საწვავის უჯრედები. საწვავის უჯრედები: მიმოხილვა მომავალში

შეერთებულმა შტატებმა მიიღო რამდენიმე ინიციატივა წყალბადის საწვავის უჯრედების, ინფრასტრუქტურისა და ტექნოლოგიების შესაქმნელად, რათა საწვავის უჯრედების მანქანები პრაქტიკული და ეკონომიური გახდეს 2020 წლისთვის. ამ მიზნებისთვის გამოყოფილია მილიარდზე მეტი დოლარი.

საწვავის უჯრედები წარმოქმნიან ელექტროენერგიას მშვიდად და ეფექტურად გარემოს დაბინძურების გარეშე. ენერგიის წყაროებისგან განსხვავებით, რომლებიც იყენებენ წიაღისეულ საწვავს, საწვავის უჯრედების ქვეპროდუქტები არის სითბო და წყალი. Როგორ მუშაობს?

ამ სტატიაში ჩვენ მოკლედ მიმოვიხილავთ დღეს არსებულ საწვავის თითოეულ ტექნოლოგიას, ასევე ვისაუბრებთ საწვავის უჯრედების დიზაინზე და მუშაობაზე და შევადარებთ მათ ენერგიის წარმოების სხვა ფორმებს. ჩვენ ასევე განვიხილავთ ზოგიერთ დაბრკოლებას მკვლევარების წინაშე, რათა საწვავის უჯრედები გახადონ პრაქტიკული და ხელმისაწვდომი მომხმარებლისათვის.

საწვავის უჯრედებია ელექტროქიმიური ენერგიის გარდამქმნელი მოწყობილობები... საწვავის უჯრედი გარდაქმნის ქიმიკატებს, წყალბადს და ჟანგბადს წყალში, ელექტროენერგიის წარმოქმნის პროცესში.

კიდევ ერთი ელექტროქიმიური მოწყობილობა, რომელიც ჩვენ ყველამ ვიცით, არის ბატარეა. ბატარეას აქვს ყველა საჭირო ქიმიური ელემენტი შიგნით და გარდაქმნის ამ ნივთიერებებს ელექტროენერგიად. ეს ნიშნავს, რომ ბატარეა საბოლოოდ "კვდება" და თქვენ ან გადააგდებთ მას ან იტენებით.

საწვავის უჯრედში ქიმიკატები მუდმივად შემოდის მასში ისე, რომ ის არასოდეს "კვდება". ელექტროენერგია გამოიმუშავებს მანამ, სანამ ქიმიურ ნივთიერებებს მიეწოდება ელემენტი. დღეს გამოყენებული საწვავის უჯრედები იყენებენ წყალბადს და ჟანგბადს.

წყალბადი არის ყველაზე უხვი ელემენტი ჩვენს გალაქტიკაში. ამასთან, წყალბადი პრაქტიკულად არ არსებობს დედამიწაზე მისი ელემენტარული ფორმით. ინჟინრებმა და მეცნიერებმა უნდა ამოიღონ სუფთა წყალბადი წყალბადის ნაერთებიდან, მათ შორის წიაღისეული საწვავი ან წყალი. ამ ნაერთებიდან წყალბადის მოსაპოვებლად საჭიროა ენერგიის დახარჯვა სითბოს ან ელექტროენერგიის სახით.

საწვავის უჯრედების გამოგონება

სერ უილიამ გროვმა გამოიგონა პირველი საწვავის უჯრედი 1839 წელს. გროვმა იცოდა, რომ წყალს წყალბადად და ჟანგბადში ყოფნა შეეძლო მასში ელექტრული დენის გავლით (პროცესი ე.წ ელექტროლიზი). მან თქვა, რომ საპირისპირო მიზნით, ელექტროენერგიის და წყლის მიღება შეიძლებოდა. მან შექმნა პრიმიტიული საწვავის უჯრედი და დაარქვა მას გაზის გალვანური ბატარეა... თავისი ახალი გამოგონების ექსპერიმენტებით გროვმა დაამტკიცა თავისი ჰიპოთეზა. ორმოცდაათი წლის შემდეგ მეცნიერებმა ლუდვიგ მონდმა და ჩარლზ ლანგერმა ეს ტერმინი შემოიღეს საწვავის უჯრედებიელექტროენერგიის წარმოების პრაქტიკული მოდელის შექმნის მცდელობისას.

საწვავის უჯრედი კონკურენციას გაუწევს ენერგიის გარდამქმნელ ბევრ სხვა მოწყობილობას, მათ შორის გაზის ტურბინებს ურბანულ ელექტროსადგურებში, შიდა წვის ძრავებში მანქანებში და ყველა სახის ბატარეას. შიდა წვის ძრავები, გაზის ტურბინების მსგავსად, წვავს სხვადასხვა სახის საწვავს და იყენებენ გაზების გაფართოების შედეგად წარმოქმნილ წნევას მექანიკური სამუშაოს შესასრულებლად. ბატარეები საჭიროების შემთხვევაში გარდაქმნიან ქიმიურ ენერგიას ელექტრო ენერგიად. საწვავის უჯრედებმა ეს ამოცანები უფრო ეფექტურად უნდა შეასრულონ.

საწვავის უჯრედი უზრუნველყოფს DC (პირდაპირი დენის) ძაბვას, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას ელექტროძრავების, განათების და სხვა ელექტრო მოწყობილობების ენერგიაზე.

არსებობს რამდენიმე სხვადასხვა ტიპის საწვავის უჯრედი, რომელთაგან თითოეული იყენებს სხვადასხვა ქიმიურ პროცესს. საწვავის უჯრედები ჩვეულებრივ კლასიფიცირდება მათი მიხედვით ოპერაციული ტემპერატურადა ტიპიელექტროლიტი,რომელსაც ისინი იყენებენ. საწვავის უჯრედების ზოგიერთი ტიპი კარგად შეეფერება სტაციონარული ელექტროსადგურების გამოყენებას. სხვები შეიძლება სასარგებლო იყოს მცირე ხელის მოწყობილობებისთვის ან მანქანების დასაძრავად. საწვავის უჯრედების ძირითადი ტიპები მოიცავს:

პოლიმერული გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედი (PEMFC)

PEMFC ითვლება ყველაზე სავარაუდო კანდიდატად სატრანსპორტო პროგრამებისთვის. PEMFC– ს აქვს როგორც მაღალი სიმძლავრე, ასევე შედარებით დაბალი ტემპერატურა (60 – დან 80 გრადუსამდე ცელსიუსამდე). დაბალი საოპერაციო ტემპერატურა ნიშნავს იმას, რომ საწვავის უჯრედებს შეუძლიათ სწრაფად გაათბონ ელექტროენერგიის გამომუშავების დასაწყებად.

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედი (SOFC)

ეს საწვავის უჯრედები ყველაზე შესაფერისია დიდი სტაციონარული ენერგიის გენერატორებისთვის, რომლებსაც შეუძლიათ ქარხნის ან ქალაქის ენერგია. ამ ტიპის საწვავის უჯრედი მუშაობს ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე (700 -დან 1000 გრადუსამდე ცელსიუსამდე). მაღალი ტემპერატურა საიმედოობის პრობლემაა, რადგან ზოგიერთი საწვავის უჯრედი შეიძლება ჩაირთოს ჩართვისა და გამორთვის რამდენიმე ციკლის შემდეგ. თუმცა, მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები ძალიან სტაბილურია უწყვეტი მუშაობის დროს. მართლაც, SOFC– ებმა აჩვენეს ნებისმიერი საწვავის უჯრედის ყველაზე ხანგრძლივი სიცოცხლე გარკვეულ პირობებში. მაღალ ტემპერატურას ასევე აქვს უპირატესობა: საწვავის უჯრედების მიერ წარმოქმნილი ორთქლი შეიძლება მიმართული იყოს ტურბინებზე და გამოიმუშაოს მეტი ელექტროენერგია. ამ პროცესს ქვია სითბოს და ელექტროენერგიის კოგენერაციადა აუმჯობესებს სისტემის საერთო ეფექტურობას.

ტუტე საწვავის უჯრედი (AFC)

ეს არის ერთ -ერთი უძველესი საწვავის უჯრედის დიზაინი, რომელიც გამოიყენება 1960 -იანი წლებიდან. AFC ძალიან მგრძნობიარეა დაბინძურების მიმართ, რადგან მათ სჭირდებათ სუფთა წყალბადი და ჟანგბადი. გარდა ამისა, ისინი ძალიან ძვირია, ამიტომ ამ ტიპის საწვავის უჯრედი ნაკლებად სავარაუდოა, რომ მასობრივ წარმოებაში ჩაეშვას.

გამდნარი-კარბონატული საწვავის უჯრედი (MCFC)

SOFC– ების მსგავსად, ეს საწვავის უჯრედები ასევე საუკეთესოდ შეეფერება დიდ სტაციონარულ ელექტროსადგურებსა და გენერატორებს. ისინი მუშაობენ 600 გრადუს ცელსიუსზე, ასე რომ მათ შეუძლიათ გამოიმუშაონ ორთქლი, რაც თავის მხრივ შეიძლება გამოყენებულ იქნას კიდევ უფრო მეტი ენერგიის გამომუშავებისთვის. მათ აქვთ უფრო დაბალი სამუშაო ტემპერატურა, ვიდრე მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები, რაც იმას ნიშნავს, რომ მათ არ სჭირდებათ ასეთი სითბოს მდგრადი მასალები. ეს მათ ოდნავ უფრო იაფს ხდის.

ფოსფორის მჟავა საწვავის უჯრედი (PAFC)

ფოსფორის მჟავის საწვავის უჯრედიაქვს პოტენციალი გამოიყენოს მცირე სტაციონარული ენერგოსისტემებში. იგი მუშაობს უფრო მაღალ ტემპერატურაზე, ვიდრე პოლიმერული მემბრანის საწვავის უჯრედი, ამიტომ გაციებას მეტი დრო სჭირდება, რაც მას ავტომობილებში გამოსაყენებლად უვარგისი ხდის.

პირდაპირი მეთანოლის საწვავის უჯრედი (DMFC)

მეთანოლის საწვავის უჯრედები შედარებადია PEMFC– ებთან მუშაობის ტემპერატურის თვალსაზრისით, მაგრამ არა ისეთი ეფექტური. გარდა ამისა, DMFC– ებს საკმაოდ ბევრი პლატინა სჭირდება კატალიზატორის შესასრულებლად, რაც ამ საწვავის უჯრედებს ძვირი ხდის.

საწვავის უჯრედი პოლიმერული გაცვლის გარსით

პოლიმერული მემბრანის გაცვლის საწვავის უჯრედი (PEMFC) არის ერთ -ერთი ყველაზე პერსპექტიული საწვავის უჯრედის ტექნოლოგია. PEMFC იყენებს ნებისმიერი საწვავის უჯრედის ერთ -ერთ უმარტივეს რეაქციას. განვიხილოთ რისგან შედგება.

1. ა კვანძი - საწვავის უჯრედის უარყოფითი ტერმინალი. ის ატარებს ელექტრონებს, რომლებიც გამოიყოფა წყალბადის მოლეკულებისგან, რის შემდეგაც მათი გამოყენება შესაძლებელია გარე წრეში. მას აქვს ამოტვიფრული არხები, რომლის მეშვეობითაც წყალბადი თანაბრად ნაწილდება კატალიზატორის ზედაპირზე.

2.TO ატოდე - საწვავის უჯრედის პოზიტიურ ტერმინალს ასევე აქვს ჟანგბადის განაწილების კატალიზატორის ზედაპირზე. იგი ასევე ატარებს ელექტრონებს უკან გარე კატალიზატორის ჯაჭვიდან, სადაც მათ შეუძლიათ წყალბადის და ჟანგბადის იონებთან ერთად წყლის წარმოქმნა.

3.ელექტროლიტი-პროტონის გაცვლის მემბრანა... ეს არის სპეციალურად დამუშავებული მასალა, რომელიც ატარებს მხოლოდ დადებითად დამუხტულ იონებს და ბლოკავს ელექტრონებს. PEMFC– ებით, მემბრანა უნდა იყოს ტენიანი, რათა სწორად ფუნქციონირებდეს და დარჩეს სტაბილური.

4. კატალიზატორიარის სპეციალური მასალა, რომელიც ხელს უწყობს ჟანგბადის და წყალბადის რეაქციას. ის ჩვეულებრივ დამზადებულია პლატინის ნანონაწილაკებისგან, რომელიც ძალიან თხლად გამოიყენება ნახშირბადის ქაღალდზე ან ქსოვილზე. კატალიზატორს აქვს ისეთი სტრუქტურა, რომ პლატინის მაქსიმალური ზედაპირი შეიძლება წყალბადის ან ჟანგბადის ზემოქმედების ქვეშ იყოს.

ფიგურა გვიჩვენებს წყალბადის გაზის (H2) წნევის ქვეშ საწვავის უჯრედში ანოდის მხრიდან. როდესაც H2 მოლეკულა შეხდება პლატინასთან კატალიზატორზე, ის იყოფა ორ H + იონად და ორ ელექტრონად. ელექტრონები გადიან ანოდში, სადაც ისინი გამოიყენება გარე წრეში (აკეთებენ სასარგებლო სამუშაოს, როგორიცაა ძრავის ბრუნვა) და უკან ბრუნდებიან საწვავის უჯრედის კათოდურ მხარეს.

