ° C ტემპერატურამდე და არ ეშინია მარილის წყლის "ეშინია". ნავი "ჰიდრა", რომელსაც ელექტროძრავა აქვს 5 კვტ სიმძლავრით, შეუძლია 6 კვანძამდე დაძლიოს (დაახლოებით 12 კმ / სთ).

ნავი "ჰიდრა"

სახმელეთო ტრანსპორტში საწვავის უჯრედები (კერძოდ, წყალბადი) გაცილებით ფართოდაა გავრცელებული. ზოგადად, წყალბადი დიდი ხანია გამოიყენება როგორც საწვავი საავტომობილო ძრავებისთვის, და, პრინციპში, ჩვეულებრივი შიდა წვის ძრავა მარტივად შეიძლება გარდაიქმნას ამ ალტერნატიული ტიპის საწვავის გამოსაყენებლად. ამასთან, წყალბადის ტრადიციული წვა უფრო ეფექტურია ვიდრე ელექტროენერგიის წარმოება წყალბადსა და ჟანგბადს შორის ქიმიური რეაქციის განხორციელებით. და იდეალურ შემთხვევაში, წყალბადი, თუ მას საწვავის უჯრედებში გამოიყენებენ, ბუნებისთვის აბსოლუტურად უვნებელი იქნება, ან, როგორც ამბობენ, "გარემოსთან მეგობრულია", რადგან არცერთი ნახშირორჟანგი ან სხვა ნივთიერებები არ გამოყოფს "სათბურის ეფექტს" ქიმიური რეაქციის დროს.

სიმართლე არის, როგორც ამას მოელოდა, არსებობს რამდენიმე დიდი "ღილაკი". ფაქტია, რომ არა განახლებადი რესურსებიდან წყალბადის წარმოქმნის მრავალი ტექნოლოგია (ბუნებრივი გაზი, ქვანახშირი, ნავთობპროდუქტები) არც ისე ეკოლოგიურად გამოიყურება, რადგან მათ პროცესში ნახშირორჟანგი დიდი რაოდენობით გამოდის. თეორიულად, თუ მის მისაღებად განახლებადი რესურსები გამოიყენება, მაშინ საერთოდ არ იქნება მავნე ემისიები. თუმცა, ამ შემთხვევაში, ღირებულება მნიშვნელოვნად იზრდება. მრავალი ექსპერტის აზრით, ამ მიზეზების გამო, წყალბადის, როგორც ბენზინის ან ბუნებრივი გაზის შემცვლელი, პოტენციალი ძალიან შეზღუდულია. უკვე, არსებობს ნაკლებად ძვირი ალტერნატივა და, სავარაუდოდ, პერიოდული ცხრილის პირველ ელემენტზე საწვავის უჯრედები კვლავ ვერ ხდებიან მასობრივი ფენომენი მანქანებში.

ავტომობილების მწარმოებლები აქტიურად ექსპერიმენტებს ატარებენ წყალბადთან, როგორც ენერგიის წყაროს. ამის მთავარი მიზეზი არის ევროკავშირის საკმაოდ მკაცრი პოზიცია ატმოსფეროში მავნე ემისიების მიმართ. ევროპაში დაწესებული სულ უფრო მკაცრი შეზღუდვების გამო, Daimler AG- მა, Fiat- მა და Ford Motor Company- მ წარმოადგინეს თავიანთი ხედვა საავტომობილო მშენებლობაში საწვავის უჯრედების მომავლის შესახებ, მათი საბაზო მოდელები მსგავსი ელექტროსადგურებით აღჭურვა. Volkswagen, კიდევ ერთი ევროპული ავტო გიგანტი, ამჟამად ამზადებს საწვავის უჯრედის მანქანას. იაპონიის და სამხრეთ კორეის ფირმები მათ ჩამორჩებიან. ამასთან, ყველასგან შორს არის ეს ტექნოლოგია. ბევრი ადამიანი ურჩევნია შეცვალოს შიდა წვის ძრავები ან დააკავშიროს ისინი ელექტრული ძრავებით, რომლებიც იკვებება ბატარეებით. Toyota, Mazda და BMW წავიდნენ ამ გზით. რაც შეეხება ამერიკულ კომპანიებს, Ford- ის გარდა Focus- ის მოდელის გარდა, General Motors- მა შემოიღო რამდენიმე საწვავის უჯრედის მანქანა. ყველა ამ ვალდებულებას აქტიურად უწყობს ხელს მრავალი სახელმწიფო. მაგალითად, შეერთებულ შტატებში არსებობს კანონი, რომლის მიხედვითაც ბაზარზე შესვლის ახალი ჰიბრიდული მანქანა გათავისუფლებულია გადასახადებისაგან, რაც შეიძლება საკმაოდ ღირსეული თანხა იყოს, რადგან, როგორც წესი, ასეთი მანქანები უფრო ძვირია, ვიდრე მათი კოლეგები, ტრადიციული შიდა წვის ძრავებით. ამრიგად, ჰიბრიდები, როგორიცაა ყიდვა, კიდევ უფრო მიმზიდველი გახდება. მართალია, ჯერჯერობით ეს კანონი მოქმედებს მხოლოდ ბაზარზე შესვლის მოდელებზე, სანამ არ მიიღწევა გაყიდვის დონე 60,000 ავტომობილზე, რის შემდეგაც შეღავათი შეჩერებულია ავტომატურად.

