მნიშვნელოვანი სამეცნიერო შრომრბი

საწვავის უჯრედზე მომუშავე ავტომობილი

500-ზე ნაკლები წყალბადით მომუშავე მანქანა დარეგისტრირდა დიდ ბრიტანეთში ბოლო ათწლეულის განმავლობაში, მაგრამ წყალბადის საბჭომ (ინდუსტრიის ორგანო) იწინასწარმეტყველა, რომ 2030 წლისთვის გლობალურად შეიძლება 13 მილიონი საწვავის უჯრედის მანქანა იყოს ექსპლუატაციაში, მათ შორის 1 მილიონი ფურგონი, სატვირთო მანქანა და ავტობუსები. ბევრისთვის ეს დაუჯერებლად ჟღერს, თუ გავითვალისწინებთ, რომ დღემდე გლობალურად რეგისტრირებულია მხოლოდ 26000 საწვავის უჯრედის მანქანა, პლუს თითქმის 6000 ავტობუსი. საწვავის სადგურების რაოდენობა ასევე სწრაფად იზრდება.ბაზრის კვლევის მომავლის ბოლო ანგარიში პროგნოზირებს, რომ საწვავის უჯრედების მანქანების ბაზრის გლობალური ღირებულება 2030 წლისთვის 1,2 მილიარდი დოლარიდან 46 მილიარდ დოლარამდე გაიზრდება.

აშშ-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტის თანახმად, საწვავი უჯრედების ენერგოეფექტურუბა ძირითადად 40-დან 60%-ია. ეს უფრო მაღალია, ვიდრე ენერგიის გენერირების სხვა სისტემები.

ჩვეულებრივი შიგაწვის ძრავაზე დაფუძნებული ელექტროსადგური, როგორც წესი, გამოიმუშავებს ელექტროენერგიას ეფექტურობით 33-დან 35%-მდე, ხოლო საწვავის უჯრედების სისტემებს შეუძლიათ გამოიმუშაონ ელექტროენერგია 60%-მდე ეფექტურობით (და კიდევ უფრო მაღალი კოგენერაციასთან ერთად). მაგალითად ტუტიანი საწვავი უჯრედზე მუშაობისას (ფუნქციერებისას) 60-70ºC (140-158ºF) ტემპერატურის პირობებში მიიღწევა ყველაზე დიდი ენერგიის მიღების ეფექტურობა, რომელიც აღწევს 60% და სითბოს კომბინირებული გამოყენებით 87%-მდე ენერგია მიიღება.

საწვავის უჯრედების სახეები:

ყველა საწვავი უჯრედით: პირდაპირი-მეთანოლის; ტუტე საწვავის; ფოსფორის მჟავას; მდნარი კარბონატის; მყარი ოქსიდის; კომბინირებული სითბოს და დენის; რეგენერაციული ან შექცევადის და სხვა სახის საწვავის უჯრედით განხორციელებული ძირითადი ოპერაციები ერთნაირია და ისინი შემუშავებულია სხვადასხვა საჭიროებების დასაკმაყოფილებლად. საწვავი და დამუხტული სახეობები, რომლებიც მიგრირებენ ელექტროლიტში, შეიძლება განსხვავებული იყოს, მაგრამ პრინციპი იგივეა. დაჟანგვა ხდება ანოდზე, ხოლო შემცირება (განმუხტვა) ხდება კათოდზე. ორივე რეაქცია დაკავშირებულია დამუხტულ ნაწილაკთა სახეობებთან, რომელთაგან ერთი იონების მეშვეობით მიგრირებს ელექტროლიტის გზით, ხოლო მეორე ელექტრონების მეშვეობით მიედინება გარე წრეში.