იმავდროულად, საწვავის უჯრედის კათოდურ მხარეს, ჰაერიდან ჟანგბადი (O2) გადის კატალიზატორში, სადაც ის ქმნის ჟანგბადის ორ ატომს. თითოეულ ამ ატომს აქვს ძლიერი უარყოფითი მუხტი. ეს უარყოფითი მუხტი იზიდავს ორ H + იონს მემბრანის გასწვრივ, სადაც ისინი აერთებენ ჟანგბადის ატომს და ორ ელექტრონს გარე წრიდან, ქმნიან წყლის მოლეკულას (H2O).

ეს რეაქცია ერთ საწვავის უჯრედში მხოლოდ 0,7 ვოლტს გამოიმუშავებს. ძაბვის გონივრულ დონემდე ასამაღლებლად ბევრი ინდივიდუალური საწვავის უჯრედი უნდა გაერთიანდეს საწვავის უჯრედების დასტის შესაქმნელად. ბიპოლარული ფირფიტები გამოიყენება ერთი საწვავის უჯრედის მეორეზე დასაკავშირებლად და გაივლის დე-პოტენციურ დაჟანგვას. ბიპოლარული ფირფიტების დიდი პრობლემა მათი სტაბილურობაა. ლითონის ბიპოლარული ფირფიტები შეიძლება იყოს კოროზირებული და პროდუქტები (რკინა და ქრომის იონები) ამცირებენ საწვავის უჯრედის მემბრანებისა და ელექტროდების ეფექტურობას. მაშასადამე, დაბალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედები იყენებენ მსუბუქ ლითონებს, გრაფიტს და ნახშირბადის და თერმოსეტირების მასალის კომპოზიციურ ნაერთებს (თერმოსეტირების მასალა არის პლასტიკი, რომელიც მყარი რჩება მაღალი ტემპერატურის ზემოქმედების დროსაც) ბიპოლარული ფურცლის მასალის სახით.

საწვავის უჯრედების ეფექტურობა

დაბინძურების შემცირება არის საწვავის უჯრედის ერთ -ერთი მთავარი მიზანი. საწვავის უჯრედით მომუშავე ავტომობილის ბენზინის ძრავით აღჭურვილ მანქანასთან და ბატარეაზე მომუშავე ავტომობილის შედარებისას თქვენ ნახავთ, როგორ შეუძლია საწვავის უჯრედებს გააუმჯობესოს მანქანების ეფექტურობა.

ვინაიდან სამივე ტიპის მანქანას აქვს ბევრი ერთიდაიგივე კომპონენტი, ჩვენ უგულებელვყოფთ მანქანის ამ ნაწილს და შევადარებთ ეფექტურობას იმ წერტილამდე, სადაც მექანიკური ენერგია იწარმოება. დავიწყოთ საწვავის უჯრედის მანქანით.

თუ საწვავის უჯრედი იკვებება სუფთა წყალბადით, მისი ეფექტურობა შეიძლება იყოს 80 პროცენტამდე. ამრიგად, ის წყალბადის ენერგიის შემცველობის 80 პროცენტს გარდაქმნის ელექტროენერგიად. თუმცა, ჩვენ კვლავ უნდა გადავიყვანოთ ელექტროენერგია მექანიკურ მუშაობაში. ეს მიიღწევა ელექტროძრავით და ინვერტორით. ძრავის + ინვერტორის ეფექტურობა ასევე დაახლოებით 80 პროცენტია. ეს იძლევა საერთო ეფექტურობას დაახლოებით 80 * 80/100 = 64 პროცენტს. Honda– ს FCX კონცეფციის მანქანას აქვს ენერგოეფექტურობის 60 პროცენტი.

თუ საწვავის წყარო არ არის სუფთა წყალბადი, მაშინ მანქანას ასევე დასჭირდება რეფორმატორი. რეფორმატორები ნახშირწყალბადს ან ალკოჰოლის საწვავს წყალბად გარდაქმნიან. ისინი წარმოქმნიან სითბოს და წყალბადის გარდა წარმოქმნიან CO და CO2. ისინი იყენებენ სხვადასხვა მოწყობილობას წარმოებული წყალბადის გასაწმენდად, მაგრამ ეს გამწმენდი არასაკმარისია და ამცირებს საწვავის უჯრედის ეფექტურობას. ამრიგად, მკვლევარებმა გადაწყვიტეს ფოკუსირება მოახდინონ სუფთა წყალბადზე მომუშავე მანქანების საწვავის უჯრედებზე, მიუხედავად წყალბადის წარმოებასა და შენახვასთან დაკავშირებული პრობლემებისა.

ბენზინის ძრავის და მანქანის ეფექტურობა ელექტრო ბატარეებზე

ბენზინზე მომუშავე მანქანის ეფექტურობა საოცრად დაბალია. მთელი სითბო, რომელიც გამოდის გამონაბოლქვიდან ან შეიწოვება რადიატორის მიერ, არის ფუჭი ენერგია. ძრავა ასევე იყენებს უამრავ ენერგიას სხვადასხვა ტუმბოების, ვენტილატორების და გენერატორების დასაბრუნებლად, რომლებიც მუშაობენ. ამრიგად, საავტომობილო ბენზინის ძრავის საერთო ეფექტურობა დაახლოებით 20 პროცენტია. ამრიგად, ბენზინის თერმული ენერგიის შემცველობის მხოლოდ 20 პროცენტი გარდაიქმნება მექანიკურ სამუშაოდ.

ბატარეაზე მომუშავე ელექტრო მანქანას აქვს საკმაოდ მაღალი ეფექტურობა. ბატარეის ეფექტურობაა დაახლოებით 90 პროცენტი (ბატარეების უმეტესობა გამოიმუშავებს გარკვეულ რაოდენობას ან საჭიროებს გათბობას), ხოლო ელექტროძრავა + ინვერტორი, რომლის ეფექტურობაა დაახლოებით 80 პროცენტი. ეს იძლევა საერთო ეფექტურობას დაახლოებით 72 პროცენტს.

მაგრამ ეს ყველაფერი არ არის. იმისათვის, რომ ელექტრომობილი გადაადგილდეს, ელექტროენერგია ჯერ სადმე უნდა გამომუშავდეს. თუ ეს იყო ელექტროსადგური, რომელიც იყენებდა წიაღისეული საწვავის (და არა ბირთვული, ჰიდროელექტრონული, მზის ან ქარის ენერგიის) დაწვის პროცესს, მაშინ ელექტროსადგურის მიერ მოხმარებული საწვავის მხოლოდ 40 პროცენტი გარდაიქმნა ელექტროენერგიად. გარდა ამისა, მანქანის დატენვა მოითხოვს AC ენერგიის DC ენერგიაზე გადაყვანას. ამ პროცესის ეფექტურობაა დაახლოებით 90 პროცენტი.

ახლა, თუ გადავხედავთ მთელ ციკლს, ელექტრო ავტომობილის ეფექტურობა არის 72 პროცენტი თავად მანქანისთვის, 40 პროცენტი ელექტროსადგურისთვის და 90 პროცენტი მანქანის დატენვისთვის. ეს იძლევა საერთო ეფექტურობას 26 პროცენტს. საერთო ეფექტურობა მნიშვნელოვნად განსხვავდება იმისდა მიხედვით, თუ რომელი ელექტროსადგური გამოიყენება ბატარეის დასატენად. თუ მანქანისთვის ელექტროენერგია გამომუშავდება, მაგალითად, ჰიდროელექტროსადგურის მიერ, მაშინ ელექტრო მანქანის ეფექტურობა იქნება დაახლოებით 65 პროცენტი.

მეცნიერები იკვლევენ და აუმჯობესებენ დიზაინს, რათა გააგრძელონ საწვავის უჯრედის ეფექტურობის გაუმჯობესება. ერთი ახალი მიდგომა არის საწვავის უჯრედისა და ბატარეაზე მომუშავე ავტომობილების ინტეგრირება. შემუშავებულია კონცეპტუალური მანქანა, რომელიც იკვებება საწვავის უჯრედებით, ჰიბრიდული ძრავით. ის იყენებს ლითიუმის ბატარეას ავტომობილის გასამძაფრებლად, ხოლო საწვავის უჯრედი იტენება ბატარეას.

საწვავის უჯრედების მანქანები პოტენციურად ისეთივე ეფექტურია, როგორც ბატარეაზე მომუშავე მანქანა, რომელიც იტენება ელექტროსადგურიდან, რომელიც არ იყენებს წიაღისეულ საწვავს. მაგრამ ამ პოტენციალის მიღწევა პრაქტიკული და ხელმისაწვდომი გზით შეიძლება იყოს რთული.

რატომ გამოვიყენოთ საწვავის უჯრედები?

მთავარი მიზეზი არის ყველაფერი, რაც ზეთთან არის დაკავშირებული. ამერიკამ უნდა შემოიტანოს თავისი ნავთობის თითქმის 60 პროცენტი. 2025 წლისთვის, სავარაუდოდ, იმპორტი 68%-მდე გაიზრდება. ამერიკელები ყოველდღიურად იყენებენ ნავთობის ორ მესამედს ტრანსპორტირებისთვის. მაშინაც კი, თუ ქუჩაში ყველა მანქანა ჰიბრიდული მანქანა იქნებოდა, 2025 წლისთვის აშშ -ს კვლავ მოუწევდა იგივე რაოდენობის ნავთობის გამოყენება, რაც ამერიკელებმა 2000 წელს მოიხმარეს. მართლაც, ამერიკა მოიხმარს მსოფლიოს ნავთობის მეოთხედს, თუმცა აქ ცხოვრობს მსოფლიოს მოსახლეობის მხოლოდ 4.6%.

ექსპერტები ვარაუდობენ, რომ ნავთობის ფასი გაიზრდება მომდევნო რამდენიმე ათწლეულის განმავლობაში, რადგან იაფი წყაროები იწურება. ნავთობკომპანიებმა უნდა განავითარონ ნავთობის საბადოები უფრო რთულ გარემოში, რაც გაზრდის ნავთობის ფასებს.

შიშები სცილდება ეკონომიკურ უსაფრთხოებას. ნავთობის გაყიდვიდან მიღებული ბევრი თანხა იხარჯება საერთაშორისო ტერორიზმის, რადიკალური პოლიტიკური პარტიების შენარჩუნებაზე და ნავთობმომპოვებელ რეგიონებში არასტაბილურ მდგომარეობაზე.

ნავთობისა და სხვა წიაღისეული საწვავის ენერგიის გამოყენება დაბინძურებას იწვევს. ყველასთვის შესაფერისია ალტერნატივის პოვნა - წიაღისეული საწვავის ენერგიის წვა.

საწვავის უჯრედები ნავთობზე დამოკიდებულების მიმზიდველი ალტერნატივაა. დაბინძურების ნაცვლად, საწვავის უჯრედები წარმოქმნიან სუფთა წყალს, როგორც პროდუქტს. მიუხედავად იმისა, რომ ინჟინრები დროებით აქცენტს აკეთებენ წყალბადის წარმოებაზე სხვადასხვა წიაღისეული წყაროებიდან, როგორიცაა ბენზინი ან ბუნებრივი აირი, წყალბადის წარმოების განახლებადი, ეკოლოგიურად სუფთა გზები მომავალში იკვლევს. ყველაზე პერსპექტიული, ბუნებრივია, იქნება წყლისგან წყალბადის წარმოების პროცესი.

ნავთობზე დამოკიდებულება და გლობალური დათბობა საერთაშორისო პრობლემაა. რამდენიმე ქვეყანა ერთობლივად არის ჩართული საწვავის უჯრედების ტექნოლოგიის კვლევისა და განვითარების შემუშავებაში.

ცხადია, მეცნიერებსა და მწარმოებლებს უწევთ ბევრი შრომა, სანამ საწვავის უჯრედები გახდებიან ენერგიის წარმოების თანამედროვე მეთოდების ალტერნატივა. მიუხედავად ამისა, მსოფლიო მხარდაჭერით და გლობალური თანამშრომლობით, სიცოცხლისუნარიანი საწვავის უჯრედების ენერგეტიკული სისტემა შეიძლება რეალობად იქცეს რამდენიმე ათწლეულში.

შინაგანი წვის ძრავების სხვადასხვა ტიპის არსებობის მსგავსად, არსებობს სხვადასხვა ტიპის საწვავის უჯრედები - საწვავის უჯრედის შესაბამისი ტიპის არჩევანი დამოკიდებულია აპლიკაციაზე.

საწვავის უჯრედები იყოფა მაღალ და დაბალ ტემპერატურაზე. დაბალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედებისაწვავად მოითხოვს შედარებით სუფთა წყალბადს. ეს ხშირად ნიშნავს იმას, რომ საწვავის დამუშავება საჭიროა პირველადი საწვავის (მაგალითად, ბუნებრივი გაზის) სუფთა წყალბადის გარდაქმნისათვის. ეს პროცესი მოიხმარს დამატებით ენერგიას და მოითხოვს სპეციალურ აღჭურვილობას. მაღალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედებიარ სჭირდებათ ეს დამატებითი პროცედურა, რადგან მათ შეუძლიათ განახორციელონ საწვავის „შიდა გარდაქმნა“ მომატებულ ტემპერატურაზე, რაც იმას ნიშნავს, რომ არ არის საჭირო წყალბადის ინფრასტრუქტურაში ინვესტიციის ჩადება.