ელექტრონიკა

არც ისე დიდი ხნის წინ, საწვავის უჯრედებმა დაიწყეს უფრო და უფრო ფართოდ სარგებლობის პოვნა ლეპტოპებში, მობილურ ტელეფონებსა და სხვა მობილური ელექტრონულ მოწყობილობებში. ამის მიზეზი გახლდათ მოწყობილობების სწრაფად მზარდი სიბრაზე, რომლებიც განკუთვნილია ბატარეის ხანგრძლივი მუშაობისთვის. დიდი სენსორული ეკრანების, მძლავრი აუდიო ხელსაწყოების ტელეფონებში გამოყენების და Wi-Fi, Bluetooth და სხვა სიხშირე უკაბელო საკომუნიკაციო პროტოკოლების მხარდაჭერის შემოღების შედეგად, შეიცვალა ბატარეის სიმძლავრის მოთხოვნებიც. და მიუხედავად იმისა, რომ პირველი მობილური ტელეფონის ბატარეები ჯერ კიდევ წინ გადადგმული ნაბიჯია შესაძლებლობების და კომპაქტურობის თვალსაზრისით (სხვაგვარად დღეს გულშემატკივრები არ დაუშვებდნენ სტადიონებს ამ იარაღით საკომუნიკაციო ფუნქციით), ისინი მაინც ვერ შეინარჩუნებენ ელექტრონული სქემების მინიატურაციას ან სურვილს მწარმოებლები უფრო და უფრო მეტ ფუნქციას აერთიანებენ თავიანთ პროდუქტებში. მიმდინარე ბატარეების კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი ნაკლი არის მათი დიდი დატენვის დრო. ყოველივე ეს იწვევს იმ ფაქტს, რომ რაც უფრო მეტი ფუნქცია აქვს ტელეფონში ან ჯიბეში მულტიმედიურ პლეერზე, რომლის მიზანია მისი მფლობელის ავტონომიის გაზრდა (უკაბელო ინტერნეტი, სანავიგაციო სისტემები და ა.შ.), ეს მოწყობილობა უფრო მეტად დამოკიდებულია "გამოსავალზე".

ლაპტოპების შესახებ, მაქსიმალური ზომებით გაცილებით ნაკლებად შეზღუდულია და არაფერია სათქმელი. უკვე საკმაოდ გარკვეული დროა, ჩამოყალიბდა ზედმეტად შესრულებული ლაპტოპისთვის განკუთვნილი ნიშა, რომელიც საერთოდ არ იყო განკუთვნილი ავტონომიური მუშაობისთვის, გარდა ასეთი გადაცემისა ერთი ოფისიდან მეორეში. და ნოუთბუქის ყველაზე ეკონომიური წარმომადგენლებისთვისაც კი ძნელია უზრუნველყოს ბატარეის სრული დატვირთვა. ამიტომ, მწვავეა საკითხი ტრადიციული ბატარეების ალტერნატივის პოვნაზე, რომელიც არ იქნება უფრო ძვირი, მაგრამ ასევე ბევრად უფრო ეფექტური. და ინდუსტრიის წამყვანი წარმომადგენლები ახლახანს წყვეტენ ამ პრობლემას. არც ისე დიდი ხნის წინ შემოიტანეს კომანეტური მეტანოლის საწვავის უჯრედები, რომელთა მასობრივი მიწოდება შეიძლება მომავალი წლის დასაწყისშივე ამოქმედდეს.

მკვლევარებმა რატომღაც აირჩიეს მეთანოლი, ვიდრე წყალბადი. ბევრად უფრო ადვილია მეტანოლის შენახვა, რადგან თქვენ არ გჭირდებათ მაღალი წნევის შექმნა ან სპეციალური ტემპერატურის რეჟიმი. მეთილის სპირტი არის სითხე ტემპერატურაზე -97.0 ° C- დან 64.7 ° C- მდე. ამ შემთხვევაში, მეტანოლის მეცხრე მოცულობის შემადგენლობაში შემავალი სპეციფიკური ენერგია არის დიდი მასშტაბის ბრძანება, ვიდრე მაღალი წნევის დროს წყალბადის იმავე მოცულობაში. პირდაპირი მეთანოლის საწვავის უჯრედის ტექნოლოგია, რომელიც ფართოდ გამოიყენება მობილური ელექტრონული მოწყობილობებში, გულისხმობს მეთილის სპირტის გამოყენებას, საწვავის უჯრედის მოცულობის უბრალოდ შევსების შემდეგ, კატასტროფული გადაკეთების პროცედურის გვერდის ავლით (აქედან გამომდინარე, სახელწოდება "პირდაპირი მეტანოლი"). ეს არის ასევე ამ ტექნოლოგიის მთავარი უპირატესობა.

ამასთან, როგორც ამას მოელოდა და ყველა ამ პლიუსს აქვს თავისი ნაკლი, რამაც მნიშვნელოვნად შეზღუდა მისი გამოყენების ფარგლები. გამომდინარე იქიდან, რომ ეს ტექნოლოგია ჯერ კიდევ არ არის განვითარებული, ამოხსნილი რჩება ასეთი საწვავის უჯრედების დაბალი ეფექტურობის პრობლემა, რომელიც გამოწვეულია მეტანოლის “გაჟონვით” მემბრანული მასალის მეშვეობით. გარდა ამისა, მათ არ აქვთ შთამბეჭდავი დინამიური მახასიათებლები. ადვილი არ არის გადაწყვიტოს რა უნდა გააკეთოს ანოდიში წარმოქმნილ ნახშირორჟანგით. თანამედროვე DMFC მოწყობილობებს არ აქვთ დიდი ენერგიის გამომუშავება, მაგრამ აქვთ დიდი ენერგიის ტევადობა მცირე რაოდენობით ნივთიერებისთვის. ეს ნიშნავს, რომ მიუხედავად იმისა, რომ ბევრი ენერგია ჯერ არ მიუღია, პირდაპირი მეთანოლის საწვავის უჯრედებს შეუძლიათ დიდი ხნის განმავლობაში წარმოქმნან ეს. ეს არ აძლევს მათ საშუალებას, იპოვონ უშუალო განაცხადი მანქანებში დაბალი სიმძლავრის გამო, მაგრამ მათ თითქმის იდეალურ გადაწყვეტად აქცევს მობილური მოწყობილობებისთვის, რომლისთვისაც ბატარეის მოქმედება გადამწყვეტია.