პოლიმერული ელექტროლიტური მემბრანის (პემ) საწვავის უჯრედები, რომელსაც ასევე უწოდებენ პროტონების გაცვლის მემბრანის საწვავის უჯრედებს, ელექტროლიტად იყენებენ პროტონ გამტარ პოლიმერულ მემბრანას. წყალბადი ჩვეულებრივ გამოიყენება როგორც საწვავი. ეს უჯრედები მუშაობენ შედარებით დაბალ ტემპერატურაზე და შეუძლიათ სწრაფად შეცვალონ გამომავალი სიმძლავრე, რათა დააკმაყოფილონ ცვალებადი დენის მოთხოვნები. პემ საწვავის უჯრედები საუკეთესო კანდიდატია ავტომობილების კვებისათვის. ისინი ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას სტაციონარული ენერგიის წარმოებისთვის. თუმცა, დაბალი სამუშაო ტემპერატურის გამო, მათ არ შეუძლიათ უშუალოდ გამოიყენონ ნახშირწყალბადის საწვავი, როგორიცაა ბუნებრივი აირი, თხევადი ბუნებრივი აირი ან ეთანოლი. ეს საწვავი უნდა გარდაიქმნას წყალბადად საწვავის რეფორმატორში, რათა შესაძლებელი იყოს პემ საწვავის უჯრედის გამოყენება.

საწვავის უჯრედები მუშაობენ როგორც ბატარეები, მაგრამ ისინი არ განიმუხტებიან და არ საჭიროებენ დატენვას. ისინი აწარმოებენ ელექტროენერგიას და სითბოს, სანამ საწვავი მიეწოდება. საწვავის უჯრედი შედგება ორი ელექტროდისგან - უარყოფითი ელექტროდისაგან (ანუ ანოდი) და დადებითი ელექტროდისაგან (ანუ კათოდი), რომლებიც მოთავსებულნი არიან ელექტროლიტის გარშემოში.

საწვავი უჯრედი მუშაობს შემდეგნაირად:

1. წყალბადის ატომები შედიან ანოდში,
2. წყალბადის ატომები შიშვლდებიან (განმხოლოვდებიან) თავიანთი ელექტრონებისაგან,
3. დადებითად (პოზიტიურად) დამუხტული პროტონები გადიან (განჭოლავენ) მემბრანას (ტუტიან ელექტროლიტს) კათოდის მიმართულებით, ხოლო უარყოფითად (ნეგატიურად) დამუხტული ელექტრონები კი იძულებულნი არიან იმოძრაონ კათოდისაკენ წრედის გავლით და შესაბამისად წარმოქმნიან ელექტროდენს.
4. წრედის გავლის შემდეგ ელეტრონები უერთდებიან (კომბინირდებიან) წყალბადის პროტონებთან და ჰაერიდან შემოსული ჟანგბადთან, რომ წარმოქმნან საწვავი უჯრედის ქვეპროდუქტები: წყალი და სითბო.



საწვავიდან ენერგიის მოპოვებისთვის, საწვავის უჯრედები, ყველაზე ენერგოეფექტური მოწყობილობებია. საწვავის უჯრედებს შეუძლიათ იმუშაონ სხვადასხვა საწვავზე, მათ შორის წყალბადზე, ბუნებრივ აირზე და ბიოგაზზე.


საწვავის უჯრედის ტიპი, რომელსაც შეუძლია ყველაზე მეტი ელექტროენერგიის წარმოება, არის მდნარი კარბონატის საწვავის უჯრედი (MCFC). ეს ელემენტი იყენებს მაღალ სამუშაო ტემპერატურას დაახლოებით 650 °C და შეუძლია შექმნას ელექტრული სიმძლავრე სამ მეგავატამდე (მეგავატი 1000 კვტ ან 1000000 ვატი)



აშშ-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტის თანახმად, საწვავი უჯრედების ენერგოეფექტურუბა ძირითადად 40-დან 60%-ია. ეს უფრო მაღალია, ვიდრე ენერგიის გენერირების სხვა სისტემები.

საწვავის უჯრედზე დაფუძვნებული ელექრტრო ძრავას მუშაობის პრინციპის აღმწერი ვიდეო.