საწვავის უჯრედები გამდნარი კარბონატის საფუძველზე (RKTE)

გამდნარი კარბონატული ელექტროლიტური საწვავის უჯრედები მაღალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედებია. მაღალი საოპერაციო ტემპერატურა საშუალებას იძლევა ბუნებრივი აირი გამოიყენოს უშუალოდ პროცესორის გარეშე და საწვავის გაზი დაბალი კალორიული ღირებულებით წარმოების პროცესში საწვავებში და სხვა წყაროებიდან. ეს პროცესი განვითარდა 1960-იანი წლების შუა ხანებში. მას შემდეგ გაუმჯობესდა წარმოების ტექნოლოგია, შესრულება და საიმედოობა.

RKTE– ს მოქმედება განსხვავდება სხვა საწვავის უჯრედებისგან. ეს უჯრედები იყენებენ ელექტროლიტს გამდნარი კარბონატული მარილების ნარევიდან. ამჟამად გამოიყენება ორი სახის ნარევი: ლითიუმის კარბონატი და კალიუმის კარბონატი ან ლითიუმის კარბონატი და ნატრიუმის კარბონატი. კარბონატული მარილების დნობისთვის და ელექტროლიტში იონების მობილობის მაღალი ხარისხის მისაღწევად, გამდნარი კარბონატული ელექტროლიტით საწვავის უჯრედები მუშაობენ მაღალ ტემპერატურაზე (650 ° C). ეფექტურობა მერყეობს 60-80%-მდე.

650 ° C- მდე გაცხელებისას მარილები ხდება გამტარი კარბონატული იონებისათვის (CO 3 2-). ეს იონები კათოდიდან ანოდზე გადადიან, სადაც ისინი წყალბადს აერთიანებენ და ქმნიან წყალს, ნახშირორჟანგს და თავისუფალ ელექტრონებს. ეს ელექტრონები უკან მიედინება კათოდში გარე ელექტრული წრის საშუალებით, წარმოქმნის ელექტრულ დენს და სითბოს, როგორც პროდუქტს.

რეაქცია ანოდზე: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
რეაქცია კათოდზე: CO 2 + 1/2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
ელემენტის ზოგადი რეაქცია: H 2 (გ) + 1/2 O 2 (გ) + CO 2 (კათოდი) => H 2 O (გ) + CO 2 (ანოდი)

გამდნარი კარბონატული ელექტროლიტური საწვავის უჯრედების მაღალ ტემპერატურას აქვს გარკვეული უპირატესობა. მაღალ ტემპერატურაზე, ბუნებრივი გაზი რეფორმირდება შინაგანად, რაც გამორიცხავს საწვავის პროცესორის საჭიროებას. გარდა ამისა, სარგებელი მოიცავს კონსტრუქციის სტანდარტული მასალის გამოყენების შესაძლებლობას, როგორიცაა უჟანგავი ფოლადის ფურცელი და ნიკელის კატალიზატორი ელექტროდებზე. ნარჩენების სითბო შეიძლება გამოყენებულ იქნას მაღალი წნევის ორთქლის შესაქმნელად სხვადასხვა სამრეწველო და კომერციული მიზნებისთვის.

ელექტროლიტში რეაქციის მაღალ ტემპერატურას ასევე აქვს უპირატესობა. მაღალი ტემპერატურის გამოყენებას დიდი დრო სჭირდება ოპტიმალური მუშაობის პირობების მისაღწევად და სისტემა უფრო ნელა რეაგირებს ენერგიის მოხმარების ცვლილებებზე. ეს მახასიათებლები იძლევა საწვავის უჯრედის დანადგარების გამოყენებას გამდნარი კარბონატული ელექტროლიტით მუდმივი სიმძლავრის პირობებში. მაღალი ტემპერატურა ხელს უშლის ნახშირბადის მონოქსიდის დაზიანებას საწვავის უჯრედში, "მოწამვლას" და ა.შ.

გამდნარი კარბონატული ელექტროლიტური საწვავის უჯრედები შესაფერისია დიდი სტაციონარული დანადგარებისთვის. ინდუსტრიულად იწარმოება თბოელექტროსადგურები, რომელთა სიმძლავრეა 2.8 მეგავატი. მუშავდება დანადგარები, რომელთა სიმძლავრეა 100 მეგავატი.

ფოსფორის მჟავის საწვავის უჯრედები (FCTE)

ფოსფორის (ორთოფოსფორის) მჟავა საწვავის უჯრედები იყო პირველი საწვავის უჯრედები კომერციული გამოყენებისთვის. ეს პროცესი შემუშავდა 1960-იანი წლების შუა ხანებში და შემოწმებულია 1970-იანი წლებიდან. მას შემდეგ სტაბილურობა გაიზარდა, შესრულება შემცირდა და ღირებულება შემცირდა.

ფოსფორის (ორთოფოსფორის) მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედები იყენებენ ფოსფორმჟავაზე დაფუძნებულ ელექტროლიტს (H 3 PO 4) 100%-მდე კონცენტრაციით. ფოსფორის მჟავის იონური გამტარობა დაბალია დაბალ ტემპერატურაზე, რის გამოც ეს საწვავის უჯრედები გამოიყენება 150–220 ° C ტემპერატურამდე.

ამ ტიპის საწვავის უჯრედში მუხტის მატარებელია წყალბადი (H +, პროტონი). მსგავსი პროცესი ხდება საწვავის უჯრედებში პროტონის გაცვლის გარსით (MOPTE), რომლის დროსაც ანოდისათვის მიწოდებული წყალბადი იყოფა პროტონებად და ელექტრონებად. პროტონები მოძრაობენ ელექტროლიტში და აერთიანებენ ჟანგბადს ჰაერიდან კათოდში და ქმნიან წყალს. ელექტრონები მიედინება გარე ელექტრული წრის საშუალებით, წარმოქმნის ელექტრულ დენს. ქვემოთ მოცემულია რეაქციები, რომლებიც წარმოქმნიან ელექტროენერგიას და სითბოს.

რეაქცია ანოდზე: 2H 2 => 4H + + 4e -
რეაქცია კათოდზე: O 2 (გ) + 4H + + 4e - => 2H 2 O
ელემენტის ზოგადი რეაქცია: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

ფოსფორის (ორთოფოსფორის) მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედების ეფექტურობა 40% -ზე მეტია ელექტროენერგიის გამომუშავებისას. კომბინირებული სითბოს და ენერგიის გამომუშავებით, საერთო ეფექტურობაა დაახლოებით 85%. გარდა ამისა, საოპერაციო ტემპერატურის გათვალისწინებით, ნარჩენების სითბო შეიძლება გამოყენებულ იქნას წყლის გასათბობად და ორთქლის წარმოქმნის ატმოსფერულ წნევაზე.

სითბოს და ელექტროსადგურების მაღალი მოქმედება საწვავის უჯრედებზე ფოსფორის (ორთოფოსფორის) მჟავაზე დაფუძნებული სითბოს და ელექტროენერგიის კომბინირებულ წარმოებაში არის ამ ტიპის საწვავის უჯრედების ერთ -ერთი უპირატესობა. მცენარეები იყენებენ ნახშირბადის მონოქსიდს დაახლოებით 1.5%კონცენტრაციით, რაც მნიშვნელოვნად აფართოებს საწვავის არჩევანს. გარდა ამისა, CO 2 არ ახდენს გავლენას ელექტროლიტზე და საწვავის უჯრედის მუშაობაზე; ამ ტიპის უჯრედი მუშაობს რეფორმირებული ბუნებრივი საწვავით. მარტივი დიზაინი, დაბალი ელექტროლიტური არასტაბილურობა და გაზრდილი სტაბილურობა ასევე ამ ტიპის საწვავის უჯრედების უპირატესობაა.

ინდუსტრიულად იწარმოება თბოელექტროსადგურები, რომელთა სიმძლავრე 400 კვტ -მდეა. შესაბამისად, ტესტირებულია 11 მგვტ სიმძლავრის ერთეული. მუშავდება დანადგარები, რომელთა სიმძლავრეა 100 მეგავატი.

მემბრანული პროტონის გაცვლის საწვავის უჯრედები (MOPTE)

გარსის საწვავის უჯრედები ითვლება ავტომობილის სიმძლავრის საწვავის უჯრედის საუკეთესო ტიპად, რომელსაც შეუძლია შეცვალოს ბენზინისა და დიზელის შიდა წვის ძრავები. ეს საწვავის უჯრედები პირველად გამოიყენა ნასამ ტყუპების პროგრამისთვის. დღეს ვითარდება და დემონსტრირდება MOPTE ერთეულები 1W– დან 2 კვტ – მდე სიმძლავრით.

ეს საწვავის უჯრედები იყენებენ მყარ პოლიმერულ გარსს (თხელი პლასტიკური ფილმი) ელექტროლიტად. წყლით გაჟღენთილი ეს პოლიმერი საშუალებას აძლევს პროტონებს გაიარონ, მაგრამ არ ატარებენ ელექტრონებს.

საწვავი არის წყალბადი, ხოლო მუხტის მატარებელი არის წყალბადის იონი (პროტონი). ანოდზე წყალბადის მოლეკულა იყოფა წყალბადის იონად (პროტონად) და ელექტრონებად. წყალბადის იონები გადის ელექტროლიტში კათოდამდე, ხოლო ელექტრონები მოძრაობენ გარეთა წრეზე და წარმოქმნიან ელექტრო ენერგიას. ჟანგბადი, რომელიც აღებულია ჰაერიდან, მიეწოდება კათოდს და აერთიანებს ელექტრონებთან და წყალბადის იონებთან და ქმნის წყალს. ელექტროდებზე ხდება შემდეგი რეაქციები:

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

საწვავის უჯრედების სხვა ტიპებთან შედარებით, პროტონის გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედები წარმოქმნიან მეტ ენერგიას საწვავის უჯრედის მოცემული მოცულობის ან წონისთვის. ეს ფუნქცია მათ საშუალებას აძლევს იყოს კომპაქტური და მსუბუქი. გარდა ამისა, საოპერაციო ტემპერატურა 100 ° C- ზე ნაკლებია, რაც ოპერაციის სწრაფი დაწყების საშუალებას იძლევა. ეს მახასიათებლები, ისევე როგორც ენერგიის გამომუშავების სწრაფად შეცვლის უნარი, მხოლოდ ის მახასიათებლებია, რაც ამ საწვავის უჯრედებს ხდის ავტომობილის გამოყენების მთავარ კანდიდატს.

კიდევ ერთი უპირატესობა ის არის, რომ ელექტროლიტი არის მყარი და არა თხევადი ნივთიერება. მყარი ელექტროლიტით უფრო ადვილია გაზების შენახვა კათოდსა და ანოდზე და, შესაბამისად, ასეთი საწვავის უჯრედების წარმოება უფრო იაფია. სხვა ელექტროლიტებთან შედარებით, მყარი ელექტროლიტის გამოყენებისას არ არსებობს ისეთი სირთულეები, როგორიცაა ორიენტაცია, ნაკლები პრობლემაა კოროზიის გამო, რაც იწვევს უჯრედისა და მისი კომპონენტების ხანგრძლივ ცხოვრებას.

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები (SOFC)

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები არის საწვავის უჯრედები, რომლებსაც აქვთ ყველაზე მაღალი ტემპერატურა. საოპერაციო ტემპერატურა შეიძლება შეიცვალოს 600 ° C- დან 1000 ° C- მდე, რაც სხვადასხვა სახის საწვავის გამოყენების საშუალებას იძლევა წინასწარი დამუშავების გარეშე. ასეთი მაღალი ტემპერატურის დასამუშავებლად გამოიყენება ელექტროლიტი თხელი, კერამიკული მყარი ლითონის ოქსიდი, ხშირად იტრიუმის და ცირკონიუმის შენადნობი, რომელიც ჟანგბადის იონების გამტარია (O 2 -). მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედების გამოყენების ტექნოლოგია ვითარდება 1950 -იანი წლების ბოლოდან. და აქვს ორი კონფიგურაცია: ბრტყელი და მილაკოვანი.

მყარი ელექტროლიტი უზრუნველყოფს გაზის ჰერმეტულად დახურულ გადასვლას ერთი ელექტროდიდან მეორეზე, ხოლო თხევადი ელექტროლიტები განლაგებულია ფოროვან სუბსტრატში. ამ ტიპის საწვავის უჯრედში მუხტის მატარებელია ჟანგბადის იონი (O 2 -). კათოდზე ჰაერიდან ჟანგბადის მოლეკულები იყოფა ჟანგბადის იონად და ოთხ ელექტრონად. ჟანგბადის იონები გადიან ელექტროლიტს და წყალბადთან ერთად ქმნიან ოთხ თავისუფალ ელექტრონს. ელექტრონები მიედინება გარე ელექტრული წრედის საშუალებით, წარმოქმნის ელექტრულ დენს და ნარჩენ სითბოს.