უახლესი ტენდენციები

მიუხედავად იმისა, რომ მანქანებისთვის საწვავის უჯრედები დიდი ხნის განმავლობაში იწარმოებოდა, ჯერჯერობით ეს გადაწყვეტილებები არ გავრცელებულა. ამის მრავალი მიზეზი არსებობს. და მთავარია ეკონომიკური მიზანშეწონილობა და მწარმოებლების უგულებელყოფა, რომ შესაძლო საწვავის გამომავალი ნაკადს განათავსონ. განახლებადი ენერგიის წყაროებზე გადასვლის ბუნებრივი პროცესის დაყენების მცდელობებმა, როგორც შეიძლება ველოდოთ, არ მოჰქონდა რაიმე კარგს. რასაკვირველია, სასოფლო-სამეურნეო პროდუქციის ფასების მკვეთრი ზრდის მიზეზი, ალბათ, იმალება არა იმიტომ, რომ ისინი დიდი რაოდენობით ბიო-საწვავად გადააქციეს, არამედ იმიტომ, რომ აფრიკასა და აზიის ბევრ ქვეყანაში არ არის საკმარისი პროდუქციის წარმოება, თუნდაც შიდა მოთხოვნის დაკმაყოფილების მიზნით.

ცხადია, რომ ბიო საწვავის მოხმარებაზე უარის თქმაც არ გამოიწვევს მსოფლიო სურსათის ბაზარზე არსებული ვითარების მნიშვნელოვან გაუმჯობესებას, პირიქით, მას შეუძლია გაფიცვა მოახდინოს ევროპელ და ამერიკელ ფერმერებს, რომლებმაც პირველად მრავალი წლის განმავლობაში პირველად მიიღეს კარგი ფულის გამომუშავება. მაგრამ შეუძლებელია ამ საკითხის ეთიკური ასპექტის ჩამოწერა მახინჯი ტანკებში "პურის" შევსებით, როდესაც მილიონობით ადამიანი შიმშილობს. ამიტომ, კერძოდ, ევროპელი პოლიტიკოსები ახლა უფრო მეტად გაითვალისწინებენ ბიოტექნოლოგიას, რაც უკვე დადასტურებულია განახლებადი ენერგიის წყაროებზე გადასვლის სტრატეგიის შესწორებით.

ამ სიტუაციაში, მიკროელემენტები უნდა გახდეს საწვავის უჯრედების გამოყენების ყველაზე პერსპექტიული სფერო. აქ არის, რომ საწვავის უჯრედებს ყველაზე მეტი შანსი აქვთ დასაფუძნებლად. პირველ რიგში, ის, ვინც ყიდულობს მობილურს, უფრო მეტად სურს ექსპერიმენტი, ვიდრე, მაგალითად, მანქანის მყიდველებს. და მეორეც, ისინი მზად არიან დახარჯონ ფული და, როგორც წესი, არ არიან მოწინააღმდეგე "სამყაროს გადარჩენა". ეს დასტურდება iPod Nano- ს წითელი "ბონო" ვერსიის უდიდესი წარმატებით, რომლის გაყიდვიდან გარკვეული თანხა წითელი ჯვრის ანგარიშებზე გადავიდა.

Apple iPod Nano- ის ბონო ვერსია

კომპანიებს შორის, რომლებმაც ყურადღება გამახვილეს პორტატული საწვავის უჯრედებზე, არის ის ფირმები, რომლებიც ადრე სპეციალიზირებულნი იყვნენ საწვავის უჯრედების შემუშავებაში და ახლა უბრალოდ გახსნეს განაცხადის ახალი დარგი, ასევე მიკროელემენტების წამყვანი მწარმოებლები. მაგალითად, ახლახან კომპანია MTI Micro- მა, რომელმაც შეცვალა თავისი ბიზნესი მობილური ელექტრონული მოწყობილობებისთვის მეტანოლის საწვავის უჯრედების წარმოებისთვის, განაცხადა, რომ 2009 წელს დაიწყება მასობრივი წარმოება. მან ასევე გააცნო მსოფლიოში პირველი GPS მოწყობილობა, რომელიც დაფუძნებულია მეთანოლის საწვავის უჯრედებზე. ამ კომპანიის წარმომადგენლების თქმით, უახლოეს მომავალში მისი პროდუქტები მთლიანად ჩაანაცვლებს ტრადიციულ ლითიუმ-იონური ბატარეებს. მართალია, თავიდან ისინი არ იქნება იაფი, მაგრამ ეს პრობლემა თან ახლავს ნებისმიერ ახალ ტექნოლოგიას.

ისეთი კომპანიისთვის, როგორიცაა Sony, რომელმაც ახლახანს აჩვენა DMFC მოწყობილობის თავისი ვერსია, რომელიც მულტიმედიური სისტემის უფლებამოსილებას ახდენს, ეს ტექნოლოგიები ახალია, მაგრამ ისინი სერიოზულად აპირებენ არ დაკარგონ ახალ პერსპექტიულ ბაზარზე. თავის მხრივ, შარფი კიდევ უფრო შორს წავიდა და, მისი პროტოტიპის საწვავის უჯრედის დახმარებით, ცოტა ხნის წინ დაინიშნა მსოფლიო რეკორდი სპეციფიკური ენერგიის სიმძლავრისთვის, ერთი კუბური სანტიმეტრის მეთილის სპირტისთვის, 0,3 ვატამდე. ამ საწვავის უჯრედების მწარმოებელი კომპანიები მრავალი ქვეყნის მთავრობასაც კი შეხვდნენ. ასე რომ, აეროპორტებმა აშშ-ში, კანადაში, დიდ ბრიტანეთში, იაპონიასა და ჩინეთში, მეტანოლის ტოქსიკურობისა და წვის მიუხედავად, გააუქმა სალონში მისი ტრანსპორტირების ადრე არსებული შეზღუდვები. რა თქმა უნდა, ეს ძალაშია მხოლოდ სერთიფიცირებული საწვავის უჯრედებისთვის, რომელთა მოცულობა არაუმეტეს 200 მლ. მიუხედავად ამისა, ეს კიდევ ერთხელ ადასტურებს ამ მოვლენებისადმი ინტერესი არა მხოლოდ ენთუზიასტების, არამედ სახელმწიფოების მხრიდან.

მართალია, მწარმოებლები კვლავ ცდილობენ მის უსაფრთხოებას და საწვავის უჯრედებს გვთავაზობენ ძირითადად, როგორც სარეზერვო ელექტრო სისტემა. ერთ-ერთი ასეთი გამოსავალი არის საწვავის უჯრედის და ბატარეის ერთობლიობა: სანამ საწვავი არსებობს, ის მუდმივად დააკისროს ბატარეას და ამოწურვის შემდეგ, მომხმარებელი უბრალოდ ცვლის ცარიელ ვაზნას ახალი მეთანოლის ავზით. კიდევ ერთი პოპულარული სფეროა დამტენების შექმნა საწვავის უჯრედებზე. მათი გამოყენება შესაძლებელია გადაადგილებაში. ამასთან, მათ შეუძლიათ სწრაფად დატენონ ბატარეები. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, მომავალში, შესაძლებელია, რომ ყველამ ასეთი ჯიში ჩაატაროს ჯიბეში. ეს მიდგომა შეიძლება განსაკუთრებით აქტუალური იყოს მობილური ტელეფონების შემთხვევაში. თავის მხრივ, ლაპტოპებმა შეიძლება ახლო მომავალში შეიძინონ ჩამონტაჟებული საწვავის უჯრედები, რომლებიც, თუ ისინი სრულად არ შეცვლიან დატენვას "განყოფილებიდან", მინიმუმ გახდება მისთვის სერიოზული ალტერნატივა.

ამრიგად, გერმანიის უმსხვილესი ქიმიური კომპანია BASF- ის პროგნოზით, რომელიც ახლახან გამოაცხადა იაპონიაში საწვავის უჯრედების განვითარების ცენტრის მშენებლობის დაწყების შესახებ, 2010 წლისთვის ამ მოწყობილობებისთვის ბაზარი 1 მილიარდი დოლარი იქნება. ამავე დროს, მისი ანალიტიკოსები პროგნოზირებენ საწვავის უჯრედების ბაზრის ზრდას 20 მილიარდ აშშ დოლარამდე 2020 წლისთვის. სხვათა შორის, ამ ცენტრში BASF გეგმავს შეიმუშაოს საწვავის უჯრედები პორტატული ელექტრონიკისთვის (კერძოდ, ლეპტოპების) და სტაციონარული ელექტროსისტემებისთვის. ამ საწარმოს ადგილი შემთხვევით არ შეირჩა - ამ ტექნოლოგიების მთავარი მყიდველები, გერმანული კომპანია ზუსტად ხედავს ადგილობრივ ფირმებს.

დასკვნის ნაცვლად

რა თქმა უნდა, თქვენ არ უნდა ელოდოთ საწვავის უჯრედებს, რომ ისინი შეცვლის არსებულ ენერგომომარაგების სისტემას. ყოველ შემთხვევაში, ჩაფიქრებულ მომავალში. ეს არის ორმაგი მახვილი: პორტატული ელექტროსადგურები, რა თქმა უნდა, უფრო ეფექტურია, მომხმარებლებისთვის ელექტროენერგიის მიწოდებასთან დაკავშირებული დანაკარგების არარსებობის გამო, მაგრამ ასევე გასათვალისწინებელია, რომ მათ შეუძლიათ ცენტრალური ენერგომომარაგების სისტემის სერიოზული კონკურენტი გახდეს მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ შეიქმნება ამ მცენარეთა ცენტრალური საწვავის მიწოდების სისტემა. ანუ, "გამოსავალი" საბოლოოდ უნდა შეიცვალოს გარკვეული მილით, რომელიც აწვდის საჭირო რეაგენტებს თითოეულ სახლსა და ყველა კვანძს. და ეს არ არის ისეთი თავისუფლება და დამოუკიდებლობა გარე ამჟამინდელი წყაროებისგან, რომელთა ნახსენებია საწვავის უჯრედების მწარმოებლები.

ამ მოწყობილობებს უდავო უპირატესობა აქვთ დატენვის სისწრაფეში - მათ უბრალოდ შეცვალეს ვაზნა მეტანოლით (ექსტრემალურ შემთხვევებში, დატაცებული ჯეკ დენიელის ძეგლის უყურადღებობა) კამერაში და ისევ ლუვრის მუზეუმის კიბეებზე სრიალებდნენ. მეორეს მხრივ, თუ, ვთქვათ, ჩვეულებრივი ტელეფონი დარეცხავს. ორი საათის შემდეგ და საჭიროებს დატენვას ყოველ 2-3 დღეში, ნაკლებად სავარაუდოა, რომ კარტრიჯის შეცვლის ალტერნატივა, რომელიც გაიყიდება მხოლოდ სპეციალიზირებულ მაღაზიებში, თუნდაც ორ კვირაში ერთხელ მაინც მოითხოვდეს მასის მომხმარებელი და, რა თქმა უნდა, მაშინაც კი, როდესაც ეს იმალება უსაფრთხო ჰერმეტული კონტეინერი, რამდენიმე ასეული მილილიტრი საწვავი მიაღწევს საბოლოო მომხმარებელს, მის ფასს არსებითად გაიზრდება.ამ ფასის ამ ზრდასთან ერთად შესაძლებელი იქნება მხოლოდ წარმოების მასშტაბის ბრძოლა, და - იქნება ეს მასშტაბები მოთხოვნა ბაზარზე? და სანამ არ აირჩევთ საწვავის ოპტიმალურ ტიპს, ეს პრობლემა მოგვარდება ძალიან პრობლემურია.