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

გამომუშავებული ელექტროენერგიის ეფექტურობა ყველაზე მაღალია ყველა საწვავის უჯრედთან შედარებით - დაახლოებით 60%. გარდა ამისა, მაღალი საოპერაციო ტემპერატურა საშუალებას იძლევა კომბინირებული სითბო და ენერგია გამოიმუშაოს მაღალი წნევის ორთქლი. მაღალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედის შეთავსება ტურბინთან შესაძლებელს ხდის ჰიბრიდული საწვავის უჯრედის შექმნას, რომელიც გაზრდის ელექტროენერგიის გამომუშავების ეფექტურობას 70%-მდე.

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები მუშაობენ ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე (600 ° C - 1000 ° C), რასაც დიდი დრო სჭირდება ოპტიმალური საოპერაციო პირობების მისაღწევად, ხოლო სისტემა უფრო ნელა რეაგირებს ენერგიის მოხმარების ცვლილებებზე. ასეთ მაღალ ტემპერატურაზე, კონვერტორი არ არის საჭირო საწვავიდან წყალბადის გამოსაყვანად, რაც საშუალებას აძლევს თბოელექტროსადგურს იმუშაოს შედარებით უწმინდური საწვავით, რომელიც წარმოიქმნება ნახშირის ან ნარჩენების აირების გაზიფიცირების შედეგად და ა. ასევე, ეს საწვავის უჯრედი შესანიშნავია მაღალი სიმძლავრის მუშაობისთვის, მათ შორის სამრეწველო და დიდი ცენტრალური ელექტროსადგურები. 100 კვტ სიმძლავრის ელექტროენერგიის მოდულები კომერციულად იწარმოება.

პირდაპირი მეთანოლის ჟანგვის საწვავის უჯრედები (POMTE)

საწვავის უჯრედების პირდაპირი მეთანოლის დაჟანგვით გამოყენების ტექნოლოგია გადის აქტიური განვითარების პერიოდს. იგი წარმატებით დამკვიდრდა მობილური ტელეფონების, ლეპტოპების კვების, ასევე პორტატული ენერგიის წყაროების შექმნის სფეროში. რისკენ არის მიმართული ამ ელემენტების სამომავლო გამოყენება.

საწვავის უჯრედების დიზაინი პირდაპირი მეთანოლის დაჟანგვით ჰგავს საწვავის უჯრედებს პროტონის გაცვლის გარსით (MOPTE), ე.ი. პოლიმერი გამოიყენება როგორც ელექტროლიტი, ხოლო წყალბადის იონი (პროტონი) გამოიყენება როგორც მუხტის მატარებელი. თუმცა, თხევადი მეთანოლი (CH 3 OH) ჟანგავს ანოდის წყლის თანდასწრებით CO 2, წყალბადის იონებისა და ელექტრონების გამოყოფით, რომლებიც მიედინება გარე ელექტრული წრის საშუალებით, რითაც წარმოქმნის ელექტრულ დენს. წყალბადის იონები გადიან ელექტროლიტს და რეაგირებენ ჟანგბადთან ჰაერიდან და ელექტრონებით გარე წრედან და ქმნიან წყალს ანოდზე.

რეაქცია ანოდზე: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
რეაქცია კათოდზე: 3/2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
ელემენტის ზოგადი რეაქცია: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O

ამ საწვავის უჯრედების განვითარება დაიწყო 1990 -იანი წლების დასაწყისში. გაუმჯობესებული კატალიზატორების და სხვა უახლესი ინოვაციების შემუშავებით, სიმძლავრე და ეფექტურობა გაიზარდა 40%-მდე.

ეს ელემენტები შემოწმებულია 50-120 ° C ტემპერატურის დიაპაზონში. მათი დაბალი საოპერაციო ტემპერატურა და კონვერტორი არ არის საჭირო, პირდაპირი დაჟანგვის მეთანოლის საწვავის უჯრედები საუკეთესო კანდიდატია როგორც მობილური ტელეფონებისთვის, ასევე სხვა სამომხმარებლო საქონლისა და საავტომობილო ძრავებისათვის. ამ ტიპის საწვავის უჯრედის უპირატესობა არის მისი მცირე ზომა, თხევადი საწვავის გამოყენების გამო და კონვერტორის საჭიროების არარსებობა.

ტუტე საწვავის უჯრედები (SHFC)

ტუტე საწვავის უჯრედები (ALFC) არის ერთ-ერთი ყველაზე შესწავლილი ტექნოლოგია, რომელიც გამოიყენება 1960-იანი წლების შუა პერიოდიდან. ნასას მიერ აპოლონისა და კოსმოსური შატლის პროგრამებში. ამ კოსმოსურ ხომალდებზე საწვავის უჯრედები წარმოქმნიან ელექტროენერგიას და სასმელ წყალს. ტუტე საწვავის უჯრედები ერთ -ერთი ყველაზე ეფექტური ელემენტია, რომელიც გამოიყენება ელექტროენერგიის წარმოებისთვის, ელექტროენერგიის გამომუშავების ეფექტურობა 70%-ს აღწევს.

ტუტე საწვავის უჯრედები იყენებენ ელექტროლიტს, ანუ კალიუმის ჰიდროქსიდის წყალხსნარს, რომელიც შეიცავს ფოროვან სტაბილიზირებულ მატრიქსში. კალიუმის ჰიდროქსიდის კონცენტრაცია შეიძლება განსხვავდებოდეს საწვავის უჯრედის მუშაობის ტემპერატურის მიხედვით, რომელიც მერყეობს 65 ° C– დან 220 ° C– მდე. SHFC– ში მუხტის მატარებელი არის ჰიდროქსილის იონი (OH -), რომელიც კათოდიდან გადადის ანოდზე, სადაც ის რეაგირებს წყალბადთან, წარმოქმნის წყალს და ელექტრონებს. ანოდზე წარმოქმნილი წყალი ბრუნდება კათოდში, ისევ წარმოქმნის იქ ჰიდროქსილის იონებს. საწვავის უჯრედში რეაქციების ეს სერია წარმოქმნის ელექტროენერგიას და, როგორც პროდუქტს, სითბოს:

რეაქცია ანოდზე: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
რეაქცია კათოდზე: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
სისტემის ზოგადი რეაქცია: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

SHFC– ების უპირატესობა ისაა, რომ ეს საწვავის უჯრედები ყველაზე იაფად იწარმოება, ვინაიდან კატალიზატორი, რომელიც საჭიროა ელექტროდებზე, შეიძლება იყოს ნებისმიერი ნივთიერება, რომელიც უფრო იაფია, ვიდრე სხვა საწვავის უჯრედების კატალიზატორებად გამოყენება. გარდა ამისა, SCFC– ები მოქმედებენ შედარებით დაბალ ტემპერატურაზე და ერთ – ერთი ყველაზე ეფექტური საწვავის უჯრედია - ამგვარმა მახასიათებლებმა შესაბამისად შეიძლება ხელი შეუწყოს ენერგიის გამომუშავების დაჩქარებას და საწვავის მაღალ ეფექტურობას.

SHFC– ის ერთ – ერთი დამახასიათებელი თვისებაა მისი მაღალი მგრძნობელობა CO 2 – ის მიმართ, რომელიც შეიძლება შეიცავდეს საწვავს ან ჰაერს. CO 2 რეაგირებს ელექტროლიტთან, სწრაფად მოწამლავს მას და მნიშვნელოვნად ამცირებს საწვავის უჯრედის ეფექტურობას. ამრიგად, SHTE– ს გამოყენება შემოიფარგლება დახურულ სივრცეებში, როგორიცაა სივრცე და წყალქვეშა მანქანები, ისინი უნდა მუშაობდნენ სუფთა წყალბადზე და ჟანგბადზე. უფრო მეტიც, მოლეკულები, როგორიცაა CO, H 2 O და CH 4, რომლებიც უსაფრთხოა სხვა საწვავის უჯრედებისთვის და საწვავიც კი ზოგიერთი მათგანისთვის, საზიანოა SHFC– ებისთვის.

პოლიმერული ელექტროლიტური საწვავის უჯრედები (PETE)

პოლიმერული ელექტროლიტური საწვავის უჯრედების შემთხვევაში, პოლიმერული მემბრანა შედგება პოლიმერული ბოჭკოებისგან წყლის რეგიონებით, რომლებშიც წყლის იონების H 2 O + (პროტონი, წითელი) გამტარობა მიმაგრებულია წყლის მოლეკულაზე. წყლის მოლეკულები ქმნიან პრობლემას მათი ნელი იონური გაცვლის გამო. აქედან გამომდინარე, საჭიროა წყლის მაღალი კონცენტრაცია როგორც საწვავში, ასევე გამოსასვლელ ელექტროდებში, რაც ზღუდავს სამუშაო ტემპერატურას 100 ° C- მდე.

მყარი მჟავა საწვავის უჯრედები (TKTE)

მყარი მჟავა საწვავის უჯრედებში ელექტროლიტი (C s HSO 4) არ შეიცავს წყალს. შესაბამისად, სამუშაო ტემპერატურაა 100-300 ° C. ჟანგბადის ანიონების SO 4 2- ბრუნვა საშუალებას აძლევს პროტონებს (წითელი) გადაადგილდნენ, როგორც ეს მოცემულია ფიგურაში. როგორც წესი, მყარი მჟავა საწვავის უჯრედი არის სენდვიჩი, რომელშიც მყარი მჟავა ნაერთის ძალიან თხელი ფენა მოთავსებულია ორ მჭიდროდ შეკუმშულ ელექტროდს შორის, რათა უზრუნველყოს კარგი კონტაქტი. როდესაც თბება, ორგანული კომპონენტი აორთქლდება, ტოვებს ელექტროდებს პორებში, ინარჩუნებს მრავალჯერადი კონტაქტის უნარს საწვავს (ან ჟანგბადს უჯრედების მეორე ბოლოში), ელექტროლიტსა და ელექტროდებს შორის.

ტრადიციული შიდა წვის ძრავას (ICE) აქვს მრავალი მნიშვნელოვანი ნაკლი, რაც აიძულებს მეცნიერებს ეძებონ ღირსეული შემცვლელი. ასეთი ალტერნატივის ყველაზე პოპულარული ვარიანტია ელექტროძრავა, მაგრამ ის არ არის ერთადერთი, რომელსაც შეუძლია კონკურენცია გაუწიოს შიდა წვის ძრავას. ეს სტატია ყურადღებას გაამახვილებს წყალბადის ძრავაზე, რომელიც სამართლიანად განიხილება საავტომობილო ინდუსტრიის მომავალად და შეუძლია გადაჭრას მავნე გამონაბოლქვის პრობლემა და საწვავის მაღალი ღირებულება.

Მოკლე ისტორია

იმისდა მიუხედავად, რომ გარემოს დაცვა მხოლოდ ახლა გახდა მასობრივი პრობლემა, მეცნიერები ადრე ფიქრობდნენ სტანდარტული შიდა წვის ძრავის შეცვლაზე. ამრიგად, წყალბადზე მომუშავე ძრავამ "დაინახა სამყარო" ჯერ კიდევ 1806 წელს, რასაც ხელი შეუწყო ფრანგმა გამომგონებელმა ფრანსუა ისააკ დე რივაზმა (მან წყალბადი აწარმოა წყლის ელექტროლიზით).

გავიდა რამდენიმე ათეული წელი და წყალბადის ძრავის პირველი პატენტი გაიცა ინგლისში (1841 წ.) და 1852 წელს გერმანელმა მეცნიერებმა შექმნეს შიდა წვის ძრავა, რომელსაც შეეძლო ჰაერ-წყალბადის ნარევზე მუშაობა.

ცოტა მოგვიანებით, ლენინგრადის ალყის დროს, როდესაც ბენზინი მწირი იყო და წყალბადი დიდი რაოდენობით იყო ხელმისაწვდომი, ტექნიკოსმა ბორის შელიშმა შესთავაზა გამოიყენოს ჰაერი-წყალბადის ნარევი ბურთიანი ბუშტების მუშაობისთვის. ამის შემდეგ, აეროსტატის ნიჟარების ყველა ICE გადავიდა წყალბადის ენერგიაზე და წყალბადზე მომუშავე მანქანების საერთო რაოდენობამ 600 ერთეულს მიაღწია.

მეოცე საუკუნის პირველ ნახევარში, წყალბადის ძრავების მიმართ საზოგადოების ინტერესი დაბალი იყო, მაგრამ 70 -იანი წლების საწვავის და ენერგეტიკული კრიზისის დადგომასთან ერთად, სიტუაცია მკვეთრად შეიცვალა. კერძოდ, 1879 წელს BMW– მ გამოუშვა პირველი მანქანა, რომელიც საკმაოდ წარმატებული იყო წყალბადზე (აფეთქებების და გამონაბოლქვი მილისგან წყლის ორთქლის გარეშე).

BMW– ს შემდეგ, სხვა მსხვილმა ავტომწარმოებლებმა დაიწყეს მუშაობა ამ მიმართულებით და გასული საუკუნის ბოლოსთვის თითქმის ყველა თავმოყვარე ავტო კომპანიას უკვე ჰქონდა წყალბადის საწვავზე მანქანის შემუშავების კონცეფცია. თუმცა, ნავთობის კრიზისის დასრულებასთან ერთად, საზოგადოების ინტერესი საწვავის ალტერნატიული წყაროების მიმართ გაქრა, თუმცა დღესდღეობით ის კვლავ იწყებს გაღვიძებას, რაც ეკოლოგიის დამსახურებაა მანქანის გამონაბოლქვი აირების ტოქსიკურობის შესამცირებლად.