მეორე მხრივ, ტრადიციული დატენვის ერთობლიობა "გამოსასვლელიდან", საწვავის უჯრედებიდან და სხვა ალტერნატიული ენერგიის მიწოდების სისტემებიდან (მაგალითად, მზის პანელები) შეიძლება იყოს ელექტროენერგიის მიწოდების დივერსიფიკაციისა და გარემოზე გადასვლის პრობლემა. ამასთან, ელექტრონული პროდუქციის გარკვეულ ჯგუფში საწვავის უჯრედები შეიძლება ფართოდ იქნას გამოყენებული. ეს დასტურდება იმით, რომ ახლახან Canon– მა დაპატენტა საკუთარი საწვავის უჯრედები ციფრული კამერებისთვის და გამოაცხადა სტრატეგია ამ ტექნოლოგიების მის გადაწყვეტილებებში დანერგვის მიზნით. რაც შეეხება ლაპტოპებს, თუ საწვავის უჯრედები მათ უახლოეს მომავალში მიაღწევენ, ის სავარაუდოდ მხოლოდ სარეზერვო ენერგოსისტემის სახით გამოდგება. მაგალითად, ჩვენ ძირითადად ვსაუბრობთ გარე დატენვის მოდულებზე, რომლებიც დამატებით უკავშირდება ლეპტოპს.

მაგრამ ამ ტექნოლოგიებს აქვთ განვითარების გრძელვადიანი დიდი პერსპექტივები. კერძოდ, ნავთობის შიმშილის საფრთხის გათვალისწინებით, რომელიც შეიძლება მომდევნო რამდენიმე ათწლეულში მოვიდეს. ამ პირობებში, უფრო მნიშვნელოვანია, არც თუ ისე იაფი იქნება საწვავის უჯრედების წარმოება, მაგრამ რამდენად იქნება საწვავის წარმოება, ეს იქნება დამოუკიდებელი პეტროქიმიური ინდუსტრიისგან და შეუძლია თუ არა მას დაფარვა ამის საჭიროება.

არავინ გაგიკვირდებათ არც მზის პანელებით, არც ქარის წისქვილებით, რომლებიც ელექტროენერგიას წარმოქმნიან მსოფლიოს ყველა რეგიონში. მაგრამ ამ მოწყობილობებისგან გენერაცია არ არის მუდმივი და თქვენ უნდა დააინსტალიროთ სარეზერვო ელექტროენერგიის წყაროები, ან ქსელზე მიერთდეთ ელექტროენერგიის მისაღებად იმ დროს, როდესაც განახლებადი ენერგიის ობიექტები არ წარმოქმნიან ელექტროენერგიას. ამასთან, არსებობს მე –19 საუკუნეში შემუშავებული დანადგარები, რომლებიც იყენებენ “ალტერნატიულ” საწვავს ელექტროენერგიის წარმოებისთვის, ანუ ისინი არ იწვებიან გაზს ან ნავთობპროდუქტებს. ასეთი დანადგარები საწვავის უჯრედებია.

შექმნის ისტორია

საწვავის უჯრედები (FCs) ან საწვავის უჯრედები აღმოაჩინეს ჯერ კიდევ 1838-1839 წლებში უილიამ გროვმა (Grove, Grove), როდესაც მან შეისწავლა წყლის ელექტროლიზა.

ცნობა: წყლის ელექტროლიზი - წყლის დაშლის პროცესი ელექტრო დენის მოქმედებით წყალბადის და ჟანგბადის მოლეკულებში.

მას შემდეგ, რაც ბატარეა ელექტროლიტური უჯრედისგან გათიშვა, მან გაუკვირდა, რომ ელექტროდებმა დაიწყეს გამოთავისუფლებული გაზის ათვისება და დენის წარმოქმნა. წყალბადის ელექტროქიმიური "ცივი" დაწვის პროცესის აღმოჩენა მნიშვნელოვანი მოვლენა გახდა ენერგეტიკის სექტორში. მან მოგვიანებით შექმნა Grove ბატარეა. ამ მოწყობილობაში იყო პლატინის ელექტროდი, რომელიც ჩაეფლო აზოტის მჟავას და თუთიის სულფატში თუთიის ელექტროდი. მან შექმნა 12 ამპერი და ძაბვა 8 ვოლტამდე. თავად გრომ ამ დიზაინს უწოდა სველი ბატარეა. შემდეგ მან შექმნა ბატარეა ორი პლატინის ელექტროდის გამოყენებით. თითოეული ელექტროდის ერთი დასასრული იყო გოგირდმჟავაში, ხოლო მეორე ბოლოები დალუქული იყო წყალბადის და ჟანგბადის მქონე კონტეინერებში. ელექტროდებს შორის სტაბილური დენი მოხდა, ხოლო კონტეინერებში წყლის რაოდენობა გაიზარდა. გროვმა შეძლო ამ მოწყობილობაში წყლის დაშლა და გაუმჯობესება.