უფრო მეტიც, ენერგიის ფასები და საწვავის დამოუკიდებლობის მოპოვების სურვილი მხოლოდ ხელს უწყობს თეორიული და პრაქტიკული კვლევების ჩატარებას მსოფლიოს მრავალი ქვეყნის მეცნიერების მიერ. ყველაზე აქტიურია BMW, General Motors, Honda Motor, Ford Motor.

Საინტერესო ფაქტი! წყალბადი არის ყველაზე უხვი ელემენტი სამყაროში, მაგრამ მისი პლანეტაზე მისი სუფთა სახით პოვნა ძალიან რთული იქნება.

წყალბადის ძრავის მუშაობის პრინციპი და ტიპები

წყალბადის ქარხანასა და ტრადიციულ ძრავებს შორის მთავარი განსხვავებაა საწვავის სითხის მიწოდების მეთოდი და სამუშაო ნარევის შემდგომი ანთება. ამავდროულად, ამწე მექანიზმის საპასუხო მოძრაობების სასარგებლო სამუშაოებად გარდაქმნის პრინციპი უცვლელი რჩება. იმის გათვალისწინებით, რომ საწვავის ზეთის წვა საკმაოდ ნელია, საწვავი-ჰაერის ნარევი ავსებს წვის პალატას, სანამ დგუში დაიკავებს მის უზენაეს პოზიციას (ე.წ. ზედა მკვდარი ცენტრი).

წყალბადის სწრაფი რეაქცია შესაძლებელს ხდის ინექციის დროის გადატანას იმ მომენტთან უფრო ახლოს, როდესაც დგუში იწყებს დაბრუნებას ქვედა მკვდარ ცენტრში. უნდა აღინიშნოს, რომ საწვავის სისტემაში წნევა სულაც არ იქნება მაღალი.

თუ წყალბადის ძრავისთვის იქმნება იდეალური საოპერაციო პირობები, მაშინ მას შეიძლება ჰქონდეს დახურული ტიპის საწვავის მიწოდების სისტემა, როდესაც ნარევის წარმოქმნის პროცესი ხდება ატმოსფერული ჰაერის ნაკადების მონაწილეობის გარეშე. ამ შემთხვევაში, შეკუმშვის ინსულტის შემდეგ, წყლის ორთქლი რჩება წვის პალატაში, რომელიც რადიატორის გავლით კონდენსირდება და ისევ ჩვეულებრივ წყალში გადაიქცევა.

ამასთან, ამ ტიპის მოწყობილობის გამოყენება შესაძლებელია მხოლოდ მაშინ, როდესაც მანქანას აქვს ელექტროლიზატორი, რომელიც წყალს გამოყოფს წყალს ჟანგბადთან მისი ხელახალი რეაქციისათვის. ამ დროისთვის, ძალიან რთულია ასეთი შედეგების მიღწევა. იგი გამოიყენება ძრავების სტაბილური მუშაობისთვის და მისი ორთქლები გამონაბოლქვი აირების ნაწილია.

ამრიგად, ელექტროსადგურის უპრობლემოდ დაწყება და მისი სტაბილური მოქმედება ოქსიჰიდროგენ გაზზე ატმოსფერული ჰაერის გამოყენების გარეშე ჯერჯერობით შეუძლებელი ამოცანაა. წყალბადის საავტომობილო ქარხნების ორი ვარიანტი არსებობს:წყალბადის საწვავის უჯრედების და წყალბადის შიდა წვის ძრავების საფუძველზე მომუშავე ერთეულები.

წყალბადის საწვავის უჯრედებზე დაფუძნებული ელექტროსადგურები

საწვავის უჯრედების მუშაობის პრინციპი ემყარება ფიზიკურ და ქიმიურ რეაქციებს. სინამდვილეში, ეს არის იგივე ტყვიის შესანახი ბატარეები, მაგრამ საწვავის უჯრედის ეფექტურობა ოდნავ აღემატება ბატარეას და არის დაახლოებით 45% (ზოგჯერ მეტი).

მემბრანა მოთავსებულია წყალბადის-ჟანგბადის საწვავის უჯრედის სხეულში (ის ატარებს მხოლოდ პროტონებს), რომელიც გამოყოფს კამერას ანოდთან და კამერას კათოდთან. წყალბადი შედის პალატაში ანოდთან ერთად, ხოლო ჟანგბადი შედის კათოდის პალატაში. თითოეული ელექტროდი წინასწარ არის დაფარული კატალიზატორის ფენით, რომელსაც ხშირად თამაშობენ პლატინით. როდესაც მას ექვემდებარება, მოლეკულური წყალბადი იწყებს ელექტრონების დაკარგვას.

ამავდროულად, პროტონები გარსის გავლით კათოდამდე მიდიან და ერთი და იგივე კატალიზატორის გავლენის ქვეშ აერთიანებენ გარედან მომდინარე ელექტრონებს. რეაქციის შედეგად წარმოიქმნება წყალი და ელექტრონები ანოდის პალატიდან გადადიან ძრავასთან დაკავშირებულ ელექტრულ წრეში. მარტივად რომ ვთქვათ, ჩვენ ვიღებთ ელექტრულ დენს, რომელიც აძლიერებს ძრავას.

საწვავის უჯრედებზე დაფუძნებული წყალბადის ძრავები ახლა გამოიყენება Niva მანქანებზე, რომლებიც აღჭურვილია Antel-1 ელექტროსადგურით და Lada 111 მანქანებით Antel-2 ერთეულით, რომლებიც შემუშავებულია ურალის ინჟინრების მიერ.პირველ შემთხვევაში, ერთი დატენვა საკმარისია 200 კილომეტრზე, ხოლო მეორეში - 350 კილომეტრზე.

უნდა აღინიშნოს, რომ წყალბადის ძრავების დიზაინში შემავალი ლითონების (პალადიუმი და პლატინა) მაღალი ღირებულების გამო, ასეთ დანადგარებს აქვთ ძალიან მაღალი ღირებულება, რაც მნიშვნელოვნად ზრდის იმ ავტომობილის ფასს, რომელზედაც ისინი დამონტაჟებულია.

Იცი?Toyota– მ საწვავის უჯრედების ტექნოლოგიაზე დაიწყო მუშაობა 20 წლის წინ. სწორედ იმ პერიოდში დაიწყო პრიუსის ჰიბრიდული პროექტი.

წყალბადის შიდა წვის ძრავები

ამ ტიპის ელექტროსადგური ძალიან ჰგავს დღეს გავრცელებულ პროპანის ძრავებს, ამიტომ, პროპანიდან წყალბადის საწვავზე გადასასვლელად, საკმარისია ძრავის უბრალოდ კონფიგურაცია. უკვე არსებობს ასეთი გადასვლის მრავალი მაგალითი, მაგრამ უნდა ითქვას, რომ ამ შემთხვევაში ეფექტურობა ოდნავ დაბალი იქნება, ვიდრე საწვავის უჯრედების გამოყენებისას. ამავდროულად, 1 კვტ წყალბადის ენერგიის მისაღებად საჭიროა ნაკლები, რაც სრულად ანაზღაურებს ამ მინუსს.

ამ ნივთიერების გამოყენება ჩვეულებრივი წვის ძრავში გამოიწვევს უამრავ პრობლემას. Პირველად, შეკუმშვის მაღალი ტემპერატურა "აიძულებს" წყალბადს მოახდინოს რეაქცია ძრავის ლითონის ნაწილებთან ან თუნდაც ძრავის ზეთთან. მეორეც, ცხელი გამონაბოლქვის კოლექტორთან კონტაქტის მცირე გაჟონვაც კი აუცილებლად გამოიწვევს ხანძარს.

ამ მიზეზით, წყალბადის სტრუქტურების შესაქმნელად გამოიყენება მხოლოდ მბრუნავი ტიპის ელექტროსადგურები, ვინაიდან მათი დიზაინი ამცირებს ხანძრის რისკს შესასვლელსა და გამონაბოლქვ კოლექტორებს შორის მანძილის გამო. ნებისმიერ შემთხვევაში, ყველა პრობლემა აქამდე იქნა გვერდის ავლით, რაც შესაძლებელს ხდის წყალბადის განხილვას, როგორც საკმაოდ პერსპექტიულ საწვავს.

წყალბადზე მომუშავე ავტომობილის კარგი მაგალითია ექსპერიმენტული BMW 750hL სედანი, რომლის კონცეფცია 2000 -იანი წლების დასაწყისში დაინერგა.მანქანა აღჭურვილია თორმეტი ცილინდრიანი სარაკეტო ძრავით, რომელიც საშუალებას აძლევს მანქანას დააჩქაროს 140 კმ / სთ. წყალბადი თხევადი ფორმით ინახება სპეციალურ ავზში და მისი ერთ -ერთი რეზერვი საკმარისია 300 კილომეტრზე. თუ ის მთლიანად მოხმარდება, სისტემა ავტომატურად გადადის ბენზინზე.

წყალბადის ძრავა დღეს ბაზარზეა

წყალბადის ძრავების მუშაობის სფეროში მეცნიერთა ბოლო კვლევებმა აჩვენა, რომ ისინი არა მხოლოდ ეკოლოგიურად სუფთაა (ელექტროძრავების მსგავსად), არამედ შეიძლება იყოს ძალიან ეფექტური შესრულების თვალსაზრისით. უფრო მეტიც, ტექნიკური მაჩვენებლების თვალსაზრისით, წყალბადის ელექტროსადგურები გვერდს უვლიან მათ ელექტრო კოლეგებს, რაც უკვე დადასტურებულია (მაგალითად, Honda Clarity).

ასევე უნდა აღინიშნოს, რომ Tesla Powerwall სისტემებისგან განსხვავებით, წყალბადის ანალოგებს აქვთ ერთი მნიშვნელოვანი ნაკლი: მზის ენერგიის გამოყენებით ბატარეის დატენვა უკვე შეუძლებელი იქნება, სამაგიეროდ თქვენ მოგიწევთ მოძებნოთ სპეციალური ბენზინგასამართი სადგური, რომელთაგან დღეს, თუნდაც გლობალური მასშტაბით, არც ისე ბევრია.

ახლა Honda Clarity გამოვიდა საკმაოდ შეზღუდულ პარტიაში და თქვენ შეგიძლიათ შეიძინოთ მანქანა მხოლოდ ამომავალი მზის მიწაზე, რადგან მანქანა ევროპასა და ამერიკაში გამოჩნდება მხოლოდ 2016 წლის ბოლოს.

საინტერესოა იცოდე!Power Exporter 9000 ალტერნატივა (სურვილისამებრ Honda Clarity– ით) შეუძლია ყველა საყოფაცხოვრებო ტექნიკის ჩართვა თითქმის ერთი კვირის განმავლობაში.

ასევე ჩვენს დროში იწარმოება სხვა მანქანები, რომლებიც იყენებენ წყალბადის საწვავს. მათ შორისაა Mazda RX-8 წყალბადი და BMW Hydrogen 7 (ჰიბრიდები, რომლებიც მუშაობენ თხევად წყალბადზე და ბენზინზე), ასევე Ford E-450 და MAN Lion City Bus.

სამგზავრო მანქანებს შორის დღეს წყალბადის მანქანების ყველაზე ცნობილი წარმომადგენლები არიან ავტომობილები. Mercedes-Benz GLC F-Cell(არსებობს ჩვეულებრივი საყოფაცხოვრებო ქსელიდან გადატენვის შესაძლებლობა, ხოლო ენერგიის მთლიანი რეზერვი არის დაახლოებით 500 კმ), ტოიოტა მირაი(ის მუშაობს მხოლოდ წყალბადზე და ერთი საწვავი საკმარისი უნდა იყოს 650 კილომეტრზე) და Honda fcx სიწმინდე(დეკლარირებული საკრუიზო მანძილი აღწევს 700 კმ -ს). მაგრამ ეს არ არის ყველაფერი, რადგან წყალბადზე მომუშავე მანქანებს ასევე აწარმოებენ სხვა კომპანიები, მაგალითად, Hyundai (Tucson FCEV).

წყალბადის ძრავების დადებითი და ძირითადი უარყოფითი მხარეები

ყველა თავისი უპირატესობით, არ შეიძლება ითქვას, რომ წყალბადის ტრანსპორტი მოკლებულია გარკვეულ ნაკლოვანებებს. კერძოდ, უნდა გვესმოდეს, რომ წყალბადის აალებადი ფორმა ოთახის ტემპერატურაზე და ნორმალური წნევა არის გაზის სახით, რაც იწვევს გარკვეულ სირთულეებს ასეთი საწვავის შენახვასა და ტრანსპორტირებაში. ანუ, სერიოზული პრობლემაა წყალბადის უსაფრთხო წყალსაცავების დიზაინში, რომელიც გამოიყენება როგორც საწვავი მანქანებისთვის.

გარდა ამისა, ამ ნივთიერების მქონე ბალონები საჭიროებს პერიოდულ შემოწმებას და სერტიფიცირებას, რომლის შესრულებაც შესაძლებელია მხოლოდ კვალიფიციური და ლიცენზირებული პერსონალის მიერ.ასევე ღირს ამ პრობლემებს წყალბადის ძრავის შენარჩუნების მაღალი ღირებულება, რომ აღარაფერი ვთქვათ ბენზინგასამართი სადგურების ძალიან შეზღუდულ რაოდენობაზე (ყოველ შემთხვევაში ჩვენს ქვეყანაში).