ბატარეის ბატარეა

(წყარო: ბუნებრივი ისტორიის ეროვნული მუზეუმის სამეფო საზოგადოება)

ტერმინი "საწვავის უჯრედი" (Eng. "საწვავის უჯრედი") მხოლოდ 1889 წელს გამოჩნდა ლ. მენდისა და
   C. Langer, ცდილობს შექმნას მოწყობილობა საჰაერო და ნახშირის გაზებიდან ელექტროენერგიის წარმოქმნისათვის.

როგორ მუშაობს?

საწვავის უჯრედი შედარებით მარტივი მოწყობილობაა. მას აქვს ორი ელექტროდი: ანოდი (უარყოფითი ელექტროდი) და კათოდი (დადებითი ელექტროდი). ქიმიური რეაქცია ხდება ელექტროდების დროს. მისი დაჩქარების მიზნით, ელექტროდების ზედაპირი დაფარულია კატალიზატორით. TE- ები აღჭურვილია კიდევ ერთი ელემენტით - მემბრანა.საწვავის ქიმიური ენერგიის პირდაპირ ელექტროენერგიად გადაქცევა ხდება მემბრანის მუშაობით. იგი ჰყოფს უჯრედის ორ პალატას, რომლითაც მიეწოდება საწვავი და ოქსიდაზატორი. მემბრანა საშუალებას აძლევს მხოლოდ პროტონებს, რომლებიც გამოწვეულია კატალიზატორით ჩასაფარებელ ელექტროდზე საწვავის გაყოფით, ერთი პალატიდან მეორეზე გადასასვლელად (ამ შემთხვევაში ელექტრონები გადის გარე წრეზე). მეორე პალატაში პროტონები გაერთიანდება ელექტრონებით (და ჟანგბადის ატომებით), რათა შექმნან წყალი.

წყალბადის საწვავის უჯრედის მუშაობის პრინციპი

ქიმიურ დონეზე, საწვავის ენერგიის ელექტრო ენერგიად გადაქცევის პროცესი ჩვეულებრივი წვის (დაჟანგვის) პროცესს წააგავს.

ჩვეულებრივი წვის დროს ჟანგბადი ჟანგავს წიაღისეულ საწვავს, ხოლო საწვავის ქიმიური ენერგია გადადის სითბოს. ვნახოთ, რა ხდება წყალბადის მიერ ჟანგბადის დაჟანგვის დროს ელექტროლიტური საშუალების და ელექტროდების არსებობის დროს.

წყალბადის წყალბადში მოთავსებული ელექტროდის საშუალებით წყალბადის კვების გზით, ქიმიური რეაქცია მიმდინარეობს:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

როგორც ხედავთ, ჩვენ ვიღებთ ელექტრონებს, რომლებიც, გარეგანი წრის გავლით, მიდიან მოპირდაპირე ელექტროდთან, რომელზედაც ჟანგბადი შედის და სადაც ხდება რეაქცია:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

ჩანს, რომ შედეგად მიღებული რეაქცია 2H 2 + O 2 → H 2 O იგივეა, რაც ნორმალური წვის დროს, მაგრამ ელექტრო ენერგია წარმოიქმნება საწვავის უჯრედში და ნაწილობრივ სითბოს.

საწვავის ელემენტების ტიპები

ჩვეულებრივ, შესაძლებელია საწვავის უჯრედების კლასიფიკაცია რეაქციის მიმდინარეობის დროს გამოყენებული ელექტროლიტის მიხედვით:

გაითვალისწინეთ, რომ ქვანახშირი, ნახშირორჟანგი, ალკოჰოლი, ჰიდრაზინი, სხვა ორგანული ნივთიერებები ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც საწვავის უჯრედებში, ხოლო ჰაერი, წყალბადის ზეჟანგი, ქლორი, ბრომი, აზოტის მჟავა და ა.შ.

საწვავის ელემენტის ეფექტი

საწვავის უჯრედების მახასიათებელია ეფექტურობის მკაცრი შეზღუდვის არარსებობაგათბობის ძრავების მსგავსად.

დახმარება: ეფექტურობაკარნოტის ციკლი   ეფექტურობა არის ყველაზე მაღალი, რაც შესაძლებელია ყველა სითბოს ძრავში, რომელსაც აქვს იგივე მინიმალური და მაქსიმალური ტემპერატურა.

ამიტომ, საწვავის უჯრედების ეფექტურობა თეორიულად შეიძლება იყოს 100% -ზე მაღალი. ბევრმა გაიცინა და იფიქრა: "მარადიული მოძრაობის მანქანა გამოიგონა საშუალებებმა". არა, აქ ღირს სკოლის ქიმიის კურსზე დაბრუნება. საწვავის უჯრედი ემყარება ქიმიური ენერგიის ელექტრო ენერგიად გადაქცევას. სწორედ აქ წარმოიქმნება სასწაულები. პროცესის მსვლელობისას გარკვეულ ქიმიურ რეაქციებს შეუძლიათ გარემოსგან სითბოს შთანთქმა.

მითითება: ენდოთერმული რეაქციები - ქიმიური რეაქციები, რომელსაც თან ახლავს სითბოს შეწოვა. ენდოთერმული რეაქციების დროს, ენთალპიასა და შინაგან ენერგიაში ცვლილებას აქვს დადებითი მნიშვნელობა (Δთ >0, Δ უ \u003e 0), ამრიგად, რეაქციის პროდუქტები შეიცავს უფრო მეტ ენერგიას, ვიდრე თავდაპირველი კომპონენტები.

ასეთი რეაქციის მაგალითია წყალბადის დაჟანგვა, რომელიც გამოიყენება უმეტეს საწვავის უჯრედებში. ამიტომ, თეორიულად, ეფექტურობა შეიძლება იყოს 100% -ზე მეტი. დღეს, საწვავის უჯრედები ათბობენ მუშაობის დროს და ვერ აღიქვამენ გარემოდან სითბოს.