ნუ დაგავიწყდებათ, რომ წყალბადის მონტაჟი ზრდის მანქანის წონას, რის გამოც შეიძლება არ იყოს ისეთი მანევრირებადი, როგორიც გსურთ რომ იყოს. ამიტომ, ყოველივე ზემოაღნიშნულის გათვალისწინებით, კარგად დაფიქრდით: ღირს თუ არა წყალბადის მანქანის ყიდვა, ან ჯობია ახლავე გადადოთ.

თუმცა, უნდა ითქვას, რომ ასეთ გამოსავალს ბევრი უპირატესობა აქვს. Პირველადთქვენი მანქანა არ აბინძურებს გარემოს ტოქსიკური გამონაბოლქვი აირებით, მეორეცწყალბადის მასობრივ წარმოებას შეუძლია გადაჭრას საწვავის ფასების სწრაფად ცვალებადი პრობლემა და ჩვეულებრივი საწვავის სითხეების მომარაგების პრობლემა.

გარდა ამისა, მეთანის მილსადენები უკვე აშენებულია ბევრ ქვეყანაში და მათი ადვილად ადაპტირება შესაძლებელია წყალბადის სატუმბი ბენზინგასამართ სადგურებზე შემდგომი მიწოდებით. წყალბადის წარმოება შესაძლებელია როგორც მცირე მასშტაბით, ანუ ადგილობრივ დონეზე, ასევე დიდი რაოდენობით, დიდ, ცენტრალიზებულ საწარმოებში. წყალბადის წარმოების ზრდა იქნება დამატებითი სტიმული ამ ნივთიერების მარაგის გაზრდისთვის შიდა მიზნებისთვის (მაგალითად, სახლებისა და ოფისების გასათბობად).

გამოიწერეთ ჩვენი არხები

საწვავის უჯრედიარის ელექტროქიმიური მოწყობილობა გალვანური უჯრედის მსგავსი, მაგრამ მისგან განსხვავებული იმით, რომ ელექტროქიმიური რეაქციისთვის განკუთვნილი ნივთიერებები მას მიეწოდება გარედან - განსხვავებით გალვანურ უჯრედში ან ბატარეაში შენახული ენერგიის შეზღუდული რაოდენობისგან.

ბრინჯი 1 ზოგიერთი საწვავის უჯრედი

საწვავის უჯრედები გარდაქმნიან საწვავის ქიმიურ ენერგიას ელექტროენერგიად, გვერდის ავლით არაეფექტური წვის პროცესებს, რომლებიც დიდი დანაკარგებით მიმდინარეობს. ისინი წყალბადს და ჟანგბადს გარდაქმნიან ელექტროენერგიად ქიმიური რეაქციის შედეგად. ამ პროცესის შედეგად წარმოიქმნება წყალი და გამოიყოფა დიდი რაოდენობით სითბო. საწვავის უჯრედი ძალიან ჰგავს ბატარეას, რომლის დამუხტვაც შესაძლებელია და შემდგომ მისი ენერგიის დაზოგვა. საწვავის უჯრედის გამომგონებლად ითვლება უილიამ გროუვი, რომელმაც ის გამოიგონა ჯერ კიდევ 1839 წელს. ამ საწვავის უჯრედში გოგირდმჟავას ხსნარი გამოიყენებოდა როგორც ელექტროლიტი, ხოლო წყალბადი - როგორც საწვავი, რომელიც ჟანგბადთან ერთად იჟანგებოდა. ბოლო დრომდე, საწვავის უჯრედები გამოიყენებოდა მხოლოდ ლაბორატორიებში და კოსმოსურ ხომალდებზე.

ბრინჯი 2

ელექტროენერგიის სხვა გენერატორებისგან განსხვავებით, როგორიცაა შიდა წვის ძრავები ან ტურბინები, რომლებიც მუშაობენ გაზზე, ქვანახშირზე, საწვავზე და ა.შ., საწვავის უჯრედები არ წვავს საწვავს. ეს ნიშნავს ხმაურიანი მაღალი წნევის როტორებს, გამონაბოლქვის ხმაურს, ვიბრაციებს. საწვავის უჯრედები წარმოქმნიან ელექტროენერგიას ჩუმი ელექტროქიმიური რეაქციის საშუალებით. საწვავის უჯრედების კიდევ ერთი მახასიათებელია ის, რომ ისინი გარდაქმნიან საწვავის ქიმიურ ენერგიას პირდაპირ ელექტროენერგიად, სითბოსა და წყალში.

საწვავის უჯრედები ძალიან ეფექტურია და არ აწარმოებენ დიდი რაოდენობით სათბურის გაზებს, როგორიცაა ნახშირორჟანგი, მეთანი და აზოტის ოქსიდი. საწვავის უჯრედების მიერ წარმოქმნილი ერთადერთი გამონაბოლქვია წყალი ორთქლის სახით და მცირე რაოდენობით ნახშირორჟანგი, რომელიც საერთოდ არ გამოიყოფა თუ საწვავად გამოიყენება სუფთა წყალბადი. საწვავის უჯრედები იკრიბება შეკრებებად და შემდეგ ცალკეულ ფუნქციურ მოდულებში.

საწვავის უჯრედებს არ აქვთ მოძრავი ნაწილები (ყოველ შემთხვევაში უჯრედში) და ამიტომ არ ემორჩილებიან კარნოტის კანონს. ანუ, მათ ექნებათ 50% -ზე მეტი ეფექტურობა და განსაკუთრებით ეფექტურია დაბალი ტვირთის დროს. ამრიგად, საწვავის უჯრედების მანქანებს შეუძლიათ (და უკვე დადასტურებულია) საწვავის უფრო ეფექტური ვიდრე ჩვეულებრივი მანქანები მართვის რეალურ პირობებში.

საწვავის უჯრედი წარმოქმნის მუდმივ ძაბვის ელექტრულ დენს, რომლის გამოყენებაც შესაძლებელია ელექტროძრავის, განათების მოწყობილობების და სხვა ელექტრული სისტემების მართვაში.

არსებობს რამდენიმე ტიპის საწვავის უჯრედები, რომლებიც განსხვავდება გამოყენებული ქიმიური პროცესების მიხედვით. საწვავის უჯრედები ჩვეულებრივ კლასიფიცირდება მათი მიერ გამოყენებული ელექტროლიტების ტიპის მიხედვით.

ზოგიერთი ტიპის საწვავის უჯრედი არის პერსპექტიული გამოსაყენებლად ელექტროსადგურების ელექტროსადგურებისათვის, ზოგი კი პორტატული მოწყობილობებისთვის ან მანქანების მართვისთვის.

1. ტუტე საწვავის უჯრედები (SHFC)

ტუტე საწვავის უჯრედი- ეს არის ერთ -ერთი პირველი ელემენტი, რომელიც შემუშავდა. ტუტე საწვავის უჯრედები (ALFC) არის ერთ-ერთი ყველაზე შესწავლილი ტექნოლოგია ნასას მიერ აპოლონისა და კოსმოსური შატლის პროგრამებში 1960-იანი წლების შუა პერიოდიდან. ამ კოსმოსურ ხომალდებზე საწვავის უჯრედები წარმოქმნიან ელექტროენერგიას და სასმელ წყალს.

ბრინჯი 3

ტუტე საწვავის უჯრედები ერთ -ერთი ყველაზე ეფექტური ელემენტია, რომელიც გამოიყენება ელექტროენერგიის წარმოებისთვის, ელექტროენერგიის გამომუშავების ეფექტურობა 70%-ს აღწევს.

ტუტე საწვავის უჯრედები იყენებენ ელექტროლიტს, ანუ კალიუმის ჰიდროქსიდის წყალხსნარს, რომელიც შეიცავს ფოროვან სტაბილიზირებულ მატრიქსში. კალიუმის ჰიდროქსიდის კონცენტრაცია შეიძლება განსხვავდებოდეს საწვავის უჯრედის მუშაობის ტემპერატურის მიხედვით, რომელიც მერყეობს 65 ° C– დან 220 ° C– მდე. SHFC– ში მუხტის მატარებელი არის ჰიდროქსილის იონი (OH-), რომელიც კათოდიდან გადადის ანოდზე, სადაც ის რეაგირებს წყალბადთან, წარმოქმნის წყალს და ელექტრონებს. ანოდზე წარმოქმნილი წყალი ბრუნდება კათოდში, ისევ წარმოქმნის იქ ჰიდროქსილის იონებს. საწვავის უჯრედში რეაქციების ეს სერია წარმოქმნის ელექტროენერგიას და, როგორც პროდუქტს, სითბოს:

რეაქცია ანოდზე: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

კათოდური რეაქცია: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

სისტემის ზოგადი პასუხი: 2H2 + O2 => 2H2O

SHFC– ების უპირატესობა ის არის, რომ ეს საწვავის უჯრედები წარმოებაში ყველაზე იაფია, ვინაიდან კატალიზატორი, რომელიც საჭიროა ელექტროდებზე, შეიძლება იყოს ნებისმიერი ნივთიერება, რომელიც უფრო იაფია, ვიდრე სხვა საწვავის უჯრედებისთვის კატალიზატორებად გამოყენებული. გარდა ამისა, SCHE მუშაობს შედარებით დაბალ ტემპერატურაზე და ერთ -ერთი ყველაზე ეფექტურია.

SHFC– ის ერთ – ერთი დამახასიათებელი თვისებაა მისი მაღალი მგრძნობელობა CO2– ის მიმართ, რომელიც შეიძლება შეიცავდეს საწვავს ან ჰაერს. CO2 რეაგირებს ელექტროლიტთან, სწრაფად მოწამლავს მას და მნიშვნელოვნად ამცირებს საწვავის უჯრედის ეფექტურობას. აქედან გამომდინარე, SHTE– ს გამოყენება შემოიფარგლება დახურულ სივრცეებში, როგორიცაა სივრცე და წყალქვეშა მანქანები, ისინი მუშაობენ სუფთა წყალბადზე და ჟანგბადზე.

2. გამდნარი კარბონატის (RKTE) საფუძველზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედები

საწვავის უჯრედები გამდნარი კარბონატული ელექტროლიტითარის მაღალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედები. მაღალი საოპერაციო ტემპერატურა საშუალებას იძლევა ბუნებრივი აირი გამოიყენოს უშუალოდ პროცესორის გარეშე და საწვავის გაზი დაბალი კალორიული ღირებულებით წარმოების პროცესში საწვავებში და სხვა წყაროებიდან. ეს პროცესი განვითარდა მეოცე საუკუნის 60-იანი წლების შუა ხანებში. მას შემდეგ გაუმჯობესდა წარმოების ტექნოლოგია, შესრულება და საიმედოობა.

ბრინჯი 4

RKTE– ს მოქმედება განსხვავდება სხვა საწვავის უჯრედებისგან. ეს უჯრედები იყენებენ ელექტროლიტს გამდნარი კარბონატული მარილების ნარევიდან. ამჟამად გამოიყენება ორი სახის ნარევი: ლითიუმის კარბონატი და კალიუმის კარბონატი ან ლითიუმის კარბონატი და ნატრიუმის კარბონატი. კარბონატული მარილების დნობისთვის და ელექტროლიტში იონების მობილობის მაღალი ხარისხის მისაღწევად, გამდნარი კარბონატული ელექტროლიტით საწვავის უჯრედები მუშაობენ მაღალ ტემპერატურაზე (650 ° C). ეფექტურობა მერყეობს 60-80%-მდე.

650 ° C- მდე გაცხელებისას მარილები ხდება გამტარი კარბონატული იონებისათვის (CO32-). ეს იონები კათოდიდან ანოდამდე მიდიან, სადაც ისინი წყალბადს აერთიანებენ და ქმნიან წყალს, ნახშირორჟანგს და თავისუფალ ელექტრონებს. ეს ელექტრონები უკან მიედინება კათოდში გარე ელექტრული წრის საშუალებით, წარმოქმნის ელექტრულ დენს და სითბოს, როგორც პროდუქტს.

ანოდის რეაქცია: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

კათოდური რეაქცია: CO2 + 1 / 2O2 + 2e- => CO32-

ელემენტის ზოგადი რეაქცია: H2 (გ) + 1 / 2O2 (გ) + CO2 (კათოდი) => H2O (გ) + CO2 (ანოდი)

გამდნარი კარბონატული ელექტროლიტური საწვავის უჯრედების მაღალ ტემპერატურას აქვს გარკვეული უპირატესობა. უპირატესობა არის სტანდარტული მასალების გამოყენების შესაძლებლობა (უჟანგავი ფოლადის ფურცელი და ნიკელის კატალიზატორი ელექტროდებზე). ნარჩენების სითბო შეიძლება გამოყენებულ იქნას მაღალი წნევის ორთქლის შესაქმნელად. ელექტროლიტში რეაქციის მაღალ ტემპერატურას ასევე აქვს უპირატესობა. მაღალი ტემპერატურის გამოყენებას დიდი დრო სჭირდება ოპტიმალური მუშაობის პირობების მისაღწევად და სისტემა უფრო ნელა რეაგირებს ენერგიის მოხმარების ცვლილებებზე. ეს მახასიათებლები იძლევა საწვავის უჯრედის დანადგარების გამოყენებას გამდნარი კარბონატული ელექტროლიტით მუდმივი სიმძლავრის პირობებში. მაღალი ტემპერატურა ხელს უშლის საწვავის უჯრედის ნახშირბადის მონოქსიდის დაზიანებას, მოწამვლას და ა.

გამდნარი კარბონატული ელექტროლიტური საწვავის უჯრედები შესაფერისია დიდი სტაციონარული დანადგარებისთვის. ინდუსტრიულად იწარმოება თბოელექტროსადგურები, რომელთა სიმძლავრეა 2.8 მეგავატი. მუშავდება დანადგარები, რომელთა სიმძლავრეა 100 მეგავატი.

3. ფოსფორის მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედები (FCTE)

საწვავის უჯრედები ფოსფორის (ორთოფოსფორის) მჟავაზეა დაფუძნებულიგახდა პირველი საწვავის უჯრედები კომერციული გამოყენებისთვის. ეს პროცესი შემუშავდა მეოცე საუკუნის 60 -იანი წლების შუა ხანებში, ტესტები ტარდება მეოცე საუკუნის 70 -იანი წლებიდან. შედეგად, სტაბილურობა და შესრულება გაიზარდა და ღირებულება შემცირდა.

ბრინჯი 5

ფოსფორის (ორთოფოსფორის) მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედები იყენებენ ფოსფორმჟავაზე დაფუძნებულ ელექტროლიტს (H3PO4) 100%-მდე კონცენტრაციით. ფოსფორის მჟავის იონური გამტარობა დაბალია დაბალ ტემპერატურაზე, ამიტომ ეს საწვავის უჯრედები გამოიყენება 150-220 ° C ტემპერატურაზე.

ამ ტიპის საწვავის უჯრედში მუხტის მატარებელია წყალბადი (H +, პროტონი). მსგავსი პროცესი ხდება საწვავის უჯრედებში პროტონის გაცვლის გარსით (MOPTE), რომლის დროსაც ანოდისათვის მიწოდებული წყალბადი იყოფა პროტონებად და ელექტრონებად. პროტონები მოძრაობენ ელექტროლიტში და აერთიანებენ ჟანგბადს ჰაერიდან კათოდში და ქმნიან წყალს. ელექტრონები მიედინება გარე ელექტრული წრის საშუალებით, წარმოქმნის ელექტრულ დენს. ქვემოთ მოცემულია რეაქციები, რომლებიც წარმოქმნიან ელექტროენერგიას და სითბოს.

რეაქცია ანოდზე: 2H2 => 4H + + 4e

კათოდური რეაქცია: O2 (გ) + 4H + + 4e- => 2H2O

ელემენტის ზოგადი რეაქცია: 2H2 + O2 => 2H2O

ფოსფორის (ორთოფოსფორის) მჟავაზე დაფუძნებული საწვავის უჯრედების ეფექტურობა 40% -ზე მეტია ელექტროენერგიის გამომუშავებისას. კომბინირებული სითბოს და ენერგიის გამომუშავებით, საერთო ეფექტურობაა დაახლოებით 85%. გარდა ამისა, საოპერაციო ტემპერატურის გათვალისწინებით, ნარჩენების სითბო შეიძლება გამოყენებულ იქნას წყლის გასათბობად და ორთქლის წარმოქმნის ატმოსფერულ წნევაზე.

სითბოს და ელექტროსადგურების მაღალი მოქმედება საწვავის უჯრედებზე ფოსფორის (ორთოფოსფორის) მჟავაზე დაფუძნებული სითბოს და ელექტროენერგიის კომბინირებულ წარმოებაში არის ამ ტიპის საწვავის უჯრედების ერთ -ერთი უპირატესობა. მცენარეები იყენებენ ნახშირბადის მონოქსიდს დაახლოებით 1.5%კონცენტრაციით, რაც მნიშვნელოვნად აფართოებს საწვავის არჩევანს. მარტივი დიზაინი, დაბალი ელექტროლიტური არასტაბილურობა და გაზრდილი სტაბილურობა ასევე არის ასეთი საწვავის უჯრედების უპირატესობა.

ინდუსტრიულად იწარმოება თბოელექტროსადგურები, რომელთა სიმძლავრე 400 კვტ -მდეა. 11 მგვტ სიმძლავრის დანადგარებმა გაიარეს შესაბამისი ტესტები. მუშავდება დანადგარები, რომელთა სიმძლავრეა 100 მეგავატი.

4. საწვავის უჯრედები პროტონის გაცვლის გარსით (MOPTE)

საწვავის უჯრედები პროტონის გაცვლის გარსითითვლება საწვავის უჯრედების საუკეთესო ტიპად ავტომობილისთვის ენერგიის გამომუშავებისათვის, რომელსაც შეუძლია შეცვალოს ბენზინისა და დიზელის შიდა წვის ძრავები. ეს საწვავის უჯრედები პირველად გამოიყენა ნასამ ტყუპების პროგრამისთვის. MOPTE– ზე დამონტაჟებულია 1W– დან 2 კვტ სიმძლავრის სიმძლავრე.

ბრინჯი 6

ამ საწვავის უჯრედებში ელექტროლიტი არის მყარი პოლიმერული მემბრანა (თხელი პლასტიკური ფილმი). წყლით გაჟღენთილი ეს პოლიმერი საშუალებას აძლევს პროტონებს გაიარონ, მაგრამ არ ატარებენ ელექტრონებს.

საწვავი არის წყალბადი, ხოლო მუხტის მატარებელი არის წყალბადის იონი (პროტონი). ანოდზე წყალბადის მოლეკულა იყოფა წყალბადის იონად (პროტონად) და ელექტრონებად. წყალბადის იონები გადის ელექტროლიტში კათოდამდე, ხოლო ელექტრონები მოძრაობენ გარეთა წრეზე და წარმოქმნიან ელექტრო ენერგიას. ჟანგბადი, რომელიც აღებულია ჰაერიდან, მიეწოდება კათოდს და აერთიანებს ელექტრონებთან და წყალბადის იონებთან და ქმნის წყალს. ელექტროდებზე ხდება შემდეგი რეაქციები: რეაქცია ანოდზე: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e რეაქცია კათოდზე: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH უჯრედების საერთო რეაქცია: 2H2 + O2 => 2H2O სხვათან შედარებით საწვავის უჯრედების ტიპები, საწვავის უჯრედები პროტონის გაცვლის მემბრანა აწარმოებს მეტ ენერგიას საწვავის უჯრედის მოცემული მოცულობის ან წონისთვის. ეს ფუნქცია მათ საშუალებას აძლევს იყოს კომპაქტური და მსუბუქი. გარდა ამისა, საოპერაციო ტემპერატურა 100 ° C- ზე ნაკლებია, რაც ოპერაციის სწრაფი დაწყების საშუალებას იძლევა. ეს მახასიათებლები, ისევე როგორც ენერგიის გამომუშავების სწრაფად შეცვლის შესაძლებლობა, მხოლოდ რამოდენიმეა იმისა, რაც ამ საწვავის უჯრედებს ხდის ავტომობილის გამოყენების მთავარ კანდიდატად.

კიდევ ერთი უპირატესობა ის არის, რომ ელექტროლიტი არის მყარი და არა თხევადი. უფრო ადვილია გაზების შეკავება კათოდზე და ანოდზე მყარი ელექტროლიტით, ამიტომ ასეთი საწვავის უჯრედების წარმოება უფრო იაფია. მყარი ელექტროლიტის გამოყენებისას არ არსებობს ისეთი სირთულეები, როგორიცაა ორიენტაცია და ნაკლები პრობლემები კოროზიის წარმოქმნის გამო, რაც ზრდის უჯრედისა და მისი კომპონენტების სიცოცხლეს.

ბრინჯი 7

5. მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები (SOFC)

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედებიარის საწვავის უჯრედები ყველაზე მაღალი სამუშაო ტემპერატურით. საოპერაციო ტემპერატურა შეიძლება შეიცვალოს 600 ° C- დან 1000 ° C- მდე, რაც სხვადასხვა სახის საწვავის გამოყენების საშუალებას იძლევა წინასწარი დამუშავების გარეშე. ამ მაღალი ტემპერატურის დასაძლევად, ელექტროლიტი გამოიყენება თხელი, კერამიკული მყარი ლითონის ოქსიდი, ხშირად იტრიუმის და ცირკონიუმის შენადნობი, რომელიც ჟანგბადის (O2-) იონების გამტარია. მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედების გამოყენების ტექნოლოგია ვითარდება 1950 -იანი წლების ბოლოდან და აქვს ორი კონფიგურაცია: ბრტყელი და მილაკოვანი.

მყარი ელექტროლიტი უზრუნველყოფს გაზის ჰერმეტულად დახურულ გადასვლას ერთი ელექტროდიდან მეორეზე, ხოლო თხევადი ელექტროლიტები განლაგებულია ფოროვან სუბსტრატში. ამ ტიპის საწვავის უჯრედში მუხტის მატარებელია ჟანგბადის იონი (O2-). კათოდზე ჰაერიდან ჟანგბადის მოლეკულები იყოფა ჟანგბადის იონად და ოთხ ელექტრონად. ჟანგბადის იონები გადიან ელექტროლიტს და წყალბადთან ერთად ქმნიან ოთხ თავისუფალ ელექტრონს. ელექტრონები მიედინება გარე ელექტრული წრედის საშუალებით, წარმოქმნის ელექტრულ დენს და ნარჩენ სითბოს.

ბრინჯი რვა

რეაქცია ანოდზე: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

კათოდური რეაქცია: O2 + 4e- => 2O2-

ელემენტის ზოგადი რეაქცია: 2H2 + O2 => 2H2O

ელექტროენერგიის გამომუშავების ეფექტურობა ყველაზე მაღალია ყველა საწვავის უჯრედთან შედარებით - დაახლოებით 60%. გარდა ამისა, მაღალი საოპერაციო ტემპერატურა საშუალებას იძლევა კომბინირებული სითბო და ენერგია გამოიმუშაოს მაღალი წნევის ორთქლი. მაღალი ტემპერატურის საწვავის უჯრედის შეთავსება ტურბინთან შესაძლებელს ხდის ჰიბრიდული საწვავის უჯრედის შექმნას, რომელიც გაზრდის ელექტროენერგიის გამომუშავების ეფექტურობას 70%-მდე.

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედები მუშაობენ ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე (600 ° C-1000 ° C), რასაც დიდი დრო სჭირდება ოპტიმალური საოპერაციო პირობების მისაღწევად და სისტემა უფრო ნელა რეაგირებს ენერგიის მოხმარების ცვლილებებზე. ასეთ მაღალ ტემპერატურაზე, კონვერტორი არ არის საჭირო საწვავიდან წყალბადის გამოსაყვანად, რაც საშუალებას აძლევს თბოელექტროსადგურს იმუშაოს შედარებით უწმინდური საწვავით, რომელიც წარმოიქმნება ნახშირის ან ნარჩენების აირების გაზიფიცირების შედეგად და ა. ასევე, ეს საწვავის უჯრედი შესანიშნავია მაღალი სიმძლავრის მუშაობისთვის, მათ შორის სამრეწველო და დიდი ცენტრალური ელექტროსადგურები. 100 კვტ სიმძლავრის ელექტროენერგიის მოდულები კომერციულად იწარმოება.

6. საწვავის უჯრედები პირდაპირი მეთანოლის დაჟანგვით (POMTE)

საწვავის უჯრედები პირდაპირი მეთანოლის დაჟანგვითისინი წარმატებით გამოიყენება მობილური ტელეფონების, ლეპტოპების ელექტრომომარაგების სფეროში, ასევე პორტატული ენერგიის წყაროს შესაქმნელად, რისკენაც არის მიმართული ასეთი ელემენტების სამომავლო გამოყენება.

საწვავის უჯრედების დიზაინი პირდაპირი მეთანოლის დაჟანგვით მსგავსია საწვავის უჯრედების დიზაინის პროტონის გაცვლის მემბრანით (MOPTE), ე.ი. პოლიმერი გამოიყენება როგორც ელექტროლიტი, ხოლო წყალბადის იონი (პროტონი) გამოიყენება როგორც მუხტის მატარებელი. მაგრამ თხევადი მეთანოლი (CH3OH) იჟანგება ანოდის წყლის თანდასწრებით CO2, წყალბადის იონებისა და ელექტრონების გამოყოფით, რომლებიც მიმართულია გარე ელექტრული წრის გასწვრივ და წარმოიქმნება ელექტრული დენი. წყალბადის იონები გადიან ელექტროლიტს და რეაგირებენ ჟანგბადთან ჰაერიდან და ელექტრონებით გარე წრედან და ქმნიან წყალს ანოდზე.

რეაქცია ანოდზე: CH3OH + H2O => CO2 + 6H + + 6e რეაქცია კათოდზე: 3 / 2O2 + 6H + + 6e- => 3H2O ელემენტის ზოგადი რეაქცია: CH3OH + 3 / 2O2 => CO2 + 2H2O The ასეთი საწვავის უჯრედების განვითარება განხორციელდა მეოცე საუკუნის 90 – დან 90 წლამდე და მათი სიმკვრივე და ეფექტურობა გაიზარდა 40%–მდე.