მითითება: ეს შეზღუდვა ითვალისწინებს თერმოდინამიკის მეორე კანონს. სითბოს გადატანა "ცივი" სხეულიდან "ცხელ" სხეულში შეუძლებელია.

გარდა ამისა, არის დანაკარგები, რომლებიც დაკავშირებულია არააკვალიფიკაციურ პროცესებთან. მაგალითად: ოჰუმური დანაკარგები ელექტროლიტებისა და ელექტროდების გამტარობის, გააქტიურებისა და კონცენტრაციის პოლარიზაციის, დიფუზიის დანაკარგების გამო. ამის შედეგად, საწვავის უჯრედებში წარმოქმნილი ენერგიის ნაწილი გარდაიქმნება სითბოს. ამიტომ საწვავის უჯრედები არ არიან მუდმივი მოძრაობის მანქანები და მათი ეფექტურობა 100% -ზე ნაკლებია. მაგრამ მათი ეფექტურობა უფრო მეტია, ვიდრე სხვა მანქანების. დღეს საწვავის უჯრედების ეფექტურობა აღწევს 80%.

დახმარება:  ორმოციან წლებში, ინგლისელმა ინჟინერმა ტ. ბეკონმა დააპროექტა და ააშენა საწვავის უჯრედის ბატარეა, რომლის საერთო სიმძლავრე 6 კვტ და ეფექტურობაა 80%, მოქმედებს სუფთა წყალბადზე და ჟანგბადზე, მაგრამ ძალაუფლების შეფარდება ბატარეის წონაზე ძალიან მცირე იყო - ასეთი ელემენტები არ იყო შესაფერისი პრაქტიკული გამოყენებისთვის და ძალიან ძვირი (წყარო: http://www.powerinfo.ru/).

საწვავის ელემენტების პრობლემები

თითქმის საწვავის უჯრედები წყალბადს იყენებენ როგორც საწვავს, ამიტომ ლოგიკური კითხვა ჩნდება: "სად შემიძლია მივიღო ის?"

როგორც ჩანს, მათ ელექტროლიზის შედეგად გახსნეს საწვავის უჯრედი, ასე რომ თქვენ შეგიძლიათ გამოიყენოთ ელექტროლიზის შედეგად გამოთავისუფლებული წყალბადი. მოდით განვიხილოთ ეს პროცესი უფრო დეტალურად.

ფარადეის კანონის თანახმად: მატერიის რაოდენობა, რომელიც ჟანგდება ანოდში ან კათოდში შემცირდება, პროპორციულია ელექტროლიტის გავლით გატარებული ელექტროენერგიის რაოდენობით. ასე რომ, უფრო მეტი წყალბადის მისაღებად, მეტი ელექტროენერგია უნდა დახარჯოთ. წყლის ელექტროლიზის არსებული მეთოდები გადის ეფექტურობით, ვიდრე ერთიანობა. შემდეგ მიღებულ წყალბადს ვიყენებთ საწვავის უჯრედში, სადაც ეფექტურობა ასევე ნაკლებია ვიდრე ერთიანობა. ამიტომ, ჩვენ უფრო მეტ ენერგიას დახარჯავთ, ვიდრე შეგვიძლია წარმოქმნა.

რა თქმა უნდა, ბუნებრივი აირიდან მიღებული წყალბადის გამოყენება შეიძლება. წყალბადის წარმოების ეს მეთოდი რჩება ყველაზე იაფი და პოპულარული. ამჟამად, მსოფლიოში წარმოებული წყალბადის დაახლოებით 50% მიიღება ბუნებრივი გაზიდან. მაგრამ პრობლემაა წყალბადის შენახვისა და ტრანსპორტირების პრობლემა. წყალბადს აქვს დაბალი სიმკვრივე ( წყალბადის ერთი ლიტრი იწონის 0.0846 გ), შესაბამისად, მისი გადატანა დიდი მანძილზე, აუცილებელია მისი შეკუმშვა. ეს არის დამატებითი ენერგიისა და ფულის ხარჯები. ასევე, ნუ დაივიწყებთ უსაფრთხოების შესახებ.

ამასთან, გამოსავალი ასევე არსებობს - თხევადი ნახშირწყალბადის საწვავი შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც წყალბადის წყარო. მაგალითად, ეთილის ან მეთილის სპირტი. მართალია, აქ უკვე საჭიროა სპეციალური დამატებითი მოწყობილობა - საწვავის გადამყვანი, მაღალ ტემპერატურაზე (მეტანოლისთვის ეს იქნება დაახლოებით 240 ° C ტემპერატურაზე) ალკოჰოლების გადაქცევა აირისებრი H 2 და CO 2 ნარევით. მაგრამ ამ შემთხვევაში უკვე რთულია ვიფიქროთ პორტაბელურობაზე - ასეთი მოწყობილობები კარგად არის გამოყენებული, როგორც სტაციონარული ან საავტომობილო გენერატორები, მაგრამ კომპაქტური მობილური აღჭურვილობისთვის გჭირდებათ რაღაც ნაკლებად რთული.

კატალიზატორი

TE- ში რეაქციის გასაზრდელად, ანოდის ზედაპირი ჩვეულებრივ კატალიზატორია. ბოლო დრომდე, პლატინა გამოიყენებოდა როგორც კატალიზატორი. ამიტომ საწვავის უჯრედის ღირებულება მაღალი იყო. მეორეც, პლატინა არის შედარებით იშვიათი ლითონი. ექსპერტების აზრით, საწვავის უჯრედების ინდუსტრიულ წარმოებაში, პლატინის დადასტურებული რეზერვები დასრულდება 15-20 წლის განმავლობაში. მაგრამ მთელს მსოფლიოში მეცნიერები ცდილობენ პლატინის შეცვლა სხვა მასალებით. სხვათა შორის, ზოგიერთმა მათგანმა მიაღწია კარგ შედეგს. ასე რომ, ჩინელმა მეცნიერებმა შეცვალეს პლატინი კალციუმის ოქსიდით (წყარო: www.cheburek.net).