ეს ელემენტები შემოწმებულია 50-120 ° C ტემპერატურის დიაპაზონში. დაბალი საოპერაციო ტემპერატურისა და კონვერტორის საჭიროების არარსებობის გამო, ასეთი საწვავის უჯრედები საუკეთესო კანდიდატია მობილური ტელეფონებისთვის და სხვა სამომხმარებლო საქონლისთვის, ასევე საავტომობილო ძრავებისთვის. მათი უპირატესობა ასევე მცირე ზომისაა.

7. პოლიმერული ელექტროლიტური საწვავის უჯრედები (PETE)

პოლიმერული ელექტროლიტური საწვავის უჯრედების შემთხვევაში, პოლიმერული მემბრანა შედგება პოლიმერული ბოჭკოებისგან წყლის რეგიონებით, რომლებშიც წყლის მოლეკულაზე მიმაგრებულია წყლის იონების გამტარობა H2O + (პროტონი, წითელი). წყლის მოლეკულები წარმოქმნიან პრობლემას იონების ნელი გაცვლის გამო. აქედან გამომდინარე, საჭიროა წყლის მაღალი კონცენტრაცია როგორც საწვავში, ასევე გამოსასვლელ ელექტროდებში, რაც ზღუდავს სამუშაო ტემპერატურას 100 ° C- მდე.

8. მყარი მჟავა საწვავის უჯრედები (TKTE)

მყარი მჟავა საწვავის უჯრედებში ელექტროლიტი (CsHSO4) არ შეიცავს წყალს. შესაბამისად, სამუშაო ტემპერატურაა 100-300 ° C. ოქსიანიონების ბრუნვა SO42- საშუალებას აძლევს პროტონებს (წითელი) გადაადგილდნენ, როგორც ეს მოცემულია ფიგურაში. როგორც წესი, მყარი მჟავა საწვავის უჯრედი არის სენდვიჩი, რომელშიც მყარი მჟავა ნაერთის ძალიან თხელი ფენა მოთავსებულია ორ მჭიდროდ შეკუმშულ ელექტროდს შორის, რათა უზრუნველყოს კარგი კონტაქტი. როდესაც თბება, ორგანული კომპონენტი აორთქლდება, ტოვებს ელექტროდებს პორებში, ინარჩუნებს მრავალჯერადი კონტაქტის უნარს საწვავს (ან ჟანგბადს უჯრედების მეორე ბოლოში), ელექტროლიტსა და ელექტროდებს შორის.

ბრინჯი ცხრა.

9. საწვავის უჯრედების უმნიშვნელოვანესი მახასიათებლების შედარება

ბრინჯი ათი

10. საწვავის უჯრედების გამოყენება მანქანებში

ბრინჯი თერთმეტი.

ბრინჯი 12

სერ უილიამ გროვმა ბევრი რამ იცოდა ელექტროლიზის შესახებ, ამიტომ მან ჰიპოთეზა წარმოადგინა, რომ პროცესის (რომელიც წყალს წყალში წყალბადსა და ჟანგბადში ყოფს ელექტროენერგიის გავლით), მას შეუძლია აწარმოოს, თუ პირიქით ხდება. ქაღალდზე გაანგარიშების შემდეგ, ის ექსპერიმენტულ ეტაპზე გადავიდა და შეძლო თავისი იდეების დამტკიცება. დადასტურებული ჰიპოთეზა შეიმუშავეს მეცნიერებმა ლუდვიგ მონდმა და მისმა თანაშემწემ ჩარლზ ლანგრმა, გააუმჯობესეს ტექნოლოგია და ჯერ კიდევ 1889 წელს დაარქვეს მას სახელი, რომელიც მოიცავდა ორ სიტყვას - "საწვავის უჯრედი".

ახლა ეს ფრაზა მტკიცედ შემოვიდა მძღოლების ყოველდღიურ ცხოვრებაში. თქვენ ნამდვილად გსმენიათ ეს ტერმინი "საწვავის უჯრედი" არაერთხელ. ინტერნეტში, ტელევიზიაში ახალ ამბებში სულ უფრო და უფრო ციმციმებენ ახალი სიტყვები. ისინი ჩვეულებრივ მოიხსენიებენ ისტორიებს უახლესი ჰიბრიდული მანქანების შესახებ ან ამ ჰიბრიდული მანქანების განვითარების პროგრამებს.

მაგალითად, 11 წლის წინ აშშ -ში ამოქმედდა პროგრამა "წყალბადის საწვავის ინიციატივა". პროგრამა მიზნად ისახავდა წყალბადის საწვავის უჯრედების განვითარებას და ინფრასტრუქტურულ ტექნოლოგიებს, რომლებიც საჭიროა საწვავის უჯრედების მანქანების პრაქტიკული და ეკონომიკურად სიცოცხლისუნარიანი 2020 წლისათვის. სხვათა შორის, ამ ხნის განმავლობაში, პროგრამისთვის გამოყოფილი იქნა 1 მილიარდ დოლარზე მეტი, რაც მიუთითებს სერიოზულ წილზე, რომელიც აშშ -ს ხელისუფლებამ განახორციელა.

ოკეანის მეორე მხარეს, ავტომწარმოებლები ასევე იყვნენ მზადყოფნაში, დაიწყეს ან განაგრძეს კვლევა საწვავის უჯრედების მანქანებზე. და კიდევ განაგრძო მუშაობა საიმედო საწვავის უჯრედების ტექნოლოგიაზე.

ამ სფეროში ყველაზე დიდი წარმატება ყველა მსოფლიო ავტომწარმოებელს შორის მიაღწია ორმა იაპონელმა ავტომწარმოებელმა და. მათი საწვავის უჯრედების მოდელები უკვე სერიულ წარმოებაში შევიდა, ხოლო მათი კონკურენტები მიჰყვებიან მათ უკან.

ამიტომ, საავტომობილო ინდუსტრიაში საწვავის უჯრედები გრძელვადიანია. განვიხილოთ ტექნოლოგიის პრინციპები და მისი გამოყენება თანამედროვე მანქანებში.

როგორ მუშაობს საწვავის უჯრედი

Სინამდვილეში, . ტექნიკური თვალსაზრისით, საწვავის უჯრედი შეიძლება განისაზღვროს, როგორც ელექტროქიმიური მოწყობილობა ენერგიის გარდაქმნისათვის. ის წყალბადისა და ჟანგბადის ნაწილაკებს წყალში გარდაქმნის, ამავდროულად წარმოქმნის ელექტროენერგიას, პირდაპირ დენს.

არსებობს მრავალი სახის საწვავის უჯრედი, ზოგი უკვე გამოიყენება მანქანებში, ზოგიც გადის კვლევის ტესტებს. მათი უმეტესობა წყალბადსა და ჟანგბადს იყენებს, როგორც ტრანსფორმაციისათვის საჭირო ძირითად ქიმიურ ელემენტებს.

მსგავსი პროცედურა ტარდება ჩვეულებრივ ბატარეაში, ერთადერთი განსხვავება ისაა, რომ მას უკვე აქვს ყველა საჭირო ქიმიური ნივთიერება, რომელიც საჭიროა კონვერტაციისთვის "ბორტზე", ხოლო საწვავის უჯრედი შეიძლება "დატენოს" გარე წყაროდან, რის გამოც პროცესი ელექტროენერგიის "გამომუშავება" შეიძლება გაგრძელდეს. წყლის ორთქლისა და ელექტროენერგიის გარდა, სითბო წარმოიქმნება, როგორც პროცედურის მეორე გვერდითი პროდუქტი.

წყალბადის-ჟანგბადის საწვავის უჯრედი პროტონის გაცვლის გარსით შეიცავს პროტონის გამტარ პოლიმერულ გარსს, რომელიც ჰყოფს ორ ელექტროდს-ანოდსა და კათოდს. თითოეული ელექტროდი ჩვეულებრივ არის ნახშირბადის ფირფიტა (მატრიცა) დამხმარე კატალიზატორით - პლატინით ან პლატინოიდების შენადნობით და სხვა კომპოზიციებით.

ანოდის კატალიზატორზე მოლეკულური წყალბადი იშლება და კარგავს ელექტრონებს. წყალბადის კათიონები გარსის გავლით გადადის კათოდამდე, მაგრამ ელექტრონები გადაეცემა გარე წრეს, ვინაიდან გარსი არ იძლევა ელექტრონების გავლის საშუალებას.

კათოდურ კატალიზატორზე ჟანგბადის მოლეკულა აერთიანებს ელექტრონს (რომელიც მიეწოდება გარე კომუნიკაციებიდან) და შემომავალ პროტონს და ქმნის წყალს, რომელიც არის ერთადერთი რეაქციის პროდუქტი (ორთქლის და / ან სითხის სახით).

wikipedia.org

აპლიკაცია მანქანებში

ყველა სახის საწვავის უჯრედიდან, როგორც ჩანს, ავტომობილის გამოყენების საუკეთესო კანდიდატი არის პროტონული გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედები, ან როგორც მათ დასავლეთში უწოდებენ, პოლიმერული გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედი (PEMFC). ამის ძირითადი მიზეზებია მისი სიმძლავრის მაღალი სიმკვრივე და შედარებით დაბალი ოპერაციული ტემპერატურა, რაც თავის მხრივ ნიშნავს იმას, რომ საწვავის უჯრედების ექსპლუატაციაში შესვლას დიდი დრო არ სჭირდება. ისინი სწრაფად ათბობენ და დაიწყებენ საჭირო რაოდენობის ელექტროენერგიის გამომუშავებას. იგი ასევე იყენებს ერთ -ერთ უმარტივეს რეაქციას ყველა ტიპის საწვავის უჯრედში.

ამ ტექნოლოგიის მქონე პირველი ავტომობილი შეიქმნა 1994 წელს, როდესაც Mercedes-Benz– მა წარმოადგინა MB100 NECAR1 (ახალი ელექტრო მანქანა 1) საფუძველზე. დაბალი სიმძლავრის გამოკლებით (მხოლოდ 50 კილოვატი), ამ კონცეფციის ყველაზე დიდი ნაკლი ის იყო, რომ საწვავის უჯრედმა აიღო ვანის სატვირთო ნაწილების მთელი მოცულობა.

ასევე, პასიური უსაფრთხოების თვალსაზრისით, ეს იყო საშინელი იდეა მასობრივი წარმოებისთვის, იმის გათვალისწინებით, რომ მასიური ავზი იყო საჭირო ბორტზე ზეწოლის ქვეშ აალებადი წყალბადით.

მომდევნო ათწლეულის განმავლობაში ტექნოლოგია განვითარდა და მერსედესის ერთ -ერთი უახლესი საწვავის უჯრედის კონცეფცია 115 ცხენის ძალა იყო. (85 კვტ) და დიაპაზონი დაახლოებით 400 კილომეტრია საწვავის შევსებამდე. რასაკვირველია, გერმანელები არ იყვნენ ერთადერთი პიონერები მომავლის საწვავის უჯრედების შემუშავებაში. არ დაივიწყოთ ორი იაპონელი, ტოიოტა და. ერთ -ერთი ყველაზე დიდი მანქანის მოთამაშე იყო Honda, რომელმაც წარმოადგინა წარმოების მანქანა წყალბადის საწვავის ელექტროსადგურით. FCX Clarity– ის ლიზინგი გაყიდვები შეერთებულ შტატებში დაიწყო 2008 წლის ზაფხულში, ცოტა მოგვიანებით, მანქანა გაიყიდა იაპონიაში.

ტოიოტა კიდევ უფრო შორს წავიდა მირაით, რომლის წყალბადის საწვავის უჯრედების მოწინავე სისტემას აშკარად შეუძლია ფუტურისტულ მანქანას მისცეს 520 კმ მანძილი ერთ ავზზე, რომლის საწვავიც შეიძლება ხუთ წუთზე ნაკლებ დროში, ჩვეულებრივი მანქანის მსგავსად. საწვავის მოხმარების მაჩვენებლები გააოცებს ნებისმიერ სკეპტიკოსს, ისინი წარმოუდგენელია, თუნდაც კლასიკური ელექტროსადგურის მქონე მანქანისთვის, ის მოიხმარს 3.5 ლიტრს, მიუხედავად იმ პირობებისა, რომლითაც მანქანა გამოიყენება, ქალაქში, გზატკეცილზე ან კომბინირებულ ციკლში.

რვა წელი გავიდა. ჰონდამ კარგად გამოიყენა ეს დრო. მეორე თაობის Honda FCX Clarity უკვე გაყიდვაშია. მისი საწვავის უჯრედების დასტები 33% -ით უფრო კომპაქტურია ვიდრე პირველი მოდელი, ხოლო სიმძლავრე გაიზარდა 60% -ით. Honda აცხადებს, რომ Clarity Fuel Cell– ის საწვავის უჯრედი და ინტეგრირებული ძრავა ზომით შედარებულია V6 ძრავასთან, რაც ადგილს ტოვებს ხუთი მგზავრისთვის და მათი ბარგით.

სავარაუდო მანძილი 500 კმ -ია, ხოლო ახალი ნივთების საწყისი ფასი უნდა დაფიქსირდეს 60,000 აშშ დოლარად. ძვირი? პირიქით, ძალიან იაფი ღირს. 2000 წლის დასაწყისში მსგავსი ტექნოლოგიის მქონე მანქანები 100 000 დოლარი ღირდა.