საწვავის ელემენტების გამოყენება

პირველად, საწვავის უჯრედი შემოწმდა საავტომობილო მანქანებში 1959 წელს. ალისა-ჩამბერების ტრაქტორმა გამოიყენა 1,008 ბატარეა ოპერაციისთვის. საწვავი იყო გაზების, ძირითადად პროპანისა და ჟანგბადის ნაზავი.

წყარო: http://www.planetseed.com/

60-იანი წლების შუა პერიოდიდან, "კოსმოსური რბენის" სიმაღლეზე, კოსმოსური ხომალდების შემქმნელები დაინტერესდნენ საწვავის უჯრედებით. ათასობით მეცნიერისა და ინჟინრის მუშაობამ საშუალება მისცა ახალ დონემდე მიეღწია, ხოლო 1965 წელს. საწვავის უჯრედების ტესტირება განხორციელდა შეერთებულ შტატებში Gemini 5-ის კოსმოსურ ხომალდზე, მოგვიანებით კი Apollo– ს ხომალდებზე ფრენისთვის მთვარეზე და Shuttle– ის პროგრამით. სსრკ – ში საწვავის უჯრედები შეიქმნა NPO Kvant– ში, ასევე სივრცეში გამოყენებისთვის (წყარო: http://www.powerinfo.ru/).

მას შემდეგ, რაც წყალი წარმოადგენს წყალბადის წვის საბოლოო პროდუქტს საწვავის უჯრედში, ისინი გარემოზე ზემოქმედების თვალსაზრისით ყველაზე სუფთა მიიჩნევა. ამიტომ საწვავის უჯრედებმა დაიწყეს პოპულარობის მოპოვება ეკოლოგიისადმი ზოგადი ინტერესის ფონზე.

უკვე გამოჩნდა, რომ ავტომობილების მწარმოებლებმა, როგორიცაა Honda, Ford, Nissan და Mercedes-Benz შექმნეს წყალბადის საწვავის უჯრედის მანქანები.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force წყალბადი

წყალბადის მანქანების გამოყენებისას წყდება წყალბადის შენახვის პრობლემა. წყალბადის მქონე ბენზინგასამართი სადგურების მშენებლობა საშუალებას მოგვცემს სადმე შეავსოთ საწვავი. უფრო მეტიც, წყალბადის მქონე ავტომობილზე საწვავის დატენვა უფრო სწრაფია, ვიდრე ბენზინგასამართ სადგურზე ელექტრული მანქანის დატენვა. მაგრამ ამგვარი პროექტების განხორციელებისას მათ ისეთი პრობლემა შეექმნათ, როგორიცაა ელექტრო მანქანები. ხალხი მზად არის წყალბადზე მომუშავე მანქანაში "გადაყვანა", თუკი მათთვის ინფრასტრუქტურა არსებობს. და ბენზინგასამართი სადგურების მშენებლობა დაიწყება იმ შემთხვევაში, თუ საკმარისი მომხმარებელი იქნება. ამიტომ, კვერცხები და ქათამი კვლავ მივიდნენ დილემამდე.

საწვავის უჯრედები ფართოდ იყენებენ მობილურ ტელეფონებსა და ლეპტოპებში. უკვე გავიდა დრო, როდესაც კვირაში ერთხელ ტელეფონის დატენვა მოხდა. ახლა ტელეფონი თითქმის ყოველდღე იტენება, ხოლო ქსელის გარეშე ლეპტოპი მუშაობს 3-4 საათის განმავლობაში. აქედან გამომდინარე, მობილური ტექნიკის მწარმოებლებმა გადაწყვიტეს, რომ დატენონ და მუშაობდნენ საწვავის უჯრედი ტელეფონებით და ლაპტოპებით. მაგალითად, კომპანია Toshiba 2003 წელს. აჩვენა მზა პროტოტიპი მეტანოლის საწვავის უჯრედი. ეს იძლევა 100 მტვტ ბრძანების სიმძლავრეს. კონცენტრირებული (99.5%) მეტანოლის 2 კუბში ერთი შევსება საკმარისია MP3 ფლეერის მუშაობისთვის 20 საათის განმავლობაში. ისევ იგივე, იგივე Toshiba- მ აჩვენა 275x75x40 მმ გაზომვისათვის ლეპტოპების ენერგიის ელემენტი, რაც კომპიუტერს საშუალებას აძლევდა მუშაობდეს 5 საათის განმავლობაში ერთი საწვავისგან.

მაგრამ ზოგი მწარმოებლები უფრო შორს წავიდნენ. PowerTrekk- მა გამოუშვა ამავე სახელის დამტენი. PowerTrekk არის პირველი წყლის დამტენი მსოფლიოში. მისი გამოყენება ძალიან მარტივია. PowerTrekk- ს სჭირდება წყლის დამატება, რათა უზრუნველყოს მყისიერი ელექტროენერგია USB კაბელის საშუალებით. ეს საწვავის უჯრედი შეიცავს სილიციუმის ფხვნილს და ნატრიუმის სილიციდს (NaSi), როდესაც წყალთან შერეულია, ეს კომბინაცია წარმოქმნის წყალბადს. წყალბადი შერეულია ჰაერით საწვავის უჯრედში და იგი მემბრან-პროტონის გაცვლის გზით წყალბადს ელექტროენერგიად გარდაქმნის, გულშემატკივართა და ტუმბოების გარეშე. ასეთი პორტატული დამტენი შეგიძლიათ შეიძინოთ 149 € (